KR102128092B1 - Deep brain stimulation transparent electrodes array and neural signal detection method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법에 관한 것으로, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 투명 그래핀 신경전극; 그리고 광섬유를 포함하고, 상기 투명 그래핀 신경전극은 생체적합성 유전체 기판, 상기 기판 위의 한쪽에 배치되며 그래핀 시트를 포함하는 복수의 전극 사이트, 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트, 및 상기 전극 사이트와 콘택트를 연결하는 전기전도성 인터커넥터를 포함한다.
본 발명의 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화 하면서 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출이 가능하고, 빛 자극을 통한 신경 세포 자극 및 신경세포의 광학적 이미징에 대한 융합 연구를 수행할 수 있다. The present invention relates to a brain deep stimulation transparent electrode array and a method for detecting neural signals using the same, wherein the brain deep stimulation transparent electrode array comprises: a transparent graphene neural electrode; And comprising a fiber, the transparent graphene neural electrode is a biocompatible dielectric substrate, a plurality of electrode sites disposed on one side of the substrate and including a graphene sheet, a plurality of electrical conductivity disposed on the other side of the substrate And an electrically conductive interconnect that connects the contact with the electrode site.
The brain deep stimulation transparent electrode array of the present invention is capable of detecting deep brain electrical stimulation and brain waves while minimizing image distortion in magnetic resonance imaging, and conducts fusion studies on nerve cell stimulation through light stimulation and optical imaging of nerve cells. can do.
Description
본 발명은 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화 하면서 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출이 가능한 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a brain deep stimulation transparent electrode array capable of detecting brain deep electrical stimulation and brain waves while minimizing image distortion in a magnetic resonance image and a method for detecting neural signals using the same.
파킨슨 병 (Parkinson's disease), 간질 (Epilepsy), 투렛 증후군 (Tourette syndrome, 틱 장애) 등의 신경 질환의 치료에 뇌 전기 자극을 이용한 치료가 확대 적용되고 있다. 특히 뇌 심부를 자극하여 신경 질환의 증상을 완화하는 뇌 심부 자극술 (Deep brain stimulation, DBS)은 약물 요법으로 증상 완화가 어려운 환자들에게 효과적인 수술 요법이 되고 있다. 국내에서는 약 20여개 의료센터에서 연간 수백 건의 뇌 심부 자극술이 이루어지고 있으며, 전 세계적으로 그 활용도가 높아지고 있다. Treatment using brain electrical stimulation has been extensively applied to the treatment of neurological disorders such as Parkinson's disease, Epilepsy, Tourette syndrome, and the like. In particular, deep brain stimulation (DBS), which stimulates the deep brain to alleviate the symptoms of a neurological disease, has become an effective surgical therapy for patients with difficult symptoms with drug therapy. In Korea, about 20 medical centers are performing hundreds of deep brain stimulations annually, and their utilization is increasing worldwide.
뇌 심부 자극 전극 (이하 DBS 전극)은 다양한 형태의 신경 전극 (Neural electrode) 중 한 종류이다. 뇌 심부 자극술은 DBS 전극을 뇌 심부에 주입하여 주기적인 전기 자극을 줌으로써 도파민 뉴런의 활성화를 돕는다. 이러한 전기 자극은 파킨슨 병, 수전증(Essential tremor), 우울증, 간질뿐만 아니라 알츠하이머, 비만, 중독 치료에까지 그 응용분야가 넓어지고 있으며 최근 들어 더욱 활발한 연구가 이루어지고 있다.The deep brain stimulation electrode (hereinafter referred to as DBS electrode) is one of various types of neural electrodes. Deep brain stimulation assists the activation of dopamine neurons by injecting DBS electrodes into the deep brain to provide periodic electrical stimulation. The electrical stimulation is Parkinson's disease, essential tremor (Essential tremor), depression, epilepsy, as well as Alzheimer's, obesity, addiction to the treatment of the field of application has been widened and more active research has been made in recent years.
그러나 기존 DBS 전극은 텅스텐, 플래티늄과 같은 불투명 금속으로 이루어져 있어서 자기 공명 영상 (MRI) 등의 의료 영상에서 영상 왜곡 (image artifact)를 가져 온다. 왜곡된 영상 정보는 수술 중 DBS 전극의 정확한 위치 선정, 혹은 전극 이식 후 타 신경 질환의 정확한 진단을 방해 할 수 있다. However, existing DBS electrodes are made of opaque metals such as tungsten and platinum, which brings image artifacts from medical images such as magnetic resonance imaging (MRI). Distorted image information can interfere with the correct positioning of the DBS electrode during surgery, or the correct diagnosis of other neurological diseases after electrode implantation.
MRI에서의 영상 왜곡 현상은 금속 재료의 자화율 (Magnetic susceptibility)이 생체 조직 (tissue) 및 생체 내 수분 (H2O) 대비 현격히 크기 때문이다. 따라서 자화율이 상대적으로 작은 탄소 섬유 (Carbon fiber)를 이용한 전극이 제안되기도 하였다. 하지만 탄소 섬유 내 다량의 탄소 원자로 인해 MRI 영상 왜곡 현상 감소에 한계가 있었다. 또한 탄소 섬유는 기계적 강도가 약해 생체 내에서 장기간 이식 되었을 때 전기적 연결이 끊어질 수 있는 잠재적 위험이 존재한다.The image distortion phenomenon in MRI is because the magnetic susceptibility of metallic materials is significantly larger than that of living tissue (tissue) and water in vivo (H 2 O). Therefore, an electrode using carbon fiber having a relatively small magnetization rate has been proposed. However, due to the large amount of carbon atoms in the carbon fiber, there was a limit in reducing the distortion of the MRI image. In addition, carbon fiber has a weak mechanical strength, and thus there is a potential danger that electrical connection may be lost when transplanted in vivo for a long time.
본 발명의 목적은 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화 하면서 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출이 가능한 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a brain deep stimulation transparent electrode array capable of detecting brain deep electrical stimulation and brain waves while minimizing image distortion in magnetic resonance imaging.
본 발명의 다른 목적은 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting neural signals using the transparent electrode array for deep brain stimulation.
본 발명은 투명 그래핀 신경전극; 그리고 광섬유를 포함하고, 상기 투명 그래핀 신경전극은 생체적합성 유전체 기판, 상기 기판 위의 한쪽에 배치되며 그래핀 시트를 포함하는 복수의 전극 사이트, 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트, 및 상기 전극 사이트와 콘택트를 연결하는 전기전도성 인터커넥터를 포함하는 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 제공한다. The present invention is a transparent graphene neural electrode; And comprising an optical fiber, the transparent graphene neural electrode is a biocompatible dielectric substrate, a plurality of electrode sites disposed on one side of the substrate and including a graphene sheet, a plurality of electrical conductivity disposed on the other side of the substrate It provides a brain deep stimulation transparent electrode array comprising a contact, and an electrically conductive interconnector connecting the electrode site and the contact.
상기 광섬유는 상기 투명 그래핀 신경전극의 기판 아래에 접합되는 것일 수 있다. The optical fiber may be bonded under the substrate of the transparent graphene neural electrode.
상기 투명 그래핀 신경전극은 상기 광섬유를 둘러싼 형태로 배치되는 것일 수 있다. The transparent graphene neural electrode may be disposed in a form surrounding the optical fiber.
상기 투명 그래핀 신경전극과 상기 광섬유는 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(Polyimide) 및 실릴화폴리우레탄 (Silylated polyurethanes)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 접착제에 의하여 접착되는 것일 수 있다. The transparent graphene neural electrode and the optical fiber may be adhered by any one adhesive selected from the group consisting of polydimethylsiloxane, polyimide and silylated polyurethanes.
상기 투명 그래핀 신경전극의 한쪽 끝 길이는 상기 광섬유의 한쪽 끝 길이 보다 길고, 상기 투명 그래핀 신경전극의 한쪽 끝이 상기 광섬유의 한쪽 끝을 향하여 접혀져 상기 투명 그래핀 신경전극 전극 사이트의 일부 또는 전부가 상기 광섬유의 한쪽 끝을 덮는 것일 수 있다.The length of one end of the transparent graphene neural electrode is longer than the length of one end of the optical fiber, and one end of the transparent graphene neural electrode is folded toward one end of the optical fiber, so that part or all of the transparent graphene neural electrode site is folded. It may be to cover one end of the optical fiber.
본 발명은 또한 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for detecting neural signals using the transparent electrode array for deep brain stimulation.
상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법은 전기적으로 활성인 생물학적 조직 상에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 삽입하는 단계; 및 전극 부위의 신경 조직에서 신경 세포에 의해 생성된 신경 반응을 기록하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.The method of detecting a nerve signal using the brain deep stimulation transparent electrode array includes inserting the brain deep stimulation transparent electrode array on an electrically active biological tissue; And recording a neural response generated by a nerve cell in the nerve tissue at the electrode site.
본 발명의 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화 하면서 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출이 가능하다.The brain deep stimulation transparent electrode array of the present invention can detect deep brain electrical stimulation and brain waves while minimizing image distortion in magnetic resonance imaging.
또한, 본 발명의 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 빛 자극을 통한 신경 세포 자극에 대한 융합 연구를 수행할 수 있다. In addition, the brain deep stimulation transparent electrode array of the present invention can perform a fusion study on nerve cell stimulation through light stimulation.
또한, 본 발명의 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 생체 내부에서 생성된 광 신호를 생체 외부에서 관찰할 수 있다.In addition, the brain deep stimulation transparent electrode array of the present invention can observe the optical signal generated inside the living body from outside the living body.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 분리 사시도이다.
도 2는 투명 그래핀 신경전극을 나타낸 도면이다.
도 3은 광섬유를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실험예 1에 따른 주입된 신경 전극의 MRI 영상을 나타낸 도면이다. 1 is an exploded perspective view showing a deep electrode stimulation transparent electrode array according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a transparent graphene neural electrode.
3 is a view showing an optical fiber.
4 is a view showing a deep electrode stimulation transparent electrode array according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a brain deep stimulation transparent electrode array according to another embodiment of the present invention.
6 and 7 are views showing MRI images of the injected neural electrodes according to Experimental Example 1 of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. The same reference numerals are used for similar parts throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 분리 사시도이다. 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)는 투명 그래핀 신경전극(100) 및 광섬유(200)를 포함한다. 1 is an exploded perspective view showing a deep electrode stimulation transparent electrode array according to an embodiment of the present invention. The deep brain stimulation
도 2는 상기 투명 그래핀 신경전극(100)을 나타낸 도면이다. 상기 투명 그래핀 신경전극(100)은 생체적합성 유전체 기판(110); 상기 기판 위의 한쪽에 배치되며 그래핀 시트(121)를 포함하는 복수의 전극 사이트(120); 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트(130); 상기 전극 사이트(120)와 콘택트(130)를 연결하는 전기전도성 인터커넥터(140)를 포함한다. 2 is a view showing the transparent graphene
상기 인터커넥터(140)는 상기 전극 사이트(120)의 전기 신호를 전달하는 회로(141), 상기 콘택트(130)의 전기 신호를 전달하는 회로(142) 및 이들이 접하고 있는 부분을 일컫는다. The
상기 전극 사이트(120) 및 콘택트(130)의 위에 오버레이어(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 오버레이어(150)는 인터커넥터(140)를 보호하고 격리시킨다. 상기 오버레이어(150)는 전극 사이트(120) 및 콘택트(130)가 노출되어 외부 장치에 연결될 수 있도록 개구부(151)가 구비될 수 있다. An
상기 각각의 전극 사이트(120)는 단일 또는 2개 이상의 그래핀 시트(121) 층을 포함한다. 상기 그래핀 시트(121)는 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시 광선(vis) 및 적외선(IR) 영역의 파장을 포함하여 광범위한 파장 범위에서 투명하고, 구체적으로 300 nm 내지 2000 nm에서 투명한 것일 수 있다. Each
상기 그래핀 시트(121)는 시트의 수가 많을수록 높은 전기 전도성을 제공할 수 있지만, 투명성을 감소시킬 수 있기 때문에, 전극 부위에 존재하는 그래핀 시트(121)의 층 수는 1 내지 10 개인 것이 가장 바람직하다. The
상기 콘택트(130)는 상기 전극 사이트(120)에서 기록된 신호를 수신하고 증폭, 표시, 저장, 분석 하고 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. The
상기 기판(110)은 투명한 생체적합성 유전 재료로 형성되는 것일 수 있다. 다. 본 발명에서 생체적합성(Biocompatible)이란 재료가 인근 조직의 흉터에 해롭지 않거나 자극을 주지 않거나, 이식 되어야 하는 생체 조직의 특성에서 의도된 기능을 저하시키지 않는다는 것을 의미한다. 상기 기판(110)은 전체가 투명하고 생체적합성 재료인 것일 수 있으나, 필요에 따라 부분적으로 불투명하거나 비생체적합성 재료를 포함할 수 있다. The
또한 상기 기판(110)은 기계적으로 가요성(Flexibility)을 나타내어 장치에 균열, 분열 또는 다른 손상을 주지 않으면서 대뇌 피질의 표면과 같은 조직에 부합 할 수 있다.In addition, the
상기 오버레이어(150) 또한 기판(110)과 마찬가지로 투명하고 생체적합성인 유전체 재료를 포함하며 기계적으로 가요성인 것일 수 있다. 상기 오버레이어(150)는 기판(110)과 동일한 물질로 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. Like the
상기 기판(110) 및 오버레이어(150) 물질로 사용될 수 있는 중합체는 패릴린 (Parylene C), 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록산 (PDMS), 폴리에스테르 (PET), 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN), 폴리에테르이미드 (PEI) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.Polymers that can be used as the
또한, 상기 중합체는 형상 기억 중합체, 즉 온도의 변화에 응답하여 평면에서 비평면으로의 변형을 겪는 중합체일 수 있다. 예를 들어, 형상 기억 중합체는 실온 (약 23 ℃)에서 평면 구조를 취할 수 있지만, 상기 투명 그래핀 신경전극(100)이 이식되는 피검체의 체온에서는 비평면 형상을 채택할 수 있다. Further, the polymer may be a shape memory polymer, that is, a polymer that undergoes a planar to non-planar deformation in response to a change in temperature. For example, the shape memory polymer may have a planar structure at room temperature (about 23° C.), but a non-planar shape may be adopted at the body temperature of the subject to which the transparent graphene
상기 투명하고, 생체적합성이며 유전체의 형상 기억 중합체의 예는 T. Ware, D. Simon, R. L. Rennaker, W. Voit, Smart Polymers for Neural Interfaces, Polymer Reviews 53 (1), 108-129 및 Xie T. Recent advances in polymer shape memory. Polym. 2011; 52:4985-5000에 개시되어 있으며, 그 내용은 형상 기억 중합체와 관련되어 있으므로 본 명세서에 참고로 포함된다.Examples of such transparent, biocompatible and dielectric shape memory polymers include T. Ware, D. Simon, RL Rennaker, W. Voit, Smart Polymers for Neural Interfaces, Polymer Reviews 53 (1), 108-129 and Xie T. Recent advances in polymer shape memory. Polym. 2011; 52:4985-5000, the content of which is related to the shape memory polymer and is incorporated herein by reference.
상기 기판(110) 및 오버레이어(150)는 충분한 투명성과 기계적으로 유연한 장치를 제공하기 위하여 충분히 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 기판(110) 및 오버레이어(150)의 두께는 100㎛ 이하, 바람직하게 50㎛ 이하일 수 있고, 20㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 가장 바람직하다.It is preferable that the
상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 투명도는 그래핀 시트(121), 기판(110) 재료 및 오버레이어(150) 재료 등의 결합된 투명도를 반영한다. 일 실시예에서 상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 투명도는 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시 광선(vis) 및 적외선(IR) 영역의 파장을 포함하여 광범위한 파장 범위에서 투명하고, 구체적으로 300 내지 2000 nm, 바람직하게 400 내지 1800 nm의 파장 범위에서 투명한 것일 수 있다.The transparency of the transparent graphene
한편, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)는 광섬유(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)는 상기 광섬유(200)를 더 포함함으로써 광학 자극에 응답하여 생성되는 전기 신호를 감지할 수 있다. 최신 유전 기술인 광유전학 (Optogenetics)을 사용하여 신경세포가 광학 자극에 반응하게 할 수 있으며 이를 이용한 신경학, 신경외과적 연구에 사용될 수 있다. 특히 투명 전극 어레이는 근접한 광섬유에서 나오는 광학 자극을 높은 효율로 통과시킬 수 있어서 (투명도 약 90% 이상), 금속에 기반한 전극에 비해 광유전학과의 접목에서 장점을 가진다. 투명 전극 어레이와 광섬유의 접목은 신경세포의 전기적 신호를 광학적 신호로 읽는 칼슘 이미징에도 유리하다. 즉, 광섬유를 통한 양방향 신호 전달이 가능하며, 투명 신경전극 어레이는 광신호 전달 효율을 높이는 동시에 추가적으로 전기적 신호를 검출 할 수 있다.Meanwhile, the brain deep stimulation
구체적으로, 광유전학 (Optogenetics)은 신경 자극을 유발하기 위해 광 자극을 이용하는 기술의 한 예이다. 광유전학은 채널로돕신 (Channelrhodopsin, ChR) 및 할로로돕신 (Halorhodopsin, NpHR)과 같은 빛에 민감한 단백질을 세포막에 도입하기 위해 변형된 생물학적 세포를 사용한다. 이러한 단백질은 빛에 의해 활성화되는 이온 채널 역할을 하여 특정 파장을 갖는 빛에 노출되었을 때 세포 내외로의 특정 이온의 흐름을 허용한다. 이온 채널의 유형에 따라 이온 확산은 세포의 탈분극 또는 과분극을 일으키며, 신경 세포의 경우에는 신경 활동의 흥분 또는 억제를 유발한다. 감광된 세포가 적절한 파장의 입사광에 노출되면 광학적으로 유발된 신경 신호가 생성된다. 적절한 파장 범위는 사용되는 특정 감광성 단백질에 따라 달라진다. 그러나, 전형적으로, UV 또는 가시 범위의 파장을 갖는 입사광이 사용된다. 본 발명에서는 이러한 입사광을 주입하기 위하여 상기 광섬유(200)를 포함한다. Specifically, optogenetics is an example of a technique that uses light stimulation to induce nerve stimulation. Optogenetics uses modified biological cells to introduce light-sensitive proteins into the cell membrane, such as channellodopsin (Channelrhodopsin, ChR) and halodopsin (NpHR). These proteins act as ion channels activated by light, allowing the flow of specific ions into and out of cells when exposed to light with a specific wavelength. Depending on the type of ion channel, ion diffusion causes depolarization or hyperpolarization of cells, and in the case of nerve cells, excitation or suppression of nerve activity. When the photosensitized cells are exposed to incident light of an appropriate wavelength, an optically induced nerve signal is generated. The appropriate wavelength range depends on the specific photosensitive protein used. However, typically, incident light having a wavelength in the UV or visible range is used. In the present invention, the
상기 광섬유(200)의 예를 도 3에 나타내었다. 상기 광섬유는 유리나 플라스틱으로 만들어지며, 실제 빛이 전파되는 영역인 코어(Core)(201), 상기 코어를 둘러싸고 있는 것으로 빛을 코어에 가두는 도파관 (Wave guide)를 형성하는 역할을 하는 클래딩 (Cladding)(203)으로 이루어지는 것일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 광섬유(200)는 상기 클래딩(203) 없이 상기 코어(201)로만 이루어진 것을 사용할 수도 있다.An example of the
상기 광섬유(200)는 상기 투명 그래핀 신경전극(100)과의 접착을 위한 접착제층(202)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 접착제층(202)은 코어(201)를 물리적 또는 환경적 손상으로부터 보호하고 강도를 향상시키기 위한 피복 역할을 할 수도 있다. The
상기 접착제층(202)은 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(Polyimide) 및 실릴화폴리우레탄 (Silylated polyurethanes)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 실리콘계 고분자를 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 고분자는 높은 투명도, 생체적합성 등의 이유로 폴리디메틸실록산인 것이 가장 바람직하다.The
또한, 상기 광섬유(200)는 입력 광신호를 광섬유에 보내는 발광부(미도시) 및 상기 광섬유를 통과하여 출력 광신호의 광량을 측정하는 수광부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 발광부 및 상기 수광부는 광섬유(200)의 일단과 타단에 각각 형성될 수 있으며, 또는 광섬유(200)의 타단에 반사층을 형성하여 광신호가 반사될 수 있도록 함으로써 상기 발광부 및 상기 수광부를 광섬유(200)의 일단에 함께 형성할 수도 있다.In addition, the
상기 광섬유(200)는 직경이 50 마이크로미터 (㎛) 내지 1 밀리미터 (mm) 일 수 있다. 50 ㎛ 미만인 경우 얇은 두께로 인한 두뇌 내부 삽입 문제, 단선과 같은 신뢰성 문제가 있을 수 있고, 1 mm를 초과하는 경우 신경세포의 과도한 손상과 같은 문제가 있을 수 있다.The
상기 광섬유(200)는 단일 섬유로 사용할 수 있고, 또는 일련의 광섬유 다발을 사용할 수도 있다. The
한편, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)는 상기 투명 그래핀 신경전극(100)이 상기 광섬유(200)를 둘러싼 형태로 배치될 수 있다. 이 경우 상기 투명 그래핀 신경전극(100)이 상기 광섬유(200)의 상기 클래딩(203)으로서의 역할도 할 수 있기 때문에, 상기한 바와 같이 상기 광섬유(200)는 상기 코어(201)로만 이루어질 수 있다.Meanwhile, in the brain deep stimulation
도 4 및 도 5는 상기 투명 그래핀 신경전극(100)이 상기 광섬유(200)를 둘러싼 형태로 배치된 경우의 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)를 나타낸 도면이다. 이때, 상기 도 4와 같이, 상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 상기 전극 사이트(120)는 상기 광섬유(200)의 둘레부 위에 위치할 수도 있고, 상기 도 5와 같이, 상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 상기 전극 사이트(120)는 상기 광섬유(200)의 말단에 위치할 수도 있다.4 and 5 are diagrams illustrating the deep electrode stimulation
상기 전극 사이트(120)가 상기 광섬유(200)의 말단에 위치하는 경우에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 한쪽 끝 길이는 상기 광섬유(200)의 한쪽 끝 길이 보다 길고, 상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 한쪽 끝이 상기 광섬유(200)의 한쪽 끝을 향하여 접혀져 상기 투명 그래핀 신경전극(100)의 전극 사이트(120)의 일부 또는 전부가 상기 광섬유(200)의 한쪽 끝을 덮는 것일 수 있다. 이 경우 광섬유를 통한 광 자극 혹은 광신호 추출 부위와 투명 전극을 통한 전기적 신호 검출을 동일한 신경세포에서 수행 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 투명 전극 및 광섬유 말단에 위치한 신경세포에서 직접적으로 신호를 검출함으로써 투명전극의 사용 효과를 극대화 할 수 있다. 이는 투명 전극 대신 불투명 금속 전극을 사용할 경우와 대비해 보면 그 효과가 명확히 나타날 수 있다. When the
이하, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of detecting a nerve signal using the transparent electrode array for deep brain stimulation will be described in detail.
구체적으로, 상기 신경 신호 검출 방법은 전기적으로 활성인 생물학적 조직 상에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 삽입하는 단계; 및 전극 부위의 신경 조직에서 신경 세포에 의해 생성된 신경 반응을 기록하는 단계를 포함한다.Specifically, the method for detecting a nerve signal includes inserting the deep electrode stimulation transparent electrode array on an electrically active biological tissue; And recording the neural response produced by the nerve cells in the neural tissue at the electrode site.
상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)를 이용한 신경 신호 검출 방법은 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)는 투명한 특성을 나타내기 때문에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)가 뇌 심부에 삽입되어, 전기 생리학적 기록을 취하는 동안에도 상기 전극 사이트(120) 아래에 있는 조직을 영상화할 수 있다는 장점이 있다. 구체적으로, 조직의 이미지는 조직에 입사광을 향하게 하고, 투명 전극 사이트(120)를 통하여 조직으로부터 반사되어 투명 전극 사이트(120)를 통해 투과된 빛을 기록함으로써 얻어지는데, 복귀된 광은 조직에 의해 반사되거나 입사광에 응답하여 조직에 의해 방출되는 광일 수 있다. 상기 전기생리학과 함께 사용할 수 있는 이미징 기술은 형광 현미경과 광 간섭성 단층촬영(optical coherence tomography, OCT) 기술, 자기공명영상(Magnetic resonance imaging, MRI), 컴퓨터 단층촬영(Computed tomography, CT) 등 이 있다. 이때, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(1000)는 투명하여 상기 빛을 반사 또는 왜곡하지 않기 때문에 상기 이미징을 방해하지 않을 수 있다.In the method for detecting a nerve signal using the brain deep stimulation
상기 형광 현미경 검사에서, 조직은 형광성 바이오 마커로 표지된다. 이것은, 예를 들어, 조직을 관통하는 혈관 내로 형광 표지 프로브를 주입함으로써 달성 될 수 있다. 형광 물질을 유도하기에 적합한 파장을 갖는 입사광이 조직 상으로 유도되고 그 결과 형광은 형광 현미경과 같은 광 검출기에 의해 기록된다. 입사광에 대한 최적의 파장은 특정 형광단 및 여기 과정에 따라 달라진다. 전형적으로 입사 파장은 약 400 nm 내지 약 1800 nm의 범위의 파장을 포함한다. In the fluorescence microscopy, tissue is labeled with a fluorescent biomarker. This can be achieved, for example, by injecting a fluorescent labeled probe into the blood vessel penetrating the tissue. Incident light having a wavelength suitable for inducing a fluorescent substance is directed onto the tissue, and as a result, fluorescence is recorded by a photo detector such as a fluorescence microscope. The optimal wavelength for incident light depends on the specific fluorophore and excitation process. Typically incident wavelengths include wavelengths in the range of about 400 nm to about 1800 nm.
상기 광 간섭성 단층촬영 기술에서 이미징은 조직으로부터 후방 산란된 에코 시간 지연 및 강도를 측정함으로써 수행된다. 이와 같이, 광 간섭성 단층촬영 이미지는 단면 평면 또는 조직 부피에서의 광학 후방 산란의 차이를 나타낸다. 광 간섭성 단층촬영 이미징은 빛의 일부가 상이한 광학 특성을 갖는 구조물 및 상이한 구조물 사이의 경계로부터 후방 반사되는 조직 상으로 입사광의 빔을 지향시킴으로써 수행된다. In the optical coherence tomography technique, imaging is performed by measuring echo time delay and intensity backscattered from tissue. As such, optical coherence tomography images show differences in optical backscattering in the cross-section plane or tissue volume. Optical coherence tomography imaging is performed by directing a beam of incident light onto a structure where a portion of the light has different optical properties and a structure that is reflected back from the boundary between the different structures.
전형적으로, 입사광은 약 700 nm 내지 약 1 mm 범위의 파장을 갖는 전자기 스펙트럼의 적외선 영역 내의 파장을 갖는 단파광 또는 간섭 길이가 짧은 지속파 광이다. 조직의 여러 구조의 모양과 치수는 에코 측정을 통해 결정된다.Typically, the incident light is short-wave light having a wavelength in the infrared region of the electromagnetic spectrum having a wavelength in the range of about 700 nm to about 1 mm, or continuous wave light having a short interference length. The shape and dimensions of the various structures in the tissue are determined by echo measurements.
상기 자기공명 영상은 자기장 및 전기장을 사용하여 신체의 장기 이미지를 생성한다. 신체를 이루는 각 물질이 자기장에 반응하는 정도(자화율)가 다른점을 이용하여 영상으로 구분해 내는데, 그래핀을 이루는 탄소는 신체를 이루는 수분(H2O), 수소(H) 등과 자화율에서 큰 차이가 없어 MRI영상에서도 투명하게 나타난다. 반면 대부분의 금속은 자화율이 크기 때문에 MRI영상에서 큰 이미지 왜곡을 가져온다. The magnetic resonance image generates a long-term image of the body using a magnetic field and an electric field. Degree to which the respective material of the body in response to a magnetic field (magnetic susceptibility) is naeneunde distinguish the image using the difference, So carbon forming the pin constituting the body water (H 2 O), hydrogen (H) as large in magnetic susceptibility There is no difference, so it appears transparently on MRI images. On the other hand, most metals have large susceptibility, resulting in large image distortion in MRI images.
상기 컴퓨터 단층촬영 기술은 X-선 측정 값을 컴퓨터로 처리 한 조합을 사용하여 특정 영역에 단층 이미지를 생성함으로써 생체 내부를 볼 수 있게 한다. MRI영상화 유사하게 그래핀을 이루는 탄소 성분은 X-선에 대한 반응이 생체 구성 요소와 비슷하여 금속과 달리 영상 왜곡을 최소화 할 수 있다. The computed tomography technology allows to view the inside of a living body by generating a tomography image in a specific area using a combination of computerized X-ray measurement values. Similar to MRI imaging, the carbon component constituting graphene has a response to X-rays similar to a biological component, and thus, unlike metals, image distortion can be minimized.
본 발명에 따른 투명하고 간섭이 작은 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법을 이용하여 본 발명은 신경 질환과 연관된 환자 및 병원뿐만 아니라 두뇌 및 신경과학 연구자들에게 새로운 연구 도구를 제공할 수 있고, 척추, 관절, 근육 등 다양한 신체 부위에 적용이 가능하여 향후 시신경 검사 센서, 당뇨 측정 센서, 신경전달물질 센서 연구 등으로의 응용이 가능하다. The present invention provides a new research tool for brain and neuroscience researchers as well as patients and hospitals associated with neurological diseases by using a transparent and low-interference brain deep stimulation transparent electrode array and a method for detecting neural signals using the same according to the present invention It can be applied to various parts of the body, such as the spine, joints, and muscles, so it can be applied to future optic nerve sensor, diabetes measurement sensor, and neurotransmitter sensor research.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
[제조예 1: 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 제조][Production Example 1: Preparation of deep electrode stimulation transparent electrode array]
하기 표 1의 재료를 이용하여 하기의 실시예 및 비교예에 따른 전극 사이트를 제조하였다. 제조된 전극 사이트를 이용하여 도 2의 뇌 심부 자극 전극 어레이를 제조하였다. 광섬유를 포함하는 실시예 1은 도 4에 도시된 바와 같다. Electrode sites according to the following examples and comparative examples were prepared using the materials shown in Table 1 below. The brain deep stimulation electrode array of FIG. 2 was manufactured using the prepared electrode site. Example 1 including the optical fiber is as shown in FIG. 4.
(두께)Electrode site material
(thickness)
(100㎛)tungsten
(100㎛)
(50㎛)tungsten
(50㎛)
(100㎛)platinum
(100㎛)
(127㎛)Platinum-iridium
(127㎛)
[실험예 1: 가상 두뇌 및 동물 실험][Experimental Example 1: Virtual brain and animal experiment]
주입된 신경 전극에 의한 MRI 영상 왜곡을 평가하기 위하여 아가로스 겔을 이용한 가상 두뇌(Phantom brain)를 만들어 MRI 연구를 수행하였다. 가상 두뇌에 상기 제조예 1에서 제조한 전극 어레이를 주입하여 자화율에 따른 MRI 영상 왜곡 정도의 차이를 비교하여 도 6 및 7에 나타내었다. In order to evaluate the distortion of the MRI image by the injected neural electrode, a virtual brain using an agarose gel was created and an MRI study was performed. Injecting the electrode array prepared in Preparation Example 1 into the virtual brain, and comparing the difference in the degree of distortion of the MRI image according to the susceptibility are shown in FIGS. 6 and 7.
도면을 살펴보면, 기존 신경전극으로 많이 사용되는 텅스텐(비교예 1, 2), 백금(비교예 3), 백금-이리늄(비교예 4) 등과 비교 했을 때 그래핀과 광섬유의 조합(실시예 1)은 1.5T MRI영상에서 거의 보이지 않을 정도로 영상 왜곡이 없음을 확인할 수 있었다. 이는 그래핀 투명 전극-광섬유 조합의 광학적, 전기적 신호 검출 능력에 더해 저왜곡 의료영상을 제공함으로써 정밀한 의료진단에 도움될 것으로 예상된다. Looking at the drawing, the combination of graphene and optical fiber compared to tungsten (Comparative Example 1, 2), platinum (Comparative Example 3), and platinum-irinium (Comparative Example 4), which are frequently used as existing neural electrodes (Example 1) ) Was found to be almost invisible in the 1.5T MRI image and there was no image distortion. This is expected to assist in precise medical diagnosis by providing low distortion medical images in addition to the optical and electrical signal detection capabilities of the graphene transparent electrode-optical fiber combination.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
1000: 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이
100: 투명 그래핀 신경전극
110: 기판 120: 전극 사이트
121: 그래핀 시트 130: 전기전도성 콘택트
140: 인터커넥터 141: 전극 사이트 전기신호 전달 회로
142: 콘택트 전기신호 전달 회로 150: 오버레이어
200: 광섬유
201: 코어 202: 접착제층
203: 클래딩 1000: brain deep stimulation transparent electrode array
100: transparent graphene neural electrode
110: substrate 120: electrode site
121: graphene sheet 130: electrically conductive contact
140: interconnector 141: electrode site electrical signal transmission circuit
142: contact electrical signal transmission circuit 150: overlay
200: optical fiber
201: core 202: adhesive layer
203: cladding
Claims (7)
상기 투명 그래핀 신경전극은 생체적합성 유전체 기판, 상기 기판 위의 한쪽에 배치되며 그래핀 시트를 포함하는 복수의 전극 사이트, 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트, 및 상기 전극 사이트와 콘택트를 연결하는 전기전도성 인터커넥터를 포함하는 것이며,
상기 투명 그래핀 신경전극의 한쪽 끝 길이는 상기 광섬유의 한쪽 끝 길이 보다 길고,
상기 투명 그래핀 신경전극의 한쪽 끝이 상기 광섬유의 한쪽 끝을 향하여 접혀져 상기 투명 그래핀 신경전극 전극 사이트의 일부 또는 전부가 상기 광섬유의 한쪽 끝을 덮는 것인
뇌 심부 자극 투명 전극 어레이.Transparent graphene nerve electrode; And includes fiber optics,
The transparent graphene neural electrode is a biocompatible dielectric substrate, a plurality of electrode sites disposed on one side of the substrate and including a graphene sheet, a plurality of electrically conductive contacts disposed on the other side of the substrate, and the electrode site And an electrically conductive interconnector connecting the contact with the
The length of one end of the transparent graphene neural electrode is longer than the length of one end of the optical fiber,
One end of the transparent graphene neural electrode is folded toward one end of the optical fiber so that some or all of the transparent graphene neural electrode site covers one end of the optical fiber.
Deep electrode stimulation transparent electrode array.
상기 광섬유는 상기 투명 그래핀 신경전극의 기판 아래에 접합되는 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이.According to claim 1,
The optical fiber is a transparent electrode array for deep brain stimulation that is bonded under the substrate of the transparent graphene neural electrode.
상기 투명 그래핀 신경전극은 상기 광섬유를 둘러싼 형태로 배치되는 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이.According to claim 1,
The transparent graphene neural electrode is a deep electrode stimulation transparent electrode array arranged in a form surrounding the optical fiber.
상기 투명 그래핀 신경전극과 상기 광섬유는 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(Polyimide) 및 실릴화폴리우레탄 (Silylated polyurethanes)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 접착제에 의하여 접착되는 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이.According to claim 1,
The transparent graphene neural electrode and the optical fiber are brain stimuli that are adhered by any one adhesive selected from the group consisting of polydimethylsiloxane, polyimide, and silylated polyurethanes. Transparent electrode array.
전기적으로 활성인 생물학적 조직 상에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 삽입하는 단계; 및
전극 부위의 신경 조직에서 신경 세포에 의해 생성된 신경 반응을 기록하는 단계를 포함하는
뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법.The method of claim 6,
Inserting the brain deep stimulation transparent electrode array on an electrically active biological tissue; And
Recording a nerve response produced by a nerve cell in a nerve tissue at the electrode site
Neural signal detection method using transparent electrode array for deep brain stimulation.
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Title |
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DW Park et. al., Graphene-based carbon-layered electrode array technology for neural imaging and optogenetic applications, Nat. Comm( 2014.10. 20. 발행) 1부.* |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022203118A1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-09-29 | 연세대학교 산학협력단 | Multi-channel array element using graphene composite electrode for brain insertion |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20200016102A (en) | 2020-02-14 |
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