KR101640724B1 - 인간의 촉각 감도와 고유감각을 증가시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

전기적 자극을 감각 수용체에 경피적으로 인가하기 위한 용품. 용품은, 전극쌍, 양극 및 대응하는 음극이 부착되는 지지부이다. 리드들(lead)이 양극과 음극의 각각에 전기적으로 부착되며, 각 리드는 절연 코팅을 갖는다. 제어기는, 단일 주파수에서 단상(monophasic) 또는 이상(biphasic) 전기적 자극을 전달하도록 리드에 전기적으로 부착된다. 전원은 제어기에 전기적으로 접속되며, 지지부에 부착될 수도 있다. 용품은, 양말, 장갑, 하니스 또는 안창일 수도 있다.

Description

인간의 촉각 감도와 고유감각을 증가시키는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS TO INCREASE TACTILE SENSITIVITY AND PROPRIOCEPTION IN HUMANS}

관련출원에 대한 상호참조

본 출원은, 2012년 12월 31일에 출원된 미국 가특허출원 제61/747,523호인 우선권을 주장한다. 미국 가특허출원 제61/747,523호의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다.

본 발명은 인간의 촉각 감도와 고유감각을 증가시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

촉각감각과 고유감각(proprioception)은, 각각, 외력이 신체에 의해 인지되게 하는 능력 및 신체가 공간에서 신체의 위치를 어떻게 인식하는지를 나타낸다. 이러한 감각들을 잃거나 약화되면, 사람들은 서로에 대하여 그리고 그들의 환경에 대하여 어떻게 상호작용할지에 대해 도전 받게 된다.

촉각과 고유감각에 대한 무감각과 연관된 합병증들은 광범위한데, 중간 수준의 무감각은 간과할 수 있지만, 더욱 심한 수준의 무감각은 손과 관절의 장애, 떨림(falls), 통증을 야기할 수 있고, 때로는 심지어 사망에 이르게 할 수도 있다. 촉각성 무감각에 의해 쉽게 영향을 받는 사람들로는, 신경증, 뇌졸증이 있는 사람, 노인, 및 당뇨병이 있는 사람, 또는 진동 핸드툴을 자주 사용하거나 차가운 환경에서 일하는 사람이 있다. 개인 보호장비를 착용하는 사람들(즉, 외과의사)을 비롯한 다른 사람들도 촉각적 민감성의 일시적 손실을 경험한다.

확률공명(Stochastic resonance) 기술은 인간의 촉각과 고유감각 감도를 향상시키거나 복구하는 데에 이용되어 왔다. 확률공명은, 전기적 소음 또는 기계적 소음을 신체 등의 비선형 시스템에 인가함으로써 신체의 감각능력을 높일 수 있는 현상이다. 인간의 확률공명을 담당하는 메커니즘은 불명확한 상태로 남아 있지만, 연구에 의하면, 소음을 피부에 인가함으로써 신체의 근처 영역들의 촉각 감도를 증가시킬 수 있고 이에 따라 사람이 비교적 낮은 강도의 기계적 자극을 감지할 수 있게 한다고 한다. 마찬가지로, 노인을 대상으로 하는 연구에서, 발의 힘줄과 중족골 관절에 경피적으로 전달되는 소음에 의해 자세 흔들림이 감소되었으며, 고유감각의 감도가 높아졌다.

인간의 확률공명 현상을 이끌어내는 데 사용되는 소음은 그 성질상 전기적이었거나 기계적이었으며, 감지 불가능한 강도로 0 내지 1000Hz(백색 또는 가우스 소음)의 다중 주파수와 함께 전달되었다. 확률공명 기술은 현실적인 한계사항에 직면하게 되었다. 오늘날 사용되는 소음 전달 시스템 및 자극기는, 너무 복잡하며, 장치 내에 통합하기에 번거로우며, 연구실의 범위를 벗어나 사용된다. 예를 들어, 기계적 확률공명 시스템은, 많은 회로를 필요로 하는 압전 또는 진동 셰이커 장치들을 통해 소음을 전달한다. 기계 장치는 감지 대상인 피부영역의 최상부 보다 위에 배치될 필요가 있다. 이는 영향을 받을 수 있는 피부영역을 필연적으로 제한하게 된다. 그러나, 전기적 확률공명 장치는, 작고 유연하며 타겟으로 하는 수용체(receptor)로부터 더욱 멀리 위치할 수 있는 표면전극들을 통해 소음을 전달한다. 그럼에도 불구하고, 복잡한 자극 패러다임으로 인해, 실용적인 목적을 위해서는 자극 디바이스와 제어기가 너무 커지게 된다.

따라서, 가정 또는 현장에서 이용하도록 실용적인 촉각 감도 및/또는 고유감각 감도를 증가시킬 수 있는 장치가 현재 필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기적 자극을 감각 수용체에 경피적으로 인가하기 위한 용품을 제공한다. 이 용품은, 전극쌍, 양극 및 대응하는 음극이 부착되는 지지부이다. 단일 리드들(lead)이 양극과 음극의 각각에 전기적으로 부착되며, 각 단일 리드는 절연 코팅을 갖는다. 제어기는, 0.1mA 내지 5mA의 전류와 150Hz 내지 350Hz의 단일 주파수에서 단상(monophasic) 또는 이상(biphasic) 전기적 자극을 전달하도록 각 단일 리드에 전기적으로 부착된다. 전원은 제어기에 전기적으로 접속되며, 지지부에 부착될 수도 있다.

일 측면에서, 용품은, 양말, 장갑, 또는 안창이다. 양말, 장갑, 또는 안창은 성형된 물질, 부직포 물질(nonwoven material), 직물, 또는 이들의 조합으로 제조될 수도 있다.

다른 일 측면에서, 본 발명의 용품은 하니스(harness)이다.

추가 측면에서, 양말이나 장갑의 형태로 된 용품은 하나 이상의 돔(dome) 부재를 포함할 수 있고, 각 돔 부재는 양극이나 음극이 부착되는 오목면을 갖는다. 선택사항으로, 전해성 겔 또는 페이스트는, 대응하는 양극 또는 음극을 커버하도록 오목 부분에 도포된다.

본 발명의 다른 일 실시예에서, 신체의 감각 수용체를 경피적으로 자극하는 방법은,

인간의 온전한(intact) 피부를 음극으로부터 이격되어 있는 양극을 포함하는 전극쌍과 접촉시키는 단계, 및 150Hz 내지 350Hz의 단일 주파수에서 단상 또는 이상 전류를 양극에 전달하는 단계를 포함한다. 전류는 5mA 미만일 수도 있다. 전류는 약 100μ초의 지속시간을 갖는 구형파로 전달될 수도 있다.

본 발명의 다른 특징들과 측면들은 이하에서 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 장갑의 일 실시예의 상부 사시도이고;
도 2는 본 발명에 따른 양말의 일 실시예의 평면도이고;
도 3은 본 발명에 따른 안창의 일 실시예의 평면도이고;
도 4a는 본 발명에 따른 하니스의 일 실시예의 측면 사시도이고;
도 4b (i 내지 iii)는 손가락에 부착되는 하니스의 하부도, 측면도, 상면도이고;
도 4c는, 도 4a의 두 개의 하니스가 손과 제어기에 부착되어 있음을 도시하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 하니스 시스템의 평면도이다.
도 5는, 절단부분에서 신체 대향면과 전극을 도시하는, 본 발명에 따른 장갑의 다른 일 실시예의 측면 사시도이고;
도 6a와 도 6b는 각각 초기 상태와 가압 상태에 있는 본 발명에 따른 돔 부재의 측단면도이고;
도 7은 본 명세서에서 설명하는 실험에 사용되는 접촉기의 평면도이고;
도 8은 도 7의 접촉기와 접촉하는 연구 참여자의 손가락의 정면 사시도이다.
도 9는 본 발명의 전력 및 제어 시스템의 개략도이다.

이제, 하나 이상의 예들이 후술되어 있는 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 참조한다. 각 예는, 설명에 의해 제공되며, 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 사실상, 통상의 기술자에게는, 본 발명의 사상이나 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에 다양한 수정과 변경을 행할 수 있다는 점이 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 설명되는 특징들은 다른 일 실시예에서 사용되어 또 다른 추가 실시예를 실시할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 수정과 변경을 커버하려는 것이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "성형된"이라는 것은, 고화되는 액체에 침지된 장갑 몰드 등의 몰드 주위에 형성될 수 있는 구조의 유형을 가리킨다. 고화된 물질을 몰드로부터 제거하여, 장갑 몰드의 형상을 유지한다.

부직포 물질은, (예를 들어, 화학적 수단 또는 기계적 수단 또는 화학적 수단과 기계적 수단 등에 의해) 섬유들을 부착함으로써 제조되는 패브릭의 클래스로서 정의된다. 부직포 물질은, 기계적 수단, 화학적 수단, 열적 수단, 또는 용제 수단, 또는 접착제, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 제조되며, 직물, 편직물, 또는 방소재(tufted material)와는 구별된다. 부직포 물질은, 합성 열가소성 고분자 또는 셀룰로오스 등의 천연 고분자로 제조될 수도 있다. 예를 들어, 셀룰로오스 티슈는 부직포 물질의 한 유형이다.

본 발명의 방법과 장치는, 촉각 감도와 고유감각 감도를 증가시키는 데 사용될 수도 있다. 장치는, 발가락, 손가락, 또는 발바닥의 감각 수용체들을 적절하게 전기적으로 자극하는 전극쌍들을 갖는, 양말, 장갑, 안창, 또는 하니스 시스템의 형태로 될 수도 있다. 일반적으로, 전기적 자극은, 인지될 수 없으며, 단일 주파수에서, 바람직하게는 250Hz에서 단상 또는 이상 구형파로 전달될 수도 있다. 전극들은 지지부(예를 들어, 장갑) 상에 인쇄된 금속 또는 카본 페이스트 및 고분자 바인더 조성물로 제조될 수도 있다. 본 발명의 방법과 장치를 채택함으로써, 다중 주파수(소음)를 사용함으로 인해 발생하는 문제점들이 방지된다.

감각 수용체 대 신경의 전기적 자극 간의 차이를 구별하는 것이 중요하다. 여기서, 전기적 자극은, 촉각 감지가 가능하도록 피부에 위치하는 각 수용체들에 작용하며, 고유감각을 향상시키도록 힘줄과 관절의 감각 수용체들에 작용한다. 감각 수용체들은, 에너지(즉, 기계적 에너지, 화학적 에너지, 열 에너지 등)를 신경을 통해 척수에 전달되는 신경 신호들로 변환하는 중요한 역할을 수행한다. 중요한 것은, 감각 수용체들이, 부착되어 있는 신경섬유와는 해부학적으로 그리고 생리학적으로 차별되는 자급 구조(self-contained structure)라는 것이다. 본 명세서에서는, 자극을 사용하여 감각 수용체들의 활성화를 용이하게 하며, 이에 따라 감각 수용체들이 활동전위를 보다 작은 에너지로 생성할 수 있게 한다.

장치

장치는, 리드들에 접속된 전극쌍으로 구성되며, 리드들은 다시 제어기와 전원에 접속된다. 이러한 구성요소들의 각각을 이하에서 상세히 설명한다.

전극쌍

전기적 자극을 전달하는 데에는 적어도 두 개의 전극(즉, 전극쌍)이 필요하다. 음극(cathode) 즉 자극 전극은, 조직 내의 음으로 대전된 이온들을 끄는(attract) 입상 펄스(positive-going pulse)를 전달한다. 양극(anode) 즉 접지 전극은 양으로 대전된 이온들을 끄는 입하 펄스(negative-going pulse)를 전달한다. 조직 내의 이온들의 이동은, 전류흐름과 근사하며, 마찬가지로 수용체 전위를 변조하고 장기를 감지함으로써 감각 수용체들에 작용한다. (본 명세서에서 설명하는) 전극들은 자극기로 이어지는 절연 리드들에 부착된다.

전극들은 다양한 도전물질로 제조될 수 있다. 이러한 물질은, 탄소, 금속(예를 들어, 백금, 팔라듐, 금, 텅스텐, 티타늄 등), 금속계 화합물(예를 들어, 산화물, 염화물 등), 금속합금, 도전성 고분자, 이들의 조합 등을 포함한다. 탄소전극의 특정한 예로는, 유리탄소, 흑연, 다공성 탄소, 나노카본 튜브, 풀러렌이 있다.

전극들은 막(film)의 형태로 된 것일 수도 있다. 도전성 물질의 박막은, 스퍼터링, 반응성 스퍼터링, 물리 기상 증착, 플라즈마 증착, 화학기상 증착(CVD), 인쇄, 분무, 및 기타 코팅 방법을 포함하는 다양한 방법들에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들어, 탄소- 또는 금속-페이스트계 도전성 물질은, 통상적으로 스크린 인쇄를 사용하여 형성된다. 금속계 전극은, 통상적으로 표준 스퍼터링 또는 CVD 기술을 이용하여 제조된다. 다른 측면들에서, 전극들은, 당해 기술에 공지되어 있듯이, 원하는 금속의 얇은 시트들을 스탬핑하거나 절단함으로써 형성될 수도 있다.

각 전극은 형상과 크기에 있어서 고유할 수 있고, 또는 전극들이 형상과 크기에 있어서 동일할 수도 있다. 임의의 다양한 형상(예를 들어, 직사각형, 원형, 타원형, 무작위 형상 등)을 이용할 수도 있다. 전극의 크기는 이용 가능한 피부영역에 의해 결정된다. 일반적으로, 전극이 클수록 감지영역이 커질 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 측면에 있어서, 전극들은 지지부 상에 스크린 인쇄된다. 전극들은, 스크린 인쇄 가능한 "잉크"를 생성하도록 휘발성 용제와 함께 혼합된, 탄소 페이스트 및 고분자 바인더로 제조될 수도 있다.

그 결과, (일단 휘발성분이 증발되었다면) 스크린 인쇄된 전극들의 두께는, 0.5 내지 100μm, 또는 0.5 내지 50μm, 또는 0.5 내지 20μm, 또는 0.5 내지 10μm, 또는 0.5 내지 1μm이다. 이러한 두께들은, 채택될 수 있는 전술한 나머지 전극들의 유형에 대하여 바람직하다.

대안으로, 전극들은 도전성 섬유들로 형성된 직물 스레드 또는 부직포 스레드로 제조될 수도 있다. 스레드는, 둥근 단면 또는 직사각형 단면을 가질 수 있고, 스크린 인쇄된 전극에 대하여 전술한 바와 동일한 두께를 가질 수도 있다. 스레드는, 지지부가 형성된 물질에 직조될 수도 있다.

다른 대안으로, 전극들은 적층체 구조를 가질 수도 있다. 다시, 이러한 전극들은 스크린 인쇄된 전극들과 동일한 두께를 갖는다.

리드(lead)

리드는, 전기를 제어기로부터 전극들로 전달하며, 전극쌍의 물질과 동일하거나 다른 물질로 제조될 수 있다.

바람직한 일 측면에서, 리드는 지지부 상에 스크린 인쇄된다. 이러한 리드는, 은 또는 은 염화물 페이스트, 및 고분자 바인더로 제조된다. 이 조성물에 휘발성 용제를 첨가하여, 이전에 인쇄된 탄소 리드의 상부에 또는 탄소 리드 대신에 스크린 인쇄될 수 있는 "잉크"를 생성한다. 그 결과, (일단 휘발성분이 증발되었다면) 스크린 인쇄된 리드의 두께는, 0.5 내지 100μm, 또는 0.5 내지 50μm, 또는 0.5 내지 20μm, 또는 0.5 내지 10μm, 또는 0.5 내지 1μm이다.

리드들은, 습기가 있을 때 단락되지 않도록 전기적으로 절연된다. 리드들이 스크린 인쇄된 리드들이라면, 절연코팅이 리드의 상부에 배치되어, 리드를 직접 둘러싸는 지지부와 절연 코팅 간의 밀봉부를 생성하게 된다. 리드들이 스레드 또는 적층체 스트립이라면, 전체 스레드/스트립을, 통합될 지지부 상에 배치하기 전에 절연물질로 코팅할 수도 있다.

일 측면에서, 리드들은, 특정 파장이나 파장들의 범위의 노광에 의해 변할 수 있는 유기 화합물 등의 포토레지스트 물질로 코팅된다. 이물질은, 리드들이 유연한 상태로 유지될 필요가 있으므로, 필연적으로 유연하다. 예시적인 코팅기술로는, 리드들 위에 포토레지스트의 층을 피착하는 기술이 있다. 노광에 의해, 포토레지스트 물질이 화학제에 의한 제거에 덜 민감해진다. 포토레지스트 물질의 층은, 도포된 후, 마스크를 통해 광 또는 기타 전자기 방사에 노출된다.

지지부

이제, 도 1 내지 도 4를 참조해 볼 때, 장갑(40), 양말(50), 안창(60), 또는 하니스(70) 등의 지지부(10)는, 전극들(28, 30)이 (예를 들어, 접착식으로 또는 기계적으로)부착될 수 있는 또는 심지어 통합될 수 있는 예시적인 용품(예를 들어, 도전성 스레드와 비-도전성 스레드로 형성된 제직 장갑)이다. 이러한 용품들은, 고분자 물질, 직물, 부직포 물질, 및 이들의 조합으로 성형될 수도 있다.

성형된 장갑 또는 양말은, 몰드를 원하는 물질로 침지, 분무, 또는 코팅하고 전극들(28, 30)을 배치하고 용품을 뒤집은 후 그 물질을 경화하는 기타 방법(반드시 이러한 순서일 필요는 없음) 등의 당해 기술에 공지된 종래의 방법들에 의해 제조될 수도 있다. 예를 들어, 장갑(40) 또는 양말(50)은, Kurtz 등에게 발행된 미국특허 제4,521,365호 및 Sommers에게 발행된 미국특허 제5,693,401호에 개시되어 있는 바와 같은 방식으로 제조될 수도 있으며, 이들 문헌은 본 발명과 일치되는 정도까지 본 명세서에 참조문헌으로서 원용된다.

일 측면에서, 지지부는 니트릴, 아크릴 또는 라텍스로 성형된 양말(50) 또는 장갑(40)의 형상을 갖는다. 이러한 물질들은 유연하고 탄성을 갖기 때문에, 이러한 물질들에 부착되는 리드들도 필연적으로 유연하게 된다. 탄성은 리드들(31)을 제조하는 물질의 고유한 것은 아니다. 비-탄성 물질일 수 있는 의사탄성(pseudo-elasticity)을 생성하려면, 전극(28)과 리드(31)를 갖는 니트릴 장갑의 형태로 된 지지부(10)를 도시하는 도 5에 도시한 바와 같이 톱니 또는 사인파 패턴으로 리드(31)를 지지면에 부착할 수도 있다.

엘라스토머 양말 또는 장갑의 한가지 장점은, 일정한 압력을 생성하는 방식으로 사람의 발이나 손에 맞춰질 수 있다는 점이다. 이는 전극접촉을 일정하게 하며, 매우 바람직한 것이다. 일 측면에서, 양말 또는 장갑은, 충분히 탄성을 가지며, 이에 따라 사용자의 신체에 부착되는 경우 신체조직에 힘을 가할 수 있고 신체이동으로부터 발생하는 힘에 순응적으로 응답할 수 있다.

도 6a와 도 6b를 참조해 보면, 엘라스토머 용품, 지지부(10)의 신체 대향면(16) 상의 전극쌍(12)의 배치를 방해하지 않고, 편안하게 맞춰지는 엘라스토머 용품을 착용하는 것이 더욱 어려울 수도 있다. 일 측면에서, 전극들이 위치하고 있는 용품의 착용시 겪을 수 있는 어려움을, 돔 부재 하우징 전극(28)을 사용함으로써 피할 수도 있다. 돔 부재(20)는, 손가락이나 발가락의 끝 등의 원하는 위치에서 장갑 또는 양말의 신체 대향면에 부착된다.

단일 돔 부재(20)가 초기 상태와 가압 상태로 각각 도시되어 있다. 돔 부재(20)의 평면도(도시하지 않음)는 원형 블리스터와 유사하다. 바람직하게, 돔 부재(20)는, 상부(22), 및 선택사항인 오목부(26)에 의해 상부(22)에 연결된 측면(24)을 특징으로 한다. 오목부(26)의 목적은 돔 부재(20)에 응력 집중을 생성하는 것이다. 힘이 (사용자의 피부(34)를 향하는) 방향(35)으로 상부에 가해지면, 응력 집중이 존재함으로써, 돔 부재가 도 6b에 도시한 바와 같이 가압 위치에서 유지되는 것을 보장한다. 또한, 상부가 균일하게 가압되며 측면(24)이 지지 가능한 직립 위치에서 유지되는 것을 보장한다. 돔 부재(20)는, 변형 전의 형상으로 즉각적으로 복귀하지 않고서 새로운 형상으로 변형될 수 있는 플라스틱 물질로 제조될 수도 있다.

돔 부재(20)의 상부(22) 아래에는, 양극(28) 또는 음극(30)일 수 있는 단일 전극이 존재한다. 전극(28/30)은 상부(22)에 접착식으로 부착되거나 상부에 매립된다. 전극에 대응하는 리드는, 도시하지 않은 작은 천공을 통해 돔의 상부에서 접속될 수도 있다. 돔 부재(20)가 가압되면, 전극(28/30)은 피부 레벨에 있게 되어 피부(34)와 접촉하게 된다.

일 측면에서, 탄성적 도전성 겔 또는 페이스트 등의 커플링 매체를 전극에 부착하여 피부의 도전성을 향상시킬 수 있고 및/또는 임피던스를 낮출 수도 있다. 바람직하게, 전해성 겔 또는 페이스트(32)는, 전극(28/30)의 신체 대향면을 코팅하며, 이에 따라 돔 부재(20)가 가압되면, 겔 또는 페이스트(32)가 피부(34)와 전극(28/30) 간의 접촉을 향상시킨다. 이러한 겔 또는 페이스트(32)의 코팅 두께는, 돔 부재(20)를 가압하기 전 약 0.5mm 내지 약 1.5mm일 수도 있다. 도 6b는 전극(28/30)과 피부(34) 간의 겔 또는 페이스트(32)를 도시한다. 두께(27)는 Omm 내지 대략 돔 부재(20)의 가압 전의 두께로 가변될 수도 있다. 도전성 페이스트의 예로는, 콜로라도주 오로라 소재 Weaver and Company의 TEN20 도전성 페이스트 및 캘리포니아주 풋힐랜치 소재 Nihon Kohden의 ELEFIX 도전성 페이스트가 있다. 도전성 겔의 예로는, 뉴저지주 페어필드 소재 Parker Laboratories, Inc.의 SPECTRA 360 전극 젤, 또는 오하이오주 이튼 소재 Electro-Cap International, Inc.의 전극-겔이 있다.

대안적으로 및/또는 추가적으로, 피부와 전극들(28/30)의 접촉 전에, 피부의 도전성을 향상시키도록 및/또는 피부의 임피던스를 낮추도록 하나 이상의 피부 수분 보급제, 보습제 등을 피부에 도포할 수도 있다.

다른 일 측면에서, 양말, 장갑, 또는 안창은 직물로 제조될 수도 있다. 직물구조는, 절연리드들을, 이러한 용품들을 이루는 패브릭으로 바로 직조하는 기회를 제공한다. 리드들(31)은 엘라스토머가 아니기 때문에, 양말 또는 장갑의 부속물이 이동할 때 또는 안창이 구부러지는 경우, 그 결과로 발생하는 인장력 또는 압축력에 의해 리드가 기계적으로 고장하지 않도록 제직이 선택된다. 따라서, 편직물을 제조하는 데 사용되는 스레드들이 엘라스토머가 아니더라도 많은 편직 패턴들이 신장될 수도 있으므로, 편직물이 평직물(flat-weave fabric) 보다 바람직할 수도 있다. 그러나, 도전성 물질의 평직물(또는 편직물)에서는, 인장력이나 압축력을 수용할 수 있는 패턴으로 리드들이 꿰매지거나 접착될 수도 있으며, 도 5를 참조한다.

양말, 장갑, 또는 안창을 제조하는 데 사용되는 패브릭의 대부분을 이루는 스레드 또는 실은, 나일론, 아크릴, 털(wool), 무명, 레이온 등의 하나 이상의 비-도전성 물질로 된 것일 수도 있다. 이러한 스레드나 실은, 통상적으로, 직경이 약 0.25mm 내지 2mm인 둥근 단면을 갖는다. 이러한 직경은 리드(31)의 직경과는 상당히 다를 수도 있다.

다른 대안으로, 지지부는 도 4a에 도시한 바와 같은 간단한 하니스 시스템(70)이다. 하니스 시스템(70)은 리드(31)에 의해 연결된 적어도 한 쌍의 유연한 U-자형 칼라(collar; 72, 72')를 갖는다. 칼라(72)는 내측 신체 대향면(74)을 가지며, 도 4a를 참조한다. 외측 칼라(72)에는, 접착제 등에 의해 전극쌍(이격된 전극(28, 30))이 부착된다. 리드들(33)은 전극들(28, 30)에 부착되고, 다시 전극들은 메인 리드(31)에 접속된다. 도 4c를 참조해 보면, 메인 리드(31)는 내측 칼라(72')에만 기계적으로 접속된 후, 제어기와 전원(도시하지 않음)을 포함하는 자극 시스템(80)에 전기적으로 접속된다. 바람직하게, 자극 시스템(80)은, 손가락이나 발가락 근처의 신체에, 예를 들어, 각각 허리나 발에 위치할 수 있도록, 밴드(82)에 부착될 수도 있다.

각 칼라는 압축력에 의해 손가락(또는 발가락)과 맞물리며, 이때 피부 보호 접착제(skin-safe adhesive)가 신체 대향면에 도포되거나, 양측에 도포된다. 대체적으로, 칼라들의 한 개 내지 다섯 개의 쌍이 존재할 수 있으며, 각 쌍은 자극될 손가락이나 발가락에 대한 것이다. 일례로, 도 4b(i 내지 iii) 에 도시한 바와 같이, 외측칼라(72)는, 전극들(28, 30)이 손가락(또는 발가락)의 중간면 및 측면과 접촉하도록 손가락(또는 발가락)의 말단뼈(distal phalanx)에 위치한다. 따라서, 전극들(28, 30)은, 손가락/발가락의 중간면과 측면에서 손가락/발가락의 말단 뼈와 접촉하도록 양말 또는 장갑 상에 위치한다.

도 3을 참조해 보면, 본 발명의 안창 실시예에서, 전극들(28, 30)의 적어도 한 쌍이 이격된 상태로 안창(60) 상에 위치하고 있다. 패턴을 형성하도록 전극들(28, 30)은 모두 발의 민감한 피부영역과 접촉하여 사용자가 균형상태를 유지할 수 있게 한다. 바람직하게, 자극 시스템(80)은 사용시 사용자의 장심과 접촉하는 위치에 있다.

전원

본 발명의 제어 및 파워 시스템(100)은 도 9에 도시되어 있다. 전원(101)은 전극(28)에 전압을 공급하는 데 사용된다. 바람직하게, 전원은, 배터리(102)에 의해 전력을 공급받는 배터리이며, 신체 상에 착용가능하며, 경량이며, 심지어 방수(즉, 10m)될 수도 있고 충격(즉, 10G)에 견딜 수도 있다. 전원은 수분에 의해 활성화될 수 있는 유연한(flexible) 배터리일 수 있다. 배터리(102)는 일차 셀들 또는 이차 셀들에 의해 전력을 공급받을 수도 있다. 예시적인 한가지 전원은, 제어기(106)로서 도시된 제어회로를 구동하도록 3.3VDC 조정기와 5VDC 조정기(104)를 갖는 두 개의 3VDC 배터리를 사용한다. 배터리들(102)은, 또한, 0 내지 50V 구동전원(108)에 전력을 공급할 수도 있다.

바람직하게, 전원(101)의 특징은, (1) 단락 회로 보호, (2) 천이 조건 하에서의 안정적인 전압 조정, 및 (3) 전류 제한이라는 점이다. 다른 바람직한 전원 특징으로는, (1) 회로를 제어하기 위한 전력을 최소화하고 전극 구동회로에 대한 전력을 끄는 슬립(sleep) 모드, (2) 저 배터리의 스마트 표시, 및 (3) 보다 긴 배터리 수명을 위한 고효율 동작을 포함할 수도 있다.

본 명세서에서 사용되는 배터리 셀들의 정확한 유형은 중요하지 않다. 일회용 또는 재충전 가능한 소형 카메라/시계형 배터리를 채택할 수도 있다. 다른 측면에서는, 얇은 인쇄형 배터리를 사용할 수도 있다. 인쇄형 배터리의 예는, 본 발명에 부합되는 정도까지 본 명세서에 참고문헌으로서 원용되는, Bailey 등에 의한 미국 특허공개번호 제2012/0107666호, Pennaz 등에 의한 미국 특허공개번호 제2012/0171547호, Tucholski 등에 발행된 미국 특허번호 제8,268,475호, 및 Bailey 등에 발행된 미국 특허번호 제8,119,278호 등의, 특허문헌 및 공개문헌에서 찾을 수 있다.

제어기

본 발명의 자극 시스템은, 전술한 전원(101)으로부터 출력되는 전력을 조정하기 위한 제어기(106)를 포함한다. 제어기(106)는 전기적 자극을 전극들(28, 30)에 전달한다. 바람직하게, 제어기(106)는 전극들(28, 30) 양단의 전압을 조정한다. 다른 일 측면에서, 제어기(106)는 전류가 일정하도록 전류를 제어한다.

자극 파형은 이상 또는 단상 구현파 펄스 또는 사인파 형상일 수 있다. 전기적 자극은 자극 구동/감지회로(112)를 통해 단극 또는 쌍극 자극 방식으로 전달될 수도 있다. 자극 파라미터들은, 아래의 것들을 포함한다:

전류: 0.1mA 내지 약 5mA

전압: 약 0.1V 내지 약 50V.

주파수: 약 150Hz 내지 약 350Hz에서 유지되지만 가장 바람직하게는 250Hz에서 유지되는 단일 주파수.

펄스 지속시간: 50μs 내지 약 250μs.

바람직한 제어기(106)는, 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 갖는데, (1) 서로 다른 자극 패러다임에서 하나보다 많은 전극쌍을 제어할 수 있도록 다중 채널화된다는 점, (2) 5mA를 초과하는 전류의 인가를 방지하도록 전류를 제한한다는 점, (3) 일정한 진폭을 전달하도록 전극 임피던스를 감지할 수 있다는 점, 및 (4) 짧은 검증 프로토콜 대 긴 캘리브레이션 프로토콜(후술함)이 가능하도록 이전 자극 세션으로부터의 설정의 메모리를 갖는다는 점이다.

제어기(106)는, 일반적으로, 제어회로(110) 및 자극 구동/감지회로(112)를 포함한다. 자극 시스템(80)은, 아리조나주 챈들러 소재 Microchip Technology Inc.에 의해 시판되고 있는 MICROCHIP®dsPIC30F6010A를 일례로 들 수 있는 매립된 마이크로제어기, 및 피드백 신호와 제어신호를 위한, 증폭기, 감쇠기, 스위치, 필터 등의 신호조절회로를 포함한다. 내부에 포함되어 있는 통상적인 펌웨어를 사용함으로써, 마이크로제어기는, 필요로 하는 파형과 제어신호를 생성할 수 있고, 피드백 신호를 처리할 수 있고, 연산가능 프로토콜과 세션 파라미터를 내부적으로 또는 외부 메모리에 저장할 수 있고, 임의의 사용자 입력을 처리할 수 있다.

자극 구동/감지회로(112)는, 저전력 제어신호를 프로브에 인가되는 고전력 자극신호로 변환한다. 자극 구동/감지회로(112)는 증폭기, 감쇠기, 아이솔레이터(isolator), 및 센서로 이루어질 수도 있다. 역으로, 자극 구동/감지회로(112)는, 전극 임피던스에 기초하여 인가되는 전압을 안정화하도록 피드백 신호를 제어회로(110)에 다시 제공할 수도 있다.

사용 방법

용품(즉, 양말, 장갑, 또는 안창)은, 건조 상태에서 사용되며, 전기적 입력을 전극들(28, 30)로부터 피부로 전달하도록 땀이나 전해성 페이스트/겔 만을 필요로 한다. 편안함과 가능한 대로 위생을 이유로 용품을 젖게 하는 것은 바람직하지 못하다.

각각의 사용 전에 전극쌍의 캘리브레이션이 필요하다. 전극쌍을 캘리브레이션하기 위해, 사용자는 제어기(106)를 기동한다. (약 3초에 걸친 단차마다) 진폭이 증가하는 전기적 펄스를 전극(28)으로 전달한다. 사용자는 펄스를 감각 임계값의 60%인 진폭으로 조절한다. 즉, 자극 진폭은, 피험자가 자극을 느낄 수 있을 때까지 느리게 증가된다(즉, 상한 방법(method of ascending limits)). 피험자가 검출할 수 있는 최저 진폭을 감각 임계값이라고 고려한다. 감지 자극 진폭은 기록된 감각 임계값의 60%이다.

전극쌍들의 캘리브레이션을 체크하기 위해서는 검증 프로토콜이 필요하다. 감각 임계값에서의 펄스를 제1 전극쌍에 전달한다. 사용자가 3초 내에 그 펄스를 감지할 수 있다면, 부-임계 펄스(sub-threshold pulse)를 인가한다. 3초 후에 후속하여 사용자가 감지하지 못했다면, 그 전극쌍에 대한 검증이 완료된 것이다. 이 방법을 나머지 전극쌍들의 각각에 대하여 반복한다. 자극이 감지되었다면, 전극쌍을 다시 캘리브레이션한다.

검증 프로토콜이 완료된 후, 실제 자극 프로토콜을 시작할 수 있다. 전기적 자극을 쌍극 방식으로 인가한다. 양극(28)은, 지지부가 장갑, 양말, 또는 안창인지 여부에 따라 각각 손가락, 발가락, 또는 발안창의 어느 면에도 위치할 수도 있다. 음극(30)은 양극으로부터 이격되어 있다.

실험

실험에서는 19명의 건강한 연구 참가자들(연령 50대 내지 70대; 평균 60대)을 이용하였다.

각 참가자는, 감각인지에 필요한 최소 기계적 자극강도("감각 임계값")를 결정하는 절차를 거쳤다. 이 절차에서는, 알려져 있는 감각 부임계 전기적 자극(즉, 250Hz 단일 주파수 또는 소음)의 동시전달을 이용하여 그리고 이용하지 않고 진동 기계적 자극을 각 피험자에 전달하였다. 자극을 가하는 단단한 패드면 전극(15mm x 20mm; Rhythmlink; Columbia SC)들을 말단 뼈의 중간면과 측면에서 각 피험자의 중지에 배치하였다(도 4b). 때로는, 검사자가 작은 손가락에 더욱 맞도록 전극들을 절단하였다. 제어기(모델 DS5; 영국의 Digitimer Ltd.에 의해 시판됨)를 이용하여 정전류 전기적 자극을 쌍극 방식으로 전달하였다. 자극의 두 가지 유형을 각 피험자에 전달하였는데, 즉, (1) 1kHz의 대역폭을 갖는 세미 가우스 소음(확률공명), 및 (2) 4ms 펄스 간 간격으로 250Hz와 100μs의 펄스 지속시간을 갖는 단상 구형파 펄스이다. 모든 자극을 전기적 감각 임계값의 60%에서 전달하였다.

실험 동안, 참가자들은 관련 없는 진동 및 소음을 더 큰 실험실 환경으로부터 감쇠시키도록 설계된 분리 부스(isolation booth) 내에 앉아 있었다. 또한, 참가자들은, 부스 내에서 발생하는 음을 제거하도록 헤드폰을 착용하였다.

각 참가자는 자신의 오른팔을 테이블에 두고, 손바닥이 바닥을 향하도록 팔뚝을 앞으로 뻗었는데, 도 8을 참조하기 바란다. 참가자의 손가락 끝을 0.6cm² 원통형 접촉기(90) 상에 위치시켰는데, 도 7을 참조하기 바란다. 체온까지 가열된 접촉기(90)를, 단단한 지지부에 고정된 진동기(Ling Shaker, Bruel and Kjar VTS, Limited, Naerum, DK) 상에 장착하였다. 변환기에 의해 기계적 자극을 인가하였다.

양자택일 강제형 선택추적 방법(Two-Alternative Forced Choice tracking method)을 이용하여 감각인지에 필요한 최소 기계적 자극을 결정하였다. 이 방법에서는, 참가자들이 자극의 두 개의 서로 다른 간격 중에 선택을 행해야 한다. 1초인 비-자극 주기로 분리되는 두 개의 1초 자극 간격이 제시되었다. 두 개의 자극 간격 중 하나 내에 기계적 신호(250Hz 사인 진동; 300ms 지속시간)를 무작위로 인가하였다. 참가자는 어떤 자극 간격이 기계적 자극을 포함하였는지를 가리켰다. 사인파 진동의 진폭을, 각각의 부정확한 응답 후에 1dB 만큼(ref. 1 μm) 증가시켰고, (부정확한 응답을 무시하는) 모든 세 번째 정확한 응답 후에 1dB 만큼 감소시켰다. 부정확한 응답이 이어지는 세 개의 정확한 응답을 나타내는, 자극 강도의 범위를 세 번 반복할 때까지 임계값 추적을 계속하였다. 이 기술은 정확한 응답확률이 75%인 강도를 결정하였다. 부-임계 전기적 자극(즉, 250Hz 단상 구형파 펄스 또는 소음)의 동시전달을 이용하여 그리고 이용하지 않고서 각 피험자에게 진동 기계적 자극을 전달하였다.

모든 비교에 대하여, 혼합된 모델 통계분석을 이용하였다. 결과는, p<0.05에서 의미있는 것으로 고려되었다. 결과는, 손가락 끝의 양면에 양방향으로 인가되는 경피적 전기적 자극(250Hz 단상파형)이 주변 피부의 촉각 감도를 약 9%만큼(중간 임계값: 0.88μm) 비-자극 조건(중간 임계값: 0.97μm)에 비해 증가시킬 수 있음을 나타내었다. 전기적 소음도 촉각 감도(중간 임계값: 0.82μm)를 증가시켰다. 그러나, 자극 유형들(즉, 250Hz 대 소음) 간에는 차이가 없었다. 따라서, 본 발명의 한가지 장점은 자극이 훨씬 작은 장치를 통해 전달될 수 있다는 점이다.

본 발명을 본 발명의 특정한 실시예들에 관하여 상세히 설명하였지만, 통상의 기술자라면, 전술한 바를 이해함으로써, 이러한 실시예들의 수정, 변형, 및 등가물을 쉽게 구상할 수 있다고 이해할 것이다. 이에 따라, 본 개시 내용의 범위는 청구범위 및 그 균등물의 범위로서 평가되어야 한다.

Claims (20)

1. 음극 및 양극을 포함하는 전극쌍이 부착된 지지부;
   양극과 음극의 각각에 부착되고, 절연 코팅을 갖는 단일 리드들; 및
   150Hz 내지 350Hz의 단일 주파수, 및 0.1mA 내지 5mA의 전류에서 단상 또는 이상 전기적 자극을 전달하도록 상기 단일 리드들에 부착된 제어기; 및
   상기 제어기에 접속된 전원을 포함하며,
   상기 전원은 상기 지지부에 접속되고, 상기 전원은 수분에 의해 활성화될 수 있는 유연한(flexible) 배터리인, 전기적 자극을 감각 수용체에 경피적으로 인가하기 위한 용품.
2. 제1항에 있어서, 상기 지지부는 양말, 장갑, 또는 안창인, 용품.
3. 제2항에 있어서, 상기 양말, 장갑, 또는 안창은 성형된 물질로 구성된 것인, 용품.
4. 제2항에 있어서, 상기 양말, 장갑, 또는 안창은 부직포 물질로 구성된 것인, 용품.
5. 제1항에 있어서, 상기 지지부는 하니스(harness)를 포함하는, 용품.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 전극들은 탄소 및 고분자 혼화물의 균질 층을 포함하되, 상기 층은 100μm 미만의 두께를 갖는, 용품.
9. 제1항에 있어서, 상기 양극 및 음극, 및 각 리드는 도전성 섬유 또는 스트립을 포함하는, 용품.
10. 제1항에 있어서, 상기 양극 및 음극이 구성된 물질들은 상기 단일 리드들이 구성된 물질과 상이한 조성을 가지는, 용품.
11. 제1항에 있어서, 상기 양극 및 음극의 각각의 신체 대향면에 위치한 전해성 접착제를 더 포함하는, 용품.
12. 제11항에 있어서, 상기 양극 또는 음극이 부착되는 오목면을 갖는 돔(dome) 부재를 더 포함하고, 여기서 상기 전해성 접착제는 상기 대응하는 양극 또는 음극의 신체 대향면을 커버하도록 상기 오목면에 도포된, 용품.
13. 제1항에 있어서, 상기 제어기에 전기적으로 접속된 제2 전극쌍을 더 포함하는, 용품.
14. 제13항에 있어서, 상기 제어기는 다중 채널화되어 있어서, 상기 전극쌍들이 독립적으로 제어가능한, 용품.
15. 인간의 온전한(intact) 피부를 음극으로부터 이격되어 있는 양극을 포함하는 전극쌍과 접촉시키는 단계, 및
    150Hz 내지 350Hz의 단일 주파수에서 단상 또는 이상 전류를 상기 양극에 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 양극은 접힐 수 있는 돔의 오목면 상에 배치되고, 상기 돔은 상기 양극이 상기 온전한 피부를 접촉하도록 접히는, 신체의 감각 수용체를 경피적으로 자극하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 전류는 5mA 미만인, 방법.
17. 제15항에 있어서, 전해성 겔 또는 페이스트는 상기 피부와 상기 양극, 및 상기 피부와 상기 음극 사이에 배치되는, 방법.
18. 제15항에 있어서, 상기 전류는 100μ초의 지속시간을 갖는 구형파로 전달되는, 방법.
19. 삭제
20. 제15항에 있어서, 상기 전극쌍에 걸쳐서 일정한 전압이 있는, 방법.

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