Research Article

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

DOI:

10.3791/68837

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September 19th, 2025

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1Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Manipur (NITM), 2Department of Electrical and Electronics Engineering, Christ College of Engineering, 3Dr Siji George Medicine Professional Corporation, 4Christ College (Autonomous), 5Northern Ontario School of Medicine, 6Department of Electronics and Communication Engineering, Indian Institute of Technology Roorkee (IITR), 7Department of Computer Science & Engineering, Christ College of Engineering, 8Department of Electronics and Communication Engineering, Christ College of Engineering, 9Department of Mechanical and Mechatronics, University of Auckland, 10Department of Electronics and Communication, National Institute of Technology Manipur (NITM)

In This Article

Summary

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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

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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

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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

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Protocol

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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, consen....

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Results

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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.......

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Discussion

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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.......

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Disclosures

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Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Acknowledgements

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Nessuno

Contributo dell'autore:
Paul V.: Concettualizzazione, Zachariah: Metodologia, Francis: Software, George: Validazione, V. Parekkattil: Analisi formale, Jose: Indagine, Athithya: Indagine, Babu: Scrittura della bozza originale, Johnson: Supervisione, Surajkumar Singh: Convalida, Adhikari: Revisione della bozza originale

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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References

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  1. Pinnell, R. C., Pereira de Vasconcelos, A., Cassel, J. C., Hofmann, U. G. A miniaturized, programmable deepbrain stimulator for grouphousing and water maze use. Front Neurosci. 12, 598(2018).
  2. Alpaugh, M., et al. A novel wireless brain stimulati....

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