뇌전증 치료를 위한 real-time closed-loop 뇌 자극 시스템 설계 :

김소원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김소원 (이화여자대학교, 이화여자대학교 대학원)

지도교수: 이승준

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

뇌전증 경련 억제를 위한 실시간 폐루프 신경 자극 시스템 설계

김소원 , 김선희 , 이예나 외 5명 의공학회지 2015.01 학술저널

2014

뇌전증 치료를 위한 real-time closed-loop 뇌 자극 시스템 설계

김소원 전자공학과 2014.01 학위논문

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뇌전증은 반복적인 발작을 일으키는 만성 신경학적 질환이다. 뇌전증 환자의 30% 이상은 약물에 반응하지 않으며, 뇌 부분 절제술은 뇌 기능 손상의 우려가 있다. 이러한 약물과 절제술의 대안으로 신경 자극술이 활발히 연구되고 있다. 경련이 일어날 때 전기 자극을 주면 경련이 멈춘다는 것은 실험적으로 알려져 있다.
본 논문에서는 뇌의 신호를 레코딩하여 관측하고 발작을 탐지하여 전기 자극을 내보내는 closed-loop 방식으로, 뇌전증 치료를 위한 real-timeclosed-loop 신경 자극 시스템을 설계하였다. 6채널을 갖는 전극과, NationalInstruments사의 USB-6009 data acquisition 보드, 뇌전증 연구를 위해 만들어진 신경 자극기를 사용하였다. ~200μV의 신경 신호를 증폭시키는 증폭회로를 설계하고, 발작을 탐지하는 알고리즘으로 GOFA 알고리즘을 적용하였다. 시뮬레이션을 통해 알고리즘을 검증하고 in vivo 실험을 통해 전체 시스템의 동작을 확인하였다.

Ⅰ. Introduction 1
Ⅱ. 전기자극을 이용한 뇌전증 치료 3
A. 뇌전증의 이해 3
1. 뇌전증의 발병 현황 3
2. 뇌전증의 발생기전 5
3. 뇌전증의 치료 5
B. 뇌전증 치료를 위한 전기 자극 7
1. 미주신경 자극(Vagal Nerve Stimulation, VNS) 7
2. 심부 뇌 자극(Deep Brain Stimulation, DBS) 8
Ⅲ. Neural Recording 10
A. Neural Signal 10
1. Action Potential 10
2. Local Field Potential 13
B. Extracellular recording 14
C. 뇌전증 치료 시스템을 위한 요구사항 15
Ⅳ. Neurostimulation 16
A. Parameters 16
B. Closed-loop neurostimulation 17
1. Structure of Closed-loop Neurostimulation 17
2. Advantages of Closed-loop Neurostimulation 18
3. Concerns of Closed-loop Neurostimulation 19
Ⅴ. 국내외 연구 현황 21
A. NeuroPace 21
B. University of Toronto 23
C. National Cheng Kung University 24
Ⅵ. 제안하는 시스템 구성 26
A. Electrode 27
B. Front-end Amplifier 29
1. Front-end amp.의 구성 31
2. 측정 및 분석 37
C. Data Acquisition Board 42
D. PC Detection Algorithm 43
1. LabVIEW 43
2. GOFA algorithm 45
3. Stimulation trigger 49
E. Stimulator 50
F. 전체 시스템 52
1. Packaging 52
2. 기존 neural recording system과 비교 52
Ⅶ. 실험 결과 및 분석 55
A. 시뮬레이션 결과 55
1. Algorithm 동작 검증 55
2. Stimulator trigger 동작 확인 65
B. Function generator를 이용한 real-time detection 검증 67
C. In Vivo 실험 69
Ⅷ. Conclusion 74
참고문헌 76
부록 80
Abstract 81

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