Gerçek Zamanlı Nöral Sinyal Toplama özelliğine sahip Çok İşlevli, Gömülü tabanlı, Bluetooth özellikli, Programlanabilir, Bifazik dalga biçimi Stimülatörü

Summary

Burada, klinik öncesi derin beyin stimülasyonu (DBS) araştırmaları için özel olarak tasarlanmış yeni bir cihazı ve bir nöral sinyal kayıt ünitesini açıklıyoruz. Bu cihaz, şekil, frekans, darbe genişliği ve genlik dahil olmak üzere dalga biçimi parametrelerinde ve nöral ani artışların ve yerel alan potansiyellerinin kaydedilmesinde kapsamlı esneklik sağlar.

Abstract

Çalışma, küçük, serbestçe hareket eden hayvanlarda klinik öncesi araştırmalar için özel olarak tasarlanmış hafif, Bluetooth özellikli bir derin beyin stimülasyonu (DBS) cihazını tanıtıyor. Dalga biçimi esnekliği ve kablosuz kontroldeki mevcut sınırlamaları gidermek için, programlanabilir, yük dengeli bifazik dalga biçimleri sunarken aynı zamanda nöral sinyaller alabilen kompakt, çok işlevli bir stimülatör geliştirdik. Sistem, tümü düşük güçlü bir mikro denetleyici tarafından yönetilen, akım düzenlemesi, sinyal amplifikasyonu ve analogdan dijitale dönüşüm için kullanıma hazır bileşenleri entegre eder. Montaj, çift taraflı 30 x 30 mm PCB üzerinde devre entegrasyonu, nRF Connect aracılığıyla dalga biçimi programlama ve salin ve yük direnci testi yoluyla doğrulama gibi önemli adımları içerir. İn vitro değerlendirmeler, değişen yük empedanslarında güvenilir akım çıkışı, dalga biçimi bozulması olmadan etkili salin çalışması ve 35 dB'yi aşan sinyal-gürültü oranıyla yüksek kaliteli nöral sinyal kaydı gösterdi. Bu sonuçlar, cihazın kapalı döngü nöromodülasyon deneyleri için uygunluğunu doğrular ve DBS terapisinde gelecekteki translasyonel çalışmalar için zemin hazırlar.

Introduction

Bu çalışma, deney hayvanlarında moleküler ve davranışsal seviyelerdeki değişiklikleri araştırmak için yeni bir derin beyin stimülatörü tanıtıyor. Literatürde çeşitli mikro stimülatör cihazları tartışılmış olsa da, bunlar boyut, ağırlık, stimülasyon yetenekleri, uzun süreli stimülasyon sağlama yeteneği ve harici güç kaynaklarına gereksinim açısından önemli ölçüde farklılık gösterir. Çoğu kemirgen cihazı, eşzamanlı stimülasyon ve davranışsal gözlem gerektiren çalışmalarda kullanımlarını sınırlayan harici güce dayanır¹. Bağlar, manyetik dalgalar veya ışık kaynakları gibi bazı çözümler bu sorunu çözmeye çalışsa da, her birinin kendi sınırlamaları vardır: bağlar hareketi ve davranışı kısıtlar, manyetik uyarıcılar belirli ortamlarla sınırlıdır ve ışık tabanlı sistemler aydınlatma döngüsüne bağlıdır².

Kemirgenler için geleneksel nörostimülasyon sistemlerinin çoğu, hayvanı yalnızca hareket özgürlüğünü kısıtlamakla kalmayıp aynı zamanda davranışsal testleri de karmaşıklaştıran harici bir uyarıcıya bağlamayı içerir³. Ayrıca kablolar zamanla aşınarak arıza riski oluşturabilir. Kemirgenler için taşınabilir derin beyin stimülasyonu (DBS) sistemlerinin geliştirilmesinde ilerleme kaydedilmiş olsa da, mevcut cihazların çoğu devrelerinin ayrıntılı belgelerinden yoksundur. Çoğu zaman, bu cihazlar kemirgenin boyutuna göre çok ağır ve hacimlidir ve küçük pilleri sürekli yüksek frekanslı stimülasyon⁴ ile hızla boşalır. Bazı araştırmacılar, hayvanlar tarafından giyilen daha büyük pil paketlerini kullanmayı denediler, ancak bu yine onların doğal hareketlerini sınırlıyor. Ayrıca, birçok cihaz, zaman içinde elektrot ve doku arasındaki etkileşimler nedeniyle empedans değiştikçe tutarlı stimülasyonu sürdürmek için gerekli olan voltaj ayarlamalarına izin vermez⁵. Nihai insan uygulamasına uygun minyatürleştirilmiş, kablosuz ve düşük güçlü cihazlara olan ihtiyaç giderek artıyor ve bu da yeni nesil kapalı döngü beyin-makine arayüzlerinin (BMI'ler) geliştirilmesinde yeni bir zorluk teşkil ediyor. İnsan olmayan primatlar veya kemirgenler, insan beynine benzerlikleri veya çok çeşitli deneysel modellerin mevcudiyeti nedeniyle tipik olarak BMI araştırmalarında kullanılır⁶. Bununla birlikte, fare gibi kemirgenler için hafif, kablosuz mikro stimülatörlerin geliştirilmesi, daha küçük boyutları nedeniyle daha zordur.

Daha fazla gelişmeye yönelik ilk adım olarak, kemirgenler için stimülasyon ve kayıt özelliğine sahip çok işlevli bir cihaza sahip bir cihaz oluşturmaya odaklandık. Araştırmacılar genellikle iki yaklaşımdan birini benimser: özel entegre devreler (IC'ler) geliştirmek veya ticari kullanıma hazır (COTS) elektronikleri kullanmak⁷. IC'ler azaltılmış gürültü, kompakt tasarım ve enerji verimliliği gibi avantajlar sunarken, daha uzun geliştirme süreleri gerektirirler ve pahalıdırlar, bu da onları hayvanlarda kısa vadeli çalışmalardan ziyade uzun vadeli implantlar için daha uygun hale getirir. Bunun tersine, COTS tabanlı sistemler daha esnektir ve erken araştırma aşamalarında kolayca değiştirilebilir. Bununla birlikte, kayıt ve uyarıcı işlevlere sahip mevcut COTS sistemleri, serbestçe hareket eden küçük hayvanlarla yapılan uzun süreli deneyler için ideal değildir⁸. Genellikle yalnızca tek kanallı yetenekler sunarlar, kabloludurlar ve uzun süreli davranışsal çalışmalar için uygun değildirler. Bazı sistemler kablosuz veri iletimini destekler ancak gerçek zamanlı işlemede sınırlıdır, bu da onları ani zamanlamaya bağlı plastisite gibi kapalı döngü çalışmaları için yetersiz kılar.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için her iki stratejiyi de cihaz tasarımımıza entegre ettik. Nöral aktiviteyi yüksek verimlilik, minimum gürültü ve kompakt bir ayak izi ile sürekli olarak kaydedebilen, paraziti ve çapraz konuşmayı azaltan özel bir IC geliştirdik. Stimülatör, sinyal işleme, kablosuz iletim ve programlanabilir stimülasyonu yöneten bir mikro denetleyiciye bağlı özel yapım devre kartlarındaki COTS bileşenleri kullanılarak oluşturuldu. Bu yaklaşım, kapalı döngü modunda çalışabilen programlanabilir bir mikrostimülatörle eşleştirilmiş düşük güçlü, düşük gürültülü, kompakt bir kayıt sistemi ile sonuçlandı. Mikrodenetleyicinin döngü konfigürasyonunu ayarlama ve verileri kablosuz olarak iletme esnekliği, onu klinik öncesi DBS araştırmaları için çok yönlü bir araç haline getirir. İn vitro testlerin sonuçları burada sunulmakta olup, sistemin klinik öncesi çalışmalarda ve ötesinde DBS'nin anlaşılmasını ve uygulanmasını ilerletme potansiyelini göstermektedir.

Protocol

Sistem mimarisi
Şekil 1'de, düşük güçlü bir mikro denetleyici, dalga biçimi üretimini, sinyal işlemeyi ve iletişim protokolünü kontrol ederek sistemin çekirdeği olarak görev yapar. Dalga formlarının genlikleri, kullanılan programlanabilir akım kaynağı tarafından kontrol edilir. Sistem, akım yönünü değiştirmek için entegre bir H-Bridge devresi kullanır ve böylece sinirsel aktiviteyi uyarmak için gereken iki fazlı dalga formlarını oluşturur. Bir şönt dirençle birlikte mikro denetleyici destekli bir dijital direnç, bir I2C arayüz protokolü aracılığıyla programlanabilir dalga biçimi değişikliklerine olanak tanır. Elektrotlardan geçen akımın sabit kalmasını ve önceden tanımlanmış bir dizi parametreyle tutarlı olmasını sağlamak için, bir mikro denetleyici aracılığıyla bir geri besleme döngüsü sağlanır. Güvenilir güç dağıtımı ve operasyonel stabilite sağlamak için, ek bileşenlerle birlikte mikrodenetleyiciye 3,3 V güç kaynağı sağlayan düşük kayıplı bir voltaj regülatörü uygulanır. Sistemin bilgisayar gibi harici cihazlarla iletişimi, veri toplama veya sistem yapılandırması için gerekli USB bağlantısına olanak tanıyan bir USB'den seriye dönüştürücü tarafından kolaylaştırılır. Elektrotlardan elde edilen bu sinir sinyalleri, mikrodenetleyici aracılığıyla işlenmeden önce kalitelerini en üst düzeye çıkarmak için bir amplifikasyon ve filtreleme aşamasından geçirilir. Güçlendirilmiş ve filtrelenmiş sinyaller ya daha sonra analiz edilmek üzere iletilebilir ya da daha ileri işlemler için saklanabilirken, sistem üretilen bifazik dalga formlarıyla nöral dokuyu uyarmaya devam eder. Sistemin tam bir blok diyagram görünümü Şekil 1'de gösterilmektedir.

Donanım ve şemalar
Donanım sistemi, iki fazlı dalga formları üretmek ve gerçek zamanlı olarak sinir sinyallerini yakalamak için birlikte çalışan birkaç alt sistemden oluşur. Kablosuz, uzaktan çalıştırma için tasarlanmıştır ve düşük güçlü bileşenler, güvenilir iletişim ve sağlam sinyal toplama içerir. Aşağıda donanım mimarisine ayrıntılı bir genel bakış yer almaktadır. Şematik tasarım Şekil 2'de gösterilmiştir; ayrıca Malzeme Tablosuna bakın.

Güç yönetim birimi
Cihaz, şarj edilebilir bir lityum polimer pil veya USB üzerinden çalıştırılabilir. Pil tüm bileşenlere güç sağlar: mikro denetleyici, DAC, amplifikatörler ve BLE modülü. Verimli ve kararlı çalışmayı sağlamak için, kritik bileşenlere tutarlı bir 3,3 V güç kaynağı sağlamak üzere bir voltaj regülatörü kullanılır. Bu regülatörün düşük bırakma özelliği pil ömrünü uzatmaya yardımcı olur. Ek olarak, pil şarjını izlemek ve yönetmek ve aşırı deşarjı önlemek için bir pil yönetim sistemi (BMS) entegre edilmiştir⁹. BMS, BLE modülü aracılığıyla uzak arayüze iletilen gerçek zamanlı pil güncellemelerini sağlamak için mikro denetleyiciyle iletişim kurar. BMS, pil seviyelerini sürekli olarak izler ve şarj belirli bir eşiğin altına düştüğünde düşük güç modunu tetikleyerek enerji tasarrufu sağlamak için DAC ve BLE modülü gibi gerekli olmayan bileşenleri devre dışı bırakır.

Sinyal toplama ve koşullandırma
Elektrotlar tarafından yakalanan düşük genlikli zayıf sinir sinyallerini işlemek için sistem, amplifikasyon ve filtreleme aşamalarını içerir. Kayıt ünitesinin tasarımı Şekil 3'te gösterilmektedir. Düşük gürültülü sinyal amplifikasyonu ve etkili filtreleme için işlemsel bir amplifikatör kullanılır ve yüksek sinyal kalitesi sağlanır.

Düşük gürültülü ön amplifikasyon
Ön aşama, 100 kazanç faktörüne sahip düşük gürültülü bir ön amplifikatör olarak işlemsel bir amplifikatör kullanır. Tipik olarak mikrovolttan milivolta kadar değişen sinir sinyalleri, daha sonraki işlemler için uygun seviyelere yükseltilir. Opamp, 1 kHz'de 4,5 nV/√Hz'lik düşük giriş gürültü yoğunluğu ve yüksek hassasiyeti nedeniyle seçildi ve bu da onu düşük genlikli nöral sinyallerin bozulma olmadan yakalanması için uygun hale getirdi. Yüksek sinyal-gürültü oranına (SNR) sahip temiz bir sinyal üretme yeteneği çok önemlidir, çünkü küçük gürültü bile önemli verileri gizleyebilir⁵.

Düşük gürültülü opamp ile post-amplifikasyon ve filtreleme
Bu güçlendirilmiş sinyal, ADC için ideal bir seviyeye ulaşmak için şimdi 2.5'lik bir kazançla daha da güçlendirilir. Bir bant geçiren filtre de kullanılır; Parazit ve gürültüyü iptal ederken belirli bir frekans bandının geçmesine izin verir. Opamp'ın bant genişliği ve sıfır ofset voltajı, faz bozulması ve gecikmesine neden olmadan uygun filtrelemeyi mümkün kılar. Genel olarak, bant geçiren filtre, frekansların 1 Hz'den 11kHz'e iletilmesine izin verecek, çoğu nöral sinyali kucaklayacak ve aynı zamanda şebekeden kaynaklanan parazit de dahil olmak üzere düşük frekanslı kaymayı ve yüksek frekanslı gürültüyü azaltacak şekilde yapılandırılmıştır.

Analogdan dijitale dönüştürme (ADC)
Filtrelemeden sonra, koşullandırılmış sinyal, 20 kHz örnekleme hızında çalışan bir ADC tarafından sayısallaştırılır. ADC, güçlendirilmiş analog sinyalleri analiz için ayrı dijital değerlere dönüştürür. Opamp, sinyal kalitesinin korunmasını sağlar, gürültü ve bozulma olmadan. 20 kHz'lik yüksek örnekleme hızı, sinirsel aktivitedeki hızlı değişiklikleri hassas bir şekilde yakalayarak örtüşmeyi önler.

Dalga biçimi üretimi ve akım kontrolü
Sistem, bir H-Bridge devresi kullanarak bifazik dalga formları üreterek akımın elektrotlar boyunca her iki yönde akmasına izin verir ve nöral stimülasyon için gerekli olan alternatif pozitif ve negatif fazları oluşturur.

Mikrodenetleyici kontrolü
Mikrodenetleyici, PWM sinyallerine dayalı olarak H-Bridge'i kontrol eder. PWM görev döngüsündeki ayarlama yoluyla iki fazlı sinyalin hem frekansını hem de genliğini kontrol eder. Mevcut dijital-analog dönüştürücü modeli, programlanabilir bir akım kaynağı gibi davranarak dalga biçimi genliğinin hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Bu DAC, H-Köprüsünden akan akımı ayarlayan ve böylece belirtilen akım parametrelerine uyumu sağlayan bir analog sinyal üretir.

Geri bildirim döngüsü
Elektrotlara seri olarak yerleştirilmiş bir akım algılama direnci, sistemin bir ADC kullanarak ne kadar akım çalıştırdığını izlemesini sağlar. Mikrodenetleyici, belirtilen akım seviyelerini korumak için bir PID denetleyicisi ile birlikte sistemden gelen geri bildirimi kullanarak DAC'nin çıkışında ve dalga biçiminde gerçek zamanlı ayarlamalar yapabilir.

Kablosuz iletişim
BLE modülü, sistemde kablosuz olarak iletilen verilerin BLE iletişimi yoluyla iletişimini sağlamak için kullanılır. Bu modül, cihaz ile uzak kullanıcı arayüzü arasında gerçek zamanlı ve çift yönlü iletişim için UART protokolünü kullanır. Bu tasarımda BLE modülü, süre, genlik ve frekans gibi dalga biçimi parametrelerinin ayarlanması için kullanıcı komutlarını alırken, sinir sinyalleri, mevcut ayarlar ve sistem durumu dahil olmak üzere kablosuz veri iletiminde düşük gecikmeli entegrasyon sağlamak için doğrudan mikro denetleyiciye bağlanır. Ancak modülün güç tüketimi düşük olduğundan taşınabilir sinir cihazları için oldukça uygundur. Modül, klinik veya laboratuvar ortamları için ideal olan ~30 m'lik bir iletişim aralığına sahiptir.

Uzaktan kontrol ve izleme arayüzü
Sistem, Android ve IOS platformlarında bulunan nRF Connect uygulaması kullanılarak kablosuz olarak kontrol edilir. Terminal, UART protokolünü kullanarak BLE modülüyle iletişim kurarak kullanıcıların sinirsel aktiviteyi izlemesine ve dalga biçimi parametrelerini gerçek zamanlı olarak yapılandırmasına olanak tanır. Özellikler arasında dalga biçimi tipini, akım genliğini, frekansı ve faz süresini ayarlayabilen dalga biçimi yapılandırması; ve sistem yapılandırmasını ve ürün yazılımı güncellemelerini izleyen kablosuz programlama ünitesi, kablosuz olarak mikro denetleyiciye iletilebilir ve donanıma fiziksel erişim olmadan kolay özelleştirme sağlar.

Yazılım
Kontrol yazılımı, cihazın işlevselliğini ve çalışma parametrelerini düzenlemek için gereklidir. Harici kontrol arayüzleri ile cihaz arasındaki kablosuz iletişim için BLE UART protokolünü kullanır. Bu kurulum, akım kontrollü bifazik dalga formlarının ve frekans ve darbe genişliği gibi diğer önemli parametrelerin gerçek zamanlı programlanmasına olanak tanır. Bluetooth uyumlu mobil uygulama bağlantısı, komut göndermek ve parametreleri ayarlamak için kullanıcı dostu bir arayüz sağlar. Sistem, düşük güç tüketimi sağlarken önceden programlanmış stimülasyon protokollerini yürütebilir veya kullanıcı tanımlı komutları gerçek zamanlı olarak kabul edebilir.

Nihai tasarım ve PCB imalatı
Bu cihazı ticari PCB tasarım yazılımı kullanarak tasarladık. Hayvanlar için sırt çantası olarak kullanılabilir. PCB, 0.4 mm kalınlığında ve 30 x 30 x 1 mm boyutlarında çift taraflıdır. Sadece 9 g ağırlığındadır; nihai ürün Şekil 4'te gösterilmektedir.

Çalışma modları
Cihazın, her biri belirli sinirsel uygulamalar için optimize edilmiş iki çalışma modu vardır: stimülasyon modu ve kayıt modu. Bu modlar, BLE UART protokolü aracılığıyla kablosuz olarak kontrol edilerek bir mobil cihazla iletişim sağlanır.

Artefakt reddi: Cihaz iki modda (stimülasyon modu ve kayıt modu) çalıştığından, kaydedilen verilerin stimülasyondan kaynaklanan elektriksel gürültüyü değil, gerçek beyin aktivitesini yansıtması için artefakt reddinin dahil edilmesini sağlamak önemlidir. Kayıt sırasında, stimülasyon girişimi önlemek için stimülasyon modülü kısa bir zaman aralığına, genellikle milisaniyelere geçici olarak kapatılır. Bu, kayıt cihazının yüksek voltajlı stimülasyon artefaktlarını almasını önler.

Stimülasyon modu: Bu mod, nöral stimülasyon için akım kontrollü bifazik dalga formları üretir. Kontrol yazılımı, darbe genliği, darbe genişliği, frekans ve darbeler arası aralıklar gibi parametreleri dinamik olarak ayarlar. H-Köprü topolojisi, akımın yönü ve sinyal dalga formunun şekli üzerinde çok hassas kontrol sağlayabilir. Artık yükü en aza indirerek uzun süreli stimülasyon sırasında doku hasarını önlemek. Akım kaynağı, çıkış akımında μA çözünürlüğe çok ince ayar yapılmasına izin verir.

Kayıt modu: Bu mod, elektrotlar aracılığıyla sinir sinyallerinin yakalanmasını içerir. Normalde mikro volt (μV) aralığında olan sinyaller, düşük gürültülü amplifikatörler kullanılarak yükseltilir ve istenmeyen gürültüyü gidermek için bir bant geçiren filtreden filtrelenir. Filtrelenen sinyaller daha sonra 20 kHz örnekleme hızına sahip bir ADC tarafından sayısallaştırılır ve analiz için kablosuz olarak iletilir. Empedans izleme, doğru sinyal yakalama için gerekli olan elektrot temas kalitesinin sürekli değerlendirilmesini sağlar. Cihaz, kapalı döngü çalışmayı destekleyerek, kaydedilen sinirsel aktiviteye dayalı olarak stimülasyon parametrelerinin gerçek zamanlı olarak ayarlanmasına olanak tanır ve bu da onu beyin-bilgisayar arayüzleri (BCI'ler), nöroprotezler ve diğer kapalı döngü nöromodülasyon uygulamaları için uygun hale getirir.

Results

Cihaz farklı doğrulama ve değerlendirme testlerinden geçti ve ürün fizibilitesi açısından beş aşamada test edildi: Çıkış dalga biçimi değerlendirmesi, akım çıkış testi, salin testi, voltaj düşüşü testi ve kayıt testi.

Çıkış dalga biçimi değerlendirmesi
Cihazın birincil testi, cihaza bağlı 1 kΩ'luk bir direnç kullanarak dalga formunun şeklini ve modunu kontrol etmekti. Dijital depolama osiloskopunda fazlar arası gecikmeli iki fazlı bir dalga biçimini başarıyla iletti. Tüm pa...

Discussion

Bu çok işlevli minyatür cihaz, hem sinirsel stimülasyon hem de sinyal toplama için entegre sistemlerin tasarımında ileriye doğru atılmış anlamlı bir adıma işaret ediyor. Angotzi ve ^ark.5 ve Melo-Thomas ve ^ark.8 tarafından tanımlananlar gibi çok kanallı kayıt veya stimülasyonu vurgulayan mevcut platformların aksine, sistemimiz programlanabilir, akım kontrollü bifazik stimülasyonu kompakt, kablosuz bir form faktöründe gerçek zamanlı nöral sin...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CP2102 USB	Silikon laboratuvarları		Telifsiz sürücüler içeren eksiksiz bir tak ve çalıştır arayüz çözümü sağlar
DMHC30025LSD H-Köprü devresi	DİYOT		Bu yeni nesil tamamlayıcı MOSFET H-Bridge, düşük geçit sürücüsü ile elde edilebilecek düşük direnç özelliklerine sahiptir.
mikrodenetleyici MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelektronik		ARM Mikrodenetleyiciler - 256 kbyte Flash belleğe sahip MCU Mainstream Arm Cortex-M4+ MCU 170 MHz
İskandinav BLE modülü MDBT42Q	Raytac Şirketi		Kablosuz olarak iletilen verilerin BLE iletişimi yoluyla iletişimine izin verin
OPA322 işlemsel yükselteç	TEKSAS ALETLERI		Tekli, 5.5 V, 20 MHz, sıfır çapraz düşük gürültülü (6nV/√ Hz) RRIO işlemsel yükselteç
Tina Ti Yazılım	TEKSAS ALETLERI		Frekans tepkisini simüle eder
TLV1117 15 V, 800 mA, Ayarlanabilir ve Sabit Lineer Voltaj Regülatörü	TEKSAS ALETLERI		800 V ila 2.7 V arasında desteklenen bir giriş voltajı aralığı ile 15mA'ya kadar çıkış akımı sağlayan doğrusal bir voltajdır.