KR101648463B1 - 생체 이식 장치 - Google Patents

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Abstract

배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 생체 이식 장치는 신체의 일부에 연결되어 방광의 상태에 대응하는 생체 신호를 측정하는 생체 신호 측정부; 무선 통신을 통해 외부로부터 소정의 자극을 위한 자극 정보를 수신하거나 상기 외부에 상기 생체 신호에 대응하는 송신 신호를 송신하는 무선 송수신부; 외부에 상기 생체 신호에 대응하는 송신 신호를 송신하는 무선 송수신부; 상기 무선 송수신부를 통해 수신된 자극 정보에 의거하여 상기 방광에 소정의 자극을 주기 위한 자극 신호를 생성한 후 상기 생성된 자극 신호를 상기 자극부에 인가하며, 상기 생체 신호에 대응하는 상기 송신 신호를 상기 무선 송수신부에 제공하는 마이컴; 및 상기 자극 신호에 따라 상기 방광에 자극을 주는 자극부를 포함할 수 있다.

Description

생체 이식 장치{Bionic Implant Device}
본 발명은 방광의 상태에 검출하여 방광에 전기 자극을 줄 수 있는 생체 이식 장치에 관한 것이다.
의학 분야에서는 신체 일부에 전극(electrode)을 삽입하여 신체 일부를 자극하거나 신체 일부에 대한 생체 신호를 측정하는 일이 빈번하게 발생한다. 여기서, 전극은 전기적 신호를 신체 내부, 예컨대 전달하여 전기적인 자극을 일으키는 자극용 전극, 신경 신호 활동(neural activity)의 측정에 주로 이용되며 뇌에서 발생한 전기적 신호를 받아들여 외부로 전달하는 측정용 전극으로 크게 분류된다.
이러한 전극을 이용한 치료 방법이 최근 활발하게 개발되고 있다. 특히, 전극을 이용한 치료 방법이 신경 관련 질환자들에 대한 치료 방법에 적용되고 있다.
대한민국 공개특허 제2007-0105097호(2007.10.30.)
본 발명의 실시예는 신체의 방광에 삽입되어 방광의 상태와 관련된 생체 신호를 측정하고, 측정된 생체 신호에 근거하여 무선으로 수신되는 자극 신호를 방광에 인가할 수 있는 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 신체의 일부에 연결되어 방광의 상태에 대응하는 생체 신호를 측정하는 생체 신호 측정부; 무선 통신을 통해 외부로부터 소정의 자극을 위한 자극 정보를 수신하거나 상기 외부에 상기 생체 신호에 대응하는 송신 신호를 송신하는 무선 송수신부; 외부에 상기 생체 신호에 대응하는 송신 신호를 송신하는 무선 송수신부; 상기 무선 송수신부를 통해 수신된 자극 정보에 의거하여 상기 방광에 소정의 자극을 주기 위한 자극 신호를 생성한 후 상기 생성된 자극 신호를 상기 자극부에 인가하며, 상기 생체 신호에 대응하는 상기 송신 신호를 상기 무선 송수신부에 제공하는 마이컴; 및 상기 자극 신호에 따라 상기 방광에 자극을 주는 자극부를 포함하는 생체 이식 장치가 제공된다.
상기 생체 이식 장치에서 상기 생체 신호 측정부는 상기 방광의 근육에 연결되어 상기 방광의 근육 상태에 대응하는 상기 생체 신호를 측정할 수 있다.
상기 생체 이식 장치에서 상기 생체 신호 측정부는 척추 신경에 연결되어 척추 신경 신호를 측정하여 상기 송신 신호를 생성할 수 있다.
상기 생체 이식 장치에서 상기 마이컴은 상기 척추 신경 신호에서 상기 방광에 관련된 신호를 분리하여 상기 송신 신호를 생성할 수 있다.
상기 생체 이식 장치에서 상기 자극 정보는 자극 신호 생성과 관련된 주기, 크기 및 진폭 중 적어도 하나 이상이며, 상기 자극 신호는 자극의 DC 레벨이 조정된 신호와 자극 펄스 신호일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방광 상태에 따른 생체 신호를 무선으로 전송한 후 자극 신호 생성에 필요한 자극 정보를 무선으로 제공받아 방광에 자극을 줄 수 있는 생체 이식 장치를 제공함으로써, 배뇨 장애에 대한 신경 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 배뇨 장애를 해결할 수 있기 때문에 약제비, 교통비, 간접비 등 요실금으로 인한 사회적 비용이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 조절을 위한 바이오닉 시스템을 도시한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치의 세부 구성을 도시한 블록도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체 이식 장치에서 증폭부의 구성을 도시한 회로도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 이식 장치에서 자극부의 세부 구성을 도시한 회로도.
이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 용어에 대해 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 실시예에서 설명되는 생체 이식 장치는 신경 신호를 기초로 하여 배뇨 장애를 해결하거나 방광 근육의 상태를 기반으로 배뇨 장애를 해결하기 위한 것이다. 여기에서, 배뇨 장애는 정상적 배뇨형태를 벗어난 일체 배뇨행위로, 야간뇨, 빈뇨, 잔뇨, 절박뇨, 요실금 등을 의미할 수 있다. 구체적으로, 1급성 척추 절단증으로 척추 쇼크에 빠졌을 때는 병변 하부에 이완성 마비와 함께 배뇨반사도 소실하며, 요잔류가 심해지고 범람성 요실금이 나타난다.
배뇨장애의 원인으로는 크게 저장 기능의 장애, 배출 기능의 장애 등을 들 수 있다.
먼저, 저장기능의 장애는 척수 손상, 뇌졸증, 뇌종양 등으로 양측 대뇌전엽의 손상 또는 상부 척수의 수막종, 다발성 경화증 등 질환으로 배뇨반사 억제충동이 천골배뇨중추에 전달되지 못하면, 2세 이하의 소아에서와 같이 반사적으로 방광이 수축하여 무의식적으로 배뇨를 하는 요실금, 빈뇨, 요의절박의 증상이 나타나게 된다.
저장기능의 장애로 척수 손상, 뇌졸증과 같은 신경장애, 방광 만성 염증, 방광의 수축성 경련, 방광의 용적감소 등이 있다.
배출기능의 장애는 당뇨나 척수 손상 등의 신경장애로서, 전립선비대증, 요도손상으로 노화와 높은 연관성이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 장애를 해결하기 위한 생체 이식 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 조절을 위한 바이오닉 시스템(100)을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 바이오닉 시스템(100)은 자극 정보 제공 장치(110) 및 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치(200)를 포함할 수 있다.
자극 정보 제공 장치(110)는 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치(200)와 무선으로 연결되어 방광의 상태에 대응하는 검출 신호를 수신하며, 수신된 검출 신호를 기반으로 방광 자극에 필요한 자극 정보를 무선으로 생체 이식 장치(200)에 전송할 수 있다. 소정의 실시예에서, 자극 정보 제공 장치(110)의 예로는 유선 또는 무선 통신망에 연결되는 서버, 컴퓨터 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 자극 정보 제공 장치(110)에서 송신되는 방광 자극에 필요한 자극 정보는 자극 크기(amplitude), 자극 주기, 지연 등을 들 수 있다.
생체 이식 장치(Bionic Implant Device)(200)는 신체 내부에 이식되는 것으로서, 방광의 상태에 대응하는 신호를 검출하여 무선으로 자극 정보 제공 장치(110)에 전송하며, 자극 정보 제공 장치(110)로부터 수신한 자극 정보를 기반으로 자극 신호를 생성하여 방광에 인가할 수 있다. 구체적으로, 방광 찬 신호에 대응하는 검출 신호가 자극 정보 제공 장치(110)에 전송되면, 자극 정보 제공 장치(110)에서 이를 감지하여 이에 대응하는 자극 정보를 생체 이식 장치(200)에 전송한다. 이에 따라, 생체 이식 장치(200)는 자극 정보를 기반으로 배뇨를 위한 자극 신호를 발생시켜 방광에 인가할 수 있다.
이러한 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치(200)의 세부 구성에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치(200)의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배뇨 조절을 위한 생체 이식 장치(200)는 생체 신호 측정부(210), 증폭부(212), 전원부(214), 무선 송수신부(216), 마이컴(218) 및 자극부(220)를 포함할 수 있다.
생체 신호 측정부(210) 및 자극부(220)는 전극(needle) 타입의 센서 어레이로 구성될 수 있다.
생체 신호 측정부(210)는 척수 후각 표면에 연결되어 방광 팽창에 반응하는 다수의 신경 신호, 예컨대 32개의 신경 신호를 감지할 수 있다. 이렇게 감지된 32개의 신경 신호는 증폭부(212)에 의해 증폭되어 마이컴(218)에 제공될 수 있다.
또한, 생체 신호 측정부(210)는 방광 근육에 연결되며, 방광 근육에 대한 상태에 대응하는 신호를 감지할 수 있다. 감지된 신호는 증폭부(212)에 의해 증폭되어 마이컴(218)에 제공될 수 있다.
증폭부(212)는, 도 3에 도시된 바와 같이, OP-AMP를 이용한 저잡음 증폭기와 필터로 구성될 수 있다. 이러한 증폭부(212)는 생체 신호 측정부(210)에 의해 측정된 신호, 예컨대 신경 신호 또는 방광 근육에서 감지된 신호를 증폭한 후 필터를 이용하여 증폭된 신호에서 잡음을 제거하며, 잡음이 제거된 신호를 마이컴(218)에 제공할 수 있다.
마이컴(218)은 증폭부(212)로부터 출력되는 신호를 무선 통신에 적합한 형태로 변조한 후 이를 무선 송수신부(216)를 통해 자극 정보 제공 장치(110)로 송신할 수 있다.
또한, 마이컴(218)은 자극 정보 제공 장치(110)로부터 수신되는 자극 정보, 예컨대 자극 신호 생성에 필요한 자극 정보를 기반으로 자극의 DC 레벨을 조정하기 위한 신호와 자극 펄스 신호를 생성하여 자극부(220)에 인가할 수 있다. 여기에서, 자극의 DC 레벨을 조정하기 위한 신호는 자극 정보 제공 장치(110)로부터 수신되는 자극 정보 중 자극의 크기를 기반으로 생성되며, 자극 펄스 신호는 자극의 주기와 지연에 의거하여 생성될 수 있다.
한편, 방광에 상태, 예컨대 팽창에 관련된 척수 신경 세포는 방광의 상태뿐만 아니라 피부 자극에도 반응하기 때문에 마이컴(218)은 다수의 신경 신호에서 방광 상태에 관련된 신호만을 분리할 수 있다. 구체적으로, 마이컴(218)은 신경 세포 집단간의 기능성 연결 패턴을 통해 방광 팽창과 피부 자극에 대응하는 신호를 분리하기 위한 신호 분리 알고리즘을 통해 증폭부(212)로부터 제공받은 신호에서 피부 자극에 대응하는 신호를 추출하여 제거할 수 있다. 신호 분리 알고리즘의 예로는 Support Vector Machine 기계학습 알고리즘을 들 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 마이컴(218)은 다중 신경 신호를 처리한 후 이를 무선 통신에 적합한 형태로 변환하여 무선 송수신부(216)를 통해 자극 정보 제공 장치(110)에 전송할 수 있다. 구체적으로, 마이컴(218)은 다중 신경 신호에서 활동 전위 및 특징 파형을 검출하고, 특징 추출을 수행한 후 추출된 특징에 대한 차원을 감소시킨 후 차원이 감소된 특징의 패턴을 분류하여 압축할 수 있다. 이렇게 압축된 데이터는 무선 통신에 적합한 형태로 변환되어 무선 송수신부(216)를 통해 자극 정보 제공 장치(110)에 전송할 수 있다.
무선 송수신부(216)는 자극 정보 제공 장치(110)와의 무선 통신을 위한 인터페이스를 제공할 수 있다. 소정의 실시예에서, 무선 송수신부(216)는 지그비, 블루투스, IR 통신, RF 등과 같은 근거리 무선 통신을 이용하여 자극 정보 제공 장치(110)에 신호, 즉 마이컴(218)으로부터 출력되는 신호를 전송할 수 있다.
또한, 무선 송수신부(216)는 자극 정보 제공 장치(110)로부터 자극 신호 생성에 필요한 자극 정보를 수신하며, 수신된 자극 정보를 마이컴(218)에 제공할 수 있다.
전원부(214)는 생체 이식 장치(200)에 전반적인 전원을 공급하기 위한 것으로서, 특히 자극부(220)에 기준 전압을 제공하는 회로와 전원을 공급하는 전원 공급 회로로 구성될 수 있다.
자극부(220)는 방광의 일부분, 예컨대 방광의 근육에 연결되어, 마이컴(218)으로부터 인가되는 DC 레벨 조정 신호와 자극 펄스 신호에 의거하여 DC 레벨이 조정된 자극 신호와 자극 펄스 신호를 방광의 근육에 인가할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 생체 이식 장치(200)는 전하 균형 자극 파형의 형태, 예컨대 자극 크기, 자극 유지 시간, 자극률 등을 다양하게 조절할 수 있고, 저전력, 소형화를 위하여 전압형 프로토 타입일 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성을 갖는 생체 이식 장치(200)는 보드 형태의 생체 이식 장치로서, 소형화를 위해 LCC 68 pin 형태로 구현되며, 보드의 하단면과 상단면에 회로가 배치될 수 있다.
상기의 생체 이식 장치(200)에서 자극부(220)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1, 2, 3 증폭기(222, 224, 226)와 다수의 수동 소자, 예컨대 저항(230, 232)으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 자극부(220)는 자극의 DC 레벨 조정 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭기(222), 자극 펄스 입력 신호를 증폭하기 위한 제2 증폭기(224) 및 및 제1 증폭기(222) 및 제2 증폭기(224)의 출력을 입력으로 하여 DC 레벨이 조정된 자극 신호를 출력하는 제3 증폭기(226)로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 생체 이식 장치(200)의 마이컴(218)을 이용하여 다중 신경 신호에서 피부 자극에 따른 신호를 분리하거나 다중 신경 신호의 처리를 통해 패턴을 분류하는 것으로 예를 들어 설명하였지만, 자극 정보 제공 장치(110)에서 신호 분류 및 다중 신경 신호 처리 과정을 수행할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 생체 이식 장치(200)는 평판형 PDMS 전극을 이용하여 방광에 자극 신호를 인가할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 바이오닉 시스템
110 : 자극 정보 제공 장치
200 : 생체 이식 장치
210 : 생체 신호 측정부
212 : 증폭부
214 : 전원부
216 : 무선 송수신부
218 : 마이컴
220 : 자극부
222, 224, 226 : 제1, 2, 3 증폭기
230, 232 : 저항

Claims (6)

  1. 신체의 일부에 연결되어 방광의 상태에 대응하는 생체 신호를 측정하는 생체 신호 측정부;
    무선 통신을 통해 외부로부터 소정의 자극을 위한 자극 정보를 수신하거나 상기 외부에 상기 생체 신호에 대응하는 송신 신호를 송신하는 무선 송수신부;
    상기 무선 송수신부를 통해 수신된 자극 정보에 의거하여 상기 방광에 소정의 자극을 주기 위한 자극 신호를 생성하고, 상기 생체 신호에 대응하는 상기 송신 신호를 상기 무선 송수신부에 제공하는 마이컴; 및
    상기 생성된 자극 신호에 따라 상기 방광에 자극을 주는 자극부를 포함하며,
    상기 신체의 일부는 척추 신경을 포함하고, 상기 생체 신호는 척추 신경 신호를 포함하며,
    상기 자극 신호는, DC레벨을 조정하기 위한 신호 및 자극 펄스 신호를 포함하고,
    상기 마이컴은, 자극 정보 중 자극의 크기를 기반으로 상기 DC레벨을 조정하기 위한 신호를 생성하며, 자극의 주기와 지연을 기반으로 상기 자극 펄스 신호를 생성하는, 생체 이식 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생체 신호 측정부는 상기 방광의 근육에 연결되어 상기 방광의 근육 상태에 대응하는 상기 생체 신호를 측정하는, 생체 이식 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴은 상기 척추 신경 신호에서 상기 방광에 관련된 신호를 분리하여 상기 송신 신호를 생성하는, 생체 이식 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자극부는 평판형 PDMS 전극을 이용하여 상기 자극 신호를 상기 방광에 인가하는, 생체 이식 장치.
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