Wearable Transcranial Ultrasound System for Remote Stimulation of Freely Moving Animal

生物医学工程 可穿戴计算机 超声波 物理医学与康复 计算机科学 医学 刺激 神经科学 人机交互 心理学 嵌入式系统 放射科
作者
Evgenii Kim,Eloise Anguluan,Jeungeun Kum,Jorge Sanchez-Casanova,Tae Young Park,Jae Gwan Kim,Hyungmin Kim
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:68 (7): 2195-2202 被引量:25
标识
DOI:10.1109/tbme.2020.3038018
摘要

Transcranial focused ultrasound (tFUS) has drawn considerable attention in the neuroscience field as a noninvasive approach to modulate brain circuits. However, the conventional approach requires the use of anesthetized or immobilized animal models, which places considerable restrictions on behavior and affects treatment. Thus, this work presents a wireless, wearable system to achieve ultrasound brain stimulation in freely behaving animals.The wearable tFUS system was developed based on a microcontroller and amplifier circuit. Brain activity induced by tFUS was monitored through cerebral hemodynamic changes using near-infrared spectroscopy. The system was also applied to stroke rehabilitation after temporal middle cerebral artery occlusion (tMCAO) in rats. Temperature calculations and histological results showed the safety of the application even with prolonged 40 min sonication.The output ultrasonic wave produced from a custom PZT transducer had a central frequency of 457 kHz and peak to peak pressure of 426 kPa. The device weight was 20 g, allowing a full range of motion. The stimulation was found to induce hemodynamic changes in the sonicated area, while open-field tests showed that ultrasound applied to the ipsilateral hemisphere for 5 consecutive days after the stroke facilitated recovery.The wearable tFUS system has been designed and implemented on moving rats. The results showed the ability of device to cause both short- and long lasting effects.The proposed device provides a more natural environment to investigate the effects of tFUS for behavioral and long-term studies.
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