광유전학(Optogenetics) 채널로돕신 광자극 & 1,000Hz 0-Alloc C# 신경망 발화 위상 잠금 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.OptoGenetics
{
    /// <summary>
    /// LFP 국소장전위 신경 계측 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct LfpNeuralSensorFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double LfpVoltageMicrovolts; // LFP 신호 (-2000 ~ +2000 uV)
        public readonly double OptrodeTemperatureC;  // 프로브 온도 (체온 감시, C)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LfpNeuralSensorFrame(double timestamp, double lfp, double temp)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            LfpVoltageMicrovolts = lfp;
            OptrodeTemperatureC = temp;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 마이크로 LED 광자극 제어 지령 출력
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct OptoStimulationOutput
    {
        public readonly double InstantaneousPhaseRad;   // LFP 순간 위상 theta (-pi ~ +pi)
        public readonly double SeizureIntensityMetric;  // 발작 강도 메트릭 (uV^2)
        public readonly double CommandedLedCurrentMa;   // LED 지령 전류 (0 ~ 20 mA)
        public readonly bool IsSeizureSuppressionActive;// 발작 억제 광자극 작동 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OptoStimulationOutput(double phase, double metric, double current, bool isActive)
        {
            InstantaneousPhaseRad = phase;
            SeizureIntensityMetric = metric;
            CommandedLedCurrentMa = current;
            IsSeizureSuppressionActive = isActive;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 광유전학 채널로돕신 신경망 위상 잠금 억제 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct OptogeneticsNeuralSyncEngine
    {
        private const double MaxLedCurrentMa = 20.0;    // 최대 LED 전류 (20 mA)
        private const double SeizureThreshold = 450.0;  // 발작 감지 임계치 (450 uV)

        // 고속 직교 필터 상태 변수 (Hilbert 근사 1차 올패스/차동 필터)
        private double _filterStateX;
        private double _filterStateY;
        private double _energyState;
        private double _lastTimestamp;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _filterStateX = 0.0;
            _filterStateY = 0.0;
            _energyState = 0.0;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) LFP 전압 기반 역위상 광자극 펄스 산출 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OptoStimulationOutput ProcessTick(in LfpNeuralSensorFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 기본 주기
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            double rawLfp = frame.LfpVoltageMicrovolts;

            // 1. 발작 신호 에너지 (이동 분산) 산출
            double lfpSquared = rawLfp * rawLfp;
            _energyState = 0.98 * _energyState + 0.02 * lfpSquared;
            bool isSeizure = Math.Sqrt(_energyState) > SeizureThreshold;

            // 2. 직교 2상 위상 분해 (In-phase x, Quadrature y)
            // 20Hz 간질 델타-세타파 대역 직교 근사
            _filterStateX = rawLfp;
            double alpha = 0.85;
            _filterStateY = alpha * _filterStateY + (1.0 - alpha) * (rawLfp - _filterStateX);

            double instantaneousPhase = Math.Atan2(_filterStateY, _filterStateX);

            // 3. 역위상(pi) 광자극 펄스 강도 산출
            // 순간 위상이 발작 파동의 정점 부근일 때 역위상 억제 펄스 방출
            double ledCurrent = 0.0;
            if (isSeizure)
            {
                // 위상각이 0 부근(정점)일 때 최대 광출력 매핑
                double phaseAlignment = Math.Cos(instantaneousPhase);
                if (phaseAlignment > 0.3)
                {
                    ledCurrent = phaseAlignment * MaxLedCurrentMa;
                }
            }

            // 체온 안전 한계 (40도 이상 시 조직 손상 방지 인터록)
            if (frame.OptrodeTemperatureC > 39.5)
            {
                ledCurrent = 0.0;
            }

            return new OptoStimulationOutput(
                phase: instantaneousPhase,
                metric: _energyState,
                current: ledCurrent,
                isActive: isSeizure && (ledCurrent > 0.0)
            );
        }
    }
}