KR102460337B1 - 초음파 자극 제어 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 자극 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시시예에 따른 초음파 자극 제어 장치는, 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하고, 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 초음파 제어부; 상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 초음파 발생부; 상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 뇌 생체 신호 측정부; 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 신경 활성도 결정부; 및 상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 보상부를 포함하고, 상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정 한다.

Description

초음파 자극 제어 장치 및 방법{apparatus and method for controlling ultrasonic wave for brain stimulation}
본 발명은 초음파 자극 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 뇌졸중 환자의 신경 가소성 증진시키기 위해 초음파 자극을 최적화시키는 자극 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 (No. CAP-18-01-KIST)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
전 세계적으로 고령화가 진행됨에 따라, 뇌졸중 등의 만성질환이 사회문제로 대두되고 있고, 최근 국내 뇌졸중 환자가 지속적으로 증가됨에 따라 발병 후 치료 및 재활과 관련하여 사회적으로 이슈가 되고 있다.
종래에는 뇌 질환을 치료하기 위해 두개골에 작은 구멍을 내거나 뇌를 절개하여 전기적 자극(electrical impulse)을 주는 침습적 뇌 자극 기술이 이용되었다. 그러나, 개두술로 인해 감염이 발생하거나 뇌출혈, 마비, 중풍, 언어장애와 같은 영구적인 뇌손상이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
그리하여, 개두술 없이 질환의 원인이 되는 뇌의 특정 부분을 자극하는 비침습적 뇌 자극 기술의 활용이 증가하고 있다. 구체적으로 신경가소성을 증진시키는 방법으로 low intensity ultrasound 자극 등이 있다. 초음파 자극을 극대화 하기 위해서는 최적의 초음파 파라미터를 결정하는 것이 핵심이다. 현재까지는 초음파 파라미터를 경험적으로 (Heuristic) 결정하였기에, 객관적인 지표를 이용한 파라미터 결정 기법이 필요하다. 또한 초음파 자극이 비침습적 자극이기 때문에, 타겟 위치가 부정확할 수밖에 없기에 초음파 자극 위치 제어 기법이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 최적의 초음파 자극 위치 및 초음파 파라미터를 제공하기 위한 초음파 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시시예에 따른 초음파 자극 제어 방법은, 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하는 단계; 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 단계; 상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 단계; 상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계; 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계; 상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 단계; 및 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 자극 위치를 결정하는 단계는, 결정된 상기 신경 활성도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 결정된 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하는 단계; 및 상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계는, EEG 신호를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 단계; 및 상기 EEG 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계는, fNIRs 신호를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 단계; 및 상기 fNIRs 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 초음파로 뇌를 자극하는 단계는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따른 초음파 자극 제어 장치는, 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하고, 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 초음파 제어부; 상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 초음파 발생부; 상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 뇌 생체 신호 측정부; 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 신경 활성도 결정부; 및 상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 보상부를 포함하고, 상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정 한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 신경 활성도 결정부는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 신경 활성도 결정부는, 결정된 상기 신경 활성도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 보상부는, 결정된 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하고, 상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌 생체 신호 측정부는, EEG 신호를 측정하는 EEG 측정부를 포함하고, 상기 신경 활성도 결정부는, 측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 EEG 지형도 생성부; 및 상기 EEG 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 자극 위치 결정부를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌 생체 신호 측정부는, fNIRs 신호를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 신경 활성도 결정부는, 측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 fNIRs 지형도 생성부; 및 상기 fNIRs 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 자극 위치 결정부를 포함한다.
본 발명의 일 실시시예에 따르면, 초음파 발생부는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실시간으로 자극 위치와 타겟 위치를 비교함으로써 최적의 초음파 초점 위치에서 뇌를 자극할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실시간으로 뇌의 신경 활성도를 확인함으로써 최적의 초음파 파라미터로 뇌를 자극할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 제어 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 지역 신경 가소성 감지를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 위치 제어를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도를 이용한 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도 및 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 및 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
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. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소가 제2 또는 제3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제2 또는 제3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙인다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 제어 장치의 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 초음파 제어 장치는, 초음파 제어부(100), 초음파 발생부(200), 뇌 생체 신호 측정부(300), 평가부(400) 및 보상부(500)를 포함한다.
먼저, 초음파 발생부(200)는 비침습적으로 특정 사용자의 뇌의 특정 부분을 자극하기 위한 초음파를 하나 또는 그 이상의 초음파 트랜스듀서 유닛을 통해 환자의 뇌에 입력하는 기능을 수행한다. 초음파 발생부(200)는 하나의 트랜스듀서 유닛만으로 구성될 수도 있으며, 다수 개의 트랜스듀서 유닛으로 이루어진 트랜스듀서 어레이로 구성될 수도 있다. 초음파 발생부(200)는 초음파 제어부(100)의 제어에 따라 조정된 초음파 초점 위치 및/또는 초음파 파라미터에 따라 특정 위치의 뇌를 초음파로 자극할 수 있다.
초음파 제어부(100)는 타겟 위치 결정부(110), 초음파 초점 위치 제어부(120) 및 파라미터 제어부(130)를 포함할 수 있다.
타겟 위치 결정부(110)는 후술할 EEG 지형도 생성부(410) 및 fNIRs 지형도 생성부(420)에 의해 생성된 지형도에 기초하여 타겟 위치를 결정할 수 있다. 타겟 위치 결정부(110)는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다. 미리 획득한 사용자 두개골의 영상은 사용자 두개골을 촬영한 MRI 영상, CT 영상 및 X-ray 영상 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 사용자의 뇌에서 질환이 발생된 원인과 그 위치를 파악할 수 있는 뇌 영상이 포함될 수 있다.
보다 구체적으로, 타겟 위치 결정부(110)는 지형도 또는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에서 자극이 필요한 뇌의 위치를 추출하고, 사용자 두개골의 모양에 따라 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다.
초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 타겟 위치에 따라 초음파의 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 타겟 위치를 고려하여 초음파 자극이 용이한 위치로 초음파 발생부(100)의 초기 위치를 조절하고, 추후 보상부(500)의 초점 위치 보상값에 따라 초음파 발생부(200)의 위치를 보정한다.
초음파 초점 위치 제어부(120)는, 자극 위치 결정부(430)에 의해 결정된 자극 위치를 참조로 하여 초음파 발생부(200)의 뇌 상에 포커싱되는 초점의 위치를 조정하는 기능을 한다.
초음파 초점 위치 제어부(120)는 사용자에게 입력될 초음파가 이 사용자의 뇌 상에 포커싱되는 위치를 조정함에 있어, 3자유도(예를 들어, x축, y축, z축)를 가진 상태에서 조정이 가능하며, 이 3자유도를 전부 소프트웨어적으로 조정할 수도 있고, 3 자유도 중 2자유도에 대해서는 하드웨어적으로 조정하고 나머지 1자유도에 대해서는 소프트웨어적으로 조정할 수도 있다. 여기서 소프트웨어적으로 자유도를 조정하는 방법은 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력되는 초음파의 강도, 주파수, 주기, 위상차, 발사각 등의 초음파의 특성을 조정하여 이루어지며, 하드웨어적으로 자유도를 조정하는 것은 초음파 발생부(200)를 사용자의 머리(즉, 두개골) 위에서 물리적으로 그 위치를 조정하는 것이다. 예를 들어, 초음파 발생부(200)의 강도, 위상차, 주파수, 주기, 발사각 등을 조정하여, 초음파의 포커싱 되는 위치와 깊이를 조절할 수도 있고(3자유도 전부 소프트웨어적으로 조정하는 경우), xy 방향의 위치는 초음파 트랜스듀서 모듈(11)의 물리적 위치이동을 통해, z축(즉 깊이 방향)은 소프트웨어적인 초음파의 강도나 위상차 조절을 통해 조정을 할 수도 있다(2자유도에 대해서는 하드웨어적으로 조정하고 나머지 1자유도에 대해서는 소프트웨어적으로 조정하는 경우).
파라미터 제어부(130)는 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초음파의 특성을 보정하는 기능을 수행할 수 있다.
사람마다 뇌의 크기와 위치가 상이하듯이, 사람마다 두개골의 두께가 다르고 두피도 다르며, 내부지방층의 두께도 상이하고, 두개골과 피부, 뇌의 초음파 투과 특성, 예를 들어, 초음파의 두개골에서의 굴절률이 사람마다 다르다. 이에 따라 파라미터 제어부(130)는 사용자의 뇌의 두개골에서의 반사 및/또는 굴절 특성을 포함하는 초음파 통과 특성을 참조로 하여, 원하는 뇌의 특정 부위에 초음파가 포커싱될 수 있도록 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초음파의 파라미터를 보정하는 기능을 한다. 초음파의 파라미터는, 초음파 펄스의 강도, 주기, 주파수, 지속시간, 위상에 대한 정보 등을 포함한다.
파라미터 제어부(130)는 사용자의 뇌의 두개골의 반사 및/또는 굴절 특성을 포함하는 초음파 통과 특성을 참조로 하여 초기 파라미터를 결정한 후, 추후 보정부(500)에 의해 결정된 파라미터 보정값을 참조하여 파라미터를 보정한다.
뇌 생체 신호 측정부(300)는 국소 영역의 뇌의 신경 활성도 또는 신경 가소성을 평가할 수 있는 뇌의 생체 신호를 측정한다.
도 1을 참조하면, 뇌 생체 신호 측정부(300)는 EEG 측정부(310) 및 fNIRs 측정부(320) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
EEG 측정부(310)는 뇌전도(뇌파, electroencephalogram,　EEG) 신호를 출력한다. EEG 측정부(310)는 복수의 뇌파전극들을 포함하고, 다채널로 동시에 뇌파를 측정할 수 있다. EEG 측정부(310)는 위치 분해능을 증가시키기 위해서 다수의 송신부와 수신부들을 포함할 수 있다. EEG 측정부(310)는 초음파 발생부(200)와는 독립적으로 사용될 수 있으며 초음파 발생부(200)의 각 초음파 트랜스듀서들 사이 또는 주변에 자유롭게 배치될 수 있다. EEG 측정부(310)는 초음파에 의해 사용자의 뇌가 자극될 때 실시간으로 EEG 신호를 출력한다.
fNIRs 측정부(320)는 기능적 근적외선 분광법(fNIRs)을 이용하여 신경 활성도를 측정할 수 있다. fNIRs 측정부(320)는 송신부(Emitter)와 수신부(Receiver)를 포함하여 뇌의 산소 소모량을 측정한다. fNIRs 측정부(320)는 위치 분해능을 증가시키기 위해서 다수의 송신부와 수신부들을 포함할 수 있다. fNIRs 측정부(320)는 초음파 발생부(200)와는 독립적으로 사용될 수 있으며 초음파 발생부(200)의 각 초음파 트랜스듀서들 사이 또는 주변에 자유롭게 배치될 수 있다.
평가부는(400)는 EEG 지형도 생성부(410), fNIRs 지형도 생성부(420), 자극 위치 결정부(430) 및 신경 활성도 결정부(440)를 포함할 수 있다.
EEG 지형도 생성부(410)는 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 EEG 지형도(topography)를 생성한다.
도 2를 참조하면, EEG 지형도 생성부(410)는 역문제(inverse problem) 기법을 이용하여 뇌의 각 위치에서의 신경 활성도를 계산하고 이를 이미지화 할 수 있다(distributed source localization). 예를 들어, EEG 신호 yeeg는 다음 수식과 같이 표현되고,
yeeg = A*xsource
역문제(inverse problem)는 다음 함수를 이용하여 EEG 측정부(310)로부터 출력된 EEG 신호 yeeg로부터 특정 국소 지역 신경 활성도 xsource를 추출할 수 있다.
Figure 112020081138209-pat00001
yeeg는 측정된 EEG 벡터이고, xsource는 뇌 전류원 벡터이며, A는 리드 필드 매트릭스(lead field matrix)이다.
fNIRs 지형도 생성부(420)는 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 fNIRs 지형도(topography)를 생성한다. EEG 지형도 생성부(410)와 같이, fNIRs 지형도 생성부(420)는 역문제(inverse problem) 기법을 이용하여 뇌의 각 위치에서의 신경 활성도를 계산하고 이를 이미지화 할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 자극 위치 결정부(430)는 EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다. EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도가 많이 변화한 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 자극은 비침습식이기 때문에 초음파를 타겟 위치에 정확히 집속시키기가 어렵다. 또한, 사람마다 두개골의 두께가 다르고 두피도 다르며, 내부지방층의 두께도 상이하다. 따라서 사람마다 타겟 위치와 초음파로 실제로 자극된 자극 위치가 상이하거나 최적의 초음파 파라미터가 상이할 수 있다.
신경 활성도 결정부(440)는 측정된 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정한다. 신경 활성도는 EEG 신호 또는 fNIRs에 기초하여 결정될 수 있다. 또는 신경 활성도는 fMRI, CT 등 다양한 방식으로 측정된 뇌 활동 신호에 기초하여 결정될 수 있다.
보상부(500)는 EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 초음파 초점 위치 및 초음파 파라미터를 조정할 수 있다.
보상부(500)는 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510) 및 파라미터 보상값 결정부(520)를 포함할 수 있다. 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)는 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다. 파라미터 보상값 결정부(520)는 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다.
초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 발생부(200)의 위치를 조정할 수 있다. 파라미터 제어부(130)는 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 따라서, 초음파 발생부(200)는 보정부(500)에 의해 결정된 보정값에 따라 초음파 트랜스듀서 유닛을 통해 사용자에게 입력될 초음파를 발생시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, EEG 신호 및/또는 fNIRs 신호를 실시간 모니터링하여 초음파의 초점 위치, 강도, 주파수, 주기, 위상차 등을 결정하고 이를 실시간으로 피드백함으로써 초음파 자극 효과를 극대화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 위치 제어를 나타내는 개념도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.
먼저, 타겟 위치 결정부(110)가 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정한다(S110).
다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 타겟 위치에 따라 초기 초음파의 초점 위치를 조정한다(S120).
다음으로, 초음파 발생부(200)가 초음파 초점 위치 제어부(120)에 의해 조정된 초음파 초점 위치에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200).
다음으로, EEG 측정부(310)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 EEG 신호를 측정한다(S310). EEG 지형도 생성부(410)가 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 EEG 지형도(topography)를 생성한다(S410).
다음으로, 자극 위치 결정부(430)는 EEG 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다(S430). EEG 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도가 많이 변화한 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다.
다음으로, 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)가 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다(S510).
다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
먼저, 파라미터 제어부(130)가 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초기 초음파의 파라미터를 조정한다(S130).
다음으로, 초음파 발생부(200)가 파라미터 제어부(130)에 의해 조정된 초음파 파라미터에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200).
다음으로, EEG 측정부(310)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 EEG 신호를 측정한다(S310). 신경 활성도 결정부(440)가 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 신경 활성도를 결정한다(S410).
다음으로, 파라미터 보상값 결정부(520)가 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다(S520).
다음으로, 파라미터 제어부(130)가 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 초음파 파라미터 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.
먼저, 타겟 위치 결정부(110)가 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정한다(S110).
다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 타겟 위치에 따라 초기 초음파의 초점 위치를 조정한다(S120).
다음으로, 초음파 발생부(200)가 초음파 초점 위치 제어부(120)에 의해 조정된 초음파 초점 위치에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200).
다음으로fNIRs 측정부(320)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 fNIRs 신호를 측정한다(S320). fNIRs 지형도 생성부(420)가 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 fNIRs 지형도(topography)를 생성한다(S420).
다음으로, 자극 위치 결정부(430)는 fNIRs 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다(S430). fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도 변화가 큰 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다.
다음으로, 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)가 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다(S510).
다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
먼저, 파라미터 제어부(130)가 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초기 초음파의 파라미터를 조정한다(S130).
다음으로, 초음파 발생부(200)가 파라미터 제어부(130)에 의해 조정된 초음파 파라미터에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200).
다음으로, fNIRs 측정부(320)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 fNIRs 신호를 측정한다(S320). 신경 활성도 결정부(440)가 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 신경 활성도를 결정한다(S420).
다음으로, 파라미터 보상값 결정부(520)가 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다(S520).
다음으로, 파라미터 제어부(130)가 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 초음파 파라미터 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도 및 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 및 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
먼저, 타겟 위치 결정부(110)가 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정한다(S110).
다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 타겟 위치에 따라 초기 초음파의 초점 위치를 조정한다(S120).
다음으로, 파라미터 제어부(130)가 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초기 초음파의 파라미터를 조정한다(S130).
다음으로, 초음파 발생부(200)가 초음파 초점 위치 제어부(120)에 의해 조정된 초음파 초점 위치 및 파라미터 제어부(130)에 의해 조정된 초음파 파라미터에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200).
다음으로, EEG 측정부(310)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 EEG 신호를 측정한다(S310). 또한, fNIRs 측정부(320)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 fNIRs 신호를 측정한다(S320).
EEG 지형도 생성부(410)가 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 EEG 지형도(topography)를 생성한다(S410). 또한, fNIRs 지형도 생성부(420)가 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 fNIRs 지형도(topography)를 생성한다(S420).
다음으로, 자극 위치 결정부(430)는 EEG 지형도 및 fNIRs 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다(S430). EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도 변화가 큰 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다. EEG 지형도와 fNIRs 지형도에서 결정된 자극 위치가 서로 다른 경우, 이를 평균하거나, 사용자의 뇌에 대한 다른 정보, 예를 들어 두개골의 두께, 내부지방층의 두께 등을 참조하여 어느 하나를 선택하거나, 각 자극 위치에 가중치를 적용할 수 있다.
다음으로, 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)가 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다(S510). 또한, 파라미터 보상값 결정부(520)가 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다(S520).
다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다. 또한, 파라미터 제어부(130)가 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 초음파 파라미터 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예들은, 특히 평가부(400) 및 보상부(500)은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, EEG 신호 및/또는 fNIRs 신호를 실시간 모니터링하여 초음파의 초점 위치, 강도, 주파수, 주기, 위상차 등을 결정하고 이를 실시간으로 피드백함으로써 초음파 자극 효과를 극대화할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
초음파 제어부(100)
타겟 위치 결정부(110)
초음파 초점 위치 제어부(120)
파라미터 제어부(130)
초음파 발생부(200)
뇌 생체 신호 측정부(300)
EEG 측정부(310)
fNIRs 측정부(320)
평가부(400)
EEG 지형도 생성부(410)
fNIRs 지형도 생성부(420)
자극 위치 결정부(430)
신경 활성도 결정부(440)
보상부(500)
초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)
파라미터 보상값 결정부(520)

Claims (16)

  1. 삭제
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  6. 삭제
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  8. 삭제
  9. 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하고, 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 초음파 제어부;
    상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 초음파 발생부;
    상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 뇌 생체 신호 측정부;
    측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정하는 신경 활성도 결정부;
    측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 자극 위치 결정부로서, 상기 자극 위치 결정부는 결정된 상기 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 상기 자극 위치 결정부; 및
    상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 보상부를 포함하고,
    상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정하는, 초음파 자극 제어 장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 보상부는, 결정된 상기 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하고,
    상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정하는, 초음파 자극 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함하는, 초음파 자극 제어 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 자극 위치 결정부는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 뇌 지형도를 생성하고, 생성된 상기 뇌 지형도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정하는, 초음파 자극 제어 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 뇌 생체 신호 측정부는, EEG 신호를 측정하는 EEG 측정부를 포함하고,
    상기 초음파 자극 제어 장치는, 측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 EEG 지형도 생성부를 더 포함하고,
    상기 자극 위치 결정부는 상기 EEG 지형도에서 상기 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는, 초음파 자극 제어 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 뇌 생체 신호 측정부는, fNIRs 신호를 측정하는 fNIRs 측정부를 포함하고,
    상기 초음파 자극 제어 장치는, 측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 fNIRs 지형도 생성부를 더 포함하고,
    상기 자극 위치 결정부는 상기 fNIRs 지형도에서 상기 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는, 초음파 자극 제어 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    초음파 발생부는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극하는, 초음파 자극 제어 장치.
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