用于腦的非侵入式神經刺激治療的方法、系統以及裝置與流程

本發明涉及用于神經刺激治療的方法、系統以及裝置，并且更具體地，涉及用于腦的鼻內和/或經顱神經刺激治療的方法、系統以及裝置。

背景技術：

對制藥工業的許多批評者認為，對于許多慢性神經病癥，缺乏有效的藥物治療。這些病癥可以包括創傷性腦損傷(TBI)、中風、多發性硬化(MS)、精神分裂癥、孤獨癥、失眠癥、創傷后壓力心理障礙癥(PTSD)、癡呆和阿爾茨海默病(阿爾茨海默病)、震顫麻痹(帕金森病)以及許多其它神經病癥和障礙癥。一些人認為，針對精神病的可用藥物治療并不比安慰劑更好，甚至可能是有害的。結果，具有神經病癥的許多患者尋求替代治療。

替代治療的一個領域，腦刺激技術已經使用了一段時間，其基于神經系統以實質方式對這些技術做出響應的事實。這些技術中的許多技術基于電和磁脈沖。以下列表構成了目前用于刺激人腦以用于治療目的的主要方法。

1、電休克療法(ECT)

電休克療法(ECT)是用于在麻醉患者中電誘導發作以便治療嚴重抑郁癥、躁狂癥以及緊張癥的困難病例的最古老方法之一(例如，參見Rudorfer,MV,Henry,ME,Sackeim,HA(2003).“Electroconvulsive therapy”.In Tasman A,Kay J,Lieberman JA(eds)Psychiatry,Second Edition.Chichester:John Wiley&Sons Ltd,1865–1901)。ECT方法的作用機制尚未完全被理解，并且對治療方案沒有普通一致意見。而且，ECT方法具有損害腦的風險，這種損傷的代表是認知缺陷(例如，參見Breggin P(2007)."ECT Damages the Brain:Disturbing News for Patients and Shock Doctors Alike".Ethical Human Psychology and Psychiatry.9(2):83–86)。另外，由于治療造成的IQ和記憶損失也是顯著的(參見Andre L(2009).“Doctors of Deception:What They Don't Want You to Know About Shock Treatment”.Rutgers University Press)。

2、經顱微電流刺激療法(CES)

另一種電腦刺激技術涉及經顱微電流刺激療法(“CES”)。CES方法在患者的頭上施加小脈沖電流。一些開業醫生聲稱CES有助于諸如壓力、焦慮、抑郁以及失眠的癥狀。然而，其仍是一種實驗技術(例如，參見Klawansky S(1995).“Meta-Analysis of Randomized Controlled Trials of Cranial Electrostimulation:Efficacy in Treating Selected Psychological and Physiological Constitutions”.Journal of Nervous&Mental Disease 183(7):478–484)。所提出的針對CES的作用機制是，電流的脈沖增加神經細胞產生血清素(serotonin)、多巴胺、DHEA、內啡肽以及穩定神經激素系統的其它神經遞質的能力(參見Gilula MF,Kirsch DL(2005).“Cranial Electrotherapy Stimulation Review:A Safer Alternative to Psychopharmaceuticals in the Treatment of Depression”.Journal of Neurotherapy.9(2))。有些人認為CES可能有助于緩解某些壓力相關癥狀，但是尚未充分研究以確定其使用是否實用和成本效益(參見Barrett S(2008).“Dubious Claims Made for NutriPax and Cranial Electrotherapy Stimulation”.QuackWatch online,accessed on May 2012)。

3、腦深部刺激(DBS)

腦深部刺激(DBS)利用植入物，植入物通過經由貫穿患者顱骨中的小孔用手術插入的薄電極傳遞測量劑量的電刺激而起作用，并且其尖端被植入目標腦區域中。美國食品和藥物管理局(FDA)1997年批準了用于治療稱為“原發性震顫”的障礙的DBS裝置和方法；2002年批準了用于治療帕金森氏病的DBS裝置和方法；2003年批準了治療肌張力障礙的DBS裝置和方法(參見Kringelbach ML,Jenkinson N,Owen SLF,Aziz TZ(2007)."Translational principles of deep brain stimulation".Nature Reviews Neuroscience.8:623–635)。最近，據報道，阿爾茨海默病也對DBS有反應(參見Wood J(2012).“Brain Pacemaker Shows Promise in Fighting Alzheimer’s Disease”.PSychCentral.com online(May 12,2012))。盡管他們成功，但是DBS治療在其效果上可能過度活躍，導致可能觸發眩暈、刺痛以及其它不良副作用的結果。研究人員仍然不明白DBS治療實際在體內如何工作。

4、經顱光療法(TLT)

經顱光療法(“TLT”)或經顱光生物調節(“tPBM”)由于健全科學原理、成功的結果，缺少副作用并且是非侵入性的，近年來正在受到關注。這種方法涉及使光穿過顱骨外側引導至腦。光源可以是發光二極管(LED)或者低水平激光源，通常在頻譜的紅或近紅外(NIR)部分中。NIR頻帶是優選的選擇，以提供穿過腦膜、顱骨材料并且然后穿過腦物質的較深穿透，以便到達腦的較深部位。最近的研究支持經顱光療法用于治療中風、創傷性腦損傷、帕金森病、輕度認知損傷、阿爾茨海默病、抑郁癥、以及一些其它認知問題的潛力(例如，參見Rojas JC,Gonzalez-Lima F(2011).“Low-level light therapy of the eye and brain”.Eye and Brain.3:49-67)。最近，還發現這種物理療法(modality)還可以增強皮質代謝能力和消退記憶的保持，減少恐懼更新，并且暗示低水平光療法作為一種新型干預來改善記憶(Rojas JC et al(2012).“Low-level light therapy improves cortical metabolic capacity and memory retention”.J Alzheimer’s Dis.2012；32(3):741-52)。

5、耳道經顱光療法

耳道經顱光療法是在芬蘭的一項研究后開發的，其表明當將亮光引導到耳中時，其有助于治療季節性情感障礙(SAD)或冬季抑郁癥(Timonen M et al(2012).“Can transcranial brain-targeted bright light treatment via ear canals be effective in relieving symptoms in seasonal affective disorder？”Medical Hypothesis.78(4):511-515)。商業上銷售的裝置具有二極管，該二極管采用具有非常明亮的白色LED的耳塞形式，LED通過線纜附接至控制器單元。其是消費者友好的，并且看起來對SAD有效。

6、光遺傳神經刺激

在光遺傳神經刺激(光遺傳學)過程中，研究人員首先將用于光敏分子的基因(稱作光敏感通道2(ChR2))引入特定神經元子集中。在這些神經元上照耀藍光，然后使它們發光。這種方法的一個優點是其特異性，即，僅將具有該基因的神經元激活。該過程還提供了一種通過引入不同分子(鹽細菌視紫紅質(“NpHR”))來阻斷神經元的方式，其使用黃光的能量來使該細胞靜默。這些要素的組合使得該技術在實現特定神經結果方面非常精確。光遺傳學研究可以導致在使腦的解剖位置與可預測行為結果相關方面的重要理解。可以如何操縱行為的精確性對推進神經科學有極大的吸引力。然而，這時，挑戰是將動物實驗轉化為人類應用。該技術仍然在實驗室領域，涉及小動物(主要是大鼠和小鼠)。其是一種侵入式方法，該方法涉及植入插入到腦中的光探針，并且經由保持光纖的導管從瞄準腦區域連接至控制器單元。為了實現精確刺激結果，還要求將ChR2引入到腦的特定區域，以使期望神經元發光。光遺傳學方法的精度對科學家非常有吸引力，但是預計在可預見的將來仍留在研究實驗室領域。如今，超過500個實驗室正在將光遺傳學工具應用于帕金森病、失明、脊柱損傷、抑郁癥、發作性睡病、成癮性以及記憶的動物模型(參見Williams M(2010).“A brain implant that uses light”.Technology Review online article published on February 24,2010)。

7、鼻內光療法

鼻內光療法涉及將光能引導通過鼻腔并且進入腦中。研究發現鼻內光療法為人類的神經病癥(諸如失眠、輕度認知障礙、阿爾茨海默病、帕金森病、精神分裂癥、偏頭痛和頭痛、以及中風(腦梗塞))提供積極的結果。

當前腦刺激技術的概要：

存在支持所有這些常規已知方法的功效的良好數據，由此，確認腦對光的響應，并且產生各種形式的治療結果。然而，它們都是刺激腦以用于治療目的的非常不同的方式。大多數治療方法在實驗室條件下部署在動物身體上；或者如果部署在人類身體上，則很大程度上必須在臨床監督下施用。可理解地，光遺傳學方法在神經科學界引起了大量的關注，這是因為它可以通過對腦的精確解剖操作來提取神經結果的精確性。然而，所要求的侵入性和設置保持在實驗室領域。迄今為止，具有成為消費者友好產品的顯著潛力的一種常規方法-耳道經顱方法被單獨且特別地用于治療季節性情感障礙。

似乎具有治療廣泛醫學病癥的巨大潛力的方法是經顱法。十多年來，經顱光生物調節(PBM)在實驗室動物和人類對象(subject)中產生了積極效果。動物研究包括急性創傷性腦損傷(TBI)、阿爾茨海默病、抑郁癥以及中風，而人類研究包括TBI、抑郁癥以及中風。而且，已經發現低水平光能在中風研究中對于人是安全的，而沒有通常與藥物相關的副作用。

然而，經顱裝置尚未開發到它們是便攜式的并且以低成本大量生產的程度。相反，這種裝置主要僅在研究實驗室中可用，因為它們制造昂貴，具有不允許它們是便攜式的功率要求，以及要求訓練來使用。而且，這種經顱裝置被設計成使得光能不可能到達位于腦下側的重要原始區域。在其它功能中，這些原始區域控制記憶、行為以及情緒。

鼻內光療法可以被用于到達位于腦下側的這些區域中的一些區域，因為它們比頭皮更靠近鼻區。通過鼻腔傳遞光能具有另外的優點，這是因為對象的頭皮或頭發不充當屏障。然而，來自鼻內源的光能量不太可能到達遠離鼻腔的腦區域，諸如頭頂周圍的背部皮層區域。

腦照射治療的科學基礎和根據：

因為藥物在尋求治療許多神經障礙方面的無效性，日益增加的關注被引導至替代治療，如光療法。各種研究清楚地顯示和事實上證明低水平光療法(LLLT)對大腦的多種有益體內作用。在動物研究中，已經發現低水平光療法有望治療治療缺氧性腦損傷、動脈粥樣硬化血栓形成性中風、栓塞性中風、帕金森病、輕度認知損傷以及阿爾茨海默病。類似地，在人類研究中，已經發現低水平光療法有望改善對缺血性中風、創傷性腦損傷、抑郁癥以及前額葉皮層的功能的作用。

腦照射治療的作用機制：

圖17示出了低水平光療法的細胞內機制。如所示，腦的治療反應的一個關鍵在于，存在于所有細胞線粒體中的光受體呼吸酶(細胞色素氧化酶)的存在。細胞色素氧化酶表示代謝活動的最好已知神經內標志物；并且其酶活性與自由基代謝、細胞死亡通路、以及谷氨酸能(神經遞質相關)激活緊密耦合，對于學習和記憶是重要的(例如，參見Wong-Riley MT(1989).“Cytochrome oxidase:an endogenous metabolic marker for neural activity”.Trends Neurosc.12(3):94-101)。

與在眼睛內部發現的光受體不同，光受體不處理光能，而相反是正常代謝通路的組成部分。光受體對光譜的可見紅光區和近紅外區中的光敏感，并且能夠將這些紅光波長和近紅外波長的吸收光轉換成三磷酸腺苷(ATP)的細胞能量分子。當這些可見紅光和近紅外波長的光(以低能量水平)進入活細胞(包括神經細胞)時，光能通過調節內部線粒體功能、神經元內信令系統以及氧化還原態來調節細胞的代謝活動(光生物調節)。而且，經驗實驗表明，神經元中的電活動的光神經生物調節可以獨立于熱效應而實現(參見Fork RL(1971).“Laser stimulation of nerve cells in Aplysia”.Science.171(974):907-908)。而且，當以低能量水平被采用并傳遞時，腦吸收光能的治療效果不伴有任何實質性并發癥或主要副作用。由此，腦的神經元事實上影響活體的所有功能和活動，將腦暴露于調制光能的影響因此影響人類的整體醫療狀況。

在細胞級，細胞色素氧化酶對紅光和近紅外紅光的敏感性可以通過發色團在蛋白質結構中的作用來解釋。發色團是存在于所有光受體中的有機結構實體，諸如存在于眼睛中并且賦予我們對顏色的感覺的那些發色團。這些發色團僅吸收特定光波長而拒絕所有其它光波長；并且發色團中的細胞色素氧化酶已知接受紅光和近紅外紅光能量。

這些基本事實準確地識別光能照射的潛在影響，光能照射可以根據需要有目的地被引導到活腦的一個或多個解剖部位，導致對多種醫學上識別的神經病癥和病理狀態的有益治療和預防這兩者。

神經系統中的光受體：

盡管早先報道的動物實驗暗示了光受體在腦中的存在，但是只有首次在2000年報道的那些特定實驗和經驗結果，其正確地證明了孤立線粒體對在光譜的紅光和近紅外紅光區域中的單色光的照射敏感。由此，其經驗性地證明了，利用紅光低功率激光器照射隔離的大鼠肝線粒體增加了ATP合成和氧消耗(Karu T(2000).“Mechanism of low-power laser light action on cellular level”.Proc SPIE.2000；4159:1-17)。另外，已經根據經驗證明受損的線粒體氧化代謝與神經變性有關(參見Wong-Riley MT et al(2001).“Light emitting diode treatment reverses the effect of TTX on cytochrome oxidase in neurons”.Neuroreport.12(14):3033-3037)。而且，研究揭示暴露于低水平紅光的大鼠神經元培養物顯示細胞色素氧化酶活性增加(參見Wong-Riley MT et al(2005).“Photobiomodulation directly benefits primary neurons functionally inactivated by toxins:role of cytochrome c oxidase”.J Biol Chem.280(6):4761-4771)。

因此，旨在改善體內線粒體代謝的光調節方法、系統以及裝置對患病和正常腦組織兩者的功能具有主要益處。這種光調節方法也被認為潛在地減輕人的疼痛(參見Chow Rt et al(2009).“Efficacy of low-level laser therapy in the management of neck pain:a systematic review and meta-analysis of randomised placebo or active treatment controlled trials”.Lancet.374(9705):1897-1908)。

還值得注意的是，觀察到光照射對腦的作用在波長特定范圍內有效。介導光的作用的初級光受體并非僅局限于線粒體；還認為細胞中的吸收光的分子是呼吸鏈的一部分(參見Karu T(1989).“Laser biostimulation:a photobiological phenomenon”.J Photochem Photobiol B.3(4):638-640)。

平衡和體內平衡：

認識到，存在當光受體(如細胞色素氧化酶)對進一步光刺激不反應時的點。這種臨界事件在光受體由所吸收的光能完全還原或完全氧化時發生；由此，光受體只有在它們處于它們的中間階段時才能夠對光能暴露作出反應(參見Karu TI,et al(2008).“Absorption measurements of cell monolayers relevant to mechanisms of laser phototherapy:reduction or oxidation of cytochrome c oxidase under laser radiation at632.8nm”.Photomed Laser Surg.26(6):593-599)。因此，當光受體變得被完全還原或完全氧化時，進一步連續的低功率照射將不會從光受體產生進一步代謝活性。這表明身體內的活細胞在它們未體內平衡(ex-homeostasis)時具有編碼動作電位限制；并且由此，腦的神經元具有僅對光照射積極響應的電位，直到它們達到體內平衡狀態為止。

適于光照射治療的神經病癥：

存在可以在體內從腦的一個或多個區域的光照射受益的許多潛在神經病癥。下面，對這些醫學病癥中的一些進行概要描述。另外，應當注意和明白的是，還預想使用本發明在治療上可有效治療的廣泛范圍的其它神經疾病、障礙以及和病理狀態。這些其它神經病證的示例預期包括但不限于癲癇癥、偏頭痛、慢性疲勞綜合征、腦炎、多發性硬化、焦慮性障礙、注意力欠缺障礙、精神分裂癥以及學習無能。

1、中風、神經外傷、認知以及情緒心理狀態的治療

與中風、神經外傷、認知、情緒狀態以及類似神經障礙的治療相關的人和動物研究已被很好地證明(例如，參見Rojas JC,Gonzalez-Lima F.“Low level light therapy of the eye and brain”.Eye and Brain.2011；3:49-67)。作為系統身體健康的神經控制中心的腦對所有身體健康有直接影響。例如，作為全身體內平衡的關鍵調節腺的下丘腦的健康對整個身體健康具有深遠影響；并且由此，在功能上改善的下丘腦將伴隨地產生更大程度的全身體內平衡。而且，研究已廣泛地調查研究了針對中風和神經外傷兩者的腦照射。例如，Uozemi等人最近的研究已經證明了，經顱傳遞的低能量光能夠將血流量增加30％(Uozumi Y et al(2010).“Targeted increase in cerebral blood flow by transcranial near-infrared laser irradiation”.Lasers SurgMed.42(6):566-576)。利用光照射的這種經證明的有益結果伴隨著一氧化氮產生的顯著增加，一種與血管壁的舒張相關聯以實現改善的血液循環的機制。由此，顯示出腦血流量在治療和未治療的腦半球兩者中增加。而且，用光照射預處理的對象在梗塞時段期間顯示改善的血流量，具有穩定的體溫、心率以及呼吸率。總體結果是在中風事件期間凋亡性細胞顯著減少。

利用低水平近紅外紅光(NIR)的常規照射也已經發現與中風事件后的顯著神經恢復相關(參見Detaboada L et al(2006).“Transcranial application of low-energy laser irradiation improves neurological deficits in rats following acute stroke”.Lasers Surg Med.38(1):70-73)。而且，這些恢復效果與腦室下區(其在神經發生中起作用)中的增加神經元增殖和遷移相關(參見Oron et al(2006).“Low-level laser therapy applied transcranially to rats after induction of stroke significantly reduces long-term neurological deficits”.Stroke.37(10):2620-2624；還參見Lampl Y et al(2007).“Infrared laser therapy for ischemic stroke:a new treatment strategy:results of the NeuroThera Effectiveness and Safety Trial-1(NEST-1)”.Stroke.38(6):1843-1849)。

2、創傷性腦損傷的治療

已發表的研究提供了體內證據，低水平光照射對細胞色素氧化酶和一氧化氮釋放的影響在光照射治療的神經保護作用方面不僅對缺血而且對創傷性腦損傷起主要作用(參見Naeser MA et al(2010).“Improved cognitive function after transcranial,light-emitting diode treatments in chronic,traumatic brain injury:two case reports”.Photomed Laser Sur.29(5):351-358)。

3、神經變性疾病的治療

已經發現對腦的光照射支持體內神經生成。由此，光能照射可以在治療上治療一系列不同的神經變性疾病和障礙，諸如黑質(位于下丘腦后面的中腦區域的一部分)特有的帕金森病；并且其可以利用NIR光波長到達。在使用像小鼠的小動物的研究中，證明在670nm波長下的低水平光照射有助于防止黑質中多巴胺能細胞的損失(參見Shaw VE et al(2010).“Neuroprotection of midbrain dopaminergic cells in MPTP-treated mice after near-infrared light treatment”.J Comp Neurol.518(1):25-40)。然而，更長波長的光能(諸如近紅外光(NIR))被認為對于遠遠更大的哺乳動物對象(諸如人類)更可行。

4、抑郁癥和類似情感缺失的治療

諸如抑郁癥和創傷后應激障礙(PTSD)的心境障礙的表型表現已顯示出與前額葉皮層區的代謝能力降低有關(參見Shumake J,Gonzalez-Lima F(2003).“Brain systems underlying susceptibility to helplessness and depression”.Behav Cogn Neurosci Rev.2(3):198-221)。前額葉皮層的電刺激已顯示出具有抗抑郁效果(Hamani C et al(2010).“Antidepressant-like effects of medial prefrontal cortex deep brain stimulation in rats”.Biol Psychiatry.67(2):117-124)。由此，用紅光和近紅外紅光對前額葉皮層區的光照射可以引起前額葉皮層區中的代謝能力的增加，并且提供針對這些醫學病癥的潛在神經保護。實際上，一項初步研究顯示出，當用810nm波長的低水平光照射遭受嚴重抑郁和焦慮的人類患者的額頭時，流向額葉皮層的血流增加，并且導致抑郁得分縮減63％(參見Schiffer F(2009).“Psychological benefits 2 and 4 weeks after a single treatment with near infrared light to the forehead:a pilot study of 10 patients with major depression and anxiety”.Behav Brain Funct.5:46)。

5、記憶缺失治療

研究表明，用1072nm波長的近紅外紅光照射腦的前額葉皮層區改善了個體的功能記憶(參見Mikhalikova S et al(2008).“Emotional responses and memory performance of middle-age CD1mice in a 3D maze:effects of low infrared light”.Neurobiol Learn Mem.89(4):480-488)。由于這種記憶缺失病癥在更多的老年人中常見，因而，使用光照射方法來治療腦的前額葉皮層區可以幫助工作記憶缺失的與老齡化相關的問題。

6、癡呆和阿爾茨海默病的治療

神經變性可以導致認知損傷，認知損傷在醫學上通常識別為癡呆。導致改善的血流具有尋求解決和治療血管性癡呆的治療潛力。阿爾茨海默病盡管在醫學上是一種癡呆的形式，但是顯然具有多種不同的原因。這種神經變性病癥的早期征兆/癥狀通常顯露為以降低的細胞色素氧化酶活性形式的局部腦代謝缺失，這是阿爾茨海默病的潛在風險的明顯征兆(參見Valla J et al(2001).“Energy hypometabolism in posterior cingulated cortex of Alzheimer’s patients:superficial laminar cytochrome oxidase associated with disease duration”.J Neurosci.21(13):4923-4930)。因為用紅光和紅外紅光能量的腦照射可證明地激活細胞色素氧化酶，所以光照射治療過程可以幫助控制完全阿爾茨海默病狀態的癥狀發作。

動物研究證明，近紅外(NIR)光能的傳遞可以改善與阿爾茨海默病(AD)相關聯的認知受損腦的狀況。研究已經發現低水平光療法(LLLT)改善小鼠的皮層代謝能力和記憶保持。據認為，LLLT增加線粒體能量代謝的能力可用于恢復受與AD相關聯的局部腦代謝減退影響的腦過程(參見Rojas JC,Bruchey AK and Gonzalez-Lima F(2012).Low-level Light Therapy Improves Cortical Metabolic Capacity and Memory Retention.Jnl.Alzheimer’s Disease.32(3):741-52)。

利用兩種轉基因小鼠模型的進一步研究間接表明了NIR光可能具有作為用于減輕甚至逆轉與癡呆和AD相關聯的進行性腦變性的有效微創干預的潛力。它們的結果間接表明NIR治療誘導AD病理的顯著逆轉(參見Porushothuman S,Johnstone DM,Nandasena C,Mitrofinas J and Stone J(2014).Photobiomodulation with near infrared light mitigates Alzheimer’s disease-related pathology in cerebral cortex,evidence from two transgenic mouse models.Alzheimer’s Research&Therapy.6:2)。

還提出了可以指向增殖間充質干細胞(MSC)的LLLT。這可以改善AD的進展，如在小鼠模型中所證明的(參見Farfara D,Tuby H,Trudler D,Doron-Mandel E,Maltz L,Vassar RJ,Frenkel D and Oron U(2015).Low-level Laser Therapy Ameliorates Disease Progression in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease.J Mol Neurosc.55:430-436)。

而且，已經提出鼻內光療法可以增強SIRT1酶活性的活性(參見Liu TCY,Wu DE,Gu ZQ and Wu M(2010).Applications of Intranasal Low Intensity Laser Therapy in Sports Medicine.Jnl.Innovative Optical Health Sc.3(1):1-16)，并且這種活性有助于間充質干細胞的分化(參見Joe IS,Jong SG and Cho GW(2015)Resveratrol-induced SIRT1 activation promotes neuronal differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells.Neurosci Lett.Jan1；584:97-102)。

以AD和癡呆腦對LLLT的反應為基礎的組織活動可以通過觀察幾個已公布的調查來解釋。在2002年，證明了弱光可以用于引導由神經細胞的前緣或生長錐所采取的方向。在主動擴展生長錐中，將激光點放置在神經的前緣的特定區域前面，增強生長到束焦點中并且導致所引導的神經元轉向以及增強生長(參見Erlicher A,Betz T,Stuhtmann,Koch D,Milner V and Raizen J(2002).Guiding neuronal growth with light.PNAS 99(22):16024-16028。這種現象在2013年的另一個實驗中重復(參見Black B,Mondal A,Kim Y and Mohanty SK(2013).Neuronal Beacon.Optical Society of America Optics Letter.38(13):2174-2176)。神經細胞呈現出對低能量光力具有先天的吸引力。

研究人員還發現，細胞在暴露于低水平紅光時自我修復，如在圖18中看出。圖18示出體外后氧化應激的神經突延長實驗(670nm、3mW、20秒鐘/天、5天)。通過氧化應激縮短的神經元的神經突將再伸長。該數據間接表明紅光照射保護細胞在氧化應激情況下的生存力。它也刺激神經突生長(參見Giuliani A,Lorenzini L,Gallamini M,Masella A,Giardino L and Calza L(2009).Low infrared laser light irradiation on cultured neural cells:effects on mitochondria and cell viability after oxidative stress.BMC Com Alt Med.9:8)。同樣地，存在認為如果低水平紅光能和NIR光能可以被傳遞至功能不是最佳的神經元則愈合反應是可能的基礎。

默認模式網絡(DMN)：

腦的默認模式網絡(DMN)吸引了人們的興趣，這是因為它已經與阿爾茨海默病、癡呆、孤獨癥、精神分裂癥、抑郁癥、慢性疼痛、帕金森病、多發性硬化(MS)以及創傷后應激障礙(PTSD)相關。當個人參與內部聚焦任務(包括記憶提取、展望未來、想象他人的全景)時，DMN是活躍的(參見Buckner RL,Andrews-Hanna JR and Schacter DL(2008).The Brain’s Default Network:Anatomy,Function,and Relevance to Disease.Ann.N.Y.Acad.Sci.1124:1-38)。

關于腦障礙，研究人員已經發現DMN中的瞄準連結(targeted nexuses)，稱為“皮層中樞”。如圖19所示，該皮層中樞包括：(i)背內側前額葉皮層502；(ii)腹內側前額葉皮層504；(iii)海馬狀突起和內嗅皮層506；(iv)楔前葉508；(v)側頂葉510；以及(vi)后扣帶皮層512。這些中樞在DMN中高度連接，但是它們中的一些可以位于網絡之外。Buckner等人間接表明皮層中樞互連獨特的功能專用系統。通過正電子發射淀粉樣蛋白斷層掃描，這些中樞顯示出高淀粉樣蛋白-β沉積在與該中樞在充當信息處理的關鍵方式站(critical way station)的同時也可以增加AD中的病理級聯的可能性一致的位置中(Buckner RL,Sepulcre,Talukar T,Krienen FM,Liu H,Hedden T,Andrews-Hanna JR,Sperling RA and Johnson KA(2009).Cortical Hubs Revealed by Intrinsic Functional Connectivity:Mapping,Assessment of Stability,and Relation to Alzheimer’s Disease.J.Neurosci.29(6):1860-1873)。實驗表明，阿爾茨海默病中的Aβ沉積優先發生在皮層中樞的位置(參見Stam CJ(2014).Modern Network science of neurological disorders.Neuroscience 15:683)。

另一個重要的腦網絡可以是突顯網絡(Salience Network(SN))。神經變性疾病(諸如阿爾茨海默病和帕金森病)的目標是DMN，而行為變異障礙(諸如額顳葉癡呆(FTD))的目標是更靠前定位的SN。雖然DMN利用整個腦被識別，但是SN著重腦的前部，其由前島和前扣帶皮層錨定。雖然看起來DMN和SN可能彼此不同，但是它們在許多活動中彼此連接。SN在驅動DMN和中央執行網絡之間的交換中起重要作用。這些網絡被認為在處理我們的一些“自動”心理過程的領域之外大量參與處理新情況。

與皮層中樞損傷相關聯的神經障礙：

已經提出皮層中樞中的損傷與至少下列腦障礙相關聯：精神分裂癥、阿爾茨海默病、額顳葉癡呆、帕金森病、顳葉癲癇、抽動穢語綜合征(Gilles de la Tourette syndrome)、急性腦損傷(昏迷)，以及偏頭痛。局部缺血和氧化應激利用這些損傷被標識。

光生物調節(PBM)可以潛在地刺激皮層中樞中的這些損傷以愈合。如上提到，已經表明弱光吸引神經細胞的生長錐的前緣。當光束位于神經的前緣的特定區域前面時，引起其生長朝向光的方向，并且增強其整體生長。神經細胞看來似乎以低能量光為“食(feed)”。如圖18所示，研究人員還發現，細胞在暴露于低能量紅光時自我修復。通過氧化應激縮短的神經元的神經突將再伸長。該數據間接表明，在氧化應激的情況下，紅光照射保護細胞的生存力并且刺激神經突生長。在阿爾茨海默病相關損傷的特定情況下，具有阿爾茨海默病的轉基因小鼠隨著經顱PBM而恢復記憶功能和認知功能。對這些小鼠的腦進行尸體解剖顯示出與生物標志物(Aβ斑塊和神經原纖維纏結)相關聯的損傷減少。

技術實現要素：

本發明涉及通過利用光照射腦的多個部位(–即，神經刺激)來刺激治療結果的新系統、裝置以及方法。這通過以下自動實現：(i)將包括一個或更多個光生成單元的耳機施加至患者的頭(經顱神經刺激)；和/或(ii)經由鼻腔插入小透明塑料封裝光生成單元(鼻內神經刺激)。該經顱和鼻內光生成單元兩者都通過控制組裝件單元控制，并且通過可補充干電池供電。沒有侵入身體組織。

該照射光可以是非瞄準的(即，廣泛地被引導以刺激一般腦區域)或有目的地瞄準腦的特定區域，以便實現特定治療結果。通過選擇恰當波長的光、其方向、有效能量輸出、曝光時間、以及相干性(如涉及激光源)來影響光刺激的覆蓋區域和深度。考慮到用戶的完全移動性和便攜性，該神經刺激系統和裝置較小并且是免提的；并且提供了一種出于治療目的而刺激腦的新且容易的方法。可以用小控制單元或者用具有適當下載的應用軟件的智能電話來控制這些參數。

在一個方面，本發明提供了一種用于在需要時對活哺乳動物的腦執行非侵入式神經刺激治療的可自我管理系統，所述可自我管理非侵入式神經刺激系統包括：

第一配置照射單元、第二配置照射單元、第三配置照射單元以及第四配置照射單元，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元中的每個都包括便攜式空心殼體(casing)，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于施加至顱骨的外表面構造，每個配置照射單元的所述便攜式空心殼體包括：

(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于每個配置照射單元的所述空心殼體的配置外表面的至少一部分；以及

(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元被容納并包含在每個配置照射單元的所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且該至少一個光生成單元能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該顱骨并進入腦的光能，該光能具有選自由近紅外紅光波長和可見紅光波長構成的組中的至少一個預選波長，

由此，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元可以在施加至顱骨之后發射光能，并且實現在體內將所述發射光能通過顱骨傳送到腦的至少一部分中；

框架，該框架適于支承所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元，并且適于在顱骨上以固定位置和期望照射方向按意愿布置所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元的所述光透射外表面；

便攜式控制器組裝件，該便攜式控制器組裝件能夠控制光能在體內從所述配置照射單元到腦的至少一部分中的按需傳遞，所述控制器組裝件包括：

(a)按需直流電的便攜式且可補充電源，

(b)用于控制和引導這種直流電的流動的中央處理單元，

(c)與該電源電連通以用于將直流電按需傳輸至該中央處理單元的至少一個連接器，以及

(d)與該配置照射單元電連通以用于將直流電從所述中央處理單元按需傳輸至所述光生成單元的至少一個連接器；

其中：

(A)所述第一配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第一區域，該第一區域包括左腹內側前額葉皮層區和右腹內側前額葉皮層區，并且可選地包括扣帶前回區；

(B)所述第二配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第二區域，該第二區域包括左楔前葉皮層區和右楔前葉皮層區，并且可選地包括扣帶后回區；

(C)所述第三配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第三區域，該第三區域包括側下頂葉皮層中的左角回區，并且可選地包括左扣帶后回；以及

(D)所述第四配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第四區域，該第四區域包括側下頂葉皮層中的右角回區，并且可選地包括右扣帶后回。

在另一方面，本發明提供了一種用于在需要時對活哺乳動物的腦執行非侵入式神經刺激治療的可自我管理專用裝置，所述可自我管理專用裝置包括：

第一配置照射單元、第二配置照射單元、第三配置照射單元以及第四配置照射單元，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元中的每個都包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于施加至顱骨的外表面構造，每個配置照射單元的所述便攜式空心殼體包括：

(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于每個配置照射單元的所述空心殼體的配置外表面的至少一部分；以及

(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元被容納并包含在每個配置照射單元的所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且該至少一個光生成單元能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該顱骨并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長構成的組中選擇的至少一個預選波長，

由此，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元可以在施加至顱骨之后發射光能，并且實現將所述發射光能在體內傳遞通過顱骨到腦的至少一部分中；

框架，該框架適于支承所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元，并且適于在顱骨上以固定位置和期望照射方向按意愿布置所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元的所述光透射外表面；

便攜式控制器組裝件，該便攜式控制器組裝件能夠控制光能在體內從所述配置照射單元到腦的至少一部分中的按需傳遞，所述控制器組裝件包括：

(a)按需直流電的便攜式且可補充電源，

(b)用于控制和引導這種直流電的流動的中央處理單元，

(c)與該電源電連通以用于將直流電按需傳輸至該中央處理單元的至少一個連接器，以及

(d)與配置照射單元電連通以用于將直流電從所述中央處理單元按需傳輸至所述光生成單元的至少一個連接器；

其中：

(A)所述第一配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第一區域，該第一區域包括左腹內側前額葉皮層區和右腹內側前額葉皮層區，并且可選地包括扣帶前回區；

(B)所述第二配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第二區域，該第二區域包括左楔前葉皮層區和右楔前葉皮層區，并且可選地包括扣帶后回區；

(C)所述第三配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第三區域，該第三區域包括側下頂葉皮層中的左角回區，并且可選地包括左扣帶后回；以及

(D)所述第四配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第四區域，該第四區域包括側下頂葉皮層中的右角回區，并且可選地包括右扣帶后回。

在另一方面，本發明提供了一種用于在需要時經由鼻腔并且通過活哺乳動物的顱骨對腦執行非侵入式神經刺激治療的可自我管理方法，所述可自我管理非侵入式神經刺激方法包括以下步驟：

獲取光能發射裝置，該光能發射裝置包括：

第一配置照射單元、第二配置照射單元、第三配置照射單元以及第四配置照射單元，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元中的每個都包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于施加至顱骨的外表面構造，每個配置照射單元的所述便攜式空心殼體包括：

(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于每個配置照射單元的所述空心殼體的配置外表面的至少一部分；以及

(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元容納并包含在每個配置照射單元的所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該顱骨并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長構成的組中選擇的至少一個預選波長，

由此，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元可以在施加至顱骨之后發射光能，并且實現在體內將所述發射光能傳遞通過顱骨到腦的至少一部分中；

框架，該框架適于支承所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元，并且適于在顱骨上以固定位置和期望照射方向按意愿布置所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元的所述光透射外表面；

便攜式控制器組裝件，該便攜式控制器組裝件能夠控制光能在體內從所述配置照射單元到腦的至少一部分中的按需傳遞，所述控制器組裝件包括：

(a)按需直流電的便攜式且可補充電源，

(b)用于控制和引導這種直流電的流動的中央處理單元，

(c)與該電源電連通以用于將直流電按需傳輸至該中央處理單元的至少一個連接器，以及

(d)與該配置照射單元電連通以用于將直流電從所述中央處理單元按需傳輸至所述光生成單元的至少一個連接器；

將所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元的透明外表面放置在與對象的顱骨相鄰的期望固定位置處，以使通過所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元發射的光能在體內穿過對象的顱骨并且進入腦的至少一部分中；以及

使定位后的所述配置照射單元的所述光生成單元在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該對象的顱骨并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長，以使得實現對腦的至少一部分的神經刺激；

其中：

(A)所述第一配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第一區域，該第一區域包括左腹內側前額葉皮層區和右腹內側前額葉皮層區，并且可選地包括扣帶前回區；

(B)所述第二配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第二區域，該第二區域包括左楔前葉皮層區和右楔前葉皮層區，并且可選地包括扣帶后回區；

(C)所述第三配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第三區域，該第三區域包括側下頂葉皮層中的左角回區，并且可選地包括左扣帶后回；以及

(D)所述第四配置照射單元被定位成將光能引導至腦的第四區域，該第四區域包括側下頂葉皮層中的右角回區，并且可選地包括右扣帶后回。

優選的是，所述系統和/或裝置還包括：

配置照射透鏡，該配置照射透鏡包括：

便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及外表面構造，該便攜式空心殼體適于體內插入鼻孔的鼻腔空間中，而不對對象的呼吸能力造成實質性損傷并且不侵入活對象的鼻組織，所述配置照射透鏡的所述便攜式套管包括：

(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于所述配置照射透鏡的所述空心殼體的配置外表面的至少一部分，

(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元被容納并包含在所述配置照射透鏡的所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該鼻組織并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長，

由此，所述配置照射單元可以在體內插入之后在該鼻腔內沿任何期望方向發射光能，并且實現在體內將所述發射光能從該鼻腔傳遞到腦的至少一部分中；

可自我管理施用器裝置，該可自我管理施用器裝置適于支承所述配置照射透鏡，并且適于在與對象的鼻腔的內部襯里相鄰的鼻孔內以固定位置和期望照射方向按意愿布置所述配置照射透鏡的所述光透射外表面；

其中，所述便攜式控制器組裝件還能夠控制光能從所述配置照射透鏡的按需傳遞。

由此，本發明提供了一種新裝置，其從經顱(通過顱骨)和鼻內(經由鼻通道)位置的組合將治療光能量全面地引導到腦中。

附圖說明

在結合附圖時可以更容易理解且更容易想到本發明，其中：

圖1總體上例示了有關來自該系統的光一般怎樣照射腦的概念，其間具有很少的組織屏障；

圖2例示了來自發光二極管(LED)的可見紅光怎樣顯著地以大覆蓋區穿透腦的概念；

圖3例示了當與如圖2所示的LED相比時，通過來自低水平激光二極管的可見紅光穿透腦但具有更小覆蓋區的相對穿透深度的概念；

圖4例示了與如圖2所示的可見紅光LED和如圖3所示的可見紅光低水平激光相比時，通過來自LED二極管的近紅外紅(NIR)光穿透腦的相對穿透深度和分布(spread)的概念；

圖5是示出包括本發明的裝置的優選實施方式的照片；

圖6示出了包括本發明的裝置的優選實施方式；

圖7a和圖7b分別例示了設置形式版本的施用器和基于懸臂版本的施用器；

圖8a和圖8b分別是該施用器組裝件的側視圖和俯視圖的工程圖；

圖9a和圖9b分別是該施用器的L狀透明透鏡單元的側視圖和俯視圖的工程圖；

圖10例示了定位通過鼻夾固定的該裝置的施用器并且示出了發射光線的方向；

圖11例示了該裝置的鼻夾怎樣最小化光泄露并且將它們重定向回到鼻腔中并朝向腦，以及怎樣操縱懸臂以使照射透鏡能夠滑入鼻孔中；

圖12還例示了在影響光的方向時定位該裝置的二極管、微透鏡、照射透鏡以及鼻夾的作用；

圖13例示了該施用器的發光二極管實施方式；

圖14例示了用于該控制器組裝件的外部形狀因子；

圖15例示了該控制器組裝件的關鍵內部組件；

圖16例示了作為該控制器組裝件的另選的智能電話的概念；

圖17例示了低水平光療法的細胞內作用機制；

圖18例示了體外后氧化應激的神經突延長實驗；

圖19例示了腦的默認模式網絡中的皮層中樞；

圖20例示了本發明的裝置的一優選實施方式的立體圖；

圖21例示了本發明的裝置的一優選實施方式的正視圖；

圖22例示了本發明的裝置的一優選實施方式的后視圖；

圖23例示了本發明的裝置的一優選實施方式的左視圖；

圖24例示了本發明的裝置的一優選實施方式的右視圖；

圖25例示了將光能量引導至腦的默認模式網絡中的皮層中樞的本發明的裝置的一優選實施方式；

圖26是例示具有500nm與1150nm之間的波長的光透射到中樞神經系統的組織中的示圖；

圖27是例示水、黑色素以及血紅蛋白針對各種波長的光的吸收百分比；

圖28是例示由于通過組織生色團縮減吸收紅光和近紅外光波長(大約600nm至1200nm)而造成的組織中的光學窗口的示圖；

圖29例示了本發明的裝置的一優選實施方式的立體圖；

圖30例示了利用本發明的系統和裝置對患有焦慮的患者執行預處理的定量腦電圖測試的結果；以及

圖31例示了利用本發明的系統和裝置對患有焦慮的患者執行后處理的定量腦電圖測試的結果。

具體實施方式

本發明是一種便攜式非侵入式系統、裝置以及方法，其用于經由經由活哺乳動物對象的：(i)顱骨；和/或(ii)鼻孔，對腦組織執行照射光療法，以用于在體內刺激腦的醫療目的。常規上，現今，存在刺激腦的多種已知方法，但這些技術很大程度上涉及對實驗室動物的研究實驗或者是需要臨床/醫學監督的過程。

在與這些常規已知治療過程的顯著區別方面，本發明利用經顱和/或鼻內通路作為解剖進入點，并且遵循針對該概念性方法建立的原理，即，利用具有特定固定參數的光能照射腦組織將在體內實現治療效果。按這種方式，本發明利用指定強度、波長、相干性、持續時間以及脈沖模式的光能來實現治療結果。

本發明的系統、裝置以及方法優選地經由顱骨將治療光照射傳遞至腦的DMN的特定皮層中樞。為此，該光能發射裝置包括至少一個配置照射單元，該配置照射單元包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于施加至顱骨的外表面構造。該系統和裝置被設計成使得利用耳機將光能傳遞穿過顱骨，該耳機容易施加至對象的頭并且舒適佩戴達延長時段。該耳機優選地包括用于支承每個配置照射單元的框架。每個配置照射單元都優選地定位在該框架內，使得當將對象佩戴了該耳機時，光能被引導至腦的特定皮層中樞。

本發明的系統、裝置以及方法還優選地經由與鼻腔相鄰定位的組織將治療光照射傳遞至腦。為此，該光能發射裝置包括配置照射透鏡，該配置照射透鏡包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于體內插入鼻孔的鼻腔空間中的外表面構造。該鼻插入裝置組件被設計成為小且舒適的，并且避免對用戶的呼吸能力造成顯著或有意損害。在插入之后，該裝置可以被調節或預置成：引導釋放從該裝置發射的光的照射角，設置期望功率水平，生成針對發射光的脈沖頻率，以及選擇針對療程的持續時間，以便實現期望治療效果。

本發明優選地提供許多結果，包括但不限于：

●該治療系統、裝置以及方法利用事實上被公開的科學研究所支持和證實的原理并且應用其操作參數。

●沒有與該治療方法和系統相關聯的已知主要副作用或并發癥。

●該裝置在每個實施方式和使用實例中在醫學上是非侵入的和可自我管理的。

●該裝置專用于并且被設計用于按意愿自我附接至和自我脫離對象的顱骨和鼻子。

●該裝置重量極其輕、便攜，并且容易用手傳輸通過任何距離。

●該裝置舒適且容易使用，并且具體來說，與目前經顱治療中使用的全頭盔相比更舒適。

●該裝置由患者自己在需要時定期和重復地自我施用以用于治療性治療，并且不需要醫療技術人員或醫生的任何輔助。

●該裝置可以另選地采用激光器或者發光二極管作為光生成單元。

●該裝置可以生成按從近紅外和紅光范圍中選擇的任何期望的醫學有效波長的光能波和粒子。

●該裝置不對其它醫療設備造成顯著電磁或其它干擾，并由此適于供具有植入起搏器或除顫器的人使用。

●功率和電池需求特定于可以是激光器或非激光發光二極管的光源。

●優選實施方式可以傳遞脈沖光，其中，對于某些醫學病癥來說，脈沖光已經被測試出支持更多治療益處。

●該裝置的優選實施方式易于由任何人使用，因為僅使用他或她的手將耳機放置在他或她的顱骨上和/或將施用器夾到鼻孔上并按壓“通電”按鈕。

●該裝置的優選實施方式包括定時器和自動關閉開關兩者，其在20至25分鐘或其它時間長度之后自接合。

●優選治療持續時間是醫學相關的；并且實際治療時間可以根據光源和瞄準流體(或劑量)的選擇而改變。

●該裝置的優選實施方式高度耐受意外毀壞，并且能夠經受住5英尺的掉落而不引起任何損壞。

●該裝置的優選實施方式采用過程控制器組裝件，其確保傳遞至顱骨或鼻腔的光能一致。如果電池不能夠維持一致的功率來驅動該電路以給光源供電，則該過程控制器組裝件將發出警告并將關閉該裝置。

●另選實施方式包括使用“智能電話”，其下載代替該過程控制器組裝件來執行的軟件應用。

腦的目標區域：

腦的特定解剖部位控制頭腦和身體的特定功能。例如，間腦(大致圍繞中腦)區域是一些最重要的生存功能的所在地，并且保持針對人的身體健康的某些關鍵。對于通過光源接近來說，這是一個難于到達的區域。

這里，在解剖腦組件(component)中，下丘腦是針對許多自主功能的控制中心。下丘腦與內分泌和副交感神經系統的結構連接，以支持其在遍布身體維持體內平衡中的至關重要的作用。下丘腦是邊緣(limbic)系統的一部分，影響各種情感和快樂反應、存儲記憶、調節激素、感覺知覺、運動功能，以及嗅覺。邊緣系統的其它組件是扁桃體、扣帶回、海馬狀突起、嗅皮質以及丘腦。

雖然中腦區域可以是主要目標，但發散光線也將照射腦的一些其它部位，以獲得更廣泛的益處。治療如何在下一階段遍布腦被分布到次要區域中的假設還基于神經系統在其網絡中快速運送信號的能力。

光能可以被操縱到朝向腦的瞄準部位的點，以在特定主要區域中具有更多效力。例如，位于中腦區域的底部的黑質(其功能障礙可歸因于帕金森病；或者在另一種情況下，處于分離位置的前額葉皮層可以被瞄準，以改善高階認知功能和平衡原始情緒。

系統/裝置/方法規格和劑量測定：

與本發明兼容的有效且安全的光照射方法和系統提供對某些操作參數的選擇和控制。這些操作參數包括以下選擇：光波長、相干性或不相干性、能量(如按焦耳(J)測量的)、功率(如按瓦特(W)或毫瓦特(mW)測量的)、輻照度(W/cm²)、輻射曝露量(J/cm²)、暴露時間(秒)、波類型(連續或脈沖)、分次方案(患者療程數量)、光束尺寸(著陸射束面積)，以及光束穿透(傳遞)距離。

1、治療波長的選擇：

被示出為在誘發活體神經細胞中的體內有益效果方面最有效的波長已經處于光譜的紅光和近紅外紅光范圍(NIR)的光學窗口中(即，620nm與1400nm波長之間)。針對腦照射的成功治療在動物和人兩者中通常按633-670nm(可見紅光)波長或808-1072nm(近紅外)波長執行。因此，可以將范圍在大約620nm與1400nm之間變動的任何光波長視為對于利用本發明的治療用途來說是可接受的。

然而，一般來說，光波長越長，用于成功治療所需的能量就越低，而且完全確定光波長越長，光傳送到活組織并貫穿活組織的穿透距離就越深。在本發明中，針對某些病癥，大約600nm-780nm之間的更短可見紅光波長能夠執行，并且大約780nm-1400nm之間的近紅外(NIR)波長能夠執行。研究人員認識到，正是這種波長范圍吸引最大的細胞反應，這與需要使這種波長僅用于組織穿透相反。當對大鼠進行測試時，630nm與800nm之間的光子已經示出即使在具有相對較低透明度的組織層(諸如皮膚、結締組織、肌肉、骨，以及脊髓)中也可以穿透高達28mm(即使在最初的1mm之后已經消散了很多)，并且在前側表面處可檢測大約6％的總能量密度。更深的組織穿透顯然提供更好的頭部起始點，因此應考慮更長的NIR。

非常重要的事實是，正是這些寬范圍的光波長可以誘發最大的線粒體反應，這與需要使一個特定波長用于體內的有效組織穿透距離相反。而且，630nm與800nm之間的光子波長將穿透活組織并且貫穿具有相對較低透明度的層(諸如皮膚、結締組織、肌肉、骨、以及脊髓)行進直至28mm距離，并且可檢測總能量密度的大約6％。因此，萬一穿透深度是所治療的醫學病癥或病理狀態的關鍵因素，就基于波長越長穿透進入組織越深的事實，優選使用大約620nm-1400nm之間的NIR光波長。

還應注意到，光能穿過活組織不僅取決于選定波長，而且取決于被瞄準組織的光學特性。具體來說，光能在腦的灰色和白色物質內的最大穿透距離在NIR光區域的大約620nm-1400nm之間的波長處出現。而且，因為這個原因，大約620nm-1400nm之間的NIR光波長被高度優選使用。

還通常優選的是，選擇并使用單一單色光波長用于單一治療應用。因此，典型地，選定的單一單色波長應為大約670nm(可見紅光)或大約810nm(近紅外紅光)。而且，同時二色照射改變酶的還原和氧化形式的比率。由此，推薦用戶選擇純單色波長光源用于大多數治療應用。作為選擇特定治療波長的光的指南，建議將633nm至670nm區域中的光波長用于一般腦照射，而使用大約808nm至1072nm的光波長來穿透并到達腦的更深解剖區域。

以前的研究間接表明，如果利用紅光或低強度光照射阿爾茨海默病腦細胞，則他或她可以改善阿爾茨海默病患者的病癥。科學事實支持基于NIR的一組改進參數以獲得更好的結果。一項研究還顯示，使用808nm激光二極管的經顱光療法減弱了轉基因小鼠模型中的淀粉樣斑塊發展，這意味著該治療方法在這個波長附近針對人類的所有重要AD的可能功效。

2、相干與非相干輻射的選擇(激光器與激光二極管)

激光器提供單向的相干電磁輻射，因此考慮到與高能量輸入耦合的更集中能量。而且，現代激光源通常按低強度半導體格式構造，具有考慮到高度安全性的內置發散(通常大約57度發散)。這種激光源具有獨特的優點，其包括：(i)更高程度的組織穿透；(ii)高效光耦合；以及(iii)高單色性。當需要活組織的更深穿透距離時，假設相同參數的波長、能量劑量以及強度，激光器的相干光通常比由發光二極管(LED)生成的非相干光更合意。

然而，對于大多數治療應用來說，光相干性本身不要求用于臨床功效，而且在需要更大距離的組織穿透的那些醫療情況下，認為以來自發光二極管(LED)的更長波長使用非相干光能更好地滿足。近年來，發光二極管(LED)已經成為作為光源的激光器的可行治療替代物。假定細胞的光受體(特別是細胞色素氧化酶)在所接收的光子的相干性或非相干性之間不進行辨別。因此，假設相同波長的光、能量劑量以及強度，利用發光二極管(LED)在細胞的光受體接收的輸入將產生與由激光光源的相干光提供的治療結果非常相似或相同的治療結果。盡管利用LED非相干光的穿透通常較淺，但LED生成的非相干光具有提供更寬區域的照射束覆蓋區域的優點。

本發明的系統、裝置以及方法識別存在于來自激光源的光與來自發光二極管源的光之間的相干與非相干差異，并且通過基于針對特定應用目的的最佳條件在它們之間謹慎選擇而提供兩種可能性(即，要治療性治療的特定疾病狀態或病癥將決定哪種是更好的形式)。

因此，僅作為第一說明性示例，當在照射腦區域中的僅一個指定區域時存在優點時(諸如照射更深定位的松果體以便恢復正常晝夜節律和糾正睡眠障礙)，激光源的相干光因其更大的組織穿透距離而通常被優選。然而，作為有意義的另選，使用按更長波長(優選為NIR范圍內)的非相干LED光結合更長處理時間將充分地補償可以由激光源的相干光所提供的最大組織穿透距離的損失。

作為第二說明性示例，來自NIR810nm激光源的相干光因其更深的組織穿透能力將是最有利的，該810nm激光本身對于人眼來說不可見。由此，本發明的用戶沒有這樣的可見光來觸發作為針對意外眼睛暴露的自主防御機制的眨眼，而且如果該用戶不小心，則他/她冒著不注意對眼睛造成嚴重視網膜損傷的重大風險。因此，本發明提供了一種指導方法，其推薦何時采用810nm光波長，并且旨在用于在家里的無人監督個人治療用途，這種810nm的光應當優選為在LED光源版本中對購買公眾可用。類似地，810nm光波長的激光源優選地被保留并且僅限于在研究領域內或者在監督醫療治療環境中的治療用途。另選的是，建議使用激光源生成大約655nm波長的可見紅光，以便受益于具有可見紅光的安全方面，并且伴隨提供激光的更大組織穿透優點。

非相干LED生成光的另一重要方面是，與激光器生成光相比，使用這種非相干光產生完全可忽略量的熱。非相干LED生成光的這個寶貴特征允許利用相對低功率密度的波長暴露活腦組織達更長時段。這依次允許更有效地調節神經代謝。由此，如果治療時間為了醫療功效而被延長(如通過創傷性腦損傷的治療所例證的)，則相對低功率密度的非相干LED生成光波長比使用激光生成光更優選，以便避免對腦組織造成不期望的熱損傷的風險。

因此，出于一般治療使用目的，本發明優選地使用LED光源和非相干光波長(尤其是因其更大的組織穿透質量而導致在NIR波長范圍中)，用于治療處理并且用于預防醫學應用。該偏好通常包括并涵蓋與人的認知功能、神經變性、血管性癡呆、偏頭痛、疼痛、以及人類記憶缺失有關的那些醫學/臨床/病理病癥。

比較起來，假設相同波長，來自激光源的低功率水平相干光可優選用于治療急性和慢性神經障礙和病癥，并且期望用于治療在解剖學上更深地位于腦內部的特定瞄準區域/范圍。由此，當與相同波長的LED相比時，利用來自激光器的低水平相干光治療優選地治療帕金森病(涉及黑質)的可見紅光照射治療、與晝夜節律(松果體)相關的睡眠障礙、以及加速康復(下丘腦)。而且，出于安全原因，優選使用具有最小安全限制的處于620nm至780nm之間的可見紅光波長。

3、治療能量和其它參數

光能傳統上被測量為焦耳(J)＝功率(W)×時間(秒)。出于腦刺激的目的，需要極小光能來刺激線粒體活性，但是同樣仍要建立用于醫療功效的確定最小閾值量。作為代替，針對現今使用中的醫療功效的適當參考點是時間測試靜脈內光照射技術，其涉及光直接注入靜脈(主要在俄羅斯、德國以及世界上許多其它國家使用了幾十年)，并且其通常遵循波長為632.8nm、功率為1.5mw的激光器參數、以及每療程30分鐘的時間。以此為基礎，患者通常在頭三個日歷日一天治療一次，然后每兩個日歷日治療一次，直到達到總共十個患者療程為止。對于每一個患者療程來說，傳遞光能2.7焦耳(1.5/1000W×30分鐘×60秒)。

當在本發明中應用激光生成光(與632.8nm波長相同或相似)的腦照射時，相鄰組織深度問題需要加以考慮。這些問題通過將功率(以瓦特(W)或毫瓦(mW)為單位測量的)增加幾個數量級來克服，諸如5毫瓦達25分鐘，由此生成7.5焦耳(5/1000W×25分鐘×60秒)的能量輸出。而且，向脈沖光源添加更大功率傳遞更多能量，這依次可以原位激活更多ATP；然而，這種針對系統的增加功率損害了鼻內實施方式中的方法的可用性。針對本發明的激光器實施方式的基準功率參數是將功率因數限制到5mw，以便將功率保持在3R級的低風險級別[美國食品和藥物管理局(FDA)設定的標準]。由此，用于激光器實施方式的優選一組操作參數將為每個患者療程提供5mw的功率因數和限制到25分鐘的治療持續時間。

比較起來，注意到LED光源大部分是發散的。因此，當利用本發明的LED實施方式時，能量輸出要增加大約60％達大約12焦耳。能量輸出的這種變化還要求更高的功率因數，現在設置為8mw(12焦耳/(25×60秒)×1000)。

因此，總之，對于激光源來說，一個優選目標(aimed for)能量大約為7.5焦耳(5/1000W×25×60秒)，而對于LED光源來說，一個優選目標能量大約為12焦耳(8/1000W×25×60秒)。

4、連續波(CW)與脈沖頻率

已發表的科學文獻事實上確定了當利用808nm激光時，對于100Hz和1000Hz的連續波(CW)束來說，100Hz和1000Hz的脈沖激光束產生優異結果，并且與100Hz以下的連續波束相比，以10Hz脈動的810nm激光束產生從創傷性腦損傷的更大臨床恢復。為什么以10Hz脈動比100Hz(或任何其它頻率)更好地工作仍然并且是一個思考的問題。應注意到，10Hz是α腦電波的頻率，并且由此10Hz的脈動與靜止的整個腦諧振。而且，腦的海馬狀突起區域也在4-10Hz范圍的波中起作用。該海馬狀突起負責記憶、情緒保持良好狀態、行為管理、空間記憶以及導航。它也是在年老阿爾茨海默病中遭受嚴重損傷的區域之一。

一般來說，在某些條件下，超短脈沖可以比連續波(CW)照射更深地穿透到組織中，這是因為可以使用更多功率。脈動(pulsing)還防止了在熱累積情況下的不期望熱效應。將更大功率推動到脈沖光源傳遞更多能量，這可以激活更多細胞能量(ATP)，如在針對兔子的研究中所證明的。在脈沖模式下，有效劑量由于更深地行進到組織中而導致比常規計算更高。另一種作用機制涉及包含光子的脈沖的第一部分，以將上組織層中的所有發色團分子帶到激發態，在下一脈沖期間為更多光子進入組織提供機會。對兔子使用808nm激光，研究人員證明，100Hz和1000Hz的脈沖激光產生了對連續波的更好結果。研究人員用810nm激光測試還發現，與100Hz相比，10Hz的脈動產生來自創傷性腦損傷的更大恢復。它們間接表明光療法的抗抑郁活性是影響因素。

如果在本發明中使用可見波長的光，則可能因感光性癲癇事件的可能風險而導致優選避免對人類使用脈沖模式。為此原因，在本發明中優選使用脈沖不可見近紅外光，諸如具有大約810nm波長的光。而且，光通過頭皮和鼻腔的方向降低了感光性癲癇的風險。

總之，對于利用本發明的腦治療來說，而且特別是對于中腦區域的治療來說，對于有效臨床結果來說，優選10Hz脈沖模型，尤其是當與NIR 810mw光源組合時，其給出良好穿透深度。

本發明的瞄準經顱光療法：

本發明提供了瞄準治療在特定位置的DMN的皮層中樞，如可以在圖25中看出。因為皮層中樞彼此高度連接(有時標注為“連接體(connectome)”)，所以刺激這些主要中樞中的幾個可以以整體方式刺激整個網絡。這允許設計指向幾個選擇位置的輕量/便攜式經顱NIR光療裝置，以代替在經顱光療研究中常用的不太舒適的封閉頭盔。

首要設計目標是具有一種便攜式且易于使用的裝置，更類似于立體聲耳機而不是重型頭盔或與經顱光療設備共同的一組多個燈。具體來說，如圖20至圖24和圖29所示，本發明提供一種支承一個或更多個簇頭(cluster head)的輕型框架，其中，每一個簇頭都容納一個或更多個光生成單元。

本發明優選地以海馬狀突起和前腦前側的其它位置為目標，因為這些解剖區域與AD相關聯。利用該包括(inclusion)，與AD有關的中樞網絡現在更加全面。針對本發明的優選的一組目標包括但不限于腦的楔前葉、扣帶后回皮質、內側前額葉皮層、中額葉、海馬狀突起、頂葉以及顳葉。這些選定目標因中樞彼此高度連接而導致對腦的綜合整體治療效果。

本發明的鼻內光療法：

插入到鼻腔中的光源在解剖學上位于中腦區域(大約3英寸，主要是空氣腔和軟組織)附近。如圖1所示，當使該鼻內位置處的光源1指向中腦區域時，因為到腦組織的物理路徑距離的大部分是鼻孔的空氣腔2，所以要求很少的能量用于有效光照射。出于例示的目的，被加亮的中腦區域在解剖學上是：扁桃體3、海馬狀突起4、下丘腦5、隔區6、以及扣帶回皮質7。新皮層區的容易被光源照明的部分是前額皮質8。除了腦干9的將脊髓連接至腦的區域以外，保護性顱骨的最薄部分是篩骨10的薄垂直板。由于其對腦的低屏障阻力的歷史證明，因而篩骨10也是顱骨的在古埃及木乃伊化過程期間通常被破壞以排出腦材料的一部分。承認的是，存在呈現為通向中腦區域的通道中的鼻中隔壁的一部分的一些組織材料，但是這種組織材料具有低密度。

在鼻內定位光源與瞄準腦區域之間存在很少的組織材料是值得注意的，這是因為紅光波和紅外紅光波穿透(如根據Beer-Lambert定律所定義的)可能在相距表面1mm距離處遭受多達80％的光學功率衰減[例如，參見Abdo A,Sahin M(2007).“NIR light penetration depth in the rat peripheral nerve and brain cortex”.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2007:1723-1725]。在解剖學上，光照射的鼻內通路主要具有存在于腦與光源之間的篩骨的更薄垂直板，并且跨該距離存在很少其它組織結果干預，因此允許更多光能量穿透到腦中，假設所有其它操作參數仍保持相同。

因此，上述解剖學優點允許這樣的治療處理系統，其采用指向適當解剖方向的具有恰當光波長源的低能量二極管，如圖1所示。用于管理該光生成源和光能發射的控制單元可以被最小化以允許用于便攜式和個人使用系統。這方法和系統具有超過當前可用的治療的另選模式的獨特優點。其提供了治療有效性、低能量需求、個人便利、可自我管理能力、非常適度的成本、以及非常容易的使用模式。

該裝置的組件：

本發明的非侵入式系統和裝置包括下面四個組成部分：

(i)便攜式空心殼體；

(ii)容納并包含在該空心殼體的內部空間體積中的分立光生成單元；

(iii)可標識電流源；以及

(iv)處理和功率控制器組裝件。

這四個組件通過與用于將直流電按需傳送到控制器組裝件的電流源電連通的至少一個連接器、以及與該控制器組裝件和用于從該控制器組裝件按需傳輸直流電的光生成單元電連通的至少一個連接器電鏈接在一起。共同地，這些組件實現本發明的目的，使該裝置在將所選規格的光傳遞至腦的期望區域的同時賦予用戶完全移動性，無論是瞄準還是未瞄準。

分別通過圖6至圖12例示了針對這四個組件中的每個組件的結構性細節和屬性的優選詳情，并且下面呈現了每個必需組成部分的更詳細描述。

1、便攜式空心殼體

本發明的每個實施方式都包括至少一個便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及外表面構造，該至少一個便攜式空心殼體適于施加至頭部和/或體內插入鼻孔的鼻腔空間中，而不對對象的呼吸能力造成實質性損傷。

優選的是，該便攜式套管在其外表面的至少一部分上可以由光透射材料構造并形成，并且將包含旨在容納和包容至少一個光生成單元的體積區域(volumetric zone)。根據定義，這種光透射材料包括和包含透明、半透明以及不透明物質。然而，在大多數情況下，認為最好使用完全透明和透明的物質。

同樣重要的是注意，該便攜式套管的期望目的和目標是雙重的：(i)用作容納室，其被配置為容易應用于顱骨和/或體內插入鼻孔的鼻腔空間；和(ii)充當將發射光波反射并引導至腦的模制透鏡。

對于本發明中的鼻內光療法來說，該便攜式空心殼體必須具有以下尺寸：足夠小以允許插入一個鼻孔中，最小化對對象的呼吸能力的損傷，而且還能夠最大化朝著對象的鼻腔壁散射光粒子。為了這些原因，非常期望用于鼻內治療的空心殼體在尺寸和構造上被制成通過人類對象可以用他的手指握持的有形保持器或固定器來支承。由此，雖然便攜式套管可以被制成任何總體上細長且延長的形狀(諸如管狀、雪茄狀或圓筒形式)，但是認為既有用且適合的是，該便攜式空心殼體的總體構造還提供用于支持允許將其按意愿放置到鼻腔空間中的結構性裝置。而且，為了這個原因，圖9所示的“L”形形式是非常期望的，并且被視為最佳構造。

2、光檢測單元

每個光生成單元都能夠在需要時生成具有至少一個預選波長的光能。期望光生成單元能夠按這樣的波長來傳遞治療光，該波長包括以下：(i)在可見色譜范圍內，范圍在大約620nm-780nm之間變動的可見紅光波長；和(ii)在不可見光譜范圍內，范圍在大約780nm-1400nm之間變動的近紅外光波長。

另外，所生成的光能波和粒子可以另選地為：(i)相干的(如在激光器中)或不相干的；(ii)在傳遞時脈動或不脈動(連續波)；(iii)強度恒定或不恒定；(iv)相位均勻或不均勻；(v)被極化或不被極化；以及(vi)具有規則或不規則通量。

用于生成電磁輻射的任何常規已知裝置或用于傳播輻射能的物品都可接受以用于在本裝置中使用。在多數實施方式中，期望并且預期出于照射目的而采用低水平激光器單元或發光二極管(LED)作為光生成單元。因此，該裝置作為整體僅要求一個或多個功能性光生成單元，而且該光產生單元的性質、或者構造或者形式可能是什么對于本發明來說不重要，只要其生成并且發送具有至少一個預選且治療上有效的波長的光即可。

治療上有用的光波長：

該優選實施方式使用處于光譜的可見紅光和近紅外紅光(“NIR”)波長(即，在大約620nm至1400nm之間)的光。這不排除部署為從紫外線B(大約280nm)至可見紅光波長區(至620nm)的其它波長的光的可能性。

為了完整性，如果并且在期望或需要時，可見光和不可見光波長的整個光譜可以通過該裝置的所述一個或更多個光生成單元來提供。如果期望，可以通過該裝置在需要時生成的可見光和不可見光波長的光譜通過下表1標識。

表1：可見和近可見顏色波長范圍

治療上有效的光范圍和波長：

本發明的指導原則是發送和傳遞用于神經系統的治療上有效的能量。為此目的，通常優選的是，至少使用由低水平激光器生成的相干可見紅光、或者由LED生成的非相干可見紅光，并且固定在范圍在620nm-1400nm之間的波長。為了這些原因，該裝置和系統的各種優選實施方式將發送和引導范圍在620nm-1400nm之間變動的紅色波長的相干或者非相干可見光能量，輻射功率在10mW至1000mW之間。比較起來，該照射射置和系統的一些實施方式將發射和傳遞490nm-570nm之間的可見光能量，輻射功率在10mW至1000mW之間(綠色范圍)。在另選例中，還有其它實施方式以10mW至1000mW之間的輻射功率發送波長在400nm-490nm之間的可見光能量(藍色范圍)。

有關電磁波和穿透的一般原理是波長越長，穿透越深。基于該原理，與具有更短波長的紅光或近紅外光相比，期望具有更長波長的遠紅外光具有更優越的穿透。然而，光穿過組織可以行進的距離取決于波長和目標組織的光學特性。在中樞神經系統的組織的情況下，諸如血液和水的成分在確定穿透深度方面具有顯著作用。

本發明的一個特別優選的實施方式使用波長大約810nm的光能。如圖26所示，大約810nm的波長最深地穿透到中樞神經系統的組織中。而且，如圖27和圖28所示，具有大約810nm波長的光不被血液(血紅蛋白)和水吸收至與具有其它波長的光相同的程度。

3、電流源

要求存在按需直流電的便攜式和可補充源作為本發明的裝置和系統的組成部分。通過本發明提供的治療處理系統和方法旨在傳遞特定能量劑量(按焦耳測量的)，其是功率(按瓦特)和時間(按秒)的函數，并且其被視為針對每個治療處理有效。

在圖5至圖6分別所示的優選實施方式中，采用1.5伏特干電池來向二極管供電以用于鼻內光療法。相應嵌入程序使得組件能夠傳遞鼻內治療能量如下：

(i)對于633nm LED實施方式來說，11-12焦耳/cm²；

(ii)對于655nm低水平激光器實施方式來說，7-8焦耳/cm²；以及

(iii)對于810nm脈沖LED來說，11-13焦耳/cm²(在脈沖模式占空比之前)。

還預期并且期望的是，存在具有這些組件的不同組合的其它另選實施方式，并且其要求不同功率配置、能量劑量以及治療時間。

電源典型地以直流電形式來傳輸能量。足夠量的電流可以從單一電池源或者從串聯或并聯連接起來的幾個干電池重復傳輸。在一些其它期望實施方式中，電源將為可再充電直流電池單元的形式(可從普通家用交流電插座充電)或者作為經由電力適配器的交流電(AC)。

至于定位，在所有優選實施方式中，該電源是保持并且整體包含在控制器組裝件28的內部界限內的分立實體。然而，在不太優選的實施方式中，該電流源可以是自包含式的、分離的并且獨立式單元，其經由電纜和連接器模塊連接與控制器組裝件電連通。

4、過程控制器組裝件

該過程控制器組裝件是具有至少三個結構特征的便攜式單元組件。由此，如圖14和圖15分別所示，每個過程控制器組裝件將包括：

(i)用于接收如從電源傳送至控制器組裝件的這種直流電的接收電路；

(ii)用于隨著時間控制并引導如通過控制器組裝件接收的這種電流的流動的中央處理單元(CPU)；以及

(iii)用于從控制器組裝件向另一組件傳遞直流電的傳遞電路。

同樣重要的，期望并且預期的是，該過程控制器組裝件電鏈接至該裝置的其它基本組件并由此典型地還具有：

(a)與該電流源電連通以用于將電流按需傳遞至控制器組裝件的至少一個連接器；以及

(b)與光生成單元電連通以用于將電流從控制器組裝件按需傳輸至該光生成單元的至少一個連接器。

這些連接器典型地形成為絕緣銅線電纜和插孔模塊，其允許快速且容易鏈接和與光生成單元兩者的電連通電源。

在該裝置的所有實施方式中，該過程控制器組裝件在缺少電流源的情況下不操作。另外，該控制器組裝件除了在預定時間之后切斷單元之外，還主要是提供電力以適當且有效地驅動光生成單元的電路。該控制器還確保傳遞到光生成單元的電力恒定。因此，期望監測電池強度，并且如果該電池不能夠提供用于適當地驅動該電路的充足電力，則切斷該單元。

因此，如圖5–圖6和圖14–圖15分別所示，優選過程控制器組裝件28在尺寸上尺度小、重量輕并且便攜。其優選地具有固定尺度，該固定尺度不大于平均襯衫口袋(即，長度大約4.5.英寸×寬度4.5英寸×深度1英寸)，并且由諸如可模制熱塑性塑料的彈性材料形成。該控制器組裝件的優選實施方式典型地包括在電路板52中的中央處理單元(CPU)，中央處理單元能夠按劑量、功率、以及時間控制來自電源(其在優選實施方式53中為單一AA干電池)的電流的流動并且將其引導至所配置照射透鏡39。

還應注意到，在圖5和圖6所示的優選實施方式中，直流電源位于內部并且包含在控制器組裝件的內部空間體積內，并且呈現為電池29(干電池或可再充電單元)。在這種情況下，控制器組裝件28還具有適于附接絕緣銅線電纜和模塊化插孔連接器51的插座，模塊化插孔連接器51的另一端連接至設置在圖8所示空心殼體39內的光生成單元38。

圖14–圖15所示的控制器組裝件28整體上能夠隨著時間重復地從發光二極管傳遞所需劑量，該計量足以實現對腦的一致神經刺激。而且對于便攜性，電能的典型電池源以1.5伏特提供直流電。然而，根據使用的光源類型的電路，可接受更寬范圍的直流電壓。

該控制器組裝件的中央處理單元(“CPU”)優選地能夠以10mW至1000mW或以上來調節光能功率輸出。當其被調節時，該功率通常被固定。對于該優選實施方式，這些光能功率輸出導致該裝置的發射光在每療程持續時間僅10至30分鐘的治療時間之后在治療上有效。

期望并且預期的是，使用任何常規已知且可互換的電纜和連接器來將該控制器組裝件鏈接至照射透鏡。這向用戶提供了獨特優點和益處，即，交換一個配置照射透鏡(能夠以第一波長發送光)與另一個照射透鏡(能夠以第二和不同波長發送光)的選項，并且由此準許使用能夠利用一個單一控制器組裝件來傳遞不同波長的可見光或不可見光能量的不同激光器和另選發光二極管。

在另一實施方式中，該控制器組裝件可以具有提供更多傳遞的控件和用于提供更多通用性的操作選項。該特定優點和益處通過選擇針對該控制器的各種預先配置設置以使光的類型與其波長匹配，改進用戶界面并減少誤差來提供。按意愿或在需要時交換光生成單元的這種模式和方式允許通過單個患者治療使用不同光范圍和另選光波長，而沒有用于購買多個治療系統或多于一個裝置的任何需要。

移動智能電話選項：

在另一實施方式中，該控制器組裝件28的功能可以用在流行移動平臺之一上操作的智能電話來替換，并且其可以包括如圖16所示的來自Apple、Android、Blackberry以及Windows的那些。下面，將施用器組裝件23經由線纜(由與其它實施方式27相似的材料形成)連接至智能電話54，而非利用分立控制器單元。該智能電話54攜帶主要復制控制器組裝件28中的軟件功能的可下載軟件應用(“App”)。在計算機芯片55中包含接口處理軟件的已修改附件將在現有施用器與專有智能電話平臺之間提供接口。利用該實施方式，用戶不需要攜帶附加或分立控制器單元，而該“App”也將包含更多軟件控件和圖形接口。

本發明的優選系統和裝置實施方式：

如圖20至圖25和圖29所示，本發明提供了裝置100的優選實施方式，其組合經顱光療耳機102和鼻內光療單元104。該便攜式控制器組裝件106可以用作電源和用于經顱耳機102和鼻內單元104兩者的中央處理單元。

該耳機102包括一個或更多個配置照射單元108、110、112以及114，該配置照射單元108、110、112以及114中的每個都包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于施加至顱骨116的外表面構造。該便攜式套管包括：(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于所述空心殼體的配置外表面的至少一部分，以及(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元整個地容納并包含在所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且該至少一個光生成單元能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間生成足以穿過顱骨并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長。

在該耳機102中設置有框架118，以支承該配置照射單元108、110、112以及114，并且適于在顱骨116上以固定位置和期望照射方向按意愿布置該配置照射單元108、110、112以及114的光透射外表面。優選地設置支承墊128，以幫助將耳機102固定至顱骨116，并且使該耳機102對于患者來說佩戴更舒適。

在圖20至圖25和圖29所示的優選實施方式中，框架118支承四個配置照射單元108、110、112以及114，并且每個配置照射單元108、110、112以及114都形成皆具有三個光生成單元的簇頭(cluster head)。這四個簇頭被定位在耳機102中，使得它們瞄準腦中的特定皮層中樞。在圖25所示的優選實施方式中，該簇頭被定位成瞄準腦的下列部位：

A、在中線上，前發際線處：該被瞄準的腦區域包括左腹內側前額葉皮層區和右腹內側前額葉皮層區，并且可選地包括扣帶前回區，扣帶前回區是突顯網絡的一部分；

B、在中線上，在枕骨隆突和頭的頂點之間的中間部位：該被瞄準的腦區域包括左楔前葉皮層區和右楔前葉皮層區，并且可選地包括扣帶后回區，次于楔前葉區域；

C、在頭的左側上，左耳邊緣后方和上方：該被瞄準的腦區域是側下頂葉皮層中的左角回區，并且可選地包括左扣帶后回，從左角回區起定位得非常深(在中線處)；以及

D、在頭的右側上，右耳邊緣后方和上方：該被瞄準的腦區域是側下頂葉皮層中的右角回區，并且可選地包括右扣帶后回，從右角回區起定位得非常深(在中線處)。

如可以在圖20、圖24以及圖29中看出，該鼻內光療單元104包括鼻夾102。該鼻夾120將配置照射透鏡122保持在對象的一個鼻孔內部。該配置照射透鏡122包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及適于施加至鼻孔內部的外表面構造。該便攜式套管包括：(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于所述空心殼體的配置外表面的至少一部分，和(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元整體地容納并包含在所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且至少一個光生成單元能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該鼻組織并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長。

第一連接器124與經顱耳機102的配置照射單元108、110、112以及114電連通。第二連接器126與鼻內光療單元104的配置照射透鏡電連通。這允許將直流電從便攜式控制器組裝件106按需傳輸至配置照射單元108、110、112以及114中的光生成單元、以及鼻內光療單元104的配置照射透鏡的光生成單元。

如在圖25中看出，經顱耳機102的配置照射單元108、110、112以及114將光能引導至腦的難于利用鼻內光療法到達的背部或上部區域中的皮層中樞。相反的是，鼻內光療單元104的配置照射透鏡122將光能引導至腦的難于利用經顱光療法到達的前側或下側區域中的皮層中樞。

用于優選實施方式的操作參數：

在圖20至圖25和圖29所示的優選實施方式中，本發明的系統和裝置具有下列操作參數：

1、經顱耳機102中的配置照射單元108、110、112以及114中的每個都優選地包括發光二極管(LED)簇頭。每個簇頭尺寸上優選為大約4cm乘4cm。經顱耳機102中的每個簇頭優選地包括三(3)個發光二極管。

2、經顱耳機102的四個LED簇頭同時被用來治療作為腦的默認模式網絡的一部分(和突顯網絡的一部分)的下列皮層區：

A、在中線上，前發際線處：該被瞄準的腦區域包括左腹內側前額葉皮層區和右腹內側前額葉皮層區，并且可選地包括扣帶前回區，扣帶前回區是突顯網絡的一部分；

B、在中線上，在枕骨隆突和頭部的頂點之間的中間部位：該被瞄準的腦區域包括左楔前葉皮層區和右楔前葉皮層區，并且可選地包括扣帶后回區，次于楔前葉區域；

C、在頭的左側上，左耳邊緣后方和上方：該被瞄準的腦區域是側下頂葉皮層中的左角回區，并且可選地包括左扣帶后回，從左角回區起定位得非常深(在中線處)；以及

D、在頭的右側上，右耳邊緣后方和上方：該被瞄準的腦區域是側下頂葉皮層中的右角回區，并且可選地包括右扣帶后回，從右角回區起定位得非常深(在中線處)。

3、該鼻內單元104包括優選地具有一個鼻內發光二極管(LED)的一個配置照射透鏡122。該鼻內二極管瞄準前腦的左全腹側和右全腹側，后腦的前喙部的部分以及下顳葉的部分(包括海馬狀突起區域的內側顳下回區和側內嗅皮層)。

4、電源：優選為具有NiMH電池的可再充電電源組。

5、所有光生成單元優選地提供620nm至1400nm波長的光能量，更優選為700nm至1000nm波長的光能量，甚至更優選為810nm波長的光能量。

6、功率輸出：

A、經顱耳機102LED簇頭：經顱耳機102LED簇頭中的3個二極管中的每個優選地具有20mW至60mW的功率輸出，更優選為大約41mW的功率輸出。每個經顱LED簇頭具有60mW至180mW的優選組合功率輸出，更優選為大約123mW。同時使用的四個經顱耳機102LED簇頭的總功率優選為240mW至720mW，更優選為大約492mW。

B、鼻內單元104LED：鼻內單元104的單個二極管的功率輸出優選為10mW至30mW，更優選為大約23mW。

四個經顱耳機102LED簇頭加單個鼻內單元104LED的總功率輸出優選為250mW至750mW，更優選為大約515mW。這些全部同時使用用于優選20至25分鐘治療。

7、功率密度：

A、每個經顱耳機102LED簇頭的功率密度優選為20至60mW/cm²，更優選為大約41mW/cm²。

B、單個鼻內單元104二極管的功率密度優選為10至30mW/cm²，更優選為大約23mW/cm²。

8、每次治療的能量密度劑量：

A、每個經顱耳機102LED簇頭：優選的是20至30J/cm²，更優選為大約25J/cm²。

B、鼻內單元LED：優選的是10至20J/cm²，更優選為大約14J/cm²。對于鼻內單元來說存在較低能量密度，這是因為對光能穿透的屏障與對經顱耳機相比不太顯著。

9、經顱單元102LED簇頭中的所有二極管和單一鼻內單元104耳機二極管優選地以10Hz、50％占空比脈動。

10、總治療時間：優選為大約20至25分鐘。

11、使用這種優選經顱-鼻內裝置100優選地應限于不超過每2或3天一次，以避免對電磁能特別敏感的對象或具有腦感染的對象可能過量。

利用上述操作參數的優選裝置已經在現場測試中示出成功改善諸如腦翳影(brain fogginess)、認知受損以及慢性面部疼痛的病癥。

用于鼻內光治療單元的優選系統和裝置特征：

圖5–圖12和圖15–圖18分別示出了用于鼻內光療單元作為統一系統并且馬上可以使用的醫療裝置的優選實施方式。如在其中看出，圖5和圖6的非侵入式裝置提供了可自我管理施用器裝置23，一種方便的結構制品，其將配置照射透鏡24保持并支承在鼻腔內的期望固定位置中，并且其在尺寸上尺度較小，至少部分透明，并且被有目的地整形成允許其插入鼻腔空間中，而不使對象的呼吸能力遭受有目的的損傷。

該可自我管理施用器裝置23被形成為兩個分離結構實體的合成組合和集成：透明且部分空心配置的照射透鏡24(在其外殼25內具有至少一個分立發光二極管)和支承基部26(其將配置照射透鏡24與連接電力電纜27連接)。

在結構上，該配置照射透鏡24封裝二極管外殼25，該二極管外殼25包含采用作為發光二極管(LED)或者作為激光器的形式的二極管光源。另外，該配置照射透鏡24至少部分地由光透射材料形成，并且與二極管外殼25一起成角并且與該透鏡集成，以按任何期望方向和分散角釋放光子。

在圖5–圖7所示的可自我管理施用器裝置的實施方式中，該裝置可以包括由不同塑料形成的一個或多個支承結構，其用于將配置照射透鏡24(即，透鏡/二極管復合體)沿期望方向剛性地保持，然后將配置照射透鏡24安全舒適地保持至鼻子的解剖體(anatomy)。該施用器裝置可以采用如在圖7a中看到的設置形式，或者可以利用如圖7b所示的懸臂操縱。

在該更優選實施方式中，該系統規范通過包含嵌入式軟件程序的電路板來控制，該電路板容納在控制器單元28中，并且其通過一次性干電池供電。在該優選實施方式和圖7b所示的施用器的設置形式中，該支承結構30是剛性的和固定的，而該夾子31是柔性的。支承結構30和夾子31兩者由耐用塑料材料模制而成。

在具有如圖7a所示的基于懸臂的施用器裝置的實施方式中，該支承基部承載懸臂32，在利用手指壓下時，懸臂32將打開并且然后允許該施用器將透鏡滑入鼻孔的鼻腔空間中。夾子33將該施用器裝置安全地保持至鼻子。

在圖8a、圖8b、圖9a、以及圖9b分別所示的優選形式中，該施用器裝置是單個協作實體，其包括用于配置照射透鏡35的支承基部34，并且被共同構造為分立托架部36和輪廓鼻夾或配件37，輪廓鼻夾或配件37被形成為容易按意愿附接至人類鼻孔的外表面和從其脫離。該配置照射透鏡是在尺度上延伸至支承基部39的埋入部分的單個透明塑料模制品的一部分。鼻夾37除了物理上用作輪廓摩擦配件(通過該配件將配置照射透鏡35保持在鼻孔內的適當位置)以外，還優選地由白色或不透明材料組成，其有助于用作光屏障和反射器；并且其用于將通過鼻孔的組織壁的實質雜散光重定向回鼻腔壁的內部。

另外，如圖5–圖6分別所示，可自我管理施用器裝置23與過程控制器組裝件28、控件以及電源構造電連通(經由線纜和插孔模塊連接器27)，其緊湊、重量輕且足夠便攜以用手攜帶，適合放在襯衫口袋內，或者被夾至襯衫。在該優選實施方式中，過程控制器組裝件28包括便攜式和一次性/可補充按需直流電源，并且能夠根據需要將謹慎調節的電功率劑量傳輸到包含在用于光照射治療的施用器組裝件23內的光生成單元29。在這種情況下，該過程和功率控制器組裝件28還包括并提供自動計時器和電源開關28a。該控制器在經過預選時間量之后自動切斷向光生成單元傳輸的電流。

用于鼻內光治療單元的配置照射透鏡：

結構上，如圖8和圖9分別詳細地示出的，用于鼻內光療法的優選配置照射透鏡39呈現為大致”L”形構造。然而，該配置照射透鏡39同樣優選地由兩個其它分離結構實體形成并且是組合和集成兩個其它分離結構實體的結果：

(i)便攜式空心殼體35，其至少部分地由光透射材料形成，并且其至少部分地用作沿期望方向反射光的反射透鏡；以及

(ii)至少一個分立光生成單元或二極管38，其整體容納并包含在該空心殼體35的內部空間體積中。

該分立光生成單元38和便攜式空心殼體35一起共同形成配置照射透鏡39，被配置成能夠根據需要的功率和脈沖(或者連續波)模式下發射和引導至少一個預定波長的光能量。

重要的是，理解和想到該“L”形構造用于鼻內光療法的意義和效果，并且因此將特別注意力引導至由圖8a–圖8b和圖9a–圖9b分別提供的視圖。如其中所示，盡管空心殼體35被形成為透鏡并且包括整體“L”形結構39，但光生成單元38通常僅放置在“L”形套管39的垂直或直立體積部分中并被其包含。從而，經由圖8a、圖8b、圖9a、以及圖9b分別所示的這種布置，水平或軸向部分39通常沒有任何內部容納物，并且僅存在用于施用器中的支承基部34的托架部36的物理支承。

而且，經由這種定位布置。只有”L”形套管的垂直或直立體積部分35必須由透光或透明材料形成。與此相反，空心殼體39的水平或軸向部分可以由任何彈性材料(透明的或不透明的)形成。

作為反射附件的鼻夾及其功能：

在圖10和圖11分別所示的優選實施方式中，鼻夾40兼作功能性夾子，通過該夾子將施用器裝置固定到鼻子解剖體；并且充當最小化光子泄露的附件；以及將這些光子反射回到鼻腔中以最大化功率效率。施用器制品模制有懸臂，懸臂通過壓下底部42(用手指)以允許夾子打開43透鏡組裝件35并且舒適地滑到鼻子上而起作用。一旦釋放手指壓力，該夾子就恢復其先前默認位置，并由此將該施用器裝置固定至結構鼻子解剖體。

用于鼻內光療單元的微透鏡和其它光引導構造：

圖12是示出具有微透鏡44的低水平激光器實施方式的例示圖，該微透鏡用于使通過二極管45釋放的光朝著選定目標區偏轉。通過并入該特征，該實施方式最小化光46的分散，并且最小化用于實現功效的功率需求。而且，大部分剩余泄露被鼻夾40捕獲并被反射回。所有這些發生在該裝置作為整體被安全地附接至鼻子47時。

該微透鏡結構可以被不同地設計以迎合不同波長，并且迎合光的相干性因素。因此，微透鏡構造可以另選為反向淚滴形狀，或者卵形，或者橢圓形，或者任何其它圓形構造，并且具有將光粒子重定向到期望方向的任何尺度尺寸。

圖13示出了LED實施方式，其取決于LED二極管48和側支承部49的安裝角，以提供對光方向的主要操縱。除了上述形狀因子以外，該透明空心殼體35還被設置成將光偏轉回到鼻腔48中。

總之，幾個形狀因子有助于將生成的光引導到鼻腔空間中，并且然后朝向腦的瞄準區域。這些包括：用于低水平激光器實施方式的微透鏡44、用于LED實施方式48的安裝角、空心透鏡套管35以及鼻夾40。以這種方式，將實現治療功效所需的電能量保持到最小，并且實現小的、便攜且方便使用的裝置的期望目標。

用于鼻內光治療單元的可自我管理施用器裝置：

如圖6–圖13分別呈現的施用器裝置23是有目的地將結構上設計的部件分組在一起以形成期望手持物品，期望手持物品可以由患者用他的手指操縱并且適于按意愿附接至鼻孔和從鼻孔脫離。具體來說，如圖6a–圖6b和圖13a–圖13b所示，配置照射透鏡39與支承基部34和鼻夾35或40一起的組合共同形成并構成施用器裝置23，并且同樣地，施用裝置23對于用戶來說是個人方便的可自我管理構造。

因此，應當想到，配置照射透鏡組裝件39是真正必要的部件，是期望保持在支承基部34中的托架36內并由該托架36支承的獨特實體。該托架36保持并對準配置照射透鏡39，以便容易且快速插入鼻腔空間中。

還應注意到，施用器23的造型(styled)鼻夾40是支承基部34的結構材料臂和向外延伸。典型地，鼻夾40由柔性和彈性的白色或不透明材料形成。鼻夾的兩種不同結構形式由圖7a、圖7b、圖8a、圖8b、圖9a、以及圖9b分別示出。

在其優選實施方式中，鼻夾用于兩個不同的目的和功能，如圖11所表示的。首先，其被用于抵著人鼻子的外表面直接壓力接觸和與鼻子外表面配合摩擦接合。這種接合將插入的照射透鏡保持在鼻腔空間內的適當位置。第二，鼻夾的白色或不透明材料將減少一些光粒子的泄漏并將雜散光粒子反射回鼻孔的內部組織中。鼻夾40執行作為施用器23的合并部分的這兩種期望功能。為此原因，施用器23作為獨特實體，并且與配置照射透鏡39形成對比，僅僅是易于作為整體使用該裝置的便利物品。

施用器裝置23易于利用人手的手指進行操作，并且由此是將便攜式套管28和光生成單元45用于以圖12所示的方式鄰近對象的鼻腔的內部襯里適當定位的非常理想的工具。另外，容納光生成器單元的施用器裝置的可互換性允許家庭中的不同用戶具有他們的個人施用器(出于衛生原因)，而共用單個控制器，從而節省具有分離控制器的成本。

盡管如此，圖6–圖12分別所示的可自我管理施用器裝置23被認為僅是一個優選示例性實例和用于將配置照射透鏡39支承并適當地放置在鼻孔內的有形裝置，并且僅表示使配置照射透鏡39在鼻腔內的體內放置更容易、更快速、且更簡單的一種支承構造。

用于鼻內光治療單元的操作參數：

本發明中的用于鼻內腦刺激的操作參數可以廣泛地劃分成三個子組，三個子組涵蓋寬范圍和多種臨床應用。圖2、圖3以及圖4分別示出了這三個子分組如何瞄準人類腦的概念性表述，并且可以總結如下：

圖2例示了利用633nm LED源的模型系統。來自LED光源12的光線11通常不受阻礙并且分散在寬區域上，直到它們到達篩骨13的垂直板為止。到腦中的穿透相對淺，但是廣泛神經網絡遍布整個腦分布信號。其首先瞄準前額葉皮層14，并且然后總體上瞄準腦。然而，該光源可以成角以在需要時指向腦的任何區域。

圖3例示了利用655nm激光源的模型系統。來自激光源16的光線15通常不受阻礙并且通常在窄分散內保持相干，直到它們穿透篩骨17的垂直板為止。相對于圖2中的633nm LED模型，該穿透更深，并且到達主要瞄準的中腦區域18。然而，次級信號發送仍將遍布其它腦區分布。

圖4例示了利用810nm LED光源的模型系統。來自LED光源20的光線19通常不受阻礙并且分散在寬區域上，直到它們到達篩骨21的垂直板為止。相對于圖2中的633nm LED模型，該穿透更深，并且分散(和組織覆蓋)比圖3中的655nm激光更寬，覆蓋整個腦，包括位于更深處的中腦區域22。該模型系統提取上述其它兩個模型的許多有益特征。商業缺點是光不可見，并且一些用戶利用他們可以看到的光線可能更舒適和安全。

本發明的系統和裝置的屬性和能力：

該裝置提供了許多正面屬性、特性、以及能力。它們如下：

1、該裝置和系統可以通過多種選定波長傳遞光能，以實現腦和神經系統的治療結果。

2、該裝置和系統具有非常低的電功率需求。

3、該裝置和系統提供了一種輕質經顱耳機，與在其它經顱光療方法中使用的全頭盔相比，其使用起來更舒適。

4、該裝置和系統提供了一種易于使用的鼻內施用器，其可以夾至鼻孔的外壁，同時將包封的固態電子光源(諸如發光二極管或低水平激光二極管)插入鼻腔內以傳遞光治療。

5、該裝置和系統克服了現有技術的缺點和常規技術的限制，特別是在便攜性和可自我管理方面。其因將光治療傳遞至腦的方法而與已知系統明顯不同。

6、該裝置和系統能夠通過引導光線和光波長來照明腦的各個瞄準區域。在這方面，預先選擇光的波長以便期望穿透到腦材料中。這導致針對相應神經疾病和病癥的改善結果。

7、該裝置和系統出于衛生和節約成本的目的，分離從處理和功率控制器組裝件傳遞的光能，并且還潛在地提供利用單個處理控制器組裝件來互換和置換不同光生成單元，該單個處理控制器組裝件將傳輸用于該目的的適當功率劑量，并且與移動智能電話界面連接。

8、該裝置和系統優選地組合經顱和鼻內光療法，其中：(i)經顱耳機將光能引導至腦的背側/上部區域；和(ii)鼻內單元將光能引導至腦的前側或下側。這提供比單獨當前經顱方法和單獨當前鼻內方法更全面的覆蓋。

9、該裝置和系統優選地瞄準默認模式網絡的特定皮層中樞，由此旨在治愈與腦障礙(諸如阿爾茨海默病和癡呆)相關聯的中樞的損傷。

治療方法：

上述系統和裝置可以在本發明的優選方法中使用。在該方法中，將光能優選地傳遞至DMN的瞄準皮層中樞。如上提到，這些皮層中樞的損傷與許多腦障礙相關聯，諸如阿爾茨海默病和癡呆。將光有效傳遞至這些受損區域旨在刺激愈合。具體來說，光吸引腦細胞中的生長錐的前緣，以引起沿光的方向生長。在細胞級，光受體呼吸酶細胞色素氧化酶對光譜的可見紅光區和近紅外區中的光特別敏感，并且將這些紅光波長和近紅外波長的吸收光轉換成三磷酸腺苷(ATP)的細胞能量分子。這導致ATP合成和氧消耗的增加，由此改善體內線粒體代謝。這優選地促進神經元細胞的生長和愈合，并且旨在改善腦障礙的病癥。

用于執行非侵入式照射光療法以便在活哺乳動物對象中實現腦神經刺激的方法優選地包括以下步驟和動作：

步驟1：獲取光能發射裝置，該光能發射裝置由以下組成：

第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元中的每個都包括便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積以及適于施加至顱骨的外表面構造，每個配置照射單元的所述便攜式空心殼體包括：

(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于每個配置照射單元的所述空心殼體的配置外表面的至少一部分；以及

(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元整體地容納并包含在每個配置照射單元的所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且其能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以透過該顱骨并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長，

由此，所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元可以在施加至顱骨之后發射光能，并且實現在體內將所述發射光能傳送通過顱骨進入腦的至少一部分中；

框架，該框架適于支承所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元，并且適于在顱骨上以固定位置和期望照射方向按意愿布置所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元的所述光透射外表面；

便攜式控制器組裝件，該便攜式控制器組裝件能夠控制光能從所述配置照射單元到腦的至少一部分中的按需傳遞，所述控制器組裝件包括：

(a)按需直流電的便攜式且可補充電源，

(b)用于控制和引導這種直流電的流動的中央處理單元，

(c)與該電源電連通以將直流電按需傳輸至該中央處理單元的至少一個連接器，以及

(d)與該配置照射單元電連通以將直流電從所述中央處理單元按需傳輸至所述光生成單元的至少一個連接器；

其中，所述光能發射裝置還包括：

配置照射透鏡，該配置照射透鏡包括：

便攜式空心殼體，該便攜式空心殼體具有固定尺度、一定大小的內部空間體積、以及外表面構造，該便攜式空心殼體適于體內插入鼻孔的鼻腔空間中，而不對對象的呼吸能力造成實質性損傷并且不侵入活對象的鼻組織，所述配置照射透鏡的所述便攜式套管包括：

(i)光能透射材料，該光能透射材料形成用于所述配置照射透鏡的所述空心殼體的配置外表面的至少一部分，

(ii)至少一個光生成單元，該至少一個光生成單元整體地容納并包含在所述配置照射透鏡的所述空心殼體的所述內部空間體積內，并且其能夠在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該鼻組織并進入腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長，

由此，所述配置照射單元可以在體內插入之后在該鼻腔內以任何期望方向發射光能，并且實現在體內將所述發射光能從該鼻腔傳送進入腦的至少一部分中；

可自我管理施用器裝置，該可自我管理施用器裝置適于支承所述配置照射透鏡，并且適于在與對象的鼻腔的內部襯里相鄰的鼻孔內以固定位置和期望照射方向按意愿布置所述配置照射透鏡的所述光透射外表面；

其中，所述便攜式控制器組裝件還能夠控制光能從所述配置照射透鏡的按需傳遞。

步驟2：將所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元的透明外表面放置在與對象的顱骨相鄰的期望固定位置處，以使通過所述第一配置照射單元、所述第二配置照射單元、所述第三配置照射單元以及所述第四配置照射單元發射的光能在體內穿過對象的顱骨并且進入腦的至少一部分中；以及

將所述配置照射透鏡的透明外表面放置在鼻孔內的、與對象的鼻腔的內部襯里相鄰的期望固定位置處，以使通過所述配置照射透鏡發射的光能在體內穿過對象的鼻組織并且進入腦的至少一部分中。

步驟3：使所述定位配置照射單元的所述光生成單元在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該對象的顱骨并進入腦的光能，以使得實現對該腦的至少一部分的神經刺激，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長；以及使所述定位配置照射透鏡的所述光生成單元在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該對象的鼻組織并進入腦的光能，以使得實現對該腦的至少一部分的神經刺激，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長。

如圖23和圖24所示，該經顱耳機102被放置在對象的頭上。該配置照射單元108、110、112以及114由框架118支承。而且，該配置照射單元108、110、112以及114彼此相對定位成使得在將經顱耳機102放置在對象的頭上時，每個配置照射單元108、110、112以及114的外表面與顱骨上的目標位置相鄰。優選的是，如圖25所示，配置照射單元108、110、112以及114被定位成將光能引導穿過顱骨至腦中的以下相應區域：

(A)腦的第一區域，該第一區域包括左腹內側前額葉皮層區和右腹內側前額葉皮層區，并且可選地包括扣帶前回區；

(B)腦的第二區域，該第二區域包括左楔前葉皮層區和右楔前葉皮層區，并且可選地包括扣帶后回區；

(C)腦的第三區域，該第三區域包括側下頂葉皮層中的左角回區，并且可選地包括左扣帶后回；以及

(D)腦的第四區域，該第四區域包括側下頂葉皮層中的右角回區，并且可選地包括右扣帶后回。

配置照射透鏡122被放置在對象的一個鼻孔內部。配置照射透鏡122的外表面被定位成引導能量通過鼻腔并且進入腦。使用鼻夾120將該配置照射透鏡122保持在對象的鼻孔內部的位置中。

在對象期望時，將直流電從便攜式控制器組裝件106傳輸通過第一連接器124，并且直至配置照射單元108、110、112以及114的光生成單元。這使得配置照射單元108、110、112以及114中的光生成單元在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該對象的顱骨并傳遞至腦的瞄準區域的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長。

而且，在對象期望時，將直流電從便攜式控制器組裝件106傳輸通過第二連接器126，并且直至配置照射透鏡122的光生成單元。這使得配置照射透鏡122中的光生成單元在需要時以預定能量強度并且在預置持續時間內生成足以穿過該對象的鼻腔并傳遞至腦的光能，該光能具有從由近紅外紅光波長和可見紅光波長所構成的組中選擇的至少一個預選波長。

有關利用鼻內單元的步驟的更具體詳情可以在圖10中看到，其中，利用可自我管理施用器裝置23將配置照射透鏡35插入到人鼻子的鼻腔空間2中，并且然后使直流電從其源傳輸至過程控制器組裝件(未示出)，并且然后直至設置在空心殼體39內的光單元35。這使得該光單元45生成并且發送具有預選波長的光波和粒子46。

在該優選激光實施方式中，所發送光波和粒子46被套管壁40和微透鏡44引導并且偏轉，該微透鏡覆蓋在空心殼體35內的光生成單元45上。這分別通過圖11和12最佳地例示。

通過該過程，發源于配置照射透鏡35的該光波和粒子46被聚焦、瞄準，并且被引導進入腦的不同區域，如圖1所示。來自光生成單元45的瞄準光能在很大程度上朝著鼻腔的內部偏轉，并且這樣的光可能穿過整個鼻腔2，并且泄露光然后被鼻夾40的反射性白色不透明材料反射并且重定向回到鼻腔空間中。由此，如圖12所示，大部分初始生成光被捕獲并且瞄準(通過偏轉和反射)到鼻腔2中。

在這些實施方式中，該過程和功率控制器組裝件整體上能夠傳遞以焦耳/cm²測量的期望能量劑量，其足以實現對腦的一致治療刺激。而且，該控制器組裝件內的電能的電池源提供直流電，并且該控制器組裝件的CPU能夠以10至1000mW，一致地調節總光能功率輸出。所傳遞的能量密度處于大約5至1800J/cm²的范圍中。這導致該裝置的發射光在僅10至30分鐘(優選為20至25分鐘)持續時間的治療時間之后在治療上有效。在該另選例中，該功率控制器的功能和工作可以另選地通過具有恰當下載的“App”的智能電話來執行。

研究No.1：

本發明人和共同研究者執行研究來測試本發明的系統、裝置以及方法對具有阿爾茨海默病和癡呆的18名隨機選擇的對象的有效性。在基線(第0周)和第12周進行具有標準認知和功能量表的評估。12名對象利用本發明的系統和裝置進行了治療。6名對象利用安慰劑裝置進行了治療。

結果

在第12周，利用本發明的真實系統和裝置治療的所有對象在記憶/認知和功能能力方面顯示出不同程度的改善。至于有關安慰劑裝置的那些對象，2個對象顯示略微改善，而其余4個繼續下降。

與藥物的比較和指示

這是在阿爾茨海默病和癡呆患者的隨機安慰劑對照(placebo-controlled)研究中產生記憶/認知和功能能力改善的第一種醫學形態。迄今為止，沒有提供顯著積極結果并且都具有顯著負面副作用的藥物選項。另外，正在考慮藥物提供減緩認知衰退，而不是改善它。本發明的系統和裝置沒有增加任何顯著的負面副作用。在繼續使用藥物的志愿者中也沒有禁忌癥。

研究No.2：

對患有焦慮的患者進行研究。利用本發明的系統和裝置對該患者進行單次治療20分鐘。

定量腦電圖(QEEG)測試通常用于測量和分析腦的電活動，并且可以檢測腦的神經振蕩或腦電波的異常。QEEG已被用于診斷癲癇、腦血管疾病以及其它病癥。在兩個時間點對該患者進行QEEG測試：(i)在利用本發明的系統和裝置治療之前；和(ii)在利用本發明的系統和裝置治療20分鐘之后。圖30中示出了該結果，

如可以在圖30中看出，在利用本發明的系統和裝置治療之前，在通過QEEG檢測的患者的腦電波中存在幾種異常。例如，異常由第一、第三以及第四行中的圓形區域表示。然而，如圖31所示，在單次20分鐘治療之后，那些異常中有許多被消除或減少，尤其是在QEEG的第一行。這是僅單次20分鐘治療之后的顯著改善。

權利要求的范圍不應由在示例中闡述的優選實施方式限制，而應賦予作為整體與說明書一致的最廣泛解釋。