• 센서학회지
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• 제20권4호
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• pp.254-259
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• 2011

In this paper, a current stimulator circuit with adaptive supply regulator for retinal prosthesis is proposed. In current stimulation systems, the stimulating circuits with wide voltage swing range are needed due to the high impedance of the retina cell and microelectrodes. Thus, previous researches adopt the high voltage architecture to obtain the enough operating range. The high voltage architecture, however, could increase the power consumption and can damage the retina cells. The proposed circuit provides the adaptively regulated supply voltage by measuring the difference between desired stimulation current and the actual stimulation current. The proposed circuit can achieve the extended range of the allowable cell impedance, improved accuracy of the stimulation current, and higher biosafety.

• 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.

• 대한전기학회논문지:전기물성ㆍ응용부문C
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• 제51권5호
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• pp.222-227
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• 2002

Recently, the research on artificial retina for the blind is active. In this paper a new optical link method for the retinal prosthesis is proposed. Laser diode system was chosen to transfer image into the eye in this project and the new optical system was designed and evaluated. The use of laser diode array in artificial retina system makes system simple for lack of signal processing part inside of the eyeball. Designed optical system is enough to focus laser diode array on photodiode array in 20$\times$20 application.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제31권4호
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• pp.292-301
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• 2010

To restore visual sensation of blind patients, we have proposed a fully implantable retinal prosthesis comprising an three dimensionally (3D) stacked retinal chip for transforming optical signal to electrical signal, a flexible cable with stimulus electrode array for stimulating retina cells, and coupling coils for power transmission. The 3D stacked retinal chip is consisted of several LSI chips such as photodetector, signal processing circuit, and stimulus current generator. They are vertically stacked and electrically connected using 3D integration technology. Our retinal prosthesis has a small size and lightweight with high resolution, therefore it could increase the patients` quality of life (QOL). For realizing the fully implantable retinal prosthesis, we developed a retinal prosthesis module comprising a retinal prosthesis chip and a flexible cable with stimulus electrode array for generating optimal stimulus current. In this study, we used a 2D retinal chip as a prototype retinal prosthesis chip. We fabricated the polymide-based flexible cable of $20{\mu}m$ thickness where 16 channels Pt stimulus electrode array was formed in the cable. Pt electrode has an impedance of $9.9k{\Omega}$ at 400Hz frequency. The retinal prosthesis chip was mounted on the flexible cable by an epoxy and electrically connected by Au wire. The retinal prosthesis chip was cappted by a silicone to pretect from corrosive environments in an eyeball. Then, the fabricated retinal prosthesis module was implanted into an eyeball of a rabbit. We successfully recorded electrically evoked potential (EEP) elicited from the rabbit brain by the current stimulation supplied from the implanted retinal prosthesis module. EEP amplitude was increased linearly with illumination intensity and irradiation time of incident light. The retinal prosthesis chip was well functioned after implanting into the eyeball of the rabbit.

• 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.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제30권4호
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• pp.347-354
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• 2009

For the reliable transmission of meaningful visual information using prosthetic electrical stimulation, it is required to develop an effective stimulation strategy for the generation of electrical pulse trains based on input visual information. The characteristics of neuronal activities of retinal ganglion cells (RGCs) evoked by electrical stimulation should be understood for this purpose. In this study, for the development of an optimal stimulation strategy for visual prosthesis, we analyzed the neuronal responses of RGCs in rd1 mouse, photoreceptor-degenerated retina of animal model of retinal diseases (retinitis pigmentosa). Based on the in-vitro model of epiretinal prosthesis which consists of planar multielectrode array (MEA) and retinal patch, we recorded and analyzed multiunit RGC activities evoked by amplitude-modulated electrical pulse trains. Two modes of responses were observed. Short-latency responses occurring at 3 ms after the stimulation were estimated to be from direct stimulation of RGCs. Long-latency responses were also observed mainly at 2 - 100 ms after stimulation and showed rhythmic firing with same frequency as the oscillatory background field potential. The long-latency responses could be modulated by pulse amplitude and duration. From the results, we expect that optimal stimulation conditions such as pulse amplitude and pulse duration can be determined for the successful transmission of visual information by electrical stimulation.

• 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.

• The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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• 제27권6호
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• pp.541-553
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• 2023

Retinal prostheses have shown some clinical success in restoring vision in patients with retinitis pigmentosa. However, the post-implantation visual acuity does not exceed that of legal blindness. The reason for the poor visual acuity might be that (1) degenerate retinal ganglion cells (RGCs) are less responsive to electrical stimulation than normal RGCs, and (2) electrically-evoked RGC spikes show a more widespread not focal response. The single-biphasic pulse electrical stimulation, commonly used in artificial vision, has limitations in addressing these issues. In this study, we propose the benefit of multiple consecutive-biphasic pulse stimulation. We used C57BL/6J mice and C3H/HeJ (rd1) mice for the normal retina and retinal degeneration model. An 8 × 8 multi-electrode array was used to record electrically-evoked RGC spikes. We compared RGC responses when increasing the amplitude of a single biphasic pulse versus increasing the number of consecutive biphasic pulses at the same stimulus charge. Increasing the amplitude of a single biphasic pulse induced more RGC spike firing while the spatial resolution of RGC populations decreased. For multiple consecutive-biphasic pulse stimulation, RGC firing increased as the number of pulses increased, and the spatial resolution of RGC populations was well preserved even up to 5 pulses. Multiple consecutive-biphasic pulse stimulation using two or three pulses in degenerate retinas induced as much RGC spike firing as in normal retinas. These findings suggest that the newly proposed multiple consecutive-biphasic pulse stimulation can improve the visual acuity in prosthesis-implanted patients.

• 한국정보통신학회논문지
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• 제11권11호
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• pp.2143-2149
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• 2007

최근 시각 장애인을 위한 인공망막 모델 구현에 관한 연구 중 시피질 자극기 기술은 시각 자극 전달의 중간 단계를 생략하고 직접 뇌세포를 자극하는 것이다. 본 논문에서는 망막에서 시각 피질로 시각정보를 전달할 때 발생하는 시각 피질의 특성, 즉 방향성에 대한 반응 특성을 특징 데이터로 구성하여 인식함으로써 인간 시각 정보 처리와 유사한 영상 추출 및 인식 모델을 제안한다. 제안된 방법은 영상의 특징을 추출 한 후 Delta-bar-delta 기반 오류 역전파 알고리즘을 적용하여 영상의 특징들을 인식한다. 제시된 방법의 성능을 분석하기 위하여 다양한 숫자 패턴들을 대상으로 실험한 결과, 제안된 망막 세포로부터 전달된 정보를 방향성에 대한 민감성을 고려하여 영상의 특성을 추출하여 인식하는 모델이 기존의 영상 추출 및 인식 모델보다 인식률에 있어서는 별 차이가 없지만 다양한 실험에서 확인할 수 있듯이 인간 시각과 같이 인식 성능이 민감하지 않는 것을 알 수 있었다.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제28권2호
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• pp.212-217
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• 2007

As a preliminary study for the development of electrical stimulation strategy of artificial retina, we set up a method fur the reconstruction of input intensity variation from retinal ganglion cell(RGC) responses. In order to estimate light intensity variation, we used an optimal linear filter trained from given stimulus intensity variation and multiple single unit spike trains from RGCs. By applying ON/OFF stimulation(ON duration: 2 sec, OFF duration: 5 sec) repetitively, we identified three functional types of ganglion cells according to when they respond to the ON/OFF stimulus actively: ON cell, OFF cell, and ON-OFF cell. Experiments were also performed using a Gaussian random stimulus and a binary random stimulus. The input intensity was updated once every 90 msec(i. e. 11 Hz) to present the stimulus. The result of reconstructing 11 Hz Gaussian and binary random stimulus was not satisfactory and showed low correlation between the original and reconstructed stimulus. In the case of ON/OFF stimulus in which temporal variation is slow, successful reconstruction was achieved and the correlation coefficient was as high as 0.8.