KR102615410B1 - 전기 촉각의 피드백 시스템 및 방법 - Google Patents
전기 촉각의 피드백 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
인공기관(37, 471) 또는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472)으로부터 자기수용적 정보 및 / 또는 감각 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부에 전달하는 시스템 및 방법. 상기 시스템은 포함한다: 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)에 대한 코딩 방식으로 전기 촉각의 피드백을 전기 자극 패턴의 형태로 제공하는 장치(10, 30, 40); 및 상기 사용자의 신체의 부위에 위치되도록 구성된 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)을 포함하되, 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은 상기 미리 정의된 자극 패턴에 따라 선택적으로 개별적으로 활성화 / 비활성화 되도록 구성된 복수의 패드를 포함한다.
Description
본 발명은 손 인공기관(hand prosthesis)과 같은 인공기관(prosthesis) 또는 감각이 없는 신체 부위에 관한 것으로서, 특히 상기 감각 없는 신체 부위 및 인공기관에 전기 촉각의 피드백(electrotactile feedback)을 제공하는 전기 자극 장치에 관한 것이다.
현재 판매되고 있는 근전도 검사(electromyography, EMG) 제어 신호(myoelectric prostheses)를 기반으로 손을 펴거나 접을수 있는 다기능 전동(motorized) 인공기관들은 몇 가지 문제가 있다. 상기 인공기관들은 보통 2 자유도(two degrees of freedom)(손 펴고 접음) 만 허용하고, 상기 인공기관들은 감각 피드백이 없고, 상기 인공기관들은 배터리 수명이 제한적이며, 상기 인공기관들은 과도한 무게로 하루 종일 운반하는(carrying) 동안 열을 축적한다. 이러한 결점들은 오늘날 근전성의 인공기관(myoelectric prostheses)의 평균 거부율이 25 퍼센트를 넘는 결과를 발생시킨다. 다중 EMG 기록 및 인공 신경망의 결합된 사용을 포함하는 진행 중인 연구는 F.C.P. Sebelius et al. "인공 신경망과 데이터 글러브(glove)를 사용하여 팔꿈치 절단 수술을 받은 자의 정교한 근전성의 제어", 2005 년 7 월호, 제 30 권 4 호, 780-789 페이지.에 기술 된 바와 같이 많은 자유도를 제공하는 보다 발전된 인공적인 손의 신경 제어를 위한 기반을 형성 할 수 있다.
그러나 사용자가 인공적인 손을 "신체의 한 부분"으로 식별 할 수 있도록 하는 감각 피드백의 결여는 여전히 근본적인 문제를 나타낸다. 감각기능이 없는 손은 이물질로 인식되며 1998년 Ramachandran과 Blakeslee에 의해 언급된 바와 같이 소유자에 의해 거부당하는 경우가 많다. 그립력(grip force)의 조절과 섬세한 모터 작업(motor tasks)의 실행을 가능하게 하는 자기수용적 정보(proprioceptive information)와 촉각은, 사용자가 인공적인 손으로 식별하는데 필수적이다.
인공적인 손에서 여러 가지 감각 피드백 인터페이스는 지난 수년간 테스트되어 왔고, 예를 들면 RR Riso의 Technology and Health Care, IOS Press , Volume 7, Number 6 / 1999, 401-409 페이지 "촉각의 및 손 위치 피드백을 가진 상지 절단 환자에게 제공하는 전략 - 바이오닉 팔에 더 가까이 접근", 및 G. Lundborg 및 B. Rosen의 Hand Clinics, 2001, 17(3) : 481-8 "인공기관에서의 감각 치환(substitution)"에 의해 보고되어 왔다.
우리는 감각 피드백을 사용자에게 제공하는 세 가지 접근법을 인식한다.
첫 번째 방법은 손상되지 않은(intact) 감각 시스템(의 사용에 기초하여 손상된 감각 시스템을 대체하는 것이다. 이 방법은 상기 인공기관의 움직임을 안내하기 위해 시력(vision)을 이용하는 근전성의 인공 기관을 사용하는 절단 수술을 받은 사람에 의해 자동으로 사용된다. 국제 특허 출원 WO9848740에 기술된 바와 같이, 손상된 감각에 대한 대체로서의 청력의 사용은 손의 감각을 잃게 하는 주요 신경 부상에 효과적인 전략으로 기술되어 왔고 손 인공기관에서도 시도되어왔다.
두 번째는 손상되지 않은 신경의 직접적인 자극에 기초한다. 실험실 환경(Riso, 1999) 에서 다양한 유형의 신경 인터페이스가 사용되었다. 신경 - 인터페이스 전략의 이론적인 이점은 감각 자극이 말초 신경(peripheral nerves)으로 직접 전달(directly transfer)되어 중추 신경계(CNS)에 도달할 수 있다. 그러나 몇 가지 결점과 어려움이 있다. 감각 정보(sensory information)를 신체 외부에서 내부로 전달(transfer)하기 위해서는 경피적 통과 장치(transcutaneous passage device) 또는 원격 측정 기술(telemetric techniques)이 필요하다. 감각 기관지(sensory fascicles)의 전기 자극은 모덜리티-스페시픽(modality-specific)하지 않을수 있으며, 비 생리학적이며 이상한 감각 지각(weird sensory perception)을 발생시킬 수 있다. 그러므로 손상되지 않은 신경 원칙(intact nerves principle)의 직접적인 자극은 수 년 동안 실험 단계에 있을 것이다.
세 번째 접근법은 신체의 원격 영역에서 손상되지 않은 피부 수용체의 자극에 기반한다. 원격 피부 영역으로 전달된 피부의 자극을 사용하려는 시도는 이미 수십년 전에 시도되었다. 이 원리에 따르면 신체의 원격 피부 부위는 전기-피부의 자극(Szeto and Riso, "Rehabilitation Engineering"책 ISMB 0-8493-6951-7, 1990 년 3 장 참조) 또는 진동(Mann and Reimers에 의해 "EMG로 제어되는 "Boston Arm"에 대한 운동 학적 감지, IEEE Trans. Man Mach. Syst., 11(1), 110, 1970) 을 받을 수 있다.
초기의 프로토 타입은 폐 루프가 구현 될 수 있지만, 단순한 인터페이스(예 : 단일 채널 자극)는 매우 불쾌하고 비 생리적인 감각(Lundborg et al., 1999에 보고된)으로 인해 적용성이 제한적이었다.
최근 몇 년 동안, 더욱 직관적인 폐 루프의 제어를 가능하게 하는 새로운 복합 피드백 인터페이스는 최근 몇 년 동안 다루어졌다(addressed). 일부 연구 그룹은 감각 피드백에 대하여 진동촉각의 자극에 우선순위를 부여한다(Witeveen 등, 근전성(Myoelectric)의 전완(forearm) 인공기관에 사용되는 진동 촉각의 자극을 통한 파지력(Grasping force) 및 슬립 피드백(slip feedback), 의학 및 생물 학회(EMBC), 2012 연례 국제 회의 IEEE 논문, 2969-2972, Cipriani 등, Multifingered Hand Prosthetics을 위한 소형 진동촉각의 감각 대체 장치, IEEE 생물 의학 공학 논문집(Volume : 59, Issue : 2), 페이지 : 400 - 408, 2002).
다른 일부 연구 그룹은 전기피부의(electrocutaneous) 자극을 선택한다(예: Geng 등, 전기피부의 자극에서 인지 역치에 대한 선택된 자극 패턴(stimulation pattern)의 영향, 논문 NeuroEngineering and Rehabilitation 2011, 8:9; 또는 Szeto 등, Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, BME-29재활공학에서 감각 전도를 위한 전기피부의 자극 300, 1982).
미국 특허 출원 US2009-0048539A1은 신체 말단 인공기관(body extremity prosthesis) 또는 감각이 없는 신체 말단(body extremity)을 위한 감각 피드백을 위한 시스템을 개시한다. 개시된 시스템은 인공기관 또는 감각이 없는 신체의 말단에 적용된 센서에 의해 형성되고, 이 센서는 신호를 수집하는 프로세서에 연결되고, 출력 신호로 처리한다.
그 출력 신호는 환자의 손상되지 않은 이웃한 신체 말단 피부에 배치되어 있는 신호 변환기에 의해 형성된 촉각의 디스플레이(tactile display)로 전달된다. 자연적으로 발생하는 신경 구성성분이 위치하기 어렵고, 그 신호 변환기가 최적의 배열로 위치하지 않을 수 있기 때문에, 그 환자는 예를 들면 어떠한 손가락이 자극(예: 열)에 노출되어 있는지 시력 또는 청각의 도움을 받아 관찰함으로써 다른 자극을 어떻게 구별할 수 있는지 배울 수 있다.
그러나, 기능을 달성하기 위하여, 감각이 없는 신체 말단 또는 신체 말단 인공기관에 존재하는(arranged on) 적어도 하나의 센서에 의존한다. 이 시스템은 폐 루프 조절에만 사용할 수 있고, 근전성의 인공기관에서 EMG 제어와 같은 제어 신호 및 피드백이 결합되는 피드 포워드 설정에는 사용될 수 없다.
국제 특허 출원 WO92/25552는 인공기관의 감각 시스템에 감각 인식을 제공하는 장치 및 방법을 개시한다. 피드백은 감각 출력을 적절한 자극 크기로 지정된 채널에 직접 매핑하는 것을 기반으로 한다.
국제 특허 출원 WO2012/055029는 사용자에게 피드백을 제공하기 위하여 자극 패드로부터 정보를 수신하기 위해 환자(예: 환자의 등)에 장착된 디스플레이를 개시한다.
그러나 사용자가 인공적인 손을 "신체의 한 부분"으로 식별 할 수 있도록 하는 감각 피드백의 결여는 여전히 근본적인 문제를 나타낸다. 감각기능이 없는 손은 이물질로 인식되며 1998년 Ramachandran과 Blakeslee에 의해 언급된 바와 같이 소유자에 의해 거부당하는 경우가 많다. 그립력(grip force)의 조절과 섬세한 모터 작업(motor tasks)의 실행을 가능하게 하는 자기수용적 정보(proprioceptive information)와 촉각은, 사용자가 인공적인 손으로 식별하는데 필수적이다.
인공적인 손에서 여러 가지 감각 피드백 인터페이스는 지난 수년간 테스트되어 왔고, 예를 들면 RR Riso의 Technology and Health Care, IOS Press , Volume 7, Number 6 / 1999, 401-409 페이지 "촉각의 및 손 위치 피드백을 가진 상지 절단 환자에게 제공하는 전략 - 바이오닉 팔에 더 가까이 접근", 및 G. Lundborg 및 B. Rosen의 Hand Clinics, 2001, 17(3) : 481-8 "인공기관에서의 감각 치환(substitution)"에 의해 보고되어 왔다.
우리는 감각 피드백을 사용자에게 제공하는 세 가지 접근법을 인식한다.
첫 번째 방법은 손상되지 않은(intact) 감각 시스템(의 사용에 기초하여 손상된 감각 시스템을 대체하는 것이다. 이 방법은 상기 인공기관의 움직임을 안내하기 위해 시력(vision)을 이용하는 근전성의 인공 기관을 사용하는 절단 수술을 받은 사람에 의해 자동으로 사용된다. 국제 특허 출원 WO9848740에 기술된 바와 같이, 손상된 감각에 대한 대체로서의 청력의 사용은 손의 감각을 잃게 하는 주요 신경 부상에 효과적인 전략으로 기술되어 왔고 손 인공기관에서도 시도되어왔다.
두 번째는 손상되지 않은 신경의 직접적인 자극에 기초한다. 실험실 환경(Riso, 1999) 에서 다양한 유형의 신경 인터페이스가 사용되었다. 신경 - 인터페이스 전략의 이론적인 이점은 감각 자극이 말초 신경(peripheral nerves)으로 직접 전달(directly transfer)되어 중추 신경계(CNS)에 도달할 수 있다. 그러나 몇 가지 결점과 어려움이 있다. 감각 정보(sensory information)를 신체 외부에서 내부로 전달(transfer)하기 위해서는 경피적 통과 장치(transcutaneous passage device) 또는 원격 측정 기술(telemetric techniques)이 필요하다. 감각 기관지(sensory fascicles)의 전기 자극은 모덜리티-스페시픽(modality-specific)하지 않을수 있으며, 비 생리학적이며 이상한 감각 지각(weird sensory perception)을 발생시킬 수 있다. 그러므로 손상되지 않은 신경 원칙(intact nerves principle)의 직접적인 자극은 수 년 동안 실험 단계에 있을 것이다.
세 번째 접근법은 신체의 원격 영역에서 손상되지 않은 피부 수용체의 자극에 기반한다. 원격 피부 영역으로 전달된 피부의 자극을 사용하려는 시도는 이미 수십년 전에 시도되었다. 이 원리에 따르면 신체의 원격 피부 부위는 전기-피부의 자극(Szeto and Riso, "Rehabilitation Engineering"책 ISMB 0-8493-6951-7, 1990 년 3 장 참조) 또는 진동(Mann and Reimers에 의해 "EMG로 제어되는 "Boston Arm"에 대한 운동 학적 감지, IEEE Trans. Man Mach. Syst., 11(1), 110, 1970) 을 받을 수 있다.
초기의 프로토 타입은 폐 루프가 구현 될 수 있지만, 단순한 인터페이스(예 : 단일 채널 자극)는 매우 불쾌하고 비 생리적인 감각(Lundborg et al., 1999에 보고된)으로 인해 적용성이 제한적이었다.
최근 몇 년 동안, 더욱 직관적인 폐 루프의 제어를 가능하게 하는 새로운 복합 피드백 인터페이스는 최근 몇 년 동안 다루어졌다(addressed). 일부 연구 그룹은 감각 피드백에 대하여 진동촉각의 자극에 우선순위를 부여한다(Witeveen 등, 근전성(Myoelectric)의 전완(forearm) 인공기관에 사용되는 진동 촉각의 자극을 통한 파지력(Grasping force) 및 슬립 피드백(slip feedback), 의학 및 생물 학회(EMBC), 2012 연례 국제 회의 IEEE 논문, 2969-2972, Cipriani 등, Multifingered Hand Prosthetics을 위한 소형 진동촉각의 감각 대체 장치, IEEE 생물 의학 공학 논문집(Volume : 59, Issue : 2), 페이지 : 400 - 408, 2002).
다른 일부 연구 그룹은 전기피부의(electrocutaneous) 자극을 선택한다(예: Geng 등, 전기피부의 자극에서 인지 역치에 대한 선택된 자극 패턴(stimulation pattern)의 영향, 논문 NeuroEngineering and Rehabilitation 2011, 8:9; 또는 Szeto 등, Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, BME-29재활공학에서 감각 전도를 위한 전기피부의 자극 300, 1982).
미국 특허 출원 US2009-0048539A1은 신체 말단 인공기관(body extremity prosthesis) 또는 감각이 없는 신체 말단(body extremity)을 위한 감각 피드백을 위한 시스템을 개시한다. 개시된 시스템은 인공기관 또는 감각이 없는 신체의 말단에 적용된 센서에 의해 형성되고, 이 센서는 신호를 수집하는 프로세서에 연결되고, 출력 신호로 처리한다.
그 출력 신호는 환자의 손상되지 않은 이웃한 신체 말단 피부에 배치되어 있는 신호 변환기에 의해 형성된 촉각의 디스플레이(tactile display)로 전달된다. 자연적으로 발생하는 신경 구성성분이 위치하기 어렵고, 그 신호 변환기가 최적의 배열로 위치하지 않을 수 있기 때문에, 그 환자는 예를 들면 어떠한 손가락이 자극(예: 열)에 노출되어 있는지 시력 또는 청각의 도움을 받아 관찰함으로써 다른 자극을 어떻게 구별할 수 있는지 배울 수 있다.
그러나, 기능을 달성하기 위하여, 감각이 없는 신체 말단 또는 신체 말단 인공기관에 존재하는(arranged on) 적어도 하나의 센서에 의존한다. 이 시스템은 폐 루프 조절에만 사용할 수 있고, 근전성의 인공기관에서 EMG 제어와 같은 제어 신호 및 피드백이 결합되는 피드 포워드 설정에는 사용될 수 없다.
국제 특허 출원 WO92/25552는 인공기관의 감각 시스템에 감각 인식을 제공하는 장치 및 방법을 개시한다. 피드백은 감각 출력을 적절한 자극 크기로 지정된 채널에 직접 매핑하는 것을 기반으로 한다.
국제 특허 출원 WO2012/055029는 사용자에게 피드백을 제공하기 위하여 자극 패드로부터 정보를 수신하기 위해 환자(예: 환자의 등)에 장착된 디스플레이를 개시한다.
본 발명은, 인공기관 분야에서 강력한 전기 기능을 갖춘 다기능 인공 기관 신체 말단과 결합된 감각 피드백 시스템에 적용 가능한 솔루션을 제공하여 인공 기관의 사용 가능성과 유용성(acceptance)을 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공기관(37, 471)으로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부에 전달(transfer)하는 시스템으로서, 상기 시스템은, 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 장치(10, 30, 40); 및 상기 사용자의 신체의 부위에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63) -상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은 상기 자극 패턴에 따라 선택적(selectively)으로 및 개별적(discretely)으로 활성화/비활성화되는 복수의 패드를 포함함- 을 포함하며, 상기 장치는, 상기 인공적인 인공기관(37, 471) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는 미리 정의(predefined)된 매핑방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 수단(15) -상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37, 471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어 신호를 포함- ; 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 자극 수단(11); 및 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 상기 미리 정의(predefined)된 매핑방식에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극을 가능하도록 상기 자극 수단(11)으로부터 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달(transfer)하는 수단(12)을 포함하는 시스템 일 수 있다.
상기 장치(10, 30, 40)는, 입력 신호로서 간주되도록 상기 처리하는 수단(15)에 제공될 제어 신호를 캡쳐하는 데이터 획득 수단(142)을 더 포함하는 시스템 일 수 있다.
상기 시스템은, 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)(38)의 끝에 배치되고 반대쪽에 인공적인 말단 인공기관(37)을 수용하는 소켓(36)에 포함(incorporate)될 수 있으며, 또는 적어도 상기 다중 패드 전극(43)은, 감각이 없는 신체 말단에 감각 시스템(472)를 가지는 사용자의 신체 부위 또는 인공적인 말단 인공기관(471)을 가지는 사용자의 신체 부위에 위치하는 의복(garment)(46)에 포함(incorporate)되는 시스템일 수 있다.
상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은, 사용자의 신체 부위 또는 절단되고 남은 부분을 원형으로 둘러싸며, 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)에 포함된 복수의 패드는 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)을 따라 단일 어레이(single array)로 배치되는 시스템 일 수 있다.
상기 적어도 하나의 입력(14, 141, 142, 341, 441)은, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472)으로부터 또는 인공기관(37, 471)의 구경(aperture), 굴곡(flexion), 회전(rotation) 및/또는 파지력(grasping force)을 위한 제어 신호를 포함하는 시스템 일 수 있다.
상기 적어도 하나의 입력(14, 141, 142, 341, 441)은 감각 정보(sensory information)를 더 포함하는 시스템 일 수 있다.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인공기관은 인공적인 손이거나, 또는 감각이 없거나 감각이 좋지 않은 상기 신체 부위는 손인 시스템 일 수 있다.
상기 자극 패턴은, 자극 파라미터 - 상기 자극 파라미터는 다중 패드 전극안에서 패드의 위치, 자극 주파수, 자극 펄스 폭 및 자극 펄스 진폭을 포함함 - 의 일부 또는 전부에 의해 정의(define)되는 시스템일 수 있다.
상기 자극 패턴은, 자극 파라미터 - 상기 자극 파라미터는 자극 위치 및 자극의 주파수(frequency of stimulation)를 포함함- 에 의해 정의(define)되는 시스템일 수 있다.
상기 시스템은, 추가적으로 감각이 없거나 감각이 좋지 않은 신체 부위에 배치된 상기 감각 시스템(472) 또는 상기 인공기관(37, 471)로부터 감각 정보를 상기 인공기관 또는 상기 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전달하도록 구성되는 시스템일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공기관(37, 471) 로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전송하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계; 및 상기 사용자의 신체의 부위에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 복수의 패드를 선택적으로 및 개별적으로 활성화/비활성화 시키는 단계 -상기 활성화/비활성화는 상기 자극 패턴에 따라 수행됨- 를 포함하며, 여기서, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴 형태로 상기 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계는, 상기 인공기관(37, 141) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 단계(15) - 상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37,471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어신호를 포함-; 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 단계(11); 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극을 가능하도록 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달하는 단계(12)를 포함하는 방법일 수 있다.
상기 적어도 하나의 입력(14, 141, 142, 341, 441)은 감각 정보를 더 포함하는 방법 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 상기 구경은 코딩되는 방법 - 상기 코딩은 초기 위치에서(열린 손(open hand)) 활성화 된 패드는 팔의 가장 먼 도살 부분(furthermost dorsal part)에 배치 된 두 개의 패드이며, 손이 접히기 시작하면 인접한 패드가 활성화되는 동안 상기 패드가 비활성화되고, 팔의 중앙 볼라 부분(center volar part)에 배치된 패드가 활성화되고 손이 접힐 때까지 이 과정이 계속되고,; 또는 그 반대 일 수 있으며(vice versa) 이는 활성화 될 첫 번째 패드는 상기 팔의 볼라 부분에 배치된 두 개의 패드를 의미하도록 코딩됨- 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472)에 의해 측정되거나 인공적인 손(37, 471)에 의해 가해진 상기 파지력은, 측정된 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 패드(active pads)에 자극 주파수를 변화하도록 코딩되는 방법 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전은, 상기 다중 패드 전극에서 상기 활성 패드의 회전 발달되도록 코딩되는 방법 -상기 회전 발달 되도록 코딩은 회전을 시작하는 순간 감각 시스템의 상기 인공적인 손의 원래의 위치에 대응하여 활성화되는 첫번째 패드, 상기 인공적인 손 또는 감각 시스템의 회전 동안 이미 활성화된 패드는 비활성화되고, 회전 방향에 따른 다음의 패드(following pad) 가 활성화되고, 이는 회전의 끝에 대응하는 패드가 활성화 될 때까지 계속됨- 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 굴곡/ 연장이, 사전 프로그래밍 된 시간 순서에서 다중 패드 전극상의 적어도 하나의 추가 패드의 활성화하도록 코딩되는 방법 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 구경/ 파지 또는 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472)에 측정되거나 또는 인공적인 손(37, 471)에 가해진 파지력; 과 감각이 없거나 좋지 않은 손에 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전중에서 사용자가 적어도 2개를 동시에 검출할 수 있는 방법 일 수 있다.
상기 장치(10, 30, 40)는, 입력 신호로서 간주되도록 상기 처리하는 수단(15)에 제공될 제어 신호를 캡쳐하는 데이터 획득 수단(142)을 더 포함하는 시스템 일 수 있다.
상기 시스템은, 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)(38)의 끝에 배치되고 반대쪽에 인공적인 말단 인공기관(37)을 수용하는 소켓(36)에 포함(incorporate)될 수 있으며, 또는 적어도 상기 다중 패드 전극(43)은, 감각이 없는 신체 말단에 감각 시스템(472)를 가지는 사용자의 신체 부위 또는 인공적인 말단 인공기관(471)을 가지는 사용자의 신체 부위에 위치하는 의복(garment)(46)에 포함(incorporate)되는 시스템일 수 있다.
상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은, 사용자의 신체 부위 또는 절단되고 남은 부분을 원형으로 둘러싸며, 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)에 포함된 복수의 패드는 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)을 따라 단일 어레이(single array)로 배치되는 시스템 일 수 있다.
상기 적어도 하나의 입력(14, 141, 142, 341, 441)은, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472)으로부터 또는 인공기관(37, 471)의 구경(aperture), 굴곡(flexion), 회전(rotation) 및/또는 파지력(grasping force)을 위한 제어 신호를 포함하는 시스템 일 수 있다.
상기 적어도 하나의 입력(14, 141, 142, 341, 441)은 감각 정보(sensory information)를 더 포함하는 시스템 일 수 있다.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인공기관은 인공적인 손이거나, 또는 감각이 없거나 감각이 좋지 않은 상기 신체 부위는 손인 시스템 일 수 있다.
상기 자극 패턴은, 자극 파라미터 - 상기 자극 파라미터는 다중 패드 전극안에서 패드의 위치, 자극 주파수, 자극 펄스 폭 및 자극 펄스 진폭을 포함함 - 의 일부 또는 전부에 의해 정의(define)되는 시스템일 수 있다.
상기 자극 패턴은, 자극 파라미터 - 상기 자극 파라미터는 자극 위치 및 자극의 주파수(frequency of stimulation)를 포함함- 에 의해 정의(define)되는 시스템일 수 있다.
상기 시스템은, 추가적으로 감각이 없거나 감각이 좋지 않은 신체 부위에 배치된 상기 감각 시스템(472) 또는 상기 인공기관(37, 471)로부터 감각 정보를 상기 인공기관 또는 상기 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전달하도록 구성되는 시스템일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공기관(37, 471) 로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전송하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계; 및 상기 사용자의 신체의 부위에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 복수의 패드를 선택적으로 및 개별적으로 활성화/비활성화 시키는 단계 -상기 활성화/비활성화는 상기 자극 패턴에 따라 수행됨- 를 포함하며, 여기서, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴 형태로 상기 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계는, 상기 인공기관(37, 141) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 단계(15) - 상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37,471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어신호를 포함-; 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 단계(11); 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극을 가능하도록 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달하는 단계(12)를 포함하는 방법일 수 있다.
상기 적어도 하나의 입력(14, 141, 142, 341, 441)은 감각 정보를 더 포함하는 방법 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 상기 구경은 코딩되는 방법 - 상기 코딩은 초기 위치에서(열린 손(open hand)) 활성화 된 패드는 팔의 가장 먼 도살 부분(furthermost dorsal part)에 배치 된 두 개의 패드이며, 손이 접히기 시작하면 인접한 패드가 활성화되는 동안 상기 패드가 비활성화되고, 팔의 중앙 볼라 부분(center volar part)에 배치된 패드가 활성화되고 손이 접힐 때까지 이 과정이 계속되고,; 또는 그 반대 일 수 있으며(vice versa) 이는 활성화 될 첫 번째 패드는 상기 팔의 볼라 부분에 배치된 두 개의 패드를 의미하도록 코딩됨- 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472)에 의해 측정되거나 인공적인 손(37, 471)에 의해 가해진 상기 파지력은, 측정된 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 패드(active pads)에 자극 주파수를 변화하도록 코딩되는 방법 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전은, 상기 다중 패드 전극에서 상기 활성 패드의 회전 발달되도록 코딩되는 방법 -상기 회전 발달 되도록 코딩은 회전을 시작하는 순간 감각 시스템의 상기 인공적인 손의 원래의 위치에 대응하여 활성화되는 첫번째 패드, 상기 인공적인 손 또는 감각 시스템의 회전 동안 이미 활성화된 패드는 비활성화되고, 회전 방향에 따른 다음의 패드(following pad) 가 활성화되고, 이는 회전의 끝에 대응하는 패드가 활성화 될 때까지 계속됨- 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 굴곡/ 연장이, 사전 프로그래밍 된 시간 순서에서 다중 패드 전극상의 적어도 하나의 추가 패드의 활성화하도록 코딩되는 방법 일 수 있다.
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 구경/ 파지 또는 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472)에 측정되거나 또는 인공적인 손(37, 471)에 가해진 파지력; 과 감각이 없거나 좋지 않은 손에 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전중에서 사용자가 적어도 2개를 동시에 검출할 수 있는 방법 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 인공기관 분야에서 강력한 전기 기능을 갖춘 다기능 인공 기관 신체 말단과 결합된 감각 피드백 시스템에 적용 가능한 솔루션을 제공하여 인공 기관의 사용 가능성과 유용성(acceptance)을 높이는 시스템 및 방법을 제안할 수 있다.
본 발명의 설명을 완료하고 더 나은 이해를 제공하기 위해 도면 세트가 제공된다. 상기 도면은 본 발명의 설명의 필수적인(integral) 부분을 정의하고 본 발명의 실시예를 도시하며, 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 본 발명이 어떻게 수행 될 수 있는지의 예로서 이해되어야 한다. 도면은 다음 그림(figure)를 포함한다.
도 1은 인공기관의 소켓 내부에서 본 발명의 가능한 실시 예에 따라 자기수용적 정보를 인공적인 손으로부터 피험자(subject)의 피부로 전달하기 위한 전기 촉각의 피드백 인터페이스 장치 및 다중 패드 전극을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 촉각의 피드백 인터페이스를 나타내는 블록도를 도시한다.
도 3은 소켓에 내장된 인공적인 손으로부터 자기수용적 정보 및 감각 정보를 전달하기 위한 전기 촉각의 피드백 인터페이스 장치를 도시한다.
도 4는 신체의 임의의 부위에 위치 될 수 있는 의복 내에 배치 된 인공적인 손으로부터 자기수용적 정보 및 감각 정보를 전달(transfer)하기 위한 전기 촉각의 피드백 인터페이스 장치를 도시한다.
도 5는 공통의 음극(common anode)을 가진 전기 촉각의 피드백 인터페이스를 위한 다중 패드 전극의 가능한 실시예를 보여준다.
도 6은 동심원의 패드(concentric pad)를 갖는 전기 촉각의 피드백 인터페이스를 위한 다중 패드 전극의 다른 실시예를 도시한다.
도 7 내지 도 10은 상이한 입력 신호에 대한 활성 전극에 대한 상이한 매핑 / 코딩 방식(mapping / coding schemes)을 도시한다.
도 1은 인공기관의 소켓 내부에서 본 발명의 가능한 실시 예에 따라 자기수용적 정보를 인공적인 손으로부터 피험자(subject)의 피부로 전달하기 위한 전기 촉각의 피드백 인터페이스 장치 및 다중 패드 전극을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 촉각의 피드백 인터페이스를 나타내는 블록도를 도시한다.
도 3은 소켓에 내장된 인공적인 손으로부터 자기수용적 정보 및 감각 정보를 전달하기 위한 전기 촉각의 피드백 인터페이스 장치를 도시한다.
도 4는 신체의 임의의 부위에 위치 될 수 있는 의복 내에 배치 된 인공적인 손으로부터 자기수용적 정보 및 감각 정보를 전달(transfer)하기 위한 전기 촉각의 피드백 인터페이스 장치를 도시한다.
도 5는 공통의 음극(common anode)을 가진 전기 촉각의 피드백 인터페이스를 위한 다중 패드 전극의 가능한 실시예를 보여준다.
도 6은 동심원의 패드(concentric pad)를 갖는 전기 촉각의 피드백 인터페이스를 위한 다중 패드 전극의 다른 실시예를 도시한다.
도 7 내지 도 10은 상이한 입력 신호에 대한 활성 전극에 대한 상이한 매핑 / 코딩 방식(mapping / coding schemes)을 도시한다.
1. DESCRIPTION OF A WAY OF CARRYING OUT THE INVENTION
본 명세서에서, 용어 "포함하는(comprises)"및 그 파생물("포함하는(comprising)"등)은 배타적인 의미로 이해되어서는 안되며, 즉, 이 용어는 설명되고 정의된 추가 요소, 단계 등을 포함하는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "대략(approximately)"및 비슷한 용어("근사치(approximate)"등)는 전술한 용어(aforementioned term)에 수반되는 값에 매우 근접한 값을 나타내는 것으로 이해되어야한다. 즉,당업자는 측정된 부정확성들로 인해 표시된 값으로부터의 편차가 불가피하다는 것을 이해할 것이므로 정확한 값으로부터의 합리적인 한계 내에서의 편차가 받아 들여져야만 한다. "약(about)"과 "근접하게(around)"및 "실질적으로(substantial)"에 동일하게 적용된다. .
"신체 부위"의 "신체 말단" 용어는 본문을 따라 팔 또는 다리 또는 그 일부(예를 들어, 하나 이상의 손가락 또는 발가락 또는 그 일부), 또는 전체 손 또는 발 또는 그것의 일부, 종아리(calf) 또는 그 일부 또는 상완(upper arm) 또는 허벅 다리(thigh) 또는 그 일부와 같은 전완 또는 하퇴를 가리키는 것으로 사용되었다.
본문에서 "감각이 없거나 좋지 않은" 또는 "감각이 없는" 표현은 어떤 이유로든 감각이 없거나 감각이 감소된 신체 부위 또는 신체 말단을 나타내는데 사용된다. 이러한 감각의 결여에 대한 이유의 비-제한적인 예는 신경 손상(nerve injury), 대사성 신경 병증(metabolic neuropathy) 및 신경 분열(neuroprostheses) 증, 즉 마비된(paralysed) 팔다리(limbs) 또는 신체 부위를 작동시키기 위해 전기적 자극을 이용하는 시스템의 사용이다. 반대로, "손상되지 않은(non-damaged)", "다치지 않은(intact)", "완전히 감각이 있는(with full sensitivity)"또는 "완전한 감각이 있는(with full sensation)"이라는 표현은 감각이 없는 신체 부위 옆이나 근처에 있는 동안 손상되지 않았거나 실질적으로 또는 부분적으로 손상되지 않은 조직(tissue)을 나타낸다. 신체 말단의 절단이 있었을 때, 절단 된 부분에 가까이 있는 손상되지 않은 부분을 "절단되고 남은 부분(stump)"라고 합니다.
다음의 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안되며, 단지 본 발명의 넓은 원리를 기술 할 목적으로만 주어진 것이다. 본 발명의 다음의 실시 예들은 본 발명에 따른 장치들 및 결과들을 도시하는 위에서 언급된 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다.
도 1은 부분 또는 완전한 감각의 손실(도시되지 않음)된 신체 부위 또는 인공적인(인공기관) 신체 부위로부터, 피험자의 피부에 자기수용적 정보를 피드백하기 위한 시스템의 스케치(sketch)를 도시한다. 이 시스템은 손상되지 않은 신체 부위의 피부를 자극 할 수 있는 전기적 자극기(electrical stimulator)와 다중 패드 전극 덕분에 사용자가 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위 또는 인공적인 신체 부위에서 자연적 감각을 정신적으로 감지 할 수 있게 한다(예: 손이 없으면 전완(forearm), 전완이 없는 경우 상완(upper arm)). 이 시스템은 체성 감각 시스템(somatosensory system)의 일부에 대한 제어된 전기적 자극에 기반한다. 바람직한 실시예에서, 제어된 전기적 자극은 비동기적(asynchronous)이고 단일 채널 자극기 및 다중 패드 전극에 의해 성취된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 특정한 입력(14)에 기초하여 사용자의 손상되지 않은 신체 부위에 위치된 인터페이스 또는 다중 패드 전극(13)(매트릭스를 형성하는 작은 패드에 의해 형성됨)에 낮은 강도의 전기적 펄스를 전달하도록 지시하는 적어도 하나의 전기 촉각의 피드백 장치(10)를 포함한다. 즉, 시간과 공간 분배된 전기적 자극을 전달한다. 전기 촉각의 피드백 장치(10)는 또한 도 1에 도시되지 않은 적어도 하나의 전기적 자극기(electrical stimulator) 및 다중화 유닛(multiplexing unit)을 포함하며, 이는 프로세싱 유닛(processing unit)으로부터 수신한 명령(전기적 신호)에 반응하여 다중 패드 전극(13) 상의 개별 패드를 동기적으로 또는 비동기적으로 활성화 할 수 있는 갈바닉하게(galvanically) 절연된 펄스 라우터(isolated pulse router)로서 작동한다. 결과적으로, 다중 패드 전극(13)은 사용자의 피부를 통해 시간 및 공간 분배된 경피적(transcutaneous) 전기 자극을 적용한다. 펄스의 파열(burst)은 피부 수용체(skin receptors)를 활성화시켜 구심성의(afferent)(체성감각(somatosensory)) 신경 시스템 및 감각 피질을 활성화시키는 구별되는(distinctive) 신호를 생성하기 위해 상이한 시간, 상이한 주파수 및 / 또는 상이한 강도(intensity)로 이들 작은 패드를 통해 보내진다. "피드백"이라는 용어는 시스템 입력(14)에 관한 관심의 정보(information of interest)를 사용자에게 제공하는 다중 패드 전극(13) 위에 생성된 자극을 가리킨다
도 1의 다중 패드 전극(13)은 피험자의 팔의 절단되고 남은 부분(stump)에 배치 될 수 있고, 이 경우에 도시되지 않은 인공적인(인공기관) 신체 부위는 인공적인 손이거나, 예를 들어 신체 부위가 부분적으로 또는 전체적으로 감각 상실을 갖는 경우 절단되지 않은 신체 부위와 함께 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 개략적으로(outlined) 도시된 시스템의 블록도를 도시한다. 전기 촉각의 피드백 장치(10) 및 다중 패드 전극(13)의 2 개의 주요 블록이 도시되어 있다. 장치(10)는 하나 이상의 입력(14)의 정의(define)된 매핑 방식에 기초하여 다중 패드 전극(13)에 전달될 자극 파라미터(즉, 활성 전극, 자극 주파수, 펄스 폭 및 진폭)를 제어하는 프로세싱 유닛 또는 프로세싱 수단(15)(도면1의 스케치에서 장치(10)에 통합됨)을 가질 수 있다. 프로세싱 유닛(15)는 후술하는 직관적인 매핑 방식에 기초하여, 입력 신호(14)를 처리하고 이에 대한 반응으로서 적절한 자극 파라미터를 선택한다. 매핑 방식은 프로세싱 유닛(15)에서 정의(define)된다. 또한, 장치(10)는 전기 자극기(11)로도 지칭되는 자극 유닛(11)을 가지고 있다. 이때, 상기 자극 유닛(11)은 프로세싱 유닛(15)의 요구에 따라 바람직한 파라미터(예를 들면, 진폭, 지속 시간 및 주파수)의 전기적 펄스를 생성한다. 장치(10)는 또한 프로세싱 유닛(15)의 요구에 기초하여 자극 유닛(11)으로부터 다중 패드 전극(13)의 바람직한 패드로 전기 펄스를 전달시키는 다중화 유닛(12)을 갖는다. 프로세싱 유닛(15)와 전기적 자극기(11)을 연결하는 화살표가 자극 파라미터의 매핑을 나타내는 동안, 프로세싱 유닛(15)과 다중화 유닛(12)를 직접적으로 연결하는 화살표는 자극 위치(stimuli location) 의 매핑을 나타낸다. 즉, 프로세싱 유닛은 자극의 방식을 정의(define)하고 자극기는 다중 패드 전극 상의 특정한 위치에 전달되는 펄스를 생성한다. 전기촉각의 인터페이스는 감각 자극을 통해 사용자에게 제공되는 피드백이다. 프로세싱 유닛은 미리 정의 된 매핑 방식에 기초하여 자극 패턴을 계산한다. 전기적 자극 유닛은 자극 펄스를 생성하고 프로세싱 유닛의 요구 사항을 준수하기 위해 사용자의 피부에 적용되는 전기적 전류를 제어한다. 다중화 유닛(12)은 프로세싱 유닛으로부터의 정보에 기초하여 다중 패드 전극(13)상의 바람직한 위치로 펄스를 라우팅한다.
시스템 입력(14)은 외부 시스템 입력(141) 및 / 또는 도 2에 도시된 바와 같이 전기 촉각의 피드백 장치(10)에 포함된 데이터 획득 유닛(142)에 의해 직접적으로 측정된 신호 일 수 있다. 외부 입력(141)은 감각이 없는 신체 말단을 위한 감각 시스템 또는 인공적인 신체 부위로부터 어떠한 감각 정보라도 포함한다. 이러한 입력은 아날로그, 디지털 또는 무선 통신 인터페이스를 통해 수집 될 수있다. 데이터 획득 유닛(142)으로부터의 입력은 EMG, 관성 측정(inertial measurements) 또는 데이터 획득 장치 자체에 의해 가져온(carried over) 임의의 다른 물리적 특성의 측정을 포함 할 수있다. 바람직한 실시 예에서, 데이터 획득 유닛(142)은 EMG 증폭기를 기반으로하여 EMG 입력 신호를 캡쳐(capture)한다. 대안적으로, 데이터 획득 유닛(142)은 적어도 하나의 관성 센서에 기초 할 수있다.
이러한 입력들(14, 141, 142)은 다중 패드 전극(13)에 의해 정의(define)된 인터페이스를 통한 피부의 자극의 형태로 사용자에게 전달된다. 전기 촉각의 피드백 장치(10)의 프로세싱 유닛(15)은 입력 신호들을 위한 직관적인 매핑 방식을 정의(define)한다. 매핑 방식은 인공적인 손 또는 감각이 없는 신체 말단(with the artificial hand or body extremity without sensations)에서 진행되는 과정과 유사하도록 설계되었다. 예를 들어, 손 열림(손가락의 디파춰(departure of fingers))은 활성 전극의 디파춰(departure)를 통해 매핑된다. 힘의 증가는 자극 주파수의 증가를 통해 매핑된다. 이것은 독창적인 시스템으로 다른 테스트 및 실험에 참여한 피험자에 의해 보고된 것처럼 매핑을 직관적이고 쉽게 배울 수 있다. 도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매핑 방식들의 제안된 세트들(proposed sets)을 도시한다.
특정 실시 예에서, 하나의 입력 신호(14)만이 전기 촉각의 피드백을 제공하는데 필요하기 때문에, 하나 이상의 외부 시스템 입력(141)이 존재하는 경우 데이터 획득 유닛(142)은 시스템의 필수적인 부분이 아니다. 반대도 마찬가지로서, 외부의 입력(141)은 전기 촉각의 피드백 장치(10)의 데이터 획득 유닛(142)으로 측정된 하나 이상의 신호가 있는 경우에 요구되지 않는다. 대안적으로, 두 타입(both type)의 입력 신호가 존재할 수 있다.
시스템이 인공적인 신체 부위(예를 들어, 손 인공기관) 또는 감각 시스템(예를 들어, 손 위의 데이터 글러브(glove))을 착용하는 사람에 의해 사용되는 특정 실시 예에서, 시스템 입력(14)은 인공기관 장치 또는 감각 시스템에 포함된 센서로부터 획득한 감각 정보를 포함한다. 인공기관 장치 또는 감각 시스템에 포함된 종래의 센서의 비 한정적인 예는 터치 센서, 압력 센서, 힘 센서, 굴곡 센서(bend sensors), 진동 또는 관성 센서, 온도 센서, 습도 센서, 조인트 인코더 또는 이들의 임의의 조합, 또는 자극에 반응하는 임의의 다른 센서 일 수도 있고, 동시에 상이한 자극을 감지하는 능력을 갖는 하나의 센서 또는 복수의 센서 또는 멀티 센서 일 수도 있다. 인공적인 신체 부위(예 : 손 인공기관) 또는 감각 시스템(예 : 손의 데이터 글러브 또는 기능적 전기의 자극(FES) 손 잡기(hand grasp) 시스템 또는 손잡기를 위한 신경 보정술(neuroprosthesis))에 포함된 센서는 감각 피드백이 요구되는 장소에 배치된다. 이러한 모든 입력(14)은 외부 입력(141)이다. 인공적인 신체 부위가 사용되면, 인공적인 신체 부위(예를 들면, 인공적인 손 또는 FES 손 잡기(hand grasp) 시스템)는 인공적인 손의 폐루프 제어를 가능하게하는 센서 및 시스템 입력(14)을 포함한다. 시스템은 인공적인 신체 부위 또는 감각 시스템의 피드-포워드(feed-forward) 근전성의 제어(myoelectric control)를 가능하도록 한다. 이것은 신체의 절단되고 남아있는 부분(stump)에 있는 근육으로부터 다수의 기록(recordings)에 기반한다. 이러한 제어 신호로부터 생체 자기 제어(biofeedback)를 기반으로 인공기관이나 감각 시스템을 제어를 자연스럽게 할 수 있다. 피드백이 없는 인공적인 신체 부위에서는 자연스러운 제어가 불가능하므로, 사용자가 제어하기 위해 인공적인 신체 부위를 지켜보는(watch) 것이 필요하다. 입력들(14)은 감각이 없는 신체 말단을 위한 감각 시스템 또는 인공적인 말단 으로부터의 감각 측정 일 수 있고/있거나(and/or) 제어 신호 측정들(예를 들어, 근전성의 인공기관을 위한 EMG)에 기초 할 수 있다. 인공기관이나 감각 시스템(sensory system)의 센서로부터 측정값을 포함하고 있다면, 폐루프 제어에 사용될 수 있다. 그리고 제어 신호를 기반으로하고 있다면, 인공적인 말단(예: 손) 또는 감각 시스템(예: 데이터 글러브)의 피드-포워드 제어에 사용될 수 있다. EMG 측정은 데이터 획득 유닛(142)에 의해 얻어질 수 있거나 인공기관 또는 감각 시스템으로부터의 외부 입력(141) 일 수 있다. 시스템이 인공적인 신체 부위 또는 감각 시스템의 제어에 사용되는 경우, 이러한 신호는 피드백에만 관심이 있다(These signals are only of interest for feedback). 인공기관 장치(또는 감각 시스템)는 그 안에 내장된 인코더에 기초하여 감각 정보뿐만 아니라 측정된 힘과 같은 자기수용적인 감각 정보를 생성한다. 근전성의 인공기관의 경우, 레코딩(recording) 전극(다양한 필터링 및 프로세싱 후)을 통해 EMG 신호 획득 시스템에 의해 측정된 EMG 신호는 사용자가 인공기관을 제어하기 위해 생산하는 제어 신호이다. 제어 신호는 인공기관 장치 또는 제어 인터페이스(인공기관에 의해 직접 획득되지 않으면 제어 신호를 얻을 수있는 임의의 장치로 이해됨)에 의해 결정될 수 있다. 근전성의 제어의 경우, 제어 신호는 EMG이지만, 인공기관을 작동시키는 데 사용되는 임의의 다른 생리학적 신호(any other biophysiological signal)일 수 있다. 제어 신호는 시스템에 대한 외부 입력(141)으로서 획득되거나, 전기 촉각의 피드백 장치(10)의 데이터 획득 유닛(142)에 의해 수행되는 제어 신호 측정에 기초하여 프로세싱 유닛(15)에서 계산 될 수 있다. 제어 신호 측정이 전기 촉각의 피드백 장치(10)에 의해 수행된다면, 제어 신호 측정은 제어 인터페이스로(또는 제어 인터페이스가 인공기관 또는 감각 시스템에 통합되지 않으면 인공기관 또는 감각 시스템으로) 포워드 될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 시스템 입력들(14)은 인공적인 손 또는 푸어 센스티비티한(pour sensitivity) 손을 갖는 구경, 굴곡, 회전 및 파지력에 대한 제어 신호(피드-포워드)를 포함한다. 그들은 감각 정보(폐루프)를 추가로 포함 할 수 있다. 다시 말해, 인공기관 또는 감각 시스템의 센서로부터 정보는 폐루프 제어를 의미하는 반면, 제어 신호(인공기관, 감각시스템 또는 전기 촉각의 피드백 자체로 측정되는 EMG 또는 관성)에 대한 정보는 피드-포워드 제어를 의미한다. 이러한 입력 신호(14)의 매핑은 전기 촉각의 인터페이스를 제공하기 위해 프로세싱 유닛(15)에 의해 계산된다.
도 7 내지 도10에 실현된 정보 코딩(패턴 또는 매핑 방식)의 디자인은 사용자에 의해 명확하게 구분될 수 있는 독특한(distinctive) 자극 패턴을 분석 한 것이다. 발명자들은 그들의 연구에서 건강한 피험자 및 절단 환자(amputees)가 구별 할 수 있는 가장 신뢰할만 한 감각은 자극의 위치 및 자극의 주파수라는 것을 관찰했다. 반대로, 펄스 폭 및 자극 진폭의 변화는 자극의 불충분한 인식(insufficient recognition) 또는 불쾌한 자극(unpleasant stimulation)으로서의 결과를 나타냈다. 이것이 본 발명의 시스템에서 정보가 바람직하게는 자극 위치 및 자극 주파수(frequency)로 코딩되는 주된 이유이다. 여기서 "정보"라는 용어는 열, 냉기, 압력 등의 감각뿐만 아니라 인공기관이나 감각 시스템에 의해 생성된 힘 및 / 또는 자기수용적 정보(구경, 회전, 굴곡) 및 / 또는 인공기관 또는 데이터 글러브에 있는 임의의 다른 센서로부터 임의의 다른 정보를 나타낸다..
다음으로, 인공적인(인공기관) 신체 부위로부터 또는 부분적 또는 완전한 감각 손실(감각 시스템을 통한)을 갖는 신체 부위로부터 자기수용적인 감각 정보를 피험자의 피부로 전달하기 위한 시스템의 두 가지 바람직한 실시예가 설명된다. 특히, 실시예는 인공적인(인공기관) 손 또는 감각의 부분적 또는 완전한 감각 손실(따라서 감각 시스템 착용)된 손을 가리킨다.
도 3에 도시 된 바람직한 실시 예에서, 전기 촉각의 피드백 장치(30) 및 다중 패드 자극 전극(33)을 갖는 시스템은 말단 인공기관(또는 인공적인 말단)(37)의 소켓(36)에 통합되어, 사용자(39)의 절단되고 남은 부분(stump)(38)에 위치한다. 즉, 도 3은 말단 인공기관(37)의 소켓(36)을 도시한다. 소켓(36)은 전기 촉각의 피드백 장치(30) 및 다중 패드 전극(33)을 포함한다. 특정 실시 예에서, 인공기관은 인공적인 손(37)이다. 특정 실시 예에서, 다중 패드 전극(33)은 소켓(36) 내에 내장된다. 소켓 및 전극의 제조 방법 및 재료는 본 발명의 범위를 벗어난다. 도 3에서, 외부 입력 신호(341)는 전기 촉각의 피드백 장치(30)에 포함된 데이터 획득 유닛(도 3에 도시되지 않음)이 제어 신호(예를 들어, EMG 제어 신호)를 획득하는 동안 인공기관(37)로부터 캡처된다. 도 3의 장치(30)로부터 다중 패드 전극(33)으로의 화살표는 제어 신호가 장치 자체에 의해 측정 될 수 있고 인공적인 신체 부위(37)으로부터 오지 않는다(not coming)는 것을 강조하기 위한 것이다. 다중 패드 전극(33)으로부터 절단되고 남은 부분(stump)(38)으로 피드백 자극은 제공된다.
다른 실시 예에서, 도 4는 다중 패드 전극(43)을 포함하는 의복(46)을 도시한다. 다시 말하면, 다중 패드 자극 전극(43)은 사용자의 임의의 신체의 부위 - 사용자의 임의의 신체부위는 사용자(49)의 잃어버린(missing) 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump) 일 필요는 없음 - 에 위치 될 수 있는 유연한 의복(flexible garment)(46)에 통합될 수 있다. 의복(46)은 인공기관(도 4의 상단 부분)을 착용한 사용자 또는 감각이 없는 신체 말단(절단되지 않음)(도 4의 하부 부분)을 가진 사용자에 의해 사용될 수있다. 의복(46)은 절단 수술을 받은 사람(49)의(시스템이 인공기관(471)과 함께 사용되는 경우) 절단되고 남은 부분(stump)(48) 또는 팔의 임의의 위치(시스템이 인공기관(471)과 함께 사용되거나 시스템이 감각이 없는 신체 부위를 위한 감각 시스템(472)과 함께 사용되거나)에 배치될 수 있다. 도시된 감각 시스템(472)은 데이터 글러브(glove)이다. 첫번째 경우(인공기관과 함께 사용되는 시스템)에서, 다중 패드 자극 전극(43) 및 전기 촉각의 피드백 장치(40)는 근전성의 장치 및 인공적인 말단(471)을 피험자(49)의 절단되고 남은 부분(stump)(48)에 장착하기(mount) 위해 사용된 소켓으로부터 독립적으로 사용될 수있다. 전기 촉각의 피드백 장치(40)는 동일한 의복(46)에 통합되거나 다른곳에 위치 될 수 있다. 전기 촉각의 피드백 장치(40)와 다중 패드 전극(43)은 물리적으로 연결되어야 한다. 그러므로, 바람직한 실시예에서, 그것들은 동일한 의복(46)에 있을 수 있다. 특정 실시 예에서, 글러브(472)는 피드백 능력(사용자에게 자기수용적인 제어 정보에 대해 알려주는 능력)을 갖는다. 글러브와 같은 감각 시스템(472)의 피드백 능력의 전형적인 예는 손가락 밀집해 있는 집단(finger phalanxes)에 의해 정의(define)된 각도(angles)를 측정하는 능력 또는 굽힘(bending)을 측정하는 능력이다. 또한, 글러브와 같은 감각 시스템(472)은 감각 정보, 특히 접촉(touch) 또는 힘(force) 기능(capabilities)을 제공한다. 예를 들어, 글러브를 착용한 사용자가 어떤것(something)을 잡았을(grasps) 때, 글러브가 물체를(object) 잡기 위해 움직이는 동안 글러브는 자기수용적 정보를 제공하고, 물체를(object) 마침내 잡으면 자기수용적인(proprioceptive) 신호가 멈춘다. 그런 다음 접촉(touch) 또는 힘(force) 정보는 제공된다. 자기수용적인(proprioceptive) 정보는 사용자에게 전송된다. 바람직하게는, 자기수용적인 그리고 감각의(접촉) 정보의 조합은 자극을 통해 사용자에게 보내진다.
전기 촉각의 피드백 장치는 인공적인 손(말단)(37)(471) 또는 데이터 글러브와 같은 감각 시스템(472)에 연결될 수있다. 이러한 연결은 아날로그 / 디지털 유선 연결(wired connections)(예를 들어,도 3에 도시된 바와 같이) 또는 최신 기술로 공지된 임의의 무선 통신 인터페이스를 통한 무선 연결(wireless ones) 일 수 있다. 도 4의 실시예에서, 그러한 통신은 무선이 바람직하다.
다중 패드 전극(13, 33, 43)은 전도성 실리콘 고무 삽입물(conductive silicon rubber inserts), 전도성 잉크의 스크린 프린팅과 같은 최신 기술로 공지된 재료(materials) 및 기술을 사용하여 제조 될 수 있다. 이때, 피부와의 접촉은 건조한 전극 표면에 직접 접촉 또는 피부와 전극 사이에 전도성 하이드로 겔 물질 삽입물(conductive hydrogel material insert)을 통해 성립(established)될 수있다. 다중 패드 전극(13, 33, 43)을 정의(define)하는 패드 또는 전극은 애노드와 캐소드 사이에서 제어된 전류 흐름(current flow)을 허용하기에 충분히 작다. 바람직한 실시예에서, 신체상의 캐소드(cathode)의 위치는 활성화 된 피부 수용기(receptors)를 결정하고, 애노드(anode)는 동일한 신체의 임의의 위치에 배치 될 수 있다. 따라서, 캐소드로 사용되는 다중 패드 전극(13, 33, 43)상의 패드는 인식된 자극의 위치를 결정할 것이다. 이 구성으로 인하여, 다중 패드 전극(13, 33, 43)을 갖는 전기 촉각의 인터페이스를 통한 입력 신호(14)의 매핑은 자극 위치를 선택 / 변경함으로써(즉, 개별 패드를 선택적으로 활성화 / 비활성화함으로써) 및 / 또는 자극 파라미터(자극의 주파수, 펄스 폭 또는 진폭)를 제어함으로써 가능하다.
다중 패드 전극(13, 33, 43)을 정의(define)하는 전극 또는 패드가 신체 부위 위에 원형으로 위치하도록(the electrodes or pads which form the multi-pad electrode 13, 33, 43 are circularly positioned on or over said body)하는 것과 같은 방법으로 다중 패드 전극(13, 33, 43)은 사용자의 손상되지 않은 신체 부위에 위치하도록 설계되는 것이 바람직하다. 사용자가 절단되고 남은 부분(stump)에 연결된(coupled) 인공기관을 가지고 있는 경우, 이 신체 부위는 바람직하게는 사용자의 팔(또는 다리)의 절단되고 남은 부분(stump)이다. 패드의 크기 및 모양은 편안한 자극뿐만 아니라 선택적인 자극을 생성하도록 선택된다. 멀티 패드 전극을 갖는 층(layder)은 바람직하게는 신체 말단의 임의의 부분에 시스템의 위치를 허락하는 방법으로(in a manner) 설계된 부드럽고 유연한 기판(soft and flexible substrate)에 통합된다; 그것에 의해 시스템의 적용(application)을 용이하게 한다(facilitating). 2개의 바람직한 다중 패드 전극 설계는 도5 및 도 6에 도시되어 있지만, 다른 형상 및 수의 패드가 대안적으로 이용 될 수있다. 다중 패드 전극은 인공적인 다리(limb)의 소켓 내에 시스템의 위치를 허락하는 방법(in a manner)으로 설계된 건조 피부 인터페이스(예 : 전도성 고무)를 가능하게 하도록 제조 될 수 있다. 전극은 신체의 개별적으로 선택된 위치에 시스템을 배치 하도록 허락하는 의복과 같은 방법(in a manner)으로 설계된 부드럽고 유연한 기판에 통합 될 수있다. 도 5는 공통 애노드(531) 및 복수의 캐소드(532)를 포함하는 다중 패드 전극(53)의 가능한 실시예를 도시한다. 다중 패드 전극(53)은 절단되고 남은 부분을 둘러싸도록 구성된 밴드, 벨트 또는 테이프의 형태일 수 있다. 캐소드(532)는 밴드를 따라 배치되어 전극의 라인을 정의(define)하고, 애노드(531)는 바람직하게는 캐소드(532)의 리스트(list)와 평행한 긴 전극의 형태일 수 있다. 도 6은 복수의 쌍의 애노드(631) - 캐소드(632)(a plurality of pairs anode631 - cathode 632)를 포함하는 다중 패드 전극(63)의 다른 구현을 도시하며, 각각의 캐소드(632)는 바람직하게는 하나의 동심의 애노드(631)에 의해 둘러싸여있다. 다중 패드 전극(63)은 절단되고 남은 부분(stump)를 둘러싸도록 구성된 밴드, 벨트 또는 테이프의 형태일 수 있다. 쌍 애노드 - 캐소드(pairs anode - cathode)는 밴드를 따라 배치되어 패드 또는 전극의 라인을 형성한다.
다음으로, 인공적인 신체 부위(또는 신체 부위의 일부 또는 전체가 감각 상실)로부터 자기수용적 정보와 감각 정보가 어떻게 코딩되는지와 자극 파라미터(펄스 폭, 자극 진폭 및 자극의 주파수)가 몇가지 시스템의 입력에 정확하게 반응하도록 수정되는 방법이 설명된다. 특히, 4 개의 예시적인(exemplary) 메시지가 도 7 내지 도 10에 도시되어있다. 추가 메시지를 사용할 수 있기 때문에 이것들은 제한적이지 않은 예입니다.
바람직한 실시 예에서, 시스템은 감각이 좋지 않은 손을 위한 감각 시스템 또는 인공적인 손으로부터 얻어진 4 개의 독립적인 입력(14)에 반응 할 수있다. 네 가지 다른 입력 신호는 다음과 같습니다: 인공적인 손의 구경(aperture)(접힌 손에서부터 열린 손까지); 인공적인 손 또는 감각 시스템에 의해 측정된 힘; 인공적인 손 또는 감각 시스템의 회전; 인공적인 손 또는 감각 시스템의 굴곡(flexion) / 연장(extension). 본 발명의 시스템은 관심있는 정보를 사용자에게 전달하는데 사용될 수있는 4 개의 각각의 자극 코딩 방식을(프로세싱 유닛(15)에서) 정의(define)함으로써 4 개의 독립적인 입력에 반응한다. 인공적인 손 또는 감각 시스템에 따라, 만약 사용된 경우, 이러한 입력은 예를 들면, 인공적인 손 또는 글러브의 구경, 회전, 및 굴곡/연장에 대한 인공적인 손 자기수용적 정보 또는 글러브의 구경, 회전 및 굴곡 / 연장에 대한 인공 손 자기수용적 정보뿐만 아니라 인공적인 손 또는 글러브에 내장된(built into) 최종(eventual) 센서로부터의 정보(터치, 힘, 진동, 온도, 습도(moisture) 센서 또는 기타)를 포함 할 수있다.
도 7은 바람직하게 인공적인 손 또는 글러브의 구경과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 이 방식에서, 인공적인 손 또는 글러브가 완전히 열려있을 때 활성화 될 패드 또는 전극은 팔의 중앙 도살 배치된(disposed at the central dorsal part of the arm) 두 개의 패드 또는 전극(two ones)이다. 손이 접히기 시작하면 이 패드는 비활성화되고 인접한 패드가 활성화된다. 이 프로세스는 팔의 중앙 볼라 부분에 배치된 패드 또는 전극이 활성화될-활성화는 접힌 손을 나타낸다- 때까지 계속된다.(This process is continued until the pads or electrodes disposed at the central volar part of the arm are activated, which represents closed hand.) 도 7의 점선(dotted) 화살표는 패드의 활성화 / 비활성화의 진화(evolution)를 설명한다. 대안으로, 활성화는 다른 방향(other way round) 일 수 있으며, 즉, 활성화 될 첫 번째 패드(first pads)는 팔의 중앙 볼라(volar) 부분에 배치된 2 개의 패드이고, 프로세스는 팔의 중앙 도살 배치 된 2개의 패드의 활성화로 끝난다. 다시 말하면, 활성 패드는 오직 두개의 중앙 패드가 활성될 때까지 두 개의 엔드 패드가 활성화되어 있고 남아있는 패드는 활성화 되지 않는 첫 번째 상황으로부터 변경되거나 혹은 그 반대의 경우도 가능하다.(In other words, the active pads change from a first situation in which either the two end pads are active and the remaining ones are not until only the two central pads are active; or vice versa.) 멀티 패드 전극은 패드의 그러한 정렬된(ordered) 활성화 / 비활성화를 허용하는 형상일 필요가 있으며, 팔 또는 팔의 절단되고 남은 부분(arm stump)주위에 배치 될 필요가있다. 다중 패드 전극의 예시적인 적절한 형상은 팔찌이다.
도 8은 바람직하게 인공적인 손 또는 글러브에 의해 측정된 힘과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안 된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 이 경우, 매핑은 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 전극상의 자극 주파수를 변화시킴으로써 수행된다. 예를 들어, 인공적인 손 또는 글러브에 의해 측정된 힘의 증가는 자극 주파수의 증가로 변환된다. 즉, 인공적인 손(또는 최종적으로 감각 시스템)에 의해 가해지는 힘의 증가는 활성 전극상의 자극 주파수의 증가로 코딩된다. 도 8의 설명된 매핑은 2 개의 활성 전극(도 8에서 어둠)으로 제한되지 않는다. 바람직한 실시 예에서, 이러한 2 개의 활성 패드들 사이의 거리는 도 7과 관련하여 설명 된 바와 같이 구경을 코딩한다. 이것은, 예를 들어 사용자가 도 8에 도시된 것보다 두꺼운 물체를 파지(grasping)하고있는 경우, 활성 전극,(이 실시예에서 2 개로 선택되었지만 상이한 양의 전극 일 수 있음)은 도 8에서 어두운 전극이 아니고 도살 쪽에 더 가까운 다른 전극이다. 대조적으로, 사용자가 예를 들어 빨대를 - 빨대는 도 8에 도시된 것보다 얇은 물체 - 파지하면, 활성 전극은 도 8에서 어두운 전극이 아니라 볼라 쪽에 더 가까운 다른 전극이다. 전술한 인공적인 손 또는 글로브의 구경을 위한 코딩 방식과 조합하여 인공적인 손에 의해 측정된 힘을 위한 코딩 방식이 사용자에게 파지되고 있는 물체의 단단함(stiffness)에 대한 정보를 제공 할 수 있다는 것을 지적하는 것이 중요하다. 예를 들어, 사용자는 힘이 증가 할 때 구경이 감소하면 인공적인 손 또는 글러브에 의해 물체가 스퀴즈(squeeze)되고 있는지를 인식할 수 있다. 각각의 독립적인 자극 파라미터(자극 위치 및 자극 주파수)로 구경 / 파지(grasping) 및 적용된 힘의 제안된 코딩으로 인해 가능하다.
도 9는 바람직하게 인공적인 손 또는 글러브의 회전과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 인공적인 손 또는 글로브의 회전은 원형으로 배치된 다중 패드 전극상의 활성 패드의 회전 진화(rotational evolution)로 변환(코딩)된다. 활성화 될 첫 번째 패드는 인공적인 손이나 글러브의 원래(original) 위치(회전을 시작하는 순간)에 대응한다. 인공적인 손이나 글러브의 회전하는 동안, 이미 활성 패드는 회전 방향의 다음 패드가 활성화되는 동안 비활성화되며, 회전의 끝 부분에 대응하는 패드가 활성화 될 때까지 계속된다. 제안된 해법에서, 이 정보 코딩은 도 7 및 도 8에 설명된 코딩 방식으로부터 독립적이며, 따라서 손 구경 및 가해진 힘에 대해 정보와 결합되어 사용될 수있다. 즉, 제안된 코딩 방식은 실제로 사용자가 예를 들어 회전과 구경 / 파지를 동시에 감지하거나, 또는 회전과 가해진 힘을 동시에 감지 할 수 있다.
도 10은 바람직하게 인공적인 손 또는 글로브의 굴곡 / 연장과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 인공적인 손 또는 글로브의 굴곡 / 연장은 사전 프로그래밍된 시간 순서로 다중 패드 전극상의 추가 패드의 활성화로 변환(매핑)된다. 이 메시지 나 코딩 방식은 이전의 세 가지 메시지(ones)와는 달리, 관련된 정보를 보내려 하기 때문에 이전의 세 가지 메시지와 다르다. 대응하는 팔에 관하여 인공적인 손(또는 글러브 또는 FES 손 파지(grasp) 시스템)의 각도가 어느 정도(some amount)(예를 들어 15도) 변할 경우에만, 팔/절단되고 남은 부분(arm/stump)의 동일한 측면 상의 여러 개의 전극(예를 들어, 6개 - 제한되지 않음 -)은 상이한 양의 전극(different amount of electrodes)(예를 들어, 2) - 전극은 그렇지 않으면 활성화(electrodes that are active otherwise)- 대신에 활성화된다. 적어도 하나의 패드가 자극 될 때 자극 주파수는 위치 측정(localization) 또는 활성화 된 패드의 수로부터 독립적으로 인식될 수 있기 때문에, 인공적인 손 또는 시스템의 굴곡 / 연장과 관련된 코딩 방식은 힘 스킴(force scheme)과 결합 될 수 있다.
요약하면, 4 개의 코딩 방식은 서로 독립적이므로, 둘 이상의 독립적인 입력에 사용자가 반응 할 수 있도록 하기 위해 이들 중 하나 이상을 동시에 사용할 수 있다. 즉, 시스템은 적어도 두 가지 기능을 결합 할 수 있다. 예를 들어, 2 개의 구심성(afferent) 자극 패드의 위치를 사용하여 손의 구경을 인코딩하고 힘 정보(예를 들어, 더 높은 힘을 위해 더 높은 자극 주파수)를 코딩하는 주파수를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 예를 들면, 설명된 손의 회전(프로/슈피네이션(pro/supination))과 파지력(grasp force)(주파수)을 조합하는 것이 가능하다. 이는 자극 위치(자극 배치(stimuli location)라고도 함) 및 자극 주파수가 독립적인 변수이므로 동시에 구심성 신호를 인코딩하는 데 사용될 수 있기 때문에 가능하다(예 : 구경 / 파지는 주파수로 인코딩된 자극 배치와 힘으로 로 인코딩 됨). 요약하면, 제안된 코딩 방식은 실제로 예를 들어 물체가 스퀴즈(squeeze)되는 경우(자극 주파수의 동시 증가(힘의 증가를 나타냄)) 및 활성 전극의 근접성(즉, 구경의 감소)을 사용자가 알아차리게 하는 것이 가능하다.
관찰 할 수 있는 바와 같이, 4 개의 코딩 방식에 대응하는 설명된 실시 예에서, 전극의 물리적 구조는 그것이 배치되는 신체 부위를 따라 원형(팔찌 타입)이어야한다. 설명된 메시지 조합은 전극의 이러한 구성에서만 사용될 수있다.
요약하면, 사람이 인공적인 손 또는 글러브를 착용하고 팔찌 형태의 다중 패드 전극을 갖는 본 발명의 시스템(도 5 또는도 6)이 그의/그녀의 팔의 절단되고 남은 부분(arm stump)에 배치된 예시적인 실시 예에서, 매핑은 다음과 같이 수행된다: 팔의 중앙 도살 부분으로부터 팔의 중앙 볼라 부분을 향한 활성 전극의 이동은 손 구경(도 7)의 변화에 기초하고, 활성 전극상의 자극 주파수의 변화는 파지력에 기초하며(그림 8), 활성 전극의 회전은 인공적인 손 또는 글러브의 회전에 기초하며(그림 9) 활성 전극 수의 변화는 인공적인 손 또는 글러브의 굴곡 / 연장을 기초로 한다(그림 10). 제안된 인터페이스의 장점 중 하나는 핸드 구경 및 가해진 힘에 의해 파지된 물체가 스퀴즈(squeeze) 되는 경우 사용자가 느낄 수 있도록 하는 힘 정보의 동시 전송(concurrent transfer)이다. 시스템은 물론 이러한 특정 코딩 방식에 제한되지 않으며, 다른 자기수용적 정보 및 감각 정보 그리고 코딩 방식은 이들 4 개의 독립적인 원형으로 배치된 다중 패드 전극 파라미터를 통해 정보를 전송하는데 사용될 수있다. 다중 패드 전극은 비슷하게 작동하며 인공적인 손을 착용하는 대신에 감각이 좋지 않은 손에 감각 글러브를 착용하고있는 사람과 마찬가지로 정보가 코딩된다.
본 발명의 시스템을 일상적으로 사용하기 전에, 사용자(예를 들어, 팔,다리 절단 수술을 받은 사람)는(예를 들어, 인공기관 신체 부위에서 센서에 의해) 감지된 것과 다중 패드 전극에 의해 피부에서 생성된 실제 느낌(real feeling) 사이의 상관관계를 학습하기 위해 짧은 훈련을 받을 필료가 있다. 일단이 훈련이 완료되면, 사람은 독창적 인 시스템을 자율적으로 사용할 준비가 된다.
이 설명의 내용으로부터 명백한 바와 같이, 제안 된 시스템 및 방법은 사용자가 신체의 일부로서 그것을 느낄 수 있게 하기 때문에 손과 같은 인공적인 인공기관의 기능을 직접적으로 향상시킬 수있다. 이런 방법으로, 팔다리 절단 수술을 받은 사람은 인공적인 손을 효과적으로 사용할 수 있으며 삶의 질이 향상된다. 이 전기 촉각의 피드백 장치는 기존의 상업적으로 이용가능한 근전성의 인공기관의 성능을 향상시킬 수 있고, 비용 - 편익 비율의 직접적인 증가에 의해 그들의 유용성(acceptance) 레벨을 증가시키는데 사용될 수 있다. 근전성의 인공기관에서 평균 거부율은 기능 요구의 결여(lack of functional need), 불편함(과도한 무게와 열) 부족, 감각 피드백의 장애(impediment)와 주로 관련되어있는 청년과 성인 모두에서 오늘날 25 % 이상이다.
예를 들어, 팔다리 절단 수술을 받은 사람은 케이블을 통해 제한된 피드백을 제공하기 때문에 간단히 제어되는 보다 정교한 근전성의 손 대신에 종래의(기능적으로 제한된) 케이블 구동 인공기관을 선택한다(이를 확장된 생리학 자기수용이라 불리움(so called extended physiological proprioception)).
자기 적응(학습)하는 피질의 알려진 능력에 기초하여, 사용자는 외수용(exteroception) 및 자기 수용(proprioception)의 새로운 모덜리티(modality)을 개발할 것이다. 활성으로 된 패드는 인공적인 손에 내장된 센서(터치, 힘, 진동, 온도, 습기, 조인트 인코더 등), 다른 감각 시스템(예 : 손 위에 있는 데이터 글러브) 근전성의 인공적인 손을 제어하는 데 사용될 수 있는 EMG 측정으로부터 오는 신호를 따른다(follow the signals).
한편, 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 실시예(들)에 명백하게 한정되지 않고, 청구항에 정의된 발명의 일반적인 범위 내에서, 당업자에 의해 고려 될 수있는 임의의 변형을 포함한다(예를 들어, 재료, 치수(dimensions), 구성 요소들, 구성 등)
2. DESCRIPTION OF THE INVENTION
본 발명은 다중 패드 전극을 통한 전기피부의(electrocutaneous) 자극에 기초한 접근법을 적용하여, 예를 들면 손 인공기관 또는 감각이 없는 신체 말단-예를 들면 감각이 없는 손-과 같은 신체 말단 인공기관을 위해 종래의 장치(conventional devices)의 한계를 극복하는 감각 피드백 인터페이스 시스템을 제공한다. 특히, 상기 시스템은 자기수용적 정보(proprioceptive information)를 제공함으로써 인공적인 신체 부위 또는 신체 말단(인공기관 신체 말단) 또는 부분 감각 또는 전체 감각을 손실한 신체 말단을 식별하는 문제를 해결한다. 촉각의 감각(sense of touch)도 제공 될 수 있다. 관심있는 정보는 전기피부의 자극을 통해 사용자의 피부로 전달된다. 이것은 그립력(grip force) 조절 및 섬세한 모터 작업(delicate motor tasks)의 수행이 가능하도록 한다. 이 장치는 인공적인 신체 말단(또는 감각을 신체 말단으로 복원하는 감지 시스템)로부터 사용자에게 자기수용적인 그리고 감각 정보를 제공 할 수있는 직관적이고 배우기 쉬운 피드백 인터페이스를 사용하며, 다중 패드 전극 구성 및 자극 주파수의 변화에 기초하여 파지력(grasping force)의 조절 및 섬세한 모터 작업의 실행을 가능하도록 할 수 있다. 전극 구성 변화는 멀티플렉싱 유닛(multiplexing unit)을 통해 다중 패드 전극을 통해 시간 공간 분배된 자극을 가능하게하는 특수 설계된 전기적 자극기를 통해 가능하다.
또한, 본 발명은 자극의 위치(어레이 전극상의 활성 패드) 그리고(지각하기 쉽고 이해하기 쉬운) 직관적인 피드백 정보/메시지 방식(scheme)의 세트를 인코딩하는 자극 파라미터(펄스 폭, 자극 진폭 및 자극의 주파수)의 세트의 변화를 사용하여 인공적인 신체 말단(또는 감각의 부분적 또는 전체 손실을 갖는 신체 말단)으로부터 자기수용적 정보 및 감각 정보를 코딩하는 프로토콜에 관한 것이다. 이 프로토콜은 감각 없는 신체 말단 또는 인공기관의 제어에 사용되는 자기수용적 정보 또는 감각 정보의 모든 세트에 대해 직관적인 코딩 방식(scheme)을 정의(define)한다. 예를 들어, 인공적인 손의 회전은 활성 전극의 회전으로 코딩되고, 인공적인 손에 의해 가해지는 힘의 증가는 활성 전극상의 자극 주파수의 증가로 코딩된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치 된 감각 시스템(sensory system) 또는 인공기관으로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부에 전달하는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 적어도 하나의 입력 신호로부터 정의(define)된 자극 패턴(stimulation pattern)의 형태로 전기 촉각의 피드백(electrotactile feedback)을 제공하는 장치; 및 상기 사용자의 신체의 부위에 위치되도록 구성된 적어도 하나의 다중 패드 전극, - 상기 다중 패드 전극은 상기 자극 패턴에 따라 선택적으로 개별적으로 활성화/비활성화되도록 구성된 복수의 패드를 포함-을 포함한다.
상기 장치는 상기 인공적인 인공기관(37, 471) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터(operational parameters)를 나타내는(representing a corresponding plurality of operational parameters of said artificial prosthesis(37, 471) or sensory system(472)) 미리 정의된(predefined) 매핑방식(mapping scheme)에 포함된 복수의 자극 패턴(stimulation pattern) 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 수단(15) -상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37, 471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어 신호를 포함- ; 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스(electrical pulse)를 생성하는 자극 수단(11); 및 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드(discrete pad)를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 상기 미리 정의된(predefined) 매핑방식(mapping scheme)에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드(discrete pad)의 구성 파라미터(configuration parameter)를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극(cutaneous stimulation)을 가능하도록 상기 자극 수단(11)으로부터 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스(electrical pulse)를 전달하는 수단(12)을 포함한다.(The device comprises: means for processing said at least one input signal, wherein said at least one input signal comprises a control signal from said prosthesis or from said sensory system, thus coding said at least one input signal into one of a plurality of predefined stimulation patterns representing a corresponding plurality of operational parameters of said artificial prosthesis or sensory system; stimulating means for producing a plurality of electrical pulses based on said selected stimulation pattern; means for conducting said electrical pulses from said stimulating means to said at least one multi-pad electrode, thus selectively activating/deactivating the discrete pads of said multi-pad electrode and changing the configuration parameters of said discrete pads based on said stimulation pattern, thus enabling time and space distributed cutaneous stimulation corresponding to said at least one input signal.)
특정 실시 예에서, 시스템은 입력 신호로서 취급될 상기 처리하는 수단에 제공 될 제어 신호를 캡쳐(capture)하도록 구성된 데이터 획득 수단을 더 포함한다.
이 시스템은 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)의 한쪽 끝에 배치되고 반대쪽 끝에 인공적인 말단 인공기관 수용하도록 구성된 소켓에 통합 될 수 있다. 대안적으로, 상기 적어도 다중 패드 전극은 감각없는 신체 말단에서 감각 시스템을 갖는 사용자의 신체 부위 또는 인공적인 말단(extremity) 인공기관을 갖는 사용자의 신체 부위 중 어느 하나에 위치되도록 의복에 통합된다.
특정 실시예에서, 적어도 하나의 다중 패드 전극은 사용자의 절단되고 남은 부분 또는 몸체 부분을 원형으로 둘러싸도록(circularly surround) 설계되며, 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극에 포함된 복수의 패드는 상기 다중 패드 전극을 따라 단일 어레이로 배치된다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 입력은 인공기관의 구경, 굴곡, 회전 및 / 또는 파지력을 위한 제어 신호 또는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템으로부터의 제어 신호 중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 입력은 감각 정보를 더 포함한다.(In a preferred embodiment, the at least one input comprises at least one of control signal for the aperture, flexion, rotation and/or grasping force of a prosthesis or from a sensory system disposed at a body part having poor or no sensation. In a particular embodiment, at least one input further comprises sensory information.)
특정 실시예에서, 인공기관은 인공적인 손이거나 또는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위는 손이다.
바람직하게는, 미리 정의 된 자극 패턴은 다중 패드 전극에서의 활성화된 패드(들)의 위치(들), 자극 주파수, 자극 펄스 폭 및 자극 펄스 진폭를 포함하는 자극 파라미터들의 일부 또는 전부에 의해 정의(define)된다.
대안적으로, 자극 패턴은 자극 위치(stimuli location) 및 자극의 주파수를 포함하는 자극 파라미터에 의해서만 정의(define)된다.
시스템은 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치 된 상기 감각 시스템 또는 상기 인공기관으로부터 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 감각 정보를 전달하도록 추가로 구성 될 수있다.
본 발명의 다른 측면에서, 인공기관 또는 감각이 없거나 좋지 않는 신체 부위에 배치된 감각 시스템으로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용 한 사용자의 피부에 전달하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 하나의 입력 신호로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계; 상기 사용자의 신체 일부에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극의 복수의 패드를 선택적으로 및 개별적으로 활성화 / 비활성화시키는 단계,- 상기 활성화 / 비활성화는 상기 자극 패턴에 따라 수행됨- 를 포함한다.
적어도 하나의 입력 신호로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백(electrotactile feedback)을 제공하는 단계는 상기 인공기관(37, 141) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는(representing a corresponding plurality of operational parameters of said artificial prosthesis(37, 471) or sensory system(472)) 미리 정의된(predefined) 매핑 방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 단계(15) - 상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37,471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어신호를 포함-; 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 단계(11); 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드(discrete pad)를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 미리 정의된(predefined) 매핑 방식에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터(configuration parameter)를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극(cutaneous stimulation)을 가능하도록 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달하는 단계(12)를 포함한다.(The step of providing electrotactile feedback in the form of a stimulation pattern defined from at least one input signal preferably comprises: processing said at least one input signal, wherein said at least one input signal comprises a control signal obtained from said prosthesis or from said sensory system, thus coding said at least one input signal into one of a plurality of predefined stimulation patterns representing a corresponding plurality of operational parameters of said prosthesis or sensory system; producing a plurality of electrical pulses based on said selected stimulation pattern comprised in a predefined mapping scheme; conducting said electrical pulses to said at least one multi-pad electrode, thus selectively activating/deactivating the discrete pads of said multi-pad electrode and changing the configuration parameters of said discrete pads based on said stimulation pattern comprised in a predefined mapping scheme, thus enabling time and space distributed cutaneous stimulation corresponding to said at least one input signal.)
특정 실시예에서, 적어도 하나의 입력은 감각 정보를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 인공적인 손 또는 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템의 구경(aperture)은 다음과 같이 코딩된다: 초기 위치(열린 손)에서 활성화된 패드는 팔의 가장 먼 도살 부분(furthermost dorsal part )에 배치된 2개의 패드이고, 손이 접히기 시작할 때 인접한 패드가 활성화되는 동안 이 패드는 비활성화되고, 이 과정은 손이 접히고 팔의 중앙 볼라 부분(central volar part)에 배치된 패드가 활성화 될 때 까지 계속된다; 또는 그 반대 일 수 있으며(vice versa), 이때 활성화 될 첫 번째 패드는 팔의 볼라 부분에 배치 된 두 개의 패드이다.( In a particular embodiment, the aperture of an artificial hand or of a sensory system disposed at a hand having poor or no sensation is coded as follows: in an initial position(open hand) activated pads are the two ones disposed at the furthermost dorsal part of the arm, and when the hand starts closing these pads are deactivated while adjacent pads are activated, this process being continued until the hand is closed and the pads disposed at the central volar part of the arm are activated; or vice versa, meaning that the first pads to be activated are the two ones disposed at the volar part of the arm.)
특정 실시 예에서, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472)에 의해 측정되거나 인공적인 손(37, 471)에 의해 가해진 상기 파지력(grasping force)은, 측정된 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 패드(active pads) 에 자극 주파수를 변화하도록 코딩된다.
특정 실시 예에서, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전은, 상기 다중 패드 전극에서 상기 활성 패드의 회전 발달(rotational evolution)되도록 코딩-상기 회전 발달 되도록 코딩은 회전을 시작하는 순간 감각 시스템의 상기 인공적인 손의 원래의 위치(original position)에 대응하여 활성화되는 첫번째 패드, 상기 인공적인 손 또는 감각 시스템의 회전 동안 이미 활성화된 패드는 비활성화되고, 회전 방향에 따른 다음의 패드(following pad) 가 활성화되고, 이는 회전의 끝에 대응하는 패드가 활성화 될 때까지 계속됨- 되는 방법이다.(In a particular embodiment, the rotation of an artificial hand or of a sensory system disposed at a hand having poor or no sensation is coded into a rotational evolution of the active pads on the multi-pad electrode, the first pad being activated corresponding to the original position of the artificial hand or sensing system at the instant of starting the rotation, while during the rotation of the artificial hand or sensing system, the already active pad being deactivated while the following pad in the direction of the rotation is activated, and so on, until the pad corresponding to the end of the rotation is activated.)
특정 실시예에서, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 굴곡(flextion) / 연장(extension)이, 사전 프로그래밍 된 시간 순서에서 다중 패드 전극상의 적어도 하나의 추가 패드의 활성화하도록 코딩되는 방법이다.
특정 실시 예에서, 상기 방법은, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 구경(aperture) / 파지(grasping); 또는 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472)에 측정되거나 또는 인공적인 손(37, 471)에 가해진 파지력; 과 감각이 없거나 좋지 않은 손에 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전중에서 사용자가 적어도 2개를 동시에 검출할 수 있는 방법이다.
본 발명의 마지막 측면에서, 위에 기술된 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 명령 / 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
요약하면, 전기 촉각의 피드백 및 인공적인 말단(extremity) (또는 감각 없는 신체 말단)을 제어하는데 필요한 정보의 특정 코딩 방식(scheme)에 대한 특정 솔루션이 제공된다. 이 솔루션에서, 피드백은 인공기관을 직관적으로 제어하고 감각 데이터를 직접 전송하지 않기 위해 사용된다.
본 발명의 추가적인 장점들 및 특징들은 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이고, 첨부된 청구범위에서 특히 언급될 것이다(point out).
본 명세서에서, 용어 "포함하는(comprises)"및 그 파생물("포함하는(comprising)"등)은 배타적인 의미로 이해되어서는 안되며, 즉, 이 용어는 설명되고 정의된 추가 요소, 단계 등을 포함하는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "대략(approximately)"및 비슷한 용어("근사치(approximate)"등)는 전술한 용어(aforementioned term)에 수반되는 값에 매우 근접한 값을 나타내는 것으로 이해되어야한다. 즉,당업자는 측정된 부정확성들로 인해 표시된 값으로부터의 편차가 불가피하다는 것을 이해할 것이므로 정확한 값으로부터의 합리적인 한계 내에서의 편차가 받아 들여져야만 한다. "약(about)"과 "근접하게(around)"및 "실질적으로(substantial)"에 동일하게 적용된다. .
"신체 부위"의 "신체 말단" 용어는 본문을 따라 팔 또는 다리 또는 그 일부(예를 들어, 하나 이상의 손가락 또는 발가락 또는 그 일부), 또는 전체 손 또는 발 또는 그것의 일부, 종아리(calf) 또는 그 일부 또는 상완(upper arm) 또는 허벅 다리(thigh) 또는 그 일부와 같은 전완 또는 하퇴를 가리키는 것으로 사용되었다.
본문에서 "감각이 없거나 좋지 않은" 또는 "감각이 없는" 표현은 어떤 이유로든 감각이 없거나 감각이 감소된 신체 부위 또는 신체 말단을 나타내는데 사용된다. 이러한 감각의 결여에 대한 이유의 비-제한적인 예는 신경 손상(nerve injury), 대사성 신경 병증(metabolic neuropathy) 및 신경 분열(neuroprostheses) 증, 즉 마비된(paralysed) 팔다리(limbs) 또는 신체 부위를 작동시키기 위해 전기적 자극을 이용하는 시스템의 사용이다. 반대로, "손상되지 않은(non-damaged)", "다치지 않은(intact)", "완전히 감각이 있는(with full sensitivity)"또는 "완전한 감각이 있는(with full sensation)"이라는 표현은 감각이 없는 신체 부위 옆이나 근처에 있는 동안 손상되지 않았거나 실질적으로 또는 부분적으로 손상되지 않은 조직(tissue)을 나타낸다. 신체 말단의 절단이 있었을 때, 절단 된 부분에 가까이 있는 손상되지 않은 부분을 "절단되고 남은 부분(stump)"라고 합니다.
다음의 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안되며, 단지 본 발명의 넓은 원리를 기술 할 목적으로만 주어진 것이다. 본 발명의 다음의 실시 예들은 본 발명에 따른 장치들 및 결과들을 도시하는 위에서 언급된 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다.
도 1은 부분 또는 완전한 감각의 손실(도시되지 않음)된 신체 부위 또는 인공적인(인공기관) 신체 부위로부터, 피험자의 피부에 자기수용적 정보를 피드백하기 위한 시스템의 스케치(sketch)를 도시한다. 이 시스템은 손상되지 않은 신체 부위의 피부를 자극 할 수 있는 전기적 자극기(electrical stimulator)와 다중 패드 전극 덕분에 사용자가 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위 또는 인공적인 신체 부위에서 자연적 감각을 정신적으로 감지 할 수 있게 한다(예: 손이 없으면 전완(forearm), 전완이 없는 경우 상완(upper arm)). 이 시스템은 체성 감각 시스템(somatosensory system)의 일부에 대한 제어된 전기적 자극에 기반한다. 바람직한 실시예에서, 제어된 전기적 자극은 비동기적(asynchronous)이고 단일 채널 자극기 및 다중 패드 전극에 의해 성취된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 특정한 입력(14)에 기초하여 사용자의 손상되지 않은 신체 부위에 위치된 인터페이스 또는 다중 패드 전극(13)(매트릭스를 형성하는 작은 패드에 의해 형성됨)에 낮은 강도의 전기적 펄스를 전달하도록 지시하는 적어도 하나의 전기 촉각의 피드백 장치(10)를 포함한다. 즉, 시간과 공간 분배된 전기적 자극을 전달한다. 전기 촉각의 피드백 장치(10)는 또한 도 1에 도시되지 않은 적어도 하나의 전기적 자극기(electrical stimulator) 및 다중화 유닛(multiplexing unit)을 포함하며, 이는 프로세싱 유닛(processing unit)으로부터 수신한 명령(전기적 신호)에 반응하여 다중 패드 전극(13) 상의 개별 패드를 동기적으로 또는 비동기적으로 활성화 할 수 있는 갈바닉하게(galvanically) 절연된 펄스 라우터(isolated pulse router)로서 작동한다. 결과적으로, 다중 패드 전극(13)은 사용자의 피부를 통해 시간 및 공간 분배된 경피적(transcutaneous) 전기 자극을 적용한다. 펄스의 파열(burst)은 피부 수용체(skin receptors)를 활성화시켜 구심성의(afferent)(체성감각(somatosensory)) 신경 시스템 및 감각 피질을 활성화시키는 구별되는(distinctive) 신호를 생성하기 위해 상이한 시간, 상이한 주파수 및 / 또는 상이한 강도(intensity)로 이들 작은 패드를 통해 보내진다. "피드백"이라는 용어는 시스템 입력(14)에 관한 관심의 정보(information of interest)를 사용자에게 제공하는 다중 패드 전극(13) 위에 생성된 자극을 가리킨다
도 1의 다중 패드 전극(13)은 피험자의 팔의 절단되고 남은 부분(stump)에 배치 될 수 있고, 이 경우에 도시되지 않은 인공적인(인공기관) 신체 부위는 인공적인 손이거나, 예를 들어 신체 부위가 부분적으로 또는 전체적으로 감각 상실을 갖는 경우 절단되지 않은 신체 부위와 함께 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 개략적으로(outlined) 도시된 시스템의 블록도를 도시한다. 전기 촉각의 피드백 장치(10) 및 다중 패드 전극(13)의 2 개의 주요 블록이 도시되어 있다. 장치(10)는 하나 이상의 입력(14)의 정의(define)된 매핑 방식에 기초하여 다중 패드 전극(13)에 전달될 자극 파라미터(즉, 활성 전극, 자극 주파수, 펄스 폭 및 진폭)를 제어하는 프로세싱 유닛 또는 프로세싱 수단(15)(도면1의 스케치에서 장치(10)에 통합됨)을 가질 수 있다. 프로세싱 유닛(15)는 후술하는 직관적인 매핑 방식에 기초하여, 입력 신호(14)를 처리하고 이에 대한 반응으로서 적절한 자극 파라미터를 선택한다. 매핑 방식은 프로세싱 유닛(15)에서 정의(define)된다. 또한, 장치(10)는 전기 자극기(11)로도 지칭되는 자극 유닛(11)을 가지고 있다. 이때, 상기 자극 유닛(11)은 프로세싱 유닛(15)의 요구에 따라 바람직한 파라미터(예를 들면, 진폭, 지속 시간 및 주파수)의 전기적 펄스를 생성한다. 장치(10)는 또한 프로세싱 유닛(15)의 요구에 기초하여 자극 유닛(11)으로부터 다중 패드 전극(13)의 바람직한 패드로 전기 펄스를 전달시키는 다중화 유닛(12)을 갖는다. 프로세싱 유닛(15)와 전기적 자극기(11)을 연결하는 화살표가 자극 파라미터의 매핑을 나타내는 동안, 프로세싱 유닛(15)과 다중화 유닛(12)를 직접적으로 연결하는 화살표는 자극 위치(stimuli location) 의 매핑을 나타낸다. 즉, 프로세싱 유닛은 자극의 방식을 정의(define)하고 자극기는 다중 패드 전극 상의 특정한 위치에 전달되는 펄스를 생성한다. 전기촉각의 인터페이스는 감각 자극을 통해 사용자에게 제공되는 피드백이다. 프로세싱 유닛은 미리 정의 된 매핑 방식에 기초하여 자극 패턴을 계산한다. 전기적 자극 유닛은 자극 펄스를 생성하고 프로세싱 유닛의 요구 사항을 준수하기 위해 사용자의 피부에 적용되는 전기적 전류를 제어한다. 다중화 유닛(12)은 프로세싱 유닛으로부터의 정보에 기초하여 다중 패드 전극(13)상의 바람직한 위치로 펄스를 라우팅한다.
시스템 입력(14)은 외부 시스템 입력(141) 및 / 또는 도 2에 도시된 바와 같이 전기 촉각의 피드백 장치(10)에 포함된 데이터 획득 유닛(142)에 의해 직접적으로 측정된 신호 일 수 있다. 외부 입력(141)은 감각이 없는 신체 말단을 위한 감각 시스템 또는 인공적인 신체 부위로부터 어떠한 감각 정보라도 포함한다. 이러한 입력은 아날로그, 디지털 또는 무선 통신 인터페이스를 통해 수집 될 수있다. 데이터 획득 유닛(142)으로부터의 입력은 EMG, 관성 측정(inertial measurements) 또는 데이터 획득 장치 자체에 의해 가져온(carried over) 임의의 다른 물리적 특성의 측정을 포함 할 수있다. 바람직한 실시 예에서, 데이터 획득 유닛(142)은 EMG 증폭기를 기반으로하여 EMG 입력 신호를 캡쳐(capture)한다. 대안적으로, 데이터 획득 유닛(142)은 적어도 하나의 관성 센서에 기초 할 수있다.
이러한 입력들(14, 141, 142)은 다중 패드 전극(13)에 의해 정의(define)된 인터페이스를 통한 피부의 자극의 형태로 사용자에게 전달된다. 전기 촉각의 피드백 장치(10)의 프로세싱 유닛(15)은 입력 신호들을 위한 직관적인 매핑 방식을 정의(define)한다. 매핑 방식은 인공적인 손 또는 감각이 없는 신체 말단(with the artificial hand or body extremity without sensations)에서 진행되는 과정과 유사하도록 설계되었다. 예를 들어, 손 열림(손가락의 디파춰(departure of fingers))은 활성 전극의 디파춰(departure)를 통해 매핑된다. 힘의 증가는 자극 주파수의 증가를 통해 매핑된다. 이것은 독창적인 시스템으로 다른 테스트 및 실험에 참여한 피험자에 의해 보고된 것처럼 매핑을 직관적이고 쉽게 배울 수 있다. 도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매핑 방식들의 제안된 세트들(proposed sets)을 도시한다.
특정 실시 예에서, 하나의 입력 신호(14)만이 전기 촉각의 피드백을 제공하는데 필요하기 때문에, 하나 이상의 외부 시스템 입력(141)이 존재하는 경우 데이터 획득 유닛(142)은 시스템의 필수적인 부분이 아니다. 반대도 마찬가지로서, 외부의 입력(141)은 전기 촉각의 피드백 장치(10)의 데이터 획득 유닛(142)으로 측정된 하나 이상의 신호가 있는 경우에 요구되지 않는다. 대안적으로, 두 타입(both type)의 입력 신호가 존재할 수 있다.
시스템이 인공적인 신체 부위(예를 들어, 손 인공기관) 또는 감각 시스템(예를 들어, 손 위의 데이터 글러브(glove))을 착용하는 사람에 의해 사용되는 특정 실시 예에서, 시스템 입력(14)은 인공기관 장치 또는 감각 시스템에 포함된 센서로부터 획득한 감각 정보를 포함한다. 인공기관 장치 또는 감각 시스템에 포함된 종래의 센서의 비 한정적인 예는 터치 센서, 압력 센서, 힘 센서, 굴곡 센서(bend sensors), 진동 또는 관성 센서, 온도 센서, 습도 센서, 조인트 인코더 또는 이들의 임의의 조합, 또는 자극에 반응하는 임의의 다른 센서 일 수도 있고, 동시에 상이한 자극을 감지하는 능력을 갖는 하나의 센서 또는 복수의 센서 또는 멀티 센서 일 수도 있다. 인공적인 신체 부위(예 : 손 인공기관) 또는 감각 시스템(예 : 손의 데이터 글러브 또는 기능적 전기의 자극(FES) 손 잡기(hand grasp) 시스템 또는 손잡기를 위한 신경 보정술(neuroprosthesis))에 포함된 센서는 감각 피드백이 요구되는 장소에 배치된다. 이러한 모든 입력(14)은 외부 입력(141)이다. 인공적인 신체 부위가 사용되면, 인공적인 신체 부위(예를 들면, 인공적인 손 또는 FES 손 잡기(hand grasp) 시스템)는 인공적인 손의 폐루프 제어를 가능하게하는 센서 및 시스템 입력(14)을 포함한다. 시스템은 인공적인 신체 부위 또는 감각 시스템의 피드-포워드(feed-forward) 근전성의 제어(myoelectric control)를 가능하도록 한다. 이것은 신체의 절단되고 남아있는 부분(stump)에 있는 근육으로부터 다수의 기록(recordings)에 기반한다. 이러한 제어 신호로부터 생체 자기 제어(biofeedback)를 기반으로 인공기관이나 감각 시스템을 제어를 자연스럽게 할 수 있다. 피드백이 없는 인공적인 신체 부위에서는 자연스러운 제어가 불가능하므로, 사용자가 제어하기 위해 인공적인 신체 부위를 지켜보는(watch) 것이 필요하다. 입력들(14)은 감각이 없는 신체 말단을 위한 감각 시스템 또는 인공적인 말단 으로부터의 감각 측정 일 수 있고/있거나(and/or) 제어 신호 측정들(예를 들어, 근전성의 인공기관을 위한 EMG)에 기초 할 수 있다. 인공기관이나 감각 시스템(sensory system)의 센서로부터 측정값을 포함하고 있다면, 폐루프 제어에 사용될 수 있다. 그리고 제어 신호를 기반으로하고 있다면, 인공적인 말단(예: 손) 또는 감각 시스템(예: 데이터 글러브)의 피드-포워드 제어에 사용될 수 있다. EMG 측정은 데이터 획득 유닛(142)에 의해 얻어질 수 있거나 인공기관 또는 감각 시스템으로부터의 외부 입력(141) 일 수 있다. 시스템이 인공적인 신체 부위 또는 감각 시스템의 제어에 사용되는 경우, 이러한 신호는 피드백에만 관심이 있다(These signals are only of interest for feedback). 인공기관 장치(또는 감각 시스템)는 그 안에 내장된 인코더에 기초하여 감각 정보뿐만 아니라 측정된 힘과 같은 자기수용적인 감각 정보를 생성한다. 근전성의 인공기관의 경우, 레코딩(recording) 전극(다양한 필터링 및 프로세싱 후)을 통해 EMG 신호 획득 시스템에 의해 측정된 EMG 신호는 사용자가 인공기관을 제어하기 위해 생산하는 제어 신호이다. 제어 신호는 인공기관 장치 또는 제어 인터페이스(인공기관에 의해 직접 획득되지 않으면 제어 신호를 얻을 수있는 임의의 장치로 이해됨)에 의해 결정될 수 있다. 근전성의 제어의 경우, 제어 신호는 EMG이지만, 인공기관을 작동시키는 데 사용되는 임의의 다른 생리학적 신호(any other biophysiological signal)일 수 있다. 제어 신호는 시스템에 대한 외부 입력(141)으로서 획득되거나, 전기 촉각의 피드백 장치(10)의 데이터 획득 유닛(142)에 의해 수행되는 제어 신호 측정에 기초하여 프로세싱 유닛(15)에서 계산 될 수 있다. 제어 신호 측정이 전기 촉각의 피드백 장치(10)에 의해 수행된다면, 제어 신호 측정은 제어 인터페이스로(또는 제어 인터페이스가 인공기관 또는 감각 시스템에 통합되지 않으면 인공기관 또는 감각 시스템으로) 포워드 될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 시스템 입력들(14)은 인공적인 손 또는 푸어 센스티비티한(pour sensitivity) 손을 갖는 구경, 굴곡, 회전 및 파지력에 대한 제어 신호(피드-포워드)를 포함한다. 그들은 감각 정보(폐루프)를 추가로 포함 할 수 있다. 다시 말해, 인공기관 또는 감각 시스템의 센서로부터 정보는 폐루프 제어를 의미하는 반면, 제어 신호(인공기관, 감각시스템 또는 전기 촉각의 피드백 자체로 측정되는 EMG 또는 관성)에 대한 정보는 피드-포워드 제어를 의미한다. 이러한 입력 신호(14)의 매핑은 전기 촉각의 인터페이스를 제공하기 위해 프로세싱 유닛(15)에 의해 계산된다.
도 7 내지 도10에 실현된 정보 코딩(패턴 또는 매핑 방식)의 디자인은 사용자에 의해 명확하게 구분될 수 있는 독특한(distinctive) 자극 패턴을 분석 한 것이다. 발명자들은 그들의 연구에서 건강한 피험자 및 절단 환자(amputees)가 구별 할 수 있는 가장 신뢰할만 한 감각은 자극의 위치 및 자극의 주파수라는 것을 관찰했다. 반대로, 펄스 폭 및 자극 진폭의 변화는 자극의 불충분한 인식(insufficient recognition) 또는 불쾌한 자극(unpleasant stimulation)으로서의 결과를 나타냈다. 이것이 본 발명의 시스템에서 정보가 바람직하게는 자극 위치 및 자극 주파수(frequency)로 코딩되는 주된 이유이다. 여기서 "정보"라는 용어는 열, 냉기, 압력 등의 감각뿐만 아니라 인공기관이나 감각 시스템에 의해 생성된 힘 및 / 또는 자기수용적 정보(구경, 회전, 굴곡) 및 / 또는 인공기관 또는 데이터 글러브에 있는 임의의 다른 센서로부터 임의의 다른 정보를 나타낸다..
다음으로, 인공적인(인공기관) 신체 부위로부터 또는 부분적 또는 완전한 감각 손실(감각 시스템을 통한)을 갖는 신체 부위로부터 자기수용적인 감각 정보를 피험자의 피부로 전달하기 위한 시스템의 두 가지 바람직한 실시예가 설명된다. 특히, 실시예는 인공적인(인공기관) 손 또는 감각의 부분적 또는 완전한 감각 손실(따라서 감각 시스템 착용)된 손을 가리킨다.
도 3에 도시 된 바람직한 실시 예에서, 전기 촉각의 피드백 장치(30) 및 다중 패드 자극 전극(33)을 갖는 시스템은 말단 인공기관(또는 인공적인 말단)(37)의 소켓(36)에 통합되어, 사용자(39)의 절단되고 남은 부분(stump)(38)에 위치한다. 즉, 도 3은 말단 인공기관(37)의 소켓(36)을 도시한다. 소켓(36)은 전기 촉각의 피드백 장치(30) 및 다중 패드 전극(33)을 포함한다. 특정 실시 예에서, 인공기관은 인공적인 손(37)이다. 특정 실시 예에서, 다중 패드 전극(33)은 소켓(36) 내에 내장된다. 소켓 및 전극의 제조 방법 및 재료는 본 발명의 범위를 벗어난다. 도 3에서, 외부 입력 신호(341)는 전기 촉각의 피드백 장치(30)에 포함된 데이터 획득 유닛(도 3에 도시되지 않음)이 제어 신호(예를 들어, EMG 제어 신호)를 획득하는 동안 인공기관(37)로부터 캡처된다. 도 3의 장치(30)로부터 다중 패드 전극(33)으로의 화살표는 제어 신호가 장치 자체에 의해 측정 될 수 있고 인공적인 신체 부위(37)으로부터 오지 않는다(not coming)는 것을 강조하기 위한 것이다. 다중 패드 전극(33)으로부터 절단되고 남은 부분(stump)(38)으로 피드백 자극은 제공된다.
다른 실시 예에서, 도 4는 다중 패드 전극(43)을 포함하는 의복(46)을 도시한다. 다시 말하면, 다중 패드 자극 전극(43)은 사용자의 임의의 신체의 부위 - 사용자의 임의의 신체부위는 사용자(49)의 잃어버린(missing) 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump) 일 필요는 없음 - 에 위치 될 수 있는 유연한 의복(flexible garment)(46)에 통합될 수 있다. 의복(46)은 인공기관(도 4의 상단 부분)을 착용한 사용자 또는 감각이 없는 신체 말단(절단되지 않음)(도 4의 하부 부분)을 가진 사용자에 의해 사용될 수있다. 의복(46)은 절단 수술을 받은 사람(49)의(시스템이 인공기관(471)과 함께 사용되는 경우) 절단되고 남은 부분(stump)(48) 또는 팔의 임의의 위치(시스템이 인공기관(471)과 함께 사용되거나 시스템이 감각이 없는 신체 부위를 위한 감각 시스템(472)과 함께 사용되거나)에 배치될 수 있다. 도시된 감각 시스템(472)은 데이터 글러브(glove)이다. 첫번째 경우(인공기관과 함께 사용되는 시스템)에서, 다중 패드 자극 전극(43) 및 전기 촉각의 피드백 장치(40)는 근전성의 장치 및 인공적인 말단(471)을 피험자(49)의 절단되고 남은 부분(stump)(48)에 장착하기(mount) 위해 사용된 소켓으로부터 독립적으로 사용될 수있다. 전기 촉각의 피드백 장치(40)는 동일한 의복(46)에 통합되거나 다른곳에 위치 될 수 있다. 전기 촉각의 피드백 장치(40)와 다중 패드 전극(43)은 물리적으로 연결되어야 한다. 그러므로, 바람직한 실시예에서, 그것들은 동일한 의복(46)에 있을 수 있다. 특정 실시 예에서, 글러브(472)는 피드백 능력(사용자에게 자기수용적인 제어 정보에 대해 알려주는 능력)을 갖는다. 글러브와 같은 감각 시스템(472)의 피드백 능력의 전형적인 예는 손가락 밀집해 있는 집단(finger phalanxes)에 의해 정의(define)된 각도(angles)를 측정하는 능력 또는 굽힘(bending)을 측정하는 능력이다. 또한, 글러브와 같은 감각 시스템(472)은 감각 정보, 특히 접촉(touch) 또는 힘(force) 기능(capabilities)을 제공한다. 예를 들어, 글러브를 착용한 사용자가 어떤것(something)을 잡았을(grasps) 때, 글러브가 물체를(object) 잡기 위해 움직이는 동안 글러브는 자기수용적 정보를 제공하고, 물체를(object) 마침내 잡으면 자기수용적인(proprioceptive) 신호가 멈춘다. 그런 다음 접촉(touch) 또는 힘(force) 정보는 제공된다. 자기수용적인(proprioceptive) 정보는 사용자에게 전송된다. 바람직하게는, 자기수용적인 그리고 감각의(접촉) 정보의 조합은 자극을 통해 사용자에게 보내진다.
전기 촉각의 피드백 장치는 인공적인 손(말단)(37)(471) 또는 데이터 글러브와 같은 감각 시스템(472)에 연결될 수있다. 이러한 연결은 아날로그 / 디지털 유선 연결(wired connections)(예를 들어,도 3에 도시된 바와 같이) 또는 최신 기술로 공지된 임의의 무선 통신 인터페이스를 통한 무선 연결(wireless ones) 일 수 있다. 도 4의 실시예에서, 그러한 통신은 무선이 바람직하다.
다중 패드 전극(13, 33, 43)은 전도성 실리콘 고무 삽입물(conductive silicon rubber inserts), 전도성 잉크의 스크린 프린팅과 같은 최신 기술로 공지된 재료(materials) 및 기술을 사용하여 제조 될 수 있다. 이때, 피부와의 접촉은 건조한 전극 표면에 직접 접촉 또는 피부와 전극 사이에 전도성 하이드로 겔 물질 삽입물(conductive hydrogel material insert)을 통해 성립(established)될 수있다. 다중 패드 전극(13, 33, 43)을 정의(define)하는 패드 또는 전극은 애노드와 캐소드 사이에서 제어된 전류 흐름(current flow)을 허용하기에 충분히 작다. 바람직한 실시예에서, 신체상의 캐소드(cathode)의 위치는 활성화 된 피부 수용기(receptors)를 결정하고, 애노드(anode)는 동일한 신체의 임의의 위치에 배치 될 수 있다. 따라서, 캐소드로 사용되는 다중 패드 전극(13, 33, 43)상의 패드는 인식된 자극의 위치를 결정할 것이다. 이 구성으로 인하여, 다중 패드 전극(13, 33, 43)을 갖는 전기 촉각의 인터페이스를 통한 입력 신호(14)의 매핑은 자극 위치를 선택 / 변경함으로써(즉, 개별 패드를 선택적으로 활성화 / 비활성화함으로써) 및 / 또는 자극 파라미터(자극의 주파수, 펄스 폭 또는 진폭)를 제어함으로써 가능하다.
다중 패드 전극(13, 33, 43)을 정의(define)하는 전극 또는 패드가 신체 부위 위에 원형으로 위치하도록(the electrodes or pads which form the multi-pad electrode 13, 33, 43 are circularly positioned on or over said body)하는 것과 같은 방법으로 다중 패드 전극(13, 33, 43)은 사용자의 손상되지 않은 신체 부위에 위치하도록 설계되는 것이 바람직하다. 사용자가 절단되고 남은 부분(stump)에 연결된(coupled) 인공기관을 가지고 있는 경우, 이 신체 부위는 바람직하게는 사용자의 팔(또는 다리)의 절단되고 남은 부분(stump)이다. 패드의 크기 및 모양은 편안한 자극뿐만 아니라 선택적인 자극을 생성하도록 선택된다. 멀티 패드 전극을 갖는 층(layder)은 바람직하게는 신체 말단의 임의의 부분에 시스템의 위치를 허락하는 방법으로(in a manner) 설계된 부드럽고 유연한 기판(soft and flexible substrate)에 통합된다; 그것에 의해 시스템의 적용(application)을 용이하게 한다(facilitating). 2개의 바람직한 다중 패드 전극 설계는 도5 및 도 6에 도시되어 있지만, 다른 형상 및 수의 패드가 대안적으로 이용 될 수있다. 다중 패드 전극은 인공적인 다리(limb)의 소켓 내에 시스템의 위치를 허락하는 방법(in a manner)으로 설계된 건조 피부 인터페이스(예 : 전도성 고무)를 가능하게 하도록 제조 될 수 있다. 전극은 신체의 개별적으로 선택된 위치에 시스템을 배치 하도록 허락하는 의복과 같은 방법(in a manner)으로 설계된 부드럽고 유연한 기판에 통합 될 수있다. 도 5는 공통 애노드(531) 및 복수의 캐소드(532)를 포함하는 다중 패드 전극(53)의 가능한 실시예를 도시한다. 다중 패드 전극(53)은 절단되고 남은 부분을 둘러싸도록 구성된 밴드, 벨트 또는 테이프의 형태일 수 있다. 캐소드(532)는 밴드를 따라 배치되어 전극의 라인을 정의(define)하고, 애노드(531)는 바람직하게는 캐소드(532)의 리스트(list)와 평행한 긴 전극의 형태일 수 있다. 도 6은 복수의 쌍의 애노드(631) - 캐소드(632)(a plurality of pairs anode631 - cathode 632)를 포함하는 다중 패드 전극(63)의 다른 구현을 도시하며, 각각의 캐소드(632)는 바람직하게는 하나의 동심의 애노드(631)에 의해 둘러싸여있다. 다중 패드 전극(63)은 절단되고 남은 부분(stump)를 둘러싸도록 구성된 밴드, 벨트 또는 테이프의 형태일 수 있다. 쌍 애노드 - 캐소드(pairs anode - cathode)는 밴드를 따라 배치되어 패드 또는 전극의 라인을 형성한다.
다음으로, 인공적인 신체 부위(또는 신체 부위의 일부 또는 전체가 감각 상실)로부터 자기수용적 정보와 감각 정보가 어떻게 코딩되는지와 자극 파라미터(펄스 폭, 자극 진폭 및 자극의 주파수)가 몇가지 시스템의 입력에 정확하게 반응하도록 수정되는 방법이 설명된다. 특히, 4 개의 예시적인(exemplary) 메시지가 도 7 내지 도 10에 도시되어있다. 추가 메시지를 사용할 수 있기 때문에 이것들은 제한적이지 않은 예입니다.
바람직한 실시 예에서, 시스템은 감각이 좋지 않은 손을 위한 감각 시스템 또는 인공적인 손으로부터 얻어진 4 개의 독립적인 입력(14)에 반응 할 수있다. 네 가지 다른 입력 신호는 다음과 같습니다: 인공적인 손의 구경(aperture)(접힌 손에서부터 열린 손까지); 인공적인 손 또는 감각 시스템에 의해 측정된 힘; 인공적인 손 또는 감각 시스템의 회전; 인공적인 손 또는 감각 시스템의 굴곡(flexion) / 연장(extension). 본 발명의 시스템은 관심있는 정보를 사용자에게 전달하는데 사용될 수있는 4 개의 각각의 자극 코딩 방식을(프로세싱 유닛(15)에서) 정의(define)함으로써 4 개의 독립적인 입력에 반응한다. 인공적인 손 또는 감각 시스템에 따라, 만약 사용된 경우, 이러한 입력은 예를 들면, 인공적인 손 또는 글러브의 구경, 회전, 및 굴곡/연장에 대한 인공적인 손 자기수용적 정보 또는 글러브의 구경, 회전 및 굴곡 / 연장에 대한 인공 손 자기수용적 정보뿐만 아니라 인공적인 손 또는 글러브에 내장된(built into) 최종(eventual) 센서로부터의 정보(터치, 힘, 진동, 온도, 습도(moisture) 센서 또는 기타)를 포함 할 수있다.
도 7은 바람직하게 인공적인 손 또는 글러브의 구경과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 이 방식에서, 인공적인 손 또는 글러브가 완전히 열려있을 때 활성화 될 패드 또는 전극은 팔의 중앙 도살 배치된(disposed at the central dorsal part of the arm) 두 개의 패드 또는 전극(two ones)이다. 손이 접히기 시작하면 이 패드는 비활성화되고 인접한 패드가 활성화된다. 이 프로세스는 팔의 중앙 볼라 부분에 배치된 패드 또는 전극이 활성화될-활성화는 접힌 손을 나타낸다- 때까지 계속된다.(This process is continued until the pads or electrodes disposed at the central volar part of the arm are activated, which represents closed hand.) 도 7의 점선(dotted) 화살표는 패드의 활성화 / 비활성화의 진화(evolution)를 설명한다. 대안으로, 활성화는 다른 방향(other way round) 일 수 있으며, 즉, 활성화 될 첫 번째 패드(first pads)는 팔의 중앙 볼라(volar) 부분에 배치된 2 개의 패드이고, 프로세스는 팔의 중앙 도살 배치 된 2개의 패드의 활성화로 끝난다. 다시 말하면, 활성 패드는 오직 두개의 중앙 패드가 활성될 때까지 두 개의 엔드 패드가 활성화되어 있고 남아있는 패드는 활성화 되지 않는 첫 번째 상황으로부터 변경되거나 혹은 그 반대의 경우도 가능하다.(In other words, the active pads change from a first situation in which either the two end pads are active and the remaining ones are not until only the two central pads are active; or vice versa.) 멀티 패드 전극은 패드의 그러한 정렬된(ordered) 활성화 / 비활성화를 허용하는 형상일 필요가 있으며, 팔 또는 팔의 절단되고 남은 부분(arm stump)주위에 배치 될 필요가있다. 다중 패드 전극의 예시적인 적절한 형상은 팔찌이다.
도 8은 바람직하게 인공적인 손 또는 글러브에 의해 측정된 힘과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안 된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 이 경우, 매핑은 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 전극상의 자극 주파수를 변화시킴으로써 수행된다. 예를 들어, 인공적인 손 또는 글러브에 의해 측정된 힘의 증가는 자극 주파수의 증가로 변환된다. 즉, 인공적인 손(또는 최종적으로 감각 시스템)에 의해 가해지는 힘의 증가는 활성 전극상의 자극 주파수의 증가로 코딩된다. 도 8의 설명된 매핑은 2 개의 활성 전극(도 8에서 어둠)으로 제한되지 않는다. 바람직한 실시 예에서, 이러한 2 개의 활성 패드들 사이의 거리는 도 7과 관련하여 설명 된 바와 같이 구경을 코딩한다. 이것은, 예를 들어 사용자가 도 8에 도시된 것보다 두꺼운 물체를 파지(grasping)하고있는 경우, 활성 전극,(이 실시예에서 2 개로 선택되었지만 상이한 양의 전극 일 수 있음)은 도 8에서 어두운 전극이 아니고 도살 쪽에 더 가까운 다른 전극이다. 대조적으로, 사용자가 예를 들어 빨대를 - 빨대는 도 8에 도시된 것보다 얇은 물체 - 파지하면, 활성 전극은 도 8에서 어두운 전극이 아니라 볼라 쪽에 더 가까운 다른 전극이다. 전술한 인공적인 손 또는 글로브의 구경을 위한 코딩 방식과 조합하여 인공적인 손에 의해 측정된 힘을 위한 코딩 방식이 사용자에게 파지되고 있는 물체의 단단함(stiffness)에 대한 정보를 제공 할 수 있다는 것을 지적하는 것이 중요하다. 예를 들어, 사용자는 힘이 증가 할 때 구경이 감소하면 인공적인 손 또는 글러브에 의해 물체가 스퀴즈(squeeze)되고 있는지를 인식할 수 있다. 각각의 독립적인 자극 파라미터(자극 위치 및 자극 주파수)로 구경 / 파지(grasping) 및 적용된 힘의 제안된 코딩으로 인해 가능하다.
도 9는 바람직하게 인공적인 손 또는 글러브의 회전과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 인공적인 손 또는 글로브의 회전은 원형으로 배치된 다중 패드 전극상의 활성 패드의 회전 진화(rotational evolution)로 변환(코딩)된다. 활성화 될 첫 번째 패드는 인공적인 손이나 글러브의 원래(original) 위치(회전을 시작하는 순간)에 대응한다. 인공적인 손이나 글러브의 회전하는 동안, 이미 활성 패드는 회전 방향의 다음 패드가 활성화되는 동안 비활성화되며, 회전의 끝 부분에 대응하는 패드가 활성화 될 때까지 계속된다. 제안된 해법에서, 이 정보 코딩은 도 7 및 도 8에 설명된 코딩 방식으로부터 독립적이며, 따라서 손 구경 및 가해진 힘에 대해 정보와 결합되어 사용될 수있다. 즉, 제안된 코딩 방식은 실제로 사용자가 예를 들어 회전과 구경 / 파지를 동시에 감지하거나, 또는 회전과 가해진 힘을 동시에 감지 할 수 있다.
도 10은 바람직하게 인공적인 손 또는 글로브의 굴곡 / 연장과 관련된 입력 신호에 반응하도록 선택된 제안된 코딩 / 매핑 방식을 나타낸다. 인공적인 손 또는 글로브의 굴곡 / 연장은 사전 프로그래밍된 시간 순서로 다중 패드 전극상의 추가 패드의 활성화로 변환(매핑)된다. 이 메시지 나 코딩 방식은 이전의 세 가지 메시지(ones)와는 달리, 관련된 정보를 보내려 하기 때문에 이전의 세 가지 메시지와 다르다. 대응하는 팔에 관하여 인공적인 손(또는 글러브 또는 FES 손 파지(grasp) 시스템)의 각도가 어느 정도(some amount)(예를 들어 15도) 변할 경우에만, 팔/절단되고 남은 부분(arm/stump)의 동일한 측면 상의 여러 개의 전극(예를 들어, 6개 - 제한되지 않음 -)은 상이한 양의 전극(different amount of electrodes)(예를 들어, 2) - 전극은 그렇지 않으면 활성화(electrodes that are active otherwise)- 대신에 활성화된다. 적어도 하나의 패드가 자극 될 때 자극 주파수는 위치 측정(localization) 또는 활성화 된 패드의 수로부터 독립적으로 인식될 수 있기 때문에, 인공적인 손 또는 시스템의 굴곡 / 연장과 관련된 코딩 방식은 힘 스킴(force scheme)과 결합 될 수 있다.
요약하면, 4 개의 코딩 방식은 서로 독립적이므로, 둘 이상의 독립적인 입력에 사용자가 반응 할 수 있도록 하기 위해 이들 중 하나 이상을 동시에 사용할 수 있다. 즉, 시스템은 적어도 두 가지 기능을 결합 할 수 있다. 예를 들어, 2 개의 구심성(afferent) 자극 패드의 위치를 사용하여 손의 구경을 인코딩하고 힘 정보(예를 들어, 더 높은 힘을 위해 더 높은 자극 주파수)를 코딩하는 주파수를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 예를 들면, 설명된 손의 회전(프로/슈피네이션(pro/supination))과 파지력(grasp force)(주파수)을 조합하는 것이 가능하다. 이는 자극 위치(자극 배치(stimuli location)라고도 함) 및 자극 주파수가 독립적인 변수이므로 동시에 구심성 신호를 인코딩하는 데 사용될 수 있기 때문에 가능하다(예 : 구경 / 파지는 주파수로 인코딩된 자극 배치와 힘으로 로 인코딩 됨). 요약하면, 제안된 코딩 방식은 실제로 예를 들어 물체가 스퀴즈(squeeze)되는 경우(자극 주파수의 동시 증가(힘의 증가를 나타냄)) 및 활성 전극의 근접성(즉, 구경의 감소)을 사용자가 알아차리게 하는 것이 가능하다.
관찰 할 수 있는 바와 같이, 4 개의 코딩 방식에 대응하는 설명된 실시 예에서, 전극의 물리적 구조는 그것이 배치되는 신체 부위를 따라 원형(팔찌 타입)이어야한다. 설명된 메시지 조합은 전극의 이러한 구성에서만 사용될 수있다.
요약하면, 사람이 인공적인 손 또는 글러브를 착용하고 팔찌 형태의 다중 패드 전극을 갖는 본 발명의 시스템(도 5 또는도 6)이 그의/그녀의 팔의 절단되고 남은 부분(arm stump)에 배치된 예시적인 실시 예에서, 매핑은 다음과 같이 수행된다: 팔의 중앙 도살 부분으로부터 팔의 중앙 볼라 부분을 향한 활성 전극의 이동은 손 구경(도 7)의 변화에 기초하고, 활성 전극상의 자극 주파수의 변화는 파지력에 기초하며(그림 8), 활성 전극의 회전은 인공적인 손 또는 글러브의 회전에 기초하며(그림 9) 활성 전극 수의 변화는 인공적인 손 또는 글러브의 굴곡 / 연장을 기초로 한다(그림 10). 제안된 인터페이스의 장점 중 하나는 핸드 구경 및 가해진 힘에 의해 파지된 물체가 스퀴즈(squeeze) 되는 경우 사용자가 느낄 수 있도록 하는 힘 정보의 동시 전송(concurrent transfer)이다. 시스템은 물론 이러한 특정 코딩 방식에 제한되지 않으며, 다른 자기수용적 정보 및 감각 정보 그리고 코딩 방식은 이들 4 개의 독립적인 원형으로 배치된 다중 패드 전극 파라미터를 통해 정보를 전송하는데 사용될 수있다. 다중 패드 전극은 비슷하게 작동하며 인공적인 손을 착용하는 대신에 감각이 좋지 않은 손에 감각 글러브를 착용하고있는 사람과 마찬가지로 정보가 코딩된다.
본 발명의 시스템을 일상적으로 사용하기 전에, 사용자(예를 들어, 팔,다리 절단 수술을 받은 사람)는(예를 들어, 인공기관 신체 부위에서 센서에 의해) 감지된 것과 다중 패드 전극에 의해 피부에서 생성된 실제 느낌(real feeling) 사이의 상관관계를 학습하기 위해 짧은 훈련을 받을 필료가 있다. 일단이 훈련이 완료되면, 사람은 독창적 인 시스템을 자율적으로 사용할 준비가 된다.
이 설명의 내용으로부터 명백한 바와 같이, 제안 된 시스템 및 방법은 사용자가 신체의 일부로서 그것을 느낄 수 있게 하기 때문에 손과 같은 인공적인 인공기관의 기능을 직접적으로 향상시킬 수있다. 이런 방법으로, 팔다리 절단 수술을 받은 사람은 인공적인 손을 효과적으로 사용할 수 있으며 삶의 질이 향상된다. 이 전기 촉각의 피드백 장치는 기존의 상업적으로 이용가능한 근전성의 인공기관의 성능을 향상시킬 수 있고, 비용 - 편익 비율의 직접적인 증가에 의해 그들의 유용성(acceptance) 레벨을 증가시키는데 사용될 수 있다. 근전성의 인공기관에서 평균 거부율은 기능 요구의 결여(lack of functional need), 불편함(과도한 무게와 열) 부족, 감각 피드백의 장애(impediment)와 주로 관련되어있는 청년과 성인 모두에서 오늘날 25 % 이상이다.
예를 들어, 팔다리 절단 수술을 받은 사람은 케이블을 통해 제한된 피드백을 제공하기 때문에 간단히 제어되는 보다 정교한 근전성의 손 대신에 종래의(기능적으로 제한된) 케이블 구동 인공기관을 선택한다(이를 확장된 생리학 자기수용이라 불리움(so called extended physiological proprioception)).
자기 적응(학습)하는 피질의 알려진 능력에 기초하여, 사용자는 외수용(exteroception) 및 자기 수용(proprioception)의 새로운 모덜리티(modality)을 개발할 것이다. 활성으로 된 패드는 인공적인 손에 내장된 센서(터치, 힘, 진동, 온도, 습기, 조인트 인코더 등), 다른 감각 시스템(예 : 손 위에 있는 데이터 글러브) 근전성의 인공적인 손을 제어하는 데 사용될 수 있는 EMG 측정으로부터 오는 신호를 따른다(follow the signals).
한편, 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 실시예(들)에 명백하게 한정되지 않고, 청구항에 정의된 발명의 일반적인 범위 내에서, 당업자에 의해 고려 될 수있는 임의의 변형을 포함한다(예를 들어, 재료, 치수(dimensions), 구성 요소들, 구성 등)
2. DESCRIPTION OF THE INVENTION
본 발명은 다중 패드 전극을 통한 전기피부의(electrocutaneous) 자극에 기초한 접근법을 적용하여, 예를 들면 손 인공기관 또는 감각이 없는 신체 말단-예를 들면 감각이 없는 손-과 같은 신체 말단 인공기관을 위해 종래의 장치(conventional devices)의 한계를 극복하는 감각 피드백 인터페이스 시스템을 제공한다. 특히, 상기 시스템은 자기수용적 정보(proprioceptive information)를 제공함으로써 인공적인 신체 부위 또는 신체 말단(인공기관 신체 말단) 또는 부분 감각 또는 전체 감각을 손실한 신체 말단을 식별하는 문제를 해결한다. 촉각의 감각(sense of touch)도 제공 될 수 있다. 관심있는 정보는 전기피부의 자극을 통해 사용자의 피부로 전달된다. 이것은 그립력(grip force) 조절 및 섬세한 모터 작업(delicate motor tasks)의 수행이 가능하도록 한다. 이 장치는 인공적인 신체 말단(또는 감각을 신체 말단으로 복원하는 감지 시스템)로부터 사용자에게 자기수용적인 그리고 감각 정보를 제공 할 수있는 직관적이고 배우기 쉬운 피드백 인터페이스를 사용하며, 다중 패드 전극 구성 및 자극 주파수의 변화에 기초하여 파지력(grasping force)의 조절 및 섬세한 모터 작업의 실행을 가능하도록 할 수 있다. 전극 구성 변화는 멀티플렉싱 유닛(multiplexing unit)을 통해 다중 패드 전극을 통해 시간 공간 분배된 자극을 가능하게하는 특수 설계된 전기적 자극기를 통해 가능하다.
또한, 본 발명은 자극의 위치(어레이 전극상의 활성 패드) 그리고(지각하기 쉽고 이해하기 쉬운) 직관적인 피드백 정보/메시지 방식(scheme)의 세트를 인코딩하는 자극 파라미터(펄스 폭, 자극 진폭 및 자극의 주파수)의 세트의 변화를 사용하여 인공적인 신체 말단(또는 감각의 부분적 또는 전체 손실을 갖는 신체 말단)으로부터 자기수용적 정보 및 감각 정보를 코딩하는 프로토콜에 관한 것이다. 이 프로토콜은 감각 없는 신체 말단 또는 인공기관의 제어에 사용되는 자기수용적 정보 또는 감각 정보의 모든 세트에 대해 직관적인 코딩 방식(scheme)을 정의(define)한다. 예를 들어, 인공적인 손의 회전은 활성 전극의 회전으로 코딩되고, 인공적인 손에 의해 가해지는 힘의 증가는 활성 전극상의 자극 주파수의 증가로 코딩된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치 된 감각 시스템(sensory system) 또는 인공기관으로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부에 전달하는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 적어도 하나의 입력 신호로부터 정의(define)된 자극 패턴(stimulation pattern)의 형태로 전기 촉각의 피드백(electrotactile feedback)을 제공하는 장치; 및 상기 사용자의 신체의 부위에 위치되도록 구성된 적어도 하나의 다중 패드 전극, - 상기 다중 패드 전극은 상기 자극 패턴에 따라 선택적으로 개별적으로 활성화/비활성화되도록 구성된 복수의 패드를 포함-을 포함한다.
상기 장치는 상기 인공적인 인공기관(37, 471) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터(operational parameters)를 나타내는(representing a corresponding plurality of operational parameters of said artificial prosthesis(37, 471) or sensory system(472)) 미리 정의된(predefined) 매핑방식(mapping scheme)에 포함된 복수의 자극 패턴(stimulation pattern) 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 수단(15) -상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37, 471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어 신호를 포함- ; 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스(electrical pulse)를 생성하는 자극 수단(11); 및 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드(discrete pad)를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 상기 미리 정의된(predefined) 매핑방식(mapping scheme)에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드(discrete pad)의 구성 파라미터(configuration parameter)를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극(cutaneous stimulation)을 가능하도록 상기 자극 수단(11)으로부터 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스(electrical pulse)를 전달하는 수단(12)을 포함한다.(The device comprises: means for processing said at least one input signal, wherein said at least one input signal comprises a control signal from said prosthesis or from said sensory system, thus coding said at least one input signal into one of a plurality of predefined stimulation patterns representing a corresponding plurality of operational parameters of said artificial prosthesis or sensory system; stimulating means for producing a plurality of electrical pulses based on said selected stimulation pattern; means for conducting said electrical pulses from said stimulating means to said at least one multi-pad electrode, thus selectively activating/deactivating the discrete pads of said multi-pad electrode and changing the configuration parameters of said discrete pads based on said stimulation pattern, thus enabling time and space distributed cutaneous stimulation corresponding to said at least one input signal.)
특정 실시 예에서, 시스템은 입력 신호로서 취급될 상기 처리하는 수단에 제공 될 제어 신호를 캡쳐(capture)하도록 구성된 데이터 획득 수단을 더 포함한다.
이 시스템은 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)의 한쪽 끝에 배치되고 반대쪽 끝에 인공적인 말단 인공기관 수용하도록 구성된 소켓에 통합 될 수 있다. 대안적으로, 상기 적어도 다중 패드 전극은 감각없는 신체 말단에서 감각 시스템을 갖는 사용자의 신체 부위 또는 인공적인 말단(extremity) 인공기관을 갖는 사용자의 신체 부위 중 어느 하나에 위치되도록 의복에 통합된다.
특정 실시예에서, 적어도 하나의 다중 패드 전극은 사용자의 절단되고 남은 부분 또는 몸체 부분을 원형으로 둘러싸도록(circularly surround) 설계되며, 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극에 포함된 복수의 패드는 상기 다중 패드 전극을 따라 단일 어레이로 배치된다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 입력은 인공기관의 구경, 굴곡, 회전 및 / 또는 파지력을 위한 제어 신호 또는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템으로부터의 제어 신호 중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 입력은 감각 정보를 더 포함한다.(In a preferred embodiment, the at least one input comprises at least one of control signal for the aperture, flexion, rotation and/or grasping force of a prosthesis or from a sensory system disposed at a body part having poor or no sensation. In a particular embodiment, at least one input further comprises sensory information.)
특정 실시예에서, 인공기관은 인공적인 손이거나 또는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위는 손이다.
바람직하게는, 미리 정의 된 자극 패턴은 다중 패드 전극에서의 활성화된 패드(들)의 위치(들), 자극 주파수, 자극 펄스 폭 및 자극 펄스 진폭를 포함하는 자극 파라미터들의 일부 또는 전부에 의해 정의(define)된다.
대안적으로, 자극 패턴은 자극 위치(stimuli location) 및 자극의 주파수를 포함하는 자극 파라미터에 의해서만 정의(define)된다.
시스템은 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치 된 상기 감각 시스템 또는 상기 인공기관으로부터 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 감각 정보를 전달하도록 추가로 구성 될 수있다.
본 발명의 다른 측면에서, 인공기관 또는 감각이 없거나 좋지 않는 신체 부위에 배치된 감각 시스템으로부터 자기수용적 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용 한 사용자의 피부에 전달하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 하나의 입력 신호로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계; 상기 사용자의 신체 일부에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극의 복수의 패드를 선택적으로 및 개별적으로 활성화 / 비활성화시키는 단계,- 상기 활성화 / 비활성화는 상기 자극 패턴에 따라 수행됨- 를 포함한다.
적어도 하나의 입력 신호로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백(electrotactile feedback)을 제공하는 단계는 상기 인공기관(37, 141) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는(representing a corresponding plurality of operational parameters of said artificial prosthesis(37, 471) or sensory system(472)) 미리 정의된(predefined) 매핑 방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 단계(15) - 상기 적어도 하나의 입력 신호는 상기 인공기관(37,471) 또는 상기 감각 시스템(472)로부터 획득한 제어신호를 포함-; 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 단계(11); 상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드(discrete pad)를 선택적으로 활성화/비활성화시키고 미리 정의된(predefined) 매핑 방식에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터(configuration parameter)를 변경하며, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극(cutaneous stimulation)을 가능하도록 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달하는 단계(12)를 포함한다.(The step of providing electrotactile feedback in the form of a stimulation pattern defined from at least one input signal preferably comprises: processing said at least one input signal, wherein said at least one input signal comprises a control signal obtained from said prosthesis or from said sensory system, thus coding said at least one input signal into one of a plurality of predefined stimulation patterns representing a corresponding plurality of operational parameters of said prosthesis or sensory system; producing a plurality of electrical pulses based on said selected stimulation pattern comprised in a predefined mapping scheme; conducting said electrical pulses to said at least one multi-pad electrode, thus selectively activating/deactivating the discrete pads of said multi-pad electrode and changing the configuration parameters of said discrete pads based on said stimulation pattern comprised in a predefined mapping scheme, thus enabling time and space distributed cutaneous stimulation corresponding to said at least one input signal.)
특정 실시예에서, 적어도 하나의 입력은 감각 정보를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 인공적인 손 또는 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템의 구경(aperture)은 다음과 같이 코딩된다: 초기 위치(열린 손)에서 활성화된 패드는 팔의 가장 먼 도살 부분(furthermost dorsal part )에 배치된 2개의 패드이고, 손이 접히기 시작할 때 인접한 패드가 활성화되는 동안 이 패드는 비활성화되고, 이 과정은 손이 접히고 팔의 중앙 볼라 부분(central volar part)에 배치된 패드가 활성화 될 때 까지 계속된다; 또는 그 반대 일 수 있으며(vice versa), 이때 활성화 될 첫 번째 패드는 팔의 볼라 부분에 배치 된 두 개의 패드이다.( In a particular embodiment, the aperture of an artificial hand or of a sensory system disposed at a hand having poor or no sensation is coded as follows: in an initial position(open hand) activated pads are the two ones disposed at the furthermost dorsal part of the arm, and when the hand starts closing these pads are deactivated while adjacent pads are activated, this process being continued until the hand is closed and the pads disposed at the central volar part of the arm are activated; or vice versa, meaning that the first pads to be activated are the two ones disposed at the volar part of the arm.)
특정 실시 예에서, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472)에 의해 측정되거나 인공적인 손(37, 471)에 의해 가해진 상기 파지력(grasping force)은, 측정된 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 패드(active pads) 에 자극 주파수를 변화하도록 코딩된다.
특정 실시 예에서, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전은, 상기 다중 패드 전극에서 상기 활성 패드의 회전 발달(rotational evolution)되도록 코딩-상기 회전 발달 되도록 코딩은 회전을 시작하는 순간 감각 시스템의 상기 인공적인 손의 원래의 위치(original position)에 대응하여 활성화되는 첫번째 패드, 상기 인공적인 손 또는 감각 시스템의 회전 동안 이미 활성화된 패드는 비활성화되고, 회전 방향에 따른 다음의 패드(following pad) 가 활성화되고, 이는 회전의 끝에 대응하는 패드가 활성화 될 때까지 계속됨- 되는 방법이다.(In a particular embodiment, the rotation of an artificial hand or of a sensory system disposed at a hand having poor or no sensation is coded into a rotational evolution of the active pads on the multi-pad electrode, the first pad being activated corresponding to the original position of the artificial hand or sensing system at the instant of starting the rotation, while during the rotation of the artificial hand or sensing system, the already active pad being deactivated while the following pad in the direction of the rotation is activated, and so on, until the pad corresponding to the end of the rotation is activated.)
특정 실시예에서, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 굴곡(flextion) / 연장(extension)이, 사전 프로그래밍 된 시간 순서에서 다중 패드 전극상의 적어도 하나의 추가 패드의 활성화하도록 코딩되는 방법이다.
특정 실시 예에서, 상기 방법은, 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 구경(aperture) / 파지(grasping); 또는 감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472)에 측정되거나 또는 인공적인 손(37, 471)에 가해진 파지력; 과 감각이 없거나 좋지 않은 손에 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전중에서 사용자가 적어도 2개를 동시에 검출할 수 있는 방법이다.
본 발명의 마지막 측면에서, 위에 기술된 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 명령 / 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
요약하면, 전기 촉각의 피드백 및 인공적인 말단(extremity) (또는 감각 없는 신체 말단)을 제어하는데 필요한 정보의 특정 코딩 방식(scheme)에 대한 특정 솔루션이 제공된다. 이 솔루션에서, 피드백은 인공기관을 직관적으로 제어하고 감각 데이터를 직접 전송하지 않기 위해 사용된다.
본 발명의 추가적인 장점들 및 특징들은 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이고, 첨부된 청구범위에서 특히 언급될 것이다(point out).
Claims (17)
- 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위를 위한 감각 시스템(472) 또는 인공기관(37, 471)으로부터 자기수용적 또는 감각 정보를 상기 인공기관 또는 상기 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전달하는 시스템에 있어서,
상기 인공기관(37, 471)은 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)에 위치되도록 구성되거나 또는 상기 감각 시스템(472)은 감각이 없거나 좋지 않은 신체 말단(body extremity)에 위치되도록 구성되고,
상기 자기수용적 또는 감각 정보를 상기 인공기관 또는 상기 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전달하는 시스템은,
적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 형성된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 장치(10, 30, 40); 및
상기 사용자의 신체의 부위에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)는,
상기 인공기관(37, 471) 또는 상기 감각 시스템(472)에 의하여 제공되고,
상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)는,
상기 인공기관(37, 471) 또는 상기 감각 시스템(472)으로부터의 감각 신호, 또는
상기 인공기관(37, 471)으로부터의 제어 신호
중 하나이고,
상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은,
상기 자극 패턴에 따라 선택적으로 및 개별적으로 활성화 또는 비활성화되는 복수의 패드
를 포함하고,
상기 자극 패턴은,
자극 파라미터들에 의하여 적어도 정의되고,
상기 자극 파라미터들은,
자극 위치 및 자극의 주파수(frequency of stimulation)를 포함하고,
상기 장치(10, 30, 40)는,
상기 감각 시스템(472) 또는 상기 인공기관(37, 471)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는 미리 정의된 매핑방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 처리하는 수단(15);
상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 자극 수단(11);
상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드를 선택적으로 활성화 또는 비활성화시키고, 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터를 변경하고, 상기 인공기관(37, 471) 또는 상기 감각 시스템(472)에 의하여 제공된 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극이 가능하도록, 상기 자극 수단(11)으로부터 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달하는 수단(12)
을 더 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 장치(10, 30, 40)는,
입력 신호로서 간주되도록 상기 처리하는 수단(15)에 제공될 제어 신호를 캡쳐하는 데이터 획득 수단(142)
을 더 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은,
사용자의 신체 부위 또는 절단되고 남은 부분을 원형으로 둘러싸고,
상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)에 포함된 복수의 패드는,
상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)을 따라 단일 어레이(single array)로 배치되는,
시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)는,
감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위에 배치된 감각 시스템(472)으로부터 또는 인공기관(37, 471)의 구경(aperture), 굴곡(flexion), 회전(rotation) 또는 파지력(grasping force)을 위한 제어 신호 또는 감각 신호 중 적어도 하나를 포함하는,
시스템.
- 제1항에 있어서,
적어도 하나의 입력 신호를 제공하는 요소는 인공기관이고,
상기 전기 촉각의 피드백을 제공하는 장치(10, 30, 40) 및 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)은, 상기 인공기관(37)이 위치하도록 구성된 신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)(38)에 위치되도록 구성된 소켓(36)에 포함되거나, 또는
적어도 상기 다중 패드 전극(43)은, 상기 인공기관(471)을 가지는 사용자의 신체 부위에 위치하도록 구성된 의복(garment)(46)에 포함되는,
시스템.
- 제1항에 있어서,
적어도 하나의 입력 신호를 제공하는 요소는, 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위를 위한 감각 시스템(472)이고,
적어도 상기 다중 패드 전극(43)은, 상기 감각 시스템(472)이 위치하는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 말단(body extremity)에 위치되도록 구성된 의복(garment)(46)에 포함되는,
시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 인공기관은 인공적인 손(hand)인,
시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 감각이 없거나 감각이 좋지 않은 상기 신체 부위는 손(hand)인,
시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 자극 패턴은,
자극 펄스 폭 및 자극 펄스 진폭 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 자극 파라미터에 의하여 추가로 정의(define)되는,
시스템.
- 감각이 없거나 좋지 않은 신체 부위를 위한 감각 시스템(472) 또는 인공기관(37, 471)으로부터 자기수용적 또는 감각 정보를 상기 인공기관 또는 감각 시스템을 착용한 사용자의 피부로 전달하는 방법에 있어서,
신체 부위의 절단되고 남은 부분(stump)에 위치되도록 구성된 인공기관(37, 471) 또는 감각이 없거나 좋지 않은 신체 말단(body extremity)에 위치되도록 구성된 감각 시스템(472)에 의하여, 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)를 제공하는 단계 -
상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)는,
상기 감각 시스템(472) 또는 상기 인공기관(37, 471)으로부터의 감각 신호(sensory signal), 또는
상기 인공기관(37, 471)으로부터의 제어 신호
중 하나임 -,
상기 감각 시스템(472) 또는 상기 인공기관(37, 471)에 의하여 제공되는 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 142, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴의 형태로 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계 - 상기 자극 패턴은, 자극 파라미터들에 의하여 정의되고, 상기 자극 파라미터들은, 자극 위치 및 자극의 주파수(frequency of stimulation)를 포함함 -; 및
상기 사용자의 신체의 부위에 위치하는 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 복수의 패드를 선택적으로 및 개별적으로 활성화 또는 비활성화 시키는 단계 - 상기 활성화 또는 비활성화는, 상기 자극 패턴에 따라 수행됨 -
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 341, 441)로부터 정의(define)된 자극 패턴 형태로 상기 전기 촉각의 피드백을 제공하는 단계는,
상기 인공기관(37, 471) 또는 감각 시스템(472)의 대응하는 복수의 동작 파라미터를 나타내는 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 복수의 자극 패턴 중 하나로 상기 적어도 하나의 입력 신호를 코딩하도록, 상기 인공기관(37,471) 또는 상기 감각 시스템(472)에 의하여 제공되는 상기 적어도 하나의 입력 신호(14, 141, 341, 441)를 처리하는 단계(15);
미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 선택된 자극 패턴에 기초하여 복수의 전기적 펄스를 생성하는 단계(11); 및
상기 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)의 개별 패드를 선택적으로 활성화 또는 비활성화시키고, 미리 정의된 매핑 방식에 포함된 상기 자극 패턴에 기초하여 상기 개별 패드의 구성 파라미터를 변경하고, 상기 적어도 하나의 입력 신호에 대응하는 시간 및 공간 분배된 피부 자극이 가능하도록, 상기 적어도 하나의 다중 패드 전극(13, 33, 43, 53, 63)으로 상기 전기적 펄스를 전달하는 단계(12)
를 포함하는, 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 신체 부위 또는 말단은,
손이고,
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 구경(aperture)은,
(1) 초기 위치가 열린 손(open hand)인 경우,
활성화된 패드는 팔의 가장 먼 도살 부분(furthermost dorsal part)에 배치된 두 개의 패드이고,
손이 접히기 시작하면, 인접한 패드가 활성화되는 동안 상기 패드가 비활성화되고,
손이 접힐 때까지 이 과정이 계속되고,
팔의 중앙 볼라 부분(center volar part)에 배치된 패드가 활성화되도록
코딩되거나, 또는
(2) 초기 위치가 접힌 손(closed hand)인 경우,
활성화되는 첫 번째 패드는 팔의 중앙 볼라 부분(central volar part)에 배치된 두 개의 패드이고,
팔의 중앙 도살 부분(central dorsal part)에 배치된 두 개의 패드의 활성화와 함께 이 과정은 종료되도록
코딩되고,
활성화되는 첫 번째 패드는,
상기 팔의 볼라 부분에 배치된 두 개의 패드인,
방법.
- 제10항에 있어서,
상기 신체 부위 또는 말단은, 손이고,
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치 된 감각 시스템(472)에 의해 측정되거나 인공적인 손(37, 471)에 의해 가해진 파지력은,
측정된 힘의 변화에 반응하여 하나 이상의 활성 패드(active pads)에 자극 주파수를 변화하도록 코딩되는,
방법.
- 제10항에 있어서,
상기 신체 부위 또는 말단은, 손이고,
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전은,
상기 다중 패드 전극에서 활성 패드의 회전 발달(rotational evolution)되도록 코딩되고,
상기 회전 발달은,
상기 복수의 패드 중 제1 패드는 회전을 시작하는 순간 감각 시스템의 상기 인공적인 손의 원래의 위치에 대응하여 활성화되고,
감각 시스템 또는 상기 인공적인 손의 회전 동안, 회전 방향으로 다음 패드(following pad)가 활성화되는 동안 이미 활성화된 패드는 비활성화되고,
회전의 끝에 대응하는 패드가 활성화될 때까지 계속되는,
방법.
- 제10항에 있어서,
상기 신체 부위 또는 말단은, 손이고,
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 굴곡(flexion) 또는 연장(extension)이,
사전 프로그래밍된 시간 순서에서 다중 패드 전극상의 적어도 하나의 추가 패드를 활성화하도록 코딩되는,
방법.
- 제10항에 있어서,
상기 신체 부위 또는 말단은, 손이고,
상기 방법은,
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 구경(aperture) 또는 파지(grasping),
감각이 없거나 좋지 않은 손에 배치된 감각 시스템(472)에 의하여 측정되거나 또는 인공적인 손(37, 471)에 의하여 가해진 파지력, 및
감각이 없거나 좋지 않은 손에 손에 배치된 감각 시스템(472) 또는 인공적인 손(37, 471)의 회전
중 적어도 2개를 동시에 사용자가 검출할 수 있도록 하는,
방법. - 삭제
- 삭제
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