TARIFNAME HIZLI TARAMA DÖNGÜSEL VOLTAMETRI CIHAZI IÇIN ÜÇGEN DALGA SEKLI ÜRETECI BULUSUN ILGILI OLDUGU TEKNIK ALAN Söz konusu olan bulusa HßlmTarama Döngüsel Voltametri (FSCV) teknigini uygulayarak dopamin ölçümü yapabilen yeni bir biyomedikal cihaz ile ilgilidir. TEKNIGIN BILINEN DURUMU Tekniginin bilinen durumunda yer alan uygulamalar, patent dokümanlarýve sistemlerde "Dalga Sekli Üreteci" parças'nda bir say daldan analoga çeviricinin (digital-to-analog converter-DAC) bir mikroislemci ile kontrol edildigi ve dopamin ölçümü için gerekli üçgen sekilli dalganm DAC arac mg Ella üretildigi görülmektedir. Ancak bu sistem yüksek maliyetlidir. Yine önceki tekniklerde beyindeki nörotransmiter konsantrasyonundaki degisimleri ölçmek için FSCV teknigini uygulayan sistem gelistirilmistir. Ancak FSCV teknigini uygulamak için gerekli voltametrik dalga sekli saytslaldan analoga dönüstürücü (DAC) ve mikroislemci ile üretilmistir Mevcut buluslarda sayEaldan analoga çevirici haz& entegre devre olarak üreticilerden satß alülmakta, mikroislemciden verilen komutlar aracltgßtla istenilen üçgen sekilli voltametrik dalga seklini üretmesi saglanmaktad hi BULUSUN KISA AÇIKLAMASI Mevcut bulus yukarEla bahsedilen dezavantajlarüortadan kaldmmak ve ilgili teknik alana yeni avantajlar getirmek üzere, FSCV teknigini uygulayarak dopamin ölçümü yapabilen yeni bir biyomedikal cihaz ile ilgilidir. Dopamin beyinde sal Ilan bir nörotransmiterdir. Motor kontrol, motor ögrenme, pekistirmeli ögrenme, motivasyon ve karar vermede kritik öneme sahiptir. Dopamin sallmýyapan nöronlarda olusan hasarlar Parkinson hastaltgîia yol açmaktadi Dopaminerjik sistemdeki bozukluklarül ise sizofreni, depresyon ve madde bag mlmgLl gibi nöropsikiyatrik hastalllstlara neden oldugu düsünülmektedir. Bu yüzden, günümüzde dopaminerjik sistem fizyolojisini anlamaya yönelik çal Emalar önemli ve aktif bir arastlîma konusudur. Beyin yap Tarülda dopamin konsantrasyonundaki degisimleri "hizlýtarama döngüsel voltametri (fast scan cyclic voltammetry - FSCV)" teknigini kullanarak yüksek zamansal çözünürlükte (100 milisaniyelik aralüîlarla) ölçmek mümkündür. Teknik günümüzde insanlarla ve hayvanlarla gerçeklestirilen deneylerde beyinde dopamin konsantrasyonu degisimlerini ölçmek için kullan ÜInaktad m. Teknigin insanlar için nöroprotezlerde kullan Elhia potansiyeli vard E. FSCV teknigini uygulamak için bir mikroelektrot beyin dokusunda hedeflenen bölgeye yerlestirilmektedir. Yerlestirilen bu mikroelektroda üçgen sekilli voltametrik dalga uygulanmakta ve mikroelektrodun ucundaki dopaminin indirgenmesinden/yükseltgenmesinden kaynaklanan aknh ölçülmektedir. Ölçüleri akhji degerinden hareketle dopamin konsantrasyonundaki degisimler anllk olarak saptanabilmektedir. Söz konusu olan bulusta, beyin dokusuna uygulanan üçgen sekilli voltametrik dalga üretimi daha düsük maliyetli devre bilesenleri kullanLIarak gerçeklestirilmektedir. Biyomedikal ve nörobilim arastîzmalarJ-Jda ve cihaz uygulamalarîlda beyin dokusunda dopamin konsantrasyonundaki degisimleri gerçek-zamanli? olarak ölçmeyi ve izlemeyi mümkün hale getirmektedir. Bulus, dopamin konsantrasyonu ölçümü için biyomedikal ve diger endüstriyel cihazlarda da kullan Ellabilir. SEKILLERIN KISA AÇIKLAMASI Söz konusu olan hmlLltarama döngüsel voltametri cihazLliçin üçgen dalga sekli üretecinin daha iyi anlas Tabilmesi adiia haz rlanan sekiller asag Ela aç FPdanmaktadTrL Sekil 1 HIIITarama Döngüsel Voltametri Cihaz DSemas D(WE: Dopamin kaydüiçin kullanIan mikroelektrot, RE: referans elektrot, GND: Toprak). Sekil 2 Mevcut Sistemlerdeki "Dalga Sekli Üreteci" (PLL: Faz Kilitleme Döngüsü, MCU: Mikroislemci) (ÖNCEKI TEKNIK). Mevcut sistemlerde dalga sekli üreteci bir mikroislemci (MCU) ve Say @aldan Analoga Dönüstürücüden olusmaktad E. Sekil 3 Bulustaki "Dalga Sekli Üreteci" (PLL: Faz Kilitleme Döngüsü; MCU: Mikroislemci; Ul- U3: komparator; U4-U5-U6-U7: op-amp, U2: optokuplör). Sekil 4 Hâlüarama döngüsel voltametri ile dopamin ölçümü için çogunlukla kullanühiakta olan üçgen sekilli voltametrik dalga. Sekil 5 Bulusun kullanfldigîbir deneyde elde edilen dopamin konsantrasyonu ölçümü. Sekil 5'te alttaki graiikte y-ekseninde "Dalga Sekli Üreteci" ile üretilen üçgen sekilli dalganm gerilim degeri gösterilmektedir. X-ekseni saniye biriminden zamanLlgöstermektedir. Siyah renkli ok beyine yerlestirilmis mikroelektrot ucunda dopamin konsantrasyonu degisimine baglüolarak Faraday akmtndaki degisimi isaret etmektedir. Bu grafige voltamogram denilmektedir. Sekil 5'te üstteki gratikte bu voltarnogramdan hareketle elde edilen dopamin konsantrasyonundaki degisim gösterilmektedir. Grafikte y-ekseninde dopamin konsantrasyonu, x-ekseninde saniye birimden zaman Lgöstermektedir. REFERANS NUMARALARI Bu bulusla gelistirilen, htjl _tarama döngüsel voltametri cihaZLliçin üçgen dalga sekli üretecinin daha iyi açfklanabilmesi için parçalar/kßühlar/unsurlar ayrHaythumaralandmFllnls olup her bir numaran m aç dilamas Lasag Lda verilmektedir. 1 Mikroelektrot (WE) Referans Elektrot (RE) Dalga Sekli Üreteci (Waveform Generator) Faz Kilitleme Döngüsü (PLL) Akin Voltaj Çevirici Analogdan Say @ala Çevirici ve Veri Kaydedici Mikroislemci OONGUI-ßb-IN Say saldan Analoga Dönüstürücü (DAC) BULUSUN DETAYLI AÇIKLAMASI Bu detaylHaçFRlamada bulus konusu yenilik sadece konunun daha iyi anlasmnasîia yönelik hiçbir 5 El @lay E :letki olusturmayacak örneklerle aç [Elanmaktad E. Söz konusu olan bulus, htztlLtarama döngüsel voltametri cihaz Live bu cihaz için üçgen dalga sekli üreteci ile ilgilidir. Bulus ile hîllarama döngüsel voltametri (fast-scan cyclic voltammetry - FSCV) cihazTiçin yeni bir parça sunulmaktadî. FSCV tekniginde ve cihazFrida, üçgen sekilli voltametrik dalga belirli gerilim aralLgmda üretilir ve beyin dokusuna yerlestirilen bir mikroelektroda uygulanlü Üçgen sekilli voltametrik dalga genellikle -0,4 Volt ile +l,3 Volt aralfgîida üretilir. Üçgen sekilli dalganm baslangç gerilim degeri (-0,4 Volt) ve tepe gerilim degeri (+1,3 Volt) dopaminin yükseltgenme ve indirgenme (srasgl'la 0,7 Volt ve -0,3 Volt) gerilimine göre ve bu gerilimleri tarayacak sekilde seçilmektedir. Mikroelektroda uygulanmakta olan üçgen sekilli dalgann gerilim degeri -0,4 Volt"tan baslaytp tepe degeri olan 1,3 Volt°a çüîarken 0,7' Volt"a ulastgßda mikroelektrot ucundaki dopamin yükseltgenir ve dopamine-o- quinone°a dönüsür. 1,3 Volt"tan -0,4 Volt°a inerken -O,3 Volt"a ulastglîida ise dopamine-o- quinone indirgenerek tekrar dopamine dönüsür. Gerçeklesen bu kimyasal tepkimeler sr'asLnda mikroelektrot ile dopamin arasßda elektron alßverisi gerçeklesir. Elektron alßverisiyle olusan aküh FSCV cihazüiil "Akin Voltaj Çevirici" parçasyla gerilime dönüstürülür ve "Analogdan Saygala Çevirici ve Veri Kaydedici" parçasgl'la sayßal sisteme (öm. bilgisayar) kaydedilir. Üçgen sekilli dalga her 100 milisaniyede bir uygulanii, böylece saniyede 10 defa dopamin konsantrasyonu ölçmek mümkün olur. Üçgen dalganin egimi 400 V/s olarak uygulantd böylece ölçümleri 100 milisaniyede bir gerçeklestirmek mümkün olur. Eger egim daha düsük bir degerde olursa mikroelektrodun hassasiyeti daha az olur ve ölçümleri daha seyrek sekilde gerçeklestirmek gerekir. -0,4 Volt ile +l,3 Volt arashida 400 V/s uygulanan üçgen sekilli dalganFrl toplam uzunlugu 8,5 milisaniyeye karsflfk gelir. Üçgen sekilli dalganFrl uygulanmadfg* zamanlarda mikroelektroda uygulanan gerilim -0,4 V01t`ta tutulur. Böylece mikroelektrodun etrafEla daha fazla sayüla dopamin molekülü toplanm ve mikroelektrodun dopainin ölçüm hassasiyeti artmlmls olur. Üçgen dalga sekli Sekil-47te gösterilmektedir. HTletarama döngüsel voltametri (fast scan cyclic voltammetry - FSCV) cihazWe parçalarFSekil 1'de görülmektedir. FSCV cihazUö parçadan olusmaktad hi 1- Mikroelektrot (WE), 2- Referans Elektrot (RE), 3- Dalga Sekli Üreteci (Waveform Generator), 4- F az Kilitleme Döngüsü (PLL), - AkTrh Voltaje Çevirici, 6- Analogdan Say/@ala Çevirici ve Veri Kaydedici. Sekil l"de sehir sebekesi priz gösterimi de mevcuttur. Bulus, elektrokimyasal bir teknik olan "hLzllLltarama döngüsel voltametri (fast scan cyclic voltammetry - FSCV)" teknigini uygulamaktadli Bu teknigi uygulayarak beyinde dopamin konsantrasyonundaki degisimleri ölçmektedir. Söz konusu bulusta FSCV teknigini uygulamak için gerekli olan üçgen sekilli isaret, kare sekilli isaret üreten bir mikroislemci ve bu kare sekilli isaretin entegralini alan bir analog devre ile üretilmektedir. Bu sayede, sistem bilesenleri daha düsük maliyetli olmaktad r. Mikroelektrot (l) beyin dokusunun içine ve referans elektrot (2) beyin veya baska bir doku içerisine implant edilir. Dalga sekli üreteci (3), üçgen sekilli dalga üretir. Dalga sekli üreteci (3), bu dalga seklini mikroelektrot (1)'a uygulanmak üzere akîn voltaj çeviricisi (5)'ne gönderir. Akm voltaj çeviricisi, üçgen dalga seklini mikroelektrot (1)'a uygular. Üçgen sekilli dalganLn uygulanmasEneticesinde mikroelektrot (l) üzerinde akin olusur. Bu akîna, FSCV tekniginde arka plan akTmTtlenir. Olusan arka plan akTnFrlîi yan *s lîa, üçgen sekilli dalganil mikroelektroda uygulanmas @la mikroelektrot ucundaki dopamin indirgenir ve yükseltgenir: Bu kimyasal tepkime sonucunda arka plan aklîhma ek olarak mikroelektrot üzerinde dopamin konsantrasyonuyla dogru orant ülLblacak sekilde Faraday akmelusur. Olusan arka plan akLniLlve F araday akEhIbirlikte akin voltaj çevirici (5) arac [llg &la voltaja çevrilir ve analogdan sayEala çevirici ve veri kaydedici (6)"ye gönderilir. "Analogdan Saysala Çevirici & Veri Kaydedici (6)", voltaja çevrilmis olan arka plan akLleve Faraday akin degerlerini yüksek sklüstla (öm. kaydeder. Kayîlar bittikten sonra kaydedilen akin degerlerinden arka plan ak`rhÜ matematiksel olarak çüiarma islemiyle çüstarülr ve islem sonucunda Faraday akunselde kalin. Elde kalan Faraday akßhüortamdaki dopamin konsantrasyonuna karslüî gelir. Hesaplamalü yöntemler kullan (larak Faraday akühüldan hareketle dopamin konsantrasyonu tespit edilir. FSCV cihazFrlda faz kilitleme döngüsü (PLL) (4) sehir sebekesinden kaynaklanan gürültü girisimlerini bertaraf etmek için kullanLlJr. Dalga sekli üreteci (3), faz kilitleme döngüsü (PLL) (4) aracülggrla sehir sebekesindeki sinyalin fazEthespit eder ve üçgen sekilli dalgalaeru sinyalin fazîia kilitleninis sekilde üretir. Böylece, ölçümler sTrlaslîida sehir sebekesinden kaynaklanan gürültü girisimleri kaydetme islemi bittikten sonra matematiksel olarak çüîarma islemi yap Iarak bertaraf edilir. Bulusta, Sekil 1'de gösterilen 3 numaralEparça (Dalga Sekli Üreteci) yenidir. Mevcut buluslarda, "Dalga Sekli Üreteci" bir en az bir saylêaldan analoga çevirici (digital to analog converter-DAC) ve en az bir mikroislemci ile meydana getirilmektedir (Sekil 2). Bulusta, dalga sekli üreteci olarak Sekil 3'teki devre sunulmaktadm. Bu tasarFmîi 2 avantajH bulunmaktadr: 1- Daha düsük maliyetli devre elemanlarLl kullanmaktadLii. 2- Optokuplör kullan [Barak mikroislemcinin ürettigi elektriksel gürültünün üretilen üçgen sekilli dalgaya girisim yapmas _önlenmektedir. Bulusun çal @masîle ilgili detaylar asag da anlatmnaktadr. Bulusun devre semas: Sekil 3'te görülmektedir. Bulusta "Dalga Sekli Üreteci"nde bir mikroislemci (MCU) yer al r. Mikroislemci, PLL (4)'den gelen girdilere göre fazlîsehir sebekesi sinyaline kilitlenmis darbe sinyalleri üretir. Ul numaralEkomparatör entegre devresi voltaj kars Flastî'rnas Wapar ve Optokuplörün (Sekil 3'te U2 numaralkomponent) girisine ürettigi darbe sinyalini uygular. U3 numaral, komparatör entegre devresi Optokuplör çkslnda voltaj karsüastîzrnasüyaparak darbe sinyali üretir. Optokuplör çikßîida üretilen darbe sinyalinin genliginin azaltTmasFlve kaydWlinasHiçin bir operasyonel amplitikatör (opamp) entegre devresi (U4) kullanim. Daha sonra bir entegral alma devresi (US) ile darbe sinyalinin entegrali alhiLd, böylece darbe sinyali üçgen sekilli dalga haline çevrilir. Burada D2 diyotu kritik öneme sahiptir; US opamp'hjhi doyuma ulasmashj, engeller ve entegral alma isleminin sorunsuz sekilde yapEIhiasElIsaglar. U6 numaralEopamp ile üçgen sekilli dalganß geriliminin yukarüya da asagFya dogru kaydülümasýsaglan r. Son olarak U7 numaralTopamp ile üçgen sekilli dalganüi tepeden tepeye geriligi ayarlanüi Bu tasarhhýkullanarak, dopamin ölçümü için çogunlukla kullan Han Sekil 4'te gösterilen dalga sekli üretebilmektedir. Bulusta, mikroislemci ile üretilen darbe sinyallerinin genisligi ve üretim sklEgDistenilen sekilde degistirilebilmektedir. Böylece üretilen üçgen sekilli dalganii genisligi ve üretim periyodu ayarlanabilmektedir. Sekilde 4'te bu parametreler sîasglla 8.5 milisaniye ve 100 milisaniye olarak gösterilmistir. Sekil 3'te gösterilen bilesenler kullanüarak üçgen dalganIJ baslangE ve tepe gerilimleri de istenilen sekilde ayarlanabilmektedir. Sekilde 4'te bu parametreler stüas yla - 0.4V ve 1.3V olarak gösterilmistir. Üçgen dalga seklinin belirtilen bu parametreleri bulusta istenilen sekilde ayarlanabilmektedir. Bulus kullan Tarak, farm-uygulamalar için t`arkl|`baslangß ve tepe gerilimleri, farklFüçgen dalga genisligi ve farklLüçgen dalga üretim periyodu gerçeklestirilebilir. Sekil 5'te bulusun kullantldtgu bir deneyde elde edilen dopamin konsantrasyonu ölçümü görülmektedir. Iki grafik arasEidaki siyah yatay çizgi dopamin nöronlarElEl uyarIdgÜan: göstermektedir. Alttaki grafikte (Uygulanan gerilim-zaman gratigidir.) dopaminin uygulanan üçgen sekilli dalga ile indirgenmesi/yükseltgenmesi sonucu olusan Faraday aktm_görülmektedir. Faraday akEhElsiyah renkli ok ile isaret edilmektedir. Yukarüia yer alan detayl: bilgiler dogrultusunda söz konusu bulus, Beyinde dopamin konsantrasyonundaki degisimleri ölçmeyi saglayan cihaz olup özelligi; Faz kilitleme döngüsü (PLL) aracltgyla sehir sebekesindeki sinyalin faanLtespit edilmesini saglayan ve bu sinyalin fazEla kilitlenmis sekilde üçgen sekilli dalga üretilmesini saglayan ve bu dalga seklini mikroelektroda uygulanmak üzere akin voltaj çeviricisine gönderen üçgen dalga üreteci olmas d LÜ. Bahsi geçen üçgen dalga üretecinin özelligi ise; Faz kilitleme döngüsünden (PLL) (4) gelen girdilere göre faz _sehir sebekesi sinyaline kilitlenmis darbe sinyalleri üretilmesini saglayan mikroislemci (MCU) (7), Mikroislemcinin ürettigi darbe sinyalleri için voltaj kars Llastliimas, yap &nasmu ve optokuplörün (Sekil 3'te U2 numarali: komponent) girisine ürettigi darbe sinyalinin uygulanmasTrlFSaglayan komparatör entegre devresi (Ul), Mikroislemci (7) ile Dalga Sekli Üreteci (3) arasEldaki elektriksel izolasyonu saglayan böylece mikroislemciden kaynaklanan elektriksel gürültünün üretilen üçgen sekilli dalgaya girisim yapmasmjinleyen optokuplör (U2), Optokuplör (U2) çüîgilda darbe sinyali üretimini saglayan komparatör entegre devresi (U3), Üretilen darbe sinyalinin genliginin azalttllnasÜve kaydilfllnaslüýsaglayan operasyonel amplifikatör (opamp) entegre devresi (U4), Darbe sinyalinin üçgen sekilli dalga haline çevrilmesi için darbe sinyalinin entegralinin al bjmas nLlsaglayan U5 opamp ; Entegral almay LBaglayan opampn (US) doyuma ulasmasnLbngelleyen ve entegral alma isleminin sorunsuz sekilde yap ImasElEsaglayan diyot (DZ), Üçgen sekilli dalganîi geriliminin yukarüya da asaggl'a dogru kaydEÜIHas :saglayan U6 opampil Üçgen sekilli dalganîi tepeden tepeye genliginin ayarlanmasîiTSaglayan U7 opampTI unsurlar n ;içermesidin Beyin dokusunun içine implant edilen Mikroelektrot (l), beyin veya baska bir doku içerisine implant edilen referans elektrot (2), sehir sebekesinden kaynaklanan gürültü girisimlerini bertaraf etmek için kullanman, hlztlLltarama döngüsel voltametri (FSCV) cihaz nda faz kilitleme döngüsü (PLL) (4), üçgen dalga seklinin mikroelektroda (l) uygulanmasElElsaglayan akin voltaj çeviricisi (5), voltaja çevrilmis olan arka plan aklîh_ve Faraday akEn degerlerinin kaydedilmesini saglayan analogdan sayßala çevirici ve veri kaydedici (6) unsurlarß: içeren, beyinde dopamin konsantrasyonundaki degisimleri ölçmeyi saglayan cihaz yukarda bahsi geçen üçgen dalga üretecini içermektedir. Bahsi geçen cihaz h 21 _tarama döngüsel voltametri cihazLd 1. Beyinde dopamin konsantrasyonundaki degisimleri ölçmeyi saglayan cihazm çalLgma yöntemi olup özelligi; Mikroelektrodun (l) beyin dokusunun içine ve referans elektrodun (2) beyin veya baska bir doku içerisine implant edilmesi, Dalga sekli üreteci (3) ile üçgen sekilli dalga üretilmesi, Dalga sekli üretecinin (3), bu dalga seklini mikroelektroda (1) uygulanmak üzere akLm voltaj çeviricisine (5) göndermesi, Akm voltaj çeviricisinin (5), üçgen dalga seklini mikroelektroda (1) uygulamasld Üçgen sekilli dalganm uygulanmasLlile mikroelektrot (1) üzerinde arka plan akLm_elde edilmesi, Elde edilen arka plan akLann yanU stüa, üçgen sekilli dalgantn mikroelektroda uygulanmas Tyla mikroelektrot ucundaki dopaminin indirgenmesi ve yükseltgenmesi, Bu kimyasal tepkime sonucunda arka plan ak îniia ek olarak mikroelektrot üzerinde dopamin konsantrasyonuyla dogru orantTTblacak sekilde Faraday akEnFelde edilmesi, Elde edilen arka plan akWnTl ve Faraday akînmîi birlikte akün voltaj çevirici (5) aracLllgßlla voltaja çevrilmesi ve analogdan sayLsala çevirici ve veri kaydediciye (6) gönderilmesi, Analogdan sayEala çevirici ve veri kaydedicinin (6), voltaja çevrilmis olan arka plan ve Faraday aküh degerlerini kaydetmesi, Kayilar bittikten sonra arka plan akühüiîl kaydedilen aküh degerlerinden matematiksel olarak çkarma islemiyle çüstarllnasld ve islem sonucunda ortamdaki dopamin konsantrasyonuna kars IE& gelen Faraday akEhEim elde kalmas: Elde edilen Faraday akEnDile ortamdaki dopainin konsantrasyonu arasEldaki dogrusal (lineer) iliskiyi kullanarak ve orantTlhesabýyaparak dopainin konsantrasyonunun tespit edilmesi TR TR TR