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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201410534170.8 (22)申请日 2014.10.11 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 104436447 A (43)申请公布日 2015.03.25 (73)专利权人 中国科学院苏州生物医学工程技 术研究所 地址 215163 江苏省苏州市科技城科灵路 88号 (72)发明人 赵晓东俞乾张云鹏王守岩 (74)专利代理机构 北京远大卓悦知识产权代理 事务所(普通合伙) 11369 代理人 史霞 (51)Int.Cl. A61N 5/06(2006.0。
2、1) A61B 5/04(2006.01) (56)对比文件 CN 204147437 U,2015.02.11, CN 102380170 A,2012.03.21, CN 102905757 A,2013.01.30, KR 20120097656 A,2012.09.05, CN 103344903 A,2013.10.09, CN 203524665 U,2014.04.09, 审查员 周世勋 (54)发明名称 一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统 (57)摘要 本案为用于脊髓功能调控的闭环光刺激系 统， 包括： 柔性光-电电极， 其包括用于采集神经 电信号的金属电极和用于光刺激的LE。
3、D； 信号采 集单元， 其与所述柔性光-电电极通讯连接， 以接 收所述金属电极采集到的脊髓神经传导电信号； 主控单元， 其与所述信号采集单元通讯连接， 且 根据采集到的脊髓神经传导电信号， 调整LED驱 动指令； LED驱动单元， 其与所述主控单元通讯连 接， 且根据所述LED驱动指令， 驱动所述LED工作； 供电单元， 其向所述柔性光-电电极、 主控单元、 信号采集单元和LED驱动单元供电。 本系统可自 适应调控具备光敏特性的神经元所在的整个神 经通路， 更适应不同个体的差异性， 从而达到更 好的调控效果。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 104436447 B 2017.01.。
4、11 CN 104436447 B 1.一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 包括： 柔性光-电电极， 其包括用于采集神经电信号的金属电极和用于光刺激的LED； 信号采集单元， 其与所述柔性光-电电极通讯连接， 以接收所述金属电极采集到的脊髓 神经传导电信号； 主控单元， 其与所述信号采集单元通讯连接， 且根据采集到的脊髓神经传导电信号， 调 整LED驱动指令； LED驱动单元， 其与所述主控单元通讯连接， 且根据所述LED驱动指令， 驱动所述LED工 作； 供电单元， 其向所述柔性光-电电极、 主控单元、 信号采集单元和LED驱动单元供电。 2.如权利要求1所述的用于脊髓功能。
5、调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 还包括： 上位机， 其通过通讯单元与所述主控单元通讯， 以保存其中的信息。 3.如权利要求1或2所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 还包括： 固定环， 其为弧形弹片， 环绕在受者的躯体上； 转接座， 其套设在所述固定环的中部， 且所述转接座的两侧设置有排线接口， 所述排线 接口处还分别设置有翻盖一和翻盖二， 所述翻盖一和翻盖二的一端均枢接在转接座上， 另 一端可卡接在转接座上， 以夹紧排线； 其中， 所述柔性光-电电极通过排线连接至转接座， 信号采集单元和LED驱动单元也通 过排线连接至转接座。 4.如权利要求3所述的用于脊髓功能调控的。
6、闭环光刺激系统， 其特征在于， 所述柔性光-电电极设置在柔性电路板上， 在所述柔性电路板的一端的中部伸出LED， 在所述LED的两侧分别伸出一个金属微电极。 5.如权利要求4所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 所述信号采集单元可采用双电极输入或三电极输入。 6.如权利要求5所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 所述柔性 光-电电极中的金属电极与LED电极可集成为同一部件， 或分立为不同部件。 7.如权利要求6所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 柔性光-电电极通过手术植入体内， 贴合于脊髓神经上， LED位于受损部位而金属电极 则位于受损。
7、部位前后两端。 8.如权利要求7所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 所述柔性 光-电电极可以是平面电极或三维多触点金属电极。 9.如权利要求8所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 所述LED有 两个或两个以上。 10.如权利要求9所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其特征在于， 所述LED可 统一发光模式或独立可控。 权利要求书 1/1 页 2 CN 104436447 B 2 一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统 技术领域 0001 本发明涉及一种闭环光刺激器， 具体涉及一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系 统。 背景技术 0002 脊髓是中枢神经系。
8、统中极易受损的部位， 脊髓损伤的致残率高， 严重危及人类的 健康。 脊髓损伤后的修复一直是医学领域的难点。 脊髓损伤后神经生长因子(NGF)在一定的 条件下,可促进未损伤神经元出芽， 重建被破坏的神经回路。 但在没有外界干预的情况下， 中重度损伤内源性NGF表达量不足以起到保护和修复的作用， 且维持时间较短。 0003 目前， 细胞移植和基因治疗是脊髓损伤治疗的重要手段,在动物实验中取得了好 的效果,但离临床应用还很远。 细胞移植治疗所需的理想细胞量、 移植效果的维持时间以及 如何应用神经营养因子、 免疫抑制药物等一系列问题。 脊髓损伤的基因治疗也面临着不少 问题:(1)中枢神经系统排斥反应；。
9、 (2)移植细胞在宿主体内不能长期存活； (3)遗传修饰细 胞移植后， 转基因表达随时间延长而下降， 失去治疗作用； (4)安全性问题， 如外源基因的致 癌性。 0004 近年来， 脊髓电刺激技术在抑制疼痛、 治疗脊髓损伤和植物人唤醒等方面发展很 快。 这种治疗方法是将电极直接放在脊髓相关位置， 通过刺激器产生电刺激脉冲来治疗相 关疾病， 已在临床上取得了可喜的效果。 0005 随着近几年光感基因调控技术的发展， 人们发现光刺激可以更为精准地针对特定 神经元进行刺激， 将光遗传学应用于脊髓刺激， 有望取得比电刺激更好的效果。 光遗传学以 光学和光遗传基因工程学为基础， 将视蛋白基因加上特异启动。
10、子通过病毒转染导入特定的 神经元类群， 然后通过特定波长的光刺激来兴奋或抑制该类神经元的生理活动。 例如， 蓝光 刺激可兴奋带光敏蛋白ChR2的神经元， 而在黄光的刺激下， 带光敏蛋白NaHR的神经元活动 将被抑制。 相对于电刺激， 光遗传学实现了对特定神经元的精确靶向刺激,且避免了电流对 人体组织的伤害。 0006 现有技术中， 对脊髓的单向光刺激无法根据脊髓状态作出调节， 故而调控效果受 限。 发明内容 0007 为克服现有技术的不足， 本发明的目的是提供一种用于脊髓功能调控的闭环光刺 激器系统， 该系统旨在通过柔性光-电电极采集使用者的脊髓神经传导电信号， 对其进行分 析以确定脊髓状态，。
11、 并根据相应算法驱动LED对移植入脊髓特定部位的带光敏蛋白的神经 元进行光调控， 有针对性地修复损伤后的脊髓。 0008 为实现上述目的， 本发明通过以下技术方案实现： 0009 本发明所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 包括： 0010 柔性光-电电极， 其包括用于采集神经电信号的金属电极和用于光刺激的LED； 说明书 1/4 页 3 CN 104436447 B 3 0011 信号采集单元， 其与所述柔性光-电电极通讯连接， 以接收所述金属电极采集到的 脊髓神经传导电信号； 0012 主控单元， 其与所述信号采集单元通讯连接， 且根据采集到的脊髓神经传导电信 号， 调整LED驱动指令。
12、； 0013 LED驱动单元， 其与所述主控单元通讯连接， 且根据所述LED驱动指令， 驱动所述 LED工作； 0014 供电单元， 其向所述柔性光-电电极、 主控单元、 信号采集单元和LED驱动单元供 电。 0015 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中， 还包括： 0016 上位机， 其通过通讯单元与所述主控单元通讯， 以保存其中的信息。 0017 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中， 还包括： 0018 固定环， 其为弧形弹片， 环绕在受者的躯体上； 0019 转接座， 其套设在所述固定环的中部， 且所述转接座的两侧设置有排线接口， 所述 排。
13、线接口处还分别设置有翻盖一和翻盖二， 所述翻盖一和翻盖二的一端均枢接在转接座 上， 另一端可卡接在转接座上， 以夹紧排线； 0020 其中， 所述柔性光-电电极通过排线连接至转接座， 信号采集单元和LED驱动单元 也通过排线连接至转接座。 0021 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中， 所述柔性光-电电 极设置在柔性电路板上， 在所述柔性电路板的一端的中部伸出LED,在所述LED的两侧分别 伸出一个金属微电极； 0022 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中， 所述信号采集单元 可采用双电极输入或三电极输入。 0023 优选的是， 所述的用于脊髓功。
14、能调控的闭环光刺激系统， 其中， 所述柔性光-电电 极中的金属电极与LED电极可集成为同一部件， 或分立为不同部件。 0024 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中， 柔性光-电电极通 过手术植入体内， 贴合于脊髓神经上,LED位于受损部位而金属电极则位于受损部位前后两 端。 0025 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中， 所述柔性光-电电 极可以是平面电极或三维多触点金属电极。 0026 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 其中,所述LED有两个或 两个以上。 0027 优选的是， 所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统,所述L。
15、ED可统一发光模式 或独立可控。 0028 本发明的有益效果是： 本发明利用柔性材料制作的柔性光-电电极采集脊髓神经 传导电信号和LED进行光刺激， 同时具备脊髓神经传导电信号采集功能和光刺激功能， 两者 通过算法实现对脊髓的闭环光刺激， 主控单元分析采集到的多路信号并对刺激模式进行反 馈， 该系统解决了单向光刺激调控受限的问题， 可自适应调控具备光敏特性的神经元所在 的整个神经通路， 更适应不同个体的差异性， 从而达到更好的调控效果。 说明书 2/4 页 4 CN 104436447 B 4 附图说明 0029 图1为本发明一实施例所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统的结构框 图。 00。
16、30 图2为本发明一实施例所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统中的转接板 结构示意图。 0031 图3为本发明一实施例所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统中的柔性 光-电电极结构示意图。 具体实施方式 0032 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明， 以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。 0033 本实施例针对的是小鼠的脊髓损伤修复， 本发明所述的用于脊髓功能调控的闭环 光刺激系统， 主要包括： 0034 柔性光-电电极4， 参阅图3， 为所述柔性光-电电极结构示意图， 包括用于采集神经 电信号的金属电极41和用于光刺激的LED42； 0035 信号采集单元23， 其与所。
17、述柔性光-电电极通讯连接， 以接收所述金属电极采集到 的脊髓神经传导电信号； 0036 主控单元22， 为控制器(STM32L151CBT6),通过SPI接口与信号采集单元(ADS1292) 通信， 设置ADS1292的采样频率和工作模式， 并获取两路24位数字信号； 通过特定算法对采 集到的脊髓神经传导电信号进行分析， 从而实时调节刺激参数， 包括刺激波形的周期、 脉宽 和幅度,按照参数调整LED驱动指令； 0037 LED驱动单元24,为STM32L151CBT6内置DA加上运放AD8603， LED驱动单元根据LED 驱动指令， 以驱动所述LED工作； 0038 供电单元25， 包括锂电。
18、池和电压芯片ADP151,其向柔性光-电电极、 主控单元22、 信 号采集单元和LED驱动单元供电。 0039 本发明所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统， 还可以包括下述情况。 0040 进一步的， 还包括上位机1， 其中的计算机11通过通讯单元一12和通讯单元二21与 所述主控单元通讯， 将电信号、 光刺激参数及电池电量状态通过无线通信单元传输至上位 机显示或保存。 0041 本发明还可以包括： 固定环， 其为弧形弹片， 环绕在受者的躯体上， 这里固定环是 环绕在小鼠躯体上； 0042 转接座32， 如附图2所示， 其套设在所述固定环的中部， 且所述转接座的两侧设置 有排线接口， 所述排。
19、线接口处还分别设置有翻盖一31和翻盖二34， 所述翻盖一和翻盖二的 一端均枢接在转接座上， 另一端可卡接在转接座上， 以夹紧排线35； 0043 其中， 所述柔性光-电电极通过排线连接至转接座， 信号采集单元和LED驱动单元 也通过排线连接至转接座。 0044 进一步的， 所述柔性光-电电极设置在柔性电路板上， 在所述柔性电路板的一端的 中部伸出LED,在所述LED的两侧分别伸出一个金属微电极； 其中， LED的放置过程全程在显 说明书 3/4 页 5 CN 104436447 B 5 微镜下进行， 用点胶机将导电银胶点到正负电极上， 注意不要短路， 然后将LED放置其上使 正负端与电极对齐，。
20、 放置一天， 使导电银胶固化， 随后附上一层聚对二甲苯作为绝缘层； 0045 本发明还可以包括以下变形： 所述信号采集单元可采用双电极输入或三电极输 入。 即采用三电极输入时， 除了位于脊髓神经上LED的两侧的金属电极(一个工作金属电极， 及其附近的参比金属电极),还包括一个共地的电极， 由于LED两侧电极放置的位置不同， 输 入的信号也不一样， 所述信号采集单元所采集的信号是工作金属电极相对于参比金属电极 的电位， 共地电极是用来使电路板和被试者的地在一个平面上， 以达到更好的效果； 也可以 采用双电级输入， 即省去上述共地电极， 信号采集单元所采集的信号也是工作金属电极相 对于参比金属电极。
21、的电位， 该方法需要通过后端处理来保证输入信号不超过电路板输入范 围， 该方法更容易实现； 0046 本发明还可以包括下述情况,所述柔性光-电电极中的金属电极与LED电极可集成 为同一部件， 或分立为不同部件。 0047 进一步的， 所述柔性光-电电极通过手术植入体内， 贴合于脊髓神经上， LED位于受 损部位而金属电极则位于受损部位前后两端。 0048 进一步的， 所述柔性光-电电极可以是平面电极或三维多触点金属电极。 0049 本发明还可以包括以下情况， 所述LED可以有两个或两个以上。 0050 进一步的， 所述两个或两个以上的LED可统一发光模式或独立可控， 也就是说， 几 个LED可。
22、以以相同的频率、 亮度闪烁， 也可以各自按照各自不同的频率、 亮度闪烁。 0051 以小鼠的脊髓损伤修复为例， 本发明所述的用于脊髓功能调控实验的闭环光刺激 系统的使用方法如下： 0052 步骤1： 移植带光敏蛋白的诱导多能干细胞到脊髓损伤部位， 待细胞分化后进行光 调控。 0053 步骤2： 将柔性光-电电极前端植入体内， 贴合于脊髓神经上， LED位于受损部位而 金属电极则位于受损部位前后两端。 0054 步骤3： 连接柔性光-电电极和转接板， 固定转接板， 通过排线连接转接板与闭环光 刺激模块。 0055 步骤4： 将闭环光刺激器置于背包内， 背包由小鼠背负。 0056 步骤5： 打开闭。
23、环光刺激器电源开关， 使用者通过上位机软件发送 “开始” 命令， 闭 环光刺激器开始工作， 软件显示采集到的波形和当前的刺激参数。 0057 步骤6： 使用者可通过上位机软件发送 “暂停” 或 “终止” 命令。 0058 尽管本发明的实施方案已公开如上， 但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用， 它完全可以被适用于各种适合本发明的领域， 对于熟悉本领域的人员而言， 可容易地 实现另外的修改， 因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下， 本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。 说明书 4/4 页 6 CN 104436447 B 6 图1 图2 图3 说明书附图 1/1 页 7 CN 104436447 B 7 。