본 논문은 최근 활발하게 연구되고 있는 뇌-기계 접속을 위한 완전 삽입형 마이크로 시스템의 구현에 있어서 중요한 이슈들을 고찰한다. 현재까지의 과학 기술적 연구는 신경 신호 증폭기, 무선 신호 전송 등 주로 고성능 저전력 전자기기 및 시스템을 구현하는데 집중되어 왔으나, 마이크로 시스템의 실제적인 응용은 전자 기기의 특성뿐만 아니라 밀봉 구조의 디자인에서 뇌의 생리 해부학적 특성에 이르기까지 여러 가지 요인에 의해 영향을 받게 된다. 본 논문은 특히 뇌 삽입형 마이크로 시스템의 실질적인 구현에 결정적인 영향을 주는 시스템 발열의 영향, 신경 프로브의 감지 부피, 무선 데이터 전송 및 전력 전달, 그리고 뇌의 생리 해부학적인 고려 요인에 대해 논의한다.
본 논문은 최근 활발하게 연구되고 있는 뇌-기계 접속을 위한 완전 삽입형 마이크로 시스템의 구현에 있어서 중요한 이슈들을 고찰한다. 현재까지의 과학 기술적 연구는 신경 신호 증폭기, 무선 신호 전송 등 주로 고성능 저전력 전자기기 및 시스템을 구현하는데 집중되어 왔으나, 마이크로 시스템의 실제적인 응용은 전자 기기의 특성뿐만 아니라 밀봉 구조의 디자인에서 뇌의 생리 해부학적 특성에 이르기까지 여러 가지 요인에 의해 영향을 받게 된다. 본 논문은 특히 뇌 삽입형 마이크로 시스템의 실질적인 구현에 결정적인 영향을 주는 시스템 발열의 영향, 신경 프로브의 감지 부피, 무선 데이터 전송 및 전력 전달, 그리고 뇌의 생리 해부학적인 고려 요인에 대해 논의한다.
In this paper, we investigate several important issues on the implementation of a totally implantable microsystem for brain-machine interface that has been attracting a lot of attention recently. So far most of the scientific research has been focused on the high performance, low power electronics o...
In this paper, we investigate several important issues on the implementation of a totally implantable microsystem for brain-machine interface that has been attracting a lot of attention recently. So far most of the scientific research has been focused on the high performance, low power electronics or systems such as neural signal amplifiers and wireless signal transmitters, but the real application of the implantable microsystem is affected significantly by a number of factors, ranging from design of the encapsulation structure to physiological and anatomical characteristics of the brain. In this work, we discuss on the thermal effect of the system, the detecting volume of the neural probes, wireless data transmission and power delivery, and physiological and anatomical factors that are critically important for the actual implementation of a totally brain implantable neural interface microsystem.
In this paper, we investigate several important issues on the implementation of a totally implantable microsystem for brain-machine interface that has been attracting a lot of attention recently. So far most of the scientific research has been focused on the high performance, low power electronics or systems such as neural signal amplifiers and wireless signal transmitters, but the real application of the implantable microsystem is affected significantly by a number of factors, ranging from design of the encapsulation structure to physiological and anatomical characteristics of the brain. In this work, we discuss on the thermal effect of the system, the detecting volume of the neural probes, wireless data transmission and power delivery, and physiological and anatomical factors that are critically important for the actual implementation of a totally brain implantable neural interface microsystem.
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문제 정의
본 논문에서는 완전 뇌 삽입형 마이크로 시스템을 구현하는데 고려해야 할 여러 가지 이슈들에 대해 고찰하였다. 특히 여러 연구자들에 의해 다루어져 왔던 신경 신호의 측정과 데이터 전송을 위한 능동 회로의 설계 이슈 보다는 실제 적용(동물 실험 및 임상 실험)에 대두될 수 있는 여러 가지 다른 문제점들, 즉 삽입된 시스템의 발열, 프로브의 감지 부피, 전력 및 데이터 전송 효율, 뇌의 해부학적 구조와 마이크로 시스템의 삽입 등을 중점적으로 논의하였다.
본 논문은 저자의 완전 삽입형 신경접속 시스템의 동물 실험 경험을 바탕으로 이러한 완전 삽입형 신경접속 마이크로 시스템의 실질적인 적용의 문제점을 고찰하고 앞으로의 연구 방향을 제시하는 것을 목적으로 한다.
뇌 삽입형 신경접속 마이크로 시스템의 성공적인 구현을 위해서는 시스템을 구성하는 개별 구성 요소들의 특성 뿐 만 아니라 집적된 시스템의 전체적인 디자인과 이를 뇌에 삽입하는 방법 등 여러 가지 요인들을 뇌의 생리학적, 해부학적인 특성에 맞추어 종합적으로 고려해야 한다. 본 절에서는 이러한 시스템의 집적과 삽입 시술에 관련된 몇 가지 주요 사항에 대해 고찰한다.
가설 설정
본 논문에서 다루는 마이크로 시스템은 무선 데이터 전송과 무선 전력 전송 기능을 가져야 한다. 시스템 전력의 경우 현재까지는 안전성을 이유로 배터리에 대한 논의는 배제되었으나 향후 기술의 발전에 따라 중요하게 이용될 가능성이 있다.
55 W/m·℃)를 고려하여 유한요소법(finite element method, FEM)으로 전산모사를 수행한 결과이다. 최악의 경우를 고려하기 위하여 열은 하방으로만 진행한다고 가정하였으며(완전절연 기판/밀봉 가정) 대류 및 혈류 효과는 배제되었다.
제안 방법
본 논문에서는 완전 뇌 삽입형 마이크로 시스템을 구현하는데 고려해야 할 여러 가지 이슈들에 대해 고찰하였다. 특히 여러 연구자들에 의해 다루어져 왔던 신경 신호의 측정과 데이터 전송을 위한 능동 회로의 설계 이슈 보다는 실제 적용(동물 실험 및 임상 실험)에 대두될 수 있는 여러 가지 다른 문제점들, 즉 삽입된 시스템의 발열, 프로브의 감지 부피, 전력 및 데이터 전송 효율, 뇌의 해부학적 구조와 마이크로 시스템의 삽입 등을 중점적으로 논의하였다.
대상 데이터
그림 3(b)는 RF 전력 전송에 대한 실험으로 약 1 cm 직경의 6중 나선 코일 패턴이 있는 기판에 전력과 동기화 클락 신호를 전송하였다. 입력 코일로는 파형 발생기(모델명 33220A, Agilent, Inc.)에 연결된 직경 1 cm 의 원형 리츠 전선(Ritz wire, AWG 28, 7-turn) 코일이 사용되었다. 캐리어 주파수는 피부의 효과를 실험적으로 모사하기 위하여 3 mm 두께의 돈피(porcine skin)가 사용되었으며, 결과는 그림 3(b)에서 볼 수 있듯이 3 mm 피부를 사이에 두고 최대 56%의 전력 전송 특성을 보이고 있다.
그림 3(a)는 원숭이(rhesus monkey)의 여러 종류 피부조직에 대한 850 nm 파장의 광 투과율을 보여주는 것으로 마취 상태에 있는 원숭이의 두피 조직이 사용되었다. 투과율 측정을 위한 광원으로는 850 nm 레이저가 사용되었으며, 광량의 측정은 실리콘 p-i-n 다이오드와 자체 제작된 증폭기 시스템이 사용되었다. 이 결과를 보면 빛의 투과율은 피부의 두께뿐만 아니라 조직의 밀도와 종류에도 영향을 받는 것을 알 수 있으며, 대략 5～10% 정도의 투과율을 보여 전력 전송에는 적합하지 않지만 신호 전송에는 적합함을 알 수 있다.
성능/효과
투과율 측정을 위한 광원으로는 850 nm 레이저가 사용되었으며, 광량의 측정은 실리콘 p-i-n 다이오드와 자체 제작된 증폭기 시스템이 사용되었다. 이 결과를 보면 빛의 투과율은 피부의 두께뿐만 아니라 조직의 밀도와 종류에도 영향을 받는 것을 알 수 있으며, 대략 5～10% 정도의 투과율을 보여 전력 전송에는 적합하지 않지만 신호 전송에는 적합함을 알 수 있다.
후속연구
일반적으로 널리 쓰이는 PDMS(poly-dimethyl-siloxane)의 경우, 기계적 유연성 측면에서는 뇌 삽입형 시스템에 적합하나 능동 소자의 밀봉에 대한 장기 신뢰도가 보고된 바는 없다. 따라서 연성 밀봉의 장기 신뢰도 이슈는 현재까지도 뇌 삽입형 마이크로 시스템의 개발에 매우 중요한 이슈로 남아 있으며, 이는 밀봉을 위한 신 물질의 도입이나 (액정 폴리머 기반 물질[18] 혹은 유-무기 복합 물질 등[19～23]) 밀봉에 적합한 새로운 구조의 도입에 의해 해결될 것으로 기대한다.
본 논문에 제기된 이슈에 대한 보다 심층적인 분석은 미래의 신경 접속 마이크로 시스템 구현에 필수적인 경로(pathway)가 될 것이며, 이는 전체 마이크로 시스템의 아키텍처뿐만 아니라 능동 회로의 설계에도 직・간접적인 변수가 될 것이다. 따라서 삽입형 신경 접속 마이크로 시스템을 성공적으로 구현하기 위해서는 이러한 이슈들에 대한 연구와 능동 회로의 설계에 대한 연구가 서로의 성과를 반영하면서 지속적으로 병행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
뇌-기계 접속이란 무엇인가?
지난 십여 년 간 많은 과학자들은 인간의 뇌로부터 직접적으로 정보를 얻어 외부의 기기를 작동하는 방법에 대해 연구해 왔는데, 이 분야를 총칭하여 뇌-기계 접속(brain-machine interface, BMI)라고 한다. 뇌-기계 접속의 연구를 위해서는 뇌 신호를 감지하는 센서, 감지된 신호의 전송, 뇌 신호 처리, 뇌 의도의 해독 (decoding) 등의 다양한 기술이 요구 된다[1,2].
뇌-기계 접속 연구를 위하여 필요한 기술은 무엇인가?
지난 십여 년 간 많은 과학자들은 인간의 뇌로부터 직접적으로 정보를 얻어 외부의 기기를 작동하는 방법에 대해 연구해 왔는데, 이 분야를 총칭하여 뇌-기계 접속(brain-machine interface, BMI)라고 한다. 뇌-기계 접속의 연구를 위해서는 뇌 신호를 감지하는 센서, 감지된 신호의 전송, 뇌 신호 처리, 뇌 의도의 해독 (decoding) 등의 다양한 기술이 요구 된다[1,2]. 뇌-기계 접속 기술을 응용적 측면에서 보면, 중증 신경 질환자나 신경 손상 환자의 잃어버린 운동 기능을 복원해 주는 운동신경 보철(neuromotor prosthesis)이라는 신경 공학 기술이 최근 많은 관심을 받고 있는데, 특히 뇌 신호를 감지하는 센서로 칩습적 미세전극 어레이 (invasive microelectrode array)를 이용하여 척수손상 (spinal cord injury) 및 근위축성 측색경화증(ALS, amyotrophic lateral sclerosis) 환자에 대한 뇌-기계 접속을 연구한 결과가 소개되기도 하였다[3,4].
완전 삽입형 신경접속 마이크로 시스템은 기존 침습적 미세전극 어레이의 어떤 문제를 해결하기 위함인가?
뇌-기계 접속 기술을 응용적 측면에서 보면, 중증 신경 질환자나 신경 손상 환자의 잃어버린 운동 기능을 복원해 주는 운동신경 보철(neuromotor prosthesis)이라는 신경 공학 기술이 최근 많은 관심을 받고 있는데, 특히 뇌 신호를 감지하는 센서로 칩습적 미세전극 어레이 (invasive microelectrode array)를 이용하여 척수손상 (spinal cord injury) 및 근위축성 측색경화증(ALS, amyotrophic lateral sclerosis) 환자에 대한 뇌-기계 접속을 연구한 결과가 소개되기도 하였다[3,4]. 하지만, 침습적 미세전극 어레이를 이용한 운동신경 보철이 효과 적으로 활용되기 위해서는 해결해야할 공학적인 문제가 많이 있는데, 가장 중요한 문제 중 하나가 피부를 관통 하는(percutaneous) 전선의 존재이다. 이를 해결하기 위해 여러 연구 그룹들은 무선 정보 전달 방식을 이용한 완전 삽입형 신경접속 마이크로 시스템의 개발에 노력하고 있다[5～7]
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