KR101051026B1 - 생체 자극 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 신호를 발생하기 위한 광 신호를 조사하는 광원부; 수신한 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지부; 및 상기 전기 신호를 이용하여 생체를 자극하는 전극부를 포함하고, 상기 광기전력 전지부 및 상기 전극부는 생체 내에 이식되는 생체 자극 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치는 플렉서블한 형태로 제작하여 환자에게 장치를 이식할 수 있는 영역의 선택의 폭을 넓힐 수 있고, 광기전력 전지부를 구비함으로써 종래에 배터리 교체를 위한 재수술이 불필요하다.
신경 자극, 생체 자극, 광 신호

Description

생체 자극 장치{Apparatus for Stimulating Living Body}
본 발명은 생체 자극을 위한 자극 장치에 관한 것으로서, 광 신호로 자극 신호를 유발하는 것으로, 생체 내에 이식이 용이한 형태로 제작할 수 있고 배터리를 사용하지 않아 장시간 동안 장착할 수 있는 생체 자극 장치에 관한 것이다.
신경 전기 자극기는 파킨슨환자에게 적용하는 심뇌자극기(deep brain stimulation; DBS), 간질 환자에게 적용하는 미주 신경 자극기(vagus nerve stimulation; VNS), 만성통증환자에게 적용하는 척추 자극기(spinal cord stimulation; SCS) 등이 대표적이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 척추 자극기를 인체 내에 이식한 것을 나타낸 도면이다. 펄스 생성기를 사용자의 옆구리의 장골 위에 이식하고, 전극을 자극 부위에 이식하여, 전기 자극기와 전극 사이를 전선(wire)으로 연결하여 척추 신경을 자극한다. 종래의 척추 자극기는 전극을 척추에 부착하고 전기 자극기를 옆구리의 장골위에다 이식하는 장치로서 배터리를 사용하므로 영구적인 사용이 불가능하여 배터리를 교체하기 위해 5년 정도에 한번씩 재수술을 해야 한다.
최근에 척추 자극기에 충전지를 채용하여 사용기간을 10년 정도까지 늘리고, 크기에서도 개선이 있어 두께는 1 cm 이고 크기는 지름이 3 cm 정도까지 개발된 제품이 나왔다. 그러나, 여전히 배터리 교체를 위한 재수술의 필요성은 여전하다. 따라서, 사용기간을 늘리고 생체 내에 이식이 용이한 자극 장치의 필요성이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 제안된 것으로서, 생체 자극 장치를 구현함에 있어서, 장치의 이식되는 부분을 플렉서블하게 제작하여 이식 부위를 다양화하고, 생체 내에 이식을 용이하게 하며, 복수 개를 동시에 이식할 수 있는 생체 자극 장치를 제공한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치는, 전기 신호를 발생하기 위한 광 신호를 조사하는 광원부; 수신한 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지부; 및 상기 전기 신호를 이용하여 생체를 자극하는 전극부를 포함한 생체 자극 장치이다.
본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치는 플렉서블한 형태로 제작하여 환자에게 장치를 이식할 수 있는 영역의 선택의 폭을 넓힐 수 있다. 생체내의 이식할 수 있는 영역이 다양화됨에 따라, 여러 개를 이식할 수 있다.
또한, 일반 배터리 대신 광기전력 전지를 사용함으로써, 배터리 교체를 위한 재수술의 필요성이 사라진다.
RF 송수신 방식을 사용하여 광원부에서 환자가 원하는 만큼의 전압이 생성되도록 할 수도 있을 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 인체 내에 삽입된 모습을 나타낸 도면이다.
광 신호를 수신하면 전원이 발생되는 광기전력 전지부를 피하에 이식하고 전선을 통해 신경에 부착된 전극부와 연결한다. 여기서 광 신호라 함은, 생체의 피부를 투과할 수 있는 것을 의미하며, 본 실시예에서는, 여러 광 신호 중에 적외선 신호에 대해서 설명하도록 한다.
상기 광기전력 전지부 위에 휴대 가능한 광원부로 적외선(100Hz, 100us)을 펄스 형태로 조사하면 신경에 고주파수 전기 자극(High frequency electrical stimulation; HFS)이 되어 치료 효과를 얻을 수 있다. 여기서, ‘광기전력 전지부 위’라는 것은 광원부의 광 신호가 도달할 수 있는 위치를 설명하는 것이다.
상기 광기전력 전지부는 전기 자극 발생 소자로서 광기전력 전지를 채용하고 이것을 구부러지는 기판에 집적한다. 상기 광기전력 전지부와 이것에 연결된 전극부를 생체 내에 이식한다. 일반적인 배터리 대신 광기전력 전지를 사용함으로써 구부러지는 기판에 광기전력 전지부를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치는 생체에 이식할 때와 이식 후의 부담을 최대한 감소시킬 수 있으며 무게는 1 g 이하, 부피는 100 mm3 로 제작할 수 있다.
작동 전원은 외부의 휴대 가능한 광원부를 사용하므로 광기전력 전지는 전원 장치나 제어 장치가 필요 없어 소형화가 가능하다. 즉, 광기전력 전지부가 플렉서블하고, 종래 기술에서 사용된 자극 장치의 전원 제어를 위한 회로를 생체 내에 이식할 필요가 없으므로 소형으로 제작이 가능하므로 생체 내의 이식 부위의 범위 제한이 줄어들고, 광기전력 전지를 채택함으로써 일반 배터리를 채택한 경우보다 사용 기간을 늘릴 수 있다.
광기전력 전지부는 빛을 받아서 전기를 생산하는 것으로, 보통 25년의 사용기간이 보장되며 10 V 이상의 전압을 생성하도록 제작할 수 있다.
신경에 전기 자극을 주었을 때 중요한 것은 주변의 신경 세포들을 활성화 시킬 수 있어야 한다는 것이다. 통상적으로 뇌에는 직류보다는 펄스 형태의 전류가 신경 세포를 활성화시키며 중요한 변수는 펄스의 세기, 지속시간, 빈도이다. 휴대 가능한 광원부는 적외선을 발광하는 LED 를 펄스 신호를 통하여 발광하도록 만든 장치로써, 여기서 나오는 적외선을 광기전력 전지부에 조사하면 펄스 형태의 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 따라서 신경에 펄스 형태의 전기 신호를 인가할 수 있다.
빛을 전류로 바꾸는 기술은 물리적으로 광전 효과를 이용한 것이며 포토 다이오드(photodiode), 포토 트랜지스터(phototransistor), 광기전력 전지(photovoltaic cell) 등의 반도체 소자로 개발되어 사용되고 있으며 태양 전지, 카메라 등을 제작하는데 널리 응용되고 있다. 빛의 파장 대에 따라 특이적으로 작동하는 반도체의 제작도 가능하다. 이중에 광기전력 전지는 포토 다이오드와 작동원리가 같으며 빛을 받으면 전기를 생성하는 성질이 있어 태양광 발전에 사용된다. 광기전력 전지에 필터를 씌워 적외선 (700 내지 1100 ㎚)에 특이적으로 반응하도록 하면 적외선만을 이용해 전기 신호를 생성할 수 있다.
광기전력 전지에 조사하는 광원으로는 발광 다이오드(LED), 레이저(Laser) 등이 사용되는 데 LED 는 저전압, 저전류에서 작동하고 광 특성은 일반적으로 생체에 무해하며, 작동 속도가 빨라 수십 ㎑ 정도의 고주파 pulse 에도 잘 작동한다. 상용화된 적외선 LED 중에는 상승 시간(rise time) 이 약 2 ㎲, Radiant flux 는 15 ㎽ 로서 25㎝ 정도의 거리에서 광기전력 전지에 전기를 생성할 수 있다.
결론적으로 적외선 발광 LED 모듈을 피하에 이식된 광기전력 전지부(적외선 필터 채용)에 접근 시키고 펄스 형태의 광 신호를 조사하면, 광기전력 전지부가 펄스 전류를 발생시켜 전극을 통하여 신경에 HFS를 인가하여 치료 효과를 얻는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 작동 방법 순서도를 나타낸 도면이다. 상기 생체 자극 장치는, 광원부에서 광기전력 전지부를 동작시키기 위한 광 신호를 조사한다(S300). 상기 광기전력 전지부의 광기전력 전지는 상기 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성한다(S310). 상기 생성된 전기 신호를 전극을 이용하여 생체에 인가하고(S320), 상기 전기 신호의 크기를 모니터링 하여 상기 광원부로 그 정보를 피드백한다(S330). 상기 피드백하는 단계는, 광기전력 전지가 생성한 전압을 검출하여, 상기 광기전력 전지부에서 상기 광원부로 전송하고, 이를 수신한 상기 광원부에서 입력하려고 했던 전기 신호의 크기에 맞춰서 광 신호의 세기를 제어하는 동작이 이루어진다. 또한, 상기 광기전력 전지가 생성한 전압을 검출 하여, 사용자(환자, 생체 자극 장치를 이식받은 자)가 볼 수 있도록 디스플레이부를 통해 표시할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 광원부(400)의 블록도를 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 여러 광 신호 중에 적외선 신호를 이용하는 경우에 대해 설명하도록 한다. 상기 광원부(400)는, 적외선을 조사하는 적외선 광원 모듈(401); 광원부에 전원을 공급하는 전원(402); 상기 전원을 제어하는 전원 제어기(403); 상기 전원을 스위칭하는 스위칭 보드(404); 상기 전원의 on/off를 제어하는 펄스 생성기(405); 및 상기 펄스 생성기를 제어하는 펄스 제어기(406)를 포함할 수 있다. 또한, 광기전력 전지부로부터 광기전력 전지가 생성한 전압의 크기에 관한 데이터를 수신하는 RF 수신기(407); 및 상기 RF 수신기가 수신한 상기 데이터를 표시하는 전압 표시기(408)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 전지부 및 전극부를 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)는 인체 내에 이식된 광기전력 전지부 및 전극부를 나타낸 것이다. 상기 광기전력 전지부는 인체의 피하에 이식되고 전선을 통해, 척추 신경에 연결된 전극부와 연결된다. 도 5의 (b)는 상기 광기전력 전지부 및 전극부의 구성도를 나타낸 도면이다. 상기 광기전력 전지부는 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지; 및 상기 전기 신호의 크기에 관한 정보를 광원부로 전송하는 RF 송신기를 포함할 수 있다. 전극부는 척수 신경에 부착되어 상기 광기전력 전지부에서 생성된 전기 신호를 인가한다. 도 5의 (c)는 상기 광기전력 전지부의 회로도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치(600)를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 생체 자극 장치(600)는, 전기 신호를 발생하기 위한 광 신호를 조사하는 광원부(610); 수신한 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지부(620); 및 상기 전기 신호를 이용하여 생체를 자극하는 전극부(630);를 포함할 수 있다.
상기 광원부(610)는, 적외선 LED를 포함하며, 상기 적외선 LED에서 출력되는 적외선 신호의 세기 또는 주파수 중 어느 하나 이상이 제어될 수 있다. 상기 광원부는, RF 수신부를 더 포함하며, 상기 RF 수신부는 상기 전기 자극의 세기에 관한 정보를 수신할 수 있다. 또한, 상기 광원부는 사용자의 피부에 부착시킬 수 있는 밴드 형태로 제작되어, 복수 개의 광기전력 전지부가 생체 내에 이식되었을 때, 자극을 인가하고 싶은 부위에 밴드를 부착하여 광기전력 전지부를 활성화 하여 전기 자극을 인가할 수 있다. 이 경우에 복수 개의 밴드를 부착하는 것도 가능하여, 동시에 여러 부위에 전기 자극을 인가할 수 있다.
상기 광기전력 전지부(620)는, 수신한 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전기 신호의 세기에 관한 정보를 상기 광원부로 송신하는 RF 송신기를 더 포함할 수 있다. 상기 광기전력 전지부는, 플렉서블 박막으로 형성되어 종래의 척추 자극기와는 달리 생체 내에 이식되는 부위의 제한을 없앨 수 있다.
상기 광원부는 상기 광기전력 전지부를 작동시키기 위한 장치로서 적외선을 조사한다. 광원 모듈을 조립하여 원하는 넓이의 광장(Light field)을 만들 수 있는 광원부를 제작할 수 있다. 상기 광원부는 전원부에 연결되어 작동하며 펄스 생성기와 스위칭 보드가 점멸을 제어한다. RF 수신기는 광기전력 전지부에서 송신한 전기 신호의 세기에 관한 정보를 받아서 적외선의 세기를 조절하도록 전원부를 제어하여 사용자(환자)가 원하는 전압을 줄 수 있다.
상기 광기전력 전지부는 실질적으로 전압을 인가하는 장치로서 전극을 통해 신경과 연결된다. 배터리가 장착되어 있지 않으므로 플렉서블 박막형태로 제작이 가능하다. 광기전력 전지의 활성 영역 1 mm 정도로 25개를 직렬연결 하면 약 10 V 의 전압을 얻을 수 있다. 생성된 전압의 정보를 RF 송신기를 통해 상기 광원부로 보내서 조사하는 적외선의 신호를 조절하여 적정 전압을 생성할 수 있다. 상기 광기전력 전지부의 크기가 작고 플렉서블하므로, 사용자에게 이식할 수 있는 부위의 선택의 폭이 넓어진다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 기술에 따른 생체 자극 장치를 인체 내에 이식한 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치를 인체 내에 이식한 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 동작 순서도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 광원부의 블록도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 광기전력 전지부 및 전극부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 생체 자극 장치의 블록도를 나타낸 도면이다.

Claims (8)

  1. 생체 자극 장치에 있어서,
    전기 신호를 발생하기 위한 광 신호를 조사하는 광원부;
    상기 광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성하는 광기전력 전지부; 및
    상기 전기 신호를 이용하여 생체를 자극하는 전극부를 포함하고,
    상기 광기전력 전지부 및 상기 전극부는 생체 내에 이식되며,
    상기 광원부는 RF 수신부를 포함하고,
    상기 RF 수신부는 상기 전기 신호의 세기에 관한 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 신호는 적외선 신호인 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원부는,
    적외선 LED를 더 포함하며,
    상기 적외선 LED에서 출력되는 적외선 신호의 세기 또는 주파수 중 어느 하나 이상이 제어되는 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광기전력 전지부는,
    RF 송신부를 포함하며,
    상기 RF 송신부는 상기 전기 신호의 세기에 관한 정보를 상기 광원부로 송신하는 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전기 자극의 세기에 관한 정보를 이용하여 상기 광원부가 조사하는 광 신호의 세기를 제어하는 광원 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 사용자의 피부에 부착시킬 수 있는 밴드 형태인 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광기전력 전지부는 플렉서블 박막의 형태인 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치.
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