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1 18 체내통신을이용한신경보철용원격통신시스템이태형외 논문 SC-2-3 체내통신을이용한신경보철용원격통신시스템 (A Telemetry System using Intra-body Communication for Neural Prosthesis ) 이태형 *, 송종근 *, 이중재 *, 김성준 ** * (Tae Hyung Lee, Jong Keun Song, Choong Jae Lee, and Sung June Kim ) 요 약 체내통신은인체를통신매체로하여신호를전송하는무선통신방식이다. 체내통신방식은체내와송수신시스템그리고외부접지를통한하나의전류패스를형성함으로써이루어지는데, 인공와우와같은신경보철장치의경우피하에이식되어있기때문에외부접지를사용하기어렵다. 따라서본논문에서는이와같은접지의영향을받지않는체내통신을제안하여신경보철장치를위한시스템을개발하였다. 개발된시스템은이식된보철장치의체내에위치한전극으로의신호전송이가능하도록설계되었다. 효과적인통신을위하여실험동물의피부위실험및피하실험을통해신호전송특성을조사하였으며, 피부위실험의경우약 10MHz, 피하실험의경우약 3MHz 이상의주파수대역에서최대전송이득을가지는것을확인하였다. 본시스템은데이터전송률 480kbps 를갖는 pulse width modulation (PWM) 방식을사용한인공와우용내부전류자극기에적용하여그성능을입증하였다. Abstract Intra-body communication' is a wireless communication technology that uses a body as a transmission medium for electrical signals. Generally, an 'earth ground' is used to create an electric field for operating the system; however this operating method could not apply to telemetry for implanted neural prosthetic devices. So this paper suggests a newly designed intra-body communication for neural prosthetic devices. A floating system which has a couple of electrodes with body was studied to remove an influence of the 'earth ground'. We found that 10MHz is the most suitable carrier frequency in skin experiments and over 3MHz in subcutaneous experiments. The system has been applied to a current stimulator circuit for cochlear implant that uses pulse width modulation (PWM) method at 480kbps rate successfully. Keywords : Intra-body communication, Neural prosthesis, Telemetry system Ⅰ. 서론 체내통신은 Thomas G. Zimmerman에의해 Personal Area Network (PAN) 라는이름으로처음제안되었다. [1] 체내통신은다른통신방식과는달리인체를통신매개로하여통신하는시스템이다. 통신방식은송신단과수신단사이의전기용량적커플링을통해 ** * 학생회원, 정회원, 서울대학교전기공학부 (School of Electrical Engineering Seoul Nat l Univ.) 본논문은한국과학재단 (KOSEF) 의지원을받는생체전자시스템연구센터 (NBS-ERC) 의지원으로수행되었습니다. 접수일자 : 2006년10월13일, 수정완료일 : 2007년3월2일 이루어진다. 시스템이정상적으로동작하기위해서는그림 1과같이하나의전류패스가형성되어야하는데먼저인체를통하여송신단과수신단으로의순방향전류패스가형성되어야하며, 역방향전류패스는시스템주위의전도성혹은전기용량성외부접지 (earth ground) 를통해서형성된다. [1][2] 따라서 PAN이정상적으로동작하기위해서는인체를통신매체로사용해야할뿐만아니라주변의외부접지의영향도고려해야한다. 하지만신경보철에체내통신을적용할경우어려움이따른다. 인공와우 (Cochlear Implant) 나심뇌자극기 (Deep Brain Stimulator) 등으로대표되는신경보철의경우일반적으로보철장치의수신단이체내에삽입되 (132)

2 2007 년 3 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 2 호 19 어체외에위치한송신단과신호를주고받게된다. 특히수신단은체내에완전이식되어동작하기때문에체내통신방식을직접적용하기에는외부접지의영향으로인하여어려움이있다. 따라서본논문에서는신경보철에적용하기위한체내통신의새로운모델을제안하였다. 외부접지에의 한영향을받지않고, 체내를매질로사용하는통신방식을적용하기위해시스템의양전극을모두체내에위치시킴으로써시스템을플로팅상태로유지하였다. [3] 체내통신을통하여신경보철의외부송신단으로부터내부수신단으로의신호전송이가능한높은데이터전송률을갖는시스템을개발하였으며, 최적화된시스템의성능을구현하기위하여주파수응답특성과신호전달특성을조사하였다. Ⅱ. 신경보철용체내통신시스템전체시스템은크게두부분으로구성되어있다. 입력신호를인가하는송신단과체내를통해전송된신호를받아처리하는수신단으로, 각각생체전극으로연결되어있다. 송신단에는입력데이터전송을위하여고효율의클래스 E 증폭기가사용되었다. 송신단의증폭기를통해 amplitude shif keying (ASK) 방식으로변조된 pulse width modulation (PWM) 신호를채널전극과기준전극을통해전송한다. 송신단은 3.3V의인가전압에서수~수십 Mega-Hertz 의동작주파수를갖도록설계되었다. 수신단은체내를통해전송된신호를복원하여처리하기위한전처리단, 신호복원기, 내부자극기의세부분으로구성된다. 전처리단은전극으로입력된신호를복원하는부분으로, 버퍼와필터로구성되어있다. 신호그림 1. PAN의전류패스모델 Fig. 1. Current pass model of PAN [1]. 그림 2. 전체시스템블록도 Fig. 2. Block diagram of system. 복원기에서는전처리단에서복원된신호를기준전압과의비교를통해본래의입력신호로복원한다. 수신단의최종단인내부자극기는현재인공와우의내부이식체에서사용되는내부전류자극기로구성되어있다. 내부자극기에서는인코딩된신호를받아원하는형태의자극전류파형을출력한다. 적용한인공와우시스템의내부자극기에서사용된데이터전송률은 480kbps 이다. 수신단역시 3.3V의배터리전력으로동작한다. Ⅲ. 신호전달특성 1. 피부위주파수응답시스템의최적동작특성을확인하기위하여동물실험을통하여주파수응답특성을조사하였다. 실험에사용된동물은수컷 Sparague-Dawley (SD)-rat 이며, 무게는 200±10g 이다. 실험동물의사육관리및실험은서울대학교실험동물자원관리원의실험동물자원관리규정에의거하여수행되었다. 그림 3은동물을이용한체내통신실험의모식도를나타낸다. 실험동물의길이는꼬리부분을제외하고약 15cm로, 송신단과수신단사이의거리를조절하기어렵기때문에최소 10cm 이상의일정거리를유지하기위하여송신단전극은실험용쥐의꼬리부분에위치하였고, 수신단전극은실제동물용인공와우실험시주로이식되는부위인목뒤약 2-3cm 위치에설치하여실험하였다. 실험에사용된전극은생체계측용 Ag/AgCl 전극을사용하였다. 송신단의입력신호는크리스탈오실레이터를사용하여 10kHz에서 15MHz의주파수범위의 1-Volt 정현파를인가하였으며, 출력신호는독립전원을갖는오실로스코프를사용하여측정하였다. 그림 4는피부위주파수응답특성곡선을보여준다. 전달이득은약 2-4MHz와 10MHz 에서약 -30dB로최대값을보인다. 주파수대역별특성에서, 2MHz 이하의주파수대역에서는피부의내피와외피사이의커패 (133)

20 체내통신을이용한신경보철용원격통신시스템이태형외 피하에이식하여동일한실험을진행하였다. 앞의실험과같이주파수응답특성을조사하였다. 수신단에서사용된전극은단채널삽입형 depth type 전극이다. 일반적으로생체실험시사용되는삽입형전극은전도도가우수한금속전극이지만본실험에서 그림 3.

시턴스성분에의한고주파통과 (high-pass) 특성을나타냈으며, 10MHz 이상의주파수대역에서는피부와시스템전극사이의임피던스에의한영향으로저주파통과 (low-pass) 특성을나타냈다. 2. 피하주파수응답 피부위주파수응답실험의경우수신단의전극이송신단과마찬가지로체외에위치하게되므로수신단에서의외부전극과피부사이의커플링에의한효과를무시할수없다.

는피부위에서발생할수있는전극간커플링효과를최소화하기위하여피부와닿는부분은절연피복처리를함으로써전극의표면이피하에만접촉할수있도록하였다. 피하실험의경우수신단의전극이내부에삽입되어있으므로, 피부위에서수행했던체내실험에서발생했던피부와시스템전극간의임피던스에의한영향이발생하지않는다.

3 20 체내통신을이용한신경보철용원격통신시스템이태형외 피하에이식하여동일한실험을진행하였다. 앞의실험과같이주파수응답특성을조사하였다. 수신단에서사용된전극은단채널삽입형 depth type 전극이다. 일반적으로생체실험시사용되는삽입형전극은전도도가우수한금속전극이지만본실험에서 그림 3. 체내통신실험의모식도 Fig. 3. Schematic of intra-body communication experiments. 그림 4. 피부위주파수전달특성 Fig. 4. Skin frequency response of laboratory animals. 시턴스성분에의한고주파통과 (high-pass) 특성을나타냈으며, 10MHz 이상의주파수대역에서는피부와시스템전극사이의임피던스에의한영향으로저주파통과 (low-pass) 특성을나타냈다. 2. 피하주파수응답 피부위주파수응답실험의경우수신단의전극이송신단과마찬가지로체외에위치하게되므로수신단에서의외부전극과피부사이의커플링에의한효과를무시할수없다. 따라서실제로피하에이식되는보철용시스템에실험결과를직접적용하기에는어려움이있다. 이를해결하기위해수신단전극을실험동물의 그림 5. 실험동물피하주파수전달특성 Fig. 5. Subcutaneous frequency response of laboratory animals. 는피부위에서발생할수있는전극간커플링효과를최소화하기위하여피부와닿는부분은절연피복처리를함으로써전극의표면이피하에만접촉할수있도록하였다. 피하실험의경우수신단의전극이내부에삽입되어있으므로, 피부위에서수행했던체내실험에서발생했던피부와시스템전극간의임피던스에의한영향이발생하지않는다. 따라서그림 5의그래프에서관찰할수있는바와같이약 3MHz 이하의주파수대역에서고주파통과특성을나타내지만, 그이상의주파수대역에서저주파통과특성을보이지않고전달특성이감소하지않는것을확인할수있다. Ⅳ. 실험시스템의송신단으로입력된입력 PWM 신호 (A) 와송신단의출력신호파형 (B) 이그림 6에나타나있다. PWM 신호는하나의펄스폭의 75% 를 '1 로 25% 를 0 으로변조한신호로그림 6의입력 PWM 신호는 을나타낸다. 입력된신호는체내통신을통해시스템의수신단으로전송된다. 그림 7의첫번째파형인 3은피부위실험에서수신단전극에서의입력신호를측정한결과이다. 두번째파형은 1은수신단의전처리단을통과한후의파형이며, 2는데이터복원기에의해원래의파형으로복원된 PWM 신호를나타낸다. 그림 8은피하실험을통해측정된수신단의파형이다. 앞의실험에서와같이위에서부터입력파형, 전처리단통과후및복원된 PWM 신호를측정하여비교하였다. 피하실험에서는피부위실험과달리수신단의전극이피하에이식되어있어전극간커플링효과에의한영향없이체내에서직접신호를입력받을수있다. 복원된입력신호는수신단내부회로에의해처리되므로동일한 PWM 파형을복원하여내부자극회로에전달하게된다. 전송된신호를일반적으로신경보철용자극파형으로사용되는자극전류파형으로출력하기위하여인공와우시스템에서사용되는내부전류자극회로를사용 (134)

2007 년 3 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 2 호 21 그림 6. 송신단의파형 (A) 입력 PWM 신호 (B) 송신단 출력파형 Fig. 6. Signals at the transmitter part (A) Input PWM signal (B) output signal of transmitter. 그림 8.

피부위실험시수신단의파형 (3) 수신단입력파형 (1) 전처리단통과후 (2) 복원된신호 Fig. 7. Signals at the receiver part on the skin experiments (3) receiver input signal (1) preamplifier output signal (2) decoded signal. 하여테스트하였다.

4 2007 년 3 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 2 호 21 그림 6. 송신단의파형 (A) 입력 PWM 신호 (B) 송신단 출력파형 Fig. 6. Signals at the transmitter part (A) Input PWM signal (B) output signal of transmitter. 그림 8. 피하실험시수신단의파형 (3) 수신단입력파형 (1) 전처리단통과후 (2) 복원된신호 Fig. 8. Signals at the receiver part under the skin experiments (3) receiver input signal (1) preamplifier output signal (2) decoded signal. 그림 7. 피부위실험시수신단의파형 (3) 수신단입력파형 (1) 전처리단통과후 (2) 복원된신호 Fig. 7. Signals at the receiver part on the skin experiments (3) receiver input signal (1) preamplifier output signal (2) decoded signal. 하여테스트하였다. [4] 내부자극기에사용되는 PWM 신호의데이터펄스전송률은 120kbps이며, 하나의펄스에 4개의바이너리신호가담겨있으므로총데이터비트전송률은 480kbps이다. 각각 PWM 신호에는출력신호파형에대한정보가담겨있다. 그림 9에서와같이내부전류자극기는 PWM 펄스신호를입력신호로받아 2개의리드선 (CH: 채널전극, REF: 기준전극 ) 을이용하여 biphasic 전류파형을출력하게된다. 먼저트랜지스터 M1과 M4가 on 되면채널전극에서기준전극방향으로전류가흐르게되고 ( 그림 9-left), 반대로트랜지스터 M2와 M3가 on 되는경우에는기준전극에서채널전극방향으로역방향전류가흐름으로서 ( 그림 9-right) biphasic 전류파형을생성한다. 그림 9. 내부전류자극기의출력단 ( 왼 ) 순방향전류 ( 채 널전극-> 기준전극 ) 가흐를경우 ( 오 ) 역방향전류가흐를경우 Fig. 9. Output part of current stimulator (Left) Forward current (Right) Backward current. 그림 10. 출력된 biphasic 파형 Fig. 10. Output biphasic signal. (135)

5 22 체내통신을이용한신경보철용원격통신시스템이태형외 최종출력파형은전류파형으로발생하기때문에출력단에 1kΩ의로드저항과 330pF의커패시터를사용하여오실로스코프로측정하였다. 출력되는 biphasic 파형은인코딩된 PWM 신호에따라서로다른 duration과 amplitude 값을가지며, 그림 10은 8us, 1uA로인코딩된신호를인가하였을경우자극기에서출력되는 biphasic 파형을나타낸다. low cost but still highly effective cochlear implant system", manuscript submitted to IEEE Trans. Biomedical Engineering Ⅴ. 결론 본논문에서는신경보철을위한원격통신시스템으로서체내통신을적용하고성능을테스트하였다. 기존의체내통신과는달리외부접지에의한영향을제거하고새로운방식의시스템을제안하여체내에이식된신경보철장치로의통신이가능하도록하였다. 또한최적화된시스템을구현하기위하여동물실험을통해체내주파수전달특성을조사하였다. 구현된시스템은전극을실험동물의피부위에위치하거나피하에이식하여실제신경보철에사용되는 ASK 방식으로인코딩된 PWM 신호를인가하여실험하고결과를비교함으로써이식용신경보철통신장치로서의가능성을확인하였다. 최종시스템은 480kbps의데이터전송률을갖는단채널인공와우용내부자극기에의해테스트되었다. 참고문헌 [1] T. G. Zimmerman, Personal Area Network (PAN): Near-Field Intra-body Communication", M. S. thesis, MIT Media Laboratory, [2] N. Matsushita, S. Tajima, Y. Ayatsuda and J. Rekimoto, Wearable Key: Device for personalizing nearby environment", Proc. 4th internaltional symposium on wearable computers, pp , Seattle, USA, [3] K. Hachisuka, A. Nakata, T. Takeda, Y. Teruchi, K. Shiba, K. Sasaki, H. Hosaka and K. Itao, Development and Performance Analysis of an Intra-body Communication Devices", in Proc. IEEE Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, pp , Boston, USA, [4] Soon Kwan An, Se Ik Park, Sang Beom Jun, Choong Jae Lee, Kyung Min Byun, Jung Hyun Sung, Seung Ha Oh, Black S. Wilson, Stephen J. Rebscher and Sung June Kim, Design for a (136)

2007 년 3 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 2 호 23 저자소개 이태형 ( 학생회원 ) 2004 년고려대학교전기전자전파공학부학사졸업.

< 주관심분야 : 의용생체, 반도체, 통신 > 송종근 ( 학생회원 ) 2001 년경북대학교전자공학과학사졸업.

< 주관심분야 : 의용생체, 반도체 > 이중재 ( 학생회원 ) 2001 년서울대학교전기컴퓨터공학부학사졸업.

< 주관심분야 : 의용생체, 반도체, 통신 > 김성준 ( 정회원 ) 1978 년서울대학교전자공학과학사 1981 년 Cornell

6 2007 년 3 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 2 호 23 저자소개 이태형 ( 학생회원 ) 2004 년고려대학교전기전자전파공학부학사졸업 년서울대학교전기컴퓨터공학부석사졸업 년서울대학교전기컴퓨터공학부박사과정. < 주관심분야 : 의용생체, 반도체, 통신 > 송종근 ( 학생회원 ) 2001 년경북대학교전자공학과학사졸업 년서울대학교전기컴퓨터공학부석사졸업 년서울대학교전기컴퓨터공학부박사과정. < 주관심분야 : 의용생체, 반도체 > 이중재 ( 학생회원 ) 2001 년서울대학교전기컴퓨터공학부학사졸업 년서울대학교전기컴퓨터공학부석박통합과정. < 주관심분야 : 의용생체, 반도체, 통신 > 김성준 ( 정회원 ) 1978 년서울대학교전자공학과학사 1981 년 Cornell University 공과대학전기공학부석사 1983 년 Cornell University 공과대학전기공학부박사 1983 년 ~1989 년 AT&T Bell Laboratory 연구원 1989 년 ~1994 년서울대학교전자공학과조교수 1994 년 ~1999 년서울대학교전자공학과부교수 1999 년 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부정교수 2000 년 ~ 현재초미세생체전자시스템연구센터소장 < 주관심분야 : 의용생체, 반도체, 통신, 광학 > (137)

<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