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 Lösungen, wie z. B. Haltegurte, magnetische Wellen oder Lichtquellen, versuchen, dieses Problem zu lösen, hat jede ihre eigenen Einschränkungen: Haltegurte schränken die Bewegung und das Verhalten ein, magnetische Stimulatoren sind auf bestimmte Umgebungen beschränkt, und lichtbasierte Systeme sind vom Beleuchtungszyklus^{abhängig 2}.

Bei den meisten herkömmlichen Neurostimulationssystemen für Nagetiere wird das Tier an einen externen Stimulator gebunden, was nicht nur seine Bewegungsfreiheit einschränkt, sondern auch Verhaltenstests erschwert³. Darüber hinaus können die Kabel mit der Zeit verschleißen, was ein Risiko für Fehlfunktionen darstellt. Während es Fortschritte bei der Entwicklung von tragbaren Tiefenhirnstimulationssystemen (THS) für Nagetiere gibt, fehlt es vielen aktuellen Geräten an einer detaillierten Dokumentation ihrer Schaltkreise. Oft sind diese Geräte im Verhältnis zur Größe des Nagetiers zu schwer und sperrig, und ihre kleinen Batterien sind durch kontinuierliche hochfrequente Stimulation schnell leer⁴. Einige Forscher haben versucht, größere Akkus zu verwenden, die von den Tieren getragen werden, aber das schränkt ihre natürlichen Bewegungen wieder ein. Darüber hinaus erlauben viele Geräte keine Spannungsanpassungen, was für die Aufrechterhaltung einer konsistenten Stimulation unerlässlich ist, da sich die Impedanz aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Elektrode und Gewebe im Laufe der Zeit ändert⁵. Es besteht ein wachsender Bedarf an miniaturisierten, drahtlosen und stromsparenden Geräten, die für eine spätere Anwendung am Menschen geeignet sind, was eine neue Herausforderung für die Entwicklung von Gehirn-Maschine-Schnittstellen (BMIs) der nächsten Generation darstellt. Nicht-menschliche Primaten oder Nagetiere werden in der Regel in der BMI-Forschung verwendet, da sie dem menschlichen Gehirn ähneln oder eine breite Palette von Versuchsmodellen zur Verfügung steht⁶. Die Entwicklung von leichten, drahtlosen Mikrostimulatoren für Nagetiere wie Mäuse stellt jedoch aufgrund ihrer geringeren Größe eine größere Herausforderung dar.

Als ersten Schritt zur Weiterentwicklung konzentrierten wir uns darauf, ein Gerät für Nagetiere mit einem multifunktionalen Gerät mit Stimulation und Aufzeichnung zu schaffen. Forscher verfolgen in der Regel einen von zwei Ansätzen: die Entwicklung kundenspezifischer integrierter Schaltkreise (ICs) oder die Verwendung von kommerzieller Standardelektronik (COTS)⁷. ICs bieten zwar Vorteile wie reduziertes Rauschen, kompaktes Design und Energieeffizienz, erfordern jedoch längere Entwicklungszeiten und sind teuer, wodurch sie eher für Langzeitimplantate als für Kurzzeitstudien an Tieren geeignet sind. Umgekehrt sind COTS-basierte Systeme flexibler und können in frühen Forschungsphasen leicht modifiziert werden. Bestehende COTS-Systeme mit Aufzeichnungs- und Stimulationsfunktionen sind jedoch nicht ideal für Langzeitversuche mit frei beweglichen Kleintieren⁸. Sie bieten oft nur einkanalige Fähigkeiten, sind verkabelt und eignen sich nicht für längere Verhaltensstudien. Einige Systeme unterstützen die drahtlose Datenübertragung, sind aber in der Echtzeitverarbeitung eingeschränkt, so dass sie für Closed-Loop-Studien wie Spike-Timing-abhängige Plastizität ungeeignet sind.

Um diese Herausforderungen zu meistern, haben wir beide Strategien in unser Gerätedesign integriert. Wir haben einen kundenspezifischen IC entwickelt, der in der Lage ist, neuronale Aktivitäten kontinuierlich mit hoher Effizienz, minimalem Rauschen und kompakter Stellfläche aufzuzeichnen, wodurch Interferenzen und Übersprechen reduziert werden. Der Stimulator wurde unter Verwendung von COTS-Komponenten auf speziell angefertigten Leiterplatten gebaut, die mit einem Mikrocontroller verbunden sind, der die Signalverarbeitung, die drahtlose Übertragung und die programmierbare Stimulation übernimmt. Dieser Ansatz hat zu einem stromsparenden, geräuscharmen und kompakten Aufnahmesystem geführt, das mit einem programmierbaren Mikrostimulator gekoppelt ist, der in einem geschlossenen Regelkreis arbeiten kann. Die Flexibilität des Mikrocontrollers bei der Anpassung der Schleifenkonfiguration und der drahtlosen Datenübertragung macht ihn zu einem vielseitigen Werkzeug für die präklinische DBS-Forschung. Die Ergebnisse von In-vitro-Tests werden hier vorgestellt und zeigen das Potenzial des Systems, das Verständnis und die Anwendung der THS in präklinischen Studien und darüber hinaus zu verbessern.

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-Widerstand programmierbare Wellenformmodifikationen über ein I2C-Schnittstellenprotokoll. Um sicherzustellen, dass der Strom, der durch die Elektroden fließt, konstant und konsistent mit einem vordefinierten Satz von Parametern bleibt, wird eine Rückkopplungsschleife über einen Mikrocontroller bereitgestellt. Um eine zuverlässige Stromversorgung und Betriebsstabilität zu gewährleisten, wurde ein Low-Dropout-Spannungsregler implementiert, der den Mikrocontroller zusammen mit zusätzlichen Komponenten mit einer 3,3-V-Stromquelle versorgt. Die Kommunikation des Systems mit externen Geräten, wie z. B. einem Computer, wird durch einen USB-zu-Seriell-Konverter erleichtert, der eine USB-Konnektivität ermöglicht, die für die Datenerfassung oder Systemkonfiguration erforderlich ist. Diese von den Elektroden erhaltenen neuronalen Signale durchlaufen eine Verstärkungs- und Filterstufe, um ihre Qualität zu maximieren, bevor sie durch den Mikrocontroller verarbeitet werden. Die verstärkten und gefilterten Signale können entweder für eine spätere Analyse weitergeleitet oder für die weitere Verarbeitung gespeichert werden, während das System das Nervengewebe mit den erzeugten biphasischen Wellenformen weiter stimuliert. Eine vollständige Blockdiagrammansicht des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Hardware und Schaltpläne
Das Hardwaresystem besteht aus mehreren Subsystemen, die zusammenarbeiten, um biphasische Wellenformen zu erzeugen und neuronale Signale in Echtzeit zu erfassen. Er ist für den drahtlosen Fernbetrieb konzipiert und verfügt über stromsparende Komponenten, zuverlässige Kommunikation und robuste Signalerfassung. Nachfolgend finden Sie einen detaillierten Überblick über die Hardware-Architektur. Der schematische Aufbau ist in Abbildung 2 dargestellt; siehe auch die Materialtabelle.

Energiemanagement-Einheit
Das Gerät kann über einen wiederaufladbaren Lithium-Polymer-Akku oder über USB mit Strom versorgt werden. Die Batterie versorgt alle Komponenten mit Strom: den Mikrocontroller, den DAC, die Verstärker und das BLE-Modul. Um einen effizienten und stabilen Betrieb zu gewährleisten, wird ein Spannungsregler verwendet, um eine konstante 3,3-V-Stromversorgung für kritische Komponenten bereitzustellen. Die Low-Dropout-Funktion dieses Reglers trägt zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei. Zusätzlich ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) integriert, um die Batterieladung zu überwachen und zu verwalten und eine Tiefentladung zu verhindern⁹. Das BMS kommuniziert mit dem Mikrocontroller, um Batterieaktualisierungen in Echtzeit zu liefern, die über das BLE-Modul an die Remote-Schnittstelle übertragen werden. Das BMS überwacht kontinuierlich den Batteriestand und löst einen Energiesparmodus aus, wenn die Ladung unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, wodurch nicht wesentliche Komponenten wie der DAC und das BLE-Modul deaktiviert werden, um Energie zu sparen.

Signalerfassung und -konditionierung
Um die schwachen neuronalen Signale mit geringer Amplitude zu verarbeiten, die von den Elektroden erfasst werden, umfasst das System Verstärkungs- und Filterstufen. Der Aufbau der Aufzeichnungseinheit ist in Abbildung 3 dargestellt. Ein Operationsverstärker sorgt für eine rauscharme Signalverstärkung und eine effektive Filterung, die eine hohe Signalqualität gewährleistet.

Rauscharme Vorverstärkung
In der Vorstufe kommt ein Operationsverstärker als rauscharmer Vorverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 100 zum Einsatz. Neuronale Signale, die typischerweise von Mikrovolt bis Millivolt reichen, werden auf ein Niveau verstärkt, das für die weitere Verarbeitung geeignet ist. Der Operationsverstärker wurde aufgrund seiner geringen Eingangsrauschdichte von 4,5 nV/√Hz bei 1 kHz und seiner hohen Präzision ausgewählt, wodurch er sich für die Erfassung von neuronalen Signalen mit geringer Amplitude ohne Verzerrung eignet. Seine Fähigkeit, ein sauberes Signal mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erzeugen, ist von entscheidender Bedeutung, da selbst geringfügiges Rauschen wichtige Daten verdecken kann⁵.

Nachverstärkung und Filterung mit rauscharmem Operationsverstärker
Dieses verstärkte Signal wird nun durch eine Verstärkung von 2,5 noch verstärkt, um einen idealen Pegel für ADC zu erreichen. Ein Bandpassfilter wird ebenfalls verwendet; Es lässt ein bestimmtes Frequenzband passieren, während die Interferenzen und das Rauschen unterdrückt werden. Die Bandbreite des Operationsverstärkers und seine Nullpunkt-Offset-Spannung ermöglichen eine angemessene Filterung ohne Phasenverzerrung und Verzögerung. Im Allgemeinen ist der Bandpassfilter so aufgebaut, dass er die Übertragung von Frequenzen von 1 Hz bis 11 kHz ermöglicht, die meisten neuronalen Signale umfasst, während gleichzeitig niederfrequente Drift und hochfrequentes Rauschen, einschließlich Netzstörungen, gedämpft werden.

Analog-Digital-Wandlung (ADC)
Nach dem Filtern wird das konditionierte Signal von einem ADC digitalisiert, der mit einer Abtastrate von 20 kHz arbeitet. Der ADC wandelt die verstärkten analogen Signale in diskrete digitale Werte für die Analyse um. Der Operationsverstärker sorgt dafür, dass die Signalqualität erhalten bleibt, frei von Rauschen und Verzerrungen. Die hohe Abtastrate von 20 kHz erfasst schnelle Änderungen der neuronalen Aktivität mit Präzision und vermeidet Aliasing.

Signalerzeugung und Stromregelung
Das System erzeugt zweiphasige Wellenformen unter Verwendung einer H-Brücken-Schaltung, die den Stromfluss in beide Richtungen durch die Elektroden ermöglicht und abwechselnd positive und negative Phasen erzeugt, die für die neuronale Stimulation erforderlich sind.

Mikrocontroller-Steuerung
Der Mikrocontroller steuert die H-Brücke auf Basis von PWM-Signalen. Es steuert sowohl die Frequenz als auch die Amplitude des biphasischen Signals durch Anpassung des PWM-Tastverhältnisses. Das aktuelle Digital-Analog-Wandlermodell verhält sich wie eine programmierbare Stromquelle, mit der die Wellenformamplitude präzise gesteuert werden kann. Dieser DAC erzeugt ein analoges Signal, das den durch die H-Brücke fließenden Strom anpasst und so die Einhaltung der vorgegebenen Stromparameter sicherstellt.

Rückkopplungsschleife
Ein Strommesswiderstand, der mit den Elektroden in Reihe geschaltet ist, ermöglicht es dem System, mit einem ADC zu überwachen, wie viel Strom fließt. Der Mikrocontroller kann Echtzeitanpassungen am Ausgang des DAC und seiner Wellenform vornehmen, indem er die Rückkopplung des Systems in Kombination mit einem PID-Regler verwendet, um die angegebenen Strompegel aufrechtzuerhalten.

Drahtlose Kommunikation
Das BLE-Modul wird im System verwendet, um die Kommunikation von drahtlos übertragenen Daten über die BLE-Kommunikation zu ermöglichen. Dieses Modul verwendet das UART-Protokoll für die Echtzeit- und bidirektionale Kommunikation zwischen dem Gerät und einer entfernten Benutzeroberfläche. Bei diesem Design ist das BLE-Modul direkt mit dem Mikrocontroller verbunden, um eine Integration mit geringer Latenz in die drahtlose Datenübertragung zu erreichen, einschließlich neuronaler Signale, Stromeinstellungen und Systemstatus, während Benutzerbefehle zur Anpassung von Wellenformparametern wie Dauer, Amplitude und Frequenz empfangen werden. Das Modul hat jedoch einen geringen Stromverbrauch und eignet sich daher gut für tragbare neuronale Geräte. Das Modul verfügt über eine Kommunikationsreichweite von ~30 m, was ideal für klinische oder Laborumgebungen ist.

Schnittstelle für Fernsteuerung und -überwachung
Das System wird drahtlos über eine App, nRF Connect, gesteuert, die auf Android- und IOS-Plattformen verfügbar ist. Das Terminal kommuniziert mit dem BLE-Modul über das UART-Protokoll und ermöglicht es dem Benutzer, die neuronale Aktivität zu überwachen und die Wellenformparameter in Echtzeit zu konfigurieren. Zu den Funktionen gehört eine Wellenformkonfiguration, mit der der Wellenformtyp, die Stromamplitude, die Frequenz und die Phasendauer angepasst werden können. Und die drahtlose Programmiereinheit, die die Systemkonfiguration überwacht und Firmware-Updates drahtlos an den Mikrocontroller übertragen kann, ermöglicht eine einfache Anpassung ohne physischen Zugriff auf die Hardware.

Software
Die Steuerungssoftware ist für die Regelung der Funktionalität und der Betriebsparameter des Geräts unerlässlich. Es verwendet das BLE UART-Protokoll für die drahtlose Kommunikation zwischen externen Steuerschnittstellen und dem Gerät. Dieser Aufbau ermöglicht die Echtzeit-Programmierung von stromgesteuerten biphasischen Wellenformen und anderen wichtigen Parametern wie Frequenz und Pulsbreite. Die Bluetooth-kompatible mobile Anwendung connect bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche zum Senden von Befehlen und Anpassen von Parametern. Das System kann vorprogrammierte Stimulationsprotokolle ausführen oder benutzerdefinierte Befehle in Echtzeit akzeptieren, während es gleichzeitig einen geringen Stromverbrauch gewährleistet.

Endgültiges Design und Leiterplattenherstellung
Wir haben dieses Gerät mit kommerzieller PCB-Designsoftware entwickelt. Er kann als Rucksack für Tiere verwendet werden. Die Leiterplatte ist doppelseitig mit einer Dicke von 0,4 mm und Abmessungen von 30 x 30 x 1 mm. Es wiegt nur 9 g; Das Endprodukt ist in Abbildung 4 dargestellt.

Betriebsarten
Das Gerät verfügt über zwei Betriebsmodi, von denen jeder für bestimmte neuronale Anwendungen optimiert ist: Stimulationsmodus und Aufnahmemodus. Diese Modi werden drahtlos über das BLE UART-Protokoll gesteuert und ermöglichen die Kommunikation mit einem mobilen Gerät.

Ablehnung von Artefakten: Da das Gerät in zwei Modi arbeitet - dem Stimulationsmodus und dem Aufnahmemodus - ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Artefaktunterdrückung berücksichtigt wird, damit die aufgezeichneten Daten die echte Gehirnaktivität und kein elektrisches Rauschen durch die Stimulation widerspiegeln. Während der Aufnahme wird das Stimulationsmodul vorübergehend für ein kurzes Zeitfenster, in der Regel Millisekunden, ausgeschaltet, um Stimulationsstörungen zu vermeiden. Dadurch wird verhindert, dass der Rekorder die Hochspannungs-Stimulationsartefakte aufnimmt.

Stimulations-Modus: Dieser Modus erzeugt stromgesteuerte biphasische Wellenformen für die neuronale Stimulation. Die Steuerungssoftware passt Parameter wie Impulsamplitude, Impulsbreite, Frequenz und Interpulsintervalle dynamisch an. Die H-Brücken-Topologie ist in der Lage, eine sehr feine Kontrolle über die Richtung des Stroms und die Form der Signalwellenform zu ermöglichen. Vermeidung von Gewebeschäden bei langfristiger Stimulation durch Minimierung der Restladung. Die Stromquelle ermöglicht eine sehr feine Einstellung des Ausgangsstroms auf eine Auflösung von μA.

Aufnahme-Modus: Bei diesem Modus werden neuronale Signale über Elektroden erfasst. Die Signale, die normalerweise im Mikrovolt-Bereich (μV) liegen, werden mit Hilfe von rauscharmen Verstärkern verstärkt und durch einen Bandpassfilter gefiltert, um das unerwünschte Rauschen zu entfernen. Die gefilterten Signale werden anschließend von einem ADC mit einer Abtastrate von 20 kHz digitalisiert und zur Analyse drahtlos übertragen. Die Impedanzüberwachung gewährleistet eine kontinuierliche Bewertung der Elektrodenkontaktqualität, die für eine genaue Signalerfassung unerlässlich ist. Das Gerät unterstützt den Closed-Loop-Betrieb und ermöglicht die Echtzeit-Anpassung von Stimulationsparametern auf der Grundlage der aufgezeichneten neuronalen Aktivität und eignet sich daher für Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs), Neuroprothesen und andere Closed-Loop-Neuromodulationsanwendungen.

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.