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

Summary

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

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

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 lichtbronnen, dit probleem proberen aan te pakken, heeft elk zijn eigen beperkingen: tethers beperken beweging en gedrag, magnetische stimulatoren zijn beperkt tot specifieke omgevingen en op licht gebaseerde systemen zijn afhankelijk van de verlichtingscyclus².

Bij de meeste traditionele neurostimulatiesystemen voor knaagdieren wordt het dier vastgebonden aan een externe stimulator, wat niet alleen hun bewegingsvrijheid beperkt, maar ook gedragstesten bemoeilijkt³. Bovendien kunnen de kabels na verloop van tijd verslijten, wat een risico op storingen met zich meebrengt. Hoewel er vooruitgang is geboekt bij de ontwikkeling van draagbare diepe hersenstimulatie (DBS) -systemen voor knaagdieren, ontbreekt het veel huidige apparaten aan gedetailleerde documentatie van hun circuits. Vaak zijn deze apparaten te zwaar en omvangrijk in verhouding tot de grootte van het knaagdier, en hun kleine batterijen raken snel leeg door continue hoogfrequente stimulatie⁴. Sommige onderzoekers hebben geprobeerd grotere batterijpakketten te gebruiken die door de dieren worden gedragen, maar dit beperkt opnieuw hun natuurlijke bewegingen. Bovendien staan veel apparaten geen spanningsaanpassingen toe, wat essentieel is voor het behoud van consistente stimulatie als de impedantie verandert als gevolg van interacties tussen de elektrode en het weefsel in de loop van de tijd⁵. Er is een groeiende behoefte aan geminiaturiseerde, draadloze en energiezuinige apparaten die geschikt zijn voor uiteindelijke menselijke toepassing, wat een nieuwe uitdaging vormt voor de ontwikkeling van de volgende generatie closed-loop brain-machine interfaces (BMI's). Niet-menselijke primaten of knaagdieren worden meestal gebruikt in BMI-onderzoek vanwege hun overeenkomsten met menselijke hersenen of de beschikbaarheid van een breed scala aan experimentele modellen⁶. De ontwikkeling van lichtgewicht, draadloze microstimulatoren voor knaagdieren zoals muizen is echter een grotere uitdaging vanwege hun kleinere formaat.

Als eerste stap in de verdere ontwikkeling hebben we ons gericht op het maken van een apparaat voor knaagdieren met een multifunctioneel apparaat met stimulaties en registratie. Onderzoekers kiezen meestal voor een van de volgende twee benaderingen: het ontwikkelen van op maat gemaakte geïntegreerde schakelingen (IC's) of het gebruik van commerciële-kant-en-klare (COTS) elektronica⁷. Hoewel IC's voordelen bieden zoals minder geluid, een compact ontwerp en energie-efficiëntie, vereisen ze een langere ontwikkelingstijd en zijn ze duur, waardoor ze geschikter zijn voor langdurige implantaten in plaats van kortetermijnstudies bij dieren. Omgekeerd zijn op COTS gebaseerde systemen flexibeler en kunnen ze gemakkelijk worden aangepast tijdens vroege onderzoeksfasen. Bestaande COTS-systemen met registrerende en stimulerende functies zijn echter niet ideaal voor langdurige experimenten met vrij bewegende kleine dieren⁸. Ze bieden vaak alleen single-channel mogelijkheden, zijn bedraad en zijn niet geschikt voor langdurige gedragsstudies. Sommige systemen ondersteunen draadloze gegevensoverdracht, maar zijn beperkt in real-time verwerking, waardoor ze ontoereikend zijn voor closed-loop studies zoals spike-timing-afhankelijke plasticiteit.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben we beide strategieën geïntegreerd in ons apparaatontwerp. We hebben een op maat gemaakt IC ontwikkeld dat in staat is om continu neurale activiteit op te nemen met hoge efficiëntie, minimale ruis en een compacte voetafdruk, waardoor interferentie en overspraak worden verminderd. De stimulator is gebouwd met behulp van COTS-componenten op op maat gemaakte printplaten die zijn aangesloten op een microcontroller die zorgt voor signaalverwerking, draadloze transmissie en programmeerbare stimulatie. Deze aanpak heeft geresulteerd in een energiezuinig, ruisarm, compact opnamesysteem in combinatie met een programmeerbare microstimulator die in staat is om in een closed-loop modus te werken. De flexibiliteit van de microcontroller bij het aanpassen van de lusconfiguratie en het draadloos verzenden van gegevens maakt het een veelzijdig hulpmiddel voor preklinisch DBS-onderzoek. De resultaten van in-vitrotests worden hier gepresenteerd en tonen het potentieel van het systeem aan om het begrip en de toepassing van DBS in preklinische studies en daarna te bevorderen.

Protocol

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 programmeerbare golfvormwijzigingen mogelijk via een I2C-interfaceprotocol. Om ervoor te zorgen dat de stroom die door de elektroden gaat, constant en consistent blijft met een vooraf gedefinieerde set parameters, wordt een feedbacklus geleverd via een microcontroller. Om een betrouwbare stroomvoorziening en operationele stabiliteit te garanderen, is een spanningsregelaar met lage uitval geïmplementeerd, die de microcontroller samen met extra componenten van een 3,3 V-stroombron voorziet. De communicatie van het systeem met externe apparaten, zoals een computer, wordt vergemakkelijkt door een USB-naar-seriële converter, die USB-connectiviteit mogelijk maakt die nodig is voor gegevensverzameling of systeemconfiguratie. Deze neurale signalen die van de elektroden worden verkregen, worden door een fase van versterking en filtering geleid om hun kwaliteit te maximaliseren voordat ze door de microcontroller worden verwerkt. De versterkte en gefilterde signalen kunnen worden doorgestuurd voor latere analyse of worden opgeslagen voor verdere verwerking, terwijl het systeem het neurale weefsel blijft stimuleren met de gegenereerde bifasische golfvormen. Een volledige blokschemaweergave van het systeem wordt weergegeven in figuur 1.

Hardware en schema's
Het hardwaresysteem bestaat uit verschillende subsystemen die samenwerken om bifasische golfvormen te produceren en neurale signalen in realtime vast te leggen. Het is ontworpen voor draadloze, externe bediening en bevat componenten met een laag stroomverbruik, betrouwbare communicatie en robuuste signaalacquisitie. Hieronder vindt u een gedetailleerd overzicht van de hardware-architectuur. Het schematisch ontwerp is weergegeven in Figuur 2; zie ook de Tabel met materialen.

Eenheid voor energiebeheer
Het apparaat kan worden gevoed door een oplaadbare lithium-polymeerbatterij of via USB. De batterij levert stroom aan alle componenten: de microcontroller, DAC, versterkers en de BLE-module. Om een efficiënte en stabiele werking te garanderen, wordt een spanningsregelaar gebruikt om kritieke componenten een consistente 3,3 V-voeding te bieden. De lage uitval van deze regelaar helpt de levensduur van de batterij te verlengen. Bovendien is een batterijbeheersysteem (BMS) geïntegreerd om het opladen van de batterij te bewaken en te beheren en om overontlading te voorkomen⁹. Het BMS communiceert met de microcontroller om real-time batterij-updates te leveren, die via de BLE-module naar de externe interface worden verzonden. Het BMS controleert continu het batterijniveau en activeert een energiebesparende modus wanneer de lading onder een bepaalde drempel daalt, waardoor niet-essentiële componenten zoals de DAC- en BLE-module worden uitgeschakeld om energie te besparen.

Signaalacquisitie en -conditionering
Om de zwakke neurale signalen met lage amplitude te verwerken die door de elektroden worden opgevangen, bevat het systeem amplificatie- en filterfasen. Het ontwerp van de opname-eenheid wordt weergegeven in afbeelding 3. Een operationele versterker wordt gebruikt voor signaalversterking met weinig ruis en effectieve filtering, waardoor een hoge signaalkwaliteit wordt gegarandeerd.

Ruisarme voorversterking
De voorfase maakt gebruik van een operationele versterker als een ruisarme voorversterker met een versterkingsfactor van 100. Neurale signalen, meestal variërend van microvolt tot millivolt, worden versterkt tot niveaus die geschikt zijn voor verdere verwerking. De opamp werd gekozen vanwege de lage ingangsruisdichtheid van 4,5 nV/√Hz bij 1 kHz en de hoge precisie, waardoor hij geschikt is voor het opvangen van neurale signalen met een lage amplitude zonder vervorming. Het vermogen om een schoon signaal te produceren met een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) is cruciaal, aangezien zelfs kleine ruis belangrijke gegevens kan verdoezelen⁵.

Naversterking en filtering met ruisarme opamp
Dit versterkte signaal wordt nu nog meer versterkt met een versterking van 2,5 om een ideaal niveau voor ADC te bereiken. Er wordt ook gebruik gemaakt van een banddoorlaatfilter; Het laat een gespecificeerde frequentieband passeren terwijl de interferentie en ruis worden geannuleerd. De bandbreedte van de opamp en de nul-offsetspanning maken een passende filtering mogelijk zonder fasevervorming en vertraging te introduceren. Over het algemeen is het banddoorlaatfilter zo gestructureerd dat het de overdracht van frequenties van 1 Hz tot 11 kHz mogelijk maakt, waarbij de meeste neurale signalen worden omarmd, terwijl tegelijkertijd laagfrequente drift en hoogfrequente ruis, inclusief interferentie van het lichtnet, worden gedempt.

Analoog-naar-digitaal conversie (ADC)
Na filtering wordt het geconditioneerde signaal gedigitaliseerd door een ADC die werkt met een bemonsteringsfrequentie van 20 kHz. De ADC zet de versterkte analoge signalen om in discrete digitale waarden voor analyse. De opamp zorgt ervoor dat de signaalkwaliteit behouden blijft, vrij van ruis en vervorming. De hoge bemonsteringsfrequentie van 20 kHz legt snelle veranderingen in neurale activiteit nauwkeurig vast, waardoor aliasing wordt vermeden.

Golfvormgeneratie en stroomregeling
Het systeem genereert bifasische golfvormen met behulp van een H-brugcircuit, waardoor stroom in beide richtingen door de elektroden kan vloeien en afwisselende positieve en negatieve fasen worden gecreëerd die nodig zijn voor neurale stimulatie.

Microcontroller-besturing
De microcontroller stuurt de H-brug aan op basis van PWM-signalen. Het regelt zowel de frequentie als de amplitude van het bifasische signaal door aanpassing in de PWM-inschakelduur. Het huidige digitaal-naar-analoog convertermodel gedraagt zich als een programmeerbare stroombron, waardoor de amplitude van de golfvorm nauwkeurig kan worden geregeld. Deze DAC produceert een analoog signaal dat de stroom die door de H-brug loopt aanpast, waardoor de gespecificeerde stroomparameters worden aangehouden.

Feedback lus
Met een stroomgevoelige weerstand die in serie met de elektroden is geplaatst, kan het systeem met behulp van een ADC controleren hoeveel stroom het gebruikt. De microcontroller kan real-time aanpassingen maken aan de output van de DAC en zijn golfvorm door gebruik te maken van feedback van het systeem in combinatie met een PID-controller om de gespecificeerde stroomniveaus te handhaven.

Draadloze communicatie
De BLE-module wordt in het systeem gebruikt om communicatie van draadloos verzonden gegevens via BLE-communicatie mogelijk te maken. Deze module maakt gebruik van het UART-protocol voor real-time en bidirectionele communicatie tussen het apparaat en een externe gebruikersinterface. In dit ontwerp is de BLE-module rechtstreeks verbonden met de microcontroller om integratie met lage latentie te bereiken binnen draadloze gegevensoverdracht, inclusief neurale signalen, huidige instellingen en systeemstatus, terwijl gebruikersopdrachten worden ontvangen voor aanpassing van golfvormparameters zoals duur, amplitude en frequentie. De module heeft echter een laag stroomverbruik, dus het is zeer geschikt voor draagbare neurale apparaten. De module heeft een communicatiebereik van ~30 m, wat ideaal is voor klinische of laboratoriumomgevingen.

Interface voor afstandsbediening en bewaking
Het systeem wordt draadloos bediend met behulp van een app, nRF Connect, die beschikbaar is op Android- en IOS-platforms. De terminal communiceert met de BLE-module met behulp van het UART-protocol, waardoor gebruikers de neurale activiteit kunnen volgen en golfvormparameters in realtime kunnen configureren. De functies omvatten golfvormconfiguratie die het golfvormtype, de stroomamplitude, de frequentie en de faseduur kan aanpassen; En de draadloze programmeereenheid die de systeemconfiguratie en firmware-updates bewaakt, kan draadloos naar de microcontroller worden verzonden, waardoor eenvoudige aanpassing mogelijk is zonder fysieke toegang tot de hardware.

Software
De besturingssoftware is essentieel voor het regelen van de functionaliteit en operationele parameters van het apparaat. Het maakt gebruik van het BLE UART-protocol voor draadloze communicatie tussen externe besturingsinterfaces en het apparaat. Deze opstelling maakt real-time programmering mogelijk van stroomgestuurde bifasische golfvormen en andere belangrijke parameters zoals frequentie en pulsbreedte. De Bluetooth-compatibele mobiele applicatie Connect biedt een gebruiksvriendelijke interface voor het verzenden van opdrachten en het aanpassen van parameters. Het systeem kan voorgeprogrammeerde stimulatieprotocollen uitvoeren of door de gebruiker gedefinieerde commando's in realtime accepteren, terwijl het tegelijkertijd een laag stroomverbruik garandeert.

Definitief ontwerp en PCB-fabricage
We hebben dit apparaat ontworpen met behulp van commerciële PCB-ontwerpsoftware. Het kan worden gebruikt als rugzak voor dieren. PCB is dubbelzijdig met een dikte van 0,4 mm en afmetingen van 30 x 30 x 1 mm. Het weegt slechts 9 g; het eindproduct is weergegeven in figuur 4.

Operationele modi
Het apparaat heeft twee operationele modi, waarbij elke modus is geoptimaliseerd voor specifieke neurale toepassingen: stimulatiemodus en opnamemodus. Deze modi worden draadloos bediend via het BLE UART-protocol, waardoor communicatie met een mobiel apparaat mogelijk is.

Afwijzing van artefacten: Aangezien het apparaat in twee modi werkt - stimulatiemodus en opnamemodus - is het belangrijk om ervoor te zorgen dat afwijzing van artefacten wordt opgenomen, zodat de geregistreerde gegevens echte hersenactiviteit weerspiegelen en geen elektrische ruis van stimulatie. Tijdens de opname wordt de stimulatiemodule tijdelijk uitgeschakeld voor een kort tijdvenster, meestal milliseconden, om stimulatie-interferentie te voorkomen. Dit voorkomt dat de recorder de hoogspanningsstimulatie-artefacten oppikt.

Stimulatie modus: Deze modus genereert stroomgestuurde bifasische golfvormen voor neurale stimulatie. De besturingssoftware past parameters zoals pulsamplitude, pulsbreedte, frequentie en interpulsintervallen dynamisch aan. De H-brugtopologie is in staat om een zeer nauwkeurige controle te bieden over de richting van de stroom en de vorm van de signaalgolfvorm. Voorkomen van weefselbeschadiging tijdens langdurige stimulatie door restlading te minimaliseren. De stroombron maakt een zeer fijne aanpassing van de uitgangsstroom aan μA-resolutie mogelijk.

Opname modus: Deze modus omvat het vastleggen van neurale signalen via elektroden. De signalen, normaal gesproken in het microvoltbereik (μV), worden versterkt met behulp van ruisarme versterkers en gefilterd door een banddoorlaatfilter om de ongewenste ruis te verwijderen. De gefilterde signalen worden vervolgens gedigitaliseerd door een ADC met een bemonsteringsfrequentie van 20 kHz en draadloos verzonden voor analyse. Impedantiebewaking zorgt voor een continue beoordeling van de kwaliteit van het elektrodecontact, wat essentieel is voor een nauwkeurige signaalopname. Het apparaat ondersteunt closed-loop werking, waardoor real-time aanpassing van stimulatieparameters mogelijk is op basis van geregistreerde neurale activiteit, waardoor het geschikt is voor hersen-computerinterfaces (BCI's), neuroprotheses en andere closed-loop neuromodulatietoepassingen.

Results

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...

Discussion

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 ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Silicon labs		Biedt een complete plug-and-play-interface-oplossing met inbegrip van royalty-vrije stuurprogramma's
DMHC30025LSD H-Bridge circuit	DIODES		Deze nieuwe generatie complementaire MOSFET H-Bridge heeft een lage weerstand bereikbaar met een lage aandrijving.
microcontroller MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		ARM Microcontrollers - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz met 256 kbytes Flash-geheugen
Nordic BLE module MDBT42Q	Raytac Corporation		Maakt communicatie van draadloos verzonden gegevens mogelijk via BLE-communicatie
OPA322 operationele versterker	TEXAS INSTRUMENTS		Enkel, 5,5 V, 20 MHz, zero-cross low-noise (6nV/√Hz) RRIO operationele versterker
Tina Ti Software	TEXAS INSTRUMENTS		Simuleert frequentierespons
TLV1117 15 V, 800 mA, instelbare en vaste lineaire spanningsregelaar	TEXAS INSTRUMENTS		Het is een lineaire spanning die tot 800mA uitgangsstroom levert met een ondersteunde ingangsspanningsbereik van 2,7 V tot 15 V.