Microsoft PowerPoint - 김성준_4과세미나_2005

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광희 자
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Implant) 심뇌자극기 (Deep Brain Stimulator) 인공망막 (artificial retina)

인공와우를통한음성인식과정 청각역치수준 95dB 이상의고도난청자의청각기능을회복시키기위한신경보철장치 (Neural

1 한국과학재단 4 과세미나 초미세생체전자시스템연구센터 (NBS-ERC) 목차 신경보철을통한감각기능재활 신경보철이식체소개 인공와우 (Cochlear Implant) 심뇌자극기 (Deep Brain Stimulator) 인공망막 (artificial retina) 김성준 서울대학교 뉴로바이오시스 Neural Prosthesis ( 인공신경, 신경보철 ) 인공와우기술의활용 감각기관이나운동기관을대체, 또는보완하기위하여신경계에직접연결되는장치. 인공청각 ( 인공와우,Cochlear Implant) 이란? 인공와우를통한음성인식과정 청각역치수준 95dB 이상의고도난청자의청각기능을회복시키기위한신경보철장치 (Neural prosthetic device) 음성신호를증폭시키는일반보청기와달리신경기능을대체하기위한장치 1 음성신호입력 외부코일 마이크 3 코일을통한무선전송 내부코일 4 신호복조 자극칩이내재된밀봉패키지 6 두뇌 ( 청각피질 ) 2RF 변조신호 5 자극전류 와우내에위치한자극전극 음성처리기 정상음성인식과정고도난청자의와우 ( 달팽이관 ) 1

The Basilar Membrane is a Mechanical Analyzer of Sound Frequency.

frequencies cause maximum vibration amplitude at different points along the basilar

At the apex) The Central Auditory Pathway 인공와우를필요로하는사람들 FDA-Approved Candidacy

simple auditory skills With appropriate amplification and aural rehabilitation for over

benefit from appropriate hearing aids Open set score <40% with hearing aids 인공와우기술의독특성

2 The Basilar Membrane is a Mechanical Analyzer of Sound Frequency. Tonotopicity:Encoding Frequency Place Theory 1950s Georg von Bekesy: different frequencies cause maximum vibration amplitude at different points along the basilar membrane. tonotopic (high freq. At the base & low freq. At the apex) The Central Auditory Pathway 인공와우를필요로하는사람들 FDA-Approved Candidacy Guidelines, 1998 Children >18 months Bilateral profound deafness Lack of progression of simple auditory skills With appropriate amplification and aural rehabilitation for over 3-6 months Aided response in open set score <20% Adults Profound deafness >90dB Do not benefit from appropriate hearing aids Open set score <40% with hearing aids 인공와우기술의독특성 수십년이상체내에이식되는신경자극전자장치 인간의감각중상용화가최초로구현된신경보철장치 다양한분야의기술이접목, 융합된복합시스템밀봉패키지, 와우전극 재료, 기계미세가공기술신경자극칩, 무선전송 전자, 통신기술음성처리기 음성인식, 의학, 전기생리학적기술안정성, 신뢰성검사 전기, 생물학기술시술및훈련 의학, 음성인식교육 2

인공와우개발추진체계 [ 産 ] 뉴로바이오시스우수벤쳐인증기업 External

(NBS-ERC) [ 醫 ] Speech Processor Receiver /

RTI 기술자문및전임상실험 서울아산병원개발자문및임상시험 Microphone

6 mm의전극을제작 전극사이트와전극선이동일물질로이루어져배터리효과가없음 반도체,

5 mm 서울형인공와우시스템의특징및기술 2 패키징기술 접합부위 형상기억합금을이용한차세대

curling 구조의전극선 나노입자를이용한완전밀봉기술 소형금속캐스팅기술 100

서울형인공와우시스템의특징및기술 3 IC 및 Hardware 기술 심뇌자극기 (Deep

3 인공와우개발추진체계 [ 産 ] 뉴로바이오시스우수벤쳐인증기업 External Internal 시스템구현및상품화 Skin [ 學 ] 초미세생체전자시스템연구센터 (NBS-ERC) [ 醫 ] Speech Processor Receiver / Stimulator 해외연구기관 기반기술개발, 인력, 기술지원서울대학교병원 UCSF, RTI 기술자문및전임상실험 서울아산병원개발자문및임상시험 Microphone Transmitting Coil Receiving Coil Electrodes 서울형인공와우시스템의특징및기술 mm 전극기술 mm의머리카락보다가는 16개의전극선을집적하여두께 0.5~0.6 mm의전극을제작 전극사이트와전극선이동일물질로이루어져배터리효과가없음 반도체, 형상기억물질를이용한차세대전극 21.5 mm 서울형인공와우시스템의특징및기술 2 패키징기술 접합부위 형상기억합금을이용한차세대 modiolus- hugging electrode 기계적인안전성을위한 helical curling 구조의전극선 나노입자를이용한완전밀봉기술 소형금속캐스팅기술 100 년이상의밀봉도를보장하는세라믹 - 금속간브래이징기술 업그레이드가가능한패키지기술 서울형인공와우시스템의특징및기술 3 IC 및 Hardware 기술 심뇌자극기 (Deep Brain Stimulator) 2.5 mm 실시간적응알고리즘을적용한고성능잡음제거 타사에비해높은자극율을갖는음성처리기법 실시간으로에러모니터링하는안전성 아날로그회로와디지탈회로가통합집적된하이브리드칩 고전압 CMOS 공정을사용하여안전한신경자극가능 체내수신코일유기전압최소화하여안전도모 3

Neurological Movement Disorder 발병원인운동기능을담당하는뇌심부구조물 (substantia nigra) 에존재하는억제성신경세포 (inhibitory neuron) 의소실로인하여연접한신경망의 over-activities 발생 Movement Disorders 야기종류및증상 Medtronic Inc.

frequency Dyskinesia ( 이상운동증 ) Power Impairment of voluntary movement Dystonia ( 근긴장이상증 ) Disordered tonicity of muscles substantia nigra Treatments for Movement Disorders Ablative Surgery Over

4 Neurological Movement Disorder 발병원인운동기능을담당하는뇌심부구조물 (substantia nigra) 에존재하는억제성신경세포 (inhibitory neuron) 의소실로인하여연접한신경망의 over-activities 발생 Movement Disorders 야기종류및증상 Medtronic Inc. Activa Tremor Control Therapy Parkinson s Disease Tremore at rest state lower shaking frequency Ceases during purposeful movement Essential Tremor ( 본태성진전 ) Tremore during movement Higher shaking frequency Dyskinesia ( 이상운동증 ) Power Impairment of voluntary movement Dystonia ( 근긴장이상증 ) Disordered tonicity of muscles substantia nigra Treatments for Movement Disorders Ablative Surgery Over activities 를보이는심뇌부위를제거함으로서운동장애를호전시키는방법으로 20 세기초반부터연구되어온가장고전적인방법 현재까지도사용되고있는치료법이나, 절제시부작용에의해주변뇌의기능의손상을야기할수있음. Drug Medication 신경전달물질을이용한약물을투여하여운동장애를호전시키는방법 증세가호전되는비율이낮고, 시간의경과에따라효과가떨어짐. Deep Brain Stimulation 병변부위에전극을삽입하여전류자극을줌으로서운동장애를극적으로호전시키는방법 Tremor를포함한각종운동장애에효과가있는것으로밝혀져활발히연구가진행중에있음. Three Stimulating Targets of DBS Thalamic nucleus ( 시상핵 ) Subthalamic nucleus ( 시상하핵 ) Globus pallidus ( 창백핵 ) PD pathway Globus pallidus external segment GABA Subthalamic nucleus Glutamate GABA/ Enkephalin Globus pallidus Glutamate internal segment Cortex Striatum Substantia nigra pars reticulata Thalamus Glutamate GABA/Substance P GABA Dyskinesia Dystonia Dopamine Substantia nigra pars compacta Supplementary motor area Ref) T. Hayakawa, JPET 296: 1074~1084, 2001 DBS 시스템시술대상자 Deep Brain Stimulation 1. Levodopa 약물치료에지나치게민감한양성반응을보이는사람. 2. Levodopa 약물치료에부동반응을보이는사람. 3. Dyskinesia ( 이상운동증 ) 증세가있는사람. 4. 약물치료에의해완전히떨림증세가조절되지않는사람. 5. 연령이 80세이하인사람. 6. 심장, 폐, 신장등에질병을가지고있지않은사람. 최근에는수전증, 근긴장이상증 ( 뇌성마비 ), 강박장애, 간질, 악성통증등의적용대상질병이확대되고있다. DBS system 이 implant 된모습 Definition 운동장애의원인이되는뇌심부의 overactive neuron에전기자극을가함으로서 temporarily disable시키는방법 Advantages over ablative Surgery 환자의의식이있는상태에서테스트자극을가하여정확한자극부위를찾아냄으로서수술성공확률극대화. 자극부위를절제하지않기때문에뇌손상의위험이적음. 새로운치료법이개발되어도적용가능. 2001년 NIH( 美미국국립보건원 ) 의보고에따르면현재 2,000명이상의 Parkinson s disease 환자들이시술을하였으며, 급격하게그숫자가늘어나고있어해마다 15, 000명에해당하는환자들이시술후보가된다고보고됨. FDA( 美식약청 ) Approval In August 1997, DBS for the treatment of tremor in Parkinson's disease using a single implanted electrode. In January 2002, DBS using two implanted electrodes for Parkinson s disease 4

visual prosthesis video 인공시각 (Artificial Vision) Courtesy of Dr. Claude Veraart, Université catholique de Louvain, 2004 Eyes How important are they?

brain DP&E Diseases causing vision disorder Corneal Diseases Cataracts/Glaucoma Retina Diseases retinitis pigmentosa (RP) 망막색소상피변형증 ; 1/4000 in normal population

ganglion cell (GC) optic nerve (ON) lateral geniculate nucleus (LGN) primary visual cortex (VC) in brief, BC GC ON LGN VC Vision Prosthesis In the Retina:

5 visual prosthesis video 인공시각 (Artificial Vision) Courtesy of Dr. Claude Veraart, Université catholique de Louvain, 2004 Eyes How important are they? 24% (monocular blindness) or 100% (binocular blindness) of whole-body disability in law Anatomy of eye Eye Camera cornea lens iris iris lens lens sclera box retina film brain DP&E Diseases causing vision disorder Corneal Diseases Cataracts/Glaucoma Retina Diseases retinitis pigmentosa (RP) 망막색소상피변형증 ; 1/4000 in normal population age-related macular degeneration (AMD) 연령관련황반변성 ; 1/20 in over 65 30% of etiology of blindness in adult Optic Nerve Brain Visual Pathway Photoreceptor bipolar cell (BC) ganglion cell (GC) optic nerve (ON) lateral geniculate nucleus (LGN) primary visual cortex (VC) in brief, BC GC ON LGN VC Vision Prosthesis In the Retina: Havard-MIT(Boston) USC(formerly Hopkins)(LA) Optobionics(Illinois) Northern Germany(Bonn) Southern Germany(Tubingen) Korea(Seoul) In the Optic Nerve Belgium(Brussel) Outside Retina Japan(Osaka) In the Brain Donelle Utah 5

Functional prototype of visual prosthesis interfaced with the optic nerve.

Polyimide Stimulating Electrode Portable Image Processor Inner Eye

Data Link - Receiver http://www.dice.ucl.ac.

Retinal Implant Subretinal vs. Epiretinal 1.

Epi-retinal Implant Surgical Technique and use of Silicon Tacks 3.

4. Stimulation Method based on Direct Optical Illumination Polyimide MEA

Polyimide size; 3mm x 3 mm Electrode size; 50 µm x 50 µm Electrode number;

: 10 µm - Rectangular type : 20µm Overall length; 2.

6 Functional prototype of visual prosthesis interfaced with the optic nerve. Artificial Retina System Image Miniature Camera on Glasses Stimulation SNU Polyimide Stimulating Electrode Portable Image Processor Inner Eye Stimulation Circuit Transcutaneous Data Link - Transmitter Transcutaneous Data Link - Receiver Claude Veaart, Universite Catholique de Louvain, Belgium Seoul Retinal Implant Subretinal vs. Epiretinal 1. Flexible Polyimide Electrode Fabrication and Its Biocompatibility 2. Epi-retinal Implant Surgical Technique and use of Silicon Tacks 3. Sub-retinal implant Surgical Technique and Electrical Stimulation Results 4. Stimulation Method based on Direct Optical Illumination Polyimide MEA Planar type for biocompatibility test Strip type for stimulation test Polyimide size; 3mm x 3 mm Electrode size; 50 µm x 50 µm Electrode number; 25 Site interval; 300 µm Width of interconnection line; - Triangular type : 10 µm - Rectangular type : 20µm Overall length; 2.5 cm or 3 cm Silicon Tacks 조동일교수팀제작 material: silicon, oxide on silicon, parylene on silicon Conventional tack: 3mm (L)x300μm(D) Silicon Tack : 1.5mm (L)x150μm(W)x150μm(H) with barbing 6

Epi-retinal Implant with Silicon tack SNU Artificial Retina Headset Design 인공와우기술의파급효과 사회적효과 ( 공공성 ) Reset / Emergency

20여만명에이르는청각장애인들의사회 / 경제활동참여유도 : 1만여명의경제활동참여시연간약5억불의경제효과창출기대국내청각장애인현황국내인공와우시술현황 On / off button Pinpoint camera for

capture button 경제적효과 인공와우수입대체효과 (2004년국내 90억원시장 ) 수출을통한국가경쟁력강화 (2004년현재국제 6천 6백억원시장 ) 중국에약2,000만명의청각장애인존재 서울형인공와우개발의특징

29,000 2006년 40,000 2007년 55,000 2008년 72,000 2009년 93,600 2010년 121,680 반도체기반기술활용 한국반도체기술의선진성활용 세계금액 (MU$) 386 552

The Market for Neurotechnology : 2004-2008 (Neurotech Report) 세계시장성장률 : 연 30%, 국내시장성장률 : 연 50% 국내시술병원시술 Case로추산 1,728

7 Epi-retinal Implant with Silicon tack SNU Artificial Retina Headset Design 인공와우기술의파급효과 사회적효과 ( 공공성 ) Reset / Emergency turnoff Stimulation power / Battery indicator (1) 국민계층간균형발전유도 청각장애인의독립적인생활보장및삶의질개선 (2) 사회간접비용감소및국민복지증진 : 20여만명에이르는청각장애인들의사회 / 경제활동참여유도 : 1만여명의경제활동참여시연간약5억불의경제효과창출기대국내청각장애인현황국내인공와우시술현황 On / off button Pinpoint camera for image acquisition Semi-translucent eyeglass Stimulation power control button Custom setting selection button Still capture button 경제적효과 인공와우수입대체효과 (2004년국내 90억원시장 ) 수출을통한국가경쟁력강화 (2004년현재국제 6천 6백억원시장 ) 중국에약2,000만명의청각장애인존재 서울형인공와우개발의특징 연구센터를통한학제간협력 : 의학연구진의헌신적참여 전담회사 : 새로운사업모델 해외석학들의협력 학술적교류망을통해기술료문제없이선진기술조기확보 시술 Case 2003년 16, 년 23, 년 29, 년 40, 년 55, 년 72, 년 93, 년 121,680 반도체기반기술활용 한국반도체기술의선진성활용 세계금액 (MU$) ,320 금액 ( 억원 ) 4,637 6,624 8,352 11,520 15,840 한국시술 Case ,013 1,519 금액 ( 억원 ) The Market for Neurotechnology : (Neurotech Report) 세계시장성장률 : 연 30%, 국내시장성장률 : 연 50% 국내시술병원시술 Case로추산 1,728 20,736 1, ,246 26,957 2, ,920 35,044 3, 기술혁신 나노밀봉기술 반도체기술을이용한고정밀전극제작기술 형상기억합금을이용한와우전극개발 가장작은크기의체내이식체 텔리메트리, 내잡음신호처리기술등 7

8 마무리 산-학-의-국제-협력의결과로저렴하면서도고성능인인공와우제품개발 이기술은전자, 재료, 반도체공학-의학결합체 국민복지공헌, 경제효과, 수출효과 다양한응용 ( 청각, 시각, 뇌질환치료, 운동장애치료 ) 줄기세포치료의대안기술 (Alternative Therapy) 아래분들에게감사드립니다. 과학기술부우수연구센터프로그램 산-학-의-국제협력 뉴로바이오시스경영진, 직원 서울대학교병원, 서울아산병원이비인후과 미국 UCSF, RTI, NIH 인공와우연구진 ERC 센터참여교수, 연구진, 직원 서울대학교생체전자연구실연구원들 8

<C0FCC3BC20C6E4C0CCC1F620C6D1BDBA20C0CEBCE2>

<C0FCC3BC20C6E4C0CCC1F620C6D1BDBA20C0CEBCE2> 1 다양한형태의신경전극과자극 Parameter를효율적으로제어하기위한 Graphic User Interface System 개발 강수아 123 김의태 123 송종근 12 김성준 123 1 서울대학교공과대학전기컴퓨터공학부 2 초미세생체전자시스템연구센터 3 나노인공시각개발센터 Graphic User Interface System for Automatic Control