リアルタイムニューラル信号集録機能を備えた、多機能、組み込みベース、Bluetooth対応、プログラマブル、二相性波形刺激装置

Summary

ここでは、前臨床脳深部刺激 (DBS) 研究用に特別に設計された新しいデバイスと、神経信号記録ユニットについて説明します。このデバイスは、形状、周波数、パルス幅、振幅などの波形パラメータ、神経スパイクや局所電界電位の記録に広範な柔軟性を提供します。

Abstract

この研究では、小型で自由に動く動物を対象とした前臨床研究用に特別に設計された、軽量の Bluetooth 対応脳深部刺激 (DBS) デバイスが導入されています。波形の柔軟性とワイヤレス制御における現在の限界に対処するために、神経信号を同時に取得しながら、プログラム可能な電荷平衡二相波形を提供できるコンパクトな多機能刺激装置を開発しました。このシステムは、電流レギュレーション、信号増幅、およびA/D変換のための既製のコンポーネントを統合しており、すべて低電力マイクロコントローラによって管理されます。このアセンブリには、両面30 x 30 mm PCBへの回路統合、nRF Connectによる波形プログラミング、生理食塩水および耐負荷性テストによる検証などの重要なステップが含まれています。 in vitro 評価では、さまざまな負荷インピーダンスにわたる信頼性の高い電流出力、波形劣化のない効果的な生理食塩水操作、および 35 dB を超える信号対雑音比による忠実度の高い神経信号記録が実証されました。これらの結果は、このデバイスが閉ループ神経調節実験に適していることを確認し、DBS 療法における将来のトランスレーショナル研究の基礎を築きます。

Introduction

この研究では、実験動物の分子レベルおよび行動レベルでの変化を調査するための新しい脳深部刺激装置を紹介します。さまざまなマイクロ刺激装置が文献で議論されていますが、サイズ、重量、刺激能力、長時間の刺激を提供する能力、および外部電源の要件が大きく異なります。ほとんどのげっ歯類のデバイスは外部電源に依存しているため、刺激と行動観察を同時に行う必要がある研究での有用性が制限されます¹。テザー、磁波、光源などの一部のソリューションはこの問題に対処しようとしますが、それぞれに独自の制限^{があります:テ}ザーは動きと動作を制限し、磁気刺激装置は特定の環境に限定され、光ベースのシステムは照明サイクルに依存します2。

げっ歯類に対する従来の神経刺激システムのほとんどは、動物を外部刺激装置に縛り付けることを含み、動物の動きの自由を制限するだけでなく、行動テストも複雑にします³。さらに、ケーブルは時間の経過とともに摩耗し、故障の危険性が生じる可能性があります。げっ歯類用のポータブル脳深部刺激 (DBS) システムの開発は進歩していますが、現在のデバイスの多くは、その回路の詳細な文書が不足しています。多くの場合、これらのデバイスはげっ歯類のサイズに比べて重すぎてかさばり、継続的な高周波刺激によって小さなバッテリーがすぐに消耗^{します4。}一部の研究者は、動物が装着するより大きなバッテリーパックを使用しようとしましたが、これも動物の自然な動きを制限します。さらに、多くのデバイスでは電圧調整が不可能であり、これは電極と組織の間の相互作用によって時間の経過とともにインピーダンスが変化するため、一貫した刺激を維持するために不可欠です⁵。最終的な人間のアプリケーションに適した小型、ワイヤレス、低電力デバイスのニーズが高まっており、次世代の閉ループ ブレイン マシン インターフェイス (BMI) の開発に新たな課題が提起されています。ヒト以外の霊長類またはげっ歯類は、人間の脳との類似性、または幅広い^{実験モデルが利用可能}であるため、通常、BMI研究に使用されます6。ただし、マウスなどのげっ歯類用の軽量ワイヤレスマイクロ刺激装置の開発は、サイズが小さいため、より困難です。

さらなる開発への第一歩として、刺激と記録を備えた多機能デバイスを備えたげっ歯類用のデバイスの作成に集中しました。研究者は通常、カスタム集積回路 (IC) を開発するか、市販の電子機器 (COTS) を使用するかの 2 つのアプローチのいずれかを採用します⁷。IC には、ノイズの低減、コンパクトな設計、エネルギー効率などの利点がありますが、開発期間が長く、高価であるため、動物での短期研究よりも長期のインプラントに適しています。逆に、COTS ベースのシステムはより柔軟で、研究の初期段階で簡単に変更できます。しかし、記録および刺激機能を備えた既存のCOTSシステムは、自由に動く小動物8を用いた長期実験には理想的^{ではありません。}多くの場合、シングルチャネル機能のみを提供し、有線であり、長時間の行動研究には適していません。一部のシステムはワイヤレスデータ伝送をサポートしていますが、リアルタイム処理には制限があるため、スパイクタイミング依存の可塑性などの閉ループ研究には不十分です。

これらの課題を克服するために、私たちは両方の戦略をデバイス設計に統合しました。高効率、最小ノイズ、コンパクトな設置面積で神経活動を連続的に記録し、干渉やクロストークを低減できるカスタムICを開発しました。この刺激装置は、信号処理、無線伝送、およびプログラマブル刺激を処理するマイクロコントローラーに接続されたカスタムメイドの回路基板上のCOTSコンポーネントを使用して構築されました。このアプローチにより、閉ループモードで動作できるプログラマブルマイクロスティミュレータと組み合わせた、低電力、低ノイズ、コンパクトな記録システムが実現しました。マイクロコントローラーは、ループ構成を調整し、ワイヤレスでデータを送信できる柔軟性があるため、前臨床 DBS 研究のための多用途ツールになります。ここでは、 体外 試験の結果を紹介し、前臨床試験以降におけるDBSの理解と応用を促進するシステムの可能性を実証しています。

Protocol

システムアーキテクチャ
図1では、低電力マイクロコントローラがシステムの中核として機能し、波形生成、信号処理、および通信プロトコルを制御します。波形の振幅は、使用されるプログラム可能な電流源によって制御されます。このシステムは、電流方向を交互にするために統合されたHブリッジ回路を使用して、神経活動を刺激するために必要な二相波形を作成します。マイクロコントローラ支援デジタル抵抗器は、シャント抵抗器と組み合わせることで、I2Cインターフェースプロトコルを介してプログラム可能な波形変更を可能にします。電極を流れる電流が一定に保たれ、事前定義されたパラメータセットと一致するようにするために、マイクロコントローラーを介してフィードバックループが提供されます。信頼性の高い電力供給と動作安定性を確保するために、低ドロップアウト電圧レギュレータが実装されており、追加のコンポーネントとともに3.3Vの電源をマイクロコントローラに供給します。コンピュータなどの外部デバイスとのシステム通信は、USB-シリアルコンバータによって促進され、データ収集やシステム構成に必要なUSB接続が可能になります。電極から得られたこれらの神経信号は、マイクロコントローラーで処理される前に、増幅とフィルタリングの段階を経て品質を最大化します。増幅およびフィルタリングされた信号は、後で分析するために転送するか、さらなる処理のために保存することができますが、システムは生成された二相波形で神経組織を刺激し続けます。システムの完全なブロック図ビューを図1に示します。

ハードウェアと回路図
ハードウェア システムは、連携して二相波形を生成し、神経信号をリアルタイムでキャプチャするいくつかのサブシステムで構成されています。ワイヤレス、リモート操作用に設計されており、低電力コンポーネント、信頼性の高い通信、堅牢な信号取得が組み込まれています。以下は、ハードウェアアーキテクチャの詳細な概要です。回路図の設計を 図2に示します。 材料表も参照してください。

電源管理ユニット
このデバイスは、充電式リチウムポリマーバッテリーまたはUSB経由で給電できます。バッテリーは、マイクロコントローラー、DAC、アンプ、BLEモジュールのすべてのコンポーネントに電力を供給します。効率的かつ安定した動作を保証するために、電圧レギュレータを使用して、重要なコンポーネントに一貫した 3.3 V 電源を供給します。このレギュレータの低ドロップアウト機能は、バッテリ寿命の延長に役立ちます。さらに、バッテリー管理システム (BMS) が統合されており、バッテリーの充電を監視および管理し、過放電を防止します⁹。BMS はマイクロコントローラーと通信してリアルタイムのバッテリー更新を提供し、BLE モジュールを介してリモート インターフェイスに送信されます。BMS はバッテリー レベルを継続的に監視し、充電が指定されたしきい値を下回ると低電力モードをトリガーし、エネルギーを節約するために DAC や BLE モジュールなどの重要でないコンポーネントを無効にします。

信号の取得と調整
電極によって捕捉された低振幅の弱い神経信号を処理するために、システムには増幅段階とフィルタリング段階が含まれています。記録ユニットの設計を 図3に示します。オペアンプは、低ノイズの信号増幅と効果的なフィルタリングに使用され、高い信号品質を保証します。

低ノイズプリアンプ
予備段階では、ゲイン係数100の低ノイズプリアンプとしてオペアンプを使用します。通常、マイクロボルトからミリボルトの範囲の神経信号は、さらなる処理に適したレベルまで増幅されます。このオペアンプは、1kHzで4.5nV/√Hzと低い入力ノイズ密度と高精度を備えており、歪みのない低振幅の神経信号のキャプチャに適しているため、選択されました。わずかなノイズでも重要なデータを覆い隠す可能性があるため、高い信号対雑音比 (SNR) でクリーンな信号を生成する能力は非常に重要です⁵。

低ノイズオペアンプによるポスト増幅とフィルタリング
この増幅された信号は、2.5のゲインによってさらに増幅され、ADCの理想的なレベルに達します。バンドパスフィルターも利用されます。干渉やノイズを打ち消しながら、指定された周波数帯域を通過させることができます。オペアンプの帯域幅とゼロオフセット電圧により、位相歪みや遅延を発生させることなく適切なフィルタリングが可能になります。一般に、バンドパスフィルターは、1 Hzから11kHzまでの周波数を伝送できるように構成されており、ほとんどの神経信号を受け入れると同時に、主電源からの干渉を含む低周波ドリフトと高周波ノイズを減衰させます。

A/D変換(ADC)
フィルタリング後、コンディショニングされた信号は、20kHzのサンプリングレートで動作するADCによってデジタル化されます。ADCは、増幅されたアナログ信号を解析のためにディスクリートデジタル値に変換します。オペアンプは、ノイズや歪みのない信号品質が維持されることを保証します。20 kHz の高サンプリング レートにより、神経活動の急激な変化を正確に捉え、エイリアシングを回避します。

波形生成と電流制御
このシステムは、H ブリッジ回路を使用して二相波形を生成し、電極を通って両方向に電流を流し、神経刺激に必要な正と負の相を交互に生成します。

マイコン制御
マイクロコントローラは、PWM信号に基づいてHブリッジを制御します。PWMデューティサイクルの調整により、二相性信号の周波数と振幅の両方を制御します。現在のデジタル-アナログコンバータモデルは、プログラム可能な電流源として動作し、波形振幅を正確に制御できます。この DAC は、H ブリッジを流れる電流を調整するアナログ信号を生成し、それによって指定された電流パラメータへの準拠を保証します。

フィードバックループ
電極と直列に配置された電流検出抵抗により、システムはADCを使用して動作電流を監視できます。マイクロコントローラは、システムからのフィードバックとPIDコントローラを組み合わせて、指定された電流レベルを維持することで、DACの出力とその波形をリアルタイムで調整できます。

無線通信
BLEモジュールは、BLE通信を介してワイヤレスで送信されたデータの通信を可能にするためにシステムで使用されています。このモジュールは、UARTプロトコルを使用して、装置とリモートユーザーインターフェイス間のリアルタイムおよび双方向通信を行います。この設計では、BLE モジュールをマイクロコントローラーに直接接続して、持続時間、振幅、周波数などの波形パラメータを調整するためのユーザー コマンドを受信しながら、ニューラル信号、現在の設定、システム ステータスなどのワイヤレス データ伝送内の低遅延統合を実現します。ただし、このモジュールは消費電力が低いため、ポータブル ニューラル デバイスに非常に適しています。このモジュールの通信範囲は~30mで、臨床環境やラボ環境に最適です。

リモートコントロールおよび監視インターフェース
このシステムは、Android および IOS プラットフォームで利用できるアプリ nRF Connect を使用してワイヤレスで制御されます。この端末は UART プロトコルを使用して BLE モジュールと通信し、ユーザーは神経活動を監視し、波形パラメータをリアルタイムで構成できます。機能には、波形タイプ、電流振幅、周波数、位相持続時間を調整できる波形構成が含まれます。また、システム構成やファームウェアのアップデートを監視するワイヤレスプログラミングユニットをマイクロコントローラにワイヤレスで送信できるため、ハードウェアに物理的にアクセスすることなく簡単にカスタマイズできます。

ソフトウェア
制御ソフトウェアは、デバイスの機能と動作パラメータを調整するために不可欠です。外部制御インターフェイスとデバイス間の無線通信に BLE UART プロトコルを使用します。このセットアップにより、電流制御された二相波形や、周波数やパルス幅などのその他の重要なパラメータをリアルタイムでプログラミングできます。Bluetooth互換のモバイルアプリケーション接続は、コマンドの送信とパラメータの調整のためのユーザーフレンドリーなインターフェイスを提供します。このシステムは、低消費電力を確保しながら、事前にプログラムされた刺激プロトコルを実行したり、ユーザー定義のコマンドをリアルタイムで受け入れたりすることができます。

最終設計とPCB製造
このデバイスは、市販のPCB設計ソフトウェアを使用して設計されました。動物用のバックパックとしても使用できます。PCBは両面で、厚さは0.4mm、寸法は30 x 30 x 1 mmです。重さはわずか9gです。最終製品を 図4に示します。

動作モード
このデバイスには2つの動作モードがあり、各モードは特定のニューラルアプリケーション向けに最適化されています:刺激モードと記録モード。これらのモードは BLE UART プロトコルを介してワイヤレスで制御され、モバイル デバイスとの通信が可能になります。

アーティファクトの拒否: このデバイスは刺激モードと記録モードの 2 つのモードで動作するため、記録されたデータが刺激による電気ノイズではなく、実際の脳活動を反映するようにアーティファクト除去が組み込まれていることを確認することが重要です。記録中、刺激の干渉を避けるために、刺激モジュールは短時間 (通常はミリ秒) 一時的にオフになります。これにより、レコーダーが高電圧刺激アーティファクトを拾うのを防ぎます。

刺激モード: このモードは、神経刺激のために電流制御された二相波形を生成します。制御ソフトウェアは、パルス振幅、パルス幅、周波数、パルス間間隔などのパラメータを動的に調整します。Hブリッジトポロジーは、電流の方向と信号波形の形状を非常に細かく制御できます。残留電荷を最小限に抑えることにより、長期刺激中の組織損傷を防ぎます。電流源により、出力電流をμA分解能まで非常に微調整できます。

録音モード: このモードには、電極を介して神経信号をキャプチャすることが含まれます。通常、マイクロボルト(μV)の範囲の信号は、低ノイズアンプを使用して増幅され、バンドパスフィルタを介してフィルタリングされて、望ましくないノイズが除去されます。フィルタリングされた信号は、その後、20kHzのサンプリングレートでADCによってデジタル化され、分析のためにワイヤレスで送信されます。インピーダンス監視により、正確な信号キャプチャに不可欠な電極接触品質の継続的な評価が保証されます。このデバイスは閉ループ動作をサポートしており、記録された神経活動に基づいて刺激パラメータをリアルタイムで調整できるため、ブレイン コンピューター インターフェイス (BCI)、神経補綴物、その他の閉ループ神経調節アプリケーションに適しています。

Results

このデバイスはさまざまな検証および評価テストを受け、出力波形評価、電流出力テスト、生理食塩水テスト、電圧降下テスト、および記録テストの5段階で実現可能性がテストされました。

出力波形評価
このデバイスの主なテストは、デバイスに2つに接続された1kΩの抵抗を使用して、波形の形状とモードを確認することでした。デジタルストレージオシロスコープで位相間遅延のある二相波形の提供に成功しました。すべてのパラメータをカスタマイズできるため、デバイスは、位相間遅延の有無にかかわらず、単相性または二相性を実現できます。出力サンプルを 図5に示します。

電流出力テスト
デバイス検証の第2段階は、抵抗を変化させることでデバイスの電流注入を確認することでした。組織インピーダンスはDBS中に変化し、デバイスの電流出力に影響を与える可能性があります³。これを検証するため...

Discussion

この多機能小型デバイスは、神経刺激と信号取得の両方のための統合システムの設計において有意義な前進を示しています。Angotziら^5やMelo-Thomasら8によって記述されたマルチチャンネル記録または刺激のいずれかに重点を置く既存のプラットフォームとは異なり、当社のシステムは、プログラム可能な電流制御の二相性刺激とリアルタイムの神経信号記録をコンパクトなワイヤレスフォームファクターで独自に組み合わせています。この統合されたアプローチにより、閉ループの神経調節が可能になり、記録された神経活動が刺激プロトコルを直接ガイドできるようになり、これは精度主導の実験神経科学にとって特に価値があります。

システムの中心となるのは、アクティブに電荷バランスのとれた二相波形を提供するプログラム可能なHブリッジであり、残留電荷の蓄積による組織損傷のリスクを軽減します¹¹。高性能、低ノイズ、汎...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB接続	シリコンラボ		ロイヤリティフリーのドライバを含む完全なプラグアンドプレイインターフェースソリューションを提供します
DMHC30025LSD Hブリッジ回路	ダイオード		この新世代の相補型MOSFET Hブリッジは、低ゲート駆動で達成可能な低オン抵抗を特長としています。
マイクロコントローラ MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		ARMマイクロコントローラ - MCUメインストリームArm Cortex-M4+ MCU 170MHz、256KBのフラッシュメモリ
Nordic BLEモジュールMDBT42Q	レイタック株式会社		BLE通信による無線送信データの通信を可能にする
OPA322オペアンプ	テキサス・インスツルメンツ		シングル、5.5V、20MHz、ゼロクロス低ノイズ(6nV/√Hz) RRIO オペアンプ
Tina Ti ソフトウェア	テキサス・インスツルメンツ		周波数応答をシミュレート
TLV1117 15V、800mA、調整可能および固定リニア電圧レギュレータ	テキサス・インスツルメンツ		これは、最大800mAの出力電流を供給する線形電圧で、サポートされている入力電圧範囲は2.7V〜15Vです。