多功能、基于嵌入式、支持蓝牙、可编程、双相波形刺激器，具有实时神经信号采集功能

Summary

在这里，我们描述了一种专门为临床前深部脑刺激 （DBS） 研究而设计的新设备以及神经信号记录单元。该设备在波形参数方面提供了广泛的灵活性，包括形状、频率、脉冲宽度和幅度，以及神经尖峰和局部场电位的记录。

Abstract

该研究引入了一种轻巧的、支持蓝牙的深部脑刺激 （DBS） 设备，专为小型、自由移动的动物的临床前研究而设计。为了解决当前波形灵活性和无线控制方面的局限性，我们开发了一种紧凑的多功能刺激器，能够提供可编程的、电荷平衡的双相波形，同时获取神经信号。该系统集成了用于电流调节、信号放大和模数转换的现成组件，所有这些都由低功耗微控制器管理。该组件包括关键步骤，例如双面 30 x 30 mm PCB 上的电路集成、通过 nRF Connect 进行波形编程以及通过盐水和负载电阻测试进行验证。 体外 评估表明，在不同的负载阻抗下具有可靠的电流输出、有效的盐水作而不会出现波形衰减，以及信噪比超过 35 dB 的高保真神经信号记录。这些结果证实了该设备适用于闭环神经调控实验，并为未来DBS治疗的转化研究奠定了基础。

Introduction

这项工作引入了一种新型深部脑刺激器，以探索实验动物分子和行为水平的变化。尽管文献中讨论了各种微刺激器设备，但它们在尺寸、重量、刺激能力、提供长时间刺激的能力以及对外部电源的要求方面差异很大。大多数啮齿动物设备依赖外部电源，这限制了它们在需要同时刺激和行为观察的研究中的实用性¹。虽然一些解决方案（例如系绳、磁波或光源）试图解决这个问题，但每种解决方案都有自己的一系列局限性：系绳限制运动和行为，磁刺激器仅限于特定环境，基于光的系统依赖于照明周期²。

大多数传统的啮齿动物神经刺激系统都涉及将动物拴在外部刺激器上，这不仅限制了它们的活动自由，而且使行为测试复杂化³。此外，电缆会随着时间的推移而磨损，从而带来故障风险。虽然在开发用于啮齿动物的便携式深部脑刺激 （DBS） 系统方面取得了进展，但许多当前设备缺乏其电路的详细文档。通常，相对于啮齿动物的体型，这些设备太重和笨重，并且它们的小电池会因持续的高频刺激而迅速耗尽⁴。一些研究人员尝试使用动物佩戴的更大的电池组，但这再次限制了它们的自然运动。此外，许多设备不允许电压调节，这对于保持一致的刺激至关重要，因为阻抗会随着时间的推移而变化电极和组织之间的相互作用⁵。对适合最终人类应用的小型化、无线和低功耗设备的需求不断增长，这给下一代闭环脑机接口 （BMI） 的开发提出了新的挑战。非人类灵长类动物或啮齿动物通常用于BMI研究，因为它们与人脑相似或具有广泛的^{实验模型6}。然而，由于小鼠等啮齿动物的轻型无线微刺激器的开发更具挑战性。

作为进一步开发的第一步，我们专注于为啮齿动物创造一种具有刺激和记录功能的多功能设备。研究人员通常采用两种方法之一：开发定制集成电路 （IC） 或使用商用现成 （COTS） 电子产品⁷。虽然 IC 具有降低噪音、紧凑设计和能源效率等优点，但它们需要更长的开发时间并且价格昂贵，因此更适合长期植入而不是动物短期研究。相反，基于 COTS 的系统更加灵活，可以在早期研究阶段轻松修改。然而，现有的具有记录和刺激功能的COTS系统对于自由移动的小动物进行长期实验并不^理想8。它们通常仅提供单通道功能，是有线的，不适合长时间的行为研究。一些系统支持无线数据传输，但实时处理受到限制，因此不足以进行闭环研究，例如与尖峰时序相关的可塑性。

为了克服这些挑战，我们将这两种策略集成到我们的设备设计中。我们开发了一种定制 IC，能够以高效率、最小噪声和紧凑的占地面积连续记录神经活动，从而减少干扰和串扰。该刺激器是使用定制电路板上的 COTS 组件构建的，这些电路板连接到处理信号处理、无线传输和可编程刺激的微控制器。这种方法产生了低功耗、低噪声、紧凑的记录系统，并配有能够在闭环模式下运行的可编程微刺激器。该微控制器在调整环路配置和无线传输数据方面的灵活性使其成为临床前 DBS 研究的多功能工具。这里介绍了 体外 测试的结果，展示了该系统在促进 DBS 在临床前研究及其他研究中的理解和应用方面的潜力。

Protocol

系统架构
在 图 1 中，低功耗微控制器充当系统的核心，控制波形生成、信号处理和通信协议。波形的幅度由所使用的可编程电流源控制。该系统使用集成的 H 桥电路来交流电流方向，从而产生刺激神经活动所需的双相波形。微控制器辅助数字电阻器与分流电阻器相结合，可通过 I2C 接口协议实现可编程波形修改。为确保通过电极的电流保持恒定并与预定义的一组参数一致，通过微控制器提供反馈回路。为确保可靠的电力传输和运行稳定性，实施了低压差稳压器，为微控制器提供 3.3 V 电源以及附加组件。USB 转串行转换器促进了系统与外部设备（例如计算机）的通信，该转换器允许数据采集或系统配置所需的 USB 连接。这些从电极获得的神经信号经过放大和滤波阶段，以最大限度地提高其质量，然后再通过微控制器进行处理。放大和滤波的信号可以转发以供以后分析，也可以存储以供进一步处理，同时系统继续用生成的双相波形刺激神经组织。系统的完整框图如 图1所示。

硬件和原理图
硬件系统由多个子系统组成，这些子系统协同工作以产生双相波形并实时捕获神经信号。它专为无线、远程作而设计，并结合了低功耗组件、可靠的通信和强大的信号采集功能。以下是硬件架构的详细概述。原理图设计如 图2所示;另请参阅 材料表。

电源管理单元
该设备可以由可充电锂聚合物电池或通过 USB 供电。电池为所有组件供电：微控制器、DAC、放大器和 BLE 模块。为确保高效稳定运行，电压调节器用于为关键组件提供一致的3.3 V电源。该稳压器的低压差特性有助于延长电池寿命。此外，还集成了电池管理系统 （BMS） 来监控和管理电池充电并防止过度放电⁹。BMS 与微控制器通信以提供实时电池更新，这些更新通过 BLE 模块传输到远程接口。BMS 持续监控电池电量，并在电量低于指定阈值时触发低功耗模式，禁用 DAC 和 BLE 模块等非必要组件以节省能源。

信号采集和调理
为了处理电极捕获的低振幅弱神经信号，该系统包括放大和滤波级。记录单元的设计如 图3所示。运算放大器用于低噪声信号放大和有效滤波，确保高信号质量。

低噪声前置放大
初步阶段使用运算放大器作为增益系数为 100 的低噪声前置放大器。神经信号通常范围从微伏到毫伏，被放大到适合进一步处理的水平。选择运算放大器是因为它在 1 kHz 时输入噪声密度低，为 4.5 nV/√Hz，精度高，适合捕获无失真的低振幅神经信号。它能够产生具有高信噪比 （SNR） 的干净信号至关重要，因为即使是微小的噪声也会掩盖重要数据⁵。

使用低噪声运算放大器进行后放大和滤波
现在，该放大信号的增益更大，达到2.5，以达到ADC的理想电平。还使用带通滤波器;它允许指定的频段通过，同时消除干扰和噪声。运算放大器的带宽及其零失调电压可实现适当的滤波，而不会引入相位失真和延迟。一般来说，带通滤波器的结构允许传输 1 Hz 至 11kHz 的频率，包含大多数神经信号，同时抑制低频漂移和高频噪声，包括来自电源的干扰。

模数转换 （ADC）
滤波后，调理信号由以20 kHz采样率工作的ADC数字化。ADC将放大的模拟信号转换为离散数字值进行分析。运算放大器确保保持信号质量，没有噪声和失真。20 kHz 的高采样率可精确捕捉神经活动的快速变化，避免混叠。

波形生成和电流控制
该系统使用 H 桥电路生成双相波形，允许电流双向流过电极，并产生神经刺激所需的交替正负相。

微控制器控制
微控制器根据PWM信号控制H桥。它通过调整PWM占空比来控制双相信号的频率和幅度。当前的数模转换器模型充当可编程电流源，可以精确控制波形幅度。该 DAC 产生模拟信号，调节流过 H 桥的电流，从而确保遵守指定的电流参数。

反馈循环
与电极串联放置的电流检测电阻器使系统能够使用 ADC 监控其运行的电流。微控制器可以通过使用来自系统的反馈与PID控制器相结合来实时调整DAC的输出及其波形，以保持指定的电流水平。

无线通信
BLE模块用于系统中，允许通过BLE通信进行无线传输的数据进行通信。该模块使用 UART 协议在设备和远程用户界面之间进行实时和双向通信。在该设计中，BLE 模块直接连接到微控制器，以实现无线数据传输中的低延迟集成，包括神经信号、当前设置和系统状态，同时接收用户命令以调整持续时间、幅度和频率等波形参数。然而，该模块功耗低，因此非常适合便携式神经设备。该模块的通信范围为 ~30 m，非常适合临床或实验室环境。

远程控制和监控接口
该系统使用应用程序 nRF Connect 进行无线控制，该应用程序可在 Android 和 IOS 平台上使用。该终端使用 UART 协议与 BLE 模块进行通信，使用户能够实时监控神经活动并配置波形参数。这些特点包括波形配置，可以调整波形类型、电流幅度、频率和相位持续时间;监控系统配置和固件更新的无线编程单元可以无线传输到微控制器，无需物理访问硬件即可轻松定制。

软件
控制软件对于调节设备的功能和作参数至关重要。它使用 BLE UART 协议在外部控制接口和设备之间进行无线通信。此设置允许对电流控制的双相波形和其他关键参数（如频率和脉冲宽度）进行实时编程。蓝牙兼容的移动应用程序连接提供了一个用户友好的界面，用于发送命令和调整参数。该系统可以实时执行预编程的激励协议或接受用户定义的命令，同时确保低功耗。

最终设计和 PCB 制造
我们使用商业 PCB 设计软件设计了该设备。它可以用作动物的背包。PCB 是双面的，厚度为 0.4 mm，尺寸为 30 x 30 x 1 mm。它仅重 9 克;最终产品如 图 4 所示。

作模式
该设备有两种作模式，每种模式都针对特定的神经应用进行了优化：刺激模式和记录模式。这些模式通过 BLE UART 协议进行无线控制，从而实现与移动设备的通信。

工件拒绝： 由于该设备在两种模式下工作——刺激模式和记录模式——因此重要的是要确保结合伪影抑制，以便记录的数据反映真实的大脑活动，而不是刺激产生的电噪声。在记录过程中，刺激模块会暂时关闭一小段时间窗口，通常为几毫秒，以避免刺激干扰。这可以防止记录仪拾取高压刺激伪影。

刺激模式： 该模式生成电流控制的双相波形用于神经刺激。控制软件动态调整脉冲幅度、脉冲宽度、频率和脉冲间间隔等参数。H桥拓扑能够对电流方向和信号波形的形状进行非常精细的控制。通过最大限度地减少残余电荷来防止长期刺激期间的组织损伤。电流源允许将输出电流调整到μA分辨率。

录音模式： 这种模式涉及通过电极捕获神经信号。信号通常在微伏 （μV） 范围内，使用低噪声放大器进行放大，并通过带通滤波器进行滤波，以消除不需要的噪声。滤波后的信号随后由采样率为20 kHz的ADC数字化，并无线传输以进行分析。阻抗监测可确保持续评估电极接触质量，这对于准确捕获信号至关重要。该设备支持闭环作，能够根据记录的神经活动实时调整刺激参数，使其适用于脑机接口（BCI）、神经假体和其他闭环神经调控应用。

Results

该设备经过了不同的验证和评估测试，并分输出波形评估、电流输出测试、盐水测试、压降测试和记录测试五个阶段对产品的可行性进行了测试。

输出波形评估
该器件的主要测试是使用连接到器件上的 1 kΩ 电阻器检查波形的形状和模式。它已成功在数字存储示波器中提供具有相间延迟的双相波形。由于所有参数都可以定制，因此该器件可以提供单相或双相，有或没有相间延迟。输出示例如 图 5 所示。

电流输出测试
器件验证的第二阶段是通过改变电阻来检查器件的电流注入。DBS 期间组织阻抗会发生变化，这会影响设备的电流输出³。为了验证这一点，我们连接了 10 至 20 kΩ 的电阻器。在 +200 μA 至 -200 μA 幅度下进行了测试，以确保在两个相位中，尽管电阻发生变化，但输出仍能调节（图 6）。还进行了负...

Discussion

这种多功能微型设备标志着神经刺激和信号采集集成系统设计向前迈出了有意义的一步。与 Angotzi 等人 ⁵ 和 Melo-Thomas 等人 ⁸ 描述的现有平台不同，这些平台强调多通道记录或刺激，我们的系统以紧凑的无线外形独特地将可编程、电流控制的双相刺激与实时神经信号记录相结合。这种集成方法可实现闭环神经调控，允许记录的神经活动直接指导刺激方案，这对于精确驱动的实验神经科学特别有价值。

该系统的核心是一个可编程的 H 桥，可提供主动电荷平衡的双相波形，降低因残余电荷积累而导致组织损伤的风险¹¹。高性能、低噪声、通用运算放大器的结合确保了高信号保真度，实现了超过 35 dB 的信噪比，这对于捕获低幅度尖峰和局部场电位等细微的神经事件至关重要。20 kHz ADC 采样率提供出色的时间分辨率，能够检测神经活动的快速波动。同时，基于 BLE 的接口可确保无缝实时控制和无线数据传...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	硅实验室		提供完整的即插即用接口解决方案，包括免版税驱动程序
DMHC30025LSD H 桥电路	二极管		新一代互补 MOSFET H 桥具有低导通电阻，可通过低栅极驱动实现。
微控制器 MDBT42/STM32G491CCU6	意法半导体		ARM 微控制器 - MCU 主流 Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz，带 256 KB 闪存
Nordic BLE 模块MDBT42Q	瑞泰公司		允许通过BLE通信进行无线传输数据的通信
OPA322运算放大器	德州仪器 （TI）		单通道、5.5 V、20 MHz、过零低噪声（6nV/√Hz） RRIO 运算放大器
Tina Ti 软件	德州仪器 （TI）		模拟频率响应
TLV1117 15 V、800 mA、可调和固定线性稳压器	德州仪器 （TI）		它是一种线性电压，可提供高达 800mA 的输出电流，支持的输入电压范围为 2.7 V 至 15 V。