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

Summary

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

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

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, próbują rozwiązać ten problem, każde z nich ma swój własny zestaw ograniczeń: uwięzi ograniczają ruch i zachowanie, stymulatory magnetyczne są ograniczone do określonych środowisk, a systemy oparte na świetle są zależne od cyklu oświetlenia².

Większość tradycyjnych systemów neurostymulacji u gryzoni polega na przywiązaniu zwierzęcia do zewnętrznego stymulatora, co nie tylko ogranicza jego swobodę ruchów, ale także komplikuje testy behawioralne³. Dodatkowo kable mogą z czasem się zużywać, stwarzając ryzyko awarii. Chociaż poczyniono postępy w opracowywaniu przenośnych systemów głębokiej stymulacji mózgu (DBS) dla gryzoni, wielu obecnym urządzeniom brakuje szczegółowej dokumentacji ich obwodów. Często urządzenia te są zbyt ciężkie i nieporęczne w stosunku do wielkości gryzonia, a ich małe baterie są szybko rozładowywane przez ciągłą stymulację o wysokiej częstotliwości⁴. Niektórzy badacze próbowali używać większych akumulatorów noszonych przez zwierzęta, ale to znowu ogranicza ich naturalne ruchy. Co więcej, wiele urządzeń nie pozwala na regulację napięcia, co jest niezbędne do utrzymania stałej stymulacji, ponieważ impedancja zmienia się w wyniku interakcji między elektrodą a tkanką^{w czasie 5}. Istnieje rosnące zapotrzebowanie na zminiaturyzowane, bezprzewodowe urządzenia o niskim poborze mocy, które nadają się do ewentualnego zastosowania przez ludzi, co stanowi nowe wyzwanie dla rozwoju interfejsów mózg-maszyna (BMI) nowej generacji w pętli zamkniętej. Zwierzęta naczelne lub gryzonie są zwykle wykorzystywane w badaniach BMI ze względu na ich podobieństwo do ludzkich mózgów lub dostępność szerokiej gamy modeli eksperymentalnych⁶. Jednak opracowanie lekkich, bezprzewodowych mikrostymulatorów dla gryzoni, takich jak myszy, jest trudniejsze ze względu na ich mniejsze rozmiary.

Jako pierwszy krok w kierunku dalszego rozwoju skupiliśmy się na stworzeniu urządzenia dla gryzoni z wielofunkcyjnym urządzeniem ze stymulacją i rejestracją. Badacze zwykle przyjmują jedno z dwóch podejść: opracowywanie niestandardowych układów scalonych (IC) lub korzystanie z komercyjnej elektroniki z półki (COTS)⁷. Chociaż układy scalone oferują korzyści, takie jak zmniejszony poziom hałasu, kompaktowa konstrukcja i efektywność energetyczna, wymagają dłuższego czasu opracowywania i są drogie, co czyni je bardziej odpowiednimi do długoterminowych implantów niż krótkoterminowych badań na zwierzętach. Z drugiej strony, systemy oparte na COTS są bardziej elastyczne i mogą być łatwo modyfikowane na wczesnych etapach badań. Jednak istniejące systemy COTS z funkcjami rejestracji i stymulacji nie są idealne do długoterminowych eksperymentów z swobodnie poruszającymi się małymi zwierzętami⁸. Często oferują tylko możliwości jednokanałowe, są przewodowe i nie nadają się do długotrwałych badań behawioralnych. Niektóre systemy obsługują bezprzewodową transmisję danych, ale są ograniczone w przetwarzaniu w czasie rzeczywistym, co czyni je nieodpowiednimi do badań w pętli zamkniętej, takich jak plastyczność zależna od czasu skoku.

Aby sprostać tym wyzwaniom, zintegrowaliśmy obie strategie z projektem naszych urządzeń. Opracowaliśmy niestandardowy układ scalony zdolny do ciągłego rejestrowania aktywności neuronalnej z wysoką wydajnością, minimalnym hałasem i kompaktowymi wymiarami, redukując zakłócenia i przesłuchy. Stymulator został zbudowany z komponentów COTS na specjalnie wykonanych płytkach drukowanych połączonych z mikrokontrolerem, który obsługuje przetwarzanie sygnału, transmisję bezprzewodową i programowalną stymulację. Podejście to zaowocowało kompaktowym systemem nagrywania o niskim poborze mocy i niskim poziomie szumów w połączeniu z programowalnym mikrostymulatorem zdolnym do pracy w trybie zamkniętej pętli. Elastyczność mikrokontrolera w dostosowywaniu konfiguracji pętli i bezprzewodowym przesyłaniu danych sprawia, że jest to wszechstronne narzędzie do przedklinicznych badań DBS. Przedstawiono tu wyniki testów in vitro , które pokazują potencjał systemu w zakresie pogłębiania wiedzy i zastosowania DBS w badaniach przedklinicznych i poza nimi.

Protocol

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 elektrody pozostaje stały i zgodny z predefiniowanym zestawem parametrów, mikrokontroler zapewnia pętlę sprzężenia zwrotnego. Aby zapewnić niezawodne dostarczanie energii i stabilność działania, zaimplementowano regulator napięcia o niskim spadku napięcia, dostarczający źródło zasilania 3,3 V do mikrokontrolera wraz z dodatkowymi komponentami. Komunikację systemu z urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak komputer, ułatwia konwerter USB-szeregowy, który pozwala na podłączenie USB niezbędne do akwizycji danych lub konfiguracji systemu. Te sygnały neuronowe uzyskane z elektrod są przepuszczane przez etap wzmacniania i filtrowania, aby zmaksymalizować ich jakość przed przetworzeniem przez mikrokontroler. Wzmocnione i przefiltrowane sygnały mogą być przekazywane do późniejszej analizy lub przechowywane do dalszego przetwarzania, podczas gdy system kontynuuje stymulację tkanki nerwowej za pomocą generowanych dwufazowych przebiegów. Pełny widok systemu na schemacie blokowym przedstawiono na rysunku 1.

Sprzęt i schematy
System sprzętowy składa się z kilku podsystemów, które współpracują ze sobą w celu wytworzenia dwufazowych przebiegów i przechwytywania sygnałów neuronowych w czasie rzeczywistym. Został zaprojektowany do bezprzewodowej, zdalnej obsługi i zawiera komponenty o niskim poborze mocy, niezawodną komunikację i solidną akwizycję sygnału. Poniżej znajduje się szczegółowy przegląd architektury sprzętowej. Schematyczny projekt pokazano na rysunku 2; zobacz również Tabelę materiałów.

Jednostka zarządzania energią
Urządzenie może być zasilane z akumulatora litowo-polimerowego lub przez USB. Bateria zasila wszystkie komponenty: mikrokontroler, przetwornik cyfrowo-analogowy, wzmacniacze i moduł BLE. Aby zapewnić wydajną i stabilną pracę, zastosowano regulator napięcia, który zapewnia stałe zasilanie 3,3 V krytycznych komponentów. Funkcja niskiego zaniku tego regulatora pomaga wydłużyć żywotność baterii. Dodatkowo zintegrowany jest system zarządzania akumulatorem (BMS), który monitoruje i zarządza ładowaniem akumulatora oraz zapobiega nadmiernemu rozładowaniu⁹. BMS komunikuje się z mikrokontrolerem, aby dostarczać aktualizacje baterii w czasie rzeczywistym, które są przesyłane do zdalnego interfejsu za pośrednictwem modułu BLE. BMS stale monitoruje poziom naładowania baterii i uruchamia tryb niskiego poboru mocy, gdy poziom naładowania spadnie poniżej określonego progu, wyłączając nieistotne komponenty, takie jak przetwornik cyfrowo-analogowy i moduł BLE, w celu oszczędzania energii.

Akwizycja i kondycjonowanie sygnału
Aby przetworzyć słabe sygnały neuronowe o niskiej amplitudzie przechwycone przez elektrody, system obejmuje etapy wzmacniania i filtrowania. Konstrukcję zespołu rejestrującego przedstawiono na rysunku 3. Wzmacniacz operacyjny służy do niskoszumowego wzmacniania sygnału i skutecznego filtrowania, zapewniając wysoką jakość sygnału.

Niskoszumowe przedwzmacniacze
Etap wstępny wykorzystuje wzmacniacz operacyjny jako przedwzmacniacz o niskim poziomie szumów i współczynniku wzmocnienia 100. Sygnały neuronowe, zwykle w zakresie od mikrowoltów do miliwoltów, są wzmacniane do poziomów odpowiednich do dalszego przetwarzania. Wzmacniacz operacyjny został wybrany ze względu na niską gęstość szumów wejściowych wynoszącą 4,5 nV/√Hz przy 1 kHz i wysoką precyzję, dzięki czemu nadaje się do przechwytywania sygnałów neuronowych o niskiej amplitudzie bez zniekształceń. Jego zdolność do wytwarzania czystego sygnału o wysokim stosunku sygnału do szumu (SNR) ma kluczowe znaczenie, ponieważ nawet niewielki szum może przesłaniać ważne dane⁵.

Wzmocnienie końcowe i filtrowanie za pomocą wzmacniacza operacyjnego o niskim poziomie szumów
Ten wzmocniony sygnał staje się teraz jeszcze bardziej wzmocniony przez wzmocnienie 2,5, aby osiągnąć idealny poziom dla ADC. Stosowany jest również filtr pasmowo-przepustowy; Pozwala na przejście określonego pasma częstotliwości, jednocześnie eliminując zakłócenia i szumy. Szerokość pasma wzmacniacza operacyjnego i jego zerowe napięcie niezrównoważenia umożliwiają odpowiednie filtrowanie bez wprowadzania zniekształceń fazowych i opóźnień. Ogólnie rzecz biorąc, filtr pasmowoprzepustowy jest skonstruowany w taki sposób, że umożliwia transmisję częstotliwości od 1 Hz do 11 kHz, obejmując większość sygnałów neuronowych, jednocześnie tłumiąc dryf niskich częstotliwości i szumy o wysokiej częstotliwości, w tym zakłócenia z sieci.

Konwersja analogowo-cyfrowa (ADC)
Po przefiltrowaniu kondycjonowany sygnał jest digitalizowany przez przetwornik ADC pracujący z częstotliwością próbkowania 20 kHz. Przetwornik ADC konwertuje wzmocnione sygnały analogowe na dyskretne wartości cyfrowe w celu analizy. Wzmacniacz operacyjny zapewnia zachowanie jakości sygnału, bez szumów i zniekształceń. Wysoka częstotliwość próbkowania wynosząca 20 kHz precyzyjnie rejestruje szybkie zmiany aktywności neuronalnej, unikając aliasingu.

Generowanie przebiegów i kontrola prądu
System generuje dwufazowe przebiegi za pomocą obwodu H-Bridge, umożliwiając przepływ prądu w obu kierunkach przez elektrody i tworząc naprzemienne fazy dodatnie i ujemne niezbędne do stymulacji neuronalnej.

Sterowanie mikrokontrolerem
Mikrokontroler steruje mostkiem H w oparciu o sygnały PWM. Steruje zarówno częstotliwością, jak i amplitudą sygnału dwufazowego poprzez regulację w cyklu pracy PWM. Obecny model przetwornika cyfrowo-analogowego zachowuje się jak programowalne źródło prądu, umożliwiając precyzyjną kontrolę amplitudy przebiegu. Ten przetwornik cyfrowo-analogowy wytwarza sygnał analogowy, który dostosowuje prąd przepływający przez mostek H, zapewniając w ten sposób przestrzeganie określonych parametrów prądu.

Pętla sprzężenia zwrotnego
Rezystor wykrywający prąd umieszczony szeregowo z elektrodami pozwala systemowi monitorować ilość prądu, który przepływa za pomocą przetwornika ADC. Mikrokontroler może dokonywać regulacji w czasie rzeczywistym wyjścia przetwornika cyfrowo-analogowego i jego przebiegu, wykorzystując sprzężenie zwrotne z systemu w połączeniu z regulatorem PID w celu utrzymania określonych poziomów prądu.

Komunikacja bezprzewodowa
Moduł BLE jest stosowany w systemie w celu umożliwienia komunikacji danych przesyłanych bezprzewodowo poprzez komunikację BLE. Moduł ten wykorzystuje protokół UART do komunikacji w czasie rzeczywistym, a także dwukierunkowej między aparaturą a zdalnym interfejsem użytkownika. W tej konstrukcji moduł BLE jest podłączony bezpośrednio do mikrokontrolera, aby osiągnąć integrację o niskich opóźnieniach w bezprzewodowej transmisji danych, w tym sygnałów neuronowych, bieżących ustawień i stanu systemu, jednocześnie odbierając polecenia użytkownika dotyczące regulacji parametrów przebiegu, takich jak czas trwania, amplituda i częstotliwość. Moduł ma jednak niskie zużycie energii, dzięki czemu nadaje się do przenośnych urządzeń neuronowych. Moduł ma zasięg komunikacji ~30 m, co jest idealne dla środowisk klinicznych lub laboratoryjnych.

Interfejs zdalnego sterowania i monitorowania
System jest sterowany bezprzewodowo za pomocą aplikacji nRF Connect, która jest dostępna na platformach Android i IOS. Terminal komunikuje się z modułem BLE za pomocą protokołu UART, umożliwiając użytkownikom monitorowanie aktywności neuronalnej oraz konfigurację parametrów przebiegu w czasie rzeczywistym. Funkcje obejmują konfigurację przebiegu, która może dostosować typ fali, amplitudę prądu, częstotliwość i czas trwania fazy; Bezprzewodowa jednostka programująca, która monitoruje konfigurację systemu i aktualizacje oprogramowania układowego, może być przesyłana bezprzewodowo do mikrokontrolera, umożliwiając łatwą personalizację bez fizycznego dostępu do sprzętu.

Oprogramowanie
Oprogramowanie sterujące jest niezbędne do regulacji funkcjonalności i parametrów pracy urządzenia. Wykorzystuje protokół BLE UART do bezprzewodowej komunikacji pomiędzy zewnętrznymi interfejsami sterującymi a urządzeniem. Ta konfiguracja umożliwia programowanie w czasie rzeczywistym przebiegów dwufazowych sterowanych prądem i innych kluczowych parametrów, takich jak częstotliwość i szerokość impulsu. Aplikacja mobilna connect kompatybilna z Bluetooth zapewnia przyjazny dla użytkownika interfejs do wysyłania poleceń i dostosowywania parametrów. System może wykonywać zaprogramowane protokoły stymulacji lub akceptować polecenia zdefiniowane przez użytkownika w czasie rzeczywistym, a wszystko to przy jednoczesnym zapewnieniu niskiego zużycia energii.

Ostateczny projekt i produkcja PCB
Zaprojektowaliśmy to urządzenie przy użyciu komercyjnego oprogramowania do projektowania PCB. Może służyć jako plecak dla zwierząt. Płytka drukowana jest dwustronna o grubości 0,4 mm i wymiarach 30 x 30 x 1 mm. Waży tylko 9 g; produkt końcowy przedstawiono na rysunku 4.

Tryby pracy
Urządzenie posiada dwa tryby pracy, z których każdy jest zoptymalizowany pod kątem konkretnych zastosowań neuronowych: tryb stymulacji i tryb nagrywania. Tryby te sterowane są bezprzewodowo poprzez protokół BLE UART, umożliwiający komunikację z urządzeniem mobilnym.

Odrzucenie artefaktów: Ponieważ urządzenie działa w dwóch trybach - trybie stymulacji i trybie nagrywania - ważne jest, aby upewnić się, że odrzucanie artefaktów jest włączone, tak aby zarejestrowane dane odzwierciedlały rzeczywistą aktywność mózgu, a nie szum elektryczny spowodowany stymulacją. Podczas nagrywania moduł stymulacji jest tymczasowo wyłączany na krótki czas, zwykle milisekundy, aby uniknąć zakłóceń stymulacji. Zapobiega to wychwytywaniu przez rejestrator artefaktów stymulacji wysokiego napięcia.

Tryb stymulacji: Ten tryb generuje sterowane prądem dwufazowe przebiegi do stymulacji neuronalnej. Oprogramowanie sterujące dynamicznie dostosowuje parametry, takie jak amplituda impulsu, szerokość impulsu, częstotliwość i interwały między impulsami. Topologia H-Bridge jest w stanie zapewnić bardzo precyzyjną kontrolę nad kierunkiem prądu i kształtem przebiegu sygnału. Zapobieganie uszkodzeniom tkanek podczas długotrwałej stymulacji poprzez minimalizację ładunku resztkowego. Źródło prądu pozwala na bardzo precyzyjną regulację prądu wyjściowego do rozdzielczości μA.

Tryb nagrywania: Ten tryb polega na przechwytywaniu sygnałów neuronowych za pomocą elektrod. Sygnały, zwykle w zakresie mikrowoltów (μV), są wzmacniane za pomocą wzmacniaczy o niskim poziomie szumów i filtrowane przez filtr pasmowo-przepustowy w celu usunięcia niepożądanych szumów. Przefiltrowane sygnały są następnie digitalizowane przez przetwornik ADC o częstotliwości próbkowania 20 kHz i przesyłane bezprzewodowo w celu analizy. Monitorowanie impedancji zapewnia ciągłą ocenę jakości styku elektrody, co jest niezbędne do dokładnego wychwytywania sygnału. Urządzenie obsługuje pracę w pętli zamkniętej, umożliwiając regulację parametrów stymulacji w czasie rzeczywistym na podstawie zarejestrowanej aktywności neuronalnej, dzięki czemu nadaje się do interfejsów mózg-komputer (BCI), neuroprotetyki i innych zastosowań neuromodulacji w pętli zamkniętej.

Results

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...

Discussion

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...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Laboratoria krzemowe		Zapewnia kompletne rozwiązanie interfejsu plug and play, które zawiera sterowniki wolne od opłat licencyjnych
DMHC30025LSD Obwód mostka H	DIODY		Ten komplementarny mostek H MOSFET nowej generacji charakteryzuje się niską rezystancją włączenia, osiągalną dzięki napędowi o niskiej bramce.
mikrokontroler MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Mikrokontrolery ARM - MCU Główny nurt Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz z 256 kB pamięci Flash
Moduł Nordic BLE MDBT42Q	Korporacja Raytac		Zezwalaj na komunikację danych przesyłanych bezprzewodowo za pośrednictwem komunikacji BLE
Wzmacniacz operacyjny OPA322	INSTRUMENTY TEKSAŃSKIE		Pojedynczy, 5,5 V, 20 MHz, zero-cross low-noise (6nV/√ Hz) Wzmacniacz operacyjny RRIO
Oprogramowanie Tina Ti	INSTRUMENTY TEKSAŃSKIE		Symuluje pasmo przenoszenia
TLV1117 15 V, 800 mA, regulowany i stały liniowy regulator napięcia	INSTRUMENTY TEKSAŃSKIE		Jest to napięcie liniowe, które zapewnia do 800mA prądu wyjściowego przy obsługiwanym zakresie napięcia wejściowego od 2,7 V do 15 V.