청각 신경의 정상적 기능 회복을 위해 사용하는 인공와우는 인체 조직에 손상을 주는 단상파 방식의 펄스 대신 전하량 균형을 이루는 이상파 방식의 전기적 펄스를 사용한다. 본 논문에서는, Hodgkin-Huxley 신경 모델에 기반하여 다양한 전기적 펄스 방식의 자극이 신경 반응에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 전기적 펄스의 펄스 폭, 펄스간 간격 등을 변화시키면서, 청각신경의 역치, 반응 범위, 반응 시간 등을 측정하였다. 이러한 결과는 인공와우 시스템의 효과적인 자극 방식을 디자인 하는데, 활용 될 수 있으리라 기대된다.
청각 신경의 정상적 기능 회복을 위해 사용하는 인공와우는 인체 조직에 손상을 주는 단상파 방식의 펄스 대신 전하량 균형을 이루는 이상파 방식의 전기적 펄스를 사용한다. 본 논문에서는, Hodgkin-Huxley 신경 모델에 기반하여 다양한 전기적 펄스 방식의 자극이 신경 반응에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 전기적 펄스의 펄스 폭, 펄스간 간격 등을 변화시키면서, 청각신경의 역치, 반응 범위, 반응 시간 등을 측정하였다. 이러한 결과는 인공와우 시스템의 효과적인 자극 방식을 디자인 하는데, 활용 될 수 있으리라 기대된다.
A cochlear implant system uses charge-balanced biphasic pulses that are known to reduce tissue damage than monophasic pulses. In this study, we investigated effect of pulse pattern on neural responses using a computer model, based on the Hodgkin-Huxley equation. Electric pulse phase, pulse duration,...
A cochlear implant system uses charge-balanced biphasic pulses that are known to reduce tissue damage than monophasic pulses. In this study, we investigated effect of pulse pattern on neural responses using a computer model, based on the Hodgkin-Huxley equation. Electric pulse phase, pulse duration, and phase gap have been systematically varied to characterize auditory nerve responses. The results show that neural responses, dynamic range and threshold are represented as a function of stimulus patterns and duration. The results could greatly extend to develop more efficient cochlear implant stimulation.
A cochlear implant system uses charge-balanced biphasic pulses that are known to reduce tissue damage than monophasic pulses. In this study, we investigated effect of pulse pattern on neural responses using a computer model, based on the Hodgkin-Huxley equation. Electric pulse phase, pulse duration, and phase gap have been systematically varied to characterize auditory nerve responses. The results show that neural responses, dynamic range and threshold are represented as a function of stimulus patterns and duration. The results could greatly extend to develop more efficient cochlear implant stimulation.
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문제 정의
그러나 아직까지 펄스 폭(pulse duration), 펄스 간 간격(inter-pulse interval, IPI), 전기 자극의 형태에 따른 신경 반응범위(relative spread, RS), 역치값(threshold), 신경반응 시간 등은 연구되지 않았다. 따라서, 본 논문에서는 청각신경 컴퓨터 모델을 이용하여, 인공와우 시스템의 다양한 전기 자극 방식의 변화에 따른 청각 신경의 반응 특성을 연구하고자 한다. 신경반응의 역치, RS, 신경 반응 시간은 인공와우 시스템의 채널간 간섭효과와 시스템 전력 소모를 평가할 수 있는 중요한 요소가 되기에, 이에 기반하여 효율적인 전기 자극 방식을 제시하고자 한다.
인공와우의 가장 큰 단점은 신경에 전기자극을 가할 시 반응하는 I/O 범위가 좁아서, 채널간 간섭효과가 생기는 점이다. 본 연구에서는 기존의 이상파 전기 자극 방식에 변화를 주어, 다양한 방식에 따라 신경 반응의 변화를 측정하여 효과적인 자극 방식을 제안하고자 하였다. 펄스간격과 펄스간의 간격을 변화시켰을 경우, 기존의 인공와우 자극 방식에 따른 신경 반응과 비교하여, 모든 면에서 장점을 갖는 자극 방식은 없었다.
본 연구에서는 신경에 전기 자극 시 이상파 전기 방식에 따른 신경의 반응특성에 대한 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 전하량 균형을 유지하면서, 첫 번째 펄스폭, 두 번째 펄스폭, 펄스간 간격에 따른 신경의 역치, RS, jitter는 표 1과 같이 정리되었다.
따라서, 본 논문에서는 청각신경 컴퓨터 모델을 이용하여, 인공와우 시스템의 다양한 전기 자극 방식의 변화에 따른 청각 신경의 반응 특성을 연구하고자 한다. 신경반응의 역치, RS, 신경 반응 시간은 인공와우 시스템의 채널간 간섭효과와 시스템 전력 소모를 평가할 수 있는 중요한 요소가 되기에, 이에 기반하여 효율적인 전기 자극 방식을 제시하고자 한다.
가설 설정
0.45 mm지름의 전기 자극용 전극은 9번째 랑비에르 결절 위 0.245 mm에 위치하며, 전극과 신경 사이의 공간은 저항률이 3 kΩ·cm 인 물질로 채우고 있다고 가정하였다.
신경 반응 특성은 relative spread(RS), 역치값, 평균 반응 잠복시간(mean latency), 잠복시간 편차(jitter), spike 발생빈도(firing efficiency, FE)를 측정하여 분석하였다. 본 연구에서 자극의 역치는 FE가 50%인 전기자극의 값으로 정하였다[9]. RS는 자극에 따라 반응이 나타나는 반응 범위(dynamic range)의 정보를 나타내며, 다음과 같이 계산한다[9].
제안 방법
그림 5는 PW1, IPI를 각각 40μs, 5μs로 고정시키고, PW2 를 0–300 μs로 변화시키면서, 역치, 평균 잠복기, RS, jitter를 측정하였다. PW2의 폭이 변화할 시, PW2 크기는 첫 번째 펄스의 전하량과 균형(charge balance)을 이루도록 하였다. 즉, PW2의 폭이 증가할수록, PW2 의 크기는 반비례하게 줄어들었다.
그림 5는 PW1, IPI를 각각 40μs, 5μs로 고정시키고, PW2 를 0–300 μs로 변화시키면서, 역치, 평균 잠복기, RS, jitter를 측정하였다.
본 연구에서는 전기 자극 시 전하량 균형을 유지하면서, 펄스폭을 20-320 μs로 변화 시키며, 단상파 방식과 이상파 방식을 비교하였으며, 또한, 이상파 방식에서 IPI를 0-20 μs로 변화시키며, 그에 따른 신경 반응 변화를 연구하였다.
본 연구에서는 전기 자극 시 전하량 균형을 유지하면서, 펄스폭을 20-320 μs로 변화 시키며, 단상파 방식과 이상파 방식을 비교하였으며, 또한, 이상파 방식에서 IPI를 0-20 μs로 변화시키며, 그에 따른 신경 반응 변화를 연구하였다. 신경 반응 특성은 relative spread(RS), 역치값, 평균 반응 잠복시간(mean latency), 잠복시간 편차(jitter), spike 발생빈도(firing efficiency, FE)를 측정하여 분석하였다. 본 연구에서 자극의 역치는 FE가 50%인 전기자극의 값으로 정하였다[9].
피부 조직에 전기적 자극을 인가할 시, 전하량 균형(charge balance) 유지가 중요하기 때문에[12], 인공와우와 같은 임플란트 시스템에서 단상파 방식과 같은 효과를 얻을 수 있는 전기 자극 패턴을 찾기 위해서 펄스폭(PW)과 펄스간 간격(IPI)을 변화시키며, 신경반응을 분석하였다.
이론/모형
위 식(1, 2)를 계산하는 모델 프로그램은 PC기반의 Matlab을 이용하여 구현하였으며, 시간 샘플링 간격은 1 μs로 하였다.
청각신경의 크기 및 조직형태는 전기생리학적 신경반응 연구가 활발한 고양이 청각신경에 기반하였으며, 신경의 각 랑비에르 결절(Ranvier node)은 Hodgkin-Huxley[6]모델로 구성한 컴퓨터 신경모델(axon model)을 이용하였다(그림 1
성능/효과
결과적으로 PW2 가 160 μs인 경우, 상대적으로 낮은 역치, 높은 RS와 jitter를 갖는 신경반응을 유도할 수 있음을 알 수 있다.
본 연구결과 전기적 자극 시 단상파 방식과 이상파 방식을 비교하여 단상파 방식이 역치값은 더 낮지만 전하량 균형을 유지하기 위해서 이상파 방식을 사용하였고, 이상파 방식에서 펄스간 간격과 펄스폭의 변화에 따른 신경의 반응 특성이 다양하였다. 펄스폭과 펄스간 간격이 늘어날수록 신경의 역치값은 줄어들고, 반면에 RS는 일정한 변화를 보이지 않음을 알 수 있다.
후속연구
펄스간격과 펄스간의 간격을 변화시켰을 경우, 기존의 인공와우 자극 방식에 따른 신경 반응과 비교하여, 모든 면에서 장점을 갖는 자극 방식은 없었다. 그러나, 경우에 따라서 시스템의 전기 효율을 중요시할 것인가, 또는 신경 반응의 I/O 범위에서 이득을 얻을 것인가의 목적에 따라 자극 방식을 조정한다면, 적절한 인공와우의 효과를 획득할 수 있을 것이다.
또한, 본 전기자극에 따른 신경반응연구는 인공와우 뿐만 아니라 신경의 손상 또는 치료를 위하여 사용하는 여러 전기자극 기기의 전기자극 방식을 디자인할 때, 이용할 수 있으리라 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공와우란 무엇인가?
인공와우는 달팽이관(cochlea)내의 유모세포의 유실에 의해 생긴 난청을 보상하기 위한 장치로, 달팽이관에 삽입된 전극에 전기자극을 가해줌으로써 청각신경(auditory nerve)에 활동전위가 발생하도록 한다. 그러나, 전기자극을 사용하는 인공와우는 음악이나 환경에 따라 인식률에 제한이 있기 때문에, 인식률을 향상시키기 위해 다양한 음성 처리 및 자극방법이 연구되고 있다[2∼3].
인공와우에서 전기 자극 시 단점인 전극 채널간 간섭효과를 없애기 위해 연구하고 있는 것은 무엇인가?
그러나, 전기자극을 사용하는 인공와우는 음악이나 환경에 따라 인식률에 제한이 있기 때문에, 인식률을 향상시키기 위해 다양한 음성 처리 및 자극방법이 연구되고 있다[2∼3]. 최근에는 인공와우에서 전기 자극 시 단점인 전극 채널간 간섭효과를 없애기 위해 단전극 방식과 양전극 방식에 대한 연구가 진행되고 있다[4]. 또한, 전기적 자극에 따른 신경의 반응 패턴이 정상적인 소리자극에 따른 신경의 반응 패턴과 유사하게 나타나도록 하거나 자극전력의 효율을 높일 수 있도록 전기 자극율(pulse rate)을 변화시키는 연구가 진행되고 있다[5].
인공와우에서 대칭형 이상파 방식의 펄스를 사용하는 이유는 무엇인가?
단상파는 낮은 전류의 값에서도 신경의 반응을 유도할 수 있어 시스템의 효율측면에서는 우수하나, 장기간 사용 시 신경조직의 손상을 초래할 수 있다. 이러한 이유로 현재의 인공와우는 효율이 낮지만 신경조직의 손상을 막을 수 있는 대칭형 이상파 방식의 펄스를 사용하고 있다.
참고문헌 (12)
C. van den Honert and J. T. Mortimer, "The response of the myelinated nerve fiber to short duration biphasic stimulating currents," Ann Biomed Eng, vol. 7, pp 117-125, 1979.
J. T. Rubinstein and R. Hong, "Signal coding in cochlear implants: exploting stochastic effects of electrical stimulation," Ann Otol Rhinol Laryngol Suppl, vol.191, pp.14-19, 2003.
정. 권보민, 박주홍, 이제원, 박용수, 송한정, "펄스 형호지킨-헉슬리 신경세포 모델의 집적 회로 구현 및 분석," 전자공학회논문지-IE, vol. 46, pp. 16-22, 2009
H. Mino, J. T. Rubinstein, and J. A. White, "Comparison of algorithms for the simulation of action potentials with stochastic sodiun channels," Ann Biomed Eng, vol. 30, pp. 578-587, 2002.
J. Woo, C. A. Miller, and P. J. Abbas, "Biophysical model of an auditory nerve fiber with a novel adaptation component," IEEE Trans Biomed Eng, vol. 56, pp. 2177-2180, 2009.
A. A. Verveen, "Fluctuation in excitability." Drukkerij Holland N. V., Amsterdam, 1961.
C. M. McKay, A. O'Brien, and C. J. James, "Effect of current level on electrode discrimination in electrical stimulation," Hear Res., vol. 136, pp. 159-164, 1999
C. A. Miller, P. J. Abbas, B. K. Robinson, J. T. Rubinstein, and A. J. Matsuoka, "Electrically evoked single-fiber action potentials from cat: responses to monopolar, monophasic stimulation," Hear Res., vol. 136, pp. 159-164, 1999.
C. A. Miller, B. K. Robinson, J. T. Rubinstein, and P. J. Abbas, "Auditory nerve responses to monophasic and biphasic electric stimuli," Hear Res, vol. 151, pp. 79-94, 2001.
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