Local field potentials sensing module in an adaptive neuro-stimulator for treatment of Parkinson's disease

Parkinson's disease (PD) is a chronic, progressive, ordinary neurodegenerative disorder. Deep brain stimulation (DBS) is a device-based therapy with the advantages of adjustability of stimulus parameters. The so-called "adaptive deep brain stimulation" (aDBS) controlled by local field potential oscillations is based on a closed-loop neuromodulation approach. Simultaneous stimulation and sensing is required to administer therapy in patients suffering from PD. Despite an aDBS approach has been shown to be superior to conventional DBS, stimulation generates large artifacts at the recording sites, which make difficult to acquire local field potentials (LFPs). This Master's thesis work describes the development and characterization of a neural signal sensing module that consists of: (1) a custom integrated circuit (IC), developed in collaboration with Politecnico di Milano, suited for low-power and low-noise LFPs recording and artifact suppression; (2) a pre-filter, to reduce the artifact amplitude so that it can be treated and greatly attenuated by the abovementioned IC; (3) switching power supply unit; (4) charging and battery management circuit; (5) a microcontroller to process the acquired signals. In particular, this sensing module was designed for a subcutaneous Implantable Neuro-Stimulator, so it must comply with the low-power constraint dictated by the compact and light weight rechargeable Lithium-ion battery. The performance of this module have been assessed through both on-bench tests and experiments involving a cow brain to verify the compliance with the low-noise, energy-efficient and micro-power requirements for an implantable medical device.

La malattia di Parkinson è di tipo neurodegenerativo, con evoluzione lenta ma allo stesso tempo progressiva. Coinvolge alcune funzioni quali il controllo dei movimenti e dell'equilibrio. Rientra in un gruppo di patologie definite come "Disordini del Movimento" e tra queste è la più frequente. La stimolazione elettrica ad alta frequenza (biologica) di strutture target sottocorticali è un opzione terapeutica, nota come stimolazione cerebrale profonda o DBS ed è attuata attraverso l' utilizzo di un dispotivo elettronico che permette la regolazione dei parametri della stimolazione. La così detta "stimolazione cerebrale profonda adattiva" (aDBS) si basa su un approccio di neuromodulazione retroazionato in cui la stimolazione è controllata sulla base di una variabile fisiologica, i potenziali locali di campo (attività neuronale elettrica nell'intorno dell'elettrodo di registrazione). Per somministrare la terapia adattativa nei pazienti affetti del morbo di Parkinson è necessario poter stimolare e registrare i segnali neurofisiologici allo stesso tempo. La stimolazione genera enormi artefatti nei siti di registrazione dei segnali, che complicano l' acquisizione dei potenziali di campo locali. Questo lavoro di tesi descrive lo sviluppo e la caratterizzazione di un modulo di lettura di segnali neurali che consiste in: (1) un circuito integrato dedicato (IC), sviluppato in collaborazione con il Politecnico di Milano, per una registrazione dei potenziali locali e soppressione dell' artefatto di stimolo a basso consumo e basso rumore; (2) un pre-filtraggio, per ridurre l' ampiezza dell' artefatto di stimolo in modo tale che quest' ultimo possa esser trattato e fortemente attenuato dal suddetto IC; (3) un convertitore di tipo switching per l' alimentazione; (4) un circuito per la ricarica e la gestioone della batteria; (5) un microcontrollore che elabora i segnali acquisiti. In particolare questo modulo di lettura è stato progettato per un Neuro-Stimolatore impiantabile sottocutaneo, in modo tale da soddisfare i vincoli di basso consumo legati all' utilizzo di una batteria ricaricabile compatta ed ultra leggera. Le prestazioni di questo modulo sono state esaminate attraverso test da banco e sperimentazioni su un cervello bovino per verificarne la corrispondenza con i requisiti di progettazione a basso rumore, alta efficienza energetica e basso consumo previsti per l'applicazione medicale in oggetto.