KR102099200B1 - 뇌 자극 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 뇌 자극신호를 발생하는 뇌 자극 장치에서, 마이크로파 신호를 발생하는 마이크로파 신호 발생기의 출력단이 변조기의 스위치 소자와 결합되어 변조기 출력신호의 전력이 저하되는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 전압제어발진기(210A)의 전류 소스(214)의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호를 출력되도록 하는 발진 제어부(210B)를 구비한 뇌 자극신호 발생기(210)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명은 전압제어발진기(210A)의 전류 소스(214)의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호를 출력되도록 하는 발진 제어부(210B)를 구비한 뇌 자극신호 발생기(210)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 뇌 자극 장치에서 신호 발생기의 출력신호를 변조하는 기술에 관한 것으로, 특히 마이크로파 신호를 발생하는 마이크로파 신호 발생기의 출력단이 변조기의 스위치 소자와 결합되어 변조기 출력신호의 전력이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 뇌 자극 장치에 관한 것이다.
뇌 자극 장치는 뇌의 자극 대상 부위에 전류나 자기장을 가하여 뇌신경을 자극해서 뇌를 치료하는 장치를 일컫는다. 최근 들어, 초고주파 신호를 반송 주파수로 하는 진폭변조를 수행하여 뇌의 자극 대상 부위에 출력하는 뇌 자극 장치에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 마이크로파 신호 발생기(110), 변조기(120), 파워 증폭기(130) 및 어플리케이터(140)를 포함한다.
도 2는 도 1의 마이크로파 신호 발생기 및 변조기의 상세 회로도로서 이를 참조하여 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
마이크로파 신호 발생기(110)는 수 GHz 대역의 초고주파 신호를 생성한다. 이를 위해 마이크로파 신호 발생기(110)는 도 2에서와 같이 제1,2발진부(111),(112), LC 공진부(113) 및 전류 소스(114)로 구성된 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(110A)를 구비한다.
변조기(120)는 상기 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 진폭 변조한다. 상기 뇌자극 프로토콜은 스위치의 스위칭 동작에 의한 펄스열(pulse train) 구조를 갖는다. 상기 스위치로서 트랜지스터(예: 전계효과 트랜지스터)가 사용될 수 있다. 그런데, 상기 트랜지스터들이 전압제어발진기(110A)에 직렬로 연결될 경우 그 트랜지스터의 저항 성분으로 인하여 변조된 신호의 전력량이 줄어든다.
이를 감안하여, 변조기(120)는 도 2에서와 같이 전압제어발진기(100A)의 발진출력단자(VOSC+)에 연결된 제1변조부(121) 및 전압제어발진기(100A)의 발진출력단자(VOSC-)에 연결된 제2변조부(122)를 구비한다. 상기 제1변조부(121)는 상기 발진출력단자(VOSC+)와 접지단자의 사이에 병렬 연결된 트랜지스터(M6-M8)를 구비하는데, 이들은 게이트에 공급되는 스위칭제어신호(SC1-SC3)에 의해 스위칭 동작한다. 상기 제2변조부(122)는 상기 발진출력단자(VOSC-)와 접지단자의 사이에 병렬 연결된 트랜지스터(M9-M11)를 구비하는데 이들은 게이트에 공급되는 스위칭제신호(SC4-SC6)에 의해 스위칭 동작한다.
상기 뇌 자극 프로토콜은 다양한 운동성 장애 및 질병을 치료하는데 적합하도록 서로 다른 주기(period)를 갖는 몇 가지의 신호가 합쳐진 형태의 구조를 갖는다. 연구 결과에 의하면, 경두개 자기 자극술(Transcranial Magnetic Stimulation)에서는 다양한 주기를 갖는 TBS(Theta Burst Stimulation) 변조신호가 한 가지의 주기를 갖는 rTMS(repetitive Transcranial Stimulation) 신호에 비하여 우수한 효과를 발휘하는 것으로 보고되고 있다.
그런데, 초고주파 대역에서는 상기 스위치로 사용되는 트랜지스터의 기생 성분을 무시할 수 없다. 즉, 트랜지스터의 게이트-드레인 간의 커패시터는 저주파 대역에서 초고주파 신호를 변조하는데 별다른 영향을 주지 않지만 고주파 대역에서는 이는 물론 트랜지스터의 드레인-소스 간의 커패시터도 고려해야 한다.
도 3은 종래 기술에 의한 변조기(120)를 사용하는 경우 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 3에서와 같이 스위치 소자인 트랜지스터의 사용 개수가 증가됨에 따라 기생 커패시턴스가 커져 전력 손실이 증가되는 것을 알 수 있다.
파워 증폭기(130)는 변조기(120)로부터 공급되는 진폭 변조된 초고주파 신호의 파워를 뇌 자극 장치(100)에서 필요로 하는 크기로 증폭하여 출력한다.
어플리케이터(140)는 상기 파워 증폭기(130)로부터 공급되는 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
그러나, 이와 같은 종래의 뇌 자극 장치는 전압제어발진기의 발진출력단자에 연결된 변조부의 스위치용 트랜지스터들의 개수가 증가될수록 그 트랜지스터들의 게이트-드레인 간의 커패시터 및 드레인-소스 간의 커패시터 용량이 증가되어 변조된 신호의 전력량이 줄어드는 문제점이 있고, 그 트랜지스터들이 턴오프될 때 이들을 통해 초고주파 신호가 누설되어 파워 손실 및 의도치 않은 자극을 초래하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발진 제어부를 통해 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 전압제어발진기의 출력신호를 변조하여 뇌 자극신호를 발생하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 뇌 자극 장치는, 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호가 출력되도록 하는 발진 제어부를 구비한 뇌 자극신호 발생기; 상기 뇌 자극신호 발생기로부터 공급되는 뇌 자극신호의 파워를 증폭하여 출력하는 파워 증폭기; 및 상기 파워 증폭기로부터 공급되는 뇌 자극신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 어플리케이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 발진 제어부를 통해 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 전압제어발진기의 출력신호를 변조하여 뇌 자극신호를 발생 함으로써, 전압제어발진기에서 출력되는 초고주파 신호의 전력 레벨이 스위치의 수에 관계없이 일정하게 유지되고, 이에 의해 전력 손실이 방지되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치의 블록도.
도 2는 마이크로파 신호 발생기 및 변조기의 상세 회로도.
도 3은 종래 뇌 자극 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 블록도.
도 5는 뇌 자극신호 발생기의 상세 회로도.
도 6은 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.
도 2는 마이크로파 신호 발생기 및 변조기의 상세 회로도.
도 3은 종래 뇌 자극 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 블록도.
도 5는 뇌 자극신호 발생기의 상세 회로도.
도 6은 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 뇌 자극신호 발생기(210), 파워 증폭기(220) 및 어플리케이터(230)를 포함한다.
도 5는 뇌 자극신호 발생기의 상세 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 제1,2발진부(211),(212), LC 공진부(213) 및 전류 소스(214)를 구비한 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(210A) 및, 발진 제어부(210B)를 포함한다.
뇌 자극신호 발생기(210)는 수 GHz 대역의 초고주파 신호를 생성한다. 이를 위해 뇌 자극신호 발생기(210)는 도 5에서와 같이 상보형 교차 결합된 트랜지스터(M21,M22)를 구비한 제1발진부(211), 상보형 교차 결합된 트랜지스터(M23,M24)를 구비한 제2발진부(212), 정,부극성의 발진출력단자(VOSC+),(VOSC-)의 사이에 연결된 리액터(L) 및 상기 발진출력단자(VOSC+),(VOSC-)의 사이에 직렬 연결된 가변형 커패시터(VC21,VC22)를 구비한 LC 공진부(213) 및, 상기 트랜지스터(M23,M24)의 소스 공통연결노드(N)와 접지단자 사이에 연결된 트랜지스터(M25)를 구비한 전류 소스(214)를 포함하는 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator) (210A)를 구비한다. 여기서, 상기 LC 공진부(213)의 가변형 커패시터(VC21,VC22)에 걸리는 전압에 따라 발진되는 상기 초고주파신호의 주파수가 가변된다.
이와 함께, 뇌 자극신호 발생기(210)는 상기 전압제어발진기(210A)의 전류 소스(214)의 동작을 제어하는 방식으로 상기 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호를 출력한다. 이를 위해 뇌 자극신호 발생기(210)는 도 5에서와 같이 전류 소스(214)인 트랜지스터(M25)의 게이트와 접지단자 사이에 병렬 연결된 트랜지스터(M26-M28)를 구비한 발진 제어부(210B)를 포함한다. 상기 트랜지스터(M26-M28)는 게이트에, 뇌 자극 프로토콜에 상응되게 공급되는 스위칭 제어신호(CTL1-CTL3)에 따라 스위칭 동작하여 상기 전압제어발진기(210A)의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 변조한다.
상기 스위칭 제어신호(CTL1-CTL3)의 레벨이 트랜지스터(M26-M28)의 문턱전압보다 낮을 때 그 트랜지스터(M26-M28)는 턴오프되고, 문턱전압보다 높을 때에는 그 트랜지스터(M26-M28)가 턴온된다. 상기 트랜지스터(M21-M25) 및 트랜지스터(M26-M28)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 여기에서는 N채널 MOS 트랜지스터인 것을 예로 한다.
상기 발진 제어부(210B)를 이용하여 상기 전압제어발진기(210A)의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 변조하는 경우, 도 6에서와 같이 스위치 소자로 사용되는 트랜지스터(M21-M28)의 개수에 관계없이 전력손실이 발생되지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다.
본 발명에 적용되는 상기 뇌 자극 프로토콜은 특별하게 한정되지 않는 것으로, 본 실시예에서는 TBS(Theta Burst Stimulation) 변조신호가 적용된 것을 예로 한다. 상기 TBS 변조신호 3 개의 단일 클럭신호의 조합으로 이루어질 수 있다.
스위치로 사용되는 상기 트랜지스터(M26-M28)는 턴온 시 온 저항 값들이 충분히 작아 전류소스 트랜지스터(M25)의 게이트 전압이 문턱 전압 보다 낮게 되도록, 이들의 너비가 일정치 이상으로 넓어야 한다. 하지만, 상기 트랜지스터(M26-M28)의 너비가 일정치 보다 훨씬 넓은 경우에는 이들의 게이트에서 본 기생 커패시턴스 값이 커져 클럭신호의 상승 및 하강 시간이 증가되고 이에 의해 스위칭 딜레이 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 트랜지스터(M26-M28)의 너비는 이들의 온 저항 값, 커패시터에 의한 스위칭 딜레이를 고려하여 적절한 사이즈로 설계할 필요가 있다.
파워 증폭기(220)는 상기 뇌 자극신호 발생기(210)로부터 공급되는 진폭 변조된 초고주파 신호인 뇌 자극신호의 파워를 뇌 자극 장치(200)에서 필요로 하는 크기로 증폭하여 출력한다.
어플리케이터(230)는 상기 파워 증폭기(220)로부터 공급되는 뇌 자극신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
200 : 뇌 자극 장치 210A : 전압제어발진기
210B : 발진 제어부 211 : 제1발진부
212 : 제2발진부 213 : LC 공진부
214 : 전류 소스 220 : 파워 증폭기
230 : 어플리케이터
210B : 발진 제어부 211 : 제1발진부
212 : 제2발진부 213 : LC 공진부
214 : 전류 소스 220 : 파워 증폭기
230 : 어플리케이터
Claims (5)
- 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호가 출력되도록 하는 발진 제어부를 구비한 뇌 자극신호 발생기;
상기 뇌 자극신호 발생기로부터 공급되는 뇌 자극신호의 파워를 증폭하여 출력하는 파워 증폭기; 및
상기 파워 증폭기로부터 공급되는 뇌 자극신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 어플리케이터;를 포함하되,
상기 발진 제어부는
상기 전류 소스로 동작하는 트랜지스터의 게이트와 접지단자 사이에 병렬 연결된 복수 개의 트랜지스터를 구비하며,
상기 복수 개의 트랜지스터의 게이트들에는 상기 뇌 자극 프로토콜에 상응되는 스위칭 제어신호가 공급되는 것을 특징으로 하는 뇌 자극 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 트랜지스터의 너비는 온 저항 값, 그 트랜지스터의 커패시터에 의한 스위칭 딜레이를 고려하여 설정된 것을 특징으로 하는 뇌 자극 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 뇌 자극 프로토콜은 TBS(Theta Burst Stimulation) 변조신호가 적용된 것을 특징으로 하는 뇌 자극 장치.
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