KR101398416B1

KR101398416B1 - 이식 가능한 자기 자극 시스템

Info

Publication number: KR101398416B1
Application number: KR1020120057574A
Authority: KR
Inventors: 김소희; 구정훈; 박희진
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2014-05-27
Also published as: KR20130134213A

Abstract

본 발명은 자기장에 의하여 유도된 전류로 대뇌 내 신경 세포를 자극할 수 있는 이식 가능한 자기 자극 시스템으로서, 보다 구체적으로 자기장을 발생시키는 코일 및 상기 코일에 전류를 제공하는 전류발생기를 포함하고, 상기 코일은 대뇌에 이식되어 신경 세포에 유도 전류를 제공할 수 있는 자기 자극 시스템에 관한 것이다.

Description

이식 가능한 자기 자극 시스템{Implantable Magnetic Stimulation System}

뇌 중추신경계에 대한 전기적 자극에 관하여서는 오랜 기간동안 연구가 진행되어 왔다. 연구 초기의 전기적 자극은 반복되는 간질이 발생되는 부분을 찾거나 수술중 뇌기능부의 특히 운동영역, 언어영역 등 뇌의 특정한 부분에 대한 기능적 지도를 얻는데 사용되었다.

최근, 반복적경두개자기자극(repetitive transcranial magnetic stimulation: rTMS) 및 경두개직류전기자극(transcranial direct current stimulation: tDCS)을 통한 뇌 전자기자극 연구에 의하면 우울증, 파킨슨씨병, 뇌졸중 후 기능 손상, 간질, 만성 신경병증성 통증 등의 치료에 효과가 있음이 밝혀졌다.

전기자극은 신경 간의 연결을 활성화하거나 억제시킴으로써 증상 개선에 효과적인 영향을 미친다. 대뇌피질의 전기자극을 위한 기존의 장비들은 주로 경두개성 자극 장치로 이러한 장치를 통한 자극은 대뇌피질의 목적한 병변 부위보다 불필요하게 광범위한 피질에 자극이 전달되는 단점이 있다. 또한, 기존 전기 자극을 위한 장비들은 경두개를 통한 자극으로 인하여 실질적으로 대뇌피질에 원하는 강도의 자극을 하기 위해서는 강한 자극을 가해야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 한국등록특허 제1136880호에서는 광범위한 두피 및 두개골의 절개를 가능한 적게 하면서도 넓은 범위의 뇌피질에 전기 자극을 제공할 수 있는 전기 자극 장치를 개시한 바 있다.

한편, 신경 세포에 전기자극을 제공하기 위한 전극은 전도성을 나타내어야 하므로 일반적으로 금속으로 이루어지며, 신경 조직과 직접적으로 접촉하여 전하 교환이 이루어질 수 있어야 한다. 종래 전극을 사용하여 대뇌 신경 세포에 전류를 흐르게 하는 방법을 도 1에 도식화하여 나타내었다. 대뇌 피질(10)에 전류를 흐르게 하기 위하여 두개골(20)에 구멍을 내고 전극(30)을 이식하며, 전류발생기(40)에 의하여 전극(30)으로부터 카운터 전극(50)으로 전류(60)가 흐르게 되고, 이는 신경 세포에 자극을 가하게 된다.

그러나 상기 전극이 신경 조직과 직접 접촉해야 하므로, 전기전도성과 부식성을 갖는 생체 환경에 노출되어 전기화학반응, 이온 및 수분 침투로 인하여 장기간 사용시 전극의 전기적 특성 변화 또는 성능 저하를 가져오게 된다. 또한, 생체 조직은 전극을 외부에서 침입한 이물질로 보아 생체면역반응이 일어나게 되고 전극(30)이 세포막(70) 등으로 둘러싸이게 되어 전극으로서의 성능이 저하되거나 제 역할을 하지 못하게 된다(도 2).

생체면역반응으로 인해 전극이 세포막으로 둘러싸이게 되면 동일한 자극 효과를 얻기 위해서 더 많은 전류를 흘려주어야 하므로 주변의 다른 신경 세포에도 원치 않는 전기적 자극을 주게 된다.

따라서 종래 전기자극 시스템에서 사용되는 전극은 생체 조직과 직접적으로 접촉하여야 한다는 점으로 인하여 장기간 사용 시 성능 저하 또는 수명 단축이라는 한계가 존재한다.

이에 본 발명자들은 전극을 통하여 신경 세포로 전류를 직접적으로 주입하지 않으면서 상기 문제점을 해결하고자 연구, 노력한 결과, 코일을 통하여 자기장을 발생시켜 신경 세포의 활성에 필요한 전류를 유도할 수 있는 자기 자극 시스템을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명은 대뇌에 이식되어 자기장을 발생시켜 전류를 유도함으로써 신경 세포를 활성화하는 전류를 제공하는 자기 자극 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 자기장을 발생시키는 코일 및 상기 코일에 전류를 제공하는 전류발생기를 포함하고, 상기 코일은 대뇌 피질과 두개골 사이의 공간에 위치하여 대뇌에 유도 전류를 제공하는 이식형 자기 자극 시스템을 그 특징으로 한다.

본 발명의 자기 자극 시스템은 코일의 자기장에 의한 간접적 유도 전류를 발생시켜 신경 세포의 활성을 위한 자극을 생성할 수 있다. 특히, 코일의 도선이 생체 조직과 직접적으로 접촉하지 않고 생체 적합성 재료로 코팅이 가능하므로, 생체 조직이 전기화학적 물질에 노출되는 위험을 차단하고, 생체면역반응 등을 최소화하여 시스템의 성능 저하, 수명 단축 문제를 해결할 수 있어, 뇌 질환 치료에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 종래 전극을 사용하여 대뇌에 전기 자극을 가하는 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 상기 종래 전극을 사용하여 대뇌에 전기 자극을 가하는 시스템에서 생체 면역 반응에 의하여 세포막 등으로 전극이 둘러싸여 전류가 흐르지 못함을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 자극 시스템을 나타낸 것으로, 자기 자극 시스템의 코일이 생체 면역 반응에 의하여 세포막 등으로 둘러싸이더라도 전류를 유도할 수 있음을 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 플렉서블 미세 박막 코일을 포함하는 자기 자극 시스템을 나타낸 것이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 박막의 형태의 코일을 나타낸 것이다.
도 6 및 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 자극 시스템을 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이식형 자기 자극 시스템에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 자기 자극 시스템은 자기장을 발생시키는 코일 및 상기 코일에 전류를 제공하는 전류발생기를 포함한다. 도 3은 본 발명의 자기 자극 시스템이 적용된 예를 도시한 것이다.

상기 자기장을 발생시키는 코일(100)은 대뇌에 이식되고, 바람직하게는 대뇌 피질(10)과 두개골(20) 사이의 공간인 경막 상부에 삽입되며, 대뇌 피질의 신경 세포와 접촉하도록 위치한다.

상기 코일은 전류가 흐름으로써 자기장이 발생될 수 있다면 그 형태가 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 미세한 코일 도선이 플렉서블한 고분자 재료 상에 일정한 패턴으로 형성되어 대뇌 피질에 밀착될 수 있는 판상 형태나 또는 대뇌 피질을 침습할 수 있는 바늘 형태로 이루어지는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 10 ~ 1,000 ㎛ 두께의 박막으로 제조되어 적용되는 것이 좋다. 이러한 박막 형태의 코일의 두께는 두개골과 대뇌 피질 사이 공간의 평균 크기인 3 mm를 넘지 않는 것이 특히 바람직하다. 상기 미세 박막의 형태로 이루어지는 경우 박막이 플렉서블한 재료로 형성되면 곡면인 뇌 표면에의 밀착이 용이하여 넓은 접촉면을 갖도록 위치할 수 있어 신경 세포에 전류 유도가 효율적으로 이루어질 수 있으며, 뇌 표면에 밀착될 수 있는 플렉서블한 박막 형태의 코일(100)을 포함하는 시스템을 도 4에 나타내었다.

도 5는 미세한 코일 도선(110)이 플렉서블한 고분자 재료(120) 상에 일정한 패턴으로 형성된 미세 박막 형태의 코일(100)의 모식도로서, 플렉서블 재료를 기반으로 하며 금속 도선이 임베드 되어 있다. 상기 미세 박막 형태의 코일은 30 ~ 50 mm 의 지름 또는 1000 ~ 3000 mm² 크기의 면적을 갖도록 형성되는 것이 신경 세포에의 유도 전류 공급에 있어서 바람직하다. 코일이 발생하는 자기장의 세기를 증가시키고 동시에 코일에 흘려주어야 할 전류의 세기를 감소시키기 위하여, 상기 지름 또는 면적 내에서 코일의 도선은 단일 층으로 형성되거나 또는 2개 이상의 복수 층으로 형성될 수 있다. 이러한 상기 코일은 FPCB(flexible printed circuit board) 공정 또는 미세기계전자시스템 (micro-electro-mechanical system) 공정을 사용하여 플렉서블한 고분자 재료 상에 금속으로 이루어진 도선을 형성함으로써 제조될 수 있다.

상기 코일에 전류가 공급되면 전류에 의한 자기장이 발생하며, 상기 자기장에 의하여 대뇌 피질에서 유도 전류가 발생하게 된다. 상기 유도 전류의 세기는 코일 중심으로부터 거리가 멀어질수록 감소하게 되며, 신경 세포의 자극을 위하여는 0.01 A/m²이상의 유도 전류가 생성되어야 하는 바, 이를 고려하여 코일에 공급되는 전류의 세기를 조절할 수 있다. 이를 고려하여, 상기 코일에 전류를 공급하는 전류발생기(200)는 10 mA ~ 5 A 세기의 전류를 코일에 공급하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 전류의 세기는 코일의 지름 또는 면적이 커질수록, 코일 도선이 형성된 층의 수가 증가할수록 감소한다. 유도 전류의 세기는 또한 자기장의 주파수에 영향을 받는 바, 코일에 공급되는 전류의 주파수는 1 ~ 10 kHz 인 것이 바람직할 것이다. 본 주파수 범위의 자극은 비정상적인 뇌 전기 신호를 억제하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

상기 기술된 코일의 면적, 전류의 크기 및 주파수의 예시는 상기 코일에 전류가 흐름으로써 발생하는 코일의 온도 증가를 1 ℃ 이하로 유지하기 위한 것이다. 뇌에서의 온도 증가가 1 ℃ 이상인 경우 부작용의 우려가 있는 것으로 알려져 있으며, 바람직하게는 코일의 온도 증가는 0.01 ~ 0.5 ℃로 조절되는 것이 좋다.

한편, 상기 전류발생기는 체외에 위치하여 유선 또는 무선으로 상기 코일에 전류를 공급할 수 있으며, 도 3, 4 및 6은 코일(100)과 전류발생기(200)가 유선으로 연결된 경우를 나타내고, 도 7은 코일(100)과 전류발생기(200)가 무선으로 연결된 경우를 나타낸다. 도 3, 4 및 6에서 코일(100)과 전류발생기(200)는 도전체로 이루어진 전선(300)으로 서로 연결되고, 도 5에서는 무선 전력 공급 방식이 채용되며 전력 효율 면에서 일정 거리 이내에 전류발생기가 위치하는 것이 바람직하다. 상기 전류발생기는 도 6과 같이 체내에 코일과 같이 삽입되어 전류를 공급하도록 할 수도 있으며, 상기 체내 삽입되는 전류발생기에는 충전지, 바이오연료전지 등이 적용될 수 있다.

본 발명에서 신경 세포에 전달되는 유도 전류는 자기장에 의하여 형성되므로 별도의 전극 등이 요구되지 않으며, 체내 이식되는 코일을 생체적합성 고분자로 완전하게 코팅하여 사용하더라도 유도 전류의 형성에는 영향을 미치지 않으므로 코일의 이식으로 인한 생체 면역반응을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한 생체 면역반응에 따라 형성되는 신경 교세포막 등에 의하여 코일이 둘러싸이더라도 자기장에 의한 유도 전류의 형성은 크게 영향을 받지 않는다. 상기 생체적합성 고분자로는 파릴렌(parylene), 의학용 실리콘(medical-grade silicone), 폴리이미드(polyimide) 및 PDMS(poly-dimethylsiloxane) 중에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 파릴렌(parylene), 의학용 실리콘(medical-grade silicone)으로 코팅하는 것이 좋다.

또한, 상기 코일 뿐만 아니라, 전류발생기가 체내 삽입되는 경우 전류발생기 및 그 연결 도선을 포함한 시스템 전체가 생체적합성 고분자로 코팅될 수 있다.

한편, 본 발명의 자기 자극 시스템은 상기 코일이 대뇌 피질의 특정 부분에 고정될 수 있도록 고정 수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 고정 수단으로서 당업계에서 널리 인식되고 있는 생체적합성 소재를 이용한 접착제, 연결 끈 등이 사용될 수 있다.

지금까지, 본 발명의 자기 자극 시스템의 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 대뇌 피질 20 : 두개골
30 : 전극 40 : 전류발생기
50 : 카운터 전극 60 : 전류의 흐름
70 : 세포막 100 : 코일
110 : 도선 120 : 플렉서블 고분자
200 : 전류발생기 300 : 전선

Claims

자기장을 발생시키는 코일 및 상기 코일에 전류를 제공하는 전류발생기를 포함하고,
상기 코일은 대뇌에 이식되어 신경 세포에 유도 전류를 제공하고,
상기 코일은
플렉서블한 재료로 구성되는 기판; 및
상기 기판 상에 일정한 패턴으로 형성되는 미세 코일 도선을 포함하고,
상기 미세 코일 도선은 상기 패턴의 지름 또는 면적 내에서 단일 층 또는 복수 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.
제1항에 있어서,
상기 코일은 대뇌 피질과 두개골 사이의 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.
제1항에 있어서,
상기 코일은 대뇌 피질을 침습할 수 있는 바늘 형태로 제조되어 적용되는 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 코일은 FPCB(flexible printed circuit board) 공정 또는 미세기계전자시스템(micro-electro-mechanical system) 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.
제1항에 있어서,
상기 코일은 생체적합성 고분자로 코팅되는 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.
제6항에 있어서,
상기 생체적합성 고분자는 파릴렌(parylene), 실리콘(silicone), 폴리이미드(polyimide) 및 PDMS(poly-dimethylsiloxane) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전류발생기는 체내 또는 체외에 존재하는 것을 특징으로 하는 이식형 자기 자극 시스템.