Un stimulateur multifonctionnel, intégré, compatible Bluetooth, programmable, à forme d’onde biphasique avec acquisition de signaux neuronaux en temps réel

Summary

Nous décrivons ici un nouvel appareil spécialement conçu pour la recherche préclinique sur la stimulation cérébrale profonde (SCP), ainsi qu’une unité d’enregistrement de signaux neuronaux. Ce dispositif offre une grande flexibilité dans les paramètres de forme d’onde, y compris la forme, la fréquence, la largeur et l’amplitude d’impulsion, ainsi que l’enregistrement des pics neuronaux et des potentiels de champ local.

Abstract

L’étude présente un appareil léger de stimulation cérébrale profonde (DBS) compatible Bluetooth, conçu spécifiquement pour la recherche préclinique chez de petits animaux se déplaçant librement. Pour remédier aux limites actuelles de la flexibilité des formes d’onde et du contrôle sans fil, nous avons développé un stimulateur compact et multifonctionnel capable de fournir des formes d’onde biphasiques programmables et équilibrées en charge tout en acquérant simultanément des signaux neuronaux. Le système intègre des composants prêts à l’emploi pour la régulation du courant, l’amplification du signal et la conversion analogique-numérique, le tout géré par un microcontrôleur basse consommation. L’assemblage comprend des étapes clés telles que l’intégration de circuits sur un circuit imprimé double face de 30 x 30 mm, la programmation de la forme d’onde via nRF Connect et la validation par des tests de résistance au sérum physiologique et à la charge. Les évaluations in vitro ont démontré une sortie de courant fiable à différentes impédances de charge, un fonctionnement salin efficace sans dégradation de la forme d’onde et un enregistrement de signal neuronal haute fidélité avec un rapport signal/bruit supérieur à 35 dB. Ces résultats confirment l’aptitude du dispositif pour les expériences de neuromodulation en boucle fermée et jettent les bases de futures études translationnelles dans le traitement par SCP.

Introduction

Ce travail introduit un nouveau stimulateur cérébral profond pour explorer les changements aux niveaux moléculaire et comportemental chez les animaux de laboratoire. Bien que divers dispositifs de microstimulation aient été discutés dans la littérature, ils varient considérablement en termes de taille, de poids, de capacités de stimulation, de capacité à fournir une stimulation prolongée et de la nécessité de sources d’énergie externes. La plupart des appareils pour rongeurs reposent sur une alimentation externe, ce qui limite leur utilité dans les études nécessitant une stimulation et une observation comportementale^{simultanées1}. Bien que certaines solutions, telles que les attaches, les ondes magnétiques ou les sources lumineuses, tentent de résoudre ce problème, chacune d’entre elles comporte son propre ensemble de limites : les attaches limitent les mouvements et le comportement, les stimulateurs magnétiques sont confinés à des environnements spécifiques et les systèmes basés sur la lumière dépendent du cycle d’éclairage².

La plupart des systèmes de neurostimulation traditionnels pour les rongeurs impliquent d’attacher l’animal à un stimulateur externe, ce qui non seulement limite leur liberté de mouvement, mais complique également les tests comportementaux³. De plus, les câbles peuvent s’user avec le temps, ce qui présente un risque de dysfonctionnement. Bien que des progrès aient été réalisés dans la mise au point de systèmes portables de stimulation cérébrale profonde (SCP) pour les rongeurs, de nombreux appareils actuels manquent de documentation détaillée de leurs circuits. Souvent, ces appareils sont trop lourds et encombrants par rapport à la taille du rongeur, et leurs petites batteries sont rapidement déchargées par une stimulation continue à haute fréquence⁴. Certains chercheurs ont essayé d’utiliser des batteries plus grandes portées par les animaux, mais cela limite à nouveau leurs mouvements naturels. De plus, de nombreux appareils ne permettent pas d’ajuster la tension, ce qui est essentiel pour maintenir une stimulation constante lorsque l’impédance change en raison des interactions entre l’électrode et le tissu au fil du temps⁵. Il existe un besoin croissant de dispositifs miniaturisés, sans fil et à faible consommation d’énergie adaptés à une éventuelle application humaine, ce qui pose un nouveau défi pour le développement de la prochaine génération d’interfaces cerveau-machine (IMC) en boucle fermée. Les primates non humains ou les rongeurs sont généralement utilisés dans la recherche sur l’IMC en raison de leurs similitudes avec les cerveaux humains ou de la disponibilité d’un large éventail de modèles expérimentaux⁶. Cependant, le développement de microstimulateurs légers et sans fil pour les rongeurs comme les souris est plus difficile en raison de leur petite taille.

Comme première étape vers le développement ultérieur, nous nous sommes concentrés sur la création d’un appareil pour rongeurs avec un appareil multifonctionnel avec stimulations et enregistrement. Les chercheurs adoptent généralement l’une des deux approches suivantes : développer des circuits intégrés (CI) personnalisés ou utiliser de l’électronique commerciale prête à l’emploi (COTS)⁷. Bien que les circuits intégrés offrent des avantages tels qu’un bruit réduit, une conception compacte et une efficacité énergétique, ils nécessitent des temps de développement plus longs et sont coûteux, ce qui les rend plus appropriés pour les implants à long terme plutôt que pour les études à court terme sur les animaux. À l’inverse, les systèmes basés sur COTS sont plus flexibles et peuvent être facilement modifiés au cours des premières étapes de la recherche. Cependant, les systèmes COTS existants avec des fonctions d’enregistrement et de stimulation ne sont pas idéaux pour des expériences à long terme avec de petits animaux se déplaçant librement⁸. Ils n’offrent souvent que des capacités monocanaux, sont câblés et ne conviennent pas aux études comportementales prolongées. Certains systèmes prennent en charge la transmission de données sans fil, mais sont limités dans le traitement en temps réel, ce qui les rend inadéquats pour les études en boucle fermée comme la plasticité dépendante du temps de pointe.

Pour surmonter ces défis, nous avons intégré les deux stratégies dans la conception de notre appareil. Nous avons développé un circuit intégré personnalisé capable d’enregistrer en continu l’activité neuronale avec une efficacité élevée, un bruit minimal et un encombrement compact, réduisant ainsi les interférences et la diaphonie. Le stimulateur a été construit à l’aide de composants COTS sur des cartes de circuits imprimés sur mesure connectées à un microcontrôleur qui gère le traitement du signal, la transmission sans fil et la stimulation programmable. Cette approche a abouti à un système d’enregistrement compact à faible consommation d’énergie et à faible bruit, associé à un microstimulateur programmable capable de fonctionner en boucle fermée. La flexibilité du microcontrôleur dans l’ajustement de la configuration de la boucle et la transmission sans fil des données en fait un outil polyvalent pour la recherche préclinique sur la SCP. Les résultats des tests in vitro sont présentés ici, démontrant le potentiel du système à faire progresser la compréhension et l’application de la SCP dans les études précliniques et au-delà.

Protocol

Architecture du système
Dans la figure 1, un microcontrôleur basse consommation agit comme le cœur du système, contrôlant la génération de formes d’onde, le traitement du signal et le protocole de communication. Les amplitudes des formes d’onde sont contrôlées par la source de courant programmable utilisée. Le système utilise un circuit H-Bridge intégré pour alterner la direction du courant, et crée ainsi les formes d’onde biphasiques nécessaires pour stimuler l’activité neuronale. Une résistance numérique assistée par microcontrôleur, associée à une résistance shunt, permet des modifications de forme d’onde programmables via un protocole d’interface I2C. Pour s’assurer que le courant passant à travers les électrodes reste constant et cohérent avec un ensemble prédéfini de paramètres, une boucle de rétroaction est fournie par un microcontrôleur. Pour garantir une alimentation fiable et une stabilité opérationnelle, un régulateur de tension à faible chute de tension est mis en œuvre, fournissant une source d’alimentation de 3,3 V au microcontrôleur ainsi que des composants supplémentaires. La communication du système avec des périphériques externes, tels qu’un ordinateur, est facilitée par un convertisseur USB-série, qui permet la connectivité USB nécessaire à l’acquisition de données ou à la configuration du système. Ces signaux neuronaux obtenus à partir des électrodes passent par une étape d’amplification et de filtrage pour maximiser leur qualité avant d’être traités par le microcontrôleur. Les signaux amplifiés et filtrés peuvent être soit transmis pour une analyse ultérieure, soit stockés pour un traitement ultérieur, tandis que le système continue de stimuler le tissu neural avec les formes d’onde biphasiques générées. La figure 1 présente un schéma fonctionnel complet du système.

Quincaillerie et schémas
Le système matériel se compose de plusieurs sous-systèmes qui travaillent ensemble pour produire des formes d’onde biphasiques et capturer des signaux neuronaux en temps réel. Il est conçu pour un fonctionnement sans fil à distance et intègre des composants à faible consommation, une communication fiable et une acquisition de signal robuste. Vous trouverez ci-dessous un aperçu détaillé de l’architecture matérielle. La conception schématique est illustrée à la figure 2 ; voir aussi la Table des matériaux.

Unité de gestion de l’alimentation
L’appareil peut être alimenté par une batterie lithium-polymère rechargeable ou via USB. La batterie alimente tous les composants : le microcontrôleur, le DAC, les amplificateurs et le module BLE. Pour assurer un fonctionnement efficace et stable, un régulateur de tension est utilisé pour fournir une alimentation constante de 3,3 V aux composants critiques. La fonction de faible chute de ce régulateur permet de prolonger la durée de vie de la batterie. De plus, un système de gestion de batterie (BMS) est intégré pour surveiller et gérer la charge de la batterie et éviter les décharges excessives⁹. Le BMS communique avec le microcontrôleur pour fournir des mises à jour de la batterie en temps réel, qui sont transmises à l’interface distante via le module BLE. Le BMS surveille en permanence les niveaux de batterie et déclenche un mode basse consommation lorsque la charge tombe en dessous d’un seuil spécifié, désactivant les composants non essentiels tels que le DAC et le module BLE pour économiser de l’énergie.

Acquisition et conditionnement du signal
Pour traiter les signaux neuronaux faibles de faible amplitude capturés par les électrodes, le système comprend des étages d’amplification et de filtrage. La conception de l’unité d’enregistrement est illustrée à la figure 3. Un amplificateur opérationnel est utilisé pour l’amplification du signal à faible bruit et le filtrage efficace, garantissant une qualité de signal élevée.

Préamplification à faible bruit
L’étage préliminaire utilise un amplificateur opérationnel comme préamplificateur à faible bruit avec un facteur de gain de 100. Les signaux neuronaux, allant généralement du microvolt au millivolt, sont amplifiés à des niveaux adaptés à un traitement ultérieur. L’amplificateur opérationnel a été choisi en raison de sa faible densité de bruit d’entrée de 4,5 nV/√Hz à 1 kHz et de sa haute précision, ce qui le rend adapté à la capture de signaux neuronaux de faible amplitude sans distorsion. Sa capacité à produire un signal propre avec un rapport signal/bruit (SNR) élevé est cruciale, car même un bruit mineur peut masquer des données importantes⁵.

Post-amplification et filtrage avec amplificateur opérationnel à faible bruit
Ce signal amplifié devient désormais encore plus amplifié d’un gain de 2,5 pour atteindre un niveau idéal pour l’ADC. Un filtre passe-bande est également utilisé ; Il permet de passer une bande de fréquence spécifiée tout en annulant les interférences et le bruit. La bande passante de l’amplificateur opérationnel et sa tension de décalage nulle permettent un filtrage approprié sans introduire de distorsion de phase et de retard. En général, le filtre passe-bande est structuré de manière à permettre la transmission de fréquences de 1 Hz à 11 kHz, englobant la plupart des signaux neuronaux, tout en atténuant simultanément la dérive des basses fréquences et le bruit des hautes fréquences, y compris les interférences du secteur.

Conversion analogique-numérique (CAN)
Après filtrage, le signal conditionné est numérisé par un CAN fonctionnant à une fréquence d’échantillonnage de 20 kHz. L’ADC convertit les signaux analogiques amplifiés en valeurs numériques discrètes pour l’analyse. L’amplificateur opérationnel garantit la préservation de la qualité du signal, sans bruit ni distorsion. Le taux d’échantillonnage élevé de 20 kHz capture les changements rapides de l’activité neuronale avec précision, en évitant le repliement.

Génération de formes d’onde et contrôle du courant
Le système génère des formes d’onde biphasiques à l’aide d’un circuit H-Bridge, permettant au courant de circuler dans les deux sens à travers les électrodes et créant une alternance de phases positives et négatives nécessaires à la stimulation neuronale.

Contrôle par microcontrôleur
Le microcontrôleur contrôle le H-Bridge sur la base de signaux PWM. Il contrôle à la fois la fréquence et l’amplitude du signal biphasique en ajustant le rapport cyclique PWM. Le modèle actuel de convertisseur numérique-analogique se comporte comme une source de courant programmable, ce qui permet de contrôler avec précision l’amplitude de la forme d’onde. Ce DAC produit un signal analogique qui ajuste le courant circulant dans le pont en H, assurant ainsi le respect des paramètres de courant spécifiés.

Boucle de rétroaction
Une résistance de détection de courant placée en série avec les électrodes permet au système de surveiller la quantité de courant qu’il fait fonctionner à l’aide d’un CAN. Le microcontrôleur peut effectuer des ajustements en temps réel de la sortie du DAC et de sa forme d’onde en utilisant le retour d’information du système combiné à un contrôleur PID pour maintenir les niveaux de courant spécifiés.

Communication sans fil
Le module BLE est utilisé dans le système pour permettre la communication de données transmises sans fil par le biais de la communication BLE. Ce module utilise le protocole UART pour la communication en temps réel ainsi que la communication bidirectionnelle entre l’appareil et une interface utilisateur distante. Dans cette conception, le module BLE est connecté directement au microcontrôleur pour réaliser une intégration à faible latence dans la transmission de données sans fil, y compris les signaux neuronaux, les paramètres actuels et l’état du système, tout en recevant des commandes utilisateur pour l’ajustement des paramètres de forme d’onde tels que la durée, l’amplitude et la fréquence. Cependant, le module a une faible consommation d’énergie, il convient donc tout à fait aux appareils neuronaux portables. Le module a une portée de communication de ~30 m, ce qui est idéal pour les environnements cliniques ou de laboratoire.

Interface de contrôle et de surveillance à distance
Le système est contrôlé sans fil à l’aide d’une application, nRF Connect, disponible sur les plateformes Android et IOS. Le terminal communique avec le module BLE à l’aide du protocole UART, ce qui permet aux utilisateurs de surveiller l’activité neuronale et de configurer les paramètres de forme d’onde en temps réel. Les fonctionnalités comprennent une configuration de forme d’onde qui peut ajuster le type de forme d’onde, l’amplitude du courant, la fréquence et la durée de phase ; et l’unité de programmation sans fil qui surveille la configuration du système et les mises à jour du micrologiciel peuvent être transmises sans fil au microcontrôleur, ce qui permet une personnalisation facile sans accès physique au matériel.

Logiciel
Le logiciel de contrôle est essentiel pour réguler les fonctionnalités et les paramètres de fonctionnement de l’appareil. Il utilise le protocole BLE UART pour la communication sans fil entre les interfaces de contrôle externes et l’appareil. Cette configuration permet la programmation en temps réel de formes d’onde biphasiques contrôlées par le courant et d’autres paramètres clés tels que la fréquence et la largeur d’impulsion. L’application mobile compatible Bluetooth connect fournit une interface conviviale pour l’envoi de commandes et le réglage des paramètres. Le système peut exécuter des protocoles de stimulation préprogrammés ou accepter des commandes définies par l’utilisateur en temps réel, tout en garantissant une faible consommation d’énergie.

Conception finale et fabrication du circuit imprimé
Nous avons conçu cet appareil à l’aide d’un logiciel commercial de conception de circuits imprimés. Il peut être utilisé comme sac à dos pour les animaux. Le PCB est double face avec une épaisseur de 0,4 mm et des dimensions de 30 x 30 x 1 mm. Il ne pèse que 9 g ; le produit final est illustré à la figure 4.

Modes de fonctionnement
L’appareil dispose de deux modes de fonctionnement, chacun optimisé pour des applications neuronales spécifiques : le mode de stimulation et le mode d’enregistrement. Ces modes sont contrôlés sans fil via le protocole BLE UART, ce qui permet de communiquer avec un appareil mobile.

Rejet des artefacts : Comme l’appareil fonctionne en deux modes - le mode de stimulation et le mode d’enregistrement - il est important de s’assurer que le rejet des artefacts est incorporé afin que les données enregistrées reflètent une véritable activité cérébrale et non le bruit électrique de la stimulation. Pendant l’enregistrement, le module de stimulation est temporairement éteint pendant une brève période, généralement de quelques millisecondes, pour éviter les interférences de stimulation. Cela empêche l’enregistreur de capter les artefacts de stimulation à haute tension.

Mode de stimulation : Ce mode génère des formes d’onde biphasiques contrôlées par le courant pour la stimulation neuronale. Le logiciel de contrôle ajuste dynamiquement des paramètres tels que l’amplitude des impulsions, la largeur des impulsions, la fréquence et les intervalles entre les impulsions. La topologie H-Bridge est capable de fournir un contrôle très précis de la direction du courant et de la forme de l’onde du signal. Prévenir les lésions tissulaires lors d’une stimulation à long terme en minimisant la charge résiduelle. La source de courant permet un réglage très fin du courant de sortie à la résolution μA.

Mode d’enregistrement : Ce mode consiste à capturer des signaux neuronaux via des électrodes. Les signaux, normalement dans la gamme des microvolts (μV), sont amplifiés à l’aide d’amplificateurs à faible bruit et filtrés à travers un filtre passe-bande pour éliminer le bruit indésirable. Les signaux filtrés sont ensuite numérisés par un CAN avec une fréquence d’échantillonnage de 20 kHz et transmis sans fil pour analyse. La surveillance de l’impédance assure une évaluation continue de la qualité du contact de l’électrode, ce qui est essentiel pour une capture précise du signal. L’appareil prend en charge le fonctionnement en boucle fermée, permettant d’ajuster en temps réel les paramètres de stimulation en fonction de l’activité neuronale enregistrée, ce qui le rend adapté aux interfaces cerveau-ordinateur (BCI), aux neuroprothèses et à d’autres applications de neuromodulation en boucle fermée.

Results

L’appareil a subi différents tests de vérification et d’évaluation, et la faisabilité du produit a été testée en cinq étapes : évaluation de la forme d’onde de sortie, test de sortie de courant, test salin, test de chute de tension et test d’enregistrement.

Évaluation de la forme d’onde de sortie
Le test principal de l’appareil consistait à vérifier la forme et le mode de la forme d’onde à l’aide d’une résistance de 1 kΩ connectée à travers l’appareil. Il a réussi à fournir...

Discussion

Ce dispositif miniature multifonctionnel marque une étape significative dans la conception de systèmes intégrés pour la stimulation neuronale et l’acquisition de signaux. Contrairement aux plates-formes existantes telles que celles décrites par Angotzi et ^al.5 et Melo-Thomas et ^al.8, qui mettent l’accent sur l’enregistrement multicanal ou la stimulation, notre système combine de manière unique une stimulation biphasique programmable et cont...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Laboratoires de silicium		Fournit une solution d’interface plug-and-play complète qui inclut des pilotes libres de droits
DMHC30025LSD Circuit H-Bridge	DIODES		Ce pont en H MOSFET complémentaire de nouvelle génération présente une faible résistance à l’état passant réalisable avec un entraînement de grille faible.
microcontrôleur MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Microcontrôleurs ARM - MCU Arm Cortex-M4+ grand public 170 MHz avec 256 koctets de mémoire Flash
Module BLE nordique MDBT42Q	Raytac Corporation		Permettre la communication de données transmises sans fil via la communication BLE
Amplificateur opérationnel OPA322	TEXAS INSTRUMENTS		Simple, 5,5 V, 20 MHz, zéro-croisement à faible bruit (6nV/&radic ; Hz) Amplificateur opérationnel RRIO
Logiciel Tina Ti	TEXAS INSTRUMENTS		Simule la réponse en fréquence
TLV1117 Régulateur de tension linéaire réglable et fixe 15 V, 800 mA	TEXAS INSTRUMENTS		Il s’agit d’une tension linéaire qui fournit jusqu’à 800 mA de courant de sortie avec une plage de tension d’entrée prise en charge de 2,7 V à 15 V.