Research Article

리얼타임 신경 신호 획득 기능이 있는 다기능, 임베디드 기반, Bluetooth 지원, 프로그래밍 가능, 위상 파형 자극기

DOI:

10.3791/68837

⸱

September 19th, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에서는 신경 신호 기록 장치와 함께 전임상 심부 뇌 자극(DBS) 연구를 위해 특별히 설계된 새로운 장치에 대해 설명합니다. 이 장치는 모양, 주파수, 펄스 너비, 진폭, 신경 스파이크 및 로컬 필드 전위 기록을 포함한 파형 매개변수에 광범위한 유연성을 제공합니다.

Abstract

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이 연구는 작고 자유롭게 움직이는 동물을 대상으로 한 전임상 연구를 위해 특별히 설계된 경량 블루투스 지원 심부 뇌 자극(DBS) 장치를 소개합니다. 파형 유연성 및 무선 제어의 현재 한계를 해결하기 위해 우리는 프로그래밍 가능한 전하 균형 이상 파형을 전달하는 동시에 신경 신호를 수집할 수 있는 소형 다기능 자극기를 개발했습니다. 이 시스템은 전류 조절, 신호 증폭, 아날로그-디지털 변환을 위한 기성 구성 요소를 통합하며, 모두 저전력 마이크로컨트롤러에 의해 관리됩니다. 어셈블리에는 양면 30 x 30mm PCB의 회로 통합, nRF Connect를 통한 파형 프로그래밍, 식염수 및 부하 저항 테스트를 통한 검증과 같은 주요 단계가 포함됩니다. 시험관 내 평가에서는 다양한 부하 임피던스에 걸쳐 안정적인 전류 출력, 파형 저하 없이 효과적인 식염수 작동, 신호 대 잡음비가 35dB를 초과하는 고충실도 신경 신호 기록을 입증했습니다. 이러한 결과는 폐쇄 루프 신경조절 실험에 대한 장치의 적합성을 확인하고 DBS 요법의 향후 중개 연구를 위한 토대를 마련합니다.

Introduction

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이 연구는 실험 동물의 분자 및 행동 수준의 변화를 탐구하기 위해 새로운 심부 뇌 자극기를 소개합니다. 다양한 미세 자극기 장치가 문헌에서 논의되었지만 크기, 무게, 자극 기능, 장기간 자극을 전달하는 능력 및 외부 전원에 대한 요구 사항이 크게 다릅니다. 대부분의 설치류 장치는 외부 전력에 의존하므로 동시 자극과 행동 관찰이 필요한 연구에서 유용성이 제한됩니다1. 테더, 자기파 또는 광원과 같은 일부 솔루션은 이 문제를 해결하려고 시도하지만 테더는 움직임과 동작을 제한하고, 자기 자극기는 특정 환경에 국한되며, 조명 기반 시스템은 조명 주기에 의존합니다2.

설치류를 위한 대부분의 전통적인 신경자극 시스템은 동물을 외부 자극기에 묶는 것을 포함하며, 이는 동물의 움직임의 자유를 제한할 뿐만 아니라 행동 테스트를 복잡하게 만듭니다3. 또한 시간이 지남에 따라 케이블이 마모되어 오작동의 위험이 있습니다. 설치류를 위한 휴대용 뇌심부 자극(DBS) 시스템 개발에는 진전이 있었지만 현재 많은 장치에는 회로에 대한 자세한 문서가 부족합니다. 종종 이러한 장치는 설....

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Protocol

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시스템 아키텍처
그림 1에서 저전력 마이크로컨트롤러는 시스템의 핵심 역할을 하여 파형 생성, 신호 처리 및 통신 프로토콜을 제어합니다. 파형의 진폭은 사용되는 프로그래밍 가능한 전류 소스에 의해 제어됩니다. 이 시스템은 전류 방향을 교대하기 위해 통합 H-브리지 회로를 사용하므로 신경 활동을 자극하는 데 필요한 이중 파형을 생성합니다. 션트 저항기와 함께 마이크로컨트롤러 지원 디지털 저항기를 사용하면 I2C 인터페이스 프로토콜을 통해 프로그래밍 가능한 파형 수정이 가능합니다. 전극을 통과하는 전류가 일정하게 유지되고 미리 정의된 매개변수 세트와 일치하도록 하기 위해 마이크로컨트롤러를 통해 피드백 루프가 제공됩니다. 안정적인 전력 공급 및 작동 안정성을 보장하기 위해 저드롭아웃 전압 조정기가 구현되어 추가 구성 요소와 함께 마이크로컨트롤러에 3.3V 전원을 공급합니다. 컴퓨터와 같은 외부 장치와의 시스템 통신은 USB-to-Serial 컨버터를 통해 촉진되며, 이를 통해 데이터 수집 또는 시스템 구성에 필요한 USB 연결이 가능합니다. 전극에서 얻은 이러한 신경 신호는 마이크로컨트롤러를 통해 처리되기 전에 품질을 최대화하기 위해 증폭 및 필터링 ....

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Results

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이 장치는 다양한 검증 및 평가 테스트를 거쳤으며 출력 파형 평가, 전류 출력 테스트, 식염수 테스트, 전압 강하 테스트 및 기록 테스트의 5단계로 제품 타당성 테스트를 거쳤습니다.

출력 파형 평가
장치의 기본 테스트는 장치에 연결된 1kΩ 저항을 사용하여 파형의 모양과 모드를 확인하는 것이었습니다. 디지털 스토리지 오실로스코프에서 위상 간 지연이 있는 2상 파형을 성공적으로 전달했습니다. 모든 매개변수를 사용자 정의할 수 있기 때문에 장치는 위상 간 지연 유무에 관계없이 단상 또는 이상을 제공할 수 있습니다. 출력 샘플은 그림 5에 나와 있습니다.

전류 출력 테스트
장치 검증의 두 번째 단계는 저항을 변경하여 장치의 전류 주입을 확인하는 것이었습니다. 조직 임피던스는 DBS 중에 달라지며, 이는 장치의 전.......

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Discussion

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이 다기능 소형 장치는 신경 자극과 신호 획득 모두를 위한 통합 시스템 설계에서 의미 있는 진전을 의미합니다. 다중 채널 녹음 또는 자극을 강조하는 Angotzi et al.5 및 Melo-Thomas et al.8이 설명한 것과 같은 기존 플랫폼과 달리 당사 시스템은 프로그래밍 가능한 전류 제어 이중 상 자극과 실시간 신경 신호 기록을 콤팩트한 무선 폼 팩터에 독특하게 결합합니다. 이 통합 접근 방식은 폐쇄 루프 신경 조절을 가능하게 하여 기록된 신경 활동이 자극 프로토콜을 직접 안내할 수 있도록 하며, 이는 정밀 중심의 실험 신경과학에 특히 유용합니다.

시스템의 중심에는 능동적으로 전하 균형 조정 된 이상 파형을 제공하는 프로그래밍 가능한 H-브리지가 있어 잔류 전하 축적으로 인한 조직 손상 위험을 줄입니다

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Disclosures

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저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

없음

저자 기여:
Paul V.: 개념화, Zachariah: 방법론, Francis: 소프트웨어, George: 검증, V. Parekkattil: 형식 분석, Jose: 조사, Athithya: 조사, Babu: 원안 작성, Johnson: 감독, Surajkumar Singh: 검증, Adhikari: 원안 수정

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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