KR102231678B1 - 정전류 제어 회로를 포함하는 경두개 전기자극 장치 - Google Patents

정전류 제어 회로를 포함하는 경두개 전기자극 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경두개 전기자극(TES; Transcranial Electro Stimulation) 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 가변 저항을 이용하여 정전류를 제어하는 회로를 포함하는 전기자극(TES; Transcranial Electro Stimulation) 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 경두개 전기자극 장치는 정전류를 출력하는 적어도 하나의 정전류원을 포함하는 정전류 발생기, 적어도 하나의 정전류원 중 제1 정전류원과 연결되는 제1 전류 제어 회로 및 제어부를 포함하고, 제1 전류 제어 회로는 정전류에 대응하는 제1 전압을 생성하기 위한 제1 가변 저항부, 제1 전압이 비반전 입력 단자에 인가되고, 반전 입력 단자에 피드백 전압이 인가되는 연산 증폭기 및 피드백 전압이 인가되는 제2 가변 저항부를 포함한다.

Description

정전류 제어 회로를 포함하는 경두개 전기자극 장치{Transcranial Electro Stimulation Apparatus Comprising Constant Current Control Circuit}
본 발명은 경두개 전기자극(TES; Transcranial Electro Stimulation) 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 가변 저항을 이용하여 정전류를 제어하는 회로를 포함하는 전기자극(TES; Transcranial Electro Stimulation) 장치에 관한 것이다.
경두개 전기 자극법(tES: transcranial electrical stimulation)을 이용한 뇌 전기 자극 기술은 비침습식 두뇌자극술 가운데 하나로써, 인지 능력 향상이나 우울증, ADHD(Attention Deficit Hyperactivity Disorder), 간질, 치매, 수면장애 등 다양한 뇌신경 질환 치료에 효과가 있는 것으로 알려져 있어 이와 관련된 많은 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 경두개 전기 자극법(tES)은 경두개 직류 자극법(tDCS; transcranial direct current stimulation), 경두개 교류 자극법(tACS; transcranial alternating current stimulation) 및 경두개 랜덤 노이즈 자극법(tRNS; transcranial random noise stimulation) 등이 있다.
특히, 경두개 직류 자극(tDCS) 장치를 이용하여 뇌를 자극하는 방법은, 직류 전류를 발생시키는 경두개 직류 자극(tDCS) 장치에 양극 전극(Anode)과 음극 전극(Cathode)을 연결하여, 양극 전극(Anode)에 전류를 주입하면 전류는 대뇌를 거처 음극 전극(Cathode)으로 다시 들어오게 된다.
이 경우, 양극 전극(Anode)에서부터 음극 전극(Cathode)으로 전류가 흐르며 대뇌를 자극하는데, 치료 방법에 따라 전기자극 방향을 바꿀 필요도 있다.
종래 경두개 직류 자극(tDCS) 장치를 사용하는 경우, 전극모드를 변경하기 위해서는 임의적으로 전극이 두피에 부착되어 있는 위치를 바꾸거나, 전극의 연결단자를 음극에서 양극으로 바꿔야하는 불편함이 있었다.
한편, 종래 기술의 경우, 캐소드 전극(Cathode)이 그라운드(GND)로 바로 연결되기 때문에, 다채널 캐소드(Cathode) 전극의 경우 각각의 캐소드(Cathode) 전극에 흐르는 전류량을 제어하기 어렵다는 문제가 있어왔다. 이에 따라, 그라운드(GND)의 전류를 제한하거나 특정 전류의 양만을 캐소드(Cathode) 전극에 흐르지 않게 하는 방법을 이용하여 왔다.
또한, 종래 기술의 경우 전류를 제한하기 위한 정전류를 발생시키기 위한 모듈이 각각 병렬로 연결되어, 모듈수가 지나치게 많아질 수 있다는 단점이 있다. 이로 인하여 휴대용 장치, 웨어러블 장치 등에 적용하기 위한 소형화가 어려우며, 높은 비용이 소모된다는 문제점이 있어왔다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0047056호(2017.05.04)
본 발명은 상술한 필요성에 따른 것으로, 정전류 제어 회로를 포함하는 경두개 전기자극 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 애노드(anode) 전극뿐만 아니라 캐소드(cathode) 전극의 전류를 제어하기 위해 가변 저항을 이용함으로써, 모듈의 수를 줄이는 회로를 포함하는 경두개 전기자극 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 경두개 전기자극(TES; Transcranial Electrical Stimulation) 장치는, 정전류를 출력하는 적어도 하나의 정전류원을 포함하는 정전류 발생기; 상기 적어도 하나의 정전류원 중 제1 정전류원과 연결되는 제1 전류 제어 회로; 및 제어부;를 포함하고, 상기 제1 전류 제어 회로는 상기 정전류에 대응하는 제1 전압을 생성하기 위한 제1 가변 저항부; 상기 제1 전압이 비반전 입력 단자에 인가되고, 반전 입력 단자에 피드백 전압이 인가되는 연산 증폭기; 및 상기 피드백 전압이 인가되는 제2 가변 저항부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 가변 저항부를 통해 출력되는 제1 전류를 조절하기 위해 상기 제1 가변 저항부 및 상기 제2 가변 저항부의 저항값을 제어한다.
또한, 상기 경두개 전기자극 장치는 상기 적어도 하나의 정전류원 중 제2 정전류원과 연결되는 제2 전류 제어 회로;를 더 포함한다.
또한, 상기 피드백 전압은 가상 단락 원리에 의해 상기 제1 전압과 동일한 것일 수 있다.
또한, 상기 경두개 전기자극 장치는 입출력 모듈; 및 적어도 하나의 전극부;를 더 포함하고, 상기 입출력 모듈은, 상기 제어부로부터 제1 모드에 대응되는 전극모드신호를 수신하면, 제1 자극 전류를 상기 적어도 하나의 전극부 중 제1 모드로 설정된 적어도 하나의 전극부로 출력하고, 상기 제어부로부터 제2 모드에 대응되는 전극모드신호를 수신하면, 상기 적어도 하나의 전극부 중 제2 모드로 설정된 적어도 하나의 전극부로부터 전극수신 전류를 입력받아 접지할 수 있다.
이때, 상기 제1 자극 전류는 상기 정전류 및 상기 제1 전류를 더한 전류이고, 상기 전극수신 전류는 상기 제2 모드로 설정된 전극부를 제외한 전극부 중 적어도 하나의 전극부로 기출력된 제2 자극 전류일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 모드 변환(Anode/Cathode)이 가능한 경두개 전기자극 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 전극에 출력되는 전류를 가변 저항을 기반하여 디지털 방식으로 제어하는 회로를 구성하여 높은 정밀도로 경두개 전기자극이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명은 양방향 무선통신을 통하여 제어됨으로 사용자 편의성이 극대화될 수 있다.
또한, 본 발명은 fNRIS((functional Near-Infrared Spectroscopy) 방법과 같은 비침습적인 뇌기능 계측 시스템과 연동될 수 있고, 이를 통해 측정된 뇌 혈류 정보를 기초로 전기자극의 강도 및 뇌 자극 영역의 변화, 자극 극성의 변환 등의 패턴을 실시간으로 반영하는 시스템을 제공할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 경두개 전기자극 장치의 구성요소를 설명하기 위한 간단한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 출력 설정부의 구성요소를 설명하기 위한 간단한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극부에 대응되는 전극 출력 설정부가 애노드 모드로 설정된 경우, 다채널 경두개 전기자극(tES) 장치가 동작하는 방법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극부에 대응되는 전극 출력 설정부가 캐노드 모드로 설정된 경우, 다채널 경두개 전기자극(tES) 장치가 동작하는 방법을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈을 구성하는 구성요소를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 채널 소스 모듈을 설명하기 위한 회로도이다.
이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 개시의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 개시의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 개시의 다양한 실시예에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 다양한 실시예에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 개시의 다양한 실시예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않으며, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 개시의 실시 예에서 "모듈", "유닛", "부(part)" 등과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하는 구성요소를 지칭하기 위한 용어이며, 이러한 구성요소는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 "모듈", "유닛", "부(part)" 등은 각각이 개별적인 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 경우를 제외하고는, 적어도 하나의 모듈이나 칩으로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 다양한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 경두개 전기자극 장치의 구성요소를 설명하기 위한 간단한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 경두개 전기자극 (tES) 장치는 전극 출력 설정부(100), 전력부(110), 전극부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
이때, 복수의 전극 출력 설정부(100)는 각각의 전극부(120)에 일대일로 대응될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 출력 설정부(100)는 적어도 하나의 전극부(120)의 개수와 동일한 개수로 구현될 수 있다.
이하 설명에서는, 복수의 전극부(120) 중 어느 하나의 전극부에 대한 전극모드 설정과 전류 제어를 위하여 이에 대응되는 어느 하나의 전극 출력 설정부(100)를 전제로 설명하고 있으나, 나머지 전극부(120)에 대응되는 나머지 전극 출력 설정부(100)에 관하여도 이하 설명은 동일하게 적용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 경두개 전기자극(tES) 장치의 전극 출력 설정부(100)는 제어부(130)로부터의 제어신호를 기초로 상기 제어신호에 대응되는 출력 전류를 전극부(120)에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어신호는 전극부(120)의 일련번호, 각 전극부(120)에 대한 자극 전류의 전류량 및 각 전극부(120)의 전극모드 정보를 포함할 수 있다. 이때, 제어신호는 자극 전류의 전류량을 결정하기 위해, 전극 출력 설정부(100)에 포함된 적어도 하나의 가변 저항의 저항값을 제어할 수 있으나, 이에 대하여 추후에 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 출력 설정부(100)는 전력부(110)로부터 구동신호를 수신하여 전극부(120)에 전류를 출력할 수 있다. 또한, 전극 출력 설정부(100)는 전극부(120)로부터 입력된 자극 신호에 기초하여 접지 신호를 전력부(110)에 입력할 수 있다. 이에 대해, 추후에 설정하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(130)는 소스 모듈(300)에 포함된 가변 저항부의 저항값을 제어한다. 이에 대하여 추후에 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 출력 설정부의 구성요소를 설명하기 위한 간단한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 전극 출력 설정부(100)는 입출력 모듈(200) 및 소스 모듈(300)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입출력 모듈(200)은 전극모드 신호를 포함하는제어신호에 대응하는 신호를 소스 모듈(300)에 전송할 수 있다. 이때, 전극모드 신호는 애노드(Anode) 모드 신호와 캐소드(Cathode) 모드 신호를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈(300)은 애노드 모드 신호에 대응하는 신호를 수신하면, 전극부(120)에 제1 자극 전류를 출력할 수 있다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈(300)은 캐소드 모드 신호를 수신하면, 전극부(120)로부터 제2 자극 전류를 입력받을 수 있다. 이때, 자극 전류는 대뇌를 거쳐 자극하는 전류이며, 제1 자극 전류는 복수의 소스 모듈(300) 중 해당 소스 모듈(300)이 생성하는 자극 전류일 수 있고, 제2 자극 전류는 복수의 소스 모듈(300) 중 해당 소스 모듈(300)이 아닌 소스 모듈(300)이 생성하는 자극 전류일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드 모드에서는 다채널 경두개 전기 자극(tES) 장치로부터 인체에 부착된 전극부(120) 방향으로 전류가 출력될 수 있고, 캐소드 모드에서는 인체에 부착된 전극부(120)로부터 다채널 경두개 직류 자극(tES) 장치 방향으로 전류가 입력될 수 있다.
예컨대, 전극모드 신호가 애노드 모드인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈(300)은 전력부(110)로부터 공급되는 구동신호(input)를 기초로 제1 자극 전류(output)를 전극부(120)로 출력할 수 있다. 전극모드신호가 캐소드 모드인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈(300)은 전극부(120)로부터 제2 자극 전류(input)를 입력받고, 자극 전류를 접지시키기 위한 접지 신호(output)를 전력부(110)로 출력할 수 있다. 입출력 모듈(200) 및 소스 모듈(300)을 포함하는 경두개 전기자극 장치(10)의 구동 방법에 관하여는 도 3 및 도 4에서 보다 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 전기자극 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 전극부(120-1)는 전두엽이 위치한 이마에 부착하고 제2 전극부(120-2)는 후두엽이 위치한 뒤통수에 부착될 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하고, 전극부(120)는 2개 이상의 다채널 전극부로 구현될 수 있음은 물론이다.
특히, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극부(120-1)에 대응되는 전극 출력 설정부(100)가 애노드 모드로 설정된 경우, 다채널 경두개 전기자극 (tES) 장치(10)가 동작하는 방법을 도시하며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극부(120-2)에 대응되는 전극 출력 설정부(100)가 캐노드 모드로 설정된 경우, 다채널 경두개 전기자극 (tES) 장치(10)가 동작하는 방법을 도시한다.
이때, 제1 전극부(120-1) 및 제2 전극부(120-2)는 제어부(130)에 의해 설정된 출력가능한 최대 전류값이 입출력되어 전극으로써 역할을 수행할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 경두개 전기자극 장치(10)의 전류출력 설정부(100)는 입출력 모듈(200) 및 소스 모듈(300)을 포함할 수 있다.
전극 출력 설정부(100)는 제어부(130)로부터 애노드 모드에 대응되는 제어신호(a11)를 수신할 수 있다. 마찬가지로 전력부(110)는 제어부(130)로부터 애노드 모드에 대응되는 제어신호(a12)를 수신할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모드 신호를 포함하는 제어신호(a11)는 입출력 모듈(200)의 스위치 기능을 제어하기 위한 신호일 수 있다. 즉, 전극모드 신호가 애노드 모드 신호일 때는 입출력 모듈(200)은 전력부(110)로부터 제공되는 구동신호(a2)를 입력으로 받아들이고, 제1 전극부(120-1)로 제공되는 자극전류(a5)를 출력으로 보내도록 제어될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극모드 신호가 출력되는 제어부(130)는 입출력 모듈(200)의 스위치 기능을 제어하기 위하여 IO 포트 확장 IC인 GPIO (General-purpose input/output) expander로 구현될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 구체적으로, 애노드 모드로 설정된 전극 출력 설정부(100)는 전력부(110)로부터 수신한 구동신호(a2)를 입력(input)으로 하여 제1 전극부(120-1)에 제1 자극전류를 흐르게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입출력모듈(200)은 제어부(130)로부터 애노드 모드 신호를 포함하는 제어 신호(a11) 및 전력부(110)로부터 구동신호(a2)를 입력받으면, 소스 모듈(300)에 이에 대응되는 신호(a3)를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈(300)은 상기 신호(a3)를 수신하면 상기 제어부(130)에서 설정된 전류(a4)를 출력할 수 있다. 모듈(300)에서 출력된 전류(a4)는 입출력 모듈(200)에 피드백되어 애노드로 설정된 제1 전극부(120-1)로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입출력 모듈(200)은 디지털 스위치로 구현되나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 소자에 의해 구동될 수도 있다. 입출력모듈(200)은 입력에 대한 스위치 기능을 수행하기 때문에, 입력값과 출력값이 동일하게 유지되는 특성을 지닌다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 소스 모듈(300)에서 출력된 전류(a4)가 500mA인 경우, 애노드로 설정된 제1 전극부(120-1)으로 500mA가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈(300)은 전류 제한기로 구현될 수 있으며, 제어부(130)로부터 수신되는 제어신호(a11)에 의하여 출력 전류값이 결정될 수 있다. 이에 대해 자세한 내용은 도 5 내지 도 6을 통해 설명하기로 한다.
한편, 소스 모듈(300)은 입출력 모듈(200)에 연결되어 소스 모듈(300)에서 출력되는 전류(a4)는 입출력 모듈(300)의 입력단으로 피드백되어 최종적으로 애노드 전극으로 설정된 제1 전극부(120-1)에 흐르게 된다.
도 4를 참조하면, 전극 출력 설정부(100)는 제어부(130)로부터 캐노드 모드에 대응되는 제어신호(b1)를 수신할 수 있다.
캐소드 모드로 설정된 전극 출력 설정부(100)는 제2 전극부(120-2)로부터 수신한 제2 자극 전류(b2)를 입력(input) 받을 수 있고, 제2 자극 전류(b2)는 전력부(110)를 통해 접지(GND)될 수있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 입출력모듈(200)은 제어부(130)로부터 캐소드 모드 신호를 포함하는 제어신호(b1)를 수신하면, 캐소드로 설정된 제2 전극부(120-2)로부터 제2 자극 전류(b2)를 입력받을 수 있고, 이에 대응하는 신호(b3)를 소스 모듈(300)에 출력할 수 있다.
구체적으로 소스 모듈(300)이 제어 신호(b1)에 의하여 결정된 전류값을 출력하도록 설정되면, 입출력 모듈(300)에서부터 소스모듈(300)로 입력되는 전류(b3)도 동일한 전류값을 가지도록 설정될 수 있다. 그리고 입출력 모듈(300)의 스위치 기능에 의하여 입출력 모듈(300)의 입력단에 입력되는 제2 자극 전류(b2)도 입출력 모듈(200)에서부터 소스 모듈(300)로 입력되는 전류(b3)와 동일한 전류값을 가지게 된다.
즉, 캐소드로 설정된 제2 전극부(120-2)는 소스 모듈(300)에서 설정한 전류가 흐르는데, 다시 말해서, 소스모듈(300)에서 설정한 전류값으로 경두개 전기자극 장치(10)의 전류가 제한될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 경두개 전기자극 장치(10)는 제1 전극부(120-1)를 캐소드 전극으로 변경하고, 제2 전극부(120-2)를 애노드 전극으로 변경함으로써, 각각의 전극에 대응되는 전극 출력 설정부(100)의 전극모드를 전환시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 경두개 전기자극 장치(10)에 의하면, 전극의 물리적인 위치를 변경시키지 않고도 전극의 모드를 변경시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 모듈을 구성하는 구성요소를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 소스 모듈(300)은 적어도 하나의 정전류원(311)을 포함하는 정전류 발생기(310) 및 정전류원(311)과 연결되는 제1 전류 제어 회로를 포함할 수 있다. 이때 제1 전류 제어 회로는 제1 가변 저항부(320), 연산 증폭기(OP-amp, 330), 트랜지스터(340) 및 제2 가변 저항부(350)를 포함할 수 있다.
이때, 정전류 발생기(310)는 REF200 소자, 제1 가변 저항부(320)는 DS1804 소자, 연산 증폭기(330)는 OPA602 소자, 트랜지스터(340)는 2N4341 소자일 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
도 5를 참조하면, 정전류 발생기(310)의 제1 단은 상기 제1 전류 제어 회로의 하이(HIGH) 단에 연결될 수 있고, 정전류 발생기(310)의 제2 단은 제1 가변 저항부(320)의 제1 단에 연결될 수 있다. 상기 제1 전류 제어 회로의 하이(HIGH) 단은 정전류 발생기(310)의 제1 단뿐만 아니라 트랜지스터(340)의 드레인(drain) 단에 연결될 수 있다.
한편, 정전류 발생기(310)의 제2 단 및 제1 가변 저항부(320)의 제1 단은 연산 증폭기(330)의 비반전 입력 단자에 연결될 수 있다.
연산 증폭기(330)의 출력 단자는 트랜지스터(340)의 게이트(gate) 단에 연걸될 수 있다. 연산 증폭기(330)의 반전 입력 단자는 트랜지스터(340)의 소스(source) 단에 연결될 수 있고, 트랜지스터(340)의 소스(source) 단은 제2 가변 저항부(350)의 제1 단에 연결될 수 있다.
제1 가변 저항부(320)의 제2 단 및 제2 가변 저항부(350)의 제2 단은 상기 제1 전류 제어 회로의 로우(LOW) 단에 연결될 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제1 전류(i1)는 정전류 발생기(310)를 통해 생성되는 정전류(constant current)일 수 있고, 제2 전류(i2)는 제1 가변 저항부(320)의 제2 단에서 출력되어 로우(LOW)단으로 흐르는 전류일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전류(i1) 및 제2 전류(i2)는 동일한 값일 수 있다.
제3 전류(i3)는 하이(HIGH) 단에 입력되는 전류(예를 들면, 제2 자극 전류) 중 적어도 일부일 수 있다. 제4 전류(i4)는 연산 증폭기(330)의 반전 입력 단자에 인가되는 제2 전압 및 제2 가변 저항부(350)의 저항 값에 대응되어 인가되는 전류일 수 있다. 제5 전류(i5)는 트랜지스터(340)의 소스(source) 단에서 최종적으로 흘러나오는 전류를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전류 제어 회로의 출력 전류(Iout)는 제2 전류(i2) 및 제5 전류(i5)를 더한 전류 값일 수 있다.
상술한 바와 같이, 정전류 발생기(310)의 정전류원(311)은 정전류(constant current)인 제1 전류(i1)를 출력할 수 있다. 한편, 제1 가변 저항부(320)는 제어부(130)의 제어신호에 응답하여 제1 저항값을 변경할 수 있다.
제1 가변 저항부(320)의 제1 저항값이 증가하면, 상기 제1 지점(A)에 상기 제1 전류(i1)와 제1 저항값에 대응하는 제1 전압이 인가될 수 있다. 즉, 제1 지점(A)에 인가되는 제1 전류(i1)는 정전류이기 때문에, 제1 가변 저항부(320)의 제1 저항값이 증가함에 대응하여 상기 제1 전압이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전압은 연산 증폭기(330)의 비반전 입력 단자에 인가될 수 있다.
한편, 연산 증폭기(330)의 반전 입력 단자에 인가되는 피드백 전압은 가상 단락 원리에 의해 상기 제1 전압과 동일할 수 있다. 즉, 제2 지점(B)에 인가되는 피드백 전압(제2 전압)은 제1 지점(A)에 인가되는 제1 전압과 동일할 수 있다.
연산 증폭기(330)의 출력 단자는 제3 지점(C)에 출력 전압을 인가할 수 있다. 상기 출력 전압(제3 전압)은 트랜지스터(340)의 게이트 단에 인가될 수 있고, 트랜지스터(340)를 온/오프할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제5 전류(i5)는 제2 전압과 제2 가변 저항부(350)의 저항 값을 기초로 변경될 수 있다. 제2 전압은 제1 가변 저항부(320)의 저항 값을 기초로 변경될 수 있다. 즉, 제5 전류(i5)는 제1 가변 저항부(320) 및 제2 가변 저항부(350)의 저항 값을 변경함으로써 조절할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 제1 전류 제어 회로의 출력 전류(Iout)는 제2 전류(i2) 및 제5 전류(i5)를 더한 전류 값일 수 있다. 이때, 제2 전류(i2)는 정전류 발생기(310)에서 출력되는 정전류 값(예로, 0.1mA)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 제어신호를 통해 제1 가변 저항부(320) 및 제2 가변 저항부(350)의 저항 값을 변경함으로써 자극 전류의 최소 및 최대 전류량을 조절할 수 있다. 즉, 제1 전류 제어 회로의 출력 전류(Iout)는 제어부(130)로부터의 제어 신호에 응답하여 제1 가변 저항부(320) 및 제2 가변 저항부(350)의 저항 값을 변경함으로써 조절할 수 있다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 가변 저항부(350) 저항값 별 출력 전류 Iout의 최소(min) 및 최대 값(max)을 예시적으로 도시한 표이다. 이때, 제1 가변 저항부(320)는 최대 50k Ω까지 변경 가능하다.
제2 가변 저항부 저항 값 Iout(min) Iout(max)
470Ω 0.1mA 4.25mA
510Ω 0.1mA 3.92mA
620Ω 0.1mA 3.24mA
750Ω 0.1mA 2.68mA
820Ω 0.1mA 2.45mA
910Ω 0.1mA 2.22mA
1.1kΩ 0.1mA 1.85mA
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 가변 저항부(320)가 50kΩ일 때, 출력 전류 Iout는 최대(max)일 수 있고, 제1 가변 저항부(320)가 0Ω일 때, 출력 전류 Iout는 최소(min)일 수 있다.
예를 들어, 제1 가변 저항부(320)의 저항 값이 0Ω이면, 제1 지점(A)의 제1 전압은 0V이고, 마찬가지로 제2 전압도 0V일 수 있다. 즉, 제3 전류(i3), 즉 제2 자극 전류의 유입이 없는 경우, 제1 가변 저항부(320)는 단락(short)된 상태와 마찬가지가 되며, 출력 전류 Iout = 제2 전류(i2) = 제1 전류(i1) = 정전류(0.1mA)의 관계가 성립될 수 있다.
제1 가변 저항부(320)의 저항 값이 0Ω에서부터 점진적으로 증가하는 경우, 제1 전압 및 제2 전압이 증가하고, 이에 대응하여 제4 전류(i4) 및 Iout도 증가할 수 있다. 또한, 제2 가변 저항부(350)의 저항 값이 낮은 값에서부터 높은 값으로 점진적으로 증가하는 경우, 이에 대응하여 제5 전류(i5) 및 Iout은 감소할 수 있다.
한편, 이 경우, 제1 가변 저항부(320)의 저항 값이 증가함에 따른 Iout 값의 증가량과 제2 가변 저항부(350)의 저항 값이 증가함에 따른 Iout 값의 감소량은 전류 제어 회로의 구성 및 소자 스펙(spec) 상 상이하게 구현될 수 있다.
즉, 본 발명의 전류 제어 회로는 적어도 하나의 가변 저항의 저항 값을 조절함으로써 출력 전류를 높은 분해능으로 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 전극에 출력되는 전류를 가변 저항을 기반하여 디지털 방식으로 제어하는 회로를 구성하여 높은 정밀도로 경두개 전기자극이 가능할 수 있다.
나아가, 본 발명의 전류 제어 회로는 가변 저항을 이용함으로써, 특정 값(예로 0.1mA)의 정전류를 발생시키는 정전류원만으로도 다양한 분해능의 출력 전류를 구현할 수 있다. 이는 정전류원을 발생시키기 위한 모듈의 수를 대폭적으로 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 채널 소스 모듈을 설명하기 위한 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류 발생기(310)는 2개의 정전류원(311, 312)을 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 정전류 발생기(310)는 2개 이상의 정전류원을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 전류 제어 회로는 제1 정전류원(311)에 연결될 수 있고, 제2 전류 제어 회로는 제2 정전류원(312)에 포함될 수 있다. 이때, 제1 전류 제어 회로는 제1 가변 저항부(320), 연산 증폭기(OP-amp, 330), 트랜지스터(340) 및 제2 가변 저항부(350)를 포함하는 전류 제어 회로일 수 있고, 제2 전류 제어 회로는 제1 가변 저항부(321), 연산 증폭기(OP-amp, 331), 트랜지스터(341) 및 제2 가변 저항부(351)를 포함하는 전류 제어 회로일 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 전류 제어 회로의 출력 전류(Iout1)는 제1 가변 저항부(320) 및 제2 가변 저항부(350)의 저항 값을 변경함으로써 조절할 수 있으며, 마찬가지로 제2 전류 제어 회로의 출력 전류(Iout2)는 제1 가변 저항부(321) 및 제2 가변 저항부(351)의 저항 값을 변경함으로써 조절할 수 있다.
즉, 도 6의 실시예에 따르면, 본 발명의 경두개 전기자극 장치(10)는 하나의 정전류 발생기(310)만으로 2 채널 이상의 전류 제어 회로를 구현할 수 있기 때문에 필요한 모듈의 수를 줄일 수 있다는 효과가 있다.
나아가, 본 실시예에 따르면, 2 채널 이상의 전류 제어 회로를 구현함과 동시에 가변 저항을 추가적으로 이용함으로써 정전류원을 발생시키기 위한 모듈의 수를 대폭적으로 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 양방향 무선통신을 통하여 제어됨으로 사용자 편의성이 극대화될 수 있다. 또한, 본 발명은 fNRIS((functional Near-Infrared Spectroscopy) 방법과 같은 비침습적인 뇌기능 계측 시스템과 연동될 수 있고, 이를 통해 측정된 뇌 혈류 정보를 기초로 전기자극의 강도 및 뇌 자극 영역의 변화, 자극 극성의 변환 등의 패턴을 실시간으로 반영하는 시스템을 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 경두개 전기자극 장치
100: 전극 출력 설정부
110: 전력부
120: 전극부
130: 제어부
200: 입출력 모듈
300: 소스 모듈

Claims (5)

  1. 경두개 전기자극(TES; Transcranial Electrical Stimulation) 장치에 있어서,
    정전류를 출력하는 적어도 하나의 정전류원을 포함하는 정전류 발생기;
    상기 적어도 하나의 정전류원 중 제1 정전류원과 연결되는 제1 전류 제어 회로; 및
    제어부;를 포함하고,
    상기 제1 전류 제어 회로는 상기 정전류에 대응하는 제1 전압을 생성하기 위한 제1 가변 저항부; 상기 제1 전압이 비반전 입력 단자에 인가되고, 반전 입력 단자에 피드백 전압이 인가되는 연산 증폭기; 및 상기 피드백 전압이 인가되는 제2 가변 저항부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제2 가변 저항부를 통해 출력되는 제1 전류를 조절하기 위해 상기 제1 가변 저항부 및 상기 제2 가변 저항부의 저항값을 제어하는 경두개 전기자극 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경두개 전기자극 장치는 상기 적어도 하나의 정전류원 중 제2 정전류원과 연결되는 제2 전류 제어 회로;를 더 포함하는 경두개 전기자극 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 전압은 가상 단락 원리에 의해 상기 제1 전압과 동일한 것인 경두개 전기자극 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경두개 전기자극 장치는 입출력 모듈; 및 적어도 하나의 전극부;를 더 포함하고,
    상기 입출력 모듈은,
    상기 제어부로부터 제1 모드에 대응되는 전극모드신호를 수신하면, 제1 자극 전류를 상기 적어도 하나의 전극부 중 제1 모드로 설정된 적어도 하나의 전극부로 출력하고,
    상기 제어부로부터 제2 모드에 대응되는 전극모드신호를 수신하면, 상기 적어도 하나의 전극부 중 제2 모드로 설정된 적어도 하나의 전극부로부터 전극수신 전류를 입력받아 접지하는 경두개 전기자극 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 자극 전류는 상기 정전류 및 상기 제1 전류를 더한 전류이고, 상기 전극수신 전류는 상기 제2 모드로 설정된 전극부를 제외한 전극부 중 적어도 하나의 전극부로 기출력된 제2 자극 전류인 경두개 전기자극 장치.
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