KR101469878B1

KR101469878B1 - 신경 기능 제어를 위한 초음파 에너지 출력 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101469878B1
Application number: KR1020130059173A
Authority: KR
Inventors: 민병경
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-12-08
Also published as: KR20140137915A

Abstract

본 발명에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 시스템은 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 산출부, 각 신경 기능별로 구분하여 상기 매핑 정보가 저장된 저장부, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 검색부, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 좌표 정합부 및 상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력하는 초음파 출력부를 포함하되, 상기 초음파 출력부는 상기 출력된 초음파를 사용자에게 전달하기 위하여 비유동성 매질로 형성된 초음파 투과부를 포함한다.

Description

신경 기능 제어를 위한 초음파 에너지 출력 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OUTPUTTING ULTRASONIC ENERGY TO CONTROL NEURAL FUNCTION}

본 발명은 신경 기능 제어를 위한 초음파 에너지 출력 시스템 및 방법에 관한 것이다.

뇌의 특정 부분이 특정 신경 기능과 연관되어 있다는 것은 뇌영상학의 발달로 밝혀져 있다. 예를 들면, 해마체(hippocampus)는 학습과 기억을 담당하고, 편도체(amygdala)는 감정 조절을 담당하며, 브로카(Broca) 영역은 언어의 생성을 담당한다. 그리고, 베르니케(Wernicke) 영역은 언어의 이해를 담당하고, 시교차상핵(SCN)은 우리 몸의 생체 시계를 담당한다.

상기와 같은 내용에 기초하여, 초음파 초점을 사용자가 원하는 뇌의 특정 부위에 쪼이게 되면, 초음파 자극이 전달된 부위와 관련이 있는 인지 기능이나 신경 기능의 변화를 유도할 수 있다. 이와 같은 변화 혹은 기능의 조절은 사용자가 원하는 방향으로 강화될 수도 있으며, 반대로 약화될 수도 있다. 이와 같은 신경 흥분 혹은 억제 메커니즘은 순전히 초음파 자극의 매개 변수 조합에 의해서 결정된다. 예를 들면, 특정 초음파 자극을 투여할 경우 학습 능력을 향상시킬 수도 있고, 다른 초음파 자극을 투여할 경우 학습 능력을 떨어뜨릴 수도 있다.

이와 같이, 저강도(low-intensity) 초음파 자극을 이용하면, 가역적이면서도 비침습적으로 두개골을 열지 않고 뇌를 포함한 척수, 손, 발 등의 모든 신경계(중추 신경계와 말초 신경계) 안의 특정 부위를 정밀하게 초음파 에너지를 전달하여 의도한 방향으로 신경 기능을 제어할 수 있다. 이와 같이, 초음파 자극을 이용할 경우 비침습적으로 다양한 인지 기능이나 신경 기능을 제어할 수 있다.

이때, 인지 기능은 기억, 학습, 감정, 주의 집중 등의 일반적인 인지 기능과 이들이 조합을 이루는 의사 결정, 사리 판단, 추론 등의 상위 인지 기능을 포함한다. 신경 기능은 뇌졸증, 뇌전증과 같은 신경학적 기능과 우울증, 강박증, 정신분열증, ADHD 등과 같은 정신학적 기능, 그리고 시각, 청각, 미각, 후각, 촉감각, 온도 감각(냉감각/온감각), 통증 감각 등과 같은 말초 신경 기능을 모두 포함한다.

한편, 초음파가 신경계 기능을 조절할 수 있다는 선행 연구 결과들은 다양하게 존재하고 있었으나, 기존의 뇌기능 장애 조절 및 뇌질환 치료 방법에 적용하기에는 제한사항이 많다는 문제점이 있었다.

우선, 기존의 약물 투여 방법은 약물의 부작용이 존재할 수 있으며, 해부학적으로 특정 지역에 대한 선택적 치료가 불가능하다는 문제가 있다. 그리고, 침습적 치료법은 침습에 의하여 불가피하게 감염 위험에 노출될 수 있으며, 두개골을 열어야만 하는 번거로움이 존재한다. 이후에, 일부 비침습적 뇌신경계 치료법이 등장하였지만, 해당 에너지를 효과적으로 두개골에 투과시킬 수 있는 투과력에 대한 제한이 있고, 공간 해상도도 좋지 않다는 제약점이 있었다.

이와 같은 상황에서, 비침습적이고 공간 해상도가 뛰어난 집속 초음파(Focused Ultrasound) 뇌 자극 기법이 등장하였으며, 이와 같은 기법은 신경 기능을 비침습적으로 정밀하게 제어하기 위한 대안으로 제시되고 있다. 즉, 집속 초음파 뇌신경 자극술을 이용하면 공간적으로 정밀하게 (mm 단위) 목표 지점으로 음파 에너지를 두개골에 투과하여 전달할 수 있으며, 초음파 강도를 조절함으로써 세포 조직에 열적으로나 물리적으로 손상을 주지 않는 상태에서 뇌기능을 가역적으로 조절할 수 있다. 나아가, 치료에 사용되는 초음파의 매개 변수 조합을 변경함으로써 다양한 뇌질환 치료 및 뇌기능 조절이 가능하게 된다. 이에 따라, 위 기법을 중추 신경계뿐만 아니라 말초 신경계에도 적용할 수 있어 다양한 종류의 신경계 질환 치료에 사용이 가능할 수 있다.

이와 같이, 초음파를 이용할 경우 여러 신경 기능 및 인지 기능을 조절할 수 있으며, 초음파 자극 변수를 다양하게 조합함으로써 사용자가 원하는 방향으로 해당 신경 기능을 조절할 수 있다. 즉, 초음파 자극 변수 조합에 따라서, 해당 신경 기능을 강화하거나 완화시킬 수 있다. 초음파 자극을 조절하기 위한 초음파 자극 변수를 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 초음파 자극 변수를 설명하기 위한 도면이다.

초음파 자극을 제어할 수 있는 초음파 자극 변수는 초음파의 중심 주파수(Central Frequency, CF), TBD(Tone Burst Duration), PRF(Pulse Repetition Frequency), DF(Duty Factor), AI(Acoustic Intensity) 및 TST(Total Sonication Time) 등이 있다. 먼저 초음파의 중심 주파수는 초음파 발생 장치인 트랜스듀서(Transducer)의 고유 중심 주파수로서, 초음파 주파수로 사용되며, 이때 400~770KHz범위의 초음파 주파수가 사람의 두개골을 상대적으로 잘 투과하는 것으로 알려져 있다. 다음으로, TBD는 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파가 끊이지 않고 진행된 하나의 초음파 자극의 단위 시간을 의미한다. PRF는 초음파 자극이 진행된 단위가 1초 동안 반복된 횟수를 나타내며, DF는 단위 시간에 쪼여진 초음파의 백분율로서, TBD×PRF로 계산된다. AI는 초음파가 쪼여진 해당 부위의 단위 면적에 가해진 초음파 에너지를 나타내며, ‘공간-피크 펄스-평균 강도(Isppa: spatial-peak pulse-averaged Intensity)’나 ‘공간-피크 시간-평균 강도(Ispta: spatial-peak temporal-averaged Intensity)’를 주로 사용한다. 해당 개념은 도 2에 도식적으로 나타내었다. 참고로 Ispta와Isppa의 관계는 Ispta=Isppa×DF로 나타낼 수 있다. TST는 해당 부위에 초음파를 쪼인 총 시간을 의미한다.

이와 같은 초음파 자극 변수들의 조합 양상에 따라서, 자극이 전달된 신경계가 일으키는 감각의 종류나 정도가 달라지게 된다. 따라서, 다양한 인지 기능이나 신경 기능을 원하는 방향(강화 혹은 완화) 및 원하는 정도로 제어하거나, 여러 감각을 발생시키기 위한 초음파 자극 변수의 최적 조합이 필요하다.

이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-0004659호(발명의 명칭: 초음파 자극기 및 초음파 자극 방법)는 사용자 신호에 따라 초음파의 출력 주기, 초음파의 주파수 및 초음파를 출력할 도자를 선택하여 제어 신호를 출력하고, 제어 신호에 따른 상기 출력 주기 및 상기 주파수의 초음파를 수중에서 출력하는 기술을 개시하고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 각 신경 기능별로 원하는 방향 및 정도로 제어할 수 있는 최적의 초음파 자극 변수에 대한 매핑(mapping) 정보를 산출하고, 산출된 매핑 정보에 기초하여 초음파를 에너지를 해당 신경계 부위에 비침습적으로 전달함으로써, 용이하고 비침습적으로 사용자의 신경 기능을 제어할 수 있는 초음파 출력 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 시스템은 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 산출부, 각 신경 기능별로 구분하여 상기 매핑 정보가 저장된 저장부, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 검색부, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 좌표 정합부 및 상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력하는 초음파 출력부를 포함하되, 상기 초음파 출력부는 상기 출력된 초음파를 사용자에게 전달하기 위하여 비유동성 매질로 형성된 초음파 투과부를 포함한다.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 방법은 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 단계, 상기 매핑 정보를 각 신경 기능별로 구분하여 저장하는 단계, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 단계, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 단계 및 상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 투과하기 위한 비유동성 매질 상으로 초음파를 출력하는 단계를 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 최적의 초음파 자극 변수를 산출하고 이에 대한 매핑 정보를 이용하여 초음파를 출력함으로써 비침습적으로 다양한 인지 기능 및 신경 기능을 원격으로 제어할 수 있다.

즉, 인지 혹은 신경 기능을 원하는 방향 및 특정한 정도로 제어하기 위해서, 타겟 위치에 초음파 초점을 맞추고, 특정한 초음파 자극 변수 조합을 사용하여 초음파 에너지를 전달함으로써 사용자가 의도하는 인지 기능 및 신경 기능을 제어할 수 있다.

도 1 및 도 2는 초음파 자극 변수를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 시스템의 블록도이다.
도 4는 초음파 투과부 및 초음파 출력부를 도시한 도면이다.
도 5는 초음파 출력 시스템이 적용된 일 예시를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 방법을 도시한 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(300)의 블록도이다.

본 발명에 따른 초음파 출력 시스템(300)은 산출부(310), 저장부(320), 검색부(330), 좌표 정합부(340) 및 초음파 출력부(350)를 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 3에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성 요소를 의미하며, 소정의 역할들을 수행한다.

그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.

구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.

산출부(310)는 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출한다. 이때, N개의 초음파 자극 변수로 초음파의 중심 주파수(CF), 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간(TBD), 단위 시간당 초음파 자극 단위의 반복 횟수(PRF), TBD와 PRF의 곱인 duty factor(DF)로 단위 시간에 투여된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 단위 면적당 가해진 초음파 에너지(AI) 및 초음파 자극의 총 투여 시간(TST) 등을 이용할 수 있다.

예를 들어, 특정 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 자극 변수 조합을 CF=690KHz, TBD=0.5ms, PRF=100Hz, Ispta=130mW/cm², TST=180s으로 설정하여, 뇌전증(간질) 증상이 다른 초음파 자극 변수 조합과 비교하여 최적으로 완화되었다면, 이와 같은 초음파 자극 변수의 조합이 최적의 뇌전증 제어 정보가 된다.

이와 같은 최적의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보는 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 산출할 수 있다. 이때, 미리 설정된 알고리즘의 일 예로, N개의 초음파 자극 변수를 하나의 축으로 가정하였을 때, 모든 축의 함수를 통해서 신경 기능의 조절 및 제어를 최적으로 일으킬 수 있는 지점을 찾는다. 이때 N개의 차원에서 각 차원의 좌표 값으로 이루어진 특정한 초음파 자극 변수 조합이 최적의 신경 기능 제어 현상을 일으켰다면, 해당 신경 기능 조절의 최적 조합 자극 변수 정보가 된다. 이를 각 신경 기능마다 각각 산출함으로써 각 신경 기능별로 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 획득할 수 있다.

또 다른 예로, 최적의 촉감각을 유발하는 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보는 다음과 같이 산출할 수 있다. 중심 주파수가 1MHz이고, 초음파의 자극 노출 시간이 총 1초인 경우, 남은 3개의 초음파 자극 변수인 TBD, PRF, AI를 이용하여 다음과 같이 각각 3개의 조건을 만들 수 있다.

첫째로 TBD 즉, DF가 30, 50, 70%인 3가지의 경우를 고려할 수 있고, 둘째로PRF가 10, 100, 1000Hz인 3가지 경우를 고려할 수 있으며, 마지막으로 초음파 에너지 강도(Isppa)가 395, 792, 1500mW/cm²인 3가지 경우를 고려할 수 있다. 이와 같이 각각의 3가지 경우를 조합하면 총 27가지의 초음파 자극 변수 조합이 형성될 수 있다. 이와 같은 상황에서, 다음과 같이 초음파 자극 변수의 최적 조합을 찾아낼 수 있다.

예를 들어, 사용자의 신체의 특정부분에 초음파 자극을 주어 사용자가 주관적으로 느끼는 자극의 종류(예를 들어, 촉감각, 냉감각, 온감각, 통증감각, 무감각)와 그 정도를 0부터 5 또는 0부터 10의 수치로 나타내어 사용자의 주관적 보고를 통해 산출할 수 있다. 즉, 각각의 조건에 대하여 10회 반복 측정하고, 5회 이상 같은 자극을 반복 응답할 경우만을 신뢰할 수 있는 응답으로 채택하여 각각의 감각별로 최고의 감각 정도 수치를 나타내는 조합을 초음파 자극 변수의 조합으로 찾아낼 수 있다.

이와 같은 실험을 통해서 PRF가 100Hz인 경우에 다른 두 경우(10, 1000Hz)의 PRF 조건에 비하여 상대적으로 따뜻한 감각을 일으키는 것을 확인할 수 있다. 초음파 자극 변수의 단계를 더욱 세밀하게 구분하면, 더욱 최적의 자극 변수 조합을 얻을 수 있다.

이와 더불어, 초음파 자극 변수의 최적 조합은 미리 설정된 알고리즘 외 다른 방법으로도 산출할 수 있다. 예를 들어, 초음파 자극 시에 뇌전도(EEG)를 동시에 측정함으로써, 초음파 자극을 받고 있는 사용자의 제1차 체성감각 피질 (primary somatosensory cortex) 부근에서의 검출되는 ‘정상(定常) 촉감각 유발 전위(steady-state somatosensory evoked potential: SSSEP)’의 주파수와, 초음파 자극 변수들 중에서, 예를 들면, PRF와 일치하는지 등을 파악하여, 초음파와 뇌파의 객관적인 상호 관계를 유추하고, 이와 같은 상관 관계가 초음파의 신경 기능 제어의 최적 변수 조합을 객관적으로 찾아내는 접근법 중의 하나로 사용될 수 있다.

이와 같이, 다양한 주파수를 사용하여, 해당 주파수에서 펄스 형태로 제시되는 초음파의 시간 변수를 조정하여 효율적으로 신경 제어 효과를 체계적으로 매핑할 수 있다. 동시에, 제시된 초음파 펄스 사이의 시간 차이도 매개 변수로 설정하여, 신경 제어 기능에 관여하는 함수를 구하는 방법으로 초음파 핵심 자극 변수를 체계적으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 최적의 신경 기능 제어를 유발하는 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 획득할 수 있다.

한편, 해당 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 자극 변수는 인체의 안전성이 인정되는 범위에서 산출되어야 한다. 이때, 인체의 안전성이란 세포가 괴사하거나, 물리적으로 손상을 받지 않고, 세포핵 속의 유전체(DNA) 상의 손상을 받지 않는 정보를 포함하는 개념이다. 또한, 생체 안전성은 조직학 방법을 사용하여 검증한다. 즉, H&E 염색법을 통해서, 세포 조직이 물리적 손상을 받았는지 여부를 확인하고, TUNEL 염색법을 이용하여 DNA상의 손상이 있는지를 살펴볼 수 있다.

저장부(320)에는 각 신경 기능과 초음파 자극 위치별로 구분하여 산출부(310)에서 산출한 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보가 저장된다. 즉, 저장부(320)는 각 신경 기능별로 산출된 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 신경 기능과 초음파 자극 위치별로 각각 구분하여 저장한다.

한편, 저장부(320)는 캐쉬, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 및 플래쉬 메모리(Flash memory)와 같은 비휘발성 메모리 소자 또는 RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리 소자 또는 하드디스크 드라이브(HDD, Hard Disk Drive), CD-ROM과 같은 저장 매체 중 적어도 하나로 구현될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

검색부(330)는 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색한다. 이때, 검색 조건으로 초음파 자극을 부여하기 위한 타겟 위치 및 타겟 위치에 따라 구분되는 신경 기능을 설정할 수 있다.

좌표 정합부(340)는 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합한다. 즉, 검색된 타겟 위치에 초음파의 가상 초점을 일치시켜서 초음파 에너지를 타겟에 집중 전달할 수 있도록, 3차원 공간상의 타겟 좌표와 초음파 초점 좌표를 정합시킨다.

초음파 출력부(350)는 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력한다. 초음파 출력부(350)는 출력된 초음파를 사용자에게 전달하기 위하여 비유동성 매질로 형성된 초음파 투과부(355)를 포함하고 있다. 초음파 투과부(355)에 대하여 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 초음파 투과부(355) 및 초음파 출력부(350)를 도시한 도면이다.

초음파 투과부(355)는 초음파 출력부(350)에서 발생한 초음파 에너지가 최적으로 투과될 수 있도록 한다. 초음파 투과부(355)에서 초음파가 전달될 매질로, 휴대성 측면이나 기기에 부착될 견고성 측면을 고려하여, 기존의 탈-기체 물(de-gassed water)과 같은 유동 매질 대신에, 젤 또는 고무 타입의 비유동성 매질로 형성될 수 있다.다만, 초음파 투과부(355)의 비유동성 매질은 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 형태의 비유동성 매질을 이용하여 초음파 투과부(355)를 형성할 수 있다.

한편, 초음파 투과부(355)는 구형으로 형성될 수 있다. 구형으로 형성될 경우, 집속 초음파 발생기(focused ultrasound transducer)의 형태에 정합되고 밀착되어 최적의 매질 모양이 될 수 있으며, 이로 인해 발생되는 초음파를 모두 받아서 전달할 수 있는 구조가 될 수 있다. 이에 따라, 초음파를 분산시키지 않고, 타겟으로 하는 위치에 초음파 에너지를 전달할 수 있다. 다만, 초음파 투과부(355)의 형상은 구형뿐만 아니라 다른 형상으로 형성될 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 출력 시스템(300)은 보정부(360)를 더 포함할 수 있다. 보정부(360)는 사용자에 따른 편차에 기초하여 매핑 정보의 표준 오차를 산출할 수 있다. 이와 같이 산출된 표준 오차에 기초하여 매핑 정보를 보정함으로써 초음파 출력 시스템(300)이 적용된 기기의 사용 전에 개인별로 초기 보정 단계를 거쳐 사용자 맞춤형으로 사용할 수 있다.

도 5는 초음파 출력 시스템(300)이 적용된 일 예시를 도시한 도면이다.

실제 기기에 소형의 초음파 출력 시스템(300)을 장착함으로써 인위적이고 의도적으로 사용자에게 가상의 감각을 전달할 수 있다. 즉, 가전제품 리모컨, 컴퓨터 마우스, 스마트폰 또는 휴대용 장치에 초음파 출력 시스템(300)을 장착할 수 있다. 예를 들어 도 5를 참조하면, 일반적으로 사용하는 컴퓨터 마우스의 내부에 초음파 출력 시스템(300)을 장착할 수 있다. 오른손잡이 기준으로 마우스를 잡을 때, 마우스의 엄지손가락이 닿는 부분에 구형의 초음파 투과부(355)가 돌출되어 있으며, 이를 통해 초음파 에너지가 사용자에게 전달된다. 따라서, 마우스 작업 중에, 엄지 손가락 끝 부분의 초음파 자극을 통해서, 사용자에게 따뜻한 감각이나 차가운 감각을 인위적으로 유발할 수 있다.

이와 같이, 컴퓨터용 마우스뿐만 아니라 리모컨, 스마트 폰 등 각종 IT 기기를 이용함으로써 원격으로 사용자의 신경 기능을 제어할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 방법을 도시한 순서도이다.

먼저, 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출한다(S610). 이때, N개의 초음파 자극 변수로 초음파의 중심 주파수(CF), 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간(TBD), 단위 시간 동안 투여된 초음파 자극의 백분율, 단위 시간당 초음파 자극의 반복 횟수(PRF), 단위 면적당 가해진 초음파 에너지(AI) 및 초음파 자극의 총 투여 시간(TST) 등을 이용할 수 있다.

이와 같은 초음파 자극 변수를 이용하여 미리 설정된 알고리즘에 따라 매핑 정보를 산출할 수 있다. 이때, 미리 설정된 알고리즘의 일 예로, N개의 초음파 자극 변수를 하나의 축으로 가정하였을 때, 모든 축의 함수를 통해서 신경 기능의 조절 및 제어를 최적으로 일으킬 수 있는 지점을 찾는다. 이때 N개의 차원에서 각 차원의 좌표 값으로 이루어진 초음파 자극 변수 조합이 해당 신경 기능 조절의 최적 조합 자극 변수 정보가 된다. 이를 각 신경 기능마다 각각 산출함으로써 각 신경 기능별로 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 획득할 수 있다. 그 밖에도 다양한 방법으로 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출할 수 있으며, 이는 도 3에서 설명하였으므로 이하에서는 생략하도록 한다.

다음으로, 매핑 정보를 각 신경 기능별로 구분하여 저장한다(S620). 즉, 각 신경 기능별로 산출된 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 신경 기능별로 각각 구분하여 저장한다.

다음으로, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색한다(S630). 이때, 검색 조건으로 초음파 자극을 부여하기 위한 타겟 위치 및 타겟 위치에 따라 구분되는 신경 기능을 설정할 수 있다.

다음으로, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합한다(S640). 예를 들면, 뇌의 기억을 담당하는 해마체(hippocampus)의 위치는 MRI를 이용하여 임의의 피험자 두뇌 안의 3차원적인 위치 좌표를 산출할 수 있고, 두개골을 고정한 상태에서 MRI 3차원 영상에 기초하여 해마체의 위치를 정확하게 알 수 있다. 이와 동시에, 초음파 발생기에 적외선 마커를 고정하여 부착하면, 적외선 카메라를 통해서 초음파 발생기의 3차원 공간상에서의 정확한 위치를 추적할 수 있다. 그리고, 이와 같은 위치 정보에 이미 알고 있는 초음파 발생기의 초점 거리를 연동하여 합산할 경우, 3차원 공간상에서의 초음파 초점의 좌표값도 확인할 수 있다.

이와 같이, 컴퓨터를 사용하여, 획득한 해마체의 위치 정보에 적외선 카메라의 실시간 영상을 보며 초음파 초점의 좌표값 정보를 정합시킬 경우, 사용자가 원하는 정확한 3차원 공간상의 위치에 초음파 초점을 맞출 수 있고, 이에 따라 초음파 에너지를 집중시켜 전달할 수 있게 된다.

다음으로, 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 투과하기 위한 비유동성 매질 상으로 초음파를 출력한다(S650). 이때, 초음파를 투과하기 위한 비유동성 매질은 젤 또는 고무로 형성될 수 있다. 또한, 비유동성 매질은 구형의 모양으로 형성될 수 있다. 이와 같은 매질의 종류 및 형상을 이용할 경우, 출력된 초음파를 최대로 받아서 분산시키지 않고 타겟 위치에 초음파를 전달할 수 있게 된다. 한편, 매질의 종류 및 형상의 종류는 이에 한정되는 것이 아니며, 초음파 에너지를 최적으로 전달할 수 있는 다양한 매질 또는 형상으로 형성될 수 있다.

이와 더불어, 본 발명에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 방법은 사용자에 따른 편차에 기초하여 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보의 표준 오차를 산출하는 단계 및 표준 오차에 기초하여 매핑 정보를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 보정 단계를 적용함으로써 초음파 출력 방법이 적용된 기기의 사용 전에 개인별로 초기 보정 단계를 거쳐 사용자 맞춤형으로 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

300: 초음파 출력 시스템 310: 산출부
320: 저장부 330: 검색부
340: 좌표 정합부 350: 초음파 출력부
355: 초음파 투과부 360: 보정부

Claims

신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 시스템에 있어서,
각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 산출부,
각 신경 기능별로 구분하여 상기 매핑 정보가 저장된 저장부,
초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 상기 타겟 위치에 해당하는 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 검색부,
초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 좌표 정합부 및
상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력하는 초음파 출력부를 포함하되,
상기 초음파 출력부는 상기 출력된 초음파를 사용자에게 전달하기 위하여 비유동성 매질로 형성된 초음파 투과부를 포함하는 초음파 출력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 N개의 초음파 자극 변수는 초음파의 중심 주파수, 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간, 단위 시간 동안 투여된 초음파 자극의 백분율, 단위 시간당 초음파 자극의 반복 횟수, 단위 면적당 가해진 초음파 에너지 및 초음파 자극의 총 투여 시간인 초음파 출력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 투과부의 비유동성 매질은 젤 또는 고무인 것인 초음파 출력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 투과부는 구형으로 형성된 것인 초음파 출력 시스템.
제 1 항에 있어서,
사용자별 편차에 기초하여 상기 매핑 정보의 표준 오차를 산출하고, 상기 표준 오차에 기초하여 상기 매핑 정보를 보정하는 보정부를 더 포함하는 초음파 출력 시스템.
삭제
초음파 출력 시스템에서의 초음파 출력 방법에 있어서,
각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 단계,
상기 매핑 정보를 각 신경 기능별로 구분하여 저장하는 단계,
초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 상기 타겟 위치에 해당하는 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 단계,
초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 단계 및
상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여, 비유동성 매질 상으로 초음파를 출력하는 단계를 포함하는 초음파 출력 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 N개의 초음파 자극 변수는 초음파의 중심 주파수, 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간, 단위 시간 동안 투여된 초음파 자극 시간의 백분율, 단위 시간당 초음파 자극의 반복 횟수, 단위 면적당 가해진 초음파 에너지 및 초음파 자극의 총 투여 시간인 초음파 출력 방법.
제 7 항에 있어서,
사용자별 편차에 기초하여 상기 매핑 정보의 표준 오차를 산출하는 단계 및
상기 표준 오차에 기초하여 상기 매핑 정보를 보정하는 단계를 더 포함하는 초음파 출력 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 초음파를 투과하기 위한 비유동성 매질은 구형으로 형성된 것인 초음파 출력 방법.