SCI-无线微型脑刺激器

2024-08-21 13:24:38 浏览数 (2)

平时啰里啰唆的几千字比人家论文都多:

我是sb

总之就是一个大学设计了一个设备:可通过外部发射器无线供电,并通过硬脑膜(附在颅骨底部的保护膜)刺激大脑。

主要研究呢~搞了一个编码系统,可以传输能量,可以传输数据,总之就是使用无线线圈完成一个工作。

很小,右边是器件图

现有的植入式脑刺激技术由相对较大的电池供电,这些电池需要放置在身体其他部位的皮下,并通过长线连接到刺激装置。这种设计限制需要更多的手术,并给患者带来更大的硬件植入负担、电线断裂或故障风险以及未来更换电池的需要。“利用外部发射器以无线方式为设备供电,从而消除了对电池的需求。

该技术依靠一种将磁场转换成电脉冲的材料。这种转换过程在小尺度上非常有效,并且具有良好的错位容差,这意味着它不需要复杂或微小的操作来激活和控制。该设备宽度为 9 毫米,可提供 14.5 伏的刺激。

这个刺激电流为:产生硬膜外脑刺激所需的 2 至 20 mA 刺激电流

以下是PCB的框图:

还是有个逆变器的,因为是交变的电压

差分的刺激电极

定制的 PCBA 旨在从 ME 膜中获取能量并以数字方式控制输出刺激。它由肖特基二极管桥式整流器、储能电容器、低压差稳压器、升压转换器 (LTC3129)、电流检测放大器 (INA186)、输出开关 (DG636) 和微控制器 (NXP KL15) 组成。

升压转换器很小啊

186也小,MCU在下面

刺激幅度通过使用微控制器上的数模转换器设置升压转换器电压来控制。使用输出开关打开和关闭输出刺激。通过依次刺激两个电极来保持电荷平衡输出。首先,底部电极用刺激电压进行刺激,同时顶部电极接地,然后顶部电极进行刺激,同时底部电极接地。使用电流检测放大器近似测量输出电阻。放大器设置为监测刺激输出开关的电源电流。通过在刺激输出期间对该电流进行采样,并了解编程电压,可以计算出输出电阻的近似值。使用不同的刺激电压和负载电阻来验证这一点,以确保在预期的操作区域内是准确的。

植入的示意图

放电时的电流密度

实施了一种通信方案,其中每条 3.4 毫秒持续时间的消息都有一个包含 3 到 5 位(总持续时间为 1.8 到 3.0 毫秒)的下行部分和一个包含 8 位(总持续时间为 1.6 毫秒)的上行部分。

电刺激增量

示意图显示数字数据如何通过被动 ME 背向散射进行编码。位 1 和 0 通过在短路(数据 1)和开路(数据 0)之间切换 ME 薄膜的节点来编码。

薄膜由收发器场激发,在激发场关闭时,从差分配对的拾音线圈测量由此产生的振铃场。( D ) 在时间常数为 40 μs(深绿色)的 1 位和时间常数为 91 μs(浅绿色)的 0 位期间测得的振铃场的示例。数据被解码为信号正半部分的积分(阴影)。

使用印在定制 PCB 上并与发射线圈对齐的差分配对线圈接收来自 ME 薄膜的反向散射磁场电压。这样,大振幅激励场不会被放大,但小振幅反向散射场会被放大。由前置放大器、可变增益放大器和有源低通滤波器组成的定制模拟前端电路可过滤和放大信号。模拟包络检测器可平滑输出,板载微控制器 (NXP LPC54605) 在振铃期间对该信号进行采样以实时解码数据。为了在使用过程中将阈值设置在 0 和 1 之间,会定期使用由连续位 01010101 组成的校准信号。

收发器场和植入刺激输出的实验序列示例

发射器场(橙色)在充电阶段提供电力,然后是编程阶段,其中数字下行链路数据(深橙色)被传输到设备并返回上行链路数据(绿色)。在这里,该设备被编程为具有不同的输出电压,用 10 脉冲 500 Hz 脉冲串进行刺激,用 3 脉冲 50 Hz 脉冲串进行刺激。刺激器产生的输出电压(蓝色)显示基于传输指令产生的不同刺激模式。

装置在术中放置的示意图。盐水浸湿的纱布用于与顶部电极进行电连接。

将装置放置在运动皮质的硬脑膜上方,并用发射线圈激活它。刺激导致对侧拇指运动。

拇指不动,不放图了

动了,这个好

植入照片,好想学这个

在猪模型中慢性植入期间设备测试的示意图。该示意图用于可视化。

左插图:猪硬脑膜上方和皮肤下方的 DOT 植入物的横截面。

右插图:用于量化前肢运动的视频示例帧。

像极了了大大卷泡泡糖

完整制作:

DOT 由四个主要部件组成:PCB 组件、两片 7.5 mm x 3 mm 的 ME 膜、一个偏置磁铁和三部分玻璃外壳。

简而言之,ME 膜的制造方法是将 PZT(Piezo Systems PZT 5H PSI-5H4E)和 Metglas(2605SA1,Metglas Inc.)环氧树脂粘合(M-Bond 43-B)在一起形成三层压板,PZT 两侧都有 Metglas,然后用飞秒激光(One Five Origami XP,NKT Photonics)切割层压板。

切割后,在 218 kHz 交变磁场中测试薄膜功能,饱和电压高于 25 V 峰峰值的薄膜则保留用于设备。

定制 PCB 由商业制造商在单独的面板中设计和制造,然后在实验室中手工组装。对于每个设备,两个面板使用七根 3 毫米长度的非绝缘电线连接在一起,这些电线焊接在面板侧面的城垛通孔之间。连接后,使用测试固件测试设备的基本功能。

将最终固件刷入功能齐全的 PCBA,然后使用垂直放置的 0 欧姆电阻和导电环氧树脂将 ME 膜平行连接到顶部面板。

连接薄膜后,在具有外部偏置磁体的磁场中测试设备,以确保薄膜为刺激和其他功能提供足够的功率。

然后,将一个 1 毫米 x 2 毫米 x 3.5 毫米的钕偏置磁体固定在组件上,以允许比固定外部偏置所能实现的更大的运动范围。

更多细节自己看论文,我就看看电子设备如何设计。

杭州西湖 第一次在杭州写东西,打卡留念。

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https://news.rice.edu/news/2024/rice-team-demonstrates-miniature-brain-stimulator-humans
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0858

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