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 of Various Configuration Neural Electrode Arrays. S. A. Kang 123 E.T.Kim 123 J.K.Song 12 S.J.Kim 123 1 School of Electrical Engineering and Computer Science Seoul National University 2 Nano Bioelectronics & System Research Center 3 Nano Artificial Vision Research Center ABSTRACT This paper reports a user interface system developed for controlling stimulation parameters for various configuration electrode arrays for neural prosthetic applications such as retina implant and cochlear implant. The system includes both hardware and software and is designed with graphical capability for easy access from users. Using this system an experimenter will be able to relocate the configuration of electrodes select ones and assign a set of stimulation parameters to those electrodes such as amplitude duration and frequency. An user can make a batch process out of the stimulation sequences so the measurement can be done efficiently. 1. 서론신경신호자극을하기위해선여러가지형태의자극전극이이용되는데 Neural Probe[1] MEA[2] 나 Retina Implant를위한전극[3] Cochlear Implant[4] 를위한전극등이있고전극의 Configuration에따라서여러가지신경자극전극이만들어질수있다. 본연구는위의 MEA나 Retina Implant 그리고 Cochlear Implant에서쓰이는전극의개발초기에이용할수있는편리한범용 Graphic User Interface와자극기를개발하고자하였다. 그리고그중에서도 Retina 전극을위한 User Interface를추가로개발하여어떻게프로그램을발전시킬수있을지연구하였다. 자극전극을개발이되면자극전극으로 Current를보낼주는 Circuit 이필요하고 자극 Condition을설정하기위한파트가추가로제작되어져야한다. 이파트들은개발초기에는메뉴얼스위치를이용하여개발이되는것이보편적이다. 하지만하드웨어로만제작된자극보드는특정한 Configuration을가진전극에적합하게설계되기때문에다른 Configuration 전극에재이용이어렵다. 그리고만일수동스위치 로 Duration과 Amplitude Channel등의자
2 극 Parameter를조작한다면실험의조건이바뀔때마다수작업으로이를 Control 해야하기때문에시간적인측면에서효율성이떨어진다. 즉 Parameter Set들의조합이많아질수록 Batch Process를이용하여제어하면실험자가수작업으로조절할때보다편리하게실험을수행할수있다. 따라서초기개발부터 Computer Based System으로개발될수있다면하드웨어제작이나실험에들어가는시간과노력이절약가능하다. 결론적으로 컴퓨터제어시스템을만들게되면얻게되는이점은다음과같다. 첫번째로실제자극전극의 Configuration과 User Interface창에서보이는 Configuration이동일하도록쉽게 Setting 이가능하기때문에각전극에대해서실험의편의성을높일수있다. 두번째얻는이점은자극 Parameter를세팅을해놓을시에조건을손으로일일이 Control 할필요가없이 Computer가자동적으로 Parameter를변하게하여자극을수행하게할수있기때문에조작효율성적인측면에서수동스위치조작보다이점이많이있다. 따라서본논문에서는이시스템을구현하기위한소프트웨어와하드웨어를제시하였다. 2.1. 어 2. 방법 개발에이용된소프트웨어및하드웨 Graphic User Interface 구현을위해 National Instrument사의 Labview 프로그램을이용하였고하드웨어는동사의 NI PCI-6251 DAQ 보드및 SCC-68이그리고자극을위한자극전용칩이이용되었다. DAQ 보드는자극을위한 Digital Signal Output 및 Recording을위한 Analog Signal Input이한보드에서모두가능하다. 2.2. 자극 Chip과스펙 자극에필요한 Current를만들기위해서자극전용 Chip 이개발되었다. 이 Chip은 DAQ에서 Digital 신호를받아 Current를전극으로출력을해주는부분을담당한다. 또한 DAQ 전극과 Chip을연결하기위한 Hardware 보드가제작되었는데전극의 Connector와보드의 Connector만맞춘다면임의의전극과연결이가능하다. 위칩은각채널마다독립된 Current Source(Current Output DAC) 를가지고있다. 칩당 16 Channel까지자극을지원하여 2개의 Chip을병렬로연결하여 32 채널자극이가능하게했다. 더연결하면총 1024 채널까지확장이가능하다. 지원하는 Current Range는 4 ~ 1024uA까지고 4uA 씩총 256 단계로조절을할수있다. Duration은 1024us까지 32레벨로조절이가능하고최소 Duration은 32us 이다. Chip 은한채널마다 Active 전극과 Reference 전극의두개의전극을가지고있다. Reference 전극을각전극에물려 Bipolar 방식으로이용할수있고.Reference들을한군데로묶으면 Monopolar 방식으로동 작시킬수있다. 2.3. 전극선택을위한 Graphic User Interface 자극할전극을선택하는방법으로두가지방법을개발하였다. 첫번째방법으로자극을원하는전극을직접선택하는방법이있다. 직접선택방법은자극전극 Position Setting 화면에서실제전극의 Configuration에맞게전극들의위치를세팅한후에자극시작화면에서전극의버튼 을 On/Off 시키는방법으로전극선택이
3 가능하다. 자동자극 Case 수동자극 Case 시작 시작 영상처리알고리즘 카메라영상획득 영상필터링 자극에필요한 Parameter 자극되길원하는 Channel 선택 자극 Resolution Down 영상 Data 와자극 Channel 과 1:1 연결 Channel 당자극크기결정 (* 추후 ) 자극 그림 1. Hexagonal Configuration 전극에맞춰 User Interface를 Setting한모습 그림 3. 두가지전극선택방법에따른동작 Flowchart 두번째로그림 2. 와같이 Artificial Retina Stimulation을위해카메라의입력으로전극을자극할수있도록 User Interface 를개발하였다. 카메라에서얻어진영상의데이터가자극되게하기위해카메라에서영상을얻은다음에이를전극의사이즈로 Down-Resolution하여자극전극과이미지의 Pixel을 1:1매치시키는방법을이용하였다. 그림 2. Camera에서얻은영상을자극전극에맞게 Converting 하는모습 2.4. 자극의조건설정 이시스템에서조절할수있는자극조건은 Current Amplitude 자극 Channel Duration Frequency 시간에따른 Current Amplitude 변화를조절할수있고 biphasic 방식으로자극이된다. 자극 Chip Spec상 User-Interface상에서는 Bipolar 방식과 Monopolar 방식을선택할수없다. Monopoloar 방식자극을수행할시에는 Reference 전극들을하나로묶어주는별도의작업이필요하다. 자극의편의를위하여자극 Parameter를세팅하여 Batch Process로만들어놓으면편하게자극제어가가능하다. 제어가가능한 Parameter는 Amplitude Duration Frequency 자극채널의 4가지 Parameter 들이제어가가능하다. 제어방법은다음과같다. 자극횟수에따라서각 Parameter들이독립적으로변하게할수있다. 예를들면자극이 10번되면 Duration 을자동적으로한단계늘려서계
4 속자극하는것이가능하다. 또한각 Parameter끼리 dependancy를부여하여제어하는것이가능한데예를들면 Duration 레벨이마지막레벨까지수행되면 Duration은시작레벨로돌아가고 Amplitude는한단계늘려서새로운 Set에대한자극을수행하는것이가능하다. 자극할전극의채널선택에대한방법은두가지방법으로선택이가능하다. 첫번째방법은자극하려는채널의 Index Number를하나씩늘려가면서자극하는방법이있다. 이방법은한번에하나의채널만 On이되는방법이고채널의번호대로순차적으로자극이되는채널이결정된다. 두번째방법은사람이손으로직접채널의 Index를실행순서에맞게입력해주어야한다. 예를들면지금단계에서 35번채널을시킨후다음단계에서 162번채널을 On 시키는방법이가능하다. 자극채널의 Set가바뀌는전략은위와같이자극횟수로설정하여몇번자극이되면자극채널이바뀌게하거나다른 Parameter들과 dependancy 설정을하여제어가가능하다. 3. 결론및토의 본시스템은신경자극전극을새로만들어실험할때초기하드웨어개발에따른시간을절약하고 Parameter들을수동적으로 Control 하여생기는비효율성을줄이기위한범용시스템으로개발되었다. User Interface가 Software로만들어졌기때문에다양한 Configuration 신경자극전극들에맞는맞춤형 User Interface Setting 이가능하게되었고 Computer based Batch Process Setting이가능하기때문에여러가지자극 Parameter들을편하게변화시켜가면서자극을수행할수있다. 따라서위시스템으로여러가지신경자 극전극에대한자극실험들을효율적이고빠르게진행할수있을것이다. Acknowledgement This study was supported by Korea Science and Engineering Foundation (KOSEF) through Nano Bioelectronics and Systems Research Center (NBS-ERC) in Seoul National University and by a grant of the Korea Health 21 R&D Project (A050251) Ministry of Health & Welfare Republic of Korea 4. 참고문헌 [1]"A Novel Three-Dimensional Neural Probe using Single Shank Arrays Connected with Polyimide Film" Seung Jae Oh Soon Kwan An Jong Keun Song Joong Jae Lee and Sung June Kim. EMBEC'02 2nd European Medical & Biological Engineering ConferenceVienna Austria December 4-082002 [2]"BIOCOMPATIBILITY OF POLYIMIDE MICROELECTRODE ARRAY FOR RETINAL STIMULATION" Jong-Mo Seo Sung June Kim Hum Chung Eui Tae Kim Hyeong Gon Yu and Young Suk Yu Materials Science and Engineering: C Vol.24 no. 1 pages 185-189 Jan. 2004 [3]"MEMS technologies for epiretinal stimulation of the retina" WMokwa Institute of Materials in Electrical Engineering Aachen University Sommerfeldstr 24D-52074 Aachen Germany [4]"Electrical Cochlear Stimulation in the Deaf Cat: Comparisons Between Psychophysical and Central Auditory Neuronal Thresholds"Ralph E. Beitel Russell L. Snyder Christoph E. Schreiner Marcia W. Raggio and Patricia A. Leake Department of Otolaryngology University of California San Francisco California 94143-0732