Development of Programmable Multi-Channel Low-Power Wireless Microstimulators for Sensory Neural Prostheses

Abstract

인공지능을 비롯하여 사람의 신경 네트워크에 관한 관심이 높아지면서 뇌 인터페이스에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. 뇌 인터페이스란 전기 신호의 형태로 발생하는 뇌 및 신경 네트워크의 활동을 기록 또는 자극하여 분석 또는 조절하는 기술이다. 여기서 신경 네트워크에 외부 자극을 가하여 인위적으로 원하는 데이터를 인코딩하는 기술은 손상된 감각 신경을 대체하여 감각을 활성화하는 데 활용되고 있다. 일반적으로 뇌 인터페이스 기기와 연결된 전극에서 전기적 자극을 세포에 인가하여 활동 전위를 일으키는 방식이 사용된다. 이러한 뇌 인터페이스 기기의 초소형화 및 네트워킹 기술의 다양화는 반도체 공정 기술과 무선 통신 기술의 눈부신 발전에 기인하였다. 특히 체내에 완전 삽입 가능한 뇌 인터페이스 기기는 감염의 위협을 없애고 심미적인 관점에서 불편함을 없애, 치료용뿐만 아니라 다 학제적으로 연구할 수 있게 하였다. 본 학위 논문에서는 확장형 신경 인터페이스에 사용할 수 있는 다중 채널, 고밀도, 저전력의 무선 초소형 자극기 개발에 대한 내용과, 이를 바탕으로 자극 대상 별 성능을 최적화하며, 최종 목표인 확장형 무선 신경 자극기에 사용될 수 있는 주소부여 방식을 설계하는 방법을 다루고 있다. 이를 위해 먼저 외부 전류 자극의 신경 네트워크 간섭에 대한 개념과 그간의 자극 기기의 개발 이력을 간략히 소개함과 동시에 고밀도 저전력 자극기가 필요한 생물학적, 전자공학적 배경에 관해 기술하고 있다. 체내에 삽입되는 시스템의 경우 시공간적으로 밀집해 있는 신경 조직의 특성상 다채널 고밀도 전극 구조가 요구되며, 자극 방식 및 자극 역치 등에 대한 최적화가 필요하다. 이 학위 논문의 첫 번째 내용은 고밀도의 전기 자극을 위한 높은 출력 임피던스를 갖는 다채널 전류 자극기 개발에 관한 것이다. 저전력 자극회로는 필연적으로 높은 컴플라이언스 전압을 버티지 못하게 되는데, 이를 위해 피드백 회로와 H-브릿지 출력 구조를 변경함으로써 전보다 더 높은 출력 전류를 안정적으로 공급할 수 있게 하였다. 또한, SoC 설계를 통한 무선 다채널 초소형 자극기를 개발하여 다중 채널, 고밀도, 저전력으로 효율적인 신경 자극이 가능한 마이크로 시스템을 제안하였고, 다양한 조직 구조 및 신경 보철에 대한 성능을 검증하는 연구를 수행하였다. 신경자극기는 필연적으로 자극 반응을 관찰하는 분석 기기가 필요하며, 뇌-기계 인터페이스와 같은 양방향 신경 인터페이스 구조에서는 하나의 시스템으로 집적된다. 이때, 시스템의 초소형화를 위해 집적회로에 기록기, 자극기, 무선 데이터 및 전력 송수신 단 등의 구성 요소들이 통합된다. 따라서, 뇌파 기록과 체내 삽입을 위한 저전력 시스템을 바탕으로 한 양방향 뇌-기계 인터페이스 마이크로 시스템을 개발 및 검증하였고, 이 또한 이 논문의 두 번째 부분에서 논의될 것이다. 마지막으로, 광다이오드 주소 생성 회로를 포함한 분산형 자극 시스템의 설계 방법과 분석을 논의한다. 제안된 시스템은 복제 모듈을 확장하여 유연한 다채널 자극기를 만들게 되는데 이때 개별 모듈을 구분 지어줄 주소가 필수적이다. 초소형 집적회로의 특성상 주소부여 회로의 면적을 최소화하며 반도체 공정 후 후처리로 인코딩하는 기술이 요구된다. 이를 위해 알루미늄 패드 없이 광다이오드와 안티-퓨즈를 이용한 주소 생성 회로를 제안하였다.

The continued growth of microfabrication technology and the proliferation of wireless devices and systems have broken down barriers to the implantation of electronic devices into the human body. As interest in human neural networks, including artificial intelligence, increases, research on brain interfaces are also being actively conducted. A brain interface is a technology that can analyze or control brain activity or stimulate a neural network generated by an electrical signal. The technology that artificially encodes desired data by applying an external stimulus to the neural network is being utilized to replace damaged sensory nerves and activate the senses. In general, an action potential is generated by applying an electrical stimulus to a cell from an electrode connected to a brain interface device. In this dissertation, we develop a multichannel, high-density, low-power, efficient wireless ultra-small stimulator for neural electrical stimulation, optimize the performance of each stimulation target based on this, and design a distributed stimulation system and addressing method for it. In the case of a system inserted into the body, a multichannel high-density electrode structure is required due to the nature of spatiotemporal dense neural tissue, and optimization of the stimulation method and stimulation threshold is required. The first part of this dissertation briefly introduces the concept of neural network interference by external current stimulation and the development history of stimulation devices and describes the biological and electronic engineering background that requires high-density, low-power stimulators. Given the basic concept of neural stimulation and the challenges following, a current-controlled current stimulator with a biphasic pulse generator is designed. The second chapter proposes a modified biphasic pulse generator with high output impedance and evaluates the overall performance. A neurostimulator inevitably requires an analytical instrument to observe the stimulus-response and is integrated into one system in a bidirectional neural interface structure such as a brain-machine interface. At this time, components such as a recorder, a stimulator, wireless data, and a power transmission/reception stage are integrated into an integrated circuit for the miniaturization of the system. Therefore, we developed and verified a bidirectional brain-machine interface microsystem based on a low-power system for Electrocorticography (ECoG) recording and implanted it in a non-human primate, which is discussed in the third part of this paper. Finally, the design method and analysis of the distributed stimulation system, including the photodiode address generation circuit, are discussed. The proposed system creates a flexible multichannel stimulator by extending the replication module. In this case, an address to distinguish individual modules is essential. Due to the characteristics of micro-integrated circuits, technologies for minimizing the area of the addressing circuit and encoding after semiconductor processing is required. To this end, an address-generation circuit using a photodiode and an anti-fuse without an aluminum pad is proposed.