DE102007022303A1

DE102007022303A1 - Telemetrisch kontrolliertes Mikroelektrodenmanipulatorsystem

Info

Publication number: DE102007022303A1
Application number: DE102007022303A
Authority: DE
Inventors: Uwe Thomas; Dirk Höhl; Sascha Thomas; Stefan Rein
Original assignee: THOMAS RECORDING GmbH
Current assignee: THOMAS RECORDING GmbH
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2007-05-12
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-05-13
Also published as: DE102007022303B4

Abstract

Technisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und Zielsetzung Bei der chronischen extrazellulären Signalableitung im Gehirn besteht das Problem, dass durch mechanische Verschiebung von Hirngewebe durch z. B. kardiovaskuläre Pulsationen die Signalableitung mit Mikroelektroden nicht über längere Zeit stabil ist. Daher muss die Position der Mikroelektroden nachjustiert werden. Um die Versuchstiere oder Probanden hierbei nicht zu stören, soll diese Nachjustierung telemetrisch erfolgen. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikroelektrodenmanipulator bidirektional telemetrisch zu steuern, um eine definierte Nachjustierung von Mikroelektroden im Gehirn zu ermöglichen. Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe Das telemetrisch kontrollierte Mikroelektrodenmanipulatorsystem besteht aus einem miniaturisierten Mikroelektrodenantrieb mit integrierter Signalerfassung und Mikroelektroden-Antriebseinheit zur unabhängigen Positionierung von einzelnen Mikroelektroden und einer Basisstation. Der Mikroelektrodenmanipulator wird auf dem Kopf des zu untersuchenden Versuchstieres montiert. Die Signalerfassung und Digitalisierung erfolgt im Mikroelektrodenmanipulator. Die abgeleiteten physiologischen Signale wie auch die Daten zur Steuerung der Mikromotoren zur Elektrodenpositionierung werden telemetrisch zwischen Basisstation und Mikroelektrodenmanipulator übertragen. Die Basisstation besteht aus einer Telemetrie-Sende/Empfangseinheit. Als Übergangsstandards kommen z. B. ...

Description

Anwendungsgebiet:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.
Stand der Technik:
Gegenwärtiger Stand der Technik im Bereich der Hirnforschung ist die extrazelluläre Ableitung von neuronalen Signalen und die telemetrische Übertragung von neurophysiologischen auf mehreren Kanälen. Der Stand der Technik wird in der Publikation von Geortchev et al. umfassend dargestellt (Geortchev et al., 2005). Die Autoren geben einen Überblick, welche Typen digitaler Kommunikation eine telemetrische Übertragung von extrazellulären Signalen einer Multineuronen Population derzeit möglich sind. Sie beschreiben die Übertragung mittels Zigbee oder Bluetooth Übertragungsstandard. Sie kommen zu dem Schluß, dass sich Bluetooth aufgrund der Übertragungsbandbreite für Multineuronen Ableitungen besser eignet als der Zigbee Standard. Die Signalübertragung mittels Zigbee Standard wird, aufgrund der geringeren Signalbandbreite, ausschließlich für Signalübertragungen aus kleineren Neuronenpopulationen als geeignet eingestuft. Cielewski et al. publizierten Ergebnisse über ein Telemetriesystem, basierend auf einem digitalen Signalprozessor vom Typ Texas Instruments MSP 430 mit dem multiple Kanäle neuronaler Aktivität aufgenommen und telemetrisch übertragen werden können (Cieslewski et al., 2006). Dieses System ist ausschließlich für die Erfassung neuronaler Daten konzipiert und erlaubt keine telemetrische Steuerung von Aktoren. Mosheni et al. präsentieren ein Telemetriesystem für Ableitung und Übertragung neurophysiologischer Signale auf 4 Kanälen (Mohseni et al., 2005). Die Datenübertragung erfolgt im FM-Frequenzbereich von 94–98 MHz über eine Distanz von etwa 0,5m. Bossetti et al. publizierten Ergebnisse über ein subkutan implantierbares Ableit- und Telemetriesystem mit dem neuronale Signale von chronisch implantierten Elektroden abgeleitet und telemetrisch übertragen werden können, um telemetrisch einen Apparat steuern zu können (Bossetti et al., 2004). S. Xu et al. präsentierten ein multikanal Telemetriesystem zur telemetrischen Mikrostimualtion in frei beweglichen Tieren (Xu et al., 2004). Das System wird von einem PC über eine RS323 Schnittstelle gesteuert. Die Signalübertragung ist unidirektional vom PC auf das Zielsystem und erlaubt ausschließlich eine Mikrostimulation.
Nachteile des Stands der Technik:
Ein wesentlicher Nachteil des gegenwärtigen Stands der Technik bei der telemetrischen Übertragung von extrazellulär abgeleiteten neurophysiologischen Signalen ist, dass die Mikroelektroden, mit denen die Signale von einzelnen Neuronen abgeleitet werden, nach der Positionierung im Gehirn nicht mehr bewegt werden können. Chronische Signalableitungen über längere Zeiträume sind damit nicht möglich. Gerade Verhaltenstudien mit Versuchstieren (z. B. Primaten) unter Einsatz extrazellulärer Multielektrodenableitung sind somit nicht durchführbar. Bereits kleinste Verschiebungen des Hirngewebes relativ zur Mikroelektrodenspitze können dazu führen, dass die Elektrode die Signale des jeweiligen Neurons nicht länger ableiten kann. Kann die Elektrode nach der Implantation nicht mehr definiert bewegt werden, ist eine weitere Signalableitung nicht mehr möglich. Eine Nachjustierung der Elektrodenposition muß also telemetrisch möglich sein, um die Signalableitung permanent der biomechanischen Situation im Gehirn anpassen zu können. Ein weiterer Nachteil der klassischen telemetrischen Signalübertragung ist die geringe Signalbandbreite, wodurch die Kanalzahl der Übertragung begrenzt ist. Die wissenschaftlichen Fragestellungen im Bereich der Hirnforschung haben sich in den letzten Jahrzehnten immer mehr in Richtung Erforschung neuronaler Netzwerke im Gehirn entwickelt. Hierzu ist es notwendig, von möglichst vielen Nervenzellen gleichzeitig extrazelluläre Signale abzuleiten und telemetrisch zu übertragen. Stand der Technik ist im Moment die simultane Signalableitung von multiplen Mikroelektroden und die kabelgebundene Übertragung der Signale zu einem Datenaufnahmesystem. Eine telemetrische Übertragung solcher Signale ist auf relativ wenige Kanäle begrenzt. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Skalierbarkeit einzelner telemetrischer Ableitsysteme. Hierunter versteht man die gleichzeitige Anwendung von mehreren telemetrischen Ableitsystemen auf verschiedenen Versuchstieren, um Verhaltensstudien in Gruppen durchzuführen.
Aufgaben der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikroelektrodenmanipulator bidirektional telemetrisch zu steuern, um eine definierte Nachjustierung von Mikroelektroden im Gehirn zu ermöglichen. Durch diese Erfindung wird ein wesentlicher Nachteil von gegenwärtig eingesetzten unidirektionalen Telemetriesystemen vermieden. Der Mikroelektrodenmanipulator liefert weiterhin die Position der Mikroelektrode mit einer Positioniergenauigkeit von 1 Mikrometer. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es mehrere telemetrisch kontrollierte Mikroelektrodenmanipulatoren simultan mittels eines Versuchsparadigmas zu betreiben. Weiterhin wird angestrebt, die Signalübertragungsbandbreite des Gesamtsystems so groß zu wählen, dass möglichst viele Funktionen des Systems telemetrisch gesteuert werden können.
Lösung der Aufgabe:
Diese Aufgaben werden durch den telemetrisch kontrollierten Mikroelektrodenmanipulator (Telemetric Controlled Microdrive System, TCMS) mit den Merkmalen des Anspruchs I gelöst.
Vorteile der Erfindung:
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

1) Die Erfindung ermöglicht die simultane telemetrische Steuerung von mehreren Mikroelektroden mit einer Genauigkeit von 1 μm, die Signalableitung über diese Mikroelektroden, die Signalkonditionierung und die telemetrische Signalübertragung an eine Empfangsstation. Die bidirektionale Signalübertragung des telemetrisch kontrollierten Mikroelektrodenmanipulators hat den Vorteil der Nachjustierung von Ableitelektroden zur Optimierung des Ableitergebnisses. Dieser Vorteil ermöglicht erst chronische Signalableitungen.
2) Die Erfindung ermöglicht den simultanen Betrieb mehrerer Telemetriesysteme und bietet dadurch den Vorteil der Kontrolle mehrerer Mikroelektrodenmanipulatoren auf verschiedenen Versuchstieren mit dem Ziel der Durchführung von Verhaltensstudien in Tiergruppen.
3) Die Erfindung setzt telemetrisch repositionierbare Mikroelektroden ein, die auch Stimulationselektroden sein können. Mit dem Implantat können Stimulationselektroden nachjustiert werden, um die Mikroelektroden neuronaler Prothesen besser an die Zielstruktur (Nervenzellen) anpassen zu können. Dies hat den Vorteil, dass man bei optimaler Anpassung der Stimulationselektrode an die Zielstruktur (Neuron) weniger Stimulationsstrom benötigt, um einen entsprechenden Stimulationseffekt auszulösen. Dadurch kann bei Neuroimplantaten Energie gespart werden, was zur Erhöhung der Implantat Lebensdauer beiträgt.
4) Durch die Erhöhung der telemetrischen Übertragungsbandbreite können mehr Kanäle pro telemetrischem Ableitsystem versorgt werden als bei klassischen Verfahren. Dadurch können Multikanalableitungen mit höherer Elektrodenzahl an frei beweglichen Versuchstieren durchgeführt werden.

Reference List

Bossetti CA, Carmena JM, Nicolelis MAL, Wolf PD. Transmission latencies in a telemetrylinked brain-machine interface. IEEE Trans.Biomed.Eng 2004; 51:919–924.
Cieslewski G, Cheney D, Gugel K, Sanchez JC, Principe JC. Neural Signal Sampling via the Low Power Wireless Pico System. In: Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. 2006.
Geortchev V, Stoianov I, Krasteva R, Boneva A, Batchvarov D, Stanishev K, Zahariev R, Vallortigara G. Digital communication for telemetric multi-neuron recordings. Academic Open Internet Journal 2005; 16.
Mohseni P, Najafi K, Eliades SJ, Wanf X. Wireless multichannel biopotential recording using an integrated FM telemetry circuit. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehab.Eng 2005; 13:263–271.
Xu S, Talwar SK, Hawley ES, Li L, Chapin JK. A multi-channel telemetry system for brain microstimulation in freely roaming animals. J Neurosci Methods 2004; 133:57–63.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1: Blockschaltbild des telemetrisch kontrollierten Mikroelektrodenmanipulators (TCMS)
2: Montage von Mikroelektrodenmanipulator 1 und Telemetrieeinheit 2 auf dem Kopf eines Versuchstieres (hier Affe)
3: Versuchsanordnung mit mehreren Telemetrieeinheiten 17, die durch einen WLAN Access Point 15 angesteuert werden.
Das telemetrisch kontrollierte Mikroelektrodenmanipulatorsystem (TCMS; Telemetric Controlled Microdrive System) besteht aus einem Mikroelektrodenmanipulator 1, einer Telemetrieeinheit 2 und einer Kontrollstation 3.
Das telemetrisch kontrollierte Mikroelektrodenmanipulatorsystem (TCMS; Telemetric Controlled Microdrive System) besteht aus einem Multikanal Mikroelektrodenmanipulator vom Typ Micro Matrix 1 mit einem Schlauchelektrodenantrieb 4 ( US Patent No. 5,413,103 ) für jede Mikroelektrode 5. Die mit dem System verfahrenen Mikroelektroden 5 sind Quartzglas-Platin Wolfram Mikroelektroden (Hersteller Thomas RECORDING GmbH, Giessen) mit einem oder mehreren unabhängigen Signalkanälen.
In den Mikroelektrodenmanipulator 1 ist ein Multikanal Vorverstärker integriert 6. Der Mikroelektrodenmanipulator 1 ist mit einer entsprechenden Anzahl von Mikromotoren ausgestattet 7 um die Mikroelektroden 5 mit einer Positioniergenauigkeit von 1 μm und einer max. Geschwindigkeit von 250 μm/s zu bewegen.
Die von den Mikroelektroden 5 extrazellulär abgeleiteten neurophysiologischen Signale werden durch den im Mikroelektrodenmanipulator integrierten Vorverstärker 6 etwa 10-25 fach vorverstärkt.
Der Mikroelektrodenmanipulator 1 verfügt über ein Führungssystem 8 zur Führung der Mikroelektroden. Für eine höhere Reproduzierbarkeit der Ableitposition ist das Führungssystem 8 in ein Schablone mit äquidistanten Löchern integriert.
Die Telemetrieeinheit 2 besteht aus einem digital programmierbaren Multikanal Hauptverstärker mit differentiellem Signaleingang 9 und getaktetem Tiefpass-Anti Aliasing Filter 10. Die Hauptverstärker 9 kann über einen I/O-Port des DSP 11 parametrisiert werden. Grenzfrequenzen und Verstärkungsfaktoren können so für jeden Kanal des Hauptverstärkers individuell eingestellt werden.
Kernstück der Telemetrieeinheit 2 ist ein digitaler Signalprozessor (DSP, 11) mit integriertem Analog-Digital Wandler. Dieser DSP 11 übernimmt sowohl die Digitalisierung und Konditionierung der physiologischen Signale als auch die Ansteuerung der Mikromotoren über eine Motortreiberstufe 14 und die Ansteuerung des WLAN Moduls 12 zur telemetrischen Signalübertragung. Weiterhin überwacht der DSP 11 die Versorgungsspannung des Systems über eine Power Management Schaltung (PMS, 13).
Zur Ansteuerung der Mikromotoren 7 des Mikroelektrodenmanipulators 1 verfügt die Telemetrieeinheit 2 über eine Motorleistungstreiberstufe 14 mit entsprechender Kanalzahl.
Die telemetrische Signalübertragung erfolgt über ein WLAN Modul 12, dass durch den DSP 11 angesteuert wird. Durch die Verwendung des WLAN Übertragungsstandards können maximale Übertragungsbandbreiten realisiert werden und der Netzwerkbetrieb mehrerer Telemetrieeinheiten ist möglich.
Die Stromversorgung der integrierten Vorverstärker erfolgt über Batterien, die im System integriert sind.
Der Mikroelektrodenmanipulator 1 und die Telemetrieeinheit 2 sind auf dem Kopf des Versuchstieres montiert.
Die Control Einheit 3 besteht aus einem Personal Computer als Host Rechner oder Server 16 des Computer-Netzwerkes 18. Über einen WLAN Access Point 15 werden die n individuellen Telemetrieeinheiten 17 angesteuert, die dann mit den verschiedenen Workstations 19 des Computer Netzwerkes 18 verwaltet bzw. gesteuert werden können.
Die Mikromotoren 7 des Mikroelektrodenmanipulators 1 werden mittels einer Software gesteuert. Zur Nachjustierung der Position der Mikroelektroden wird ein automatischer Regelalgorithmus eingesetzt, der in die Steuersoftware integriert. Mittels dieses Regelalgorithmus steuert der DSP 11 unabhängig vom Server die Mikroelektroden nach.
Die Telemetrieeinheit 2 ist so gebaut, dass sie wahlweise über die interne Stromversorgung 13 oder über eine externe Stromversorgung 21 betreiben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5413103 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Geortchev et al., 2005 [0002]
- Cieslewski et al., 2006 [0002]
- Mohseni et al., 2005 [0002]
- Bossetti et al., 2004 [0002]
- Xu et al., 2004 [0002]
- Bossetti CA, Carmena JM, Nicolelis MAL, Wolf PD. Transmission latencies in a telemetrylinked brain-machine interface. IEEE Trans.Biomed.Eng 2004; 51:919–924 [0006]
- Cieslewski G, Cheney D, Gugel K, Sanchez JC, Principe JC. Neural Signal Sampling via the Low Power Wireless Pico System. In: Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. 2006 [0006]
- Geortchev V, Stoianov I, Krasteva R, Boneva A, Batchvarov D, Stanishev K, Zahariev R, Vallortigara G. Digital communication for telemetric multi-neuron recordings. Academic Open Internet Journal 2005; 16 [0006]
- Mohseni P, Najafi K, Eliades SJ, Wanf X. Wireless multichannel biopotential recording using an integrated FM telemetry circuit. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehab.Eng 2005; 13:263–271 [0006]
- Xu S, Talwar SK, Hawley ES, Li L, Chapin JK. A multi-channel telemetry system for brain microstimulation in freely roaming animals. J Neurosci Methods 2004; 133:57–63 [0006]

Claims

Telemetrisch gesteuerter Mikroelektrodenmanipulator 1 zum individuellen Steuern von multiplen Quartzglas-Platin Wolfram Mikroelektroden durch eine Kontrollstation 3 unter Einsatz einer Telemetrieeinheit 2 dadurch gekennzeichnet, dass der WLAN Übertragungsstandard eingesetzt wird und die Ansteuerung mehrerer Telemetrieeinheiten 17 in einem Computer-Netzwerk 18 simultan möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position von Mikroelektroden 4 telemetrisch gesteuert werden kann und gleichzeitig neurophysiologische Signale von den Mikroelektroden 4 abgeleitet und telemetrisch übertragen werden können
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Signaldetektions- und Regelalgorithmus die Position der Mikroelektroden 4 automatisch durch den DSP 11 nachgesteuert werden können
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptsignalverstärker 9 und der Signalfilter 10 telemetrisch parametrisierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die telemetrische Steuerung der Mikroelektroden auch mit einem anderen Übertragungsstandard erfolgen kann, der höhere Übertragungsbandbreiten gewährleistet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Mikroelektroden mit dem Schlauchelektrodenantrieb ( US Patent No. 5,413,103 ) erfolgt. Die Positionierung kann aber auch mit einem anderen Antriebsmechanismus erfolgen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Mikroelektroden 4 mit einem oder mehreren voneinander unabhängigen Innenleitern ausgestattet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Mikroelektroden 4 Quarzglas Platin/Wolfram Mikroelektroden sind, aber auch aus anderen Mikroelektrodenmaterialien bestehen können.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroelektroden über eine Lochrasterblende mit äquidistanten Löchern, die in eine implantierbare Ableitkammer integriert ist, eine reproduzierbare Ableitposition für jede Mikroelektrode in horizontaler Richtung gewährleistet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroelektroden auch durch Mikroinjektionspipetten ersetzt werden können, mit denen dann telemetrisch gesteuerte Mikroinjektionen durchgeführt werden können
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikroinjektionspumpe telemetrisch angesteuert werden kann, um mit einer definierten Flußrate ein definiertes Volumen von Flüssigkeiten durch die Mikroinbjektionspipette zu injizieren
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungssystem 8, in denen die Mikroelektroden 5 geführt werden, aus um bis zu 90° gebogenen Röhrchen bestehen kann
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem System eine Multikanalstimulation von mehreren Neuroprothesen eines Probanden möglich ist (z. B. Steuerung mehrerer Gliedmaßen aus dem entsprechenden Hirnareal). Dies kann durch zwei oder mehr getrennte TCMS Systeme erfolgen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das TCMS System für die Anwendung am Menschen für neuroprothetische Anwendungen bestimmt ist