KR20200046744A - Method and Device for stimulating the neual tissue and measuring the response signal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신경조직을 자극하고 반응신호를 측정하는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a device for stimulating nerve tissue and measuring a response signal.
전기자극을 이용하여 신경조직을 자극하는 방법은 신경조직내 연결성 규명 및 퇴행성 뇌질환 치료나 증상 완화 치료법으로 많이 활용되고 있다. 전기자극을 인가한 부위에서의 신경세포의 전기적 반응을 자극과 동시에 정확하게 측정하는 것은 자극의 효과를 분석하는데 매우 중요하다. 하지만 자극신호가 기록(recording)신호에 아티팩트로 작용하여 기록신호를 분석하는데 큰 어려움이 발생한다.Methods for stimulating nerve tissue using electrical stimulation have been widely used as a method of identifying connectivity in neuronal tissue and treating degenerative brain disease or symptom relief. Accurate and simultaneous measurement of the electrical response of nerve cells at the site to which electrical stimulation is applied is very important in analyzing the effect of stimulation. However, the stimulus signal acts as an artifact on the recording signal, which causes great difficulty in analyzing the recording signal.
자극신호의 아티팩트를 제거하기 위해 종래에는 고해상도 디지털 변환기를 이용하였다. 고해상도 디지털 변환기는 아날로그 도메인에서의 처리 없이 고이득 증폭기를 거친 신호를 왜곡 없이 디지털로 변환이 가능하나, 디바이스 소형화에 걸림돌이 되어 임플란트 형태로 구현하기에는 어려움이 있다. 또한, 종래에는 자극신호를 유입한 후 신경 신호의 기록이 불가능한 음영구간을 완전히 없애지 못한 채 자극 직후부터 기록이 가능한 시간이 되기까지의 시간구간을 최소화 하는데 초첨을 맞춰왔다. In order to remove artifacts of the stimulus signal, a high-resolution digital converter was conventionally used. A high-resolution digital converter can convert a signal that has passed through a high-gain amplifier without distortion in the analog domain to digital without distortion, but it is difficult to implement it in an implant form because it is a obstacle to device miniaturization. In addition, the prior art has focused on minimizing the time period from immediately after the stimulation to the time at which recording is possible without completely eliminating the shadow section where the neural signal cannot be recorded after the stimulus signal has been introduced.
본 발명은 디바이스 소형화에 적합한 아날로그 및 디지털 도메인에서의 자극신호 아티팩트 제거 기술을 제시한다.The present invention proposes a technique for removing stimulus signal artifacts in the analog and digital domains suitable for device miniaturization.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 신호자극및측정장치는 전기자극신호를 생성하는 전기자극생성부; 상기 생성된 전기자극신호에 반응하는 신경 조직의 전기적 반응이 포함된 레코딩신호를 측정하는 신경신호측정부; 상기 레코딩신호를 디지털출력신호로 변환하는 아날로그신호변환부; 상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 동기화하는 동기화부; 상기 동기화부에서 동기화한 동기시점을 이용하여 상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 기초로 상기 신경조직채널을 추정하는 채널추정부;및 상기 동기시점에서 상기 전기자극신호와 추정된 신경조직채널을 기초로 아티팩트를 재현하고, 상기 재현된 아티팩트를 상기 신경신호측정부에서 측정한 레코딩신호에서 제거하는 아티팩트처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the signal stimulation and measurement device includes an electrical stimulation generating unit for generating an electrical stimulation signal; A neural signal measuring unit measuring a recording signal including an electrical response of a nerve tissue in response to the generated electrical stimulation signal; An analog signal converter converting the recording signal into a digital output signal; A synchronization unit synchronizing the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal; A channel estimator for estimating the neural tissue channel based on the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal using the synchronization time synchronized by the synchronization unit; and the electrical stimulation signal and estimation at the synchronization point And an artifact processing unit for reproducing artifacts based on the neural tissue channel and removing the reproduced artifacts from a recording signal measured by the neural signal measuring unit.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 아날로그신호변환부는 입력전압에 비례하는 주파수를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator); 및 카운터(counter)를 포함하고, 상기 레코딩신호를 상기 VCO에 입력하면, 상기 카운터는 상기 VCO의 출력에서 특정 시간 구간 단위로 진동수를 카운트하여 상기 레코딩신호를 상기 디지털출력신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the analog signal conversion unit VCO (Voltage Controlled Oscillator) to generate a frequency proportional to the input voltage; And a counter, and when the recording signal is input to the VCO, the counter counts the frequency in units of a specific time interval from the output of the VCO and converts the recording signal into the digital output signal. do.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 채널추정부는 수식에서 h로부터 상기 신경조직채널을 추정하고, 상기 수식에서 y는 레코딩신호, h는 신경조직채널 응답 벡터, A는 전기자극신호를 기준신호로 사용하여 생성된 Toeplitz 행렬, 그리고 w는 노이즈벡터를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the channel estimation In the equation, the neural tissue channel is estimated from h, in the equation, y is a recording signal, h is a neural tissue channel response vector, A is a Toeplitz matrix generated using an electrical stimulation signal as a reference signal, and w is a noise vector. It is characterized by showing each.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 채널추정부는 노이즈 크기를 최소화하는 최대우도추정 방법을 이용하여 상기 신경조직채널 응답 벡터 h를 계산하는 것을 특징으로 한다. As a preferred embodiment of the present invention, the channel estimator is characterized by calculating the neural tissue channel response vector h using a maximum likelihood estimation method that minimizes noise magnitude.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 아티팩트처리부는 상기 동기화부에서 수행한 동기시점에 상기 채널추정부에서 추정한 신경조직채널(h)과 상기 전기자극생성부에서 생성한 전기자극신호 간의 컨볼류션(convolution) 연산을 수행하여 아티팩트를 생성하고, 상기 신경신호측정부에서 측정한 레코딩 신호에서 생성한 아티팩트를 제거하는 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the artifact processing unit is a convolution between the nerve tissue channel (h) estimated by the channel estimation and the electrical stimulation signal generated by the electrical stimulation generating unit at the synchronization time performed by the synchronization unit. It is characterized in that an artifact is generated by performing a convolution operation, and the artifact generated from the recording signal measured by the neural signal measuring unit is removed.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 전기자극신호가 인가되는 지점과 상기 레코딩 신호가 측정되는 지점은 동일하거나 상이한 것을 특징으로 한다. As a preferred embodiment of the present invention, a point at which the electrical stimulation signal is applied and a point at which the recording signal is measured are the same or different.
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예로서, 신호자극및측정장치의 레코딩신호에서 아티팩트를 제거하는 방법은 전기자극신호를 생성하는 단계; 상기 전기자극신호를 인가한 신경 조직의 전기적 반응이 포함된 레코딩신호를 측정하는 단계; 입력전압에 비례하는 주파수를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)에 상기 레코딩신호를 입력하고, 카운터를 이용하여 상기 VCO의 출력에서 특정 시간 구간 단위로 진동수를 카운터하여 상기 레코딩신호를 디지털출력신호로 변환하는 단계; 상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 동기화하는 단계; 상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 기초로 상기 신경조직채널을 추정하는 단계;및 상기 동기화하는 단계에서 동기화가 수행된 동기시점에서 추정된 신경조직채널과 상기 전기자극신호을 기초로 아티팩트를 재현하고, 상기 재현된 아티팩트를 상기 측정한 레코딩신호에서 제거하는 아티팩트 처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In yet another preferred embodiment of the present invention, a method of removing artifacts from a signal stimulus and a recording signal of a measuring device includes generating an electrical stimulation signal; Measuring a recording signal including an electrical response of the nerve tissue to which the electrical stimulation signal is applied; Input the recording signal to a VCO (Voltage Controlled Oscillator) that generates a frequency proportional to the input voltage, and count the frequency in units of a specific time period from the output of the VCO using a counter to convert the recording signal to a digital output signal To do; Synchronizing the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal; Estimating the neural tissue channel based on the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal; and based on the neural tissue channel and the electrical stimulation signal estimated at the synchronization time at which synchronization was performed in the synchronizing step. And reproducing artifacts and removing the reproduced artifacts from the measured recording signal.
본 발명은 디바이스 소형화에 적합한 아날로그 및 디지털 도메인에서의 자극신호 아티팩트 제거 기술을 제시한다. 종래에는 자극신호를 유입한 후 신경 신호의 기록이 불가능한 음영구간이 있었으나, 본 발명은 음영구간에서도 신경조직의 전기적 신호를 측정할 수 있으며, 또한 자극과 동시에 신경 신호의 측정이 가능한 효과가 있다. 이는 신경의 전기적 반응을 좀 더 정확하게 기록할 수 있어 뇌질환 치료를 위한 폐루프(closed-loop) 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention proposes a technique for removing stimulus signal artifacts in the analog and digital domains suitable for device miniaturization. In the prior art, there has been a shadow section in which it is impossible to record a nerve signal after the stimulus signal is introduced, but the present invention can measure the electrical signal of the nerve tissue even in the shadow section, and also has the effect of measuring the nerve signal simultaneously with the stimulus. This can improve the performance of a closed-loop system for the treatment of brain diseases because the electrical response of the nerve can be recorded more accurately.
본 발명은 저이득 증폭기와 고해상도 디지털변환기 구성을 삭제하는 대신 VCO와 카운터 소자를 활용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함으로써 환자의 뇌 속에 임플란트가 가능한 크기로 제작이 가능한 효과가 있다. 이는 파킨슨 병, 알츠하이머 병, 우울증 등의 뇌질환을 연구하는 데 활용이 가능하다. The present invention has an effect capable of producing an implantable size in the brain of a patient by converting an analog signal into a digital signal by utilizing a VCO and a counter element instead of deleting the low-gain amplifier and high-resolution digital converter configuration. It can be used to study brain diseases such as Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and depression.
도 1 내지 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 신호자극및측정장치의 내부 구성도를 도시한다.
도 3 은 신경조직에 미세전기자극을 인가하고, 신경세포의 전기적 반응을 측정하는 일 예를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 채널추정부에서 이용하는 행렬의 일 예를 도시한다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 미세전기자극을 인가된 전극에서 레코딩신호를 함께 측정하는 일 예를 도시한다.
도 6 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 미세전기자극을 인가된 전극과 근거리에 위치한 다른 기록용 전극에서 레코딩신호를 측정하는 일 예를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 신경조직에 신호를 자극한 후 아티팩트를 제거하여 반응신호를 측정하는 방법의 흐름도를 도시한다. 1 to 2 is a preferred embodiment of the present invention, showing the internal configuration of the signal stimulation and measurement device.
Figure 3 shows an example of applying a micro electrical stimulation to the nerve tissue, measuring the electrical response of the nerve cells.
4 is a preferred embodiment of the present invention, and shows an example of a matrix used in channel estimation.
5 is a preferred embodiment of the present invention, showing an example of measuring the recording signal together in the electrode applied to the micro-electro stimulation.
6 is a preferred embodiment of the present invention, showing an example of measuring the recording signal at the electrode for applying the micro electrical stimulation and another recording electrode located at a short distance.
7 is a preferred embodiment of the present invention, after stimulating the signal to the nerve tissue and showing a flow chart of a method for measuring the response signal by removing artifacts.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification. Also, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components, unless otherwise specified.
본 발명은 디바이스 소형화에 적합한 아날로그 및 디지털 도메인에서의 자극신호 아티팩트 제거 기술을 제시한다.The present invention proposes a technique for removing stimulus signal artifacts in the analog and digital domains suitable for device miniaturization.
도 1 내지 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 신호자극및측정장치의 내부 구성도를 도시한다. 1 to 2 is a preferred embodiment of the present invention, showing the internal configuration of the signal stimulation and measurement device.
보다 상세히, 도 1 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 전기자극신호를 생성하는 전기자극생성부와 전기자극신호에 반응하는 신경 조직의 전기적 반응을 나타내는 레코딩 신호를 같은 위치에서 동시에 신호를 측정하는 일 예를 도시한다. 도 5를 참고하면, 뇌 조직에 전기자극신호를 가하는 지점(510)과 전기자극신호에 반응하는 레코딩 신호를 측정하는 지점(510)이 동일한 일 예를 도시한다. More specifically, Figure 1 is a preferred embodiment of the present invention, the electrical stimulation generating unit for generating an electrical stimulation signal and the recording signal representing the electrical response of the nerve tissue in response to the electrical stimulation signal to measure the signal at the same location at the same time An example is shown. Referring to FIG. 5, an example of a
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 전기자극신호는 미세전기자극신호 외에 다양한 형태와 크기의 전기신호를 포함한다. 또한, 레코딩신호는 전기자극신호에 대한 신경조직의 전기적 반응 내지 노이즈가 모두 포함된 신호를 지칭한다. As a preferred embodiment of the present invention, the electrical stimulation signal includes electrical signals of various shapes and sizes in addition to the micro electrical stimulation signal. In addition, the recording signal refers to a signal that contains both the electrical response or noise of the nerve tissue to the electrical stimulation signal.
도 2 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 전기자극신호를 인가하는 지점과 레코딩 신호를 측정하는 지점이 상이한 경우의 일 예를 도시한다. 도 6을 참고하면, 뇌 조직에 전기자극신호를 가하는 지점(610)과 레코딩 신호를 측정하는 지점(620a, 620b)이 상이한 일 예를 도시한다. 2 is a preferred embodiment of the present invention, and shows an example of a case in which the point of applying the electrical stimulation signal and the point of measuring the recording signal are different. Referring to FIG. 6, an example in which a
도 1 과 2 는 모두 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 이상의 차이점 외에 실질적으로 도면부호가 대응되는 구성의 기능은 동일한 바 이하에서 도 2 에 도시된 내부 구성도를 기준으로 설명한다. 1 and 2 are both preferred embodiments of the present invention, and the functions of the components substantially corresponding to the reference numerals other than the above differences will be described based on the internal configuration diagram illustrated in FIG. 2 below.
신호자극및측정장치(200)는 전기자극생성부(210a), 신경신호측정부(210b), 아날로그신호변환부(220), 동기화부(230), 채널추정부(240) 및 아티팩트처리부(250)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 아날로그신호변환부(220)는 VCO(222)와 카운터(224)를 포함한 물리적 하드웨어 형태로 구현이 가능하다. 또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 전기자극생성부(210a), 동기화부(230), 채널추정부(240) 및 아티팩트처리부(250)는 디지털신호처리부(260)의 형태로 프로세서에서 소프트웨어의 형태로 구현이 가능하다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시예에 해당할 뿐 다양하게 변형이 가능함을 유의한다. The signal stimulation and
전기자극생성부(210a)는 전기자극신호를 생성한다. 미세 전극(micro-electrode)을 통한 미세전기자극(micro-stimulation)은 신경조직의 국소부위에 신경세포의 활성을 유발한다. 도 3 의 일 실시예를 참고하면, 전기자극생성부(210a)는 도 3에 도시된 자극파형(S310)과 같은 형태로 전기자극신호를 신경 조직에 인가할 수 있다(310). The electrical
신경신호측정부(210b)는 미세전기자극을 인가한 신경조직 부위에서의 전기적 반응이 포함된 레코딩신호를 측정한다. 미세전기자극을 인가한 부위에서의 신경세포의 전기적 반응을 자극과 동시에 정확하게 측정하는 것은 자극의 효과를 분석하는데 매우 중요하다. 하지만 자극신호가 기록(recording)신호에 아티팩트로 작용하여 기록신호를 분석하는데 큰 어려움이 발생한다. 도 3 의 일 실시예를 참고하면, 신경신호측정부(210b)는 아티팩트로 인하여 도 3에 도시된 왜곡 파형(S320)과 같은 형태의 레코딩신호를 측정할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 도 3에 도시된 자극파형(S310)과 같은 펄스열(pulse train) 형태의 신호를 인가할 경우, 레코딩신호의 기록이 불가능한 음영구간이 커지게 되는 문제점이 있다. 또한, 도 3에 도시된 왜곡 파형(S320)에서 신호 아티팩트를 제거하기 위해 고이득증폭기를 거친 신호를 고해상도 디지털 변환기를 이용하여 왜곡없이 디지털로 변환하였다. 그러나 이 경우 고해상도 디지털 변환기의 물리적 크기가 소형화에 걸림돌이 되어, 뇌 자극을 위한 임플란트 형태로 사용하기 어려운 문제가 있다. The neural
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 고해상도 디지털 변환기를 사용하지 않고, 아날로그신호변환부(220)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함으로써 신호자극및측정장치(200)의 크기를 소형화할 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 디지털신호처리부(260)에서 신경조직에 인가한 미세전기자극에서 발생하는 아티팩트를 제거함으로써 신경조직의 전기적 반응을 나타내는 레코딩 신호만을 측정할 수 있다. 아티팩트의 예로는 LFP(Local field potential), 뉴럴 스파이크(Neural spikes) 등이 있다. 이하에서는 아날로그신호변환부(220)와 디지털신호처리부(260)의 기능에 대해 상세히 서술한다. In one preferred embodiment of the present invention, in order to solve this problem, the analog signal is converted into a digital signal by using the
아날로그신호변환부(220)는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)(222) 및 카운터(224)를 포함한다. VCO(Voltage Controlled Oscillator)(222)는 입력 전압에 비례하는 주파수를 생성하며, 카운터(224)는 VCO(222)의 출력을 기초로 특정 시간 구간 단위로 진동수의 회수를 카운트하여 신경신호측정부(210b)에서 송신한 레코딩 신호를 디지털 출력신호로 변환시킨다. The analog
디지털신호처리부(260)는 전기자극생성부(210a), 동기화부(230), 채널추정부(240) 및 아티팩트처리부(250)를 포함한다. The digital
동기화부(230)는 전기자극생성부(210a)에서 생성한 전기자극신호와 아날로그신호변환부(220)에서 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 동기화한다. 동기화부(230)는 전기자극신호의 일부 구간과 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호가 얼마나 유사한지를 상호연관법(cross-correlation)을 기초로 계산하여 두 신호가 가장 유사한 값을 나타내는, 즉 상호연관법을 계산한 계산값이 최대값이 나타나는 지점을 동기시점으로 판단하고, 시간 동기화를 수행한다. 동기화부(230)는 전기자극신호를 tn 구간으로 분리하고, t1 구간, t2 구간, t3 구간, ...tn 구간 각각에서 두 신호가 가장 유사한 지점을 동기지점으로 판단하여 동기화를 수행할 수 있다. The synchronization unit 230 synchronizes the electrical stimulation signal generated by the electrical
동기화부(230)는 또한 전기자극생성부(210a)에서 생성한 전기자극신호 외의 다른 용도의 전기신호를 추가로 이용할 수 있다. 이 경우 다른 용도의 전기신호는 채널추정을 위해 사용되는 별도의 전기신호를 포함한다. 일 실시예로서, 전기자극생성부(210a)에서는 특정 주기를 지닌 전기자극신호를 생성한다. 동기화부(230)는 특정주기를 지닌 전기자극신호의 시간 인터벌에서 신경 조직에 자극이 되지 않는 정도의 크기를 지니는 별도의 전기신호를 채널 추정용으로 생성하여 더 이용할 수 있다. The synchronization unit 230 may also additionally use an electrical signal for other purposes than the electrical stimulation signal generated by the electrical
채널추정부(240)는 동기화부(230)의 동기시점을 고려하여 전기자극신호와 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 활용하여 신경조직채널을 추정한다. 추정된 신경조직채널은 로 나타낸다. The
수학식 1에서 y는 아날로그신호변환부(220)에서 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호, h는 신경조직채널 응답 벡터, A는 전기자극생성부(210a)에서 생성한 전기자극신호를 사용하여 생성된 Toeplitz 행렬, 그리고 w는 노이즈벡터를 각각 나타낸다. 도 4 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 펄스열(pulse train) 형태의 전기자극신호가 인가되는 경우 Toeplitz 행렬 A를 생성하는 일 예를 도시한다. 신경신호측정부(210b)에서도 전기자극신호(S400)로 인가된 Xst_(t)(420) 신호를 이미 알고 있으므로, Xst_(t)(420) 신호를 기준으로 전후로 k개의 샘플들(410, 430)을 선형적으로 조합하여 Toeplitz 행렬 A를 생성한다. 주의할 것은 도 4 는 본 발명의 일 실시예일 뿐 모든 형태의 전기자극신호를 이용할 수 있다. In
본 발명의 바람직한 일 실시예로서 채널추정부(240)는 수학식 1에서 노이즈 크기를 최소화하는 최대우도추정 방법을 이용하여 신경조직채널 응답 벡터 h를 계산할 수 있다. 최대우도추정 방법은 수학식 2 내지 3과 같다. 다만, 최대우도추정방법은 신경조직채널 응답 벡터 h를 계산하기 위한 일 실시예일 뿐, 다양한 변형이 가능함을 유의하여야 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the
수학식 3에서 A+는 Toeplitz 행렬 A의 Pseudo inverse 행렬을 나타낸다.In Equation 3, A + represents a Pseudo inverse matrix of Toeplitz matrix A.
아티팩트처리부(250)는 아티팩트 재현부(미 도시)와 아티팩트 제거부(미 도시)를 포함한다. 아티팩트 재현부는 채널추정부(240)에서 추정한 신경조직채널(h)와 전기자극생성부(210a)에서 생성한 전기자극신호의 컨볼류션(convolution) 연산을 동기화부(230)의 동기시점에 맞춰 수행하여 아티팩트를 생성한다. 아티팩트 제거부는 동기시점에 맞추어 신경신호측정부(210b)에서 측정한 아티팩트가 포함된 레코딩 신호에서 아티팩트 재현부에서 생성한 아티팩트를 제거한다. The
도 7 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 신경조직에 신호를 자극한 후 아티팩트를 제거하여 반응신호를 측정하는 방법의 흐름도를 도시한다. 7 is a preferred embodiment of the present invention, after stimulating the signal to the nerve tissue and showing a flow chart of a method for measuring the response signal by removing artifacts.
전기자극 생성부는 전기자극신호를 생성한다(S710). 이 경우 생성되는 전기자극신호는 펄스열, 사인파형, 그 외 다양한 형태의 신호를 모두 포함한다. 신경신호 측정부는 전기자극신호를 인가한 신경 조직의 전기적 반응이 포함된 레코딩신호를 측정한다(S720). 전기자극신호는 신경 조직에 DAC(Digital-Analog Converter) 및 PA(Power Amplifier)를 거쳐 인가될 수 있다. The electrical stimulation generating unit generates an electrical stimulation signal (S710). In this case, the generated electrical stimulation signal includes a pulse train, a sine wave, and various other types of signals. The nerve signal measuring unit measures a recording signal including an electrical response of the nerve tissue to which the electrical stimulation signal is applied (S720). The electrical stimulation signal may be applied to the nerve tissue through a digital-analog converter (DAC) and a power amplifier (PA).
아날로그신호변환부(120)는 입력전압에 비례하는 주파수를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)에 신경조직에서 측정된 레코딩신호를 입력한다. 그리고, 카운터를 이용하여 상기 VCO의 출력에서 특정 시간 구간 단위로 진동수를 카운터하여 상기 레코딩신호를 디지털출력신호로 변환한다(S730).The analog
동기화부는 전기자극신호의 일부 구간과 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호의 유사정도를 계산하는 상호연관법을 이용하여 계산값이 최대일 지점을 동기지점으로 판단하고, 동기지점마다 전기자극신호와 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 동기화한다(S740). 채널추정부(140)는 전기자극신호와 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 기초로 신경조직채널을 추정한다(S750). 신경조직채널을 추정하는 계산방법은 수학식 1 내지 3의 일 실시예를 참고한다. The synchronization unit determines the point at which the calculated value is the maximum as a synchronization point by using a correlation method that calculates the similarity between a portion of the electrical stimulation signal and the recording signal converted to a digital output signal, and the electrical stimulation signal and digital for each synchronization point. The recording signal converted to the output signal is synchronized (S740). The
아티팩트처리부는 동기화가 수행된 동기시점에서 추정된 신경조직채널과 전기자극신호를 기초로 아티팩트를 재현하고, 상기 신경신호 측정부에서 측정한 레코딩신호에서 재현된 아티팩트를 제거한다(S760). 그 결과 전기자극생성부에서 신경조직에 전기자극신호를 인가할 때 발생하는 아티팩트의 영향이 제거된 신경조직의 전기적 반응신호만을 측정할 수 있다. The artifact processing unit reproduces artifacts based on the nerve tissue channels and electrical stimulation signals estimated at the synchronization-synchronized time, and removes the artifacts reproduced from the recording signals measured by the nerve signal measuring unit (S760). As a result, the electrical stimulation generating unit can measure only the electrical response signal of the nerve tissue in which the effects of artifacts generated when the electrical stimulation signal is applied to the nerve tissue are removed.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.One embodiment of the invention may also be implemented in the form of a recording medium comprising instructions executable by a computer, such as program modules, being executed by a computer. Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. In addition, computer readable media may include computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.
본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.Although the methods and systems of the present invention have been described in connection with specific embodiments, some or all of their components or operations may be implemented using a computer system having a general purpose hardware architecture.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and it should be interpreted that all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are included in the scope of the present invention. do.
Claims (13)
상기 생성된 전기자극신호에 반응하는 신경 조직의 전기적 반응이 포함된 레코딩신호를 측정하는 신경신호측정부;
상기 레코딩신호를 디지털출력신호로 변환하는 아날로그신호변환부;
상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 동기화하는 동기화부;
상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 기초로 상기 신경조직채널을 추정하는 채널추정부;및
상기 동기화부에서 동기화가 이루어진 동기시점에서 상기 전기자극신호와 추정된 신경조직채널을 기초로 아티팩트를 재현하고, 상기 재현된 아티팩트를 상기 신경신호측정부에서 측정한 레코딩신호에서 제거하는 아티팩트처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.An electrical stimulation generating unit generating an electrical stimulation signal;
A neural signal measuring unit measuring a recording signal including an electrical response of a nerve tissue in response to the generated electrical stimulation signal;
An analog signal converter converting the recording signal into a digital output signal;
A synchronization unit synchronizing the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal;
A channel estimator for estimating the neural tissue channel based on the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal; and
An artifact processing unit for reproducing artifacts based on the electrical stimulation signal and the estimated neural tissue channel at a synchronization time at which the synchronization unit is synchronized, and removing the reproduced artifacts from the recording signal measured by the nerve signal measurement unit; Signal stimulation and measurement device comprising a.
입력전압에 비례하는 주파수를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator); 및
카운터(counter)를 포함하고,
상기 레코딩신호를 상기 VCO에 입력하면, 상기 카운터는 상기 VCO의 출력에서 특정 시간 구간 단위로 진동수를 카운트하여 상기 레코딩신호를 상기 디지털출력신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.The method of claim 1, wherein the analog signal conversion unit
A voltage-controlled oscillator (VCO) generating a frequency proportional to the input voltage; And
Including a counter,
When the recording signal is input to the VCO, the counter is a signal stimulation and measurement device, characterized in that by counting the frequency in units of a specific time interval from the output of the VCO to convert the recording signal to the digital output signal.
수식에서 h로부터 상기 신경조직채널 을 추정하고,
상기 수식에서 y는 레코딩신호, h는 신경조직채널 응답 벡터, A는 전기자극신호를 기준신호로 사용하여 생성된 Toeplitz 행렬, 그리고 w는 노이즈벡터를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.The method of claim 1, wherein the channel estimation
In the formula, the nerve tissue channel from h To estimate,
In the above formula, y is a recording signal, h is a neural tissue channel response vector, A is a Toeplitz matrix generated by using an electrical stimulation signal as a reference signal, and w is a signal stimulation and measurement device, respectively.
상기 동기화부에서 동기화를 수행한 동기시점을 이용하여 상기 신경조직채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.The method of claim 1, wherein the channel estimation
Signal stimulation and measurement device, characterized in that for estimating the neural tissue channel using the synchronization point of time at which the synchronization unit performs synchronization.
노이즈 크기를 최소화하는 최대우도추정 방법을 이용하여 상기 신경조직채널 응답 벡터 h를 계산하는 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.The method of claim 1, wherein the channel estimation
Signal stimulation and measurement device, characterized in that for calculating the response vector h of the neural tissue channel using the maximum likelihood estimation method to minimize the noise size.
상기 동기화부에서 수행한 동기시점에 상기 채널추정부에서 추정한 신경조직채널()과 상기 전기자극생성부에서 생성한 전기자극신호 간의 컨볼류션(convolution) 연산을 수행하여 아티팩트를 생성하고, 상기 신경신호측정부에서 측정한 레코딩 신호에서 생성한 아티팩트를 제거하는 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.According to claim 3, The artifact processing unit
The neural tissue channel estimated by the channel estimation at the time of synchronization performed by the synchronization unit ( ) And generating an artifact by performing a convolution operation between the electrical stimulation signal generated by the electrical stimulation generating unit, and removing the artifact generated from the recording signal measured by the neural signal measurement unit. Signal stimulation and measurement devices.
상기 전기자극신호가 인가되는 지점과 상기 레코딩 신호가 측정되는 지점은 상이한 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.According to claim 1,
Signal stimulation and measurement device, characterized in that the point where the electrical stimulation signal is applied and the point where the recording signal is measured are different.
상기 전기자극신호가 인가되는 지점과 상기 레코딩 신호가 측정되는 지점이 동일한 것을 특징으로 하는 신호자극및측정장치.According to claim 1,
Signal stimulation and measurement device, characterized in that the point where the electrical stimulation signal is applied and the point where the recording signal is measured are the same.
전기자극신호를 생성하는 단계;
상기 전기자극신호를 인가한 신경 조직의 전기적 반응이 포함된 레코딩신호를 측정하는 단계;
입력전압에 비례하는 주파수를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)에 상기 레코딩신호를 입력하고, 카운터를 이용하여 상기 VCO의 출력에서 특정 시간 구간 단위로 진동수를 카운터하여 상기 레코딩신호를 디지털출력신호로 변환하는 단계;
상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 동기화하는 단계;
상기 전기자극신호와 상기 디지털출력신호로 변환된 레코딩신호를 기초로 상기 신경조직채널을 추정하는 단계;및
상기 동기화하는 단계에서 동기화가 수행된 동기시점에서 추정된 신경조직채널과 상기 전기자극신호를 기초로 아티팩트를 재현하고, 상기 재현된 아티팩트를 상기 측정한 레코딩신호에서 제거하는 아티팩트 처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.As a method for removing artifacts from signal stimulation and recording signals of measuring devices,
Generating an electrical stimulation signal;
Measuring a recording signal including an electrical response of the nerve tissue to which the electrical stimulation signal is applied;
Input the recording signal to a VCO (Voltage Controlled Oscillator) that generates a frequency proportional to the input voltage, and count the frequency in units of a specific time period from the output of the VCO using a counter to convert the recording signal to a digital output signal To do;
Synchronizing the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal;
Estimating the neural tissue channel based on the electrical stimulation signal and the recording signal converted to the digital output signal; and
And an artifact processing step of reproducing artifacts based on the neural tissue channel and the electrical stimulation signal estimated at the synchronization point at which synchronization was performed in the synchronizing step, and removing the reproduced artifacts from the measured recording signal. Method characterized in that.
수식에서 h로부터 상기 신경조직채널을 추정하고,
상기 수식에서 y는 상기 디지털 출력신호로 변환된 레코딩신호, h는 신경조직채널 응답 벡터, A는 전기자극신호를 기준신호로 사용하여 생성된 Toeplitz 행렬, 그리고 w는 노이즈벡터를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein estimating the nerve tissue channel is
Estimate the nerve tissue channel from h in the formula,
In the above formula, y is a recording signal converted to the digital output signal, h is a neural tissue channel response vector, A is a Toeplitz matrix generated by using an electrical stimulation signal as a reference signal, and w is a noise vector. How to.
상기 전기자극신호가 인가되는 지점과 상기 레코딩 신호가 측정되는 지점이 동일한 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10,
A method characterized in that the point where the electrical stimulation signal is applied and the point where the recording signal is measured are the same.
상기 전기자극신호가 인가되는 지점과 상기 레코딩 신호가 측정되는 지점이 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 10,
The method characterized in that the point where the electrical stimulation signal is applied and the point where the recording signal is measured are different.
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