[論文レビュー] Design and Fabrication of Novel Digital Transcranial Electrical Stimulator for Medical and Psychiatry Applications

HoseinAli Jafari, Mohammad Heydari+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Transcranial Magnetic Stimulation Studies参考文献 23被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、tDCS、tPCS、CES、MET用に正確な電流波形を生成できる低コストでデジタル制御式の頭皮電気刺激器を提示する。高度なデジタル制御器を用いることで、バーストパルス機能を備えた調整可能な刺激が可能となり、医療および精神医学分野への応用において高い正確性と多様性を実現する。

ABSTRACT

In this article, we design a novel Transcranial Electrical Stimulator for medical applications, which is very cheap and can produce the desired signals very accurately. Our fabricated stimulator generates all current signals related to Transcranial Electrical Stimulation (TES) methods, i.e. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS), Transcranial Pulsed Current Stimulation (tPCS), Cranial Electrotherapy Stimulation (CES), and Microcurrent Electrical Therapy (MET). The proposed device has been constructed of an advanced digital controller which makes it tunable. One of the major advantages of the device is its ability to generate Burst pulses.

研究の動機と目的

• 多様な医療および精神医学的応用を想定した、低コストで高精度な頭皮電気刺激器の開発。
• 従来のアナログベースの刺激器の限界を克服するため、信号精度と調整性を向上させるデジタル制御アーキテクチャの導入。
• 1台のコンactデバイス内でtDCS、tPCS、CES、METの複数の刺激モードを生成可能にする。
• 神経調節研究および治療に不可欠なバーストパルス機能の実装。
• デジタル設計およびモジュラー製造を活用し、臨床的および研究用に費用対効果に優れ、スケーラブルな設計を実現。

提案手法

• 刺激器はデジタル制御器を用いて、時間的および振幅的に高い正確性で電流波形を生成・制御する。
• システムは頭皮電気刺激で用いられるすべての標準的電流信号、すなわち定常電流、パルス電流、マイクロ電流波形を生成するように設計されている。
• バーストパルス生成はプログラマブルなデジタルタイミング論理により実装され、カスタマイズ可能なオン/オフサイクルやパルスパターンが可能である。
• 負荷条件の変化（例：頭皮インピーダンスの変動）に対しても電流の忠実性と安定性を維持するフィードバック制御メカニズムを採用している。
• 低コストの市販電子部品とモジュラー設計を用いてハードウェアを製造しており、スケーラビリティと修理性を支援している。
• 信号処理および制御アルゴリズムはファームウェareに実装されており、刺激パラメータのリアルタイム調整と設定が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストのデジタル刺激器は、臨床および研究現場における頭皮電気刺激に必要な正確性と安定性を達成できるか？
• RQ2 1つのデジタルプラットフォームが、tDCS、tPCS、CES、METの複数のTESモードを一貫した性能で効果的に生成できるか？
• RQ3 バーストパルス機能の導入が、神経調節応用におけるデバイスの有用性をどの程度向上させるか？
• RQ4 従来のアナログ刺激器と比較して、デジタル制御アーキテクチャが信号忠実性と調整性をどのように向上させるか？
• RQ5 提案された設計は、信頼性と安全性を確保しながら、医療用途に適した低コストで実現可能か？

主な発見

• 実装された刺激器は、tDCS、tPCS、CES、METのすべてのターゲットとなるTES波形を高い精度と低歪みで効果的に生成した。
• デジタル制御システムにより、インピーダンス条件の変化に関わらず正確で安定した電流供給が実現され、信頼性の高い刺激が可能となった。
• バーストパルス機能は効果的に実装されており、高度な神経調節プロTOCOLに不可欠なカスタマイズ可能なオン/オフパターンを提供した。
• 標準的なデジタル部品とモジュラー構造を用いることでコスト削減が達成され、性能に妥協を生じさせなかった。
• ファームウェare制御によるリアルタイムのパrameter調整が可能であり、高い調整性と再設定性を実現した。
• 柔軟性と信号正確性の両面から、臨床的応用および精神医学的研究に適した設計であることが検証された。