用于多通道磁遗传神经刺激的高带宽功率电子和磁性纳米粒子( High Bandwidth Power Electronics and Magnetic Nanoparticles for Multichannel Magnetogenetic Neurostimulation )

Boshuo Wang Zhongxi Li Charles E Sebesta Daniel Torres Hinojosa Stefan M Goetz

目的：我们提出了一种用于多路磁致神经刺激的电力电子系统和磁性纳米颗粒，该系统具有三个通道，跨越宽频率范围和快速的通道切换能力。这使得使用不同频率-振幅的磁场组合来选择性加热具有不同矫顽力的磁性纳米颗粒成为可能。这种多路操作为选择性磁致神经刺激提供了超越空间局域限制的技术手段。方法：电子系统使用金属硅-氧化物-半导体和氮化镓场效应晶体管的混合体，分别在亚MHz范围内产生高达500 a的高振幅电流和MHz范围内的高频电流。该系统通过三个离散的谐振电容器组，在同一液冷磁场线圈中产生一个不同频率通道的交变磁场，频率范围从50 kHz到4 MHz。通过高压接触器将线圈连接到不同的电容器组，实现了通道间的快速切换。我们用输出通道的频率、场强、开关时间以及系统的整体工作稳定性来表征系统。研制了三种不同矫顽力的氧化铁纳米粒子，形成三个磁热通道。对纳米粒子进行了比吸收率和红外热成像测量，以表征其加热特性，并证明了对所有三个通道的选择性驱动。主要结果：系统在三个频率通道（50 kHz时为70 kA/m，500 kHz时为10 kA/m，2 MHz以上为1 kA/m)上达到了预期的目标场强，通道间的切换速度达到了毫秒级。该系统可以在30%占空比下连续工作至少两小时，线圈中有125个臂负载，对应于以3 s脉冲和7 s脉冲间间隔在目标强度下循环三个通道的激励协议。纳米粒子在其各自的频率通道上被选择性加热2.3～9倍。因此，通过三个不同的磁热加热通道验证了该系统的预期用途。意义：我们描述了第一个电力电子系统和磁性纳米粒子的结合，实现了三个刺激通道。利用相同的磁场线圈对每个通道进行选择性驱动，包括一种响应MHz范围内磁场的新成分。该方法可以提高频率复用磁致神经刺激的速度和灵活性。

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