Miniaturized wireless electronic device for application on rodents thermal neuromodulation

Abstract

A epilepsia é uma doença neurológica que afeta muitas pessoas em todo o mundo, e cerca de 30% dos pacientes epiléticos são resistentes aos medicamentos. Normalmente, estes são obrigados a ficar em casa, uma vez que a opção é uma cirurgia de ressecção focal, o que nem sempre é possível ou aceite. Portanto, e como em muitas patologias onde é possível o desenvolvimento de dispositivos médicos capazes de melhorar a qualidade de vida dos pacientes, a tecnologia pode-se associar à medicina e fornecer uma solução alternativa para tais pacientes. Dos vários estudos já realizados neste campo, a neuromodulação térmica é uma técnica promissora, uma vez que reduz ou possivelmente interrompe as crises epiléticas. Assim, a fim de potencializar uma solução futura para estes pacientes, é necessário primeiro realizar vários testes experimentais com modelos animais. Com o intuito de melhor compreender o funcionamento dos testes in vivo, foram realizados testes em GAERS no Grenoble Institute of Neuroscience com um dispositivo previamente desenvolvido, a fim de recolher dados sobre o efeito de arrefecimento nos neurónios. Isso permitiu alargar o conhecimento sobre o arrefecimento focal, mas também permitiu encontrar limitações no dispositivo utilizado, dado que era necessário que este estivesse conectado por fios para ser possível aplicar frio e gravar o EEG. Assim, o objetivo desta dissertação foi melhorar a comunicação sem fios de um dispositivo eletrónico capaz de controlar um Peltier e registar a atividade elétrica cerebral de um roedor. O sistema possui dois módulos, um que maioritariamente transmite dados e outro que os recebe. Nesse sentido, o transmissor possui toda a eletrónica associada à comunicação sem fios, à aquisição de sinais eletrofisiológicos e ao controlo do Peltier. Já o recetor possui a eletrónica para a comunicação sem fios e um conector USB para se conectar ao computador. Com o intuito de aumentar o débito binário da transação de dados, os dois módulos foram programados com o protocolo proprietário da Nordic Semiconductor, denominado Enhanced ShockBurst que opera na banda 2.4 GHz. Após a implementação do software, obteve-se um débito binário de 368640 bps, o que é 17 vezes superior ao protocolo usado anteriormente. Assim, é possível adquirir biossinais com frequências mais elevadas, ou então, com frequências mais baixas, mas com mais resolução e, ainda a visualização de mais do que um canal. De forma a validar todo o sistema, realizaram-se vários testes. Um dos testes foi colocar nos elétrodos uma onda sinusoidal e observar no computador se a onda recebida era igual à onda de entrada. O outro foi determinar a taxa de erros associada à comunicação e o tempo de vida da bateria.

Epilepsy is a neurological disorder that affects numerous people worldwide, and around 30% of epileptic patients are drug resistant. Usually, they are restrained at home, since the option is a focal resection surgery, which is not always possible or accepted. Therefore, and as in many pathologies, where it allows the development of medical devices capable of improving patients’ quality of life, technology may be used here to help medicine providing an alternative solution for such patients. Of the many studies already conducted in this field, thermal neuromodulation is a promising technique as it reduces or possibly interrupts epileptic seizures. Thus, in order to leverage a future solution for these patients, it’s first necessary to run several experimental tests with animal models. To better understand how in vivo tests work, tests were initially performed on GAERS at the Grenoble Institute of Neuroscience with a previously developed device in order to collect data on the cooling effect on neurons. This allowed to extend the knowledge about focal cooling, but also allowed to find limitations in the device used, as it was required to be wired in order to be able to apply cold and record the EEG. Therefore, the aim of this dissertation was to improve the wireless communication of an electronic device capable of controlling a Peltier module and recording the electrical brain activity of a rodent. The system has two modules, one that mostly transmits data and another that receives them. In this sense, the transmitter has all the electronics associated with wireless communication, electrophysiological signal acquisition, and Peltier control. The receiver, on the other hand, has the electronics for wireless communication and a USB connector to connect to the computer. In order to increase the binary throughput of the data transaction, the two modules were programmed with the 2.4 GHz proprietary protocol from Nordic Semiconductor, called Enhanced ShockBurst. After implementation of the software, a binary throughput of 368640 bps was obtained, which is 17 times higher than the previously used protocol. Thus, it is possible to acquire biosignals at higher frequencies, or at lower frequencies but with more resolution, and to visualize more than one channel. In order to validate the whole system, several tests were performed. One of the tests was to place a sine wave on the electrodes and observe in the computer if the signal received was equal to the input wave. The other, on the other hand, was to determine the error rate associated with communication and battery life.