마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극용 시스템 개발

Abstract

본 논문에서는 쥐의 뇌 자극 실험에 필요한 회로 시스템을 설계 및 제작 하였다. 제작된 회로 시스템에서 발생되는 마이크로파 신호를 쥐의 뇌에 전달하여 자극을 준 후 신경 세포 활성도 변화를 측정함으로써 뇌 자극의 효과 및 영향을 실험을 통해 검증하였다. 뇌 자극을 위한 마이크로파 신호의 반송 주파수(Carrier Frequency)는 6.5 GHz로 선정하였다. 또한 이 마이크로파 신호의 출력을 주기적으로 On/Off 하여 Hz 단위의 펄스에 6.5 GHz 마이크로파 신호가 들어가있는 형태로 뇌 자극 실험을 진행하는 것으로 결정되었다. 이러한 요구 사항을 고려하여 뇌 자극 회로 시스템은 전압 제어 발진기, 스위치, 차등 전력 증폭기 그리고 전력 결합 변압기로 구성되어 있다. 우선 회로 내부에서 자체적으로 6.5 GHz 마이크로파 신호를 출력하기 위해서 전압 제어 발진기(VCO, voltage-controlled oscillator)를 설계하였다. 반송 주파수를 6.5 GHz로 선정하였지만 추후 실험 과정에서 반송 주파수를 바꿔 실험을 진행할 경우를 대비하여 단일 주파수 발진기가 아닌 전압 제어 발진기로 설계하였다. 전압 제어 발진기의 중심 주파수는 반송 주파수인 6.5 GHz 부근이 되도록 설계하였다. 발진기의 구조는 널리 쓰이는 교차결합(cross-coupled) 발진기 구조를 이용하였다. 또한 발진기의 출력 신호를 증폭 시키고 부하 임피던스에 의한 공진 주파수 변화를 최소화 하기 위해서 발진기와 전력 증폭기 사이에 완충기(buffer)가 설계 되었다. 또한 이 완충기에는 증폭기의 부하 임피던스 값을 조절하는 가변 부하가 설계되어 있어서 이를 통해 출력 전력을 제어하는 기능까지 구현하였다. 6.5 GHz 마이크로파 신호를 주기적으로 On/Off 하여 펄스 형태로 출력을 하기 위해서 발진기와 전력 증폭기 사이에 접지단으로 연결되는 병렬 스위치를 삽입하였다. 스위치가 On 상태가 되면 발진기에서 나오는 신호가 접지단으로 연결되어 회로 출력단에서 신호가 나오지 않게되고 스위치가 Off 상태가 되면 발진기에서 나오는 신호가 전력 증폭기로 전달되어 출력 신호가 나오게 된다. 발진기에서 나오는 출력 신호의 크기는 미약하기 때문에 이를 증폭하기 위해 전력 증폭기가 설계되었다. 반송 주파수가 6.5 GHz이기 때문에 회로 내부에서 원치 않는 기생 효과(parasitic effect)가 발생할 것이라 판단하여 이를 최소화 하기에 적합한 차등 증폭기 구조를 채택하였다. 또한 전력 이득을 키우기 위해 2단 증폭기 구조를 채택하였고 CMOS의 단점인 낮은 항복 전압 문제를 극복하기 위해서 캐스코드(cascade) 구조를 채택하여 항복 전압 문제를 해결하였다. 전력 증폭기가 차등 구조인데 반해 출력 신호를 뇌로 전달하는 프루브(probe)는 단일 종단 구조이기 때문에 차등 구조를 단일 종단 구조로 변환하는 전력 결합 변압기가 필요하다. 전력 결합 변압기를 CMOS 칩에 집적할 수도 있겠지만 CMOS공정의 실리콘 기판 특성상 좋은 전력 결합 효율을 기대하기 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기판 두께가 두껍고 손실이 적은 7-layer PCB에 전력 결합 변압기를 설계하여 전력 손실을 최소화 하였다. 제작된 뇌 자극 시스템을 이용하여 쥐 뇌 자극 실험을 진행하였다. 뇌의 자극 부위는 해마를 선택했는데 해마는 기억을 담당하는 부위로써 본 연구의 최종 목표인 외상 후 장애 스트레스 장애를 치료하는데 효과가 있을 것으로 기대하고 있기 때문이다. 뇌 자극 실험 결과 신경 세포 활성도가 변화하는 것을 확인하여 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극의 효과가 있음을 확인하였다.