금일 강연은 UNIST Biomedical Engineering department 최영빈 교수님의 Electrocorticography Display for High Precision Intraoperative Brain Mapping 였습니다.
최영빈 교수님은 학석박사과정 중 반도체 물리를 연구하셨고, 포닥과정 중 나노 device 와 나노물질을 개발해 single neuron/neurite recording 에 적용하는, Brain interface, Neurotechnology 를 연구하셨습니다. 특히, implantable electrode 를 이용해 수 천 개의 채널을 recording 하는 human brain recording system 을 연구하고 계십니다.
최근 Implantable electrode technology 를 연구/제작하는 회사들이 많아지고 있습니다. Synchron, Neuralink, Neuramatix, Cortec, Nward 등이지요. 이렇게 각광되는 이유는, 무궁무진한 가능성을 가진 뇌가, 기본적으로 전기화학적 반응을 하기 때문에 전기활성신호를 다루는 기술이 여러 방면에서 중요해지기 때문일 것입니다. 이러한 electrode 를 이용한 측정 기술은 뇌를 Open 해야하는 뇌 질환 수술에 유용히 사용될 수 있습니다. 대표적으로 뇌 종양이나, Drug-resistant Epilepsy 같은 경우가 있으며, 특히 X-ray/MRI/Pet 과 같은 비침습적 방법으로는 비정상 영역을 식별할 수 없는 뇌전증 같은 경우에 유용할 것 입니다. 뇌 수술 방식의 경우 크게 두 가지, Craniotomy와 laser Ablation 가 있는데, 둘 모두 건강/병든조직, 정상/비정상 조직을 정확히 구분하는게 중요합니다.
신호 측정 및 식별에 활용될 수 있는 전극들은 DBS, SEEG, ECoG 등 다양한데, 교수님께서는 뇌 피질의 신호를 측정할 수 있는 ECoG 에 집중하셨습니다. 기존 ECoG 전극은 여러 문제를 갖고 있었습니다. 실리콘으로 만들어져 1mm 의 비교적 두꺼운 두께, 3mm의 비교적 큰 전극사이즈, 이에 따라오는 low resolution과 thick and stiff, hard to active good contact on brain surface 문제, 기능적 노이즈 등 입니다. 교수님께서는 이를 0.6마이크로미터의 platinum nanorods 사용, 유리를 이용한 얇고 넓은 기판 제작, surface 에 밀접하게 달라붙게 하기 위한 CPU connector 기술 이용 등 여러 부분에서 아이디어를 내 해결하시고, high resolution 과 conformal complaint 를 가진, 수 천개 채널을 보유한 ECoG Grid 를 개발하셨습니다.
이에 더해, recording 되는 데이터를 실시간으로 분석하여 분석된 정보를 수술을 집도하는 의사에게 바로바로 보여줄 수 있도록, real time data processing software 를 만들고, 해당 mirco ECoG Grid의 각 전극의 위치에 2 color available micro-LED display 를 부착시켜 뇌 병변 위치나 functional 별로 다른 region 식별 등의 확인을 할 수 있도록 하셨습니다.
궁금했던 점은 만드신 기기의 실제 접목 과정 이었습니다. Micro ECoG 와 MicroLED 가 결합된 기기를 만드신 가장 큰 이유는 수술적 목적이라는 생각이 들었습니다. 즉 뇌 영역 레코딩 후 그 신호 데이터를 REAL-time 으로 분석해 이상 영역을 판단해서, 어느 부분을 절제해야하는지 LED 로 보여주는 것으로 생각이 되는데요. 이 기기가 실제 병원에서도 활용이 되고있는지 궁금했고, 실제 절제할때는 기기를 떼어내고 진행해야해서 영역이 헷갈릴 수 있을 것 같기도 한데, 그럴 경우 기기 자체가 빛나는게 아니라(LED 사용도 functinonal 한 부분을 직관적으로 확인하기엔 좋지만..), 레이저를 뇌 표면쪽으로 발사시켜서, 빛을 실제 뇌표면에 프로젝션 시켜서 절제 위치를 확인할 수 있도록 하는 것도 괜찮을 것 같은데 이 부분에 대해 어떻게 생각하시는지 궁금했습니다. 또한 기존 device 를 개선시키기 위해 접목하신 유리/전극/LED/CPU connector 들의 상세한 정보나, 제작과정에 대한 이야기도 궁금했는데, 이런 부분은 크게 다뤄지지 않았던 것이 아쉬웠습니다.
강연을 들으며, 기존 ECoG 전극의 한계를 여러 아이디어로 돌파하고 주요한 device 를 만들어 뇌의 여러 기능적 부분(sensory/motor 영역, 각 신체부위마다의 corresponding 한 뇌 영역부위 등)을 확인하거나 뇌 병변 치료의 보조도구로 이용하는 것이 참 재미있었고, 메리트 있게 느껴졌습니다.
오늘도 좋은 강연 감사드립니다.
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필기>
소개)
반도체물리(박사) -> 나노device/나노물질 개발(포닥)
Single neuron/neurite, Brain interface (US SanDiego, 2018-2023)
수천개 채널 human brain recording system ?
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“Neurotechnology.” / ~~>
Implantable electrode technology 를 만드는 회사들…
synchron/Neuralink/Neuramatrix/Cortec/Nward/
왜 이렇게 각광되는가?
뇌 활동은 기본적으로 전기화학적 작용
현재 기능적 노이즈 등의 여러 문제가 있었음.. 좋은 전극 개발 수요.
수천개 채널에 대한 ECoG grid (electrocorticography) / micro-LED display/ …/
뇌 Open해서 수술해야하는 뇌질환 ; 뇌 종양, Druc-resistant Epilepsy (약 안듣는 뇌전증*간질 환자)
비침습적 방법 : X-ray/MRI/MRA/Pet scan/CT.. / 뇌전증같은경우는 이러한 방법으로 파악힘듬
//뇌전증 : 뇌 신경세포가 일시적으로 이상을 일으켜 과도한 흥분 상태를 유발함으로써 나타나는 의식 소실, 발작, 행동 변화 등과 같은 뇌 기능의 일시적 마비 증상이 만성적, 반복적으로 발생하는 뇌 질환/
수술 방법 : Craniotomy; 열어서 종양제거/ laser Ablation
뇌수술의 경우… 건강/병든조직, 정상/비정상 조직 정확히 구분하는게 중요함.
BCI; 전극.. Blackrock neurotech/neural link… (2-30명 정도? 많이없음.)
Deep brain stimulation: DBS.. (가장 많은 사람들에게 implant)
Electrodes for brain surgery.
SEEG 뇌전증파 찾아내는..
ECoG ; 어떻게 기존보다 더 잘 만들것인가…
기존 ECoG
1mm 두께 실리콘, 3mm 전극사이즈.
→ Low resolution/ Thick and stiff/ hard to achieve good contact.
새로운 ECoG (30명이상 환자에게 적용..)
-High resolution
- conformal complaint
전극 0.6 마이크로미터
확실히 얇아짐.
*챡 달라붙어야함, 여러개여야함, setup 이 빨라야함(20분) 단번에 connection.
유리로 옮기자?.. 유리기판.
Platinum nanorods (30마이크로)
Q. 유리가 어떻게 brain 모양에 맞게 착 달라붙었지? 왜 유리 선정햇다공..?
Q. 계속 달고있을 수 있는건가? 수술할때 미리 파악된 대략의 위치를 이거로 확인하고.. 신호가 이상한 부분을 절제?
Q.
CPU connector —> 로 어떻게 달라붙는거지?
Q. recording 이랑 신호를 자극해주는것도 가능?
뇌종양 -> 제거하는동안/ 제거한 후에 기능이 정상동작하는지를 확인할 수 있는 방법?
—-> 종양이 있는 곳은 신호가 다르게 잡히나봄
뇌전증(대개 측두엽) —> 뇌전증파를 관찰할 수 있음
Real Time Data Processing.
LED 에서 실제로 보여주도록 하려는 시도중..
Micro ECoG + MicroLED (ECoG 착 달라붙어있고, 같은곳에 올라가서 LED 가 있도록..)
색깔도 .. 핑크/블루 정도의 두개 LED
C
20kSps
Q. , (결국 뇌의 기능적 부분을 구분해서 보여주기위함이 아니라)
Micro ECoG 와 MicroLED 가 결합된 기기를 만드신 가장 큰 이유는 수술적 목적이라는 새각이 듭니다. 즉 뇌 영역 레코딩 후 그 신호 데이터를 REAL-time 으로 분석해 이상 영역을 판단해서, 어느 부분을 절제해야하는지 LED 로 보여주는 것으로 생각이 되는데요. 이 기기가 실제 병원에서도 활용이 되고있는지 궁금하고, 실제 절제할때는 기기를 떼어내고 진행해야해서 영역이 헷갈릴 수 있을 것 같기도 한데, 그럴 경우 기기 자체가 빛나는게 아니라(LED 사용도 functinonal 한 부분을 직관적으로 확인하기엔 좋지만..), 레이저를 뇌 표면쪽으로 발사시켜서, 빛을 실제 뇌표면에 프로젝션 시켜서 절제 위치를 확인할 수 있도록 하는 것도 괜찮을 것 같은데 이 부분에 대해 어떻게 생각하시는지 궁금합니다.
LED 임상 X
1) 해당위치에 바이오마커를 이용한 표시
2) 뭐였지/ 잉크?
3) 레이저/프로젝터
전처리 (bandpass filtering/ …) → stimulation(pulse) marking