KR102375088B1

KR102375088B1 - 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이 및 이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치

Info

Publication number: KR102375088B1
Application number: KR1020190178061A
Authority: KR
Inventors: 양성구; 이상원; 이민석; 안종현; 김제중
Original assignee: 주식회사 지브레인
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2022-03-17
Also published as: KR20210085230A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이는, 초박막 플렉서블 기판; 상기 초박막 플렉서블 기판 상에 형성되는 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극; 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극에서 감지된 신호를 외부로 전달하거나 외부의 전기 자극을 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극으로 전달하기 위한 복수의 트랙 전극; 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극을 노출하면서 상기 복수의 트랙 전극 및 상기 초박막 플렉서블 기판을 덮도록 형성된 절연층; 및 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 및 상기 복수의 트랙 전극이 형성되지 않은 영역에 형성되고, 상기 기판 및 상기 절연층을 관통하는 복수의 관통홀을 포함한다.

Description

뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이 및 이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치{MULTICHANNEL ELECTRODE ARRAY FOR BRAIN MAP REMODELLING AND APPARATUS FOR BRAIN MAP REMODELLING USING THE SAME}

본 발명은 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이 및 이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치에 관한 것이다.

대뇌 피질과 관련된 감각 지도는 감각 운동과 인지를 나타내는 신경망의 공간적 구성을 반영한다. 그들은 경험에 의해 시행되는 인지 학습의 접근가능한 척도를 제공한다.

특히, 대뇌 피질에서 발생하는 뇌 신호에 기반하여 형성되는 뇌지도는 지각, 학습 및 질병을 연구하는데 유용하다. 뇌지도는 초기 발달 단계에서 형성된 후 영구적으로 고정되지 않는다. 오히려, 뇌지도는 적응과 안정화 사이의 상호 작용의 결과로서 유기체의 수명 전체에 걸쳐 구조적 변화 및 기능적 변화를 겪는다.

시간 경과에 따른 변화를 감지하기 위하여 대뇌 피질의 전체 영역에 대한 뇌지도를 신속하게 획득하고 평가하는 것은 기술적으로 어렵다.

뇌지도를 획득하기 위하여 뇌피질을 관통하는 관통 전극을 사용하는 것은 침습적이어서 뇌 조직에 손상을 줄 수 있다. 예를 들어, 128 채널의 신호를 획득하기 위해서는 관통 전극을 사용하여 뇌 피질을 128번 반복적으로 찔러야 하므로 뇌 조직에 손상을 주어 반복적인 평가를 하기 힘들다.

뇌파 검사(EEG), 양전자 방출 단층 촬영(PET) 및 기능적 자기 공명 영상(fMRI)을 이용하여 뇌지도를 획득하는 것은 비침습적이어서 반복적인 표본 추출을 통해 전체 뇌지도를 작성할 수 있게 한다. 하지만, 이러한 방법들은 공간 해상도가 낮고, 시간 지연 및 특정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류가 발생할 가능성이 높으며, 비용이 많이 든다. 특히, 이러한 방법들은 대규모 뇌지도 작성을 가능하게 하지만, 시공간 해상도가 낮아 예를 들어, 손과 발 영역 등이 구별이 되지 않기 때문에, 임상적 이점을 제공할 수 없다.

최근에 유연한 표면 전극이 신호 기록 충실도가 높아 상당한 주목을 받고 있고, 이러한 표면 전극을 사용하면 대뇌 피질의 국부 전위를 검출하여 효율적으로 뇌지도를 획득할 수 있다,

하지만, 종래의 표면 전극은 일반적으로 2차원 구조를 지니는 초박막 형태의 전극이기 때문에, 3차원 구조의 뇌 표면 상에 전사되었을 때, 뇌 표면과 밀접하게 접촉하기 어렵다. 이것은 표면 전극과 뇌 표면 사이의 차원 차이로 인하여 초박막의 평면 내 변형(in-plane deformation)을 야기하며, 이로 인하여 초박막 형태의 표면 전극에 주름이 생겨 뇌 표면과 온전한 접촉을 불가능하게 만들기 때문이다.

따라서, 뇌 표면과 밀착하여 접촉가능하여, 뇌신호를 온전하게 획득할 수 있어, 공간 해상도가 높고, 시간 지연 및 특정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류 발생 가능성이 없으며, 저렴한 비용으로 뇌지도를 획득할 수 있는 전극 어레이 및 이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치가 요구된다.

KR

10-1007558

B1

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 뇌 표면과 밀착하여 접촉가능하여, 뇌신호를 온전하게 획득할 수 있어, 공간 해상도가 높고, 시간 지연 및 특정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류 발생 가능성이 낮으며, 저렴한 비용으로 뇌지도를 획득할 수 있는 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 뇌 표면과 밀착하여 접촉가능하여, 뇌신호를 온전하게 획득할 수 있어, 공간 해상도가 높고, 시간 지연 및 특정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류 발생 가능성이 낮으며, 저렴한 비용으로 뇌지도를 획득할 수 있는 다채널 전극 어레이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이는,

초박막 플렉서블 기판;

상기 초박막 플렉서블 기판 상에 형성되는 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극;

상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극에서 감지된 신호를 외부로 전달하거나 외부의 전기 자극을 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극으로 전달하기 위한 복수의 트랙 전극;

상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극을 노출하면서 상기 복수의 트랙 전극 및 상기 초박막 플렉서블 기판을 덮도록 형성된 절연층; 및

상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 및 상기 복수의 트랙 전극이 형성되지 않은 영역에 형성되고, 상기 기판 및 상기 절연층을 관통하는 복수의 관통홀을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 복수의 관통홀은, 상기 다채널 전극 어레이가 측정 대상과 접촉하는 면적을 감소시켜 상기 초박막 플렉서블 기판의 평면 내 변형을 감소시키고,

상기 복수의 관통홀은 상기 복수의 관통홀에 의해 노출된 상기 측정 대상의 노출 영역으로의 산소 공급, 약물 주입 및 상기 측정 대상의 노출 영역의 내부로의 탐침 침투를 위한 통로로 사용되며,

상기 다채널 전극 어레이를 상기 측정 대상에 부착 시 상기 복수의 관통홀은 상기 다채널 전극 어레이와 상기 측정 대상의 접촉면에서 발생하는 기포가 빠져나가도록 하여 상기 다채널 전극 어레이와 상기 측정 대상의 접촉도를 증가시켜, 상기 다채널 전극 어레이가 상기 측정 대상에 밀착되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극은 한 층 이상의 그래핀으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 측정 대상은 뇌 피질을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 측정 대상은 실험용 동물의 뇌 피질 또는 인간을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극의 개수가 32개인 경우, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 각각은, 0.2㎜×0.2㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고, 상기 복수의 관통홀은 0.2㎜, 0.4㎜, 0.6㎜ 및 0.7㎜ 직경의 관통홀들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극의 개수가 64개인 경우, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 각각은, 0.06㎜×0.06㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고, 상기 복수의 관통홀은 0.12㎜, 0.16㎜, 0.2㎜, 0.24㎜ 및 0.3㎜ 직경의 관통홀들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극의 개수가 128개인 경우, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 각각은, 0.08㎜×0.08㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고, 상기 복수의 관통홀은 0.1㎜, 0.16㎜, 0.2㎜ 및 0.3㎜ 직경의 관통홀들을 포함할 수 있다.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링 장치는,

상기한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이;

제어 신호에 따라 상기 다채널 전극 어레이의 복수의 트랙 전극을 제1 접점부에 연결하거나, 제2 접점부에 연결하는 스위칭부;

상기 제1 접점부로부터 수신되는 다채널 신호를 증폭하여 출력하는 뇌신호 획득부;

상기 뇌신호 획득부로부터 수신되는 다채널 뇌신호에 기반하여 뇌지도를 형성하고, 자극 인가 제어 신호를 제공하며, 상기 스위칭부에 상기 제어 신호를 인가하기 위한 뇌지도 리모델링부;

상기 자극 인가 제어 신호에 기반하여 전기 자극 신호를 생성하기 위한 자극 인가부; 및

상기 뇌지도 리모델링부에 의해 형성된 뇌지도를 표시하기 위한 표시부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 의하면, 뇌 표면과 밀착하여 접촉가능하여, 뇌신호를 온전하게 획득할 수 있어, 공간 해상도가 높고, 시간 지연 및 특정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류 발생 가능성이 낮으며, 저렴한 비용으로 뇌지도를 형성하기 위한 뇌신호를 획득할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이는 기판을 관통하는 복수의 관통홀을 포함하기 때문에, 다채널 전극 어레이가 뇌 피질과 접촉하는 면적을 감소시켜 초박막 플렉서블 기판의 평면 내 변형을 감소시킬 수 있고, 관통홀에 의해 노출된 뇌 피질 영역으로의 산소 공급, 약물 주입 및 뇌 피질 내부로의 탐침 침투가 가능하며, 다채널 전극 어레이를 뇌 피질에 부착 시 다채널 전극 어레이와 뇌 피질 표면과의 접촉면에서 발생하는 기포가 관통홀을 통해 빠져나가도록 하여 다채널 전극 어레이와 뇌 피질 표면의 접촉도가 증가하여, 다채널 전극 어레이가 뇌 피질의 표면에 밀착되도록 하여, 뇌신호를 온전하게 획득할 수 있다.

따라서, 다채널 전극 어레이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치에 의하면, 생체에 적합하고, 뇌신호를 온전하게 획득할 수 있어, 공간 해상도가 높고, 시간 지연 및 특정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류 발생 가능성이 낮으며, 저렴한 비용으로 뇌지도를 획득할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이를 도시한 것으로서, 32 채널 전극 어레이를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 상세도.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 단면도, 도 3(b)는 그래핀 전극의 상면도를 도시한 것으로서, 그래핀 전극 영역을 제외한 모든 영역은 절연층인 SU-8 층으로 절연됨.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 32 채널 전극 어레이를 도시한 것이고, 도 4(b)는 도 4(a)의 선 A-A'를 따라 절단할 때의 단면도를 도시한 것으로서, 복수의 관통홀을 통한 뇌 표면으로의 약물 전달 및 동시 뇌 신호 측정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이를 도시한 것으로서, 128 채널 전극 어레이를 도시한 도면.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 상세도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 상세도로서, 64 채널 전극 어레이를 도시한 도면.
도 8은 (a) 128 채널 전극 어레이, (b) 64 채널 전극 어레이 및 (c) 32 채널 전극 어레이를 같은 스케일로 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 전극 어레이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치의 블록도.
도 10(a)는 쥐의 청각 피질 및 체성감각 피질을 도시한 도면으로서, 다양한 주파수 톤을 갖는 청각 자극 및 물리적인 자극을 각각의 신체 부분에 인가한 후 결과로서 생성된 청각 영역 및 체성 감각 영역 각각의 뇌지도를 도시한 도면, 도 10(b)는 감각 피질 상의 그래핀 기반 전극 어레이의 광학적 이미지를 도시한 도면, 도 10(c)는 피질 표면상의 그래핀 기반 전극 어레이를 통해 수신된 다채널 신호의 다채널 기록을 도시한 도면, 도 10(d)는 그래핀 기반 전극 어레이에 고주파수 전기 자극을 인가한 이후의 감각 자극에 대한 피질 반응의 증강을 도시한 도면.
도 11(a)는 체성 감각 피질에 부착된 다채널 그래픽 기반 전극 어레이를 도시한 도면으로서, 응답 주파수는 다양한 감각 자극에 대한 응답 횟수를 나타냄, 도 11(b)는 수염, 앞발, 앞다리, 뒷발, 뒷다리 및 몸통과 같은 각각의 신체 부위에 인가된 감각 자극에 대한 국부적인 필드 포텐셜 및 응답 위치를 도시한 도면, 도 11(c)는 쥐의 신체 영역 지도를 나타내는 쥐의 체성감각 호먼큘러스가 각각의 체성감각에 대한 신경 응답과 함께 표시된 도면으로서, 응답 위치는 색으로 코딩되고, 응답 주파수는 색 계조로 코딩됨, 도 11(d)는 청각 피질에 부착된 다채널 그래핀 기반 전극 어레이를 도시한 도면, 도 11(e)는 피질 표면에 인가된 6개의 대표적인 주파수 자극에 대한 국부적인 필드 포텐셜 응답 및 응답 위치를 도시한 도면으로서, 사운드 강도는 약한 강도(어두움)에서 큰 강도(밝음)로 색 계조-코딩됨, 도 11(f)는 다양한 주파수 톤 자극에 대한 응답의 결과로서 생성된 음위상 피질 지도를 도시한 도면으로서, 타원형 파선은 추정된 일차 청각 피질(AI)을 나타냄.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이에 있어서, 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 및 복수의 트랙 전극이 형성되지 않은 영역에 기판 및 절연층을 관통하는 복수의 관통홀이 형성된다.

이러한 복수의 관통홀들은 초박막 형태의 전극 어레이가 뇌 표면 상에 접촉되는 영역을 줄여주기 때문에, 초박막의 평면 내 변형을 감소시켜주며, 3차원 표면 상에 2차원 구조의 초박막 전극 어레이가 뇌 표면에 밀착하여 온전하게 접촉할 수 있게 도와준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이를 도시한 것으로서, 32 채널 전극 어레이를 도시한 도면이다.

도 1에서 참조번호 100은 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이이고, 참조번호 102는 다채널 전극 어레이의 각 트랙 전극을 외부에 연결하기 위한 배선부이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)의 상세도이고, 도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 단면도이며, 도 3(b)는 그래핀 전극(202)의 상면도를 도시한 것이고, 도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 32 채널 전극 어레이를 도시한 것이며, 도 4(b)는 도 3(a)의 선 A-A'를 따라 절단할 때의 단면도를 도시한 것으로서, 복수의 관통홀(206)을 통한 뇌 표면으로의 약물 전달 및 동시 뇌 신호 측정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)는, 초박막 플렉서블 기판(200), 상기 초박막 플렉서블 기판(200) 상에 형성되는 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202), 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)에서 감지된 신호를 외부로 전달하거나 외부의 전기 자극을 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)으로 전달하기 위한 복수의 트랙 전극(204), 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)을 노출하면서 상기 복수의 트랙 전극(204) 및 상기 초박막 플렉서블 기판(200)을 덮도록 형성된 SU-8 재질의 절연층(203), 및 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202) 및 상기 복수의 트랙 전극(204)이 형성되지 않은 영역에 형성되고, 상기 기판(200) 및 상기 절연층(203)을 관통하는 복수의 관통홀(206)을 포함한다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 관통홀(206)은 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202) 및 상기 복수의 트랙 전극(204)이 형성되지 않은 영역에 형성되고, 상기 기판(200) 및 상기 절연층(203)을 관통한다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 관통홀(206)은, 상기 다채널 전극 어레이(100)가 측정 대상인 뇌 표면(208)과 접촉하는 면적을 감소시켜, 상기 초박막 플렉서블 기판(200)의 평면 내 변형을 감소시키고, 상기 복수의 관통홀(206)에 의해 노출된 뇌 표면(210)으로의 산소 공급, 약물 주입 및 노출된 뇌 표면(210)의 내부로의 탐침 침투를 가능하게 한다.

또한, 상기 복수의 관통홀(206)은, 상기 다채널 전극 어레이(100)를 뇌 피질과 같은 뇌 표면에 부착 시 상기 다채널 전극 어레이(100)와 뇌 표면(208)의 접촉면의 기포가 빠져나가도록 하여 상기 다채널 전극 어레이(100)와 뇌 표면(208)의 접촉도를 증가시켜, 상기 다채널 전극 어레이(100)가 뇌 표면(208)에 밀착되도록 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)에 있어서, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)은, 한 층 이상의 그래핀으로 이루어진다.

상기 측정 대상은 실험용 동물의 뇌 피질 또는 인간을 포함하는 포유류의 뇌 피질을 포함한다.

또한, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)의 개수가 32개인 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202) 각각은, 0.2㎜×0.2㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고, 상기 복수의 관통홀(206)의 직경은 0.2㎜, 0.4㎜, 0.6㎜ 및 0.7㎜이다. 상기 복수의 관통홀(206)의 직경은 소자 구조에 따라 조절될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이를 도시한 것으로서, 128 채널 전극 어레이를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이의 상세도이다.

상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)의 개수가 128개인 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202) 각각은, 0.08㎜×0.08㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고, 상기 복수의 관통홀(206)의 직경은, 0.1㎜, 0.16㎜, 0.2㎜ 및 0.3㎜이다.

일반적으로 뇌 표면(뇌피질)의 체성감각(somatosensory) 영역과 청각(auditory) 영역은 면적과 위치가 상이하다. 따라서, 다채널 어레이의 전극의 개수는 체성감각 영영과 청각 영역에 따라 적합하게 결정되는 것이 바람직하다.

이러한 관점에서, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 32 채널 전극 어레이는 청각 영역을 위해 사용되고, 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 128 채널 전극 어레이는 체성감각 영역을 위해 사용된다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)의 개수가 64개인 경우, 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202) 각각은, 0.06㎜×0.06㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고, 상기 복수의 관통홀(206)의 직경은, 0.12㎜, 0.16㎜, 0.2㎜, 0.24㎜ 및 0.3㎜이다.

도 8에 본 발명의 일 실시예에 의한 (a) 128 채널 전극 어레이, (b) 64 채널 전극 어레이 및 (c) 32 채널 전극 어레이를 같은 스케일로 도시하였다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 전극 어레이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치의 블록도이다.

도 9를 참조하면, 도 2에 도시된 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)와 배선부(102), 제어 신호(CS)에 따라 상기 다채널 전극 어레이(100)의 복수의 트랙 전극(204)을 연결 배선(908)을 통해 제1 접점부(b)에 연결하거나, 제2 접점부(c)에 연결하는 스위칭부(910), 상기 제1 접점부(b)로부터 수신되는 다채널 신호를 증폭하여 출력하는 뇌신호 획득부(900), 상기 뇌신호 획득부(900)로부터 수신되는 다채널 뇌신호에 기반하여 뇌지도를 형성하고, 자극 인가 제어 신호(SACS)를 제공하며, 상기 스위칭부(910)에 상기 제어 신호(CS)를 인가하기 위한 뇌지도 리모델링부(902), 상기 자극 인가 제어 신호(SACS)에 기반하여 전기 자극 신호를 생성하기 위한 자극 인가부(906), 및 상기 뇌지도 리모델링부(902)에 의해 형성된 뇌지도를 표시하기 위한 표시부(904)를 포함한다.

상기 뇌신호 획득부(900)는, 상기 제1 접점(b)으로부터 수신되는 다채널 신호를 증폭하기 위한 증폭부(912) 및 상기 증폭부(912)에서 출력되는 증폭된 다채널 신호를 뇌지도 리모델링부(902)에 전달하기 위한 인터페이스부(914)를 포함한다.

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)에 있어서, 초박막 플렉서블 기판(200) 상에 형성되는 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)은 뇌 표면(208)으로부터 뇌 신호를 감지할 수 있고, 자극 인가부(906)에서 생성된 전기 자극을 수신하여 뇌 표면(208)에 인가할 수 있다. 즉, 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극(202)은 뇌 신호 측정 겸 자극 인가용 전극이다.

따라서, 뇌지도 리모델링부(902)는 스위칭부(910)에 제어 신호(CS)를 인가하여 스위칭부(910)의 상태를 전환하여, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)로부터 다채널 뇌 신호를 수신하여 뇌 지도를 형성하여, 표시부(904)에 형성된 뇌지도를 표시할 수 있다.

또한, 뇌지도 리모델링부(902)는 스위칭부(910)에 제어 신호(CS)를 인가하여 스위칭부(910)의 상태를 전환하여, 자극 인가부(906)에서 생성된 다양한 다채널용 전기 자극을 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)에 인가하여, 뇌 표면(208)의 다양한 감각 영역에 전기 자극을 인가할 수 있다.

뇌지도 리모델링부(902)는 뇌 표면(208)의 다양한 감각 영역에 전기 자극을 인가한 후, 다시 스위칭부(910)에 제어 신호(CS)를 인가하여 스위칭부(910)의 상태를 전환하여, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)로부터 다채널 뇌 신호를 수신하여 뇌 지도를 리모델링한 후, 표시부(904)에 리모델링된 뇌지도를 표시할 수 있다.

따라서, 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 전극 어레이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치를 이용하면, 청각 감각 또는 체성감각과 같은 다양한 감각과 관련된 뇌 표면(208)에 다양한 전기 자극을 인가한 후, 리모델링된 뇌지도를 획득할 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 전극 어레이를 이용한 뇌지도 리모델링 장치는 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이(100)를포함하고 있기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(206)을 통해 뇌표면(208)의 노출된 영역(210)에 다양한 약물을 주입한 후, 다양한 약물 주입에 따라 뇌 표면(208)에서 발생하는 반응을 뇌지도 리모델링을 통하여 용이하게 파악할 수 있다.

도 10(a)는 쥐의 청각 피질 및 체성감각 피질을 도시한 도면으로서, 저주파수 톤에서 고주파수 톤까지 다양한 주파수 톤, 즉 청각 자극을 인가한 후 인가된 청각 자극에 따라 청각 피질에서 발생하는 반응에 기반하여 형성한 청각 영역의 뇌지도 및 물리적인 자극을 쥐의 각각의 신체 부위, 즉 수염(whisker), 몸통(trunk), 앞다리(forelimb), 앞발(forepaw), 뒷다리(hindlimb) 및 뒷발(hindpaw)과 같은, 각각의 신체 부위에 인가한 후, 인가된 물리적인 자극에 따라 체성감각 피질에서 발생하는 반응에 기반하여 형성한 체성감각 영역의 뇌지도를 도시한 도면이다.

도 10(a)의 청각 영역의 뇌지도를 참조하면 각각의 주파수 영역별로 반응하는 청각 영역의 지리적인 위치가 상이한 것을 알 수 있고, 체성감각 영역의 뇌지도를 참조하면, 물리적인 자극을 인가하는 각각의 신체 부위에 따라 반응하는 체성감각 영역의 지리적인 위치가 상이한 것을 알 수 있다.

도 10(b)는 감각 피질 상에 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 기반 전극 어레이를 부착한 광학적 이미지를 도시한 도면으로서, 두개골을 개두하여 뇌 표면의 측정하고자 하는 감각 영역에 다채널 전극 어레이가 부착된다.

도 10(c)는 뇌피질 표면상의 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 기반 전극 어레이의 다채널 기록을 도시한 도면이다. 도 10(c)에 도시된 바와 같이, 네모 박스의 컬러는 쥐의 뇌 피질의 지리적인 위치와 관련된다.

도 10(d)는 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 기반 전극 어레이에 고주파수 전기 자극을 인가한 이후의 감각 자극에 대한 피질 반응의 증강을 도시한 도면이다. 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 고주파수 전기 자극이 인가되는 경우, 신호가 증강됨을 알 수 있다.

도 11(a)는 체성감각 피질에 부착된 본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 그래픽 기반 전극 어레이를 도시한 도면으로서, 응답 주파수는 다양한 감각 자극에 대한 응답 횟수를 나타낸다.

도 11(b)는 수염(whisker), 앞발(forepaw), 앞다리(forelimb), 뒷발(hindpaw), 뒷다리(hindlimb) 및 몸통(trunk)과 같은 각각의 신체 부위에 인가된 감각 자극에 대한 국부적인 필드 포텐셜 및 뇌 피질 상의 응답 위치를 도시한 도면이다.

도 11(c)는 쥐의 신체 영역 지도를 나타내는 쥐의 체성감각 호먼큘러스(Rat Homunculus)가 각각의 체성감각에 대한 신경 응답과 함께 체성감각 지도(Somatosensory Map)에 표시된 도면으로서, 응답 위치는 색으로 코딩되고, 응답 주파수는 색 계조로 코딩된다.

도 11(d)는 청각 피질에 부착된 본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 그래핀 기반 전극 어레이를 도시한 도면이고, 도 11(e)는 뇌 피질 표면에 인가된 6개의 대표적인 주파수 자극에 대한 국부적인 필드 포텐셜 응답 및 응답 위치를 도시한 도면이다. 도 11(e)에서, 사운드 강도는 약한 강도(어두움)에서 큰 강도(밝음)로 색 계조로 코딩된다.

도 11(f)는 다양한 주파수 톤 자극에 대한 응답 결과로서 생성된 음위상 피질 지도(Tonotopic Map)를 도시한 도면으로서, 타원형 파선은 추정된 일차 청각 피질(AI)을 나타낸다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100, 500 : 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이
102, 502 : 배선부 200 : 초박막 플렉서블 기판
202 : 신호 측정 및 자극 인가용 전극
204 : 트랙 전극 206 : 관통홀
900 : 뇌신호 획득부 902 : 뇌지도 리모델링부
904 : 표시부 906 : 자극 인가부
908 : 연결 배선 910 : 스위칭부
912 : 증폭부 914 : 인터페이스부

Claims

초박막 플렉서블 기판;
상기 초박막 플렉서블 기판 상에 형성되는 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극;
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극에서 감지된 신호를 외부로 전달하거나 외부의 전기 자극을 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극으로 전달하기 위한 복수의 트랙 전극;
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극을 노출하면서 상기 복수의 트랙 전극 및 상기 초박막 플렉서블 기판을 덮도록 형성된 절연층; 및
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 및 상기 복수의 트랙 전극이 형성되지 않은 영역에 형성되고, 상기 기판 및 상기 절연층을 관통하는 복수의 관통홀을 포함하며,
상기 복수의 관통홀은, 다채널 전극 어레이가 측정 대상과 접촉하는 면적을 감소시켜 상기 초박막 플렉서블 기판의 평면 내 변형을 감소시키고,
상기 복수의 관통홀은 상기 복수의 관통홀에 의해 노출된 상기 측정 대상의 노출 영역으로의 산소 공급, 약물 주입 및 상기 측정 대상의 노출 영역의 내부로의 탐침 침투를 위한 통로로 사용되며,
상기 다채널 전극 어레이를 상기 측정 대상에 부착 시 상기 복수의 관통홀은 상기 다채널 전극 어레이와 상기 측정 대상의 접촉면에서 발생하는 기포가 빠져나가도록 하여 상기 다채널 전극 어레이와 상기 측정 대상의 접촉도를 증가시켜, 상기 다채널 전극 어레이가 상기 측정 대상에 밀착되도록 하고,
상기 복수의 관통홀이 상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 및 상기 복수의 트랙 전극이 형성되지 않은 영역 전반에 걸쳐 형성되도록, 상기 복수의 관통홀은 상이한 직경들을 갖는 관통홀들을 포함하는, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극은 한 층 이상의 그래핀으로 이루어진, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 대상은 뇌 피질을 포함하는, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 대상은 실험용 동물의 뇌 피질 또는 인간을 포함하는 포유류의 뇌 피질을 포함하는, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극의 개수가 32개인 경우,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 각각은, 0.2㎜×0.2㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고,
상기 복수의 관통홀은 0.2㎜, 0.4㎜, 0.6㎜ 및 0.7㎜ 직경의 관통홀들을 포함하는, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극의 개수가 64개인 경우,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 각각은, 0.06㎜×0.06㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고,
상기 복수의 관통홀은 0.12㎜, 0.16㎜, 0.2㎜, 0.24㎜ 및 0.3㎜ 직경의 관통홀들을 포함하는, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극의 개수가 128개인 경우,
상기 복수의 신호 측정 및 자극 인가용 전극 각각은, 0.08㎜×0.08㎜ 크기의 정사각형으로 형성되고,
상기 복수의 관통홀은 0.1㎜, 0.16㎜, 0.2㎜ 및 0.3㎜ 직경의 관통홀들을 포함하는, 뇌지도 리모델링을 위한 다채널 전극 어레이.
청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 의한 다채널 전극 어레이;
제어 신호에 따라 상기 다채널 전극 어레이의 복수의 트랙 전극을 제1 접점부에 연결하거나, 제2 접점부에 연결하는 스위칭부;
상기 제1 접점부로부터 수신되는 다채널 신호를 증폭하여 출력하는 뇌신호 획득부;
상기 뇌신호 획득부로부터 수신되는 다채널 뇌신호에 기반하여 뇌지도를 형성하고, 자극 인가 제어 신호를 제공하며, 상기 스위칭부에 상기 제어 신호를 인가하기 위한 뇌지도 리모델링부;
상기 자극 인가 제어 신호에 기반하여 전기 자극 신호를 생성하기 위한 자극 인가부; 및
상기 뇌지도 리모델링부에 의해 형성된 뇌지도를 표시하기 위한 표시부를 포함하는, 뇌지도 리모델링 장치.