Um Estimulador de Forma de Onda Bifásica, Multifuncional, Baseado em Incorporado, Habilitado para Bluetooth, com Aquisição de Sinal Neural em Tempo Real

Summary

Aqui, descrevemos um novo dispositivo projetado especificamente para pesquisa pré-clínica de estimulação cerebral profunda (DBS), juntamente com uma unidade de gravação de sinal neural. Este dispositivo oferece ampla flexibilidade nos parâmetros da forma de onda, incluindo forma, frequência, largura de pulso e amplitude, e o registro de picos neurais e potenciais de campo local.

Abstract

O estudo apresenta um dispositivo leve de estimulação cerebral profunda (DBS) habilitado para Bluetooth, projetado especificamente para pesquisas pré-clínicas em animais pequenos e em movimento livre. Para lidar com as limitações atuais na flexibilidade da forma de onda e no controle sem fio, desenvolvemos um estimulador compacto e multifuncional capaz de fornecer formas de onda bifásicas programáveis e com carga balanceada e, ao mesmo tempo, adquirir sinais neurais. O sistema integra componentes prontos para uso para regulação de corrente, amplificação de sinal e conversão analógico-digital, todos gerenciados por um microcontrolador de baixa potência. A montagem inclui etapas importantes, como integração de circuito em uma placa de circuito impresso de dupla face de 30 x 30 mm, programação de forma de onda via nRF Connect e validação por meio de teste de solução salina e resistência à carga. As avaliações in vitro demonstraram saída de corrente confiável em impedâncias de carga variáveis, operação salina eficaz sem degradação da forma de onda e gravação de sinal neural de alta fidelidade com uma relação sinal-ruído superior a 35 dB. Esses resultados confirmam a adequação do dispositivo para experimentos de neuromodulação de circuito fechado e estabelecem as bases para futuros estudos translacionais na terapia DBS.

Introduction

Este trabalho apresenta um novo estimulador cerebral profundo para explorar mudanças nos níveis molecular e comportamental em animais experimentais. Embora vários dispositivos microestimuladores tenham sido discutidos na literatura, eles variam significativamente em tamanho, peso, capacidade de estimulação, capacidade de fornecer estimulação prolongada e necessidade de fontes de energia externas. A maioria dos dispositivos de roedores depende de energia externa, o que limita sua utilidade em estudos que requerem estimulação simultânea e observação comportamental¹. Embora algumas soluções, como amarras, ondas magnéticas ou fontes de luz, tentem resolver esse problema, cada uma vem com seu próprio conjunto de limitações: as amarras restringem o movimento e o comportamento, os estimuladores magnéticos são confinados a ambientes específicos e os sistemas baseados em luz dependem do ciclo de iluminação².

A maioria dos sistemas tradicionais de neuroestimulação para roedores envolve amarrar o animal a um estimulador externo, o que não apenas restringe sua liberdade de movimento, mas também complica os testes comportamentais³. Além disso, os cabos podem se desgastar com o tempo, representando um risco de mau funcionamento. Embora tenha havido progresso no desenvolvimento de sistemas portáteis de estimulação cerebral profunda (DBS) para roedores, muitos dispositivos atuais carecem de documentação detalhada de seus circuitos. Freqüentemente, esses dispositivos são muito pesados e volumosos em relação ao tamanho do roedor, e suas pequenas baterias são rapidamente descarregadas pela estimulação contínua de alta frequência⁴. Alguns pesquisadores tentaram usar baterias maiores usadas pelos animais, mas isso novamente limita seus movimentos naturais. Além disso, muitos dispositivos não permitem ajustes de voltagem, o que é essencial para manter uma estimulação consistente, pois a impedância muda devido às interações entre o eletrodo e o tecido ao longo do tempo⁵. Há uma necessidade crescente de dispositivos miniaturizados, sem fio e de baixo consumo de energia que sejam adequados para eventual aplicação humana, representando um novo desafio para o desenvolvimento de interfaces cérebro-máquina (BMIs) de circuito fechado de próxima geração. Primatas ou roedores não humanos são normalmente usados na pesquisa de IMC devido às suas semelhanças com cérebros humanos ou à disponibilidade de uma ampla gama de modelos experimentais⁶. No entanto, o desenvolvimento de microestimuladores leves e sem fio para roedores como camundongos é mais desafiador devido ao seu tamanho menor.

Como um passo inicial para um maior desenvolvimento, nos concentramos na criação de um dispositivo para roedores com um dispositivo multifuncional com estímulos e gravação. Os pesquisadores geralmente adotam uma das duas abordagens: desenvolver circuitos integrados (ICs) personalizados ou usar eletrônicos comerciais prontos para uso (COTS)⁷. Embora os CIs ofereçam benefícios como ruído reduzido, design compacto e eficiência energética, eles exigem tempos de desenvolvimento mais longos e são caros, tornando-os mais apropriados para implantes de longo prazo do que para estudos de curto prazo em animais. Por outro lado, os sistemas baseados em COTS são mais flexíveis e podem ser modificados facilmente durante os estágios iniciais de pesquisa. No entanto, os sistemas COTS existentes com funções de gravação e estimulação não são ideais para experimentos de longo prazo com pequenos animais em movimento livre⁸. Eles geralmente oferecem apenas recursos de canal único, são conectados e não são adequados para estudos comportamentais prolongados. Alguns sistemas suportam transmissão de dados sem fio, mas são limitados no processamento em tempo real, tornando-os inadequados para estudos de circuito fechado, como plasticidade dependente do tempo de pico.

Para superar esses desafios, integramos ambas as estratégias em nosso design de dispositivos. Desenvolvemos um IC personalizado capaz de registrar continuamente a atividade neural com alta eficiência, ruído mínimo e uma pegada compacta, reduzindo a interferência e a diafonia. O estimulador foi construído usando componentes COTS em placas de circuito personalizadas conectadas a um microcontrolador que lida com processamento de sinal, transmissão sem fio e estimulação programável. Essa abordagem resultou em um sistema de gravação compacto de baixo consumo de energia e baixo ruído, emparelhado com um microestimulador programável capaz de operar em um modo de circuito fechado. A flexibilidade do microcontrolador em ajustar a configuração do loop e transmitir dados sem fio o torna uma ferramenta versátil para pesquisa pré-clínica de DBS. Os resultados dos testes in vitro são apresentados aqui, demonstrando o potencial do sistema para avançar na compreensão e aplicação do DBS em estudos pré-clínicos e além.

Protocol

Arquitetura do sistema
Na Figura 1, um microcontrolador de baixa potência atua como o núcleo do sistema, controlando a geração de formas de onda, o processamento de sinais e o protocolo de comunicação. As amplitudes das formas de onda são controladas pela fonte de corrente programável usada. O sistema usa um circuito H-Bridge integrado para alternar a direção da corrente e, assim, cria as formas de onda bifásicas necessárias para estimular a atividade neural. Um resistor digital auxiliado por microcontrolador, em combinação com um resistor de derivação, permite modificações programáveis na forma de onda por meio de um protocolo de interface I2C. Para garantir que a corrente que passa pelos eletrodos permaneça constante e consistente com um conjunto predefinido de parâmetros, um loop de feedback é fornecido por meio de um microcontrolador. Para garantir o fornecimento de energia confiável e a estabilidade operacional, um regulador de tensão de baixa queda é implementado, fornecendo uma fonte de alimentação de 3,3 V ao microcontrolador junto com componentes adicionais. A comunicação do sistema com dispositivos externos, como um computador, é facilitada por um conversor USB para serial, que permite a conectividade USB necessária para aquisição de dados ou configuração do sistema. Esses sinais neurais obtidos dos eletrodos são passados por um estágio de amplificação e filtragem para maximizar sua qualidade antes de serem processados pelo microcontrolador. Os sinais amplificados e filtrados podem ser encaminhados para análise posterior ou armazenados para processamento posterior, enquanto o sistema continua a estimular o tecido neural com as formas de onda bifásicas geradas. Uma visão completa do diagrama de blocos do sistema é mostrada na Figura 1.

Hardware e esquemas
O sistema de hardware consiste em vários subsistemas que trabalham juntos para produzir formas de onda bifásicas e capturar sinais neurais em tempo real. Ele é projetado para operação remota sem fio e incorpora componentes de baixo consumo de energia, comunicação confiável e aquisição de sinal robusta. Abaixo está uma visão geral detalhada da arquitetura de hardware. O desenho esquemático é mostrado na Figura 2; veja também a Tabela de Materiais.

Unidade de gerenciamento de energia
O dispositivo pode ser alimentado por uma bateria recarregável de polímero de lítio ou via USB. A bateria fornece energia para todos os componentes: o microcontrolador, DAC, amplificadores e o módulo BLE. Para garantir uma operação eficiente e estável, um regulador de tensão é usado para fornecer uma fonte de alimentação consistente de 3,3 V para componentes críticos. O recurso de baixa queda deste regulador ajuda a prolongar a vida útil da bateria. Além disso, um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é integrado para monitorar e gerenciar o carregamento da bateria e evitar descarga excessiva⁹. O BMS se comunica com o microcontrolador para fornecer atualizações de bateria em tempo real, que são transmitidas para a interface remota por meio do módulo BLE. O BMS monitora continuamente os níveis da bateria e aciona um modo de baixo consumo quando a carga cai abaixo de um limite especificado, desativando componentes não essenciais como o módulo DAC e BLE para economizar energia.

Aquisição e condicionamento de sinal
Para processar os sinais neurais fracos de baixa amplitude capturados pelos eletrodos, o sistema inclui estágios de amplificação e filtragem. O design da unidade de gravação é mostrado na Figura 3. Um amplificador operacional é usado para amplificação de sinal de baixo ruído e filtragem eficaz, garantindo alta qualidade de sinal.

Pré-amplificação de baixo ruído
O estágio preliminar usa um amplificador operacional como um pré-amplificador de baixo ruído com um fator de ganho de 100. Os sinais neurais, normalmente variando de microvolts a milivolts, são amplificados a níveis adequados para processamento posterior. O opamp foi escolhido devido à sua baixa densidade de ruído de entrada de 4,5 nV/√Hz a 1 kHz e alta precisão, tornando-o adequado para a captura de sinais neurais de baixa amplitude sem distorção. Sua capacidade de produzir um sinal limpo com uma alta relação sinal-ruído (SNR) é crucial, pois mesmo um pequeno ruído pode obscurecer dados importantes⁵.

Pós-amplificação e filtragem com opamp de baixo ruído
Este sinal amplificado agora se torna ainda mais amplificado por um ganho de 2,5 para atingir um nível ideal para ADC. Um filtro passa-banda também é utilizado; Ele permite que uma banda de frequência especificada passe enquanto cancela a interferência e o ruído. A largura de banda do opamp e sua tensão de deslocamento zero permitem a filtragem apropriada sem introduzir distorção de fase e atraso. Em geral, o filtro passa-banda é estruturado de forma a permitir a transmissão de frequências de 1 Hz a 11kHz, abrangendo a maioria dos sinais neurais, ao mesmo tempo em que amortece o desvio de baixa frequência e o ruído de alta frequência, incluindo interferência da rede elétrica.

Conversão analógico-digital (ADC)
Após a filtragem, o sinal condicionado é digitalizado por um ADC operando a uma taxa de amostragem de 20 kHz. O ADC converte os sinais analógicos amplificados em valores digitais discretos para análise. O opamp garante que a qualidade do sinal seja preservada, livre de ruídos e distorções. A alta taxa de amostragem de 20 kHz captura mudanças rápidas na atividade neural com precisão, evitando aliasing.

Geração de forma de onda e controle de corrente
O sistema gera formas de onda bifásicas usando um circuito H-Bridge, permitindo que a corrente flua em ambas as direções através dos eletrodos e criando fases positivas e negativas alternadas necessárias para a estimulação neural.

Controle do microcontrolador
O microcontrolador controla o H-Bridge com base em sinais PWM. Ele controla a frequência e a amplitude do sinal bifásico por meio do ajuste no ciclo de trabalho PWM. O modelo atual de conversor digital-analógico se comporta como uma fonte de corrente programável, permitindo que a amplitude da forma de onda seja controlada com precisão. Este DAC produz um sinal analógico que ajusta a corrente que flui através da ponte H, garantindo assim a aderência aos parâmetros de corrente especificados.

Retroalimentação
Um resistor de detecção de corrente colocado em série com os eletrodos permite que o sistema monitore quanta corrente está sendo executada usando um ADC. O microcontrolador pode fazer ajustes em tempo real na saída do DAC e sua forma de onda usando feedback do sistema combinado com um controlador PID para manter os níveis de corrente especificados.

Comunicação sem fio
O módulo BLE é usado no sistema para permitir a comunicação de dados transmitidos sem fio por meio da comunicação BLE. Este módulo usa o protocolo UART para comunicação em tempo real e bidirecional entre o aparelho e uma interface de usuário remota. Neste projeto, o módulo BLE é conectado diretamente ao microcontrolador para obter integração de baixa latência na transmissão de dados sem fio, incluindo sinais neurais, configurações atuais e status do sistema, enquanto recebe comandos do usuário para ajuste de parâmetros de forma de onda, como duração, amplitude e frequência. No entanto, o módulo tem baixo consumo de energia, portanto, é bastante adequado para dispositivos neurais portáteis. O módulo tem um alcance de comunicação de ~30 m, o que é ideal para ambientes clínicos ou de laboratório.

Interface de controle remoto e monitoramento
O sistema é controlado sem fio usando um aplicativo, nRF Connect, que está disponível nas plataformas Android e IOS. O terminal se comunica com o módulo BLE usando o protocolo UART, permitindo que os usuários monitorem a atividade neural e configurem os parâmetros da forma de onda em tempo real. Os recursos incluem configuração de forma de onda que pode ajustar o tipo de forma de onda, amplitude da corrente, frequência e duração da fase; e a unidade de programação sem fio que monitora a configuração do sistema e as atualizações de firmware podem ser transmitidas sem fio para o microcontrolador, permitindo fácil personalização sem acesso físico ao hardware.

Software
O software de controle é essencial para regular a funcionalidade e os parâmetros operacionais do dispositivo. Ele usa o protocolo BLE UART para comunicação sem fio entre interfaces de controle externas e o dispositivo. Essa configuração permite a programação em tempo real de formas de onda bifásicas controladas por corrente e outros parâmetros-chave, como frequência e largura de pulso. O aplicativo móvel compatível com Bluetooth conecta fornece uma interface amigável para enviar comandos e ajustar parâmetros. O sistema pode executar protocolos de estimulação pré-programados ou aceitar comandos definidos pelo usuário em tempo real, garantindo baixo consumo de energia.

Projeto final e fabricação de PCB
Projetamos este dispositivo usando software comercial de design de PCB. Pode ser usado como mochila para animais. O PCB é de dupla face com 0,4 mm de espessura e dimensões de 30 x 30 x 1 mm. Pesa apenas 9 g; o produto final é mostrado na Figura 4.

Modos operacionais
O dispositivo possui dois modos operacionais, cada modo otimizado para aplicações neurais específicas: modo de estimulação e modo de gravação. Esses modos são controlados sem fio através do protocolo BLE UART, permitindo a comunicação com um dispositivo móvel.

Rejeição de artefatos: Como o dispositivo funciona em dois modos - modo de estimulação e modo de gravação - é importante garantir que a rejeição do artefato seja incorporada para que os dados gravados reflitam a atividade cerebral genuína e não o ruído elétrico da estimulação. Durante a gravação, o módulo de estimulação é temporariamente desligado por uma breve janela de tempo, geralmente milissegundos, para evitar interferência de estimulação. Isso evita que o gravador capte os artefatos de estimulação de alta tensão.

Modo de estimulação: Este modo gera formas de onda bifásicas controladas por corrente para estimulação neural. O software de controle ajusta dinamicamente parâmetros como amplitude de pulso, largura de pulso, frequência e intervalos entre pulsos. A topologia H-Bridge é capaz de fornecer um controle muito fino sobre a direção da corrente e a forma da forma de onda do sinal. prevenindo danos aos tecidos durante a estimulação a longo prazo, minimizando a carga residual. A fonte de corrente permite um ajuste muito fino na corrente de saída para a resolução μA.

Modo de gravação: Este modo envolve a captura de sinais neurais por meio de eletrodos. Os sinais, normalmente na faixa de micro-volts (μV), são amplificados usando amplificadores de baixo ruído e filtrados através de um filtro passa-banda para remover o ruído indesejável. Os sinais filtrados são posteriormente digitalizados por um ADC com uma taxa de amostragem de 20 kHz e transmitidos sem fio para análise. O monitoramento de impedância garante uma avaliação contínua da qualidade do contato do eletrodo, o que é essencial para a captura precisa do sinal. O dispositivo suporta operação de circuito fechado, permitindo o ajuste em tempo real dos parâmetros de estimulação com base na atividade neural registrada, tornando-o adequado para interfaces cérebro-computador (BCIs), neuropróteses e outras aplicações de neuromodulação de circuito fechado.

Results

O dispositivo passou por diferentes testes de verificação e avaliação, e o produto foi testado quanto à sua viabilidade em cinco etapas: avaliação da forma de onda de saída, teste de saída de corrente, teste de solução salina, teste de queda de tensão e teste de gravação.

Avaliação da forma de onda de saída
O teste primário do dispositivo foi verificar a forma e o modo da forma de onda usando um resistor de 1 kΩ conectado ao dispositivo. Ele entregou com sucesso uma forma d...

Discussion

Este dispositivo multifuncional em miniatura marca um passo significativo no projeto de sistemas integrados para estimulação neural e aquisição de sinais. Ao contrário das plataformas existentes, como as descritas por Angotzi et ^al.5 e Melo-Thomas et ^al.8, que enfatizam a gravação ou estimulação multicanal, nosso sistema combina de forma única a estimulação bifásica programável e controlada por corrente com a gravação de sinal neural em tem...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Laboratórios de silício		Fornece uma solução completa de interface plug and play que inclui drivers isentos de royalties
DMHC30025LSD circuito H-Bridge	DIODOS		Esta nova geração de MOSFET H-Bridge complementar apresenta baixa resistência alcançável com acionamento de porta baixa.
microcontrolador MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		Microcontroladores ARM - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz com 256 kbytes de memória Flash
Módulo nórdico BLE MDBT42Q	Corporação Raytac		Permite a comunicação de dados transmitidos sem fio por meio de comunicação BLE
Amplificador operacional OPA322	INSTRUMENTOS DO TEXAS		Simples, 5,5 V, 20 MHz, zero-cross de baixo ruído (6nV/√ Hz) RRIO operacional amplifier
Tina Ti Software	INSTRUMENTOS DO TEXAS		Simula a resposta de frequência
TLV1117 15 V, 800 mA, regulador de tensão linear ajustável e fixo	INSTRUMENTOS DO TEXAS		É uma tensão linear que fornece até 800mA de corrente de saída com uma faixa de tensão de entrada suportada de 2,7 V a 15 V.