Integración del SoC nRF5340 en una plataforma de neuroestimulación implantable (NeuroSoC)

Guerrero Martorell, Mauricio - Magallanes Cohn, Irina - Montichelli Aplanalp, Martina

Supervisor(es): Martínez, Santiago - Steinfeld, Leonardo

Resumen:

La neuroestimulación es una técnica ampliamente utilizada para el tratamiento de patologías como el dolor crónico y trastornos neurológicos, cuyo desarrollo reciente ha estado impulsado por la miniaturización y la personalización de las terapias. En este contexto, los dispositivos modernos requieren sistemas embebidos capaces de operar en tiempo real, cumpliendo estrictos requisitos de seguridad, confiabilidad y eficiencia. Motivado por estas necesidades, el proyecto NeuroSoC propone evaluar la viabilidad de migrar la arquitectura de un neuroestimulador comercial —originalmente basado en dos microcontroladores— hacia una solución integrada en un único System on Chip (SoC). Para ello, se desarrolló una prueba de concepto utilizando el SoC nRF5340 y el sistema operativo de tiempo real Zephyr, incorporando además comunicación inalámbrica mediante Bluetooth Low Energy (BLE), con el objetivo de analizar las ventajas, limitaciones y desafíos de esta integración. En cuanto al hardware, se partió de un neuroestimulador provisto por Integer Holdings Corporation, implementando una arquitectura simplificada que reemplaza ambos microcontroladores por un único SoC dual core. Se diseñó una nueva PCB y se introdujeron modificaciones como la incorporación de un DAC externo y la reducción de electrodos, eliminando bloques no esenciales. El diseño fue validado mediante la observación y medición de las formas de onda esperadas. En relación con la comunicación, se logró el emparejamiento mediante intercambio a través de NFC, así como la correcta recepción de los parámetros de estimulación. Respecto al firmware, se reemplazó la implementación bare-metal por una basada en Zephyr, logrando cumplir los requisitos temporales del sistema original. Se identifican como oportunidades de mejoras ajustar el layout del PCB, ya que las diferencias con el original generan un mayor ruido en la señal, y estudiar cómo reducir un leve jitter asociado al desarrollo con un RTOS y a la sincronización del ADC con los pulsos de estimulación. Por otra parte, la comunicación BLE para la programación de la terapia se implementó de forma satisfactoria, incorporando mecanismos de seguridad como emparejamiento, autenticación y cifrado, mediante el uso de Near Field Communication (NFC). En síntesis, el prototipo desarrollado demuestra la viabilidad de una arquitectura integrada basada en un único SoC dual core, validando el uso de un RTOS y comunicación BLE en aplicaciones de neuroestimulación. Los resultados evidencian ventajas en términos de simplificación y flexibilidad, así como oportunidades de mejora para optimizar el desempeño y la robustez del sistema.

Detalles Bibliográficos
2026
Dispositivos médicos implantables activos
Sistema Operativo en Tiempo Real
System on Chip
Bluetooth Low Energy
Near Field Communication
Active implantable medical device
Real-time operating system
Español
Universidad de la República
COLIBRI
https://hdl.handle.net/20.500.12008/56264
Acceso abierto
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