光刺激系统及其控制方法 【技术领域】
本是发明涉及一种医疗器械，尤其是涉及一种光刺激系统及其控制方法。
【背景技术】
传统采用光感基因调控技术进行实验操作时，一般采用借助于立体定位图谱(如脑立体定位图谱)，通过立体定向装置，按其读数，将光纤植入。这种定位方式操作过程中均采用“盲插”的方法，不能客观地检测和控制光纤能精确到达靶点区域。在光纤头处连接有金属电极将电极植入待实验部位(如脑颅骨内的皮层中)，根据实验后的细胞的电活动形式判断电极是否处于靶点区。在光纤头处加装电极进行记录采样需要另增加额外的设备，增加了成本且采用电极植入待实验部位扩大的实验或手术创伤。且只能等活体实验结束后，通过后期免疫组织化学染色或其他方法才能确证实验过程中光纤或电极具体所处的位置。且刺激(如插入光纤、电极)及实验记录都需要人为完成，增加了人为误差。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种能实现自动化控制的光刺激系统。
此外，还有必要提供一种能实现自动化控制的控制方法。
一种光刺激系统，包括：上位机、与上位机连接的主体机，所述主体机包括发射光源、光纤、分色镜、受激发光探测器，所述光纤一端与发射光源连接另一端为自由端，所述发射光源所发出的发射光经光纤传递对光感基因细胞进行激发产生受激发光，所述受激发光通过分色镜反射给受激发光探测器并传输给上位机进行处理控制，所述上位机根据接收的受激发光对光纤自由端的运动行程及发射光源进行调节。
优选的，所述发射光与受激发光为不同波长的光，所述分色镜通过发射光并反射受激发光。
优选的，所述发射光源包括刺激光源与激发光源，所述刺激光源及激发光源与上位机连接并由上位机控制。
优选的，所述上位机控制激发光源发出发射光对光感基因细胞进行激发并在接收到受激发光后控制激发光源停止工作，同时控制刺激光源对光感基因细胞进行刺激，所述主体机进一步包括设置于发射光源与分色镜之间的光纤耦合器，所述与刺激光源及激发光源分别连接的光纤通过光纤耦合器耦合成一条光纤。
优选的，上位机对刺激光源及激发光源的参数进行控制调节，所述发射光包括激发光源产生的激发光及刺激光源产生的刺激光，所述光纤上连接有夹持光纤的光纤夹持器。
优选的，所述光纤夹持器上连接设有马达，所述马达与上位机连接并由上位机控制，所述上位机根据接收的受激发光控制马达的动作。
优选的，所述分色镜与受激发光探测器之间设置有滤片，所述受激发光为荧光，所述受激发光探测器为荧光探测器，所述主体机与上位机之间或主体机上设置有模数/数模转换器，所述发射光源、荧光探测器及马达通过模数/数模转换器与上位机连接。
优选的，所述上位机根据导入到待检测的部位或器官中的光感基因细胞的位置进行定位，并控制所述光纤夹持器带动所述光纤进入所述光感基因细胞所在的区域并辅助立体定位图谱进行定位。
优选的，所述上位机包括采集模块及处理模块，所述采集模块接收采集荧光探测器所反馈的荧光信息并传输给处理模块，处理模块对马达、刺激光源及激发光源进行控制，
处理模块控制激发光源发出发射光并控制马达驱动光纤夹持器带动光纤进入光感基因细胞所在的区域激发光感基因细胞产生荧光，处理模块判断接收到荧光是否达到阈值控制马达停止，处理模块同时对刺激光源及激发光源的参数及启动进行调节控制。
一种光刺激系统的控制方法，包括如下步骤：
I.发出发射光并通过推进光纤传输到光感基因所在的区域并激发光感基因细胞产生受激发光；
II.采集经反射后的受激发光；
III.根据采集的受激发光控制光纤的行程，同时对发射光进行调节。
优选的，所述发射光包括激发光及刺激光，所述步骤I包括发出激发光并调节激发光参数对光感基因细胞进行激发产生受激发光，
步骤III包括根据采集的受激发光判断受激发光是否达到阈值，若达到阈值则停止光纤的推进，并停止激发光的发射，同时控制刺激光刺激光感基因在光感基因细胞或细胞亚群中表达；若未达到阈值则控制激发光继续发出并激发光感基因细胞产生受激发光。
优选的，上述步骤II中若光纤推进到待检测区域而未采集到受激发光则控制停止光纤继续推进；所述受激发光采集之前进行过滤处理，所述受激发光为荧光。
上述的光刺激系统与控制方法通过发射光源激发光感基因细胞(即靶细胞)产生受激发光，并将受激发光收集后反馈给上位机对受激发光的波长及强度信息进行分析。上位机根据反馈信息自动控制光纤的移动，并控制发射光源的开启与开闭，同时对发射光源的类型及参数进行调节，实现整个刺激记录过程的自动化控制；并且利用光纤进入动物体或人体中光感基因细胞所在的区域进行刺激及采样，对动物或人体的创伤性小。通过采集受激发光的信息对光纤的位置进行确定，且上位机通过采集的受激发光信息能做到精细化控制光纤的位置，使光纤准确到达感基因细胞(即靶细胞)所在的区域，采用上位机实现自动化控制减少人为操作误差。
【附图说明】
图1为本发明的光刺激系统一实施例的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图进行进一步的说明。
如图1所示，本发明地一实施例的光刺激系统，包括：上位机、与上位机连接的主体机。上位机接收主体机反馈的信息对反馈信息进行分析并对主体机进行控制。
上位机与主机体之间设置有模数/数模信号转换器，模数/数模信号转换器也可设置在主体机中。模数/数模信号转换器接收上位机发出的数字控制信号转换成模拟信号对主体机进行控制并将主体机的模拟信号转化成数字信号传输给上位机进行处理控制。
主体机包括依次设置的发射光源、光纤、光纤耦合器、分色镜、光纤夹持器。发射光源为激光发射器。
发射光源发出的发射光通过光纤依次经过光纤耦合器、分色镜、光纤夹持器并进入或接近光感基因细胞并激发或刺激光感基因细胞产生受激发光。光感基因细胞为通过病毒载体将光感基因导入或注入其中的某一特定的细胞(即靶点细胞)，使光感基因在细胞亚群或组织或个体中大量表达。光感基因可为光敏感通道基因或泵蛋白基因。
光纤一端与发射光源连接，另一端为自由端。光纤的自由端依次经过光纤耦合器、分色镜、光纤夹持器并通过光纤夹持器进入待检测或待实验的部位或器官。发射光源包括刺激光源与激发光源。刺激光源与激发光源分别连接有光纤，并通过光纤耦合器耦合在一起。发射光包括激发光源发出的激发光及刺激光源发出的刺激光。激发光与刺激光经光纤耦合器校准后耦合入一条光纤中。发射光与受激发光为不同波长的光。刺激光源及激发光源通过模数/数模信号转换器与上位机进行连接，上位机控制刺激光源及激发光源的开启与关闭，同时上位机对刺激光源及激发光源的参数如光的强度、脉宽、频率等进行调节。也可在主体机上设置分别调节刺激光源与激发光源参数的开关或按钮对参数进行调节。激发光源用于激发靶细胞(即光感基因细胞)携带的荧光蛋白或染料。通过激发荧光蛋白或染料产生受激发光(如荧光)反馈给上位机，实现对激发部位的高特异性检测。
分色镜通过刺激光源与激发光源发出的刺激光与激发光并反射受激发光。主体机另包括接收分色镜反射的受激发光的受激发光探测器(例如荧光探测器)。受激发光探测器通过模数/数模信号转换器与上位机连接。受激发光探测器能收集不同强度的受激发光光子，将受激发光及受激发光强度转化为相应的电信号及电信号强度，输出至模数/数模信号转换器，再传输给上位机。分色镜与受激发光探测器之间设置有滤片。滤片只通过特定波长的受激发光，过滤掉分色镜所反射其他光信号。滤片的型号根据不同的受激发光进行选择。
光纤夹持器夹持住光纤的自由端带动光纤动作。光纤夹持器连接设有动力元件并由动力元件驱动动作。动力元件可为马达、气缸、液压缸等。本实施例中为保证光纤所推进的位置精度及准确性，动力元件采用步进电机进行说明。步进电机通过模数/数模信号转换器与上位机连接，并由上位机进行控制。上位机控制步进电机的开关及对步进电机的运动方式及速度进行调节。
本实施例中，光感基因中内嵌有荧光蛋白基因如绿色荧光蛋白基因(GFP)，步进电机带动光纤到达光感基因细胞所在的区域，激发光激发光感基因细胞，光感基因细胞如内嵌有GFP的光感基因细胞被激发产生绿色荧光。采用病毒载体注入或导入的光感基因细胞呈球形分布，距离中心区的距离不同光感基因细胞分布的密度不同，产生的荧光强度也不同。受激发光本实施例中为受激发荧光，受激发光探测器为荧光探测器。受激发荧光通过光纤反向传输，经滤片过滤后，被荧光探测器采集，同时上位机接收荧光探测器采集的受激发荧光信息如强度信息进行分析。荧光探测器对荧光的检测具有高灵敏度，且通过上位机进行自动化控制，是反馈控制时间控制在ms级，从而可以保证光纤可以准确到达待实验部位。
当对人或动物的某个器官或部位进行实验或检测时，借助于人体或动物的立体定位图谱将光感基因通过病毒载体导入或注入待实验或检测的部位并导入到特定的细胞亚群中表达。本实施例中待检测或实验器官采用动物脑进行说明。实验或检测时，参照动物脑立体定位图谱，将光感基因通过病毒载体导入或注入待实验或检测的部位并进入到特定的细胞亚群中表达。等到合适的时间时，利用本发明的光刺激系统进行检测。
将光纤夹持器固定在动物脑部的颅骨上，以光感基因导入到脑部的待实验或检测的部位的导入位置作为光纤及光纤夹持器定位的基础，同时参考动物脑定位图谱对光纤及光纤夹持器进行定位。
上位机启动步进电机驱动光纤夹持器带动光纤进入动物脑部待检测或实验部位，同时上位机启动激发光源发出激发光，并对激发光源参数进行调节如对频率、脉宽、强度等参数进行调节。借助于动物脑立体定位图谱，若步进电机带动光纤深入到脑部待检测或待实验部位未检测到荧光信息则认为此次病毒载体将光感基因导入到该实验特定的细胞或细胞亚群的感染过程失败，不再进行后续的检测或实验。若光纤进入到一定位置到达光感基因细胞所在的区域，激发光激发光感基因细胞产生受激发荧光。受激发荧光通过光纤反向输出并通过分色镜反射，经滤片过滤掉少量被反射的激发光只通过特定波长的受激发荧光，进入荧光探测器。荧光探测器能够收集不同强度的受激发荧光光子，将受激发荧光信号及受激发荧光强度转化成相应的电信号及电信号强度，输出至模数/数模信号转换器并传输给上位机。上位机接收到受激发荧光信号的荧光强度进行分析计算，当荧光强度达到所设定荧光阈值时，表明光纤已到达刺激部位，此时，上位机发出指令，停止步进马达的驱动。上位机关闭激发光源，自动开启刺激光源(如蓝光或者黄光)。刺激光源的参数如频率、脉宽、强度等通过上位机进行控制调节。上位机根据所接受荧光强度计算分析激光激发的感染成功的光感基因细胞的数量及光感基因转入效率。
刺激光源刺激光感基因细胞中的泵蛋白基因在光感基因细胞中表达为兴奋或抑制。不同类型的光感基因只对特定波长的光敏感，如有一种光敏感通道蛋白(channelrhodopsin-2，ChR2)对蓝光(473nm波长)敏感，蓝光可激活光敏感通道，使Na+、K+等阳离子进入光感基因细胞内而兴奋细胞。另一种氯离子蛋白(Halorhodopsin，NphR)对黄光(593nm波长)敏感，经黄光刺激后能使Cl-进入光感基因细胞而抑制光感基因细胞，这样利用交替的蓝光或黄光就可以在特定细胞亚群水平上控制细胞活性。
这种利用病毒载体将光敏感通道或泵蛋白基因导入某一特定的细胞亚群中进行表达的技术就是光感基因神经调控技术(Optogenetics Technology)。光感基因神经调控技术采用特定光诱导与其相应光感基因在特定细胞群中表达即所说的空间上的细胞特异性，同时具有时间上毫秒水平上的精确性。利用光感基因神经调控技术(Optogenetics Technology)可以通过光在毫秒水平上调控某种特定细胞亚群的活性，可以干预动物特定的神经通路甚至调节其行为模式。
激发光源可采用单激发光，也可采用双激发光。如将钙离子染色剂Fura-2及光敏感通道蛋白(channelrhodopsin-2，ChR2)导入到特定的细胞亚群(即靶细胞)中。钙离子染色剂Fura-2具有双激发，单发射的特点。激发光源此时采用发出两种不同的激发光340nm与380nm对光感基因细胞进行激发，光感基因细胞受激发只发射一种510nm的受激发荧光。此时刺激光源针对光敏感通道蛋白(channelrhodopsin-2，ChR2)采用发出479nm的蓝光刺激光。此时分色镜可选用高于479nm与低于510nm波长之间波长段的光通过如480、490或500nm以下均通过，高于该数值波长的光被反射。
本实施例中，上位机可采用计算机、嵌入式系统等。上位机包括采集模块及处理模块。采集模块通过模数/数模信号转换器与荧光探测器连接，采集接收荧光探测器所传输过来的受激发荧光信息并传输给处理模块。
处理模块控制激发光源发出发射光并控制马达驱动光纤夹持器带动光纤进入光感基因细胞所在区域激发光感基因细胞产生受激发荧光，处理模块根据接收的荧光进行判断，若所接收的荧光达到阈值则控制马达停止，并关闭激发光源，开启刺激光源对光感基因细胞进行刺激并调节刺激光源的参数；若所接收的荧光未达到阈值则处理模块控制激发光源继续发出激发光对光感基因细胞进行激发并调节激发光源的参数。
采集模块及处理模块通过软件实现。上位机记录光感基因细胞的电位变化并将光感基因细胞的电位变化信息进行分析和测试(如行为学测试)，并根据所接收的反馈信息对发射光源(如刺激光源)的参数进行修改调节。
本实施例中激发光源与刺激光源耦合成一条光纤进入待检测或待实验器官或部位，且采用直径为200-300μm的光纤，对检测或实验对象损伤性小。采用上位机与主体机连接对主体机进行控制，主体机对实验目标(即光感基因细胞)进行刺激并采集光感基因细胞(即靶细胞)的反馈信息，传输给上位机进行记录分析，实现刺激记录一体化。采用上位机对主体机进行控制实现主体机自动化刺激过程，及准确定位靶点细胞(即光感基因细胞)且灵敏性高。上位机接收的受激发荧光信息还能做后期实验(如后期治疗等)进一步分析。
本实施例的上述光刺激系统的控制方法为：以动物脑部为实验或检测对象，利用病毒载体将光感基因(光敏感通道基因或泵蛋白基因)导入到动物脑部的待检测或实验的细胞中(即靶细胞)进行说明。
上位机接收到运行信号，驱动激发光源发出激发光并对激发光源的参数如频率、脉宽、强度等进行控制调节，同时调用脑立体定位图谱或使用脑立体定位仪进行定位。
上位机驱动脑定位仪进行定位，寻找光感基因导入到脑部的待实验或检测的部位的导入位置，以光感基因导入到脑部的待实验或检测的部位的导入位置作为光纤及光纤夹持器定位的基础。
上位机驱动步进电机带动光纤夹持器动作，进而将光纤向光感基因细胞所在的区域中推进，直到光纤到达光感基因细胞所在的区域。
上位机同时驱动激发光源发出的激发光对光感基因进行激发产生受激发荧光，受激发荧光经分色镜反射再经滤片过滤传输给荧光探测器。
荧光探测器将受激发荧光信号及受激发荧光强度转化成相应的电信号及电信号强度输出至模数/数模信号转换器并传输给上位机。
上位机对所接收的受激发荧光进行分析，当所接收的受激发荧光到达所设定的荧光阈值时则认定光纤已到达刺激部位，上位机发出指令，控制步进电机停止工作；若未到达阈值上位机控制激发光源继续发出激发光源并自动调节激发光源参数直到所接受的受激发荧光到达所设定的荧光阈值。
若参照脑立体定位图谱，光纤推进到一定位置到达待实验或检测的部位，上位机未接收到荧光信号则认定为光感基因感染失败，上位机发出指令，控制步进电机停止工作。上位机保存当前定位信息及受激发荧光信息。
上位机提示是否进行继续刺激，若光感基因感染失败则不需要继续则结束运行；若需要则上位机控制关闭激发光源并启动刺激光源，并对刺激光源的参数如频率、脉宽、强度等进行控制调节，对光感基因细胞进行刺激。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。