Многофункциональный, встраиваемый, с поддержкой Bluetooth, программируемый двухфазный стимулятор формы сигнала с регистрацией нейронных сигналов в режиме реального времени

Summary

В этой статье мы опишем новое устройство, специально разработанное для доклинических исследований глубокой стимуляции мозга (DBS), а также устройство записи нейронных сигналов. Это устройство обеспечивает значительную гибкость в отношении параметров сигнала, включая форму, частоту, длительность и амплитуду импульса, а также регистрацию нейронных всплесков и потенциалов локального поля.

Abstract

В исследовании представлено легкое устройство глубокой стимуляции мозга (DBS) с поддержкой Bluetooth, разработанное специально для доклинических исследований на небольших, свободно передвигающихся животных. Чтобы устранить существующие ограничения в отношении гибкости сигналов и беспроводного управления, мы разработали компактный многофункциональный стимулятор, способный воспроизводить программируемые, сбалансированные по заряду двухфазные сигналы с одновременным захватом нейронных сигналов. Система включает в себя готовые компоненты для регулирования тока, усиления сигнала и аналого-цифрового преобразования, управляемых микроконтроллером с низким энергопотреблением. Сборка включает в себя такие ключевые этапы, как интеграция схемы на двусторонней печатной плате размером 30 x 30 мм, программирование формы сигнала с помощью nRF Connect и проверка с помощью испытаний на солевой раствор и устойчивость к нагрузке. Оценки in vitro продемонстрировали надежную выходную мощность тока при различных импедансах нагрузки, эффективную работу с солевым раствором без ухудшения формы сигнала и высокую точность записи нейронных сигналов с отношением сигнал/шум более 35 дБ. Эти результаты подтверждают пригодность устройства для экспериментов с обратной нейромодуляцией и закладывают основу для будущих трансляционных исследований в терапии DBS.

Introduction

В этой работе представлен новый глубокий стимулятор мозга для изучения изменений на молекулярном и поведенческом уровнях у подопытных животных. Несмотря на то, что в литературе обсуждались различные микростимуляторы, они значительно различаются по размеру, весу, возможностям стимуляции, способности обеспечивать длительную стимуляцию и потребности во внешних источниках питания. Большинство устройств для грызунов полагаются на внешнее питание, что ограничивает их полезность в исследованиях, требующих одновременной стимуляции и поведенческого наблюдения¹. В то время как некоторые решения, такие как тросы, магнитные волны или источники света, пытаются решить эту проблему, каждое из них имеет свой собственный набор ограничений: тросы ограничивают движение и поведение, магнитные стимуляторы ограничены определенными средами, а световые системы зависят от цикла освещения^.

Большинство традиционных систем нейростимуляции для грызунов предполагают привязку животного к внешнему стимулятору, что не только ограничивает его свободу движений, но и усложняет поведенческое^{тестирование}. Кроме того, кабели могут со временем изнашиваться, что создает риск неисправности. Несмотря на достигнутый прогресс в разработке портативных систем глубокой стимуляции мозга (DBS) для грызунов, многие современные устройства не имеют подробной документации по их схемам. Зачастую эти устройства слишком тяжелы и громоздки по сравнению с размерами грызуна, а их маленькие батарейки быстро разряжаются при непрерывной высокочастотной^{стимуляции4.} Некоторые исследователи пытались использовать более крупные аккумуляторные батареи, которые носили животные, но это опять же ограничивает их естественные движения. Кроме того, многие устройства не позволяют регулировать напряжение, что важно для поддержания постоянной стимуляции при изменении импеданса из-за взаимодействия между электродом и тканью с течением времени^. Существует растущая потребность в миниатюрных, беспроводных и маломощных устройствах, пригодных для возможного применения человеком, что ставит новую задачу для разработки следующего поколения интерфейсов мозг-машина с замкнутым контуром (BMI). Приматы или грызуны обычно используются в исследованиях ИМТ из-за их сходства с человеческим мозгом или наличия широкого спектра экспериментальных^{моделей.} Тем не менее, разработка легких беспроводных микростимуляторов для грызунов, таких как мыши, является более сложной задачей из-за их меньшего размера.

В качестве первого шага к дальнейшему развитию мы сосредоточились на создании устройства для грызунов с многофункциональным устройством со стимуляцией и записью. Исследователи обычно используют один из двух подходов: разработку пользовательских интегральных схем (ИС) или использование готовой коммерческой электроники (COTS^). Несмотря на то, что ИС обладают такими преимуществами, как низкий уровень шума, компактная конструкция и энергоэффективность, они требуют более длительного времени разработки и дороги, что делает их более подходящими для долгосрочных имплантатов, а не для краткосрочных исследований на животных. И наоборот, системы на основе COTS более гибки и могут быть легко модифицированы на ранних стадиях исследований. Однако существующие COTS-системы с регистрирующими и стимулирующими функциями не идеальны для длительных экспериментов со свободно перемещающимися мелкими животными⁸. Они часто предлагают только одноканальные возможности, являются проводными и не подходят для длительных поведенческих исследований. Некоторые системы поддерживают беспроводную передачу данных, но ограничены в обработке в режиме реального времени, что делает их неподходящими для исследований замкнутого цикла, таких как пластичность, зависящая от времени спайков.

Чтобы преодолеть эти проблемы, мы интегрировали обе стратегии в конструкцию нашего устройства. Мы разработали специальную микросхему, способную непрерывно регистрировать нейронную активность с высокой эффективностью, минимальным уровнем шума и компактными размерами, снижая помехи и перекрестные помехи. Стимулятор был построен с использованием компонентов COTS на изготовленных на заказ печатных платах, подключенных к микроконтроллеру, который обрабатывает сигналы, беспроводную передачу и программируемую стимуляцию. Такой подход привел к созданию маломощной, малошумящей, компактной системы записи в паре с программируемым микростимулятором, способным работать в режиме обратной связи. Гибкость микроконтроллера в настройке конфигурации контура и беспроводной передаче данных делает его универсальным инструментом для доклинических исследований DBS. Здесь представлены результаты тестов in vitro , демонстрирующие потенциал системы для углубления понимания и применения DBS в доклинических исследованиях и за их пределами.

Protocol

Архитектура системы
На рисунке 1 маломощный микроконтроллер выступает в качестве ядра системы, управляя генерацией сигналов, обработкой сигналов и протоколом связи. Амплитуды сигналов контролируются используемым программируемым источником тока. Система использует интегрированную схему H-моста для переменного направления тока и, таким образом, создает двухфазные волны, необходимые для стимуляции нейронной активности. Цифровой резистор с микроконтроллером в сочетании с шунтирующим резистором позволяет программировать модификацию формы сигнала по протоколу интерфейса I2C. Чтобы гарантировать, что ток, проходящий через электроды, остается постоянным и согласуется с заданным набором параметров, через микроконтроллер предусмотрена петля обратной связи. Для обеспечения надежной подачи питания и стабильности работы реализован регулятор напряжения с низким падением напряжения, подающий на микроконтроллер источник питания 3,3 В вместе с дополнительными компонентами. Связь системы с внешними устройствами, такими как компьютер, облегчается преобразователем USB-последовательного порта, который обеспечивает USB-соединение, необходимое для сбора данных или настройки системы. Эти нейронные сигналы, полученные от электродов, проходят через стадию усиления и фильтрации для максимального повышения их качества перед обработкой через микроконтроллер. Усиленные и отфильтрованные сигналы могут быть либо направлены для последующего анализа, либо сохранены для дальнейшей обработки, в то время как система продолжает стимулировать нервную ткань с помощью сгенерированных двухфазных сигналов. Полный вид блок-схемы системы показан на рисунке 1.

Аппаратное обеспечение и схемы
Аппаратная система состоит из нескольких подсистем, которые работают вместе для создания двухфазных сигналов и захвата нейронных сигналов в режиме реального времени. Он предназначен для беспроводного удаленного управления и включает в себя компоненты с низким энергопотреблением, надежную связь и надежный сбор сигналов. Ниже приведен подробный обзор аппаратной архитектуры. Схематический проект показан на рисунке 2; также см. Таблицу материалов.

Блок управления питанием
Устройство может питаться от литий-полимерной аккумуляторной батареи или через USB. Аккумулятор обеспечивает питание всех компонентов: микроконтроллера, ЦАПа, усилителей и модуля BLE. Для обеспечения эффективной и стабильной работы используется регулятор напряжения, обеспечивающий стабильное питание критически важных компонентов напряжением 3,3 В. Функция низкого выпадения напряжения этого регулятора помогает продлить срок службы батареи. Кроме того, интегрирована система управления батареями (BMS) для мониторинга и управления зарядкой батареи и предотвращения чрезмерной^{разрядки9}. BMS обменивается данными с микроконтроллером для доставки обновлений батареи в режиме реального времени, которые передаются на удаленный интерфейс через модуль BLE. BMS постоянно контролирует уровень заряда батареи и запускает режим низкого энергопотребления, когда заряд падает ниже заданного порога, отключая несущественные компоненты, такие как ЦАП и модуль BLE, для экономии энергии.

Сбор и преобразование сигналов
Для обработки слабых нейронных сигналов с низкой амплитудой, улавливаемых электродами, система включает в себя каскады усиления и фильтрации. Конструкция записывающего устройства показана на рисунке 3. Операционный усилитель используется для усиления сигнала с низким уровнем шума и эффективной фильтрации, обеспечивая высокое качество сигнала.

Малошумящее предварительное усиление
В предварительном каскаде в качестве малошумящего предусилителя используется операционный усилитель с коэффициентом усиления 100. Нейронные сигналы, обычно в диапазоне от микровольт до милливольт, усиливаются до уровней, пригодных для дальнейшей обработки. Операционный усилитель был выбран из-за его низкой плотности входного шума 4,5 нВ/√Гц на частоте 1 кГц и высокой точности, что делает его пригодным для захвата низкоамплитудных нейронных сигналов без искажений. Его способность выдавать чистый сигнал с высоким отношением сигнал/шум (SNR) имеет решающее значение, так как даже незначительный шум может скрыть важные данные⁵.

Последующее усиление и фильтрация с помощью операционного усилителя с низким уровнем шума
Теперь этот усиленный сигнал становится еще более усиленным за счет коэффициента усиления 2.5, достигая идеального уровня для АЦП. Также используется полосовой фильтр; Он позволяет проходить в указанном диапазоне частот, подавляя помехи и шумы. Ширина полосы пропускания операционного усилителя и его нулевое напряжение смещения обеспечивают надлежащую фильтрацию без внесения фазовых искажений и задержек. В целом, полосовой фильтр структурирован таким образом, что позволяет передавать частоты от 1 Гц до 11 кГц, охватывая большинство нейронных сигналов, одновременно гася низкочастотный дрейф и высокочастотные шумы, включая помехи от сети.

Аналого-цифровое преобразование (АЦП)
После фильтрации условленный сигнал оцифровывается АЦП, работающим с частотой дискретизации 20 кГц. АЦП преобразует усиленные аналоговые сигналы в дискретные цифровые значения для анализа. Операционный усилитель обеспечивает сохранение качества сигнала без шумов и искажений. Высокая частота дискретизации 20 кГц позволяет точно фиксировать быстрые изменения нейронной активности, избегая наложения звуков.

Генерация осциллограмм и управление током
Система генерирует двухфазные сигналы с помощью схемы H-моста, позволяя току течь в обоих направлениях через электроды и создавая чередующиеся положительные и отрицательные фазы, необходимые для нейронной стимуляции.

Управление микроконтроллером
Микроконтроллер управляет H-мостом на основе сигналов ШИМ. Он управляет как частотой, так и амплитудой двухфазного сигнала путем регулировки в рабочем цикле ШИМ. Современная модель цифро-аналогового преобразователя ведет себя как программируемый источник тока, что позволяет точно регулировать амплитуду сигнала. Этот ЦАП выдает аналоговый сигнал, который регулирует ток, протекающий через H-мост, тем самым обеспечивая соблюдение заданных параметров тока.

Цикл обратной связи
Токочувствительный резистор, размещенный последовательно с электродами, позволяет системе контролировать количество потребляемого тока с помощью АЦП. Микроконтроллер может в режиме реального времени корректировать выходной сигнал ЦАП и его осциллограмму, используя обратную связь от системы в сочетании с ПИД-регулятором для поддержания заданных уровней тока.

Беспроводная связь
Модуль BLE используется в системе для обеспечения беспроводной передачи данных через связь BLE. Этот модуль использует протокол UART для двунаправленной связи между устройством и удаленным пользовательским интерфейсом в режиме реального времени, а также для двунаправленной связи. В этой конструкции модуль BLE подключается непосредственно к микроконтроллеру для достижения интеграции с низкой задержкой в беспроводную передачу данных, включая нейронные сигналы, текущие настройки и состояние системы, при этом получая команды пользователя для настройки параметров сигнала, таких как продолжительность, амплитуда и частота. Однако модуль имеет низкое энергопотребление, поэтому вполне подходит для портативных нейронных устройств. Модуль имеет дальность связи ~30 м, что идеально подходит для клинических или лабораторных условий.

Интерфейс дистанционного управления и мониторинга
Система управляется по беспроводной сети с помощью приложения nRF Connect, которое доступно на платформах Android и IOS. Терминал взаимодействует с модулем BLE по протоколу UART, что позволяет пользователям отслеживать нейронную активность и настраивать параметры осциллограмм в режиме реального времени. Особенности включают в себя конфигурацию формы сигнала, которая может регулировать тип сигнала, амплитуду тока, частоту и продолжительность фазы; А беспроводной блок программирования, который отслеживает конфигурацию системы и обновления прошивки, может передаваться по беспроводной сети на микроконтроллер, что позволяет легко настраивать систему без физического доступа к оборудованию.

Программное обеспечение
Управляющее программное обеспечение имеет важное значение для регулирования функциональности и рабочих параметров устройства. Он использует протокол BLE UART для беспроводной связи между внешними интерфейсами управления и устройством. Такая конфигурация позволяет в режиме реального времени программировать управляемые током двухфазные сигналы и другие ключевые параметры, такие как частота и длительность импульса. Bluetooth-совместимое мобильное приложение connect предоставляет удобный интерфейс для отправки команд и настройки параметров. Система может выполнять предварительно запрограммированные протоколы стимуляции или принимать заданные пользователем команды в режиме реального времени, обеспечивая при этом низкое энергопотребление.

Окончательный дизайн и изготовление печатных плат
Мы разработали это устройство с использованием коммерческого программного обеспечения для проектирования печатных плат. Его можно использовать в качестве рюкзака для животных. Печатная плата двусторонняя с толщиной 0,4 мм и размерами 30 x 30 x 1 мм. Он весит всего 9 г; конечный продукт показан на рисунке 4.

Режимы работы
Устройство имеет два режима работы, каждый из которых оптимизирован для конкретных нейронных приложений: режим стимуляции и режим записи. Эти режимы управляются по беспроводной сети через протокол BLE UART, что обеспечивает связь с мобильным устройством.

Отбраковка артефактов: Поскольку устройство работает в двух режимах — режиме стимуляции и режиме записи — важно обеспечить подавление артефактов, чтобы записанные данные отражали подлинную активность мозга, а не электрический шум от стимуляции. Во время записи модуль стимуляции временно отключается на короткое временное окно, обычно миллисекунды, чтобы избежать помех от стимуляции. Это предотвращает фиксацию регистратором артефактов высоковольтной стимуляции.

Режим стимуляции: Этот режим генерирует управляемые током двухфазные сигналы для нейронной стимуляции. Управляющее программное обеспечение динамически регулирует такие параметры, как амплитуда импульса, длительность импульса, частота и межимпульсные интервалы. Топология H-Bridge способна обеспечить очень точный контроль над направлением тока и формой сигнального сигнала. Предотвращение повреждения тканей при длительной стимуляции за счет минимизации остаточного заряда. Источник тока позволяет очень точно регулировать выходной ток с разрешением мкА.

Режим записи: Этот режим предполагает захват нейронных сигналов через электроды. Сигналы, обычно находящиеся в микровольтном (μВ) диапазоне, усиливаются с помощью малошумящих усилителей и фильтруются через полосовой фильтр для устранения нежелательных шумов. Отфильтрованные сигналы затем оцифровываются АЦП с частотой дискретизации 20 кГц и передаются по беспроводной сети для анализа. Контроль импеданса обеспечивает непрерывную оценку качества контакта электродов, что имеет важное значение для точного захвата сигнала. Устройство поддерживает работу в замкнутом контуре, что позволяет регулировать параметры стимуляции в режиме реального времени на основе зарегистрированной нейронной активности, что делает его пригодным для интерфейсов мозг-компьютер (ИМК), нейропротезирования и других приложений нейромодуляции с замкнутым контуром.

Results

Устройство прошло различные верификационные и оценочные испытания, а его работоспособность была проверена в пять этапов: оценка формы выходного сигнала, тест выходного тока, тест физиологического раствора, тест на падение напряжения и тест на запись.

Оценка формы выходного сигнала
Основным испытанием устройства была проверка формы и моды сигнала с помощью резистора 1 кОм, подключенного к устройству. Он успешно доставил двухфазный сигнал с межфазной задержкой в цифровой запо...

Discussion

Это многофункциональное миниатюрное устройство знаменует собой значительный шаг вперед в разработке интегрированных систем как для нейронной стимуляции, так и для сбора сигналов. В отличие от существующих платформ, описанных Angotzi et ^al.5 и Melo-Thomas et ^al.8, которые делают упор либо на многоканальную запись, либо на стимуляцию, наша система уникальным образом сочетает в себе программируемую, управляемую током двухфазную стимуляцию с за...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Силиконовые лаборатории		Предоставляет комплексное решение для интерфейса Plug and Play, которое включает в себя драйверы без лицензионных отчислений
DMHC30025LSD Схема H-моста	ДИОДЫ		Этот новый поколение комплементарных H-образных мостов MOSFET отличается низким сопротивлением во включенном состоянии, достигаемым при низком приводе затвора.
микроконтроллер MDBT42/STM32G491CCU6	СТМикроэлектроника		Микроконтроллеры ARM - MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 МГц с 256 кбайтами флэш-памяти
Модуль Nordic BLE MDBT42Q	Корпорация Raytac		Возможность беспроводной передачи данных через BLE-связь
Операционный усилитель OPA322	ТЕХАССКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ		Однополярный, 5.5 В, 20 МГц, с низким шумом (6 нВ/√ Гц) Операционный усилитель RRIO
Программное обеспечение Tina Ti	ТЕХАССКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ		Моделирует частотную характеристику
TLV1117 15 В, 800 мА, регулируемый и фиксированный линейный стабилизатор напряжения	ТЕХАССКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ		Это линейное напряжение, которое обеспечивает выходной ток до 800 мА с поддерживаемым диапазоном входного напряжения от 2,7 В до 15 В.