KR101056458B1 - 손상된 조직의 회복을 위한 전기 자극 장치 - Google Patents

Abstract

신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 제공하여 회복시키는 전기 자극 장치를 개시한다. 상기 장치는 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부; 상기 입력부를 통해 입력된 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 전원을 이용하여 전기적 자극을 생성하는 자극 생성부; 및 상기 자극 생성부로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 접촉하여 상기 손상된 조직에 주는 자극 전극부를 포함하되, 상기 전기적 자극은 상기 손상된 조직이 전기적 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치 이하로 주어진다.

전기적 자극, 직류 전원, 주파수, 손상, 조직, 펄스

Description

손상된 조직의 회복을 위한 전기 자극 장치{Electrical stimulating apparatus for restoring injured tissues}

본 발명은 의료장치에 관한 것으로, 특히 전기 자극 장치에 관한 것이다.

안면신경마비(Acute facial paralysis)는 안면 근육의 일부가 마비된 상태를 의미하고, 심한 감정적인 혹은 정신적인 충격을 줄 수 있는 것 중 하나이다.

발병률은 연간 100,000명 당 약 23 내지 25명 정도이며, 이중 약 13%는 사소하게나마 후유증이 남게 되며, 16%는 이상신경지배(aberrant innervation) 현상이 영구적으로 남게 된다.

현재까지, 안면신경마비에 있어서 전기적 자극을 이용한 임상 치료는 잃어버린 기능을 회복시키기 위한 추가적인 치료방법으로 손상된 신경근육시스템을 활성화하기 위해 일정한 수준의 전기적 전류를 제공하는 기술이었다. 임상적으로 손상된 안면신경에서 안면 기능의 완전한 회복이 가능하지는 않을지라도, 신경 재생의 촉진을 위해 다양한 형태의 전기적 자극이 시도되어 왔다. 몇 년 전부터는 맥동전자장계(pulsed electromagnetic fields) 뿐만 아니라 약한 직류 전류를 이용한 신경재생의 연구가 활발히 이루어졌으며, 약한 전류는 생체 외에서 신경체로부터 발 아가 유발됨이 관찰되었으나(Hinkle L et al. J Physiol 1981;314:121-135; Patel N and Poo MM J Neurobiol 1980;11:1-12; Greenebaum B et al. Bioelectromagnetics 1996;17:293-302), 생체 내에서 보고된 바는 없었다. 최근에는 운동 신경 재생(motor regeneration)을 향상시키기 위해 수술 전 짧은 전기적 자극을 시도하여 좋은 결과를 보고한 바 있으며(Al-Majed AA at al. J Neurosci 2000;20(7):2602-8). 모축색(parent axons)에 20Hz의 전기적 자극을 연속적으로 1시간 동안 제공하여 운동 섬유의 성장 지연이 극적으로 감소하고, 운동 신경 재분포(preferential motor reinnervation)가 크게 개선됨을 관찰한 보고도 있었다(Brushart TM et al. J Neurosci 2002;22:6631-6638).

안면신경마비 환자에게 있어서, 신경 근육성 전기적 자극은 마비된 근육의 기능을 향상시키고, 신경보철기(neuroprostheics)를 이용한 재활에 이용되어 왔으나, 손상된 신경계 회복의 촉진을 유도하지는 못하여 근본적인 치료에는 한계가 있다. 따라서, 안면신경손상 환자들에게 손상된 신경의 회복을 촉진시키는 방법 중 하나인 전기자극기의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 손상된 조직의 마비를 회복시키도록 임상적으로 적용할 수 있는 전기 자극 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면 신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 주는 전기 자극 장치에 있어서, 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부, 상기 입력부를 통해 입력된 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 전원을 이용하여 전기적 자극을 생성하는 자극 생성부, 및 상기 자극 생성부로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 접촉하여 상기 손상된 조직에 주는 자극 전극부를 포함하되, 상기 전기적 자극은 상기 손상된 조직이 전기적 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치 이하로 주어지는 전기 자극 장치를 제공한다.

상기 전기적 자극은 전 치료 기간에 걸쳐 연속적으로 자극이 발생되는 연속 적 자극(Continuous stimulation)일 수 있다.

상기 전기적 자극은 저주파수를 갖을 수 있다. 상기 저주파수는 10 내지 30 Hz의 주파수일 수 있다. 상기 손상된 조직은 안면부에 위치할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면 신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 주는 전기 자극 장치에 있어서, 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄 스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부, 상기 입력부를 통해 입력된 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 직류 전원을 이용하여 전기적 자극을 생성하는 자극 생성부, 상기 자극 생성부로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 접촉하여 상기 손상된 조직에 주고 상기 주어진 전기적 자극에 대한 반응을 감지하는 자극 전극부, 및 상기 자극 전극부로부터 감지된 전기적 자극에 대한 반응으로부터 상기 손상된 조직이 전기적 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치를 판단하여 상기 자극 생성부가 상기 역치 이하로 전기적 자극을 생성하도록 제어하는 제어부를 포함하는 전기 자극 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 주는 전기 자극 장치에 있어서, 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부, 상기 손상된 조직에 접촉하여 상기 전기적 자극에 대한 상기 손상된 조직의 반응을 감지하는 활동 기록 전극부, 상기 활동 기록 전극부를 통해 감지된 반응으로부터 상기 손상된 조직의 전기적 자극에 대한 역치를 결정하는 역치 감지부, 및 상기 입력부를 통해 입력된 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 전기적 자극을 생성하고 나서 선택적으로 상기 전기적 자극의 강도를 점증적으로 증가시키고, 상기 역치 감지부를 통해 역치가 결정된 후에는 상기 결정된 역치 이하로 적응적으로 보정된 전기적 자극을 계속적으로 생성하는 자극 생성부, 및 상기 손상된 조직에 접촉하여 상기 자극 생성부로부터 생성된 전 기적 자극을 상기 손상된 조직에 주는 자극 전극부를 포함하는 전기 자극 장치를 제공한다.

신경재생이 요구되는 손상된 조직에 적용하여 빠른 시일내 조직의 기능을 회복시키고, 회복 시간을 단축시킬 수 있다. 임상적으로 이용되는 경우, 환자가 불편함을 거의 느끼지 않고 신경 재생의 촉진을 유도할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르 게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 일 예를 나타내는 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 전기 자극 장치(100)은 직류 전원 공급부(110), 입력부(120), 자극 생성부(130) 및 자극 전극부(140)를 포함한다.

직류 전원 공급부(110)는 외부로부터 전원을 공급받는다. 공급되는 전원은 교류 전원이거나 직류 전원일 수 있다. 직류 전원일 때는 외부로부터 공급된 직류 전원을 전기 자극 장치(100) 내로 바로 공급한다. 교류 전원일 때는 직류 전원으로 변환한 후 변환된 직류 전원을 전기 자극 장치(100) 내로 공급한다.

입력부(120)는 손상된 조직의 회복을 위한 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 등을 설정하는데 이용된다.

자극 생성부(130)는 입력부(120)를 통해 설정된 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 등에 따라 전기적 자극을 생성한다.

자극 전극부(140)는 손상된 조직에 접촉하여 자극 생성부(130)로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 제공한다. 자극 전극부(140)의 재료로는 인체에 무해한 생체 적합성 전극이 사용될 수 있다. 생체 적합성 전극의 유형으로는 바늘형(niddle type), 판형(plate type) 또는 원형 전극(ball type) 등이 적용될 수 있고, 여러 유형이 조합되어 사용될 수도 있다. 또한, 자극 전극부(140)는 단일 전극으로 구성될 수 있거나 복수개의 전극이 전기 활성 하이드로겔에 부착 또는 고정되어 전기적 자극을 줄 수 있도록 어레이 형태의 전극으로 구성될 수도 있다. 자극 전극부(140)는 양성 및 음성 리드(leads)를 포함할 수 있다.

전기 자극 장치(100)에서 손상된 조직에 전기적 자극을 제공할 때는 손상된 조직이 전기 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치 이하(sub-thresold)로 제공된다.

도 2는 본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.

도 2를 참조하면, 전기 자극 장치(200)는 입력부(210), 활동 기록 전극부(220), 역치 감지부(230), 자극 생성부(240) 및 자극 전극부(250)를 포함한다.

입력부(210)는 손상된 조직의 회복을 위한 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 등을 설정하는데 이용된다. 활동 기록 전극부(220)는 손상된 조직에 접촉하여 상기 전기적 자극에 대한 반응을 감지한다. 예를 들어, 손상된 조직에 전기적 자극을 점증적으로 강도를 높여 제공하는 경우, 이에 따른 손상된 조직의 진동 정도의 변화를 감지할 수 있다.

역치 감지부(230)는 전기적 자극에 대한 감지된 손상된 조직의 반응으로부터 손상된 조직의 전기적 자극의 역치를 결정한다. 역치 감지부(230)에는 감지된 반응 으로부터 역치를 결정할 수 있는 기준이 미리 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 손상된 조직에 전기적 자극을 점증적으로 강도를 높여 제공하는 경우, 이에 따른 감지된 손상된 조직의 진동 정도의 변화를 입력 받아 미리 설정된 최소 진동 정도의 기준과 비교하여 최소 진동 정도를 일으키는 최소 강도를 역치로 결정할 수 있다.

자극 생성부(240)는 입력부(210)에서 설정된 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 일단 전기적 자극을 생성하고 나서 선택적으로 상기 전기적 자극의 강도를 점증적으로 증가시키고, 역치 감지부(230)에서 역치가 결정된 후에는 결정된 역치 이하로 적응적으로 보정된 전기적 자극을 계속적으로 생성한다. 여기서, '적응적으로 보정된 전기적 자극'은 역치가 결정된 후 결정된 역치 이하로 기 설정된 차이를 갖도록 보정된 전기적 자극을 말한다.

자극 전극부(250)는 손상된 조직에 접촉하여 자극 생성부(240)로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 제공한다.

도 3은 본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 또 다른 예를 나타내는 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 전기 자극 장치(300)은 직류 전원 공급부(310), 입력부(320), 자극 생성부(330), 자극 전극부(340) 및 제어부(350)를 포함한다.

직류 전원 공급부(310)는 외부로부터 전원을 공급받는다. 공급되는 전원은 교류 전원이거나 직류 전원일 수 있다. 직류 전원일 때는 외부로부터 공급된 직류 전원을 전기 자극 장치(300) 내로 바로 공급한다. 교류 전원일 때는 직류 전원으로 변환한 후 변환된 직류 전원을 전기 자극 장치(300) 내로 공급한다.

입력부(320)는 손상된 조직의 회복을 위한 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 등을 설정하는데 이용된다.

자극 생성부(330)는 초기에는 입력부(320)를 통해 설정된 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 등에 따라 전기적 자극을 생성하며, 일정 시간이 지남에 따라 제어부(350)의 제어를 받으며 전기적 자극을 생성한다. 제어부(350)에 대해서는 이하 후술하기로 한다.

자극 전극부(340)는 손상된 조직에 접촉하여 자극 생성부(330)로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 제공한다. 동시에, 자극 전극부(340)는 접촉된 손상된 조직으로부터 전기적 자극에 대한 반응을 감지할 수도 있다. 자극 전극부(340)의 재료로는 인체에 무해한 생체 적합성 전극이 사용될 수 있다. 생체 적합성 전극의 유형으로는 바늘형(niddle type), 판형(plate type) 또는 원형 전극(ball type) 등이 적용될 수 있고, 여러 유형이 조합되어 사용될 수도 있다. 자극 전극부(340)는 단일 전극으로 구성될 수 있거나 복수개의 전극이 전기 활성 하이드로겔에 부착 또는 고정되어 전기적 자극을 줄 수 있도록 어레이 형태의 전극으로 구성될 수도 있다.

제어부(350)는 자극 전극부(340)로부터 감지된 전기적 자극에 대한 반응으로부터 손상된 조직이 전기적 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치를 판단하여 자극 생성부(330)가 역치 이하(sub-thresold)로 전기적 자극을 생성하도록 제어한다.

이러한 전기 자극 장치(100, 200, 3000)는 모든 설정을 동시에 초기화하는 리셋부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전기적 자극을 손상된 조직에 제공하는 시간을 설정하는데 이용되는 시간 조절부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.

손상 부위의 전기 자극 치료시 고려할 사항은 전류 파형, 펄스 빈도, 펄스 기간(pulse duration), 자극 강도 및 치료 시간, 전극 배치 방법 등이 있다.

전류 파형은 펄스 형태일 수 있으며, 단상 직사각형파(Monophasic Retangular Wave), 비대칭 이상 직사각형파(Asymmetrical Biphasic Rectangular Wave), 대칭성 이상 직사각형파(Symmetrical Biphasic Rectangular Wave), 변형 가시파(Modified Spike Wave), 단상 직사각형 고빈도파(Monophasic Rectangular High Frequency Carrier), 정현파(Sine Wave)등을 이용할 수 있다. 펄스 형태는 전 치료 기간에 걸쳐 연속적으로 펄스가 발생되는 연속 펄스(Continuous Pulse) 또는 일정한 간격을 두고 펄스가 단속되는 방법인 교대 펄스(Reciprocate Pulse)일 수 있다.

펄스 기간(pulse duration)은 10~600μs의 다양한 범위로 이용할 수 있으나 단상 직사각형파를 이용하는 경우는 10 내지 100μs로 이용할 수 있다. 주파수는 통상 전기적 치료에서 이용하는 주파수 범위에서 저주파수로 이용할 수 있다.

본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 성능을 확인하여 위해 토끼의 안면신경의 압궤 손상 후 주파수 20Hz, 전류 1.4mA인 단상 직사각형파 전류를 이용하여 실험하였다. 이 경우, 역치전류는 1.6mA였다. 안면신경의 압궤 손상 후 전기적 자극 이 축색 성장 또는 축색 재생율을 촉진하는지를 측정하였다.

[실험예]

재료

본 연구는 3달 내지 2년산, 2.5 내지 3.0kg(평균 2.73kg) 무게의 뉴질랜드 하얀 토끼 여덟 마리를 가지고 실험하였다. 22℃의 온도 및 습도(45%) 조건, 12시간 명암주기 하에서 통제된 사육실에서 토끼를 사육하였다.

방법

Zoletilⓒ(tiletamine chloridrate, zolazepan chloridrate, 1.5mg/kg)를 근육 투여하고, 엔플루란(enflurane)(2MAC/kg)을 기관 투여하고, 요오드성 티오펜톤thiopentone(250mg/kg)을 혈관 투여하여 마취시켰다.

그런 다음, 외이도에 있는 앞면 경계에서부터 양쪽의 동측성 하악부 코너(homolateral mandibular corner)에 이르는 양쪽 뺨을 곡선 절개하였다.

도 4은 토끼 뺨을 곡선 절개 후 드러낸 안면신경을 보여주는 도면이다. 도 4을 참조하면, 배쪽 및 등쪽 분지까지 분할하기 전에 무외상적으로 볼의 안면신경을 20mm 길이로 드러내었다.

도 5는 토끼 뺨 양쪽 부분의 완전히 동일한 압궤 손상을 위한 과정을 보여주는 사진이다. 도 5를 참조하면, 동일한 전압을 사용하면서 수술용 혈관집게의 부리를 이용하여 신경 줄기를 30초 동안 고정하였다.

그 후, 본 실시예에 의한 자극 전극부를 손상 부위 일측 상에 인접하는 신경 줄기에 두었다. 상기 자극 전극부는 외이도의 앞면 경계로부터 뒤쪽에 이르기까지 터널을 형성하면서 피하 부분으로부터 나오게 되고, 본 실시예에 의한 전기 자극 장치에 연결되어 있다. 외과적 절개 과정을 완료한 후 항생물질(150,000U 벤자틴 페니실린(benzathine penicillin) + 150,000 U 프로카인 페니실린(procaine penicillin))을 근육 투여하고, 24시간 마다 3회 추가 접종하였다.

역치 전류(threshold current) 측정

압궤 손상된 조직이 가시 근육 수축을 얻기에 필요한 최소 전류량인 역치 전류를 얻기 위해, 전기 자극 장치를 압궤 손상 전 후에 0.2초 동안 1 mAmp로 시작하였다. 최소 근육 수축을 얻기에 필요한 평균 전류량을 측정한 후, 안면신경의 기부(stump)를 수술용 혈관 집게로 분쇄하였다. 수술 말미에 평균 전류량을 점검하였다. 압궤 손상 후 1 내지 5일간 매일, 그 후 1 내지 4주간 매주 평균 역치 전류를 측정하였다.

전기적 자극의 실시 및 평가방법

도 6은 토끼의 손상된 안면신경에 부착된 전기 자극 장치의 자극 전극부 및 활동 기록 전극부를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 토끼의 압궤 손상후 근육 수축을 감지하는 활동 기록 전극부는 수 센티미터의 말단부에 자극 전극부와 함께 비익(nasal ala) 측면에 설치하였다. 안면신경은 손상 부위 바로 근처 또는 외이도의 앞면 전-이하선 부근에서 흥분된다.

신경 전도 활성을 검사하기 위해, 유사한 시간 범위에서 다양한 전류를 사용하였다. 0.2초 구형파(square wave)에서 1.6 mA를 최저 자극 전류로, 0.2초 구형파(square wave)에서 11 mA를 최대 자극 전류로 선택하였다. 또한, 2msec 간격 으로 펄스를 발생하도록 설정하였다. 본 실험예에서는 연속 펄스를 이용하였다. 전기 자극 장치는 전기적 자극의 전압은 20mV~20V로, 주파수는 28Hz~5kHz로 설정할 수 있었다.

최종 컴파운드(resulting compound) 근육 활동 전위는 같은 쪽과 다른 쪽에 압궤 전 상태의 것의 퍼센트로 나타냈으며, 자극 개시부터 유발된 반응 개시까지 전도 차단으로서 안면신경 잠복기(facial nerve latency)를 평가하였다.

컴파운드 활동 전위 및 잠복기는 압궤 손상 후 1 내지 5일 간 매일 평가하고, 그 후 1 내지 4주 간 매주마다 평가하였다.

1) 안면운동의 기능적 평가

토끼 안면신경의 압궤 손상 후, 본 실시예에 의한 전기적 자극을 받은 부분은 시간이 지날수록 토끼의 강모 운동의 회복이 증가하였고, 강모 운동의 회복률은 전기적 자극을 받지 않은 쪽인 대조군과 비교하여 3주 이후 감소하였다.

매일 양쪽 부분의 안면신경의 기능 회복을 평가하였다.

표 1은 강모 운도에 따라 안면신경의 기능 회복을 평가한 평가표를 나타낸다.

점 수	평 가
1	정상 활동 움직임
2	콧날의 현저한 움직임, 콧수염의 완전한 움직임
3	콧날의 측정 가능한 정도의 움직임, 콧수염의 완전한 움직임
4	콧수염의 현저한 움직임, 콧날의 움직임 없음
5	콧수염의 측정 가능한 정도의 약한 움직임, 콧날의 움직임 없음
6	움직임 없음

비디오카메라 촬영을 통한 강모 운동(vibrissae movement)의 회복은 상기 표1에 따라서 6등급을 사용하여 평가하였다. 콧날(nasal ridge) 및 콧수염의 미세 움직임과 관련하여 두부의 전면과 상부 쪽에서 비디오 기록을 실시하였다.

도 7a는 안면신경의 전기적 자극을 준 실험군과 대조군의 기능 회복을 보여주는 그래프이고, 도 7b는 안면신경의 전기적 자극을 준 실험군과 대조군의 회복율을 나타내는 그래프이다.

도 7a를 참조하면, 토끼의 강모 운동은 전기적 자극을 준 실험군과 대조군이 다른 방식으로 회복하였다. 실험군의 강모 운동은 대조군보다 더 빨리, 특히 초기 단계에서 회복하였다.

도 7b를 참조하면, 강모 운동의 회복률은 양쪽 둘 다 3일 이내에 가장 높았고, 양쪽 모두 3일째에 통계적 유의한 정도로 현저한 차이를 나타냈다(p=0.006, by independent sample T-test). 토끼의 강모 운동의 회복은 7일 이내에 실험군에서 대조군 보다 약 2배 정도 빠르게 증가하였다. 7일 후, 양쪽 모두 강모 운동의 회복률에는 차이가 없었다. 그러나, 실험군의 손상된 강모 운동은 압궤 손상 후 20일 이내에 완전히 회복하였고, 이는 대조군보다 10일이나 빠른 것이다. 본 실시예에 따른 전기 자극 장치에 의한 전기적 자극은 보다 빠른 회복률과 강모 운동의 회복의 빠른 종결을 이끌었다.

2) 전기신경학적 평가

신경 전도 속도, 진폭 및 역치는 압궤 손상 후 3일 이내에 최대 쉬프트에 도달하였고, 4주 이상이 되면 서서히 되돌아갔다.

도 8a는 압궤 손상후 역치의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8a를 참조하면, 신경의 역치는 전기적 자극을 준 실험군과 자극을 주지 않은 대조군 간에 다른 방식으로 변화하였다. 16개 신경의 활동 전 평균 역치는 2.00mA±0.43이었다. 최대 역치 쉬프트는 3일째에 나타났으며, 시간이 지날수록 감소하였다. 실험군의 역치는 압궤 손상 후 5, 7, 10일 후 대조군과 통계적으로 유의한 차이를 나타냈다(p=0.019,0.002, 0.033, by independent sample T-test).

도 8b는 압궤 손상후 신경 전도 속도를 나타낸 그래프이다.

도 8b를 참조하면, 안면신경의 전도 속도는 압궤 손상 후 1일째에 가장 낮았고, 양쪽 모두 2, 3, 5일째에 현저히 차이가 났다. 시간이 지날수록, 양쪽 모두 속도는 압궤 손상 후 20일 이내에 완전히 회복되었다.

도 8c는 압궤 손상후 안면신경의 진폭의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8c를 참조하면, 안면신경의 진폭은 압궤 손상 후 3일째에 가장 낮았고, 양쪽 모두 통계적으로 유의한 정도로 7, 10일째에 현저히 차이가 났다(p=0.007, 0.021. by independent sample T-test). 양쪽 모두 진폭은 압궤 손상 후 20일 이내에 완전히 회복되었다.

3) 정성 및 정량적 조직학적 분석

본 실시예에 따른 전기 자극 장치를 적용한 후, 전자 현미경 하에서 손상 부위와 말초신경 기부에 이르는 5mm에 잘 보존된 축색을 갖는 유수 슈반세포의 수를 분석하였다. 그 결과, 슈반세포의 수초화가 보존되고, 압궤 손상 후 악화로부터 유수 축색을 예방할 수 있음을 입증하였다.

양쪽 부분에 압궤 손상을 실시한 후, 한쪽 부분에 전기적 자극을 실시한 다음 1, 2 및 4주째에 손상 부위를 포함하여 비근(Nasalis muscles) 및 안면신경의 기부(stump)를 수집하였다. 비근 및 안면신경 근처의 대략 5-7.5 mm를 잘라내고, 2% 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde), 2% 파라포름알데하이드(Paraformaldehyde) 및 0.5% CaCl로 구성된 완충용액에서 오버나이트 동안 표본을 고정하였다.

근육 박절(Semithin cross-section)을 2% 오스뮴 테트록사이드(osmium tetroxide)를 포함하는 인산염 완충용액에 2시간 동안 침지시킨 다음, 에탄올(a series of graded ethanols)로 탈수시키고, 톨루엔으로 세척하여 플라스틱 에폭시에 포배시켰다. 1㎛ 조각을 톨루이딘 블루(toluidine blue)로 염색하였다. 싱글-슬롯 쿠퍼 그리드(single-slotted copper grids) 위에 각 표본으로부터 3개의 초박 절편(ultrathin sections, 1nm)을 준비하고, 시트레이트 납(lead citrate) 및 우라닐 아세테이트로 염색하였다. 그런 다음, 전자 현미경에서 표본을 조사하였다.

신경의 횡단면 부분이 배제되지 않았음을 확인하기 위해, 전자 현미경 하에서 전체 신경(3개는 정상이고 3개는 압궤 손상을 받음), 및 음성 대조군의 독특한 조직학적 특징들을 스캔하였다. 유수 축색(myelinated axons), 무수 축색, 대식세포, 및 슈반세포의 핵(Schwann cell nuclei)의 총 수는 무작위로 선택한 1000개 유수 축색을 측정하여 결정하였다. 또한 축색 직경은 무작위로 선택한 600개의 무수 축색에서 분석하였다.

도 9a는 대조군의 압궤 손상 4주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이고, 도 9b는 실험군의 압궤 손상 4주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이다.

도 9a를 참조하면, 대조군의 근육섬유는 중심부(focal) 또는 광범위한 파괴 및/또는 분열을 포함하여 근원섬유(myofibrils)가 변화하였다. 미토콘드리아 매트릭스에는 무정형의 과립형 물질 및 작은, 전자-밀집 미립자가 공간을 채우고 있었다. 도 9b를 참조하면, 전기적 자극을 준 실험군의 근육세포는 정상적인 Z 밴드형 근원섬유를 나타냈다. 각각의 근원섬유는 다수의 미토콘드리아를 가지는 특징적인 구조 단위로 나타났다.

도 10a 내지 도 10d는 대조군에서 압궤 손상 2주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이고, 도 10e 내지 도 10h는 실험군에서 압궤 손상 2주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이다. 압궤 손상은 무수 슈반세포를 증가시키는데, 압궤 손상 후 슈반세포의 주치밀선에서 왈러 변성(Wallerian degeneration) 및 수초화의 수 및 두께 감소가 나타났다.

도 10a는 대조군의 압궤 손상 부위의 5mm 근처에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이고, 도 10e는 실험군의 압궤 손상 부위의 5mm 근처에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이다.

도 10a를 참조하면, 압궤 손상 부위의 5mm 근처에서 압궤 손상 후 왈러 변성이 있음을 나타내는 무수 슈반세포가 일부 나타났다. 이에 반해, 도 10e를 참조하면, 전기적 자극을 받은 쪽의 같은 부위에서는 무수 슈반세포가 나타나지 않았다.

도 10b는 대조군의 압궤 손상 부위에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이고, 도 10f는 실험군의 압궤 손상 부위에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이다.

도 10b를 참조하면, 안면신경의 압궤 손상을 받은 쪽의 횡단면은 수초 파편(myelin debris)을 포함하여 다수의 액포를 갖는 튜브형 대식세포(intratubal macrophage)를 나타냈으며, 주치밀선의 수 및 두께는 감소하였다. 이에 반해, 도 10f를 참조하면, 전기적 자극 후, 압궤 손상 부위에서 주치밀선의 수 및 두께의 변화는 관찰되지 않았다.

도 10c는 대조군의 압궤 손상 5mm-말단 기부에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진(×3,000), 도 10d는 대조군의 압궤 손상 5mm-말단 기부에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진(×5,000), 도 10g는 실험군의 압궤 손상 5mm-말단 기부에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진(×3,000), 도 10h는 실험군의 압궤 손상 5mm-말단 기부에서 조직의 초미세구조를 나타낸 사진(×5,000)이다.

도 10c 및 도 10d를 참조하면, 압궤 손상 5mm-말단 기부에서, 횡단면에서는 수초 파편을 포함하여 다수의 액포를 갖는 튜브형 대식세포가 증가하였고, 붕괴된 무수 슈반세포가 관찰되었다. 안면신경의 성장에 따른 섬유아세포 및 무과립 단핵 백혈구(agranular mononuclear leukocyte)도 관찰되었다.

도 10g 및 도 10h를 참조하면, 전기적 자극 후, 슈반세포 또는 주치밀선에서는 어떠한 변화도 관찰되지 않았으며, 이는 왈러 변성이 억제되었음을 말하는 것이다.

도 11a는 광학 현미경 하에 대조군에서 압궤 손상 2주후 안면신경의 손상 부위를 나타낸 사진이고, 도 11b는 광학 현미경 하에 실험군에서 압궤 손상 2주후 안면신경의 손상 부위를 나타낸 사진이다.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 광학 현미경 하에서 다섯 곳을 무작위로 200배 확대하여 본 결과, 대조군의 둥근 모양의 유수 입자의 평균 수는 324±48였다. 이에 반해, 실험군의 평균수는 894±156 였다. 대조군에서 무수 슈반세포, 섬유아세포 및 무정형 과립들의 성장이 관찰될 수 있었으며 실험군에서는 다수의 건강한 유수 슈반세포 및 잘 보존된 신경섬유막(endoneurium)이 관찰될 수 있었다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 일 예를 나타내는 블럭도이다.

도 2는 본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.

도 3은 본 실시예에 따른 전기 자극 장치의 또 다른 예를 나타내는 블럭도이다.

도 4는 토끼 뺨을 곡선 절개 후 드러낸 안면신경을 보여주는 도면이다.

도 5는 토끼 뺨 양쪽 부분의 완전히 동일한 압궤 손상을 위한 과정을 보여주는 사진이다.

도 6은 토끼의 손상된 안면신경에 부착된 전기 자극 장치의 자극 전극부 및 활동 기록 전극부를 보여주는 도면이다.

도 7a는 안면신경의 전기적 자극을 준 실험군과 대조군의 기능 회복을 보여주는 그래프이고, 도 7b는 안면신경의 전기적 자극을 준 실험군과 대조군의 회복율을 나타내는 그래프이다.

도 8a는 압궤 손상후 역치의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8b는 압궤 손상후 신경 전도 속도를 나타낸 그래프이다.

도 8c는 압궤 손상후 안면신경의 진폭의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 9a는 대조군의 압궤 손상 4주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이고, 도 9b는 실험군의 압궤 손상 4주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이다.

도 10a 내지 도 10d는 대조군에서 압궤 손상 2주후 조직의 초미세구조를 나타낸 사진이고, 도 10e 내지 도 10h는 실험군에서 압궤 손상 2주후 조직의 초미세 구조를 나타낸 사진이다.

도 11a는 광학 현미경 하에 대조군에서 압궤 손상 2주후 안면신경의 손상 부위를 나타낸 사진이고, 도 11b는 광학 현미경 하에 실험군에서 압궤 손상 2주후 안면신경의 손상 부위를 나타낸 사진이다.

Claims (21)

1. 신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 주는 전기 자극 장치에 있어서,

   상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부;

   상기 입력부를 통해 입력된 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 전원을 이용하여 전기적 자극을 생성하는 자극 생성부; 및

   상기 자극 생성부로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 접촉하여 상기 손상된 조직에 주는 자극 전극부를 포함하되,

   상기 전기적 자극은 상기 손상된 조직이 전기적 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치 이하로 주어지는 전기 자극 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기적 자극은 전 치료 기간에 걸쳐 연속적으로 자극이 발생되는 연속 적 자극(Continuous stimulation)인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기적 자극은 10 내지 30 Hz의 저주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원은 직류(D.C.)전원인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 손상된 조직은 말초 신경조직인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 손상된 조직은 안면부에 위치한 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기적 자극은 펄스 전류인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 펄스 전류는 2msec 간격으로 펄스가 발생되는 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
10. 신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 주는 전기 자극 장치에 있어서,

    상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부;

    상기 입력부를 통해 입력된 상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 직류 전원을 이용하여 전기적 자극을 생성하는 자극 생성부;

    상기 자극 생성부로부터 생성된 전기적 자극을 손상된 조직에 접촉하여 상기 손상된 조직에 주고 상기 주어진 전기적 자극에 대한 반응을 감지하는 자극 전극부; 및

    상기 자극 전극부로부터 감지된 전기적 자극에 대한 반응으로부터 상기 손상된 조직이 전기적 자극에 대한 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 강도인 역치를 판단하여 상기 자극 생성부가 상기 역치 이하로 전기적 자극을 생성하도록 제어하는 제어부를 포함하는 전기 자극 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 전기적 자극은 전 치료 기간에 걸쳐 연속적으로 자극이 발생되는 연속 적 자극(Continuous stimulation)인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 전기적 자극은 10 내지 30 Hz의 저주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
13. 삭제
14. 제 10 항에 있어서,

    상기 손상된 조직은 말초 신경조직인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
15. 제 10 항에 있어서,

    상기 손상된 조직은 안면부에 위치한 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
16. 신경재생이 요구되는 손상된 조직에 전기적 자극을 주는 전기 자극 장치에 있어서,

    상기 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간(pulse duration) 및 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 입력하는 입력부;

    상기 손상된 조직에 접촉하여 상기 전기적 자극에 대한 상기 손상된 조직의 반응을 감지하는 활동 기록 전극부;

    상기 활동 기록 전극부를 통해 감지된 반응으로부터 상기 손상된 조직의 전 기적 자극에 대한 역치를 결정하는 역치 감지부; 및

    상기 입력부를 통해 입력된 전기적 자극의 형태, 전압, 전류, 펄스 기간 및 주파수 중 적어도 하나에 따라 전기적 자극을 생성하고 나서 선택적으로 상기 전기적 자극의 강도를 점증적으로 증가시키고, 상기 역치 감지부를 통해 역치가 결정된 후에는 상기 결정된 역치 이하로 적응적으로 보정된 전기적 자극을 계속적으로 생성하는 자극 생성부; 및

    상기 손상된 조직에 접촉하여 상기 자극 생성부로부터 생성된 전기적 자극을 상기 손상된 조직에 주는 자극 전극부를 포함하는 전기 자극 장치.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 전기적 자극은 10 내지 30 Hz의 저주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
18. 삭제
19. 제 16 항에 있어서,

    상기 손상된 조직은 말초 신경조직인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
20. 제 16 항에 있어서,

    상기 손상된 조직은 안면부에 위치한 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
21. 제 16 항에 있어서,

    상기 전기적 자극은 펄스 전류인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.

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