KR101915466B1

KR101915466B1 - 동물척수손상모델 생성장치

Info

Publication number: KR101915466B1
Application number: KR1020160121955A
Authority: KR
Inventors: 김종완; 박일용; 현정근; 김민수; 김형범; 윤경욱
Original assignee: 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2019-01-07
Also published as: KR20180032828A

Abstract

본 발명은, 실험동물의 체외에 고정되는 체외고정부재(10);와 실험동물의 척수에 타격을 가하는 충돌추체(30);와 상기 체외고정부재에 고정되고 상기 충돌추체의 낙하를 가이드하는 충돌추체가이드부재(20);를 포함하고, 상기 충돌추체에는 가속도 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성장치를 제공한다.
본 발명은, 실험동물의 척수에 타격을 가하는 충돌추체와, 상기 충돌추체의 낙하를 가이드하는 충돌추체가이드부재를 동물척수손상모델 생성방법에 있어서, 상기 충돌추체는 가속도 센서를 구비하여 충돌추체의 가속도를 구하되, 충돌추체의 자유낙하 시점에서 충돌순간까지의 가속도를 적분하여 충돌순간의 속도를 구하는 제1단계; 충돌추체의 질량과 척수 충돌 시간 동안의 속도 변화의 곱을 이용하여 충격량(Impulse)를 구하는 제2단계; 및 상기 제2단계에서 구한 충격량과 척수 충돌 시간을 이용하여 충격력(Impulsive force)을 구하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성방법을 제공한다.

Description

동물척수손상모델 생성장치{ANIMAL SPINAL CORD INJURY MODEL GENERATION APPARATUS}

본 발명은 동물의 척수손상모델의 생성을 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충돌추체(충돌추체)를 자유낙하시켜서 척수에 충격을 가하여 척수손상(spinal cord injury, 이하 간단히 'SCI'라고 함)을 유발하는 장치에 관한 것이다.

척수 손상에는 교통사고, 스포츠, 산재 등의 외상성 것과 염증, 출혈, 종양, 척추 변형 등의 비외상성 것이 있지만, 많게는 외상성이다. 척수 손상의 증상으로서는 운동 기능 장애 및 지각장애가 있다. 척수손상은 대부분 사고로 인해 젊은 나이에 많이 발생하고 말초신경의 손상에 비해 신경학적 회복이 쉽지 않아 많은 장애를 남기게 되어 본인과 가족의 경제적, 정신적, 시간적 손실을 초래하는 하나의 재앙이라고 할 수 있다.

이러한 시점에서 동물을 이용해서 척수손상의 치료방법을 개발하는 과정은 임상시험을 시도하기 위한 필수적인 과정이라고 할 수 있으며, 현재 여러 가지 유형의 척수손상모델이 동물실험에 이용되고 있다. 결국 척수손상모델이란 사람에서 발생되는 척수손상의 원인을 밝히고 체계적인 치료방법을 개발하기 위한 필수적인 과정이라고 할 수 있다.

기존의 동물을 이용한 척수손상모델은 손상 방법에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 하나는 척수를 일부 혹은 전부를 절단하는 절단 모델(transection model)이고 다른 하나는 척수에 일정한 무게의 추를 정해진 높이에서 낙하시키는 충격으로 손상을 시키는 좌상 모델(contusion model)이다. 좌상 모델의 경우 임상적으로 사람에서 가장 많이 발생되는 손상기전이기 때문에 척수 손상기전을 규명하기 위한 연구나 손상초기의 평가에 주로 이용되고 있다.

척수손상모델은 손상의 정도에 따라서는 불완전 척수손상과 완전척수손상으로 구분할 수 있다. 임상적으로 발생되는 척수 손상의 가장 많은 유형은 외상으로 인한 척추체의 방출성 골절(burst fracture) 및 추간판 탈출 등으로 인한 폐쇄된 공간에서의 부분적인 좌상(closed partial contusion injury)이며 척수의 절단으로 인한 완전척수손상은 많지 않다. 따라서 많은 척수손상 실험들이 부분적인 좌상 모델을 대상으로 하고 있지만 이러한 손상모델은 손상의 정도가 일정하지 않으며 비교적 척수의 자연적인 회복 능력이 높아 원하는 치료 효과를 뚜렷하게 밝히기가 쉽지 않고 손상 받은 축삭과 신경체의 재생정도가 손상 후 남아있는 신경조직에서의 측부 발아(collateral sprouting)와 명확하게 구분하기 어렵다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위한 방법으로 완전척수 손상모델이 사용될 수 있다.

기존에 SCI로 인해 척수의 신경기능 또는 신경 재생과 관련된 조직의 영구적 손실이 발생될 수도 있고, 이에 연구자들은 이 SCI에 대한 치료법 개발을 위한 연구로 동물실험에서는 도 1에서 도시된 바와 같이 주로 마우스나 랫(rat)등의 설치류(rodents)를 사용해 왔다.

그러나, 설치류 보다는 인간과 더욱 유사한 척수(Spinal cord)를 가진 동물에 대한 모델링(modeling)을 진행하는 것이 필요했고, 2013년 캐나다 British Columbia 대학의 Lee, Kwon 등은 20~25kg 가량의 Female Yucatan miniature pig와 그들이 고안한 척수손상 유발 장치(SC 충돌추체)를 이용하여 SCI modeling을 진행한 바 있다. 여기에 사용된 척수손상 유발 장비는 도 2와 같은 형태이다.

도 1 내지 도 2의 사진 출처는 http://www.bio-protocol.org/e886 및 Lee et al., Journal of Neurotrauma 30:142-159, Feb. 1, 2013 이다.

장비는 크게 두 가지로 구분되며 도 2의 왼쪽 그림에서 1번으로 표시한 것이 안내부재이고, 2번으로 표시한 것이 충돌추체(충돌추체)이다. 안내부재는 충돌추체가 porcine spinal cord에 정확하게 떨어지도록 유도하는 역할을 하는 장비이며 안내부재 레일에 장착된 솔레노이드는 자유낙하(Free-fall)의 트리거(trigger) 역할을 한다. 그리고 레일에 붙어있는 사분면(마커)은 충돌추체에도 붙어있으며 고속도 카메라 비전(high speed video camera vision) 시스템으로 추적하여 속도와 변위(displacement)를 계산하는 데 이용된다. 이 안내부재는 나사(pedicle screws)로 동물의 등, 배 등에 고정한다. 충돌추체는 사분면(마커)과 척수에 닿게 되는 팁(tip), 그리고 그 팁과 연결된 로드 셀 센서(load cell sensor)로 구성되어 있다. 특히, 고속도 카메라는 고가 장비로서 시스템 구성에 가격적 부담 요소로 작용하며, 통상 사용되는 영상 해상도에서 설정되는 낮은 프레임 레이트에 의해 충격에 의한 물리량 측정값의 시간 분해능이 제한된다. 예를 들어 Phantom사의 Miro M320S의 경우, 구성요소에 따라 기기 가격이 45,000에서 60,000불에 이르며, 1280 x 720 해상도에서 최대 3,280 FPS의 프레임 레이트를 가진다.

상기 장치를 이용한 SCI 유발 실험 절차를 간략히 요약하면 다음과 같다. 우선 고속도 카메라를 설치한 뒤 나사로 안내부재를 마취된 동물에게 고정하고, 그 다음 수직으로 전개된 안내부재의 레일에 충돌추체를 장착하고 일정 높이에 고정된 솔레노이드에 충돌추체를 이동시켜 낙하 준비를 한다. 마취된 동물의 상태(bone과 muscle, tissue의 상태)를 확인한 뒤, 솔레노이드에 트리거 신호를 주어 충돌추체를 자유낙하시켜 척수(spinal cord)에 충격을 가하여 acute traumatic spinal cord injury를 유발하게 된다. 그 다음에는 낙하 직후부터 일정 시간(5분) 동안 충돌추체를 그대로 유지시켜 척수에 지속적인 압력을 주어 SCI 유발을 촉진시키기도 한다. 이 실험장비로 얻을 수 있는 충돌 관련 물리량들은 peak force, impact velocity, maximum dural displacement 그리고 peak pressure 이다. Peak force는 충돌추체에 부착된 load cell sensor를 이용해 측정하며, impact velocity와 maximum dural displacement는 상기 기술된 장치에 부착된 marker들을 high speed video camera vision 시스템으로 추적하여 측정한다. peak pressure는 peak force와 tip의 단면적을 이용하여 계산된다. 이때, peak force는 정적 상태가 아닌 충돌 시에 급격하게 변하는 동적 특성을 가지는데, load cell 출력 신호는 노이즈 제거용 저역 통과 필터를 거쳐 대역폭이 제한되므로 peak force 측정에 오차가 발생할 가능성이 있다.

이와 같이 기존의 대동물 SCI 유발 충돌추체 시스템의 문제점을 요약하면 다음과 같다.

1. 이러한 장비의 구현을 위해서는 고가의 고속 비디오 카메라를 필수로 요구되며 임팩터의 모션을 트랙킹하는 복잡한 비전 시스템용 알고리즘 소프트웨어가 필요한 단점이 있다.

2. 더불어 고가의 비전 시스템을 사용함에도 상대적으로 낮은 프레임 레이트를 가지는 고속 카메라로 인해 급격한 변화 특성을 보이는 충돌 속도, 척수 최대 눌림 깊이 등의 물리량 측정값에 오차가 발생할 수 있다.

3. Peak force는 정적 상태가 아닌 충돌 시에 급격하게 변하는 동적 특성을 가지는데, load cell 출력 신호는 노이즈 제거용 저역 통과 필터를 거쳐 대역폭이 제한되므로 peak force 측정에 오차가 발생할 가능성이 있다.

4. Peak force는 spinal cord에 인가된 순간적인 힘이며, 짧지만 일정 시간 동안 충돌로 인해 인가된 힘을 대표적으로 나타내기에 부적절하다.

5. 앞서 기술한 비전 시스템은 카메라의 설치 위치, 방향 등에 따라 충돌 속도, 척수 최대 눌림 깊이 등의 측정값이 변할 수 있으므로, 임팩터 장치와 일정한 거리 및 정확한 위치 배치가 필요합니다.

6. Pedicle screw을 이용한 고정방식은 침습적 방법으로 고정부위의 nerve injury 또는 vascular injury를 유발할 수도 있다.

한편, 척수손상의 실험 모델로서 가장 중요한 부분은 표준화된 손상방법이 있어야 하고 동일한 손상방법을 사용한 개체들은 개체 간에 회복 정도의 차이가 크지 않고 일정하여 치료의 효과를 대조군과 실험군 간에 명확하게 구분할 수 있어야 한다.

본 발명의 목적은 가속도 센서, 로드 셀 센서, LED 및 포토 센서로 이루어진 다중 센서를 이용하여 SCI 유발을 위한 충격을 제어하고 충돌 물리량을 측정하는 방법을 제공하는 것이며, 다중 센서를 바탕으로 SC 충돌과 관련된 파라메터와 센서 그래프를 빠르고 정확하게 측정하고, 가속도 센서를 사용함으로써 마찰로 인한 가속도의 변화를 반영하여 정확한 충돌 속도를 측정할 수 있는 수단을 제공하며, 실험동물의 호흡이나 미세한 움직임으로 인한 충돌추체의 운동에 영향을 배제할 수 있는 동물 척수손상모델의 생성방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 실험동물의 체외에 고정되는 체외고정부재(10);와 실험동물의 척수에 타격을 가하는 충돌추체(30);와 상기 체외고정부재에 고정되고 상기 충돌추체의 낙하를 가이드하는 충돌추체가이드부재(20);를 포함하고, 상기 충돌추체에는 가속도 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성장치를 제공한다.

상기 충돌추체의 하단에는 돌출되어 척수(S)에 직접적인 타격을 가하는 돌출부가 구비되고 상단에는 LED(33)가 구비되는 것이 바람직하다. LED는 자연광 또는 실내 조명 등의 외부 광원으로부터 영향을 줄이기 위해 적외선 LED를 사용하고 그 출력광이 AC 변조 구동될 수도 있다.

상기 충돌추체가이드부재의 하단부 일정 위치에는 광센서(27)가 구비되어 있어서 상기 LED(33) 신호를 감지하도록 한다. 광센서 전면에는 주변 외부 광원의 영향을 줄이기 위해 적외선 LED의 파장 성분만을 통과시키는 광학 대역 통과 필터 (optical band pass filter)가 부착될 수도 있다.

상기 충돌추체의 하단에는 돌출되어 척수(S)에 직접적인 타격을 가하는 돌출부가 구비되고 상단에는 적외선 LED(33)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 충돌추체가이드부재의 하단부 일정 위치에는 포토 디텍터(27)가 구비되어 있어서 상기 적외선 LED(33) 신호를 감지하도록 한다.

상기 충돌추체가이드부재와 상기 체외고정부재 사이에는 상기 충돌추체를 정확한 위치로 낙하시키기 위한 3축 변환수단(21)이 배치되도록 한다.

상기 충돌추체가이드부재의 전면에는, 충돌추체의 수직 낙하를 안내하는 레일이 수직방향으로 배치된다.

상기 충돌추체의 측면에는 솔레노이드 장치(25)가 배치되고, 트리거 신호 수신에 의해 충돌추체의 자유낙하를 개시하도록 한다.

상기 충돌추체 내부에는 로드 셀 센서가 더 구비될 수 있다.

상기 체외고정부재는, 체외의 특정 위치에 고정하는 수직지지대(11)와, 수직지지대에 고정되는 수평지지대(12)와 수직지지대에 수평지지대를 연결하되 수직방향과 수평방향 및 회전이 가능하게 연결하는 연결부재(13)로 이루어진다.

또한, 본 발명은, 실험동물의 척수에 타격을 가하는 충돌추체와, 상기 충돌추체의 낙하를 가이드하는 충돌추체가이드부재를 동물척수손상모델 생성방법에 있어서, 상기 충돌추체는 가속도 센서를 구비하여 충돌추체의 가속도를 구하되, 충돌추체의 자유낙하 시점에서 충돌순간까지의 가속도를 적분하여 충돌순간의 속도를 구하는 제1단계; 충돌추체의 질량과 척수 충돌 시간 동안의 속도 변화량의 곱을 이용하여 충격량(Impulse)를 구하는 제2단계; 및 상기 제2단계에서 구한 충격량과 척수 충돌 시간을 이용하여 충격력(Impulsive force) 구하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성방법을 제공한다.

상기 충돌추체에 LED를 장착하고, 충돌추체가이드부재에는 광센서를 장착하여, 상기 LED와 상기 광센서 간의 거리가 최소가 되는 시점에 이른 시각을 최종시각(t3)으로 선택할 수 있다.

상기 LED와 광센서를 이용하여 그 사이의 간격 거리를 측정하되, 충돌시각(t2)에서의 거리와 최종시각(t3)에서의 거리를 각각 측정한 후, 그 차이를 이용하여 최대 눌림 깊이(D)를 계산할 수 있다.

상기 충돌추체의 자유 낙하를 개시하는 트리거 신호는, 실험동물의 호흡 움직임을 감지하여 호기말 혹은 흡기말 시점에 트리거 신호를 발생하는 것이 좋다.

본 발명은 고속 스피드 카메라 및 복잡한 패턴 인식 알고리즘이 탑재되는 고가의 비전 시스템 없이 저렴한 가속도 센서, 로드 셀 센서, LED 및 광센서로 이루어진 다중 센서를 이용하여 SCI 유발을 위한 충격을 제어하고 충돌 물리량을 측정할 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다. 다중 센서를 바탕으로 SC 충돌과 관련된 파라메터와 센서 그래프를 빠르고 정확하게 측정하고, 가속도 센서의 사용으로 마찰으로 인한 가속도의 변화를 반영하여 정확한 충돌 속도를 측정할 수 있다. LED와 광센서를 이용하여 척수 최대 눌림 깊이와 같은 피충돌체의 변위도 측정할 수 있다. 또한, 가이드 부재를 체외고정으로 함으로써 체내 고정 방법과 달리 돼지의 호흡이나 미세한 움직임으로 인한 충돌추체의 운동에 영향을 배제할 수 있고, 체내 고정을 위한 나사를 사용하지 않음으로 인해 고정부위의 신경이나 혈관이 손상되는 것을 방지할 수 있고 또한 가이드 부재를 3축 이동 조절 장치를 통해 정확한 낙하 지점 및 수직 낙하 방향 미세 조정이 가능하다.

도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 동물척수 손상모델 장치이다.
도 3은 본 발명에 따른 동물척수손상모델 생성장치이다.
도 4 내지 도 5는 낙하시작시각(t1)과 충돌시각(t2)일 때의 3가지 센서 변환 신호의 예상도를 각각 나타내고 있다. (녹색: 광센서를 통해 변환된 충돌 팁과 SC간의 거리 신호, 적색: 로드셀 센서를 통해 변환된 힘 신호, 청색: 가속도센서를 통해 변환된 충돌추체의 가속도 신호)
도 6은 광센서를 통한 충돌 팁과 SC간의 거리 신호를 이용한 최종시각(t3) 측정을 보여주는 그래프이다.
도 7도 돼지를 상대로 본 발명을 이용한 실험을 진행한 것을 촬영한 이미지이며, 도 8은 그 결과를 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

SCI 유도를 위해 본 발명에서 제안된 동물척수손상모델 생성장치는 도 3과 같다.

본 발명에 따른 동물척수손상모델 생성장치는 먼저 체외에 고정되는 체외고정부재(10)와 상기 체외고정부재(10)에 고정되고 충돌추체의 낙하를 가이드하는 충돌추체가이드부재(20)를 구비한다.

종래의 고정방식이 체내에 나사(pedicle screws)로 고정하는 것이었으나, 본 발명은 체외고정부재를 이용하여 고정하는 것이며, 구체적으로는 체외의 특정 위치에 고정하는 수직지지대(11)와 수직지지대에 고정되는 수평지지대(12)와 수직지지대에 수평지지대를 연결하되 수직방향과 수평방향 및 회전이 가능하게 연결하는 연결부재(13)로 이루어져 있다. 상기 연결부재는 3축 미세 이동 조절이 가능한 것이 특징이며, 3축 미세조절을 위한 수단으로는 볼스크류 내지 나사결합방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있으며 이러한 원리는 이 기술 분야에서 통상적으로 사용하는 것으므로 구체적인 방식에 대한 설명은 생략한다.

충돌추체가이드부재(20)는, 3축 변환수단(21)과 낙하안내부재(23)와 솔레노이드 엑츄에이터 장치(25)와 포토 디텍터(광센서, 27) 등을 구비한다.

그리고, 상기 수평지지대(12)에는 충돌추체(impactor)를 정확한 위치로 낙하시키기 위한 3축 변환수단(21)이 연결된다. 그리고, 상기 3축 변환수단의 전면에는 상하 수직방향으로 낙하안내부재(23)가 배치된다. 상기 낙하안내부재(23)는 상기 3축 변환수단에 의해서 상기 수평지지대(12)에 대해 상대적인 이동(상하좌우 및 회전이동)이 가능하다.

그리고, 상기 낙하안내부재(23)의 전면에는 충돌추체(30)의 자유낙하를 안내하는 레일이 구비된다. 충돌추체의 하단에는 돌출되어 척수(S)에 직접적인 타격을 가하는 돌출부가 구비되고 상단에는 LED(33)가 구비된다. 상기 LED는 적외선 LED이거나 그외 다른 광원일 수도 있다. 그리고, 충돌추체(30)의 측면에는 솔레노이드 엑츄에이터 장치(25)가 배치되어 있어서 자력을 이용하여 충돌추체를 잡고 있게 된다. 상기 솔레노이드 엑츄에이터 장치(25)는 제어부에서 트리거(trigger)신호를 수신하면 충돌추체를 자유낙하를 개시하도록 하는 역할을 수행한다.

상기 낙하안내부재(23)의 하단부 일정 위치에는 광센서(27)가 구비되어 있어서 상기 LED(33) 신호를 감지하게 되고, 이를 통해서 LED는 충돌추체의 상단에 일체로 고정되기 때문에 광센서는 충돌추체의 위치를 감지하게 된다.

본 발명에서는 충돌추체의 낙하 이동 변위 검출을 위해 고가의 고속 비디오 카메라 및 비젼 시스템을 사용하지 않고, 위에서 설명한 LED와 이를 감지하는 광센서를 사용하고 있다. 충돌추체는 기존의 충돌추체와는 다른 재질(스틸, 스텐리스, 알루미늄 등의 금속)로 이루어지고, 내부에는 로드 셀 센서(load cell sensor)와 가속도 센서(acceleration sensor)가 내장되어 있고 상단 부에 LED가 부착되어 있다.

이러한 구성을 이용한 동물척수손상모델 생성장치 작동방식의 특징을 보면 다음과 같다.

1. 충돌추체 내부에 가속도 센서와 로드 셀 센서 및 광센서의 다중 센서를 구비하여 SCI 유발을 위한 충격 물리량을 구하는 것이다. 충격 물리량에는 충돌 속도, 최대 척수 눌림 깊이, 최대 깊이가 될 때까지 가한 평균힘(충격력) 등이 포함될 수 있으며, 이러한 충격 물리량을 향상된 분해능(보다 빠른 샘플링 레이트, 수십kHz~수백kHz)을 이용하여 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. 즉, 3개의 멀티 센서에서 측정한 데이터를 기반으로 충돌 물리량 파라메터를 실시간으로 도출할 수 있으며, GUI 화면에 나타나는 그래프의 양상을 통해 충돌추체가 정상적인 운동을 진행하였는지, 이상 충돌이 발생하였는지를 바로 판단할 수 있다.

2. 그리고, 가이드 부재를 체외에 고정하기 때문에 기존 방식의 체내 고정 방법처럼 돼지의 호흡이나 미세한 움직임으로 인한 레일에서 충돌추체의 자유낙하 운동에 영향을 주는 것을 배제할 수 있고, 체내 고정용 나사를 사용하지 않음으로 인해 고정부위의 신경손상(nerve injury) 또는 혈관 손상(vascular injury)를 일으킬 염려가 없다.

3. 가이드 부재의 3축 이동 조절 장치를 통해 정확한 낙하 지점 및 수직 낙하 방향 미세 조정이 가능하다. 즉, 돼지의 호흡 움직임을 감지하여 호기말 혹은 흡기말 시점에 충돌추체 낙하 트리거 신호 발생하게 할 수 있다.

4. 실제 실험환경에서는 레일의 마찰, SC 주변에 위치하는 척추 또는 혈액 등으로 인한 충돌추체의 여러 가지 감속 원인이 존재하게 되는데, 충돌 추체에 내장된 가속도 센서를 이용하여 충돌추체의 실제 가속도 감소를 반영하여 실제 충돌 속도를 측정할 수 있다.　

충돌 물리량들 중에서 충돌 순간의 임팩트 속도는 다음과 같이 가속도를 적분하여 계산할 수 있다. 자유낙하가 시작되는 순간의 시간 즉 낙하시작시각(t1)에서 충돌 순간의 시간 즉 충돌시각(t2)까지 가속도센서로 측정된 가속도를 적분하면 충돌 순간의 속도(v1)을 구할 수 있다.

충돌 순간의 속도(v1)를 임팩트 속도라고도 한다.

그리고, 도 4 내지 도 5에서는 낙하시작시각(t1)과 충돌시각(t2)일 때의 3가지 센서신호 예상 신호(녹색: 광센서를 통해 변환된 팁과 SC간의 거리, 적색: 로드셀 센서를 통해 변환된 힘 신호, 청색: 가속도센서를 통해 변환된 충돌추체의 가속도 신호)를 각각 나타내고 있다.

도 4에서 보듯이, 트리거 신호에 의해 낙하시작시각(t1)에서 충돌추체가 자유낙하를 시작했을 때 가속도 센서는 가속도를 나타내기 시작하고, 낙하시작시각(t1)은 가속도 센서가 정상 상태에서 속도 변화가 발생하는 시점으로 자동 혹은 수동으로 선택된다. 도 5에서 충돌시각(t2)은 충돌 팁(Tip)이 SC에 닿게 되었을 때 팁과 연결된 로드셀 센서(load cell sensor) 신호가 상승하기 시작하는 시점에 해당되며, 프로그램에 의한 자동 혹은 수동으로 선택된다. t1 및 t2에 대한 자동 선택은 각 센서 신호의 절대값 또는 변화값의 임계치 (thresholding) 감지 등 다양한 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.

충돌추체가 SC에 전달하는 충격량(Impulse)은 아래 식으로 구할 수 있다. 아래 식에서 m은 충돌추체의 질량이다.

충격력(Impulsive force, Fa)은 충돌하는 일정 시간 동안 SC에 인가된 평균적인 힘을 말하며, 충격력은 충격량(Impulse, I)의 식을 변형시켜서 얻을 수 있다. 충격량(Impulse)는 충격력과 충격력이 작용하는 시간의 곱으로 나타낼 수 있으며, 운동량의 변화량과 같다. 충돌 속도와 충돌 시작 시점인 충돌시각(t2), 충돌이 진행되는 어느 시점에서의 속도를 알면 충돌추체가 SC에 작용하는(인가하는) 평균적인 힘을 수식처럼 계산할 수 있다. 최종시각(t3)를 충돌추체가 SC를 최대 깊이로 누르게 된 시점으로 정하면, 이 때의 충돌추체의 속도는 SC에 의해 순간 정지(속도가 0)되는 시점이 된다.

최종시각(t3)을 측정하기 위해 충돌추체에 장착된 것이 바로 LED와 포토 디텍터(photo detector)이다. 도 6에서와 같이 이론적으로는 가속도 센서로도 측정할 수 있으나, 실제 충돌시의 가속도 변화는 가속도 센서의 최대 응답 속도를 벗어나는 큰 값이므로 정확한 시점을 찾기 어려우므로, 응답 속도가 빠른 광센서를 이용하여 낙하 충돌추체에 장착된 LED와 레일 끝에 장착된 광센서간의 거리가 최소가 되는 시점에 이른 시각을 최종시각(t3)으로 자동 혹은 수동으로 선택한다. 이를 토대로 위 수식에서 델타t(t3-t2)를 측정할 수 있으며. 이를 통해 충돌추체가 SC를 최대 깊이로 누르게 된 시점까지 인가된 평균힘으로서의 충격력(impulsive force)을 구할 수 있다.

본 장치를 통해, 충돌로 인한 SC의 최대 눌림 깊이 D에 대해서도 구할 수 있다. 먼저, 이론적 수식으로 구하는 방법은 다음과 같습니다.

즉, 충돌시각(t2)에서 최종시각(t3)까지 충돌추체의 가속도는 일정하고 속도가 선형적으로 변한다고 가정하면, 최대 눌림 깊이는 충돌 속도와 델타t만의 수식으로 구할 수 있다. 여기서 델타t는 충돌후 충돌추체의 속도가 순간적으로 0이 되는 최종시각까지의 시간(t3-t2)이며, 하첨자 d가 부가된 속도(v)와 가속도(a)는 델타t동안의 속도와 가속도를 의미한다.

그러나, 실제로 어떤 물체에 충돌할 때 충격력은 선형적으로 변하지 않고 비선형적이므로 실제의 최대 눌림 깊이는 이론 수식에 따른 값과 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 본 장치에서는 이론적으로 최대 눌림 깊이를 계산하는 것 외에, LED와 광센서(포토 디텍터) 사이의 거리를 t2와 t3에서 각각 측정하여 그 차이를 최대 눌림 깊이(D)를 계산하는 방식을 이용한다.

LED와 광센서간의 거리는 측정된 광센서 출력전압값을 미리 교정 (calibration) 과정을 거쳐 만들어진 거리-센서출력전압에 대한 look-up table이나 근사 모델식을 이용하여 거리값으로 변환하여 얻어질 수 있다. 또한, 충돌추체의 팁(tip)과 SC간의 거리는 LED와 광센서간의 거리에서 충돌추체의 팁(tip)이 SC에 닿아 있을 때의 LED와 광센서간의 거리를 빼준 것과 같다.

도 7은 직접 돼지에 in-vivo 실험을 진행한 것을 촬영한 이미지이며, 도 8은 그 결과를 보여주는 그래프이다. 실험조건은 높이 20cm, 임팩터 75g으로 진행되었다. 사용한 대동물은 Yucantan 종의 미니피그(62kg)이고, 척추 9-10번의 후궁을 절제한 후 흉수를 노출시켜 노출된 척수에 충돌추체가 충격을 줄 수 있는 위치로 충돌추체를 설치하였다. 도 8 그래프에서 t1, t2, t3를 측정하였으며, 이에 따른 충돌추체 velocity, Impulsive force 등을 구할 수 있었다.

Claims

실험동물의 체외에 고정되는 체외고정부재(10);와
실험동물의 척수에 타격을 가하는 충돌추체(30);와
상기 체외고정부재에 고정되고 상기 충돌추체의 낙하를 가이드하는 충돌추체가이드부재(20);를 포함하는 동물척수손상모델 생성장치에 있어서,
상기 척수손상모델 생성장치는 수직지지대(11)와 상기 수직지지대에 고정되는 수평지지대(12)와 상기 수직지지대에 상기 수평지지대를 연결하되 수직방향과 수평방향 및 회전이 가능하게 연결하는 연결부재(13)를 포함하고,
상기 충돌추체가이드부재는 3축 변환수단(21)과 낙하안내부재(23)를 구비하고,
상기 수평지지대(12) 상에는 상기 충돌추체를 기설정된 위치로 낙하시키기 위하여 상기 3축 변환수단(21)이 연결되고, 상기 3축 변환수단의 전면에는 상하 수직방향으로 상기 낙하안내부재(23)가 배치되며,
상기 낙하안내부재(23)는 상기 3축 변환수단에 의해서 상기 수평지지대(12)에 대해 상대적인 이동이 가능하고, 상기 낙하안내부재(23)의 전면에는 충돌추체(30)의 자유낙하를 안내하는 레일이 구비되고,
상기 충돌추체가이드부재의 3축 이동 조절 구조를 통해 정확한 낙하 지점 및 수직 낙하 방향을 따른 미세 조정을 가능하게 하며,
상기 충돌추체(30)의 하단에는 돌출되어 척수(S)에 직접적인 타격을 가하는 돌출부가 구비되는 것과 동시에 상단에는 LED(33)가 구비되며, 상기 충돌추체에는 가속도 센서가 구비되고,
상기 충돌추체의 낙하시작시각(t1)은 상기 충돌추체의 자유낙하 개시 시에 상기 가속도 센서가 정상 상태에서 속도 변화가 발생하는 시점으로 설정하고,
상기 충돌추체의 척수에의 충돌시각(t2)은 돌출부가 척수에 닿게 되었을 때 돌출부와 연결된 로드셀 센서 신호가 상승하기 시작하는 시점으로 설정하고,
상기 충돌추체에 장착된 LED(33)와 상기 레일의 하단 끝에 장착된 광센서(27) 간의 거리가 최소가 되는 시점에 이른 시각을 최종시각(t3)으로 설정하며,
상기 낙하시작시각(t1)에서 상기 충돌시각(t2)까지 가속도센서로 측정된 가속도를 적분하면 충돌 순간의 속도(υ_I)를 구하고,
상기 충돌추체가 척수에 작용하는 평균적인 힘은 상기 충돌 순간의 속도(υ_I), 충돌시각(t2) 및 최종시각(t3)을 통해 하기의 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성장치.
제1항에 있어서,
상기 충돌추체의 하단에는 돌출되어 척수(S)에 직접적인 타격을 가하는 돌출부가 구비되고 상단에는 LED(33)가 구비되는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성장치.
제2항에 있어서,
상기 충돌추체가이드부재의 하단부 일정 위치에는 광센서(27)가 구비되어 있어서 상기 LED(33) 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성장치.
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제1항에 있어서,
상기 충돌추체의 측면에는 솔레노이드 장치(25)가 배치되고, 트리거 신호 수신에 의해 충돌추체의 자유낙하를 개시하는 것을 특징으로 하는 동물척수손상모델 생성장치.
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