Research Article

Een multifunctionele, ingebedde, Bluetooth-enabled, programmeerbare, bifasische golfvormstimulator met real-time neurale signaalacquisitie

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

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

Hier beschrijven we een nieuw apparaat dat speciaal is ontworpen voor preklinisch onderzoek naar diepe hersenstimulatie (DBS), samen met een neurale signaalopname-eenheid. Dit apparaat biedt uitgebreide flexibiliteit in golfvormparameters, waaronder vorm, frequentie, pulsbreedte en amplitude, en de registratie van neurale pieken en lokale veldpotentialen.

Abstract

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

De studie introduceert een lichtgewicht, Bluetooth-enabled apparaat voor diepe hersenstimulatie (DBS) dat speciaal is ontworpen voor preklinisch onderzoek bij kleine, vrij bewegende dieren. Om de huidige beperkingen op het gebied van golfvormflexibiliteit en draadloze besturing aan te pakken, hebben we een compacte, multifunctionele stimulator ontwikkeld die in staat is om programmeerbare, ladinggebalanceerde bifasische golfvormen af te leveren en tegelijkertijd neurale signalen te ontvangen. Het systeem integreert kant-en-klare componenten voor stroomregeling, signaalversterking en analoog-naar-digitaal-conversie, allemaal beheerd door een microcontroller met laag vermogen. De assemblage omvat belangrijke stappen zoals circuitintegratie op een dubbelzijdige PCB van 30 x 30 mm, golfvormprogrammering via nRF Connect en validatie door middel van zout- en belastingsweerstandstests. In-vitro-beoordelingen toonden een betrouwbare stroomoutput aan bij verschillende belastingsimpedanties, een effectieve werking met zoutoplossing zonder degradatie van de golfvorm en high-fidelity neurale signaalopname met een signaal-ruisverhouding van meer dan 35 dB. Deze resultaten bevestigen de geschiktheid van het apparaat voor closed-loop neuromodulatie-experimenten en leggen de basis voor toekomstige translationele studies in DBS-therapie.

Introduction

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

Dit werk introduceert een nieuwe diepe hersenstimulator om veranderingen op moleculair en gedragsniveau bij proefdieren te onderzoeken. Hoewel er in de literatuur verschillende microstimulatoren zijn besproken, variëren ze aanzienlijk in grootte, gewicht, stimulatiemogelijkheden, het vermogen om langdurige stimulatie te leveren en de behoefte aan externe stroombronnen. De meeste knaagdierapparaten zijn afhankelijk van externe stroom, wat hun bruikbaarheid beperkt in onderzoeken die gelijktijdige stimulatie en gedragsobservatie vereisen1. Hoewel sommige oplossingen, zoals tethers, magnetische golven of lichtbron....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Systeemarchitectuur
In figuur 1 fungeert een microcontroller met laag vermogen als de kern van het systeem en regelt hij de golfvormgeneratie, de signaalverwerking en het communicatieprotocol. De amplitudes van de golfvormen worden geregeld door de programmeerbare stroombron die wordt gebruikt. Het systeem maakt gebruik van een geïntegreerd H-Bridge-circuit voor het wisselen van de stroomrichting en creëert zo de bifasische golfvormen die nodig zijn om neurale activiteit te stimuleren. Een digitale weerstand met microcontrollerondersteuning, in combinatie met een shuntweerstand, maakt ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Het apparaat onderging verschillende verificatie- en evaluatietests en het product werd in vijf fasen getest op zijn haalbaarheid: evaluatie van de uitgangsgolfvorm, stroomuitvoertest, zoutoplossingtest, spanningsvaltest en opnametest.

Evaluatie van de uitgangsgolfvorm
De primaire test van het apparaat was het controleren van de vorm en modus van de golfvorm met behulp van een weerstand van 1 kΩ die over het apparaat was aangesloten. Het he.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Dit multifunctionele miniatuurapparaat markeert een belangrijke stap voorwaarts in het ontwerp van geïntegreerde systemen voor zowel neurale stimulatie als signaalacquisitie. In tegenstelling tot bestaande platforms zoals beschreven door Angotzi et al.5 en Melo-Thomas et al.8, die de nadruk leggen op meerkanaals opname of stimulatie, combineert ons systeem op unieke wijze programmeerbare, stroomgestuurde bifasische stimulatie met real-time .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Acknowledgements

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

Geen

Bijdrage van de auteur:
Paul V.: Conceptualisering, Zachariah: Methodologie, Francis: Software, George: Validatie, V. Parekkattil: Formele analyse, Jose: Onderzoek, Athithya: Onderzoek, Babu: Origineel ontwerp schrijven, Johnson: Toezicht, Surajkumar Singh: Validatie, Adhikari: Origineel ontwerp herzien

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CP2102 USBSilicon labsprovides a complete plug and play interface solution that includes royalty-free drivers
DMHC30025LSD H-Bridge circuitDIODESThis new generation complementary MOSFET H-Bridge features low on-resistance achievable with low gate drive.
microcontroller MDBT42/STM32G491CCU6STMicroelectronicsARM Microcontrollers - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz with 256 kbytes of Flash memory
Nordic BLE module MDBT42QRaytac CorporationAllow communication of wirelessly transmitted data through BLE communication
OPA322 operational amplifierTEXAS INSTRUMENTSSingle, 5.5 V, 20 MHz, zero-cross low-noise (6nV/√Hz) RRIO operational amplifier
Tina Ti SoftwareTEXAS INSTRUMENTSSimulates frequency response
TLV1117 15 V, 800 mA, Adjustable and Fixed Linear Voltage RegulatorTEXAS INSTRUMENTSIt is a linear voltage that provides up to 800mA of output current with a supported input voltage range from 2.7 V to 15 V.

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....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Deep Brain StimulationBiphasic Waveform StimulatorNeural Signal AcquisitionBluetooth Enabled StimulatorProgrammable StimulatorClosed Loop NeuromodulationSignal AmplificationAnalog To Digital ConversionPreclinical Research DeviceWireless Neural Recording

Related Articles