KR101108739B1

KR101108739B1 - 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치

Info

Publication number: KR101108739B1
Application number: KR1020090064588A
Authority: KR
Inventors: 정호춘; 김형일
Original assignee: 김형일; 정호춘
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2012-02-16
Also published as: KR20110006943A

Abstract

본 발명은 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치에 관한 것으로서, 두개골 천공부위(1)에 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막(2) 외에서 대뇌피질(3)로 전극을 전달하는 전기 자극장치(100)와; 상기 전기 자극장치(100)와 두피 외부에서 접촉되어 무선으로 전원을 인가하는 안테나(210)가 조절 가능하게 장착됨과 동시에 머리에 고정하는 헤드셋(200)과; 상기 헤드셋(200)의 안테나(210)에 연결된 전원선(211)을 통해 상기 전기 자극장치(100)를 제어하는 제어부(300)로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성된 본 발명은 두개골에 구멍을 뚫어 전기 자극장치의 전극이 대뇌피질에 기준전극과 자극전극을 접촉시키고 전기 자극장치를 고정하기 위해 두개골에 티타늄 나사로 전기 자극장치를 고정한 후 동봉하면 이식이 완료되며, 전기 자극장치에 전력을 공급하기 위해 두피에 전력공급 안테나를 밀착시켜 안테나와 전기 자극장치가 안테나의 정 중앙에 전기 자극장치가 위치하도록 안테나의 위치를 조절시켜 전력공급 및 데이터 전송이 에러 없이 정확히 동작되도록 구성됨으로써, 대뇌피질을 자극하면서 움직임이 가능하게 하여 치료 효과를 향상시킴과 동시에 대뇌피질 내에 기준전극을 고정한 상태에서 자극전극을 넓게 분포시켜 넓은 영역의 대뇌피질에 자극을 전달하여 복합적인 치료 효과를 얻을 수 있는 것이다.

이식형 전기 자극장치

Description

무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치{WIRELESS IMPLANTABLE ELECTRICAL CORTICAL STIMULATION APPARATUS }

본 발명은 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대뇌피질의 전기 자극장치를 신체내에 삽입하여 인체에 유해한 배터리가 없는 무선으로 전력을 공급받아 대뇌피질의 전기 자극장치가 구동하고 전력을 공급받을 때 전기자극 조건에 따른 데이터를 받아 자극의 강도 및 설정을 조절하여 외부 제어장치에서 제어하고 대뇌피질에 전기 자극장치가 구동되어 전기자극을 가할 수 있는 이식형 전기 자극장치에 관한 것이다.

일반적으로 대뇌피질의 전기 자극이란, 신경 간의 연결을 활성화하거나 억제시킴으로써 우울증, 파킨슨씨병, 뇌졸중 후 기능손상, 간질, 만성 신경병증성 통증 등의 치료 효과를 얻는데 사용되는 방법이다.

이에 종래에 널리 사용되고 있는 대뇌피질의 전기자극을 위한 장비들은 주로 경두개성 자기 자극 또는 경두개성 직류 자극 장치등과 같이 경두개성 자극 장치가 알려져 있다. 이러한 경두개성 자극장치를 통한 자극은 비침습적이기는 하나 대뇌피질의 목적부위보다 불필요하게 광범위한 피질에 자극이 전달되는 문제점이 있었 다.

또한 경두개성 자극장치를 이용할 경우에는, 실질적으로 대뇌피질에 원하는 강도의 자극을 하기 위해서는 강한 세기의 자극을 가해야 하는 문제점을 가지고 있었다.

또한 경두개성 자극장치를 이용할 경우에는 적절한 재활 치료 및 운동을 병행하기가 수월하지 않다.

이에, 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 두개강 내에 전기 자극 전극을 체내에 삽입하도록, 본 출원인 특허출원하여 등록받은 대한민국 등록특허 제865951호의 "대내피질 자극을 위한 자가 확장이 가능한 경막외 전극장치"(이하, "종래의 경막외 전극장치"라 한다)가 알려져 있다.

종래의 경막외 전극장치는, 대뇌피질을 감싸고 있는 경막 상부에 삽입되어 상기 대뇌피질에 전기적인 자극을 전달하는 경막외 전극장치에 있어서, 격자형상으로 형성되고 상기 대뇌피질에 자극을 전달하는 와이어부재, 상기 와이어부재가 확장가능하게 수용되는 커버부재, 일단은 상기 와이어부재와 전기적으로 연결되고 전극은 전기자극기에 연결되어 상기 와이어부재에 전기를 공급하는 전원코드를 포함한다.

그리고 상기 와이어부재는, 상기 전기자극기로부터 전기를 공급받아 상기 대뇌피질에 자극을 전달하는 전극층과 상기 전극층의 상부에 형성되어 상기 전극층을 절연하는 절연층의 이중구조로 구성되는 것이다.

따라서, 종래의 경막외 전극장치는, 뇌 신경기능의 변화를 유도하기 위해 국소적인 대뇌피질에 조절된 전기자극을 제공하여 다양한 원인으로 인한 뇌손상 후 발생한 신경기능 결손의 회복을 촉진할 수 있는 장점을 가지는 것이다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 경막외 전극장치는, 전류 공급 장치를 체내에 삽입시켜야만 가능하다. 삽입형 전류 공급 장치는 수술적 방법으로 삽입되며 자기장이 미치는 장소 및 기기에는 접근이 제한되어 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 인체에 유해한 배터리 없이 무선으로 전력을 공급할 때 전기 자극 조건에 따른 데이터를 받아 자극의 강도 및 설정을 조절하여 외부 제어 장치에서 제어하여 대뇌피질에 전기 자극 장치를 통한 치료를 가능하게 할 수 있도록 한 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치를 제공하는데 있다.

또한, 전원 인가코일을 머리에 견고하게 고정함으로써 머리가 유동되더라도 치료 효과가 저감되는 것을 방지할 수 있는 다른 목적도 가지는 것이다.

또 대뇌피질 넓은 영역에 자극을 전달하기 위해 기준전극을 고정한 상태에서 자극전극을 넓게 분포시켜 넓은 영역의 대뇌피질에 자극을 전달 할 수 있도록 하는 또 다른 목적도 가지는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치는, 두개골 천공 부위에 관통 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막 외에서 대뇌피질로 자극을 전달하는 전기 자극장치와; 상기 전기 자극장치와 두피 외부에서 접촉되어 무선으로 전원을 인가하는 안테나가 조절 가능하게 장착됨과 동시에 머리에 고정하는 헤드셋과; 상기 헤드셋의 안테나에 연결된 전원선을 통해 상기 전기 자극장치를 제어하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치는, 두개골 천공 부위에 관통 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막 외에서 대뇌피질로 자극을 전달받는 하나의 기준 전극판을 가진 제 1 전기 자극장치와; 상기 제1 전기 자극장치의 두개골 내 넓은 영역에 자극되도록 두 개로 분리 관통 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막 외에서 대뇌피질로 자극을 전달하도록 자극 전극판을 가진 제2 및 제3 전기 자극장치와; 상기 제2 및 제3 전기 자극장치와 두피 외부에서 접촉되어 무선으로 전원을 인가하는 안테나가 조절 가능하게 장착됨과 동시에 머리에 고정하는 헤드셋과; 상기 헤드셋의 안테나에 연결된 전원선을 통해 상기 제2 및 제3 전기 자극장치를 제어하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치에 의하면, 두개골에 구멍을 뚫어 전기 자극장치의 전극이 대뇌피질에 기준전극과 자극전극을 접촉시키고 전기 자극장치를 고정하기 위해 두개골에 티타늄 나사로 전기 자극장치를 고정한 후 동봉하면 이식이 완료되며, 전기 자극장치에 전력을 공급하기 위해 두피에 전력공급 안테나를 밀착시켜 안테나와 전기 자극장치가 안테나의 정 중앙에 전기 자극장치가 위치하도록 안테나의 위치를 조절시켜 전력공급 및 데이터 전송이 에러 없이 정확히 동작되도록 구성됨으로써, 대뇌피질을 자극하면서 활동이 가능하게 하여 치료 효과를 향상시킴과 동시에 두개골에 두개의 전기 자극장치를 고정한 상태에서 동시에 넓은 영역의 대뇌피질에 자극을 전달하여 복합적인 치료 효과를 얻을 수 있는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치를 도시한 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 대뇌피질 내에 이식된 전기 자극장치를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 헤드셋 도시한 배면도이며, 도 4a는 본 발명의 이식용 전기 자극장치를 도시한 사시도이며, 도 4b는 본 발명의 이식용 전기 자극장치를 도시한 저면도이며, 도 5는 본 발명의 이식용 전기 자극장치를 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 전기 자극장치의 기준 전극과 자극 전극을 분리하여 넓은 자극 영역을 도시한 단면도이며, 도 7은 본 발명의 전기 자극장치의 기준 전극을 도시한 단면도이며, 도 8은 본 발명의 전기 자극장치의 자극 전극을 도시한 단면도이며, 도 9는 본 발명의 무선 전력 공급 제어부와 이식형 전기 자극부의 구성을 도시한 도면이다.

본 발명의 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 두개골(1) 천공 부위에 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막(2) 외에서 대뇌피질(3)로 전극을 전달하는 전기 자극장치(100)와, 상기 전 기 자극장치(100)와 두피 외부에서 접촉되어 무선으로 전원을 인가하는 안테나(210)가 조절 가능하게 장착됨과 동시에 머리에 고정하는 헤드셋(200)과, 상기 헤드셋(200)의 안테나(210)에 연결된 전원선(211)을 통해 상기 전기 자극장치(100)를 제어하는 제어부(300)로 이루어진다.

상기 전기 자극장치(100)는, 두개골(1) 천공 부위에 관통 체결되는 전극 볼트부(110)와, 상기 전극 볼트부전극 볼트부(110)의 상면에 형성된 전력공급부(120)와, 상기 전극 볼트부(110)의 하면에 형성된 판형상의 전극판(120)으로 이루어진다.

상기 전극 볼트부(110)의 내부 하면 양측에는 기준 전극부(111)와, 자극 전극부(112)가 설치되어 있다.

상기 기준 전극부(111)와 자극 전극부(112)는 동일한 형상으로, 스텐레스 스틸 재질로 되어 있고, 대뇌피질과 접촉하는 기준 전극판(111a)과 자극 전극판(112a)이 나사 결합되어 있다.

상기 기준 및 자극 전극판(111a, 112a)이 나사 결합된 부위 입구측에는 실리콘 커플링(111b, 112b)이 각각 삽입되어 있다.

이들 기준 및 자극 전극부(111, 112)의 사이에는 폴리우레탄(114)으로 감싸여진 전기자극 회로기판(113)이 설치되어 있다.

상기 전력공급부(120) 내에는 폴리우레탄(114)으로 구획되어 상부에는 코일(121)이, 그 하부에는 자극패턴 제어용 회로기판(122)이 삽입되어 있고, 상기 코일(121)은 제어용용 회로기판(122)에 전선(122a)으로 연결되어 있다. 그리고, 전 기자극 회로기판(113)과 제어용 회로기판(122)도 전선(122a)으로 연결되어 있다. 상기 전기자극 회로기판(113)에도 상기 기준 및 자극 전극판(111a, 112a)이 통전되도록 전선(122a)으로 연결된다.

이와 같이 구성된 전기 자극장치(100)는 그 외측면에 실리콘(130)으로 코팅되어 있다.

도 6 내지 도 8은 상기 전기 자극장치(100)의 기준 전극과 자극 전극을 분리하여 두개골 내에 설치한 전기 자극장치를 도시한 것이다.

하나의 기준 전극을 가진 전극장치에 두개의 자극 전극을 접지 연결 커넥터로 연결하여 구성한 것이다.

즉, 하나의 기준 전극판(151)을 가진 전극장치(150)와, 상기 제1 전극장치(150)의 양측에 두개의 자극 전극판(161, 171)을 가진 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)가 서로 분리되게 두개골 내에 매립되어 있다.

상기 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)는 각각 접지 연결 커넥터(180)로 상기 제1 전극장치(150)에 접속되어 있다.

상기 제2와 제3 전기 자극장치(160, 170)의 구성은 상기 전기 자극장치(100)의 구성과 거의 유사하므로 구체적이 구성요소의 설명은 생략한다.

상기 전기 자극장치(100)는 기준 전극판(111a)과 자극 전극판(112a)이 전극 볼트부(110)에 서로 대칭하게 결합되어 있지만, 상기 제1 전극장치(150)에는 기준 전극판(151)이, 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)에는 그들 전극 볼트부의 중앙에 자극 전극판(161, 171)이 각각 설치되어 있으므로, 이들 양측에 제어용 회로기 판(162, 172)이 폴리우레탄 내에 삽입 설치되어 있고, 상기 제어용 회로기판(162, 172)의 상측에는 전기자극 회로기판(163, 173)이 폴리우레탄 내에 설치되며, 상기 전기자극 회로기판(163, 173)에 상기 접지 연결 커넥터(180)가 연결되어 상기 제1 전극장치(150)의 스텐레스 스틸 커넥터(152)와 접속된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제1 전극장치(150)는 기준 전극판(151)이 티자형 스텐레스 스틸 커넥터(152)의 하단에 나사 결합된다.

도 9는 본 발명의 무선 전력 공급 제어부와 이식형 전기 자극부의 구성을 도시한 도면으로서, 무선 전력 공급 제어부는 이식형 전기 자극부, 즉 상기 2개의 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)를 구동하기 위한 시스템으로, 시스템 전체를 제어하는 마이크로 콘트롤러(이하, '마이컴' 이라함)와, 안테나에 전력을 공급하기 위한 전력증폭기와, 상기 전력증폭기의 전류를 센싱하기 위한 전력 측정 회로부와, 상기 무선 전력 공급 제어 장치의 동작상태를 표시하기 위한 표시부와 스위치 입력부로 구성된다.

이식형 전기 자극부는 외부안테나와 내부안테나의 상호 유도결합에 의해 내부 안테나가 유도되어 전력을 공급받으며, 전력은 아날로그 신호에 디지털 신호를 실은 ASK 변조방식을 채택하여 전력과 데이터를 동시에 보낼 수 있도록 구성한다. 전력수신부에서 전력을 받아 시스템에 전력을 공급하며, 정전압부에서 시스템에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 회로이며, 고전압부는 자극 전압을 만들기 위한 승압회로이다. 또한, 데이터 송수신부에서 데이터를 분할하여 마이컴에 데이터를 보낼 수 있도록 구성한다.

전력과 데이터를 받은 마이컴은 자극 전압조절부와 주파수 및 펄스폭 발생부를 통해 전극으로 자극이 전달되며, 128 탭 포텐쇼미터(128 Tap Potentiometer) 칩을 이용해 자극 전압을 0.1볼트씩 미세한 전압으로 조절될 수 있도록 구성된 회로이며, 전압 및 전류증폭부는 미세하게 조절된 자극전압을 인체에 일정하게 자극을 유지하기 위한 증폭부이며, 스위칭 회로부를 통해 자극패턴이 전극으로 전달되어 대뇌피질에 전기 자극을 전달하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 공급 제어용 이식 전기 자극장치를 도시한 전체 구성도이고,

도 2는 본 발명의 대뇌피질 내에 이식된 전기 자극장치를 도시한 단면도이며,

도 3은 본 발명의 헤드셋 도시한 배면도이며,

도 4a는 본 발명의 이식용 전기 자극장치를 도시한 사시도이며,

도 4b는 본 발명의 이식용 전기 자극장치를 도시한 저면도이며,

도 5는 본 발명의 이식용 전기 자극장치를 도시한 단면도이며,

도 6은 본 발명의 전기 자극장치의 기준 전극과 자극 전극을 분리하여 넓은 자극 영역을 도시한 단면도이며,

도 7은 본 발명의 전기 자극장치의 자극 전극을 도시한 단면도이며,

도 8은 본 발명의 전기 자극장치의 기준 전극을 도시한 단면도이며,

도 9는 본 발명의 무선 전력 공급 제어부와 이식형 전기 자극부의 구성을 도시한 도면이다.

Claims

두개골(1) 천공 부위에 관통 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막(2) 외에서 대뇌피질(3)로 자극을 전달하며, 외측면이 실리콘(130)으로 코팅되어 있는 전기 자극장치(100)와; 상기 전기 자극장치(100)와 두피 외부에서 접촉되어 무선으로 전원을 인가하는 안테나(210)가 조절 가능하게 장착됨과 동시에 머리에 고정하는 헤드셋(200)과; 상기 헤드셋(200)의 안테나(210)에 연결된 전원선(211)을 통해 상기 전기 자극장치(100)를 제어하는 제어부(300)로 이루어진 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치에 있어서,

상기 전기 자극장치(100)는, 두개골(1) 천공 부위에 관통 체결되는 전극 볼트부(110)와, 상기 전극 볼트부(110)의 상면에 형성된 판형상의 전력공급부(120)와, 상기 전극 볼트부(110)의 하면에 형성된 판형상의 전극판(120)으로 이루어지고;

상기 전극 볼트부(110)의 내부 하면 양측에 대칭으로 설치되고, 대뇌피질과 접촉하는 기준 전극판(111a)과 자극 전극판(112a)이 각각 나사 결합된 동일한 형상의 기준 전극부(111)와 자극 전극부(112)와;

상기 기준 및 자극 전극판(111a, 112a)이 나사 결합된 부위 입구측에 각각 삽입된 실리콘 커플링(111b, 112b)과;

상기 기준 및 자극 전극부(111, 112)의 사이에는 폴리우레탄(114)으로 감싸여진 전기자극 회로기판(113)과;

상기 전력공급부(120) 내에는 폴리우레탄(114)으로 구획되어 상부에는 코일(121)이, 그 하부에는 제어용 회로기판(122)이 삽입되어 있고, 상기 코일(121)은 제어용 회로기판(122)에 연결된 전선(122a)으로 구성된 것을 특징으로 하는 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치.
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두개골(1) 천공 부위에 관통 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막(2) 외에서 대뇌피질(3)로 전극을 전달하도록 하나의 기준 전극판(151)을 가진 제 1 전극장치(150)와; 상기 제1 전극장치(150)의 양측 두개골(1) 내에 서로 분리되게 관통 장착되고 상부가 두피로 가려져 경막(2) 외에서 대뇌피질(3)로 전극을 전달하도록 자극 전극판(161, 171)을 가진 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)와; 상기 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)와 두피 외부에서 접촉되어 무선으로 전원을 인가하는 안테나(210)가 조절 가능하게 장착됨과 동시에 머리에 고정하는 헤드셋(200)과; 상기 헤드셋(200)의 안테나(210)에 연결된 전원선(211)을 통해 상기 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)를 제어하는 제어부(300)로 이루어진 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치에 있어서,

상기 제1 전극장치(150)의 기준 전극판(151)과 상기 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)의 자극 전극판(161, 171)의 양측에는, 제어용 회로기판(162, 172)이 폴리우레탄 내에 삽입 설치되어 있고;

상기 제어용 회로기판(162, 172)의 상측에는 전기자극 회로기판(163, 173)이 폴리우레탄 내에 설치되며;

상기 전기자극 회로기판(163, 173)에 상기 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)는 각각 접지 연결 커넥터(180)로 연결되어 상기 제1 전극장치(150)의 스텐레스 스틸 커넥터(152)와 접속되는 것을 특징으로 하는 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치.
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제4항에 있어서,

상기 제1 전극장치(150)와, 제2 및 제3 전기 자극장치(160, 170)의 전극판(151)은 티자형 스텐레스 스틸 커넥터(152)의 하단에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 전력공급 제어용 이식형 대뇌피질 전기 자극장치.