[发明专利]一种微型可遥控的光感基因刺激装置

说明书

技术领域

本发明属光电子、微电子及基因光学技术领域，特别是涉及一种微型可遥控的光感基因刺激装置。

背景技术

用电刺激的方法来达到治疗的效果已在生物学和医学领域有着数百年的历史，而且该方法日渐成熟并已进入了临床医学的应用，其中最典型的应用是植入式心脏起博器。此类装置中采用了微型电子电路产生特定的激励，以刺激人体的特定区域来达到治疗的目的。近年来，对于治疗神经性疾病的需求日益强烈，其中所谓的“脑起搏器”用于治疗帕金森病等类型的大脑神经疾病，并已进入了临床应用，其装置的基本原理与心脏起博器十分相似，但对脉冲参数的可控性提出了更高的要求。随着研究的深入和分子生物技术的进步，通过采用基因技术在生物细胞及生物体中引入具有生物活性的光敏感物质，利用其光敏特性产生特定的生物功能引起了科学家们的重视[Boyden E S et al.Millisecond-timescale,genetically targeted optical control of neural activity.Nature Neuroscience,2005,8:1263-1268]。自然界经亿万年的发展，产生了一系列具有生物活性的光敏感物质，这些物质对太阳光谱中特定波长的光具有很强的特异性，但人类对其的了解尚不充分，亟待开展深入研究。此外，用光刺激来替代电刺激达到目前临床医学中的治疗效果也是医学界梦寐以求的。与电刺激相比，结合光基因技术的光刺激方法可以无需在特定区域植入微电极，甚至有可能在体外进行刺激，避免了对人体脑部的损伤和受刺激区域老化、疲劳问题[Chow B Y et al.High-performance genetically targetable optical neural silencing by light-driven proton pumps.Nature,2010,463:98–102]；利用对不同波长敏感的生物光敏物质还有可能发展出全新的作用、治疗和控制模式，具有非常广阔的前景。目前，这些基础和临床应用研究普遍采用通用的、较昂贵的实验仪器来构建所需要的光刺激功能。这显然不能满足生物研究，尤其是动物行为学研究的要求，从而一种微型可遥控的光感基因刺激装置便应运而生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型可遥控的光感基因刺激装置。本发明所要解决的技术问题是提供一种微型可遥控的光感基因刺激装置，可以显著改善光感基因研究中的方便性，扩展光感基因研究的应用范围，同时降低开展此方面研究的门槛，促进技术的进步。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微型可遥控的光感基因刺激装置，采用简单的特定电路拓扑实现微型化微功耗要求以满足人体植入的需要；脉冲宽度覆盖毫秒级至秒级范围，且占空比数字可调以适应光感基因细胞刺激的需要；实现远程无线遥控，通过传感器采集数据或由MCU处理控制，用于研究光感刺激对动物行为学的影响；具体电路拓扑由小规模集成电路、无线射频模块、半导体激光器、中央处理单元（MCU）、自动功率控制（APC）电路和开关驱动电路等构成，所述的小规模集成电路通过稳压模块与电源相连，并通过总线分别连接系统中的其它功能部分，以实现对各个功能部分的整合以及空间位置的设计。开关驱动电路连接半导体激光器，并由MCU控制频率和占空比，驱动半导体激光器发出的光脉冲经由光电检测装置输出给APC电路，通过反馈调节功率并输出至光纤。

本发明采用廉价通用小规模集成电路，并配以体积小、重量轻的半导体激光器的应用，通过无线遥控产生脉冲频率和占空比大范围可调的光脉冲，对光感神经元进行刺激。MCU一个端口产生的TTL电平用于触发开关驱动电路，通过软件延时控制高低电平的时间，实现频率和占空比的调节；MCU另一部分端口产生的可计数脉冲改变数字电位器的阻值以改变光敏二极管的静态工作电流，从而控制半导体激光器的输出功率；为得到较高的分辨率，由具有100抽头的10K和1K两个阻值的数字电位器串联至电路中，可以获得最高10μW的分辨率；APC电路连接激光二极管（LD）和光敏二极管（PD），LD可输出0～80mW的功率，其分别对应PD产生的光电流为0～1.2mA，以PD作为光反馈，可以在较宽的温度范围内实现稳定的功率输出，满足科学实验的要求。为方便使用，此装置的电源由能量体积比较高的可充电锂电池供给，鉴于常规锂电池的电压为3.7V且电压随放电时间波动，而电路部分希望由5V的稳定电压供电以保证脉冲参数稳定，故此锂电池须经稳压模块为装置提供稳定电压；该锂电池与普通7号电池体积一致，有良好的通用性，可以拆卸由外部充电器充电。