KR20140121545A - 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경 신호 측정 시스템, - Google Patents

신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경 신호 측정 시스템, Download PDF

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Abstract

신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 구성함에 있어서, 상기 신호 자극부와 신호분석부는 각각 디지털 처리 부 앞단에 구성시키고, 반면에 최 전단부에는 초고속 디지털 스위치 회로를 구성하여, 종래의 NIS에 비해, 시스템 구조도 간단히 하고, 측정 속도 및 채널 개수 증가 및 제조 원가를 낮출 수 있는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경 신호 측정 시스템, {Combined neuronal stimulation and analysis type multi-channel interface system}
본 발명은 다채널 신경 신호 측정 시스템에 관한 것으로서, 전기적 신호를 입력과 출력을 동일전극에서 순차적 또는 선택적으로 구동 할 수 있는 구조로 구성함으로써, 신경 세포의 생물학적 동작과 세포 간 행렬 형 네트워크의 연구 및 측정 효율을 높이고, 대용량 다채널 구성 시 제조 원가를 낮출 수 있는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 다채널 신경신호 측정시스템은 (Neuronal interface system 이하 NIS 칭함)은 신경 세포에 전기 자극 신호를 인가 한 후, 상기 자극 신호에 반응하는 신경 세포 신호 및 행동 반응 등을 관찰하고 기록하는 것이다.
상기 NIS는 신호 자극을 신경 세포에 국소적으로 인가를 하고, 신경 세포(101)의 주변 네트워크 신호를 다채널로 고속[10ksps/채널 이상] 측정을 하는 것으로 구성되어진다. 일반적으로 상기 NIS는 신호 자극부와 신호 분석부로 나누어 구성된다.
종래의 NIS 제품의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 도 1은 종래 기술에 대한 NIS의 신호 자극부와 신호 분석부의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 NIS는 전극부(100), 전단증폭기(103), 신호 증폭기, 필터, 신호처리기(102)로 구성된 신호 분석부와 전극부, 전류조정 증폭기(104), 파형발생기(105)로 결합된, 신호 자극부로 2가지로 나누어서 한 개의 조합으로 구성된다.
상기 종래 기술에 따른 NIS의 각 구성 요소의 역할 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.상기 신호분석부의 전극부는 다채널 전극[Multi-channel electrode array, 이하 MEA 칭함]을 통한 신호 전달이 되며, 도 2는 MEA와 신호의 전단 체계 구성도이다. 상기 전극부(206)는 신경 세포의 전기적 신호를 받아드리는 역할을 하며, 상기 신호분석부의 전단 증폭기영역은 다채널 저잡음 증폭기로 구성되며, 상기 전단 증폭기는 신경 세포에서 발생되는 미세 전기적 신호를 저잡음 증폭 기능 및 외부 노이즈 필터 역할을 하며, 상기 신호분석부의 신호처리기는 상기 전단 증폭기에서 증폭된 신호를 아날로그-디지털 신호로 변환해서 컴퓨터 등으로 디지털 디스플레이 하는 역할을 한다.
상기 신호자극부의 전극부는 다채널 MEA로(206) 구성되며, 상기 전극부는 신경 세포(208)의 신호를 자극을 줄 수 있는 전극 역할을 하며, 상기 신호자극부의 전류조정 증폭기는 다채널 전력 증폭기로 구성되며(204), 상기 전력조정 증폭기는 신경 세포에 전기적 신호 자극을 전압적 및 전류적으로 인가하기 위한 역할을 하며, 상기 신호자극부의 파형 발생기는 디지털 신호를 아날로그로 전환하여 다양한 형태의 전기적인 신호로 변환하여, 신경 세포에 자극을 주는 역할을 한다.
이상 살펴본 바를 보면, 신호 자극부와 신호 분석부가 분리형으로 운영하는 구조로 이며, 상기 신호 자극부(205)와 신호 분석부(203)는 각각 독립적으로 구성되고 있다. 또한 신호 자극 방식은 개별적인 전극에 수동으로 신호를 원하는 위치에 인가하는 방식이므로, 다양한 형태의 신경 세포의 네트워크 측정이 어렵다. 상기 NIS는 불편한 상황일 뿐만 아니라, 동시에 신경 세포 네트워크 구조의 측정을 위해서는 고속으로 측정하는 것(10KSPS/CH,64CH 기본)은 제작 비용 및 구현을 위해서 기술적 어려움이 있다.
두번째 문제로 종래의 NIS는 단순한 구조의 고속 디지털 처리를 통해 얻어지는 구조인 것으로 인해, 대용량 즉, 128, 256, 1024등의 다채널 측정 시 하드웨어 구성을 하기가 매우 어려울 뿐만 아니라, 실시간으로 동시에 측정을 할 수 있는 하드웨어 구성을 하기가 매우 곤란하다.
결과적으로 상기 신경 세포의 네트워크 분석 연구에 있어서, 신호 분석의 제한적인 기능과 장비 제작 비용이 높아짐을 의미한다.
KR10-2006-0010145 A KR10-12-1217686 B1 KR10-2010-0056876 A KR10-2010-017091 A KR10-2010-0122693 A KR10-2011-0130324 A KR10-2011-0132059 A KR10-2011-0137368 A
2011년 뇌연구 촉진 시행 계획
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 구성함에 있어서, 상기 신호 자극부와 신호 분석부는 각각 디지털 처리 부 앞단에 구성시키고, 반면에 최 전단부에는 초고속 디지털 스위치 회로를 구성하여, 종래의 NIS에 비해, 시스템 구조도 간단히 하고, 측정 속도 및 채널 개수 증가 및 제조 원가를 낮출 수 있는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합 형 다채널 신경신호 측정 시스템은 상기 신호 자극부와 신호 분석부를 후단에 구성하고, 전단부에는 초고속 디지털 선택 스위치와 입출력 스위치로 구분하여 구성하고 있어, 종래의 NIS 구동의 핵심 문제점인 신호분석과 신호자극을 수십 마이크로 초 이내에 동시에 못하는 것을 해결하는데 있다.
또한 종래의 회로에 비해 스위치 네트워크 회로에서 개별적으로 고전압 정전 보호 회로[TVS]가 부착되어 있으며, 세포 및 주변장치에 의해 정전기 등에 의한 회로 손상을 최소화 한 구조이다. 전력 증폭기를 스위치 회로 후단에 배치함으로써 고가의 전단 증폭기 수를 최소화함으로써 전력 손실 최소와 및 NIS 제작 비용을 절감할 수 있는 구조이다. 종래의 NIS는 전단 증폭기가 채널당 구성되어 있는 구조이고, 개별적으로 정전기 및 TVS 회로를 설치해서, 회로가 매우 복잡한 구조이다.
상기 측정 영역에 있어서, 상기 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템은 상기 신호 자극부와 신호분석부는 후단에 구성하고, 전단부에는 초고속 디지털 선택 스위치와 입출력 스위치로 나누어서 구성되어 있어, 디지털 신호를 전극부에서 신경 세포 개별 위치 별 신호자극과 측정을 동시에 수행할 수 있는 스위치 회로를 구성시켜, 선택적으로 신경 세포 위치 별 전기적 신호를 네트워크 형식과 매트릭스 형태로 쌍방향 측정이 가능하여, 실시간으로 쌍방향 신호를 얻을 수 있는 특징으로 한다.
또한 실시간 CPU 통신을 위해 TCP/IP로 별도 REAL TIME EMBEDED CPU를 활용함으로써 종래의 NIS는 구현하기 곤란한 대용량 즉, 128, 256, 1024등의 다채널 측정을 개별적으로 분리하고, 동기화를 통해 대용량 채널 측정을 할 수 있도록 하는 구조이다.
본 발명에 따른 상기 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템 구성은 다음과 같은 효과가 있다.
초고속 아날로그 스위치를 구성함으로써 멀티 채널 및 선택적 신호 전극 연결과 측정이 용이하게 할 수 있다. 또한, 다채널 스위치 회로에 초고속 디지털 프로세서를 연결함 으로서 실시간 제어를 통해 신경 세포들의 신호를 동시에 측정과 신호 자극을 줄 수 있도록 설계되어 신경 세포의 전기특성 및 네트워크 연구의 이미지 형성시키고, 다채널 기능을 동시에 수반함으로써 대용량 신경 세포 신호 분석 연구 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 효과는 임상이전의 체외(in-vitro)진단을 위한 기반기술의 확보를 위한 목적으로 활용될 것으로 판단되며, 1차적으로는 사업화 초기단계의 기술개발 연구자를 대상으로 하며, 이후 범위를 확대하여 제약사, 화학기업, 벤처기업 등의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
도 1은 종래 기술에 따른 다채널 신경신호 측정 시스템 의 구성도
도 2는 다채널 전극과 다채널 신경신호 측정시스템의 구성도
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템의 구성도
도 4는 다채널 전극과 신경자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정시스템의 순차적 처리 구성도
도 5는 다채널 전극과 신경자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정시스템의 동시 자극에 의한 신호 처리 구성
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 이용한 TCP IP 네트워크 구성도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템의 구성도이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템의 순차적 처리 구성도이다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템을 살펴보면, 도 3에 도시한 바와 같이 기본적으로 상기 신호 자극부와 신호분석부 및 초고속 스위치 회로를 포함 한다.
상기 신호분석부의 초고속 스위치 회로(300) 구성은 1단은 신호가 출력과 입력을 선택할 수 있는 신호로 구성되어 있고, 2단은 입력 신호를 MUX_DEMUX 1:N 구조로(305) 구성되어 있다.
MUX_DEMUX 스위치 회로(300)는 상기 전극부에 1:1로 연결되어 구성되어 있고, 신호처리부에서 디지털적 GPIO로 스위치를 25ns로 순차적으로 선택하게 구성하였다. 동시 측정형 ADC 8CH 회로(303)를 연결하여, 8번의 스위치 선택하여, 순차적으로 25×8 ns= 200ns의 실시간 측정이 가능하게 구성하였다. 한번의 스위치 선택 시 25ns 지연되는 현상은 지연 데이터를 보상하여, 동시 데이터 처리를 하는 구조이다. 신경 세포의 응답속도는 100us∼100ms 정도이므로 데이터 처리시 지연되는 에러는 매우 적은 것이다.
상기 스위치 회로 후단은 전단 증폭기로(302) 구성되어 있고, 프로그래밍 이득을 조절할 수 있는 구조와 저잡음 증폭기 및 필터로 구성 되어 있다. 여기서 증폭기를 최종 단에 구성함에 따라 종래의 NIS에 비해 회로가 간단하게 구성할 수 있다.
상기 신호분석부의 신호처리기는 상기 전단 증폭기에서 증폭된 신호를 디지털 신호로 SPI 프로토콜을 이용해서 고속으로 디지털 변환을 할 수 있도록 하였다. 고속으로 데이터 변환된 신호는 40MHz 클록 속도로 처리가 되게 구성하였다. 전단에 아날로그 디지털 변환 회로는 채널당 100Ksps 또는 1.Msps 로 변환이 가능하게 하고, 다채널을 위해 daisy chain방식도 가능한 구조로 구성하였다. 상기 신호처리기의 속도가 매우 빠른 데이터를 FPGA부품을(308) 이용해서 FIFO 메모리를 설정하여, 데이터를 트리거당 1000∼5000개를 저장할 수 있는 구조로 구성하였다.
왜냐하면, 컴퓨터의 처리속도는 최대 1ms이므로 상기와 같이 빠른 데이터를 받기 위해서는 상기 구조로 구성되었다.
상기 신호자극부의 전극부는(307) 다채널 MEA로 구성되며, 상기 전극부는 신경 세포의 신호를 자극을 줄 수 있는 역할을 하며, 상기 신호자극부의 전류조정 증폭기는 다채널 전력 증폭기로 구성되며, 상기 전력조정 증폭기는 신경 세포에 전기적 신호 자극을 가하기 위한 역할을 하며, 상기 파형 발생기는 디지털 신호를 전기적인 형태로 변환하여, 신경 세포에 일정한 모형으로 만들어 주는 역할을 한다.(308)
도 4에 도시한 바와 같이 순차적 자극 모드로서, 임의의 위치의 x(402), y(403), z(4-4) 전극 순간적인 전기자극을 주면, 신경 세포는 전기 신호를 발생한다. 이순간 FPGA는 25ns 초로 다채널 신호를 수신(406)하게 되어 모든 전극의 신호를 고속으로 수신을 하는 모드이다. 이 경우는 임의의 위치에 놓여 있는 신경 신호의 반응을 하기 위한 기능을 가진 것이다.
도5에 도시한 바와 같이 동시 위치 자극 모드로서, 임의의 위치의 x(502), y(503), z(504),…에 동시에 자극을 주면, 신경 세포는 모든 신호에 반응해서 순차적, 동시적 반응하여, 모형에 따라 신경 세포가 전기적 신호를 다르게 내어 놓는 모드이다. 상기 내용에 따라 스위치 선택 따라, 신경 세포의 운동 메커니즘과 특성을 분석하는데, 실시간으로 얻을 수 있으며, 프로그램으로 다양한 내용를 설정하게 되면 신경세포 연구에 매우 좋은 결과를 확보할 수 있게 된다.
본 발명의 산업적 이용 가능성은 임상 이전의 체외 진단을 위한 측정 시스템에 활용 될 것이며, 신약개발, 신경신호 연구, 신경신호 치료를 위한 분석장치에 적용된다. 사용대상자는 1차적으로 초기 단계의 기술 개발 연구자를 대상으로 하며, 이후 범위를 확대하여, 제약사, 화학기업, 벤처기업 등의 활용이 가능하다.
NIS : neuronal interface system
FIFO : File input File output
MEA : multi-channel electrode array

Claims (4)

  1. 다채널 신경신호 측정 시스템의 뉴런 신경 세포의 전기적 신호 분석을 하기 위한 핵심기능을 전기자극부와 전기분석부를 후단에 구성하고, 전단부에 초고속 스위치 회로를 구성하여, 전기 신호 자극부와 전기 신호 분석부를 선택적으로 활용 할 수 있는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템으로 구성하는 것에 있어서, 전기 신호 자극부와 전기 신호 분석부 및 초고속 스위치 회로가 동시에 결합되어 있는 구조로서, 신경세포의 실시간 처리 초고속 신호 발생 및 신호 처리의 고속화를 위한 형태.
    상기 신경신호 측정 시스템은 채널 당 실시간 처리형 FPGA부품을 이용해 동기적 신호 처리가 가능한 구조를 하는 것을 특징으로 하는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 자극부 영역에서, 초고속 스위치 박스 회로, 전류 증폭기, 디지털 처리, FIFO처리 영역으로 구성되어지는 것을 특징으로 하는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템
  3. 제 1항에 있어서
    상기 전기 신호 처리부 영역에서, 초고속 스위치 박스 회로, 저잡음 증폭기, 디지털 처리, FIFO처리의 영역과 순서가 스위치 박스, 저잡음 증폭기, 디지털 변환처리 순으로 구성되어지는 것을 특징으로 하는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서
    상기 측정 시스템이 TCP/IP 또는 WI-FI 로 연결되는 장치로 구성 되어 지는 것을 특징으로 하는 신경 자극 및 신호 처리 결합형 다채널 신경신호 측정 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170133612A (ko) 2016-05-26 2017-12-06 울산과학기술원 세포자극 측정장치 및 이를 이용한 세포자극 측정방법
KR101970692B1 (ko) * 2017-10-23 2019-04-19 고려대학교 산학협력단 다채널 이식형 신경 신호 측정 시스템을 위한 신경 신호 검색 및 측정 장치 및 그 방법
KR20190043944A (ko) * 2017-10-19 2019-04-29 주식회사 토닥 신경 보철용 다채널 전류 자극기

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