KR101633002B1 - 통증 신호 측정 장치, 통증 신호 측정 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 통증 신호 측정 장치는, 피부에 삽입하여 통증 신호를 측정하는 마이크로 프로브 어레이는, 기판 위에 형성된 보호 전극, 상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 전기적으로 차단되고, 상기 삽입된 피부의 전압 혹은 전류를 측정하는 복수의 마이크로 프로브들, 상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고, 상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면은 상기 보호 전극에 접지된다.

Description

통증 신호 측정 장치, 통증 신호 측정 및 제어 방법{PAIN SIGNAL MEASUREMENT DEVICE AND PAIN SIGNAL MEASURING AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 통증 신호 측정 장치 및 그것의 통증 신호 측정 및 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 일상적으로 사람이 느끼는 통증 즉, 급성 통증과 만성 통증에 대하여 정성적 방법으로 알려진 통증의 분류를 정량적으로 통증을 분류할 수 있는 기술에 관한 것이다. 일반적인 통증은 개인마다 다른 크기와 느낌을 가지며 이로부터 뇌에서 발현되는 통증의 양상 또한 다르게 나타난다. 본 발명은 이렇게 다르게 나타나는 통증의 강도는 정성화 되어있고 이로부터 정확한 질병을 알아내는 것은 어려운 문제로 여기게 된다. 이렇게 정성화된 통증의 분류를 생체 신호 중에서 통증 신호를 측정하여 통증을 정량화하는 기술에 관한 것이다. 즉, 마이크로 프로브 어레이를 통하여 생체 신호 중에서 통증 신호를 척수후신경절에서 측정하고 이렇게 측정된 통증 신호에서 물리적 인자를 도출하여 통증을 3차원 이미지를 통하여 정량화하고자 하는 기술에 관한 것이다.

통증은 외부에서 병변이 있을 때 병변에 의해서 신경 전달 물질이 분비가 되고 이러한 신경 전달 물질은 말초 신경에서 활동 전위(action potential)를 발현 시킨다. 이러한 활동 전위는 신체 전반에 분포되어있는 신경 회로를 통하여 척수로 전달되며 이렇게 척수로 전달된 통증 신호는 또다시 뇌로 전달되어 뇌에서 통증을 감지 및 발현하는 과정을 거치면서 통증을 느끼게 된다.

통증을 정의할 때 "실질적 또는 잠재적인 조직 손상이나 이러한 손상과 관련되어 표현되는 불쾌한 감각적 및 정서적 경험"으로 정의를 한다. 이것은 통증 신호가 신경회로를 통하여 뇌로 전달되어 뇌에서 발현되는 총괄적인 흐름을 개별적인 정의로 만들기 때문에 이러한 통증의 정의를 이끌어 냈다고 볼 수 있다. 즉, 통증은 신체에서 느끼는 신호이자 뇌에서 발현되는 정도에 따라서 그 크기가 다르게 나타남을 의미한다. 이러한 통증의 발현은 사람마다 각기 그 양이 다른 신경 전달 물질을 분비함으로써 사람마다 각기 다른 통증의 강도를 나타냄을 의미한다.

따라서 통증은 그 크기 및 강도에 대해서 정량화하기 어렵다고 알려져 왔으며 통증을 경험적인 수치로 치부하는 이유도 이러한 원인에 기인한다고 볼 수 있다.

그러나 통증의 발생과 신경 회로를 통한 경로 전달은 모든 사람에게 있어서 공통적인 신호의 전달을 보여준다. 즉, 통증이 발생하여 전기화학적인 신호의 발생 및 전달은 사람마다 그 강도는 다르게 나타나게 되지만 그 흐름과 신호의 전달은 공통적으로 발현되는 특징을 가진다. 따라서 통증 신호가 뇌에서 발현되어 사람마다 각기 다른 신경 전달 물질로 변조(modulation)가 이루어지기 이전에는 공통적으로 같은 형태의 신호를 뇌로 전달시키는 특징을 가진다. 이것은 통증을 뇌에서 변조가 이루어지기 이전에 통증 신호를 측정하게 되면 통증을 정량화 할 수 있음을 의미한다.

또한 통증 신호가 말초 신경에서 발생하여 중추신경으로 전달 되게 될 때 모든 통증 신호는 상승 신경 회로를 타고 척수후신경절(dorsal root ganglion)을 거치게 된다. 이러한 척수후신경절은 척수의 깊은 곳에 분포하는 것이 아니라 척수로 인입되는 초반부에 존재하는 신경 접합부라고 볼 수 있다. 이러한 척수후신경절은 통증 신호가 발생하여 전달될 때 대부분의 신경 회로가 근육과 뼈로 둘러싸여 척수 및 뇌로 전달되기 때문에 그 중간에 통증 신호를 측정할 수 없는 단점을 극복할 수 있는 하나의 문제 해결점이라고 볼 수 있다. 즉, 척수까지 진행하여 온 통증 신호는 그 신호를 측정하는데 있어서 근육과 뼈로 인하여 많은 문제점을 가지고 있는데, 척수후신경절은 많은 부분이 노출되어있어서 통증 신호를 측정할 수 있는 가장 적합한 장소라고 볼 수 있다.

통증 신호가 척수후신경절로 인입되어 척수 및 뇌로 전달된다고 볼 때 통증 신호를 측정하기 위한 또 하나의 극복해야 할 문제가 있다. 그것은 피부를 통하여 통증 신호를 측정하게 될 때 피부가 가지는 높은 접촉 저항을 극복해야 한다는 것이다. 즉, 피부는 비록 수분을 포함하고 있지만 내부의 신경 신호를 피부를 통하여 측정하기에는 너무 큰 접촉 저항을 가진다는 것이다.

이것은 신경 신호를 외부 전극을 통하여 측정하게 될 때 피부에 가해지는 전압이 그 접촉 저항으로 인하여 높게 측정이 되고 이로 인하여 실질적인 신경 신호는 잡음 수준에 머물러 정확한 신경 신호를 측정할 수 없다는 단점을 지닌다는 것을 의미한다. 즉, 일반적인 피부는 표피와 진피로 나뉘어지게 되는데 표피의 두께는 대략 70㎛ 이상의 두께를 가지고 진피는 이 표피 이하에 놓이게 된다.

또한 이러한 표피는 이온이 거의 분포하지 않아 접촉 저항이 매우 높게 나오고 진피는 내부에 많은 이온들을 가지고 있기 때문에 접촉 저항이 낮게 나온다.

따라서 실질적인 신경 회로의 신호를 측정하기 위해서는 이러한 표피의 두께보다 길이가 간 프로브를 사용하는 것이 통증 신호를 정확하게 측정하는 하나의 방법이 될 것이다. 뿐만 아니라 통증 신호를 측정하고자 새로운 통증을 유발하는 문제점을 야기시키지 말아야 하는 극복 과제가 있다. 즉, 일반적인 프로브를 이용하여 통증 신호를 측정하고자 한다면 프로브가 표피를 뚫고 진피에 유입되었을 때 새로운 통증을 발현시켜 정확한 통증을 측정할 수 없다. 따라서 측정하고자 하는 프로브의 형태도 통증을 유발하지 않는 크기로 한정되어야 하는 과제가 있다.

본 발명은 통증 신호를 정량화하기 위하여 제안된 것으로, 기존에 정서적 경험으로 치부되어 정량화에 대하여 기준을 제시할 수 없었던 통증에 대하여 물리화학적 측정 방법을 통하여 통증을 측정하고 이로부터 통증을 정량화하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호 측정 장치는, 피부에 삽입하여 통증 신호를 측정하는 마이크로 프로브 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 프로브 어레이는, 기판 위에 형성된 보호 전극; 상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 절연체에 의해서 전기적으로 차단되고, 상기 삽입된 피부의 전압 혹은 전류를 측정하는 복수의 마이크로 프로브들; 상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고, 상기 마이크로 프로브들 각각의 전기적 신호는 절연층의 표면에 부착된 상기 보호 전극에 접지됨으로써 보호된다.

본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호 측정 장치의 통증 신호 측정 방법은 상기 통증 신호 측정 장치는 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 포함하고, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는, 기판 위에 형성된 보호 전극; 상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 전기적으로 차단되는 복수의 마이크로 프로브들; 상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고, 상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층 및 상기 보호 전극에 의해서 보호하기 위하여 상기 보호 전극에 접지되고, 상기 통증 신호 측정 방법은, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 상기 피부에 부착하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는 상기 피부의 표피를 뚫고 상기 피부의 진피에 있는 신경의 활동 전위를 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호 측정 장치를 이용한 통증 제어 방법은: 상기 통증 신호 측정 장치는 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 포함하고, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는, 기판 위에 형성된 보호 전극; 상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 전기적으로 차단되는 복수의 마이크로 프로브들; 상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고, 상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면은 상기 보호 전극에 접지되고, 상기 통증 제어 방법은, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는 상기 피부의 표피를 뚫고 상기 피부의 진피에 있는 신경으로부터 통증 신호를 측정하는 단계; 상기 측정된 통증 신호를 외부 회로로 전달하는 단계; 및 상기 외부 회로는 상기 전달된 통증 신호를 근거로 하여 상기 통증 신호가 뇌로 전달될 상기 통증 신호를 변조하기 위한 통증 제어 신호를 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이로 전달하는 단계를 포함하는 통증 제어 방법.

본 발명에 따른 통증 신호 측정 장치 및 방법은 통증 신호를 측정함으로써 뇌로 전달되는 통증 신호를 정확히 측정하여 통증 강도를 분류할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 통증 신호 측정 장치 및 방법은 개인별 상이한 통증의 위치, 급성 및 만성 통증에 대하여 통증을 구분할 수 있는 기준을 제시할 수 있다.

본 발명에 따른 통증 신호 측정 장치 및 방법은 통증을 지표화 및 정량화함으로써 일차적인 질환에 대하여 진단을 할 수 있는 기준을 제시할 수 있다.

도 1은 통증 신호 측정용 마이크로 프로브 어레이를 보여주는 도면이다.
도 2는 마이크로 프로브 어레이를 피부에 삽입한 형태를 보여주는 도면이다.
도 3은 석션을 이용하여 전극을 피부에 부착하는 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 마이크로 프로브 어레이 통증 신호 측정 및 제어의 척수후신경절 부착 형태를 보여주는 도면이다.
도 5는 통증 신호의 측정에 대한 마이크로 프로브 어레이 신호 분포를 보여주는 도면이다.
도 6은 통증 신호의 분석에 따른 물리적 인자 도출을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 통증 신호 물리적 인자로부터 통증의 맵핑을 예시적으로 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.

본 발명은 통증 신호를 측정하기 위하여 무통을 가지는 통증 신호 측정용 마이크로 프로브, 통증 신호의 정확한 신호 측정을 위한 척수후신경절에서의 통증 신호 측정, 측정된 통증 신호로부터 통증 강도를 결정할 수 있는 물리적 인자의 도출, 이러한 물리적 인자를 통하여 통증별 강도별 위치별 통증을 정량화할 수 있는 3차원 맵핑(mapping) 기술을 통하여 통증을 정량화할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호 측정 장치 및 방법은, 크게 통증 신호를 측정할 수 있는 마이크로 프로브, 이러한 마이크로 프로브의 통증 신호 측정을 위한 척수후신경절에서의 위치 방법, 통증 신호의 정확한 측정을 위하여 석션(suction) 형태의 진공 장치를 통한 통증 신호 측정 프로브의 신체에 대한 접촉, 그리고 여러 개의 통증 신호 측정 프로브를 척수후신경절에 위치함으로써 신체의 전반적인 통증 신호를 측정할 수 있는 측정 방법, 이러한 여러 개의 통증 신호 측정용 전극을 통하여 통증 신호로부터 발생하는 전압을 전극 분포 별로 측정할 수 있는 측정 방법, 이러한 통증 분포 신호로부터 물리적 인자를 도출하는 도출 방법, 그리고 물리적 인자에 따른 통증 신호 별, 위치 별, 물리적 인자 별 3차원 매트릭스(matrix) 기반의 통증 정량화 3차원 맵핑 기술을 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 프로브 어레이를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 통증 신호 측정을 위한 마이크로 프로브 어레이(100)는 보호된 전극(guarded electrode, 110), 절연층(120), 보호 전극(guard electrode, 130), 및 기판(140)을 포함한다.

보호된 전극(110)은 통증 신호를 측정하는 것으로, 각 마이크로 프로브의 끝단에 존재한다. 여기서 각 마이크로 프로브는, 기판(140) 및 보호 전극(130)을 관통하고, 보호 전극(130)에 전기적으로 차단되고, 삽입된 피부의 전압 혹은 전류를 측정할 수 있다. 여기서 보호 전극(130)은 기판 위에 형성되며, 서로 연결 혹은 분리 될 수 있으며, 단독 혹은 공통 접지할 수 있다.

절연층(120)은 마이크로 프로브들 사이의 커플링(coupling)에 의한 잡음과 외부 전기장에 의해 발생되는 잡음, 및 측정하고자 하는 피부의 진피의 전기적 신호에 포함되어 있는 잡음을 줄이기 위하여 보호 전극(130)과 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극(110) 사이에 형성될 것이다. 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면은 보호 전극(130)에 접지될 수 있다.

일반적인 마이크로 프로브 어레이는 통증 신호의 측정을 위한 프로브 전극으로만 구성되어있다. 즉, 전극과 전극 사이에 절연층이나 기타 잡음을 줄여줄 수 있는 층이 없이 시료가 놓일 수 있는 공간으로만 구성되어있다. 이러한 기존의 구성은 프로브 전극이 측정하는 전압이나 전류의 크기가 높을 경우에는 신호의 크기가 잡음에 비하여 매우 높은 값을 가지기 때문에 신호의 측정은 어렵지 않게 이루어질 수 있다.그러나 측정하고자 하는 전류 및 전압의 크기가 낮을 경우 즉, 신호 대 잡음 비율(signal to noise ratio)이 낮을 경우 측정 프로브간에 잡음의 발생으로 높은 신호를 측정할 수 없다. 이것은 측정 프로브들이 하나의 잡음 루프(loof)를 형성하여 새로운 잡음을 형성하는 단점을 지니게 된다. 따라서 이러한 잡음을 최소화할 수 있는 전극의 제작이 저전류 및 저전압 측정에서 반드시 수반되어야 한다.

반면에 본 발명에 따른 마이크로 프로브 어레이(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 보호 전극(130)과 보호된 전극(110) 그리고 절연체 층(120)으로 이루어진 전극의 제작을 통하여, 상기와 같은 문제점을 보완할 수 있다. 즉, 측정 프로브와 프로브 사이에 절연체 층(120)을 두고, 이러한 절연층 표면을 각각 단독 접지 또는 공통 접지를 할 수 있는 보호 전극(130)을 형성함으로써, 잡음의 형성을 최소화 할 수 있다.

뿐만 아니라, 측정이 이루어지지 않는 전극에서 유입되는 잡음을 접지를 통하여 제거함으로써 실질적으로 측정되는 통증 신호를 잡음 없이 측정할 수 있는 장점을 지닌다. 그리고, 각 보호 전극(130)은 보호된 전극(110)에서 측정하고자 하는 전기장을 균일하게 형성하여 측정함으로써 일정한 값의 전압을 측정할 수 있는 장점을 지닌다. 이것은 보호 전극(130)에서 전극의 구조에 따라서 형성되는 비균일한 전기장을 접지를 통하여 제거함으로써, 교류 전기장에서 형성되는 엣지 효과(edge effect)를 최소화하는 역할을 한다.

실시 예에 있어서, 통증 신호 측정용 마이크로 프로브는 보호 전극(130)이 서로 공통으로 접지로 이루어질 수 있으며, 이러한 보호 전극(130)은 또한 서로 분리되어 임의로 공통 및 단독으로 접지될 수 있다(미도시).

실시 예에 있어서, 통증 신호 측정용 마이크로 프로브는 또한 통증을 유발하지 않는 100㎛ 이하의 직경을 갖고, 그 길이는 피부의 표피 두께보다 그 길이가 큰 70㎛ 이상이 될 수 있다.

실시 예에 있어서, 마이크로 프로브 어레이의 전극과 전극간의 간격은 신경 회로에서 마이엘린 수초(Myelin sheath) 길이(1mm)보다 작은 크기가 바람직하다.

도 2는 도 1에 도시된 마이크로 프로브 어레이(100)를 이용하여 신경 신호 측정 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 신경 신호 측정 방법에서, 마이크로 프로브 어레이(100)는 표피(210)를 뚫어 진피(220)에 있는 이온들에 의해서 전도도가 높아질 정도로 그 깊이가 깊으며 신경(230)에서 흘러가는 활동 전위를 측정할 수 있다.

일반적으로 진피(220)에서의 전도도는 진피(220)에서 전기 전도도를 높여주는 전해질들이 많이 분포하여 높은 전도도를 보여준다. 이것은 표피(210)에서 표피(210)가 가지는 낮은 전도도를 해결할 수 있을 정도로 마이크로 프로브 어레이(100)에서의 프로브가 진피(220)의 두께보다 길기 때문에 진피(220)에서의 전기적 신호를 충분히 저잡음의 신호로 읽을 수 있다. 또한 마이엘린 수초의 간격이 1mm 정도 되는 것보다 작은 간격을 가지는 마이크로 프로브 어레이(100)를 형성함으로써 실질적인 신경에서의 신호를 읽을 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 마이크로 프로브 어레이(100)의 피부 부착 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 마이크로 프로브 어레이(100)를 피부(310)에 견고하게 부착하기 위하여 석션 형태를 가지는 부착 장치(330)를 이용하여 전극을 피부 표면에 견고하게 부착이 가능하다. 부착 장치(3230)는 석션 (320)의 공기를 제거하여 압력을 저하시킴으로써 부착이 이루어진다. 이를 통하여 마이크로 프로브 어레이(100)는 표피를 뚫고 진피에 있는 전해질과 만나 낮은 저항 즉, 높은 전도도를 가지는 높은 신호 대비 잡음 비율을 높임으로써 신호 측정을 할 수 있다. 여기서 측정된 신호는 신호 전달선(340)을 통하여 유입 혹은 배출될 것이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호 측정 장치(100)를 이용한 척수후신경절(dorsal root ganglion, 410)에서의 통증 신호 측정 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면. 복수의 마이크로 프로브 어레이들(예를 들어, 도 1의 100)을 갖는 통증 신호 측정 장치(300)는 척수후신경절(410)에서의 통증 신호를 측정할 수 있다. 척수후신경절(410)에 척추 바깥 부분에 분포하며 이것은 신경이 외부에 가장 근접하게 분포하여 통증 신호를 가장 잘 측정할 수 있는 신체 부위가 된다. 이러한 통증 신호 측정 부위에 마이크로 프로브 어레이(100)를 부착함으로써 신체의 각 부분에서 유입되는 통증 신호를 복수의 마이크로 프로브 어레이들(100)를 통하여 측정할 수 있다.

또한 이러한 마이크로 프로브 어레이(100)를 사지 즉, 팔과 다리에 부착하여 통증 신호와 다른 형태를 가지는 기준 신호를 발생함으로써, 통증으로 인하여 발생하는 통증 신호와 구분하여 통증을 측정할 수 있는 기준이 된다(미도시). 즉, 통증 신호가 다리에서 오게 된다면 통증이 유발되는 비슷한 부위에 생체 신호 변조용 마이크로 프로브 어레이(100)를 부착하여 새로운 형태를 발생함으로써 척수후신경절(410)에서 이러한 신호도 동시에 측정할 수 있다. 이것은 통증이 발생되는 부위로부터 전해지는 통증 신호의 속도와 위치를 유추하여 통증 신호의 발생 형태와 속도를 결정할 수 있는 기준이 된다.

이러한 기준으로부터 기타 통증 신호에 대한 기준점을 적용하여 통증의 위치를 역추적할 뿐만 아니라 연관 통증과 같이 직접적인 부위에서의 통증이 아니라 연관되어있는 인체 장기에서의 통증도 역추적이 가능하다. 또한 유령통과 같이 실질적으로 그 장기가 없는 상태에서도 발생하는 통증 원인 위치를 찾아내는 새로운 기준점이 된다.

도 4를 다시 참조하면, 마이크로 프로브 어레이(100)를 이용하여 통증 신호가 제어될 수도 있다. 마이크로 프로브 어레이(100)의 전극은 통증 신호를 측정할 수 있는 측정 기반이다. 이러한 관점에서 통증 신호는 마이크로 프로브 어레이(100)를 통하여 외부 회로로 그 크기 및 형태를 전달해주는 기준점이 될 것이다. 이것은 통증 신호가 외부로 나타남을 의미하며 이것을 역으로 해석하면 새로운 신호를 내부에 유입할 수도 있음을 의미한다.

즉, 통증이 발생하여 뇌로 통증 신호가 전달될 때 외부에서 이러한 통증 신호를 변조할 수 있는 통증 제어 신호를 역으로 주입하게 되면 통증 신호는 뇌에서 새로운 형태로 나타나게 될 것이다. 즉, 통증 신호에 대하여 ±90도 가진 신호 혹은 위상의 변조를 통한 통증 제어 신호를 주기적으로 유입시켜 통증 신호가 사멸될 수 있다. 또는, 통증 신호 보다 주기가 빠른 신호를 지속적으로 유입하여 통증 신호를 유입되는 신호와 구별하지 못하게 하여 뇌에서는 통증을 느끼지 못하게 하는 통증 제어 신호가 유입될 수 있다.

이러한 통증 신호를 제어할 수 있는 통증 제어 신호는 교류 및 직류 신호로 가능하며 통증 신호의 제어를 위하여 외부에서 위상차를 조절하여 통증을 제어할 수 있다. 이러한 제어 및 변조되는 외부 입력 신호는 사인파, 펄스파, 구형파로 가능하며 그 형태는 파형의 조합으로도 가능하다.

도 5는 도 1에 도시된 마이크로 프로브 어레이(100)를 이용한 통증 신호 분석 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면 통증 신호가 척수후신경절로 유입되게 될 때 마이크로 프로브 어레이(100)에서 활동 전위 시작점이 있다. 즉, 활동 전위 이전의 전극에서는 감지가 되지 않고 활동 전위 시작점에서 통증 신호가 처음 측정되게 되고 나머지 진행 방향 전극에서 활동 전위는 추가적으로 발생하게 된다.

따라서 활동 전위의 크기는 활동 전위가 제일 먼저 발생한 척수후신경절에서 가장 크게 발생하고 이러한 크기는 프로브의 위치별로 각기 다르게 나타난다. 즉 활동 전위가 처음 발생한 부분에서 가장 크게 진동을 하면서 교류의 특성을 보이고 이러한 활동 전위의 진행 방향이 아닌 부분에서는 낮은 전압을 가지는 진폭을 가지면서 진동을 하게 된다.

이러한 통증 신호는 마이크로 프로브 어레이(100)의 배치 및 전위의 변화에 따라서 그 신호의 크기 또한 다르다. 즉, 인접한 6개의 전극을 각각 다르게 접지를 하게 되면 가장 높은 신호를 가지는 활동 전위는 각각의 접지 형상에 따라서 다르게 보인다. 위와 같이 마이크로 프로브 어레이(100)의 배치 및 접지의 형태를 다르게 함으로써, 통증 신호에 대한 고감도 신호를 측정할 수 있을 것이다. 또한 이러한 분포에서 시간 별로 통증 신호를 측정(미도시)하게 되면 통증 진행 방향과 유입 방향을 가늠할 수 있다. 이것은 통증의 발생 근원을 파악하는 기준이 된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호에서 물리적 인자 도출하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 통증 신호는 크게 급성 통증과 만성 통증으로 나뉠 수 있다. 이러한 통증 신호의 구분은 통증 신호가 발생하여 전파되는 형태로 나뉘어진다. 즉, 급성 통증인 경우 활동 전위가 급격히 증가하여 어느 한계치를 지나면 통증으로 느끼는 형태를 가지면 이러한 통증을 잘 전파하는 것은 신경 섬유의 Aδ 섬유에서 이루어지고 만성 통증은 그 증가 속도가 완만하다. 그러나 그 지속 시간은 급성 통증에 비하여 길게 나타난다.

또한 이러한 만성 통증은 신경 섬유 중에서 C 신경 섬유를 통하여 전달된다. 따라서 통증을 구분하여 결정 지을 수 있는 물리적 인자는 통증 신호로부터 감지되는 통증 신호의 주파수, 통증 신호의 peak 개수, 통증 신호에서 한계치(threshold)의 변화, 통증 신호의 증감 기울기, 통증 신호의 지속 시간, 통증 신호의 마이크로 프로브 및 변조 신호에서의 위치 등을 통하여 통증 발생에 대한 물리적 변수를 정의할 수 있다.

이러한 물리적 인자들은 통증의 주기, 발생시간, 통증의 크기, 통증의 증가 속도, 통증의 합, 통증의 속도 등과 깊이 연관을 가지며 이러한 통증에 대한 물리적 인자가 개개인이 가지는 통증의 패턴을 의미한다. 예를 들어 급성 통증인 경우 주파수와 peak의 수, 기울기가 높게 나타나게 되고, 지속 시간은 낮게 나타나게 될 것이다.

또한 만성 통증은 지속 시간이 길게 나타나게 될 것이다. 이것은 통증의 질환 별로 다르게 나타나게 될 것이다. 또한 개인 별로 다르게 나타난다. 그러나 개인별로 나타나는 통증의 변화는 각각의 개인이 느끼는 어느 수치가 다를 뿐 패턴은 비슷한 형태를 가지게 된다.

따라서 이러한 물리적 함수의 상관 관계를 도식화 하면 통증을 형상화 할 수 있는 기준이 된다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 통증 신호의 3차원 맵핑 기술을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 통증 발현에 대한 물리적 인자는 감지되는 통증 신호의 주파수, 통증 신호의 피크 개수, 통증 신호에서 한계치(threshold)의 변화, 통증 신호의 증감 기울기, 통증 신호의 지속 시간, 통증 신호의 마이크로 프로브 및 변조 신호에서의 위치에 따라 다르게 나타난다. 이러한 신호의 크기는 하나의 패턴을 형성하게 되며 이로부터 통증 신호를 맵핑할 수 있다. 즉, 급성 통증과 여러 가지 만성 통증에 대하여 맵핑을 이룰 수 있다. 도 8을 참조하면 이러한 각각의 물리적 인자와 시간의 축에 대하여 통증 분류 별 다른 형태를 가지게 된다. 이로부터 통증을 3차원으로 정량화할 수 있는 기준이 된다.

도 7을 참조하면, 통증이 발생되지 않았던 왼쪽 상태에서 통증이 발생하게 되면 새로운 상태 오른쪽 상태로 그 상태가 변이되게 된다. 이러한 변이의 형태 즉, 3차원 형태를 분석함으로써 통증 별로 나타나는 이미지를 맵핑할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 마이크로 프로브 어레이
110 : 보호된 전극
120 : 절연층
130 : 보호 전극
140: 기판
210: 표피
220: 진피
230: 신경 섬유
310: 피부
320: 석션
330: 공기 배출 펌프
340: 신호 출입선
410: 척수후신경절

Claims (20)

1. 피부에 삽입하여 통증 신호를 측정하는 마이크로 프로브 어레이;
   상기 마이크로 프로브 어레이를 감싸는 석션; 및
   상기 마이크로 프로브 어레이를 상기 피부에 부착하기 위하여 상기 석션의 공기를 빼주는 부착 제어 장치를 포함하고,
   상기 마이크로 프로브 어레이는,
   기판 위에 형성된 보호 전극;
   상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 전기적으로 차단되고, 상기 피부의 전압 혹은 전류를 측정하는 복수의 마이크로 프로브들;
   상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고,
   상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면은 상기 보호 전극에 접지되는 통증 신호 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면에 있는 상기 보호 전극에 단독 접지되는 통증 신호 측정 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면에 있는 상기 보호 전극에 공통 접지 되는 통증 신호 측정 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 프로브 전극 및 상기 보호 전극을 표피 전압을 기준 전압으로 설정할 수 있는 기판 전극을 더 포함하는 통증 신호 측정 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 프로브들 각각은 100㎛ 이하의 직경과 50㎛ 이상의 길이를 갖는 통증 신호 측정 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 프로브들 각각에서 보호된 전극들 사이의 간격은 신경 회로에서 마이엘린 수초 길이보다 작은 통증 신호 측정 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극에서 통증 신호를 전달 받거나, 외부로부터 상기 보호된 전극에 통증 제어 신호를 전달하는 신호 전달선을 더 포함하는 통증 신호 측정 장치.
8. 삭제
9. 통증 신호 측정 장치의 통증 신호 측정 방법에 있어서: 상기 통증 신호 측정 장치는 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 포함하고, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는, 기판 위에 형성된 보호 전극; 상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 전기적으로 차단되는 복수의 마이크로 프로브들; 상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고, 상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층 및 상기 보호 전극에 의해서 보호하기 위하여 상기 보호 전극에 접지되고, 상기 통증 신호 측정 방법은,
   상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 감싸는 석션의 공기를 제거함으로써, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 피부에 부착하는 단계; 및
   상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는 상기 피부의 표피를 뚫고 상기 피부의 진피에 있는 신경의 활동 전위를 측정하는 단계를 포함하는 통증 신호 측정 방법.
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는 복수인 통증 신호 측정 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이 중 적어도 하나는 척수후신경절에 부착하여 통증 신호를 측정하고, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이 중 다른 적어도 하나는 팔과 다리에 부착하여 상기 통증 신호를 판별하기 위한 기준 신호를 측정하는 통증 신호 측정 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기준 신호를 이용하여 상기 통증 신호의 속도 및 위치를 유추하는 단계를 더 포함하는 통증 신호 측정 방법.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이의 배치 및 접지 형태를 다르게 함으로써 상기 통증 신호를 측정하는 단계를 더 포함하는 통증 신호 측정 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이에서 시간 별로 통증 신호를 측정하는 단계; 및
    상기 시간 별로 측정된 통증 신호로부터 상기 통증 신호의 진행 방향 및 유입 방향을 유추하는 단계를 더 포함하는 통증 신호 측정 방법.
16. 제 12 항 있어서,
    상기 통증 신호의 주기, 발생시간, 크기, 증가 속도, 감소 속도, 신호의 크기, 및 지속 시간 중 적어도 하나를 이용하여 통증의 패턴을 구별하는 단계를 더 포함하는 통증 신호 측정 방법.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 통증의 패턴을 통하여 급성 통증 혹은 만성 통증에 대한 맵핑을 수행하는 단계를 더 포함하는 통증 신호 측정 방법.
18. 통증 신호 측정 장치를 이용한 통증 제어 방법에 있어서: 상기 통증 신호 측정 장치는 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 감싸는 석션, 및 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이를 피부에 부착하기 위하여 상기 석션의 공기를 빼주는 부착 제어 장치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는, 기판 위에 형성된 보호 전극; 상기 기판 및 상기 보호 전극을 관통하고, 상기 보호 전극에 전기적으로 차단되는 복수의 마이크로 프로브들; 상기 마이크로 프로브들 사이의 잡음을 줄이기 위하여 상기 보호 전극과 상기 마이크로 프로브들 각각의 보호된 전극 사이에 형성된 절연층을 포함하고, 상기 마이크로 프로브들 각각의 절연층의 표면은 상기 보호 전극에 접지되고, 상기 통증 제어 방법은,
    상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이는 상기 피부의 표피를 뚫고 상기 피부의 진피에 있는 신경으로부터 통증 신호를 측정하는 단계;
    상기 측정된 통증 신호를 외부 회로로 전달하는 단계; 및
    상기 외부 회로는 상기 통증 신호를 변조하기 위한 통증 제어 신호를 상기 적어도 하나의 마이크로 프로브 어레이로 전달하는 단계를 포함하는 통증 제어 방법.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 통증 제어 신호는 상기 통증 신호에 대하여 ±90도의 위상을 가지고,
    상기 통증 제어 신호의 주기는 상기 통증 신호의 주기보다 빠른 통증 제어 방법.
20. 제 18 항에 있어서,
    상기 통증 제어 신호는 교류 혹은 직류 신호이며,
    상기 통증 신호에 대하여 상기 통증 제어 신호의 위상차가 조절됨으로써 통증이 제어되는 통증 제어 방법.

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