나노와이어 FET 스위치 Array 기반 인공망막 자극기 구동 회로 설계 및 rd1 mouse 를 이용한 in vitro 실험 검증

Abstract

망막 색소 변성 (Retinitis pigmentosa) 및 노인성 황반 변성 (Age-related macular degeneration) 은 난치성 망막 변성 질환으로서 발병 후 수 년 내에 시력을 완전히 상실하게 한다. 이러한 망막 변성 질환을 치료하기 위해 전기 자극으로 시각 신경 신호를 발생시키는 인공망막 장치가 개발되어 왔다. 최근에는 세계 각지의 연구 그룹에서 자극 해상도를 1,000 픽셀 이상으로 높여 보다 뚜렷한 시각 정보를 전달하려는 시도를 하고 있다. 그러나 기존의 one-to-one interconnection 방식으로 전극과 자극기 회로를 연결할 경우, 배선이 복잡해져 유연한 인공망막 장치를 개발하기 어렵다. 이에 따라 본 연구진에서는 32 × 32 픽셀의 나노와이어 field-effect transistor (FET) 스위치 array 를 이용하여 배선의 복잡성을 줄인 고해상도 인공망막 장치를 개발하고 있다. 본 논문에서는 나노와이어 FET 스위치 기반의 인공망막 자극기 구동을 위한 자극기 회로에 대해 다루고 있다. 본 자극기 회로는 12 V 의 자극 전압을 사용하여, 0 ~ 100 μA 의 자극 전류를 주입할 수 있도록 설계하였다. 또한 나노와이어 FET 스위치 기반의 인공망막 자극 시스템 구동을 위한 디지털 인터페이스 회로를 포함하고 있다. 본 자극기 회로는 12 V 의 고전압 자극을 인가하기 위해 0.35 μm bipolar-CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-DMOS (Double Diffused Metal-Oxide-Semiconductor) 공정을 이용하여 제작하였다. 자극기 회로의 기능 검증을 위해 전류 주입 실험 및 in vitro 실험을 진행하였다. 전류 주입 실험 결과 입력 신호에 따라 자극 전류의 세기가 적절히 변화하였으며, 시뮬레이션과 5% 내외의 오차를 보였다. 또한 in vitro 실험을 통해 전류 자극 세기에 따라 신경 반응이 조절되는 유효한 신경 자극을 인가할 수 있음을 확인하였다.

Retina pigmentosa (RP) and Age-related macular degeneration (ARMD) are incurable retinal degenerative diseases that cause vision loss in several years after disease onset. Retinal prosthetic devices using electrical stimulations have been developed to restore vision of people blinded from the RP and ARMD. Recently, many research efforts have been tried to achieve a high-spatial resolution with more than 1,000 pixels. However, it is difficult to achieve the high-spatial resolution with the conventional one-to-one interconnection method that requires excessive wiring complexities. In our research group, a high-resolution retinal prosthetic system using a nanowire field-effect transistor (FET) switch integrated 32 × 32 microelectrode array (MEA) has been developed to resolve the wiring problem. In this paper, a current stimulator integrated circuit (IC) to operate the nanowire FET switch integrated MEA is presented. The stimulator circuit generates a biphasic stimulation current in a range of 0 to 100 μA using a high stimulation voltage of 12 V. The digital interface circuits are also integrated in the stimulator IC to operate the MEA. For the high voltage stimulation of 12 V, the stimulator IC is fabricated using a 0.35 μm bipolar-CMOS (Complementary Metal-Oxid-Semiconductor)-DMOS (Double Diffused Metal-Oxide-Semiconductor) process. Experimental results show that the amplitude of the stimulation current is properly modulated according to the level of the input signal. Errors between the measured current amplitudes and the simulated levels are approximately 5%. An in vitro experiment is also conducted to evaluate the neural stimulating function of the fabricated stimulator IC. In the in vitro experiment, the neural responses are successfully evoked by the current stimulation from the stimulator IC.