KR102604287B1 - 미주신경 자극 장치의 제어 방법 - Google Patents

미주신경 자극 장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미주신경 자극 제어 방법에 관한 것으로, 양쪽 귀에 위치하는 미주신경을 자극하는 방법으로서, 양쪽의 미주신경에 가해지는 전기자극은 강도(V), 주파수(F) 및 펄스폭(PW) 중에 하나 이상이 개별적으로 제어되며, 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극이 하기 [수식 1]로 표현되는 E의 차이가 5,000 이상이 되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
E=V2×F×PW
이때, 수식의 단위는 강도가 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs이다.
본 발명은, 귀에 접촉된 전극을 통해 미주신경을 자극함에 있어서, 미주신경 자극의 효과를 향상시킬 수 있을 뿐만이 아니라 미주신경에 연결된 뇌를 자극할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
또한, 미주신경과 연결된 뇌의 심부에 영향을 미치기 때문에, 대뇌 피질의 일부분에만 영향을 미칠 수 있었던 경두개 자기 자극법과 경두개 전기 자극법에 의해서 자극하지 못했던 뇌의 영역을 자극할 수 있는 효과가 있다.

Description

미주신경 자극 장치의 제어 방법{CONTROL METHOD OF VAGUS NERVE STIMULATION}
본 발명은 미주신경에 대한 자극을 제어하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 미주신경 자극의 효과를 높이고 뇌를 자극할 수 있는 자극의 제어 방법에 관한 것이다.
미주신경은 뇌신경들 중의 하나로서 10번째 뇌신경에 해당된다. 미주신경은 뇌로부터 나와서 얼굴, 흉부, 복부에 걸쳐서 분포하고, 부교감신경섬유를 포함하는 혼합신경으로서 심장, 폐, 소화관 등에 작용하는 부교감신경의 조절에 관여한다. 12쌍의 뇌신경 중에서 가장 길고 복잡한 구조를 가지고 있으며, 감각신경섬유와 운동신경섬유를 모두 포함한다.
간질 치료와 우울증 치료를 위한 미주신경자극 장치가 미국식품의약국(FDA)의 공인을 얻은 것으로 알려져 있으며, 이들은 목에 위치하는 경부 가지를 자극 대상으로 하고 있다. 다만 이러한 미주신경의 경부가지 전기자극술은 피부에 직접 절개를 가하고 미주신경 경부 가지를 노출하여 그 외부에 전기소체인 코일을 감고 마이크로칩을 장착하는 시술을 수행하여 일반인에 의한 자가 치료의 영역에서는 사용할 수 없다.
간질 치료와 우울증 치료를 위한 미주신경자극 장치는 뇌로 들어가는 신경 신호를 제어하여 뇌에 영향을 미치며, 이는 뉴로모듈레이션(Neuromodulation)에 기반을 둔 장치이다. 뉴로모듈레이션은 주어진 뉴런이 하나 이상의 화학 물질을 사용하여 다양한 뉴런 집단을 조절하는 생리적 과정이며, 하나의 특정 파트너 뉴런의 빠른 작용 수용체를 겨냥하여 축삭 말단에서 신경 전달 물질을 분비하는 시냅스 전달과는 차이가 있다. 이러한 뉴로모듈레이션을 이용하여 신경계 기능을 향상시키거나 만성적인 통증을 감소시키기 위한 방법으로서 신경계에 전기 자극 또는 화학적인 자극을 가하는 방법이 연구되고 있다. 앞서 살펴본 미주신경자극 장치와 심부뇌자극 장치는 신경에 전기적 자극을 가하는 장치를 인체 내부의 신경에 직접 부착하기 때문에 그 적용이 매우 제한적이다.
인체의 외부에서 직접적으로 뇌에 영향을 미치는 방법으로는 머리 외부에서 인가된 자기장이 뇌를 활성화하는 자기 자극법과 경두개에 부착된 전극을 통해서 흘려보낸 전기가 대뇌 피질을 활성화하는 경두개 전기 자극법이 있다. 경두개 자기 자극법과 경두개 전기 자극법은 비침습적인 방법으로 뇌에 직접적인 영향을 미치는 효과가 있지만, 자극되는 뇌의 영역이 두개골 근처로 한정되는 한계가 있다.
대한민국 등록특허 10-0596540 대한민국 공개특허 10-2019-0088300
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 미주신경을 자극하는 자극을 제어함에 있어서 뇌를 자극하는 효과가 있는 자극 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 미주신경 자극 제어 방법은, 양쪽 귀에 위치하는 미주신경을 자극하는 방법으로서, 양쪽의 미주신경에 가해지는 전기 자극은 강도(V), 주파수(F) 및 펄스폭(PW) 중에 하나 이상이 개별적으로 제어되며, 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기 자극에 대한 하기 [수식 1]로 표현되는 E의 차이가 5,000 이상이 되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
E=V2×F×PW
이때, 수식의 단위는 강도가 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs이다.
이때, 상기 강도(V)는 3 ~ 80V 범위일 수 있다.
상기 주파수(F)는 10 ~ 120 Hz 범위일 수 있다.
상기 펄스폭(PW)은 10 ~ 250 μs 범위일 수 있다.
그리고 상기 주파수(F)의 차이가 5Hz 이상인 것이 바람직하다.
전기자극의 강도(V)가 작은 쪽을 기준으로, 다른 쪽 귀에 가해지는 전기자극의 강도가 5% 이상 큰 것이 바람직하다.
또한, 전기 자극을 변경하는 과정에서 램프업타임(ramp up time)과 램프다운타임(ramp down time)을 0.5~5초 범위로 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 의한 미주신경 자극 장치는, 쪽 귀에 위치하는 미주신경 각각에 전기 자극을 가하기 위한 2개의 전극; 및 상기 전극에 인가되는 전기 자극의 강도(V), 주파수(F) 및 펄스폭(PW) 중에 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기 자극에 대한 하기 [수식 1]로 표현되는 E의 차이가 5,000 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
E=V2×F×PW
이때, 수식의 단위는 강도가 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs이다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 귀에 접촉된 전극을 통해 미주신경을 자극함에 있어서, 미주신경 자극의 효과를 향상시킬 수 있을 뿐만이 아니라 미주신경에 연결된 뇌를 자극할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
또한, 미주신경과 연결된 뇌의 심부에 영향을 미치기 때문에, 대뇌 피질의 일부분에만 영향을 미칠 수 있었던 경두개 자기 자극법과 경두개 전기 자극법에 의해서 자극하지 못했던 뇌의 영역을 자극할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 미주신경에 대하여 가해지는 전기 자극의 제어 요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미주신경 자극 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "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.
도 1은 미주신경에 대하여 가해지는 전기 자극의 제어 요소를 설명하기 위한 도면이다.
미주신경을 자극하기 위한 전기 자극은 펄스파 형태로 제어되며 강도(V)와 펄스 폭(PW) 및 주파수(F)를 제어할 수 있다. 전기 자극에 대하여, 일반적인 주파수라는 용어 및 단위인 Hz는 교류에 대해서만 사용하고, 펄스 전류는 구분하여 펄스 주파수(pulse frequency)라는 용어와 단위로서 pps(pulses per second)를 사용하기도 하지만, 펄스파에 대해서도 주파수와 Hz를 사용할 수 있으며, 본 명세서에서도 주파수와 Hz를 사용하였다.
전기 자극을 이용한 자극 치료에서는 강도(V)와 펄스 폭(PW) 및 주파수(F)를 제어하여 다양한 형태의 치료 파형으로 자극 치료를 수행하는 것이 일반적이다. 이러한 전기 자극의 제어는 사용자가 느끼는 자극의 강도가 너무 강하거나 너무 약하지 않도록 조절하는 것이기도 하며, 일정한 자극을 계속 가하는 것보다 변화를 통해서 자극의 효율을 높이기 위한 목적으로 조절하기도 한다.
본 발명의 발명자는 뇌를 자극하기 위한 신경조절(neuromodulation)기술을 개발함에 있어 경두개 자극자극법이나 경두개 전기 자극법과는 달리 미주신경을 이용한 신경조절 기술을 개발하였으며, 특히 외이 미주신경을 비침습적으로 자극하여 구심성 감각신경을 자극함으로써 다수의 중추신경핵을 거쳐 변연계(Limbic system) 및 대뇌피질(ceberbal cortex)을 자극하는 기술을 개발하였다.
경두개 자기자극술이나 경두개 전기자극술의 경우 대뇌 피질을 외부에서 자극하는 특성을 가지고 있으나, 본 발명에 따른 미주신경자극의 경우 10번째 뇌신경인 미주신경을 거쳐 뇌의 심부를 자극함으로 뇌간 및 대뇌심부를 효과적으로 자극할 수 있는 기술이다.
본 발명의 발명자는 양쪽 귀의 미주신경을 자극하는 과정에서 양쪽 귀에 서로 다른 자극이 가해지는 경우에 뇌에 대한 자극이 수행되는 현상을 확인하였으며, 뇌의 자극이 수행되는 구체적인 조건을 찾기 위하여, 먼저 귀의 미주신경에 가해지는 전기 자극이 뇌에 미치는 영향을 수치화할 수 있는 기준을 도출하였다.
이때, 귀의 미주신경에 가해질 수 있는 전기 자극의 제어 범위는 강도(V)가 3~80V 범위이고, 주파수(F)가 10~120Hz 범위이며, 펄스 폭(PW)은 10~250μs 범위이다. 전기 자극의 제어 범위는 사람의 신경에 가해질 수 있는 전기 자극의 범위 및 비전문가에 의해서 다루어 질 수 있는 범위 등을 고려하여 결정되었다.
다음의 [수식 1]을 통해서 계산되는 E를 통해서 미주신경에 가해지는 전기 자극이 뇌에 미치는 영향을 수치화할 수 있었으며, E 값을 기준으로 뇌의 자극이 수행되는 구체적인 조건을 도출하였다.
[수식 1]
E=V2×F×PW
이때, 수식의 단위는 강도가 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs이다.
앞서 살펴본 전기 자극의 제어 범위에서 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극을 변경하면서 다양한 연구를 진행하였고, 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 각각의 전기자극에 대하여 도출된 E의 차이가 5,000 이상인 경우에 뇌를 자극할 수 있었다.
미주신경은 인체의 다양한 장기와 뇌의 사이에서 신경 신호를 전달하는 통로로서, 미주신경에 대한 전기 자극은 신경 섬유를 따라서 뇌에 전달되며, 미주신경에 대한 전기 자극이 뇌의 광범위한 네트워크에 영향을 미치는 것은 널리 알려져 있다. 이때 양쪽 귀에 서로 다른 전기 자극이 가해지면 서로 다른 신호에 의해 형성된 네트워크의 상호 작용에 의해서 뇌를 자극하는 것으로 여겨진다.
이러한 본 발명의 미주신경의 자극 방법은 하나의 미주신경 줄기에 설치되어 뇌로 들어가는 신경 신호를 제어하여 뇌에 영향을 미치는 미주신경자극 장치의 기능과는 차이가 있는 것이다. 나아가 대뇌 피질의 일부분에만 영향을 미쳐서 뇌를 자극하는 경두개 자기 자극법과 경두개 전기 자극법과는 달리, 미주신경과 연결된 뇌의 심부에 영향을 미쳐서 경두개 자기 자극법과 경두개 전기 자극법에 의해서 자극하지 못했던 뇌의 영역을 자극할 수 있는 효과가 있다.
특히, 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극에 대한 주파수(F)의 차이가 5Hz 이상인 경우에 뇌를 자극할 수 있었다.
또한, 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극 중에 강도(V)가 작은 쪽을 기준으로, 반대쪽에 대한 전기자극의 강도가 5% 이상 큰 경우에도 뇌를 자극할 수 있었다.
한편, 귀의 미주신경에 가해지는 전극 자극을 변경함에 있어서, 과도한 변경은 사람에게 불편함이나 통증을 느끼게 할 수 있으므로, 전기 자극을 변경하는 과정에서 램프업타임(ramp up time)과 램프다운타임(ramp down time)을 0.5~5초 범위로 적용하는 것이 좋다.
한편, 미주신경에 대한 자극과 함께 소리자극을 부여할 수 있다. 소리자극을 통해서 대뇌피질의 자극을 조절할 수 있으며 이러한 효과는 대뇌가소성(neural plasticity)에 기반하여 퇴행성 뇌질환과 관련된 신경 시냅스에 영향을 미쳐 변화를 촉진할 수 있다. 본 발명의 비침습적 미주신경 자극은 고립핵(Nucleus tractus solitarius)과 청반(Locus Cceruleus), 기저핵(Nucleus basalis)를 거쳐 대뇌피질을 자극하여 대뇌의 신경가소성(Neural plasticity)를 향상시킬 수 있어, 새로운 시냅스의 형성을 촉진하여 학습능력을 향상시킬 수 있다. 소리자극에 의한 대뇌 시냅스의 변화는 본 발명의 비침습적 미주신경 자극에 의한 대뇌 가소성의 향상과 시너지를 유발하여 치료 효과를 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미주신경 자극 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 미주신경 자극 장치(10)는 사용자의 좌측 귀에 착용되는 좌측 착용부(100)와 우측 귀에 착용되는 우측 착용부(200)를 포함하며, 좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200) 각각에는 귀의 미주신경에 전기자극을 가하기 위한 전극(110, 210)이 형성된다.
좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200)의 구체적인 구조는 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 다양하게 적용할 수 있다. 좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200)와 분리되어 개별적으로 착용되는 구조일 수 있으며, 이때 사용자의 귀에 착용부를 고정하기 위한 구조도 제한되지 않는다. 예를 들면 외이도에 삽입되는 구조물에 의해서 귀에 고정될 수도 있고, 귀 걸이부와 같은 별도의 고정 수단에 의해서 귀에 고정될 수도 있으며, 고정 수단의 형태도 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 제한 없이 적용될 수 있다. 나아가 좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200)를 구조적으로 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있으며, 연결부의 구조는 머리 쪽에 위치하는 경우와 뒷목 쪽에 위치하는 경우 등 종래의 형태가 제한 없이 적용될 수 있다. 연결부를 포함하는 경우에도 연결부의 탄성에 의해서 좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200)가 착용자의 귀에 고정될 수도 있고, 별도의 고정 수단에 의해서 귀에 고정될 수도 있다.
좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200)에 형성된 전극(110, 210)의 구체적인 구조도 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 다양하게 적용할 수 있다. 특히 미주신경을 자극하기 위하여 귀에 접촉하는 위치와 형태도 기존의 기술이 다양하게 적용될 수 있으며, 대표적으로 귀의 이갑개정(Cymba concha)에 접촉하도록 형성될 수도 있고, 외이도에 삽입되어 접촉하도록 형성될 수도 있다.
제어부(300)는 좌측 착용부(100)와 우측 착용부(200)에 형성된 전극(110, 210)을 통해서 미주신경에 가해지는 전기자극을 제어하기 위한 구성으로서, 좌측 착용부(100)의 전극(110)과 우측 착용부(200)의 전극(210)에 인가되는 전기자극을 개별적으로 제어할 수 있는 점에 특징이 있다. 제어부(300)에서는 전기자극의 강도(V)와 펄스 폭(PW) 및 주파수(F)를 제어할 수 있다.
이때, 제어부(300)는 다음의 [수식 1]을 통해서 계산되는 E의 차이가 5,000 이상이 되도록 좌측 전극(110)에 인가되는 전기자극과 우측 전극(210)이 인가되는 전기자극을 제어한다.
[수식 1]
E=V2×F×PW
이때, 수식의 단위는 강도가 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs이다.
이러한 제어부(300)의 제어 동작을 통해서 양쪽 귀의 미주신경에 서로 다른 전기자극이 가해지면, 미주신경의 신경 섬유를 따라서 뇌로 전달된 서로 다른 신호에 의해 형성된 뇌의 네트워크 사이에서 상호 작용이 발생하여 뇌에 대한 자극이 수행된다.
제어부(300)에서 제어되는 전기자극의 제어 범위는 강도(V)가 3~80V 범위이고, 주파수(F)가 10~120Hz 범위이며, 펄스 폭(PW)은 10~250μs 범위이다.
이때, 제어부(300)는 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극에 대한 주파수(F)의 차이가 5Hz 이상이 되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(300)는, 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극 중에 강도(V)가 작은 쪽을 기준으로, 반대쪽에 대한 전기자극의 강도가 5% 이상 크도록 제어할 수도 있다.
또한, 제어부(300)는, 전기자극을 변경하는 과정에서 착용자가 불편함이나 통증을 느끼지 않도록, 램프업타임(ramp up time)과 램프다운타임(ramp down time)을 0.5~5초 범위로 적용하여 전기자극을 변경할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 미주신경 자극 장치
100: 좌측 착용부 110: 전극
200: 우측 착용부 210: 전극
300: 제어부

Claims (8)

  1. 양쪽 귀에 위치하는 미주신경에 전기자극을 가하는 미주신경 자극 장치를 제어하는 방법으로서,
    양쪽의 미주신경에 가해지는 전기자극은 강도(V), 주파수(F) 및 펄스폭(PW) 중에 하나 이상이 개별적으로 제어되며,
    양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극의 주파수(F) 차이가 5Hz 이상이거나, 전기자극의 강도(V)가 작은 쪽을 기준으로, 다른 쪽 귀에 가해지는 전기자극의 강도가 5% 이상이 되도록 제어하여,
    양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극에 대한 하기 [수식 1]로 표현되는 E의 차이가 5,000 이상이 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 뇌 자극을 위한 미주신경 자극 장치의 제어 방법.
    [수식 1]
    E=V2×F×PW
    (단, 수식의 단위가 강도는 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs임)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강도(V)는 3 ~ 80V 범위인 것을 특징으로 하는 미주신경 자극 장치의 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주파수(F)는 10 ~ 120 Hz 범위인 것을 특징으로 하는 미주신경 자극 장치의 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스폭(PW)은 10 ~ 250 μs 범위인 것을 특징으로 하는 미주신경 자극 장치의 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    전기자극을 변경하는 과정에서 램프업타임(ramp up time)과 램프다운타임(ramp down time)을 0.5~5초 범위로 적용하는 것을 특징으로 하는 미주신경 자극 장치의 제어 방법.
  8. 양쪽 귀에 위치하는 미주신경 각각에 전기자극을 가하기 위한 2개의 전극; 및
    상기 전극에 인가되는 전기자극의 강도(V), 주파수(F) 및 펄스폭(PW) 중에 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함하며,
    양쪽 귀에 위치하는 미주신경에 가해지는 전기자극을 제어할 수 있는 미주신경 자극 장치로서,
    양쪽의 미주신경에 가해지는 전기자극은 강도(V), 주파수(F) 및 펄스폭(PW) 중에 하나 이상이 개별적으로 제어되며,
    상기 제어부는 양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극의 주파수(F) 차이가 5Hz 이상이거나, 전기자극의 강도(V)가 작은 쪽을 기준으로, 다른 쪽 귀에 가해지는 전기자극의 강도가 5% 이상이 되도록 제어하여,
    양쪽 귀의 미주신경에 가해지는 전기자극에 대한 하기 [수식 1]로 표현되는 E의 차이가 5,000 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 미주신경 자극 장치.
    [수식 1]
    E=V2×F×PW
    (단, 수식의 단위가 강도는 V이고, 주파수는 Hz이며, 펄스폭은 μs임)
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