KR20070005982A - Implantable brain activity monitoring and electrical stimulation system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1는 뇌의 대략적 형태 및 영역별로 다른 기능을 수행하는 뇌의 구조적 특징을 보여주고 있다.1 illustrates structural features of the brain that perform different functions according to the approximate shape and regions of the brain.
도 2은 뇌 조직 중 운동 기능을 수행하는 영역의 상세도를 보여주고 있다.Figure 2 shows a detailed view of the area performing the motor function in the brain tissue.
도 3은 본 발명에서 제안된 뇌 삽입형 측정-자극 시스템의 일 실시예로서 뇌 조직 내에 삽입된 전극과 이에 연결된 귀 뒤편의 공간에 삽입된 측정-자극 장치를 보여주고 있다.3 shows an electrode inserted into brain tissue and a measurement-stimulation device inserted into a space behind an ear connected thereto as an embodiment of the brain implantable measurement-stimulation system proposed in the present invention.
도 4은 삽입형 측정-자극 장치의 구성요소인 전극, 와이어, 활동전위 측정 장치, 전기 자극 장치, 외부와의 무선 통신 장치를 보여주고 있다.4 shows an electrode, a wire, an action potential measuring device, an electrical stimulation device, and a wireless communication device with the outside which are components of the implantable measuring-stimulating device.
도 5은 신경 조직의 자극에 적합한 양방향 전위를 갖는 자극 파형을 보여주고 있다.5 shows a stimulus waveform with bidirectional potentials suitable for stimulation of neural tissue.
도 6은 체내에 삽입된 측정-자극 장치와 다양한 외부기기와의 정보교환 방식을 모식도로 보여주고 있다. Figure 6 shows a schematic diagram of a method of exchanging information between a measurement-stimulation device inserted into the body and various external devices.
도 7은 체내 삽입 측정-자극 장치를 이용한 인간-컴퓨터 인터페이스 방식을 보여주고 있다.7 shows a human-computer interface approach using an in-body insertion measurement-stimulation device.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 인체의 외형101: the appearance of the human body
102 : 뇌신경 조직102: cranial nerve tissue
103 : 뇌 조직 내부에 삽입된 전극103: electrode inserted inside the brain tissue
104 : 삽입된 측정-자극 장치와 전극을 연결하는 와이어104: wire connecting the inserted measurement-stimulation device and the electrode
105 : 귀 뒤편 공간에 삽입된 측정-자극장치105: measurement-stimulation device inserted in the space behind the ear
106 : 삽입형 측정-자극 장치의 케이스106: case of the insertion-type measurement-stimulation device
107 : 삽입형 측정-자극 장치에서 뇌 신경조직 활동전위 측정 모듈107: Brain Neural Activity Potential Measurement Module in Implant-Stimulated Device
108 : 삽입형 측정-자극 장치에서 전기 자극 모듈108: Electrical Stimulation Module in Implantable Measurement-Stimulation Device
109 : 삽입형 측정-자극 장치에서 외부와의 무선통신을 위한 RF 모듈109: RF module for wireless communication with the outside in the insert measurement-stimulation device
110 : 삽입형 측정-자극 장치의 배터리 및 전원 장치110: battery and power supply of the insertion measurement-stimulation device
111 : 양방향 (biphasic) 전위를 갖는 자극 파형111: stimulus waveform with biphasic potential
112 : 휴대폰 혹은 이동통신 기기112: mobile phone or mobile communication device
113 : 디지털 홈 네트워크 단말기 혹은 셋톱박스 (Set-top box)113: Digital home network terminal or set-top box
114 : 삽입형 측정-자극 장치를 외부에서 제어하는 의사 및 사용자용 단말기114: Doctor and user terminal for externally controlling the insertion-type measurement-stimulation device
115 : RF 통신 모듈이 장착된 PC 혹은 내장형 (embedded) 단말기115: PC or embedded terminal with RF communication module
본 발명은 인체내 삽입형 생체 전위 측정 및 전기 자극 장치에 관한 것으로, 특 히 뇌의 특정 영역에 전극을 위치시켜 국소적인 뇌신경조직의 활동 전위를 측정할 뿐 아니라, 전기적인 자극을 선별적으로 가할 수 있는 장치의 구성과 이를 이용한 치료 및 인간-컴퓨터 인터페이스 등에 사용하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an implantable biopotential measurement and electrical stimulation device in the human body, and in particular, by placing the electrode in a specific region of the brain to measure the action potential of the local cranial nerve tissue, it is possible to selectively apply electrical stimulation. The present invention relates to a configuration of a device and a method for use in the treatment and human-computer interface.
현재 인체 삽입형 전자 장치는 심박동 발생기 (Pacemaker), 삽입형 보청기 등을 비롯하여 간질, 파킨슨씨 증후군 등의 증상 완화 목적으로 쓰이는 뇌 삽입형 자극기 (Deep Brain Stimulator) 등 인체 내의 장기 기능을 보조하거나, 질병의 증상을 완화시킬 목적으로 의료 분야에서 다양하게 사용되고 있다. 종래에는 인체에 삽입된 후, 미리 지정된 개별 기능을 수행할 뿐 장치 제어의 목적 이외에 외부와의 다양한 데이터 송수신, 특히 RF 방식에 의한 무선통신과 다양한 네트워크의 구성은 이루어지지 않았다. 또한 그 이용도 의료용 목적에 한정되어 있었다. 최근에는 이동통신과 디지털 홈 네트워크가 발달하고 지능형 단말기, 내장형 시스템 (embedded system)의 사용이 증가함에 따라 각종 생체신호를 무선으로 송수신하여 건강을 모니터링 하는 헬스케어 기술과 다양한 정보 단말기를 제어할 수 있는 인간-컴퓨터 인터페이스 기술도 함께 발전되어 가고 있는 추세이다. 본 발명에서는 이러한 종래 기술의 한계 및 한정된 응용분야를 해결하는 한편 최근의 기술적 추세에 발맞추어, 인체의 뇌 속에 직접 삽입한 전극을 이용해 뇌 신경 조직의 활동전위를 측정하고, 또한 전극을 이용해 전기적 자극을 가하며, RF 방식을 적용하여 외부의 디지털 홈네트워크 혹은 이동 통신 기기와의 연동을 통해 측정 신호의 전송과 적절한 패턴의 자극을 수행하는 장치를 제공하고자 한다. 인체에 직접 삽입된 장치에서 얻은 신호를 무선으로 외부에 전송하면 생체신호의 정확도가 높고, 체외에서 측정하여 얻은 뇌전도 (EEG) 신호보다 정보의 해석이 용이하여 인간-컴퓨터 인터페이스를 위한 세밀한 조작에 활용할 수 있으며, 또한 치료 및 재활 훈련을 위해 신경 조직에 자극을 가하는 경우에 있어서도, 병원을 방문하지 않고도 네트워크와 이동통신망을 통해 일상생활을 하는 중에 적절한 처치를 할 수 있는 장점이 있다. Implantable electronic devices currently support the functioning of organs in the human body such as pacemakers, implantable hearing aids, and deep brain stimulators used to alleviate symptoms such as epilepsy and Parkinson's syndrome. It is widely used in the medical field for the purpose of mitigation. Conventionally, after being inserted into a human body, various data transmission / reception with the outside, in particular, RF communication and various networks are not made in addition to the purpose of controlling a device by performing predetermined individual functions. In addition, its use was limited to medical purposes. Recently, with the development of mobile communication and digital home network, the use of intelligent terminals and embedded systems has increased, it is possible to control health care technology and various information terminals to monitor health by wirelessly transmitting and receiving various biological signals. Human-computer interface technology is also developing. In the present invention, while solving the limitations and limited applications of the prior art, in accordance with the recent technical trend, using the electrode directly inserted into the brain of the human body to measure the action potential of the nerve tissue of the brain, and also the electrical stimulation using the electrode In addition, by applying the RF method to provide an apparatus for transmitting the measurement signal and the stimulation of the appropriate pattern through interworking with an external digital home network or a mobile communication device. When the signal obtained from the device directly inserted into the human body is transmitted to the outside wirelessly, the accuracy of the biological signal is high, and the information is easier to interpret than the EEG signal obtained by measuring in vitro, so it can be used for detailed manipulation for the human-computer interface. In addition, in the case of stimulating the nerve tissue for treatment and rehabilitation training, there is an advantage that can be appropriately carried out during the daily life through the network and mobile communication network without visiting the hospital.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저 전력 동작이 가능하고, 인체의 뇌 내부에 삽입하여, 일정기간 동안, 뇌신경의 활동도를 측정하고, 필요한 전기자극을 가할 수 있는, 초소형 회로, 및 RF 방식의 무선 데이터 송수신을 통해, 디지털 홈 네트워크, 및 이동통신과 연동 가능한 장치의 구성 방법을 제공함에 있다. The technical problem to be achieved by the present invention is a microcircuit, and a RF method of low power operation, which can be inserted into the brain of the human body, can measure the activity of the brain nerves for a certain period of time, and apply the necessary electrical stimulation. The present invention provides a method for configuring a digital home network and a device interoperable with mobile communication through wireless data transmission and reception.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 뇌신경 조직 (도 3의 102) 의 활동 전위를 측정할 수 있는 초소형, 저 전력 회로 (도 4의 107)를 제공한다. 상기 활동 전위 측정 회로는 전위 신호를 증폭하기 위한 연산증폭기 (Op-amp) 신호 대 잡음 비를 개선하기 위한 필터, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그/디지털 변환기 등으로 구성될 수 있다. 상기 연산 증폭기는 전력 소모를 줄이기 위해 저 전력 소자 (TLC2272 등)를 사용하는 것이 바람직하며 측정중이 아닐 때에는 전원을 OFF 상태로 하는 것이 바람직하다. A/D 변환기는 신호 대 잡음 비를 고려하여 12 비트 이상 16 비트 이내로 하는 것이 바람직하다. One aspect of the present invention for achieving the above technical problem provides a microminiature, low power circuit (107 in FIG. 4) capable of measuring the action potential of the cranial nerve tissue (102 in FIG. 3). The active potential measuring circuit may include a filter for improving an op-amp signal-to-noise ratio for amplifying a potential signal, an analog-to-digital converter for converting an analog signal into a digital signal, and the like. The operational amplifier preferably uses a low power device (TLC2272, etc.) to reduce power consumption, and it is preferable to turn off the power supply when not in measurement. The A / D converter is preferably 12 bits or more and 16 bits or less in consideration of the signal-to-noise ratio.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 뇌신경 조직 (도 3의 102) 에 전기 자극을 가할 수 있는 초소형 회로 (도 4의 108) 를 제공한다. 상기 전기 자극용 회로는 정 전압 회로, 디지털/아날로그 변환기 등으로 구성이 가능하다. 상기 전기 자극용 회로는 자극의 지속적인 효과를 얻기 위해 +,- 위상을 모두 갖는 bi-phasic 자극용 (도 5) 회로로 구성하는 것이 바람직하다. Another aspect of the present invention for achieving the above technical problem provides a microcircuit (108 in FIG. 4) capable of applying electrical stimulation to the cranial nerve tissue (102 in FIG. 3). The electrical stimulation circuit can be configured as a constant voltage circuit, a digital-to-analog converter, and the like. The circuit for electrical stimulation is preferably configured as a circuit for bi-phasic stimulation (FIG. 5) having both + and − phases in order to obtain a continuous effect of stimulation.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 측정된 활동 전위 데이터를 외부에 무선으로 전송할 뿐 아니라, 전기자극에 필요한 데이터를 외부로부터 무선으로 전송받을 수 있는 무선 송수신 모듈 (도 4의 109)과의 결합을 제공한다. 상기 무선 전송 모듈은 Radio Frequency (RF) 대역의 송수신 모듈과 송수신을 제반 제어를 담당하는 마이크로콘트롤러 (MCU) 로 구성될 수 있다. 여기서 상기 RF 모듈은 데이터의 외부 및 상호 간섭을 방지하고, 송수신 정보의 보안을 유지하며, 사용자 개인 식별 및 디지털 홈 네트워크, 내장형 기기와의 연결성을 고려한 공인된 표준화된 통신방식 (블루투스, Zigbee 등)을 사용하는 것이 바람직하며, 장기간 사용과 인체내 삽입을 위해서는 저전력, 소규모 방식인 Zigbee 방식이 보다 바람직하다. 상기 RF 방식에 의한 디지털 홈 네트워크, 이동 통신 단말기, 내장형 시스템과의 연동은 디지털 홈 네트워크, 이동 통신 단말기, 내장형 시스템에 동일한 방식의 표준화된 RF 방식을 채택함으로써 구성될 수 있으며, 실제로 최근 이러한 표준화된 RF 데이터 통신방식은 점차로 많은 기기에서 채택되고 있는 추세이다.Another aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a wireless transmission and reception module that can not only wirelessly transmit the measured action potential data to the outside, but also can receive the data necessary for electrical stimulation from the outside (FIG. 4) 109). The wireless transmission module may be configured as a transmission / reception module of a radio frequency (RF) band and a microcontroller (MCU) that is in charge of overall transmission and reception. Here, the RF module prevents external and mutual interference of data, maintains security of transmission and reception information, and is a certified standardized communication method (Bluetooth, Zigbee, etc.) considering user personal identification, digital home network, and connectivity with embedded devices. It is preferable to use the Zigbee method, which is a low-power, small-scale method, is more preferable for long-term use and insertion into the human body. The interworking with the digital home network, the mobile communication terminal and the embedded system by the RF method may be configured by adopting the standardized RF method of the same method for the digital home network, the mobile communication terminal and the embedded system. RF data communication is increasingly being adopted by many devices.
본 발명을 구체적인 실시예의 기재를 통해서 상세히 설명한다. 그러나 기술되는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하다. The present invention will be described in detail through description of specific examples. However, embodiments of the present invention described may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. It is to be understood that embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Therefore, it is preferable that the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated in order to emphasize a more clear description.
도 3은 본 발명에서 제안된 뇌 삽입형 신경 측정-자극 장치의 일 실시예를 보여주고 있다. 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. Figure 3 shows one embodiment of the brain implantable neurometric-stimulating device proposed in the present invention. Elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same element.
본 발명의 일 실시예는 삽입된 장치를 이용해 뇌신경 조직의 활동 전위를 측정하여 외부로 무선으로 전송하는 방법을 보여준다. 뇌신경 조직에 직접 삽입하여 신경의 활동 전위를 얻는 전극 (도 3의 103) 및 연결 케이블 (도 3의 104) 와, 얻어진 신호를 증폭하는 증폭부, 증폭된 신호의 신호대 잡음비를 높이는 필터부, 필터링 된 아날로그 신호를 디지털화 하는 아날로그/디지털 변환부로 구성되어지며, 전극의 모양과 개수, 증폭비, 필터의 통과대역 주파수는 적용하는 환경에 따라 다양한 모양으로 변화되어질 수 있다. 뇌의 각 부분에서 발생하는 활동전위가 서로 중첩되어 얻어지는 뇌전도 (EEG) 신호와 달리 국소적인 활동전위를 바로 측정하여 전송하므로 뇌의 국소적인 활동도의 측정이 가능하다. 도 1 에서 보인 바와 같이 뇌 신경조직은 그 영역에 따라 특정한 기능을 수행하며 도 2 에서 보이는 뇌의 운동영역 (Motor Cortex) 에 적절히 전극 (도 3의 103) 을 삽입하여 그 국소적인 활동도를 측정하면 해당 신체부위의 움직임에 관한 정보를 얻을 수 있게 된다. 움직임에 관한 정보는 무선으로 외부에 전송되어 컴퓨터와 내장형 시스템들의 제어 (도 7의 115) 에 사용되는 인간-컴퓨터 인터페이스의 수단으로 이용될 수 있다. 간질과 같 은 뇌 질환 이 있는 경우 의학적으로 밝혀진 영역에 전극을 삽입하여 활동도를 측정하면 간질의 발생 조짐을 미리 파악하는 것도 가능하다. One embodiment of the present invention shows a method for measuring the action potential of the cranial nerve tissue using an inserted device and wirelessly transmitting it. An electrode (103 in FIG. 3) and a connecting cable (104 in FIG. 3), which are directly inserted into the cranial nerve tissue to obtain an action potential of the nerve, an amplifying unit for amplifying the obtained signal, a filter unit for raising the signal-to-noise ratio of the amplified signal, and filtering It consists of an analog / digital converter to digitize the analog signal, and the shape and number of electrodes, the amplification ratio, and the passband frequency of the filter can be changed into various shapes according to the application environment. Unlike electroencephalogram (EEG) signals obtained by overlapping action potentials in each part of the brain, local activity potentials can be measured and transmitted directly, so local activity of the brain can be measured. As shown in FIG. 1, the brain nerve tissue performs a specific function according to the area, and the electrode (103 of FIG. 3) is appropriately inserted into the motor cortex of the brain shown in FIG. 2 to measure its local activity. If you can get information about the movement of the body part. Information about movement can be transmitted to the outside wirelessly and used as a means of the human-computer interface used for control of the computer and embedded systems (115 in FIG. 7). In the case of brain diseases such as epilepsy, it is also possible to identify the signs of epilepsy by measuring the activity by inserting electrodes in the medically known areas.
본 발명의 다른 일 실시 예는 삽입된 전기 자극 장치를 이용해 치료 중인 뇌졸중 환자들에게 있어서, 공통적으로 적용되는 치료용 자극 패턴을 다수의 환자들에게 일시에 전송하는 Broadcasting 의 방법을 보여준다. 삽입형 자극 장치 (도 3의 105)가 RF 방식에 의해 디지털 홈 네트워크 (도 6의 113) 에 연결 가능하므로 중앙의 의료 서버에서 적절한 자극패턴의 파라미터와 자극 시점에 관련한 정보를 디지털 홈 네트워크에 Broadcasting 하면 삽입형 자극 장치에 전송되어 자극이 수행되어 사용자는 가정 내에서 정해진 시간에 치료 혹은 재활 훈련을 받을 수 있게 된다. 또한 삽입형 자극 장치 (도 3의 105) 는 RF 방식에 의해 이동통신 단말기 (도 6의 112) 에 연결 가능하므로 중앙의 의료 서버에서 자극관련 데이터를 이동통신 단말기에 Broadcasting 하면 사용자는 집 바깥의 외부에서도 적절한 치료 혹은 재활 훈련을 받을 수 있게 된다. Another embodiment of the present invention shows a method of broadcasting that transmits a commonly applied therapeutic stimulation pattern to a plurality of patients at a time in stroke patients being treated using an inserted electrical stimulation device. Since the implantable stimulation device (105 in FIG. 3) can be connected to the digital home network (113 in FIG. 6) by the RF method, broadcasting the information related to the parameters of the appropriate stimulation pattern and the stimulation time point from the central medical server to the digital home network. The stimulus is transmitted to the implantable stimulation device so that the user can receive treatment or rehabilitation training at a fixed time in the home. In addition, the implantable stimulation device (105 in FIG. 3) can be connected to the mobile communication terminal (112 in FIG. 6) by the RF method, so that when the stimulus-related data is broadcasted to the mobile communication terminal at the central medical server, the user may be outside the home Appropriate treatment or rehabilitation training will be provided.
본 발명에 따른 삽입형 뇌 측정-자극 장치는 뇌졸중 치료, 간질, 파킨슨씨 병등의 증상 완화를 이룰 수 있으며, 그 이외에도 인간-컴퓨터 인터페이스, 초소형 지능형 센서 어래이의 다차원적 감지 신호 해석 등에도 적용될 수 있다. 또한 표준화된 RF 방식에 의해 디지털 홈네트워크, 이동통신 단말기, 내장형 시스템과 연동이 가능하므로 해당 기술 분야의 응용분야 확대에도 기여할 수 있는 효과가 있다.The implantable brain measurement-stimulating device according to the present invention can achieve symptomatic relief of stroke treatment, epilepsy, Parkinson's disease, etc., and can be applied to multi-dimensional sensing signal analysis of human-computer interface, micro intelligent sensor array, and the like. In addition, since it is possible to interwork with digital home network, mobile communication terminal and embedded system by standardized RF method, there is an effect that can contribute to the expansion of application field of the technical field.
Claims (10)
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2005
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