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

Summary

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

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

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 설치류의 크기에 비해 너무 무겁고 부피가 크며 작은 배터리는 지속적인 고주파 자극에 의해 빠르게 소모됩니다⁴. 일부 연구자들은 동물이 착용하는 더 큰 배터리 팩을 사용하려고 시도했지만 이로 인해 동물의 자연스러운 움직임이 다시 제한됩니다. 또한, 많은 장치는 시간이 지남에 따라 전극과 조직 사이의 상호 작용으로 인해 임피던스가 변하기 때문에 일관된 자극을 유지하는 데 필수적인 전압 조정을 허용하지 않습니다⁵. 궁극적인 인간 애플리케이션에 적합한 소형화, 무선 및 저전력 장치에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이는 차세대 폐쇄 루프 뇌-기계 인터페이스(BMI) 개발에 새로운 과제를 제기하고 있습니다. 인간이 아닌 영장류 또는 설치류는 일반적으로 인간의 뇌와 유사하거나 광범위한 실험 모델의 가용성 때문에 BMI 연구에 사용됩니다⁶. 그러나 생쥐와 같은 설치류를 위한 경량 무선 마이크로 자극기의 개발은 크기가 작기 때문에 더 어렵습니다.

추가 개발을 위한 첫 번째 단계로 우리는 자극과 기록이 있는 다기능 장치를 갖춘 설치류용 장치를 만드는 데 집중했습니다. 연구자들은 일반적으로 맞춤형 집적 회로(IC)를 개발하거나 상용 기성품(COTS) 전자 장치를 사용하는 두 가지 접근 방식 중 하나를 취합니다⁷. IC는 소음 감소, 컴팩트한 디자인, 에너지 효율성 등의 이점을 제공하지만 개발 시간이 더 길고 가격이 비싸기 때문에 동물을 대상으로 한 단기 연구보다는 장기 임플란트에 더 적합합니다. 반대로 COTS 기반 시스템은 더 유연하고 초기 연구 단계에서 쉽게 수정할 수 있습니다. 그러나 기록 및 자극 기능을 갖춘 기존 COTS 시스템은 자유롭게 움직이는 작은 동물을 대상으로 한 장기 실험에 적합하지 않습니다⁸. 단일 채널 기능만 제공하고 유선으로 연결되어 있는 경우가 많으며 장기간의 행동 연구에는 적합하지 않습니다. 일부 시스템은 무선 데이터 전송을 지원하지만 실시간 처리가 제한되어 스파이크 타이밍 의존적 가소성과 같은 폐쇄 루프 연구에는 부적절합니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 우리는 두 가지 전략을 장치 설계에 통합했습니다. 우리는 고효율, 최소한의 소음, 컴팩트한 설치 공간으로 신경 활동을 지속적으로 기록할 수 있는 맞춤형 IC를 개발하여 간섭과 누화를 줄였습니다. 자극기는 신호 처리, 무선 전송 및 프로그래밍 가능한 자극을 처리하는 마이크로컨트롤러에 연결된 맞춤형 회로 기판의 COTS 구성 요소를 사용하여 제작되었습니다. 이 접근 방식은 폐쇄 루프 모드에서 작동할 수 있는 프로그래밍 가능한 마이크로 자극기와 쌍을 이루는 저전력, 저잡음, 소형 기록 시스템을 탄생시켰습니다. 루프 구성을 조정하고 데이터를 무선으로 전송하는 마이크로컨트롤러의 유연성은 전임상 DBS 연구를 위한 다용도 도구입니다. 체외 테스트 결과는 전임상 연구 및 그 이상에서 DBS의 이해와 적용을 발전시킬 수 있는 시스템의 잠재력을 보여줍니다.

Protocol

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 단계를 거칩니다. 증폭 및 필터링 된 신호는 나중에 분석하기 위해 전달되거나 추가 처리를 위해 저장 될 수 있으며, 시스템은 생성된 이중 파형으로 신경 조직을 계속 자극합니다. 시스템의 전체 블록 다이어그램 보기는 그림 1에 나와 있습니다.

하드웨어 및 회로도
하드웨어 시스템은 함께 작동하여 이중 파형을 생성하고 신경 신호를 실시간으로 캡처하는 여러 하위 시스템으로 구성됩니다. 무선, 원격 작동을 위해 설계되었으며, 저전력 구성 요소, 신뢰할 수 있는 통신, 강력한 신호 획득 기능을 갖추고 있습니다. 다음은 하드웨어 아키텍처에 대한 자세한 개요입니다. 개략도 설계는 그림 2에 나와 있습니다. 또한 재료 표를 참조하십시오.

전원 관리 장치
이 장치는 충전식 리튬 폴리머 배터리 또는 USB를 통해 전원을 공급할 수 있습니다. 배터리는 마이크로컨트롤러, DAC, 증폭기 및 BLE 모듈과 같은 모든 구성 요소에 전원을 공급합니다. 효율적이고 안정적인 작동을 보장하기 위해 전압 조정기 (Voltage Regulator) 를 사용하여 중요한 구성 요소에 일관된 3.3V 전원 공급 장치를 제공합니다. 이 레귤레이터의 낮은 드롭아웃 기능은 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 또한 배터리 관리 시스템(BMS)을 통합하여 배터리 충전을 모니터링 및 관리하고 과방전을 방지합니다⁹. BMS는 마이크로컨트롤러와 통신하여 BLE 모듈을 통해 원격 인터페이스로 전송되는 실시간 배터리 업데이트를 제공합니다. BMS는 배터리 잔량을 지속적으로 모니터링하고 충전량이 지정된 임계값 아래로 떨어지면 저전력 모드를 트리거하여 DAC 및 BLE 모듈과 같은 필수적이지 않은 구성 요소를 비활성화하여 에너지를 절약합니다.

신호 수집 및 컨디셔닝
전극에 의해 캡처 된 저진폭 약한 신경 신호를 처리하기 위해 시스템에는 증폭 및 필터링 단계가 포함됩니다. 기록 장치의 설계는 그림 3에 나와 있습니다. 연산 증폭기는 저잡음 신호 증폭 및 효과적인 필터링에 사용되어 높은 신호 품질을 보장합니다.

저잡음 프리 앰프
예비 단계에서는 연산 증폭기를 이득 계수가 100인 저잡음 전치 증폭기로 사용합니다. 일반적으로 마이크로볼트에서 밀리볼트에 이르는 신경 신호는 추가 처리에 적합한 수준으로 증폭됩니다. 연산 증폭기는 1kHz에서 4.5nV/√Hz의 낮은 입력 잡음 밀도와 높은 정밀도로 인해 왜곡 없이 저진폭 신경 신호를 캡처하는 데 적합하기 때문에 선택되었습니다. 사소한 노이즈라도 중요한 데이터를 가릴 수 있으므로 SNR(Signal-to-Noise Ratio)으로 깨끗한 신호를 생성하는 능력이 매우 중요합니다⁵.

저잡음 연산 증폭기를 사용한 사후 증폭 및 필터링
이 증폭된 신호는 이제 ADC의 이상적인 레벨에 도달하기 위해 2.5의 이득으로 훨씬 더 증폭됩니다. 대역 통과 필터도 사용됩니다. 간섭과 노이즈를 제거하면서 지정된 주파수 대역을 통과할 수 있습니다. 연산 증폭기의 대역폭과 제로 오프셋 전압은 위상 왜곡 및 지연을 도입하지 않고 적절한 필터링을 가능하게 합니다. 일반적으로 대역 통과 필터는 1Hz에서 11kHz까지의 주파수를 전송할 수 있는 방식으로 구성되어 대부분의 신경 신호를 포용하는 동시에 주전원 간섭을 포함한 저주파 드리프트 및 고주파 노이즈를 완화합니다.

아날로그-디지털 변환(ADC)
필터링 후 컨디셔닝된 신호는 20kHz 샘플링 속도로 작동하는 ADC에 의해 디지털화됩니다. ADC는 증폭된 아날로그 신호를 분석을 위해 개별 디지털 값으로 변환합니다. 연산 증폭기는 신호 품질이 유지되고 노이즈와 왜곡이 없도록 합니다. 20kHz의 높은 샘플링 속도는 신경 활동의 급격한 변화를 정밀하게 포착하여 앨리어싱을 방지합니다.

파형 생성 및 전류 제어
이 시스템은 H-브리지 회로를 사용하여 2상 파형을 생성하여 전류가 전극을 통해 양방향으로 흐르도록 하고 신경 자극에 필요한 양극 및 음극 위상을 교대로 생성합니다.

마이크로컨트롤러 제어
마이크로컨트롤러는 PWM 신호를 기반으로 H-Bridge를 제어합니다. PWM 듀티 사이클의 조정을 통해 이중 상 신호의 주파수와 진폭을 모두 제어합니다. 현재 디지털-아날로그 컨버터 모델은 프로그래밍 가능한 전류 소스로 작동하여 파형 진폭을 정확하게 제어할 수 있습니다. 이 DAC는 H-브리지를 통해 흐르는 전류를 조정하는 아날로그 신호를 생성하여 지정된 전류 매개변수를 준수하도록 합니다.

피드백 루프
전극과 직렬로 배치된 전류 감지 저항을 통해 시스템은 ADC를 사용하여 작동 중인 전류의 양을 모니터링할 수 있습니다. 마이크로컨트롤러는 지정된 전류 레벨을 유지하기 위해 PID 컨트롤러와 결합된 시스템의 피드백을 사용하여 DAC의 출력과 파형을 실시간으로 조정할 수 있습니다.

무선 통신
BLE 모듈은 BLE 통신을 통해 무선으로 전송된 데이터의 통신을 허용하기 위해 시스템에서 사용됩니다. 이 모듈은 장치와 원격 사용자 인터페이스 간의 실시간 및 양방향 통신을 위해 UART 프로토콜을 사용합니다. 이 설계에서 BLE 모듈은 마이크로컨트롤러에 직접 연결되어 신경 신호, 현재 설정 및 시스템 상태를 포함한 무선 데이터 전송 내에서 저지연 통합을 달성하는 동시에 지속 시간, 진폭 및 주파수와 같은 파형 매개변수 조정을 위한 사용자 명령을 수신합니다. 그러나 이 모듈은 전력 소비가 낮기 때문에 휴대용 신경 장치에 매우 적합합니다. 이 모듈의 통신 범위는 ~30m로 임상 또는 실험실 환경에 이상적입니다.

원격 제어 및 모니터링 인터페이스
이 시스템은 Android 및 IOS 플랫폼에서 사용할 수 있는 nRF Connect 앱을 사용하여 무선으로 제어됩니다. 터미널은 UART 프로토콜을 사용하여 BLE 모듈과 통신하므로 사용자는 신경 활동을 모니터링하고 실시간으로 파형 매개변수를 구성할 수 있습니다. 이 기능에는 파형 유형, 전류 진폭, 주파수 및 위상 지속 시간을 조정할 수있는 파형 구성이 포함됩니다. 시스템 구성 및 펌웨어 업데이트를 모니터링하는 무선 프로그래밍 유닛을 마이크로컨트롤러로 무선으로 전송할 수 있어 하드웨어에 물리적으로 접근하지 않고도 쉽게 맞춤화할 수 있습니다.

소프트웨어
제어 소프트웨어는 장치의 기능과 작동 매개변수를 조절하는 데 필수적입니다. 외부 제어 인터페이스와 장치 간의 무선 통신을 위해 BLE UART 프로토콜을 사용합니다. 이 설정을 통해 전류 제어 이상 파형 및 주파수 및 펄스 너비와 같은 기타 주요 매개변수를 실시간으로 프로그래밍할 수 있습니다. Bluetooth 호환 모바일 애플리케이션 connect는 명령을 보내고 매개변수를 조정하기 위한 사용자 친화적인 인터페이스를 제공합니다. 이 시스템은 사전 프로그래밍된 자극 프로토콜을 실행하거나 사용자 정의 명령을 실시간으로 수락할 수 있으며, 동시에 낮은 전력 소비를 보장합니다.

최종 설계 및 PCB 제작
우리는 상용 PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 이 장치를 설계했습니다. 동물을 위한 배낭으로 사용할 수 있습니다. PCB는 두께 0.4mm, 치수 30 x 30 x 1mm의 양면입니다. 무게는 9g에 불과합니다. 최종 제품은 그림 4에 나와 있습니다.

작동 모드
이 장치에는 두 가지 작동 모드가 있으며, 각 모드는 특정 신경 응용 프로그램에 최적화되어 있습니다: 자극 모드와 기록 모드. 이러한 모드는 BLE UART 프로토콜을 통해 무선으로 제어되어 모바일 장치와의 통신이 가능합니다.

아티팩트 거부: 이 장치는 자극 모드와 기록 모드의 두 가지 모드로 작동하므로 기록된 데이터가 자극으로 인한 전기 노이즈가 아닌 실제 뇌 활동을 반영하도록 아티팩트 거부가 통합되었는지 확인하는 것이 중요합니다. 녹화하는 동안 자극 모듈은 자극 간섭을 피하기 위해 짧은 시간(일반적으로 밀리초) 동안 일시적으로 꺼집니다. 이렇게 하면 레코더가 고전압 자극 아티팩트를 포착하는 것을 방지할 수 있습니다.

자극 모드: 이 모드는 신경 자극을 위해 전류 제어 이상 파형을 생성합니다. 제어 소프트웨어는 펄스 진폭, 펄스 너비, 주파수, 펄스 간 간격과 같은 매개변수를 동적으로 조정합니다. H-브리지 토폴로지 (H-Bridge Topology) 는 전류의 방향과 신호 파형의 모양을 매우 세밀하게 제어할 수 있습니다. 잔류 전하를 최소화하여 장기간 자극 중 조직 손상을 방지합니다. 전류 소스는 출력 전류를 μA 분해능으로 매우 미세하게 조정할 수 있습니다.

녹음 모드: 이 모드에는 전극을 통해 신경 신호를 캡처하는 작업이 포함됩니다. 일반적으로 마이크로볼트(μV) 범위의 신호는 저잡음 증폭기를 사용하여 증폭되고 대역 통과 필터를 통해 필터링되어 바람직하지 않은 노이즈를 제거합니다. 필터링된 신호는 이후 20kHz의 샘플링 속도로 ADC에 의해 디지털화되고 분석을 위해 무선으로 전송됩니다. 임피던스 모니터링은 정확한 신호 캡처에 필수적인 전극 접촉 품질의 지속적인 평가를 보장합니다. 이 장치는 폐쇄 루프 작동을 지원하여 기록된 신경 활동을 기반으로 자극 매개변수를 실시간으로 조정할 수 있어 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI), 신경 보철 및 기타 폐쇄 루프 신경조절 응용 분야에 적합합니다.

Results

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...

Discussion

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

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	실리콘 랩		로열티 프리 드라이버를 포함하는 완벽한 플러그 앤 플레이 인터페이스 솔루션을 제공합니다.
DMHC30025LSD H-브리지 회로	다이오드		이 차세대 보완형 MOSFET H-브리지는 낮은 게이트 드라이브로 달성할 수 있는 낮은 온스테이트 저항을 특징으로 합니다.
마이크로컨트롤러 MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		ARM 마이크로컨트롤러 - MCU 메인스트림 Arm Cortex-M4+ MCU, 170MHz(256KB 플래시 메모리 포함)
Nordic BLE 모듈 MDBT42Q	레이택 코퍼레이션		BLE 통신을 통해 무선으로 전송된 데이터의 통신 허용
OPA322 연산 증폭기	텍사스 인스트루먼트		단일, 5.5V, 20MHz, 제로 크로스 저잡음(6nV/√ Hz) RRIO 연산 증폭기
Tina Ti 소프트웨어	텍사스 인스트루먼트		주파수 응답 시뮬레이션
TLV1117 15V, 800mA, 조정 및 고정 선형 전압 조정기	텍사스 인스트루먼트		지원되는 입력 전압 범위가 2.7V에서 15V인 최대 800mA의 출력 전류를 제공하는 선형 전압입니다.