KR101241943B1 - 손상된 신경의 기능을 복구하기 위한 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법 - Google Patents
손상된 신경의 기능을 복구하기 위한 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 손상된 신경을 복구하여 손상된 신경의 신호를 선택적으로 검출, 분석, 전달, 자극이 가능한 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템은 손상된 신경의 일측 말단에 연결되는 제1 신경 도관과, 손상된 신경의 타측 말단에 연결되는 제2 신경 도관과 제1 신경 도관 및 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되어, 손상된 신경의 신호를 송수신함으로써 손상된 신경의 기능을 복구시키는 인공신경 네트워크부를 포함한다.
Description
본 발명은 손상된 신경의 기능을 복구하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
신경이 절단되는 등으로 손상을 받게 되면, 생체 내외에서 발생하는 자극이 제대로 전달되지 않게 되므로, 생물체는 큰 악영향을 받게 된다. 특히, 척수신경은 손상 후 재생이 가장 어려운 인체조직 중 하나로 알려져 있으며, 손상을 받게 되면 손상 하단부의 운동 및 감각 기능이 영구적으로 마비되는 문제점이 발생하게 된다. 척수신경 손상은 운동 기능의 마비 뿐만 아니라 심한 통증을 수반하며, 방광염, 욕창, 자율과잉반사증, 근육경련, 이소성골화증 등 여러 가지 합병증을 유발시켜 환자들을 평생 동안 고통 속에서 살아가게 한다.
손상된 신경의 기능을 복구하기 위하여 세포치료, 조직공학적 치료, 재활치료, 약물치료, 신경자극장치를 이용한 치료 등이 연구되고 있으나, 다음과 같은 한계점을 가지고 있다.
세포치료의 경우, 골수유래 줄기세포를 손상 신경부에 주입하여 신경조직의 재생을 유도하는 방법을 이용하나, 척수 내 공동(cavity)은 여전히 제거가 어려우며, 주입된 줄기세포의 경우는 체내 생존률이 낮아 임상 적용의 한계가 있다.
조직공학적 치료의 경우, 조직공학용 지지체 또는 줄기세포를 이용한 신경조직의 재생을 유도하는 방법을 이용하나, 자연적 재생능력이 뛰어난 말단신경의 재생에만 효과가 있을 뿐이며, 재생 기실의 한계로 인해 적용 범위가 제한적이다.
약물 및 재활 치료의 경우, 재생이 어려운 척수신경의 기능적 재생을 위한 치료제가 없는 상태이며, 증상 완화를 위한 보조치료에 불과하다는 점에서 한계가 있다.
신경소자를 이용한 신경자극 장치를 이용한 치료는 약물의 투여 없이 이식형 전기, 전자 기구와 이를 조절하는 소프트웨어 등을 이용한 전기 자극 기술에 기반을 둔 치료법이다. 하지만, 기존의 신경자극 장치를 이용한 치료법은 대뇌 이상 기능의 복원, 통증 치료를 목적으로 한 자극 기능만 제공하였다.
따라서, 이와 같은 기존의 방법들은 재생의 길이에 한계가 있는 신경 신호를 재생시켜 손상 되기 전의 신경 신호의 기능을 복구시키는 데에는 한계가 있었다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 손상된 신경을 복구 하여 손상 신경 신호를 선택적으로 검출, 분석, 전달, 자극이 가능한 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워크 시스템은 손상된 신경의 일측 말단에 연결되는 제1 신경 도관과, 상기 손상된 신경의 타측 말단에 연결되는 제2 신경 도관과, 상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되어, 상기 손상된 신경의 신호를 송수신함으로써 상기 손상된 신경의 기능을 복구시키는 인공신경 네트워크부를 포함한다.
이때, 상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관은, 상기 손상된 신경의 말단에 연결되는 지지체와, 상기 지지체의 몸체 내부로 형성되는 공동 형태의 채널과, 상기 채널의 내벽을 따라 형성되는 전극층과, 상기 전극층과 전기적으로 연결되는 외부 전극을 포함하고, 상기 손상된 신경의 말단에서 신경 세포가 상기 채널을 따라 성장되고, 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포는 상기 전극층과 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 상기 지지체에는 복수 개의 채널이 형성될 수 있다.
또한, 상기 인공신경 네트워크부는 생체 내부에 이식되어 상기 제1 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제1 이식형 모듈과, 생체 내부에 이식되어 상기 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제2 이식형 모듈과, 생체 외부에 위치하는 외부 모듈을 포함하고, 상기 제1 이식형 모듈, 상기 제2 이식형 모듈, 상기 외부 모듈을 각각 상호간에 무선 통신 방식으로 신경 신호를 송수신할 수 있다.
이때, 상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈은, 상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관을 통하여 수신한 상기 손상된 신경 신호를 증폭시키는 증폭부와, 상기 증폭부를 통하여 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터와, 상기 AD 컨버터에서 변환된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 디지털 신호를 상기 제1 이식형 모듈, 상기 제2 이식형 모듈 및 상기 외부 모듈 중 어느 하나에 무선 통신 방식으로 전송하거나, 상기 제1 이식형 모듈, 상기 제2 이식형 모듈 및 상기 외부 모듈 중 하나로부터 수신된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포에 전달하는 디지털 신호 처리부와, 상기 디지털 신호 처리부에서 수신된 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 컨버터와, 상기 DA 컨버터를 통하여 변환된 아날로그 신호를 이용하여 상기 복수 개의 채널을 따라 성장된 신경 세포에 전기 자극 신호를 전달하는 자극부와, 상기 디지털 신호 처리부의 명령에 따라 상기 복수 개의 채널을 따라 성장된 복 수 개의 신경 세포와 상기 증폭부 및 상기 자극부를 전기적으로 매칭시키는 멀티플렉서를 포함할 수 있다.
이때, 상기 디지털 신호 처리부는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 채택할 수 있다.
또한, 상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈은, 상기 외부 모듈과 무선 통신 방식으로 신호를 송수신하기 위한 내부 통신부와, 상기 외부 모듈로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신부를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 모듈은, 상기 내부 통신부와 신호를 송수신하기 위한 외부 통신부와, 상기 전력 수신부에 무선으로 전력을 공급하는 전력 공급부와, 상기 외부 통신부를 통하여 수신되는 신경 신호를 분석하고, 상기 분석된 결과에 따라 상기 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 결정하는 외부 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 방법은 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포를 제1 신경 도관을 이용하여 재생시키는 단계와, 상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포를 제2 신경 도관을 이용하여 재생시키는 단계와, 생체 내부에 이식되어 상기 제1 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제1 이식형 모듈을 이용하여 원심성 신경 신호를 검출하는 단계와, 생체 내부에 이식되어 상기 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제2 이식형 모듈을 이용하여 구심성 신경 신호를 검출하는 단계와, 상기 제1 이식형 모듈에서 검출된 상기 원심성 신경 신호를 무선 통신 방식으로 상기 제2 이식형 모듈에 전송하는 단계와, 상기 제2 이식형 모듈에서 검출된 상기 구심성 신경 신호를 무선 통신 방식으로 상기 제1 이식형 모듈에 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 방법은 상기 제1 이식형 모듈이 상기 수신된 구심성 신경 신호에 따라 구심성 전기 자극 신호를 상기 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포에 전달하는 단계와, 상기 제2 이식형 모듈이 상기 수신된 원심성 신경 신호에 따라 원심성 전기 자극 신호를 상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포에 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 방법의 상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관은 다공성 고분자 전극을 포함하고, 상기 다공성 고분자 전극을 이용하여 상기 원심성 신경 신호 또는 상기 구심성 신경 신호를 선택적으로 검출하고, 상기 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포 또는 상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달할 수 있다.
이때, 상기 원심성 신경 신호 또는 상기 구심성 신경 신호를 선택적으로 검출하고, 상기 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포 또는 상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달하는 것은, 다층 퍼셉트론 알고리즘을 이용하여 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 방법은 생체 외부에 위치하여 상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈에 무선으로 전력을 공급하고, 상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈로부터 무선 통신 방식으로 상기 원심성 신경 신호 또는 상기 구심성 신경 신호를 수신하여 분석하는 외부 모듈를 포함하고, 상기 외부 모듈이 상기 분석된 결과에 따라 상기 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법은 다공성 고분자 전극을 포함하는 신경 도관 및 인공신경 네트워크부를 이용함으로써, 재생된 신경을 직접 연결시키지 않고도 손상된 신경의 신경 신호를 송수신할 수 있도록 함으로써 손상된 신경의 기능을 효과적으로 복구시킬 수 있게 한다.
특히, 본 발명은 다공성 고분자 전극 및 인공신경 네트워크부을 이용하여 여러 신경 신호를 선택적으로 검출 및 전송할 수 있으며, 이는 기존 척수 신경 치료의 한계점을 극복할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템이 척수 신경 사이에 설치되어 신경 신호를 송수신하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템이 척수 신경과 말단 신경 사이에 설치되어 신경 신호를 송수신하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 신경 도관의 사시도이다.
도 4는 도 3의 신경 도관의 단면 사시도이다.
도 5는 도 4의 신경 도관의 일부분을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 인공신경 네트워크부의 세부 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템이 척수 신경과 말단 신경 사이에 설치되어 신경 신호를 송수신하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 신경 도관의 사시도이다.
도 4는 도 3의 신경 도관의 단면 사시도이다.
도 5는 도 4의 신경 도관의 일부분을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 인공신경 네트워크부의 세부 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 설명하는 도면이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 위 내용에 한정되지 아니한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템이 척수 신경 사이에 설치되어 신경 신호를 송수신하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템은 제1 신경 도관(100)과, 제2 신경 도관(200)과, 인공신경 네트워크부(300)를 포함하여 구성된다.
제1 신경 도관(100)은 척수 신경 근위부(Proximal Spinal Cord Stump: 10)에 전기적으로 연결되어 신경 신호를 검출하거나, 전기 자극 신호를 전달하는 역할을 한다. 구체적으로 제1 신경 도관(100)에는 공동(cavity) 형태의 다수의 채널(120)이 형성되어 있으며, 채널(120) 내부에는 전극층(121)이 형성되어 있다. 이 전극층(121)은 척수 신경 근위부(10)의 말단에서 재생된 원심성 축색(efferent axon: 12)에 전기적으로 연결된다.
특히, 제1 신경 도관(100)은 다수의 채널(120)을 가짐으로써, 재생된 원심성 축색(12)의 다수의 신경 세포들을 각각 전극에 연결하여 후술할 제1 이식형 모듈(320)에 와이어 등으로 구성되는 제2 접속부(142)를 통하여 원심성 신경 신호를 전달할 수 있다.
제2 신경 도관(200)은 척수 신경 원위부(Distal Spinal Cord Stump: 20)에 전기적으로 연결되어 신경 신호를 검출하거나, 전기 자극 신호를 전달하는 역할을 한다. 구체적으로, 제2 신경 도관(200)에는 공동(cavity) 형태의 다수의 채널(220)이 형성되어 있으며, 채널(220) 내부에는 전극층(221)이 형성되어 있다. 이 전극층(221)은 척수 신경 원위부(20)의 말단에서 재생된 구심성 축색(afferent axon: 22)에 전기적으로 연결된다.
마찬가지로, 제2 신경 도관(200)은 다수의 채널(220)을 가짐으로써, 재생된 구심성 축색(22)의 다수의 신경 세포들을 각각 전극에 연결하여 후술할 제2 이식형 모듈(340)에 와이어 등으로 구성되는 제2 접속부(242)를 통하여 구심성 신경 신호를 전달할 수 있다.
다수의 신경 세포 각각의 신경 신호를 선택적으로 검출할 수 있도록 다공성 고분자 전극을 채택하는 본 발명의 제1 신경 도관(100) 및 제2 신경 도관(200)의 세부 구성 및 동작에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 상술하기로 한다.
인공신경 네트워크부(300)는 제1 이식형 모듈(320)과, 제2 이식형 모듈(340)과, 외부 모듈(360)을 포함하여 구성된다. 인공신경 네트워크부(300)는 제1 신경 도관(100) 및 제2 신경 도관(200)과 전기적으로 연결되어 손상되어 연결이 끊어진 신경의 신경 신호를 서로 송수신할 수 있도록 하는 역할을 한다.
제1 이식형 모듈(320)은 사람 또는 동물 등의 생체 내부에 이식되어 제1 신경 도관(100)과 전기적으로 연결된다. 도 1을 참조하면, 제1 이식형 모듈(320)은 피부(5) 내부에 이식되어 설치되어 있으며, 제1 디지털 신호 처리부(321)와, 제1 증폭부(324)와, 제1 자극부(325)와, 제1 내부 통신부(327)를 포함하여 구성된다.
제1 증폭부(324)는 제1 신경 도관(100)으로부터 전달되는 원심성 신경 신호를 수신하여 증폭하는 역할을 하며, 제1 디지털 신호 처리부(321)는 증폭된 원심성 신경 신호를 분석하여 제1 내부 통신부(327)를 통하여 제2 이식형 모듈(340) 또는 외부 모듈(360)으로 전송하는 역할을 한다. 또한, 제1 자극부(325)는 제1 디지털 신호 처리부(321)의 명령에 따라 제1 신경 도관(100)에 전기 자극 신호를 전송하는 역할을 한다.
제2 이식형 모듈(340) 역시 피부(5) 내부에 이식되어 설치되며, 제2 디지털 신호 처리부(341)와, 제2 증폭부(345)와, 제2 자극부(344)와, 제2 내부 통신부(347)을 포함하여 구성된다.
외부 모듈(360)은 생체 외부에 위치하며, 외부 통신부(361)와, 외부 제어부(362)를 포함하여 구성된다. 도 1을 참조하면, 외부 모듈(360)은 피부(5) 외부에 위치하며, 외부 통신부(361)를 통하여 제1 이식형 모듈(320) 및 제2 이식형 모듈(340)과 신경 신호를 송수신한다. 외부 제어부(362)는 외부 통신부(361)를 통하여 모니터링 되는 신경 신호를 분석하여 인공신경 네트워크 알고리즘 즉, 후술할 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 결정한다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워크 시스템의 개괄적인 동작을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 척수 신경 근위부(10)의 원심성 축색(12)은 채널(120)를 통하여 성장하여 전극층(121)에 연결된다. 이 전극층(121)은 제1 접속부(142)를 통하여 제1 이식형 모듈(320)에 연결되고, 원심성 신경 신호는 제1 증폭부(324)에 전달되어 증폭되고, 이 증폭된 신호는 제1 디지털 신호 처리부(321)와 제1 내부 통신부(327)를 통하여 제2 내부 통신부(347) 또는 외부 통신부(361)로 전달된다.
제2 내부 통신부(347)은 원심성 신경 신호를 수신하여 제2 디지털 신호 처리부(341)로 전송하고, 제2 디지털 신호 처리부(341)는 이 원심성 신경 신호를 분석하고, 제2 자극부(344)를 통하여 제2 신경 도관(200)에 전기 자극 신호를 전달한다.
같은 방식으로 척수 신경 원위부(20)의 구심성 축색(22)은 채널(220)을 통하여 성장하여 전극층(221)에 연결된다. 전극층(221)은 제2 접속부(242)를 통하여 제2 이식형 모듈(340)에 연결되고, 구심성 신경 신호는 제2 증폭부(345)에 전달되어증폭되고, 이 증폭된 신호는 제2 디지털 신호 처리부(341) 및 제2 내부 통신부(347)를 통하여 같은 방식으로 제1 내부 통신부(327) 또는 외부 통신부(361)로 전달된다.
제1 이식형 모듈(320)은 수신된 구심성 신경 신호를 제1 내부 통신부(327) 및 제1 디지털 신호 처리부(321), 제1 자극부(325)를 거쳐 제1 신경 도관(100)에 전기 자극 신호를 전달한다.
이때, 외부 통신부(361)는 제1 내부 통신부(327) 및 제2 내부 통신부(347)로부터 각각의 구심성 또는 원심성 신경 신호를 검출하여 모니터링 하면서, 복수의 신경 신호들에게 적합한 신경 도관(100, 200)의 채널(120, 220)를 설정할 수 있도록 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 설정하고, 이 파라미터를 외부 통신부(361)를 통하여 제1 이식형 모듈(320) 및 제2 이식형 모듈(340)의 제1 디지털 신호 처리부(321) 및 제2 디지털 신호 처리부(341)에 전송하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템이 척수 신경과 말단 신경 사이에 설치되어 신경 신호를 송수신하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 1에서는 제1 신경 도관(100)이 척수 신경 근위부(10)에 연결되고, 제2 신경 도관(200)이 척수 신경 원위부(20)에 연결되는 경우를 설명하였지만, 도 2에서는 제1 신경 도관(100')이 척수 신경 근위부(10')에 연결되고, 제2 신경 도관(200')이 말단(peripheral) 신경(30)에 직접 연결된 경우를 설명하고 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 말단 신경(30)에 커프 전극(Cuff Electrode: 32) 이 설치되고, 이 커프 전극(32)은 제2 접속부(242')를 통하여 제2 이식형 모듈(340')과 연결된다. 이와 같이 제1 신경 도관(100')을 말단 신경(30)에 직접 연결하는 경우는 직접적으로 손상된 척수 신경의 근위부(10')와 신경 손상에 따른 구체적인 장애 부위의 말단 신경(30)이 서로 신경 신호를 송수신하게 함으로써 구체적인 장애 부위를 선택적으로 치료할 경우에 적용될 수 있다.
이와 같은 연결 부위의 차이점을 제외하고는 구체적인 동작은 도 1과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다. 이하 도 3 내지 도 5을 참조하여 본 발명에 적용되는 신경 도관에 대해서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 신경 도관의 사시도이다. 편의상 제1 신경도관(100)을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 제1 신경 도관(100)은 원통형의 지지체(110), 지지체(110)의 몸체 내부로 형성되는 공동(cavity) 형태의 복수 개의 채널(channel: 120)을 포함한다. 후술하는 바와 같이, 각각의 채널(120)에는 그 내벽을 따라 전극층(121)(도 4 및 도 5 참조)이 형성된다.
지지체(110)는 원통형의 몸체를 가지며, 절단되어 손상된 신경의 말단에 연결된다. 지지체(110)는 폴리 우레탄(poly-Urethane) 재질로 이루어지며, 복수의 파이버에 의해 형성된다. 지지체(110)의 재질 등은 상기 기재된 재질에 한정되는 것은 아니며, 소정 강도로 일정한 형상을 형성할 수 있으며 생체 친화적인 물질이라면 본 실시예에 따른 지지체(110)로서 채택 가능하다.
지지체(110)의 몸체 내부에는 지지체(110)의 길이 방향으로 복수의 채널(120)이 형성되어 있다. 설명의 편의를 위해 채널(120)은 점선으로 도시하였다.
복수의 채널(120) 각각의 입구부(즉, 지지체(110)의 상면부)에는 외부 전극(130)이 형성되어 있다. 외부 전극(130)은 후술하는 바와 같이, 전극층(121)과 전기적으로 연결되며, 또한 지지체(110)의 상면에 형성된 접속 전극(140)과 전기적으로 연결된다.
접속 전극(140)은 지지체(110)의 상면 둘레를 따라 형성되는 고리 형태의 제3 접속부(141)와, 상기 제3 접속부(141)와 전기적으로 연결되는 제1 접속부(142)로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 접속부(141)는 각 채널(120)에 연결된 외부 전극(130)들과 전기적으로 연결되며, 제1 접속부(142)는 제1 이식형 모듈(320)에 전기적으로 연결된다.
도 4는 도 3의 신경 도관의 단면 사시도이다. 도 4에서 제1 신경 도관(100)은 그 길이 방향으로 절반이 절단되어 도시되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 채널(120)의 내벽에는 전극층(121)이 형성되어 있다. 본 실시예에 따르면 전극층(121)은 채널(120)의 중심 방향으로 연장되는 복수의 나노 섬유에 의해 형성된다.
도시의 편의를 위해 도 4에서는 나노 섬유의 직경 및 나노 섬유 간의 거리가 과장되어 도시되었다는 것이 이해되어야 할 것이다. 나노 섬유는 그 제조 공정 조건에 따라 더 미세하고 촘촘하게 형성될 수 있다.
일 예로서 나노 섬유는 전기적 성질 제어가 가능한 산화 아연(ZnO)에 갈륨(Ga)을 도핑한 GZnO가 될 수 있다. GZnO는 세라믹 물질이면서도 뛰어난 전도성을 가지며, 전극으로 사용하는 경우 일반 금속과 달리 인체 독성이 최소화되어 생체 적합성이 우수하다는 장점이 있다.
나노 섬유를 채널(120) 내벽에 고르게 분포시키고, 분포된 나노 섬유층을 전극층(121)으로서 이용하기 위하여, 본 실시예에서는 소위 졸-겔 프로세스(sol-gel process)가 이용된다. 상기 졸-겔 프로세스를 이용하며 공동의 채널(120) 안쪽 면에 고르게 나노 섬유를 성장시키고, 나노 섬유 간의 전기적 네트워크를 형성하여, 채널(120) 내부가 나노 섬유들에 의해 도전될 수 있도록 할 수 있다.
상기 졸-겔 프로세스는 당업자에게 공지된 방법이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
각 채널(120)의 입구부에는 외부 전극(130)이 형성되어 전극층(121)과 전기적으로 연결된다. 외부 전극(130)은 채널(120)의 입구부의 둘레를 따라 고리형태로 형성되는 제1 전극부(131)와, 상기 제1 전극부(131)와 전기적으로 연결되도록 연장되는 제2 전극부(132)를 포함한다.
제1 전극부(131)는 지지체(110)의 상면으로 노출되는 전극층(121)의 일부와 접속하여 전극층(121)과 전기적으로 연결되며, 제2 전극부(132)는 접속 전극(140)의 제3 접속부(141)와 전기적으로 연결된다.
본 실시예에서 각각의 채널(120) 내면에 형성되는 전극층(121)과 전기적으로 연결되는 외부 전극(130)의 구성은 서로 동일하다.
이하, 도 5를 참조하여 채널(120) 및 관련 구성을 자세히 설명한다.
도 5는 도 4의 신경 도관의 일부분을 도시한 단면도이다. 도 5에는 하나의 채널(120)에 관한 구성이 도시되었으며, 다른 채널의 구성은 이와 동일하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 채널(120) 내부에는 절단된 세포의 말단에서부터 신경 세포 즉, 원심성 축색(12)이 성장한다. 도 5에는 한 가닥의 원심성 축색(12)만이 도시되어 있지만, 복수 가닥의 신경 세포가 채널(120) 내부로 성장(재생)될 수도 있다. 신경 세포를 재생시키는 방법은 이미 공지되어 있으며, 그러한 방법은 본 발명의 범위에 속하지 않는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
원심성 축색(12)이 채널(120) 내부로 성장할 때는, 나노 섬유를 지지물로 이용하여 채널(120) 내벽을 따라서 성장한다. 원심성 축색(12)이 나노 섬유를 지지물로 이용하도록 함으로써, 원심성 축색(12)은 채널(120) 내부에서 견고하게 고정된다.
상술한 바와 같이, 나노 섬유들은 채널(120) 내벽에 전극층(121)을 형성하므로, 원심성 축색(12)는 전극층(121)과 자연스럽게 전기적으로 연결된다.
따라서, 원심성 축색(12)으로부터 전극층(120)으로 전달되는 원심성 신경 신호는 외부 전극(130)에 의해 감지되어 접속 전극(140)을 통해 외부로 전달될 수 있으며, 또한, 접속 전극(140)을 통해 전달된 외부의 전기 신호가 외부 전극(130)와 전극층(120)을 통해 원심성 축색(12)으로 전달될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 지지체(110)에는 복수의 채널(120)이 동시에 형성되어 있지만, 지지체(110)에는 하나의 채널(120) 만이 형성될 수도 있다. 다만, 신경은 복수의 신경 세포 다발로 이루어져 있고, 각각의 신경 세포 다발은 각각 다른 장기로 연결되는 경우가 많으므로, 지지체(110)에 복수의 채널(120)을 형성하고, 각 채널(120) 안에 신경 세포 다발이 선별적으로 성장하도록 함으로써, 신경 신호를 분류하여 전달하는 과정이 훨씬 수월해질 수 있다.
복수의 채널(120)이 형성된 지지체(110)는 마이크로 식각 공정을 통해 하나의 원통형 지지체(110)에 복수의 채널(120)을 관통 형성하여 형성할 수도 있으며, 하나의 채널(120)이 형성된 여러 개의 신경 도관들을 묶는 방법 등에 의해 형성할 수도 있다.
이와 같은 구조의 신경 도관(100, 200)을 이용하여 다수의 신경 신호를 선택적으로 검출, 분석, 전송하기 위하여 본 발명은 무선 통신 방식 및 인공신경 네트워크를 이용한다. 이하 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 인공신경 네트워크부(300)의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 인공신경 네트워크부의 세부 구성도이다.
도 6을 참조하면, 인공신경 네트워크부(300)는 제1 이식형 모듈(320)과, 제2 이식형 모듈(340)과, 외부 모듈(360)을 포함하여 구성된다.
제1 이식형 모듈(320)은 제1 디지털 신호 처리부(321)와, 제1 AD 컨버터(322)와, 제1 DA 컨버터(323)와, 제1 증폭부(324)와, 제1 자극부(325)와, 제1 멀티플렉서(326)와, 제1 내부 통신부(327)와, 제1 배터리부(328)와, 제1 전력수신부(329)를 포함하여 구성된다.
도 1과 관련하여 제1 디지털 신호 처리부(321)와, 제1 증폭부(324)와, 제1 자극부(325)의 역할에 대해서는 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.
제1 멀티플렉서(326)는 다수의 '제1 접속 전극' 즉 제1 접속부(142)로부터 수신되는 신경 신호들을 제한된 수의 제1 증폭부(324)와 제1 자극부(325)와 선택적으로 매칭시키는 역할을 한다. 제1 멀티플렉서(326)는 이러한 매칭 동작을 제1 디지털 신호 처리부(321)의 명령에 의해서 수행하게 되는데, 제1 디지털 신호 처리부(321)는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 이용하여 이러한 동작을 수행한다. 자세한 내용은 도 7을 참조하여 후술한다.
제1 AD 컨버터(322)는 제1 증폭부(324)에서 증폭된 원심성 신경 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시켜, 제1 디지털 신호 처리부(321)가 분석 가능하도록 한다.
제1 DA 컨버터(323)은 반대로, 제1 디지털 신호 처리부(321)에서 전달되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 역할을 한다.
제1 내부 통신부(327)은 도 1과 관련하여 언급한 바와 같이 신경 신호를 제2 이식형 모듈(340) 또는 외부 모듈(360)과 송수신하는 역할을 한다. 도 6에 도시된 바와 같이 제1 내부 통신부(327)는 RF 안테나(327a)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전력 수신부(329)는 외부 모듈(360)로부터 무선으로 전력을 전달 받아 제1 배터리부(328)에 공급하는 역할을 한다. 제1 배터리부(328)는 이렇게 공급된 전력에 의해 충전되어 제1 디지털 신호 처리부(321) 등에 전력을 공급한다.
제1 전력 수신부(329)는 도 6에 도시된 바와 같이 전력 수신을 위한 파워 코일(power coil: 329a)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 전력 수신부(329)의 파워 코일(329a)은 후술할 외부 모듈(360)의 전력 공급부(365)의 파워 코일(365a)로부터 무선 통신 방식으로 전력을 공급 받는다. 전자기 유도 방식을 이용한 무선 전력 전송 방법은 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
외부 모듈(360)은 외부 통신부(361)와, 외부 제어부(362)와, 전력 증폭부(363)와, 입/출력부(364)와, 전력 공급부(365)와, PC USB 연결부(366)를 포함하여 구성된다.
외부 통신부(361)는 무선 통신 방식으로 제1 이식형 모듈(320)의 제1 내부 통신부(327) 및 제2 이식형 모듈(340)의 제2 내부 통신부(347)와 신경 신호를 송수신하는 역할을 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 외부 통신부(361)는 RF 안테나(361a)를 포함하여 구성될 수 있다.
외부 제어부(362)는 외부 통신부(361)를 통하여 모니터링되는 신경 신호를 분석하여 인공신켱 네트워크 알고리즘 즉, 후술할 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 결정하는 역할을 한다.
전력 증폭부(363)는 외부 모듈(360)에 공급되는 전력을 증폭하여 전력 공급부(365)로 전달하며, 전력 공급부(365)는 전력 증폭부(363)에서 전달된 전력을 파워 코일(365a)를 통하여 제1 전력 수신부(329) 및 제2 전력 수신부(349)에 무선으로 전달하는 역할을 한다.
입/출력부(364)는 사용자에게 외부 모듈(360) 제어를 위한 인터페이스를 제공하기 위한 모듈로서 모니터 및 키보드 등으로 구성될 수 있다.
PC USB 연결부(366)는 외부 PC와 연동하여 외부 모듈(360)을 동작시키기 위하여 외부 모듈(360)에 장착될 수 있다.
제2 이식형 모듈(340)은 제2 디지털 신호 처리부(341)와, 제2 AD 컨버터(342)와, 제2 DA 컨버터(343)와, 제2 증폭부(344)와, 제2 자극부(345)와, 제2 멀티플렉서(346)와, 제2 내부 통신부(347)와, 제2 배터리부(348)와, 제2 전력수신부(349)를 포함하여 구성된다.
제2 이식형 모듈(340)의 동작은 제1 이식형 모듈(320)의 동작과 유사하므로 각 구성의 동작에 대한 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 설명하는 도면이다.
본 발명의 인공신경 네트워킹 알고리즘은 두 개의 이식형 모듈(320, 340)의 디지털 신호 처리기(321, 341)에서 수행되며, 무선 통신 방식으로 데이터를 주고 받게 하는 역할을 한다. 즉, 척수 신경 근위부에서 재생된 신경으로부터 원심성 신경 신호를 검출하고, 분석 과정을 거쳐 적절한 전기 자극 패턴을 생성하고, 척수 신경 원위부에서 재생된 신경으로부터 구심성 신경 신호를 검출하고, 분석 과정을 거쳐 적절한 전기 자극 패턴을 생성하고, 척추 신경 근위부에서 재생된 신경에 구심성 전기 자극 펄스 신호를 인가한다.
재생된 신경은 앞에서 언급한 바와 같이 원심성 축색(efferent axon: 12)과 구심성 축색(afferent axon: 22)으로 구분된다. 따라서, 인공신경 네트워크를 구성하기 위해서는 우선적으로 축색의 종류에 따라 각각의 신경 전극에 증폭기 또는 전기 자극기를 연결함으로써 원심성 신경 신호와 구심성 신경 신호가 전파될 수 있는 경로를 설정해야 한다. 이 과정은 도 7에 도시된 바와 같이 디지털 신호 처리기(321, 341)의 명령에 따라서 멀티플렉서(326, 346)에 의해서 수행된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 외부 모듈(360)의 외부 제어부(362)는 물리적 자극에 의한 구심성 신경 신호 또는 동작 의도에 따른 원심성 신경 신호를 모니터링하여 재생된 축색의 종류를 판별하고, 이에 해당되는 각각의 신경 전극을 인공신경 네트워크 알고리즘의 입력 또는 출력으로 설정한다.
이때, 인공신경 네트워크 알고리즘으로 다층 퍼셉트론 알고리즘(Multilayer Perceptron Algorithm)을 사용할 수 있으며, 다층 퍼셉트론 구조는 축색의 신경 신호의 흐름에 따라 입출력 방향이 반대인 다층 퍼셉트론들로 구성된다. 각각의 이식 모듈(320, 340)은 다층 퍼셉트론의 은닉층(hidden layer)을 공유하며, 무선 통신으로 데이터를 송수신한다.
활성함수(activation function)로서 양방향 시그모이드 함수(bipolar sigmoid function)를 사용하며, 입력층, 출력층, 그리고 은닉층의 뉴런 개수는 학습 과정에 의해 최적화된다. 또한, 학습 과정에서는 감각 및 운동 재활 훈련에서 얻어진 데이터와 역전파 학습(back-propagation learning)으로 다층 퍼셉트론의 하중 벡터(weight vector)들을 변화시킨다. 이때, 원하는 감각 및 운동 유발에 대한 보상(reward)과 원하지 않는 감각 및 운동 유발에 대한 처벌(penalty)을 정의하여 수치화된 지도값(teaching value)을 생성한다. 학습이 완료되면 다층 퍼셉트론에 입력되는 구심성 및 원심성 신경 신호에 따라 원하는 감각 및 운동을 유발하는 자극 패턴을 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 구성의 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법에 의하면 기존의 재생에 한계가 있던 척수 신경 치료의 한계점을 극복하고, 신경계 손상 환자들에게 신경 기능 복원 치료를 효과적으로 제공할 수 있다.
100 : 제1 신경 도관 200 : 제2 신경 도관
300 : 인공신경 네트워크부 320 : 제1 이식형 모듈
340 : 제2 이식형 모듈 360 : 외부 모듈
300 : 인공신경 네트워크부 320 : 제1 이식형 모듈
340 : 제2 이식형 모듈 360 : 외부 모듈
Claims (13)
- 손상된 신경의 일측 말단에 연결되는 제1 신경 도관;
상기 손상된 신경의 타측 말단에 연결되는 제2 신경 도관; 및
상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되어, 상기 손상된 신경의 신호를 송수신함으로써 상기 손상된 신경의 기능을 복구시키는 인공신경 네트워크부를 포함하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관은,
상기 손상된 신경의 말단에 연결되는 지지체;
상기 지지체의 몸체 내부로 형성되는 공동 형태의 채널;
상기 채널의 내벽을 따라 형성되는 전극층; 및
상기 전극층과 전기적으로 연결되는 외부 전극을 포함하고,
상기 손상된 신경의 말단에서 신경 세포가 상기 채널을 따라 성장되고, 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포는 상기 전극층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 지지체에는 복수 개의 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 인공신경 네트워크부는,
생체 내부에 이식되어 상기 제1 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제1 이식형 모듈;
생체 내부에 이식되어 상기 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제2 이식형 모듈; 및
생체 외부에 위치하는 외부 모듈을 포함하고,
상기 제1 이식형 모듈, 상기 제2 이식형 모듈, 상기 외부 모듈은 각각 상호간에 무선 통신 방식으로 신경 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈은,
상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관을 통하여 수신한 상기 손상된 신경의 신호를 증폭시키는 증폭부;
상기 증폭부를 통하여 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터;
상기 AD 컨버터에서 변환된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 디지털 신호를 상기 제1 이식형 모듈, 상기 제2 이식형 모듈 및 상기 외부 모듈 중 어느 하나에 무선 통신 방식으로 전송하거나, 상기 제1 이식형 모듈, 상기 제2 이식형 모듈 및 상기 외부 모듈 중 어느 하나로부터 수신된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포에 전달하는 디지털 신호 처리부;
상기 디지털 신호 처리부에서 수신된 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 컨버터;
상기 DA 컨버터를 통하여 변환된 아날로그 신호를 이용하여 상기 복수 개의 채널을 따라 성장된 신경 세포에 전기 자극 신호를 전달하는 자극부; 및
상기 디지털 신호 처리부의 명령에 따라 상기 복수 개의 채널을 따라 성장된 복수 개의 신경 세포와 상기 증폭부 및 상기 자극부를 전기적으로 매칭시키는 멀티플렉서를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 디지털 신호 처리부는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 채택하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈은,
상기 외부 모듈과 무선 통신 방식으로 신호를 송수신하기 위한 내부 통신부; 및
상기 외부 모듈로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 외부 모듈은,
상기 내부 통신부와 신호를 송수신하기 위한 외부 통신부;
상기 전력 수신부에 무선으로 전력을 공급하는 전력 공급부; 및
상기 외부 통신부를 통하여 수신되는 신경 신호를 분석하고, 상기 분석된 결과에 따라 상기 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 결정하는 외부 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 시스템.
- 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포를 제1 신경 도관을 이용하여 재생시키는 단계;
상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포를 제2 신경 도관을 이용하여 재생시키는 단계;
생체 내부에 이식되어 상기 제1 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제1 이식형 모듈을 이용하여 원심성 신경 신호를 검출하는 단계;
생체 내부에 이식되어 상기 제2 신경 도관과 전기적으로 연결되는 제2 이식형 모듈을 이용하여 구심성 신경 신호를 검출하는 단계;
상기 제1 이식형 모듈에서 검출된 상기 원심성 신경 신호를 무선 통신 방식으로 상기 제2 이식형 모듈에 전송하는 단계; 및
상기 제2 이식형 모듈에서 검출된 상기 구심성 신경 신호를 무선 통신 방식으로 상기 제1 이식형 모듈에 전송하는 단계를 포함하는 인공신경 네트워킹 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 제1 이식형 모듈이 상기 수신된 구심성 신경 신호에 따라 구심성 전기 자극 신호를 상기 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포에 전달하는 단계; 및
상기 제2 이식형 모듈이 상기 수신된 원심성 신경 신호에 따라 원심성 전기 자극 신호를 상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포에 전달하는 단계를 더 포함하는 인공신경 네트워킹 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 신경 도관 및 상기 제2 신경 도관은 다공성 고분자 전극을 포함하고,
상기 다공성 고분자 전극을 이용하여 상기 원심성 신경 신호 또는 상기 구심성신경 신호를 선택적으로 검출하고, 상기 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포 또는 상기 손상된 신경의 원위부 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 원심성 신경 신호 또는 상기 구심성 신경 신호를 선택적으로 검출하고, 상기 손상된 신경의 근위부 말단의 신경 세포 또는 상기 손상된 신경의 윈위부 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달하는 것은,
다층 퍼셉트론 알고리즘을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 방법.
- 제12항에 있어서,
생체 외부에 위치하여 상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈에 무선으로 전력을 공급하고, 상기 제1 이식형 모듈 및 상기 제2 이식형 모듈로부터 무선 통신 방식으로 상기 원심성 신경 신호 또는 상기 구심성 신경 신호를 수신하여 분석하는 외부 모듈을 포함하고,
상기 외부 모듈이 상기 분석된 결과에 따라 상기 다층 퍼셉트론 알고리즘의 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경 네트워킹 방법.
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