[논문 리뷰] cSeiz: An Edge-Device for Accurate Seizure Detection and Control for Smart Healthcare

Abu Sayeed, Saraju P. Mohanty외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 21.

EEG and Brain-Computer Interfaces참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 EEG 신호를 사용하여 실시간 경련 감지 및 표적 약물 투여를 위한 엣지 기반, 피드백 루프 시스템인 cSeiz를 제안한다. 신호 거부 알고리즘(SRA)과 밸브 없는 피에조전기 미세펌프를 활용하여 경련 감지기에서 3.2 mW의 전력 소비로 96.9%의 민감도와 97.5%의 특이도를 달성하였고, 약물 투여 유닛에서는 29.08 mW의 전력 소비를 기록하였다.

ABSTRACT

Epilepsy is one of the most common neurological disorders affecting up to 1% of the world's population and approximately 2.5 million people in the United States. Seizures in more than 30% of epilepsy patients are refractory to anti-epileptic drugs. An important biomedical research effort is focused on the development of an energy efficient implantable device for the real-time control of seizures. In this paper we propose an Internet of Medical Things (IoMT) based automated seizure detection and drug delivery system (DDS) for the control of seizures. The proposed system will detect seizures and inject a fast acting anti-convulsant drug at the onset to suppress seizure progression. The drug injection is performed in two stages. Initially, the seizure detector detects the seizure from the electroencephalography (EEG) signal using a hyper-synchronous signal detection circuit and a signal rejection algorithm (SRA). In the second stage, the drug is released in the seizure onset area upon seizure detection. The design was validated using a system-level simulation and consumer electronics proof of concept. The proposed seizure detector reports a sensitivity of 96.9% and specificity of 97.5%. The use of minimal circuitry leads to a considerable reduction of power consumption compared to previous approaches. The proposed approach can be generalized to other sensor modalities and the use of both wearable and implantable solutions, or a combination of the two.

연구 동기 및 목표

• 약물 내성 간질 홂환자에게 실시간 자동 경련 조절이 필요한 임상적 필요를 해결한다.
• 실시간 경련 감지 및 약물 투여를 가능하게 하는 저전력, 이식 가능 또는 착용형 엣지 장치를 개발한다.
• 신호 거부 알고리즘(SRA)과 효율적인 미세펌프 설계를 통해 임상적 의미 있는 임계값 이하의 가짜 양성 반응과 전력 소비를 최소화한다.
• 경련 감지 및 약물 투여 기능을 통합하여 임상적 효능을 향상시킨 단일 통합 시스템을 구현한다.

제안 방법

• EEG 신호에서 후보 경련 사건을 식별하기 위해 초동기 신호 감지 회로를 사용한다.
• 비경련 급성 자극과 고주파 노이즈를 걸러내는 신호 거부 알고리즘(SRA)을 적용하여 가짜 양성 반응을 감소시킨다.
• 초동기 펄스가 사전 정의된 임계값을 초과할 경우에만 약물 투여를 트리거하여 피드백 루프 작동을 보장한다.
• 피에조전기(PZT) 기반의 밸브 없는 미세펌프와 PDMS 막대를 사용하여 항경련 약물을 경련 발생 부위에 직접 투여한다.
• 최대 유량(3.08 ml/min)과 최소 사각부피를 확보하기 위해 미세펌프 기하구조(예: 10 mm 챔버 직경, 10° 디퓨저 각도)를 최적화한다.
• 소비자 전자기기 부품을 사용한 시스템 수준 시뮬레이션과 개념 증명 테스트를 통해 시스템을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저복잡도, 저전력 경련 감지 시스템이 실시간 EEG 분석에서 높은 민감도와 특이도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 비경련 뇌파 급성 자극과 노이즈로 인한 가짜 양성 반응을 줄이는데 있어, 신호 거부 알고리즘(SRA)의 효과는 어떠한가?
• RQ3 밸브 없는 피에조전기 미세펌프가 임상적으로 의미 있는 약물 유량을 최소 전력 소비로 제공할 수 있는가?
• RQ4 이식 가능한 응용 분야에서 미세펌프 챔버 크기, 다이어프램 두께, 체적 유량 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 성능을 유지하면서도 경련 감지 및 약물 투여 시스템을 이식 가능한 크기로 축소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 경련 감지기는 EEG 신호에서 경련 발생을 감지하는 데 96.9%의 민감도와 97.5%의 특이도를 달성하였다.
• 신호 거부 알고리즘(SRA)은 일시적인 고주파 펄스와 비경련 급성 자극을 걸러내어 가짜 탐지 수를 크게 감소시켰다.
• 밸브 없는 미세펌프는 130 Hz의 구동 주파수에서 최대 3.08 ml/min의 유량을 제공하며, 전력 소비는 29.08 mW였다.
• 경련 감지 유닛의 전력 소비는 단지 3.2 mW에 그쳐 이전 시스템에 비해 상당한 감소를 보였다.
• 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 실시간 피드백 루프 경련 감지 및 약물 투여의 가능성을 확인하였으며, 지연 시간은 3.6초였다.
• 설계는 다른 센서 모달리티 및 하이브리드 착용형/이식형 구성에 일반화되고 확장 가능하다.