KR102400319B1

KR102400319B1 - 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102400319B1
Application number: KR1020210194215A
Authority: KR
Inventors: 이승우; 권구성
Original assignee: (주)리솔
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-05-24
Also published as: KR102428580B1; KR102425067B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치는, 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 대응하여 결정된 제 1 대표 자극 방식에 따라 객체의 뇌를 자극하는 자극부; 상기 자극에 대한 뇌의 반응을 측정하는 센서부; 및 상기 측정된 뇌의 반응을 기초로, 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 진동을 동조시키는 제 1 반응이 도출되는지 여부를 판단하는 제어부;를 포함하고, 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부는, 상기 제 1 대표 자극 방식을 변경한 제 2 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어할 수 있다.

Description

객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치 및 방법 {Apparatus and Method for Stimulating a Brain by Entraining Synchronized Vibration in a Plurality of Brain Regions of a User}

본 발명은 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

뇌 혈관이 노화의 진행에 따라 굳어지고 뇌림프계의 순환에 도움이 되는 동맥의 박동이 저하되어, 알츠하이머와 같은 질병의 발병 가능성이 높아지게 된다는 것이 일반적인 정설이다. 또한, 알츠하이머병(AD)을 포함하는 치매는 뇌 및 인지 기능의 악화(Canter)를 특징으로 하는 뇌의 치명적인 질병이고, 여러 가지 인자가 아밀로이드-β 침착, 과-인산화 타우 축적, 소교세포- 및 성상세포-매개 염증, 및 뉴런 및 시냅스의 손실을 포함하는 AD의 발병기전에 연관된 것으로 알려져 있다.

대한민국 특허청 등록번호 제10-1828954호 대한민국 특허청 등록번호 제10-2223507호 대한민국 특허청 출원번호 제 10-2017-7024459호

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

구체적으로 본 발명은, 복수의 대표 자극 방식 중 객체의 상태에 대응하여 결정된 대표 자극 방식에 따라 뇌를 자극하고, 측정된 뇌의 반응을 기초로 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키는 반응이 도출되는지 여부를 판단하여 최적의 자극을 도출 및 적용하는 기기 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 객체의 전전두엽 피질(PFC) 및 해마를 포함하는 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키기 위해, 상기 객체에 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하고자 한다.

본 발명은 전기 자극, 자기장 자극, 초음파 자극, 빛 자극, 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극 중 적어도 하나를 이용하여 객체의 뇌를 자극하고자 한다.

본 발명은 자극을 통한 감마 진동의 동조를 기초로, 객체의 전전두엽 피질 및 해마에서 40 Hz의 국소장 전위(LFP)를 유도하고자 한다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역 사이에서 뉴런 활성이 조절되고, 신경퇴행이 감소되는 효과를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 아밀로이드 플라크를 감소시키고, 타우 과인산화를 감소시키고자 한다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뉴런 및 시냅스의 손실을 감소시키고, 뇌 위축을 감소시키며, 뇌실 팽창을 감소시키고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 신경염증을 감소시키고자 한다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포의 면역 반응을 감소시키고, 소교세포를 형태학적으로 변형시키며, 소교세포 내 단백질 분해를 증가시키고자 한다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 막 수송(membrane trafficking), 세포내 수송, 시냅스 기능, 신경염증, 세포 자멸 과정, 및 DNA 손상 중 적어도 하나와 관련된 비정상적으로 변형된 유전자 및 단백질을 개선하고자 한다.

본 발명은 상기 기기 및 방법을 통해, 알츠하이머병, 뇌종양(brain tumor), 우울증, 뇌졸중, 뇌전증 및 수면장애와 관련된 치료를 사용자에게 제공하고자 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 객체의 상태는, 상기 객체와 관련된 질병 및 상기 질병의 진행 정도를 의미하고, 상기 질병은, 알츠하이머병, 뇌종양(brain tumor), 우울증, 뇌졸중, 뇌전증 및 수면장애를 포함하며, 상기 제 1 대표 자극은 상기 질병의 종류 및 상기 질병의 진행 정도에 따라 결정될 수 있다.

또한, 상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은 메모리에 저장되거나 상기 통신부를 통해 외부로부터 수신되고, 상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은, 상기 객체의 전전두엽 피질(PFC) 및 해마를 포함하는 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키기 위해, 상기 객체에 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 방식일 수 있다.

또한, 상기 자극부는, 전기를 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 전기 자극부; 자기장을 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 자기장 자극부; 초음파를 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 초음파 자극부; 빛을 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 광 자극부; 및 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극부; 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체를 자극할 수 있다.

또한, 상기 센서부는, 상기 자극에 대응하여 유도되는 상기 뇌의 뇌파를 측정하는 뇌파 측정부이고, 상기 제어부는, 상기 측정된 뇌파가 상기 감마 진동을 동조시켰을 때에만 나타나는 동조 뇌파의 출력 및 파형에 대응되는지 여부를 이용하여 상기 제 1 반응이 도출되는지 판단할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 측정된 뇌파로부터 각 주파수 대역의 파워 스펙트럼(power spectrum) 값의 평균 및 표준편차, 감마(gamma)/알파(alpha)/베타(beta)/델타(delta)/세타(theta)의 뇌파 조합에 따른 각 평균값의 비율을 산출함으로써, 상기 측정된 뇌파의 속성을 추출할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 2번째로 대응되는 방식을 상기 제 2 자극 방식으로 변경하거나 상기 제 1 대표 자극 방식의 출력, 파형 및 주기 중 적어도 하나를 수정하여 상기 제 2 자극 방식 변경할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제 2 자극 방식에 따라 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제 2 자극 방식을 변경한 제 3 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극할 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 객체의 전전두엽 피질 및 해마에서 40 Hz의 국소장 전위(LFP)가 유도될 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역 사이에서 뉴런 활성이 조절되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 신경퇴행이 감소될 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 아밀로이드 플라크가 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 타우 과인산화가 감소될 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뉴런 및 시냅스의 손실이 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뇌 위축이 감소되며, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뇌실 팽창이 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 신경염증이 감소될 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포의 면역 반응이 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포가 형태학적으로 변형되며, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포 내 단백질 분해를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 막 수송(membrane trafficking), 세포내 수송, 시냅스 기능, 신경염증, 세포 자멸 과정, 및 DNA 손상 중 적어도 하나와 관련된 비정상적으로 변형된 유전자 및 단백질이 개선될 수 있다.

한편, 다른 본 발명의 일 실시예에 따르면, 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 방법은, 통신부가 객체의 상태에 대한 정보를 수신하는 제 1 단계; 자극부가 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 대응하여 결정된 제 1 대표 자극 방식에 따라 상기 객체의 뇌를 자극하는 제 2 단계; 센서부가 상기 자극에 대한 뇌의 반응을 측정하는 제 3 단계; 제어부가 상기 측정된 뇌의 반응을 기초로, 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키는 제 1 반응이 도출되는지 여부를 판단하는 제 4 단계; 및 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부가 상기 제 1 대표 자극 방식을 변경한 제 2 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하는 제 5 단계;를 포함하고, 상기 제 2 단계에서, 상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은, 상기 객체의 전전두엽 피질(PFC) 및 해마를 포함하는 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키기 위해, 상기 객체에 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 방식이며, 상기 제 2 단계에서, 상기 자극부는, 전기를 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 전기 자극부; 자기장을 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 자기장 자극부; 초음파를 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 초음파 자극부; 빛을 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 광 자극부; 및 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극부; 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체를 자극하고, 상기 제 3 단계에서 상기 센서부는, 상기 자극에 대응하여 유도되는 상기 뇌의 뇌파를 측정하는 뇌파 측정부이고, 상기 제 4 단계에서 상기 제어부는, 상기 측정된 뇌파가 상기 감마 진동을 동조시켰을 때에만 나타나는 동조 뇌파의 출력 및 파형에 대응되는지 여부를 이용하여 상기 제 1 반응이 도출되는지 판단하며, 상기 제 5 단계에서, 상기 제어부는, 상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 2번째로 대응되는 방식을 상기 제 2 자극 방식으로 변경하거나 상기 제 1 대표 자극 방식의 출력, 파형 및 주기 중 적어도 하나를 수정하여 상기 제 2 자극 방식을 변경하고, 상기 제 5 단계 이후, 상기 제 2 자극 방식에 따라 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부는 상기 제 2 자극 방식을 변경한 제 3 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하는 제 6 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명은, 복수의 대표 자극 방식 중 객체의 상태에 대응하여 결정된 대표 자극 방식에 따라 뇌를 자극하고, 측정된 뇌의 반응을 기초로 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키는 반응이 도출되는지 여부를 판단하여 최적의 자극을 도출 및 적용하는 기기 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 객체의 전전두엽 피질(PFC) 및 해마를 포함하는 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키기 위해, 상기 객체에 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달할 수 있다.

본 발명은 전기 자극, 자기장 자극, 초음파 자극, 빛 자극, 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극 중 적어도 하나를 이용하여 객체의 뇌를 자극할 수 있다.

본 발명은 자극을 통한 감마 진동의 동조를 기초로, 객체의 전전두엽 피질 및 해마에서 40 Hz의 국소장 전위(LFP)를 유도할 수 있다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역 사이에서 뉴런 활성이 조절되고, 신경퇴행이 감소되는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 아밀로이드 플라크를 감소시키고, 타우 과인산화를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뉴런 및 시냅스의 손실을 감소시키고, 뇌 위축을 감소시키며, 뇌실 팽창을 감소시키고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 신경염증을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포의 면역 반응을 감소시키고, 소교세포를 형태학적으로 변형시키며, 소교세포 내 단백질 분해를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 감마 진동의 동조를 통해, 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 막 수송(membrane trafficking), 세포내 수송, 시냅스 기능, 신경염증, 세포 자멸 과정, 및 DNA 손상 중 적어도 하나와 관련된 비정상적으로 변형된 유전자 및 단백질을 개선할 수 있다.

결국 본 발명은 알츠하이머병, 뇌종양(brain tumor), 우울증, 뇌졸중, 뇌전증 및 수면장애와 관련된 치료를 사용자에게 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 장치의 블록구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 자극 방식에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 감각 자극 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 5는 CES 자극 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 CES 자극과 뇌파를 센싱하는 기기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌 영역에서 아밀로이드 플라크가 감소되고, 소교세포의 면역 반응이 감소되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써 알츠하이머병 환자의 인지 기능이 개선되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시켜 뇌를 자극함으로써, 치료 효과를 제공하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따라 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11은 도 10의 방법을 구체화시킨 방법을 설명하는 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

뇌 자극 시스템

도 1은 본 발명과 관련하여, 뇌 자극 시스템의 블록구성도 일례를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 뇌 자극 시스템(1)은 뇌 자극 장치(100) 및 서버(200)를 포함할 수 있다.

먼저, 뇌 자극 장치(100)은 무선 통신부(110), A/V(Audio/Video) 입력부(120), 사용자 입력부(130), 센싱부(140), 출력부(150), 메모리(160), 인터페이스부(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190), 자극부(300) 등을 포함할 수 있다.

단, 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 뇌 자극 시스템(1)이 구현될 수도 있다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

무선 통신부(110)는 뇌 자극 시스템(1)과 무선 통신 시스템 사이 또는 기기와 기기가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.

예를 들어, 무선 통신부(110)는 이동통신 모듈(112), 무선 인터넷 모듈(113), 근거리 통신 모듈(114) 및 위치정보 모듈(115) 등을 포함할 수 있다.

방송 수신 모듈(111)은 방송 채널을 통하여 외부의 방송 관리 서버로부터 방송 신호 및/또는 방송 관련된 정보를 수신한다.

상기 방송 채널은 위성 채널, 지상파 채널을 포함할 수 있다. 상기 방송 관리 서버는, 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 생성하여 송신하는 서버 또는 기 생성된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 제공받아 뇌 자극 장치(100)기에 송신하는 서버를 의미할 수 있다. 상기 방송 신호는, TV 방송 신호, 라디오 방송 신호, 데이터 방송 신호를 포함할 뿐만 아니라, TV 방송 신호 또는 라디오 방송 신호에 데이터 방송 신호가 결합한 형태의 방송 신호도 포함할 수 있다.

상기 방송 관련 정보는, 방송 채널, 방송 프로그램 또는 방송 서비스 제공자에 관련한 정보를 의미할 수 있다. 상기 방송 관련 정보는, 이동통신망을 통하여도 제공될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 이동통신 모듈(112)에 의해 수신될 수 있다.

상기 방송 관련 정보는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)의 EPG(Electronic Program Guide) 또는 DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld)의 ESG(Electronic Service Guide) 등의 형태로 존재할 수 있다.

상기 방송 수신 모듈(111)은, 예를 들어, DMB-T(Digital Multimedia Broadcasting-Terrestrial), DMB-S(Digital Multimedia Broadcasting-Satellite), MediaFLO(Media Forward Link Only), DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld), DVB-CBMS, OMA-BCAST, ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcast-Terrestrial) 등의 디지털 방송 시스템을 이용하여 디지털 방송 신호를 수신할 수 있다. 물론, 상기 방송 수신 모듈(111)은, 상술한 디지털 방송 시스템뿐만 아니라 다른 방송 시스템에 적합하도록 구성될 수도 있다.

방송 수신 모듈(111)을 통해 수신된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보는 메모리(160)에 저장될 수 있다.

이동통신 모듈(112)은, 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 뇌 자극 장치(100), 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다. 상기 무선 신호는, 음성 호 신호, 화상 통화 호 신호 또는 문자/멀티미디어 메시지 송수신에 따른 다양한 형태의 데이터를 포함할 수 있다.

무선 인터넷 모듈(113)은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, 뇌 자극 장치(100)에 내장되거나 외장될 수 있다.

상기 무선 인터넷의 기술로는 WLAN(Wireless LAN)(Wi-Fi), Wibro(Wireless broadband), Wimax(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등이 이용될 수 있다.

근거리 통신 모듈(114)은 근거리 통신을 위한 모듈을 말한다. 상기 근거리 통신(short range communication)의 기술로는 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra-Wideband), ZigBee 등이 이용될 수 있다.

위치 정보 모듈(115)은 뇌 자극 장치(100)의 위치를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Position System) 모듈이 있다. 현재 기술에 의하면, 상기 GPS모듈(115)은 3개 이상의 위성으로부터 떨어진 거리 정보와 정확한 시간 정보를 산출한 다음 상기 산출된 정보에 삼각법을 적용함으로써, 위도, 경도, 및 고도에 따른 3차원의 현 위치 정보를 정확히 산출할 수 있다. 현재, 3개의 위성을 이용하여 위치 및 시간 정보를 산출하고, 또다른 1개의 위성을 이용하여 상기 산출된 위치 및 시간 정보의 오차를 수정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 또한, GPS 모듈(115)은 현 위치를 실시간으로 계속 산출함으로써 속도 정보를 산출할 수 있다.

도 1을 참조하면, A/V(Audio/Video) 입력부(120)는 오디오 신호 또는 비디오 신호 입력을 위한 것으로, 이에는 카메라(121)와 마이크(122) 등이 포함될 수 있다.

카메라(121)는 촬영 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상 등의 화상 프레임을 처리하고, 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(151)에 표시될 수 있다.

카메라(121)에서 처리된 화상 프레임은 메모리(160)에 저장되거나 무선 통신부(110)를 통하여 외부로 전송될 수 있다.

카메라(121)는 사용 환경에 따라 2개 이상이 구비될 수도 있다.

마이크(122)는 녹음모드, 음성인식 모드 등에서 마이크로폰(Microphone)에 의해 외부의 음향 신호를 입력 받아 전기적인 음성 데이터로 처리한다.

처리된 음성 데이터는 이동통신 모듈(112)을 통하여 이동통신 기지국으로 송신 가능한 형태로 변환되어 출력될 수 있다.

마이크(122)에는 외부의 음향 신호를 입력 받는 과정에서 발생되는 잡음(noise)을 제거하기 위한 다양한 잡음 제거 알고리즘이 구현될 수 있다.

다음으로, 사용자 입력부(130)는 사용자가 뇌 자극 시스템(1)의 동작 제어를 위한 입력 데이터를 발생시킨다. 사용자 입력부(130)는 키 패드(key pad) 돔 스위치 (dome switch), 터치 패드(정압/정전), 조그 휠, 조그 스위치 등으로 구성될 수 있다.

센싱부(140)는 뇌 자극 시스템(1)의 개폐 상태, 뇌 자극 시스템(1)의 위치, 사용자 접촉 유무, 뇌 자극 시스템(1)의 방위, 뇌 자극 시스템(1)의 가속/감속 등과 같이 뇌 자극 시스템(1)의 현 상태를 감지하여 뇌 자극 시스템(1)의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시킨다.

센싱부(140)는 전원 공급부(190)의 전원 공급 여부, 인터페이스부(170)의 외부 기기 결합 여부 등을 센싱할 수도 있다.

특히, 본 발명에 따른 센싱부(140)는 뇌파 측정부(141)를 포함할 수 있다.

뇌파는 개체의 사고, 감정, 행동들은 뇌에 존재하는 신경세포들 간의 소통에 의해서 발생한다. 뇌파는 대뇌 피질의 신경세포들이 서로 신호를 전달하면서 생겨난 동조화된 전기적 파동이다. 뇌파는 두피의 특정 지역에 위치시킨 표면전극들 사이의 전위 차이를 측정하는 뇌전도(electroencephalogram, EEG) 검사를 통해서 측정할 수 있다. 뇌전도가 보여주는 뇌파는 표면전극 밑에 있는 무수히 많은 대뇌피질 신경세포들의 전기적 활성의 합이다.

뇌파 다양한 주파수 대역으로 나타나는데, 이러한 주파수 대역은 뇌의 상태를 나타낸다. 뇌파는 주파수 대역에 따라서 델타파, 세타파, 알파파, 베타파, 감마파 등으로 구분된다.

델타파(delta wave)는 4 Hz 미만의 주파수 대역을 가지고 있으며 진폭이 크다. 꿈을 꾸지 않는 깊은 수면 상태에서 나타나는 파형이다.

세타파(theta wave)는 4~7 Hz의 뇌파로서 특정 수면 상태에서 발생한다. 깊은 명상 시에도 나타나는 파형이다. 세타파는 수면 중에 학습에 의한 기억이 공고화되는 과정에 관여하는 것으로도 알려져 있다.

알파파(alpha wave)는 대략 8~13 Hz이며 조용히 휴식을 취하고 있는 각성 상태에서 나타나는 뇌파이다.

베타파(beta wave)는 14~29 Hz로서 활성화된 대뇌피질의 리듬이다. 대뇌피질이 각성상태에서 일반적인 인지적 사고 활동을 할 때 나타나는 파형이다.

감마파(gamma wave)는 30~80 Hz의 파형으로서 긴장하거나 흥분 상태에서 나타나는 고 진동수의 뇌파다. 고도의 집중 상태에서 나타나는 파형으로 알려져 있다.

뇌전도(electroencephalogram, EEG)는 뇌파를 측정하는 비침습적인 기술로서 전도성 풀을 이용하여 평면전극을 두피에 고정시킨 후 두 전극 사이의 전위차를 측정하는 것이다.

여러 전극이 두피상의 표준 위치에 부착되고 대뇌피질의 신경세포들로부터 발생한 미약한 진폭의 전압변화가 신호증폭기를 통해서 증폭되어 뇌파기록기에 의해서 기록된다.

뇌파는 두개골 바로 아래 위치하고 있는 대뇌피질의 신경세포들이 소통하는 과정에서 발생하는 전류인 수상돌기의 시냅스 전류에 의해 나타난다.

하나의 신경세포의 시냅스 전류는 매우 미약하며 그 신호가 두피에 부착된 전극까지 도달하기 위해서는 여러 층의 뇌막, 뇌척수액, 두개골, 두피층을 지나야 한다. 뇌파의 전기적인 기록이 가능한 이유는 뇌파가 수천 개의 신경세포들이 함께 활성화되었을 때 발생한 신호의 합이기 때문이다. 그러므로 신경세포들의 활성이 동조화되면 될수록 큰 진폭의 낮은 주파수 형태의 뇌파로 나타난다.

한편, 출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이부(151), 음향 출력 모듈(152), 알람부(153), 햅틱 모듈(154) 및 프로젝터 모듈(155), 헤드업 디스플레이(head-up display, HUD), 헤드 마운티드 디스플레이(head mounted display, HMD) 등이 포함될 수 있다.

디스플레이부(151)는 뇌 자극 시스템(1)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다.

디스플레이부(151)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이들 중 일부 디스플레이는 그를 통해 외부를 볼 수 있도록 투명형 또는 광투과형으로 구성될 수 있다. 이는 투명 디스플레이라 호칭될 수 있는데, 상기 투명 디스플레이의 대표적인 예로는 TOLED(Transparant OLED) 등이 있다. 디스플레이부(151)의 후방 구조 또한 광 투과형 구조로 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의하여, 사용자는 뇌 자극 시스템(1) 바디의 디스플레이부(151)가 차지하는 영역을 통해 뇌 자극 시스템(1) 바디의 후방에 위치한 사물을 볼 수 있다.

뇌 자극 시스템(1)의 구현 형태에 따라 디스플레이부(151)이 2개 이상 존재할 수 있다. 예를 들어, 뇌 자극 시스템(1)에는 복수의 디스플레이부들이 하나의 면에 이격되거나 일체로 배치될 수 있고, 또한 서로 다른 면에 각각 배치될 수도 있다.

디스플레이부(151)와 터치 동작을 감지하는 센서(이하, '터치 센서'라 함)가 상호 레이어 구조를 이루는 경우(이하, '터치 스크린'이라 함)에, 디스플레이부(151)는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 터치 센서는, 예를 들어, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 형태를 가질 수 있다.

터치 센서는 디스플레이부(151)의 특정 부위에 가해진 압력 또는 디스플레이부(151)의 특정 부위에 발생하는 정전 용량 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 터치 센서는 터치 되는 위치 및 면적뿐만 아니라, 터치 시의 압력까지도 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.

터치 센서에 대한 터치 입력이 있는 경우, 그에 대응하는 신호(들)는 터치 제어기로 보내진다. 터치 제어기는 그 신호(들)를 처리한 다음 대응하는 데이터를 제어부(180)로 전송한다. 이로써, 제어부(180)는 디스플레이부(151)의 어느 영역이 터치 되었는지 여부 등을 알 수 있게 된다.

상기 근접 센서(141)는 상기 터치스크린에 의해 감싸지는 뇌 자극 시스템(1)의 내부 영역 또는 상기 터치 스크린의 근처에 배치될 수 있다. 상기 근접 센서는 소정의 검출면에 접근하는 물체, 혹은 근방에 존재하는 물체의 유무를 전자계의 힘 또는 적외선을 이용하여 기계적 접촉이 없이 검출하는 센서를 말한다. 근접 센서는 접촉식 센서보다는 그 수명이 길며 그 활용도 또한 높다.

상기 근접 센서의 예로는 투과형 광전 센서, 직접 반사형 광전 센서, 미러 반사형 광전 센서, 고주파 발진형 근접 센서, 정전용량형 근접 센서, 자기형 근접 센서, 적외선 근접 센서 등이 있다. 상기 터치스크린이 정전식인 경우에는 상기 포인터의 근접에 따른 전계의 변화로 상기 포인터의 근접을 검출하도록 구성된다. 이 경우 상기 터치 스크린(터치 센서)은 근접 센서로 분류될 수도 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 터치스크린 상에 포인터가 접촉되지 않으면서 근접되어 상기 포인터가 상기 터치스크린 상에 위치함이 인식되도록 하는 행위를 "근접 터치(proximity touch)"라고 칭하고, 상기 터치스크린 상에 포인터가 실제로 접촉되는 행위를 "접촉 터치(contact touch)"라고 칭한다. 상기 터치스크린 상에서 포인터로 근접 터치가 되는 위치라 함은, 상기 포인터가 근접 터치될 때 상기 포인터가 상기 터치스크린에 대해 수직으로 대응되는 위치를 의미한다.

상기 근접센서는, 근접 터치와, 근접 터치 패턴(예를 들어, 근접 터치 거리, 근접 터치 방향, 근접 터치 속도, 근접 터치 시간, 근접 터치 위치, 근접 터치 이동 상태 등)을 감지한다. 상기 감지된 근접 터치 동작 및 근접 터치 패턴에 상응하는 정보는 터치 스크린상에 출력될 수 있다.

음향 출력 모듈(152)은 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(110)로부터 수신되거나 메모리(160)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다.

음향 출력 모듈(152)은 뇌 자극 시스템(1)에서 수행되는 기능과 관련된 음향 신호를 출력하기도 한다. 이러한 음향 출력 모듈(152)에는 리시버(Receiver), 스피커(speaker), 버저(Buzzer) 등이 포함될 수 있다.

알람부(153)는 뇌 자극 시스템(1)의 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력한다.

알람부(153)는 비디오 신호나 오디오 신호 이외에 다른 형태, 예를 들어 진동으로 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력할 수도 있다.

상기 비디오 신호나 오디오 신호는 디스플레이부(151)나 음성 출력 모듈(152)을 통해서도 출력될 수 있어서, 그들(151,152)은 알람부(153)의 일부로 분류될 수도 있다.

햅틱 모듈(haptic module)(154)은 사용자가 느낄 수 있는 다양한 촉각 효과를 발생시킨다. 햅틱 모듈(154)이 발생시키는 촉각 효과의 대표적인 예로는 진동이 있다. 햅택 모듈(154)이 발생하는 진동의 세기와 패턴 등은 제어 가능하다.

예를 들어, 서로 다른 진동을 합성하여 출력하거나 순차적으로 출력할 수도 있다.

햅틱 모듈(154)은, 진동 외에도, 접촉 피부면에 대해 수직 운동하는 핀 배열, 분사구나 흡입구를 통한 공기의 분사력이나 흡입력, 피부 표면에 대한 스침, 전극(eletrode)의 접촉, 정전기력 등의 자극에 의한 효과와, 흡열이나 발열 가능한 소자를 이용한 냉온감 재현에 의한 효과 등 다양한 촉각 효과를 발생시킬 수 있다.

햅틱 모듈(154)은 직접적인 접촉을 통해 촉각 효과의 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자가 손가락이나 팔 등의 근 감각을 통해 촉각 효과를 느낄 수 있도록 구현할 수도 있다. 햅틱 모듈(154)은 뇌 자극 시스템(1)의 구성 태양에 따라 2개 이상이 구비될 수 있다.

프로젝터 모듈(155)은, 뇌 자극 시스템(1)을 이용하여 이미지 프로젝트(project) 기능을 수행하기 위한 구성요소로서, 제어부(180)의 제어 신호에 따라 디스플레이부(151)상에 디스플레이되는 영상과 동일하거나 적어도 일부가 다른 영상을 외부 스크린 또는 벽에 디스플레이할 수 있다.

구체적으로, 프로젝터 모듈(155)은, 영상을 외부로 출력하기 위한 빛(일 예로서, 레이저 광)을 발생시키는 광원(미도시), 광원에 의해 발생한 빛을 이용하여 외부로 출력할 영상을 생성하기 위한 영상 생성 수단 (미도시), 및 영상을 일정 초점 거리에서 외부로 확대 출력하기 위한 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 프로젝터 모듈(155)은, 렌즈 또는 모듈 전체를 기계적으로 움직여 영상 투사 방향을 조절할 수 있는 장치(미도시)를 포함할 수 있다.

프로젝터 모듈(155)은 디스플레이 수단의 소자 종류에 따라 CRT(Cathode Ray Tube) 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 모듈 및 DLP(Digital Light Processing) 모듈 등으로 나뉠 수 있다. 특히, DLP 모듈은, 광원에서 발생한 빛이 DMD(Digital Micromirror Device) 칩에 반사됨으로써 생성된 영상을 확대 투사하는 방식으로 프로젝터 모듈(151)의 소형화에 유리할 수 있다.

바람직하게, 프로젝터 모듈(155)은, 뇌 자극 시스템(1)의 측면, 정면 또는 배면에 길이 방향으로 구비될 수 있다. 물론, 프로젝터 모듈(155)은, 필요에 따라 뇌 자극 시스템(1)의 어느 위치에라도 구비될 수 있음은 당연하다.

또한, 헤드업 디스플레이(head-up display, HUD, 156)는 차량 등에서 차량 현재 속도, 연료 잔량, 내비게이션 길안내 정보 등을 운전자 바로 앞 유리창 부분에 그래픽 이미지로 투영해주는 장치를 의미한다.

또한, 헤드 마운티드 디스플레이(head mounted display, HMD, 157)는 가상 현실(Virtual reality) 정보를 출력할 수 있는 대표적인 장치이다.

가상 현실(Virtual reality)이란 컴퓨터를 통해 어떤 특정한 환경이나 상황을 입체감있는 3D 컨텐츠로 제작하여, 그 3D 컨텐츠를 사용하는 사람이 마치 실제 주변 상황, 환경과 상호작용하고 있는 것처럼 만들어 주는 인간-컴퓨터 사이의 인터페이스 등을 총칭한다.

일반적으로 사람이 지각하는 입체감은 관찰하는 물체의 위치에 따른 수정체의 두께 변화 정도, 양쪽 눈과 대상물과의 각도 차이, 그리고 좌우 눈에 보이는 대상물의 위치 및 형태의 차이, 대상물의 운동에 따라 생기는 시차, 그 밖에 각종 심리 및 기억에 의한 효과 등이 복합적으로 작용하여 생긴다.

그 중 사람이 입체감을 느끼는 가장 중요한 요인은, 사람의 두 눈이 가로 방향으로 약 6.5㎝가량 떨어져 있음으로써, 나타나게 되는 양안 시차(binocular disparity)이다. 즉, 양안 시차에 의해 대상물에 대한 각도 차이를 가지고 바라보게 되고, 이 차이로 인해 각각의 눈에 들어오는 이미지가 서로 다른 상을 갖게 되며 이 두 영상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이 두 개의 정보를 정확히 서로 융합하여 본래의 3D 입체 영상을 느낄 수 있는 것이다.

이러한 입체감 있는 3D 컨텐츠들은 이미 여러 미디어 분야에 두루 이용되어 소비자들로부터 호평을 받아오고 있다. 예를 들어 3D 영화, 3D 게임 및 체험 디스플레이와 같은 것들이 대표적이다.

이와 같이 가상 현실 기술 3D 컨텐츠들의 보편화와 더불어, 더욱 몰입도 높은 가상 현실 서비스를 제공할 수 있는 기술의 개발이 다각적으로 요구되고 있다.

일반적으로 이미지 디스플레이 장치는 눈과 매우 근접한 위치에서 발생하는 영상광을 정밀한 광학 장치를 이용하여 먼 거리에 가상의 대형화면이 구성될 수 있도록 초점을 형성함으로써 사용자로 하여금 확대된 허상을 볼 수 있도록 하는 화상 표시 장치를 말한다.

또한, 이미지 디스플레이 장치는, 주위 환경은 볼 수 없고 디스플레이 소자에서 발산된 영상광 만을 볼 수 있는 밀폐형(See-close)과, 윈도우를 통해 주위 환경을 볼 수 있으면서도 디스플레이 소자에서 발산된 영상광을 동시에 볼 수 있는 투과식(See-through)으로 나뉠 수 있다.

본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(head mounted display, HMD, 157)란 안경처럼 머리에 착용하여 멀티미디어 컨텐츠를 제공받을 수 있도록 하는 각종디지털 디바이스를 말한다. 디지털 디바이스의 경량화 및 소량화 추세에 따라, 다양한 웨어러블 컴퓨터(Wearable Computer)가 개발되고 있으며, HMD 또한 널리 사용되고 있다. HMD(157)는 단순한 디스플레이 기능을 넘어 증강 현실 기술, N 스크린 기술 등과 조합되어 유저에게 다양한 편의를 제공할 수 있다.

예를 들어, HMD(157)에 마이크와 스피커가 장착되는 경우, 유저는 HMD(157)를 착용한 상태에서, 전화 통화를 수행할 수 있다. 또한, 예를 들어, HMD(157)에 원적외선 카메라(122)가 장착되는 경우, 유저는 HMD(157)를 착용한 상태에서, 유저가 원하는 방향의 이미지를 캡쳐할 수 있다.

또한, 메모리부(160)는 제어부(180)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 메시지, 오디오, 정지영상, 동영상 등)의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다. 상기 메모리부(160)에는 상기 데이터들 각각에 대한 사용 빈도도 함께 저장될 수 있다. 또한, 상기 메모리부(160)에는 상기 터치스크린 상의 터치 입력시 출력되는 다양한 패턴의 진동 및 음향에 관한 데이터를 저장할 수 있다.

메모리(160)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 뇌 자극 시스템(1)은 인터넷(internet)상에서 상기 메모리(160)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작할 수도 있다.

인터페이스부(170)는 뇌 자극 시스템(1)에 연결되는 모든 외부기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(170)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 뇌 자극 시스템(1) 내부의 각 구성 요소에 전달하거나, 뇌 자극 시스템(1) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 유/무선 헤드셋 포트, 외부 충전기 포트, 유/무선 데이터 포트, 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트, 오디오 I/O(Input/Output) 포트, 비디오 I/O(Input/Output) 포트, 이어폰 포트 등이 인터페이스부(170)에 포함될 수 있다.

식별 모듈은 뇌 자극 시스템(1)의 사용 권한을 인증하기 위한 각종 정보를 저장한 칩으로서, 사용자 인증 모듈(User Identify Module, UIM), 가입자 인증 모듈(Subscriber Identify Module, SIM), 범용 사용자 인증 모듈(Universal Subscriber Identity Module, USIM) 등을 포함할 수 있다. 식별 모듈이 구비된 장치(이하 '식별 장치')는, 스마트 카드(smart card) 형식으로 제작될 수 있다. 따라서 식별 장치는 포트를 통하여 뇌 자극 시스템(1)과 연결될 수 있다.

상기 인터페이스부는 뇌 자극 시스템(1)이 외부 크래들(cradle)과 연결될 때 상기 크래들로부터의 전원이 상기 뇌 자극 시스템(1)에 공급되는 통로가 되거나, 사용자에 의해 상기 크래들에서 입력되는 각종 명령 신호가 상기 이동기기로 전달되는 통로가 될 수 있다. 상기 크래들로부터 입력되는 각종 명령 신호 또는 상기 전원은 상기 이동기기가 상기 크래들에 정확히 장착되었음을 인지하기 위한 신호로 동작될 수도 있다.

제어부(controller, 180)는 통상적으로 뇌 자극 시스템(1)의 전반적인 동작을 제어한다.

전원 공급부(190)는 제어부(180)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 제어부(180) 자체로 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(160)에 저장되고, 제어부(180)에 의해 실행될 수 있다.

또한, 자극부(300)는 뉴로모듈레이션 기법, 뉴로피드백 기법, 감각 자극 기법 등을 통해 사용자의 뇌를 자극하는 기능을 제공한다.

본 발명에 따른 자극부(300)는 전기 자극부(310), 자기장 자극부(320), 초음파 자극부(330), 광 자극부(340) 및 감각 자극부(350)를 포함할 수 있다.

먼저, 전기 자극부(310)는 DBS 자극부(311), tDCS 자극부(312) 및 CES 자극부(313)를 포함할 수 있다.

DBS 자극부(311)는 뇌심부자극술(Deep brain stimulation)을 이용하는 것으로, 미세한 전극을 뇌의 깊은 핵 부위에 위치시켜 신경세포들의 활성을 자극시킨다.

DBS 자극은 DC 형태, Pulse 형태, NIR 형태로 제공될 수 있다.

뇌심부자극술(Deep brain stimulation, DBS) 관련, 특정 뇌 부위의 핵에 전기 자극을 투여하면 뇌 영역에서 발병하는 병리학적 신호를 방해함으로써 운동 장애를 비롯한 다양한 질병의 치료 및 증상개선을 꾀할 수 있다.

뇌심부자극술은 미세한 전극을 뇌의 깊은 핵 부위에 배치하며 심장 박동기와 유사한 방식으로 가슴에 삽입한 펄스 발생기로부터 활동에 필요한 전력을 공급받는다

이를 통해, 탈분극 차단 즉, 전극 부위에 위치한 신경세포들의 신경 출력을 차단할 수 있다.

또한, 시냅스 억제 즉, 전극 근처의 신경세포에 대한 시냅스 연결을 갖는 축삭 말단을 활성화시켜서 신경세포의 출력을 간접적으로 조절할 수 있다.

다음으로, tDCS 자극부(312)는 경두개 직류자극법(transcranial direct current stimulation)을 이용한 것으로, 머리에 전극을 붙여 약한 직류 형태의 전류로 대뇌피질의 신경세포를 자극하는 것이다.

tDCS 자극부(312)는 뇌 손상에 따른 후유장애 회복을 위한 비침습적 뇌자극의 한 방법으로, 전기자극을 통해 뇌신경의 활성상태를 조절함으로써 뇌 기능 향상을 도울 수 있다.

또한, CES(Cranial Electrotherapy Stimulation) 자극부(313)는 전극을 부착하고 이를 통해 1mA보다 적은 양의 미세전류를 두개에 전달하는 것으로, 불안감, 우울증, 불면증, 스트레스, 두통 등의 증상과 여러 종류의 통증 등을 개선시키는 비약물적 치료에 사용된다.

CES(Cranial Electrotherapy Stimulation) 자극은 미세아교세포 조절에 효과적이고, 미세전류를 이용하여 안전하며, 부작용이 없어 중장기적 치료가 가능하다.

또한, 호르몬 분비를 촉진 및/또는 억제시키는 기존의 화학적 요법과의 호환성이 높은 최첨단 치료법이다.

CES(Cranial Electrotherapy Stimulation) 자극을 적용하는 경우, Brain 자체의 안정적인 DMN 유지로 수면 유도 및 수면의 질 향상이 가능하다.

또한, 호르몬 (세로토닌, 멜라토닌, GABA 등) 개선을 통한 수면 유도 및 수면의 질 향상이 가능하다.

또한, 뇌 조직을 자극하여 신경화학물질을 스트레스 전 균형으로 되돌리게 할 수 있다.

도 4a 내지 도 5는 CES 자극 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 내지 도 5를 참조하면, 경두개를 자극하기 위한 CES(Cranial Electrotherapy Stimulation) 자극부(313)가 도시되고, 전원 및 패턴을 조절하기 위한 사용자 입력부(130)가 표시된다.

또한, 도 5를 참조하면, 사용자 입력부(130)는 탈부착이 가능하고, 빛을 발산하는 출력부(150)가 함께 구비될 수 있다.

자기장 자극부(320)는 TMS(transcranial magnetic stimulation) 방식을 사용하고, 경두개자기자극법으로 불리며, 자기에너지를 이용하여 뇌 내의 신경세포를 비침습적으로 자극한다.

이는 파킨슨증후군(Parkinson's syndrome), 우울병 등의 신경질환 및 정신질환 치료에 효과적이다.

머리 가까이에 전도 전자기 코일로 강력한 자기장을 발생시키면 이 자기장이 두개골을 통과하면서 경두개 피질의 신경세포를 자극한다.

이때 자기장의 빠르기에 따라 대뇌피질의 활성도를 높이거나 낮게 할 수 있는데, 예를 들어 우울증과 같이 대뇌피질의 활성도가 낮은 경우는 고빈도 자극을 이용하고 불안증이나 조증과 같이 활성도가 너무 높은 경우는 저빈도 자극을 이용하여 활성도를 조절하는 것이다.

또한, 초음파 자극부(330)는 치료 효과를 위해 초음파를 활용하는 것으로, 산부인과, 정형외과, 피부과 등에서 광범위하게 사용된다.

초음파는 사람이 들을 수 있는 한계를 넘어선 주파수를 가진 음파를 의미한다. 일반적으로 건강한 사람이 들을 수 있는 음파는 20kHz로, 초음파는 이를 넘어선 음파를 말한다. 초음파 치료는 치료 효과를 위해 이런 초음파를 활용하는 것으로, 산부인과, 정형외과, 피부과 등에서 광범위하게 사용된다.

초음파 치료는 크게 1000W/cm2 이상의 고강도 초음파와 10∼50W/cm2 범위의 저강도 초음파로 나눌 수 있다. 고강도 초음파 치료는 조직을 선택적으로 가열하여 치료하는 방식으로 주로 종양 치료에 활용되며, 저강도 초음파 치료는 피하 조직을 가열하여 치료하는 것으로 피부 리프팅, 골절, 연골세포 재생 등 근골격계 치료에 사용되고 있다. 그리고 초음파 치료는 피부 손상이 없어 회복이 빠르다는 장점이 있다.

HIFU(High Intensity Focused Ultrasound, 고강도 집속형 초음파)는, 다방향에서 송출되는 초음파빔을 집속시켰을 때 발생하는 열과 에너지를 이용해 절개나 수술 없이 종양을 괴사시키거나 크기를 줄이는 방법이다. 이는 자궁근종, 전립선암, 골전이암, 간암 등의 치료에 활용되고 있다.

LIFU(Low Intensity Focused Ultrasound, 저강도 집속형 초음파)는 열을 이용하여 피하조직의 괴사를 통해 피부 리프팅 효과를 얻을 수 있는 방법이다. 고강도 집속형 초음파와 치료기전은 유사하나 사용되는 강도와 범위에서 차이가 있다.

LIPUS(Low Intensity Pulsed Ultrasoun, 저강도 펄스형 초음파)는 치료 부위에 초음파를 방사하여 물리적 진동을 자극해 세포를 활성화하는 방법으로 골절 치료, 연골세포 재생 치료 등에 활용된다.

소노포레시스(Sonophoresis)는 낮은 주파수의 초음파를 이용하여 피부에 약물을 전달하는 용도로 사용된다.

또한, 광 자극부(340) 빛을 머리에 조사하여 뇌 자극을 주는 방식으로 Brain Photo Modulation 방식을 적용할 수 있다.

광 자극부(340)에 따르면, 600-1000nm의 빛이 세포벽에 침투되어 미토콘드리아 내 COX (Cytochrome c oxidase) 호흡체인에 관여하게 된다.

이를 통해, 시냅스 생성↑ / 혈관 형성 ↑ / 혈류 ↑ / 염증 방지 / 세포 자멸사 방지 / SOD ↑ / 신경흥분독성 ↓이 가능하다.

또한, 감각 자극부(350)는 시각 자극부(351) 및 청각 자극부(352)를 포함할 수 있다.

감각 자극부(350)는 뇌에 직접적 자극을 가하지 않고, 타 기관에 자극을 가함으로써 우회적으로 뇌에 자극을 가하는 방식이다.

시각 자극부(351)은 육안에 들어와 빛의 감각을 일으킬 수 있는 방사를 말한다.

예를 들어, 시각 자극부(351)는 통상 10만 촉광 정도의 백색의 스트로보스코프의 섬광을 사용하여 폐안상태의 피검자)의 눈앞 20㎝ 전후에 스트로보스크포의 밸브를 고정하고 전시야)를 조사한다. 자극 방법으로서는 저빈도에서 고빈도의 순으로 자극을 10초간 주고 다음 10초간 뇌파나 피험자의 모습을 관찰한 후 다음 자극으로 넘어간다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 감각 자극 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a는 쥐가 광 자극을 받기 이전의 모습을 표시하고, 도 3b는 쥐가 광 자극을 받는 상태의 모습을 도시한 것으로, 광 자극은 주기, 패턴, 강도 등을 달리하여 제공될 수 있다.

청각 자극부(352)는 소리를 매체로 하여 손상된 뇌를 자극하고 뇌의 작용을 활성화하여 뇌 기능을 회복시키는 치료방법이다.

신경학적 청각 자극 치료는 소리를 인식하고 생산해 내는 활동이 인간두뇌와 행동기능에 영향을 미치는 것을 전제로 하며, 뇌졸중, 외상으로 인한 뇌 손상, 파킨슨병, 헌팅턴병, 뇌성마비, 알츠하이머, 자폐, 그 외 신경학적 질환 등으로 손상된 인지, 동작, 의사소통기능을 재활하기 위한 목적으로 사용된다.

도 2는 본 발명의 자극 방식에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, DBS(311)는 특정 부위에 니들을 삽입하여 전기를 자극하는 방식으로 정확한 위치 자극이 가능하나 수술이 필요하다는 단점이 있다.

tDCS(312)는 자극을 원하는 양단에 전기자극을 가하는 비침습식 자극으로, 처치가 간단하나 전극부위 화상 위험이 있다.

CES(313)은 인체의 전기적 특성에 적합한 펄스 방식을 가하는 방식으로, 통증이 없으나 자극을 인지하기 어렵다는 단점이 있다.

tMs(320)는 마그네틱 에너지를 활용한 비침습식 자극 방식으로 머리뼈 통과가 가능하나 편의성이 떨어진다(대형기계사용).

초음파(33)는 집속 가능하나 뼈나 공기가 있는 경우, 전달이 불가능한 단점이 있다.

빛(340)은 처치가 간단하나 두꺼운 뼈를 통과 못하는 단점이 있다.

한편, 서버(200)는 데이터 베이스를 구축하여, 뇌 자극 장치(100)과 정보를 교환할 수 있다.

이때, 서버(200)와 뇌 자극 장치(100) 간에는 근거리 통신 또는 원거리 통신이 적용될 수 있다.

여기서 이용될 수 있는 상기 무선 통신 기술로는 WLAN(Wireless LAN)(Wi-Fi), Wibro(Wireless broadband), Wimax(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등이 이용될 수 있다.

또한, 근거리 통신(short range communication)의 기술로는 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra-Wideband), ZigBee 등이 이용될 수 있다.

도시하지는 않았으나 서버(200) 대신에 스마트폰, PC 등도 적용되는 것이 가능하다.

한편, 본 발명에 따르면, AI 기반 EEG 측정을 통한 맞춤형 자극 제공이 가능하다.

즉, EEG 측정을 통해 자극 패턴을 결정하고, 실시간 모니터링하며 최적의 자극을 사용자에 제공하는 구조로 구성된다.

사용자의 EEG 측정하고, 측정된 EEG를 기반으로, 현재 뇌 상태 판단하며, 축적된 데이터를 기반으로, 판단된 뇌 상태 개선을 위한, 최적의 자극 세기, 주기, 패턴 등을 결정할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 CES 자극과 뇌파를 센싱하는 기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 6a를 참조하면, 뇌파 측정부(141)과 CES 자극부(313)이 복수 배치된다.

또한, 도 6b를 참조하면, 서버(200)와의 통신을 통해, 측정된 EEG를 기반으로, 현재 뇌 상태 판단하며, 축적된 데이터를 기반으로, 판단된 뇌 상태 개선을 위한, 최적의 자극 세기, 주기, 패턴 등을 결정할 수 있다.

뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키는 것의 효과

알츠하이머병(AD)을 포함하는 치매는 뇌 및 인지 기능의 악화(Canter)를 특징으로 하는 뇌의 치명적인 질병이다.

여러 가지 인자가 아밀로이드-β 침착, 과-인산화 타우 축적, 소교세포의 활동 및 성상세포-매개 염증, 및 뉴런 및 시냅스의 손실을 포함하는 AD의 발병기전에 기여하고 있다.

연구 결과에 따르면 신경 활동에서의 변화는 여러 마우스 모델에서 아밀로이드-β 및 타우 축적과 같은 AD 병리에 영향을 미치는 것으로 이전에 나타났다.

이러한 관찰을 고려해 볼 때, 뉴런 진동을 조작하는 것이 AD 병리를 개선하는데 효과적일 수 있는지 여부를 조사하기 위해 여러 가지 접근법이 사용되었다.

특히, 감마 주파수 밴드(약 30~90 Hz)에서의 진동은 hAPP-J20, ApoE4, 5XFAD를 포함하는 여러 가지 AD 마우스 모델뿐만 아니라, 특히 인간 AD 환자에서도 감소되는 것으로 밝혀졌다.

몇몇 최근의 연구는 감마 진동을 목표로 삼았으며, 그 연구 결과는 이것이 AD 병리를 완화시키는 유망한 전략을 나타낼 수 있음을 시사하고 있다.

먼저, 파브알부민-양성(PV+) 연합뉴런에 있는 전압개폐성 나트륨 채널 서브유닛 Nav1.1의 발현을 통해서, 또는 Nav1.1 과발현 연합뉴런 전구세포의 뇌 이식으로 감마 진동을 증가시키는 것은 hAPP-J20 마우스에서 감마 결핍을 완화시키고 간질성 활동 및 인지력 감퇴 모두를 감소시켰다.

또한, 강한 감마 주파수 진동을 유도하는 것으로 나타난 40 Hz에서 PV+ 연합뉴런의 발광유전자(optogenetic) 활성은 5XFAD 마우스에서 아밀로이드 부하를 감소시키고 소교세포의 형태학적 변형을 향상시키는 것으로 밝혀졌다.

40 Hz 자극을 이용하는 이러한 비침습적 접근법은 5XFAD 마우스의 아밀로이드 부하를 감소시키고 소교세포를 변경시키는데 있어서 유사하게 효과적이었다

나아가 아밀로이드 수준(Aβ1-40 및 Aβ1-42의 가용성 및 불용성 형태)뿐만 아니라, 플라크 병리도 감소시키는 것도 밝혀졌다.

또한, 강한 감마 주파수 진동을 유도하는 것은 5XAFD 마우스에서 각각, Aβ의 생성을 감소시키고 제거를 향상시키는 여러 가지 세포 유형(뉴런과 소교세포를 포함함)에 영향을 미쳤다.

따라서 뇌 자극을 통해 뇌에서 동기화된 감마 진동을 유도하면 아밀로이드 부하가 줄어들고 일부 뇌 영역에서 형태학적 변화가 나타난다.

본 발명의 기본적인 전제 기술로서 자극을 통해 대상체의 뇌에서 감마 진동 동조를 유도하고, 뇌 영역(예를 들어, 해마, 체성 감각 및 전전두엽 피질)까지 감마 간섭을 확장할 뿐만 아니라, 동시에 이러한 다수의 뇌 영역에 걸쳐 저 감마 간섭을 강화시키는 것을 적용한다.

즉, 본 발명은 전기 자극, 자기장 자극, 초음파 자극, 빛 자극, 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극 중 적어도 하나를 이용하여 객체의 뇌를 자극할 수 있다.

본 발명에서는 뇌에서 동기화된 감마 진동을 유도하면 아밀로이드 부하가 줄어들고 일부 뇌 영역에서 형태학적 변화가 나타나고, 결국 대상체에서 인지 기능이 개선된다는 것을 이용한다.

감마 진동의 유도는, 신경학적 질병 또는 장애 또는 연령 관련 퇴행을 앓고 있는 대상체에서 감마 진동을 유도하는 것은, 질병이나 장애 또는 노인성 퇴행에 의해 손상되었거나 이와 관련하여 손상된 감마 진동 리듬을 복원하는 작용 (마이크로글리아의 활동성 조절)이 가능하다.

또한, 감마 진동의 유도는, 가용성 Aβ 펩티드, 불용성 Aβ 펩티드, 동종형 Aβ1-40 및 Aβ1-42 등 Aβ의 생성을 감소시키고 제거를 강화하는 것이 가능하다.

또한, 감마 진동의 유도는, 대상체의 뇌에서 Aβ의 축적을 예방하는 것이 가능하다.

또한, 감마 진동의 유도의 기타효과로서, 대상체의 다수의 뇌 영역 사이에서 신경 활성을 조정/ 신경 퇴행을 감소/ 신경염증을 감소/ 막 수송, 세포내 수송, 시냅스 기능, 신경염증, 세포 자멸 과정 및 DNA 손상 중 적어도 하나와 관련된 비정상적으로 변형된 유전자와 단백질을 개선하는 것이 가능하다.

도 7a 및 도 7b는 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌 영역에서 아밀로이드 플라크가 감소되고, 소교세포의 면역 반응이 감소되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

여기서 소교세포 또는 미세아교세포는, Microglia로서 뇌에서 면역기능을 담당하는 신경원 세포이다.

뇌에서 백혈구 역할을 하는 미세아교세포는, 적절 수준으로 활동해야 뇌 건강이 유지될 수 있는데, 수면 부족, 스트레스 증가에 따라 미세아교세포의 활동성이 증가하게 되면, 미세아교세포 활동의 증가에 따라 베타 아밀로이드, 타우 단백질의 축적이 유도된다.

도 7a는 PIL 에서의 미세아교세포와 PIL 에서의 Aβ 플라크를 나타낸 것이다.

도 7a는 40Hz의 치료 초음파를 브레인에 조사하고, 이에 따른 베타 아밀로이드의 감소, 미세아교세포의 활동성 감소 및 인지기능이 개선되는 것을 보여준다.

즉, 미세아교세포 활동 감소 및 Aβ 플라크 수 감소를 관찰하였는데, 3개의 각 단계 대상 객체는 다음과 같다.

WT: wild type 생쥐

Tg/Stim+: 실제 자극(5XFAD 생쥐)

Tg/Stim-: 모의 자극(5XFAD 생쥐)

PIL: pre- and infra-limbic cortex

5XFAD: 알츠하이머병 Aβ42 병리

도 7a를 참조하면, 알츠하이머병에 걸린 쥐와 관련하여, 감마 진동유도하는 경우, 미세아교세포 활동이 감소하고 Aβ 플라크 수가 감소하는 것을 명확히 확인할 수 있다.

또한, 도 7b를 참조하면, PIL 피질에서 단위 면적(mm2)당 Aβ 플라크의 수와 PIL 피질에서 단위 면적(a.u.)당 Iba1 신호 강도를 나타낸 것이다.

도 7b에서도 40Hz 에서 Aβ 플라크 수 및 Iba1 signal intensity 증가를 확인할 수 있다.

한편, 도 8은 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써 알츠하이머병 환자의 인지 기능이 개선되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 8a를 참조하면, 40Hz 의 자극에 따른 경증 AD 환자의 기억력 및 인지기능 개선 확인을 위해, 경증의 AD 환자 대상으로 한 randomized, placebo-controlled Trial을 시도한 것이다.

구체적으로, 4개월 간 하루 1번 40Hz sensory stimulation 을 받은 후, 안전성, 순응도, 뇌의 구조 및 기능, 수면, 인지기능 변화를 측정하였는데, 최종적으로 40 Hz 의 자극에서 높은 내약성 및 순응도 / Efficacy & Safety 가 관찰되었다.

즉, 40Hz 동조 유도는 홈케어로서 안정적이며, 인기지능 및 AD와 관련된 구조적, 기능적 퇴화에 있어 개선효과를 보였다.

또한, 도 8b를 참조하면, Cognitive function Test 관련, Face-Name Recall Test로서 얼굴-이름(14)을 5초간 보고 반복적으로 매칭하는 TEST를 진행한 것이고, MVN(Media Visual Network)을 진행한 결과 인데, 40Hz 동조 유도에서 경증 AD 환자의 인지기능 개선효과가 명확히 관찰되었다.

따라서 본 발명은 전기 자극, 자기장 자극, 초음파 자극, 빛 자극, 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극 중 적어도 하나를 이용하여 객체의 뇌를 자극하고, 자극을 통한 감마 진동의 동조를 기초로, 객체의 전전두엽 피질 및 해마에서 40 Hz의 국소장 전위(LFP)를 유도함으로써, 다음의 효과를 사용자에게 제공하고자 한다.

- 뉴런 활성이 조절되고, 신경퇴행이 감소되는 효과

- 아밀로이드 플라크를 감소시키고, 타우 과인산화를 감소

- 뉴런 및 시냅스의 손실을 감소시키고, 뇌 위축을 감소시키며, 뇌실 팽창을 감소시키고, 신경염증을 감소

- 소교세포의 면역 반응을 감소시키고, 소교세포를 형태학적으로 변형시키며, 소교세포 내 단백질 분해를 증가

-전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 막 수송(membrane trafficking), 세포내 수송, 시냅스 기능, 신경염증, 세포 자멸 과정, 및 DNA 손상 중 적어도 하나와 관련된 비정상적으로 변형된 유전자 및 단백질을 개선

복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 방법

본 발명에서는 전기, 광, 초음파 등을 선택적으로 이용하여 경도인지장애 및 알츠하이머병을 치료할 수 있는 치료 장치를 제안하고자 한다.

전술한 AI 기반의 뇌파(EEG) 분석을 기반으로, 최적의 자극 패턴 인가에 의한 microglia 안정화 + 베타아밀로이드/타우 제거를 통해, 치매 치료제를 제공한다.

특히, Optimal Treatment Option으로서, 인간 대상 뉴로모듈레이션 자극 데이터를 기초로, Optimal Dose (세기, 주파수, 주기, 패턴 등)가 적용될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따라 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시켜 뇌를 자극함으로써, 치료 효과를 제공하는 방법을 설명하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 자극 방법으로서, 대상의 학습 및 기억을 향상시키기 위해, 대상체에게 약 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달한다.

이때, 해마(HPC) 및 내측 전두엽 피질(mPFC)로부터 선택된 피질 영역 내 기록 부위의 5% 이상에서 주기적 스파이크 반응 (spiking response)을 유도할 수 있다.

감마 진동은 빠른 스파이크 파르브알부민 (fast-spiking parvalbumin, FS-PV) 개재 뉴런(interneuron)에서 유도되는데, “fast-spiking(FS)"은 스파이크 빈도 적응이 거의 없거나 스파이크 높이의 약화가 거의 없는 상태로 장 시간동안 높은 속도로 방출할 수 있는 뉴런의 능력을 지칭한다.

결국, 약 40 Hz에서 국소장 전위(LFP)를 유도함으로 인해, microglia 활동 안정화 + 베타아밀로이드/타우 제거 가 가능하다.

자극 설계와 관련하여, 전자기 방사선 수용체(광수용체, 적외선 수용체 및/또는 자외선 수용체), 기계적 자극 수용기(기계적 응력 및/또는 응력 수용기), 통각 수용기, 소리 수용기, 전기 수용기, 자기 수용기, 수분 수용기, 화학 수용체, 온도 수용기, 삼투 수용기 및/또는 고유 수용기(즉, 위치 감각 수용기) 를 자극하도록 설계할 수 있다.

자극 주기와 관련하여, 7일 동안 1시간 이상 자극 (a day) / 22일 동안 1시간 이상 자극 (a day) / 42일 동안 1시간 이상 자극 (a day) 이 적용될 수 있다.

또한, 실시간 모니터링 & 자극의 변경과 관련하여, 수용기로부터 반응을 이끌어내는데 필요한 감각의 절대적 역치 또는 최소량은 자극의 유형 및 대상체에 근거하여 변할 수 있다.

또한, 감마 진동이 유도되는 지의 여부, 개체 감수성, 인지 기능, 물리적 또는 화학적 변화, 스트레스, 안전성 등을 비롯하여, 자극 및/또는 개체를 검출하고 이들에 관한 피드백을 제공하기 위한) 검출 장치를 기초로 모니터링하는 것이 가능하다.

도 10은 본 발명에 따라 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시킴으로써, 뇌를 자극하는 방법을 설명하는 순서도이다.

도 10을 참조하면, 대표 자극을 저장하는 단계(s1), 자극 인가 단계(S2), 최대 반응이 도출되는지 확인하는 단계(S3), 최대 반응이 도출되지 않으면 미세 조정하는 단계(S4)와 최대 반응 도출 시 자극을 확정하는 단계(S5)가 도시된다.

S1 단계 내지 S5 단계를 구체적으로 설명하면,

통신부(110)는 객체(환자 또는 예비환자)의 상태에 대한 정보를 수신할 수 있다.

여기서, 통신부(110)가 수신하는 객체의 상태는, 상기 객체와 관련된 질병 및 상기 질병의 진행 정도를 의미하고, 질병은, 알츠하이머병, 뇌종양(brain tumor), 우울증, 뇌졸중, 뇌전증 및 수면장애를 포함할 수 있다.

또한, 자극부(300)는 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 대응하여 결정된 제 1 대표 자극 방식에 따라 상기 객체의 뇌를 자극할 수 있다.

여기서 자극부(300)는, 전기를 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 전기 자극부(310), 자기장을 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 자기장 자극부(320) 초음파를 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 초음파 자극부(330) 빛을 이용하여 상기 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 광 자극부(340) 및 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극부(350) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체를 자극할 수 있다.

또한, 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은 메모리(160)에 저장되거나 상기 통신부(110)를 통해 외부로부터 수신될 수 있다.

특히, 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은, 객체의 전전두엽 피질(PFC) 및 해마를 포함하는 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키기 위해, 상기 객체에 30 Hz 내지 약 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 방식이 될 수 있다.

여기서 제 1 대표 자극은 상기 질병의 종류 및 상기 질병의 진행 정도에 따라 결정될 수 있다.

이때, 센서부(140)는 자극에 대한 뇌의 반응을 측정하게 되고, 제어부(180)는 측정된 뇌의 반응을 기초로, 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키는 제 1 반응이 도출되는지 여부를 판단한다.

여기서 센서부(140)는, 상기 자극에 대응하여 유도되는 상기 뇌의 뇌파를 측정하는 뇌파 측정부(141)이고, 제어부(180)는, 측정된 뇌파가 상기 감마 진동을 동조시켰을 때에만 나타나는 동조 뇌파의 출력 및 파형에 대응되는지 여부를 이용하여 상기 제 1 반응이 도출되는지 판단하게 된다.

제어부(180)는, 상기 측정된 뇌파로부터 각 주파수 대역의 파워 스펙트럼(power spectrum) 값의 평균 및 표준편차, 감마(gamma)/알파(alpha)/베타(beta)/델타(delta)/세타(theta)의 뇌파 조합에 따른 각 평균값의 비율을 산출함으로써, 상기 측정된 뇌파의 속성을 추출한다.

만약, 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부는, 제 1 대표 자극 방식을 변경한 제 2 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하게 된다.

구체적으로 제어부(180)는 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 2번째로 대응되는 방식을 상기 제 2 자극 방식으로 변경하거나 상기 제 1 대표 자극 방식의 출력, 파형 및 주기 중 적어도 하나를 수정하여 상기 제 2 자극 방식 변경할 수 있다.

나아가 제어부(180)는, 상기 제 2 자극 방식에 따라 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 제 2 자극 방식을 변경한 제 3 자극 방식에 따라 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어할 수 있고 이러한 동작은 최대 반응인 제 1 반응이 도출될 때까지 반복하여 적용될 수 있다.

이러한 감마 진동의 동조를 통해, 상기 객체의 전전두엽 피질 및 해마에서 40 Hz의 국소장 전위(LFP)가 유도될 수 있다.

또한, 상기 감마 진동의 동조를 통해,상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역 사이에서 뉴런 활성이 조절되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 신경퇴행이 감소될 수 있다.

한편, 도 11은 도 10의 방법을 구체화시킨 방법을 설명하는 순서도이다.

도 11을 참조하면, 통신부가 객체의 상태에 대한 정보를 수신하는 단계 (S10) , 자극부가 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 대응하여 결정된 제 1 대표 자극 방식에 따라 상기 객체의 뇌를 자극하는 단계 (S20), 센서부가 상기 자극에 대한 뇌의 반응을 측정하는 단계 (S30), 제어부가 상기 측정된 뇌의 반응을 기초로, 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키는 제 1 반응이 도출되는지 여부를 판단하는 단계 (S40), 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부가 상기 제 1 대표 자극 방식을 변경한 제 2 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하는 단계 (S50) 및 제 2 자극 방식에 따라 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부는 상기 제 2 자극 방식을 변경한 제 3 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하는 단계 (S60)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 효과

단, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고받을 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims

미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 객체의 상태에 대응하여 결정된 제 1 대표 자극 방식에 따라 상기 객체의 뇌를 자극하는 자극부;
상기 자극을 진행하면서, 상기 자극에 대한 뇌의 반응을 측정하는 센서부; 및
상기 측정된 뇌의 반응을 기초로, 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 진동을 동조시키는 제 1 반응이 도출되는지 여부를 판단하는 제어부;를 포함하고,

상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제어부는,
상기 제 1 대표 자극 방식을 자동으로 변경한 제 2 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하며,

상기 객체의 상태는, 상기 객체와 관련된 질병 및 상기 질병의 진행 정도를 의미하고,
상기 제 1 대표 자극은 상기 질병의 종류 및 상기 질병의 진행 정도에 따라 결정되며,

상기 센서부는, 상기 자극에 대응하여 유도되는 상기 뇌의 뇌파를 측정하는 뇌파 측정부이고,
상기 제어부는,
상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 진동을 동조시켰을 때에만 나타나는 동조 뇌파의 출력 및 파형에 대응되는지 여부를 이용하여 상기 제 1 반응이 도출되는지 판단하며,

상기 제어부는
상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우,
상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식 중 상기 객체의 상태에 2번째로 대응되는 방식을 상기 제 2 자극 방식으로 변경하거나 상기 제 1 대표 자극 방식의 출력, 파형 및 주기 중 적어도 하나를 수정하여 상기 제 2 자극 방식을 변경하는 기기.
제 1항에 있어서,
상기 객체의 상태에 대한 정보를 수신하는 통신부; 및/또는 상기 객체의 상태에 대한 정보를 미리 저장하는 메모리; 를 더 포함하는 기기.
제 2항에 있어서,
상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은 상기 메모리에 저장되거나 상기 통신부를 통해 외부로부터 수신되고,
상기 동조시키는 동기화된 진동은 감마 진동이며,
상기 미리 지정된 복수의 대표 자극 방식은,
상기 객체의 전전두엽 피질(prefrontal cortex; PFC) 및 해마를 포함하는 상기 객체의 복수의 뇌 영역에서 동기화된 감마 진동을 동조시키기 위해, 상기 객체에 30 Hz 내지 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 방식인 기기.
제 3항에 있어서,
상기 자극부는,
전기를 이용하여 상기 30 Hz 내지 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 전기 자극부; 자기장을 이용하여 상기 30 Hz 내지 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 자기장 자극부; 초음파를 이용하여 상기 30 Hz 내지 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 초음파 자극부; 빛을 이용하여 상기 30 Hz 내지 50 Hz의 주파수를 갖는 자극을 전달하는 광 자극부; 및 시각 자극 및 청각 자극 중 적어도 하나를 비침습적으로 전달하는 감각자극부; 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체를 자극하는 기기.
제 4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 측정된 뇌파가 상기 감마 진동을 동조시켰을 때에만 나타나는 동조 뇌파의 출력 및 파형에 대응되는지 여부를 이용하여 상기 제 1 반응이 도출되는지 판단하는 기기.
제 5항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 측정된 뇌파로부터 각 주파수 대역의 파워 스펙트럼(power spectrum) 값의 평균 및 표준편차, 감마(gamma)/알파(alpha)/베타(beta)/델타(delta)/세타(theta)의 뇌파 조합에 따른 각 평균값의 비율을 산출함으로써, 상기 측정된 뇌파의 속성을 추출하는 기기.
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제 6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제 2 자극 방식에 따라 상기 제 1 반응이 도출되지 않는 경우, 상기 제 2 자극 방식을 변경한 제 3 자극 방식에 따라 상기 자극부가 상기 객체의 뇌를 자극하도록 제어하는 기기.
제 8항에 있어서,
상기 감마 진동의 동조를 통해, 상기 객체의 전전두엽 피질 및 해마에서 40 Hz의 국소장 전위(local field potential; LFP)가 유도되는 기기.
제 9항에 있어서,
상기 감마 진동의 동조를 통해,
상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역 사이에서 뉴런 활성이 조절되는 기기.
제 10항에 있어서,
상기 감마 진동의 동조를 통해,
상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 아밀로이드 플라크가 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 타우 과인산화가 감소되는 기기.
제 11항에 있어서,
상기 감마 진동의 동조를 통해,
상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뉴런 및 시냅스의 손실이 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뇌 위축이 감소되며, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 뇌실 팽창이 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 신경염증이 감소되는 기기.
제 12항에 있어서,
상기 감마 진동의 동조를 통해,
상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포의 면역 반응이 감소되고, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포가 형태학적으로 변형되며, 상기 전전두엽 피질 및 해마를 포함하는 상기 객체의 뇌 영역에서 적어도 일부 소교세포 내 단백질 분해를 증가시키는 기기.
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