Bio-sensor embedding for biofeedback based closed-loop auricular Vagus Nerve Stimulation

Abstract

Auricular vagus nerve stimulation (aVNS) is a treatment method for chronic diseases such as epilepsy and depression. It is mainly carried out as an open-loop system without direct feedback. Thus, the treatment does not receive information about the patient’s physiological conditions. A closed-loop approach receives feedback and can correct the stimulation, like under or overstimulation. To make this possible, patient parameters must be recorded and analysed in real-time. An already established aVNS closed-loop application at the TU Wien is utilized in this work. It detects the patient's cardiac cycle and stimulates the subsequent cycle in a selected phase. For this thesis, the MAX86150 sensor from Maxim Integrated, recording electrocardiography & photoplethysmography, replaces the BIOPAC System to provide portable biofeedback acquisition. The sensor was set up with a 800Hz sampling frequency and transfers data every 25ms. For the implementation, new filters were designed, the calibration was adapted and the latency of the system was determined. Both experimental setups were compared based on their performance. The latency of the developed setup was determined to be 96 +-27.1ms (mean +-standard deviation) and compensated. The MAX setup stimulated with an std of +-67.2ms around the desired target point, while the BIOPAC application produced an std of +-67.1ms. For the performed measurement the MAX sensor detected approximately 19% more cardiac cycles than the BIOPAC system. The stimulation precision of the MAX setup is +-13.3ms.The MAX setup latency increased to 96ms compared to the TU Wien setup with 85ms. Both experimental setups perform equally in target stimulation initiation based on cardiac events. However, the MAX setup has shown a higher rate in cardiac cycle detection. The setup precision is limited to an std of +-13.3ms due to the data transmission every 25ms. To achieve this precision, a better prediction algorithm is needed to accurately predict and stimulate the heart rate variability dependent target point in the cardiac cycle. The newly implemented MAX86150 sensor is a good replacement for the BIOPAC system. With the replacement, the last stationary component is removed. Thus, the experimental setup provides a basis for the further development of a portable closed-loop aVNS system.

Die aurikuläre Vagusnervstimulation (aVNS) ist eine Behandlungsmethode für chronische Krankheiten wie Epilepsie und Depression. Sie wird hauptsächlich als Open-Loop-System ohne direktes Feedback durchgeführt. Die Behandlung erhält also keine Informationen über den physiologischen Zustand des Patienten. Ein Closed-Loop Konzept hingegen erhält Rückmeldungen und kann Vorgänge wie eine Unter- oder Überstimulation korrigieren. Um dies zu ermöglichen, müssen die Patientenparameter als Echtzeit-Biofeedback aufgenommen und analysiert werden. Eine bereits etablierte aVNS Closed-Loop Anwendung an der TU Wien wird in dieser Arbeit verwendet. Sie erfasst den Herzzyklus des Patienten und stimuliert den nachfolgenden Zyklus in einer ausgewählten Phase. Für diese Diplomarbeit wird das BIOPAC System durch den MAX86150 Sensor von Maxim Integrated ersetzt, um portables Biofeedback anhand von Elektrokardiographie und Photoplethysmographie zu liefern. Der Sensor wurde mit einer Samplingfrequenz von 800Hz eingerichtet und überträgt alle 25ms Daten. Für die Implementierung wurden neue Filter erstellt, die Kalibrierung angepasst und die Latenzzeit des Systems bestimmt. Nach kompensierter Latenz wurden die beiden Versuchsaufbauten hinsichtlich ihrer Leistung verglichen. Die Latenzzeit des entwickelten Aufbaus wurde mit 96 +-27.1ms (Mittelwert +-Standardabweichung) festgestellt und kompensiert. Das MAX-Setup stimulierte mit einem std von +-67.2ms um den gewünschten Zielpunkt, während die BIOPAC-Anwendung einen std von +-67.1ms ergab. Bei der durchgeführten Messung erfasste der MAX-Sensor etwa 19% mehr Herzzyklen als das BIOPAC-System. Die Stimulationsgenauigkeit des MAX-Setups beträgt +-13.3ms. Die Latenzzeit des MAX-Setups steigt auf 96ms im Vergleich zum TU Wien Setup mit 85ms. Beide Versuchsaufbauten schneiden bei der gezielten Stimulationsauslösung in Abhängigkeit des Herzzyklus gleich gut ab. Die Präzision ist auf einen std von +-13.3ms beschränkt, da die Messdaten alle 25ms übertragen werden. Um diese Präzision zu erreichen, ist ein besserer Vorhersagealgorithmus erforderlich, um den herzfrequenzvariabilitätsabhängigen Zielpunkt im Herzzyklus genau vorherzusagen und stimulieren zu können. Der neu implementierte Sensor MAX86150 ist ein guter Ersatz für das BIOPAC-System. Durch das Ersetzen wird die letzte stationäre Komponente entfernt. Damit bietet der Versuchsaufbau eine Grundlage für die weitere Entwicklung eines tragbaren aVNS-Systems mit geschlossenem Regelkreis.