[보고서]뇌기능 분석을 위한 탐침과 마이크로 스펙트로미터 개발

최상혁

뇌기능 분석을 위한 탐침과 마이크로 스펙트로미터 개발
Development of Probe-pin Devices and Micro Spectrometer for Neural Function Detection 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	NASA Langley Research Center
연구책임자	최상혁
보고서유형	2단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2012-06
과제시작연도	2011
주관부처	교육과학기술부
사업 관리 기관	한국연구재단
등록번호	TRKO201200010539
과제고유번호	1345154971
사업명	뇌과학원천기술개발사업
DB 구축일자	2013-04-18
키워드	뇌신경.마이크로 분광기.프레넬 회절.광신호.무선 전력 송신.Neural Signal.Microspectrometer.Fresnel Diffraction.Optical Signal.Wireless Power Transfer.

초록 ▼

본 연구팀은 프레넬 회절현상을 이용하여 광학 부분의 부피가 약 1mm3의 초소형 마이크로 분광기를 개발한 지난 1단계 과제 수행 결과를 바탕으로 2단계 기간 동안 마이크로 분광기의 초소형화 및 성능 향상을 이루었다. 2010년에 광센서의 물리적 이동 스캔을 기본 방식으로 하던 1차 시스템의 디자인을 변경하여, 기계적인 움직임이 전혀 필요하지 않는 소형 Linear Imaging Sensor를 사용한 선형 프레넬 마이크로 분광기를 개발하였다. 이로 인해 1차 개발시 결과에 비해 측정시간 분해능이 약 104 배, 광분 해능은 8배가, 크기는 약가 3.8%의 크기로 초소형화 되었다. 이과정 동안 생체내 뇌신호 감지를 위해 이식되는 탐침의 구조의 개선 또한 이루어 졌다. 광신호 감지 및 전달을 용이하게 하는 미세 광섬유구조를 3차 시스템에 적용하여, 뇌신호 감지 영역을 뇌구조의 표면으로부터 심층 구조까지 확장을 하게 되었다. 이러한 영역확장은 이연구의 직접적인 적용분야인 뇌심부 전기자극기에 용이하게 융합될 수 있다. 또한, 2011년에 이어 2012년에는 본격적인 Bio Sample의 광학 특성 조사가 시작되었으며, 쥐의 뇌조직에 대한 광학 측정을 실시하였다. 현재 뇌신경조직의 기본적인 광신호 반응을 측정하기 위하여 광신호 탐침을 쥐의 뇌에 이식하였으며, 뇌신경 신호 및 조직의 변화를 상시적으로 모니터링하는 동물실험을 시작하였다. 그리고, 뇌신경 감지 장치의 생체이식시 생체내 전자장치에 필요한 전력을 무선으로 공급하는 무선 전력 전달 시스템을 개발하여 125mW 무선 전력 송신 결과를 확인하였다.

Abstract ▼

This research is to develop a miniaturized optical neural sensing system using Fresnel spectroscopy principle, which consists of six different sub-projects; (1) We develop implantable probe-pin devices which contacts with neural tissue and transduce electrical, chemical, and mechanical behavior resulted from the neural activity into optical signals. (2) We investigate nanotechnology to enhance sensitivity, selectivity and biocompatibility of neural sensing and implement the outcomes on the probe pin device development. (3) We develop a miniaturized microspectrometer which can convert optical spectrum into electrical signals. (4) We integrate the developed sensing parts with signal processing, control, wireless data communication, wireless power transfer units to measure neural signals real time and transfer the signals to a receiving unit outside the brain. (5) We perform acute and chronic animal experiments on living brain tissue or in the brain to verify the function of neural sensing units and screen any issues related to the implantation in the body. (6) We develop Windows-based software to control the electronic circuits for control, data processing, transfer, display, memory and analysis.

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요약문 ... 4
SUMMARY ... 6
CONTENTS ... 8
목차 ... 9
제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 10
제 1 절. 연구의 목적 ... 10
제 2 절. 연구 개발의 필요성 ... 10
제 3 절. 연구개발의 범위 ... 11
제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 12
제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 13
제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 92
제 1 절. 연구개발의 최종목표 ... 92
제 2 절. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 92
제 3 절. 계획대비 달성도 ... 93
제 4 절. 세부연구목표 및 가중치 ... 93
제 5 절. 관련 분야 기여도 ... 94
제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 95
제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 96
제 7 장 참고문헌 ... 98

표/그림 (57)

표 Schematic diagram of an optical neural sensing probe.
표 Schematic diagram of a wireless power transmission module using magnetic resonance coupling.
표 Schematic diagram of a wireless data communication module.
표 Design-I: Micro-ring-grating spectrometer for parallel lights.
표 (a) Mathematical simulation of photon intensities with three wavelengths (red:630nm, green:532nm, blue: 450nm) on the optical axis (graph’s x-axis is real optical distance Z) (b) measured micro-spectrometer spectrum (x-axis is in wavelength) from mixed yellow light(inset picture) of red (630nm) and green (532nm) lasers.
표 Photon intensity simulation on optical axis, dotted green line = half transparent grating with λ=532nm, solid green line = full transparent grating with step height difference, red and blue lines indicates 630nm and 450nm photons with various phase matching errors.
표 Various Fresnel gratings, (a) full circular (zone plate lens), (b) full linear gradient, (c) half circular, and (d) half linear gradient. (e) The definition of grating line/ring position on a transparent plate.
표 Configuration of (a) the conventional Fraunhofer spectrometer and (b) linear Fresnel spectrometer.
표 Light intensity distribution on Z-X plane (X>0 is above the sensor surface. Z is plotted near the focal points).
표 (Left) The configuration diagram of a linear Fresnel spectrometer chip (Right) Hamamatsu S8377 linear imaging sensor chip which was used for the first linear Fresnel spectrometer module that was built in 2010.
표 Cross-section view of dispersive convergence of photons on the sensor array lines.
표 (Left) Fresnel grating on the 90 degree micro-mirror of 700 micrometer size, (Right) Assembled linear Fresnel spectrometer chip on the Printed Circuit Board (PCB).
표 Configuration diagram of the first Fresnel micro-spectrometer chip module with a front-illumination and 90 degree mirror.
표 Measured spectrum data from the first linear Fresnel micro-spectrometer chip.
표 Spectrum data obtained from the first micro-spectrometer module. Red (633nm, 1.96eV) and Green (543nm. 2.3eV) lasers were used as light sources.
표 Comparison of micro-spectrometers, (a) The 1st version of module with Hamamatsu S8377 chip which was mounted on a large PCB (2010) and (b) the 2nd version micro-spectrometer built with iC-LF chip in 2011, (c) the bare iC-LF chip in OBGA package on a tiny PCB.
표 Schematic diagram of the neural sensing system (3rd version).
표 (a) Printed circuit board design and (b) CAD drawing for 3rd version micro-spectrometer neural sensing system.
표 Images of 3rd version of the micro-spectrometer neural sensing system with optical probes.
표 Microscope images of image sensors after wirebond on the microspectrometer printed circuit board.
표 Picture of image sensors: iC-LF1401 (left) and ELIS-1024 (right)
표 Circuit diagram of laser diode controller (iC-VJ from iC-Hous Co.)
표 Image of Fresnel lens design as a bitmap file form.
표 Digital images of the Fresnel lens pattern after lithography.
표 Microscope images of a Fresnel lens after wet etching.
표 Schematic diagram of an optical fiber probe and signal path for neural sensing in the brain.
표 Polishing process for flat and tapered optical fibers
표 Sensor pixel distribution of Fraunhofer spectrometer and Fresnel spectrometer.
표 Signal timing maps of (a) Hamamatsu S8377 chip and (b) IC House iC-LF1401 chip
표 (a) Standard signal timing maps of ELIS-1024 and (b) detailed DATA pulse timing diagram (tD:10ns).
표 One example of .NET Microframe microcomputers, ChipworkX system from GHI electronics LLC.
표 Optical images of two samples which were prepared for fluorescence imaging, (a) slices of small mice brain coated with c-fos staining (diaminobenzidine), (b) slices of bigger rat brain as it is (no staining and only bloods were removed).
표 Fluorescence images from small mice brain slices.
표 Fluorescence images from small mice brain slices.
표 Absorption of UV light (254nm) and emission of longer wavelength light (565nm)
표 UV response of a rat brain sample.
표 Series of optical responses of the rat brain slices.
표 Schematic diagram of fluorescence measurement experiment
표 (a) In-vitro brain slice measurement set-up and (b) a recording champer with a flow cell.
표 Images of (a) brain dissecting process and (b) brain slices in cold Krebs buffer.
표 The illumination of the light on the brain tissue. The area with blue light is the sensing spot on a brain slice.
표 Rat brain atlas showing the striatum area.
표 (a) Diagram of surface charge distribution of dipolar distribution of two closely spaced, coupled nanowires and (b) normalized near-field amplitude at the midpoint between two nanorods with the spacing 2 nm.
표 SEM image of vertically grown nanowires and their network.
표 SERS sensing on silver thin film: (a) Tris buffer only and (b) with dopamine addition in the buffer.
표 Rat brain atlas showing the Substantia Nigra Compacta area.
표 A rat under a surgical procedure with an optical fiber probing unit.
표 A rat with the optical probe inside protection cap.
표 An electrode and batteries for DBS controlling the motor action of a PD patient.
표 Schematic diagram of the power source side (coil-1 and 2) and the receiving side with a load (coil-3 and 4).
표 Photographs of two wireless power transfer set-up: (a) Case-1 and (b) Case-2.
표 Geometric and electric parameters of the coils for the Case-1 and Case-2.
표 The current i1,i2,i3,and i4 of each coil 1,2,3, and 4, respectively, over a frequency range from 2MHz to 4MHZ of (a) Case-1 and (b) Case-2, and transfer function|(VL/VS)(ω)| near the resonance peak as calculated from the circuit model for the resonance coupled system (c) Case-1 and (d) Case-2.
표 Graph of output voltage at variable resonance frequency with the load coil at the center of the source coil.
표 Measured output voltages at each coils on various locations in side the source coils. Top: magnetically coupled resonance at 3.26 MHz, middle: resonance only at the source coil-2, and bottom: pure inductive coupling at 2.26 MHz.
표 Inductor coil pattern on a flexible substrate after lithography using SU-8 negative photoresist.
표 The microwave (aan) echoic chamber for the rectenna tes(tb: ) (a) outside of the chamber, (b) rectenna array in single rectenna sheet.

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
키워드(keyword) :	-
과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
기대효과(Effect) :	-

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 제목(한글), 저자명(한글), 발행일자, 전자원문, 초록(한글), 초록(영문) 관리번호, 제목(한글), 제목(영문), 저자명(한글), 저자명(영문), 주관연구기관(한글), 주관연구기관(영문), 발행일자, 총페이지수, 주관부처명, 과제시작일, 보고서번호, 과제종료일, 주제분류, 키워드(한글), 전자원문, 키워드(영문), 입수제어번호, 초록(한글), 초록(영문), 목차
저장형식	Text(ASCII format) Excel format
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

뇌기능 분석을 위한 탐침과 마이크로 스펙트로미터 개발
Development of Probe-pin Devices and Micro Spectrometer for Neural Function Detection 원문보기