[논문 리뷰] Design and Fabrication of Novel Digital Transcranial Electrical Stimulator for Medical and Psychiatry Applications

HoseinAli Jafari, Mohammad Heydari외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Transcranial Magnetic Stimulation Studies참고 문헌 23인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 tDCS, tPCS, CES 및 MET를 위한 정밀한 전류 웨이브폼을 생성할 수 있는 저비용 디지털 제어 뇌전기자극기의 개발을 제시한다. 고도로 발전한 디지털 제어기를 활용하여, 버스트 펄스 기능을 갖춘 조절 가능한 자극을 가능하게 하며, 의료 및 정신건강 분야의 응용에 있어 높은 정확도와 유연성을 제공한다.

ABSTRACT

In this article, we design a novel Transcranial Electrical Stimulator for medical applications, which is very cheap and can produce the desired signals very accurately. Our fabricated stimulator generates all current signals related to Transcranial Electrical Stimulation (TES) methods, i.e. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS), Transcranial Pulsed Current Stimulation (tPCS), Cranial Electrotherapy Stimulation (CES), and Microcurrent Electrical Therapy (MET). The proposed device has been constructed of an advanced digital controller which makes it tunable. One of the major advantages of the device is its ability to generate Burst pulses.

연구 동기 및 목표

• 다양한 의료 및 정신건강 응용을 위한 저비용이며 고정밀도의 뇌전기자극기를 개발하기 위해.
• 기존의 아날로그 기반 자극기의 한계를 해결하기 위해 신호 정밀도와 조절 가능성 향상을 위한 디지털 제어 아키텍처를 도입하기 위해.
• 단일 소형 장치 내에서 tDCS, tPCS, CES 및 MET를 포함한 다양한 자극 모드의 생성을 가능하게 하기 위해.
• 뉴로모듈레이션 연구 및 치료에 핵심적인 버스트 펄스 기능을 통합하기 위해.
• 디지털 설계 및 모듈식 제작 방식을 통해 임상 및 연구용도에서의 저비용화와 확장 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 자극기는 고정밀도 시간 및 진폭 제어를 통해 전류 웨이브폼을 생성하고 조절하기 위해 디지털 제어기를 사용한다.
• 시스템은 뇌전기자극에서 사용되는 표준 전류 신호를 모두 생성하도록 설계되어 있으며, 이는 일정 전류, 펄스 전류 및 마이크로전류 웨이브폼을 포함한다.
• 버스트 펄스 생성은 프로그래머블 디지털 타이밍 논리로 실행되어, 사용자 정의 가능한 케이스/오프 사이클 및 펄스 패턴을 허용한다.
• 장치는 피드백 제어 메커니즘을 사용하여, 예를 들어 피부 임피던스 변화와 같은 다양한 부하 조건에서도 전류의 정밀도와 안정성을 유지한다.
• 하드웨어는 저비용 오프더쇼프 전자 부품과 모듈식 설계를 사용하여 확장성과 수리 가능성을 지원한다.
• 신호 처리 및 제어 알고리즘은 펌웨어에 구현되어 실시간 자극 파rameter 조정 및 설정이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 디지털 자극기가 임상 및 연구 환경에서 뇌전기자극에 필요한 정밀도와 안정도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 단일 디지털 플랫폼이 tDCS, tPCS, CES 및 MET를 포함한 다양한 TES 모드를 일관된 성능으로 효과적으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 버스트 펄스 기능의 통합이 뉴로모듈레이션 응용 분야에서 장치의 유용성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 기존 아날로그 자극기와 비교해 디지털 제어 아키텍처가 신호 정밀도와 조절 가능성 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 설계는 성능에 손상이 가지 않으면서도 의료용으로서 신뢰성과 안전성을 유지하면서 저비용으로 제작될 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 자극기는 tDCS, tPCS, CES 및 MET를 포함한 모든 목표 TES 웨이브폼을 고정밀도와 낮은 왜곡으로 성공적으로 생성한다.
• 디지털 제어 시스템은 다양한 임피던스 조건에서도 정확하고 안정적인 전류 공급을 가능하게 하여 신뢰할 수 있는 자극을 보장한다.
• 버스트 펄스 기능은 효과적으로 구현되어 고도로 조절 가능한 케이스/오프 패턴을 제공하며, 고급 뉴로모듈레이션 프rotocols에 필수적이다.
• 표준 디지털 부품과 모듈식 구조를 사용함으로써 비용 절감이 이루어졌으며, 성능에 영향을 주지 않고도 가능하다.
• 시스템은 고도로 조절 가능하고 재구성 가능한 성능을 보이며, 펌웨어 제어를 통한 실시간 파rameter 조정을 지원한다.
• 장치의 설계는 그灵活性와 높은 신호 정밀도 덕분에 임상 응용 및 정신건강 연구에 모두 적합하다고 검증되었다.