A low-cost high performance medical device to record neurophysiological signals

The high spatio-temporal resolution recording of electrophysiological signals produced by large numbers of neuronal cells represents the most promising method to clarify how the information is transferred between and within brain areas. This branch of neuroscience can only be possible by exploiting recent technological hardware advancement. In fact, the key limitation of most devices is still imposed by the hardware resolution of the data. If the resolution is too low, signal decoding will necessarily be poor. Otherwise, the highest resolution possible in vivo (e.g. intracortical recordings), typically limits the number neuronal cell recorded and the number of brain areas tested at the same time. An important hardware-based advancement has certainly been the development of multichannel systems, thus lending great opportunities to novel analytical techniques to extract relevant information from large data-sets. In particular, hardware development has focused towards the increase of the spatial performance of those devices that come into direct contact with the cortical surface. My work project has created a complete system consisting of hardware and software for neurosurgeons or those studying multichannel neural signals in general. This system will use state-of-the-art hardware to acquire high-quality multichannel data. The software will display all signals acquired from the target brain area and offer a number of real-time analysis modules to provide immediate results and facilitate interpretation of the neural response. Critical effort will be devoted to the usability of the software interface to reduce as much as possible any friction in a neurosurgical scenario. More importantly, aiming for a system for clinical use, the design strategy will follow standards for the development of medical-grade hardware and software that comply with all regulations governing CE marking.

La registrazione ad alta risoluzione spazio-temporale dei segnali elettrofisiologici prodotti da un gran numero di cellule neuronali rappresenta il metodo più promettente per chiarire come l'informazione viene trasferita tra e all'interno delle aree cerebrali1. Questa branca delle neuroscienze può essere possibile solo sfruttando i recenti progressi tecnologici dell'hardware. In effetti, il limite chiave della maggior parte dei dispositivi è ancora imposto dalla risoluzione hardware dei dati. Se la risoluzione è troppo bassa, la decodifica del segnale sarà necessariamente scadente. In caso contrario, la massima risoluzione possibile in vivo (ad es. registrazioni intracorticali), in genere limita il numero di cellule neuronali registrate e il numero di aree cerebrali testate contemporaneamente. Un importante progresso basato sull'hardware è stato sicuramente lo sviluppo di sistemi multicanale, che hanno offerto grandi opportunità a nuove tecniche analitiche per estrarre informazioni rilevanti da grandi set di dati. In particolare, lo sviluppo hardware si è concentrato sull'aumento delle prestazioni spaziali di quei dispositivi che entrano in contatto diretto con la superficie corticale. Oltre alle limitazioni hardware, spesso emergono limitazioni software per la gestione dei segnali multicanale. Ad esempio, la mappatura funzionale del cervello nei pazienti di neurochirurgia è una delle applicazioni che possono ottenere il massimo dai sistemi multicanale, ma difficilmente possono utilizzare i sistemi attualmente disponibili. Infatti, i sistemi che registrano contemporaneamente 128, 256 o più canali, tutti provenienti da una specifica area del cervello, difficilmente possono essere visualizzati tutti contemporaneamente. Sono invece necessarie tecniche avanzate offline per ridurre la dimensionalità dei dati per renderli leggibili all'occhio umano. Ovviamente questa non è un'opzione praticabile per monitorare le attività cerebrali durante la neurochirurgia né può essere utile per l'ottimizzazione intraoperatoria della resezione del tumore. Il progetto sviluppato mira alla creazione di un sistema completo, composto da hardware e software per neurochirurghi o per chi studia segnali neurali multicanale in generale. Questo sistema utilizzerà hardware all'avanguardia per acquisire dati multicanale di alta qualità. Il software visualizzerà tutti i segnali acquisiti dall'area cerebrale target, riducendo il più possibile qualsiasi attrito in uno scenario neurochirurgico. Ancora più importante, puntando a un sistema per uso clinico, la strategia di progettazione seguirà gli standard per lo sviluppo di hardware e software di livello medico conformi a tutte le normative che regolano la marcatura CE.