Functional Near-infrared Spectroscopy (fNIRS) is known as an effective and non-invasive method for detect-ing brain hemodynamics. The hemodynamics is a close related to the brain neuronal activity which enables real-time measurement of a human brain.
The aim of this study is to implement the fNIRS system with integrated circuit (IC) in circuit domain and structural domain. Firstly, the 42-channel fNIRS system is implemented with commercial electrical compo-nents. The system was used for proof of concept of our system. After that, the circuit is implemented with application specified IC. With the IC, the system is constructed to measure weak penetrated light through the brain having immunity to the EMI noise. To emphasize, the circuit is separated in to analog and digital do-main for robust operation, and also a miniaturized TIA modules and laser modules with reference detectors are implemented for minimization of protruding electrical components. In structure domain, the fNIRS system is constructed in to a single headset. The headset is ergonomically designed for various sizes of the human head. The PCBs inside the headset is considered to have low-profile designed. The validity of the system is verified with hemodynamic response of the Valsalva manuever.
본 논문에서는 집적 회로를 이용한 portable 근적외선 뇌 영상장치의 시스템적 구현에 대하여 연구 하였다.
기술의 발달로 웨어러블 헬스케어 장비의 시장전망이 증가하고 있다. 그럼에도 불구하고 현재 시중에 출시되는 웨어러블 장비들은 측정할 수 있는 인체 신호의 종류에 한계를 가지고 있다. 이로 인하여 웨어러블 장비로부터 얻거나 빅 데이터 추출로부터 유추 할 수 있는 정보들의 양과 질에도 한계가 있다. 따라서 만약 웨어러블 장비가 사람의 감정이나 생각을 읽어낼 수 있게 된다면 이는 이런 웨어러블 장비에 있어 큰 전환점으로 작용 할 것이다. 이는 사람의 생각을 읽어 선호도나, 감정적인 부분들을 이용하여 광고나 마케팅에서도 쉽게 사용될 수 있다.
이와 같은 장비를 개발하기 위해서는 사람의 감정이나 판단을 담당하는 전두엽 뇌 영상장치의 고해상도화, 실시간 측정, 휴대성이 극대화 되어야 할 것이다. 현재 사용되고 있는 뇌 영상장치로는 MRI 나 EEG 등이 있는데 MRI의 경우 실시간으로 측정이 불가능하고 휴대가 절대 불가능 하다. EEG의 경우에는 공간 해상도가 매우 낮기 때문에 뇌의 기능적인 활성화를 판단하기 어렵다. 그래서 근적외선을 이용한 분광법(NIRS)이 대두되었다
fNIRS는 근적외선 두 파장을 사용하여 옥시 헤모글로빈과 디옥시 헤모글로빈의 각 파장에 따른 흡광도 차이를 이용하여 MBLL 방정식을 풀어 해당하는 두 농도를 추출할 수 있는데 이는 뇌의 활성화와 밀접한 관련이 있는 것을 이용한다. 하지만 시장에 유통되는 fNIRS 장비들은 크기가 크고 광섬유를 사용하기 때문에 가격 또한 비싸다. 그리고 휴대성이 좋지 않아 웨어러블 장비로는 현재까지도 사용되지 않고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 해결책이 제시되었다. 먼저 KAIST NAIS 연구실에서 개발되었던 fNIRS 장비의 단점들을 보완하고 채널 수를 42채널로 늘리는 방향으로 해결책이 제시되었다. 먼저 TIA 모듈의 소형화가 이루어져 광검출기와 TIA 간 연결 길이를 최소한으로 줄이면서 외부 노이즈에 대한 커플링을 막아주었다. 뿐만 아니라 FFC 케이블을 사용했던 방식에서 contact가 더 solid한 형태의 OMNETICS 커넥터를 사용하였고 기존의 방식과는 다르게 wire를 사용하여 모든 전자적인 connection을 이루었다.
하지만 18개의 채널이라는 많은 수의 광 검출기의 AFE 단과 레이저 driver의 수가 많아져 소형화에 대한 해결책이 필요하였다. 그래서 IC를 사용하여 다수의 채널들을 집적하여 소형화를 이루었다. 이는 총 세개의 IC를 사용하여 42 채널이 측정 가능한 fNIRS장비를 제작 할 수 있었다. 이는 기존의 많은 fNIRS 장비의 검증하기 위해 사용되는 발살바 protocol을 사용하여 마찬가지로 장비의 validity를 검증 할 수 있었다.
IC 기반의 fNIRS장비는 웨어러블 장비 시장에서 새로운 전환점을 맞이 할 수 있을 것이며 빅데이터 수집에 있어 새로운 페러다임을 제시 할 것이다. 사람의 뇌에서 기능적으로 활성화 되는 부분들을 실시간으로 측정 할 수 있는 솔루션을 제시하여 기존의 뇌 영상장치 기술과 경쟁 할 것으로 예상된다.
