KR101144729B1 - 인공와우장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공와우장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 인공와우장치는 인체 내부로 삽입되어 청신경을 자극함으로써 소리를 감지하게 해주는 인공와우장치에 있어서, 음파를 전달하는 전파매질; 상기 전파매질의 표면에 배치되고, 압전층을 포함하는 막 형태로 형성되어 상기 전파매질에 전달되는 음파의 주파수를 공진 주파수로 가지는 영역이 진동하여 전기신호를 발생시킴으로써 상기 음파를 주파수별로 분리하는 주파수 분리부; 상기 주파수 분리부와 연결되어 발생되는 전기신호를 처리하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 일정한 주파수 대역 내에서 연속되는 전영역의 주파수의 소리를 감지할 수 있는 인공와우장치가 제공된다.

Description

인공와우장치{COCHLEAR IMPLANT}

본 발명은 인공와우장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속적인 스펙트럼을 이루는 주파수 대역에 해당하는 소리를 감지할 수 있는 인공와우장치에 관한 것이다.

인간은 다섯 가지의 감각을 통하여 주변을 둘러싼 환경이나 타인과 상호작용을 한다. 이러한 다섯 가지 감각 중 청각은 환경과의 상호작용을 통한 정보의 수용 측면에서 일상생활의 여러 측면에서 매우 중요한 역할을 한다. 그러므로 청각의 손실은 매우 복잡하고 심각한 문제를 야기한다.

근래에 손실된 청각을 보완하기 위하여 많은 보조기구 또는 의료장비 들이 개발되고 있으나, 기존의 기술들은 유모 세포가 크게 손상을 입지 않은 경우에 보청기를 통하여 소리를 증폭시킴으로써 청각을 살리고 있다.

그러나, 심각한 유모세포의 손상으로 인한 난청의 경우에는 내이에서 기저막의 진동을 유모세포가 전기적 신호로 정상적으로 전달하지 못하여 청신경이 소리정보를 뇌에 전달하지 못하기때문에 보청기의 성능이 뛰어나더라도 실질적인 혜택을 받을 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 청신경에 직접 전기신호를 전달하여 청각손실 문제를 해결하는 인공와우장치가 개발되었다. 그러나, 소리의 특성은 음의 진동수, 즉 주파수로 표현되는데 감지할 수 있는 주파수가 좁은 범위로 제한되어 있어 모든 가청영역을 포함하지 못하였다.

또한, 좁게 제한된 범위 내에서도 연속적인 스펙트럼의 주파수를 감지하지 못하고 단속적으로 임의의 정해진 주파수 대역만을 감지할 수 있어 고품질의 소리를 듣는 것이 어려웠다.

즉, 현재까지의 인공와우장치를 이용하더라도 음악을 감상할 정도의 음질을 구현하지 못하고 단지, 사람들의 음성을 구분하는 정도에서 벗어나지 못하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 일체형의 압전모듈을 이용하여 연속 스펙트럼의 주파수에 대응하는 소리를 모두 감지함으로써 성능이 향상되는 인공와우장치를 제공함에 있다

상기 목적은, 본 발명에 따라, 인체 내부로 삽입되어 청신경을 자극함으로써 소리를 감지하게 해주는 인공와우장치에 있어서, 음파를 전달하는 전파매질;상기 전파매질의 표면에 배치되고, 압전층을 포함하는 막 형태로 형성되어 상기 전파매질에 전달되는 음파의 주파수를 공진 주파수로 가지는 영역이 진동하여 전기신호를 발생시킴으로써 상기 음파를 주파수별로 분리하는 주파수 분리부; 상기 주파수 분리부와 연결되어 발생되는 전기신호를 처리하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공와우장치에 의해 달성된다.

또한, 상기 주파수 분리부는 제1전극; 및 상기 제1전극과 대향되게 배치되는 제2전극; 상기 제1전극과 제2전극의 사이에 개재되는 압전재질의 압전층;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 압전층은 압전모듈이 일체형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 주파수 분리부는 일단부에서 타단부 쪽으로 갈수록 폭이 증가하는 형태의 평판일 수 있다.

또한, 상기 주파수 분리부는 폭이 지수함수적으로 증가할 수 있다.

또한, 상기 신호처리부는 인체내의 청신경과 연결되어 상기 청신경에 상기 전기신호를 보내기 위한 신경전극부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 주파수 분리부는 복수개가 구비되어, 서로 다른 대역의 주파수를 분리할 수 있다.

본 발명에 따르면, 체내에 완전이식하여 고품질의 청취가 가능한 인공와우장치가 제공된다.

또한, 주파수 분리부가 압전재질로 형성됨으로써 별도의 외부전원이 없이도 작동할 수 있다.

또한, 압전층이 일체형의 막형태로 형성됨으로써 소정 범위내에서 주파수 대역의 연속 스펙트럼 모두에 각각 대응하여 공진하는 영역이 제공되어 주파수 분리 성능이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공와우장치의 분해 사시도이고,
도 2는 도 1의 인공와우장치의 단면도이고,
도 3은 도 1의 인공와우장치의 주파수 분리부의 단면도이고,
도 4는 도 1의 인공와우장치의 주파수 분리부의 변형례의 단면도이고,
도 5은 도 1의 인공와우장치의 주파수 분리부의 다양한 예의 평면도이고,
도 6은 도 1의 인공와우장치의 신호 처리부를 도시한 것이고,
도 7은 도 5에 도시된 압전층이 주파수에 따라서 진동하는 영역이 변화하는 것을 개념적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 5에 도시된 압전층의 폭(w)에 따른 공진 주파수의 변화를 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인공와우장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공와우장치의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 인공와우장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 인공와우장치(100)는 하우징(110)과 전파매질(120)과 주파수 분리부(130)와 신호 처리부(140)를 포함한다.

상기 하우징(110)은 상부 하우징(111)과 하부 하우징(112)을 포함한다.

상기 상부 하우징(111)은 하부 하우징(112)과 별도로 제작되어 대향되어 결합되도록 구성된다.

상기 하부 하우징(112)은 후술하는 주파수 분리부(130)가 수용되기 위한 공간으로서 주파수 분리부(130)의 형상에 따라 구성된다. 한편, 본 발명의 인공와우장치(100)는 인체의 내부에 삽입 배치되어야 하므로 하우징(110)은 최대한 슬림한 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전파매질(120)은 입사되는 음향파를 주파수 분리부(130)에 전달하는 역할을 하는 것으로서 소정의 유체로 이루어진다. 전파매질(120)은 인체의 달팽이관에 존재하는 것과 비슷한 속성을 가지는 유체로 구성되며, 본 실시예에서는 실리콘 오일(Silicon Oil)이 사용되나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 3은 도 1의 인공와우장치의 주파수 분리부의 단면도이고, 도 4는 도 1의 인공와우장치의 주파수 분리부의 변형례의 단면도이고, 도 5는 도 1의 인공와우장치의 주파수 분리부의 다양한 예의 평면도이다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 상기 주파수 분리부(130)는 입사되는 음향파를 주파수 별로 분리하는 역할을 하는 것으로서, 제1전극(131)과 압전층(132)과 제2전극(133)과 이산화실리콘(SiO₂)층(134)과 실리콘(Si)층(135)을 포함한다.

주파수 분리부(130)는 두께 방향으로 위쪽으로부터 순서대로 제1전극(131)과 압전층(132)과 제2전극(133)과 이산화실리콘(SiO₂)층(134)과 실리콘(Si)층(135)이 차례대로 적층되는 구조를 가지며, 이하, 이러한 주파수 분리부(130)의 제조공정에 대해서 자세히 설명한다.

먼저, 실리콘 기판을 1050℃의 온도에서 산소 및 질소를 포함하는 기체에 노출시킴으로써 실리콘 기판의 표면을 습식 산화시킨다. 실리콘 기판이 산화되어 표면에 이산화실리콘(SiO₂)층(134)이 형성되며 이러한 이산화실리콘층(134)의 두께는 산화시간에 의하여 결정된다.

다음으로, 실리콘 기판을 에천트가 보유된 습식에칭 용기에 함침되어 이방성 습식 에칭(wet etching)한다. 상술한 공정에 의해 형성되는 실리콘 기판의 상면에는 제2전극(133)을 증착한다. 제2전극(133)의 상면에는 압전층(132)을 박막의 형태로 증착하며, 압전층(132)의 상면에는 제1전극(131)을 다시 증착함으로써 주파수 분리부(130)가 형성된다. 한편, 상기 각 층의 증착은 스퍼터링 방식에 의할 수 있으나 제한되지는 않는다.

특히, 본 실시예에서 압전층(132)은 전체가 동일한 재질의 압전재질모듈이 일체형 박막의 형태로 형성되며 폭(w), 형상, 길이(l) 등을 조절함으로써 동일 주파수에 의하여 공진하는 위치 및 공진 주파수 범위를 조절할 수 있다.

본 실시예에서 이러한 압전층(132)은 균일한 두께의 박막으로서 입사되는 음향파의 진행 방향에 따라 폭(w)이 선형적으로 증가하도록 형성되며, 이는 음향파가 입사되는 쪽 단부의 영역에서는 고주파를 검출하되, 음향파가 진행하는 방향으로 폭이 증가하면서 낮은 영역의 주파수를 검출할 수 있도록 하기 위함이다.

다만, 압전층(132) 폭(w)의 증가가 항상 선형적인 형태로 제한되는 것은 아니고, 지수함수적으로 증가할 수도 있다. 또한, 이와 같은 압전층(132)의 전체적인 형상이 상술한 바에 제한되지 않고, 대응 음향 주파수의 영역과, 압전층(132) 재질에 따른 공진특성에 부합하도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 제1전극(131)은 전기전도성이 우수한 금(Au)이 사용되고, 압전층(132)을 형성하는 압전모듈로는 티탄산 납(PbTiO₃)와 지르코산 납(PbZrO₃)을 일정한 비율로 섞어서 사용온도에 따라 불순물을 첨가시켜 고온에서 소결하여 제작되는 지르코니아 티탄산납(PZT) 필름이 사용되며, 제2전극(133)으로는 백금(Pt)이 사용된다. 다만, 상기 언급한 물질과 유사한 물성을 나타낼 수 있는 재질이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.

본 실시예의 주파수 분리부(130)는 제1전극(131)과 제2전극(133)이 상하로 대향되게 배치되었으나, 도 4를 참조하면, 다른 변형례에서는 주파수 분리부(140)는 제1전극(231)과 제2전극(232)이 동일면에서 좌우로 대향되게 배치되고, 제1전극(231)과 제2전극(232)의 사이에 압전층(233)이 개재되며, 하면으로는 이산화실리콘(SiO₂)층(234)과 실리콘(Si)층(235)이 순서대로 배치되는 형태로 형성될 수도 있다.

도 6은 도 1의 인공와우장치의 신호 처리부를 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 상기 신호처리부(140)는 신호전달부(141)와 신경전극부(142)를 포함한다.

상기 신호전달부(141)는 다수의 전기적 라인을 포함하며, 일단부가 압전층(132)과 전기적으로 연결되고 타단부는 후술하는 신경전극부(142)와 전기적으로 연결되어 신호처리부(141)에서 생성되는 전기적 신호를 신경전극부(142)에 전달한다.

상기 신경전극부(142)는 청신경과 연결됨으로써 획득되는 전기신호에 대응되는 청신경을 자극하는 부재이다.

지금부터는 상술한 인공와우장치(100)의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.

인체 내부에 실장된 본 실시예의 인공와우장치(100)에 음향파가 도달하며, 전파매질(120)에 입사된다. 음향파는 전파매질(120)을 따라서 전달된다.

이때, 주파수 분리부(130)를 구성하는 압전층(132)은 음향파에 의하여 진동하며 변위변화를 일으킨다. 다만, 음향파의 이동방향, 압전층(132)의 길이방향으로 이격되는 각 영역은 상이한 고유 공진 주파수를 가지므로, 음향파 입사시에 압전층(132)이 무작위의 영역이 반응하여 진동하는 것이 아니고, 입사되는 음향파의 주파수를 공진 주파수로 갖는 압전층(132)의 특정 영역만이 반응하게 된다.

도 7은 도 5에 도시된 압전층이 주파수에 따라서 진동하는 영역이 변화하는 것을 개념적으로 도시한 것이고, 도 8은 도 5에 도시된 압전층의 폭(w)에 따른 공진 주파수의 변화를 도시한 것이다.

도 7을 참조하면, 입사되는 음향파의 주파수 대역에 따라서 정해진 압전층(132)의 특정 영역에서만 변위변화를 일으킨다. 즉 ,도 7(a), 도 7(b), 도 7(c)는 입사되는 음향파의 주파수가 높은 순서대로 도시된 것이다. 도 7(a)에서 도 7(c)로 갈수록 저주파의 음향파가 입사되는 것이므로, 압전층(132)은 폭이 좁은 영역에서는 고주파의 음향파에 대하여 공진(p)하여 변위가 변화하고, 폭이 넓어지면서 점점 저주파 영역의 음향파에서 공진(p)한다.

마찬가지로, 도 8을 참조하면, 압전층의 폭(w)이 넓어질수록 공진 주파수(Frequency)의 대역이 낮음을 알 수 있다. 따라서, 압전층(132)의 폭(w)을 조절함으로써 감지할 수 있는 주파수 대역을 제어할 수 있다.

한편, 상기의 압전층(132)으로 사용되는 압전재료는 공진시에 발생하는 진동 및 변형 등의 물리적인 변화에 의하여 전하가 발생하는 특성을 가진다. 따라서, 입사 음향파에 의하여 압전층(132) 임의의 영역에서 변위변동이 발생하면 상술한 압전재질의 특성에 기인하여 전기신호가 발생되고, 발생되는 전기신호는 신호전달부(141)를 따라서 신경전극부(142)에 전달된다.

신경전극부(142)는 획득된 전기신호를 이용하여 인체의 청신경을 자극하고, 이러한 전기신호가 뇌로 보내짐으로써 인체는 소리를 감지하게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예의 인공와우장치(100)에서는 단일의 주파수 분리부가 구비되었으나, 서로 다른 형상 및 폭을 가지는 복수개의 주파수 분리부가 구비됨으로써 분리 가능한 주파수 대역을 확장하여 넓은 주파수 범위의 음향파의 감지가 가능하도록 할 수도 있다.

종래의 인공와우장치는 가청 주파수가 극히 제한되었으나, 본 발명의 일실시예에 따른 인공와우장치(100)에 의하면 연속적인 스펙트럼 분포의 주파수 대역에 해당하는 소리를 손실되는 구간 없이 연속적인 형태로 감지할 수 있으므로 청취음질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100 : 본 발명의 일실시예에 따른 인공와우장치
110 : 하우징 140 : 신호처리부
120 : 전파매질 141 : 신호전달부
130 : 주파수 분리부 142 : 신경전극부
132 : 압전층

Claims (7)

1. 인체 내부로 삽입되어 청신경을 자극함으로써 소리를 감지하게 해주는 인공와우장치에 있어서,
   음파를 전달하는 전파매질;
   상기 전파매질의 표면에 배치되고, 압전층을 포함하는 막 형태로 형성되어 상기 전파매질에 전달되는 음파의 주파수를 공진 주파수로 가지는 영역이 진동하여 전기신호를 발생시킴으로써 상기 음파를 주파수별로 분리하는 주파수 분리부;
   상기 주파수 분리부와 연결되어 발생되는 전기신호를 처리하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공와우장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주파수 분리부는 제1전극; 및 상기 제1전극과 대향되게 배치되는 제2전극; 상기 제1전극과 제2전극의 사이에 개재되는 압전재질의 상기 압전층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공와우장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 압전층은 압전모듈이 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인공와우장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 주파수 분리부는 일단부에서 타단부 쪽으로 갈수록 폭이 증가하는 형태의 평판인 것을 특징으로 하는 인공와우장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 주파수 분리부는 폭이 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 인공와우장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리부는 인체내의 청신경과 연결되어 상기 청신경에 상기 전기신호를 보내기 위한 신경전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공와우장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주파수 분리부는 복수개가 구비되어, 서로 다른 대역의 주파수를 분리하는 것을 특징으로 하는 인공와우장치.

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