Un estimulador de forma de onda bifásico, multifuncional, basado en Bluetooth, programable y habilitado para Bluetooth con adquisición de señales neuronales en tiempo real

Resumen

Aquí, describimos un nuevo dispositivo diseñado específicamente para la investigación preclínica de estimulación cerebral profunda (DBS) junto con una unidad de registro de señales neuronales. Este dispositivo proporciona una amplia flexibilidad en los parámetros de forma de onda, incluida la forma, la frecuencia, el ancho y la amplitud del pulso, y el registro de picos neuronales y potenciales de campo local.

Resumen

El estudio presenta un dispositivo liviano de estimulación cerebral profunda (DBS) habilitado para Bluetooth que está diseñado específicamente para la investigación preclínica en animales pequeños que se mueven libremente. Para abordar las limitaciones actuales en la flexibilidad de la forma de onda y el control inalámbrico, desarrollamos un estimulador compacto y multifuncional capaz de ofrecer formas de onda bifásicas programables y de carga equilibrada al mismo tiempo que adquirimos señales neuronales. El sistema integra componentes listos para usar para la regulación de corriente, la amplificación de señales y la conversión de analógico a digital, todo administrado por un microcontrolador de baja potencia. El ensamblaje incluye pasos clave como la integración de circuitos en una placa de circuito impreso de doble cara de 30 x 30 mm, la programación de formas de onda a través de nRF Connect y la validación mediante pruebas de resistencia salina y de carga. Las evaluaciones in vitro demostraron una salida de corriente confiable a través de impedancias de carga variables, operación salina efectiva sin degradación de la forma de onda y registro de señales neuronales de alta fidelidad con una relación señal/ruido superior a 35 dB. Estos resultados confirman la idoneidad del dispositivo para experimentos de neuromodulación de circuito cerrado y sientan las bases para futuros estudios traslacionales en la terapia DBS.

Introducción

Este trabajo presenta un nuevo estimulador cerebral profundo para explorar los cambios a nivel molecular y conductual en animales de experimentación. Aunque se han discutido varios dispositivos microestimuladores en la literatura, varían significativamente en tamaño, peso, capacidades de estimulación, capacidad para administrar estimulación prolongada y la necesidad de fuentes de energía externas. La mayoría de los dispositivos para roedores dependen de energía externa, lo que limita su utilidad en estudios que requieren estimulación simultánea y observación del comportamiento¹. Si bien algunas soluciones, como las correas, las ondas magnéticas o las fuentes de luz, intentan abordar este problema, cada una tiene su propio conjunto de limitaciones: las correas restringen el movimiento y el comportamiento, los estimuladores magnéticos se limitan a entornos específicos y los sistemas basados en la luz dependen del ciclo de iluminación².

La mayoría de los sistemas tradicionales de neuroestimulación para roedores implican atar al animal a un estimulador externo, lo que no solo restringe su libertad de movimiento sino que también complica las pruebas de comportamiento³. Además, los cables pueden desgastarse con el tiempo, lo que representa un riesgo de mal funcionamiento. Si bien ha habido avances en el desarrollo de sistemas portátiles de estimulación cerebral profunda (DBS) para roedores, muchos dispositivos actuales carecen de documentación detallada de sus circuitos. A menudo, estos dispositivos son demasiado pesados y voluminosos en relación con el tamaño del roedor, y sus pequeñas baterías se agotan rápidamente por la estimulación continua de alta frecuencia⁴. Algunos investigadores han intentado usar paquetes de baterías más grandes que usan los animales, pero esto nuevamente limita sus movimientos naturales. Además, muchos dispositivos no permiten ajustes de voltaje, lo cual es esencial para mantener una estimulación constante a medida que cambia la impedancia debido a las interacciones entre el electrodo y el tejido a lo largo del tiempo⁵. Existe una creciente necesidad de dispositivos miniaturizados, inalámbricos y de baja potencia que sean adecuados para una eventual aplicación humana, lo que plantea un nuevo desafío para el desarrollo de interfaces cerebro-máquina (BMI) de circuito cerrado de próxima generación. Los primates o roedores no humanos se utilizan típicamente en la investigación del IMC debido a sus similitudes con los cerebros humanos o la disponibilidad de una amplia gama de modelos experimentales⁶. Sin embargo, el desarrollo de microestimuladores inalámbricos livianos para roedores como ratones es más desafiante debido a su tamaño más pequeño.

Como paso inicial hacia un mayor desarrollo, nos concentramos en crear un dispositivo para roedores con un dispositivo multifuncional con estimulaciones y grabación. Los investigadores suelen adoptar uno de dos enfoques: desarrollar circuitos integrados (CI) personalizados o utilizar electrónica comercial (COTS)⁷. Si bien los circuitos integrados ofrecen beneficios como reducción de ruido, diseño compacto y eficiencia energética, requieren tiempos de desarrollo más largos y son costosos, lo que los hace más apropiados para implantes a largo plazo en lugar de estudios a corto plazo en animales. Por el contrario, los sistemas basados en COTS son más flexibles y pueden modificarse fácilmente durante las primeras etapas de investigación. Sin embargo, los sistemas COTS existentes con funciones de registro y estimulación no son ideales para experimentos a largo plazo con animales pequeños que se mueven libremente⁸. A menudo ofrecen solo capacidades de un solo canal, están cableados y no son adecuados para estudios de comportamiento prolongados. Algunos sistemas admiten la transmisión inalámbrica de datos, pero están limitados en el procesamiento en tiempo real, lo que los hace inadecuados para estudios de circuito cerrado como la plasticidad dependiente de la sincronización de picos.

Para superar estos desafíos, integramos ambas estrategias en el diseño de nuestros dispositivos. Desarrollamos un IC personalizado capaz de registrar continuamente la actividad neuronal con alta eficiencia, ruido mínimo y un tamaño compacto, lo que reduce la interferencia y la diafonía. El estimulador se construyó utilizando componentes COTS en placas de circuito hechas a medida conectadas a un microcontrolador que maneja el procesamiento de señales, la transmisión inalámbrica y la estimulación programable. Este enfoque ha dado como resultado un sistema de grabación compacto de bajo consumo y bajo ruido combinado con un microestimulador programable capaz de operar en modo de circuito cerrado. La flexibilidad del microcontrolador para ajustar la configuración del bucle y transmitir datos de forma inalámbrica lo convierte en una herramienta versátil para la investigación preclínica de DBS. Aquí se presentan los resultados de las pruebas in vitro , lo que demuestra el potencial del sistema para avanzar en la comprensión y aplicación de DBS en estudios preclínicos y más allá.

Protocolo

Arquitectura del sistema
En la Figura 1, un microcontrolador de baja potencia actúa como el núcleo del sistema, controlando la generación de formas de onda, el procesamiento de señales y el protocolo de comunicación. Las amplitudes de las formas de onda están controladas por la fuente de corriente programable utilizada. El sistema utiliza un circuito H-Bridge integrado para alternar la dirección de la corriente y, por lo tanto, crea las formas de onda bifásicas necesarias para estimular la actividad neuronal. Una resistencia digital asistida por microcontrolador, en combinación con una resistencia de derivación, permite modificaciones programables de la forma de onda a través de un protocolo de interfaz I2C. Para garantizar que la corriente que pasa a través de los electrodos permanezca constante y consistente con un conjunto predefinido de parámetros, se proporciona un bucle de retroalimentación a través de un microcontrolador. Para garantizar un suministro de energía confiable y estabilidad operativa, se implementa un regulador de voltaje de baja caída, que suministra una fuente de alimentación de 3,3 V al microcontrolador junto con componentes adicionales. La comunicación del sistema con dispositivos externos, como una computadora, se ve facilitada por un convertidor de USB a serie, que permite la conectividad USB necesaria para la adquisición de datos o la configuración del sistema. Estas señales neuronales obtenidas de los electrodos pasan por una etapa de amplificación y filtrado para maximizar su calidad antes de ser procesadas a través del microcontrolador. Las señales amplificadas y filtradas pueden reenviarse para su posterior análisis o almacenarse para su posterior procesamiento, mientras que el sistema continúa estimulando el tejido neural con las formas de onda bifásicas generadas. En la Figura 1 se muestra una vista completa del diagrama de bloques del sistema.

Hardware y esquemas
El sistema de hardware consta de varios subsistemas que trabajan juntos para producir formas de onda bifásicas y capturar señales neuronales en tiempo real. Está diseñado para operación remota inalámbrica e incorpora componentes de baja potencia, comunicación confiable y adquisición de señal robusta. A continuación se muestra una descripción detallada de la arquitectura de hardware. El diseño esquemático se muestra en la Figura 2; véase también la Tabla de materiales.

Unidad de administración de energía
El dispositivo puede alimentarse con una batería recargable de polímero de litio o mediante USB. La batería suministra energía a todos los componentes: el microcontrolador, el DAC, los amplificadores y el módulo BLE. Para garantizar un funcionamiento eficiente y estable, se utiliza un regulador de voltaje para proporcionar una fuente de alimentación constante de 3,3 V a los componentes críticos. La función de baja caída de este regulador ayuda a prolongar la vida útil de la batería. Además, se integra un sistema de gestión de baterías (BMS) para monitorear y administrar la carga de la batería y evitar la descarga excesiva⁹. El BMS se comunica con el microcontrolador para entregar actualizaciones de batería en tiempo real, que se transmiten a la interfaz remota a través del módulo BLE. El BMS monitorea continuamente los niveles de la batería y activa un modo de bajo consumo cuando la carga cae por debajo de un umbral específico, deshabilitando componentes no esenciales como el DAC y el módulo BLE para conservar energía.

Adquisición y acondicionamiento de señales
Para procesar las señales neuronales débiles de baja amplitud capturadas por los electrodos, el sistema incluye etapas de amplificación y filtrado. El diseño de la unidad de grabación se muestra en la Figura 3. Un amplificador operacional se utiliza para la amplificación de señales de bajo ruido y un filtrado efectivo, lo que garantiza una alta calidad de señal.

Preamplificación de bajo ruido
La etapa preliminar utiliza un amplificador operacional como preamplificador de bajo ruido con un factor de ganancia de 100. Las señales neuronales, que generalmente van desde microvoltios hasta milivoltios, se amplifican a niveles adecuados para su posterior procesamiento. El amplificador operacional fue elegido debido a su baja densidad de ruido de entrada de 4.5 nV / √Hz a 1 kHz y alta precisión, lo que lo hace adecuado para la captura de señales neuronales de baja amplitud sin distorsión. Su capacidad para producir una señal limpia con una alta relación señal-ruido (SNR) es crucial, ya que incluso un ruido menor puede oscurecer datos importantes⁵.

Postamplificación y filtrado con amplificador operacional de bajo ruido
Esta señal amplificada ahora se amplifica aún más con una ganancia de 2,5 para alcanzar un nivel ideal para ADC. También se utiliza un filtro de paso de banda; Permite que pase una banda de frecuencia específica mientras cancela la interferencia y el ruido. El ancho de banda del amplificador operacional y su voltaje de compensación cero permiten un filtrado adecuado sin introducir distorsión de fase ni retardo. En general, el filtro de paso de banda está estructurado de tal manera que permite la transmisión de frecuencias de 1 Hz a 11 kHz, abarcando la mayoría de las señales neuronales, al tiempo que amortigua la deriva de baja frecuencia y el ruido de alta frecuencia, incluida la interferencia de la red eléctrica.

Conversión de analógico a digital (ADC)
Después del filtrado, la señal condicionada es digitalizada por un ADC que funciona a una frecuencia de muestreo de 20 kHz. El ADC convierte las señales analógicas amplificadas en valores digitales discretos para su análisis. El amplificador operacional garantiza que se conserve la calidad de la señal, libre de ruido y distorsión. La alta frecuencia de muestreo de 20 kHz captura los cambios rápidos en la actividad neuronal con precisión, evitando el aliasing.

Generación de formas de onda y control de corriente
El sistema genera formas de onda bifásicas utilizando un circuito H-Bridge, lo que permite que la corriente fluya en ambas direcciones a través de los electrodos y crea fases positivas y negativas alternas necesarias para la estimulación neuronal.

Control de microcontroladores
El microcontrolador controla el puente H en función de las señales PWM. Controla tanto la frecuencia como la amplitud de la señal bifásica mediante el ajuste en el ciclo de trabajo PWM. El modelo actual de convertidor de digital a analógico se comporta como una fuente de corriente programable, lo que permite controlar con precisión la amplitud de la forma de onda. Este DAC produce una señal analógica que ajusta la corriente que fluye a través del puente H, asegurando así el cumplimiento de los parámetros de corriente especificados.

Retroalimentación
Una resistencia de detección de corriente colocada en serie con los electrodos permite que el sistema controle la cantidad de corriente que está funcionando mediante un ADC. El microcontrolador puede realizar ajustes en tiempo real a la salida del DAC y su forma de onda mediante el uso de retroalimentación del sistema combinada con un controlador PID para mantener los niveles de corriente especificados.

Comunicación inalámbrica
El módulo BLE se utiliza en el sistema para permitir la comunicación de datos transmitidos de forma inalámbrica a través de la comunicación BLE. Este módulo utiliza el protocolo UART para la comunicación bidireccional y en tiempo real entre el aparato y una interfaz de usuario remota. En este diseño, el módulo BLE se conecta directamente al microcontrolador para lograr una integración de baja latencia dentro de la transmisión inalámbrica de datos, incluidas las señales neuronales, la configuración actual y el estado del sistema, mientras recibe comandos de usuario para ajustar los parámetros de forma de onda como la duración, la amplitud y la frecuencia. Sin embargo, el módulo tiene un bajo consumo de energía, por lo que es bastante adecuado para dispositivos neuronales portátiles. El módulo tiene un alcance de comunicación de ~30 m, que es ideal para entornos clínicos o de laboratorio.

Interfaz de control remoto y monitoreo
El sistema se controla de forma inalámbrica mediante una aplicación, nRF Connect, que está disponible en las plataformas Android e IOS. El terminal se comunica con el módulo BLE mediante el protocolo UART, lo que permite a los usuarios monitorear la actividad neuronal y configurar los parámetros de la forma de onda en tiempo real. Las características incluyen la configuración de forma de onda que puede ajustar el tipo de forma de onda, la amplitud de corriente, la frecuencia y la duración de la fase; y la unidad de programación inalámbrica que monitorea la configuración del sistema y las actualizaciones de firmware se pueden transmitir de forma inalámbrica al microcontrolador, lo que permite una fácil personalización sin acceso físico al hardware.

Software
El software de control es esencial para regular la funcionalidad y los parámetros operativos del dispositivo. Utiliza el protocolo BLE UART para la comunicación inalámbrica entre las interfaces de control externas y el dispositivo. Esta configuración permite la programación en tiempo real de formas de onda bifásicas controladas por corriente y otros parámetros clave como la frecuencia y el ancho de pulso. La conexión de aplicaciones móviles compatible con Bluetooth proporciona una interfaz fácil de usar para enviar comandos y ajustar parámetros. El sistema puede ejecutar protocolos de estimulación preprogramados o aceptar comandos definidos por el usuario en tiempo real, todo ello garantizando un bajo consumo de energía.

Diseño final y fabricación de PCB
Diseñamos este dispositivo utilizando software comercial de diseño de PCB. Se puede utilizar como mochila para animales. La PCB es de doble cara con un grosor de 0,4 mm y unas dimensiones de 30 x 30 x 1 mm. Solo pesa 9 g; el producto final se muestra en la Figura 4.

Modos operativos
El dispositivo tiene dos modos de funcionamiento, cada modo optimizado para aplicaciones neuronales específicas: modo de estimulación y modo de grabación. Estos modos se controlan de forma inalámbrica a través del protocolo BLE UART, lo que permite la comunicación con un dispositivo móvil.

Rechazo de artefactos: Como el dispositivo funciona en dos modos, modo de estimulación y modo de grabación, es importante asegurarse de que se incorpore el rechazo de artefactos para que los datos registrados reflejen la actividad cerebral genuina y no el ruido eléctrico de la estimulación. Durante la grabación, el módulo de estimulación se apaga temporalmente durante un breve período de tiempo, generalmente milisegundos, para evitar interferencias de estimulación. Esto evita que la grabadora recoja los artefactos de estimulación de alto voltaje.

Modo de estimulación: Este modo genera formas de onda bifásicas controladas por corriente para la estimulación neuronal. El software de control ajusta dinámicamente parámetros como la amplitud del pulso, el ancho del pulso, la frecuencia y los intervalos entre pulsos. La topología H-Bridge es capaz de proporcionar un control muy fino sobre la dirección de la corriente y la forma de la forma de onda de la señal. Prevenir el daño tisular durante la estimulación a largo plazo al minimizar la carga residual. La fuente de corriente permite un ajuste muy fino en la corriente de salida a una resolución de μA.

Modo de grabación: Este modo implica capturar señales neuronales a través de electrodos. Las señales, normalmente en el rango de microvoltios (μV), se amplifican utilizando amplificadores de bajo ruido y se filtran a través de un filtro de paso de banda para eliminar el ruido indeseable. Las señales filtradas son posteriormente digitalizadas por un ADC con una frecuencia de muestreo de 20 kHz y transmitidas de forma inalámbrica para su análisis. El monitoreo de impedancia garantiza una evaluación continua de la calidad del contacto del electrodo, que es esencial para una captura precisa de la señal. El dispositivo admite la operación de circuito cerrado, lo que permite el ajuste en tiempo real de los parámetros de estimulación en función de la actividad neuronal registrada, lo que lo hace adecuado para interfaces cerebro-computadora (BCI), neuroprótesis y otras aplicaciones de neuromodulación de circuito cerrado.

Resultados

El dispositivo se sometió a diferentes pruebas de verificación y evaluación, y se probó la viabilidad del producto en cinco etapas: evaluación de la forma de onda de salida, prueba de salida de corriente, prueba salina, prueba de caída de voltaje y prueba de registro.

Evaluación de la forma de onda de salida
La prueba principal del dispositivo fue verificar la forma y el modo de la forma de onda utilizando una resistencia de 1 kΩ conectada a través del dispositivo. Ha entre...

Discusión

Este dispositivo en miniatura multifuncional marca un importante paso adelante en el diseño de sistemas integrados tanto para la estimulación neuronal como para la adquisición de señales. A diferencia de las plataformas existentes, como las descritas por Angotzi et ^al.5 y Melo-Thomas et ^al.8, que enfatizan la grabación o estimulación multicanal, nuestro sistema combina de manera única la estimulación bifásica programable y controlada por co...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
CP2102 USB	Laboratorios de silicio		proporciona una solución de interfaz plug and play completa que incluye controladores libres de regalías
DMHC30025LSD Circuito H-Bridge	DIODOS		Este puente H MOSFET complementario de nueva generación presenta una baja resistencia de encendido que se puede lograr con un accionamiento de compuerta bajo.
microcontrolador MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Microcontroladores ARM - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz con 256 kbytes de memoria Flash
Módulo Nordic BLE MDBT42Q	Corporación Raytac		Permitir la comunicación de datos transmitidos de forma inalámbrica a través de la comunicación BLE
Amplificador operacional OPA322	INSTRUMENTOS DE TEXAS		Simple, 5,5 V, 20 MHz, bajo ruido cruzado por cero (6nV/√ Hz) RRIO
Tina Ti Software	INSTRUMENTOS DE TEXAS		Simula la respuesta de frecuencia
TLV1117 15 V, 800 mA, Regulador de voltaje lineal ajustable y fijo	INSTRUMENTOS DE TEXAS		Es un voltaje lineal que proporciona hasta 800 mA de corriente de salida con un rango de voltaje de entrada admitido de 2,7 V a 15 V.