KR101403627B1

KR101403627B1 - 손가락 감각 자극 장치

Info

Publication number: KR101403627B1
Application number: KR1020120132382A
Authority: KR
Inventors: 정순철; 김형식; 이정한
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-06-05
Also published as: KR20140065168A

Abstract

본 발명의 과제를 해결하기 위한 손가락 감각 자극 장치는 압감 자극 파라미터 또는 온감 자극 파라미터에 따라 각각 압감 자극 구동부 제어신호 또는 온감 자극 구동부 제어신호를 생성하여 각각 압감 구동부 또는 온감 구동부로 전달하는 자극 제어부, 롤링 펌프(Rolling Pump)를 포함하고, 상기 자극 제어부의 상기 압감 자극 구동부 제어신호에 따라 상기 롤링펌프를 제어하는 압감 자극 구동부, 상기 자극 제어부의 상기 온감 자극 구동부 제어신호에 따라 펠티어 소자로 공급되는 구동 전류를 발생시키는 온감 자극 구동부, 펠티어 소자(Peltier element)를 포함(부착 포함)하는 적어도 3개 이상의 마디 온감 자극부로 구성된 온감 자극부 및 상기 롤링 펌프와 공기 공급 튜브로 연결되어 있고 공기 매트를 포함하는 적어도 3개 이상의 마디 압감 자극부로 구성된 압감 자극부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 손가락 마디 별 또는 손가락 별로 압감 및 온감 자극을 정량적이고 지속적으로 제시할 수 있으며, 자기 공명 영상을 획득할 때 사용하는 경우에도 자기 공명 영상에 영향을 주지 않고 손가락 마디 별과 손가락 별로 압감 및 온감 자극을 제시할 수 있다.

Description

손가락 감각 자극 장치{APPARATUS OF SOMATOSENSORY STIMULATING FOR FINGER}

본 발명은 자기공명(MR) 환경에서 사용 가능한 손가락 마디 별로 또는 손가락 별로(intra- and inter-digit)로 압감 또는 온감을 느끼도록 정량적으로 자극하는 손가락 감각 자극 장치에 관한 것이다.

종래 피험자에게 진동감(Vibrotactile), 압감(Pressure) 등의 자극을 주고 상기 피험자의 뇌기능 자기공명영상(functional Magnetic Resonance Imaging; fMRI) 을 획득함으로써 감각의 지각(Perception) 및 인지(cognition) 특성을 규명 하는 연구들이 수행되었다.

감각에 대한 뇌의 지각 및 인지 특성을 규명하기 위해서는 다양한 감각을 제공할 수 있는 감각 자극 방법들이 필요하며, 상기 자극들은 연구자에 의해 세기, 자극이 가해지는 면적 등을 자유로이 변화시킬 수 있어야 하고, 자극에 따라 뇌 인지의 특성을 명확히 구별하기 위해서 각 자극 장치들에 의해 가해지는 자극이 다른 자극들과 명확히 구별될 수 있어야 한다.

즉, 피험자가 느끼는 감각의 다양한 종류에 따라 뇌에서 활성화되는 부위가 서로 다른데, 뇌 각 부분 영역의 역할 및 기능을 파악하기 위해서는 서로 구별 가능한 명확한 감각을 피험자에게 제시하는 장치가 필요하다.

또한, 감각의 종류뿐만 아니라 자극이 가해지는 부위에 따라서도 뇌가 인지하는 특성이 다르므로, 피험자에게 자극을 가하기 위한 부위별 특성에 맞는 감각 자극 방법 또한 필요하다.

종래의 감각 자극 장치들 중에서 특히 압감 자극기(Pressure Stimulator)는 공기분사(Air-puff), 압력판(Diaphragm) 또는 본 프레이 필라멘트(Von frey filament) 등의 방법을 이용하고 있지만, 손가락을 자극하는 용도 특히 손가락을 마디 별로 자극하기 위한 용도로는 적합하지 않은 문제점이 있다.

공기분사를 이용하는 방법은 강도의 제어 또는 지속적인 압감 자극이 어려우며 또한 압감과 함께 부가적인 냉감을 가져올 수 밖에 없는 문제점이 있고, 자극 면적을 정확하게 제어하기 어려우므로 손가락 마디 별 수준으로 압감을 부여하기 어렵다.

압력판을 이용한 방법은 자극 강도가 약하고 다양한 강도의 자극 제시가 힘들며, 지속적인 자극도 어렵기 때문에 자극 파라미터의 정밀한 제어가 필요한 뇌기능 자기공명영상 연구에 활용되기 어려운 문제점이 있고, 본 프레이 필라멘트는 자극 강도를 변경하기 위해서는 자극 면적을 변화시켜야 하고, 한점 자극과 같은(point-like) 자극만 가능하기 때문에 상대적으로 손가락 마디 별과 손가락 별 수준의 넓은 면적의 자극에는 적절하지 않은 문제점이 있다.

또한, 온감 자극 방법 중에서 백열 전구(light bulb)를 이용하는 방법은 피부의 빛 반사도 때문에 정확한 온도를 제시하기 어렵고, 자극 면적의 제어가 힘들기 때문에 자극 파라미터의 정밀한 제어가 필요한 뇌기능 자기공명영상 연구에는 활용되기 어려운 문제점이 있다.

앞서 설명한 것처럼, 종래의 압감 및 온감 자극 장치들은 정확한 자극 면적에 자극 파라미터의 정량적인 제어가 필요한 뇌기능 자기공명영상 연구에 사용하기 힘든 문제점이 존재하며, 특히, 손가락 마디 별과 손가락 별 수준에서 체성 감각의 배열을 규명하는 연구에 사용하기에는 더욱 어려운 문제점이 존재한다.

따라서, 손가락 마디 별과 손가락 별로 압감 및 온감 자극을 정량적으로 제시할 수 있는 감각 자극 장치가 필요하다.

미국공개특허 제 2010-0030120호(2010.02.04), 발명의 명칭: Vibrotactile devices for controlled somato sensory stimulus during functionalmagnetic resonance imaging

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 손가락 마디 별과 손가락 별로 압감 및 온감 자극을 정량적으로 제시하는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 자기공명 적합성이 있는(MR compatible) 손가락 감각 자극 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 손가락 감각 자극 장치는 압감 자극 파라미터 또는 온감 자극 파라미터에 따라 각각 압감 자극 구동부 제어신호 또는 온감 자극 구동부 제어신호를 생성하여 각각 압감 구동부 또는 온감 구동부로 전달하는 자극 제어부, 롤링 펌프(Rolling Pump)를 포함하고, 상기 자극 제어부의 상기 압감 자극 구동부 제어신호에 따라 상기 롤링펌프를 제어하는 압감 자극 구동부, 상기 자극 제어부의 상기 온감 자극 구동부 제어신호에 따라 펠티어 소자로 공급되는 구동 전류를 발생시키는 온감 자극 구동부, 펠티어 소자(Peltier element)를 포함(부착 포함)하는 적어도 3개 이상의 마디 온감 자극부로 구성된 온감 자극부 및 상기 롤링 펌프와 공기 공급 튜브로 연결되어 있고 공기 매트를 포함하는 적어도 3개 이상의 마디 압감 자극부로 구성된 압감 자극부를 포함한다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 손가락 감각 자극 장치는 온감 자극 파라미터에 따라 온감 자극 구동부 제어신호를 생성하여 온감 구동부로 전달하는 자극 제어부, 상기 자극 제어부의 상기 온감 자극 구동부 제어신호에 따라 펠티어 소자로 공급되는 구동 전류를 발생시키는 온감 자극 구동부 및 펠티어 소자(Peltier element)를 포함(부착 포함)하는 적어도 3개 이상의 마디 온감 자극부로 구성된 온감 자극부를 포함한다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 손가락 감각 자극 장치는 압감 자극 파라미터에 따라 압감 자극 구동부 제어신호를 생성하여 압감 구동부 로 전달하는 자극 제어부, 롤링 펌프(Rolling Pump)를 포함하고, 상기 자극 제어부의 상기 압감 자극 구동부 제어신호에 따라 상기 롤링펌프를 제어하는 압감 자극 구동부 및 상기 롤링 펌프와 공기 공급 튜브로 연결되어 있고 공기 매트를 포함하는 적어도 3개 이상의 마디 압감 자극부로 구성된 압감 자극부를 포함한다.

상기 마디 온감 자극부는 각 마디 온감 자극부별로 독립적으로 제어되거나 동시에 제어될 수 있다.

상기 마디 압감 자극부는 각 마디 압감 자극부별로 커프(cuff)별로 독립적으로 제어되거나 동시에 제어될 수 있다.

상기 마디 온감 자극부 또는 상기 마디 압감 자극부는 말리는 형태로 고정이 가능한 고정 부재를 포함할 수 있다.

상기 온감 자극 구동부 제어신호는 상기 온감 자극 구동부와 전기적으로 분리된 제어부로부터 광 케이블을 통해 전송되고, 상기 온감 자극 구동부는 자기공명 영상 획득시 발생되는 무선 주파수(Radio Frequency) 와 경사 자장(Gradient Pulse)에 의해 유도되는 전류를 방지하는 LC 공진기 회로를 포함할 수 있다.

상기 마디 온감 자극부는 상기 펠티어 소자에 접촉되어 있는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 온감 자극 구동부는 상기 온도 센서의 출력 신호를 상기 온감 자극부의 구동 전류와 비교하여 상기 온감 자극 구동부의 구동 전류를 변화시킬 수 있다.

상기 마디 압감 자극부는 상기 공기 매트에 접촉되어 있는 압력 센서를 더 포함하고, 상기 자극 제어부는 상기 압력 센서의 출력 신호를 상기 압감 자극부의 구동 신호와 비교하여 상기 압감 자극 구동부 제어 신호를 변화시킬 수 있다.

상기 압감 자극부는 상기 마디 압감 자극부가 커프로 구성되어 있고 상기 커프는 적어도 두 개 이상의 공기 셀(cell)로 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 손가락 마디 별 또는 손가락 별로 압감 및 온감 자극을 정량적으로 제시할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 자기 공명 영상을 획득할 때 사용하는 경우에도 자기 공명 영상에 영향을 주지 않고 손가락 마디 별과 손가락 별로 압감 및 온감 자극을 제시할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 다양한 자극 강도를 정량적으로 제시할 수 있고 지속적인 자극이 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면 손가락 감각 자극 장치의 전체 크기가 매우 작게 저가의 비용으로 구현이 가능하고, 설치 또한 간단한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치의 제어 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치의 압감 자극부의 일 실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치의 온감 자극부의 일 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치에서 온감 자극 구동부의 일 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치에서 온감 자극 구동부의 잡음 필터 LC 공진기 회로의 일 실시예이다
도 6은 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치에서 온감 자극 구동부의 잡음 필터의 성능 실험 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치로 온감 자극시에 획득한 자기공명 영상과 영상의 신호대 잡음비(SNR)이다.
도 8은 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치를 이용한 온감 또는 압감 자극시의 뇌 활성화 영역 부위에 대한 실험 결과이다.

본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

이 분야의 통상의 기술자는 본 명세서의 실시예들을 통해서 본 발명의 다양한 응용을 구현 가능하므로, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 임의의 실시예들은 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것으로서 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하는 것은 아니다.

본 명세서에서 표현되는 각 기능부는 본 발명 구현에 대한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능부가 사용될 수 있다. 또한, 각 기능부는 순전히 하드웨어 또는 소프트웨어의 구성으로만 구현될 수도 있지만, 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합으로 구현될 수도 있다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 입력부를 포함할 수 있다. 입력부는 사용자로부터 파라미터를 입력받기 위한 수단으로서, 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 다양한 종류의 입력 수단으로 형성될 수 있다. 이러한 입력부는 숫자 또는 문자 정보를 입력 받고 각종 기능들을 설정하기 위한 다수의 입력키 및 기능키들을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 출력부를 포함할 수 있다. 출력부는 손가락 감각 자극 장치의 동작 상태 및 동작 결과를 표시하거나 소정의 정보를 사용자에게 제공하기 위한 출력 수단으로서, 각종 메뉴를 비롯하여 사용자가 입력한 정보 또는 사용자에게 제공하는 정보를 표시할 수 있다. 이러한 출력부는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitted Diode) 등의 평판 표시 패널의 형태로 형성될 수 있다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치의 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 자극 제어부(110), 압감 자극 구동부(120), 온감 자극 구동부(140), 압감 자극부(130) 및 온감 자극부(150)를 포함한다.

또한 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 자극 제어부(110), 압감 자극 구동부(120) 및 압감 자극부(130)를 포함한 형태이거나 자극 제어부(110), 온감 자극 구동부(140) 및 온감 자극부(150)를 포함한 형태로 구현 실시 될 수 있다.

어느 경우나 온감 자극 파라미터와 압감 자극 파라미터 및 각 구동부, 자극부는 독립적으로 제어 되므로 별도의 모습으로 실시될 수 있다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치에서 자극 제어부(110)는 통상적으로 적어도 하나의 연산수단, 저장수단을 포함할 수 있다. 상기 연산수단은 범용적인 중앙연산장치(CPU)일 수도 있으나, 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA)나 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수 있다. 상기 저장수단은 휘발성 메모리 소자이거나 비휘발성 메모리 또는 비휘발성 전자기적 저장장치이거나 연산수단 내부의 메모리일 수 있다.

자극 제어부(110)는 사용자로부터 입력부를 통하여 자극 파라미터를 입력 받거나, 별도의 외부 제어 장치로부터 자극 파라미터를 전달 받을 수 있다.

상기 자극 제어부(110)는 자극 파라미터에 따라 압감 또는 온감을 자극하는 파라미터를 구별하여, 압감 자극 파라미터 또는 온감 자극 파라미터에 따라 각각 압감 자극 구동부 제어신호 또는 온감 자극 구동부 제어신호를 생성한다.

상기 자극 제어부(110)는 압감 자극 파라미터의 압감 자극 강도 또는 압감 자극 시간에 따라 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM) 신호의 듀티 비(duty rate)를 조절하여 압감 자극 구동부 제어신호를 생성할 수 있다.

상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티 비는 상기 자극 제어부(110)의 연산수단의 타이머 또는 카운터 기능을 이용하여 조절될 수 있다.

상기 자극 제어부(110)는 압감 자극부(130)의 각 채널 별로 서로 다른 압감 자극을 제시하도록 서로 다른 압감 자극 구동부 제어신호를 생성하거나, 각 채널이 동일한 압감 자극을 제시하도록 동일한 압감 자극 구동부 제어신호를 생성할 수 있다.

상기 자극 제어부(110)는 압감 자극 구동부 제어신호를 생성하기 전에, 자극 제어 신호에 따른 자극의 부가에 맞게 자기 공명 영상을 획득하기 위하여 자기 공명 시스템과 동기화 기능을 수행할 수 있다.

압감 자극 구동부(120)는 상기 압감 자극 구동부 제어신호에 따라 압감 자극부(130)와 공기 공급 튜브로 연결되어 있는 롤링 펌프(Rolling Pump)를 제어한다.

상기 롤링 펌프는 채널 별로, 즉 압감 자극부(130)의 각 마디 압감 자극부별 별개로 존재하여 각각 연결될 수 있으며, 각 채널 별로 서로 다른 압감 자극 구동부 제어신호가 생성되는 경우 각각의 롤링 펌프에 해당하는 압감 자극 구동부 제어 신호에 따라 독립적으로 상기 압감 자극 구동부(120)에 의해 제어된다.

상기 압감 자극 구동부(120)는 상기 압감 자극 구동부 제어신호에 따라 압감 자극 구동부(120)의 롤링 펌프의 펌핑 시간 또는 강도를 조절하거나 압감 자극 시간에 따라 솔레노이드 스위치를 개폐하여 공기를 외부에 배출시킴으로써 압감 자극 시간을 제어할 수 있다.

롤링 펌프가 각 채널 별로 복수로 존재하는 경우 상기 솔레노이드 스위치 또한 각 롤링 펌프 별로 존재할 수 있고, 상기 압감 자극 구동부에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.

상기 압감 자극 구동부(120)는 바람직하게는 자기공명 영상 장치가 존재하는 차폐실과 별도의 외부에 위치하는 것이 바람직하다.

도 2 (a)를 참조하면, 마디 압감 자극부(231, 232, 233)는 상기 압감 자극 구동부(120)의 롤링 펌프와 공기 공급 튜브(240)로 연결되어 있는 공기 매트(260)를 포함하고, 압감 자극부는 적어도 3개 이상의 마디 압감 자극부(231, 232, 233)로 구성된다. 앞서 설명한 것처럼 도 2 (b)를 참조하면 각 마디 압감 자극부(231, 232, 233)의 공기 매트(260)는 동일한 롤링 펌프 또는 서로 다른 롤링 펌프와 공기 공급 튜브(241, 242, 243)로 연결되어 제어될 수 있고, 피험자의 손가락 마디 별로 동일한 압감 자극을 제시하거나 서로 다른 압감 자극을 제시할 수 있다.

또한, 상기 마디 압감 자극부(231, 232, 233)는 서로 다른 손가락에 착용되어 피험자의 손가락 별로 동일한 압감 자극을 제시하거나 서로 다른 압감 자극을 제시할 수 있다.

상기 마디 압감 자극부(231, 232, 233)의 상기 공기 매트는 커프(cuff)로 구성될 수 있고, 각 커프는 두 개 이상의 공기 셀(air cell)로 구성될 수 있다. 마디 압감 자극부(231, 232, 233)의 공기 매트(260)가 복수의 공기 셀로 구성되는 경우, 같은 공기 매트(260)에 존재하는 공기 셀은 동일한 롤링 펌프와 같은 공기 공급 튜브로 연결되어 균일한 공기압에 의한 압감 자극이 제시될 수 있다.

커프는 일반적으로 종래의 의료분야에서 튜브와 기관과의 사이를 기밀하게 하기 위해서 사용되는 것으로서, 기관내 튜브 끝에 엷은 고무주머니가 달려 있어 공기를 부풀게 할 수 있도록 되어 있다.

종래의 의료분야에서는 혈압 측정을 위해서도 커프를 사용한다.

상기 마디 압감 자극부(230)는 상기 공기 매트에 접촉되어 있는 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자극 제어부(110)는 상기 압력 센서의 출력 신호를 통해 각 마디 압감 자극부(231, 232, 233)에서 제시되는 압감 자극의 강도를 측정하고 상기 압감 자극부의 구동 신호, 즉 미리 설정된 압력 값과 비교하여 실시간으로 상기 압감 자극부의 구동 신호를 변화시킴으로써 정확한 압감 자극을 제시할 수 있다.

도 2 (a)에서 보는 것처럼 직사각형의 천 또는 비닐 소재 내부에 공기 매트(260)를 포함하고 있는 상기 마디 압감 자극부는, 긴 변을 둘레로 하여 말릴 수 있고 바람직하게는 말린 형태에서 고정이 가능한 고정 부재(250)를 포함할 수 있다. 상기 고정 부재(250)는 벨크로(Velcro)를 포함하며, 특별히 고정 부재를 한정하지 않는다.

공기 매트를 포함한 말리는 형태의 압감 자극부를 이용함으로써, 공기압의 제어를 통해 피험자에게 다양한 강도의 자극 제시 및 지속적인 자극제시가 가능한 효과가 있다.

또한, 적어도 3개 이상의 마디 압감 자극부로 구성된 압감 자극부를 이용함으로써 손가락 마디 별 또는 손가락 별로 동일하거나 다양한 압감 자극의 제시가 가능한 효과가 있다.

또한, 압감 자극 제시를 위하여 종래의 방법과 다르게 공기압의 제어를 통한 공기 매트를 이용하여, 압감 구동부는 차폐실 외부에 존재하고 압감 자극부로 공기 공급 튜브를 통하여 제어 가능함으로써 자기공명 영상 획득에 영향을 주지 않고 압감을 자극할 수 있는 효과가 있다.

상기 자극 제어부(110)는 온감 자극 파라미터의 온감 자극 온도 또는 온감 자극 시간에 따라 온감 자극 구동부 제어신호를 생성할 수 있다.

상기 온감 자극 구동부(140)는 자기공명 영상장치가 존재하는 차폐실 내부에 존재할 수 있으며, 이 경우 바람직하게는 상기 온감 자극 구동부 제어신호는 발광 다이오드(LED) 구동 회로를 이용하여 광 신호로 변환된 후 광 케이블(411)을 통하여 상기 온감 자극 구동부(140)로 전달될 수 있고, 이 경우 온감 자극 구동부(140)는 상기 자극 제어부(110)와 전기적으로 분리될 수 있다.

상기 온감 자극 구동부(140)는 상기 온감 자극 구동부 제어신호에 따라 펠티어 소자(340)로 공급되는 구동 전류를 발생시킨다. 상기 자극 제어부(110)로부터 광 신호를 전송받는 경우, 상기 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 광 다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 온감 자극 구동부(140)는 비교기(Comparator)(430)와 트랜지스터-트랜지스터 논리 값(440)에 따라 H-Bridge(450)에서 구동 전류를 발생시킨다.

도 5를 참조하면, H-Bridge(440)로부터 발생되는 전류는 자기공명 영상 획득시 발생되는 무선 주파수(Radio Frequency) 와 경사 자장(Gradient Pulse)에 의해 유도되는 전류를 방지하는 LC 공진기 회로를 포함하는 필터(Filter)(460)를 통과한 후 온감 자극부의 펠티어 소자(340)로 전달될 수 있다.

상기 온감 자극 구동부(140)는 자기공명 영상 차폐실 내부에 존재하는 경우 자기공명 시스템과의 상호 작용을 최소화 하기 위해 별도의 차폐막(Shiled Box)(420) 내부에 위치하는 것이 바람직하다.

도 3 (a) 및 (b)를 참조하면, 마디 온감 자극부(330)는 펠티어 소자(Peltier element)(340)를 포함하고, 온감 자극부는 3개 이상의 상기 마디 온감 자극부(331, 332, 333)로 구성된다. 상기 펠티어 소자는 바람직하게는 상기 온감 자극 구동부와 절연 전기선(shield cable)(도면 미도시)으로 연결되어 구동 전류를 공급 받는다.

도 3 (b)를 참조하면, 상기 마디 온감 자극부(330)는 상기 펠티어 소자(341, 342, 343)에 접촉되어 있는 온도 센서(361, 362, 363)를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 온감 자극 구동부는 상기 온도 센서의 출력 신호를 통해 각 마디 온감 자극부(331, 332, 333)에서 제시되는 온감 자극의 온도를 측정하고 비교기(430)로 피드 백 전송하여 H-Bridge(450)의 구동 전류를 실시간으로 제어 함으로써 정확한 온감 자극을 제시할 수 있다.

상기 온도 센서(361, 362, 363)는 펠티어 소자의 따듯한 면에 접촉도 가능하지만, 피험자에게 온감을 정확히 제시하면서도 온도 변화를 측정 가능하도록 하기 위해서 바람직하게는 도 3 (b)와 같이 펠티어 소자의 차가운 면에 접촉시켜 온도를 측정하고 비교기(430)로 피드 백 전송할 수 있다.

펠티어 소자(Peltier element)(340)는 채널 별로, 즉 온감 자극부의 각 마디 온감 자극부(331, 332, 333)별 별개로 존재(341, 342, 343)하여 각각 연결될 수 있으며, 각 채널 별로 서로 다른 온감 자극 구동부 제어신호가 생성되거나 동일한 온감 자극 구동부 제어신호가 생성되어 상기 온감 자극 구동부(140)로 전달되어 각 마디 온감 자극부(331, 332, 333)별로 독립적으로 제어하거나 동시에 제어할 수 있다.

도 3 (a)에서 보는 것처럼 직사각형의 천 또는 비닐 소재 내부에 펠티어 소자(340)를 포함하고 있는 상기 마디 온감 자극부(330)는, 한 변을 둘레로 하여 말릴 수 있고 바람직하게는 말린 형태에서 고정이 가능한 고정 부재(350)를 포함할 수 있다. 상기 고정 부재는 벨크로(Velcro)를 포함하며, 특별히 고정 부재를 한정하지 않는다.

적어도 3개 이상의 마디 온감 자극부로 구성된 온감 자극부를 이용함으로써 손가락 마디 별 또는 손가락 별로 동일하거나 다양한 온감 자극의 제시가 가능한 효과가 있다.

또한, 펠티어 소자를 이용하여 온감 자극을 제시하고 온도 센서를 통해 실시간으로 온감 자극을 제어함으로써, 온감 자극 파라미터의 정밀한 제어가 가능한 효과가 있다.

따라서, 피험자의 손가락 마디 별로 동일한 온감 자극을 제시하거나 서로 다른 온감 자극을 제시할 수 있고, 또는 상기 마디 온감 자극부는 서로 다른 손가락에 착용되어 피험자의 손가락 별로 동일한 온감 자극을 제시하거나 서로 다른 온감 자극을 제시할 수 있다.

또한, 상기 마디 압감 자극부 및 상기 마디 온감 자극부는 피험자에게 동시에 압감 및 온감을 제시하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 도 9를 참조하면 상기 마디 온감 자극부 및 상기 마디 압감 자극부(931, 932, 933)는 말리는 형태로 고정이 가능한 동일한 고정 부재(950)를 포함하도록 하고, 상기 펠티어 소자(940, 941, 942, 943)는 커프로 구성된 상기 마디 압감 자극부(931, 932, 933)에 접촉되어 포함될 수 있다. 온도 센서(961, 962, 963) 또한 각 펠티어 소자(940, 941, 942, 943)에 접촉되어 포함될 수 있다.

따라서, 피험자의 동일한 손가락의 동일한 마디에 압감 및 온감을 동시에 제시할 수 있다.

<<실험예>>

본 발명의 실시예에 따른 손가락 감각 자극 장치를 통해 온감 자극 또는 압감 자극을 피험자에게 제시하고 뇌 기능 활성화를 확인하기 위하여 자기공명 영상을 획득한 실험예를 설명한다.

압감 자극 실험의 한 블록(block) 은 휴식 구간(rest phase) (0 psi) 과 자극 구간(stimulation phase) (8.5 psi)이 각각 30 초로 구성되어 있고 이를 세 번 반복하였다. 온감 자극 실험의 한 블록은 온감 자극부의 상승시간과 하강시간을 고려하여 휴식 구간(33 ℃)은 78 초, 자극 구간(42 ℃)은 39 초로 구성하였고 이를 세 번 반복하였다. 오른손의 집게 손가락과 소지의 손가락 끝을 대상으로 실험을 수행하였다. 모든 피험자는 4 번의 실험 (두 개의 손가락에 두 종류의 자극) 에 참여하였다.

압감 자극의 경우 획득한 모든 영상을 분석에 사용하였다. 온감 자극의 경우 온열감 촉각기의 온도상승 시간을 고려하여 각 블록별로 자극 구간에서 앞의 9 초 동안에 획득한 영상을 제외한 나머지 30 초 동안에 획득한 영상을 분석에 사용하였다. 온열감 촉각기의 온도하강 시간을 고려하여 각 블록 별로 휴식 구간에서 앞의 48 초 동안에 획득한 영상을 제외한 나머지 30 초 동안에 획득한 영상을 분석에 사용하였다.

도 6을 참조하면, 온감 자극 구동부의 필터 성능 결과로서, 자기공명 영상장치로부터 발생되는 무선주파수 신호 및 경사 펄스로부터 유도되는 전류를 대략 -60 dB 이하로 감쇄시킴으로써 온감 자극 구동부를 보호할 수 있다. 도 6에 나타난 것과 같이, 입력 신호와 출력 신호의 감쇄비가 0.3 ~ 150 MHz 의 범위에서 -60 dB 이하를 만족하는 결과를 보임에 따라, 본 발명에 따른 온감 자극 구동부는 3.0-Tesla 급의 모든 자기공명 영상장치에서 특별한 보정 없이 사용 가능함을 확인할 수 있다.

도 7은 온열감 촉각기들을 동작시켰을 때 (with heat-tactors + operation) 획득한 자기공명 영상들 및 자기공명 영상들의 신호대 잡음비이다. 도 7 (a)의 Slice B는 중간 축 이미지이며, Slices A 와 C 는 slice B를 기준으로 26-mm 위(Slices A)와 26-mm 아래(Slices C)의 영상이다.

도 7 (a)를 참조하면, 배경영역(background) 에 해당하는 4곳 (N1, N2, N3, N4)의 평균 intensity를 기준으로 관심 영역인 Location 1 (L1), Location 2 (L2), Location 3 (L3) 각각에 대한 intensity를 추출하여 온감 자극부가 없을 때(without heat-tactors), 온감 자극부가 있고 동작시키지 않을 때(with heat-tactors), 온감 자극부가 있고 동작시킬 때(with heat-tactors + operation)의 3가지 경우에 대하여 도 7 (b)의 자기공명 영상의 신호대 잡음비 (signal-to-noise ratio; SNR)를 계산하였다.

도 7 (b)를 참조하면, 세 가지 경우의 신호대 잡음비에 차이가 거의 없고, 도 7 (a)와 같이 온감 자극부가 동작하는 경우에도 영상의 왜곡이 나타나지 않아 자기공명 영상에 영향을 끼치지 않음을 확인 하였다.

도 8은 압감 및 온감 뇌기능 자기공명영상 실험에 대한 집단 분석(group analysis) 결과이다.

도 8을 참조하면, 활성화된 영역들 중 체성 감각(somatic senses) 과 관련된 위치를 십자선으로 표시하였다.

도 8 (a) 및 (b)를 참조하면, 오른손 집게 손가락(도 8 (a))과 오른손 소지(도 8 (b))에 본 발명에 따른 압감 자극부를 통한 압감 자극시 모두 left postcentral gyrus (브로드만 영역 3) 영역에서 활성화가 발생하였다.

도 8 (c) 및 (d)를 오른손 집게 손가락(도 8 (c)) 과 오른손 소지(도 8 (d))에 본 발명에 따른 온감 자극부를 통한 온감 자극시 모두 left postcentral gyrus (브로드만 영역 2) 영역에서 활성화가 발생하였다.

따라서, 상기 실험예를 통하여 본 발명에 따른 손가락 감각 장치를 통하여 손가락 마디 별과 손가락 별로 압감 또는 온감 자극을 정량적으로 제시할 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 상기 실험예를 통하여 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치가 자기공명 적합성을 가진 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 자극 강도를 정확하게 제어할 수 있고, 온감 자극부의 측정된 시간 정보를 이용하여 비교적 정확하게 온감 자극 시간도 제어할 수 있다.

본 발명에 다른 손가락 감각 자극 장치의 압감 자극부는 공기 매트, 바람직하게는 커프를 이용하기 때문에 공기 분사와 압력판을 이용하는 방법과 비교하여 다양한 자극 강도를 정량적으로 제시할 수 있고 지속적인 자극이 가능하고 자극 면적도 조절할 수 있는 효과가 있다. 또한 본프레이 필라멘트를 이용하는 방법과 비교하여 넓은 면적에 균등한 압감 자극을 제시할 수 있다.

본 발명에 다른 손가락 감각 자극 장치의 온감 자극부는 펠티어 소자를 이용함으로써 크기가 작고, 온감 자극 면적의 조절이 가능한 효과가 있다. 종래의 백열 전구를 이용하여 온감을 제시하는 방법과 비교하여 온감 자극 영역에 균일하고 정확한 자극 강도를 제시할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 다른 손가락 감각 자극 장치는 자극 제어부, 자극 구동부, 자극부(온감 자극부 또는 압감 자극부)의 세 부분으로 간단하게 구성된다.

특히 하나의 시스템으로 압감 자극 또는 온감 자극을 제시할 수 있다. 압감 자극구동부는 롤링 펌프를 이용하기 때문에 손가락 감각 자극 장치의 전체 크기가 매우 작게 구현이 가능하고, 설치 또한 간단한 효과가 있다. 또한 상기 압감 자극부는 저가의 비용으로 구현이 가능한 효과가 있고 사용이 간편하다.

또한 압감 자극부 또는 온감 자극부는 말리는 형태의 소재와 고정 부재로 구성 가능함으로써 탈착 및 부착이 간편한 효과가 있다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 온감 자극부의 세 가지의 동작 조건에 대한 팬텀 실험에서 자기공명 영상의 신호대 잡음비가 거의 일정하였고, 온감 자극부가 동작할 때 획득한 자기공명 영상에서 영상 왜곡(distortion) 도 나타나지 않았으며, 자기공명 영상을 획득하는 동안 압감 자극부와 온감 자극부가 안정적으로 동작한 실험예로써 자기공명 적합성을 갖는 효과가 있다.

또한, 온감 자극 구동부를 보호하기 위한 필터의 우수한 성능으로 3.0-Telsa 이하의 모든 자기공명 영상장치에서 사용될 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 앞서 설명한 실험예로 오른쪽 집게 손가락과 소지의 손가락 끝에 압감 자극과 온감자극을 제시하고, 이로부터 유발된 체성 감각 영역(somatosensory area)의 활성화 차이를 확인함으로써, 본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치가 뇌기능 측면에서 압감과 온감의 구체적인 지각적, 인지적 특성을 규명하는데 적극 활용될 수 있는 효과가 있음을 확인하였다.

본 발명에 따른 손가락 감각 자극 장치는 결론적으로 손가락 마디 별과 손가락 별 수준의 뇌기능 자기공명영상 연구에 적극 활용될 수 있도록 종래의 압감 자극 또는 온감 자극 장치들의 문제점인 자극 제어의 측면, 촉각기 측면, 시스템적인 측면 등에서 효과가 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 설명된 실시예들에서 사용된 특정 용어들이 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 통상의 기술자들에게 당연한 모든 구성 요소 및 동등한 가치를 갖는 모든 구성 요소를 포함할 수 있다.

230, 231, 232, 233: 마디 압감 자극부
240, 241, 242, 243: 공기 공급 튜브
250, 350: 고정 소재
330, 331, 332, 333: 마디 온감 자극부
341, 342, 343: 펠티어 소자
361, 362, 363: 온도 센서
420: 차폐막

Claims

압감 자극 파라미터 또는 온감 자극 파라미터에 따라 각각 압감 자극 구동부 제어신호 또는 온감 자극 구동부 제어신호를 생성하여 각각 압감 구동부 또는 온감 구동부로 전달하는 자극 제어부;
롤링 펌프(Rolling Pump)를 포함하고, 상기 자극 제어부의 상기 압감 자극 구동부 제어신호에 따라 상기 롤링펌프를 제어하는 압감 자극 구동부;
상기 자극 제어부의 상기 온감 자극 구동부 제어신호에 따라 펠티어 소자로 공급되는 구동 전류를 발생시키는 온감 자극 구동부;
펠티어 소자(Peltier element)를 포함하는 적어도 3개 이상의 마디 온감 자극부로 구성된 온감 자극부; 및
상기 롤링 펌프와 공기 공급 튜브로 연결되어 있고 공기 매트를 포함하는 적어도 3개 이상의 마디 압감 자극부로 구성된 압감 자극부;
를 포함하는 손가락 감각 자극 장치
온감 자극 파라미터에 따라 온감 자극 구동부 제어신호를 생성하여 온감 구동부로 전달하는 자극 제어부;
상기 자극 제어부의 상기 온감 자극 구동부 제어신호에 따라 펠티어 소자로 공급되는 구동 전류를 발생시키는 온감 자극 구동부; 및
펠티어 소자(Peltier element)를 포함하는 적어도 3개 이상의 마디 온감 자극부로 구성된 온감 자극부;
를 포함하는 손가락 감각 자극 장치
삭제
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 마디 온감 자극부는 각 마디 온감 자극부별로 독립적으로 제어되거나 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항에 있어서,
상기 마디 압감 자극부는 각 마디 압감 자극부별로 독립적으로 제어되거나 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항에 있어서,
상기 마디 온감 자극부 또는 상기 마디 압감 자극부는 말리는 형태로 고정이 가능한 고정 부재를 포함하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 온감 자극 구동부 제어신호는 상기 온감 자극 구동부와 전기적으로 분리된 제어부로부터 광 케이블을 통해 전송되고,
상기 온감 자극 구동부는 자기공명 영상 획득시 발생되는 무선 주파수(Radio Frequency) 와 경사 자장(Gradient Pulse)에 의해 유도되는 전류를 방지하는 LC 공진기 회로를 포함하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 마디 온감 자극부는,
상기 펠티어 소자에 접촉되어 있는 온도 센서를 더 포함하고,
상기 온감 자극 구동부는,
상기 온도 센서의 출력 신호를 상기 온감 자극 구동부 제어신호와 비교하여 상기 온감 자극 구동부의 구동 전류를 변화시키는 것을 특징으로 하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항에 있어서,
상기 마디 압감 자극부는,
상기 공기 매트에 접촉되어 있는 압력 센서를 더 포함하고,
상기 자극 제어부는,
상기 압력 센서의 출력 신호를 상기 압감 자극부의 구동 신호와 비교하여 상기 압감 자극 구동부 제어 신호를 변화시키는 것을 특징으로 하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항에 있어서,
상기 압감 자극부는,
상기 마디 압감 자극부가 커프(cuff)로 구성되어 있고,
상기 커프는 적어도 두 개 이상의 공기 셀(cell)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 손가락 감각 자극 장치
제 1항에 있어서,
상기 마디 온감 자극부 및 상기 마디 압감 자극부는 말리는 형태로 고정이 가능한 동일한 고정 부재를 포함하고,
상기 펠티어 소자는 상기 마디 압감 자극부에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 손가락 감각 자극 장치