KR102339382B1 - Method and apparatus for regulating brain fucntion using self-adaptive brain model - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자가 적응형 뇌 모델을 이용한 뇌 기능 조절 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for regulating brain function using a self-adaptive brain model.
뇌에 대한 임상 치료의 목표는 바람직한 뇌 기능을 달성하기 위해 뇌 회로를 조정하는 것으로, 원하는 뇌 기능을 유도하기 위해 환자에게 적합한 치료를 찾아내는 과정이 필수적이다. 즉, 뇌에 대한 임상 치료는 뇌 회로를 제어하는 문제라 할 수 있다. The goal of clinical treatment for the brain is to modulate brain circuits to achieve desirable brain function, and it is essential to find a treatment suitable for a patient in order to induce desired brain function. In other words, clinical treatment for the brain can be said to be a matter of controlling brain circuits.
한편, 바람직한 뇌 기능을 달성하기 위한 치료 방법으로 약물, 외과적 수술, 방사선 수술, 집중 초음파 치료, 뇌 심부 자극술(DBS) 또는 미주 신경 자극과 같은 침습성 전기 자극 치료, 경두개 자기 자극(TMS) 또는 경두개 직류 자극과 같은 비침습성 전기 자극 등 다양한 치료 방법이 개발되었으나, 이러한 개발 성과에 비해, 치료에 따라 반응하는 뇌 시스템에 대한 이해가 부족한 실정이다. On the other hand, as a treatment method to achieve desirable brain function, drugs, surgical surgery, radiosurgery, focused ultrasound treatment, invasive electrical stimulation treatment such as deep brain stimulation (DBS) or vagus nerve stimulation, transcranial magnetic stimulation (TMS) or Various treatment methods such as non-invasive electrical stimulation such as transcranial direct current stimulation have been developed, but compared to these development results, the understanding of the brain system responding to treatment is lacking.
뇌 시스템을 이해하기 위해서는 다양한 실험이 수행되어야 하지만, 인간의 뇌는 다양한 실험이 불가하기 때문에, 뇌 시스템에 대한 이해와 더불어 개인 별 특성에 맞는 최적의 치료 방안을 제안하기에 한계가 있다. In order to understand the brain system, various experiments must be performed, but since various experiments are impossible for the human brain, there is a limit to understanding the brain system and to suggesting the optimal treatment plan for each individual characteristic.
발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.The description underlying the invention has been prepared to facilitate understanding of the invention. It should not be construed as an admission that the matters described in the background technology of the invention exist as prior art.
그에 따라, 종래의 뇌 치료 방법은 정상군과 질환군의 단순 비교를 통해 이루어졌으며, 치료에 따른 반응으로 수반되는 뇌 시스템의 가소성 및 항상성을 고려하고 있지 않아, 본래의 치료 계획에 따라 뇌 시스템이 완전히 회복되지 못하는 문제점이 있다. Accordingly, the conventional brain treatment method was made through a simple comparison of the normal group and the disease group, and did not consider the plasticity and homeostasis of the brain system accompanying the response to the treatment, so the brain system according to the original treatment plan There is a problem in that it cannot be fully recovered.
이에, 뇌를 시스템을 치료에 따라 능동적으로 변화하는 시스템으로 간주하고, 그에 따라 최적의 치료 방식을 제공할 수 있는 새로운 방법이 요구된다. Accordingly, there is a need for a new method that regards the brain as a system that actively changes according to treatment and provides an optimal treatment method accordingly.
본 발명의 실시예에서 해결하고자 하는 과제는, 노드에 가해지는 자극에 대해서 질환자로부터 실제로 획득되는 뇌 활동 데이터와 시뮬레이션을 통해서 예측되는 뇌 활동 데이터를 비교함으로써, 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. The problem to be solved in the embodiment of the present invention is to estimate the patient's own self-adaptation parameters by comparing the brain activity data actually obtained from the patient with the brain activity data predicted through simulation with respect to the stimulus applied to the node. It is to provide a method and apparatus.
본 발명의 실시예에서 해결하고자 하는 다른 과제는 치료에 따른 반응 자료가 없는 환자의 경우에는 베이지안 기법을 통해 질환자 고유의 자가 적응 파라미터 추정 시간을 단축시킴으로써, 환자 별로 적절한 파라미터를 빠르게 추정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. Another problem to be solved in the embodiment of the present invention is a method for rapidly estimating appropriate parameters for each patient by reducing the time for estimating the patient's own self-adaptation parameter through the Bayesian technique in the case of a patient without response data to treatment and to provide an apparatus.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood from the description below.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 뇌 모델의 뇌 기능 조절 방법이 제공된다. 상기 방법은, 질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하는 단계, 상기 뇌 네트워크 모델에서 치료 대상이 되는 노드를 선정하고, 선정된 노드에 연속적인 자극을 가하여, 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득하는 단계, 상기 획득된 뇌 활동 데이터와 시뮬레이션을 통해 예측된 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 비교하여, 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정하는 단계 및 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성이 비질환자의 활성에 가까워 지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극을 제공하는 단계를 포함하도록 구성된다. In order to solve the problems as described above, there is provided a brain function control method of an adaptive brain model according to an embodiment of the present invention. The method includes the steps of determining the strength of a synapse between nodes in a brain network model of a person with a disease, selecting a node to be treated in the brain network model, and applying continuous stimulation to the selected node, brain activity data according to the stimulation obtaining, comparing the acquired brain activity data with the brain activity data for the stimulation of the non-disease predicted through simulation, and estimating the patient's own self-adaptation parameter based on the estimated self-adaptation parameter It is configured to include the step of providing a stimulus such that the activity of each node approaches the activity of the non-disease, or the synaptic strength between nodes of the diseased person approaches the synapse strength between nodes of the non-disease.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 뇌 네트워크 모델은, 하나의 노드와 적어도 하나 이상의 노드가 연결되는 구조를 가지며, 질환자와 비질환자는 서로 상이한 노드 간 시냅스 강도를 가질 수 있다. According to a feature of the present invention, the brain network model has a structure in which one node and at least one node are connected, and a diseased person and a non-diseased person may have different synaptic strengths between nodes.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 추정하는 단계에서의 비교 결과에 따라, 상기 노드에 가해지는 자극의 값을 변경하거나, 상기 노드와는 다른 노드에 자극을 가하여, 변경된 자극 또는 상기 다른 노드에 가해진 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, according to the comparison result in the estimating step, the value of the stimulus applied to the node is changed or the stimulus applied to the node different from the node is changed, and the changed stimulus or the stimulus applied to the other node is changed. The method may further include acquiring brain activity data according to the stimulus.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 뇌 활동 데이터는, 서로 다른 강도의 자극 및 자가 적응 파라미터에 대해서 시간에 따른 전위 막 전압(Membrane potential) 자가 변화 데이터-상기 자가 변화 데이터는 노드 간 시냅스 강도의 자가 변화가 반영됨-를 포함하는, 뇌 기능 조절 방법.According to another feature of the present invention, the brain activity data includes time-dependent change in potential membrane voltage (Membrane potential) self-change data with respect to stimulation and self-adaptation parameters of different intensities - The self-change data is the synaptic strength between nodes. A method of regulating brain function, comprising - reflecting autologous changes.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 뇌 활동 데이터를 획득하는 단계 이전에, 상기 치료 대상이 되는 노드에 가하게 될 자극의 범위 및 상기 자가 적응 파라미터 범위를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, before acquiring the brain activity data, the method may further include determining a range of stimulation to be applied to the node to be treated and a range of the self-adaptation parameter.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 자극의 범위는, 질환자들의 자가 적응 파라미터 집합에 영향을 주는 범위 내에서 결정될 수 있다.According to another feature of the present invention, the range of the stimulation may be determined within a range that affects the self-adaptation parameter set of the patients.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 자극 값을 결정하는 단계는, 치료의 대상이 되는 뇌 네트워크의 자가 적응 특성에 대한 정보가 없는 경우, 조건부 확률적으로 주변화(marginalization) 기법을 적용하여 자극을 결정하는 단계일 수 있다.According to another feature of the present invention, in the step of determining the stimulus value, when there is no information about the self-adaptation characteristic of the brain network to be treated, it is stimulated by applying a conditional probabilistic marginalization technique. may be a step in determining
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제공된 자극을 기초로 치료 조건을 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 치료 조건은, 해당 질환에 적합한 약물의 정량, 자극의 목표가 되는 뇌 위치 및 자극의 강도 중 적어도 하나와 함께 약물 또는 자극의 제공 시간 또는 횟수를 포함할 수 있다. According to another feature of the present invention, the method further comprises determining a treatment condition based on the provided stimulation, wherein the treatment condition is selected from among a quantity of a drug suitable for the disease, a brain location to be stimulated, and an intensity of stimulation. The time or number of times or times of presentation of the drug or stimulus with at least one.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법이 제공된다. 상기 방법은, 질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하는 단계, 상기 뇌 네트워크 모델에서 치료 대상이 되는 노드를 이용하여 획득된 복수의 자극 및 상기 복수의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 기초로 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정하는 단계 및 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극을 제공하는 단계를 포함하도록 구성된다. In order to solve the problems as described above, there is provided a brain function control method according to another embodiment of the present invention. The method includes determining the strength of synapses between nodes in a brain network model of a person with a disease, a plurality of stimuli obtained using a node to be treated in the brain network model, and brain activity data for the plurality of stimuli based on the It is configured to include the steps of estimating a self-adaptation parameter unique to the patient, and providing a stimulus so that the inter-node synapse strength of the diseased person can approach the inter-node synaptic strength of the non-disease based on the estimated self-adaptation parameter.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 뇌 네트워크 모델은, 하나의 노드와 적어도 하나 이상의 노드가 연결되는 구조를 가지며, 질환자와 비질환자는 서로 상이한 노드 간 시냅스 강도를 가질 수 있다.According to a feature of the present invention, the brain network model has a structure in which one node and at least one node are connected, and a diseased person and a non-diseased person may have different synaptic strengths between nodes.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 뇌 활동 데이터는, 상기 치료 대상이 되는 노드의 전위 막 전압(Membrane potential) 변화 값을 기초로 계산된 VSDI(Voltage signal dependent imaging) 신호, 칼슘 영상(CaI), 자기공명영상(fMRI) 뇌파(EEG) 및 뇌자도(MEG) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to another feature of the present invention, the brain activity data includes a voltage signal dependent imaging (VSDI) signal calculated based on a change value of a membrane potential of a node to be treated, a calcium image (CaI), It may include at least one of magnetic resonance imaging (fMRI), electroencephalogram (EEG), and electroencephalogram (MEG).
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 추정하는 단계는, 치료 값으로 정의된 제1 자극에 대한 제1 VSDI 신호, CaI, fMRI, EEG 및 MEG 중 적어도 하나의 신호를 활용하여 자가 변수 파라미터를 추정하는 단계일 수 있다. According to another feature of the present invention, in the estimating step, the self-variable parameter is estimated by using the first VSDI signal, at least one signal of CaI, fMRI, EEG, and MEG for the first stimulus defined as the treatment value. It may be a step to
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 추정하는 단계는, 상기 제1 자극을 기준으로 MSE(Mean Squared Error) 값 또는 사용자가 정의한 최적 함수 값이 최소가 되는 자가 변수 파라미터를 상기 질환자 고유의 자가 적응 파라미터로 추정하는 단계일 수 있다. According to another feature of the present invention, in the estimating step, the self-adaptation of the self-variable parameter that minimizes the Mean Squared Error (MSE) value or the user-defined optimal function value based on the first stimulus is self-adapted to the patient. It may be a step of estimating with parameters.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제공된 자극을 기초로 치료 조건을 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 치료 조건은, 해당 질환에 적합한 약물의 정량, 자극의 목표가 되는 뇌 위치 및 자극의 강도 중 적어도 하나와 함께 약물 또는 자극의 제공 시간 또는 횟수를 포함할 수 있다. According to another feature of the present invention, the method further comprises determining a treatment condition based on the provided stimulation, wherein the treatment condition is selected from among a quantity of a drug suitable for the disease, a brain location to be stimulated, and an intensity of stimulation. The time or number of times or times of presentation of the drug or stimulus with at least one.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌 기능 조절 장치가 제공된다. 상기 장치는, 통신 인터페이스, 메모리 및 상기 통신 인터페이스, 상기 메모리와 동작 가능하게 연결된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하고, 상기 뇌 네트워크 모델에서 치료 대상이 되는 노드를 선정하고, 선정된 노드에 연속적인 자극을 가하여, 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득하고, 상기 획득된 뇌 활동 데이터와 시뮬레이션을 통해 예측된 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 비교하여, 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정하고, 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성이 비질환자의 활성에 가까워 지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극을 제공하도록 구성될 수 있다.In order to solve the problems as described above, there is provided an apparatus for controlling brain functions according to another embodiment of the present invention. The apparatus includes a communication interface, a memory, and a processor operatively connected to the communication interface and the memory, wherein the processor determines a synaptic strength between nodes in a brain network model of a patient with a disease, and a treatment target in the brain network model Select a node to become the target node, apply continuous stimulation to the selected node, acquire brain activity data according to the stimulation, and compare the acquired brain activity data with the brain activity data for the stimulation of a non-ill patient predicted through simulation Thus, the patient's own self-adaptation parameter is estimated, and the activity of each node of the diseased person is close to that of the non-disease based on the estimated self-adaptation parameter, or the synapse strength between nodes of the diseased person is the internode synapse of the non-disease. and may be configured to provide a stimulus that can approach intensity.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌 기능 조절 장치가 제공된다. 상기 장치는, 통신 인터페이스, 메모리 및 상기 통신 인터페이스, 상기 메모리와 동작 가능하게 연결된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하고, 상기 뇌 네트워크 모델에서 치료 대상이 되는 노드를 이용하여 획득된 복수의 자극 및 상기 복수의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 기초로 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정하고, 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성이 비질환자의 활성에 가까워 지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극을 제공하도록 구성될 수 있다. In order to solve the problems as described above, there is provided an apparatus for controlling brain functions according to another embodiment of the present invention. The apparatus includes a communication interface, a memory, and a processor operatively connected to the communication interface and the memory, wherein the processor determines a synaptic strength between nodes in a brain network model of a patient with a disease, and a treatment target in the brain network model Based on the plurality of stimuli obtained using the node that becomes the It may be configured to provide a stimulus close to the activity of the non-disease, or the synaptic strength between the nodes of the diseased person can be close to the synaptic strength between the nodes of the non-disease.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명은 뇌에 가해진 자극에 대한 반응으로 일어나는 신경 가소성 (neuroplasticity) 및 항상성(Homoeostasis)을 변수로 설정하고, 이를 기초로 약물/수술적/비 침습적 자극 치료에서 뇌 시스템을 정상 시스템으로 제어할 수 있는 치료 파라미터를 추정함으로써, 뇌의 적응 변화를 예측한 최적의 치료 방법을 제공할 수 있다. The present invention sets as variables neuroplasticity and homoeostasis, which occur in response to stimuli applied to the brain, and based on this, the brain system can be controlled as a normal system in drug/surgical/non-invasive stimulation treatment. By estimating the treatment parameters present, it is possible to provide an optimal treatment method that predicts adaptive changes in the brain.
또한 본 발명은 질환자 별로 고유의 변수(파라미터)를 추정하고, 그에 따른 최적의 치료 방법을 제공받음에 따라, 환자는 빠른 치료 효과를 얻을 수 있다. In addition, the present invention estimates unique variables (parameters) for each patient, and as the optimal treatment method is provided accordingly, the patient can obtain a rapid treatment effect.
또한, 본 발명은 치료에 따른 뇌 활동 데이터가 존재하지 않는 질환자의 경우에도, 시뮬레이션을 통한 질환자 고유의 파라미터 추정이 가능하여, 모든 질환자에게 적절한 치료 방안을 제공해 줄 수 있다. In addition, the present invention can provide an appropriate treatment plan to all patients by estimating the patient's own parameters through simulation even in the case of a patient with no brain activity data according to treatment.
또한, 본 발명은 치료 이력이 없는 환자의 경우, 베이지안 기법을 이용함으로써, 질환자 고유의 파라미터를 추정하기 위한 시간을 단축시킬 수 있다. In addition, in the case of a patient without a treatment history, the present invention can shorten the time for estimating patient-specific parameters by using the Bayesian technique.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 발명 내에 포함되어 있다.The effect according to the present invention is not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the present invention.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 적응형 뇌 모델을 이용한 뇌 기능 조절 방법의 개요를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 네트워크 노드 간의 연결성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법의 치료 개요를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료 이력이 없는 질환자의 뇌 기능 조절 방법에 대한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 장치가 치료 데이터가 없는 질환자의 자가 고유 파라미터를 추정하는 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료 이력이 존재하는 질환자의 뇌 기능 조절 방법에 대한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법의 전체적인 순서를 설명하기 위한 개략도이다. 1 and 2 are schematic diagrams for explaining the outline of a brain function control method using a self-adaptive brain model according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing the configuration of a brain function control apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram for explaining connectivity between brain network nodes according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram for explaining a treatment outline of a method for regulating brain function according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a method for regulating brain function of a patient without a treatment history according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph for explaining a method of estimating, by the apparatus for controlling brain function according to an embodiment of the present invention, a self-specific parameter of a patient without treatment data.
8 is a flowchart of a method for regulating brain function of a patient with a history of treatment according to an embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram for explaining the overall sequence of the brain function control method according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 사용될 수 있다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be embodied in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.
본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.In this document, expressions such as "have," "may have," "includes," or "may include" refer to the presence of a corresponding characteristic (eg, a numerical value, function, operation, or component such as a part). and does not exclude the presence of additional features.
본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는(3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this document, expressions such as “A or B,” “at least one of A or/and B,” or “one or more of A or/and B” may include all possible combinations of the items listed together. . For example, "A or B," "at least one of A and B," or "at least one of A or B" means (1) includes at least one A, (2) includes at least one B; Or (3) it may refer to all cases including both at least one A and at least one B.
본 문서에서 사용된 "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제1 사용자 기기와 제2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.As used herein, expressions such as "first," "second," "first," or "second," may modify various elements, regardless of order and/or importance, and refer to one element. It is used only to distinguish it from other components, and does not limit the components. For example, the first user equipment and the second user equipment may represent different user equipment regardless of order or importance. For example, without departing from the scope of rights described in this document, the first component may be named as the second component, and similarly, the second component may also be renamed as the first component.
어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.A component (eg, a first component) is "coupled with/to (operatively or communicatively)" to another component (eg, a second component); When referring to "connected to", it will be understood that the certain element may be directly connected to the other element or may be connected through another element (eg, a third element). On the other hand, when it is said that a component (eg, a first component) is "directly connected" or "directly connected" to another component (eg, a second component), the component and the It may be understood that other components (eg, a third component) do not exist between other components.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~ 를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된)프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.The expression "configured to (or configured to)" as used in this document, depending on the context, for example, "suitable for," "having the capacity to ," "designed to," "adapted to," "made to," or "capable of." The term “configured (or configured to)” may not necessarily mean only “specifically designed to” in hardware. Instead, in some circumstances, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or parts. For example, the phrase "a processor configured (or configured to perform) A, B, and C" refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the corresponding operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a generic-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.Terms used in this document are only used to describe specific embodiments, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art described in this document. Among terms used in this document, terms defined in a general dictionary may be interpreted with the same or similar meaning as the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this document, ideal or excessively formal meanings is not interpreted as In some cases, even terms defined in this document cannot be construed to exclude embodiments of the present document.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.Each feature of the various embodiments of the present invention may be partially or wholly combined or combined with each other, and as those skilled in the art will fully understand, technically various interlocking and driving are possible, and each embodiment may be implemented independently of each other, It may be possible to implement together in a related relationship.
본 명세서의 해석의 명확함을 위해, 이하에서는 본 명세서에서 사용되는 용어들을 정의하기로 한다.For clarity of interpretation of the present specification, terms used herein will be defined below.
본 명세서에서 사용되는 용어 “적응형 뇌 모델”은 자극에 따라 능동적으로 변화하는 특성을 가진 뇌 네트워크 모델을 의미할 수 있으며, “자가 적응 파라미터”는 질환자 별로 자극에 따라 능동적으로 변화하는 뇌 특성을 수치적으로 표현한 변수를 의미할 수 있다. As used herein, the term “adaptive brain model” may refer to a brain network model having characteristics that actively change according to stimuli, and “self-adaptation parameter” refers to brain characteristics that actively change according to stimuli for each patient. It can mean a variable expressed numerically.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 적응형 뇌 모델을 이용한 뇌 기능 조절 방법의 개요를 설명하기 위한 개략도이다. 1 and 2 are schematic diagrams for explaining the outline of a brain function control method using a self-adaptive brain model according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법은 치료 의도와 맞지 않게 뇌 기능이 변화하는 특성을 고려하여, 질환자에게 적합한 치료 방법을 찾아내기 위한 방법으로서, 뇌 구조를 정의하는 신경 동역학 모델과, 자극에 따른 변화를 정의하는 측정 모델을 이용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법은, 어느 하나의 자극에 대해서 예상되는 반응(측정 자료 1)과 실제로 측정되는 반응(측정 자료 2)과의 비교를 통해 질환자 고유의 신경 동역학 모델 파라미터를 추정할 수 있다. 여기서, 측정 자료는 다양한 뇌 영상 기법을 통해 획득된 자료로서, 뇌파, fMRI 측정 데이터를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the brain function control method according to an embodiment of the present invention is a method for finding a treatment method suitable for a patient in consideration of the characteristic that the brain function changes inconsistent with the treatment intention, the brain structure is defined A neural dynamics model that controls the stimuli and a measurement model that defines changes in response to stimuli can be used. Specifically, the brain function control method according to an embodiment of the present invention compares an expected response (measured data 1) to a response actually measured (measured data 2) to any one stimulus, and the patient's own nerve Kinetics model parameters can be estimated. Here, the measurement data is data obtained through various brain imaging techniques, and may include EEG and fMRI measurement data.
이와 관련하여 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법은 영상 촬영 장치(200)를 통해 측정 자료를 획득할 수 있다. 일 예로, 영상 촬영 장치(200)는 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Image, MRI) 장치, 기능적 자기 공명 영상(Functional MRI) 장치, 뇌 피질 전도(Electrocorticogram, ECoG) 측정 장치, 자기 뇌파(Magnetoencephalography, MEG) 장치 등일 수 있으며, 측정 자료는 자극에 따른 뇌의 동적 변화를 관찰할 수 있는 2차원 영상, 3차원 볼륨 영상, 한 컷의 스틸 영상, 복수 개의 컷으로 구성된 동영상, 다양한 단면상을 가지는 복수 개의 영상을 포함할 수 있다.In this regard, referring to FIG. 2 , in the brain function control method according to an embodiment of the present invention, measurement data may be acquired through the
뇌 기능 조절 장치(100)가 사람의 의료 영상을 촬영하는 영상 촬영 장치(200)로 특정 자극을 제공하면, 영상 촬영 장치(200)로부터 그에 따른 뇌 활동 데이터(측정 자료)를 획득할 수 있으며, 뇌 기능 조절 장치(100)는 이를 토대로 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정하고, 치료 조건을 결정할 수 있다. 여기서, 자극은 심부뇌자극술과 같은 침습적 자극과 경두개자기자극, 미주신경자극과 같이 자기장과 초음파를 이용한 비침습적 자극 그리고 약물 주입을 통한 자극을 포함할 수 있다. When the brain
즉, 뇌 기능 조절 장치(100)는 자극에 대한 반응을 토대로 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 결정하고, 질환자에게 적절한 치료를 제공해 줄 수 있으며, 실시예에 따라, 자가 적응 파라미터를 결정하는 방법은 치료 이력이 없는 환자와 치료 이력이 있는 환자 별로 상이할 수 있다. That is, the brain
이하에서는, 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 결정하고, 그에 따라 최적의 치료 계획을 수립하는 방법을 수행하는 뇌 기능 조절 장치(100)에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, the brain
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 장치의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 네트워크 노드 간의 연결성을 설명하기 위한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법의 치료 개요를 설명하기 위한 개략도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 시스템의 자가 적응 과정을 설명하기 위한 개략도이다.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a brain function control apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a schematic diagram for explaining the connectivity between brain network nodes according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is this It is a schematic diagram for explaining a treatment outline of a method for controlling brain function according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a self-adaptation process of the brain system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 뇌 기능 조절 장치(100)는 통신 인터페이스(110), 메모리(120), I/O 인터페이스(130) 및 프로세서(140)를 포함할 수 있으며, 각 구성은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호 라인을 통해 서로 통신할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the brain
통신 인터페이스(110) 유/무선 통신 네트워크를 통해 영상 촬영 장치(200)와 연결되어 데이터를 주고 받을 수 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스(110)는 영상 촬영 장치(200)로 질환자에게 제공할 자극의 강도, 횟수, 주기 등을 송신할 수 있으며, 영상 촬영 장치(200)로부터 해당 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 수신할 수 있다. The
한편, 이러한 데이터의 송수신을 가능하게 하는 통신 인터페이스(110)는 유선 통신 포트(111) 및 무선 회로(112)를 포함하며, 여기 유선 통신 포트(111)는 하나 이상의 유선 인터페이스, 예를 들어, 이더넷, 범용 직렬 버스(USB), 파이어와이어 등을 포함할 수 있다. 또한, 무선 회로(212)는 RF 신호 또는 광학 신호를 통해 외부 디바이스와 데이터를 송수신할 수 있다. 아울러, 무선 통신은 복수의 통신 표준, 프로토콜 및 기술, 예컨대 GSM, EDGE, CDMA, TDMA, 블루투스, Wi-Fi, VoIP, Wi-MAX, 또는 임의의 기타 적합한 통신 프로토콜 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. On the other hand, the
메모리(120)는 뇌 기능 조절 장치(100)에서 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 자극(치료)에 대한 뇌 활동 데이터, 자극에 대한 반응 예측 모델, 질환자/비질환자의 뇌 네트워크 모델 구조, 질환자 별 치료 이력 등 뇌 기능 조절을 위해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. The
한편, 본 발명의 일 실시예에서 뇌 활동 데이터는 DCM(Dynamic Casual Modeling)을 기반으로 표현되며, 뇌 활동 데이터를 통해 자극에 따른 노드 간의 상호 작용, 즉 시냅스 강도의 변화를 확인할 수 있다. Meanwhile, in an embodiment of the present invention, brain activity data is expressed based on Dynamic Casual Modeling (DCM), and interactions between nodes according to stimuli, ie, changes in synaptic strength, can be confirmed through the brain activity data.
다양한 실시예에서, 메모리(120)는 각종 데이터, 명령 및 정보를 저장할 수 있는 휘발성 또는 비휘발성 기록 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 플래시 메모리 타입, 하드디스크 타입, 멀티미디어 카드 마이크로 타입, 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램, SRAM, 롬, EEPROM, PROM, 네트워크 저장 스토리지, 클라우드, 블록체인 데이터베이스 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.In various embodiments,
다양한 실시예에서, 메모리(120)는 운영 체제(121), 통신 모듈(122), 사용자 인터페이스 모듈(123) 및 하나 이상의 애플리케이션(124) 중 적어도 하나의 구성을 저장할 수 있다. 여기서, 운영 체제(121)(예. LINUX, UNIX, MAC OS, WINDOWS, VxWorks 등의 내장형 운영 체제)는 일반적인 시스템 작업(예. 메모리 관리, 저장 디바이스 제어, 전력 관리 등)을 제어하고 관리하기 위한 다양한 소프트웨어 컴포넌트 및 드라이버를 포함할 수 있으며, 다양한 하드웨어, 펌웨어, 및 소프트웨어 컴포넌트 간의 통신을 지원할 수 있다.In various embodiments, the
통신 모듈(123)은 통신 인터페이스(110)를 통해 다른 디바이스(예. 영상 촬영 장치(200))와 통신을 지원할 수 있다. 통신 모듈(120)은 통신 인터페이스(110)의 유선 통신 포트(111) 또는 무선 회로(112)에 의해 수신되는 데이터를 처리하기 위한 다양한 소프트웨어 구성 요소들을 포함할 수 있다.The
사용자 인터페이스 모듈(123)은 I/O 인터페이스(130)를 통해 키보드, 터치 스크린, 마이크 등으로부터 사용자의 요청 또는 입력을 수신하고, 디스플레이 상에 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.The
애플리케이션(124)은 하나 이상의 프로세서(140)에 의해 실행되도록 구성되는 프로그램 또는 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 뇌 기능을 의도에 맞게 조절하기 위해 파라미터를 추정하고, 치료 조건을 제공할 수 있는 애플리케이션은 서버 팜(server farm) 상에서 될 수 있다.
I/O 인터페이스(130)는 뇌 기능 조절 장치(100)의 입출력 디바이스(미도시), 예컨대 디스플레이, 키보드, 터치 스크린 및 마이크 중 적어도 하나를 사용자 인터페이스 모듈(123)과 연결할 수 있다. I/O 인터페이스(130)는 사용자 인터페이스 모듈(123)과 함께 사용자 입력(예. 음성 입력, 키보드 입력, 터치 입력 등)을 수신하고, 수신된 입력에 따른 명령을 처리할 수 있다. The I/
프로세서(140)는 통신 인터페이스(110), 메모리(120) 및 I/O 인터페이스(130)와 연결되어 뇌 기능 조절 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있으며, 메모리(120)에 저장된 애플리케이션 또는 프로그램을 통해 치료 이력 유/무에 따라서 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정할 수 있도록 하기 위한 다양한 명령들을 수행할 수 있다. The
프로세서(140)는 CPU(Central Processing Unit)나 AP(Application Processor)와 같은 연산 장치에 해당할 수 있다. 또한, 프로세서(140)는 다양한 연산 장치가 통합된 SoC(System on Chip)와 같은 통합 칩(Integrated Chip (IC))의 형태로 구현될 수 있다. 또는 프로세서(140)는 NPU(Neural Processing Unit)과 같이 인공 신경망 모델을 계산하기 위한 모듈을 포함할 수 있다.The
실시예에 따라, 프로세서(140)는 복수의 노드(기능 별 영역)로 구성된 뇌 네트워크 모델에서 자극에 따라 전체 뇌 시스템이 본래대로 돌아가려는 경향성(신경 가소성 및 항상성)을 고려하여, 기존의 자극과는 다른 변경된 자극 값을 추정하여 제공할 수 있다. According to an embodiment, the
이하 도 4 및 도 5를 참조하여 뇌 네트워크 모델의 구조와 연결성 그리고 이를 고려한 치료의 개요를 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 4 and 5, the structure and connectivity of the brain network model and an overview of treatment taking this into account will be described.
도 4를 참조하면, 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 연결 구조는 동물의 해마 회로를 통해 확인할 수 있다. 구체적으로, 뇌 네트워크 모델은 하나의 노드가 다른 하나 이상의 노드와 연결되는 구조를 가지며, 이 때 동물의 뇌에 지속적인 주기적인 전기 자극(I)(External input)을 가하게 될 경우, 각 노드는 자신과 연결된 노드로 흥분 신호 또는 억제 신호를 보내게 됨을 확인할 수 있다. 예를 들어, I32, I31, E21 노드와 연결된 E31 노드는 전기 자극에 대한 반응으로, I32, I31 노드에 흥분 신호를 보내고, E21 노드로부터는 흥분 신호를 받을 수 있다. 여기서, 화살표의 굵기 차이는 흥분 신호 또는 억제 신호의 강도 차이를 의미할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the connection structure between nodes in the brain network model can be confirmed through the hippocampal circuit of the animal. Specifically, the brain network model has a structure in which one node is connected to one or more other nodes. It can be confirmed that an excitation signal or an inhibitory signal is sent to the connected node. For example, the E31 node connected to the I32, I31, and E21 nodes may send an excitation signal to the I32 and I31 nodes and receive the excitation signal from the E21 node in response to an electrical stimulus. Here, the difference in thickness of the arrow may mean a difference in intensity of the excitation signal or the inhibitory signal.
도 5를 참조하면, (a)의 좌측 상단에 도시된 바와 같이 해마 회로가 다음의 노드 간 시냅스 강도 차이를 가질 때, E21 노드의 서로 다른 노드 간 연결성을 변화시키게 되면, 뇌 시스템은 신경 가소성 및 항상성에 의해 A1>S1>A2>S2> A3>S3 순서대로 시냅스 강도가 점차 변화함을 확인할 수 있다. 또한, E21 노드 하나에 자극을 가하면, 노드가 포함된 신경 집단과 다른 복수의 신경 집단의 뇌 활성 데이터가 (b)와 같이 점진적으로 변화함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, when the hippocampal circuit has a synaptic strength difference between the following nodes, as shown in the upper left of (a), if the connectivity between different nodes of the E21 node is changed, the brain system changes the neuroplasticity and It can be seen that the synaptic strength gradually changes in the order of A1>S1>A2>S2>A3>S3 by homeostasis. In addition, when stimulation is applied to one E21 node, it can be confirmed that the brain activity data of the neural group including the node and the plurality of other neural groups are gradually changed as shown in (b).
이와 같이, 뇌 시스템은 어느 하나의 노드에 자극을 가하면 이와 그물망처럼 연결된 다른 노드와의 시냅스 강도가 변화됨과 동시에, 원래의 상태로 되돌아가고자 한다. 그에 따라, 프로세서(140)의 목표는 원 시스템 (질환자의 뇌 네트워크 모델)에 자극(치료)를 가했을 때, 뇌 시스템이 목표 시스템(비질환자의 뇌 네트워크 모델)과 동일한 효과를 낼 수 있는 최적의 자극을 찾는 것이며, 그 과정에서 자가 보정에 의한 효과 왜곡을 고려할 수 있다. As such, when a stimulus is applied to any one node, the brain system changes the strength of synapses with other nodes connected to it like a mesh, and at the same time tries to return to the original state. Accordingly, the goal of the
원 시스템에 자극(치료)을 가하면 신경 가소성(헵 가소성) 및 항상성에 의해 아래의 네모 박스에 도시된 왜곡된 변화(자가 적응에 따른 변화)(Self-adjustment after treatment)가 일어나게 될 수 있다. 이때, 활동 종속 가소성(Activity-dependent plasticity)(신경 가소성)은 [수학식 1]과 같이 정의되고, 항상성(Homeostasis plasticity)은 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다. Applying a stimulus (treatment) to the original system can cause the distorted changes (self-adjustment after treatment) shown in the box below by neural plasticity (Heb's plasticity) and homeostasis (self-adjustment after treatment). In this case, activity-dependent plasticity (neural plasticity) may be defined as [Equation 1], and homeostasis plasticity may be defined as [Equation 2].
여기서, i는 자극 제공의 반복 횟수, nt은 자극 대상 노드, ent는 직접적인 영향을 받는 가장자리 노드, An은 n 노드의 시냅스 강도 절대량, r는 자극 제공 후 각 반복에서 노드 간 반응이 업데이트 된 속도를 의미하며, γm은 노드로 들어오는 연결 신호(강도)의 총량을 의미한다. where i is the number of repetitions of stimulus presentation, n t is the node to be stimulated, e nt is the directly affected edge node, A n is the absolute amount of synaptic strength of n nodes, and r is the node-to-node response updated at each iteration after the stimulus is provided It means the speed, and γ m means the total amount of connection signal (strength) coming into the node.
프로세서(140)는 뇌 시스템이 노드에 흥분 신호 또는 억제 신호와 같은 신호 종류에 관계 없이, 하나의 노드에서 시냅스 또는 이와 연결되는 노드 수의 균형을 맞추기 위해 노드 간 시냅스 강도 조정이 수행된다는 가정하에, 노드로 지속적으로 자극을 제공하는 동안 활동 의존적 가소성(신경 가소성) 및 항상성을 정의하는 변수(신경 동역학 모델의 자가 적응 파라미터)를 변경하면서, 최적의 파라미터를 추정할 수 있다. The
즉, 프로세서(140)는 하기의 [수학식 3]과 같이 노드(nt)에 i번의 자극을 가하여, 노드 또는 신경 집단에서 시냅스 후전위(Maximal postsynaptic potential)(Hnt)를 변경하면서, 원하는 치료 효과를 낼 수 있는 최적의 파라미터를 추정할 수 있다. That is, the
여기서, α는 자극을 가하는 노드(nt)에서 최대 PSP에 비해 자극이 증가/감소한 비율, Hnt는 노드에서의 처리 효과, Hnt*는 노드에서의 최종 처리 효과를 의미한다. Here, α is the rate at which the stimulus is increased/decreased compared to the maximum PSP at the node applying the stimulus (n t ), Hn t is the processing effect at the node, and Hn t * is the final processing effect at the node.
한편, 이러한 치료 개요에 따라서 질환자 별 최적의 치료 조건을 탐색하는 방법은 치료 이력의 유/무에 따라 달라질 수 있으며, 이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 프로세서(140)를 통해 치료 이력이 없는 질환자의 적응형 뇌 모델에서 뇌 기능을 조절하는 방법에 대하여 설명하도록 한다. On the other hand, the method of searching for the optimal treatment condition for each disease patient according to this treatment outline may vary depending on the presence or absence of a treatment history. A method of regulating brain function in an adaptive brain model of a patient with a disease will be described.
Case 1. 치료 이력이 없는 질환자
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료 이력이 없는 질환자의 뇌 기능 조절 방법에 대한 순서도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 장치가 치료 데이터가 없는 질환자의 자가 고유 파라미터를 추정하는 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.6 is a flowchart of a method for regulating brain function of a patient without a treatment history according to an embodiment of the present invention, and FIG. These are graphs for explaining a method for estimating parameters.
도 6을 참조하면, 프로세서(140)는 질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간 시냅스 강도를 결정할 수 있다(S110). 여기서, 뇌 네트워크 모델은 뇌의 각 영역(노드) 간의 연결 구조를 나타낸 것으로서, 노드 사이의 연결성은 시냅스 강도로 정의될 수 있다. Referring to FIG. 6 , the
뇌 네트워크 모델은 어느 하나의 연속적인 자극에 대해서 노드 간의 시냅스 강도가 서로 상이하며, 프로세서(140)는 뇌 활성에 대한 수학적 모델의 추정을 통해 노드 간의 시냅스 강도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(140)는 뇌파, ECoG, fMRI 등의 다양한 측정 자료를 이용하여 뇌 활성에 대한 수학적 모델을 추정할 수 있다. In the brain network model, synaptic strengths between nodes are different for any one continuous stimulus, and the
실시예에 따라, 질환자와 비질환자는 뇌 네트워크 모델에서 서로 상이한 노드 간 시냅스 강도를 가지며, 프로세서(140)는 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도가 동일해질 수 있도록 그 방법을 탐색할 수 있다. According to an embodiment, the diseased person and the non-disease person have different inter-node synaptic strengths in the brain network model, and the
프로세서(140)는 뇌 네트워크 모델에서 치료 대상이 되는 노드를 선정하고, 선정된 노드에 연속적인 자극을 가하여, 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득할 수 있으며(S120), 획득된 뇌 활동 데이터와 시뮬레이션을 통해 예측된 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 비교하여, 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정할 수 있다(S130). 치료 이력이 없는 질환자의 경우 어느 정도 범위의 자극을 제공함으로써 자가 적응 파라미터를 추정할 수 있는지에 대한 기준이 없기 때문에, 프로세서(140)는 I/O 인터페이스(130)를 통해 사용자로부터 입력 받은 변수 범위를 토대로 질환자에게 제공할 임의의 자극의 값을 결정할 수 있다. The
프로세서(140)는 치료 대상이 되는 노드에 가하게 될 자극의 범위와 자가 적응 파라미터 범위를 결정할 수 있으며, 자극의 범위는 질환자들의 자가 적응 파라미터 집합에 영향을 주는 범위 안에서 결정될 수 있다. 그에 따라 프로세서(140)는 추정하는 단계에서의 비교 결과를 확인하고, 자극에 따른 효과가 비질환자와 동일해지는 방향으로 자극의 값을 변경(축소 또는 증가)시키면서, 변경된 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(140)는 자극에 따른 효과가 동일해지지 않을 경우, 앞서 선정된 노드와는 다른 노드에 자극을 가하고, 그에 따른 뇌 활동 데이터를 획득할 수도 있다. The
보다 자세하게, 프로세서(140)는 하기의 [수학식 4]로 정의된 그래프를 통해 자극에 대한 실제 뇌 활동 데이터와 예측되는 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 비교하여, 자가 적응 파라미터를 추정하기 위한 자극 값을 결정할 수 있다. In more detail, the
여기서, R, T는 자극의 강도/자가 적응 파라미터에 대해서 시간에 따른 전위 막 전압(Membrane potential)의 변화 값으로 정의되는 뇌 활동 데이터의 또 다른 표현 수식인 VSDI(Voltage signal dependent imaging) 신호 y에 대한 총 영역 수 및 총 시간 샘플 수를 의미하며, yt는 예측 신호, ys는 실제 측정된 신호를 의미한다. Here, R and T are VSDI (Voltage Signal Dependent Imaging) signal y, which is another expression formula of brain activity data, which is defined as the change value of the membrane potential with time for the intensity/self-adaptation parameter of the stimulus. It means the total number of regions and the total number of time samples, y t denotes a predicted signal, and y s denotes an actual measured signal.
즉, 프로세서(140)는 자극에 대한 실제 뇌 활동 데이터를 토대로 계산된 VSDI 신호(ys 신호)와 예측되는 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 토대로 계산된 VSDI 신호(yt) 값의 정확도 차이를 나타내는 그래프(MSE 그래프)를 통해 질환자에게 제공할 적절한 자극의 값을 결정할 수 있다. That is, the
이와 관련하여, 도 7을 참조하면, (a)에 도시된 바와 같이 질환자의 초기 뇌 시스템(Ainitial)과 목표 뇌 시스템(Atarget)은 다음과 같은 노드 간 시냅스 강도 차이(ΔA)를 가지며, 프로세서(140)는 그 차이 값이 가장 큰 E21 노드를 치료 대상이 되는 노드로 결정할 수 있다. In this regard, referring to FIG. 7 , as shown in (a), the initial brain system (A initial ) and the target brain system (A target ) of the patient have the following synaptic strength difference (ΔA) between nodes, The
프로세서(140)는 치료 대상이 되는 노드에 가하게 될 자극의 범위와 자가 적응 파라미터 범위를 결정하고, 이를 토대로 (b)와 같은 MSE 그래프를 생성할 수 있으며, MSE 그래프를 통해 질환자에게 제공할 적절한 자극의 값을 결정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(140)는 가우시안 프로세스 모델(Gaussian process model)을 기반으로 하는 베이지안 추정 기법을 이용하여 임의로 결정된 넓은 범위의 자극 중에서 자가 적응 파라미터를 추정하기에 적합한 자극 값을 결정할 수 있으며, 이를 통해 질환자에게 적합한 치료 조건을 찾기 위한 시간을 단축시킬 수 있다. 특히, 프로세서(140)는 [수학식 5]로 정의된 주변화 (marginalization) 기법을 적용하여 치료의 대상이 되는 뇌 네트워크의 자가 적응 특성에 대한 정보가 없는 경우에 가장 확률적으로 적절한 자가 적응 파라미터를 선택한 뒤, 질환자에게 제공할 자극의 값을 결정할 수 있다. The
여기서, βLB 와 βUB는 사용자로부터 입력 받은 자가 적응 파라미터의 상한 값 및 하한 값을 의미하며, α*는 질환자에게 제공할 자극의 값을 의미한다. Here, β LB and β UB denote the upper and lower limits of the self-adaptation parameter input from the user, and α* denotes the value of the stimulus to be provided to the patient.
(c) 그래프를 참조하면, 프로세서(140)는 선택된 자가 적응 파라미터를 따라 가장 작은 MSE 값을 가지는 α*=0.133을 질환자에게 제공할 자극 값으로 결정할 수 있으며, 이를 통해 다시 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정할 수 있다. 즉, 해(d)와 (e) 그래프에서도 알 수 있듯이, MSE 값이 9.015이 아닌 4.304으로 더 작은 값을 가질 때, 질환자로부터 계산된 VSDI 신호 그래프와 비질환자로부터 예측된 VSDI 신호 그래프 사이의 차이가 적으며, 그에 따라 뇌 네트워크의 각 노드(영역)의 시냅스 강도가 동일해지고 동일한 효과를 구현해낼 수 있음을 확인할 수 있다. 참고로, 하나로 연결된 그래프 신호는 각각 도 4에 도시된 해마 회로의 Hilus, CA1, CA3 영역에서 계산/예측된 VSDI 신호일 수 있다. (c) Referring to the graph, the
다시 도 6을 참조하면, 프로세서(140)는 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 질환자의 각 노드의 활성이 비질환자의 활성에 가까워 지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극을 제공할 수 있다(S140). 여기서, 자극을 제공한다는 것은 질환자에게 적합한 자극을 선택하는 것으로 이해될 수 있다. Referring back to FIG. 6 , the
실시예에 따라, 프로세서(140)는 제공된 자극을 기초로 치료 조건을 결정할 수 있으며, 여기서의 치료 조건은, 해당 질환에 적합한 약물의 정량, 자극의 목표가 되는 뇌 위치 및 자극의 강도 중 적어도 하나와 함께 약물 또는 자극의 제공 시간 또는 횟수를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the
이와 같이, 프로세서(140)는 치료 데이터가 없는 경우에도, 베이지안 추정 기법을 이용하여 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 빠르게 추정하고, 그에 따른 최적의 치료 조건을 결정할 수 있다.As such, even when there is no treatment data, the
이하에서는, 프로세서(140)를 통해 치료 이력이 존재하는 질환자의 적응형 뇌 모델에서 뇌 기능을 조절하는 방법에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of controlling a brain function in an adaptive brain model of a patient with a treatment history through the
Case 2. 치료 이력이 존재하는 질환자
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 치료 이력이 존재하는 질환자의 뇌 기능 조절 방법에 대한 순서도이다. 8 is a flowchart of a method for regulating brain function of a patient with a history of treatment according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 프로세서(140)는 질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간 시냅스 강도를 결정할 수 있다(S210). 여기서, 뇌 네트워크 모델은 뇌의 각 영역(노드) 간의 연결 구조를 나타낸 것으로서, 노드 사이의 연결성은 시냅스 강도로 정의될 수 있다. Referring to FIG. 8 , the
프로세서(140)는 뇌 네트워크 모들에서 치료 대상이 되는 노드를 이용하여 획득된 복수의 자극 및 복수의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 기초로 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정할 수 있다(S220). 이때, 뇌 활동 데이터는 자극에 대한 노드 간의 연결성 변화를 관측한 데이터이며, 실시예에 따라, 뇌 활동 데이터는 치료 대상이 되는 노드의 전위 막 전압(Membrane potential) 변화 값을 기초로 계산된 VSDI(Voltage signal dependent imaging) 신호, 칼슘 영상(Cal), 자기공명영상(fMRI) 뇌파(EEG) 및 뇌자도(MEG) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The
프로세서(140)는 치료 값으로 정의된 제1 자극에 대한 제1 VSDI 신호, Cal fMRI, EEG 및 MEG 중 적어도 하나의 신호를 활용하여, 자가 변수 파라미터를 추정할 수 있는데, 보다 구체적으로, 프로세서(140)는 MSE 그래프에서 그 값이 최소가 되는 자가 변수 파라미터를 질환자 고유의 자가 적응 파라미터로 추정할 수 있다. 여기서, MSE 그래프는 질환자의 치료 데이터(VSDI 신호)와 비질환자로부터 예측되는 자극에 대한 뇌 활동 데이터(VSDI 신호)와의 정확도 차이를 나타내는 그래프일 수 있다. The
이와 같이, 프로세서(140)는 치료 이력이 존재하는 경우, 뇌 활동 데이터를 토대로 자가 변수 파라미터를 빠르게 추정할 수 있으며, 프로세서(140)는 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 질환자의 각 노드의 활성이 비질환자의 활성에 가까워 지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극을 제공할 수 있다(S230). 여기서, 자극을 제공한다는 것은 질환자에게 적합한 자극을 선택하는 것으로 이해될 수 있다. As such, when there is a treatment history, the
실시예에 따라, 프로세서(140)는 제공된 자극을 기초로 치료 조건을 결정할 수 있으며, 여기서의 치료 조건은, 해당 질환에 적합한 약물의 정량, 자극의 목표가 되는 뇌 위치 및 자극의 강도 중 적어도 하나와 함께 약물 또는 자극의 제공 시간 또는 횟수를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 기능 조절 방법의 전체적인 순서를 설명하기 위한 개략도이다. 9 is a schematic diagram for explaining the overall sequence of the brain function control method according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 뇌 기능 조절 장치(100)는 치료 대상이 되는 노드(예. E21)를 기준으로 도출되는 MSE 그래프에서 베이지안 추정 기법(주변화 기법)을 이용하여 첫 번째로 최적의 치료(치료 1)를 탐색하고, 질환자 고유의 자가 적응 파라미터를 추정한 뒤, 최적의 치료 계획을 세울 수 있으며, 최적의 치료 계획에 따라 순차적으로 획득되는 뇌 활동 데이터를 토대로 변화하는 자가 적응 파라미터와 변경되는 최적의 치료 계획을 수립할 수 있다. Referring to FIG. 9 , the brain
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 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. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 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.Although one embodiment of the present invention has been described in more detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications may be made within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. have. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 뇌 기능 조절 장치
110: 통신 인터페이스
111: 유선 통신 포트 112: 무선 회로
120: 메모리
121: 운영 체제 122: 통신 모듈
123: 사용자 인터페이스 모듈 124: 애플리케이션
130: I/O 인터페이스
140: 프로세서
200: 영상 촬영 장치100: brain function control device
110: communication interface
111: wired communication port 112: wireless circuit
120: memory
121: operating system 122: communication module
123: user interface module 124: application
130: I/O interface
140: processor
200: video recording device
Claims (16)
질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하는 단계;
상기 질환자의 뇌 네트워크 모델과 비질환자의 뇌 네트워크 모델에서 자극에 대한 반응으로 노드 간 시냅스 강도 차이 값이 가장 큰, 대상이 되는 노드에 가해지는 연속적인 자극을 통해, 상기 연속적인 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득하는 단계;
상기 획득된 뇌 활동 데이터와 시뮬레이션을 통해 예측된 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 비교하고, 비교 결과를 기초로 추정 기법을 통한 질환자 고유의 자가 적응 파라미터- 상기 자가 적응 파라미터는 노드로 가해지는 자극에 대한 활동 의존적 가소성 및 항상성을 정의한 변수임-를 추정하는 단계; 및
추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성 데이터가 비질환자의 활성 데이터와 가까워지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극 값을 결정하는 단계; 를 포함하는 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.A method for determining a stimulus value for controlling a brain function performed by a processor of an information providing device for controlling a brain function, the method comprising:
Determining the strength of synapses between nodes in the brain network model of the patient;
In the brain network model of the diseased person and the brain network model of the non-diseased person, through continuous stimulation applied to the target node, which has the largest synaptic strength difference value between nodes in response to stimulation, brain activity according to the continuous stimulation acquiring data;
Compare the acquired brain activity data with the brain activity data for the stimulation of the non-disease predicted through simulation, and based on the comparison result, the patient's own self-adaptation parameter through an estimation technique- The self-adaptation parameter is applied to the node. estimating the variables that define activity-dependent plasticity and homeostasis to stimuli; and
Based on the estimated self-adaptation parameter, the activity data of each node of the diseased person is close to the activity data of the non-disease, or the synaptic strength between nodes of the diseased person is close to the internode synapse strength of the non-disease Determination of a stimulus value to do; A method of providing information for brain function control based on a self-adaptive brain model comprising a.
상기 뇌 네트워크 모델은,
하나의 노드와 적어도 하나 이상의 노드가 연결되는 구조를 가지며, 질환자와 비질환자는 서로 상이한 노드 간 시냅스 강도를 가지는, 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.According to claim 1,
The brain network model is
A method for providing information for regulating brain function based on a self-adaptive brain model, having a structure in which one node and at least one node are connected, and wherein the diseased and the non-disease have different synaptic strengths between nodes.
상기 추정하는 단계에서의 비교 결과에 따라, 상기 노드에 가해지는 자극의 값을 변경하거나, 상기 노드와는 다른 노드에 가해지는 자극을 통해,
변경된 자극 또는 상기 다른 노드에 가해진 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득하는 단계, 를 더 포함하는 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.According to claim 1,
According to the result of the comparison in the estimating step, the value of the stimulus applied to the node is changed, or through the stimulus applied to a node different from the node,
Acquiring brain activity data according to the changed stimulus or the stimulus applied to the other node;
상기 뇌 활동 데이터는,
서로 다른 강도의 자극 및 자가 적응 파라미터에 대해서 시간에 따른 전위막 전압(Membrane potential) 자가 변화 데이터-상기 자가 변화 데이터는 노드 간 시냅스 강도의 자가 변화가 반영됨-를 포함하는, 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.4. The method of claim 3,
The brain activity data,
Based on self-adaptive brain model, including self-change data of membrane potential with time for stimulation of different intensity and self-adaptation parameters, wherein the self-change data reflects self-change in synaptic strength between nodes A method of providing information for regulating brain function.
상기 뇌 활동 데이터를 획득하는 단계 이전에,
상기 대상이 되는 노드에 가해지는 자극 값의 범위 및 상기 자가 적응 파라미터 범위를 결정하는 단계, 를 더 포함하는 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.According to claim 1,
Prior to acquiring the brain activity data,
and determining a range of a stimulus value applied to the target node and a range of the self-adaptation parameter.
상기 자극 값의 범위는,
질환자들의 자가 적응 파라미터 집합에 영향을 주는 범위 내에서 결정되는, 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.6. The method of claim 5,
The range of the stimulus value is,
A method of providing information for brain function control based on a self-adaptive brain model that is determined within the range that affects the self-adaptive parameter set of patients with disease.
상기 자극 값을 결정하는 단계는,
상기 질환자의 뇌 네트워크 모델과 관련하여 자가 적응 특성에 대한 정보가 없는 경우, 조건부 확률적으로 주변화 (marginalization) 기법을 적용하여 자극 값을 결정하는 단계인, 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.6. The method of claim 5,
The step of determining the stimulus value comprises:
When there is no information on self-adaptation characteristics in relation to the brain network model of the patient, conditionally probabilistically applying a marginalization technique to determine a stimulus value, a self-adaptive brain model-based brain function control How to provide information for
질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하는 단계;
상기 뇌 네트워크 모델에서 대상이 되는 노드를 이용하여 획득된 복수의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 기초로 형성된 MSE(Mean Squared Error) 그래프에서 MSE 값이 최소가 될 수 있는 질환자 고유의 자가 적응 파라미터-상기 자가 적응 파라미터는 노드로 가해지는 자극에 대한 활동 의존적 가소성 및 항상성을 정의한 변수임-를 추정하는 단계; 및
추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성 데이터가 비질환자의 활성 데이터와 가까워지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극 값을 결정하는 단계; 를 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.A method for determining a stimulus value for controlling a brain function performed by a processor of an information providing device for controlling a brain function, the method comprising:
Determining the strength of synapses between nodes in the brain network model of the patient;
In the mean squared error (MSE) graph formed based on brain activity data for a plurality of stimuli obtained using a target node in the brain network model, the MSE value can be minimized in the patient's own self-adaptation parameter-the above estimating self-adaptation parameters - variables defining activity-dependent plasticity and homeostasis with respect to stimuli applied to the node; and
Based on the estimated self-adaptation parameter, the activity data of each node of the diseased person is close to the activity data of the non-disease, or the synaptic strength between nodes of the diseased person is close to the internode synapse strength of the non-disease is determined. to do; A method of providing information for brain function regulation based on self-adaptive brain model.
상기 뇌 네트워크 모델은,
하나의 노드와 적어도 하나 이상의 노드가 연결되는 구조를 가지며, 질환자와 비질환자는 서로 상이한 노드 간 시냅스 강도를 가지는, 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.10. The method of claim 9,
The brain network model is
A method for providing information for regulating brain function based on a self-adaptive brain model, having a structure in which one node and at least one node are connected, and wherein the diseased and the non-disease have different synaptic strengths between nodes.
상기 뇌 활동 데이터는,
상기 대상이 되는 노드의 전위 막 전압(Membrane potential) 변화 값을 기초로 계산된 VSDI(Voltage signal dependent imaging) 신호, 칼슘 영상(CaI), 자기공명영상(fMRI), 뇌파(EEG) 및 뇌자도(MEG) 중 적어도 하나를 포함하는, 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.10. The method of claim 9,
The brain activity data,
A voltage signal dependent imaging (VSDI) signal, calcium image (CaI), magnetic resonance imaging (fMRI), electroencephalogram (EEG) and an EEG ( MEG), comprising at least one of the self-adaptive brain model-based information providing method for brain function control.
상기 추정하는 단계는,
미리 정의된 제1 자극 값을 기준으로 사용자가 정의한 최적 함수 값이 최소가 되는 자가 변수 파라미터를 상기 질환자 고유의 자가 적응 파라미터로 추정하는 단계인 자가 적응형 뇌 모델 기반의 뇌 기능 조절을 위한 정보 제공 방법.10. The method of claim 9,
The estimating step is
Information for brain function control based on a self-adaptive brain model, which is a step of estimating a self-variable parameter with the minimum user-defined optimal function value as a self-adaptive parameter unique to the patient based on a predefined first stimulus value Way.
메모리; 및
상기 통신 인터페이스, 상기 메모리와 동작 가능하게 연결된 프로세서; 를 포함하고,
상기 프로세서는,
질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하고, 상기 질환자의 뇌 네트워크 모델과 비질환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간 시냅스 강도 차이 값이 가장 큰, 대상이 되는 노드에 가해지는 연속적인 자극을 통해, 상기 연속적인 자극에 따른 뇌 활동 데이터를 획득하고, 상기 획득된 뇌 활동 데이 터와 시뮬레이션을 통해 예측된 비질환자의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 비교하고, 비교 결과를 기초로 추정 기법을 통한 질환자 고유의 자가 적응 파라미터- 상기 자가 적응 파라미터는 노드로 가해지는 자극에 대한 활동 의존적 가소성 및 항상성을 정의한 변수임-를 추정하고, 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성 데이터가 비질환자의 활성 데이터에 가까워지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극 값을 결정하도록 구성되는, 뇌 기능을 조절하기 위한 정보 제공 장치.communication interface;
Memory; and
a processor operatively coupled to the communication interface and the memory; including,
The processor is
Determine the synaptic strength between nodes in the brain network model of the diseased person, and through continuous stimulation applied to the target node with the largest difference in synaptic strength between nodes in the brain network model of the diseased person and the brain network model of the non-diseased person , acquire brain activity data according to the continuous stimulation, compare the acquired brain activity data with the brain activity data for the stimulation of the non-disease predicted through simulation, and use the estimation technique based on the comparison result for the diseased person Intrinsic self-adaptation parameters-the self-adaptation parameters are variables that define activity-dependent plasticity and homeostasis with respect to stimuli applied to the node-, and based on the estimated self-adaptation parameters, the activity data of each node of the patient is not An information providing device for regulating brain function, configured to determine a stimulus value that approaches the active data of the diseased person, or that allows the inter-node synapse strength of the diseased person to approach the inter-node synaptic strength of the non-diseased person.
메모리; 및
상기 통신 인터페이스, 상기 메모리와 동작 가능하게 연결된 프로세서; 를 포함하고,
상기 프로세서는,
환자의 뇌 네트워크 모델에서 노드 간의 시냅스 강도를 결정하고, 상기 뇌 네트워크 모델에서 대상이 되는 노드를 이용하여 획득된 복수의 자극에 대한 뇌 활동 데이터를 기초로 형성된 MSE(Mean Squared Error) 그래프에서 MSE 값이 최소가 될 수 있는 질환자 고유의 자가 적응 파라미터-상기 자가 적응 파라미터는 노드로 가해지는 자극에 대한 활동 의존적 가소성 및 항상성을 정의한 변수임-를 추정하고, 추정된 자가 적응 파라미터를 기준으로 상기 질환자의 각 노드의 활성 데이터가 비질환자의 활성 데이터와 가까워지거나, 상기 질환자의 노드 간 시냅스 강도가 비질환자의 노드 간 시냅스 강도에 가까워질 수 있는 자극 값을 결정하도록 구성되는, 뇌 기능을 조절하기 위한 정보 제공 장치.communication interface;
Memory; and
a processor operatively coupled to the communication interface and the memory; including,
The processor is
The MSE value in the MSE (Mean Squared Error) graph formed based on the brain activity data for a plurality of stimuli obtained by determining the synaptic strength between nodes in the patient's brain network model, and using the target node in the brain network model. A patient-specific self-adaptation parameter that can be minimized is estimated, the self-adaptation parameter is a variable that defines activity-dependent plasticity and homeostasis to a stimulus applied to the node, and based on the estimated self-adaptation parameter, the patient's Information for regulating brain function, configured to determine a stimulus value at which the activity data of each node is close to the activity data of the non-disease, or the inter-node synapse strength of the diseased person approaches the inter-node synaptic strength of the non-disease provided device.
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KR1020210046115A KR102339382B1 (en) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | Method and apparatus for regulating brain fucntion using self-adaptive brain model |
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KR20170097324A (en) * | 2016-02-18 | 2017-08-28 | 연세대학교 원주산학협력단 | Brain damage measuring method based on anatomical brain network and apparatus using thereof |
KR20200086316A (en) * | 2017-11-10 | 2020-07-16 | 엘비스 코포레이션 | Efficacy and/or therapeutic parameter recommendations using individual patient data and therapeutic brain network maps |
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2021
- 2021-04-08 KR KR1020210046115A patent/KR102339382B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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KR20150026629A (en) | 2013-09-03 | 2015-03-11 | 이화여자대학교 산학협력단 | Apparatus and method for extracting brain information flow in brain networks |
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