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

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....

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。