Программно-аппаратный комплекс для регистрации локального потенциала поля нервной ткани
ПАК для длительной регистрации активности участков мозга мелких грызунов, а также беспроводной передачи локального потенциала поля, ЭКГ и ЭЭГ.
Задача
Здоровье нашей нервной системы, в особенности мозга, напрямую влияет на когнитивные навыки и мыслительные процессы. Поэтому любые патологии мозга, сопровождающиеся гибелью клеток, приводят к различным поведенческим отклонениям, расстройствам памяти и общей деградации личности. Исследования активности нейронов мозга животных помогут создать базу для разработки терапевтических средств лечения заболеваний мозга людей, в особенности – нейродегенеративных расстройств.
Задачей сотрудников Лаборатории ПСПОД является разработка программно-аппаратного комплекса для длительной регистрации активности участков мозга мелких грызунов, а также беспроводной передачи локального потенциала поля, ЭКГ и ЭЭГ. При этом необходимо обеспечить прочность конструкции имплантируемого устройства для надежной фиксации на голове лабораторного животного на протяжении всего эксперимента.
Проект выполняется в рамках деятельности Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» на базе Центра Национальной технологической инициативы «Новые производственные технологии» ФГАОУ ВО «СПбПУ» (далее – НЦМУ СПбПУ), созданного приказом ректора Университета от 30.04.2020 № 699 «О создании Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» на базе Центра Национальной технологической инициативы «Новые производственные технологии» ФГАОУ ВО «СПбПУ».
Решение
Комплекс включает в себя три закрепленных на мышах носимых модуля, передающих данные 32 каналов мозговой активности по радиосвязи, и зарядно-базовую станцию, принимающую данные с носимых модулей и передающую их посредством одного из проводных интерфейсов на ПК.
В рамках проекта были реализованы следующие этапы:
- Разработаны принципиальные электрические схемы и печатные платы носимого модуля и базовой станции. Подобраны компоненты и подготовлена документация для автоматического монтажа печатных плат;
- Произведено 3D моделирование и поиск оптимального конструктивного исполнения носимых модулей и базовой станции;
- Проведены исследования в области эргономики - обеспечения максимального удобства использования комплекса учеными-исследователями;
- Разработано тестовое ПО для проверки аппаратной части, а также тестовое ПО для визуализации данных на ПК;
- Сформированы требования к основному ПО для всех компонентов системы.
- Разработано и протестировано основное ПО для всех компонентов ПАК, в том числе ПО для обработки и отображения данных на ПК;
- Выполнено 3D моделирование и печать корпусных элементов базовой станции.
Результат:
Лабораторный образец программно-аппаратного комплекса состоит из: имплантируемого устройства с кремниевыми электродами и приёмопередающего устройства, подключаемого к персональному компьютеру по USB или Ethernet и осуществляющего связь с имплантируемым устройством по радиоканалу, а также программного обеспечения – для микроконтроллера в имплантируемом устройстве, приёмопередающем устройстве и персональном компьютере. Имплантируемое устройство состоит из печатной платы с разъёмами и аккумулятором размером не более 10х13х15мм. Приёмопередающее устройство – печатная плата с компонентами и антеннами.
Детали
Компоненты ПАК:
- Электроды, имплантируемые в мозг подопытного животного (32 электрода, распаянных на специальной кремниевой подложке, совмещенной с разъемом для подключения);
- Устройство обработки и передачи данных - беспроводной носимый модуль со встроенным аккумулятором, габариты модуля 10х13х15мм, скорость передаваемых данных 1 Мбит/с;
- Базовая станция для приема данных с беспроводных носимых модулей, также выполняющая функции зарядного устройства и держателя носимых модулей в неактивном режиме (для удобства транспортировки);
Предполагаемый вариант внешнего вида базовой станции
- Программное обеспечение всех компонентов комплекса, в том числе ПО для обработки и отображения данных на ПК.
Технологии
Языки программирования: | Python 3 |
Платформы и Фреймворки: | Socket интерфейс для взаимодействия с Ethernet; PyQt5 для GUI; Pyqtgraph для отрисовки графиков в реальном времени |
Беспроводные технологии: | модуль nRF24L01 (частота передачи 2,4 ГГц, GFSK модуляция, 126 частотные каналы, настраиваемая мощность передатчика, пропускная способность 2 Мбит/с в радиотракте) |
Микроконтроллер: |
STM32G0 |
Технологии измерения: | аналогово цифровой преобразователь - RHD2132 |
РИД
Публикации
Ключевые исполнители
- Руководитель проекта: А.В. Васина, и.о. директора ИБСиБ
- Соруководители: М.В. Болсуновская, заведующий лабораторией «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ; О.Л. Власова, директор ВШБСиТ ИБСиБ СПбПУ; И.Б. Безпрозванный, заведующий Лабораторией молекулярной нейродегенерации СПбПУ
- Руководитель проекта, ведущий разработчик: Д.М. Казаков
- Разработчик: Н.С. Макаревич