一种非侵入式神经调控装置

本发明属于神经调控，尤其涉及一种利用近红外光和光电转换材料来实现的非侵入式神经调控装置。具体而言，本发明涉及神经科学、材料科学和生物医学工程领域，旨在通过先进的光电转换技术，实现对神经元活动的精确调控，提供一种在神经研究和临床治疗中具有广泛应用前景的技术解决方案。

背景技术：

1、现有的神经调控方法主要包括电刺激和光调控两种途径。电刺激技术通过直接向神经系统传递电信号来实现调控，其优点在于可以实现快速、精确的神经活动操控。然而，电刺激方法通常需要植入电极，这不仅对电极的质量提出了较高挑战，也会对脑组织造成损伤，导致患者接受度低和手术复杂性增加。

2、相比之下，光调控技术利用特定波长的光来激活或抑制神经元活动，具有非侵入性和高空间分辨率的特点，对生物体无损伤且能够实现神经信号的长时间采集。然而，光调控技术的主要缺点是短波长光信号穿透性较差，常常需要植入光纤以减少入射光的损失，光纤的植入将引起类似电刺激中的脑组织损伤问题。近红外光具有较强的穿透能力，常用于各种医疗应用。

3、在神经调控领域，现有技术存在以下主要问题：

4、1.侵入性操作的损伤风险：传统电刺激方法需要植入电极，通过直接向神经系统传递电信号来实现调控。这种方法不仅对电极的质量和耐用性提出了较高要求，而且由于手术植入的侵入性，会对脑组织造成不可避免的损伤，增加了感染和其他并发症的风险，同时电极稳定性也会随着时间而降低，因此长期稳定性差。患者接受度低，且手术的复杂性和恢复期较长。

5、2.光调控方法的穿透性限制：光调控技术利用特定波长的光来激活或抑制神经元活动，具有非侵入性和高空间分辨率的特点。然而，短波长光的穿透性较差，并且调控响应速度变慢。

6、因此，通常需要植入光纤以提高穿透深度，减少入射光的损失。例如，通过植入光纤并通过病毒将外源光敏感蛋白基因导入活细胞中，在细胞膜结构上表达了光敏感通道蛋白；然后通过特定波长光的照射，控制细胞膜结构上的光敏感通道蛋白的激活与关闭来控制神经元激活。因为需要通过病毒引入外源蛋白基因这种方法具有一定潜在风险同时与植入电极类似，在脑组织中长期存在的光纤同样对脑组织有损伤，导致与电刺激方法类似的问题，如导致运动受限，难以在临床上广泛应用。

7、3.现有材料和技术的局限性：虽然上转换材料和光生电材料在光电转换领域已有一定应用，但如何有效地结合这些材料，形成一种高效、稳定的光电转换系统，并应用于神经调控中，仍是一个挑战。此外，如何确保光电转换材料在体内的稳定性和安全性，以及如何精确控制光照和电信号的传递，也是亟需解决的问题。

8、4.系统集成和操作复杂性：现有的光电转换系统往往在材料和设备的集成方面存在不足，无法形成一个高效、稳定、易操作的整体系统。这不仅影响了神经调控的效果，还增加了操作的复杂性和实验的不确定性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种非侵入式神经调控装置，该装置，实现了精确的神经调控，同时避免了传统方法中的脑组织损伤问题。

2、为了实现目的，本发明一种非侵入式神经调控装置，其特征在于，包括光纤、设于光纤的一端的光纤固定装置、设于光纤的另一端的激光光源，以及与光纤分开设置的光电转换材料定位与注入组件；

3、其中，所述光电转换材料定位与注入组件用于将光电转换材料注入指定的溶液注射点；所述光电转换材料为粉末状，其包含可将近红外光转化为电信号的纳米颗粒，其分散在生理盐水中从而能够被注入生物组织中；

4、所述激光光源设置为将近红外波段的激光照射到溶液注射点所在的区域，使得激光通过所述光电转换材料转换为电信号，使得电信号刺激溶液注射点所在的区域。

5、所述光电转换材料的溶液注射点和注射量是在使用所述非侵入式神经调控装置之前，根据所需调控的神经组织区域预先规划确定的。

6、所述注射量在十几纳升到几十微升之间，所述溶液注射点处于所需调控的神经组织区域的范围内。

7、所述光电转换材料的输入光波长在780nm-2526nm之间，且所述光电转换材料具有光伏效应，所产生的电流强度在一纳安到百毫安量级。

8、所述光电转换材料定位与注入组件包括注射器、用于夹持固定所述注射器的主体的注射器夹持机构、用于驱动注射器的推头部分的电机驱动机构、以及用于使所述注射器夹持机构移动的手术定位仪。

9、所述注射器夹持机构包括背板和注射器固定臂，通过注射器固定臂将注射器固定在背板上；所述电机驱动机构包括依次连接的控制器、控制线和电驱动块，电驱动块在背板上可滑动并且与注射器的推头部分固定连接。

10、所述光电转换材料的溶液注射点的定位精度为0.01mm。

11、所述光纤固定装置包括与光纤紧固连接的螺纹锁紧机构、与所述螺纹锁紧机构固定连接的支架；所述支架粘附在生物体表面或者支架包括头盔或其他可穿戴设备，使得螺纹锁紧机构和光纤均依靠支架固定于生物体表面；或者，所述光纤固定装置仅仅包括移动端与光纤固定连接的立体定位仪，使得光纤受立体定位仪驱动。

12、所述的非侵入式神经调控装置，其特征在于，还包括一个非侵入式神经调控规划系统；

13、所述非侵入式神经调控规划系统包括：光电转换材料注入规划模块，其设置为：在使用所述非侵入式神经调控装置之前，扫描获取生物体的定位信息，根据生物体的定位信息和调控目标预先规划确定光电转换材料的注入参数；和光电转换材料注入控制模块，其设置为：在所述非侵入式神经调控装置工作时，驱动光电转换材料定位与注入组件按照光电转换材料注入规划模块提供的光电转换材料的注入参数来工作；

14、和/或，所述非侵入式神经调控规划系统包括：激光光源规划模块，其设置为：在使用所述非侵入式神经调控装置之前，根据调控目标预先规划确定激光光源的激光输出参数；所述激光光源的激光输出参数例如包括激光照度、频率和照射时间；和激光光源控制模块，其设置为：在所述非侵入式神经调控装置工作时，驱动激光光源按照激光光源规划模块提供的激光输出参数来工作。

15、在所述非侵入式神经调控规划系统包括光电转换材料注入规划模块和光电转换材料注入控制模块时，所述光电转换材料的注入参数包括光电转换材料的溶液注射点和注射量；

16、在所述非侵入式神经调控规划系统包括激光光源规划模块和激光光源控制模块时，所述激光光源的激光输出参数包括激光照度、激光功率、频率、照射时间、和激光脉宽中的至少一种。

17、本发明的非侵入式神经调控装置具有以下特点：

18、1.非侵入性：本发明通过利用近红外光和光电转换材料，实现了非侵入性的神经调控，避免了传统电刺激和光纤植入带来的脑组织损伤问题。

19、2.高效性：通过光电转换材料的光电效应将近红外光有效转换为电信号，能够实现对神经元的精确刺激，具有较高的调控效率。

20、3.系统独特性：本发明的系统装置将光电转换材料、材料注入设备、光纤固定装置和激光器有机结合，形成了一种独特的神经调控系统。该系统充分利用各部件的特性，实现了高效、稳定的神经调控效果。

21、4.稳定性：光纤固定装置采用螺纹锁紧机构和支架结构，确保了光纤的稳固性和照射位置的准确性，避免了光纤位置偏移带来的调控效果不稳定问题。

22、5.可编程控制：激光光源装置通过程序控制模块实现对激光强度、频率和照射时间的精确控制，能够根据不同的实验需求进行调整，具有较高的灵活性和适用性。

23、综上所述，本发明提供了一种创新的非侵入式神经调控装置，结合了光电转换材料、材料注入设备、光纤固定装置和激光器，具备非侵入性、高效性、系统独特性、稳定性和可编程控制的优点，能够实现对神经元的精确调控，具有广泛的应用前景。