Нейроэлектронный многоканальный оптоволоконный интерфейс

Нейроэлектронный многоканальный оптоволоконный интерфейс

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к соединению устройств ввода-вывода или устройств центрального процессора или передаче информации или других сигналов между этими устройствами.

Изобретения также относятся к измерениям для диагностических целей, а именно к входным цепям, специально предназначенным для этой цели, а также к средствам нейропротезирования.

Известно использование заостренных проводников или электродов, размещенных в стеклянных микропипетках для записи сигналов нервных клеток. Для этих же целей используют стеклянные капилляры, заполненные электролитом диаметром в несколько микрон. Они обычно используются как внутриклеточные электроды для измерения потенциала в пределах одной клетки. Обычно такие электроды делаются вручную.

Известны многоканальные реализации таких устройств. Обычно они содержат от 8 до 32 микропроводов диаметром в 50 микрон из вольфрама или нержавеющей стали, изолированных полиимидом или тефлоном. Провода обычно размещены в массиве 2 на 8 проводов. Провода имплантируются в мозг, а разъем крепится к черепу акриловым клеем. Для сравнения средний диаметр одного нейрона примерно равен 60 микронам, а размер синаптических контактов составляет 0.1-0.5 микрона. Следовательно, микропровод диаметром 50 микрон практически полностью разрушает нейрон, если проникает в него. Нейроимпульсы, снятые такими устройствами, в большинстве случаев носят интегральный характер и должны относиться к локальной области нейронов.

Обычно микропровода обеспечивают жизнеспособность интефейса и возможность записи в течение одного-двух месяцев.

Известны многоканальные устройства, содержащие электроды, размещенные в стеклянных микропипетках, заполненных жидкими проводящими веществами, способствующими росту нейронов. Такие устройства оказались жизнеспособными до 16 месяцев.

Известны многоканальные нервные интерфейсы, предназначенные для имплантации на поверхность мозга или периферийных нервов. Они ограничены возможностью записи сигналов из массивов нейронов, расположенных на поверхности мозга не глубже 5 мм. Для высокоразвитых млекопитающих они позволяют осуществлять записи из неокортекса, периферийных нервов или других поверхностных структур. Однако это - тоже устройства, изготавливаемые вручную. Для массовых применений с развитием технологий изготовления микросхем стали появляться многоканальные устройства для соединения с нервными клетками, изготовленные на кремниевых подложках, которые называют нейрочипами.

Одно из таких устройств описано в патенте США по заявке №20060276866 «Microelectrode array for chronic deep-brain microstimulation for recording» («Массив микроэлектродов для глубокой мозговой микростимуляции и записи»). Изобретение относится к микроэлектродам, имеющим кремниевую подложку и многочисленные проводящие электроды для глубокого мозгового электрического стимулирования или записи нервных сигналов. Подложка имеет верхний конец с многочисленными проводящими частями для соединения. Изобретение включает тонкопленочную основную полимерную подложку, которая может быть достаточно гибкой, чтобы следовать за 3-мерными контурами биологической системы. Многочисленные каналы и места электродов могут точно быть установлены на одном устройстве для местной доставки лекарств или записи или стимулирования нейронов. Устройство содержит массив электрических контактов и встроенный кабель для разъема. Такие устройства изготавливают методами массового производства микросхем и они могут быть достаточно дешевы. Однако проблема с вживляемостью и сроком службы ограничивает их широкое применение, несмотря на использование губчатой платины, проводящих полимеров и высокостойких полимерных покрытий.

В патенте США по заявке №20060241753 описывается многоканальное устройство для соединения с нейронами сетчатки глаза для протезирования зрения, использующее 98 каналов. Однако качество такого протезирования недостаточно. Зрительный нерв здорового глаза содержит приблизительно один миллион индивидуальных волокон. По каждому волокну могут передаваться сигналы с частотой до 200 герц. Это эквивалентно информационному потоку в 200 мегабит в секунду. Создавать подобный канал на основе электрических электродов нецелесообразно. Кроме проблем с изготовлением и изоляцией сверхтонких электрических проводников и их селективным подключением, здесь возникают еще более трудные проблемы с вживляемостью целого миллиона электродов, которые при передаче электрических импульсов будут работать как микроэлектролизеры, разлагая физиологические среды мозга на водной основе и разлагаясь сами. Это неизбежно приведет к возникновению аллергических реакций и отторжению системы. Если обеспечение приживаемости и длительной работоспособности в сложной физиологической среде мозга для сотен металлических электродов - почти не решаемая задача, то для миллионов таких электродов - это технологический тупик.

Известен гибкий полимерный микроэлектрод с жидкостным передающим каналом и способ его получения по заявке США №20060282014 «Flexible polymer microelectrode with fluid delivery capability and methods for making same». Это изобретение включает микроэлектроды, по крайней мере, с одним слоем микроэлектродов между, по крайней мере, двумя слоями многослойной полимерной подложки, причем, по крайней мере, один электродный слой содержит каналы для поступления жидкости в нервную систему.

Известен интерфейс по заявке США №20060293578 «Brian machine interface device» (Устройство для соединения мозга и машины). По этому патенту распределенный и работающий в режиме реального времени нейроинтерфейс содержит считыватель и массив устройств записи. Считыватель излучает и получает радиочастотные сигналы. Массив записывающих устройств включает беспроводную секцию и сенсорную секцию. Беспроводная секции включает преобразователь, антенну и модулятор. Преобразователь преобразует радиочастотный сигнал. Сенсорная секция принимает стабильные силовые сигналы. Сенсорная секция приспособлена для обнаружения нервной деятельности и выдает выходные сигналы, содержащие информацию, указывающую на такую нервную деятельность модулятору беспроводной секции, посредством чего модулятор передает информацию на выходные сигналы считывателя.

Недостатком описанных устройств является чрезвычайная сложность осуществления, недоступная современному уровню развития техники.

Известен патент США по заявке №20060282014 «Flexible polymer microelectrode with fluid delivery capability and methods for making same», по которому микроэлектрод содержит кремниевую подложку, массив микроэлектродов и слои полимерных подложек.

Недостатком такого решения является небольшая область применения, ограниченная возможностью соединения с группами нейронов, расположенных только на поверхности нейроструктур.

Состояние работ в области создания многоканальных соединений в развитых странах описано в литературных источниках [1-39].

В принципе, проблема создания проводящего двустороннего интерфейса между нейроном и полупроводником может быть решена с использованием принципа электрической поляризации диэлектриков [40-43]. «Если соединить нейрон и полупроводник таким образом, что непроводящая липидная мембрана будет находиться в прямом контакте с изолирующим слоем диоксида кремния, расположенным на поверхности p-n-перехода, то можно получить желаемый двусторонний интерфейс. Благодаря активности нервной клетки на слой диэлектриков действует слабое электрическое поле, которое их поляризует. Прямая поляризация определяет перенос зарядов транзистора, расположенного под слоем диоксида кремния, в направлении исток-сток. С этого и начинается взаимодействие чипа и нейрона. Обратная связь достигается тем же эффектом поляризации: электрическое поле, генерируемое транзистором, поляризует мембрану нейрона, что заставляет открываться и закрываться ионные каналы, управляемые чувствительными к электрическому полю белками».

Традиционно считается, что передача нервных сигналов между нейронами осуществляется либо с помощью нейромедиаторов, либо непосредственно электрическим путем [47-49]. Однако до появления современных теорий существовала биогидравлическая модель нервных систем [50]. Она была выдвинута известным греческим мыслителем Аристотелем (384-322 до н.э.) и поддерживалась великим французским ученым Декартом (1596-1650. Ряд специфических факторов в работе нервных систем и мозга свидетельствует в пользу биогидравлической модели. «Скорость перемещения так называемого потенциала действия нервного импульса больше соответствует скорости распространения волны давления в вязкой жидкости и совсем не соответствует скорости распространения электричества. В коротких нервных клетках электрический потенциал действия не регистрируется. Только эластичные гидравлические каналы, какими являются каналы нервных клеток, нуждаются в упрочнении их оболочек миелином, так как оно способствует повышению скорости распространения потенциала действия, то есть волны давления. Разрушение миелиновых оболочек, как форма болезни, приводит к нестабильности в движениях человека; скорость перемещения импульсов по нейронам прямо зависит от диаметра аксона, и даже такой общеизвестный факт, как вздрагивание ноги при ударе молоточком по колену, говорит в пользу гидравлических процессов [50]».

Известна концепция Р.Пенроуза и С.Гамерова, по которой нейроны являются не первичными переключателями нервных сигналов, а сложными вычислительными устройствами, математический процесс в которых осуществляется с помощью массивов молекул протеина тубулин, составляющих стенки микротрубочек цитоскелета нейрона. Эта концепция позволяет предположить, что для создания нейроэлектронных интерфейсов с достаточно сложными и умными наноструктурами, которыми являются нейроны, не обязательно использовать чисто электрические или электрохимические средства. Есть достаточно много оснований считать, что передача информации между нейронами может осуществляться и на основе волнового взаимодействия. Нейроны могут «слышать» звуковые волны и реагировать на инфра- или ультразвуковые колебания жидкости в окружающей их жидкостной среде. При электронной микроскопии в отростках нейронов обнаружены два рода продольно ориентированных нейрофибрилл: трубчатые (диаметр 20-25 нм), так называемые нейротубулы, построенные из белка тубулина, и нитевидные образования (диаметр 10 нм), так называемые нейрофиламенты, построенные из белка, близкого к мышечному белку актину; нейрофиламенты особенно многочисленны в подвижных концевых участках растущих аксонов. Традиционно микротрубочки рассматриваются как чисто структурные элементы. Недавно найденные свидетельства [46] показали, что, кроме того, имеет место механическая передача сигнала и коммуникативные функции:

- Микротрубочки нейрона "спазматически" перемещаются по 15 микрон (2000 тубулинов) в секунду. Vernon and Woolley (1995) Experimental Cell Research 220 (2) 482-494.

- Микротрубочки нейрона вибрируют (100-650 Гц) со смещением 1 нм. Yagi, Kamimura, Kaniya (1994). Cell motility and the cytoskeleton 29:177-185.

Хорошо известно, что любое колебание механических тел в жидкости порождает распространение там гидроакустических колебаний - звук в жидкости. Следовательно, работу или любую другую активность микротрубочек нейрона, которые вибрируют с частотой 100-650 герц, можно зафиксировать с помощью высокочувствительного датчика давления или датчика гидроакустических колебаний жидкости, размер которого должен быть сопоставим с размерами локального источника колебаний. В случае нейроинтерфейса размеры датчиков не должны превышать размеров нейрона, т.е. порядка 10-50 мкм. Таким образом, если осуществить измерение гидроакустической активности конкретного нейрона и принять поток таких сигналов от него, то путем их расшифровки можно с высокой точностью осуществить считывание конкретной информации, которую обрабатывает нейрон или группа нейронов.

Учитывая общеизвестный факт, что белок миелин, из которого построены элементы цитоскелета нейрона, и ряд других веществ, входящих в состав цитоскелета нейрона, обладают слабыми пьезоэлектрическими свойствами, становится понятным, что любые колебания жидкости возле нейрона приводят к деформации элементов цитоскелета и возникновению в них электрических полей. (Если быть точнее, то для жидкокристаллических веществ, каковыми являются практически все ткани нашего организма, возникновение электрического поля в слое жидкого кристалла при его деформации носит название флексографического эффекта. Но уточнение названия эффекта существа явления не изменяет, поэтому будем использовать в описании самое общее название эффекта - пьезоэлектрический эффект). Известно, что напряженность электрического поля при пьезоэффекте зависит от скорости нарастания деформации. Именно этим фактором можно легко объяснить известное всем явление высокой интенсивности болевых ощущений при быстром ударном механическом воздействии на любое нервное скопление, в том числе и на мозг. При медленном нагружении пьезоэффект слаб и боль не возникает. Следовательно, вибрации и звуковые колебания в жидкости могут быть использованы для создания нейроэлектронных интерфейсов. Следовательно, можно обнаружить изменение активности нейронов и по локальным поляризационным токам, которые возникают в клеточных мембранах конкретных нейронов. И в этом случае размеры датчиков должны составлять порядка 10-50 мкм.

Известен нейроэлектронный интерфейс, действующий на основе принципа электрической поляризации липидной мембраны нейрона через слой диэлектрика, описанный в [40-43], а точнее его разновидность, действующая через слой электролита. В этом интерфейсе нейрон и полупроводник соединены таким образом, что непроводящая липидная мембрана нейрона контактирует через слой электролита (физиологической межклеточной жидкости) с изолирующим слоем диоксида кремния, расположенным на поверхности p-n-перехода чувствительного транзистора. Электрическое поле, генерируемое транзистором, поляризует мембрану нейрона, что заставляет открываться и закрываться ионные каналы, управляемые чувствительными к электрическому полю белками. При наличии слоя электролита между мембраной нейрона и слоем диоксида кремния протекание тока через мембрану нейрона приводит к появлению переносного внеклеточного потенциала в слое электролита, который поляризует слой оксида, позволяя нейрону взаимодействовать с p-n-переходом. И наоборот, этот же потенциал приводит к поляризации мембраны клетки, когда напряжение подается на транзистор. Исследователям из Института им. Макса Планка удалость экспериментально подтвердить факт, что внутриклеточный потенциал и соответствующий ему ток, проходящий через клеточную мембрану, вызывает ответное изменение внеклеточного потенциала, который повторяется транзистором.

Тот факт, что нейроны взаимодействуют с поляризованными объектами, ограничивает возможность передачи информации с помощью изолированных электрических проводников вглубь мозга. Так как сам по себе такой проводник уже будет являться поляризатором, то все области нейронов, через которые проходит этот проводник, будут обязательно возбуждены при передаче электрического импульса через него. Это приведет к нежелательным эффектам при передаче информации в мозг. Таким образом, изолированный электрический проводник является слишком грубым средством для передачи информации и не может быть использован для передачи информации в глубинные структуры мозга без достаточно толстой изоляции.

Технический результат заявляемого изобретения позволяет создать нейроэлектронный интерфейс, пригодный для получения информации из глубинных распределенных структур мозга и не возбуждающий при этом области нейронов, через которые проходят элементы соединения.

Для решения этой проблемы была использована идея использования пучка оптоволоконных световодов как средства, не создающего электронных помех при передаче информации и, с другой стороны, позволяющего считывать информацию с достаточно большого массива нейронов.

Известна технология по патенту РФ №2270493, с помощью которой можно соединять тысячи, десятки тысяч и даже сотни тысяч оптоволоконных каналов связи, что очень важно для нейроэлектронных интерфейсов.

Известны также поляризационные модуляторы света на жидких кристаллах [51-64], используемые, в частности, и для преобразования слабых акустических сигналов в модулированный световой поток.

Поэтому для считывания информации с массива нейронов мозга проще всего передать луч света в глубинную структуру мозга по световоду, в области нужного нейрона промодулировать его с помощью чувствительного к электрическому полю или к колебаниям давления (гидроакустическим микроимпульсам) жидкокристаллического модулятора, а затем отразить от отражающего, например зеркального, слоя и вернуть этот промодулированный луч по тому же световоду назад. Связь пакета световодов с компьютерными устройствами можно осуществить с помощью известной технологии интеллектуальных многоконтактных соединений (ИМКС). Для этого можно использовать комбинированные матрицы, в которых вместе с приемной матрицей объединена матрица излучателей.

Рассмотрим основные технологии, положенные в основу заявляемого решения.

Известна технология интеллектуальных многоконтактных соединений (ИМКС) по патенту РФ №2270493. Согласно патенту для осуществления многоконтактного соединения объединяют в специальные матрицы передатчики (выводы) прибора-источника информации, приемники (вводы) прибора-потребителя информации и концы пучка проводников сигнала. При формировании матриц не соблюдают строгий порядок пространственного расположения их элементов и формируют их хаотически или «как получится». Матрицы передатчиков и приемников соединяют с соответствующими матрицами пучка проводников, не обязательно точно соблюдая их одинаковое взаимное расположение и добиваясь лишь совпадения областей расположения элементов матриц. Такая конструкция соединений не требует высокой точности изготовления и монтажа, что существенно снижает их стоимость и расширяет возможности массового применения. После соединения и при повреждении соединения производят распознавание и запоминание образовавшихся каналов связи. Затем с помощью коммутаторов каналов подключают каждый распознанный и идентифицированный канал связи к вводам и выводам соединяемых приборов в соответствии с заданной таблицей или программой соединений. При повреждении соединения осуществляется самодиагностика и регенерация соединения. Применение ИМКС в нейроэлектронных интерфейсах позволяет решить целый ряд важнейших проблем. Технология ИМКС позволяет соединять одним разъемом десятки и даже сотни тысяч выводов. Так, оптический кабель размером 5×5 мм, содержащий оптические волокна диаметром 17 микрон, позволяет создать интерфейс, содержащий до 20 тыс.каналов связи (Всего в кабеле содержится 90 тыс.волокон). Этого достаточно, чтобы создавать высокоэффективные протезы достаточно сложных нервов, управляющих конечностями, а также для средств считывания аудио, тактильной, моторной и в какой-то мере даже логической информации из нейронных структур.

Рассмотрим уровень техники, характеризующий состояние разработок в области жидкокристаллических устройств и оптоволоконных датчиков.

Известно множество жидкокристаллических веществ, в том числе и жидкокристаллических полимеров, пригодных для использования в виде пленок и широко используемых в технике. Их свойства подробно описаны в литературных источниках [51-64].

Разработаны принципы синтеза жидкокристаллических полимеров с заданными свойствами [61, 64], с использованием которых получают широчайший спектр современных материалов - от высокочувствительных жидкокристаллических твердых пленок для мониторов до сверхпрочного кевлара для бронежилетов. В частности, в [64] сообщается следующее. «Используя эти принципы, к настоящему времени осуществлен синтез многих тысяч разнообразных по строению ЖК-полимеров. Помимо "чисто линейных" и "чисто гребнеобразных" разветвленных макромолекул, существует большое разнообразие ЖК-полимеров, содержащих парные мезогены, макромолекулы с латерально связанными мезогенными группами, дискообразными и крестообразными фрагментами. Возможно также чередование разных мезогенных групп в пределах одной и той же макромолекулы. Принципиальная возможность синтеза ЖК-полимеров, построенных из макромолекул, состоящих из любой комбинации мезогенных и немезогенных фрагментов, открывает богатейшие возможности для молекулярного конструирования новых полимерных ЖК-соединений. Важно подчеркнуть, что включаемые в состав макромолекул как мезогенные, так и немезогенные группы (в случае сополимеров) могут обладать определенными функциональными свойствами, определяющими, в конечном счете, области практического применения таких ЖК-материалов. Это могут быть, например, высокополярные группировки, способные к ориентации в электромагнитных полях в ЖК-фазе, фоточувствительные группы ("гости"), подвергаемые направленным фотохимическим изменениям в полимерной матрице ("хозяине") (эффект гость-хозяин) и другие функционально работающие фрагменты».

Названия синтезированным веществам присваиваются часто исходя не из общеустановленных химических правил, а, по коммерческим соображениям, поэтому перечислять их просто нет смысла.

Известно множество (несколько тысяч) оптически активных веществ, которые могут быть использованы в качестве поляризаторов. Это множество веществ характеризует, например, заявка на выдачу патента РФ №98104984, в которой описан оптический поляризатор, включающий подложку и нанесенное на нее одно или несколько поляризующих покрытий, отличающийся тем, что поляризующее покрытие представляет собой анизотропно поглощающий двулучепреломляющий слой нерастворимого в воде дихроичного красителя, выбранный из ряда кубовых красителей, дисперсных красителей, антрахиноновых красителей, индигоидных красителей, азосоединений, периноновых красителей, полициклических соединений, гетерциклических производных антрона, металлокомплексных соединений, ароматических гетероциклических соединений, является люминесцентным. Поляризующее покрытие дополнительно содержит связующие или пленкообразующие добавки и/или модификатор, в качестве которого могут быть использованы гидрофильные и/или гидрофобные полимеры различного типа, включая жидкокристаллические, кремнийорганические и/или пластификаторы и лаки, включая кремнийорганические и/или неионогенные поверхностно-активные вещества.

Известно множество конструкций модуляторов и поляризаторов, использующих жидкокристаллические вещества.

По патенту РФ 2296354 известен «ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ ПИРИДИНОВЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ДИСПЛЕЙНОЙ И ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ». Устройство представляет собой многослойную электрооптическую структуру, состоящую из пленки нематического жидкого кристалла (НЖК), сенсибилизированного фоточувствительным комплексом с переносом заряда на основе системы: фоточувствительная пиридиновая структура-фуллерен. Для ориентации молекул ЖК используется ориентирующее покрытие на основе пленок нефоточувствительного полиимида.

По патенту РФ №2141683 известен поляризатор, содержащий две параллельно расположенные прозрачные пластины с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположена пленка капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией. Макромолекулы в полимерной пленке ориентированы в одном направлении. В зависимости от величины приложенного электрического поля устройство может находиться в трех различных оптических состояниях: рассеивать свет любой поляризации, пропускать только одну плоскополяризованную компоненту света, пропускать свет любой поляризации.

По патенту РФ №96107430 известен жидкокристаллический (ЖК) индикаторный элемент, содержащий слой жидкого кристалла, размещенный между первой и второй пластинами с электродами, светопреобразующими, поляризующими и ориентирующими слоями, отличающийся тем, что для поляризации света поляризующий слой выполнен в виде поляризующего покрытия, состоящего из анизотропно поглощающего слоя молекул органического красителя, способного к образованию жидкокристаллической фазы. На обеих пластинах или только на второй пластине сформирован двулучепреломляющий слой, который расположен между слоем жидкого кристалла или другими слоями, отделяющими его от слоя жидкого кристалла, и поляризующим покрытием или другими слоями, нанесенными на поляризующее покрытие.

По заявке на выдачу патента РФ №2000104475 известен дихроичный поляризатор, содержащий, по крайней мере, одну анизотропно поглощающую пленку из ориентированных молекул органического вещества, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, одну поляризующую пленку, и/или, по крайней мере, одну пленку из проводящего материала, и/или, по крайней мере, одну фазозадерживающую пленку, и/или, по крайней мере, одну двулучепреломляющую пленку, и/или, по крайней мере, одну ориентирующую пленку, и/или, по крайней мере, одну защитную пленку, и/или, по крайней мере, одну пленку ЖК, и/или, по крайней мере, одну пленку, зеркально или диффузно отражающую свет, и/или, по крайней мере, одну пленку, одновременно выполняющую функции любого сочетания, по крайней мере, двух из указанных пленок, при этом, по крайней мере, одна из этих пленок может являться анизотропно или изотропно поглощающей и/или двулучепреломляющей.

Известны оптоволоконные датчики, содержащие оптическое волокно, в качестве средства связи с модуляторами различного типа.

По заявке на выдачу патента США №20070025661 «Fiber-optic sensor or modulator using tuning of long period gratings with self-assembled layers» известен оптоволоконный сенсор или модулятор, использующий дифракционную решетку с самособирающимся слоем. Он обеспечивает ионную самосборку многослойной пленки на волоконно-оптическом элементе, включающем дифракционную решетку.

По заявке на выдачу патента США №20050157305 «Micro-optical sensor system for pressure, acceleration and pressure gradient measurements» известна микрооптическая сенсорная система для измерения давления, ускорения и градиента давления. Оптическая часть системы базируется на оптоволоконном интерферометре Фарби-Перота. Содержит схемы модуляции и демодуляции фазы света.

По заявке на выдачу патента США №20040031326 «Fiber-optic pressure sensor» известен оптоволоконный датчик давления, содержащий головку, измеряющую давление, которая включает диафрагму, функционирующую как преобразователь давления и совершающую перемещения под действием давления, и включает, по крайней мере, один оптический световод, направленный на поверхность диафрагмы и через который свет, излученный источником, модулируется поверхностью диафрагмы, имеющей отражающую область и область с низкой отражающей способностью.

По заявке на выдачу патента США №20040047535 «Enhanced fiber-optic sensor» известен оптоволоконный датчик, который включает одно или более оптоволоконных сенсорных зондов, источник света, детектор света. В одной реализации оптоволоконный зонд включает оптическое волокно, завершенное линзой.

По заявке на выдачу патента США №20040021100 «Fiber-optic sensor for measuring level of fluid» известен оптоволоконный сенсор для измерения уровня жидкости, который состоит из упорядоченного массива множества оптических волокон. Каждое волокно содержит один чувствительный элемент, расположенный на специфическом уровне в диапазоне изменения уровня жидкости, и передает различные световые сигналы в зависимости от того, погружен ли чувствительный элемент в жидкость или расположен выше уровня жидкости. Ввод волоконного пучка освещен закодированным световым лучом. Декодирующая система обеспечивает возможность обнаружения световых сигналов на выходе. Количество волокон в пучке определяет количество чувствительных секций, расположенных на различных уровнях, и определяет точность измерения уровня.

По заявке на выдачу патента США №20030159518 «Ultra-miniature optical pressure sensing system» известна ультраминиатюрная оптическая система, чувствительная к давлению, которая включает корпус сенсора и мембрану, сформированные с использованием методов изготовления микросхем. Корпус сенсора имеет ребра и бороздки как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях относительно поверхности, чтобы позволять мембране изгибаться. Действие давления вызывает изгиб мембраны, который улавливается сенсорной головкой.

По патенту РФ №2003118757 известен оптоволоконный датчик давления, содержащий корпус, подводящие и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых с зазором установлена стаканообразная мембрана с зеркальной отражающей поверхностью, штуцер, выполненный за одно целое с мембраной, отличающийся тем, что в конструкцию датчика введена прокладка, общие торцы подводящих и отводящих оптоволоконных световодов закреплены во втулке, поверхность которой, обращенная к мембране, опирается на торцевую поверхность прокладки, другая торцевая поверхность прокладки опирается на штуцер, внутренние размеры прокладки больше внешних соответствующих размеров мембраны.

По патенту РФ 2091984 известен «ОПТОВОЛОКОННЫЙ ПРИЕМНИК ГРАДИЕНТА ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ». Сущность изобретения заключается в том, что однолучевой волоконный интерферометр Цендера-Маха, имеющий в качестве датчика две волоконные катушки, расположенные на известном расстоянии друг от друга, дополняется многолучевым двухкольцевым интерферометром, имеющим три оптически связанные волоконные катушки.

По патенту РФ №2273115 известен «ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН», содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, оптоволоконный световод, фокусирующую линзу и светочувствительный элемент, согласно изобретению он снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, при этом анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма.

Предлагаемым изобретением решается задача создания средств считывания информации с группы нейронов, находящихся не только на поверхности нейроструктур, но и в глубине массива нейронов.

Технический результат, получаемый от изобретений, заключается в создании нового нейроэлектронного многоканального считывающего интерфейса как средства соединения вычислительных структур с группами нейронов, позволяющего осуществлять вывод информации из любых частей нервной системы биологических организмов, включая различные области и структуры головного или спинного мозга, органы чувств, нервные узлы, скопления нервных клеток и т.п., содержащие нейроны, объединенные синаптическими и аксональными связями в какую-либо нейроструктуру.

Основная идея заявляемого нейроэлектронного интерфейса заключается в следующем.

Если в известных считывающих или выводящих информацию из нейронной структуры нейроэлектронных интерфейсах импульс нейрона считывается транзисторной структурой или непосредственно снимается с мембраны нейрона, затем отводится от него по изолированному электрическому проводнику, то в предлагаемом интерфейсе используется импульс света, который подается по волоконно-оптическому световоду к нейрону, модулируется там в сигнал, несущий информацию об активности нейрона импульсом электрического поля мембраны нейрона или импульсом вибрации нейрона, а затем отражается обратно в матрицу ИМКС, которая обеспечивает соединение множества оптических волокон с вычислительным устройством. При этом оптические волокна со стороны ввода сигналов объединены, например, путем заливки полимером в пакет оптических волоконных световодов. На торце пакета путем его шлифовки создана плоская оптическая матрица оптоволоконного разъема, который соединяется с комбинированной многоканальной матрицей, содержащей светоизлучающие ячейки и фотоприемные ячейки.

Прототипом заявляемого изобретения является устройство по патенту РФ №2270493. Согласно патенту для осуществления многоконтактного соединения объединяют в специальные матрицы передатчики (выводы) прибора-источника информации, приемники (вводы) прибора-потребителя информации и концы пучка проводников сигнала. Матрицы передатчиков и приемников соединяют с соответствующими матрицами пучка проводников. После соединения производят распознавание и запоминание образовавшихся каналов связи. Затем с помощью коммутаторов каналов подключают каждый распознанный и идентифицированный канал связи к вводам и выводам соединяемых приборов в соответствии с заданной таблицей соединений.

Из медицины известны решения, когда пакет световодов помещают во внешнюю оболочку обтекаемой формы, сделанную из растворимого вещества. Оболочка может иметь каналы для вспомогательных приспособлений и может иметь ответвления на разных расстояниях от оптоволоконного разъема.

Основные отличия заявляемого нейроэлектронного многоканального интерфейса заключаются в следующем.

1. Многоканальная матрица одновременно содержит светоизлучающие ячейки, например светодиоды или полупроводниковые лазеры, и светочувствительные ячейки, например фотодиоды или фототранзисторы.

1.1. Светоизлучающие и светочувствительные ячейки в матрице расположены в шахматном порядке.

1.2. Светоизлучающие и светочувствительные ячейки являются матрицей из концентрических фигур:

1.2.1. Светоизлучающие и светочувствительные ячейки являются концентрическими окружностями;

1.2.2. Светоизлучающие и светочувствительные ячейки являются концентрически размещенными фигурами, например треугольниками, квадратами, многоугольниками, в том числе и со скругленными углами при вершинах.

1.2.3. Как светоизлучающие, так и светочувствительные концентрически расположенные ячейки могут быть как внешними, так и внутренними относительно друг друга.

1.3. Светоизлучающие и светочувствительные ячейки размещены в комбинированной матрице так, чтобы на каждый торец оптоволоконного световода попадало частично или полностью минимум по одной светоизлучающей и светочувствительной ячейке.

Другими отличиями являются в принципе известные признаки, частично совпадающие с набором признаков стандартного жидкокристаллического модулятора. Однако новый модулятор осуществлен на торце оптического волокна и он не содержит электродов, осуществляющих модуляцию слоя жидкокристаллического вещества приложенным электрическим полем, чего нет у известных устройств и у прототипа, поэтому этот набор может считаться новым отличием. Эти отличия включены во второй зависимый пункт формулы в следующем виде.

2. Активная наноструктура содержит нанесенные полностью или частично и/или на торец световода, и/или на его боковую поверхность тонкопленочный поляризатор, слой жидкокристаллического вещества, и/или второй тонкопленочный поляризатор, плоскость поляризации которого повернута относительно плоскости поляризации первого поляризатора, и/или отражающий зеркальный или диффузный слой, например, из металла или из многослойного диэлектрика, в том числе и эластичного.

Зависимые признаки по п.3 и 4 формулы характеризуют отличия наноструктуры заявляемого интерфейса, которых нет у прототипа.

3. Нейроэлектронный многоканальный оптоволоконный интерфейс по п.1, отличающийся тем, что активная наноструктура содержит жидкокристаллическое вещество, чувствительное к механическим воздействиям, в частности к давлению или гидроакустическим импульсам давления.

4. Нейроэлектронный многоканальный оптоволоконный интерфейс по п.1, отличающийся тем, что активная наноструктура содержит жидкокристаллическое вещество, чувствительное к электрическому полю и/или к его изменению.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1-9.

На фигурах 1-9 цифрами обозначены:

1 - комбинированная матрица ИМКС, состоящая из светоизлучающих ячеек и светочувствительных ячеек;

2 - оптоволоконный световод;

3 - оболочка оптоволок