KR101325368B1

KR101325368B1 - 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치

Info

Publication number: KR101325368B1
Application number: KR1020120042558A
Authority: KR
Inventors: 김경환; 류상백; 장진우; 배은경; 신형철; 김진형; 임창균
Original assignee: 연세대학교 원주산학협력단
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-11-08
Also published as: KR20130119620A

Abstract

본 발명은 뇌 조직에 전기자극을 가하는 뇌 전기자극 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치는 뇌의 신경활동으로 발생되는 신경신호를 측정하는 하나 이상의 신경신호 측정부, 최초 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 상기 전기자극 아티팩트를 제거하여, 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호를 검출하는 아티팩트 제거부를 포함한다. 아울러, 본 발명은 검출된 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호에서 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호의 정량적 변화를 비교하고, 정량적 변화와 뇌에 가해진 최초 전기자극을 분석하여 최초 전기자극의 적합성을 판단하는 신경신호 분석부를 포함한다. 또한, 본 발명은 적합성 판단에 따라 뇌에 가해질 재차 전기자극의 파라미터를 결정하는 전기자극 파라미터 조절부, 뇌에 가해질 재차 전기자극의 자극펄스를 생성하는 전기자극 생성부 및 뇌에 재차 전기자극을 가하기 위해 전류원 및 자극 전극이 구비된 전기자극부를 포함한다. 나아가, 본 발명은 신경신호 측정부에서 측정된 신경신호를 기록하는 신경신호 기록부를 포함한다.

Description

뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치{APPARATUS FOR CLOSED-LOOP ELECTRICAL BRAIN STIMULATION USING NEURAL RESPONSE SIGNALS}

본 발명은 뇌 조직에 전기자극을 가하는 뇌 전기자극 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 전기자극에 반응한 뇌 조직이 응답하는 뇌신경신호의 변화를 기반으로, 전기자극 조건을 변화시켜 뇌 조직에 최적화된 전기자극을 다시 뇌 조직에 가하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프(Closed Loop)형 뇌 전기자극 장치에 관한 것이다.

인체에서 다양한 신경학적 기능은 뇌의 신경활동에 의해 조절되거나 영향을 받게 된다. 따라서, 뇌에 외상 또는 질환이 발생하면 뇌의 신경활동에 이상이 발생되고, 인체는 병적인 신경기능 이상을 초래하게 된다. 신경기능 이상으로 인한 질병의 치료를 위한 다양한 방법 중 하나로 뇌 조직에 전기자극을 가해 뇌의 신경활동을 개선 시키는 뇌 전기자극 장치을 이용한 뇌 전기자극 방법이 각광받고 있다.

일반적으로, 뇌 전기자극 장치는 파킨슨병, 간질, 언어장애, 지각장애, 신경병증성 통증 및 만성통증과 같은 육체적 통증뿐만 아니라, 중증 우울증 등 정신적 장애의 치료를 목적으로 활용되고 있다. 따라서, 이와 같은 치료를 위한 뇌 전기자극 장치의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

한국공개특허 제10-2011-0066460호의 “통증 치료용 심부뇌자극 장치 및 방법”은 통증 치료용 심부뇌자극 장치 및 방법에 관한 것으로, 심부뇌자극을 통해 통증을 완화할 수 있는 장치 및 방법에 관한 기술이다. 이를 위한, 통증 치료용 심부뇌자극 장치는 통증을 조절하는 뇌의 영역에 접촉하도록 두개골을 관통하여 삽입되는 적어도 하나의 양극성(Bipolar) 전극침 및 전극침에 연결되며 전기자극을 발생시키는 전기자극 발생장치를 포함한다.

이 기술은 뇌에서 통증 전달을 담당하는 시상(VPM/VPL) 부분에 신경세포가 신호 전달을 차단할 때 사용하는 방법을 모방한 전기 자극을 줌으로써, 통증 신호 전달을 근본적으로 차단하여 통증을 완화할 수 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2011-0064071호의 “뇌 피질 전기 자극 장치”는 뇌피질에 전기자극을 가하는 전기자극 장치에 관한 기술이다. 이 기술은 광범위한 두피 및 두개골의 절개를 가능한 적게 하면서 넓은 범위의 뇌피질에 전기 자극을 제공할 수 있다.

이를 위한 뇌 피질 전기 자극 장치는 전기 자극 신호를 뇌로 전송하거나 뇌로부터의 신호를 수신하는 회로부, 회로부에 연결되며 플랙서블한 재료(flexible material)로 형성되어 용이하게 변형되는 바디부, 바디부 상에 형성되며, 전기 자극 신호에 따라 전기 자극을 발생시키는 복수개의 전극을 포함하는 전극부, 바디부 상에 형성되며, 회로부와 상기 전극부를 연결하기 위한 배선부를 포함한다.

하지만, 위에서 설명한 종래의 심부뇌자극 장치 및 뇌피질 전기자극 장치는 전기자극을 뇌 조직에 가할 때, 전기자극의 자극율 및 자극세기의 미세한 파라미터를 미리 결정한다. 결정된 파라미터는 고정되고, 고정된 파라미터를 기반으로 뇌 조직에 고정된 전기자극이 가해진다는 문제점이 있다. 따라서, 신경/정신과적 질환에 따른 통증 및 장애 정도 차이에 따른 적절한 전기자극을 뇌조직에 가하기 어렵다.

본 발명은 위에서 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 뇌 조직에 가해지는 전기자극의 자극율 및 자극세기의 미세한 파라미터를 뇌의 신경신호의 변화에 따라 능동적으로 변화시켜, 신경/정신과적 질환에 따른 통증 및 장애 정도 차이에 따라 전기자극을 변화시킬 수 있는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

나아가, 본 발명은 신경/정신과적 질환에 따른 통증 및 장애의 치료를 위한, 종래의 약물 치료에서 발생되는 부작용과 약물 내성으로 인한 문제점을 해결할 수 있는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치를 제공함을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치는 뇌의 신경활동으로 발생되는 신경신호를 측정하는 하나 이상의 신경신호 측정부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치는 최초 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 전기자극 아티팩트를 제거하여, 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호를 검출하는 아티팩트 제거부를 포함한다.

아울러, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치는 검출된 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호에서 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호의 정량적 변화를 비교하고, 정량적 변화와 뇌에 가해진 최초 전기자극을 분석하여 최초 전기자극의 적합성을 판단하는 신경신호 분석부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치는 정량적 변화 여부에 따라 뇌에 가해질 재차 전기자극의 파라미터를 조절하는 전기자극 파라미터 조절부, 뇌에 가해질 재차 전기자극의 자극펄스를 생성하는 전기자극 생성부 및 뇌에 재차 전기자극을 가하기 위해 전류원 및 자극 전극이 구비된 전기자극부를 포함한다.

나아가, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치는 신경신호 측정부에서 측정된 신경신호를 기록하는 신경신호 기록부를 포함한다.

위에서 상술한 바와 같이 본 발명은 전기자극 아티팩트가 제거된 신경신호에서 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호를 검출하고, 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위의 정량적 변화를 분석하여, 뇌에 재차 가해질 전기자극의 자극율 및 자극세기를 능동적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 육체적 통증 및 정신적 장애의 통증 및 장애 정도의 차이에 따라 전기자극을 변화시킬 수 있다.

신경신호 분석부에서 분석된 신경신호를 기반으로 전기자극 파라미터 조절부가 뇌에 가해질 재차 전기자극의 파라미터를 조절하여, 신경/정신과적 질환에 따른 통증 및 장애 정도의 차이에 따라 변화된 전기자극을 반복적으로 뇌에 가함으로써, 약물 치료에서 발생되는 부작용과 약물 내성을 방지하고 맞춤형 치료가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 아티팩트 제거부가 단일 신경신호를 검출하는 것을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 아티팩트 제거부가 국소적 뇌전위 신호를 검출하는 것을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 신경신호 분석부를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 신경신호 분석부의 발화 패턴 분석부를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 신경신호 분석부의 주파수 성분 분석부를 설명하는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치를 설명하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 뇌의 신경활동으로 발생되는 신경신호를 측정하는 하나 이상의 신경신호 측정부(101), 최초 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 전기자극 아티팩트를 제거하여, 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호를 검출하는 아티팩트 제거부(102)를 포함한다.

본 발명에서 '최초 전기자극'은 전기 자극부(106)에서 뇌에 가해지는 최초의 전기 자극을 의미한다. 또한, '재차 전기자극'은 최초 전기자극이 가해진 후, 최초 전기자극의 적합성을 판단하고, 전기자극의 자극 펄스 파라미터가 조절되어 뇌에 재차로 가해지는 전기자극을 의미한다. 본 발명에 있어서, 재차 전기자극은 n번 반복될 수 있으며, n번 반복된 재차 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호는 신경신호 측정부(101)에서 n번 측정할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)가 폐루프형이기 때문에 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 검출된 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호에서 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호의 정량적 변화를 비교하고, 정량적 변화와 뇌에 가해진 최초 전기자극을 분석하여 최초 전기자극의 적합성을 판단하는 신경신호 분석부(103)을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 적합성 판단에 따라 뇌에 가해질 재차 전기자극의 파라미터를 결정하는 전기자극 파라미터 조절부(104), 뇌에 가해질 재차 전기자극의 자극펄스를 생성하는 전기자극 생성부(105) 및 뇌에 재차 전기자극을 가하기 위해 전류원 및 자극 전극이 구비된 전기자극부(106)를 포함한다.

본 발명에 있어서, '정량적 변화'는 최초 전기자극 또는 재차 전기자극을 의미하는 전기자극이 뇌에 가해지기 전의 신경신호와 전기자극이 가해진 후의 신경신호의 차이를 의미한다. 이때, 신경신호는 전기자극 아티팩트를 포함하는 신경신호를 의미하며, 신경신호에서 '정량적 변화'는 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호를 시각적으로 나타내는 측정수단에 표시되는 파라미터 값의 변화일 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 신경신호 측정부에서 측정된 신경신호를 기록하는 신경신호 기록부(107)를 더 포함한다.

일 실시 예에 있어서, 신경신호 측정부(101)는 뇌의 신경활동으로 발생되는 신경신호를 측정하기 위한 센서, 증폭기 및 필터를 포함한다. 신경신호 측정부(101)는 인체 중 머리부위에 부착되어 신경신호를 입력받을 수 있도록 접착부재가 더 포함될 수 있다. 또한, 신경신호 측정부(101)는 머리부위 이외에, 기타 신체부위에 부착이 가능하다.

아티팩트 제거부(102)는 커브피팅(Curve Fitting) 단계(S1)가 수행되어 전기자극 아티팩트(Stimulation Artifact)를 제거할 수 있다. 아티팩트 제거부(102)는 커브피팅 단계가 수행되어 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호(Action Potential)에서 단일 신경신호를 검출한다. 또한, 아티팩트 제거부(102)는 적응 필터 적용단계에 의해 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 국소적 뇌전위(Local Field Potential)신호를 검출한다.

아티팩트 제거부(102)의 커브피팅 단계(S1)가 수행되어 단일 신경신호를 검출하는 것은 도 2를 참조하여 설명할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 아티팩트 제거부가 단일 신경신호를 검출하는 것을 설명하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 아티팩트 제거부(102)가 단일 신경신호의 검출을 위해서는 커브피팅 단계(S1)를 수행한다. 커브피팅 단계(S1)는 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 아티팩트 파형을 검출하는 S1-1단계를 포함한다.

또한, 커브피팅 단계(S1)는 S1-1단계 후, 검출된 아티팩트 파형과 대응되는 템플릿 파형을 생성하는 S1-2단계 및 템플릿 파형에 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호의 파형을 차감하여, 전기자극 아티팩트가 제거된 단일 신경신호를 취득하는 S1-3단계로 이루어져 수행된다.

신경신호의 특징 중 하나는 동일한 조건으로 전기자극이 뇌에 가해지더라도 신경신호 측정부(101)에 측정되고, 신경신호 기록부(107)에 기록되는 전기자극 아트팩트가 포함된 신경신호의 파형은 신경신호 별로 차이점을 가진다는 것이다. 따라서, 본 발명의 아티팩트 제거부(102)는 파형의 차이에 유연하게 대처하기 위해 커브피팅 단계(S1)를 수행한다.

단일 신경신호의 검출을 위해 S1-1단계에서 전기자극이 가해진 시간 영역의 신경신호에서 전기자극 아티팩트 파형을 검출한다. 이는 전기자극이 뇌에 가해지면, 이때 뇌가 발생시키는 신경신호에 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함됨으로 가능하다. S1-1단계에서 아티팩트 파형은 전기자극이 가해지기 전의 신경신호와 전기자극이 가해진 후의 신경신호가 서로 상이하기 때문에 식별이 가능하다. 따라서, 아티팩트 파형이 포함된 신경신호 구역을 용이하게 구별할 수 있다.

S1-2단계는 S1-1단계에서 검출한 아티팩트 파형에 대응되는 템플릿 파형(A')을 커브피팅을 적용하여 생성한다. S1-3단계는 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호(A'')에 템플릿 파형(A')을 차감하는 단계다. 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호(A'')에서 화살표로 표시된 부분이 아티팩트가 포함된 부분을 나타낸다.

반면, 템플릿 파형(A')에는 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호(A'')에서 화살표로 표시된 부분이 나타나지 않는다. 따라서, S1-3단계에서 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호(A'')에 템플릿 파형(A')을 차감하면 아티팩트가 제거된 단일 신경신호(A)를 취득할 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 아티팩트 제거부(102)가 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 국소적 뇌전위 신호를 검출하기 위해 적응 필터를 적용하는 것은 도 3을 참조하여 설명할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 아티팩트 제거부가 국소적 뇌전위 신호를 검출하는 것을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 아티팩트 제거부(102)가 적응 필터 적용단계(S2)에 의해 국소적 뇌전위 신호를 검출하는 것은 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 아티팩트 파형을 제거하는 S2-1단계로 이루어진다.

또한, 적응 필터 적용단계(S2)는 S2-1단계 후, 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 적응 필터의 메인부에 입력(Primary Input)하고, 아티팩트 파형만 기록된 아티팩트 파형신호를 적응 필터의 레퍼런스 입력(Reference Input)하여, 적응 필터를 적용시켜 아티팩트 주파수가 제거된 국소적 뇌전위신호를 검출하는 S2-2단계로 이루어진다.

S2-1단계는 신경신호 측정부(101)로 입력받은 신경신호에서 아티팩트가 포함된 시간 대의 신경신호 역영을 파악한다. 또한, S2-1단계에서 '아티팩트가 포함된 시간 대'는 전기자극이 가해졌을 때의 시간을 의미하며, 이 시간 영역에서 아티팩트 파형을 제거한다.

S2-1단계는 전기자극 아티팩트만 기록된 신호와 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 비교하여, 아티팩트 주파수 성분을 제거한다. 본 발명에 있어서, '주파수 성분'은 주파수 영역과 같은 의미로 이해할 수 있다. 또한, S2-1단계에서는 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호의 주파수를 분석한다.

도 3은 S2-2단계의 본 발명의 용이한 이해를 위한 도면이다. S2-1단계에서 추출된 아티팩트 주파수 성분은 화살표에 표시된 바와 같이, 50㎐ 대역인 것을 알 수 있고, 적응필터를 통해 50㎐ 대역의 아티팩트 주파수 성분이 제거된 국소적 뇌전위(B)를 검출할 수 있다. 아울러, S2-2단계에서 전기자극 아티팩트가 제거된 신경신호의 주파수를 분석하여 국소적 뇌전위(B)를 검출한다.

적응 필터 적용단계(S2)의 S-1단계 및 S-2단계를 거쳐, 아티팩트 제거부(102)에서 아피팩트 파형이 제거된 국소적 뇌전위(B)를 검출할 수 있다. 본 발명에서 아티팩트 파형은 아티팩트 주파수 및 아티팩트 주파수 성분과 혼용가능하다.

일 실시 예에 있어서, 신경신호 분석부(103)는 아티팩트 제거부(102)에서 검출된 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호에서 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호의 정량적 변화를 비교한다. 또한, 아티팩트 제거부(102)로부터 입력된 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위 신호에서 질환 특이적인 지표를 추출 및 분석한다. 신경신호 분석부(103)는 도 4를 참조하여 설명할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 신경신호 분석부를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 신경신호 분석부(103)는 아티팩트 제거부(102)에서 검출된 단일 신경신호에서 발화 패턴을 분석하는 발화 패턴 분석부(103a), 아티팩트 제거부(102)에서 검출된 단일 신경신호에서 발화율을 분석하는 발화율 분석부(103b) 및 아티팩트 제거부(102)에서 검출된 국소적 뇌전위신호에서 국소적 뇌전위신호 스펙트럼을 분석하여, 신경/정신과적 질환을 포함하는 육체적 통증 및 정신적 장애의 통증 및 장애의 정도에 따른 신경신호의 주파수 성분을 분석하는 주파수 성분 분석부(103c)를 포함한다.

일 실시 예에 있어서, 신경신호 분석부(103)는 신경신호에서 질환 특이적인 지표를 추출 및 분석한다. 신경신호 분석부(103)의 발화 패턴 분석부(103a)는 단일 신경신호의 발화 패턴으로부터 전기자극으로 인한 불규칙한 발화 패턴의 감소 여부을 분석한다.

또한, 신경신호 분석부(103)의 발화율 분석부(103b)는 전기자극으로 인한 비정상적인 발화율을 분석한다. 또한, 신경신호 분석부(103)의 주파수 성분 분석부(103c)는 국소적 뇌전위 신호의 스펙트럼 관찰을 통해 질환 관련 신경신호의 주파수 성분의 감소 여부를 판단한다. 신경신호 분석부(103)는 발화 패턴, 발화율 및 주파수 성분을 분석하여, 최초 및 재차 전기자극의 적합성을 분석 및 판단한다.

본 발명에서 신경신호 분석부(103)가 판단하는 '적합성'은 인체의 신경/정신과적 질환에 따른 통증 또는 장애 정도에 부합하는 자극율 및 자극세기의 전기자극인가를 의미할 수 있다.

또한, 최초 전기자극이 가해진 후, 뇌에서 발생되는 신경신호와 대비해 재차 전기자극의 자극율 및 자극세기가 적합한지에 대한 적합 여부를 의미할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 신경신호 분석부(103)의 발화 패턴 분석부(103a)는 도 5를 참조하여 설명할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 신경신호 분석부의 발화 패턴 분석부를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 도 5는 발화 패턴 분석부(103a)를 설명함과 동시에 발화 패턴 분석부(103a)의 발화 패턴 분석을 설명한다. 발화 패턴 분석부(103a)는 전기자극 아티팩트가 제거된 신경신호에서 버스트 패턴의 유무를 판별하는 버스트 스파이크 검출부(103a')를 포함한다.

발화 패턴 분석부(103a)는 버스트(Burst)가 없는 경우, 단일 신경신호에서 스파이크(Spike) 간격의 규칙성을 판별하고, 스파이크 간격의 규칙성에 따라 규칙적 패턴 단일 신경신호와 불규칙적 패턴 단일 신경신호로 단일 신경신호를 분류한다.

또한, 발화 패턴 분석부(103a)는 버스트가 존재하는 경우, 단일 신경신호에서 버스트 혼합 비율을 판별하고, 혼합비율 별로 혼합 패턴 단일 신경신호와 버스트 패턴 단일 신경신호로 분류한다.

발화 패턴 분석부(103a)에서 분류된 규칙적 패턴 단일 신경신호, 불규칙적 패턴 단일 신경신호, 혼합 패턴 단일 신경신호 및 버스트 패턴 단일 신경신호는 뇌에 가해지는 전기자극의 적합성 여부를 판단하는 근거가 되고, 이 근거를 기반으로한 적합성 판단에 따라 전기자극 파라미터 조절부(104)가 뇌에 가해질 전기자극의 파라미터 값을 결정한다.

일 실시 예에 있어서, 신경신호의 주파수 성분을 분석하는 주파수 성분 분석부(103c)는 도 6을 참조하여 설명할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 신경신호 분석부의 주파수 성분 분석부를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 도 6은 주파수 성분 분석부(103c)가 주파수 성분 분석을 위해 수행하는 단계를 설명한다. 주파수 성분 분석부(103c)는 아티팩트 제거부에서 검출된 국소적 뇌전위신호를 입력받는 S3-0단계, 국소적 뇌전위신호에 단기간 푸리에 변환을 적용하여 시간 변화에 따른 주파수 변화를 관찰하는 S3-1단계를 수행한다.

아울러, 주파수 성분 분석부(103c)는 전기자극으로 유발되는 주파수 성분의 관찰을 위해, 전기자극이 가해지기 이전 구간을 기준 주파수로 설정하고, 정규화된 단기간 푸리에 변환을 기준 주파수에 적용시키는 S3-2단계를 포함한다.

또한, 주파수 성분 분석부(103c)는 기준 주파수 대비 증감된 주파수를 관심 주파수 성분으로 설정하는 S3-3단계 및 단위 시간별 관심 주파수 성분의 평균을 계산하여, 주파수 변화를 분석하는 S3-4단계를 수행하여 주파수 성분을 분석한다.

일 실시 예에 있어서, 전기자극 파라미터 조절부(104)는 도 4 내지 도 6을 통해 설명한 신경신호 분석부(103)에서 분석된 아티팩트가 제거된 상태의 신경신호를 근거로 자기자극의 자극펄스 생성을 위한 파라미터를 조절한다. 또한, 자극펄스의 생성을 위해 조절된 파라미터 값을 기반으로 전기자극 생성부(105)에서 자극 펄스를 생성한다. 생성된 자극 펄스는 전기 자극부(106)에 의해 전기자극으로 가해지게 된다.

본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 폐루프형(Closed-Loop)임으로, 전기 자극부(106)를 통해 가해지는 전기자극은 반복적으로 일어난다. 또한, 반복적으로 가해지는 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호는 반복적으로 신경신호 측정부(101)를 통해 검출된다.

본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 전기자극부(106)에서 최초 전기자극이 뇌에 가해지면, 신경신호 측정부(101)가 최초 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 측정하며, 전기자극부(106)에서 재차 전기자극이 뇌에 가해지면, 신경신호 측정부(101)가 재차 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 전기자극부(106)에서 뇌에 가해지는 재차 전기자극이 n번 반복되면, 신경신호 측정부(101)는 재차 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 n번 측정하는 것을 특징으로 한다. 이때, n은 1이상의 자연수이다.

본 발명에 따른 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치(100)는 전기자극 아티팩트가 제거된 신경신호에서 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호를 검출하고, 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위의 정량적 변화를 분석하여, 뇌에 재차 가해질 전기자극의 자극율 및 자극세기를 능동적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 신경/정신과적 질환에 따른 통증 및 장애 정도의 차이에 따라 전기자극을 변화시킬 수 있다.

신경신호 분석부(103)에서 분석된 신경신호를 기반으로 전기자극 파라미터 조절부(104)가 뇌에 가해질 재차 전기자극의 파라미터를 조절하여, 신경/정신과적 질환을 포함하는 육체적 통증 및 정신적 장애에 따른 통증 및 장애 정도의 차이에 따라 변화된 전기자극을 반복적으로 뇌에 가함으로써, 약물 치료에서 발생되는 부작용과 약물 내성을 방지하고 맞춤형 치료가 가능하다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치
101: 신경신호 측정부 102: 아티팩트 제거부
103: 신경신호 분석부 103a: 발화패턴 분석부
103b: 발화율 분석부 103c: 주파수 성분 분석부
103a': 버스트 스파이크 검출부 104: 전기자극 파라미터 조절부
105: 전기자극 생성부 106: 전기 자극부
107: 신경신호 기록부

Claims

뇌의 신경활동으로 발생되는 신경신호를 측정하는 하나 이상의 신경신호 측정부;
최초 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 상기 전기자극 아티팩트를 제거하여, 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호를 검출하는 아티팩트 제거부;
검출된 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호에서 최초 전기자극이 가해지기 전과 최초 전기자극이 가해진 구간의 단일 신경신호 및 국소적 뇌전위신호의 정량적 변화를 비교하고, 상기 정량적 변화와 뇌에 가해진 최초 전기자극을 분석하여 최초 전기자극의 적합성을 판단하는 신경신호 분석부;
상기 적합성 판단에 따라 뇌에 가해질 재차 전기자극의 자극 펄스 파라미터를 결정하는 전기자극 파라미터 조절부;
뇌에 가해질 재차 전기자극의 자극펄스를 생성하는 전기자극 생성부; 및
뇌에 재차 전기자극을 가하기 위해 전류원 및 자극 전극이 구비된 전기자극부를 포함하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제1항에 있어서,
신경신호 측정부에서 측정된 신경신호를 기록하는 신경신호 기록부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제1항에 있어서, 상기 아티팩트 제거부는,
커브피팅 단계(S1)가 수행되어 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 단일 신경신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제3항에 있어서, 상기 커브피팅 단계(S1)는,
전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 아티팩트 파형을 검출하는 S1-1단계;
검출된 아티팩트 파형과 대응되는 템플릿 파형을 생성하는 S1-2단계; 및
상기 템플릿 파형에 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호의 파형을 차감하여, 전기자극 아티팩트가 제거된 단일 신경신호를 취득하는 S1-3단계
로 이루어져 수행되는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제1항에 있어서, 상기 아티팩트 제거부는,
적응 필터 적용단계(S2)가 수행되어 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 국소적 뇌전위신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제5항에 있어서, 상기 적응 필터 적용단계(S2)는,
전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호에서 아티팩트 파형을 제거하는 S2-1단계; 및
전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 적응 필터의 메인부에 입력하고, 아티팩트 파형만 기록된 신호를 적응 필터의 레퍼런스 입력하여, 적응 필터를 적용시켜 아티팩트 주파수가 제거된 국소적 뇌전위신호를 검출하는 S2-2단계로 이루어져 수행되는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제1항에 있어서, 상기 신경신호 분석부는,
상기 아티팩트 제거부에서 검출된 단일 신경신호에서 발화 패턴을 분석하는 발화 패턴 분석부;
상기 아티팩트 제거부에서 검출된 단일 신경신호에서 발화율을 분석하는 발화율 분석부; 및
상기 아티팩트 제거부에서 검출된 국소적 뇌전위신호에서 국소적 뇌전위신호 스펙트럼을 분석하여, 육체적 통증 및 정신적 장애의 통증 및 장애 정도의 차이에 따른 신경신호의 주파수 성분을 분석하는 주파수 성분 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제7항에 있어서, 상기 발화 패턴 분석부는,
전기자극 아티팩트가 제거된 단일 신경신호에서 버스트 패턴의 유무를 판별하는 버스트 스파이크 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제8항에 있어서, 상기 발화 패턴 분석부는,
버스트가 없는 경우, 단일 신경신호에서 스파이크 간격의 규칙성을 판별하고, 상기 단일 신경신호를 규칙적 패턴 단일 신경신호와 불규칙적 패턴 단일 신경신호로 분류하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제8항에 있어서, 상기 발화 패턴 분석부는,
버스트가 존재하는 경우, 단일 신경신호에서 버스트의 혼합 비율을 판별하고, 혼합 비율별로 상기 단일 신경신호를 혼합 패턴 단일 신경신호와 버스트 패턴 단일 신경신호로 분류하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제7항에 있어서, 상기 주파수 성분 분석부는
아티팩트 제거부에서 검출된 국소적 뇌전위신호를 입력받는 S3-0단계;
국소적 뇌전위신호에 단기간 푸리에 변환을 적용하여 시간 변화에 따른 주파수 변화를 관찰하는 S3-1단계;
전기자극으로 유발되는 주파수 성분의 관찰을 위해, 전기자극이 가해지기 이전 구간을 기준 주파수로 설정하고, 정규화된 단기간 푸리에 변환을 기준 주파수에 적용시키는 S3-2단계;
기준 주파수 대비 증감된 주파수를 관심 주파수 성분으로 설정하는 S3-3단계; 및
단위 시간별 관심 주파수 성분의 평균 값을 계산하여, 주파수 변화를 분석하는 S3-4단계를 수행하여 주파수 성분을 분석하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제1항에 있어서, 상기 신경신호 측정부는,
뇌의 신경활동으로 발생되는 신경신호를 측정하기 위한 센서, 증폭기 및 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 전기자극부에서 최초 전기자극이 뇌에 가해지면, 상기 신경신호 측정부가 상기 최초 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 측정하며, 상기 전기자극부에서 재차 전기자극이 뇌에 가해지면, 상기 신경신호 측정부가 상기 재차 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
제13항에 있어서,
상기 전기자극부에서 뇌에 가해지는 재차 전기자극이 n번 반복되면, 상기 신경신호 측정부는 재차 전기자극에 의한 전기자극 아티팩트가 포함된 신경신호를 n번 측정하는 것을 특징으로 하는 뇌신경신호반응 기반의 폐루프형 뇌 전기자극 장치.
(이때, n은 1 이상의 자연수임)