相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年11月5日提交的美国申请第12/940,748号以及 于2009年11月5日提交的美国临时申请第61/258,494号以及于2010年4 月5日提交的美国临时申请第61/321,089号的权益，其全部通过本引用以 它们的整体并入。
技术领域
本发明大体上涉及神经装置(neuraldevice)领域，并且更具体地涉及 神经装置领域中的改进的波导神经接口装置。
背景
神经科学的进步很大程度上依赖于技术的进步，技术的进步不断地提 供新的用于扰动神经回路和测量回路的响应的方法。一个最近的进步是使 用光基因(optogenetic)工具扰乱神经回路，特别是具有细胞类型特性的 神经回路。光基因创造用于神经集合的光学刺激的感光的离子通道，并且 因此允许实验者或医师以高精确度选择性地激发神经通道和/或抑制其他 的神经通道。光基因技术正在推动用于将光刺激与高强度神经记录结合的 新技术和产品的需求。皮质内光电装置或“光极”提供扰乱和监测能力的 最终的组合。然而，常规的光极装置的技术和应用是不成熟的并且低效率 的。工业系统是不可用的并且目前的技术具有在大多数实验中的限制。例 如，许多神经科学家修改可商购获得的光纤以用于在他们对光基因的研究 中的使用，但是这些具有限制了实际应用的缺点，包括具有仅一维的光输 出，以及由于由熔合的二氧化硅制造而导致是易碎的和危险的。此外，当 电极被放置在传导介质中并且被甚至在低强度照亮时产生电气伪像 (electricalartifact)，被称为贝克勒尔效应或光电化学效应。在贝克勒尔效 应中，入射光产生影响低频率电势的电流，由此搅乱某些神经记录应用。
因此，在包括神经错乱的临床治疗的神经接口领域中具有对创造改进 的波导神经接口装置的需要。本发明提供这样的改进的波导神经接口装 置。
附图简述
图1-6是第一优选的实施方案的波导神经接口装置的配置的变化形式 的示意图；
图7和8是第一优选的实施方案的波导神经接口装置的带支路变化形 式的示意图；
图9A-9C是分别优选的实施方案的波导神经接口装置的电路板的前视 示意图、侧视示意图和后视示意图；
图9D和9E是优选的实施方案的波导神经接口装置的电路板的变化形 式的示意图；
图10是第二优选的实施方案的波导神经接口装置的一个变化形式的 示意图；
图11A和11B分别是第二优选的实施方案的波导神经接口装置的另一 个变化形式的透视图和沿着图11A的线A-A取的横截面图的示意图；
图11C和11D分别是第二优选的实施方案的波导神经接口装置的另一 个变化形式的俯视图和沿着图11C的线B-B取的横截面图的示意图；
图12A是常规的光极的侧视示意图；
图12B和12C是第二优选的实施方案的波导神经接口装置的变化形式 的侧视示意图；
图12D是对于常规的光极和第二优选的实施方案的波导神经接口装置 的作为沿着波导部(waveguide)的深度或纵向距离的函数的光强度的曲线 图；
图13A-13D是第二优选的实施方案的波导神经接口装置的薄膜波导 部的制造工艺的示意图；
图14A-14D分别是第二优选的实施方案的波导神经接口装置的波导 部件、神经装置部件以及两个可能的被组装的透视图的示意图；
图15A-15E是制造优选的实施方案的波导神经接口装置的方法的示意 图；以及
图16是制造另一个优选的实施方案的波导神经接口装置的方法的示 意图。
优选实施方案的描述
本发明的优选的实施方案的以下描述不意图将本发明限制于这些优 选的实施方案，而是意图使任何本领域的技术人员能够制造和使用本发 明。如本文所使用的并且除非另有说明，术语“分散”(以及其的变体) 用于指代作为光的漫射、散射(例如单一事件的散射或多重事件的散射) 或任何合适的发射或改变方向的结果的光的分散。
1.第一优选的实施方案的波导神经接口装置
如图1和2中所示的，第一优选的实施方案的波导神经接口装置100 包括：神经装置110，其可植入在组织中并且包括电极部位的阵列112，电 极部位的阵列112与电极部位的阵列112的周围环境电连通，其中电极部 位的阵列112包括至少一个记录电极部位；以及波导部120，波导部120 被耦合于神经装置并且包括将光沿着纵向轴线传输并且再导向(redirect) 被传输的光以照亮被选择性地靶向的组织(selectivelytargetedtissue)的光 导向元件122。波导部120优选地与神经装置110分开地形成，将被传输 的光的至少一部分横向地远离纵向轴线再导向，并且记录电极部位优选地 被配置为对被照亮的组织进行取样。本实施方案的波导神经接口装置向神 经光电装置或“光极”的设计空间提供更大的灵活性和功能性。波导神经 接口装置可以提供一维的光学刺激型式(例如图1和图3-6)或至少一个 二维的光学刺激型式(例如图10和11)。波导神经接口装置优选地向这样 的光学刺激型式提供用于光基因技术的应用的神经记录能力。例如，装置 可以使对具有空间选择性的神经活动性以及对于神经集合的临床治疗和 机理研究有用的时间分辨率和持续时间的控制和监测成为可能。波导神经 接口装置100优选地用于在临床应用(例如帕金森症、癫痫症、忧郁症、 肥胖症、高血压的治疗，但是可以在任何其中刺激作为治疗是有用的疾病 中或任何适合的疾病中使用)中和/或在任何合适的研究应用(例如将行为 与神经集合的集中活动相联系和绘图)中提供光学刺激和神经监测。将高 度专用的二维和三维神经探针(具有电传感和/或刺激)与光学传感和/或 刺激组合可以显著地提高可能的实验应用和临床应用。波导神经接口装置 优选地可插入或可植入在神经组织，以及更优选地脑组织中，但是可以被 用于任何合适的组织。
神经装置110起作用以提供用于电极部位的阵列112的结构，且在某 些情况下提供用于波导神经接口装置向组织中的插入和/或植入的结构。神 经装置110可以是神经探针，例如在美国专利申请第2008/0208283号中描 述的，2008/0208283通过本引用以其整体并入。可选择地，神经装置110 可以是任何合适的神经探针或合适的结构。如图1-9中所示的，神经装置 110包括电极基材以及被耦合于电极基材的电极部位的阵列112。电极部位 的阵列112优选地包括对被照亮的组织进行取样的一个或多个记录电极部 位，并且还可以包括一个或多个提供电刺激的刺激电极部位。电极部位的 阵列112的至少一部分，特别是记录电极部位，优选地被定位为毗邻于波 导部120的光导向元件122，以避免直接照亮在电极部位上的方式，由此 减小或消除贝克勒耳效应对经过神经接口装置获得的信号的影响并且改 进神经接口装置中的数据收集的精确度。神经装置110优选地是实质上平 面的并且包括前部面以及在前部面后方或与前部面相反的背部面。虽然前 部面和背部面优选地是平坦的，但是神经装置110可以可选择地具有弯曲 的形状，例如其中前部面和/或背部面是凹形的、凸形的或波浪形的神经装 置110。在可选择的形式中，神经装置110是近似圆柱形的并且电极部位 112被排列为轴向地沿着和/或周向地围绕神经装置。神经装置110可以可 选择地具有任何合适的形状或横截面，例如椭圆形的或矩形的。神经装置 可以是柔性的(例如可以包括被耦合于电极基材的柔性的互相连接部)或 刚性的(例如电极基材被耦合于刚性的背衬、刚性的承载器或其他的刚性 结构)。
波导部120起作用以将光远离波导神经接口装置地再导向，以便光学 地刺激被靶向的组织。在某些实施方案中，如图6中所示的，波导部120 可以进一步地作为用于对插入组织中的波导神经接口装置提供结构支撑 的承载器或其他结构。在这些实施方案中，波导部120优选地是刚性的或 足够刚性以为了向组织中的插入提供支撑。例如，神经装置110可以是柔 性的神经探针基材，其中波导部120是相对地厚的和刚性的并且神经探针 基材是相对地薄的和/或柔性的。波导部120可以是成锥形的，朝向波导部 的远端端部变窄，以减小在向组织中的插入期间的组织破环。波导部120 优选地从光源沿着其纵向轴线接收光，但是可以可选择地以任何合适的方 式接收光。为了接收光，波导部可以具有相对大的横截面，以与提供光的 光连接器匹配。波导部120可以通过内部反射或任何合适的方法传输光。 波导部120可以是刚性的、半刚性的或柔性的。波导部120优选地是薄膜 结构，例如通过包括以下的多种合适的制造工艺中的一种或多种形成的薄 膜结构：微光机电系统(MOEMS)、光刻、微浮凸、热纳米压印光刻(NIL)、 组合的纳米压印和光刻(CNP)，和/或任何合适的制造工艺。用于这些制 造技术的示例性波导部材料包括但不限于有机材料，例如SU-8、聚甲基丙 烯酸甲酯(PMMA)、全氟聚合物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对二甲 苯，和/或无机材料，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅、氮氧化硅和二氧化 硅(silica)。然而，波导部可以可选择地是光纤或由任何合适的材料制造 的任何合适的光传输波导部。
如图1-6中所示的，波导部120优选地包括将光横向地远离波导部的 纵向轴线导向(即，被导向的光在具有垂直于波导部的纵向轴线的非零分 量的方向上被对准或传播)的光导向元件122。光导向元件122可以是多 个变化形式中的一个或多个，包括一个或多个折射、反射、聚焦和/或散射 光和/或进行光的任何合适的操纵的特征。在优选的实施方案中，波导部 120还包括内芯部(innercore)以及覆盖芯部的包层部(claddinglayer)， 并且芯部和包层材料优选地帮助沿着波导部的内部反射。波导部可以进行 光刻工艺，以成型包层和选择性地暴露芯部，使得波导部的光导向部分包 括被暴露的芯部。
在第一变化形式中，如图1B中所示的，光导向元件122包括以特定 的折射角将被传输的光远离波导部120地折射的折射器122a。折射器可以 被定位在波导部的远端端部处。例如，远端端部可以包括有角度的末端， 有角度的末端的形状被配置为折射被波导部传输的光。作为另一个实施 例，远端端部可以另外地和/或可选择地包括具有与波导部的其余部分不同 的折射率的材料。折射器122a可以另外地和/或可选择地被定位在沿着波 导部120的长度的任何合适的地点处。例如，如图2中所示的，波导部可 以包括一个或多个有角度的折射器122a，其每个通过折射使被传输的光的 一部分远离波导部120分布。光导向元件可以包括任何合适的数量的具有 任何合适的尺寸或形状的折射器。
在第二变化形式中，如图1C和4A中所示的，光导向元件包括将被传 输的光远离波导部120地反射或沿着纵向轴线反射回来的反射器122b。反 射器122b可以是反射性金属的薄膜、镜子或任何合适的类型的反射器。 该反射器的表面粗糙度可以被增加或减小以调整光路的方向性或聚焦。反 射器可以被定位在波导部120的远端端部处。例如，波导部的远端端部可 以包括成角度以将被传输的光以某个角度远离波导部地反射的反射器。作 为另一个实施例，波导部的远端端部可以包括将被传输的光沿着纵向轴线 在近端方向反射回来的反射器224，其可以被用于重新捕获“错过”或绕 过其他光导向元件的光。在本实施例中，被反射的光(如果不以这种方式 将被损失)优选地被给予另一个将被另一个光导向元件远离波导部120地 导向的机会，由此增加波导神经接口装置的效率。反射器122b可以另外 地和/或可选择地被定位在沿着波导部的长度的任何合适的位置。光导向元 件还可以包括任何合适的数量的反射器。
在第三变化形式中，如图1D中所示的，光导向元件包括将光聚焦至 远离波导部120的点的透镜122c。透镜122c可以是管状透镜或任何合适 的透镜，优选地被配置为将被传输的光会聚至在波导部120外部的焦点、 发散被传输的光，或以任何合适的方式导向被传输的光。透镜可以具有被 预选择以将光聚焦至被靶向的组织的焦距。可选择地，透镜可以具有可调 整的和/或可变的焦距，使透镜能够将光聚焦在远离波导部的可调整的距离 处，由此提供组织靶向的控制的另一个维度。可调整的透镜的实例包括温 度控制的透镜(例如液晶透镜)和电压控制的透镜(例如铁电透镜)。光 导向元件还可以包括任何合适的数量的可以被单独地制造并且模块化地 组装在装置孔114中的开口内部的透镜。
在第四变化形式中，光导向元件122包括将被传输的光远离波导部120 地散射或沿着纵向轴线散射回来的散射元件，散射元件在应用上相似于反 射器。散射元件可以包括分布的布拉格反射器、表面褶皱、光学分散覆层、 内嵌在波导部120中的光学分散分子，和/或任何合适的类型的散射元件。 光导向元件还可以包括任何合适的数量的散射元件。
波导部120可以包括一个或多个光导向元件122，并且如果具有多个 光导向元件，那么光导向元件可以是以任何合适的组合的变化形式中的一 个或多个。此外，波导部120可以包括以任何合适的型式纵向地和/或横向 地沿着波导部的多个光导向元件的排列，由此将被传输的光以任何合适的 方式远离波导部地分布。每个光导向元件可以从波导部上的不同点再导向 被传输的光的一部分。特别地，每个光导向元件可以在沿着波导部长度的 不同距离处再导向被传输的光的一部分。
在某些变化形式中，波导部120还可以包括滤波器，例如允许仅某个 带宽的光经过的滤波器。例如，在其中被照亮的组织的仅一部分被配置为 被某个颜色或波长刺激的应用中，允许该颜色或波长经过的滤波器可以因 此允许被照亮的组织的仅可接受部分被刺激，由此提供组织靶向的另一个 维度。
波导神经接口装置可以包括神经装置110、波导部120和一个或多个 光导向元件122的任何合适的组合。在波导神经接口装置的第一变化形式 中，如图1A-1D中所示的，电极部位的阵列112被定位在神经装置110的 前部面110a上，并且波导部120被耦合于或安装在神经装置110的背部面 110b上，其中神经装置的前部面110a可以是神经装置的任何合适的面(并 且可以被定义为包括电极部位的阵列的至少一部分的任意面)并且背部面 110b在前部面的相反的侧上(或“在其后方”)。“前部面”在本变化形式 中，神经装置110优选地包括在背部面和前部面之间延伸的孔114。孔114 优选地是通孔，但是可以包括任何合适的孔，例如光栅、网格状结构、滤 波器或任何合适的允许光通过的结构。孔可以另外地和/或可选择地包括允 许来自波导部的光通过的半透明材料。电极部位的阵列112和光导向元件 122优选地相对于孔114定位，使得波导部120的光导向元件将光再导向 经过孔114以照亮毗邻于电极部位的组织。例如，如图1A中所示的，电 极部位的阵列112可以围绕孔114的周长排列。光导向元件122可以包括 将光折射经过神经装置的孔的折射器、将光反射经过神经装置的孔的反射 器，和/或将光穿过孔而聚焦的透镜。神经装置110可以包括沿着神经装置 的长度并且相应于光导向元件而分布的另外的孔。
在波导神经接口装置的第二变化形式中，如图3和4中所示的，电极 部位的阵列112被定位在神经装置110的前部面110a上，并且波导部120 被耦合于或安装在神经装置的前部面上、毗邻于电极部位的阵列112。波 导部120可以包括光导向元件变化形式的任何组合中的一个或多个。例如， 被安装在前部的波导部包括在波导部的远端端部上的将光以照亮毗邻于 电极部位的阵列112的组织的角度折射和/或反射的折射器122a和/或反射 器122b光导向元件。作为另一个实施例，如图2中所示的，波导部120 可以包括沿着波导部的长度定位的一个或多个光导向元件，使得每个光导 向元件通过折射、反射、透镜或任何合适的光导向元件将被传输的光的至 少一部分远离波导部120而分布。
在波导神经接口装置的第三变化形式中，如图5中所示的，波导部120 横向地延伸超出电极基材或神经装置110的其他的部分。在本变化形式中， 光导向元件可以横向地延伸超出神经装置，并且包括如上文描述的折射 器、反射器、透镜和/或散射元件变化形式中的任何，或光导向元件的任何 合适的变化形式。
波导神经接口装置的其他的变化形式包括以上的变化形式的任何合 适的组合，例如其中电极部位的阵列112被定位在神经装置110的前部面 上并且波导部120既被耦合于具有孔的神经装置的背部面又横向地延伸超 出神经装置的一部分，使得某些被传输的光被经过孔远离波导部120地导 向并且某些被传输的光被从横向延伸部远离波导部地导向的变化形式。
波导部120优选地与神经装置110分开形成，并且在组装期间被耦合 于神经装置110，如下文描述的。然而，波导部可以可选择地与神经装置 一体地形成(例如在波导神经接口装置的制造期间以晶片水平)。
在某些实施方案中，波导神经接口装置可以包括被配置为与组织的不 同的靶向区域接口的多个支路和/或多个波导部。多个支路、多个波导部和 /或多个电极部位的阵列的模块化集成使组织的不同区域的靶向成为可能， 同时减小设备的总体尺寸和占用面积并且潜在地将多个外部连接部减少 至单一的外部连接部。例如，如图7中所示的，神经装置110可以包括第 一支路116a和第二支路116b，其中第一波导部120a被耦合于第一支路并 且第二波导部被耦合于第二支路。另外的波导部可以被以任何合适的方式 分布在神经装置的第一、第二或更多的支路上(例如，有两个波导部在一 个支路上并且第三个在另一个支路上，如图9D中所示的)。支路可以被定 位为相对于彼此从前部向后部和/或相对于彼此并排(图7)，或以任何合 适的取向。作为另一个实施例，如图8中所示的，神经装置110可以包括 经过颅骨中的不同的进入点的第一支路和第二支路，其中电极部位的阵列 112(或电极部位的阵列的子集，例如包括刺激电极部位和/或某些记录电 极部位的部分)被耦合于第一支路并且波导部被耦合于第二支路。神经装 置110的支路可以是柔性的或刚性的，例如在柔性的或刚性的基材上。可 选择地，支路的在单一的神经装置上的一部分可以是柔性的，而支路的另 一个部分可以是刚性的。
波导神经接口装置优选地还包括与电极部位的阵列112和波导部120 中的至少一个接口的电路板130。如图9A-9C中所示的，电路板优选地是 双面的(或“双侧的”)并且包括具有与电极部位的阵列112接口的电气部 件132的电气面(electricalface)130a以及具有与波导部120接口的光学 部件134的光学面130b。电路板可以是具有两个面的单一的板或被紧固件、 粘合剂或以任何合适的方式背靠背地耦合的两个板。通过分离电气部件和 光学部件，电路板可以允许在电路板上的空间的最大化并且减少噪音耦 合。波导部120优选地直接地耦合于电路板的光学面130b并且神经装置 110优选地直接地耦合于电路板的电气面。这种“模块化”的耦合组装可 以被特征辅助以改进部件对准，例如基准标记、凸台和/或相应的对准洞 142。可选择地，如图9D中所示的，电路板可以包括具有电气部件132的 电气区域以及具有光学部件134的光学区域，其中电气区域和光学区域二 者都位于电路板130的同一个面或侧上。在另一个变化形式中，电路板的 每个面可以包括电气部件和光学部件的混合(即每个面包括总的电气部件 的一部分和总的光学部件的一部分)。在一个变化形式中，电路板可以包 括被折叠在电路板的主要的面上的折叠部分。例如，折叠部分可以包括当 折叠部分被折叠在电路板的主要的面上时接合并且耦合于波导部120的光 源136。在另一个变化形式中，如图9E中所示的，电路板可以包括夹住波 导部和/或神经装置的两个面(电路板可以折叠或包括两个分离的夹住件)， 这可以有利地允许电路板的模块化的构造并且减少在电路板上的噪音耦 合或其他的伴随的相互作用。电气部件132优选地包括各种无源的或有源 的电气部件、用于电极部位的阵列的接合焊盘、用于将神经装置110接口 于外部部件的连接器(例如承载用于电极部位的阵列的电线的柔性的互相 连接部)、用于二级管或LED的电流驱动器133、用于提供控制信号的控 制电子设备、电池电源和/或任何合适的电子设备。光学部件134优选地包 括一个或多个光收集元件137、光聚焦元件139、光学滤波器和/或任何合 适的光学部件。光学面还可以包括一个或多个被耦合于波导部的光源。光 源136可以是被安装于电路板的发光二级管(LED)、激光二级管、垂直腔 面发射激光器(VCSEL)或任何合适的激光器或光源。然而，光源可以是 外部光源，例如激光器、激光二级管或一个或多个LED。耦合来自外部光 源的或来自被安装于电路板的光源的光可以使用一种或多种技术实现，并 且耦合选项的数量通过使用模块化的部件110和120被增加。例如，耦合 光源和波导部可能涉及将任何数量的收集元件137(例如球面透镜、双凸 透镜、平凸透镜)和聚焦元件139(例如梯度折射率(GRIN)透镜、球面 透镜、双凸透镜、平凸透镜)安装在光源和波导部之间。耦合还可以使用 直接地耦合光源和波导部的对接耦合。表面发射LED可以被竖直地(例如 在“冲浪(surf)”板上的DIP插座)或水平地安装在同一个电路板上并且 依赖于反射性元件以将路径导向一个或多个纵向地安装的波导部中。然 而，可以使用任何合适的耦合手段将光源耦合于一个或多个波导部。
波导部120的制造优选地还包括通过任何合适的工艺从基材释放波导 部，并且切割至合适的预确定的长度。构建、释放，然后切割波导部220 的工艺可以对改进工艺的模块化和/或特定的波导神经接口装置的定制是 有用的，例如对于光学部分的形状和分布以及总体波导部的尺寸的具体定 制来说。光导向元件122还可以在切割或蚀刻波导部的过程中控制和形成 以产生各种末端轮廓和角度。
2.第二优选的实施方案的波导神经接口装置
如图10和11中所示的，第二优选的实施方案的波导神经接口装置200 包括：神经装置210，其可植入在组织中并且包括电极部位的阵列212， 电极部位的阵列212与电极部位的阵列212的周围环境电连通，其中电极 部位的阵列包括至少一个记录电极部位；以及波导部220，波导部220被 耦合于神经装置210并且将光沿着纵向轴线传输并且包括分散被传输的光 以照亮被选择性地靶向的组织的光学分散部分(opticallydissipating portion)222。被分散的光的至少一部分优选地从光学分散部分222远离纵 向轴线地横向地传播，并且记录电极部位优选地被配置为对可以通过照亮 被电激发的被照亮的组织进行取样。第二优选的实施方案的波导神经接口 装置优选地以与第一优选的实施方案相似的方式被使用。
第二优选的实施方案的神经装置210优选地相似于第一优选的实施方 案的神经装置110。神经装置210优选地包括被在波导部220上成层的电 极基材，并且电极基材优选地包括电极部位的阵列212的至少一部分。
波导神经装置的第二优选的实施方案的波导部220起作用以将光远离 波导神经接口装置地再导向，以光学地刺激被靶向的组织。波导神经接口 装置的第二优选的实施方案的波导部220可以相似于第一优选的实施方案 的波导部。波导部220可以是圆柱形的(例如光纤或其他的圆柱形的波导 部，如在图10中的)、实质上平面的(例如薄膜波导部，如在图11A中的) 或任何合适的形状。在本实施方案中，波导部220优选地包括一个或多个 将光远离波导神经接口装置地分散的光学分散部分222。光学分散部分222 可以是实质上矩形的、椭圆形的、圆形的或任何合适的形状的长形的“光 口”。光学分散部分的具体的形状和分布可以取决于具体的应用和期望的 定制。如图11B中所示的，被分散的光优选地远离波导部220的纵向轴线 地横向地传播(即，被分散的光在具有垂直于波导部的纵向轴线的非零分 量的方向传播)。被分散的光优选地具有作为沿着波导部220的距离的函 数以及优选地作为沿着光学分散部分的距离的函数的实质上均一的强度。 如图12A和12D中所示的，常规的光纤光极提供轴向沿着从光纤的一个端 部的仅一个维度的光，这导致不受控制的散射、圆锥形的分布和作为沿着 波导部的距离(即装置的当被插入组织中时的深度)的函数的迅速地下降 的强度。相反地，如图12B-12D中所示的，本文描述的波导神经接口装置 优选地使至少二维的光能够具有受控的散射和作为沿着波导部的距离的 函数的均一的强度，但是在某些可选择的实施方案中装置可以提供以任何 合适型式的分布和/或强度的光。
波导部220包括内芯部230以及覆盖芯部的包层部232，并且芯部和 包层材料优选地被选择使得芯部和包层配合以帮助内部反射。波导部220 优选地进行光刻工艺以成型包层以及选择性地暴露芯部，使得波导部的光 学分散部分222包括被暴露的芯部。然而，光学分散部分222可以可选择 地被以任何合适的方式形成。光学分散部分可以包括进一步限定光漫射的 量的分散材料。光学分散部分222提供的光漫射的量至少部分地取决于芯 部的表面粗糙度的量、分散材料的具体的性质、光学分散部分相对于总波 导部宽度的宽度、以及波导部厚度。在制造期间，这些参数中的许多(如 果不是所有的的话)可以被密切地控制，提供波导部特征的精确规格以及 波导神经接口装置的用于多种应用的详细定制。
在波导部制造工艺的一个变化形式中，如图13A中所示的，材料的牺 牲层238被沉积至基材236上，并且包层材料的下包层部232a被沉积至牺 牲层上(例如通过CVD、PECVD、自旋工艺或任何合适的沉积工艺)。如 图13B中所示的，芯部材料被沉积至结构上并且被成型以形成内芯部230。 包层材料的上包层部232b被沉积在芯部230上，随后是硬掩模的沉积和 成型。上包层部232b优选地使用选择性地除去上包层部232b和/或粗糙化 芯部表面以形成光学分散部分222的合适的成型工艺被成型。被暴露的芯 部表面可以另外地和/或可选择地被以任何合适的方式织构化以形成光学 分散部分222。分散介质(例如漫射和/或散射材料)的向被暴露的芯部中 的可选择的受控的加入可以进一步影响光学分散部分提供的光分散的量。 在一个变化形式中，如图13C中所示的，光分散材料(例如氧化铝、二氧 化钛、金刚石粉末或任何合适的材料)的包覆层234可以在被暴露的芯部 上沉积和成型。例如，光学分散材料的加入可以相似于在美国专利第 5,946,441和5,580,932号中描述的，5,946,441和5,580,932通过本引用以 它们的整体并入。分散材料优选地是生物相容的，具有大于波导部芯部的 折射率的折射率，并且具有低的光学吸收。在另一个变化形式中，光分散 材料的分子可以使用离子注入或扩散或任何合适的内嵌的手段被内嵌在 暴露的芯部中。此外，对波长敏感的光分散分子可以在各种位置处被施用 于波导部中的不同的“开口”，以根据波长选择性地控制光发射(例如为 定制的另一个维度提供光输出的空间控制)，例如在美国专利第7,194,158 号中描述的，7,194,158通过本引用以其整体并入。
沉积并且成型光学分散层可以可选择地在沉积包层材料的上包层部 之前进行。波导部220的制造优选地还包括通过任何合适的工艺从基材释 放波导部，并且切割至合适的预确定的长度。构建、释放，然后切割波导 部220的工艺可以对改进工艺的模块化和/或特定的波导神经接口装置的 定制是有用的，例如对于光学分散部分的形状和分布以及总体波导部的尺 寸的具体定制来说。可选择地，波导部220的最终的长度可以在从基材释 放之前使用另一个硬掩模蚀刻。在某些优选的实施方案中，波导部220的 总体长度可以在3-400mm长之间和/或在厚度上高至200μm，这取决于应 用。
在一个具体的实施例中，波导部包括SU-8(由MicroChem供应)的 芯部以及CytopCTL-809M(由AsahiGlass供应)的包层部。Cytop包括 比SU-8(n＝1.59)低的折射率(n＝1.34)，使得两种材料的组合形成具有内 部反射的波导部。牺牲层、下包层部、芯部以及上包层部优选地被如上文 描述地形成。上包层部然后被使用氧等离子体成型以暴露和粗糙化芯部表 面。约300nm厚的氧化铝的分散层被溅射沉积在被除去的上包层部的位 置。氧化铝的层然后被使用缓冲氢氟(HF)酸成型。波导部然后被从晶片 释放，且被金刚石刻划至期望的长度。在本实施例中，波导部厚度在约30μm 的数量级。
在波导部制造工艺的另一个变化形式中，如图14中所示的，波导部 220是具有内部芯部230和围绕芯部的外包层部232的光纤。相似于波导 部制造工艺的第一变化形式，包层部优选地被成型以选择性地除去包层部 以暴露和/或粗糙化芯部表面。被暴露的芯部表面可以另外地和/或可选择 地以任何合适的方式织构化以形成光学分散部分。分散覆层和/或内嵌的分 散分子向芯部表面的可选择的受控的加入可以进一步限定光学分散部分。 另外的可选择的用于产生波导部220的工艺在名称为“Light-diffusing deviceforanopticalfiber，methodsofproducingandusingsame，and apparatusfordiffusinglightfromanopticalfiber(用于光纤的光扩散装置， 生产和使用其的方法以及用于扩散来自光纤的光的设备)”的美国专利第 5,946,441号中描述，5,946,441通过本引用以其整体并入。
神经装置210的电极基材优选地被在波导部220上成层，并且更优选 地以使得波导部的光学分散部分毗邻于电极部位的阵列的至少一部分的 方式成层。波导神经接口装置可以包括神经装置210和波导部220的任何 合适的组合。如图10和14中所示的，在第一变化形式中，电极基材被围 绕波导部220包裹。在本变化形式中，电极基材优选地包括至少一个孔214， 孔214相应于波导部220的光学分散部分222，使得被分散的光被散射经 过孔214以照亮组织。孔214可以在围绕波导部220包裹之前在神经装置 210中形成，或可以在围绕波导部包裹之后形成。此外，光学分散部分222 可以在将电极基材围绕波导部包裹之前或之后在波导部220中形成。电极 部位的阵列212的至少一部分优选地接近或毗邻于孔214，使得至少一个 记录电极部位被配置为对被照亮的组织进行取样。孔214可以是实质上矩 形的、圆形的、椭圆形的或任何合适的形状。作为另一个实施例，孔214 可以在波导部的纵向轴线的方向是长形的，如图10中所示的。电极基材 的孔214优选地是与波导部220的下面的光学分散部分222在形状和尺寸 上相似的，但是孔可以可选择地比光学分散部分222小或大。电极基材可 以被永久地附接于波导部220，使得其相对于波导部的位置被固定。可选 择地，电极基材可以被非永久地附接于波导部，使得神经装置是沿着长度 可调整的和/或围绕波导部220旋转，使得孔214作为选择性地允许来自光 学分散部分的光的可运动窗口，由此增加了定制的另一个维度。被分散的 光优选地具有作为沿着孔214的距离的函数的实质上均一的强度。此外， 电极基材可以包括多个孔，每个相应于光学分散部分。电极基材中的孔的 数量可以小于、等于或大于光学分散部分的数量。在一种制造方法中，包 层除去和孔214可以使用激光烧蚀被同时地产生，随后是漫射介质的沉积。 可选择地，包层除去和孔形成可以使用任何合适的技术例如烧蚀或选择性 蚀刻而单独地发生。
在另一个变化形式中，分散部分222可以可选择地和/或另外地被沉积 或以其他方式基成在电极基材中。在本变化形式中，包层232被选择性地 从波导部除去但是光分散材料可以被在电极基材中实现而不直接地在波 导部上实现。漫射层与相应包层的对准在组装期间发生。透明的粘合剂可 以被施用以改进向漫射区域的光耦合。
在第二变化形式中，如图11A中所示的，波导部220优选地横向地延 伸超出电极基材或神经装置210的其他部分，并且更优选地波导部220的 光学分散部分222横向地延伸超出电极基材。如图12B-12D中所示的，被 分散的光优选地远离波导部220的纵向轴线地横向地传播并且优选地具有 作为沿着波导部的距离的函数的实质上均一的强度。在本变化形式中，波 导部220可以包括单一的连续的光学分散部分(图12B)或两个或更多个 光学分散部分(图12C)，以产生沿着波导部的长度的不连续的照亮。
在第三变化形式中，如图11C和11D中所示的，波导部220优选地被 安装在装置210的第一侧(例如装置210的顶部)上。在本变化形式中， 光学分散部分位于波导部上，使得光学分散部分通过将光沿着波导部的至 少一部分的长度扩散和/或散射光来发射经过波导部的侧部和/或经过波导 部的顶部的光。光学分散部分可以被在任何合适的边缘、侧部和/或面上形 成以在任何合适的方向发射光。相似于第二变化形式，波导部可以包括单 一的连续的光学分散部分或两个或更多个分离的光学分散部分，以产生沿 着波导部的长度的不连续的照亮。这样的装置的一个优点是在接近漫射元 件的局部组织体积中产生均一的光强度并且在相对长的空间维度上做这 些，例如图11C中示出的成角度的边缘。
如图14A中所示的，波导部220还可以包括将被传输的光沿着纵向轴 线反射的反射器末端。反射器末端可以相似于在波导神经接口装置的第一 优选的实施方案中描述的反射器末端。通过将被传输的光沿着纵向轴线反 射回来，如果不以这种方式将被损失的光被沿着波导部220返回，以进行 潜在的通过光学分散部分的再导向，由此增加效率。
波导神经接口装置的另外的变化形式可以包括神经装置210、电极部 位的阵列和波导部220的任何合适的组合。例如，波导神经接口装置可以 包括第一优选的实施方案的光导向元件和第二优选的实施方案的光学分 散部分二者。
在某些实施方案中，相似于第一优选的实施方案的波导神经接口装 置，第二优选的实施方案的波导神经接口装置可以包括被配置为与组织的 不同区域接口的多个支路和/或多个波导部，并且优选地包括与电极部位的 阵列和波导部中的至少一个接口的电路板。第二优选的实施方案中的电路 板优选地相似于第一优选的实施方案的电路板。
3.组装波导神经接口装置的方法
如图15A-15E中所示的，制造优选的实施方案的波导神经接口装置的 方法S300包括以下步骤：提供包括多个电极部位的神经装置S310；提供 波导部，波导部与神经装置分离并且被配置为将光沿着纵向轴线传输并且 包括将被传输的光远离波导部地再导向的光导向元件S320；提供电路板， 电路板与神经装置和波导部分离并且被配置为与多个电极部位和波导部 接口S330；将波导部的光发射元件相对于神经装置取向至预确定的角取向 S340，其中预确定的角取向是基于被再导向的光的所选择的方向；以及将 包括神经装置、波导部和电路板的组中的每个结构耦合于所述组中的其他 结构中的至少一个S350，其中耦合包括将波导部相对于神经装置固定在预 确定的角取向S352。
制造波导神经接口装置的方法S300是具有多个潜在的优点的模块化 的成本有效的途径。首先，方法可以提供高空间分辨率，因为波导部可以 沿着任何轴线旋转以将平面的x-y维度转换为有效的z轴维度，如果不以 这种方式这是难以实现的。第二，方法可以使制造能够进行具体区域的照 亮的定制波导神经接口装置成为可能，同时避免如果不以这种方式将发生 的成本和生产率问题。换句话说，如果波导部和神经装置被在晶片水平一 体化，那么波导神经接口装置设计的期望的/有用的置换的数量是大的，使 得其阻碍了这样的装置的销售的收益性。本方法可以克服该问题，超越了 晶片水平途径的实际极限。第三，方法可以分离了在神经装置制造或波导 部制造的一个方面的产量问题，由此改进平均产量以及降低最终组合波导 神经接口产品的总成本。然而，在可选择的实施方案中，制造波导神经接 口装置的方法可以包括任何合适的步骤。例如，神经装置、波导部和电路 板部件中的一部分或所有可以被以一体化的方式制造(例如，依次使用任 何光刻工艺和/或任何合适的技术制造，而没有在方法300中描述的制造后 的组装)。例如，神经装置和波导部可以依次作为集成结构共同地制造， 并且然后在制造之后被耦合于电路板。
提供神经装置S310、提供波导部S320和提供电路板S330的步骤优选 地包括提供相似于上文在波导神经接口装置的第一优选的实施方案100和 /或第二优选的实施方案200中描述的那些的神经装置或神经探针、波导部 和电路板，但是可以可选择地包括提供任何合适的神经装置、波导部和/ 或电路板。此外，虽然方法主要地使用第一优选的实施方案的波导神经接 口装置被例证，但是方法可以被实施以组装第二优选的实施方案的波导神 经接口装置(图14和16)，或组装优选地具有至少分离的神经装置和波导 部件并且可能另外地具有分离的电路板部件的任何合适的波导神经接口 装置。
步骤S340包括将波导部的光导向元件取向至预确定的角取向的步骤， 且起作用以将被再导向的光的方向设置成特定的方向。如图15B中所示的， 取向光导向元件的步骤优选地包括将波导部围绕波导部的纵向轴线旋转 至预确定的角取向S342。然而，波导部可以被围绕任何合适的轴线旋转。 此外，取向波导部的光导向元件的步骤可以包括将波导部沿着纵向轴线、 横向轴线或任何合适的轴线平移S344。以这种方式取向波导部优选地使沿 着另一个轴线的另一个空间维度变化成为可能，特别是在被相对于神经装 置旋转时，典型地在x-y平面中的特征能够变成z轴中的特征。步骤S340 使波导神经接口装置的进一步定制成为可能。
步骤S350包括将包括神经装置、波导部和电路板的组中的每个结构 耦合于所述组中的其他结构中的至少一个的步骤，且起作用以固定和组装 所述组的结构以形成波导神经接口装置。步骤S350优选地包括将波导部 固定在相对于神经装置和/或电路板的预确定的角取向。在步骤S350中， 三个部件(神经装置、波导部和电路板)可以被以任何顺序安装或附接。 在第一变化形式中，如图15C中所示的，步骤S350包括耦合波导部和电 路板以形成波导部-电路板结构S362并且耦合神经探针和波导部-电路板结 构S364。在本变化形式中，耦合波导部和电路板S350可以包括将波导部 耦合于电路板的具有光学部件的光学面并且将神经装置耦合于电路板的 具有电气部件的电气面。在第二变化形式中，如图15D中所示的，步骤 S350包括耦合神经装置和电路板以形成神经装置-电路板结构S372并且耦 合波导部和神经装置-电路板结构S374。在第三变化形式中，如图15E中 所示的，步骤S350包括耦合波导部和神经装置以形成波导部-神经装置结 构S382并且耦合电路板和波导部-神经装置结构S384。在步骤S350的变 化形式的汇总中，可以使用神经装置、波导部和电路板的任何组装顺序： (1)耦合波导部和电路板，然后耦合神经装置和波导部-电路板结构，(2) 耦合神经装置和电路板，然后耦合波导部和神经装置-电路板结构；或(3) 耦合波导部和神经装置，然后耦合电路板和波导部-神经装置结构。在步骤 S350的这些变化形式中的任何中，将电路板耦合于波导部可以包括耦合将 来自光源的光传递至波导部的光学耦合器。在步骤S350的这些变化形式 中的任何中，将电路板耦合于神经装置可以包括将互相连接部(例如柔性 的互相连接部)耦合在神经装置和电路板之间以传递电信号。耦合步骤 S350可以包括成层或堆叠部件中的两个(例如将神经装置成层在波导部 上)、包裹一个部件(例如将神经装置包裹在波导部上)、端对端地连接(例 如将电路板耦合于神经装置或波导部的轴向端部)，和/或任何合适的耦合 步骤。此外，在其他的实施方案中，另外的中间部件可以被引入以间接地 耦合结构中的任何两个。例如，神经装置和波导部二者可以被耦合于共用 的基部，例如承载器，而不使神经装置和波导部被直接地耦合于彼此。
耦合的步骤S350可以被手动地和/或使用机器辅助进行。部件中的一 个或多个可以包括用于辅助部件对准的特征，例如基准符标记、凸台和/ 或相应的对准洞。耦合结构中的任何两个的步骤可以包括涂布环氧化物， 例如医学级环氧化物(例如EpoxyTekH70E-2或320，其被设计为屏蔽光) 或可紫外固化的环氧化物，或使用紧固件，或任何合适的粘合剂或其他用 于耦合的手段。耦合结构中的任何两个的步骤可以另外地和/或可选择地包 括将聚合物外覆层围绕组中的结构中的至少两个施用。
如本领域的技术人员将从上文的详细描述以及从附图和权利要求意 识到的，可以进行对本发明的优选的实施方案的修改和改变而不偏离本发 明的在以下的权利要求中限定的范围。