Ein multifunktionaler, Embedded-basierter, Bluetooth-fähiger, programmierbarer biphasischer Wellenform-Stimulator mit Echtzeit-Erfassung neuronaler Signale

Summary

Hier beschreiben wir ein neues Gerät, das speziell für die präklinische Forschung zur tiefen Hirnstimulation (THS) entwickelt wurde, zusammen mit einer neuronalen Signalaufzeichnungseinheit. Dieses Gerät bietet umfangreiche Flexibilität bei Wellenformparametern, einschließlich Form, Frequenz, Pulsbreite und Amplitude, sowie bei der Aufzeichnung von neuronalen Spitzen und lokalen Feldpotentialen.

Abstract

In der Studie wird ein leichtes, Bluetooth-fähiges Gerät zur Tiefenhirnstimulation (DBS) vorgestellt, das speziell für die präklinische Forschung an kleinen, frei beweglichen Tieren entwickelt wurde. Um die derzeitigen Einschränkungen bei der Flexibilität der Wellenform und der drahtlosen Steuerung zu überwinden, haben wir einen kompakten, multifunktionalen Stimulator entwickelt, der in der Lage ist, programmierbare, ladungsbalancierte biphasische Wellenformen zu liefern und gleichzeitig neuronale Signale zu erfassen. Das System integriert handelsübliche Komponenten für die Stromregelung, Signalverstärkung und Analog-Digital-Wandlung, die alle von einem Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch verwaltet werden. Die Montage umfasst wichtige Schritte wie die Schaltungsintegration auf einer doppelseitigen 30 x 30 mm Leiterplatte, die Signalprogrammierung über nRF Connect und die Validierung durch Kochsalzlösung und Lastwiderstandsprüfung. In-vitro-Bewertungen zeigten eine zuverlässige Stromausgabe über unterschiedliche Lastimpedanzen, einen effektiven Kochsalzbetrieb ohne Verschlechterung der Wellenform und eine hochgenaue neuronale Signalaufzeichnung mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 35 dB. Diese Ergebnisse bestätigen die Eignung des Geräts für Closed-Loop-Neuromodulationsexperimente und legen den Grundstein für zukünftige translationale Studien in der THS-Therapie.

Introduction

In dieser Arbeit wird ein neuartiger Tiefenhirnstimulator vorgestellt, um Veränderungen auf molekularer und verhaltensbezogener Ebene bei Versuchstieren zu untersuchen. Obwohl verschiedene Mikrostimulatoren in der Literatur diskutiert wurden, unterscheiden sie sich erheblich in Größe, Gewicht, Stimulationsfähigkeiten, der Fähigkeit, eine anhaltende Stimulation zu liefern, und dem Bedarf an externen Energiequellen. Die meisten Nagetiergeräte sind auf externe Stromversorgung angewiesen, was ihren Nutzen in Studien einschränkt, die eine gleichzeitige Stimulation und Verhaltensbeobachtung erfordern¹. Während einige....

Protocol

Systemarchitektur
In Abbildung 1 fungiert ein Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch als Kern des Systems und steuert die Signalerzeugung, die Signalverarbeitung und das Kommunikationsprotokoll. Die Amplituden der Wellenformen werden durch die verwendete programmierbare Stromquelle gesteuert. Das System verwendet eine integrierte H-Brückenschaltung zum Wechsel der Stromrichtung und erzeugt so die biphasischen Wellenformen, die zur Stimulierung der neuronalen Aktivität erforderlich sind. Ein mikrocontrollergestützter Digitalwiderstand ermöglicht in Kombination mit einem Shunt-Wider....

Results

Das Gerät wurde verschiedenen Verifizierungs- und Bewertungstests unterzogen, und das Produkt wurde in fünf Stufen auf seine Machbarkeit getestet: Bewertung der Ausgangswellenform, Stromausgangstest, Salztest, Spannungsabfalltest und Aufzeichnungstest.

Auswertung der Ausgangswellenform
Der primäre Test des Geräts bestand darin, die Form und den Modus der Wellenform mit einem 1 kΩ-Widerstand zu überprüfen, der über das Gerät angeschlossen war. Es ist gelungen, eine biphasisc.......

Discussion

Dieses multifunktionale Miniaturgerät stellt einen bedeutenden Schritt nach vorne bei der Entwicklung integrierter Systeme für die neuronale Stimulation und Signalerfassung dar. Im Gegensatz zu bestehenden Plattformen, wie sie von Angotzi et ^al.5 und Melo-Thomas et ^al.8 beschrieben wurden und bei denen entweder Mehrkanalaufzeichnung oder Stimulation im Vordergrund steht, kombiniert unser System auf einzigartige Weise programmierbare, stromg.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Silizium-Labore		Bietet eine vollständige Plug-and-Play-Schnittstellenlösung, die lizenzfreie Treiber enthält
DMHC30025LSD H-Brückenschaltung	DIODEN		Diese komplementäre MOSFET-H-Brücke der neuen Generation zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand aus, der mit einem niedrigen Gate-Antrieb erreicht werden kann.
Mikrocontroller MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		ARM-Mikrocontroller - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz mit 256 kByte Flash-Speicher
Nordic BLE-Modul MDBT42Q	Raytac Corporation		Kommunikation von drahtlos übertragenen Daten über BLE-Kommunikation ermöglichen
OPA322 Operationsverstärker	TEXAS INSTRUMENTE		Single, 5,5 V, 20 MHz, rauschfrei (6nV/√ Hz) RRIO-Operationsverstärker
Tina Ti Software	TEXAS INSTRUMENTE		Simuliert den Frequenzgang
TLV1117 15 V, 800 mA, einstellbarer und fester linearer Spannungsregler	TEXAS INSTRUMENTE		Es handelt sich um eine lineare Spannung, die einen Ausgangsstrom von bis zu 800 mA mit einem unterstützten Eingangsspannungsbereich von 2,7 V bis 15 V liefert.