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NEURO & BIO ELECTRONICS LAB. @PNU
APPLICATIONS
@ NBES Lab.
체내이식형
신경공학 및 뇌공학 장치
Implantable Neural & Brain Engineering Devices
[YOUTUBE] 신경공학 및 뇌공학 소개 강연 영상
연구 목표 및 응용분야
뇌, 망막, 청신경, 척수, 다양한 말초신경 등으로 구성된 우리 몸의 신경계 (Nervous system)는 로봇으로 비유하면 CPU, 카메라 등의 각종 센서, 각 부위를 연결하는 전선을 모두 포함하는 중요한 기능을 수행하고 있습니다. 신경 기능을 통해 시각, 청각 등 외부세계를 파악하고 (감각기능), 입력된 신호를 판단하고 분석하고 기억할 뿐 아니라 (인지 기능), 상황에 맞게 우리 몸을 움직이도록 조절하는 (운동 기능)합니다. 하지만 질병이나 사고로 이러한 신경 기능에 손상을 입은 환자들이 참 많고, 손상된 신경기능을 회복시키는 것은 매우 어렵습니다.
신경보완장치 (Neural Prosthesis)란 우리 몸의 신경계와 "접속"해서 신경 신호를 읽어들이고 분석한 후에 손상된 신경 세포를 자극하는 방법으로 손상된 신경기능을 대체하거나 회복하기 위한 기술입니다. 신경 신호를 모니터링함으로써 뇌를 포함한 신경망의 동작을 이해하거나 건강관리, 질병 진단에 응용될 수 있습니다. 동시에 손상된 신경세포에 정밀한 자극을 가함으로써 신경 활동을 조절하거나 활성화할 수 있습니다.
저희 연구실에서는
시각장애인의 시력 회복을 위한 인공망막장치 (Retinal prosthesis),
사지마비환자를 운동기능 보조를 위한 뇌접속장치(Brain-Machine Interface)
뇌질환 치료를 위한 전기적, 광학적, 약학적 뇌기능 조절장치 (Neuromodulation)
통증 치료를 위한 척수 자극장치 (Spinal Cord Stimulation)
를 중심으로 다양한 신경 접속장치를 연구하고 있습니다.
이러한 신경접속장치/신경보완장치를 개발하기 위해서는 공학과 기초과학 뿐 아니라 임상의학까지 포함한 다학제간 활발한 공동연구를 필요로 합니다. 다양한 세부 연구 활동 중에서도 저희 연구실에서는 공학적 지식을 바탕으로 동물실험 및 임상시험에 곧바로 적용할 수 있는 신경 접속 장치 디바이스 및 시스템을 개발하는 연구를 집중적으로 수행하고 있습니다. 구체적으로는 체내 이식형 신경 접속장치를 구성하는 핵심 요소기술들, 즉 마이크로/나노 공정을 이용한 신경 접속 전극 어레이 개발, 자극 및 기록 회로 개발, 무선 전력 및 정보 송수신을 위한 모듈 등을 개발하고, 이러한 구성 요소들을 집적하고 밀봉 패키징 하여 신경 자극/기록 실험에 적용될 수 있는 최종 시스템을 제작하는 것을 목표로 합니다.
현재 진행 중인 정부 지원 연구 과제는 다음과 같습니다.
시각장애인의 시각 회복을 위한 인공망막 장치 (보건복지부 지원, collaborator: 서울대학교 안과)
사지 마비 환자의 운동기능 보조를 위한 뇌접속 장치 (collaborator: Brown university)
다양한 신경증 치료를 위한 심뇌자극기 (과학기술정보통신부 지원, collaborator: 연세대학교 신경외과)
통증치료를 위한 척수 자극 (과학기술정보통신부 지원, collaborator: 연세대학교 신경외과)
그 외에 다양한 중추신경/말초 신경계 접속 장치
웨어러블 디바이스
(WEARABLE ELECTRONICS)
웨어러블 디바이스란 신체에 부착하여다양한 건강관련 생체신호를 획득하는 장치를 지칭합니다.
혈당, 체온, 산소포화도, 젖산농도, 근전도, 심전도, 뇌파, 가속도 등을 감지하는 센서들을 소형화하여 얇고 유연한 플렉서블 패치상에 집적하여 사용자의 불편을 최소화하면서 신호 측정의 정밀도/신뢰도를 높이는 연구를 수행하고 있습니다. 환자가 건강상태 평가를 위해 병원에 매번 방문해야 하는 불편 없이 피부에 얇은 디바이스를 부착한 채 일상생활을 이어가는 도중에 다양한 생체신호를 측정하여 무선으로 서버로 보내거나 저장할 수 있습니다.
본 연구를 위해서 저희 연구실에서는 플렉서블 초박형 기판 제작 기술, 플렉서블 폴리머 기반 미세 패턴 제작 기술, 특정 물질 감지 위한 센서 기반 기술, 생체신호 획득 및 처리, 무선 송수신을 위한 회로 개발 등의 연구를 진행하고 있습니다.
현재 진행 중인 정부 지원 연구 프로젝트는 다음과 같습니다.
고령자/만성질환자 운동재활신진대사 자가진단 장비개발 및 임상실증
(보건복지부 지원, collaborator: 부산대학교 병원)근전도 기록 및 분석 통한 근육 강화 피드백 (자극)
젖산, 글루코스 센서근육 피로도/대사 분석
가속도 센서 기반 낙상감지
옥시미터 기반 운동 중 저산소증 감지 (옥시미터)
산업현장 근로자의 건강 모니터링 위한 다기능 생체신호 측정 웨어러블 장치 (한국수력원자력 지원, collaborator: 동남권 원자력 의학원)
실시간 부정맥 감지 위한 웨어러블 심전도 디바이스 개발 (부산산업과학혁신원 지원, collaborator: 부산대학교 병원 순환기내과)
신경공학/생체신호 MACHINE LEARNING 응용
AI 기반의 동물 영상 분석
신경공학 디바이스를 개발한 후에는 동물실험을 통한 효과/안전성 검증이 필수적입니다. 특히 동물의 행동반응을 통해 자극의 효과를 검증하는 경우가 많습니다. 최근에는 기계학습 기반의 인공지능 기술을 신경공학에 적용해서 동물 몸에 따로 마커를 부착할 필요 없이 영상분석만으로 동물의 반응을 정량적으로 분석하는 연구를 수행하고 있습니다. 이를 통해 기존에 정성적으로 분석했던 동물행동 반응을 보다 정확하게 분석하여 신경자극장치의 효과를 정확하게 분석할 수 있습니다. 또한 최근에는 웨어러블 심전도 디바이스에서 기록되는 실시간 심전도 신호를 기계학습 알고리즘으로 분석하여 심장기능 이상여부를 통보하는 연구를 수행하고 있습니다.
주된 응용분야는 다음과 같습니다.
운동장애 및 인지장애를 가진 쥐의 척수자극/뇌자극 효과 검증
심전도(ECG) 신호 분석 통한 이상 감지
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