头戴式多脑区神经检测调控微系统及微纳电极阵列模块技术方案

本发明专利技术公开提供了一种头戴式多脑区神经检测调控微系统及微纳电极阵列模块，包括：微纳电极阵列模块，位点分布在大鼠脑部海马区和中缝背核；所述微纳电极阵列模块包括四个微电极位点，其中，有一个微电极位点用于电刺激，其余三个微电极位点用于采集中缝背核的双模信号；信号采集模块，其输入端连接到微纳电极阵列模块，输出端连接到主控模块，用于采集并处理双模信号；刺激模块，用于对电极位点进行不同波形、时长、频率的刺激；主控模块，用于分析双模信号，计算大鼠睡眠质量，选择最佳的刺激方式；周边电路，用于数据交互、数据传输、供电。供电。供电。

【技术实现步骤摘要】
头戴式多脑区神经检测调控微系统及微纳电极阵列模块


[0001]本专利技术涉及生物传感器的微机电系统(MEMS)微加工的
，具体涉及一种头戴式多脑区神经检测调控微系统及微纳电极阵列模块。

技术介绍

[0002]睡眠障碍影响了整个人口的很大一部分，有报告显示在美国多达56％的人睡眠问题。睡眠能力的下降会导致白天的嗜睡和精神障碍，从而导致各种健康和社会经济问题。存在各种各样的睡眠障碍，最常见的是失眠，发作性睡病，腿不安综合症，睡眠呼吸暂停和昼夜节律性睡眠障碍。到目前为止，最普遍的是失眠，这是指尽管有足够的睡眠机会但使会存在睡眠时长或质量不足的问题。这可能是暂时的，间歇的或慢性的。据报道，偶尔有失眠症状的美国人中有一半是成年人，而据估计，慢性失眠会影响美国成年人口的10％至15％，质量差的睡眠会导致人体白天的正常功能严重受损。失眠会对身体和社会表现、有效工作的能力和生活质量产生负面影响，因此已成为一个重要的公共卫生问题，对社会经济具有重大影响。例如，在美国，每年因疲劳驾驶导致的车祸超过100,000起。但是，人类对导致失眠的机制还需要进一步研究，大脑的功能失调被认为是失眠的主要原因之一。
[0003]长期以来，人们一直认为五羟色胺在睡眠中起关键作用，然而，五羟色胺调节入睡与唤醒的机制仍然无法完全解决争议，但已达成共识的是脑内五羟色胺浓度降低会导致失眠。五羟色胺能神经元几乎分布在整个脑区。
[0004]在体检测化学递质是一个热门研究领域，五羟色胺在睡眠调节中的作用毋庸置疑，国际上检测五羟色胺的方式大多使用电化学方法，在检测具有电化学活性的神经递质时，常采用涂覆法在电极上修饰一层电活性物质。
[0005]当前治疗失眠的方法主要分生理和心理两方面，心理主要通过专业人员对患者进行压力等方面的心理疏通，但仍离不开生理方面的药物治疗，目前有效的安眠药治标不治本，可以从根本上治疗失眠的药物仍然离不开针对大脑相关脑区化学递质调节的机制，关于调控脑内神经活动的方法目前有很多种，电刺激调控已经用于临床，如电刺激治疗癫痫等疾病。
[0006]综上所述，开发一种可针对活体大鼠脑内中缝背核和海马的双模检测及电刺激用于治疗大脑五羟色胺浓度降低导致的失眠的智能装置，为进一步探索与治疗人类失眠问题奠定基础，具有很重要的意义。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种头戴式多脑区神经检测调控微系统及微纳电极阵列模块，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
[0008]本专利技术的技术方案为：一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，包括：
[0009]微纳电极阵列模块，位点分布在大鼠脑部海马区和中缝背核；所述微纳电极阵列模块包括四个微电极位点，其中，有一个微电极位点用于电刺激，其余三个微电极位点用于
采集中缝背核的双模信号；
[0010]信号采集模块，其输入端连接到微纳电极阵列模块，输出端连接到主控模块，用于采集并处理双模信号；
[0011]刺激模块，用于对电极位点进行不同波形、时长、频率的刺激；
[0012]主控模块，用于分析双模信号，计算大鼠睡眠质量，选择最佳的刺激方式；
[0013]周边电路，用于数据交互、数据传输、供电。
[0014]根据本专利技术的另一方面，本专利技术提出一种神经检测调控微系统，包括：
[0015]前端子系统，其上布有信号采集模块、刺激模块，具有36个焊盘可与微纳电极阵列模块的后端的位点使用压焊的工艺技术连接；中心子系统布有主控模块、数据存储模块、USB读写模块、通讯模块；
[0016]中心子系统，与前端子系统使用转轴结构连接，电路使用排线连接；
[0017]底基子系统，采用较轻材质、表面亲水的材质；
[0018]底基子系统，下面使用牙科水泥与大鼠颅骨固定；
[0019]交互及电源子系统，布有显示模块、按键输入模块、电源模块；
[0020]中心子系统、底基子系统、交互及电源子系统保持水平，使用螺丝固定，电路使用排线连接。
[0021]根据本专利技术的另一方面，提出一种微纳电极阵列模块的制作方法，包括如下步骤：
[0022]步骤1、形成SOI硅片表面PECVD氮化硅绝缘层；
[0023]步骤2、旋涂AZ1500并进行光刻形成溅射掩膜；
[0024]步骤3、溅射导电层Ti/Pt；
[0025]步骤4、lift
‑
off形成导电层图形；
[0026]步骤5、PECVD氮化硅并用等离子刻蚀开窗口；
[0027]步骤6、深刻蚀形成硅针基底针状外形；
[0028]步骤7、自停止腐蚀底层硅并释放硅针微电极阵列。
[0029]基于上述技术方案可知，本专利技术的一种头戴式(失眠大鼠)多脑区神经检测调控微系统相对于现有技术至少具有以下优势之一：
[0030](1)本专利技术中微纳电极阵列模块可以同时检测大鼠海马区和中缝背核的双模信号，可以在检测的同时对脑区进行电刺激；位点靠边缘分布、使用四个子系统保证系统可长期且稳定使用；
[0031](2)本专利技术的系统可同时检测大鼠多脑区的双模信号，根据检测到的双模信号，分析得到电生理信号的时域特征、频域特征和神经递质(5
‑
HT)的浓度，结合各个参数分析大鼠睡眠质量；
[0032](3)本专利技术可以进行自动调节的电刺激，根据双模信号的分析结果，自动设置电刺激的参数，调整对大鼠的最佳刺激方案，同时可以根据个体差异，人工输入个别参数微调；
[0033](4)本专利技术中数据传输可以选择有线/无线方式，满足大数据的快速传输，也满足小文件传输的方便。
附图说明
[0034]图1为本专利技术实施例中头戴式失眠大鼠多脑区神经检测调控微系统示意图；
[0035]图2为本专利技术实施例中微纳电极阵列模块的结构示意图；
[0036]图3为本专利技术实施例中微系统结构示意图；
[0037]图4为本专利技术实施例中数据分析工作流程示意图；
[0038]附图标记说明：
[0039]200
‑
微纳电极阵列模块；201
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中缝背核区位点；202
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参比电极位点；203
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海马区位点；300
‑
微系统结构图；302
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前端子系统；303
‑
中心子系统；304
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交互及电源子系统；305
‑
底基子系统；306
‑
螺丝。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。
[0041]本专利技术公开了一种头戴式失眠大鼠多脑区神经检测调控微系统，如图1
‑
3所示，包括：
[0042]微纳电极阵列模块(即图1中的电极模块)，位点分布在大鼠脑部海马本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，包括：微纳电极阵列模块，位点分布在大鼠脑部海马区和中缝背核；所述微纳电极阵列模块包括四个微电极位点，其中，有一个微电极位点用于电刺激，其余三个微电极位点用于采集中缝背核的双模信号；信号采集模块，其输入端连接到微纳电极阵列模块，输出端连接到主控模块，用于采集并处理双模信号；刺激模块，用于对电极位点进行不同波形、时长、频率的刺激；主控模块，用于分析双模信号，计算大鼠睡眠质量，选择最佳的刺激方式；周边电路，用于数据交互、数据传输、供电。2.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于：所述微纳电极阵列模块前端有四根探针，每根探针上分布有8个圆形微电极位点用于神经电生理信号、神经递质化学信号的双模检测，顶端处聚集式分布4个微电极位点，距尖端第二距离处分散式分布4个微电极位点；尖端一个圆形微电极位点用作电刺激位点；微电极位点均靠近探针边缘，有利于电极长期植入大鼠脑区；每根探针上分布有1个参比电极，为矩形微电极位点，用于提供参考点位并保持电位稳定。3.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，所述的微纳电极阵列模块包括：所述的微纳电极阵列模块使用SOI片作为基底；所述硅针基底的材料选自单晶硅、掺杂硅、SOI绝缘硅或硼扩散硅其中之一；微电极的材料是生物兼容性好的金属或者金属化合物导电薄膜；绝缘层所使用的材料为具有生物兼容性的有机或无机绝缘材料；通过电化学沉积方法,在圆形微电极表面修饰纳米材料或者敏感膜材料，使圆形微电极能够通过I
‑
T法在体即时检测神经递质化学信号。4.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，所述的微纳电极阵列模块还包括：所述硅针基底后端为接口部分，上面分布有36个焊盘，所述焊盘与电极前端的位点之间均使用溅射金属导线一一连接；所有导线的上表面覆盖有绝缘层，位点与焊盘暴露在外。5.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，系统底部采用较轻材质、表面亲水的材质，有利于使用牙科水泥与大鼠颅骨固定。6.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，所述的信号采集模块：用于对电极阵列模块采集到双模信号同时进行采集、信号放大、去噪、模数转换。7.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，所述的刺激模块：用于对电极位点进行电流输出，输出信号波形由主控模块控制；具有限压保护电路确保不对生物体具有伤害。8.根据权利要求1所述的一种头戴式多脑区神经检测调控微系统，其特征在于，所述的主控模块：能够对信号采集模块转换得到数字信号进行处理，分析电生理信号的时域特征、频域
特征，分析神经递质(5
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HT)的浓度，综合分析得出大鼠睡眠质量；根据分析得到的鼠睡眠质量自动调整刺激模块的输出到电极阵列模块的电流强度、频率、波形，将中缝背核的神经细胞的放电频率调整到正常频率，并将其神经递质(5
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HT)的浓度促进恢复到正常情况；使用移动终端或USB导入的波形...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云，蔡新霞，王蜜霞，宋轶琳，陆泽营，李欣蓉，邢宇，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：