Research Article

Wielofunkcyjny, wbudowany, obsługujący Bluetooth, programowalny stymulator przebiegów dwufazowych z akwizycją sygnału neuronowego w czasie rzeczywistym

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

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

W tym miejscu opisujemy nowe urządzenie zaprojektowane specjalnie do przedklinicznych badań nad głęboką stymulacją mózgu (DBS) wraz z jednostką rejestrującą sygnał neuronowy. Urządzenie to zapewnia dużą elastyczność w zakresie parametrów przebiegu, w tym kształtu, częstotliwości, szerokości i amplitudy impulsu, a także rejestrowania skoków neuronalnych i lokalnych potencjałów pola.

Abstract

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

W badaniu przedstawiono lekkie, wyposażone w technologię Bluetooth urządzenie do głębokiej stymulacji mózgu (DBS), które zostało zaprojektowane specjalnie do badań przedklinicznych na małych, swobodnie poruszających się zwierzętach. Aby rozwiązać obecne ograniczenia w elastyczności przebiegów i sterowaniu bezprzewodowym, opracowaliśmy kompaktowy, wielofunkcyjny stymulator zdolny do dostarczania programowalnych, zrównoważonych dwufazowych przebiegów przy jednoczesnym pozyskiwaniu sygnałów neuronowych. System integruje gotowe komponenty do regulacji prądu, wzmacniania sygnału i konwersji analogowo-cyfrowej, a wszystko to zarządzane przez mikrokontroler o niskim poborze mocy. Montaż obejmuje kluczowe etapy, takie jak integracja obwodu na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 30 x 30 mm, programowanie kształtu fali za pomocą nRF Connect oraz walidacja poprzez testowanie soli fizjologicznej i odporności na obciążenie. Oceny in vitro wykazały niezawodną moc wyjściową prądu przy różnych impedancjach obciążenia, efektywną pracę soli fizjologicznej bez degradacji przebiegu oraz rejestrację sygnału neuronowego o wysokiej wierności ze stosunkiem sygnału do szumu przekraczającym 35 dB. Wyniki te potwierdzają przydatność urządzenia do eksperymentów neuromodulacji w pętli zamkniętej i kładą podwaliny pod przyszłe badania translacyjne w terapii DBS.

Introduction

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

Niniejsza praca wprowadza nowatorski głęboki stymulator mózgu do badania zmian na poziomie molekularnym i behawioralnym u zwierząt doświadczalnych. Chociaż w literaturze omówiono różne urządzenia do mikrostymulatorów, różnią się one znacznie pod względem wielkości, wagi, możliwości stymulacji, zdolności do długotrwałej stymulacji oraz zapotrzebowania na zewnętrzne źródła zasilania. Większość urządzeń dla gryzoni opiera się na zasilaniu zewnętrznym, co ogranicza ich użyteczność w badaniach wymagających jednoczesnej stymulacji i obserwacji behawioralnej1. Podczas gdy niektóre rozwiązania, takie jak uwięzi, fale magnetyczne lub źródła światła, pró....

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

Protocol

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

Architektura systemu
Na rysunku 1 mikrokontroler małej mocy działa jako rdzeń systemu, sterując generowaniem przebiegów, przetwarzaniem sygnałów i protokołem komunikacji. Amplitudy przebiegów są kontrolowane przez zastosowane programowalne źródło prądu. System wykorzystuje zintegrowany obwód mostka H do zmiany kierunku prądu, a tym samym tworzy dwufazowe przebiegi wymagane do stymulacji aktywności neuronalnej. Rezystor cyfrowy wspomagany mikrokontrolerem, w połączeniu z rezystorem bocznikowym, umożliwia programowalną modyfikację przebiegu za pomocą protokołu interfejsu I2C. Aby zapewnić, że prąd przepływający przez e....

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

Results

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

Urządzenie przeszło różne testy weryfikacyjne i ewaluacyjne, a produkt został przetestowany pod kątem wykonalności w pięciu etapach: ocena przebiegu wyjściowego, test wyjścia prądu, test soli fizjologicznej, test spadku napięcia i test nagrywania.

Ocena przebiegu wyjściowego
Podstawowym testem urządzenia było sprawdzenie kształtu i trybu przebiegu za pomocą rezystora 1 kΩ podłączonego w poprzek urządzenia. Udało mu się dostarczyć przebieg dwufazowy z opóźnieniem międzyfazow.......

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

Discussion

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

To wielofunkcyjne miniaturowe urządzenie stanowi znaczący krok naprzód w projektowaniu zintegrowanych systemów zarówno do stymulacji neuronalnej, jak i akwizycji sygnałów. W przeciwieństwie do istniejących platform, takich jak te opisane przez Angotzi i wsp.5 oraz Melo-Thomas i wsp.8, które kładą nacisk na nagrywanie wielokanałowe lub stymulację, nasz system w unikalny sposób łączy programowalną, sterowaną prądem stymulację dwufazową z nagrywaniem sygnału neuronowego w czas.......

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

Disclosures

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

Autorzy nie mają do zadeklarowania żadnego konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

Żaden

Wkład autora:
Paul V.: Konceptualizacja, Zachariasz: Metodologia, Franciszek: Oprogramowanie, George: Walidacja, V. Parekkattil: Analiza formalna, Jose: Dochodzenie, Athithya: Dochodzenie, Babu: Pisanie oryginalnego szkicu, Johnson: Nadzór, Surajkumar Singh: Walidacja, Adhikari: Korekta oryginalnego szkicu

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CP2102 USBLaboratoria krzemoweZapewnia kompletne rozwiązanie interfejsu plug and play, które zawiera sterowniki wolne od opłat licencyjnych
DMHC30025LSD Obwód mostka HDIODYTen komplementarny mostek H MOSFET nowej generacji charakteryzuje się niską rezystancją włączenia, osiągalną dzięki napędowi o niskiej bramce.
mikrokontroler MDBT42/STM32G491CCU6STMicroelectronicsMikrokontrolery ARM - MCU Główny nurt Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz z 256 kB pamięci Flash
Moduł Nordic BLE MDBT42QKorporacja RaytacZezwalaj na komunikację danych przesyłanych bezprzewodowo za pośrednictwem komunikacji BLE
Wzmacniacz operacyjny OPA322INSTRUMENTY TEKSAŃSKIEPojedynczy, 5,5 V, 20 MHz, zero-cross low-noise (6nV/√ Hz) Wzmacniacz operacyjny RRIO
Oprogramowanie Tina TiINSTRUMENTY TEKSAŃSKIESymuluje pasmo przenoszenia
TLV1117 15 V, 800 mA, regulowany i stały liniowy regulator napięciaINSTRUMENTY TEKSAŃSKIEJest to napięcie liniowe, które zapewnia do 800mA prądu wyjściowego przy obsługiwanym zakresie napięcia wejściowego od 2,7 V do 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