KR101953615B1

KR101953615B1 - 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터

Info

Publication number: KR101953615B1
Application number: KR1020170133997A
Authority: KR
Inventors: 권영우; 서광석; 오성욱; 서태윤; 조제원; 허여울
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 가톨릭관동대학교산학협력단
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-03-04
Also published as: WO2019078582A1

Abstract

본 발명은 뇌 자극을 위한 입력신호가 공급되는 어플리케이터의 LC 공진회로에서 커패시터용 금속판의 너비나 틈 또는 리액터 기능을 하는 숏스텁의 길이를 조절하여 뇌 자극의 범위나 세기를 조절할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 기판; 상기 기판의 상부에 위치하여 입력신호를 공급받는 상부 판; 및 상기 기판의 하부에 위치하고 상기 입력신호의 주파수에서 공진하는 LC 공진회로를 구비하여 뇌의 치료 부위에 비침습적으로 전기장을 가하는 하부 판을 포함하되, 상기 LC 공진회로는 틈을 두고 대칭적으로 형성된 제1금속판 및 제2금속판으로 이루어진 커패시터 및, 리액터 기능을 수행하기 위해 상기 커패시터에 좌우 대칭으로 각기 연결된 제1숏스텁 및 제2숏스텁을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터{APPLICATOR USING METAL PLATE AND SHORT STUB FOR BRAIN STIMULATION}

본 발명은 마이크로파 신호를 이용하여 뇌 질환 환자의 뇌에 전기적인 자극을 가하는 어플리케이터에 관한 것으로, 특히 마이크로파 신호가 공급될 때 커패시터용 금속판의 너비나 틈 또는 리액터 기능을 하는 숏 스텁(short stub)의 길이를 조절하여 뇌 자극의 범위나 세기를 조절할 수 있도록 한 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 인간의 뇌는 뇌 속에 분포된 생체 조직들이 활성화 또는 비활성화되면서 전기적인 신호를 전달하여 인간의 행동을 통제하거나 감정 등을 표현하는 기능을 수행한다. 이러한 기능을 수행하는 뇌를 치료하는 방법 중 대표적인 것으로 약물을 사용한 치료 방법이다. 그런데, 약물 치료 방법으로 뇌의 특정 부위만을 자극하는 것이 불가능하므로 약물을 사용한 치료 방법으로 뇌의 특정 부위를 치료하는 것은 매우 어려운 일이다.

이에 비하여 전기를 이용한 뇌 치료 방법은 뇌의 특정 부위에만 선택적으로 자극을 주어 그 부위만 치료하는 것이 가능하다. 전기를 이용한 뇌 치료 방법은 침습적 방법과 비침습적 방법이 있다. 침습적 방법인 뇌 심부 자극술(Deep brain stimulation: DBS)은 외과적 수술을 통해 뇌의 특정 부위에 탐침을 이식 또는 삽입한 후 그 탐침을 통해 해당 부위에 전기자극을 주어 뇌를 치료하는 방법이다. 이에 비하여 비침습적 방법인 경두개 자기 자극술(Transcranial magnetic stimulation: TMS)은 두개골 외부에서 강한 자기장을 발생하여 피질의 신경세포에 유도 전류를 발생시켜 뇌를 치료하는 방법이다. 그런데, 이러한 경두개 자기 자극술을 이용하여 뇌를 치료하는 경우 자기장이 분포되는 범위가 뇌 전체를 포함한다. 이때, 자기장으로 유도되는 유도 전류의 침투 깊이는 두개골 아래 1~2 cm 정도 깊이의 뇌 피질을 목표로 하지만, 광범위한 자기장 분포로 인하여 정확하게 목표 부위를 자극하는데 어려움이 있다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위해 최근 들어 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극술에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 마이크로파 신호 대역 중 뇌 자극에 사용되는 GHz 대역의 신호는 생체 조직에서의 파장이 수 cm에서 수 mm에 불과하여 기존의 경두개 자기 자극술과 비교하여 전자기장의 분포 범위를 작게 할 수 있는 장점이 있다. 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극술은 마이크로파 신호 대역의 전자기장을 이용하여 비침습적인 방법으로 뇌 신경에 변화를 발생시키는 것으로 뇌 자극용 어플리케이터를 사용하여 이루어진다. 그리고, 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극술은 마이크로파 신호 전자기장이 두피와 두개골을 통과하여 뇌 신경에서 전기적 전위차를 발생시키는 원리를 바탕으로 한다.

뇌 자극을 이용한 치료법은 치료하고자 하는 뇌 질환에 따라 자극해야 하는 위치가 다르다. 예들 들면, 운동성 장애가 있는 질병을 치료하고자 할 때는 운동 피질을 자극하여 운동신경에 대해 흥분 또는 억제 효과를 얻어야 한다. 따라서, 뇌 자극용 어플리케이터를 이용하여 뇌를 자극할 때 운동 피질 이외의 뇌 신경의 자극은 부작용을 발생시킬 수 있으므로 원하는 자극 범위를 설정할 수 있고 자극의 세기를 원하는 정도로 발생할 수 있어야 한다.

그러나, 종래 기술에 의한 마이크로파를 이용한 뇌 자극용 어플리케이터는 치료하고자 하는 뇌신경의 범위를 원하는 범위로 설정하고, 그 설정된 부위에 가해지는 자극의 세기를 원하는 세기로 설정하는데 어려움이 있어 뇌 자극 치료에 어려움이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 뇌 자극을 위한 마이크로파 신호가 공급되는 어플리케이터의 LC 공진회로에서 커패시터용 금속판의 너비나 틈 또는 리액터 기능을 하는 숏스텁의 길이를 조절하여 뇌 자극의 범위나 세기를 조절할 수 있도록 하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극 어플리케이터는, 비아홀들을 갖는 기판; 상기 기판의 상부에 위치하여 입력신호를 공급받는 상부 판; 상기 기판의 하부에 위치하고 상기 입력신호의 주파수에서 공진하는 LC 공진회로를 구비하여 뇌의 치료 부위에 비침습적으로 전기장을 가하되, 상기 LC 공진회로는 틈을 두고 대칭적으로 형성된 제1금속판 및 제2금속판으로 이루어진 커패시터 및, 상기 커패시터에 좌우 대칭으로 각기 연결된 제1숏스텁 및 제2숏스텁을 구비하는 하부 판; 및 상기 상부 판과 상기 하부 판을 전기적으로 연결하고, 상기 입력신호를 상기 LC 공진회로에 전달하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 마이크로파를 이용하여 뇌 질환 환자의 뇌에 전기적인 자극을 가하는 어플리케이터에서, 마이크로파 신호가 공급되는 커패시터용 금속판의 너비나 틈 또는 리액터 기능을 하는 숏스텁의 길이를 조절하여 뇌 자극의 범위나 세기를 조절할 수 있도록 함으로써, 뇌 자극의 범위를 원하는 국소적인 범위로 설정하여 원하는 범위 및 세기의 뇌 자극을 가할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터의 분해 사시도이다.
도 2는 기판에 상부 판이 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 기판에 하부 판이 결합된 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터의 분해 사시도로서 이에 도시한 바와 같이, 어플리케이터(100)는 비아홀(111)들을 갖는 기판(110), 상기 기판(110)의 상부에 위치하여 입력신호를 공급받는 상부 판(120), 상기 기판(110)의 하부에 위치하고 상기 입력신호의 주파수에서 공진하는 제1,2숏스텁(133a,133b)과 커패시터(134)로 이루어진 LC 공진회로를 구비하여 뇌의 치료 부위에 비침습적으로 전기장을 가하는 하부 판(130) 및 상기 비아홀(111)들을 관통하는 연결봉(141,142)들을 구비하여 상기 상부 판(120)과 상기 하부 판(130)을 전기적으로 연결하는 연결부(140)를 포함한다. 상기 연결봉(141,142)의 구조는 특별하게 한정되지 않으며, 상기 상부 판(120)과 상기 하부 판(130)을 전기적으로 연결하는 기능을 수행하기 위한 여러 가지 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 전체가 봉 형태의 도체로 이루어지거나, 일부는 부도체(예: 플라스틱)로 이루어지고 나머지 부분은 도체로 이루어질 수 있다.

도 2는 연결부의 연결봉들에 의하여 기판과 상부 판이 결합된 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 연결부의 연결봉들에 의하여 기판과 하부 판이 결합된 상태를 나타낸 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 어플리케이터의 작용을 설명하면 다음과 같다.

기판(110)은 목표로 하는 유전율을 갖는 기판으로서 복수 개의 비아홀(111)들을 구비한다. 상기 기판(110)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 유전체 기판으로 구현될 수 있다.

상부 판(120)은 상기 기판(110)의 상부에 위치하여 외부로부터 입력신호(MS)를 공급받는다. 상기 입력신호(MS)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 마이크로파 신호일 수 있다. 이 때 마이크로파신호(MS)로 초고주파(예: 6.5GHz 내외)가 인가될 수 있다. 이를 위해 상부 판(120)은 신호 입력부(121)와 접지부(122)를 구비한다. 신호 입력부(121)는 금속 성분의 판(금속판)으로 이루어져 상기 입력신호(MS)를 공급받는 역할을 한다. 접지부(122)는 금속판으로 이루어져 어플리케이터(100)의 접지 기능을 수행한다. 상기 신호 입력부(121)에서 공급받는 입력신호(MS)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 마이크파 신호일 수 있다.

하부 판(130)은 LC 공진회로를 구비하고 상기 기판(110)의 하부에 위치하여, 상기 입력신호(MS)의 주파수에서 공진한다. 이에 따라, 뇌의 치료 부위에 비침습적으로 전기장이 가해진다. 이를 위해 하부 판(130)은 플레이트(131) 및 LC 공진회로(132)를 구비한다. 상기 LC 공진회로(132)는 리액터 기능을 하는 제1,2숏스텁(133a, 133b)과 커패시터(134)로 이루어진다. 하부 판(130)은 금속으로 이루어지므로 뇌 자극 부위에 접촉되는 전기장이 아닌 전류가 뇌 자극 부위에 전달되어 본의 아니게 부작용이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 하부 판(130)을 절연체로 코팅하는 것이 바람직하다.

연결부(140)는 상기 비아홀(111)들을 관통하는 연결봉(141,142)들을 구비하는데, 이들 중에서 연결봉(141)들은 상기 상부 판(120)과 상기 하부 판(130)을 전기적으로 연결하여 상부 판(120)과 하부 판(130)의 전위를 동일하게 해 주는 역할을 하고, 연결봉(142)은 하기의 설명에서와 같이 입력신호(MS)를 전달하는 역할을 한다. 외부로부터 공급되는 입력신호(MS)는 상기 상부 판(120)의 신호 입력부(121)를 통해 입력된 후 상기 연결부(140)의 연결봉(142)을 통해 상기 LC 공진회로(132)에 전달된다. 이에 따라, 상기 설명에서와 같이 제1,2숏스텁(133a,133b)과 커패시터(134)로 이루어진 LC 공진회로(132)가 상기 입력신호(MS)의 주파수에서 공진하여 뇌의 치료 부위에 비침습적으로 전기장이 가해진다.

어플리케이터(100)는 기판(110)의 하부에 결합된 하부 판(130)으로부터 뇌에 자극신호가 입사되어야 하는 구조적인 특성상 상부 판(120)의 신호 입력부(121)와 하부 판(130)의 커패시터(134)가 대칭 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 커패시터(134)는 플레이트(131)의 일측에 소정의 틈(G)을 두고 대칭적으로 형성된 제1금속판(134a) 및 제2금속판(134b)으로 이루어진다. 그리고, 상기 제1,2숏스텁(133a,133b)은 상기 커패시터(134)의 제1,2금속판(134a),(134b)에 좌우 대칭으로 연결된 구조를 갖는다. 즉, 상기 제1숏스텁(133a)은 상기 제1,2금속판(134a), (134b)의 일측을 디귿자(ㄷ) 구조로 연결하는 구조로 갖고, 제2숏스텁(133b)은 상기 제1,2금속판(134a), (134b)의 타측을 디귿자(ㄷ) 구조로 연결하는 구조를 갖는다.

커패시터(134)의 제1금속판(134a)과 제2금속판(134b)의 틈(G)에서 생기는 전자기장 분포도는 제1,2숏스텁(133a),(133b)을 이루는 금속의 영향을 받는다. 이를 감안하여 커패시터(134)의 틈(G)을 기준으로 전자기장이 대칭적이고 한정적으로 분포되도록 커패시터(134)를 기준으로 좌우 대칭으로 제1,2숏스텁(133a,133b)을 배치하였다.

커패시터(134)의 특성상 틈(G)에 전기 에너지가 집중되어 그 틈(G)의 하부에 위치한 뇌에 전기장이 집중된다. 이에 따라, 치료하고자 하는 뇌 부위에 전기장이 집중적으로 분포하게 되고, 이에 의해 해당 부위의 신경에서 높은 전위차가 발생되어 효과적인 뇌 자극 치료가 이루어진다.

LC 공진회로(132)의 공진 주파수를 조절하고자 하는 경우, 원래의 LC 공진회로(132)를 상기 커패시터(134)의 제1,2금속판(134a),(134b)의 너비가 조정되거나 상기 제1숏스텁(133a)의 길이 및 상기 제2숏스텁(133b)의 길이가 조정된 LC 공진회로(132)로 교체한다. 어플리케이터(100)를 이용한 뇌 자극 범위를 조절하고자 하는 경우, 원래의 커패시터(134)를 틈(G)이 조정된 커패시터(134)로 교체한다.

상기와 같이 LC 공진회로(132)의 공진 주파수를 조절하기 위해 커패시터(134)의 제1,2금속판(134a),(134b)의 너비가 조정되는 경우, 상기 신호 입력부(121)로부터 상기 커패시터(134)의 제1,2금속판(134a),(134b)에 이르는 경로의 특성 임피던스를 원래의 특성임피던스로 유지할 수 있도록 원래의 기판(110)을 유전 상수가 조정된 기판(110)으로 교체하거나, 두께가 조정된 기판(110)으로 교체해야 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 어플리케이터 110 : 기판
111 : 비아홀 120 : 상부 판
121 : 신호 입력부 122 : 접지부
130 : 하부 판 131 : 플레이트
132 : LC 공진회로 133a : 제1숏스텁
133b : 제2숏스텁 134 : 커패시터
134a : 제1금속판 134b : 제2금속판
140 : 연결부 141,142 : 연결봉

Claims

비아홀들을 갖는 기판;
상기 기판의 상부에 위치하여 입력신호를 공급받는 상부 판;
상기 기판의 하부에 위치하고 상기 입력신호의 주파수에서 공진하는 LC 공진회로를 구비하여 뇌의 치료 부위에 비침습적으로 전기장을 가하되, 상기 LC 공진회로는 틈을 두고 대칭적으로 형성된 제1금속판 및 제2금속판으로 이루어진 커패시터 및, 상기 커패시터에 좌우 대칭으로 각기 연결된 제1숏스텁 및 제2숏스텁을 구비하는 하부 판; 및
상기 상부 판과 상기 하부 판을 전기적으로 연결하고, 상기 입력신호를 상기 LC 공진회로에 전달하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 기판은 목표로 하는 유전율을 갖는 유전체 기판인 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 입력신호는 마이크로파인 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 상부 판은
금속판으로 이루어져 상기 입력신호를 공급받는 신호 입력부 및
금속판으로 이루어져 상기 어플리케이터의 접지 기능을 수행하는 접지부를 구비한 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제4항에 있어서, 상기 신호 입력부는 상기 커패시터와 대칭적인 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 하부 판은 절연체로 코팅된 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 제1숏스텁은
상기 제1금속판 및 상기 제2금속판의 일측을 디귿자 구조로 연결하는 구조를 갖고, 상기 제2숏스텁은 상기 제1금속판 및 상기 제2금속판의 타측을 디귿자 구조로 연결하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제7항에 있어서, 상기 제1숏스텁 및 제2숏스텁의 길이를 조정하는 것에 의해 상기 LC 공진회로의 공진 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 커패시터의 용량은
상기 제1금속판 및 제2금속판의 너비가 조정되는 것에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 어플리케이터에 의한 뇌 자극 범위는
상기 제1금속판 및 제2금속판의 틈에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제1항에 있어서, 상기 연결부는
상기 상부 판과 상기 하부 판을 전기적으로 연결하기 위하여, 상기 비아홀들을 관통하는 연결봉들을 구비한 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.
제11항에 있어서, 상기 연결봉은
전체가 봉 형태의 도체로 이루어지거나, 일부는 도체로 이루어지고 나머지는 부도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터.