Cerebrovascular diseases account for the second cause of death of Korean. And also, aftereffects of cerebrovascular diseases like paralysis, cognitive disorder increase the death rate too. Although advance in neurosurgery’s surgical technique has made survival rate of cerebrovascular diseases raised, still about half of survivors suffer from aftereffects that rehabilitation is such an important treatment for them. One of the previous studies represents that if brain neuromodulation is implemented with rehabilitation simultaneously, behavioral function can be improved. Therefore, neuromodulation is considered as promising treatment method for its non-invasiveness.
Neuromodulation requires two big factors; small size focused ultrasound and reconfigurable focal depth according to patient’s symptoms and locations of lesions. To make small size focused ultrasound, large size of transducer which converts electrical signals into acoustic energy is needed. Also, arrayed structure of transducer is required to make focal point change. Arrayed structure transducers which make controllable focal point are driven by beamforming principle. Constructive interference at focal point is achieved by addition of different time delay to compensate the path differences between the transducer elements. To make deeper focal depth, smaller time difference between delayed signals is required. As a result, fine control of time delay between paths to the transducer can make small size focused ultrasound move along the z-axis(depth) minutely.
In this thesis, mm-resolution focal depth controller for focused ultrasound is achieved in 0.18um CMOS technology. This controller makes 0.5 MHz pulsed signals with different time delays needed to make transducer focus the acoustic energy to the target location of brain with mm-resolution. Time delays applied to the electrical signals are determined by bit number of DAC which is used to make reference voltages of comparators. Addition of resistor and capacitor to the oscillator makes output wave closer to the sawtooth shape than sinusoidal. The transition time of output pulse is determined by meeting point of oscillator’s output wave and two outer reference voltages from DAC; high and low. The designed 16-channel focal depth controller consumes 6.2 mW of low power and is fully integrated in a small chip occupying $1.66 mm^{2}$ includ-ing pads.
뇌혈관 질환은 한국인의 사망원인 2위를 차지하고 있다. 또한, 마비, 인지 장애와 같은 뇌혈관 질환의 후유증이 사망률을 높이는 또 하나의 원인이 되고 있다. 신경외과적 수술 기법의 진보로 뇌혈관 질환자의 생존율이 높아지긴 했으나, 여전히 그 중 절반 이상의 환자들이 후유증으로 고생하고 있다. 그러므로 재활운동은 이들에게 필수적인 치료방법이 되었다. 이전 연구에서 재활운동과 뇌 신경조절을 병행하게 되면, 재활운동만 진행하였을 때보다 운동 능력이 개선된다는 결과에 따라, 뇌 신경조절은 비침습적으로 치료 효과를 높일 수 있는 유망한 분야로 떠오르고 있다.
신경조절은 각 환자의 증상과 병변의 위치에 따라서 국소 부위의 자극과 광범위한 자극을 필요로 하게 된다. 작은 크기의 집속된 초음파를 만드는 변경 위치의 집속을 가능하게 할 배열된 구조의 트랜스듀서는 기본적인 빔 형성의 원리에 따라 구동된다. 집속 위치에서의 보강간섭은 트랜스듀서 소자들 사이의 경로차를 보상하기 위하여 다른 시간 지연 값을 가지는 전기적 신호를 추가함으로써 이루어진다.
집속 깊이를 깊게 가져가기 위해서는, 지연된 신호들 사이의 작은 시간 차가 필요하게 된다. 결과적으로, 경로 간의 미세한 시간 지연 값의 조절이 z 축을 따라 미세하게 움직이는 작은 크기의 집속 초음파를 만들어 낼 수 있다.
이 논문에서는, 밀리미터 정밀도를 가지는 집속 깊이 조절기가 0.18um CMOS 공정을 이용하여 설계되었다. 이 조절기는 밀리미터 정밀도로 목표 집속 뇌 부분에 초음파 에너지를 집속시키기 위하여 0.5 MHz의 서로 다른 시간 지연 값을 가지는 출력신호들을 만들어 낸다. 전기적 신호에 적용되는 시간 지연값은 비교기의 기준 전압들을 만드는 데에 사용되는 디지털-아날로그 변환기의 비트 수에 따라 결정된다. 저항과 캐패시터와 같은 소자의 추가로 발진기의 출력을 정현파 보다는 톱니파에 가깝게 만든다. 출력 펄스의 상승 지점은 발진기의 출력 파형과 디지털-아날로그 변환기에 의해 발생되는 두 개의 높고 낮은 기준 전압이 만나는 지점에서 발생한다. 설계된 16개의 채널을 가지는 집속 깊이 조절기는 6.2 mW 의 전력을 소모하고 패드를 포함하여 $1.66 mm^{2}$ 의 면적을 차지하며 집적되어 있다.
