一种基于嵌入式系统、支持蓝牙、可编程、双相波形刺激器，具备实时神经信号采集功能

摘要

本文介绍了一种专为临床前深部脑刺激（DBS）研究设计的新型装置，并配备神经信号记录单元。该装置在波形参数方面具有高度灵活性，包括波形形状、频率、脉宽和幅度，同时可记录神经锋电位和局部场电位。

摘要

本研究介绍了一种轻量级、支持蓝牙的深部脑刺激（DBS）装置，专为在自由活动的小型动物中开展的临床前研究而设计。为解决当前波形灵活性和无线控制方面的局限性，我们开发了一种紧凑型多功能刺激器，能够递送可编程、电荷平衡的双相波形，同时采集神经信号。该系统集成了现成的电流调节、信号放大和模数转换组件，全部由低功耗微控制器进行管理。组装过程包括在双面30 × 30 mm印刷电路板（PCB）上进行电路集成、通过nRF Connect进行波形编程，以及通过盐水和负载电阻测试进行验证。体外评估结果表明，该装置在不同负载阻抗下均能稳定输出电流，在盐水中运行时波形无失真，并能高保真地记录神经信号，信噪比超过35 dB。这些结果证实了该装置适用于闭环神经调控实验，为未来DBS治疗的转化研究奠定了基础。

引言

本研究介绍了一种新型深部脑刺激器，用于探索实验动物在分子和行为水平上的变化。尽管文献中已讨论了多种微型刺激器装置，但它们在尺寸、重量、刺激能力、持续刺激的递送能力以及对外部电源的需求方面存在显著差异。大多数啮齿类动物用装置依赖外部电源，这限制了其在需要同时进行刺激和行为观察的研究中的应用¹。虽然一些解决方案（如连接线缆、磁波或光源）试图解决这一问题，但每种方法都有其自身的局限性：连接线缆会限制动物的活动和行为，磁刺激器仅限于特定环境使用，而基于光的系统则受光照周期的影响²。

大多数传统的啮齿类动物神经刺激系统需要将动物与外部刺激器连接，这不仅限制了动物的自由活动，还使行为学测试变得复杂³。此外，连接线缆会随着时间推移而磨损，存在发生故障的风险。尽管在开发便携式深部脑刺激（DBS）系统方面已取得一定进展，但目前许多设备缺乏对其电路设计的详细说明。通常，这些设备相对于啮齿类动物体型而言过于笨重，且其小型电池在持续高频刺激下迅速耗尽⁴。一些研究人员尝试使用动物佩戴的较大电池组，但这再次限制了其自然运动。此外，许多设备不支持电压调节，而电压调节对于维持稳定的刺激至关重要，因为随着时间推移，电极与组织之间的相互作用会导致阻抗变化⁵。目前迫切需要开发适用于未来人类应用的微型化、无线化、低功耗设备，这对下一代闭环脑机接口（BMIs）的发展提出了新的挑战。在脑机接口研究中，通常使用非人灵长类动物或啮齿类动物，原因在于它们的大脑与人类具有相似性，或存在大量可用的实验模型⁶。然而，由于小鼠等啮齿类动物体型更小，为其开发轻量化、无线的微型刺激器更具挑战性。

作为进一步发展的初步步骤，我们致力于开发一种用于啮齿类动物的多功能装置，该装置兼具刺激与记录功能。研究人员通常采用两种方法之一：设计定制的专用集成电路（IC），或使用现成的商用电子元件（COTS）⁷。尽管专用集成电路具有噪声低、结构紧凑和能效高等优点，但其开发周期较长且成本较高，因此更适合长期植入应用，而不适用于动物的短期研究。相比之下，基于现成商用元件的系统更具灵活性，可在研究初期阶段方便地进行修改。然而，现有的具备记录和刺激功能的商用系统并不理想，难以满足自由活动的小型动物长期实验的需求⁸。这些系统通常仅支持单通道操作、需要有线连接，且不适用于长时间的行为学研究。部分系统虽支持无线数据传输，但在实时处理能力方面存在局限，因而无法满足诸如 spike-timing-dependent plasticity（STDP）等闭环研究的需求。

为了克服这些挑战，我们将两种策略整合到了设备设计中。我们开发了一款定制集成电路（IC），能够以高效率、低噪声和紧凑的体积持续记录神经活动，从而减少干扰和串扰。刺激器采用商用现成（COTS）元件构建，安装在定制电路板上，并连接至一个微控制器，用于处理信号、无线传输以及可编程刺激。该方案实现了一个低功耗、低噪声、紧凑型记录系统，并与一款可编程微刺激器相集成，能够在闭环模式下运行。微控制器在调节回路配置和无线传输数据方面的灵活性，使其成为临床前脑深部电刺激（DBS）研究中的多功能工具。本文展示了体外（in-vitro）测试的结果，验证了该系统在推进临床前研究及更广泛范围内对DBS机制理解与应用方面的潜力。

方案

系统架构
在图1中，一个低功耗微控制器作为系统的核心，负责控制波形生成、信号处理以及通信协议。波形的幅度由所使用的可编程电流源进行调控。系统采用集成H桥电路来切换电流方向，从而产生刺激神经活动所需的双相波形。通过微控制器辅助的数字电阻器与分流电阻器相结合，利用I2C接口协议实现可编程的波形调节。为了确保流经电极的电流保持恒定并符合预设参数，系统通过微控制器构建了反馈回路。为保证可靠的电力供应和运行稳定性，系统集成了低压差稳压器，为微控制器及其他组件提供3.3 V电源。系统与外部设备（如计算机）之间的通信由USB转串行转换器实现，支持必要的USB连接，用于数据采集或系统配置。从电极获取的神经信号会经过放大和滤波处理，以在微控制器处理前最大限度提升信号质量。放大和滤波后的信号可被转发用于后续分析或存储以供进一步处理，同时系统继续使用生成的双相波形对神经组织进行刺激。图1展示了该系统的完整框图。

硬件与示意图
该硬件系统由多个子系统组成，可协同工作以生成双相波形并实时采集神经信号。系统设计支持无线远程操作，集成了低功耗组件、可靠的通信模块以及稳定的信号采集功能。以下是硬件架构的详细概述。原理图设计见图2；另请参见材料表。

电源管理单元
该设备可通过可充电锂聚合物电池或USB供电。电池为所有组件提供电力：微控制器、数模转换器（DAC）、放大器以及蓝牙低功耗（BLE）模块。为确保高效稳定的运行，采用电压稳压器为关键组件提供稳定的3.3 V电源。该稳压器的低压差特性有助于延长电池寿命。此外，集成了电池管理系统（BMS），用于监测和管理电池充电过程，并防止过度放电⁹。BMS与微控制器通信，发送实时电池状态更新信息，并通过BLE模块传输至远程接口。BMS持续监测电池电量，当电量低于设定阈值时，将触发低功耗模式，关闭DAC和BLE模块等非必要组件以节省能量。

信号采集与调理
为了处理电极捕获的低幅值微弱神经信号，系统包含放大和滤波环节。记录单元的设计如图3所示。采用运算放大器实现低噪声信号放大和有效滤波，以确保高信号质量。

低噪声前置放大
该初步放大阶段采用运算放大器作为增益为100的低噪声前置放大器。神经信号通常在微伏到毫伏范围内，通过放大使其达到适合进一步处理的水平。所选用的运算放大器在1 kHz时具有4.5 nV/√Hz的低输入噪声密度和高精度特性，因此能够在无失真的情况下捕获低幅值神经信号。其产生高信噪比（SNR）纯净信号的能力至关重要，因为即使微小的噪声也可能掩盖重要数据⁵。

使用低噪声运算放大器进行后级放大和滤波
该放大信号现在将进一步放大，增益为 2.5，以达到适合模数转换器（ADC）的理想电平。同时采用了一个带通滤波器，它允许特定频率范围的信号通过，同时抑制干扰和噪声。运算放大器的带宽及其零失调电压特性使其能够在不引入相位失真和延迟的情况下实现有效的滤波。通常，该带通滤波器的设计允许 1 Hz 至 11 kHz 频率范围内的信号通过，覆盖了大多数神经信号，同时有效抑制低频漂移和高频噪声，包括来自市电的干扰。

模数转换（ADC）
经过滤波后，调理好的信号由一个采样率为 20 kHz 的模数转换器（ADC）进行数字化。ADC 将放大后的模拟信号转换为离散的数字值以供分析。运算放大器确保信号质量得以保持，无噪声和失真。20 kHz 的高采样率能够精确捕捉神经活动中的快速变化，避免混叠现象。

波形生成与电流控制
该系统利用H桥电路生成双相波形，使电流能够双向流经电极，从而产生神经刺激所必需的交替正负相位。

微控制器控制
微控制器根据脉宽调制（PWM）信号控制H桥电路。通过调节PWM的占空比，微控制器可同时控制双相信号的频率和幅度。当前使用的数字-模拟转换器型号可作为可编程电流源，从而实现对波形幅度的精确控制。该数模转换器（DAC）输出模拟信号，调节流经H桥电路的电流，确保严格符合预设的电流参数。

反馈回路
与电极串联的电流检测电阻使系统能够通过模数转换器（ADC）监测当前运行的电流大小。微控制器可结合系统反馈和PID控制器，实时调节数模转换器（DAC）的输出及其波形，以维持设定的电流水平。

无线通信
系统中采用蓝牙低功耗（BLE）模块，以实现通过BLE通信进行无线数据传输。该模块使用UART协议，实现实时且双向的设备与远程用户界面之间的通信。在本设计中，BLE模块直接连接至微控制器，以在无线数据传输过程中实现低延迟集成，包括神经信号、电流设置和系统状态的传输，同时接收用户指令以调节波形参数，如持续时间、幅度和频率。该模块功耗较低，因此非常适用于便携式神经设备。其通信距离约为30 m，非常适合临床或实验室环境。

远程控制与监控界面
该系统通过一款名为 nRF Connect 的应用程序实现无线控制，该应用可在 Android 和 iOS 平台上使用。终端通过 UART 协议与 BLE 模块通信，使用户能够实时监测神经活动并配置波形参数。其功能包括波形配置，可调节波形类型、电流幅度、频率和相位持续时间；以及无线编程单元，可监控系统配置，固件更新可无线传输至微控制器，从而在无需物理接触硬件的情况下实现便捷的定制化操作。

软件
控制软件对于调节设备的功能和操作参数至关重要。它采用BLE UART协议实现外部控制接口与设备之间的无线通信。该设置支持对电流控制的双相波形以及频率和脉宽等其他关键参数进行实时编程。兼容蓝牙的移动应用程序提供了用户友好的界面，用于发送指令和调整参数。系统可执行预编程的刺激协议，也可实时接收用户自定义指令，同时确保低功耗运行。

最终设计与PCB制造
我们使用商用PCB设计软件设计了该装置，可作为动物背负式背包使用。PCB为双面板，厚度0.4 mm，尺寸为30 x 30 x 1 mm，重量仅为9 g；最终产品如图4所示。

工作模式
该设备具有两种工作模式，每种模式针对特定的神经应用进行了优化：刺激模式和记录模式。这些模式通过蓝牙低功耗UART协议进行无线控制，实现与移动设备的通信。

伪迹剔除：由于该设备具有两种工作模式——刺激模式和记录模式，因此必须确保整合伪迹剔除机制，以保证所记录的数据反映的是真实的脑部活动，而非来自刺激的电噪声。在记录过程中，刺激模块会在一个短暂的时间窗口内（通常为数毫秒）暂时关闭，以避免刺激干扰。这可以防止记录设备接收到高电压刺激产生的伪迹。

刺激模式：该模式可生成电流控制的双相波形，用于神经刺激。控制软件可动态调节脉冲幅度、脉冲宽度、频率以及脉冲间间隔等参数。H桥拓扑结构能够精确控制电流方向和信号波形的形状，通过最小化残余电荷来防止长期刺激过程中对组织造成损伤。电流源允许对输出电流进行精细调节，分辨率可达 µA 级别。

记录模式：该模式通过电极捕获神经信号。这些信号通常处于微伏（µV）范围，需使用低噪声放大器进行放大，并通过带通滤波器滤除不需要的噪声。滤波后的信号随后由模数转换器（ADC）以 20 kHz 的采样率进行数字化，并通过无线方式传输以供分析。阻抗监测可连续评估电极接触质量，这对于准确捕获信号至关重要。该设备支持闭环操作，能够根据记录到的神经活动实时调整刺激参数，因此适用于脑机接口（BCIs）、神经假体以及其他闭环神经调控应用。

结果

该设备经过了不同的验证和评估测试，产品可行性共分为五个阶段进行测试：输出波形评估、电流输出测试、盐水测试、电压降测试和记录测试。

输出波形评估
对设备的主要测试是通过在设备两端连接一个 1 kΩ 电阻，来检查波形的形状和模式。该设备已成功在数字存储示波器上输出带有相间延迟的双相波形。由于所有参数均可自定义，该设备可输出单相或双相波形，且可选择是否包含相间延迟。输出样本如图5所示。

电流输出测试
设备验证的第二阶段是通过改变电阻来检测设备的电流注入情况。在深部脑刺激（DBS）过程中，组织阻抗会发生变化，这可能影响设备的电流输出³。为验证这一点，我们连接了阻值范围为10至20 kΩ的电阻。测试在+200 µA到-200 µA的幅度范围内进行，以确保在两个相位下，即使电阻变化，输出仍能保持稳定（图6

讨论

这款多功能微型装置在神经刺激与信号采集一体化系统的设计中迈出了重要一步。与现有平台（如 Angotzi 等人⁵ 和 Melo-Thomas 等人⁸ 所描述的系统）不同，后者通常侧重于多通道记录或刺激功能之一，而我们的系统在紧凑、无线的结构中，独特地结合了可编程、电流控制的双相刺激与实时神经信号记录功能。这种一体化方法实现了闭环神经调节，使记录到的神经活动能够直接指导刺激方案的调整，对于追求高精度的实验神经科学研究具有重要价值。

该系统的核心是一个可编程H桥，可提供主动电荷平衡的双相波形，从而降低因残余电荷积聚导致的组织损伤风险¹¹。系统集成了高性能、低噪声、通用型运算放大器，确保了高信号保真度，信噪比超过35 dB——这对于捕捉低幅度尖峰和局部场电位等微弱神经信号事件至关重要。20 kHz的ADC采样率提供了优异的时间分辨率，能够检测神经活动中的快速波动。同时，基于蓝牙低功耗（BLE）的接口实现了无缝的实时控制和无线数据传输，显著...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CP2102 USB	Silicon labs		提供完整的即插即用接口解决方案，包含免版税驱动程序
DMHC30025LSD H桥电路	DIODES		这一代新型互补型MOSFET H桥具有低导通电阻，可通过低栅极驱动实现
微控制器 MDBT42/STM32G491CCU6	STMicroelectronics		ARM微控制器 - 主流Arm Cortex-M4+ MCU，主频170 MHz，配备256 KB闪存
Nordic BLE模块 MDBT42Q	Raytac Corporation		支持通过BLE通信实现无线数据传输
OPA322运算放大器	TEXAS INSTRUMENTS		单通道、5.5 V、20 MHz、零交叉低噪声（6 nV/√Hz）、轨至轨输入输出运算放大器
Tina Ti 软件	TEXAS INSTRUMENTS		用于仿真频率响应
TLV1117 15 V、800 mA、可调和固定式线性稳压器	TEXAS INSTRUMENTS		该器件为线性稳压器，可提供高达800 mA的输出电流，支持输入电压范围为2.7 V至15 V