KR101371359B1 - 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법 - Google Patents

의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101371359B1
KR101371359B1 KR1020120028346A KR20120028346A KR101371359B1 KR 101371359 B1 KR101371359 B1 KR 101371359B1 KR 1020120028346 A KR1020120028346 A KR 1020120028346A KR 20120028346 A KR20120028346 A KR 20120028346A KR 101371359 B1 KR101371359 B1 KR 101371359B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nerve
signal
peripheral nerve
module
digital signal
Prior art date
Application number
KR1020120028346A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130106639A (ko
Inventor
윤인찬
최귀원
서준교
김광명
추준욱
한성민
송강일
이희창
박종웅
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020120028346A priority Critical patent/KR101371359B1/ko
Priority to US13/676,598 priority patent/US8676334B2/en
Publication of KR20130106639A publication Critical patent/KR20130106639A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101371359B1 publication Critical patent/KR101371359B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36003—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of motor muscles, e.g. for walking assistance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/54—Artificial arms or hands or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/54—Artificial arms or hands or parts thereof
    • A61F2/58—Elbows; Wrists ; Other joints; Hands
    • A61F2/583—Hands; Wrist joints
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A61F2/72—Bioelectric control, e.g. myoelectric
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02—Details
    • A61N1/04—Electrodes
    • A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
    • A61N1/0551—Spinal or peripheral nerve electrodes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/40—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
    • A61B5/4029—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system for evaluating the peripheral nervous systems
    • A61B5/4041—Evaluating nerves condition
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6867—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive specially adapted to be attached or implanted in a specific body part
    • A61B5/6877—Nerve
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A61F2002/704—Operating or control means electrical computer-controlled, e.g. robotic control
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A61F2002/705—Electromagnetic data transfer

Abstract

본 발명은 말초신경의 재생을 통하여 원심성 운동 신경 신호 및 구심성 감각 신호를 측정, 분석 및 제어하고, 이를 통하여 인공 의수를 제어할 수 있는 의수 제어를 위한 말초 신경 인터페이스 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템은 절단된 신체 부위의 손상된 말초신경의 말단에 연결되는 신경 도관과, 상기 절단된 신체 부위를 대체하는 인공 기관과, 상기 신경 도관 및 상기 인공 기관과 전기적으로 연결되어, 상기 손상된 말초 신경의 신호를 송수신함으로써 상기 말초신경의 기능을 복구시키고, 상기 인공 기관의 동작을 제어하는 말초신경 인터페이스부를 포함한다.

Description

의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법{Peripheral Nerve Interface System and Method for Prosthetic Hand Control}
본 발명은 말초신경의 재생을 통하여 원심성 운동 신경 신호 및 구심성 감각 신경 신호를 측정, 분석 및 제어하고, 이를 통하여 인공 의수를 제어할 수 있는 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법에 관한 것이다.
신경이 절단되는 등으로 손상을 받게 되면, 생체 내외에서 발생하는 자극이 제대로 전달되지 않게 되므로, 생물체는 큰 악영향을 받게 된다. 절단은 동맥경화, 당뇨, 버기씨와 같은 질병이나, 교통사고 또는 산업재해에 의한 외상이나, 감염, 종양, 선천적 기형 등에 의해서 발생할 수 있다. 이러한 선천적 또는 후천적 절단 장애인의 수는 매년 증가하고 있으며 절단 장애인의 재활과 정상적인 사회생활의 복귀 문제가 큰 문제로 대두되고 있다.
절단 장애의 경우 대부분 의수, 의지, 보조기의 착용 및 훈련을 통하여 재활을 한다. 하지만, 이러한 재활 도구들은 아주 단순한 작업 외에는 실제 물건을 만지는 느낌을 받거나, 글을 쓰는 등의 복잡한 작업을 할 수 없으며, 환자의 절단 정도가 심한 경우에는 이러한 보조 기구의 착용 및 제어가 거의 불가능하다.
기존의 인공 의수나 의족은 바디파워 또는 표면 근전도에 의해 동작 의도를 판별하고 있으나, 낮은 인식률 및 오작동으로 인하여 환자들로부터 외면 받고 있는 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 절단된 부위에 남아 있는 신경을 통해 인공 의수 및 의족을 자신의 의지대로 움직이는 기술 개발이 요구되며, 이를 위해서 신경 제어 기술과 인공 의수 및 의족에 센서를 부착하여 감각 정보를 신경으로 피드백하는 신경 피드백 기술이 요구된다.
기존의 신경 신호의 검출 및 자극과 관련하여 Depth 형태, Planar 형태, Sieve 형태, Cuff 형태 등의 기술이 연구되고 있으나, 다음과 같은 한계점들이 있다.
Planar 형태의 경우, Microelectrode Array(MEA)라고도 불리우며, 신경세포 배양을 통하여 신경 신호를 측정하는 목적으로 사용하고 있다. 이 형태는 주로 신경계의 신호를 어떻게 해석하는지, 그리고 어떻게 신경계에 정보를 입력할 것인가에 대한 연구의 목적으로 활용되고 있어서 신경계와 인공기기를 접속하는 기술로의 적용에는 부적합하다.
Depth 형태의 경우, 신경조직에 전극을 직접 삽입하여 사용되는 방법을 말하며, 전극은 주위의 신경으로부터 전기 신호를 포착하게 된다. 하지만, 삽입형 전극의 경우 장기간 사용하였을 때 주변세포의 괴사 및 축적으로 신경의 활동신호를 안정적으로 측정하기 어려우며, 여러 개의 다발 형태의 축색돌기(axon)로 구성되는 신경의 특성상 정확한 신호의 구별에 한계가 있다.
미국등록특허 6,908,470에서 개시된 Sieve 형태의 경우, 신경재생형 전극이라고 불리우며, 신경의 재생능력을 이용하여 체(sieve) 모양의 전극을 절단된 신경의 사이에 두면, 신경세포의 축색돌기가 체 모양의 전극 사이를 관통하여 재생되고, 이로 인하여 신경신호를 측정할 수 있다. 하지만, Sieve 전극은 절단된 신경 사이에 위치해야만 사용할 수 있는 방식으로 양 끝단의 신경이 전부 남아 있어야만 사용이 가능하여 적용 범위가 제한적이다.
Cuff 형태의 경우, 신경을 직접 감싸서 신경신호를 측정하는 방식으로 신경신호를 절연체로 감싸져 있는 신경의 외부에서 측정하는 한계로 인하여 정확한 신호의 측정과 구심성, 원심성 신호의 분리가 어렵다.
따라서, 이와 같은 기존의 방법들은 다발 형태의 축색돌기로 구성된 절단된 말초신경의 신경 신호를 검출하고 자극을 통하여 의수를 자유롭게 제어하는 데에는 한계가 있다.
미국등록특허 US 6,908,470
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 절단 환자의 손상된 말초신경의 재생, 신경 신호의 선택적 검출, 분석, 전달, 자극을 가능하게 하고, 이를 통하여 의수를 제어함으로써 절단 장애인의 재활을 가능하게 하는 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템은 절단된 신체 부위에 남아있는 손상된 말초신경의 말단에 연결되는 신경 도관과, 상기 절단된 신체 부위를 대체하는 인공 기관과, 상기 신경 도관 및 상기 인공 기관과 전기적으로 연결되어, 상기 손상된 말초신경의 신호를 송수신함으로써 상기 손상된 말초신경의 기능을 복구시키고, 상기 인공 기관의 동작을 제어하는 말초신경 인터페이스부를 포함할 수 있다.
상기 신경 도관은, 상기 손상된 말초신경의 말단에 연결되는 지지체와, 상기 지지체의 몸체 내부로 형성되는 공동(cavity) 형태의 채널과, 상기 채널의 내벽을 따라 형성되는 전극층과, 상기 전극층과 전기적으로 연결되는 외부 전극을 포함하고, 상기 손상된 말초신경의 말단에서 신경 세포가 상기 채널을 따라 성장되고, 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포는 상기 전극층과 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 지지체에는 복수 개의 채널이 형성될 수 있다.
상기 말초신경 인터페이스부는, 상기 손상된 신체 부위의 내부에 이식되어 상기 신경 도관과 전기적으로 연결되는 내부 모듈과, 상기 손상된 신체 부위의 외부에 위치하여 상기 인공 기관과 전기적으로 연결되는 외부 모듈을 포함하고, 상기 내부 모듈 및 상기 외부 모듈은 서로 무선 통신 방식으로 신경 신호를 송수신할 수 있다.
상기 내부 모듈은, 상기 신경 도관을 통하여 수신한 상기 손상된 말초신경의 신호를 증폭시키는 제1 증폭부와, 상기 제1 증폭부를 통하여 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 AD 컨버터와, 상기 제1 AD 컨버터에서 변환된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 디지털 신호를 상기 외부 모듈에 무선 통신 방식으로 전송하거나, 상기 외부 모듈로부터 디지털 신호를 수신 및 분석하여 채널을 따라 성장된 신경 세포에 전달하는 제1 디지털 신호 처리부와, 상기 제1 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 제1 디지털 신호 처리부의 명령에 따라 상기 복수 개의 채널을 따라 성장된 복수 개의 신경 세포와 상기 제1 증폭부 및 상기 자극부를 전기적으로 매칭시키는 멀티플렉서와, 상기 외부 모듈과 무선 통신 방식으로 신호를 송수신하기 위한 제1 통신부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 모듈은, 상기 내부 모듈에 전력을 공급하는 제1 배터리부와, 상기 외부 모듈로부터 무선으로 전력을 수신하여 상기 제1 배터리부에 전달하는 무선 전력 수신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템은 상기 손상된 말초신경에 연결되는 신경 재생용 전극을 더 포함하고, 상기 자극부는 상기 신경 재생용 전극에 신경 재생용 자극 신호를 전달할 수 있다.
상기 제1 디지털 신호 처리부는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 채택할 수 있다.
상기 외부 모듈은, 상기 내부 모듈과 무선 통신 방식으로 신호를 송수신하기 위한 제2 통신부와, 상기 인공 기관에 설치된 센서에서 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 AD 컨버터와, 상기 제2 통신부에서 수신된 상기 말초신경의 신호를 분석 및 처리하고, 상기 제2 AD 컨버터에서 수신된 신호를 기초로 상기 제2 통신부를 통하여 상기 내부 모듈에 신호를 전송하는 제2 디지털 신호 처리부와, 상기 제2 디지털 신호 처리부에서 처리된 신호를 기초로 상기 인공 기관의 동작을 제어하는 임베디드 컨트롤러와, 상기 임베디드 컨트롤러의 제어 신호를 증폭하여 상기 인공 기관에 전달하는 제2 증폭부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 모듈은, 상기 외부 모듈에 전력을 공급하는 제2 배터리부와, 상기 제2 배터리부로부터 전력을 수신하여 상기 내부 모듈에 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신부를 더 포함할 수 있다.
상기 인공 기관은 감각 신호를 검출하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 방법은, 절단된 신체 부위의 손상된 말초신경 말단의 신경 세포를 신경 도관을 이용하여 재생시키는 단계와, 상기 절단된 신체 부위의 내부에 이식되어 상기 신경 도관과 전기적으로 연결되는 내부 모듈을 이용하여 원심성 운동 신경 신호를 검출하는 단계와, 상기 원심성 운동 신경 신호를 상기 절단된 신체 부위의 외부에 위치한 외부 모듈에 전송하는 단계와, 상기 외부 모듈을 이용하여 상기 절단된 신체 부위를 대체하는 인공 기관의 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 방법은, 상기 인공 기관에 설치된 센서에서 구심성 감각 신호를 검출하는 단계와, 상기 외부 모듈이 상기 검출된 구심성 감각 신호를 분석하는 단계와, 상기 내부 모듈이 상기 외부 모듈로부터 상기 구심성 감각 신호를 수신하는 단계와, 상기 내부 모듈이 상기 구심성 감각 신호에 대응되는 전기 자극 신호를 생성하여 상기 신경 도관을 통하여 상기 말초신경 말단의 신경 세포에 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템은 상기 내부 모듈이 상기 손상된 말초신경에 연결되는 신경 재생용 전극에 신경 재새용 자극 신호를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 방법에서, 상기 신경 도관은 다공성 고분자 전극을 포함하고, 상기 다공성 고분자 전극을 이용하여 상기 원심성 운동 신경 신호 또는 상기 구심성 감각 신호를 선택적으로 검출하는 단계와, 상기 손상된 말초신경 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법은 다공성 고분자 전극을 포함하는 신경 도관, 말초신경 인터페이스부 및 인공 기관을 이용하여 절단 부위의 말초신경을 효과적으로 재생시키고, 원심성 운동 신경 신호 및 구심성 감각 신호를 송수신시킴으로써 의수와 같은 인공 기관을 효과적으로 제어할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템에 적용되는 신경 도관의 사시도이다.
도 3은 도 2의 신경 도관의 단면 사시도이다.
도 4는 도 3의 신경 도관의 일부분을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템에 적용되는 말초신경 인터페이스부의 세부 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따는 말초신경 인터페이스 시스템의 신호의 송수신 관계를 설명하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템에 적용되는 인공 기관을 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 위 내용에 한정되지 아니한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템의 개략 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템은 신경 도관(100)과 말초신경 인터페이스부(200)와, 인공 기관(300)을 포함하여 구성된다.
신경 도관(100)은 환자의 절단된 신체 부위의 말초 신경(peripheral nerve; 10)에 전기적으로 연결되어 신경 신호를 검출하거나, 전기 자극 신호를 전달하는 역할을 한다. 구체적으로 신경 도관(100)에는 공동 형태의 다수의 채널(120)이 형성되어 있으며, 채널(120) 내부에는 전극층(121)이 형성되어 있다. 이 전극층(121)은 말초 신경의 말단에서 재생되는 축색(efferent axon: 12)에 전기적으로 연결된다.
특히, 신경 도관(100)은 다수의 채널(120)을 가짐으로써, 재생된 축색(12)의 다수의 신경 세포들을 각각 전극에 연결하여 후술할 내부 모듈(220)에 와이어 등으로 구성되는 제2 접속부(142)를 통하여 원심성 운동 신경 신호를 전달할 수 있으며, 말초신경 인터페이스부(200)의 내부 모듈(220)로부터 자극 신호 또는 신경 재생용 자극 신호를 수신할 수 있다.
말초 신경(10)의 말단의 신경 세포가 재생되어 신경 도관(100)과 전기적으로 연결되는 것은 물론, 말초 신경(10)에 링 형태의 신경 재생용 전극(7)이 결합된다. 신경 재생용 전극(7)은 내부 모듈(220)에서 신경 재생용 전기 자극 신호를 말초 신경(10)에 전달하는 역할을 한다.
다수의 신경 세포 각각의 신경 신호를 선택적으로 검출할 수 있도록 다공성 고분자 전극을 채택하는 본 발명의 신경 도관(100)의 세부 구성 및 동작에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
말초신경 인터페이스부(200)는 내부 모듈(220)과 외부 모듈(240)을 포함하여 구성되며, 절단된 신체 부위의 말초신경(10)과 절단된 신체 부위에 연결되는 인공 기관(300) 사이의 신경 신호 또는 전기 자극 신호를 송수신할 수 있도록 하는 역할을 한다.
내부 모듈(220)은 사람 또는 동물의 신체 내부에 이식되어 신경 도관(100)과 전기적으로 연결된다. 도 1을 참조하면, 내부 모듈(220)은 피부(5) 내부에 이식되어 설치되어 있으며, 제1 디지털 신호 처리부(221)와, 무선 전력 수신부(223)와, 제1 통신부(225)와, 제1 증폭부(226)와 자극부(227)를 포함하여 구성된다.
제1 증폭부(226)는 신경 도관(100)으로부터 전달되는 원심성 운동 신경 신호를 수신하여 증폭하는 역할을 하며, 제1 디지털 신호 처리부(221)는 증폭된 원심성 운동 신경 신호를 분석하여 제1 통신부(225)를 통하여 후술할 외부 모듈(240)에 전송하는 역할을 한다. 또한, 자극부(227)는 제1 디지털 신호 처리부(221)의 명령에 따라 신경 도관(100)에 전기 자극 신호를 전송하는 역할을 한다. 무선 전력 수신부(223)는 외부 모듈(240)로부터 무선으로 전력을 수신하여 내부 모듈(220)에 전력을 공급하는 역할을 한다.
외부 모듈(240)은 신체 외부, 즉 피부(5) 외부에 위치하며, 임베디드 컨트롤러(241)와, 무선 전력 송신부(243)와, 제2 통신부(245)를 포함하여 구성된다. 도 1을 참조하면, 외부 모듈(240)은 제2 통신부(245)를 통하여 내부 모듈(220)의 제1 통신부(225)와 신호를 송수신하며, 무선 전력 송신부(243)는 무선으로 내부 모듈(220)의 무선 전력 수신부(223)에 전력을 공급한다. 임베디드 컨트롤러(241)는 내부 모듈(220)로부터 수신된 원심성 운동 신경 신호에 따라 액츄에이터 제어 신호를 생성하여 인공 기관(300)의 관절을 제어하는 역할을 한다.
인공 기관(300)는 환자의 절단된 신체 부위를 보조하는 인공 보조 기구로서 의수, 의족과 같은 형태의 로봇 모듈로 형성될 수 있다. 인공 기관(300)에는 신체의 감각 신호를 대신 측정할 수 있는 하나 이상의 센서(310)가 설치될 수 있으며, 제3 접속부(330)를 통하여 외부 모듈(240)과 연결된다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템의 개괄적인 동작을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 말초 신경(10)의 축색(12)은 채널(120)을 통하여 성장하여 전극층(121)에 연결된다. 이 전극층(121)은 제2 접속부(142)를 통하여 내부 모듈(220)에 연결되고, 원심성 운동 신경 신호는 제1 증폭부(226)에 전달되어 증폭되고, 이 증폭된 신호는 제1 디지털 신호 처리부(221)와 제1 통신부(225)를 통하여 외부 모듈(240)로 전달된다.
외부 모듈(240)의 제2 통신부(245)는 원심성 운동 신경 신호를 수신하여 이를임베디드 컨트롤러(241)로 전송하고, 임베디드 컨트롤러(241)는 원심성 운동 신경 신호에 대응되는 액츄에이터 제어신호를 생성하여 인공 기관(300)의 관절 동작을 제어한다.
또한, 인공 기관(300)에는 촉각 신호와 같은 감각 신호를 검출할 수 있는 하나 이상의 센서(310)가 설치된다. 이 센서(310)는 압력 센서, 온도 센서 등 다양한 센서로 구성될 수 있다. 이 센서(310)에서 감각 신호가 감지되면 제3 접속부(330)를 통하여 외부 모듈(240)로 감각 신호가 전달되며, 외부 모듈(240)은 제2 통신부(245)를 통하여 내부 모듈(220)에 감각 신호를 전달한다. 감각 신호를 수신한 내부 모듈(220)의 제1 디지털 신호 처리부(221)는 감각 신호에 대응되는 전기 자극 신호를 자극부(227)와 제2 접속부(142)를 통하여 신경 도관(100)에 전송한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공신경 네트워킹 시스템에 적용되는 신경 도관의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 신경 도관(100)은 원통형의 지지체(110), 지지체(110)의 몸체 내부로 형성되는 공동 형태의 복수 개의 채널(channel: 120)을 포함한다. 후술하는 바와 같이, 각각의 채널(120)에는 그 내벽을 따라 전극층(121)(도 3 및 도 4 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 제1 접속부(141)와, 상기 제1 접속부(141)와 전기적으로 연결되는 제2 접속부(142)로 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 접속부(141)는 각 채널(120)에 연결된 외부 전극(130)들과 전기적으로 연결되며, 제2 접속부(142)는 내부 모듈(220)에 전기적으로 연결된다.
도 3는 도 2의 신경 도관의 단면 사시도이다. 도 3에서 신경 도관(100)은 그 길이 방향으로 절반이 절단되어 도시되었다.
도 3에 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 3에서는 나노 섬유의 직경 및 나노 섬유 간의 거리가 과정되어 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) 내부에 고르게 분포시키고, 분포된 나노 섬유층을 전극층(121)으로 이용하기 위하여, 본 실시예에서는 소위 졸-겔 프로세스(sol-gel process)가 이용된다. 상기 졸-겔 프로세스를 이용하여 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.
채널(120) 각각의 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 제1 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 4를 참조하여 채널(120) 및 관련 구성을 자세히 설명한다.
도 4는 도 3의 신경 도관의 일부분을 도시한 단면도이다. 도 4에는 하나의 채널(120)에 관한 구성이 도시되었으며, 다른 채널의 구성은 이와 동일하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 채널(120) 내부에는 절단된 신경의 말단에서부터 신경 세포 즉, 축색(12)이 성장한다. 도 5에는 한 가닥의 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.
축색(12)이 채널(120) 내부로 성장할 때는, 나노 섬유를 지지물로 이용하여 채널(120) 내벽을 따라서 성장한다. 축색(12)이 나노 섬유를 지지물로 이용하도록 함으로써, 축색(12)은 채널(120) 내부에서 견고하게 고정된다.
상술한 바와 같이, 나노 섬유들은 채널(120) 내벽에 전극층(121)을 형성하므로, 축색(12)은 전극층(121)과 자연스럽게 전기적으로 연결된다.
따라서, 축색(12)으로부터 전극층(121)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)과 전극층(121)을 통해 축색(12)으로 전달될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 지지체(110)에는 복수의 채널(120)이 동시에 형성될 수 있다. 특히, 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)을 이용하여 다수의 신경 신호를 선택적으로 검출, 분석, 전송하기 위하여 본 발명은 무선 통신 방식 및 인공신경 네트워크를 이용한다. 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 말초신경 인터페이스부(200)의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템에 적용되는 말초신경 인터페이스부의 세부 구성도이다.
도 5를 참조하면, 말초신경 인터페이스부(200)는 내부 모듈(220)과 외부 모듈(240)을 포함하여 구성된다.
내부 모듈(220)은 제1 디지털 신호 처리부(221)와, 제1 AD 컨버터(222)와, DA 컨버터(224)와, 제1 증폭부(226)와, 자극부(227)와, 멀티플렉서(228)와, 제1 통신부(225)와, 무선 전력 수신부(223)와, 제1 배터리부(229)를 포함하여 구성된다.
도 1과 관련하여, 제1 디지털 신호 처리부(221)와, 제1 증폭부(226)와, 자극부(227)와, 제1 통신부(225)와, 신경 재생용 전극(7)의 역할에 대해서는 설명하였으므로, 이하 자세한 설명은 생략한다.
멀티플렉서(228)는 다수의 ‘접속 전극’ 즉, 제2 접속부(142)로부터 수신되는 원심성 운동 신경 신호들을 제한된 수의 제1 증폭부(226) 및 자극부(227)와 선택적으로 매칭시키는 역할을 한다. 멀티플렉서(228)는 이러한 매칭 동작을 제1 디지털 신호 처리부(221)의 명령에 의해서 수행하게 되는데, 제1 디지털 신호 처리부(221)는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 이용하여 이러한 동작을 수행한다.
제1 AD 컨버터(222)는 제1 증폭부(226)에서 증폭된 원심성 신경 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환시켜, 제1 디지털 신호 처리부(221)가 분석 가능하도록 한다.
DA 컨버터(224)는, 제1 디지털 신호 처리부(221)에서 전달되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 역할을 한다.
제1 통신부(225)는 도 1과 관련하여 언급한 바와 같이 원심성 운동 신경 신호와 구심성 감각 신호를 외부 모듈(240)의 제2 통신부(245)와 무선 통신으로 송수신하는 역할을 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 통신부(225)는 RF 안테나(225a)를 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 수신부(223)는 외부 모듈(240)로부터 무선으로 전력을 전달 받아 제1 배터리부(229)에 공급하는 역할을 한다. 제1 배터리부(229)는 이렇게 공급된 전력에 의해 충전되어 제1 디지털 신호 처리부(221) 등에 전력을 공급한다.
무선 전력 수신부(223)는 도 5에 도시된 바와 같이 전력 수신을 위한 파워 코일(power coil: 223a)을 포함하여 구성될 수 있다. 무선 전력 수신부(223)의 파워 코일(223a)은 외부 모듈(240)의 무선 전력 송신부(243)의 파워 코일(243a)로부터 무선 통신 방식으로 전력을 공급 받는다. 전자기 유도 방식을 이용한 무선 전력 전송 방법은 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
외부 모듈(240)은 임베디드 컨트롤러(241)와, 제2 디지털 신호 처리부(242)와, 무선 전력 송신부(243)와, 제2 배터리부(244)와, 제2 통신부(245)와, 제2 AD 컨버터(246)와, PC 통신모듈(247)과, 제2 증폭부(248)를 포함하여 구성된다.
제2 배터리부(244)는 제2 디지털 신호 처리부(242) 등에 전력을 공급하며, 무선 전력 송신부(243)는 제2 배터리부(244)로부터 전력을 공급 받아 무선으로 내부 모듈(220)의 무선 전력 수신부(223)에 전력을 공급한다. 무선 전력 송신부(243)는 내부 모듈(220)과 마찬가지로 파워 코일(243a)을 포함한다.
제2 통신부(245)는 내부 모듈(220)의 제1 통신부(225)와 신호를 무선으로 송수신하는 역할을 하며, RF 안테나(245a)를 포함하여 구성된다.
제2 AD 컨버터(246)는 인공 기관(300)의 센서(310)에서 감지되는 감각 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 역할을 한다.
제2 디지털 신호 처리부(242)는 제2 통신부(245) 및 제2 AD 컨버터(246)로부터 디지털 신호를 수신하여 분석 및 처리하는 역할을 한다. 구체적으로, 제2 통신부(245)가 수신한 말초 신경(10)의 원심성 운동 신경 신호를 인공 기관(300)의 제어를 위하여 데이터를 분석하여 임베디드 컨트롤러(241)에 분석 결과를 전송한다. 또한, 제2 AD 컨버터(246)로부터 디지털 신호로 변환된 감각 신호를 분석하여 제2 통신부(245)를 통하여 내부 모듈(220)로 감각 신호를 전송한다.
임베디드 컨트롤러(241)는 앞에서 설명한 바와 같이, 제2 디지털 신호 처리부(242)로부터 원심성 운동 신경 신호를 수신하여 이에 대응되는 액츄에이터 제어 신호를 생성하여 제2 증폭부(248)로 전송하는 역할을 한다.
제2 증폭부(248)는 수신한 액츄에이터 제어 신호를 증폭하여 인공 기관(300)의 액츄에이터(320: 미도시)에 전달하는 역할을 한다. 액츄에이터(320)는 인공 기관(300)의 관절의 동작을 제어하는 모듈로 인공 기관(300) 내부에 설치된다.
PC 통신 모듈(247)은 외부 PC(400)와 연동하여 외부 모듈(240)을 동작시키기 위하여 설치된다. 즉, 외부 모듈(240)는 PC 통신모듈(247)을 통하여 외부 PC(400)와 접속하여 제2 디지털 신호 처리부(242)에 의해서 처리되는 상황을 PC(400)의 화면을 통하여 사용자에게 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템의 신호의 송수신 관계를 설명하는 개념도이다.
내부 모듈(220)의 제1 디지털 신호 처리부(221)과, 외부 모듈(240)의 제2 디지털 신호 처리부(242)는 무선으로 신호를 서로 송수신한다. 제1 디지털 신호 처리부(221)는 환자의 절단된 신체 부위의 말초 신경(10)에서 발생하는 원심성 운동 신경 신호를 수신하여 이를 제2 디지털 신호 처리부(242)에 전송하고, 제2 디지털 신호 처리부(242)는 이 원심성 운동 신경 신호에 대응되는 액츄에이터 제어 신호를 생성하여 인공 기관(300)의 동작을 제어한다.
반대로, 제2 디지털 신호 처리부(242)는 인공 기관(300)의 센서(310)에서 감지되는 감각 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환하고, 이를 제1 디지털 신호 처리부(221)로 전송하며, 제1 디지털 신호 처리부(221)는 이 감각 신호에 대응되는 구심성 전기 자극 신호를 생성하여 말초 신경(10) 말단의 재생된 신경 세포에 전달한다.
전기 자극 패턴은 다공성 고분자 신경 도관(100)의 도관 내부에 위치한 신경 전극에서 재생된 말초 신경에 구심성 전기 자극 펄스를 인가하는 방법을 사용한다. 재생된 말초 신경은 원심성 축색(efferent axon)과 구심성 축색(afferent axon)으로 구분된다. 따라서, 말초신경 인터페이스부(200)는 원심성 신호와 구심성 신호가 전파될 수 있도록 축색의 종류에 따라 원심성 신경 전극은 증폭기(226)에, 구심성 신경 전극은 전기 자극기(227)에 연결될 수 있는 경로를 설정한다. 이때, 경로 설정 방법으로는 널리 알려진 다층 퍼셉트론 알고리즘을 사용할 수 있다.
경로 설정에 따라 말초신경 인터페이스 알고리즘의 입력과 출력을 설정하게 되고, 이를 통하여 의수 즉 인공 기관(300)을 하나의 폐쇄 루프(closed loop)로 묶어 줌으로써 기존의 개방 루프(open loop) 방식의 한계를 극복할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 말초신경 인터페이스 시스템에 적용되는 인공 기관을 나타내는 도면이다.
도 7에는 인공 기관(300)의 예로 의수 모형이 도시되어 있다. 인공 기관(300)은 자연스러운 움직임을 위하여 다관절 다자유도를 가지며, 사람의 손 또는 발 등과 유사하도록 설계될 수 있다. 도 7의 인공 기관(300), 즉 의수의 손가락에는 감각신호 측정을 위한 센서(310)가 설치되며, 측정된 감각 신호는 말초신경 인터페이스부(200)의 디지털 신호 처리기에서 분석 과정을 통하여 구심성 신경 신호로 전송된다. 또한, 내부 모듈(220)에서 전달된 원심성 운동 신경 신호에 따라 외부 모듈(240)의 임베디드 컨트롤러(241)는 인공 기관(300)의 제어를 위한 액츄에이터 제어 신호를 생성 및 전송한다.
본 발명에 따른 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법은 위와 같은 방법으로, 절단 부위에 남아 있는 말초 신경의 신경 신호와, 의수의 센서에서 측정되는 감각 신호의 피드백을 이용하여 의수를 제어함으로써, 실제 손동작과 유사하도록 의수를 제어할 수 있도록 한다.
100 : 신경 도관 200 : 말초신경 인터페이스부
220 : 내부 모듈 240 : 외부 모듈
300 : 인공 기관

Claims (16)

  1. 절단된 신체 부위의 손상된 말초신경의 말단에 연결되는 신경 도관;
    상기 절단된 신체 부위를 대체하는 인공 기관; 및
    상기 신경 도관 및 상기 인공 기관과 전기적으로 연결되어, 상기 손상된 말초신경의 신호를 송수신함으로써 상기 손상된 말초신경의 기능을 복구시키고, 상기 인공 기관의 동작을 제어하는 말초신경 인터페이스부를 포함하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신경 도관은,
    상기 손상된 말초신경의 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 말초신경의 말단에서 신경 세포가 상기 채널을 따라 성장되고, 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포는 상기 전극층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지지체에는 복수 개의 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 말초신경 인터페이스부는,
    상기 손상된 신체 부위의 내부에 이식되어 상기 신경 도관과 전기적으로 연결되는 내부 모듈; 및
    상기 손상된 신체 부위의 외부에 위치하여 상기 인공 기관과 전기적으로 연결되는 외부 모듈을 포함하고,
    상기 내부 모듈 및 상기 외부 모듈은 서로 무선 통신 방식으로 신경 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내부 모듈은,
    상기 신경 도관을 통하여 수신한 상기 손상된 말초신경의 신호를 증폭시키는 제1 증폭부;
    상기 제1 증폭부를 통하여 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 AD 컨버터;
    상기 제1 AD 컨버터에서 변환된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 디지털 신호를 상기 외부 모듈에 무선 통신 방식으로 전송하거나, 상기 외부 모듈로부터 수신된 디지털 신호를 수신 및 분석하여 상기 채널을 따라 성장된 신경 세포에 전달하는 제1 디지털 신호 처리부;
    상기 제1 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;
    상기 제1 디지털 신호 처리부의 명령에 따라 상기 복수 개의 채널을 따라 성장된 복수 개의 신경 세포와 상기 제1 증폭부 및 상기 자극부를 전기적으로 매칭시키는 멀티플렉서; 및
    상기 외부 모듈과 무선 통신 방식으로 신호를 송수신하기 위한 제1 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 내부 모듈은,
    상기 내부 모듈에 전력을 공급하는 제1 배터리부; 및
    상기 외부 모듈로부터 무선으로 전력을 수신하여 상기 제1 배터리부에 전달하는 무선 전력 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 손상된 말초신경에 연결되는 신경 재생용 전극을 더 포함하고,
    상기 자극부는 상기 신경 재생용 전극에 신경 재생용 자극 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 디지털 신호 처리부는 다층 퍼셉트론 알고리즘을 채택하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 외부 모듈은,
    상기 내부 모듈과 무선 통신 방식으로 신호를 송수신하기 위한 제2 통신부;
    상기 인공 기관에 설치된 센서에서 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 AD 컨버터;
    상기 제2 통신부에서 수신된 상기 말초신경의 신호를 분석 및 처리하고, 상기 제2 AD 컨버터에서 수신된 신호를 기초로 상기 제2 통신부를 통하여 상기 내부 모듈에 신호를 전송하는 제2 디지털 신호 처리부;
    상기 제2 디지털 신호 처리부에서 처리된 신호를 기초로 상기 인공 기관의 동작을 제어하는 임베디드 컨트롤러; 및
    상기 임베디드 컨트롤러의 제어 신호를 증폭하여 상기 인공 기관에 전달하는 제2 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 외부 모듈은,
    상기 외부 모듈에 전력을 공급하는 제2 배터리부; 및
    상기 제2 배터리부로부터 전력을 수신하여 상기 내부 모듈에 무선으로 전력을 송신하는 무전 전력 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 인공 기관은 감각 신호를 검출하기 위한 하나 이상의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 시스템.
  12. 절단된 신체부위의 손상된 말초신경 말단의 신경 세포를 신경 도관을 이용하여 재생시키는 단계;
    상기 절단된 신체 부위의 내부에 이식되어 상기 신경 도관과 전기적으로 연결되는 내부 모듈을 이용하여 원심성 운동 신경 신호를 검출하는 단계;
    상기 원심성 운동 신경 신호를 상기 절단된 신체 부위의 외부에 위치한 외부 모듈에 전송하는 단계; 및
    상기 외부 모듈을 이용하여 상기 절단된 신체 부위를 대체하는 인공 기관의 동작을 제어하는 단계를 포함하는 말초신경 인터페이스 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 인공 기관에 설치된 센서에서 구심성 감각 신호를 검출하는 단계;
    상기 외부 모듈이 상기 검출된 구심성 감각 신호를 분석하는 단계;
    상기 내부 모듈이 상기 외부 모듈로부터 상기 구심성 감각 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 내부 모듈이 상기 구심성 감각 신호에 대응되는 전기 자극 신호를 생성하여 상기 신경도관을 통하여 상기 말초신경 말단의 신경 세포에 전달하는 단계를 더 포함하는 말초신경 인터페이스 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내부 모듈이 상기 손상된 말초신경에 연결되는 신경 재생용 전극에 신경 재생용 자극 신호를 전달하는 단계를 더 포함하는 말초신경 인터페이스 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 신경 도관은 다공성 고분자 전극을 포함하고,
    상기 다공성 고분자 전극을 이용하여 상기 원심성 운동 신경 신호 또는 상기 구심성 감각 신호를 선택적으로 검출하는 단계; 및
    상기 손상된 말초신경 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 원심성 운동 신경 신호 또는 상기 구심성 감각 신호를 선택적으로 검출하고, 상기 손상된 말초신경 말단의 신경 세포에 선택적으로 전기 자극 신호를 전달하는 것은,
    다층 퍼셉트론 알고리즘을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 말초신경 인터페이스 방법.
KR1020120028346A 2012-03-20 2012-03-20 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법 KR101371359B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120028346A KR101371359B1 (ko) 2012-03-20 2012-03-20 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법
US13/676,598 US8676334B2 (en) 2012-03-20 2012-11-14 Peripheral nerve interface system and method for prosthetic hand control

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120028346A KR101371359B1 (ko) 2012-03-20 2012-03-20 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130106639A KR20130106639A (ko) 2013-09-30
KR101371359B1 true KR101371359B1 (ko) 2014-03-19

Family

ID=49212520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120028346A KR101371359B1 (ko) 2012-03-20 2012-03-20 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8676334B2 (ko)
KR (1) KR101371359B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190071445A (ko) 2017-12-14 2019-06-24 한국기계연구원 말초 운동 신경신호 측정 시스템 및 이를 이용한 말초 운동 신경신호 판별 방법
KR20230013664A (ko) 2021-07-15 2023-01-27 중앙대학교 산학협력단 카메라와 레이저를 이용하여 사물 자율인식이 가능한 전자의수 및 그 작동방법
WO2024063219A1 (ko) * 2022-09-22 2024-03-28 재단법인 아산사회복지재단 재생 말초신경 인터페이스 장치 및 그 제조방법

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11553857B1 (en) 2012-09-25 2023-01-17 Micro Mobio Corporation System and method for through window personal cloud transmission
US9199073B2 (en) * 2012-11-29 2015-12-01 Agency For Science, Technology And Research Nerve stump interface and axonal regeneration system for generating an electric field for promoting and guiding axonal regeneration
KR101370003B1 (ko) * 2012-12-07 2014-03-19 한국과학기술연구원 손상된 신경의 기능을 복구하기 위한 신경 도관
US20140343691A1 (en) * 2013-05-17 2014-11-20 Ripple Llc Systems and Methods for a Wireless Myoelectric Implant
WO2015061453A1 (en) 2013-10-22 2015-04-30 Msssachusetts Institute Of Technology Peripheral neural interface via nerve regeneration to distal tissues
US20160331561A1 (en) * 2013-12-23 2016-11-17 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Bidirectional Limb Neuro-Prosthesis
WO2015116523A1 (en) * 2014-01-31 2015-08-06 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Multi-layered micro-channel electrode array with regenerative selectivity
US11492114B1 (en) * 2014-03-15 2022-11-08 Micro Mobio Corporation Handy base station with through barrier radio frequency transmission system and method
US20170311827A1 (en) * 2014-10-31 2017-11-02 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Microchannel scaffolds and microtube electrodes for a neural interface system
US10314725B2 (en) * 2014-11-13 2019-06-11 The Regents Of The University Of Michigan Method for amplifying signals from individual nerve fascicles
US11179251B2 (en) 2016-01-08 2021-11-23 Massachusetts Institute Of Technology Method and system for providing proprioceptive feedback and functionality mitigating limb pathology
US9937064B2 (en) * 2016-02-22 2018-04-10 Wisconsin Alumni Research Foundation Osseointegrated neural interface and method
DE102016114075B3 (de) * 2016-07-29 2017-11-16 Otto Bock Healthcare Products Gmbh Orthopädietechnisches System und Verfahren zu dessen Steuerung
KR101988645B1 (ko) * 2017-09-19 2019-06-12 중원대학교 산학협력단 온열감각 전달 기능을 가지는 의지
US10589089B2 (en) 2017-10-25 2020-03-17 Epineuron Technologies Inc. Systems and methods for delivering neuroregenerative therapy
WO2019084182A1 (en) 2017-10-25 2019-05-02 Epineuron Technologies Inc. SYSTEMS AND METHODS FOR ADMINISTERING NEURODEGENERATIVE THERAPY
CN109009586B (zh) * 2018-06-25 2020-07-28 西安交通大学 一种假手腕关节人机自然驱动角度的肌电连续解码方法
US11364381B2 (en) 2019-10-01 2022-06-21 Epineuron Technologies Inc. Methods for delivering neuroregenerative therapy and reducing post-operative and chronic pain
US20230255802A1 (en) * 2020-07-21 2023-08-17 Ottobock Se & Co. Kgaa Method for controlling an orthopedic device and orthopedic device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001014082A (ja) 1999-06-25 2001-01-19 Sentan Kagaku Gijutsu Incubation Center:Kk 神経インターフェイスシステム
US6676675B2 (en) 2000-04-19 2004-01-13 Iowa State University Research Foundation, Inc. Patterned substrates and methods for nerve regeneration
KR20050042793A (ko) * 2002-08-22 2005-05-10 빅톰 휴먼 바이오닉스 인크. 하지 인공 자기수용체의 위치측정 방법 및 그 장치
US20100016990A1 (en) 2008-07-21 2010-01-21 Kulite Semiconductor Products, Inc. Microelectromechanical system (MEMS) employing wireless transmission for providing sensory signals

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001002054A2 (en) 1999-07-06 2001-01-11 Neurostream Technologies, Inc. Electrical stimulation system for treating phantom limb pain
EP1349608A1 (de) 2001-01-11 2003-10-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Siebelektrode zur anbindung an einen nervenstumpf
WO2006009722A2 (en) * 2004-06-17 2006-01-26 Innersea Technology, Inc. Long term bi-directional axon-electronic communication system
JP4851166B2 (ja) 2005-11-01 2012-01-11 旭光電機株式会社 センサ信号インターフェース装置とそれを用いたロボット用インターフェースシステム
KR100765960B1 (ko) 2006-08-18 2007-10-17 안병권 전계 효과 트랜지스터를 이용한 신경 전자 칩
EP1955679B1 (en) 2007-02-09 2013-11-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Assist device
US20110137375A1 (en) 2009-12-03 2011-06-09 Mcbride Keith System and method for detection of inversion and eversion of the foot using a multi-chamber insole
KR101128341B1 (ko) 2010-02-09 2012-03-23 한국생산기술연구원 사용자 의도 추종형 사이보그 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001014082A (ja) 1999-06-25 2001-01-19 Sentan Kagaku Gijutsu Incubation Center:Kk 神経インターフェイスシステム
US6676675B2 (en) 2000-04-19 2004-01-13 Iowa State University Research Foundation, Inc. Patterned substrates and methods for nerve regeneration
KR20050042793A (ko) * 2002-08-22 2005-05-10 빅톰 휴먼 바이오닉스 인크. 하지 인공 자기수용체의 위치측정 방법 및 그 장치
US20100016990A1 (en) 2008-07-21 2010-01-21 Kulite Semiconductor Products, Inc. Microelectromechanical system (MEMS) employing wireless transmission for providing sensory signals

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190071445A (ko) 2017-12-14 2019-06-24 한국기계연구원 말초 운동 신경신호 측정 시스템 및 이를 이용한 말초 운동 신경신호 판별 방법
KR102021977B1 (ko) 2017-12-14 2019-09-17 한국기계연구원 말초 운동 신경신호 측정 시스템 및 이를 이용한 말초 운동 신경신호 판별 방법
KR20230013664A (ko) 2021-07-15 2023-01-27 중앙대학교 산학협력단 카메라와 레이저를 이용하여 사물 자율인식이 가능한 전자의수 및 그 작동방법
WO2024063219A1 (ko) * 2022-09-22 2024-03-28 재단법인 아산사회복지재단 재생 말초신경 인터페이스 장치 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130106639A (ko) 2013-09-30
US20130253606A1 (en) 2013-09-26
US8676334B2 (en) 2014-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101371359B1 (ko) 의수 제어를 위한 말초신경 인터페이스 시스템 및 방법
KR101241943B1 (ko) 손상된 신경의 기능을 복구하기 위한 인공신경 네트워킹 시스템 및 방법
US20210093470A1 (en) Peripheral Neural Interface Via Nerve Regeneration To Distal Tissues
Ortiz-Catalan et al. On the viability of implantable electrodes for the natural control of artificial limbs: review and discussion
US20220031479A1 (en) Method And System For Providing Proprioceptive Feedback And Functionality Mitigating Limb Pathology
Micera et al. Control of hand prostheses using peripheral information
CA2671126C (en) Equine airway disorders
US10342426B2 (en) Wireless implantable data communication system, method and sensing device
KR20170046593A (ko) 삽입 가능한 양방향 무선 신경 기록 및 자극의 장치 및 방법
Yoshida et al. Peripheral nerve recording electrodes and techniques
US7783360B2 (en) Sensory system
US9107636B2 (en) System for recording electroneurographic activity
US7783363B2 (en) Neural bridge gateway and calibrator
KR101128341B1 (ko) 사용자 의도 추종형 사이보그 시스템
Quinn et al. Neuromuscular implants: Interfacing with skeletal muscle for improved clinical translation of prosthetic limbs
Warwick et al. On linking human and machine brains
US20080086188A1 (en) Neural bridge switch
Moxon Neurorobotics
Moxon Neurorobotics: Opening Novel Lines of Communication Between Populations of Single Neurons and External Devices
Wodlinger et al. Biochips: Electrical Biosensors: Peripheral Nerve Sensors
Kolomeytseva et al. REVIEW OF TYPES OF HAND’S ARTIFICIAL LIMB
Heredia-López et al. A digital programmable telemetric system for recording extracellular action potentials
Carpaneto et al. Controlling prostheses using PNS invasive interfaces for amputees

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170302

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180302

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee