Uno stimolatore di forme d'onda bifasico multifunzionale, basato su embedded, abilitato per Bluetooth, programmabile con acquisizione del segnale neurale in tempo reale

Summary

Qui, descriviamo un nuovo dispositivo specificamente progettato per la ricerca preclinica sulla stimolazione cerebrale profonda (DBS) insieme a un'unità di registrazione del segnale neurale. Questo dispositivo offre un'ampia flessibilità nei parametri della forma d'onda, tra cui forma, frequenza, larghezza e ampiezza dell'impulso, e la registrazione dei picchi neurali e dei potenziali di campo locali.

Abstract

Lo studio introduce un dispositivo leggero e abilitato Bluetooth per la stimolazione cerebrale profonda (DBS), progettato specificamente per la ricerca preclinica in piccoli animali che si muovono liberamente. Per affrontare le attuali limitazioni nella flessibilità della forma d'onda e nel controllo wireless, abbiamo sviluppato uno stimolatore compatto e multifunzionale in grado di fornire forme d'onda bifasiche programmabili e bilanciate in carica, acquisendo contemporaneamente segnali neurali. Il sistema integra componenti standard per la regolazione della corrente, l'amplificazione del segnale e la conversione da analogico a digitale, il tutto gestito da un microcontroller a bassa potenza. L'assemblaggio include passaggi chiave come l'integrazione del circuito su un PCB a doppia faccia da 30 x 30 mm, la programmazione della forma d'onda tramite nRF Connect e la convalida attraverso test di resistenza salina e di carico. Le valutazioni in vitro hanno dimostrato un'uscita di corrente affidabile con impedenze di carico variabili, un efficace funzionamento salino senza degradazione della forma d'onda e la registrazione del segnale neurale ad alta fedeltà con un rapporto segnale/rumore superiore a 35 dB. Questi risultati confermano l'idoneità del dispositivo per esperimenti di neuromodulazione a circuito chiuso e gettano le basi per futuri studi traslazionali nella terapia DBS.

Introduction

Questo lavoro introduce un nuovo stimolatore cerebrale profondo per esplorare i cambiamenti a livello molecolare e comportamentale negli animali da esperimento. Sebbene in letteratura siano stati discussi vari dispositivi microstimolatori, essi variano in modo significativo in termini di dimensioni, peso, capacità di stimolazione, capacità di fornire una stimolazione prolungata e necessità di fonti di alimentazione esterne. La maggior parte dei dispositivi per roditori si basa sull'alimentazione esterna, il che limita la loro utilità negli studi che richiedono stimolazione simultanea e osservazione comportamentale¹. Sebbene alcune soluzioni, come cavi, onde magnetiche o sorgenti luminose, tentino di affrontare questo problema, ognuna presenta una propria serie di limitazioni: i cavi limitano il movimento e il comportamento, gli stimolatori magnetici sono confinati in ambienti specifici e i sistemi basati sulla luce dipendono dal ciclo di illuminazione².

La maggior parte dei sistemi di neurostimolazione tradizionali per i roditori prevede il legare l'animale a uno stimolatore esterno, che non solo limita la loro libertà di movimento, ma complica anche i test comportamentali³. Inoltre, i cavi possono usurarsi nel tempo, con conseguente rischio di malfunzionamento. Sebbene ci siano stati progressi nello sviluppo di sistemi portatili di stimolazione cerebrale profonda (DBS) per roditori, molti dispositivi attuali mancano di una documentazione dettagliata dei loro circuiti. Spesso questi dispositivi sono troppo pesanti e ingombranti rispetto alle dimensioni del roditore e le loro piccole batterie si scaricano rapidamente grazie alla stimolazione continua ad alta frequenza^. Alcuni ricercatori hanno provato a utilizzare batterie più grandi indossate dagli animali, ma questo limita ancora una volta i loro movimenti naturali. Inoltre, molti dispositivi non consentono regolazioni della tensione, che è essenziale per mantenere una stimolazione costante poiché l'impedenza cambia a causa delle interazioni tra l'elettrodo e il tessuto nel tempo⁵. C'è una crescente necessità di dispositivi miniaturizzati, wireless e a bassa potenza che siano adatti per eventuali applicazioni umane, ponendo una nuova sfida per lo sviluppo di interfacce cervello-macchina (BMI) a circuito chiuso di prossima generazione. I primati o i roditori non umani sono tipicamente utilizzati nella ricerca sull'IMC a causa delle loro somiglianze con il cervello umano o della disponibilità di un'ampia gamma di modelli sperimentali⁶. Tuttavia, lo sviluppo di microstimolatori leggeri e wireless per roditori come i topi è più impegnativo a causa delle loro dimensioni ridotte.

Come primo passo verso un ulteriore sviluppo, ci siamo concentrati sulla creazione di un dispositivo per roditori con un dispositivo multifunzionale con stimolazioni e registrazione. I ricercatori di solito adottano uno dei due approcci: lo sviluppo di circuiti integrati (IC) personalizzati o l'utilizzo di elettronica commerciale pronta all'uso (COTS)⁷. Sebbene i circuiti integrati offrano vantaggi come la riduzione del rumore, il design compatto e l'efficienza energetica, richiedono tempi di sviluppo più lunghi e sono costosi, il che li rende più appropriati per impianti a lungo termine piuttosto che per studi a breve termine sugli animali. Al contrario, i sistemi basati su COTS sono più flessibili e possono essere modificati facilmente durante le prime fasi di ricerca. Tuttavia, i sistemi COTS esistenti con funzioni di registrazione e stimolazione non sono ideali per esperimenti a lungo termine con piccoli animali che si muovono liberamente⁸. Spesso offrono solo funzionalità a canale singolo, sono cablati e non sono adatti per studi comportamentali prolungati. Alcuni sistemi supportano la trasmissione wireless dei dati, ma sono limitati nell'elaborazione in tempo reale, il che li rende inadeguati per studi a circuito chiuso come la plasticità dipendente dalla temporizzazione dei picchi.

Per superare queste sfide, abbiamo integrato entrambe le strategie nella progettazione dei nostri dispositivi. Abbiamo sviluppato un circuito integrato personalizzato in grado di registrare continuamente l'attività neurale con alta efficienza, rumore minimo e un ingombro compatto, riducendo le interferenze e la diafonia. Lo stimolatore è stato costruito utilizzando componenti COTS su circuiti stampati su misura collegati a un microcontrollore che gestisce l'elaborazione del segnale, la trasmissione wireless e la stimolazione programmabile. Questo approccio ha portato a un sistema di registrazione compatto a bassa potenza, a basso rumore abbinato a un microstimolatore programmabile in grado di funzionare in modalità a circuito chiuso. La flessibilità del microcontroller nella regolazione della configurazione del loop e nella trasmissione dei dati in modalità wireless lo rende uno strumento versatile per la ricerca preclinica sulla DBS. I risultati dei test in vitro sono presentati qui, dimostrando il potenziale del sistema per far progredire la comprensione e l'applicazione della DBS negli studi preclinici e oltre.

Protocol

Architettura del sistema
Nella Figura 1, un microcontroller a bassa potenza funge da nucleo del sistema, controllando la generazione della forma d'onda, l'elaborazione del segnale e il protocollo di comunicazione. Le ampiezze delle forme d'onda sono controllate dalla sorgente di corrente programmabile utilizzata. Il sistema utilizza un circuito H-Bridge integrato per alternare la direzione della corrente, creando così le forme d'onda bifasiche necessarie per stimolare l'attività neurale. Un resistore digitale assistito da microcontrollore, in combinazione con un resistore shunt, consente modifiche programmabili della forma d'onda attraverso un protocollo di interfaccia I2C. Per garantire che la corrente che passa attraverso gli elettrodi rimanga costante e coerente con un insieme predefinito di parametri, viene fornito un anello di retroazione attraverso un microcontrollore. Per garantire un'erogazione di potenza affidabile e la stabilità operativa, è implementato un regolatore di tensione a bassa caduta di tensione, che fornisce una fonte di alimentazione da 3,3 V al microcontrollore insieme a componenti aggiuntivi. La comunicazione del sistema con dispositivi esterni, come un computer, è facilitata da un convertitore da USB a seriale, che consente la connettività USB necessaria per l'acquisizione dei dati o la configurazione del sistema. Questi segnali neurali ottenuti dagli elettrodi vengono fatti passare attraverso uno stadio di amplificazione e filtraggio per massimizzarne la qualità prima di essere elaborati attraverso il microcontrollore. I segnali amplificati e filtrati possono essere inoltrati per un'analisi successiva o memorizzati per un'ulteriore elaborazione, mentre il sistema continua a stimolare il tessuto neurale con le forme d'onda bifasiche generate. Nella Figura 1 è mostrata una vista completa del diagramma a blocchi del sistema.

Hardware e schemi elettrici
Il sistema hardware è costituito da diversi sottosistemi che lavorano insieme per produrre forme d'onda bifasiche e catturare segnali neurali in tempo reale. È progettato per il funzionamento wireless e remoto e incorpora componenti a bassa potenza, comunicazione affidabile e robusta acquisizione del segnale. Di seguito è riportata una panoramica dettagliata dell'architettura hardware. Il progetto schematico è mostrato nella Figura 2; vedi anche la Tabella dei Materiali.

Unità di gestione dell'alimentazione
Il dispositivo può essere alimentato da una batteria ricaricabile ai polimeri di litio o tramite USB. La batteria fornisce alimentazione a tutti i componenti: il microcontrollore, il DAC, gli amplificatori e il modulo BLE. Per garantire un funzionamento efficiente e stabile, viene utilizzato un regolatore di tensione per fornire un'alimentazione costante a 3,3 V ai componenti critici. La funzione di bassa caduta di questo regolatore aiuta a prolungare la durata della batteria. Inoltre, è integrato un sistema di gestione della batteria (BMS) per monitorare e gestire la carica della batteria e per prevenire una scarica eccessiva⁹. Il BMS comunica con il microcontrollore per fornire aggiornamenti della batteria in tempo reale, che vengono trasmessi all'interfaccia remota tramite il modulo BLE. Il BMS monitora continuamente i livelli della batteria e attiva una modalità a basso consumo quando la carica scende al di sotto di una soglia specificata, disabilitando componenti non essenziali come il DAC e il modulo BLE per risparmiare energia.

Acquisizione e condizionamento del segnale
Per elaborare i segnali neurali deboli di bassa ampiezza catturati dagli elettrodi, il sistema include stadi di amplificazione e filtraggio. Il design dell'unità di registrazione è mostrato nella Figura 3. Un amplificatore operazionale viene utilizzato per l'amplificazione del segnale a basso rumore e un filtraggio efficace, garantendo un'elevata qualità del segnale.

Preamplificazione a basso rumore
Lo stadio preliminare utilizza un amplificatore operazionale come preamplificatore a basso rumore con un fattore di guadagno di 100. I segnali neurali, che in genere vanno da microvolt a millivolt, vengono amplificati a livelli adatti per ulteriori elaborazioni. L'amplificatore operazionale è stato scelto per la sua bassa densità di rumore di ingresso di 4,5 nV/√Hz a 1 kHz e l'elevata precisione, che lo rende adatto per l'acquisizione di segnali neurali di bassa ampiezza senza distorsioni. La sua capacità di produrre un segnale pulito con un elevato rapporto segnale/rumore (SNR) è fondamentale, poiché anche un rumore minore può oscurare dati importanti⁵.

Post-amplificazione e filtraggio con operazionale a basso rumore
Questo segnale amplificato diventa ora ancora più amplificato da un guadagno di 2,5 per raggiungere un livello ideale per l'ADC. Viene utilizzato anche un filtro passa-banda; Consente il passaggio di una banda di frequenza specificata annullando le interferenze e il rumore. La larghezza di banda dell'amplificatore operazionale e la sua tensione di offset zero consentono un filtraggio appropriato senza introdurre distorsioni di fase e ritardi. In generale, il filtro passa-banda è strutturato in modo tale da consentire la trasmissione di frequenze da 1 Hz a 11 kHz, abbracciando la maggior parte dei segnali neurali, smorzando contemporaneamente la deriva delle basse frequenze e il rumore ad alta frequenza, comprese le interferenze dalla rete.

Conversione analogico-digitale (ADC)
Dopo il filtraggio, il segnale condizionato viene digitalizzato da un ADC che opera a una frequenza di campionamento di 20 kHz. L'ADC converte i segnali analogici amplificati in valori digitali discreti per l'analisi. L'amplificatore operazionale garantisce che la qualità del segnale sia preservata, priva di rumore e distorsione. L'elevata frequenza di campionamento di 20 kHz cattura con precisione i rapidi cambiamenti nell'attività neurale, evitando l'aliasing.

Generazione di forme d'onda e controllo della corrente
Il sistema genera forme d'onda bifasiche utilizzando un circuito H-Bridge, consentendo alla corrente di fluire in entrambe le direzioni attraverso gli elettrodi e creando fasi positive e negative alternate necessarie per la stimolazione neurale.

Controllo a microcontrollore
Il microcontrollore controlla l'H-Bridge in base ai segnali PWM. Controlla sia la frequenza che l'ampiezza del segnale bifasico attraverso la regolazione del ciclo di lavoro PWM. L'attuale modello di convertitore digitale-analogico si comporta come una sorgente di corrente programmabile, consentendo di controllare con precisione l'ampiezza della forma d'onda. Questo DAC produce un segnale analogico che regola la corrente che scorre attraverso il ponte H, garantendo così il rispetto dei parametri di corrente specificati.

Retroazione
Un resistore di rilevamento della corrente posizionato in serie con gli elettrodi consente al sistema di monitorare la quantità di corrente che sta eseguendo utilizzando un ADC. Il microcontroller può effettuare regolazioni in tempo reale dell'uscita del DAC e della sua forma d'onda utilizzando il feedback del sistema combinato con un controller PID per mantenere i livelli di corrente specificati.

Comunicazione wireless
Il modulo BLE viene utilizzato nel sistema per consentire la comunicazione di dati trasmessi in modalità wireless attraverso la comunicazione BLE. Questo modulo utilizza il protocollo UART per la comunicazione in tempo reale e bidirezionale tra l'apparato e un'interfaccia utente remota. In questo progetto, il modulo BLE è collegato direttamente al microcontroller per ottenere un'integrazione a bassa latenza all'interno della trasmissione di dati wireless, inclusi i segnali neurali, le impostazioni correnti e lo stato del sistema, ricevendo al contempo i comandi dell'utente per la regolazione dei parametri della forma d'onda come durata, ampiezza e frequenza. Tuttavia, il modulo ha un basso consumo energetico, quindi è abbastanza adatto per dispositivi neurali portatili. Il modulo ha un raggio di comunicazione di ~30 m, ideale per ambienti clinici o di laboratorio.

Interfaccia di controllo e monitoraggio remoto
Il sistema è controllato in modalità wireless tramite un'app, nRF Connect, disponibile su piattaforme Android e IOS. Il terminale comunica con il modulo BLE utilizzando il protocollo UART, consentendo agli utenti di monitorare l'attività neurale e di configurare i parametri della forma d'onda in tempo reale. Le caratteristiche includono la configurazione della forma d'onda in grado di regolare il tipo di forma d'onda, l'ampiezza della corrente, la frequenza e la durata della fase; e l'unità di programmazione wireless che monitora la configurazione del sistema e gli aggiornamenti del firmware possono essere trasmessi in modalità wireless al microcontrollore, consentendo una facile personalizzazione senza accesso fisico all'hardware.

Software
Il software di controllo è essenziale per regolare la funzionalità e i parametri operativi del dispositivo. Utilizza il protocollo BLE UART per la comunicazione wireless tra le interfacce di controllo esterne e il dispositivo. Questa configurazione consente la programmazione in tempo reale di forme d'onda bifasiche controllate dalla corrente e di altri parametri chiave come la frequenza e l'ampiezza dell'impulso. L'applicazione mobile connect compatibile con Bluetooth fornisce un'interfaccia intuitiva per l'invio di comandi e la regolazione dei parametri. Il sistema può eseguire protocolli di stimolazione preprogrammati o accettare comandi definiti dall'utente in tempo reale, il tutto garantendo un basso consumo energetico.

Progettazione esecutiva e fabbricazione di PCB
Abbiamo progettato questo dispositivo utilizzando un software di progettazione PCB commerciale. Può essere utilizzato come zaino per animali. Il PCB è a doppia faccia con uno spessore di 0,4 mm e dimensioni di 30 x 30 x 1 mm. Pesa solo 9 g; il prodotto finale è mostrato nella Figura 4.

Modalità operative
Il dispositivo dispone di due modalità operative, ciascuna ottimizzata per specifiche applicazioni neurali: modalità di stimolazione e modalità di registrazione. Queste modalità sono controllate in modalità wireless tramite il protocollo BLE UART, consentendo la comunicazione con un dispositivo mobile.

Rifiuto degli artefatti: Poiché il dispositivo funziona in due modalità - modalità di stimolazione e modalità di registrazione - è importante assicurarsi che il rifiuto degli artefatti sia incorporato in modo che i dati registrati riflettano l'attività cerebrale reale e non il rumore elettrico della stimolazione. Durante la registrazione, il modulo di stimolazione viene temporaneamente spento per una breve finestra temporale, solitamente millisecondi, per evitare interferenze di stimolazione. Ciò impedisce al registratore di rilevare gli artefatti di stimolazione ad alta tensione.

Modalità di stimolazione: Questa modalità genera forme d'onda bifasiche controllate dalla corrente per la stimolazione neurale. Il software di controllo regola dinamicamente parametri come l'ampiezza dell'impulso, l'ampiezza dell'impulso, la frequenza e gli intervalli tra gli impulsi. La topologia H-Bridge è in grado di fornire un controllo molto preciso sulla direzione della corrente e sulla forma della forma d'onda del segnale. prevenire il danno tissutale durante la stimolazione a lungo termine riducendo al minimo la carica residua. La sorgente di corrente consente una regolazione molto precisa della corrente di uscita alla risoluzione μA.

Modalità di registrazione: Questa modalità prevede l'acquisizione di segnali neurali tramite elettrodi. I segnali, normalmente nell'ordine dei micro-volt (μV), vengono amplificati utilizzando amplificatori a basso rumore e filtrati attraverso un filtro passa-banda per rimuovere il rumore indesiderato. I segnali filtrati vengono successivamente digitalizzati da un ADC con una frequenza di campionamento di 20 kHz e trasmessi in modalità wireless per l'analisi. Il monitoraggio dell'impedenza garantisce una valutazione continua della qualità del contatto dell'elettrodo, essenziale per un'acquisizione accurata del segnale. Il dispositivo supporta il funzionamento a circuito chiuso, consentendo la regolazione in tempo reale dei parametri di stimolazione in base all'attività neurale registrata, rendendolo adatto per interfacce cervello-computer (BCI), neuroprotesi e altre applicazioni di neuromodulazione a circuito chiuso.

Results

Il dispositivo è stato sottoposto a diversi test di verifica e valutazione e la fattibilità del prodotto è stata testata in cinque fasi: valutazione della forma d'onda di uscita, test di uscita di corrente, test salino, test di caduta di tensione e test di registrazione.

Valutazione della forma d'onda di uscita
Il test principale del dispositivo è stato quello di verificare la forma e la modalità della forma d'onda utilizzando un resistore da 1 kΩ collegato attraverso il di...

Discussion

Questo dispositivo multifunzionale in miniatura segna un significativo passo avanti nella progettazione di sistemi integrati sia per la stimolazione neurale che per l'acquisizione del segnale. A differenza delle piattaforme esistenti come quelle descritte da Angotzi et ^al.5 e Melo-Thomas et ^al.8, che enfatizzano la registrazione multicanale o la stimolazione, il nostro sistema combina in modo unico la stimolazione bifasica programmabile e c...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Laboratori di silicio		Fornisce una soluzione di interfaccia plug and play completa che include driver royalty-free
DMHC30025LSD circuito H-Bridge	DIODI		Questo MOSFET complementare H-Bridge di nuova generazione è caratterizzato da una bassa resistenza in conduzione ottenibile con un basso gate drive.
microcontrollore MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Microcontrollori ARM - MCU Mainstream MCU Arm Cortex-M4+ 170 MHz con 256 kbyte di memoria Flash
Modulo BLE nordico MDBT42Q	Società Raytac		Consentire la comunicazione di dati trasmessi in modalità wireless tramite la comunicazione BLE
Amplificatore operazionale OPA322	STRUMENTI DEL TEXAS		Singolo, 5,5 V, 20 MHz, zero-cross a basso rumore (6nV/√ Hz) Amplificatore operazionale RRIO
Tina Ti Software	STRUMENTI DEL TEXAS		Simula la risposta in frequenza
TLV1117 Regolatore di tensione lineare regolabile e fisso da 15 V, 800 mA	STRUMENTI DEL TEXAS		Si tratta di una tensione lineare che fornisce fino a 800 mA di corrente di uscita con un intervallo di tensione di ingresso supportato da 2,7 V a 15 V.