KR102275218B1 - 이중 자극 모드 기반의 인공 망막 장치 및 인공 망막 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서브형 인공 망막 장치에서 듀얼 모드 기반의 자극이 가능한 인공 망막 장치 및 인공 망막 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 서브형 인공 망막 장치의 한계인 대비감도 조절 기능 미비와 양극세포와 전극간의 접합 불량을 극복하기 위해, 픽셀 자극 전류를 독립적으로 조절할 수 있는 듀얼 모드 기반의 자극이 가능한 서브형 인공 망막 장치 및 그 시스템에 관한 것이다.

Description

이중 자극 모드 기반의 인공 망막 장치 및 인공 망막 시스템 {Artificial retina device and artificial retina system based on dual stimulation mode}

본 발명은 인공 망막 장치 및 인공 망막 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서브형 인공 망막 장치에서 듀얼 모드 기반의 자극이 가능한 인공 망막 장치 및 인공 망막 시스템이다.

망막은 각막, 수정체를 통해서 들어온 외부 영상을 전기적 신호로 변환하여 뇌로 전달하는 중요한 신경조직이다. 망막의 넓이는 약 6.25㎠이며, 망막에는 약 1억개의 시세포가 존재한다. 시세포 중 대다수의 비중을 차지하는 막대 세포들은 영상을 전기 신호로 바꾸고, 이러한 신호들이 시신경으로 들어가 시속 약 480km의 속도로 뇌에 전해지게 된다. 뇌는 미세한 전기신호를 해석하여 영상을 파악하며, 사물을 판단하게 된다. 망막은 단위면적당 혈액 공급이 가장 많은 조직 중 하나로, 많은 에너지원이 필요하고 화학작용의 부산물로 생기는 노폐물이 원활히 제거되어야 한다. 어떠한 이유든 망막혈관 또는 맥락막 혈관에 이상이 생기면 망막에 이상이 발생하여 다양한 질환이 발생하게 된다.

망막질환 중 하나로 망막색소변성증(retinitis pigmentosa, RP)은 망막에 분포하는 광수용체의 기능장애로 인하여 발생되는 진행성 망막변성질환으로, 망막의 광수용체와 망막색소상피가 주된 병소이며 양쪽 눈에 모두 나타나는 것이 특징이다. RP의 유병율은 세계적으로 5000명 중 1명으로 보고되고 있다. 다른 망막질환 중 하나로 노인황반변성(age-related macular degeneration, AMD)은 3대 실명질환 중 하나로, 최근 인구의 급속한 노령화로 인하여 유병률이 크게 증가하는 추세이다. AMD 환자들은 RP 질환으로 인한 저 시력 환자들과는 다르게 비교적 단기간에 시력이 악화되는 경우가 많고, AMD 환자들에서 눈으로 인한 실제 생활 장애 정도와 심리적 위축은 다른 질환에 비해 큰 것으로 보고되고 있다.

실명이 된 환자들을 치료하기 위하여 최근 유전자 치료, 줄기세포, 약물 치료 등 다양한 치료법들이 시도되고 있다. 그러나 대부분의 실명 환자들은 이미 망막 시세포 층이 손상되어 유전자 치료나 약물 치료 가능 시기가 지난 경우가 대부분이다. 하지만 RP와 AMD 같은 노인성 질환의 경우 망막의 바깥 층인 시세포 층만 손상이 되었기 때문에, 시세포 층의 기능을 대체해 준다면 시력 회복 가능성이 존재한다. 따라서, 실명된 환자에게 망막의 시세포 층에 전기적 자극을 유도하여 시력을 회복시키는 인공망막이 새로운 치료법으로 유망한 실정이다.

도 1은 에피형 인공망막 장치와 서브형 인공망막 장치가 기술되는 위치를 설명하기 위한 망막의 해부학적 구성도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 인공망막은 설치되는 위치에 따라 에피형(Epi-retinal)과 서브형(Sub-retinal)으로 구분될 수 있다. 에피형 인공망막은 망막 앞에 위치하며 서브형 인공망막은 망막 뒤 시세포 층에 위치한다. 도 1에서 에피형 인공망막의 위치는 B.Epiretinal로 표지되었고, 서브형 인공망막의 위치는 C.Subretinal로 표지되었다.

에피형의 인공망막은 망막세포 중 신경절(Ganglion) 세포층을 자극하고, 서브형의 인공망막은 후방의 양극(bipolar) 세포층을 자극한다. 에피형의 인공망막은 망막 전방에 신경 세포 자극기가 위치되므로 망막 내층의 신경 세포들의 중간 신호처리 과정이 진행되지 않는다. 따라서, 에피형 인공망막은 외부의 카메라가 별도로 구비된다. 외부의 카메라는 안경에 장착되어 제공되며, 카메라로부터 얻어진 영상 정보는 유도 코일을 통해 무선으로 안구 내 미세 전극 어레이에 도달하게 되고, 망막 내층의 신경 세포들의 중간 신호처리 과정 없이 직접적으로 망막신경절세포(retinal ganglion)를 자극하게 된다.

한편, 환자에 따라 전기 자극에 반응하는 역치가 다르며, 망막세포 손상 부위에 따라 인가해주어야 할 전기 자극의 크기 또한 상이하다. 에피형의 인공망막은 외부에 있는 이미지 프로세서에서 각각 전극을 독립적으로 제어하는 방식이다. 따라서, 전기적 펄스의 크기를 환자에 따라 혹은 손상 부위에 따라 자유롭게 바꿀 수 있는 장점이 있다.

에피형 인공망막의 종래기술로서, 미국에서 판매되고 있는 Second sight의 ArgusⅡ 제품의 경우 64개의 전극을 독립적으로 제어할 수 있으며, 각각 전극에서 발생하는 전기 자극의 크기 또한 제어가 가능하다. 다만, 종래의 에피형 인공망막의 경우, 망막이 매우 얇고 연약하므로 전극 고정이 어려운 단점이 있다. 또한, 망막 내측에 위치하여 유리체강으로 노출될 수 있고 섬유조직으로 둘러싸여 전기 자극이 전달되지 못할 가능성이 있다. 또한, 망막의 윗면에서 전기 자극을 줄 경우 망막신경섬유층이 자극되어 신호가 퍼지거나 망막 여러 층의 세포가 한꺼번에 자극되어 공간 해상도를 높이는 개량이 어려운 단점이 있다. 에피형 인공망막은 망막 내 신호처리과정을 활용하지 못하므로 자극하는 전극 격자의 모양과 실제로 환자가 느끼는 모양이 다를 수 있기 때문에 환자 개개인에 따른 맞춤형 화상처리가 필요하다. 따라서, 서브형 인공망막보다 다양한 부품과 이들을 연결해주는 신호 전달부가 요구되는 단점이 있다.

한편, 서브형 인공망막은 포토다이오드 어레이가 망막세포 층 하부인 광수용 세포층에 위치한다. 서브형 인공망막은 단순히 광수용체의 기능을 대체하는 것을 목표로 고안되었으며 양극 세포를 1차적인 전기 자극 대상으로 삼는다. 이를 위하여 서브형 인공망막은 빛을 감지하는 포토다이오드와 자극용 전극을 일체화하고, 포토다이오드에서 나오는 전류가 바로 전극으로 흘러서 망막신경세포를 자극할 수 있도록 설계된다. 포토다이오드 어레이는 CMOS 이미지 센서와 비슷한 기능을 수행한다. 빛의 강도에 따라 각각의 포토다이오드 셀에서 생성되는 암전류의 크기가 다르고, 이 전류가 변환 회로를 거치면서 활성 전위 역할을 하게 되는 바이페이직 전류 펄스로 변화된다. 서브형 인공망막의 장점은 양극 세포와 망막 내층의 정보처리를 통한 기존의 시각 전달 경로를 이용함으로써 물체를 인지함에 있어서 자연적인 느낌이 들도록 한다는 것이다. 게다가, 미세전극 어레이가 안구 내에 삽입됨으로써 자연적인 안구 운동이 가능한데, 이는 소형 카메라를 안경에 장착한 시스템의 경우에 물체를 보고 인지하기 위해서 물체가 있는 방향으로 눈이 아닌 고개를 돌려야 한다는 점과 비교하면 생리적이고 자연스럽다는 면에서 장점을 가진다고 할 수 있다. 또한, 망막 밑 자극 방법에 의해 만들어지는 화소(pixel)의 수가 지금까지 만들어진 인공망막들 중에서 가장 많기 때문에 높은 해상도를 구현할 수 있는 가능성이 시사되고 있다.

서브형 인공망막의 종래 기술로서, 독일 Retina Implant사에서 상용화에 성공한 Alpha IMS 모델은 1600개의 포토다이오드 어레이와 이와 매칭되는 바이페이직 전류생성 어레이를 가졌지만, 임상 실험에 의하면 실제 해상도가 63채널 에피형 인공망막의 해상도보다 못한 것으로 보고된다.

도 2는 서브형 인공망막의 포토다이오드 어레이 전극의 위치를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 서브형 인공망막은 포토다이오드 어레이(Photo diode array)가 망막 세포층 하부인 광수용 세포층에 위치한다. 이 경우 포토다이오드 어레이는 CMOS 이미지센서와 비슷한 역할을 한다. 빛의 강도에 따라 각각의 포토다이오드 셀에서 생성되는 전류의 크기가 다르고, 이 전류가 변환 회로를 거치면서 증폭된 바이페이직 전류 펄스(biphasic current pulse)로 변화한다. 빛의 밝기가 강할 경우 바이페이직 전류 펄스가 크고, 밝기가 약하면 전류 펄스 크기가 작다.

도 3은 서브형 인공망막 장치의 일반적인 구조로, 포토다이오드와 바이페이직 전류 변환기의 일반적인 구조를 나타낸다.

도 3을 참조하면, P1(310)은 빛을 감지하는 포토다이오드를 나타낸다. 이 포토다이오드에서 발생하는 미세 전류가 APS(Active Pixel Sensor)(320)로 들어가게 되고, 그 미세 전류가 양극(bipolar) 세포를 자극할 수 있는 크기로 증폭된다. 이 증폭된 전류는 VGCA(Voltage-to-Current Gain-Control Amplifier)(330)로 들어가 바이페이직(biphasic) 전류 펄스로 형성된다. VGCA(330)는 또한 전류 게인 증폭기 기능을 가지고 있어, 역치 값이 다른 환자에 따라 바이페이직 전류 크기를 변환 할 수 있는 기능이 있다. 그리고 바이페이직 전류는 전극(340)을 통해 양극세포(350)로 전달 되어 양극세포(350)를 자극한다.

도 4는 도 3의 서브형 인공망막 장치의 일반적인 회로를 나타낸다

도 4의 APS(420)는 다양한 방식으로 구현 될 수 있지만, 항상 포토다이오드(410)에서 발생하는 신호를 감지하고 1차적으로 증폭하는 역할을 수행한다.

도 5는 일본에서 개발된 종래의 서브형 인공망막 장치를 나타낸다. 도 5에 따른 서브형 인공망막 장치는 일본 나라과학기술대학에서 개발한 바이페이직 전류 변환기 회로를 나타낸다.

도 6은 독일에서 개발된 서브형 인공망막 장치를 나타낸다. 도 6에 따른 서브형 인공망막 장치는 독일 Ulm 대학에서 개발한 바이페이직 전류 변환기 회로를 나타낸다.

도 5 및 도 6에 도시된 종래의 서브형 인공망막 장치들은 전부 포토다이오드에서 발생하는 미세 전류 신호를 감지하고 증폭하고 변환하는 방식이다.

도 5 및 도 6과 같이 서브형 인공망막 장치를 망막 아래에 삽입하는 경우 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.

도 7은 서브형 인공 망막 장치와 양극세포간의 접합 문제를 나타낸다.

도 7에서 서브형 인공망막 장치의 출력인 전극(710)과 양극세포(720)의 접합이 불안정할 경우가 발생한다(a). 이러한 현상은 손상된 양극세포의 불균일한 형태 때문이다. 이럴 경우 강한 전류 출력이 필요하나 서브형 인공망막 장치의 경우 각각의 자극 픽셀을 독립적으로 제어하기가 현실적으로 힘든 상황이다. 예를 들어, 접합이 안된 부분의 픽셀만 독립적으로 제어하여 바이페이직 전류 크기를 증폭 할 수가 없다.

서브형 인공망막 장치과 양극세포간의 접합이 잘되었는지 명암 대비를 명확히 구분하기가 힘든 경우가 발생할 수도 있다. 이럴 경우 인공망막 장치를 제거하는 수술을 해야 하므로 환자와 의사에게 물리적으로 부담될 뿐만 아니라 비용 면에서 큰 부담이 된다. 따라서 서브형 인공망막 장치를 환자에게 이식한 후 명암 대비를 명확하게 하기 위하여 별도의 이미지 프로세싱 과정이 필요하나 종래의 기술로는 이를 구현하기가 불가능한 상황이다.

(JP) 출원번호 제 2006-277570 호 (KR) 등록번호 제10-1870599호 (KR) 등록번호 제10-1912068호

Del Cerro et al. Human Retinal Transplant Histology, IOVS, September 2000, Vol. 41, No. 10, "Histologic Correlation of Human Neural Retinal Transplantation" R.E. Marc et al. Progress in Retinal and Eye Research 22 (2003) 607-655, "Neural remodeling in retinal degeneration" Milam AH et al. Progress in Retinal and Eye Research Vol. 17, No.2, pp.175-205, 1998, "Histopathology of the Human Retina in Retinitis Pigmentosa" Jun Otha, "Pulse Frequency Modulation Based CMOS Image Sensor for subretinal stimulation" IEEE Tran. Cir. Syst. 2006 A. Rothermel, "A CMOS chip with active pixel array and specific test features for subretinal implntation," IEEE J. of Solid-state circuits, 2009

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대비감도 조절 기능 미비 및 양극세포와 전극간의 접합불량을 극복하기 위해, 픽셀 자극 전류를 독립적으로 조절할 수 있는 듀얼 모드 기반의 서브형 인공 망막 장치 및 그 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는,

광 수신부에서 생성된 신호를 감지하여 증폭하는 픽셀 센서부; 및

상기 픽셀 센서부에서 감지된 신호를 증폭하고 2상 전류 신호를 생성하는 전압-전류 증폭부를 포함하는 인공 망막 장치에 있어서,

전류 미러(Current Mirror) 기능을 통해 전류원에서 발생한 소정 크기의 전류를 인가하는 듀얼 모드 자극부를 포함하고,

상기 듀얼 모드 자극부는 상기 광 수신부, 상기 픽셀 센서부 및 상기 전압-전류 증폭부를 동작시키는 제1모드 및

상기 전류원에서 발생한 소정 크기의 전류를 상기 전압-전류 증폭부에 인가하는 제2모드를 구성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치의 상기 듀얼 모드 자극부는 제1 스위치에 의해 상기 인공 망막 장치에 연결되고,

상기 제1 스위치가 오프(OFF) 상태일 때, 상기 제1 모드로 동작하고,

상기 제1 스위치가 온(ON) 상태일 때, 상기 제2 모드로 동작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는 상기 전류원에서 발생하는 전류의 크기를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는 외부 장치로부터 무선으로 수신한 데이터를 상기 제어부에 전송하는 복조부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 시스템은 상기 외부 장치가 카메라 모듈, 상기 카메라 모듈에서 촬영한 이미지를 처리하는 이미지 처리부 및 상기 이미지 처리부에서 처리된 이미지 데이터를 상기 인공 망막 장치에 포함된 픽셀 수만큼 나누어 데이터를 생성하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는,

상기 듀얼 모드 자극부는 상기 전류원과 연결되는 제1 트랜지스터; 및

상기 제1 트랜지스터에 연결되고 상기 픽셀 센서부에 전기적 연결을 제어하는 제1 스위치를 포함하고,

상기 제1 스위치가 오프(OFF)되면 상기 제1 트랜지스터는 동작하지 않고,

상기 제1 스위치가 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단은 상기 픽셀 센서부에 전기적으로 연결되어 상기 전류원의 전류가 상기 픽셀 센서부에 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는,

상기 제1 스위치가 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터가 동작하여,

상기 제1 트랜지스터의 전류 미러 기능을 통해 상기 전류원에서 생성된 전류가 상기 픽셀 센서부의 제2 트랜지스터에 복사되고 상기 픽셀 센서부의 제1 축전기에 전압으로 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는,

상기 픽셀 센서부가 제3 트랜지스터를 더 포함하고,

상기 제1 스위치가 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단은 상기 픽셀 센서부에 전기적으로 연결되어,

상기 제3 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 동작에 기초하여 전류 미러 기능을 수행하여 상기 전류원에서 생성된 전류가 상기 전압-전류 증폭부에 직접 인가되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는,

상기 광 수신부, 상기 픽셀 센서부, 상기 전압-전류 증폭부 및 상기 듀얼 모드 자극부는 각 픽셀마다 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치 및 그 시스템은 종래의 서브형 인공망막을 이식할 경우 발생하는 양극세포층와 인공망막 장치의 전극 사이의 접합불량 문제점을 극복할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치 및 그 시스템은 환자마다 인식하는 명암대비가 달라 자극 전류를 이미지 프로세싱하는 한계를 극복할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치 및 그 시스템은 듀얼 모드 블록을 통해, 인공 망막을 환자에게 이식한 후에도 외부에서 환자와 의사가 원할 때 픽셀에서 발생하는 자극 전류 값을 독립적으로 픽셀마다 다양하게 조절할 수 있다.

따라서 종래의 인공 망막 장치로 명암대비 구분이 떨어지는 환자들도 명확하게 사물을 인식하여 유효 시력을 높일 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 에피형 인공망막 장치와 서브형 인공망막 장치가 기술되는 위치를 설명하기 위한 망막의 해부학적 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 서브형 인공망막의 포토다이오드 어레이 전극의 위치를 나타낸다.
도 3은 서브형 인공망막 장치의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 4는 도 3의 서브형 인공망막 장치의 일반적인 회로를 나타낸다.
도 5는 일본에서 개발된 종래의 서브형 인공망막 장치를 나타낸다.
도 6은 독일에서 개발된 서브형 인공망막 장치를 나타낸다.
도 7은 서브형 인공 망막 장치와 양극세포간의 접합 문제를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치의 회로도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 망막 장치의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치를 사용하여 픽셀을 보정하는 방법의 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 시스템의 구조도이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.

또한, "제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로만 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치는 서브형 인공 망막 장치에 관한 것으로 설명되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치의 블록도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브형 인공 망막 장치는

픽셀 센서부(820), 전압-전류 증폭부(830), 전극(840) 및 듀얼 모드 자극부(810)를 포함할 수 있다.

픽셀 센서부(820)는 광 수신부(P1)에서 생성된 신호를 감지하여 증폭하고, 전압-전류 증폭부(830)는 상기 픽셀 센서부(820)에서 감지된 신호를 증폭하여 2상 전류 신호(Biphasic current)를 생성할 수 있으며, 전극(840)은 상기 전압-전류 증폭부(830)에서 생성된 2상 전류 신호를 양극세포에 전달하여 양극세포를 자극할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치는 듀얼모드 자극부(810)를 더 포함하는데, 제1 모드 및 제2 모드를 구성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드는 제1 스위치(850)가 열려있는 동안(OFF)에 동작하는 모드로, 도 3에 도시된 일반적인 서브형 인공 망막 장치와 같은 방식으로 동작하는 모드이다. 즉, 제1 모드는 광 수신부(P1), 픽셀 센서부(820) 및 전압-전류 증폭부(830) 모두가 동작하는 모드이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드는 제1 스위치(850)를 닫는 동안(ON)에 동작하는 모드로, 전압-전류 증폭부(830)에 인가되는 전류는 광 수신부(P1)로부터 감지된 신호가 아니라 듀얼 모드 자극부(810)에서 생성된 전류이다.

보다 구체적으로 설명하면, 인공 망막 장치는 기본적으로 제1 모드로 동작한다. 그러나 양극세포가 인공 망막 장치의 전극(840)에 접합되지 않는 문제가 있거나 명암 대비 구분이 떨어지는 문제가 발생하여, 환자들이 빛 자극으로 인한 사물을 인식하지 못하는 상황이 발생하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 자극부(810)는 도 8에 도시된 제1 스위치(850)를 폐쇄시킴으로써, 제2 모드로 구동될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서는, 상기 듀얼 모드 자극부(810)가 전류 미러(Current mirror) 기능을 통해 전류원에서 생성된 전류를 양극세포에 자극하기 위한 전류로 활용되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 자극부(810)의 구체적인 동작은 도 9를 참조하여 후술한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신부(P1)은 외부에서 빛을 입력 받거나 인식할 수 있고, 인식한 빛의 세기에 따라 전류를 생성할 수 있다. 상기 광 수신부(P1)는 상기 인식한 빛의 세기에 비례하는 크기의 전류를 생성할 수 있다. 상기 광 수신부(P1)가 생성한 전류의 세기에 따라 인공 망막을 통해 인식되는 명암이 달라질 수 있다. 상기 광 수신부(P1)가 생성한 전류가 세면 밝게 인식되고, 상기 광 수신부(P1)가 생성한 전류가 약하면 어둡게 인식될 수 있다. 상기 광 수신부(P1)는 복수의 광수신기를 포함할 수 있다. 상기 광 수신부(P1)는 상기 복수의 광수신기가 배열된 어레이 형태일 수 있다. 상기 광 수신부(P1)에 포함되는 상기 광수신기는 빛을 인식해 전류를 생성할 수 있다. 상기 광수신기는 특정 픽셀 또는 특정 지점의 빛을 인식해 1개의 전류를 생성할 수 있다. 상기 광 수신부(P1)는 복수의 광수신기를 포함해 특정 면적의 빛을 특정 픽셀 또는 특정 지점마다 상기 복수의 광수신기가 인식해 각각 전류를 생산하여 상기 특정 면적의 빛에 따른 전류를 상기 특정 픽셀 또는 상기 특정 지점들의 합으로 생산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 광수신기는 포토 다이오드로 구성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 빛을 인식해 전기적 신호를 발생시킬 수 있는 모든 재료를 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치의 회로도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 자극부(910)는 제어부(950)에서 결정된 소정 크기의 전류를 발생시키는 전류원(93), 상기 전류원(93)에서 발생한 전류를 미러링하는 제1 트랜지스터(92) 및 상기 제1 트랜지스터(92)의 동작을 제어하는 제1 스위치(91)를 포함할 수 있다.

상기 제1 트랜지스터(92)는 상기 전류원(93)에 연결되고, 상기 제1 스위치(91)의 일단은 상기 제1 트랜지스터의 게이트단에 연결될 수 있다. 상기 제1 스위치(91)의 타단은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서는 상기 제1 트랜지스터의 소스단에 연결되고, 제2 모드에서는 픽셀 센서부(920)에 연결될 수 있다. 상기 제1 스위치(91)는 상기 픽셀 센서부(920)에 전기적 연결를 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제1 스위치(91)가 상기 픽셀 센서부(920)에 대한 연결이 오프(OFF)되면, 상기 제1 트랜지스터(92)는 동작하지 않고, 상기 제1 스위치(91)가 상기 픽셀 센서부(920)에 대한 연결이 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터(92)의 게이트 단은 상기 픽셀 센서부(920)에 전기적으로 연결되어 상기 전류원(93)의 전류가 상기 픽셀 센서부(920)에 공급될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드(제1 스위치가 OFF 상태)에서는 포토 다이오드(P1)에 기반하여 자극 전류가 픽셀 전극(940)에 제공되지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드(제1 스위치가 ON 상태)에서는 듀얼 모드 자극부(910)의 제1 트랜지스터(92)가 동작하여 전류 미러 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 전류원(93)에서 생성된 전류가 픽셀 센서부(920)에 포함된 제2 트랜지스터(94)에 복사되고, 제1 축전기(95)에 저장되어 전압으로 변환될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치는 상기 제1 축전기(95)에 저장된 전압 값을 기반으로 전압-전류 증폭부(930)에서 바이페이직(Biphasic) 전류를 생성할 수 있다.

그리고 상기 전류원(93)은 제어부(950)에 의해 전류 값을 변화 할 수 있다. 이때 전류 값은 환자의 양극세포 접합의 경도 혹은 명암 대비 향상을 위해 다양하게 조절될 수 있다. 상기 제어부(950)의 데이터는 복조기(demodulator, 960)로부터 수신하며, 상기 복조기(960)는 외부 제어 장치로부터 무선으로 데이터 신호를 수신할 수 있다. 상기 외부 제어 장치에 관하여는 도 12를 참조하여 후술한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 망막 장치의 회로도이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 픽셀 센서부(1020)를 도 9와 다르게 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 센서부(1020)는 제2 트랜지스터(102)에 연결된 제3 트랜지스터(103)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 듀얼 모드 자극부(1010)의 제1 스위치(101)가 온(ON)되면 듀얼 모드 자극부(1010)의 제1 트랜지스터(110)의 게이트 단은 상기 픽셀 센서부(1020)에 전기적으로 연결되어, 전류원(111)에서 생성된 전류가 전압-전류 증폭부(1030)에 그대로 전달된다.

보다 구체적으로, 상기 제1 스위치(101)가 온(ON)되면, 상기 제1 트랜지스터(110)의 동작에 의해 전류원(111)에서 생성된 전류가 상기 제2 트랜지스터(102)에 복사되고, 상기 전류는 제3 트랜지스터(103)와 축전기(104)의 기능에 의해 상기 전류가 전압으로 변환 되어 전압-전류 증폭부(1030)에 인가될 수 있다. 즉, 상기 제3 트랜지스터(103)와 축전기(104)는 상기 제1 트랜지스터(110)의 동작에 기초하여 전류를 전압으로 변환하는 기능을 수행하여 상기 전류원(111)에서 생성된 전류가 전압으로 변환 되어 상기 전압-전류 증폭부(1030)에 직접 인가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 센서부(1020)는 도 8 또는 도9에 도시된 구성으로 한정되는 것은 아니며 다양한 방법으로 구현될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신부, 픽셀 센서부, 전압-전류 증폭부 및 듀얼 모드 자극부는 각 픽셀마다 구성될 수 있으며, 전극(840, 940, 1040)도 픽셀 별로 구성될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치를 사용하여 픽셀을 보정하는 방법의 순서도이다.

도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 인공 망막 장치를 사용하여 픽셀들에 대하여 자극 전류 값을 독립적으로 제어하는 방법을 설명한다.

사용자는 인공 망막 장치를 환자에 이식한 후 일정한 빛의 세기를 갖는 광원을 켜서 환자 눈에 조사한다. 그리고 외부에 있는 제어기를 사용하여 안구 내에 이식된 인공 망막 장치의 픽셀들을 순차적으로 하나씩 켜기 시작한다(S110).

사용자는 제1 픽셀을 켰을 때 환자가 느끼는 빛의 세기 정도를 파악하고 제1 픽셀을 끈다(S120).

사용자는 제2 픽셀을 켰을 때 환자가 느끼는 빛의 세기 정도를 파악하고(S130), 상기 제1 픽셀과 비교하여 비슷한지 확인한다(S140).

만약 환자가 느끼는 빛의 세기가 상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀이 비슷한 경우, 상기 제2 픽셀을 끄고, 상기 제1 픽셀을 킨다(S150).

그리고 상기 제1 픽셀을 켰을 때 환자가 느끼는 빛의 세기 정도를 파악하고 상기 제1 픽셀을 끈다(S160).

사용자는 제3 픽셀 켜고, 환자가 느끼는 빛의 세기 정도를 파악한다(S170). 그리고 환자가 느끼는 빛의 세기 정도가 제1 픽셀을 켰을 때와 제3 픽셀을 켰을 때를 비교하여 비슷한지 확인한다(S180).

상기 비교하는 픽셀들에서 환자가 느끼는 빛의 세기 정도가 서로 비슷한 경우, 상술한 과정을 제N 픽셀까지 반복하여, 마지막으로 제1 픽셀과 제N 픽셀을 비교한다.

만약, 제1 픽셀과 제N 픽셀에서 환자가 느끼는 빛의 세기 정도가 비슷하지 않다면, 전극과 양극세포간의 접합이 안된 경우이다.

이 경우, 만약 제2 픽셀이 제1 픽셀보다 어둡다면, 환자가 제1 픽셀과 같은 정도의 빛 세기를 느낄 때까지 제2 픽셀의 광원 강도를 올리도록 조절한다(S210). 그리고 비교하는 픽셀들 간의 빛 세기가 같은 정도로 환자가 느끼면(S220), 사용자는 그 때 제2 픽셀 광원의 세기를 기록한다(S230).

만약 제2 픽셀이 제1 픽셀보다 밝다면, 환자가 제1 픽셀과 같은 정도의 빛 세기를 느낄 때까지 제2 픽셀의 광원 강도를 낮추도록 조절한다(S310). 그리고 비교하는 픽셀들 간의 빛 세기가 같은 정도로 환자가 느끼면(S220), 사용자는 그 때 제2 픽셀 광원의 세기를 기록한다(S230).

상술한 과정을 제N 픽셀까지 반복한다.

상술한 과정을 통해 어떤 픽셀이 접합이 잘 안되었는지 파악할 수 있고, 접합이 잘 안된 픽셀에는 어느 정도의 광원 강도가 필요한지 파악할 수 있게 된다.

접합이 잘 안된 픽셀에 대하여는 도 8에 도시된 스위치(850)를 닫아(ON) 상기 기록한 세기의 자극 전류를 듀얼 모드 자극부에 반영하여, 상기 듀얼 모드 자극부에서 상기 세기의 자극 전류를 공급할 수 있다(S400).

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 시스템의 구조도이다.

도 12를 참조하면, 접합이 잘 안된 픽셀을 보정하기 위한 인공 망막 시스템의 구조도이다. 도 12에 따른 인공 망막 시스템은 도 11을 참조하여 설명한 픽셀 보정 방법으로 보정 효과가 달성되지 않는 경우에 사용하는 시스템이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 시스템은 인공 망막 장치에 데이터를 무선으로 전송하는 외부 장치를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 장치는 도 12와 같이 카메라 모듈(1100), 이미지 처리부(1200) 및 데이터 처리부(1300)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리부(1200)는 상기 카메라 모듈에서 촬영한 이미지를 처리하고, 데이터 처리부(1300)는 상기 이미지 처리부에서 처리된 이미지 데이터를 이식된 인공 망막 장치에 포함된 픽셀 수만큼 나누어 데이터를 생성할 수 있다. 상기 이미지/데이터 처리부를 통해 사물의 명암 대비를 명확하게 구분해 줄 수 있는 데이터가 생성될 수 있다.

보다 상세하게는, 먼저 LOOKUP 그림을 카메라 앞에 두고, 이미지/데이터 처리부는 상기 그림을 자극기(1000)의 픽셀 수만큼 잘게 나눠서 데이터화 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 장치는 송신단에서 상기 데이터의 무선 전송을 위해서 변조(modulation)를 수행한다.

상기 변조된 데이터는 인공 망막 장치의 안테나를 통해 수신단으로 전송되고, 인공 망막 장치의 복조부(1160)에서 변조 데이터를 복원한다. 복원된 데이터는 제어부(1150)를 통해 복수의 픽셀 각각의 자극기(1000)로 전송된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자극기(1000)는 듀얼 모드 자극부를 포함할 수 있다.

이때 환자들이 상기 LOOKUP 그림을 제대로 인식한다면 기본 셋팅 값을 사용하고, 그러지 않다면 각각 픽셀의 전류값을 조절한다. 상기 전류값은 외부의 이미지/데이터 처리부(1200,1300)에서 조절된다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 망막 장치를 사용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 것으로, 도 13a는 원본 Lookup 그림을 나타내고, 도 13b는 전극과 양극 세포간의 접합이 안된 경우 발생하는 현상을 나타내고, 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따라 그림을 보정한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 즉 도 13c는 도 12에 따른 인공 망막 시스템을 사용하여 Lookup 그림을 보정한 시뮬레이션 결과이다.

보다 구체적으로, 도 13a에 따른 그림을 환자에게 보여준 후, 각 픽셀을 50~60Hz의 속도로 ON 시킨다. 이때 환자가 도 13b와 같이 원 안에 있는 검은 픽셀을 느낀다면, 사용자는 단위 픽셀 씩, 천천히 각 픽셀을 켜가면서 픽셀의 번호를 파악 한다. 그리고 오동작하는 픽셀의 자극 전류값을 보정한다.

결과적으로 환자는 도 13c와 같이 제대로 된 그림을 인식할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

350 : 양극 세포
810, 910, 1010 : 듀얼 모드 자극부
820, 920, 1020 : 픽셀 센서부
830, 930, 1030 : 전압-전류 증폭부
840, 940, 1040 : 전극
950, 1050 : 제어부
960, 1060 : 복조부

Claims (9)

1. 광 수신부에서 생성된 신호를 감지하여 증폭하는 픽셀 센서부; 및
   상기 픽셀 센서부에서 감지된 신호를 증폭하고 2상 전류 신호를 생성하는 전압-전류 증폭부를 포함하는 인공 망막 장치에 있어서,
   전류 미러(Current Mirror) 기능을 통해 전류원에서 발생한 소정 크기의 전류를 인가하는 듀얼 모드 자극부를 포함하고,
   상기 듀얼 모드 자극부는 상기 광 수신부, 상기 픽셀 센서부 및 상기 전압-전류 증폭부를 동작시키는 제1모드 및
   상기 전류원에서 발생한 소정 크기의 전류를 상기 전압-전류 증폭부에 인가하는 제2모드를 구성하는 것을 특징으로 하는 인공 망막 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 듀얼 모드 자극부는 제1 스위치에 의해 상기 인공 망막 장치에 연결되고,
   상기 제1 스위치가 오프(OFF) 상태일 때, 상기 제1 모드로 동작하고,
   상기 제1 스위치가 온(ON) 상태일 때, 상기 제2 모드로 동작하는 인공 망막 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전류원에서 발생하는 전류의 크기를 제어하는 제어부를 더 포함하는 인공 망막 장치.
4. 제3항에 있어서,
   외부 장치로부터 무선으로 수신한 데이터를 상기 제어부에 전송하는 복조부를 더 포함하는 인공 망막 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 외부 장치는
   카메라 모듈;
   상기 카메라 모듈에서 촬영한 이미지를 처리하는 이미지 처리부; 및
   상기 이미지 처리부에서 처리된 이미지 데이터를 상기 인공 망막 장치에 포함된 픽셀 수만큼 나누어 데이터를 생성하는 데이터 처리부;
   를 포함하는 것인 인공 망막 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 듀얼 모드 자극부는 상기 전류원과 연결되는 제1 트랜지스터; 및
   상기 제1 트랜지스터에 연결되고 상기 픽셀 센서부에 전기적 연결을 제어하는 제1 스위치를 포함하고,
   상기 제1 스위치가 오프(OFF)되면 상기 제1 트랜지스터는 동작하지 않고,
   상기 제1 스위치가 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단은 상기 픽셀 센서부에 전기적으로 연결되어 상기 전류원의 전류가 상기 픽셀 센서부에 공급되는 것을 특징으로 하는 인공 망막 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 스위치가 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터가 동작하여,
   상기 제1 트랜지스터의 전류 미러 기능을 통해 상기 전류원에서 생성된 전류가 상기 픽셀 센서부의 제2 트랜지스터에 복사되고 상기 픽셀 센서부의 제1 축전기에 전압으로 저장되는 것을 특징으로 하는 인공 망막 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 픽셀 센서부는 제3 트랜지스터를 더 포함하고,
   상기 제1 스위치가 온(ON)되면 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단은 상기 픽셀 센서부에 전기적으로 연결되어,
   상기 제3 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 동작에 기초하여 전류 미러 기능을 수행하여 상기 전류원에서 생성된 전류가 상기 전압-전류 증폭부에 직접 인가되는 것을 특징으로 하는 인공 망막 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 광 수신부, 상기 픽셀 센서부, 상기 전압-전류 증폭부 및 상기 듀얼 모드 자극부는 각 픽셀마다 구성되는 것인 인공 망막 장치.

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