연구소개

과제구성 및 연구내용

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3-2 스마트 브레인 센서 네트워크

연구참여자
Topic 1 : 다중채널 신경접속 마이크로시스템
연구책임자
  • 송윤규(서울대학교 융합과학부)
연구목표
신경계와 외부 시스템을 연결해줄 수 있는 신경 인터페이스의 개발은 수십 년에 걸쳐서 이루어져 왔다. 본 세부에서는 이러한 스마트 신경센서 네트워크 시스템을 위한 핵심 요소 기술을 확립하는 것을 목표하며, 이를 위해 뇌 삽입에 적합한 초저전력 아날로그 회로 기술을 이용한 신경 접속 시스템을 개발한다.
연구내용

  • 초저전력 신경접속 AFE 칩 제작
  • 초저전력 디지털 컨트롤러 칩 제작
  • 신경전극 어레이 집적 공정 개발
  • 초소형 밀봉 패키징 기술 개발
  • 전력 및 데이터 송수신 기술 개발
기대효과
  • 신경보철 분야의 중요한 원천기술로써 신경공학 분야의 새로운 방향 제시
  • 인체 삽입형 능동형 임플랜트의 새로운 프로토콜을 구축
  • 자동차, 의료, 로봇, 교육, 보안 등 인공지능이 관련된 산업에 파급 효과
  • 환자들의 삶의 질 개선 및 의료비지출 등 사회적 비용 절감 효과
Topic 2 : 신경신호의 기록 및 자극을 위한 액정폴리머 기반 다채널 전극 어레이의 개발
연구책임자
  • 전상범(이화여자대학교 전자공학과)
연구목표
본 과제는 기존의 실리콘 기반의 다채널 신경전극과 비교하여 뛰어난 생체적합성과 장기간 생체 내에 삽입되기 용이한 유연성을 지닌 액정폴리머를 이용하여 기존의 기술을 뛰어넘는 고밀도의 3차원 신경 전극을 제작하는 것을 목적으로 한다.
연구내용

  • 액정폴리머를 이용한 뇌 삽입형 신경 인터페이스 제작 기술의 개발
  • 3차원 구조의 다채널 다 shank 기반의 고밀도 집적 신경 인터페이스의 개발
  • 측정과 자극 이중 모드가 사용 가능한 신경인터페이스 제작 기술의 개발
기대효과
  • 다채널의 액정폴리머 기반의 신경전극이 성공적으로 개발될 경우 장기간 체내에 이식하여 다수 신경세포 활동의 관찰 및 조절 가능
  • 기존의 방법으로는 불가능했던 다양한 신경과학 연구가 가능해 질 것으로 예상
  • 신경보철시스템에 적용될 경우 제작과정이 획기적으로 개선될 뿐만 아니라 고 성능의 시스템을 저가로 제작하는 것이 가능
  • 보다 많은 신경질환을 가진 환자들이 혜택을 받을 수 있을 것으로 예상
Topic 3 : 효과적 스트레스 반응 평가를 위한 생체신호 기반의 착용형 정신건강 분석 시스템 개발
연구책임자
  • 유회준(한국과학기술원 전기 및 전자공학과 )
연구목표
착용형 생체신호 측정 기술과 정신건강 분석 기술을 개발하고, 이를 통하여 일상 생활 속에서 정신건강을 진단 하고자 한다. 또한 정신건강 분석 알고리즘을 가속하는 저전력 정보 처리 프로세서를 설계하며 개발된 생체신호 측정 기술 및 정신건강 분석 기술을 이용한 정신건강 진단 플랫폼 개발을 목적으로 한다.
연구내용

  • 정신건강에서 뇌 영역의 기능과 매커니즘 이해
  • 뇌파, 심전도 등의 생체신호 정보를 이용한 정신건강 진단 알고리즘 개발
  • 기존의 폰 노이만 구조가 아닌, 뇌 모방 정보 처리 모듈과 정보 처리 가속기를 집적한 새로운 패러다임의 인지 정보 처리 프로세서 구현
  • 통합형 알고리즘을 실시간으로 처리할 수 있는 정신건강 정보 처리 프로세서 제안
  • 뇌파, 심전도, 안전도 등을 동시에 수용하며 이를 통해 환자의 정신건강 상태 인지를 저 전력으로 처리하는 프로세서
  • EEG 뇌 신호 및 5개 이상의 생체 신호(ECG, EMG, EOG, 피부 전도도, 체온 등)를 정신건강 처리 알고리즘을 통해 감정 및 행동 의도를 분류
기대효과
  • 현재의 문진 기반의 정신건강 진단에 생체신호를 활용한 진단을 추가하여 보다 객관적이고 정확한 정신건강 진단에 활용
  • 가정 내에서 사용자의 정신건강 상태를 인지하고, 이를 병원과 공유함으로써 가정내에서도 손쉽게 정신건강 상태를 체크 가능
  • 유병률 대비 진단률이 낮은 정신과 질환에 대하여 국민의 관심을 높여 국민의 삶을 증진
  • 고도화된 현대사회에서 증가하는 정신질환의 초기 진단 가능
Topic 4 : MRI와 삽입형 신경 접속 마이크로 시스템의 동시 측정을 위한 MR 기술 개발
연구책임자
  • 박현욱(한국과학기술원 전기 및 전자공학과 )
연구목표
뇌에 삽입된 마이크로 어레이 센서로부터 획득하는 ECoG (Electrocorticogram) 신호와 자기 공명 영상 장치로부터의 fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) 신호를 동시에 얻기 위해서, 센서가 MRI 스캐너 내부에 들어갔을 때 MRI 영상에 발생되는 왜곡 문제와 안정성 문제를 해결하는 것을 목표로 한다.
연구내용

  • ECoG 신호와 MRI 기능 및 구조영상을 동시에 획득하기 위한 이미징 기법 및 후처리 기법 개발
  • MRI와 동시에 ECoG 신호를 얻기 위해 MRI 스캐너 내부에 들어갈 센서로 사용할 소자가 MRI 영상에 미치는 영향을 분석
  • ECoG/MRI 동시 획득에 적합한 MRI 영상 획득 방법 또는 복원 기법 개발
  • 개발한 영상 기법의 안정성 테스트 및 최적화
  • MRI 실험에 사용 가능하도록 EPI (Echo Planar Imaging), FSE (Fast Spin Echo)와 같은 빠른 영상 획득 기법에 적용 및 최적화. 개발된 방법의 영상 획득 시간이 fMRI 실험에 사용 가능하도록 수초 이내가 되는 것을 목표로 함
  • 동물 실험에 적용했을 때 발생되는 문제점 분석 및 이를 해결하기 위한 방안을 고안하여 동물 실험에 최적화 되도록 시퀀스 수정 및 안정화
기대효과
  • 본 과제에서 개발할 기술은 MRI 영상에서 나타나는 물질의 영향을 보상해주는 기술로 다른 비슷한 영향을 가지는 물질들의 경우에도 적용 가능할 것으로 예상
  • MRI와 다양한 물질들 사이의 호환성과 관련된 기술 향상에 큰 기여를 할 것으로 예상
Topic 5 : 휴대용 고해상도 근적외선을 이용한 뇌영상장치
연구책임자
  • 배현민(한국과학기술원 전기 및 전자공학과 )
연구목표
본 연구의 최종목표는 근적외선을 이용하여 인간의 뇌의 기능을 관찰하는 장치를 개발하는 것이다. 뇌의 기능적 이미지를 쓰기 위해 비교적 적은 하드웨어 크기를 갖는 근적외선을 이용한 NIRS는 fMRI와 비교하였을 때 공간해상도가 낮다는 근본적인 한계점이 있기에 이를 해결하기 위한 측정 모듈의 배치, 뇌의 정보 추출 알고리즘 그리고 이를 가능하게 하는 전체 시스템 개발을 목표로 하고 있다.
연구내용

  • Light propagation simulator를 이용하여 인간의 뇌를 모사한 channel을 구현.
  • 반복적인 photon simulation을 이용하여 인간의 뇌에서 빛이 투과하는 정도 및 각 경로에 들어있는 뇌 정보가 어느 정도인지 파악.
  • 이러한 정보들을 바탕으로 포토 디텍터로 이루어진 NIRS 측정 모듈의 배치를 설계.
  • 임상실험을 통해 축적된 생체신호들을 바탕으로 하여 인간 뇌의 functional 정보를 축적.
기대효과
  • 휴대가 가능한 function brain imaging system이 개발됨으로써 인간의 뇌의 기능을 다양한 자극을 기반으로 하여 확인해 볼 수 있는 기회가 생김
  • 미래형 의료진단 환경 구축에 중요한 축이 될 것으로 예상
  • 다수의 개개인들의 뇌를 동시에 모니터링 할 수 있기 때문에 hyper scanning 기법을 통한 뇌 연구의 획기적인 발전을 가져올 수 있음
Topic 6 : 뇌신경인터페이스 시스템을 위한 뇌신경신호처리
연구책임자
  • 김경환(연세대학교 원주산학협력단 보건과학대학 의공학부)
연구목표
고성능 뇌신경인터페이스 시스템을 위한 다중 신경신호 처리 및 디코딩 기술 개발을 목표로 한다. 연구개발 범위는 뇌파, 근적외선분광(NIRS), 미세전극 등 다양한 시-공간적 해상도를 갖는 뇌신경신호를 대상으로 하며 뇌신경계의 활동 관련 정보를 추출하기 위한 잡음제거, 검출, 분류, 뇌신경계 정보 디코딩 기술 등을 포함한다.
연구내용

  • 뇌파의 정량적 특징들로부터 뇌기계인터페이스, 뉴로피드백 기기에 활용할 수 있는 바이오마커 추출 알고리즘 개발.
  • 난치성 뇌신경질환에 따른 뇌인지기능 변화 메커니즘 규명을 위하여 정상상태 및 인지기능 수행 시 뇌파 및 NIRS 신호의 시간, 공간, 주파수 특성 정량적 분석 및 뇌영역 간 기능적 연결성 분석.
  • 약물치료, 전기자극 치료 등의 효과 규명 및 행동반응, 설문 등 기타 지표와의 상관관계 분석 (뇌신경질환 관련 임상의학자 및 인지신경과학자와 협력.
기대효과
  • 뇌신경계 정보추출 및 뇌영역 간 기능적연결성 분석을 수행하기 위한 신뢰성 있는 방법을 제시함으로써 인지 및 시스템신경과학 분야의 발전에 기여.
  • 전기자극에 의한 뇌신경계 치료효과의 기전 규명 및 자극기법의 최적화에 기여.
  • 뇌신경신호의 획득, 신경과학적 실험 설계 및 수행, 생체신호처리시스템의 설계 및 구현 등의 연구개발을 수행할 수 있는 지식과 경험을 보유한 인력 양성.
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