KR101970692B1

KR101970692B1 - 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101970692B1
Application number: KR1020170137638A
Authority: KR
Inventors: 이형민
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-04-19

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 방법은, (a) N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로가 각 채널 결합 회로에 접속되고, 단위 검색 그룹에 포함되는 M개(M은 2 이상의 자연수)의 전극들로부터 전달되는 복수의 신경 신호들을 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 N개의 채널 결합 회로의 출력단에 각각 결합된 N개의 측정채널 회로가 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호를 각각 감지하는 검색 모드를 수행하는 단계; (c) 상기 스파이크 신호가 감지된 경우 측정 모드가 활성화 되어, 상기 채널 결합 회로와 상기 측정 채널 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들과 상기 측정채널 회로들을 각각 연결하는 단계; 및 (d) 상기 측정채널 회로들을 이용하여 상기 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정하는 단계;를 포함하되, 상기 (c) 단계는 상기 측정채널 회로들을 전체 전극들이 연결된 스파이크채널 선택 회로에 연결하고, 상기 전체 전극들 중 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것이다.

Description

다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치 및 그 방법 {NEURAL SIGNAL SCANNING AND RECORDING APPARATUS FOR MULTI-CHANNEL IMPLANTABLE NEURAL RECORDING SYSTEMS AND METHOD OF THE SAME}

본 발명은 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

사람의 뇌에 이식되어 전기적 신경 신호를 직접 측정할 수 있는 이식형 기기는 뇌과학 분야의 연구뿐 아니라 다양한 질병의 상태측정 및 치료를 위한 필수적인 기술이다. 이러한 이식형 기기는 집적회로 설계를 통해 고성능, 저전력, 초소형으로 구현되고 있으며, 보다 정밀하고 효과적인 측정, 분석, 치료기능을 위해 더욱 높은 성능과 효율을 필요로 한다. 이로 인해 더 많은 뇌전극을 통한 다채널 신경신호들을 실시간으로 측정할 수 있는 이식형 기기의 개발이 시급하며, 이는 고해상도 뇌지도화 및 신경 인터페이스 구축을 위한 핵심 기술이라고 볼 수 있다.

고해상도 뇌신경 측정을 위해서는 보다 많은 신경채널을 감지하여 그 신호정보를 처리, 전송해야 한다. 하지만 이식형 기기 내의 집적회로 프론트-엔드(front-end) 단에 구현될 수 있는 신경측정 채널회로의 개수는 전력, 대역폭, 면적 제약으로 인해 상당히 제한되며, 이는 결국 신경측정 기기의 정밀성과 확장성을 막는 가장 큰 원인이 된다. 또한 이식형 기기의 백-엔드(back-end) 단에서도 전력 및 대역폭의 한계로 인해 다채널 대용량의 원신호를 처리하여 무선 통신하는데 제약이 생기며, 이 역시 뇌신경 측정의 확장성을 제한하고 있다. 도 1은 다채널 신경 신호 측정 기기의 기본회로 구조를 보여주며, 도 2는 다채널 신경 신호 측정을 위한 이식형 기기의 개념도를 보여준다.

도 1을 참조하면, 집적회로 프론트-엔드(front-end) 단은 신경 신호를 증폭하는 앰프(amplifier; Amp), 신호를 여과하는 필터(filter), 여러 채널의 신호를 순차적으로 선택, 전달하는 멀티플렉서(Multiplexer; Mux), 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 컨버터(Analog-to-Digital Converter; ADC)로 구성된다. 일반적으로 하나의 측정채널 회로는 하나의 앰프(Amp)와 필터(filter)를 포함하며, 복수의 채널이 멀티플렉서(Mux)를 통해 하나의 AD 컨버터(ADC)를 공유한다.

도 2를 참조하면, 해당 이식형 신경 측정 기기는 두개골이나 뇌피질의 위, 또는 뇌피질 아래에 위치할 수 있으며, 유연한 전선 등을 통해 다양한 종류의 고밀도 뇌전극들과 연결될 수 있다. 이식형 기기는 외부 기기로부터 무선 유도 전력을 공급받으며, 무선 주파수 링크를 통해 피부를 건너 외부 기기와 통신할 수 있다.

한국등록특허 제 10-1645852 호 (발명의 명칭: 나사형 전극 및 나사형 전극을 이용한 뇌파 측정 장치 및 방법)

본 발명은 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템에서, 어느 뇌전극에서 필요 신경신호가 발생하고 있는지를 실시간으로 감지하여 해당 뇌전극을 검색하고, 이를 통해 적은 수의 측정채널 회로를 가지고 더 많은 뇌전극 신경신호를 측정할 수 있는 신경 신호 검색 및 측정 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 방법은, (a) N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로가 각 채널 결합 회로에 접속되고, 단위 검색 그룹에 포함되는 M개(M은 2 이상의 자연수)의 전극들로부터 전달되는 복수의 신경 신호들을 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 N개의 채널 결합 회로의 출력단에 각각 결합된 N개의 측정채널 회로가 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호를 각각 감지하는 검색 모드를 수행하는 단계; (c) 상기 스파이크 신호가 감지된 경우 측정 모드가 활성화 되어, 상기 채널 결합 회로와 상기 측정 채널 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들과 상기 측정채널 회로들을 각각 연결하는 단계; 및 (d) 상기 측정채널 회로들을 이용하여 상기 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정하는 단계;를 포함하되, 상기 (c) 단계는 상기 측정채널 회로들을 전체 전극들이 연결된 스파이크채널 선택 회로에 연결하고, 상기 전체 전극들 중 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 방법은, (a) N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로가 각 채널 결합 회로에 접속되고, 단위 검색 그룹에 포함되는 M개(M은 2 이상의 자연수)의 전극들로부터 전달되는 복수의 신경 신호들을 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 N개의 채널 결합 회로의 출력단에 결합된 스파이크 빈도 감별 회로를 이용하여 각 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호의 빈도를 감지하는 검색 모드를 수행하는 단계; (c) 상기 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 경우 측정 모드가 활성화 되어, 상기 기준 빈도 이상으로 감지된 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들과 N개의 측정채널 회로들을 각각 연결하는 단계; 및 (d) 상기 측정채널 회로들을 이용하여 상기 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정하는 단계; 를 포함하되, 상기 (c) 단계는 상기 측정채널 회로들을 전체 전극들이 연결된 스파이크채널 선택 회로에 연결하고, 상기 전체 전극들 중 상기 기준 빈도 이상으로 감지된 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치는 복수의 신경들에 연결되고, M개(M은 2 이상의 자연수)씩 단위 검색 그룹으로 구분된 전극들; 상기 단위 검색 그룹에 포함되는 M개의 전극들에 연결되어 복수의 신경 신호들을 수신하고, 상기 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로; 상기 N개의 채널 결합 회로에 연결되어 상기 결합 신경 신호를 수신하고, 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호를 감지하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 연결되는 N개의 측정채널 회로; 상기 전극들 각각에 상기 측정채널 회로가 연결되도록 연결을 스위칭하는 스파이크채널 선택 회로; 및 상기 스파이크 신호의 감지 결과에 기초하여 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 프로세서;를 포함하되, 상기 하나의 채널 결합 회로별로 상기 M 개의 전극이 결합되는 것이고, 상기 프로세서는 검색 모드에서는 상기 채널 결합 회로와 측정 채널 회로가 연결되도록 하고, 스파이크 신호의 감지에 의하여 측정 모드가 활성화되면 상기 채널 결합 회로와 측정 채널 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치는 복수의 신경들에 연결되고, M개(M은 2 이상의 자연수)씩 단위 검색 그룹으로 구분된 전극들; 상기 단위 검색 그룹에 포함되는 M개의 전극들에 연결되어 복수의 신경 신호들을 수신하고, 상기 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로; 상기 N개의 채널 결합 회로에 연결되어 상기 결합 신경 신호를 수신하고, 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호의 빈도를 감지하는 스파이크 빈도 감별 회로; 상기 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 연결되는 N개의 측정채널 회로; 상기 전극들 각각에 상기 측정채널 회로가 연결되도록 연결을 스위칭하는 스파이크채널 선택 회로; 및 상기 스파이크 신호의 빈도의 감지 결과에 기초하여 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 프로세서;를 포함하되, 상기 하나의 채널 결합 회로별로 상기 M 개의 전극이 결합되는 것이고, 상기 프로세서는 검색 모드에서는 상기 채널 결합 회로와 스파이크 빈도 감별 회로가 연결되도록 하고, 스파이크 신호의 감지에 의하여 측정 모드가 활성화되면 상기 채널 결합 회로와 스파이크 빈도 감별 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것이다.

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본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 방법에 의하면, 어느 뇌전극에서 필요 신경신호가 발생하고 있는지를 실시간으로 감지하여 해당 뇌전극을 검색하고, 이를 통해 적은 수의 측정채널 회로를 가지고 더 많은 뇌전극 신경신호를 측정할 수 있는 신경 신호 검색 및 측정 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 다채널 신경 신호 측정 기기의 기본회로 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 다채널 신경 신호 측정을 위한 이식형 기기의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 회로 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 채널 결합 회로의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 회로 구조에 도 6에 도시된 채널 결합 회로를 적용한 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 회로 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 스파이크 빈도 감별 회로의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

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.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치는 전극(310), 채널 결합 회로(320), 스파이크채널 선택 회로(330), 측정채널 회로(340) 및 프로세서(350)를 포함한다.

여기서, 전극(310)은 복수의 신경들에 연결되어, 신경 신호를 측정하는 역할을 수행할 수 있다.

채널 결합 회로(320)는 신경 신호 검색 및 측정 장치가 검색 모드로 동작 시, 복수의 전극(310)들에 연결되어 복수의 신경 신호들을 수신하고, 해당 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성할 수 있다.

스파이크채널 선택 회로(330)는 신경 신호 검색 및 측정 장치가 측정 모드로 동작 시, 전극(310)들과 측정채널 회로(340)가 서로 연결되도록 연결을 스위칭할 수 있다.

측정채널 회로(340)는 신경 신호 검색 및 측정 장치가 검색 모드로 동작 시, 채널 결합 회로(320)에 연결되어 결합 신경 신호를 수신하여 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호를 감지하고, 신경 신호 검색 및 측정 장치가 측정 모드로 동작 시, 스파이크 신호가 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 스파이크채널 선택 회로(330)를 통해 연결될 수 있다.

프로세서(350)는 측정채널 회로(340)에서 스파이크 신호가 감지되는 경우, 동작 모드를 검색 모드에서 측정 모드로 변경하고, 측정채널 회로(340)가 감지한 스파이크 신호에 따라 스파이크채널 선택 회로(330) 내 스위치 매트릭스를 제어하여 스파이크 신호가 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 측정채널 회로(340)가 연결되도록 할 수 있다.

또한, 프로세서(350)는 동작 모드를 검색 모드에서 측정 모드로 변경하는 경우, 채널 결합 회로(320)가 슬립(sleep) 모드로 동작하도록 할 수 있다.

이 경우, 프로세서(350)는 소정의 주기가 경과하는 경우, 동작 모드를 측정 모드에서 다시 검색 모드로 변경할 수 있다.

비록 도 3에는 도시되지 아니하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치는 채널 결합 회로(320)와 프로세서(350) 사이에 스파이크 빈도 감별 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다.

스파이크 빈도 감별 회로(미도시)는 채널 결합 회로(320)에 연결되어 결합 신경 신호를 수신하고, 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호의 빈도를 감지할 수 있다.

측정채널 회로(340)는 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 연결될 수 있다.

이 경우, 프로세서(350)는 스파이크 신호의 빈도의 감지 결과에 기초하여 스파이크채널 회로 내 스위치 매트릭스를 제어할 수 있으며, 프로세서(350)가 스파이크 빈도 감별 회로(미도시)에 연결되어 직접 스파이크 신호의 빈도의 감지 결과를 수신하므로, 측정채널 회로(340)는 채널 결합 회로(320)에 연결되지 않을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은 먼저, 채널 결합 회로를 이용하여 복수의 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성한다(S410).

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은, 프로세서(350)가 결합 신경 신호에 대해 제 1 측정채널 회로를 이용하여 스파이크 신호를 감지한다(S420).

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은, 프로세서(350)가 스파이크 신호가 감지된 검색 그룹에 복수의 제 2 측정채널 회로들을 연결한다(S430).

단계(S430)에서 프로세서(350)는, 복수의 채널 결합 회로들에 기 연결된 복수의 제 1 측정채널 회로들을 검색 그룹에 연결되도록 연결을 스위칭시킬 수 있다.

여기서, 제 2 측정채널 회로들은 복수의 채널 결합 회로들에서 검색 그룹으로 연결이 스위칭된 제 1 측정채널 회로들과 동일한 측정채널 회로일 수 있다.

여기서, 제 2 측정채널 회로들은 전체 전극들이 연결된 스파이크채널 선택 회로에 연결되어 있어, 단계(S430)에서 프로세서(350)는, 전체 전극들 중 검색 그룹에 상응하는 전극들이 제 2 측정채널 회로들에 연결되도록 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은, 제 2 측정채널 회로들을 이용하여 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정한다(S440).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 회로 구조를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 회로는 신경 스파이크 검색 기능을 가지는 신경 측정 전반부 회로와 신호 처리 후반부 회로로 구성됨을 알 수 있다. 예를 들어 뇌전극 어레이가 512개의 전극부위를 가지고 있을 경우, 이 시스템은 그보다 적은 64개의 측정채널 회로(340)들을 가지며, 이 측정 시스템은 검색모드 또는 측정모드로 동작을 할 수 있다.

64개의 측정채널 회로(340)를 통해 전체 512개의 전극부위를 동시에 검색하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 측정채널 회로(340) 앞에 채널결합 회로(channel combiner, 320)를 사용할 수 있다. 검색모드 동안 하나의 채널결합 회로(320)는 공간적으로 가까운 8개의 전극을 담당하게 되며 하이패스 필터(high-pass filter)를 통해 각 전극에서 나오는 신경신호를 결합할 수 있다. 결국 8개의 전극에서 발생하는 신경신호들 중에서 고주파 성분의 신호들만 채널결합 회로(320)를 통해 합쳐지게 된다. 이를 통해 하나의 검색그룹에 있는 8개의 전극 중 적어도 하나의 전극에서 고주파 신호인 신경스파이크가 발생한다면 이 채널결합 회로(320)는 고주파 신경스파이크 신호가 포함하는 결합된 신경신호를 출력할 수 있다. 이렇게 한 채널결합 회로(320)에서 출력된 신호는 하나의 측정채널 회로(340)에 연결될 수 있다. 따라서 64개의 측정채널 회로(340)를 통해 64개의 채널결합 회로(320)들의 출력을 감지할 수 있으며 결국 512개의 전극이 구성하는 64개의 검색그룹 중에서 어디에 신경 스파이크가 발생하는지를 실시간으로 검색할 수 있다. 또한 이 검색모드 동안에는 신경신호를 정밀하게 측정하는 것이 아니라 신경 스파이크가 어느 전극부위에서 발생하는지를 검색하는 것이 목적이기 때문에 채널결합 회로(320) 등을 사용함으로써 발생할 수 있는 추가적인 노이즈 및 간섭영향은 허용될 수 있다.

채널결합 회로(320)의 출력(결합된 신경신호)들은 측정 전반부(recording front-end)의 측정채널 회로(340)들을 거쳐서 측정 및 디지털 변환이 되고, 처리 후반부(processing back-end)를 통해 어느 검색그룹 (또는 어느 채널결합 회로)에서 신경 스파이크가 발생했는지를 판단할 수 있다. 그 후 측정 시스템은 보다 정밀하게 해당 신경 스파이크를 측정하기 위해 측정모드로 동작하게 되며, 채널결합 회로(320)들은 비활성화될 수 있다. 그리고 64개의 측정채널 회로(340)들은 스파이크 채널 선택 회로(spike channel selector, 330)를 통해 실제 신경 스파이크가 발생하는 검색그룹들에 포함되는 전극들 각각에 연결되어 세밀한 측정을 수행할 수 있다. 이 경우 전체 512개의 전극 중 실제 신경 스파이크가 발생하는 최대 64개의 전극(즉, 8개의 검색그룹)을 정밀하게 측정할 수 있다. 그 외에도 이 측정 시스템은 사용자가 직접 8개의 검색그룹(즉, 64개의 전극)을 선택하여 측정하는 방식도 제공할 수 있으며, 또한 측정채널 회로(340) 중 일부(예컨대, 64개 중 32개)는 지속적으로 검색모드로 사용하고 나머지 측정채널 회로(예컨대, 64개 중 32개)는 정밀한 측정모드로 사용하는 것도 가능하다고 할 것이다.

도 6은 채널 결합 회로(620)의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 스캔 동작(scan enable) 신호가 스위치(SW)를 연결하면 복수의 병렬 캐패시터(capacitor)들과 하나의 공유되는 저항(resistor)이 하이패스 필터를 형성하며, 이 하이패스 필터의 차단 주파수(cutoff frequency)는 캐패시터와 저항의 값으로 결정된다. 따라서 각 전극들에서 나오는 신경신호들의 고주파 성분(예컨대, 신경 스파이크)만이 각 캐패시터를 통과하여 저항에 결합되게 되며, 이 결합된 신호를 측정함으로써 이 검색그룹(즉, 채널결합 회로에 연결되는 8개의 전극들) 안에 신경 스파이크를 발생시키는 전극이 있는지 여부를 검색할 수 있다. 신경 스파이크는 일반적으로 수백 Hz에서 수 kHz의 주파수 성분을 가지며, 따라서 하이패스 필터의 차단 주파수 역시 수십 Hz 에서 수백 Hz 사이로 설정되어야 한다. 이를 위해서는 일반적으로 매우 큰 저항값이 필요한데 이러한 저항은 매우 넓은 직접회로 면적을 필요로 하기 때문에 집적회로로 구현하기 어려울 수도 있다. 이 경우 도 6의 저항은 실제 저항 부품이 아닌 트랜지스터(transistor)를 사용한 의사(pseudo) 저항의 형태로 구현할 수 있으며 이 경우 저항 부품을 사용하는 것에 비해 훨씬 적은 면적으로 집적회로 위에 구현할 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 회로 구조에 도 6에 도시된 채널 결합 회로(320)를 적용한 예를 나타낸 도면이다.

도 7은 도 5에 도시된 회로 구조 중 채널 결합 회로(320)가 도 6에 도시된 채널 결합 회로(320)로 변경된 모습을 나타낸 도면임을 알 수 있다.

도 5 및 도 7를 참조하면, 512개의 전극 중에서 64개의 전극을 검색하여 64개의 측정채널 회로(340)를 통해 측정하는 경우, 전극 중 일부에서 더 이상 필요 신경신호가 발생하지 않는 경우가 생길 수 있다. 만약 검색된 64개의 전극 중에서 32개는 계속 신경 스파이크를 발생시키지만 나머지 32개에서는 더 이상 신경 스파이크가 발생하지 않는다면, 신경 스파이크가 이 경우 최대 256개의 뇌전극 (32 측정채널 * 검색그룹 당 8개 전극) 만 검색할 수 있으며, 결국 총 480개의 뇌전극 (총 512개 - 측정모드 32개) 에 대해 검색모드를 수행해는 것이 불가능해질 수 있다. 또한 만약 64개의 측정채널의 측정모드를 모두 종료하고 일괄적으로 검색모드로 돌아가서 필요 전극을 다시 선택하는 경우, 이미 일부 전극에서 발생되고 있던 신경 신호에 대해서는 지속적인 측정이 이뤄질 수 없게 된다.

후술하는 도 8에 따른 선택적 실시예에 따라 검색 모드와 측정 모드가 동시에 수행될 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 장치의 회로 구조를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 측정모드에 해당하는 부분은 도 5 또는 도 7의 회로 구조와 동일하며, 검색모드에 해당하는 부분의 회로들이 변경됨을 알 수 있다.

예를 들어, 64개의 측정채널 회로(340)를 통해 512개의 전극을 측정하기 위해서는 채널선택 스위치를 통해 어느 전극을 측정할 지를 정해야 한다. 이를 위해 검색모드에서는 먼저 채널결합 회로(320)를 통해 각 8개의 인접한 전극들을 하나의 검색그룹으로 연결하여 총 64개의 결합된 출력신호(즉, 각 8개 전극 신호들의 고주파 성분이 결합된 출력신호, 도 6에 도시된 채널 결합 회로와 동일함)가 나오게 된다. 이 신호들은 선처리 블록(810) 내 프리-앰프(pre-amplifier)를 통해 증폭되고 디지털 비교 측정기(digital comparator)를 통해 기준 전압과 비교되어 스파이크 신호가 있는지 여부가 판단될 수 있다. 이 때, 고주파 신경 스파이크 신호가 포함되어 있는 동안에는 비교 측정기의 출력전압이 높아지고 그 외의 구간에서는 출력전압이 낮아질 수 있다. 따라서 64개(즉, 채널결합 회로의 출력) 신호의 비교 측정기 출력 전압의 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 신호의 듀티비를 비교하면 각 검색그룹에서 발생하는 신경 스파이크의 빈도를 판별할 수 있으며, 이 스파이크 빈도가 가장 높은 8개의 검색그룹을 선택한다면 신경 신호가 가장 활성화된 8개의 검색그룹(즉, 64개의 전극)을 선택할 수 있다.

스파이크 빈도가 일정 수준 이상 되는 검색그룹이 8개 미만인 경우, 해당 검색 그룹의 전극들만 선택하여 측정할 수 있으며, 남는 측정채널 회로(340)의 경우 슬립(sleep) 모드로 동작시켜서 전력 소모를 최소화 할 수 있다.

이 때, 검색모드에 사용되는 프리 앰프(pre-amplifier)의 경우 측정모드의 앰프(amplifier)와는 다르게 정밀한 측정과 초저잡음 특성을 필요로 하지 않으며 따라서 앰프(amplifier) 대비 훨씬 적은 면적과 전력 소모를 가지도록 설계할 수 있다. 또한 비교 측정기(comparator) 역시 정밀한 스파이크의 타이밍 대신 스파이크들의 빈도를 알아내는 것이 목적이기 때문에 아날로그 비교 측정기(analog comparator) 대신 저전력 저면적의 디지털 비교 측정기(digital comparator)를 사용하여 구현할 수 있다는 점에 특징이 있다.

비교 측정기(comparator)의 출력 신호들에서 스파이크의 빈도를 감별하는 것은 처리 후반부 단에서 할 수도 있으나, 이를 위해서는 비교 측정기(comparator) 출력 신호들을 지속적으로 샘플링하여 듀티 사이클(duty cycle)을 계산해야 하므로 처리 후반부 단의 전력 및 대역폭을 소모하게 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 후술하는 도 9와 같은 아날로그 회로(820)를 통해 스파이크 빈도를 감별하는 방식을 제안한다.

도 9는 스파이크 빈도 감별 회로(820)의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 디지털 신호 형태의 비교 측정기의 출력 신호를 로우 패스 필터(low-pass filter; LPF)를 통과시켜서 일정한 전압을 만들 수 있으며(예컨대, V1 내지 V64), 이 전압값은 비교 측정기의 출력 신호의 듀티 사이클에 비례하게 된다. 따라서 V1 내지 V64 중 가장 높은 전압 값을 갖는 8개의 검색 그룹을 선별한다면 스파이크 빈도가 가장 높은 8개의 검색 그룹을 선택할 수 있다. 이를 위해서는 지속적으로 비교 측정기의 출력 신호의 듀티 사이클을 샘플링 할 필요가 없으며 특정 주기에 한 번씩 V1 내지 V64를 비교하는 동작만 수행하면 된다. 최소한의 회로를 사용하여 가장 높은 전압 값을 구하기 위해서는 64개 전압 중에서 순차적으로 2개의 전압을 선택하여 내부 비교 측정기를 통해 비교한 뒤 그 중 최대값을 다음 전압 값과 다시 비교하는 방식을 사용할 수 있다.

이를 통해 검색모드 및 측정모드 동작이 동시에 가능한 다채널 신경신호 측정 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 많은 전극들 중에서 필요 신경신호를 발생하는 전극만을 검색하여 제한된 채널측정 회로를 통해 측정할 수 있으며, 필요 신경신호를 발생하는 전극의 위치 및 개수가 변하더라도 그 변화를 실시간으로 감지하여 제한된 측정채널 회로(340)들을 새롭게 필요 신경신호가 발생하는 전극으로 자동 연결함으로써 지속적이며 자동적인 신경신호 측정이 가능하다.

도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은 먼저, 채널 결합 회로를 이용하여 복수의 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성한다(S1010).

다음으로, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은, 프로세서(350)가 결합 신경 신호에 대해 스파이크 빈도 감별 회로를 이용하여 스파이크 신호의 빈도를 감지할 수 있다.

즉, 도 4의 단계(S420)에서 제 1 측정채널 회로로부터 스파이크 신호를 감지하는 대신 스파이크 빈도 감별 회로를 이용하여 스파이크 신호의 빈도를 감지하는 것에 차이가 있다.

단계(S1020)에서, 결합 신경 신호는 앰프 및 비교 측정기에 의해 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 신호로 변환되고, 스파이크 빈도 감별 회로는 듀티 사이클을 갖는 신호에 기초하여 스파이크 빈도를 감지할 수 있다.

보다 구체적으로 앰프에 의해 결합 신경 신호가 증폭되고, 비교 측정기에 의해 증폭된 결합 신경 신호에 대해 실시간으로 기준 전압을 초과하는지 여부가 판단되고, 기준 전압을 초과하는지 여부에 기초하여 듀티 사이클을 갖는 신호가 생성될 수 있다.

단계(S1020)에서 스파이크 빈도 감별 회로는 듀티 사이클을 갖는 신호에 대해 로우패스필터(Low Pass Filter; LPF)를 적용한 신호 값을 스파이크 빈도로 감지할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은, 프로세서(350)가 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹에 제 2 측정채널 회로들을 연결한다(S1030).

단계(S1030)에서 프로세서(350)는, 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹들이 기설정된 기준 그룹 수를 초과하는 경우, 스파이크 신호의 빈도가 높은 순서대로 기준 그룹 수에 해당하는 상위 검색 그룹들에 대해서만 제 2 측정채널 회로들을 연결할 수 있다.

여기서, 기준 그룹 수는 전체 제 2 측정채널 회로들의 수를 개별 검색 그룹에 포함되는 전극 수로 나눈 값으로 설정될 수 있다.

단계(S1030)에서 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹들이 기설정된 기준 그룹 수 미만인 경우, 프로세서(350)는 전체 제 2 측정채널 회로들 중 검색 그룹들에 연결되지 않은 나머지 제 2 측정채널 회로들을 슬립(sleep) 모드로 동작시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법은, 프로세서(350)가 제 2 측정채널 회로들을 이용하여 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정한다(S1040).

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독 가능한 기록 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.

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.

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.

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.

310: 전극 320: 채널결합 회로
330: 스파이크채널 선택 회로 340: 측정채널 회로
350: 프로세서

Claims

다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 방법에 있어서,
(a) N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로가 각 채널 결합 회로에 접속되고, 단위 검색 그룹에 포함되는 M개(M은 2 이상의 자연수)의 전극들로부터 전달되는 복수의 신경 신호들을 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 단계;
(b) 상기 N개의 채널 결합 회로의 출력단에 각각 결합된 N개의 측정채널 회로가 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호를 각각 감지하는 검색 모드를 수행하는 단계;
(c) 상기 스파이크 신호가 감지된 경우 측정 모드가 활성화 되어, 상기 채널 결합 회로와 상기 측정 채널 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들과 상기 측정채널 회로들을 각각 연결하는 단계; 및
(d) 상기 측정채널 회로들을 이용하여 상기 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정하는 단계;를 포함하되,
상기 (c) 단계는
상기 측정채널 회로들을 전체 전극들이 연결된 스파이크채널 선택 회로에 연결하고,
상기 전체 전극들 중 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것인 신경 신호 검색 및 측정 방법.
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다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 방법에 있어서,
(a) N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로가 각 채널 결합 회로에 접속되고, 단위 검색 그룹에 포함되는 M개(M은 2 이상의 자연수)의 전극들로부터 전달되는 복수의 신경 신호들을 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 단계;
(b) 상기 N개의 채널 결합 회로의 출력단에 결합된 스파이크 빈도 감별 회로를 이용하여 각 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호의 빈도를 감지하는 검색 모드를 수행하는 단계;
(c) 상기 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 경우 측정 모드가 활성화 되어, 상기 기준 빈도 이상으로 감지된 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들과 N개의 측정채널 회로들을 각각 연결하는 단계; 및
(d) 상기 측정채널 회로들을 이용하여 상기 검색 그룹 내 전극 각각에 대한 신경 신호를 측정하는 단계; 를 포함하되,
상기 (c) 단계는
상기 측정채널 회로들을 전체 전극들이 연결된 스파이크채널 선택 회로에 연결하고,
상기 전체 전극들 중 상기 기준 빈도 이상으로 감지된 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 포함된 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 (b) 단계는
앰프 및 비교 측정기를 통해 상기 결합 신경 신호를 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 신호로 변환하고, 상기 듀티 사이클을 갖는 신호에 기초하여 스파이크 빈도를 감지하는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 (b) 단계는
상기 앰프를 통해 상기 결합 신경 신호를 증폭하고, 상기 비교 측정기를 통해 상기 증폭된 결합 신경 신호에 대해 실시간으로 기준 전압을 초과하는지 여부를 판단하고, 상기 기준 전압을 초과하는지 여부에 기초하여 상기 듀티 사이클을 갖는 신호를 생성하는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 (b) 단계는
상기 듀티 사이클을 갖는 신호에 대해 로우패스필터(Low Pass Filter; LPF)를 적용한 신호 값을 상기 스파이크 빈도로 감지하는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 (c) 단계는
상기 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹들이 기설정된 기준 그룹 수를 초과하는 경우, 상기 스파이크 신호의 빈도가 높은 순서대로 상기 기준 그룹 수에 해당하는 상위 검색 그룹들에 대해서만 상기 측정채널 회로들을 연결하는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 기준 그룹 수는
전체 측정채널 회로들의 수를 개별 검색 그룹에 포함되는 전극 수로 나눈 값으로 설정되는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 (c) 단계는
상기 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹들이 기설정된 기준 그룹 수 미만인 경우, 상기 검색 그룹들에 상기 측정채널 회로들을 연결하고,
상기 (d) 단계는
전체 측정채널 회로들 중 상기 검색 그룹들에 연결되지 않은 나머지 측정채널 회로들을 슬립(sleep) 모드로 동작시키는 것인, 신경 신호 검색 및 측정 방법.
복수의 신경들에 연결되고, M개(M은 2 이상의 자연수)씩 단위 검색 그룹으로 구분된 전극들;
상기 단위 검색 그룹에 포함되는 M개의 전극들에 연결되어 복수의 신경 신호들을 수신하고, 상기 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로;
상기 N개의 채널 결합 회로에 연결되어 상기 결합 신경 신호를 수신하고, 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호를 감지하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 연결되는 N개의 측정채널 회로;
상기 전극들 각각에 상기 측정채널 회로가 연결되도록 연결을 스위칭하는 스파이크채널 선택 회로; 및
상기 스파이크 신호의 감지 결과에 기초하여 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 프로세서;를 포함하되,
상기 하나의 채널 결합 회로별로 상기 M 개의 전극이 결합되는 것이고,
상기 프로세서는 검색 모드에서는 상기 채널 결합 회로와 측정 채널 회로가 연결되도록 하고, 스파이크 신호의 감지에 의하여 측정 모드가 활성화되면 상기 채널 결합 회로와 측정 채널 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는, 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치.
복수의 신경들에 연결되고, M개(M은 2 이상의 자연수)씩 단위 검색 그룹으로 구분된 전극들;
상기 단위 검색 그룹에 포함되는 M개의 전극들에 연결되어 복수의 신경 신호들을 수신하고, 상기 신경 신호들을 검색 그룹 단위로 하나의 신호로 결합하여 결합 신경 신호를 생성하는 N개(N은 2 이상의 자연수)의 채널 결합 회로;
상기 N개의 채널 결합 회로에 연결되어 상기 결합 신경 신호를 수신하고, 상기 결합 신경 신호에 대해 스파이크 신호의 빈도를 감지하는 스파이크 빈도 감별 회로;
상기 스파이크 신호의 빈도가 기설정된 기준 빈도 이상인 것으로 감지된 검색 그룹에 포함된 전극들 각각에 연결되는 N개의 측정채널 회로;
상기 전극들 각각에 상기 측정채널 회로가 연결되도록 연결을 스위칭하는 스파이크채널 선택 회로; 및
상기 스파이크 신호의 빈도의 감지 결과에 기초하여 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는 프로세서;
를 포함하되,
상기 하나의 채널 결합 회로별로 상기 M 개의 전극이 결합되는 것이고,
상기 프로세서는 검색 모드에서는 상기 채널 결합 회로와 스파이크 빈도 감별 회로가 연결되도록 하고, 스파이크 신호의 감지에 의하여 측정 모드가 활성화되면 상기 채널 결합 회로와 스파이크 빈도 감별 회로의 연결을 차단하고, 상기 스파이크 신호가 감지된 단위 검색 그룹에 상응하는 전극들이 상기 측정채널 회로들에 연결되도록 상기 스파이크채널 선택 회로 내 스위치 매트릭스를 제어하는, 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치.
제 1 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 신경 신호 검색 및 측정 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록매체.