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 ma....

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 programávei....

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.