• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• 제5권1호
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• pp.11-16
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• 2005

This paper presents fabrication process and experimental results of two different types of flexible MEMS biosensors based on polymer/metal multilayer processing techniques. One type of a biosensor is a microelectrode array (MEA) for nerve signal monitoring through implanting the MEA into a living body, and another is a tactile sensor capable of being mounted on an arbitrary-shaped surface. The microelectrode array was fabricated and its electrical characteristics have been examined through in vivo and in vitro experiment. For sensitive skin, flexible tactile sensor array was fabricated and its sensitivity has been analyzed. Mechanical flexibility of these biosensors has been achieved by using a polymer, and it is verified by implanting a MEA to an animal and mounting the tactile sensor on an arbitrary-shaped surface.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2002년도 추계학술대회 논문집 전기물성,응용부문
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• pp.257-259
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• 2002

In investigating the characteristics of a neural network, the use of planar microelectrode array shows several advantages over normal intracellular recording[1]. A transparent indium tin oxide(ITO) multi-electrode array(MEA) was fabricated and its top surface was insulated with photodefinable polyimide(HD-8001) except the exposed area for interfacing between the ITO electrodes and the neuronal cells. The exposed ITO electrodes were platinized in order to reduce the impedance between the electrodes and electrolyte. The one-minute platinization with $0.99nA/{\mu}m^2$ current density reduced the average impedance of the electrodes from $2.5M\Omega\;to\;90k\Omega$ at 1kHz in normal ringer solution. Cardiac cells were cultured on this MEA as a pilot study before neuron culture. The signals detected by the platinized electrodes had larger amplitudes and improved signal to noise ratio(SNR) compared to non-platinized electrodes. It is clear that microelectrodes need to have lower impedance to make reliable extracellular recordings, and thus platinization is essential part of MEA fabrication. Burst spike of cultured olfactory bulb was also detected with the MEA having platinized electrodes.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제14권4호
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• pp.211-217
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• 2003

주성분분석은 잘 알려진 데이터 분석 방법으로써 높은 차원의 데이터를 낮은 차원의 데이터로 표현하는데 효과적이어서 얼굴인식, 데이터 압축 등에 이용되고 있다. 주성분분석을 하게 되면 원 데이터의 공분산 행렬로부터 정규직교한 고유벡터와 해당하는 고유치를 얻게 되고 그 중 큰 값을 가지는 고유벡터 들을 선택하여 선형 변환함으로써 데이터의 차원을 줄일 수 있게 된다. 망막에 빛 자극이 인가되면 시세포 층에서 전기신호로 변환된 후 복잡한 신경회로를 거쳐 최종적으로 신경절세포 층에서 활동전위의 형태로 출력되게 된다. 본 연구에서는 다채널전극을 사용하여 여러 개 망막 신경절세포로부터 유래되는 활동전위를 기록한 후 개개의 신호를 구분하는 과정을 거치고, 이어서 그 신호를 만들어 내는 각 뉴론들끼리의 시간적, 공간적 흥분발사 패턴을 이해함으로써 궁극적으로 시각정보 인코딩 기전을 밝히려는 연구 목표하에 그 첫 단계로서 망막 신경절세포의 활동전위를 기록한 후 분류하는 과정을 성공적으로 수행하였기에 그 내용을 서술하고자 한다. 망막에서 기록되는 신경절세포 활동전위는 불규칙하고 확률적이기 때문에 주성분분석을 통하여 그 유형을 분류할 수 있었다. 토끼 눈으로부터 망막을 박리하여 망막조각을 얻은 후 신경절세포 층이 전극표면을 향하도록 전극에 부착하였다. 8${\times}$8의 microelectrode array (MEA)를 전극으로 사용하였고, 증폭기는 MEA 60 system을 사용하여 신경절세포 활동전위를 기록하였다. 활동전위 기록 후 파형 분류를 하였다. 잡음이 섞여있는 기록으로부터 신호를 검출하기 위하여, 잡음역치($\pm$3$\sigma$)를 설정하였다. 역치를 넘는 파형 만을 획득한 후 주성분분석을 통해 각 파형의 첫 번째 주성분, 두 번째 주성분을 계산하여 2차원 평면에 투사함으로써 몇 개의 의미있는 클러스터를 얻었다. 이 클러스터는 곧 각 신경절세포에서 유래되는 파형을 반영하므로 주성분분석을 통하여 망막 신경절세포의 활동전위를 각 세포별로 분류할 수 있음을 확인하였다.

• 대한전기학회논문지:시스템및제어부문D
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• 제51권9호
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• pp.423-430
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• 2002

The fabrication and experimentation of multi-channel electrodes which enable detecting and recording of multi-site neuronal signals have been investigated. A multi-channel electrode array was fabricated by depositing 2000${\AA}$ thick Au layer on the 1000${\AA}$ thick Ti adhesion layer on a glass wafer. The metal paths were patterned by wet etching and passivated by depositing a PECVD silicon nitride insulation layer to prevent signals from intermixing or cross-talking. After placing a thin slice of rat cerebellar granule cell in the culture ring located in central portion of the multi-channel electrode plate, a neuronal signal from an electrode which is in contact with the cerebellar granule cell has been detected. It was found that the electrode impedance ranges 200㏀∼1㏁ and the impedance is not changed by cleaning with nitric acid. Also, the impedance is inversely proportion to the exposed electrode area and the cross-talk is negligible when the electrode spacing is bigger than 600$\mu\textrm{m}$. The amplitude and frequency of the measured action potential were 38㎷ and 2㎑, which are typical values. From the experimental results, the fabricated multi-channel electrode array proved to be suitable for multi-site neuronal signal detection for the analysis of a complicated cell network.

• The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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• 제13권6호
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• pp.443-448
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• 2009

For successful visual perception by visual prosthesis using electrical stimulation, it is essential to develop an effective stimulation strategy based on understanding of retinal ganglion cell (RGC) responses to electrical stimulation. We studied RGC responses to repetitive electrical stimulation pulses to develop a stimulation strategy using stimulation pulse frequency modulation. Retinal patches of photoreceptor-degenerated retinas from rd1 mice were attached to a planar multi-electrode array (MEA) and RGC spike trains responding to electrical stimulation pulse trains with various pulse frequencies were observed. RGC responses were strongly dependent on inter-pulse interval when it was varied from 500 to 10 ms. Although the evoked spikes were suppressed with increasing pulse rate, the number of evoked spikes were >60% of the maximal responses when the inter-pulse intervals exceeded 100 ms. Based on this, we investigated the modulation of evoked RGC firing rates while increasing the pulse frequency from 1 to 10 pulses per second (or Hz) to deduce the optimal pulse frequency range for modulation of RGC response strength. RGC response strength monotonically and linearly increased within the stimulation frequency of 1~9 Hz. The results suggest that the evoked neural activities of RGCs in degenerated retina can be reliably controlled by pulse frequency modulation, and may be used as a stimulation strategy for visual neural prosthesis.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제19권1호
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• pp.73-79
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• 2008

망막색소변성(retinitis pigmentosa: RP)과 연령 관련 황반변성(age-related Macular Degeneration: AMD)은 망막변성으로 인해 실명에 이르는 대표적인 질환이며 망막이식장치의 개발을 통해 치료될 수 있다고 간주되고 있다. 최근에 국내에서도 망막이식장치 개발을 위한 연구팀이 조직되었다. 성공적인 망막이식장치 개발을 위하여 여러 가지 선결요소가 필요하지만 그 중 한 가지가 이식장치에 인가할 전기자극을 최적화하는 것이다. 변성망막의 전기적 특성은 정상 망막과 다르리라 예측되므로 우리는 장차 개발될 망막 이식장치에 인가할 전기자극 최적화를 위한 가이드라인을 제공하기 위해 정상 망막과 변성 망막의 전압자극 파라미터에 관한 실험을 하였다 망막을 분리한 후 망막절편을 신경절세포 층이 다채널전극의 표면을 향하게 하여 전극에 붙인다 in-vitro 상태에서 망막 신경절세포의 전기신호를 기록하기 위해 전극 직경: $30{\mu}m$, 전극간 거리: $200{\mu}s$, 전극 임피던스 1kHz 에서 $50k{\Omega}$인 8행 8열의 다채널전극을 사용하였다. 다채널전극의 60채널 중 두 채널을 자극전극과 접지로 사용하여 단극전기자극을 인가하였고 나머지 전극을 기록전극으로 사용하였다. 가한 전기자극은 전압자극으로 전하균형을 맞춘 이상성자극을 아노딕 사각파를 먼저 주고 캐쏘딕 사각파가 나중에 나오는 형태로 두 사각파간의 지체는 없도록 하였으며 동일한 자극을 2초 간격으로 50회 반복하여 인가하였다. 다양한 전기자극을 사용하였는 바 첫째는 사각파의 크기를 달리하였다 $(0.5{\sim}3V)$. 둘째는 사각파의 시간을 달리하였다 $(100{\sim}1,200{\mu}s)$. 전하밀도는 옴의 법칙과 쿨롱의 법칙을 이용하여 계산하였다. 전기자극으로 유발된 반응은 50회 자극에 대한 평균치를 얻은 후 자극 후 히스토그램(PSTH)을 그려 분석하였다. 전압자극의 크기를 $0.5{\mu}3V$로 달리하였을 때 믿을 만한 망막신경절세포가 유발되는 자극은 1.5V이었고 이때 계산된 전하밀도의 역치는 $2.123mC/cm^2$이었다. 전압의 크기를 2V로 고정하고 자극 지속시간을 $100{\sim}1,200{\mu}s$로 달리하였을 때 믿을 만한 망막신경절세포가 유발되는 자극의 역치는 $300{\mu}s$에서 관찰되었다. 이때 계산된 전하밀도의 역치는 $1.698mC/cm^2$이었다. L-(1)-2-amino-4-phosphonobutyric acid (APB)을 사용하여 ON-경로를 차단한 후에 전기자극을 인가하였을 때도 자극에 의해 망막신경절 세포의 반응이 유발되는 것을 확인하였다. APB-변성망막에서 전압의 크기를 2V로 고정하고 자극 지속시간을 $100{\sim}1,200{\mu}s$로 달리하였을 때 믿을 만한 망막신경절세포가 유발되는 자극의 역치는 $300{\mu}s$에서 관찰되었으며 이는 정상망막의 결과와 같았다. 추후 APB-변성망막을 가지고 좀더 실험이 진행되어야 정상망막과 변성망막의 전하밀도에 관한 명료한 비교가 가능할 것이다.

• The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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• 제15권6호
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• pp.415-422
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• 2011

Previously, we reported that besides retinal ganglion cell (RGC) spike, there is ~10 Hz oscillatory rhythmic activity in local field potential (LFP) in retinal degeneration model, rd1 mice. The more recently identified rd10 mice have a later onset and slower rate of photoreceptor degeneration than the rd1 mice, providing more therapeutic potential. In this study, before adapting rd10 mice as a new animal model for our electrical stimulation study, we investigated electrical characteristics of rd10 mice. From the raw waveform of recording using $8{\times}8$ microelectrode array (MEA) from in vitro-whole mount retina, RGC spikes and LFP were isolated by using different filter setting. Fourier transform was performed for detection of frequency of bursting RGC spikes and oscillatory field potential (OFP). In rd1 mice, ~10 Hz rhythmic burst of spontaneous RGC spikes is always phase-locked with the OFP and this phase-locking property is preserved regardless of postnatal ages. However, in rd10 mice, there is a strong phase-locking tendency between the spectral peak of bursting RGC spikes (~5 Hz) and the first peak of OFP (~5 Hz) across different age groups. But this phase-locking property is not robust as in rd1 retina, but maintains for a few seconds. Since rd1 and rd10 retina show phase-locking property at different frequency (~10 Hz vs. ~5 Hz), we expect different response patterns to electrical stimulus between rd1 and rd10 retina. Therefore, to extract optimal stimulation parameters in rd10 retina, first we might define selection criteria for responding rd10 ganglion cells to electrical stimulus.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제19권3호
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• pp.157-163
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• 2008

망막색소변성(retinitis pigmentosa: RP)과 연령관련 황반변성(age-related macular Degeneration: AMD)은 망막변성으로 인해 실명에 이르는 대표적인 질환이며 망막이식장치의 개발을 통해 치료될 수 있다고 간주되고 있다. 성공적인 망막이식장치 개발을 위하여 여러 가지 선결요소가 필요하지만 그 중 한 가지가 이식장치에 인가할 전기자극을 최적화하는 것이다. 변성망막의 전기적 특성은 정상 망막과 다르리라 예측되므로 우리는 장차 개발될 망막 이식장치에 인가할 전기자극 최적화를 위한 가이드라인을 제공하기 위해 정상 망막과 변성망막의 망막파형 차이에 관한 연구를 하였다. 망막을 분리한 후 망막절편을 신경절세포 층이 다채널전극의 표면을 향하게 하여 전극에 붙인다. In-vitro 상태에서 망막 신경절세포의 전기신호를 기록하기 위해 전극 직경: $30{\mu}m$, 전극간 거리: $200{\mu}m$, 전극 임피던스 1 kHz에서 50 $k{\Omega}$인 8행 8열의 다채널전극을 사용하였다. 생후 28일된 정상마우스(C57BL/6J 종)에서는 짧은 시간대(<2 ms)의 망막 스파이크만 기록되었다. rd/rd 마우스(C3H/HeJ 종)에서는 정상적인 스파이크뿐만 아니라 약 100 ms 의 시간대를 가지는 느린 파형이 같이 기록되었다. 우리는 rd/rd 마우스에서만 관찰되는 이 느린 파형의 기전을 알아보고자 여러 가지 시냅스억제제를 사용하였다. 이 느린 파형은 rd/rd 마우스에서 양극세포로부터 신경절세포로 들어오는 흥분성입력이 정상마우스보다 강화되었기 때문에 발생한 것으로 보인다. rd/rd 마우스에서 흥분성입력이 강화되는 여러 가능성 중에서 망막변성으로 인해 수평세포로부터 양극세포로 들어오는 억제성 입력이 소실됨으로 인해 결과적으로 양극세포로부터 신경절세포로 들어오는 흥분성입력이 강화되었을 가능성이 가장 높은 것으로 보인다.