本發(fā)明屬于精密驅(qū)動(dòng)與定位，涉及到一種高精度同步記錄大鼠多腦區(qū)腦電信號(hào)的壓電微驅(qū)動(dòng)裝置。

背景技術(shù)：

1、腦機(jī)接口是現(xiàn)代腦科學(xué)研究的關(guān)鍵核心器件，也是我國(guó)“中國(guó)腦計(jì)劃”中有關(guān)腦機(jī)智能技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容。植入式人工神經(jīng)電極作為腦機(jī)接口的典型代表，是研究腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)的重要工具，可采集高質(zhì)量的腦電信號(hào)。一方面，腦電信號(hào)可用于有關(guān)認(rèn)知功能神經(jīng)基礎(chǔ)的原理性研究，進(jìn)而揭示和理解大腦的功能和活動(dòng)。另一方面，人工神經(jīng)電極可監(jiān)測(cè)和記錄神經(jīng)元電活動(dòng)，從中提取有關(guān)思維、感知、運(yùn)動(dòng)和其他認(rèn)知功能的多種信息，用于研究和治療癲癇、帕金森病和腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，這對(duì)人類重大腦疾病的診療和康復(fù)具有重要意義。通過(guò)植入式人工神經(jīng)電極獲得高品質(zhì)的腦電信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口上述原理性和應(yīng)用性研究目標(biāo)的關(guān)鍵，這不僅有關(guān)人工神經(jīng)電極本身的綜合性能，更依賴人工神經(jīng)電極在植入大腦過(guò)程中的精準(zhǔn)定位。

2、在腦機(jī)接口應(yīng)用領(lǐng)域，目前面向植入式人工神經(jīng)電極的精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)的研究工作尚處于起步階段。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理的不同，現(xiàn)階段植入式人工神經(jīng)電極微驅(qū)動(dòng)器主要可分為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)型和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)型兩種。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)型微驅(qū)動(dòng)器，基于驅(qū)動(dòng)螺紋桿和夾持元件的配合對(duì)每個(gè)獨(dú)立神經(jīng)電極進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，具體通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺紋桿，利用螺旋傳動(dòng)方式帶動(dòng)安裝在螺紋桿上的夾持元件作直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)人工神經(jīng)電極產(chǎn)生輸出位移。然而，手動(dòng)驅(qū)動(dòng)型微驅(qū)動(dòng)器存在定位精度低、穩(wěn)定性差、操作繁瑣耗時(shí)、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)型微驅(qū)動(dòng)器主要有有電磁式、壓電式兩大類，分別基于電磁感應(yīng)原理、壓電逆效應(yīng)原理對(duì)人工神經(jīng)電極進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，推動(dòng)了面向植入式人工神經(jīng)電極的自動(dòng)化精密微驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)的快速發(fā)展。然而，電磁式微驅(qū)動(dòng)器存在較大的電磁干擾，壓電式微驅(qū)動(dòng)器雖無(wú)電磁干擾但仍基于傳統(tǒng)壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)模式——即每根人工神經(jīng)電極均需要一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)單元和兩個(gè)鉗位單元的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)位移輸出。目前，隨著腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，采集多腦區(qū)、高品質(zhì)、高通量腦電信號(hào)的迫切需求使神經(jīng)電極常采用陣列化方式增加數(shù)量，這導(dǎo)致傳動(dòng)壓電式微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)單元與鉗位單元數(shù)量隨之倍增，龐大的體積與重量不利于腦機(jī)接口系統(tǒng)整機(jī)的集成化和微型化，極大地限制了其臨床應(yīng)用的發(fā)展。另一方面，在腦機(jī)接口研究領(lǐng)域，現(xiàn)階段常采用多通道電極平面陣列化的植入方式來(lái)獲得高通量的腦電信號(hào)，但大腦是一個(gè)三維立體結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元分布也不均勻，電極陣列植入法并不能實(shí)現(xiàn)從全局精準(zhǔn)、高效定位神經(jīng)元，且電極數(shù)量的增加將不可回避地增大對(duì)部分腦組織傷害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)高定位精度、高定位效率、安全性好、易于集成化與微型化、可同步記錄多腦區(qū)神經(jīng)元信號(hào)，是當(dāng)前植入式人工神經(jīng)電極精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高精度同步記錄大鼠多腦區(qū)腦電信號(hào)的壓電微驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成化和微型化，可準(zhǔn)確且安全地完成大鼠多腦區(qū)人工神經(jīng)電極的獨(dú)立精準(zhǔn)植入，高效快速定位神經(jīng)元，同步記錄多腦區(qū)高通量的神經(jīng)元信號(hào)。

2、本發(fā)明主要包括封裝外殼頂部（110）、封裝外殼中部（120）、封裝外殼底部（130）、pcb（印刷電路板）（210、220）、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件（300）、矩形柔性鉸鏈（400）、熱縮冷脹材料（包括但不限于熱縮性tpe彈性體材料，指所有具有熱縮冷脹特性的材料）夾持元件（510、520）、神經(jīng)電極（600）、引管（700）以及套筒（800）。封裝外殼由封裝外殼頂部（110）、封裝外殼中部（120）和封裝外殼底部（130）三部分構(gòu)成；壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)器由pcb（印刷電路板）（210、220）、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件（300）、矩形柔性鉸鏈（400）、熱縮冷脹材料夾持元件（510、520）四部分構(gòu)成；神經(jīng)電極單元由神經(jīng)電極（600）、引管（700）和套筒（800）三部分構(gòu)成。

3、所述封裝外殼整體呈類長(zhǎng)方體，封裝外殼頂部（110）上方具有把手（111）便于打開(kāi)檢查或拆卸微驅(qū)動(dòng)裝置，封裝外殼頂部下方設(shè)有類榫頭結(jié)構(gòu)用于和封裝外殼中部連接；封裝外殼中部（120）上下各開(kāi)一類榫槽，以連接外殼頂部和底部，同時(shí)在上方兩側(cè)開(kāi)有通孔，用于螺栓螺母（212）配合；封裝外殼底部（130）上方同樣設(shè)有類榫頭結(jié)構(gòu)用于和封裝外殼中部連接，封裝外殼底部下方開(kāi)有一矩形口，用膠水與套筒進(jìn)行連接，除與套筒連接的封裝外殼底部下方的其余部分用牙科水泥固定在大鼠顱骨上，使得微驅(qū)動(dòng)裝置在大鼠自由活動(dòng)時(shí)候可穩(wěn)定運(yùn)行不晃動(dòng)。封裝外殼用于保護(hù)內(nèi)部的壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)器、神經(jīng)電極等部件。

4、所述壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)器安裝在封裝外殼中，上側(cè)pcb（210）用角鋼和螺栓固定在封裝外殼中部上端，上側(cè)pcb（210）的上方布置電控系統(tǒng)（包括中控芯片、疊堆驅(qū)動(dòng)芯片、線圈加熱芯片和信號(hào)采集處理單元，其中中控芯片是電控系統(tǒng)的核心處理單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行和協(xié)調(diào)各種計(jì)算和控制任務(wù)，疊堆驅(qū)動(dòng)芯片控制壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)，線圈加熱芯片控制夾持元件的開(kāi)合，信號(hào)采集處理單元與神經(jīng)電極連接用于傳輸采集到的大鼠腦電信號(hào)），上側(cè)pcb通過(guò)螺栓螺母與矩形柔性鉸鏈上端固定，并施加預(yù)緊力于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件；壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件的中心線與矩形柔性鉸鏈通孔中心線對(duì)齊，并通過(guò)螺栓（223）提供的預(yù)緊力固定安裝在矩形柔性鉸鏈內(nèi)部，具體的，螺栓依次穿過(guò)封裝外殼頂部（110）上通孔、pcb上板（210）螺紋通孔，與柔性鉸鏈（300）上表面接觸，通過(guò)調(diào)整螺栓的旋進(jìn)將實(shí)現(xiàn)沿壓電疊堆的工作方向產(chǎn)生的微量移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆的預(yù)緊。矩形柔性鉸鏈下端通過(guò)螺栓螺母與下側(cè)pcb固定；

5、熱縮冷脹材料夾持元件成對(duì)嵌入上下兩塊pcb內(nèi)，材料外圍包裹加熱線圈（511、521），具體的，加熱線圈利用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘在上下pcb打有的孔中，熱縮冷脹材料填充進(jìn)孔的縫隙。在線圈驅(qū)動(dòng)芯片輸出的時(shí)序電控信號(hào)激勵(lì)下，每對(duì)夾持元件可對(duì)包裹著由絕緣材料制成的引管（700）的神經(jīng)電極（600）作夾持和釋放動(dòng)作。

6、所述矩形柔性鉸鏈（400），可起到放大或縮小神經(jīng)電極步進(jìn)位移的作用，提高對(duì)神經(jīng)電極的步進(jìn)特性的調(diào)控能力及步進(jìn)精度，從而對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞提高定位精度，減小腦組織植入過(guò)程中的神經(jīng)元損傷。所述套筒用于聚攏神經(jīng)電極，起保護(hù)作用。

7、所述引管（700）為絕緣材料制成，其套在神經(jīng)電極外部，對(duì)神經(jīng)電極起保護(hù)作用，防止夾持元件夾持力過(guò)大而損壞神經(jīng)電極，同時(shí)也起到了絕緣的作用，避免其他神經(jīng)電極的信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題。

8、所述神經(jīng)電極（600）為片狀硅基電極，用于定位神經(jīng)元、采集腦電信號(hào)，捕捉到的神經(jīng)元細(xì)胞軸突放電即為采集到的腦電信號(hào)。每個(gè)神經(jīng)電極布有8個(gè)采集位點(diǎn)，提高了信號(hào)通道的數(shù)量。

9、更進(jìn)一步地，在疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件的伸縮運(yùn)動(dòng)引起矩形柔性鉸鏈變形，進(jìn)而帶動(dòng)下側(cè)pcb的上下直線運(yùn)動(dòng)。

10、更進(jìn)一步地，線圈加熱芯片對(duì)線圈輸出時(shí)序信號(hào)，低電平時(shí)，加熱線圈不通電，熱縮冷脹材料保持低溫膨脹狀態(tài)，緊緊包裹神經(jīng)電極，起夾持作用；高電平時(shí)，加熱線圈通電加熱，熱縮冷脹材料此時(shí)受熱收縮，體積減小，熱縮冷脹材料與神經(jīng)電極之間存在間隙，釋放神經(jīng)電極。

11、更進(jìn)一步地，中控芯片輸出指令控制線圈加熱芯片和疊堆驅(qū)動(dòng)芯片同時(shí)輸出不同的時(shí)序電控信號(hào)，配合壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件的伸縮運(yùn)動(dòng)和夾持元件的夾持/釋放動(dòng)作，協(xié)同控制驅(qū)動(dòng)元件和夾持元件獨(dú)立平移多根神經(jīng)電極，精準(zhǔn)植入大鼠目標(biāo)腦區(qū)同步記錄多腦區(qū)腦電信號(hào)；信號(hào)采集處理單元連接神經(jīng)電極，對(duì)神經(jīng)電極采集到的神經(jīng)元信號(hào)記錄和捕捉，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等操作對(duì)神經(jīng)元信號(hào)初步處理之后輸出給計(jì)算機(jī)。

12、本發(fā)明引入壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)器，相較以往傳統(tǒng)的神經(jīng)電極驅(qū)動(dòng)裝置，壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)器的精度更高，并且具有高穩(wěn)定性，提供了更精確的神經(jīng)電極移動(dòng)的空間分辨率。神經(jīng)電極末端地多個(gè)神經(jīng)信號(hào)采集位點(diǎn)大大提高了信號(hào)記錄的效率和穩(wěn)定性，滿足了現(xiàn)在腦科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω咄?、高精度腦電信號(hào)采集的需要。通過(guò)一個(gè)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)元件和多對(duì)熱縮冷脹材料夾持元件，分別將多根含有多個(gè)探測(cè)位點(diǎn)的神經(jīng)電極高效獨(dú)立地植入到特定腦區(qū)，將多驅(qū)多動(dòng)變成一驅(qū)多動(dòng)，減少了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量，在時(shí)序電控信號(hào)的配合下，同時(shí)驅(qū)控多根神經(jīng)電極，同步記錄大鼠多腦區(qū)神經(jīng)信號(hào)，并且減少了植入時(shí)間、降低了操作的難度、降低了成本，提高了電極植入的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。