KR102666189B1 - 갈바닉 전정 자극을 이용하여 체질량 조성을 변화시키는 장치 - Google Patents
갈바닉 전정 자극을 이용하여 체질량 조성을 변화시키는 장치 Download PDFInfo
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Abstract
인간 피험자의 좌측 및 우측 전정신경계(vestibular system) 각각에 상응하는 위치의 두피와 전기 접촉하도록 배치된 전극들을 사용하여 갈바닉 전정 자극(GVS)을 피험자에 인가함으로써 피험자의 체질량 조성을 변화시키는 장치 및 방법을 제공한다. 전류 소스는, 피험자의 두피 전체에 걸리는 저항을 측정하고 전압 출력을 조절하는 피드백 루프를 포함함으로써, 피험자의 두피 전체에 정전류를 유지한다. GVS는 일정한 시간 간격으로 지정된 기간 동안 인가될 수 있다.
Description
본원은 2017년 7월 7일에 출원된 미국 특허출원 제15/644,725호와 2017년 7월 7일에 출원된 미국 특허출원 제15/644,727호의 이점을 주장하며, 각각 전체를 본원에 참조로 포함하였다. 추가로 2015년 8월 25일에 출원된 미국 특허출원 제14/770,333호 (현재는 미국 특허 제9,731,125호로 등록됨)와, 2014년 2월 28일에 출원된 PCT 국제특허 제PCT/US2014/019658호 (2014년 9월 4일에 WO 2014/134564로 공개됨) 전체를 본원에 참조로 포함하였다.
본 발명은 개인의 체질량 조성에 생리학적 변화를 일으키기 위한 전정 자극 장치 및 방법에 관한 것이다.
비만은 과도한 체지방 축적과 관련된 의학적 병태이다. 비만은 개인의 체중과 신장을 기준으로 한 체중 측정치인 BMI(체질량 지수)로 정의된다. (BMI = 몸무게(kg)/(신장(m))2). 세계 보건기구와 국립 보건원에 의해 30 이상의 BMI가 비만으로 정의되었으며, 25 내지 30 범위의 BMI는 비만 전 단계로 정의되었다. 비만은 전 세계적으로 예방 가능한 사망 원인 중 하나이며, 기대 수명을 7년 정도 단축시키는 것으로 생각된다. 건강한 개인에게, 과도한 체지방은 그 자체로 성형술과 관련하여 중요하게 인식된 문제를 야기할 수도 있다.
과체중인 개개인들의 체중 감량을 돕기 위해 다양한 기법이 이용되었다. 이러한 기법으로 여러 가지 유형의 식이 요법, 운동 요법, 체중 감량 약물 및 체중 감량 수술이 포함된다. 쉽거나 보편적으로 효과적인 체중 감량 해결책은 현재 없다.
골다공증은 골무기질 밀도(BMD)가 감소되어 결과적으로 골절 위험이 증가하는 것을 특징으로 하는 골 질환이다. 세계 보건기구(WHO)는 골다공증을 이중 에너지 X선 흡광분석법으로 측정하였을 때 평균 표준 골 질량 (젊고 건강한 성인들의 평균)보다 표준 편차가 2.5 이상 미만인 BMD로 정의하였다. 골다공증의 발달은 다음과 같은 세 가지 요인의 상호 작용에 의해 결정지어진다: 첫째, 개인의 최고 BMD; 둘째, 골 흡수율; 셋째, 재형성 중 새로운 뼈의 형성 속도. 선진국에서의 고령화 인구, 특히 폐경기 이후 여성들에게 골다공증은 구체적인 건강상의 우려 사항이다. 골다공증을 치료하기 위해 다양한 약리학적 처치법이 이용되어 왔으며, 현재 주축을 이루고 있는 치료는 뼈의 재흡수 속도를 변화시키는 비스포스포네이트이다.
원심분리는 지구 표면에서 경험되는 중력장(1G)보다 큰, "과중력(hypergravity)"으로 지칭되는 중력장을 사실상 모방할 수 있다(Smith, 1992). 동물이 겪는 만성 원심분리가 체질량 조성의 변화를 야기한다는 것이 관찰되었다(Fuller et al., 2000; Fuller et al., 2002). 특히, 원심분리를 통해 과중력에 노출되었던 동물들은 "지방 성분과 무지방 성분 사이 체질량의 비례 분포"에서 변이를 나타내며 (Fuller et al., 2000), 자기강도에 비례하는 체지방 감소를 나타낸다 (Fuller et al., 2002).
과중력은 구체적으로 닭의 체지방 감소 (Evans et al., 1969; Smith & Kelly, 1963; Smith & Kelly, 1965; Burton & Smith, 1996), 햄스터의 체지방 감소 (Briney & Wunder, 1962) ), 기타 가금류의 체지방 감소 (Smith et al., 1975), 토끼의 체지방 감소 (Katovich & Smith, 1978), 생쥐의 체지방 감소 (Oyama & Platt, 1967; Keil, 1969; Fuller et al., 2000; Fuller et al., 2002) 및 쥐의 체지방 감소 (Oyama & Platt, 1967; Oyama & Zeitman, 1967; Pitts et al., 1972; Roy et al., 1996; Warren et al., 1998)를 야기하는 것으로 보고되었다. 체지방 감소가 목격되었다는 것은 상당히 중요할 수 있다. 예를 들어, 닭의 체지방은 1G에서의 30%로부터 3G에서는 3%로 감소할 것으로 보고되었다 (Burton & Smith, 1996). 마찬가지로, 2G에 사는 마우스는 절대 체내 지방 비율이 대략 55% 감소된 것으로 나타났다 (Fuller et al., 2000). 대사 기질로서의 지방산의 증가와 대사율 증가를 수반한 것으로 보인다 (Fuller et al., 2006).
현저한 지방 손실이 과중력에 대한 체질량 조성의 주된 변화인 것으로 보이지만, 신체의 무지방 성분의 상대적인 크기 증가와 더불어, 만성 원심분리를 겪는 동물의 근육 및 뼈에서의 특정 변화들도 몇몇 저자들에 의해 언급되었다. 2G 환경에 적응된 작은 실험실 동물은 (체중 칼슘 함량을 사용하여 측정하였을 때) 골격 질량이 약 18% 증가한 것으로 보고되었다 (Smith, 1992). Jaekel et al. (1977)은 또한 2.76G에서의 장기간 원심분리에 의해 쥐 대퇴골의 골무기질 밀도가 증가한 것으로 보고되었다.
굴곡근과 신근 사이의 밸런스는 과중력에 반응하여 반 중력 기능 근육에 유리하게 이동하는 것으로 관찰되었다 (Smith, 1992). 지구 상의 가금류에서 다리의 신근 대 굴곡근의 질량 비율은 0.85이지만 이 비율이 2G에서는 1.17로 변화되었다 (Burton & Smith, 1967; Smith, 1992). 또한 과중력에 노출된 동물의 근육들에 기능적 차이가 생긴 것으로 보인다. 2.5G에 적응된 동물들의 (탈진할 때까지 달리게 하여 측정하였을 때) 운동 능력은 적응되지 않은 대조군의 운동 능력의 약 3배이고, 최대 산소 섭취량도 증가하는 등, 현저한 증가를 보여주었다 (Burton and Smith, 1967, 1996). 4주 동안 4G 환경에 노출된 햄스터도 마찬가지로 비복근 피로에 대한 저항성이 높아졌고, 강축(tetanic contraction)의 강도가 37% 증가한 것으로 밝혀졌다 (Canonica, 1966).
과중력에 적응된 랫트의 경우에는 미오신 중쇄 (MHC)로 지칭되는 단백질을 분석함으로써 근육들의 기능적 적응을 검사하였다 (Fuller et al., 2006). 8주 동안 2G에 노출된 성체 랫트는 비장근과 족저근의 MHC 특성이 변화된 것으로 밝혀졌다 (Fuller, 2006). 비장근은 지구력 활동에 더 좋은 지근 섬유를 더 많이 갖게 된 경향을 보였고, 족저근은 전력 질주에는 더 좋지만 더 빨리 피로해지는 경향이 있는 속근 섬유를 비교적 많이 가지게 되었다 (Gollnick et al., 1974; Fuller et al. 2006). Fuller et al. (2006)은 2G에 적응된 랫트의 비장근에서는 지근 형태의 MHC(MHC1)가 증가되었고, 족저근에서는 반대로 속근 형태의 MHC(MHC2b)가 증가한 것을 발견하였다.
단독 또는 조합으로 이러한 생리학적 변화를 설명하기 위한 몇 가지 기전이 제시되었는데, 미토콘드리아 비결합 단백질의 변형; 유체량 변이; 두개 내압의 변화; 골격근의 증가된 부하; 변화된 섭식 행동; 및 전정신경계의 활성화 (Fuller et al., 2000; Fuller et al., 2002)가 이에 포함된다. 전정신경계는 균형 감각 및 공간 방향 감각에 지대한 역할을 하며, 각각의 내이(inner ear)에 (회전 운동을 감지하는) 3개의 반고리관과, 선형 가속 및 중력을 감지하는 (타원낭 및 소낭으로 지칭되는) 2개의 이석 기관으로 구성된다 (Khan & Chang, 2013). 이들이 이석 기관으로 불리는 이유는, 중력 또는 선형 가속의 영향 하에 수용체 세포에 작용하여 전정 구심성 신경 활동을 변화시키는 수많은 자유 이동 탄산칼슘 결정들(이석으로 불림)이 들어 있는 유체-충전 주머니들이기 때문이다.
원리분리를 겪은 동물들에서 관찰되었던 생리학적 변화를 일으키는 데 있어서 이석 기관이 특히 중요하다는 것이 돌연변이 마우스를 사용한 실험을 통해 제시되었다. 첫 번째 실험에서는, 이석 기관은 없지만 무손상 상태의 반고리관들을 가진 야생형 마우스와 돌연변이형 마우스가 2G에서 8주간 만성 원심분리를 겪었다 (Fuller et al., 2002). 해당 기간이 끝날 무렵, 2G에서 살고 있는 야생형 마우스는 1G에서 살고 있는 대조군에 비해 체지방율이 현저하게 감소했으며 (8.5% 대 15.5%), 대조군에 비해 제지방 근육량 비율은 현저하게 증가했다 (91.5% 대 83.1%). 그러나, 2G에 살고 있는 (이석 기관이 없는) 돌연변이 마우스는 1G에 살고 있는 돌연변이 마우스에 비해 체질량 조성에서 어떠한 유의한 변화도 보이지 않았다.
두 번째 연구에서는 (이석 기관이 없는) 야생형 마우스와 돌연변이 마우스가 2G에서 2시간 동안만 원심분리를 겪었다 (Fuller et al., 2004). 야생형 마우스에서, 항상성 및 자율 신경계 조절에 중요하다고 알려진, 등쪽안쪽 시상하부 (섭식 행동을 감독하고 체질량에 대한 세트포인트를 정하는 데 매우 중요한 것으로 여겨지는 뇌 영역) (Fuller et al., 2004); 팔곁핵; 선조 말단의 침상신경핵; 편도체; 등쪽 솔기; 및 청색반점을 비롯한, 다양한 뇌 구조의 광범위한 활성화 (c-fos 상향조절로 측정함)가 저자들에 의해 보고되었다. 이러한 발견들이 돌연변이 마우스에서는 관찰되지 않았다.
(다리뇌와 연수에 위치하며 전정신경계로부터 전정 신경을 통해 신호입력을 받는) 전정신경핵이 팔곁핵(PB) 및 중뇌수도관주위회색질(PAG)의 뇌간 항상성 부위들에 (직간접적으로 두정엽-섬이랑 전정피질(PIVC)을 통해) 투영되는 것으로 여겨진다 (McGoch의 박사 논문, 1 장과 3 장, Section 8 참조). PB는 이러한 전정신경의 신호입력을 (추궁판 1 척수- 및 삼차신경- 시상로 섬유들을 통해) 교감신경의 신호입력과 (고립로의 신경핵들을 통해) 부교감신경의 신호입력과 통합함으로써 항상성 (즉, 안정적인 내부 생리학적 환경)을 유지하는 작용을 하는 것으로 보인다 (Balaban and Yates, 2004; Craig, 2007; Craig, 2009; McGeoch et al., 2008, 2009; McGeoch, 2010).
PB는 행동, 신경 내분비 및 자율 신경계의 원심성(efferent) (즉, 교감 신경과 부교감 신경) 반응들에 의해 항상성을 유지하는 작용을 하는 것으로 여겨진다 (Balaban and Yates, 2004; McGeoch, 2010). 해부학적으로 PB는 대뇌섬(insula) 및 전방 대상(cingulate) 편도체 및 시상하부로 투영된다. 대뇌섬 및 전방 대상은 정서적 영향과 동기 부여, 그리고 이에 따른 행동에 연루되는 대뇌 피질 영역들이다 (Craig, 2009). 시상하부는 신경 내분비계를 조정하는 데 결정적인 역할을 하며, 특히 등쪽안쪽 측면을 통해 섭식 행동을 감독하고 체질량 조성에 대한 세트포인트를 정한다 (Balaban and Yates, 2004; Fuller et al., 2004; Craig, 2007). (또 다시, 시상하부 및 대뇌섬과 함께) 편도체는 마찬가지로 자율 신경계 제어에 중요한 것으로 알려져 있다. PB는 또한 항상성에 관여하는 PAG 및 기저전뇌에도 신호출력된다 (Balaban and Yates, 2004).
전정신경계는 또한 주요 교감 제어 부위인 입쪽 복위측 연수(RVLM)에 신호입력 되는 것으로 알려져 있으며, 교감신경 기능에 미치는 것으로 관찰된 전정 자극의 변조 효과가 적어도 부분적으로는 RVLM을 통해 유발될 수 있는 것으로 보인다 (Bent et al., 2006; Grewal et al., 2009; James & Macefield 2010; James et al., 2010; Hammam et al., 2011). 그러나, 반고리관들은 전정 자극 시 교감신경 유출의 변조에 관여하지 않기 때문에 (Ray et al., 1998), 전정 자극으로 인해 발생하는 모든 교감신경 변조는 이석 기관(즉, 타원낭 및 소낭)의 활성화에 기인하는 것이 틀림없다. 인체 내 대부분의 지방 조직을 구성하는 백색 지방 조직은 교감 신경계에 의해 신경분포가 이루어지며, 이러한 신경분포가 지방 조직의 질량과 지방 세포 수를 조절하는 것으로 알려져 있다 (Bowers et al. al., 2004).
교감 신경계는 긴 성숙골의 신경분포를 담당하는 것으로도 알려져 있으며, 이를 통해 뼈의 재형성에 변조 역할을 한다 (Denise et al., 2006). 랫트의 양측성 전정 병변은 체중을 지탱하는 뼈의 무기질 밀도를 감소시킨다 (Denise et al., 2006). 그러나, 이러한 감소는 아드레날린 수용체 길항제 프로프라놀롤에 의해 방지되며 (Denise et al., 2006), 이는 전정신호 입력과 교감 신경계 사이의 직접적인 상호 작용을 시사한다. 따라서, 보고된 것처럼 과중력에 대응한 골무기질 밀도의 증가 (Jaekel et al., 1977; Smith, 1992)는 전정-교감 신경 효과에 의해 유발될 수도 있다.
전정심경핵과 등쪽안쪽 시상하부를 연결시키는 직접적인 경로를 보여주는 데이터도 존재하며 (Cavdar et al., 2001), 이러한 등쪽안쪽 시상하부는 섭식 행동을 조절하고 체질량에 대한 세트포인트를 정하는 데 구체적으로 관여하는 것으로 이미 언급된 시상하부의 일부이다 (Fuller et al., 2004).
지방 세포에 의해 분비되는 호르몬 렙틴은 시상하부에 작용하여 음식 섭취와 에너지 소비를 조절한다. 렙틴은 음식 섭취를 억제하고 에너지 소비를 증가시키는 작용을 하며 (Hwa et al., 1997), 체중 조절에 중요한 역할을 한다. 특히, 전정 자극은 렙틴 방출을 증가시키는 것으로 밝혀졌다 (Sobhani, 2002; Sailesh & Mukkadan, 2014).
전정 자극에 대한 화학적 접근법은 메니에르병을 치료하기 위해 얼마 동안 사용되어 온 부분 히스타민-3(H3) 수용체 길항제인 베타히스틴에 기반을 둘 수 있다. 또한 시냅스이전 H3 수용체를 차단함으로써 베타히스틴은 히스타민의 방출 증가 및 H1 수용체의 활성화를 유발하는 것으로 알려져 있는데, 이는 항히스타민 전정신경 억제제에 상반되는 작용이다 (Barak et al., 2008; Baloh & Kerber, 2011). 초기의 일부 보고서는 적어도 특정 하위 그룹에서 베타히스틴이 효과적인 체중 감량 약물이 될 수 있다고 제시하였다 (Barak et al., 2008). 이와 달리, 전정신경 억제 약물은 종종 체중 증가를 초래한다.
인간의 전정신경계 구성요소들 중 일부 또는 모두를 자극하기 위해 다양한 기법이 연구 및 임상 목적으로 사용되었다 (Carter and Ray, 2007). 이들 기법으로: (1) 온수나 냉수 또는 공기를 귀의 외이도를 관주하고, 해당 귀의 가쪽반고리관을 주로 자극하는 것을 포함하는, 전정 온도 자극; (2) 양 가쪽반고리관을 활성화시키는 수평(yaw) 헤드 회전; (3) 이석 기관과, 초기에 반고리관들을 활성화시키기 위한 헤드-다운 회전; (4) 이석 기관을 활성화시키는 선형 가속; (5) 이석 기관을 활성화시키는 수직축이탈 회전(OVAR); (6) 전류를 사용하여 전정 장치의 다섯 가지 구성 요소 모두를 활성화시키는 갈바닉 전정 자극 ("GVS") (Fitzpatrick & Day, 2004; St. George & Fitzpatrick, 2011); (7) 청각 클릭을 이용하여 클릭음으로 유도되는 전정 자극 (Watson & Colebatch, 1998); 및 (8) 목 근육 진동으로 유도되는 전정 자극 (Karnath et al., 2002)이 포함된다. 이들 기법 중 오로지 한 기법(GVS)만이 전문가의 감독없이 가정용으로 상업적으로 생산되는 실용적 옵션을 제공한다.
GVS는 2개의 전극을 통해 낮은 전류(일반적으로 0.1 내지 3 밀리암페어 (mA))를 경피적으로 인가하여 전정신경계를 자극하는 것을 포함한다. 이들 전극을 머리 둘레의 다양한 위치에 배치할 수 있지만, 각 유양돌기 위의 피부에, 즉 각 귀의 뒤쪽에 배치하는 것이 전형적이다. 일부 저자는 이를 "양귀 배치(binaural application)"라 부른다. 양극과 음극을 사용하는 경우에 가장 흔히 반복적으로 사용되는 방법으로 각 유양돌기 위에 하나씩 배치하게 되는데, 이를 GVS의 양귀 양극성 배치라고 부른다. 전류는 정상태, 구형파, 사인파 (교류) 패턴을 비롯한 다양한 방식으로, 그리고 펄스열 형태로서 전달될 수 있다 (Petersen et al., 1994; Carter & Ray, 2007; Fitzpatrick & Day, 2004; St. George & Fitzpatrick, 2011).
최근까지 영국에서는 FOOD WATCHER™로 알려진 전자 식욕 억제 장치가 시판되었다. FOOD WATCHER™은 귀에 있는 경혈점들을 전기적으로 활성화시켜 결과적으로 사용자의 식욕을 억제할 수 있다는 것을 전제로 한다. 또한 미주신경을 활성화시켜 식욕을 억제할 수 있다는 주장이 있었다 (Esposito et al., 2012).
FOOD WATCHER™ 전극은 외이도에 삽입되도록 설계된 원추형 플러그였다 (Esposito et al., 2012). FOOD WATCHER™는 "귀마개(ear plug)를 통해 진폭 40V, 주파수 50 Hz 및 전류 40 mA의 신호"를 생성한 것으로 보고되었다 (Esposito et al., 2012).
FOOD WATCHER™의 효과를 조사하기 위해 40명의 건강한 과체중 및 비만 지원자들을 연구하였다 (Esposito et al., 2012). 지원자들 중 10명에 FOOD WATCHER™ 및 저칼로리 식이요법을, 다른 10명에 저칼로리 식이요법만을, 또 다른 10명에 FOOD WATCHER™ 및 고단백 식이요법을, 그리고 또 다른 10명에는 고단백 식이요법만을 제공하였다. 저자들은 “2개월 동안 전기 자극과 식이요법으로 동시 치료한 결과, 평균 체중 감소가 저칼로리 그룹에서는 7.07kg, 고단백 그룹에서는 9.48 kg였던 반면에, 저칼로리 식이요법 단독 그룹과 고단백 식이요법이 단독 그룹에서는 평균 체중 감소가 각각 5.9kg 및 7.17kg인 것으로 관찰되었음"을 발견함으로써, 특히 고단백 식이요법과 함께 사용되었을 때의, 귀를 통한 전기 자극이 아마도 음양 경혈 에너지 균형을 통해 작용하면서 체중 감량에 도움이 될 수 있을 것으로 결론지었다.
미세전극을 사용하여 골격근의 혈관에 대한 근육 교감 신경 활성(MSNA)를 직접 인간에서 측정할 수 있다. 구형파 펄스 형태로 (1초 동안 2 mA로) 전달된 GVS는 MSNA를 변화시키는 데 효과적이지 않은 것으로 보고되었다 (Bolton et al., 2004; Carter & Ray, 2007). 이와 달리, (각 유양돌기 위에 전극을 배치된) GVS를 보다 동적으로 전달하면 MSNA를 변조하는 데 효과적이다. 이는 펄스열 (특히, 30 ms에 걸쳐 1 ms 펄스, 및 심전도의 R파에 시간-고정된 10개의 펄스열) (Voustianiouk et al., 2005)과 사인파형 GVS (-2 내지 2 mA, 60 내지 100 사이클, 양위 양극성 GVS (±2 mA, 200 사이클)로 0.2, 0.5, 0.8, 1.1, 1.4, 1.7 및 2.0 Hz의 주파수로 인가됨) 둘 다를 11명의 지원자들에게 사용하면서, 동시에 이들의 MSNA를 측정함으로써 밝혀졌다 (Grewal et al., 2009).
Grewal et al.은 모든 주파수에서 MSNA의 순환적 변조 정도를 발견했지만, MSNA의 전정신경 변조는 0.2 Hz에서 상당히 강력하였고 0.8 Hz에서 상당히 약했다. 이는 “자세 변경과 연관된 것과 같은 전정신호 입력의 저주파 변화가 우선적으로 MSNA를 변조시킨다"는 것을 시사했다. 반대로, 심박수 빈도 (즉, 0.8 Hz, 1분 당 48번 박동에 해당됨) 정도의 전정신호 입력들이 심박수 빈도로 활성화되는 압력수용체 (압력을 감지하는 혈관 벽 내 기계적수용체들)에 의한 MSNA 변조와 경쟁하고 이에 의해 억제된다는 것이 제시되었다.
압력수용체 반사 작용이 (미주신경 및 고립로의 신경핵을 포함한) 부교감 신경계를 통해 이루어져, RVLM의 작용을 억제하는 것으로 여겨진다. 이러한 억제는 꼬리쪽 복위측 연수를 통해 적어도 부분적으로 유발될 수 있다 (Sved et al., 2000).
8명의 인간 피험자가 자신의 심장 주파수로, 그리고 이 주파수로부터 ±0.1, ±0.2, ±0.3, ±0.6 Hz에서 사인파형 GVS를 받은 연구에서, 심장 주파수와 상이한 주파수를 가진 전정신호 입력이 MSNA를 변조하는 데 더 효과적이라는 주장을 뒷받침하는 추가 증거가 발견되었다 (James & Macefield, 2010). 해당 저자들은 GVS 주파수가 심장 주파수에 더 근접하였을 때 MSNA 활성에 미치는 GVS의 변조 효과가 손상되었다고 보고하였다.
동 저자들은 또한 0.2, 0.5, 0.8, 1.1, 1.4, 1.7 및 2.0 Hz에서 유양 돌기 위의 양귀 양극성 GVS (±2 mA, 200 사이클)를 받은 11명의 지원자에서, 미세 전극을 사용하여 피부 교감 신경 활성(SSNA)을 측정하였다 (James et al., 2010). 2.0 Hz에서 상당히 더 약했지만, 모든 주파수에서 GVS의 뚜렷한 생물학적 사이클 변화(entrainment)가 발견되었다. MSNA의 전정신경 변조에서 관찰된 패턴 (Grewal et al., 2009)과 대조적으로, SSNA의 펄스 관련 변조는 0.2 Hz에서보다 0.8 Hz에서 더 컸던 것으로 보고되었다.
최근 한 연구에서, 이 그룹은 (0.08, 0.13 및 0.18 Hz의) 저주파 사인파형 GVS가 MSNA 변조에 의한 2개의 피크를 생성한다는 것을 발견하였다 (Hammam et al., 2011). 이는, 우측 전정 신경이 과극성화되고 좌측 전정 신경이 무극성화된 사인파의 포지티브 피크로부터 1차 피크가 생성되고, 그 반대 시나리오 도중에 MSNA 변조에 의한 제2 피크가 생성된다는 것을 시사했다. 이 동작은 더 높은 주파수에서는 관찰되지 않았으며, 아마도 2차 피크가 생성될 시간이 충분하지 않았기 때문일 수 있다. 저자들은 이 발견이 "전정신경 핵으로부터의 양측신호 입력이 MSNA가 시작되는 신호출력 신경핵, 입쪽 복위측 연수로의 융합된다"는 것을 가리킨다고 시사했다.
전정 자극의 다양한 용도가 종래 기술에 기재되었다. 이러한 용도로, 멀미 치료 (Mark에 허여된 미국특허 제4,558,703호); 가상 환경에서의 자극을 위한 헤드셋 (Campbell, et al.에 허여된 미국특허 제6,077,237호); 자세 동요 반작용 (Collins, et al.에 허여된 미국특허 제6,219,578호); 수면 유도, 호흡 기능 제어, 환자의 기도 개방 및/또는 현기증 방지 (Lattner, et al.에 허여된 미국특허 제6,748,275호); 내이 전정 온도 자극 장치 (Rogers, et al.에 허여된 미국특허 제8262717호); 및 불안증 완화 (Kirby에 허여된 미국특허 제8,041,429호)가 포함된다.
다음과 같은 특허가 출원되었다: "Method of delivering caloric vestibular stimulation" (Rogers, et al.의 미국 특허출원 공개 제2011/0313498호), 및 GVS 사용을 포함할 수 있는"System and method for reducing snoring and/or sleeping apnea in a sleeping person" (Bensoussan의 미국 특허출원 공개 제2008/0308112호). Chan, et al.은 GVS의 다양한 용도에 대해 다음과 같은 여러 개의 특허를 출원하였다: "Adaptive system and method for altering the motion of a person" (미국 특허출원 공개 제2010/0114256호); "System for altering motional responses to sensory input" (미국 특허출원 공개 제2010/0114255호); "System and method for providing therapy by altering the motion of a person" (미국 특허출원 공개 제2010/0114188호); "System and method for providing feedback control in a vestibular stimulation system" (미국 특허출원 공개 제2010/0114187호); "System for altering the motional response to music" (미국 특허출원 공개 제2010/011418허); "System and method for game playing using vestibular stimulation" (미국 특허출원 공개 제2010/0113150호); "System and method of altering the motions of a user to meet an objective" (미국 특허출원 공개 제2010/0112535호); 및 "System and method of training to perform specified motions by providing motional feedback" (미국 특허출원 공개 제2010/0112533호).
또한 GVS는 2개의 이석 기관을 비롯한 전정기구의 구성 요소들 모두를 자극하는 것으로 알려져 있으며, 동적 형태의 GVS (즉, 펄스열 및 사인파)는 교감신경 활성을 변조하는 데 효과적인 것으로 보인다. 양귀 양극성 사인파형 GVS를 사용하는 경우, 심장 주파수와 상이한 주파수로 인가되었을 때 MSNA의 변조가 더 크다.
종래 기술에서 GVS의 많은 용도가 보고되었지만, 인간의 체질량 조성을 변화시키는 것에 GVS를 응용하는 교시나 제시는 없었다. 본 발명은 이러한 응용에 관한 것이다.
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본 발명에 따르면, 인간의 체질량 조성을 변화시키기 위해 갈바닉 전정 자극을 인가하는 장치, 그리고 인간의 체질량 조성을 변화시키기 위해 갈바닉 전정 자극을 이용하는 장치가 제공된다. 예시적 구현예에서, 사인파 또는 펄스열 갈바닉 전류를 피험자의 두피에 배치된 전극들을 통해 인가하여 이석 기관을 자극하고 전정신경계를 활성화시킨다. 체질량 조성을 변화시키면, 체지방 감소; 제지방 근육량의 상대적 증가; 및 골무기질 밀도 증가 중 하나 이상의 효과가 있을 수 있다. 본 발명은 비만 및 비만과 관련된 질병 (예컨대, 제2형 당뇨병 및 고혈압), 골다공증에 대한 영향을 변화시키는 데 사용될 수 있거나, 신체 훈련에 도움을 주어 상대적 제지방 근육량을 늘리고 그 근육의 운동 능력을 향상시키는 데 사용될 수 있다.
예시적 구현예에서, 바람직하게는 (사인파 또는 펄스열 형태로 인가될 수 있는) GVS를 통해 전정 자극을 인가하여 체질량 조성을 바꿈으로써: 전체 체지방 감소; 제지방 근육량 증가; 및 골무기질 밀도 증가를 달성한다. 이러한 효과는 GVS에 의한 내이의 이석 기관 활성화, 이어서 RVLM을 통해 유발될 수 있는 교감 신경계의 활성 조절을 통해 발생할 수 있다. 또한 이 효과는 뇌간 항상성 부위 (구체적으로는 PB, PAG), PIVC, 편도체, 인 슐라 및 시상 하부와 같은 뇌 구조에 미칠 수 있다. 이 효과는 또한 렙틴과 같은 특정 호르몬의 방출에 대한 영향을 통해 유발될 수 있다. (각 유양돌기 위에 하나의 전극을 갖는) 양귀 양극성 GVS를 동적 형태(예컨대, 사인파 또는 펄스열)로 인가하는 경우에 본 발명의 효능이 더 커질 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 갈바닉 전정 자극(GVS)을 인간 피험자에 인가함으로써 인간 피험자의 체질량 조성을 변화시킨다.
본 발명의 일 양태에서, 인간 피험자의 체질량 조성을 변화시키는 장치는 피험자의 좌측 및 우측 전정신경계 각각에 상응하는 위치의 두피와 전기 접촉하도록 배치된 전극들; 및 상기 전극들과 전기적으로 연통하여 갈바닉 전정 자극(GVS)을 피험자에 인가하는 전류 소스를 포함한다. 일 구현예에서, 전류 소스는 기정된 전압 범위 내에서 정전류를 생성한다. 전류 소스는 교번 극성을 갖는 전류를 생성할 수 있다. 전류 소스는, 피험자의 두피 전체에 걸리는 저항을 측정하고 전압 출력을 조절하는 피드백 루프를 추가로 포함함으로써, 피험자의 두피 전체에 정전류를 유지한다. 전류 소스에 의해 생성되는 전류는 0.001 mA 내지 5 mA 범위일 수 있다. 전류 소스에 의해 생성되는 전류는 피험자의 심장 주파수보다 적은 주파수를 갖는 사인파일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 인간 피험자의 체질량 조성을 변화시키는 방법은 갈바닉 전정 자극(GVS)을 피험자에 인가하는 단계를 포함한다. GVS는 각 유양돌기에 근접한, 피험자의 두피에 전극을 배치함으로써 인가될 수 있다. GVS는 교번 극성의 일정 레벨 전류일 수 있다. 일 구현예에서, 일정 레벨 전류는 피험자의 두피 전체에 걸리는 저항을 측정하고 전압 출력을 조절하도록 구성된 피드백 루프에 의해 유지될 수 있다. GVS는 피험자의 심장 주파수보다 적은 주파수를 갖는 사인파 전류일 수 있다. GVS는 매일, 매주 또는 그 조합인 일정한 시간 간격으로 지정된 기간 동안 인가될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 필요로 하는 인간 피험자의 전체 체지방을 감소시키는 방법은 갈바닉 전정 자극(GVS)을 피험자에 인가하는 단계를 포함한다. 본 발명의 또 다른 양태는 필요로 하는 인간 피험자에 갈바닉 전정 자극(GVS)을 인가함으로써 피험자의 상대적 제지방 근육량 비율을 증가시키는 방법이다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 필요로 하는 인간 피험자의 골무기질 밀도를 증가시키는 방법은 갈바닉 정전 자극(GVS)을 피험자에 인가시키는 단계를 포함한다.
첨부된 도면과 함께, 본 발명의 일부 바람직한 구현예에 대해 후술되는 상세한 설명을 통해 본 발명을 더 잘 이해할 수 있다. 도면에서 유사 참조번호는 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 예시적 자극 장치 회로의 배선도이다.
도 2는 대안적 구현예에 따른, 이득 제어 성분을 갖는 자극 장치 회로의 배선도이다.
도 3은 제2 대안적 구현예에 따른 자극 장치의 배선도이다.
도 4a와 도 4b는 장치에서 생성되는 예시적 파형을 나타낸다.
도 5는 예시적 GVS 전극 배치법을 보여주는 도면이다.
도 6은 좌측 내이의 전정신경계를 나타내는 도면이다.
도 7은 인간 피험자의 첫 번째 DXA 스캔 결과를 보여주는 샘플 보고서이다.
도 8은 일련의 GVS 검사에 이어, 동일한 인간 피험자의 두 번째 DXA 스캔 결과를 보여주는 샘플 보고서이다.
도 9는 GVS 전달에 사용되는 예시적 파형을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 나타낸 예시적 파형을 이용한 간접 칼로리 측정치를 나타내는 그래프이다.
도 1은 예시적 자극 장치 회로의 배선도이다.
도 2는 대안적 구현예에 따른, 이득 제어 성분을 갖는 자극 장치 회로의 배선도이다.
도 3은 제2 대안적 구현예에 따른 자극 장치의 배선도이다.
도 4a와 도 4b는 장치에서 생성되는 예시적 파형을 나타낸다.
도 5는 예시적 GVS 전극 배치법을 보여주는 도면이다.
도 6은 좌측 내이의 전정신경계를 나타내는 도면이다.
도 7은 인간 피험자의 첫 번째 DXA 스캔 결과를 보여주는 샘플 보고서이다.
도 8은 일련의 GVS 검사에 이어, 동일한 인간 피험자의 두 번째 DXA 스캔 결과를 보여주는 샘플 보고서이다.
도 9는 GVS 전달에 사용되는 예시적 파형을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 나타낸 예시적 파형을 이용한 간접 칼로리 측정치를 나타내는 그래프이다.
도 1과 도 1는 본 발명의 방법을 시행하는 데 이용될 수 있는 GVS 회로의 한 가지 가능한 구현예를 나타낸다. 본 장치(20)는 마이크로컨트롤러를 사용하여 소프트웨어 프로그램이 가능할 수 있는, 시간 흐름에 따른 갈바닉 전류의 소스를 포함한다.
도 1은 연산증폭기("op-amp")-기반 정전류 소스를 비롯한, 일 구현예에 따른 자극 장치(20)의 기본 성분들을 나타낸다. 전극(4 및 6)을 통해 두피(10)에 전압을 걸고 이를 op-amp(12)로 측정한다. 예시적 구현예에서, op-amp(12)는 범용 연산증폭기일 수 있으며, 일 예로, 시중에 널리 시판 중인 LM741 시리즈 op-amp가 있다. 당해 기술 분야에서의 기술 수준 내로 적합한 연산증폭기를 선택하면 된다. 두피(10)에서 op-amp(12)의 2번 핀(반전 입력단자)으로 복귀하는 전압이 3번 핀(비반전 입력단자)에서의 기준 전압 +9V와 다른 경우, 연산증폭기는 7번 핀을 통해 +18V 입력을 끌어와 6번 핀에서의 전압 출력량을 증가시킴으로써, 두피(10)에 걸리는 전류를 증가시켜 전류를 일정 레벨에 유지한다. 부하 저항(16)은 250 ohm이다. 2번 핀에서 op-amp(12)로 입력된 전압을 낮추어 전위차계(14)를 조절함으로써 이득 제어가 이루어지며, 이에 따라 두피에 흐르는 전류량을 제어하게 된다. 바람직한 구현예에서는, +9V 입력 및 +18V 입력이 하나 이상의 배터리(미도시)에 의해 제공되거나, 적절한 안전 대비책이 마련된 통상의 DC 변환기가 사용되기도 한다.
도 2의 배선도에서는, 도 1의 기본 자극 장치 회로에 제어 성분들이 추가되었다. ATtiny13 마이크로컨트롤러(24) (미국 캘리포니아주 산호세 소재, Atmel Corporation) 또는 이와 유사한 장치의 펄스 폭 변조(PWM) 출력 (MOSI(마스터 입력/슬레이브 입력, 5번 핀)) 방식에 의해 전력을 공급받는 트랜지스터(22)는 자극 장치의 이득을 제어하는 데 사용될 수 있다. PWM은 트랜지스터가 op-amp(12)(2번 핀)으로 유입되는 전압을 어느 정도 끌어와 접지시키게 함으로써, 두피에 흐르는 전류량을 변조시킨다.
바람직한 일 구현예에서, 장치 성분들 및 모든 외부 인터페이스는 적절한 방식으로 자극 매개변수를 선택하는 데 적절한 사용자 제어부들(32)을 구비한 하우징(30) (도 5에 도시됨) 내부에 밀폐될 수 있다. 노브(knob)는 단지 예시적 목적으로 도시된 것이며, 스위치, 버튼, 프레셔 범프, 슬라이드, 터치스크린 또는 기타 인터페이스 장치를 비롯한 다른 유형의 제어부를 사용할 수 있음을 주목한다. 장치의 기능성 확장을 위해 추가될 수 있는 선택적 디자인 구성요소들로는, 메모리 카드 또는 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EEPROM0)와 같은 메모리 저장 장치가 있으며, 이는 자극 시간, 자극 지속 시간 및 자극 세기를 기록할 수 있게 해 준다. 이는 마이크로컨트롤러(24)로 하여금 남은 디지털 출력 (MISO(마스터 입력/슬레이브 출력, 6번 핀))으로부터의 논리-레벨 3.4V 펄스 (TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리))를 장치 하우징 상에서의 적절한 포트를 통해 SD(secure digital) 메모리 카드, EEPROM, USB 플래시 드라이브 또는 다른 데이터 저장 장치로 출력하게 함으로써 달성될 수 있다. 또한, +18V 입력은 충전 펌프 또는 DC-DC 스텝업 변환기, 이를테면 MAX629나 MAX1683(미도시)을 집적시켜 도출할 수 있다. 이러한 디자인 특징은, 필요한 +18V 입력을 일회용 또는 리튬이온 충전식 소형 배터리를 이용하여 생성하는 식으로, 장치의 크기를 줄인다는 장점이 있다. 추가 특징으로, 당해 기술 분야에 알려진 바와 같이, 프로그래밍 및/또는 원격 컴퓨팅 장치(개인용 컴퓨터(PC), 스마트폰 또는 태블릿 컴퓨터를 포함할 수 있음)로부터의 데이터 수집을 위한 무선 통신 회로가 포함될 수 있다.
전류를 진폭과 주기가 조절가능한 사인 파형 형태로 정확한 간격 및 지속시간(duration)으로 진동시키는 능력과, 심지어는 정확한 간격으로 극성을 전환시키는 능력이 본 발명에 GVS를 구현하기 위한 기타 기능들에 포함될 수 있다.
GVS 인가를 용이하게 하고/하거나 개선시키기 위한 추가적 선택사양으로, 움직임, 위치, 심박수 등과 같은 피험자의 활동 및/또는 생체 측정 특성을 감시하는 센서들이 생성한 신호에 기초하여 최적 효과를 위해 자극 매개변수를 조절하는 내장된 바이오피드백 능력이 포함될 수 있다. 예를 들어, 심박수 센서 또는 모니터가 측정한 실시간 심박수를 GVS 장치로의 입력값으로 이용하여, 사인파형 GVS 주파수를 심장 주파수의 적절한, 가능하다면 미리 프로그램된 분율로 자동 조절하는 기능을 작동시킬 수 있다. 가속도계를 사용하여 측정한 사용자의 움직임 또는 위치에 대한 실시간 데이터 역시 자극 제어를 위한 입력값으로 사용함으로써, 유효성 및 안전성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 사용자의 위치에서 과잉 움직임이나 변화가 검출되면 치료를 종료시킬 수 있거나, 역효과를 미칠 수 있는 위치 변화에 대해 사용자에게 경고를 줄 수 있다. 심박수 센서/모니터 및/또는 가속도계는 유선 또는 무선 연결을 통해 본 발명의 GVS 장치와 통신하는 개별 장치들일 수 있다. 대안으로는, 센서들을 GVS 장치에 직접 통합설치하여 웨어러블 "감지-치료" 시스템을 형성할 수 있다. "스마트" 웨어러블 모바일 건강관리 장치를 위한 모바일 컴퓨팅 기술에 대해 새로운 센서들이 개발 및 구성되었으므로, "감지-치료" GVS 장치는 장치에 입력되는 폭넓은 센서 데이터 배열에 근거한 정확히 맞춤화된 자극을 제공할 수 있다.
도 3은 ATmega328 마이크로컨트롤러 (미국 캘리포니아주 산호세 소재, ATMEL® Corporation)에 기반한, 시중에 널리 시판 중인 ARDUINO® Uno 단일 보드 마이크로컨트롤러(42) (미국 매사추세츠주 캠브리지 소재, Auduino LLC)를 사용하여 구현된, 본 발명에 따른 장치(40)의 예시적 프로토타입의 배선도를 나타낸다. 마이크로컨트롤러(42)는 14개의 디지털 입력/출력 핀 (그 중 6개는 펄스 폭 변조(PWM) 출력단자들로 사용될 수 있음), 6개의 아날로그 입력단자, 16 MHz 세라믹 공진회로, USB 연결부, 파워 잭, ICSP 헤더, 및 리셋 버튼을 포함한다. 회로로 공급되는 +14.8V DC 전력은 배터리(49)에 의해 제공된다. 예를 들어, 각각 3.7V (1300 mAh)를 공급하는 4개의 리튬이온 배터리를 사용하며, 바람직하게는 충전 포트(51)를 통해 재충전이 가능하다.
PMW는 출력 파형이 정확하게 제어될 수 있게 한다. 이 경우, 파형은 도 4a에 나타낸 것처럼 반복적인 양-전위 절반 사인파 패턴을 취한다. 주파수는 0.5 Hz로 사전에 정해졌지만, 수동 제어를 통해서나, 심박수 센서와 같은 센서로부터의 입력에 대응하여 다른 값으로 설정할 수 있다 (예컨대, 도 5 참조). 사용자는 전위차계(電位差計)를 조절하여 수동적으로 진폭을 제어하여, 0 내지 14.8V 범위의 전압이 전극에 공급될 수 있게 한다. 이러한 조절은 노브를 돌리거나, (물리적으로 또는 터치스크린을 통해) 슬라이드를 움직이거나, 기타 다른 공지된 사용자 제어 기법을 이용하여 실행될 수 있다. 대안으로, 전위차계 설정치는 센서로부터의 입력에 대응하여 자동 조절될 수 있다. 릴레이(44)는 그래픽 디스플레이부(45)에 전압 조절을 전달하여, 선택된 전압 및/또는 전류의 판독값이 제공되도록 한다.
릴레이(46)는 1초 펄스마다 전류의 극성을 효과적으로 역전시키는 데 이용될 수 있다. 그 결과는, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 사인파형 패턴이 극성을 바꾸며, 이로써 완전한 사인 파형이 생성되고 약 1초로 교번되는 자극 주기가 좌우 유양돌기 전극(50L 및 50R)에 만들어 진다.
본 장치는, 장치가 제대로 작동하고 있다거나 배터리를 교체해야 한다는 등의 지시와 같은, 장치 상태에 대한 시각적 디스플레이, 즉 진단적 지침 (diagnostic guidance)을 제공하는 3색 LED(52)를 선택적으로 포함할 수 있다.
선택적 디자인 구성요소로는, 전위차계 제어, 전압 및 전류의 디지털 표시, 그리고 기타 작동 매개변수 및/또는 사용 이력을 포함하는 터치스크린 구성이 있을 수 있다. 예를 들어, 배터리 잔여 전하량, 이전 자극 통계치 및 저항값 변동량이 표시될 수 있다. 추가 특징으로는, 파형 변경사항, 이를테면 주파수 변경 및 파 유형(예를 들면, 구형파, 펄스파 또는 랜덤 잡음)의 변화에 대한 제어부가 있을 수 있다. 외부 신호소스에 기반한 주파수, 세기 또는 다른 자극 매개변수의 피드백 제어나 수동 제어에 ARDUINO® 마이크로프로세서 플랫폼 (또는 임의의 유사한 플랫폼)이 이상적으로 적합하다. 예를 들어, BLUETOOTH® 기능이 제공된 ARDUINO® 마이크로프로세서 플랫폼은 iPHONE®, ANDROID®, 또는 다른 스마트폰, 노트북 컴퓨터 또는 PC, 태블릿 또는 모바일 장치로 무선 제어가 가능하므로, 모바일 장치 상에 전용 스크린을 가질 필요 없이 상기 장치의 터치스크린을 사용하여 GVS 자극 매개변수를 제어 및/또는 표시할 수 있다. 모바일 장치는 이전 자극으로부터의 데이터를 저장 및 분석하여, 장기간의, 이를테면 6개월에 걸친, 자극에 관한 경향과 통계치를 제공하도록 구성될 수도 있다. 이의 애플리케이션은 프로그램이 자극 주기에 따른 인체 측정치 및 체중 변화를 강조 표시하면서 사용자들의 진행 과정과 목표를 감시 및 지도할 수 있게 한다.
체질량 구성 변화를 실행시키는 데 사용되는 도 3의 구현예에 대한 예시적 작동 순서에 하기 단계들이 포함될 수 있다:
1. 푸시버튼 파워 스위치(41)를 작동시키면, 배터리(들)(49)는 5V 레귤레이터 및 1 amp 퓨즈(도면에 표시는 되어 있지만 따로 참조번호를 갖지 않음)를 통해 5V DC를 마이크로프로세서(42)에 공급한다.
2. LED(52)는 녹색 불빛을 3번 반짝거림으로써 전원이 켜졌음("on")을 표시한다. 청색 불빛이 반짝거리면 배터리를 충전시킬 필요가 있다. 전압이 전극(50L 및 50R)에 공급되는 동안 LED(52)는 적색 불빛을 일정한 시간 간격으로 (예컨대, 30초 내지 1분 간격으로) 반짝거릴 것이다.
3. 마이크로프로세서(42)는 0.75 VDC 절반 사인파를 생성한다. 증폭기로 전압을 14.8V까지 증폭시킨다. 사인파는 1초에 ½ 사이클을 완성한다 (즉, 사인파의 주파수는 0.5 Hz이다). 전위차계(48)를 이용하여 전압을 0V에서 14.8V로 변경시킬 수 있다. ½ 사이클이 완성된 후, 릴레이(46)는 전극(50L, 50R)의 극성을 전환시키고, 마이크로프로세서(42)는 또 다른 ½ 사이클을 보낸다. 그러면 릴레이(46)는 또 다시 극성을 전환시키며, 이는 유닛이 "on"인 동안에 계속 수행된다. 최대 ±14.8 VDC의 완전환 사인파가 전극에 보내지며, 전위차계(48)에 의해 풀 전압 스윙이 변조된다.
5. 디지털 디스플레이부(45)는 전극(50L, 50R)에 전달된 전압과 전류의 시각적 표시를 제공한다. 디스플레이부의 크기와 복잡성에 따라, 전압 값과 전류 값이 동시에 또는 단시간(예컨대, 3초) 동안 번갈아 표시될 수 있다.
다른 장치 선택사양으로 사용자 제어부를 포함함으로써, 전류가 진폭과 주기가 조절가능한 사인 파형 형태로 정확한 간격 및 시간으로 진동될 수 있게 하고/하거나, 그 극성이 정확한 간격으로 전환되도록 할 수 있다. 전술된 바와 같이 스마트폰이나 다른 모바일 장치를 통한 외부 제어 및 감시 역시 포함할 수 있다. 외부 또는 내부 센서를 통한 인터페이스 및 피드백 제어를 위한 추가 입력 및 처리 능력을 포함될 수 있다.
도 5는 좌측 유양돌기 위로, 대상자 좌측 귀(35)의 귓바퀴 뒤 피부에 배치된 예시적 GVS 전극(34)을 나타낸다. 유양돌기를 점선(38)으로 나타내었다. 우측 유양돌기 위로, 우측 귓바퀴 뒤에 같은 방식으로 우측 전극(미도시)이 배치될 수 있다. 여기에 도시한 전극 배치는 예로만 주어진 것임을 주목해야 한다. 실제로, 각 전극이 전정신경계에 충분히 근접하게 놓여 원하는 자극을 인가하는 한, 전극 적용의 좌우차(laterality), 예컨대, 전극들을 정확하게 양측 유양돌기 위에 놓는 것이 중요하다고 여겨지지 않는다. 이들 전극(34)은 리드(lead)(33)에 의해 (하우징(30) 내부의) 자극 장치(40)에 연결된다. 본 도면에서 단순 구조의 노브(32)로 도시된 수동 제어 수단을 작동시켜 전류 또는 다른 매개변수를 제어할 수 있다. 전술된 바와 같이, 대안적 제어 수단으로, 슬라이드, 터치스크린, 버튼 또는 기타 통상적 제어 장치가 포함될 수 있다. 외부 제어 신호, 예를 들어, 심박수 모니터(35)로부터의 신호는 도시된 것처럼 무선으로, 또는 센서와 장치 사이로 뻗어 있는 리드를 통해 장치에 입력될 수 있다. 임의의 발생가능한 피부 자극을 최소화하기 위해, 시중에 널리 시판 중인 경피신경전기자극(TENS)용 2x2 인치 백금 전극과 같은 전극을 사용할 수 있다. 전도도를 높이고 피부 자극 위험성을 낮추기 위해 전도성 겔(37)을 피험자의 두피와 전극 접촉면 사이에 바를 수 있다.
만일 전극 위치가 변하거나 피부와의 접촉이 일부 없어지면, 피험자가 실제 인가받는 전류량은 사용자가 발한 시 가변되기도 하는 두피 저항(I두피 = V전극/R두피)에 좌우된다. 문헌에 인용된 전류 레벨은 두피 저항이 실제보다 훨씬 낮았을 경우에만 전달될 수 있었던 것으로 보인다. 본 발명의 방법 및 장치 개발과 더불어 수행된 측정에 의하면, 경유양돌기(trans-mastoid) 저항은 일반적으로 200 내지 500 k-Ohm이다. 따라서, 만일 GVS 장치를 실제로 사용하여 1 mA를 전달한다면, 옴의 법칙에 따라 전압이 200 내지 500V가 될 것이다. GVS를 인가하는 데 보통 사용되는 배터리-구동식 장치들은 정말로 이러한 출력을 생성할 수 없다. 따라서, GVS에 전달되는 실제 전류에 관련해서 기존 보고서들에 오류가 있는 것으로 보인다.
선행 기술의 디자인들은 각 피험자의 고유한 두피 저항에 대한 고려가 부족하므로, 각 환자에게 효과적인 전류를 전달하지 않을 수 있다. 본 발명에서는, 이러한 한계를 피험자 내 두피 저항을 고려하는 것은 물론, 시술 내내 일어날 수 있는 두피 저항 내 변동(fluctuation)을 보상함으로써 극복할 수 있다. 전류 인가 시 두피 저항이 조금 들쭉날쭉 변하는 것을 보상하기 위해, 본 발명의 GVS 장치는, 두피 전체에서 실제 측정된 전류와 원하는 전류를 지속적으로 비교하고 어떠한 차이도 자동적으로 상쇄시키는 내부 피드백 루프를 포함할 수 있다. R두피가 증가하면 V전극이 증가하여 보상한다. 반대로, R두피 강하가 발생하면 전압이 감소된다. 이러한 동적 피드백 보상 루프는 전극-두피 임피던스의 들쭉날쭉한 변화와 상관없이 시술 시간 동안 두피 전체에 정전류를 제공한다.
도 6은 좌측 내이의 전정신경계를 나타낸다. 말초 청각 기관인 와우(cochlea)(68) 또한 도시되어 있다. 회전 운동을 감지하는 전반고리관(62), 후반고리관(67) 및 수평반고리관(63); 그리고, 선형 가속 및 중력을 감지하는 이석 기관 (타원낭(66) 및 소낭(65))을 나타낸다. 어떠한 이론에 구애되는 것을 바라지는 않지만, GVS가 유발하는 모든 체질량 조성 변화에 이석 기관이 관여하는 것으로 알려져 있다. (제8 뇌신경으로도 알려져 있는) 전정와우 신경(64)은 (와우로부터의 신호를 전달하는) 와우 신경과, (전정신경계로부터의 신호를 전달하는) 전정 신경으로 구성된다.
검증
원래는 골무기질 밀도(BMD)를 측정하고 골다공증 관리에 도움을 주기 위해 개발되었던 기술인 이중 에너지 X선 흡광분석법(DXA)을 이용하여 본 발명의 성능을 평가하였다. 최근에 들어, 이 기술은 BMD 외에도 지방량 및 제지방량 분석을 포함하는 데까지 확장되었다. DXA 기기는 고에너지 X선과 저에너지 X선을 교번적으로 방출하여 정확한 고품질 이미지를 생성한다. 팬 빔(fan beam)을 사용하면 스캔 시간을 단축시킬 수 있으므로, 몇 초 또는 몇 분 이내로 스캔을 완료할 수 있다.
DXA 데이터 수집의 기본 원리는 높은 X선 레벨과 낮은 X선 레벨에서 뼈 감쇠와 연조직 감쇠에서의 차이에 기초한다. X선 빔이 피험자를 통과할 때, 검출기는 피험자의 인체 해부학적 구조에 의해 흡수되는 다양한 레벨의 X선을 기록한다. 조직 값 및 뼈 값을 포함하는 미가공 스캔 데이터가 캡처되어 컴퓨터로 전송된다. 알고리즘은 각 픽셀을 해석하고, 뼈 및 신체 조직들의 이미지와 정량적 측정을 생성한다.
골무기질 밀도, 제지방 및 전체 체지방을 측정하기 위해 HOLOGIC® Discovery W™ DXA 스캐너를 이용한 전신 DXA 스캔을 수행하였다. 이 기법은 전체 체지방에 대해서는 3%의, 제지방에 대해서는 1.5%의 정밀 오차 (1SD)를 가진다. DXA 기법을 이용한 골밀도 측정에 대한 생체 내 정밀도가 요추에서 0.5 내지 1.5%이며, 요추 골밀도의 표준편차는 0.01 g/cm2이다. 여기서 사용된 제안 연구계획과 관련된 방사선 위험은 낮으며, 각 피험자가 받는 총 피복선량은 0.26 mSv이다. 이 방사선 노출량은 낮은 것으로, 통상 1년 동안 자연 노출로 인해 한 사람이 받는 양(즉, 대략 1.6 mSv)보다 낮다.
앞서, 상표명 VESTIBULATOR™ (캐나다 온타리오주의 Good Vibrations Engineering Ltd.)로 판매 중인 유사한 상용 GVS 장치는 타 기관들의 수많은 연구에서 사용되어 왔다 (Barnett-Cowan & Harris, 2009; Trainor et al., 2009.). 이 장치는 8개 AA 배터리로 작동하므로 전압이 절대 12V를 초과할 수 없다. 제조업체의 설명서에 따르면, 이 장치가 전달할 수 있는 최대 전류는 2.5 mA이다. 본 발명은 보다 사용자-친화적인 장치를 사용한다 (예컨대, 하우징 측면에 있는 제어부(노브, 슬라이드 또는 이와 유사한 것)를 사용하여, 전달하고자 하는 전류를 조절할 수 있지만, 비교 대상인 VESTIBULATOR™에서는 MATLAB® 스크립트를 작성한 다음 BLUETOOTH®를 통해 원격으로 업로드하여 VESTIBULATOR™ 설정을 다시 프로그래밍 해야만 그 비슷한 조절 작업을 수행할 수 있다.).
GVS 시에 매우 적은 전류가 사용되기 때문에 이 기법은 안전하다고 여겨진다 (Fitzpatrick & Day, 2004; Hanson, 2009). 특히, 전류에 의해 심실 세동을 포함한 심장 부정맥이 유발될 수는 있지만, 이러한 발생에 대한 임계치는 75 내지 400 mA 범위로, 이는 배터리 구동 GVS 장치가 전달할 수 있는 전류 레벨보다 훨씬 높다. 또한, 도 5에 나타낸 것처럼 이들 전극은 두피에만 적용될 뿐, 가슴 위의 피부 근처 어디에도 적용되지 않는다.
피부를 고전압 전기로 자극하면 저항 발열이 일어날 수 있다. 그러나, GVS 시 전달되는 전압 및 전류(일반적으로 1 mA 미만)는 이러한 위험을 초래하는 레벨보다 훨씬 낮다. 그럼에도, pH 변동으로 인해 피부 자극이 발생할 수는 있다. 이는 큰 표면적 (약 2 인치 직경)의 백금 전극들, 그리고 알로에 베라 전도성 겔을 사용함으로써 완화시킬 수 있다.
GVS 치료 중의 심장 주파수를 정하기 위해 피험자의 심박수(HR)를 감시하는 것이 바람직할 수 있다. 심장 주파수와 사인파형 GVS의 주파수 간에 특정 비율을 유지함으로써 압수용체(壓受容體) 활성 저해를 막도록, 심장 주파수를 이용하여 사인파형 GVS의 주파수를 변경할 수 있다. 예를 들어, 사인파형 GVS 주파수 대 심장 주파수 비율은 0.5가 적합할 수 있다.
GVS 인가 시, 도 5에 도시된 바와 같이, 한 백금 전극이 한 유양돌기 위의 피부에 부착되고, 다른 한 전극은 다른 유양돌기 위의 피부에 부착된다. 이들 전극은 알로에 베라를 함유한 전도성 겔로 코팅될 수 있다. 본 장치를 작동시켜 (경유양돌기 저항이 약 500 kOhm이라고 하였을 때) 0.5 Hz에서 사인 파형으로 대략 0.1 mA의 전류를 전달한다. 장치의 통상적 전류 범위는 약 0.001 mA 내지 5 mA가 될 것이다. 피험자는 세션 내내 앉아 있거나 등을 대고 똑바로 누워 있어야, 전정 자극 시 균형 감각이 달라져 일어날 수 있는 사고(mishap)를 피하게 된다. 장치는 1 시간 후에 자동으로 멈추도록 설정되어 있지만, 원한다면 피험자는 치료를 더 빨리 중단시킬 수 있다. 피험자는 균형 감각이 정상으로 돌아올 때까지 자리에 앉아 있어야 하며, 이렇게 정상으로 돌아오는 것은 GVS 장치가 꺼진 후 짧은 시간 내에 이루어져야 한다.
실시예 1 - 23세 여성 피험자
한 인간 피험자에 대해 축적된 데이터로, 전체 체지방을 감소시키고 제지방 근육량을 늘리기 위해 체질량 조성을 변화시키는데 효과적인 접근법으로서의 GVS 사용을 뒷받침한다. 상기 피험자는 1989년에 태어난 히스패닉계 여성으로, 연구 당시 23세였다. 2012년 10월 8일과 2012년 12월 7일 사이에 총 20 시간의 GVS 인가가 이루어졌다. 이 두 달 동안 피험자는 매 자극치료일에 GVS를 1시간 동안 받았다. 어느 자극치료일에도 GVS 세션은 절대 1시간을 넘지 않았다.
연구를 시작할 때와 종료할 때 (임신 테스트에서 음성으로 판명된 후), 피험자는 전술된 DXA 스캔을 받았다. 첫 번째 DXA 스캔은 첫 번째 GVS 세션 당일 (세션 전)에 수행되었고, 두 번째 스캔은 최종 GVS 세션 후 5일째에 수행되었다. 수분공급 상태가 일정한 수준에 있도록 확실히 하기 위해, 피험자는 DXA 스캔 후 12시간 이내에 운동하지 않을 것과 술, 담배 및 카페인 음료를 삼가할 것을 지시 받았다. 피험자는 스캔때마다 동일한 생리주기 시기에 있었다고 보고했다. 피험자에게는 자신이 실험적 시술을 받았는 지 또는 플라시보 시술을 받았는 지에 대해 알려주지 않았다.
전극을 각각의 유양돌기 위 피부에 배치하는 등의 양귀 양극성 방법을 이용하여 GVS를 인가하였다 (도 5 참조). World Precision Instruments사의 선형 자극 아이솔레이터 (A395D)를 사용하여 자극을 인가하였고, 이 자극을 BK Precision사의 신호 발생기 (모델 4010A)를 통해 0.5 Hz 사인 파형으로 만들었다. 피험자는 인가 시간 내내 눈을 뜨고 앉아 있었다. (미세연마 겔을 이용하여 피부를 준비시킨 다음) 피험자의 경유양돌기 저항 근사값은 대략 500 kOhm이었다. 원하는 수준의 자극 효과를 얻기 위해, 각각의 GVS 세션 내내 대략 0.1 mA의 전류를 전달하였다. 피험자는 각 자극 세션 동안 전후 또는 좌우로 천천히 흔들리는 느낌을 인지하였다고 보고했다. 피험자는 연구 기간 동안 자신의 식습관을 바꾸지도 않았고 운동을 하지도 않았다. 피험자는 정기적으로 복용하는 약물도 없었다.
초기 기준선 DXA 스캔에 대한 보고서를 도 7에 제공하였다. 시험한 결과, 치료 전의 피험자는 전체 체지방이 32947.4g; 골무기질 함량(BMC)과 제지방 근육량의 총합이 49799.3g; 그리고 체지방율이 39.8%였던 것으로 나타났다. 치료를 마무리한 다음의 두 번째 DXA 스캔을 수행한 후의 결과를 도 8에 나타내었다. 치료 후 결과에 의하면, 전체 체지방이 31839.9g; BMC와 제지방 근육량의 총합이 51890.4g; 그리고 체지방율이 38.0%인 것으로 나타났다. (BMC는 위에서 골다공증 진단에 사용되는 것으로 설명한 BMD에 정비례한다).
두 스캔 간에, 피험자의 BMC와 제지방 근육량의 총합이 2091.1g 증가하였고, 전체 체지방은 1107.5g 감소하였다. 기준선 스캔과 비교하여, 이는 BMC와 제지방 근육량의 총합이 4.2% 증가하였고, 전체 체지방이 3.4% 감소하였음을 나타낸다. 피험자의 BMC와 전체 제지방 근육량의 총합에 대한 총 지방의 비율이 0.06에서 0.61로 개선되었다. 따라서 당 피험자로부터 얻은 데이터는 전술된 것처럼 체질량 조성을 변화시키기 위해 GVS를 사용한다는 방법을 뒷받침하고 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 개개인의 체질량 조성에 생리학적 변화를 일으키기 위한, 전정 자극, 특히 갈바닉 전정 자극의 신규한 용도에 기반을 둔다. 본원에 기술된 바와 같은 GVS 적용은 체지방을 감소시키고, 제지방 근육량을 늘리며, 골밀도를 높이는 데 있어서 안전하고 간단하면서 약물사용을 하지 않는 접근법을 제공하는 등, 일부 과중력 효과들을 모방한다. 본 장치도, 그 작동도 간단하기 때문에, 건강, 심미적 또는 운동 수행능력 이유와 상관없이, 자신의 체질량 조성을 개질하기 원하는 모든 개인은 자신의 집에서 사적으로 자극 인가 치료를 받을 수 있다. 본 장치는 또한 의사 진료실, 클리닉 또는 물리 치료 시설과 같은 의료 시설에서 비만 및 골다공증을 포함하는 관련 질병의 영향을 변화시키고, 신체 훈련 또는 부상 회복을 돕는 데 사용될 수 있다.
추가 검증
간접 열량 측정법(indirect calorimetry)으로 불리는 기법을 이용하여 본 발명의 성능을 추가로 평가하였으며, 상기 기법은 에너지 대사 및 특히 에너지 대사에 사용되는 기질 종류에 대한 데이터, 즉 탄수화물이 아닌 지방으로부터 도출한 상대비율을 1분 단위로 제공하기 위해, 느슨하지 않게 꽉 조이는 안면마스크를 착용하고 산소 소비량 및 이산화탄소 생성량을 측정하는 것 (Lam & Ravussin, 2017)을 포함한다.
GVS 세션 전, 세션 도중 그리고 세션 후에 간접 열량 측정을 거친 3명의 피험자 (남성 1명과 여성 2 명)에 성능 평가를 수행하였다. 이들 피험자는 오전 7시 30분경에 기록 세션을 시작했으며, 그 전 12시간 동안 물을 제외하고는 금식을 했다. 또한 이들 모두는 그 전 24시간 동안 운동을 자제했고, 기록 세션 내내 피험자들은 조용히 앉아서 컴퓨터 태블릿으로 다큐멘터리를 시청하였다.
이 때는 Neurovalens Ltd 회사에서 제공하는 GVS 장치를 사용하여 자극을 전달하였다. 상기 장치는 도 9에 나타낸 바와 같은 AC 구형파로 구성된 GVS 전류 파형을 0.5 Hz 및 50% 듀티 사이클로 전달하였다. 이어진 연구계획은 기준선을 확립하기 위해 처음 30분 동안 각 피험자가 간접 열량 측정만 받게 하는 것이었다. 그리고 나서 각 피험자는 도 5에 나타낸 것처럼 전극을 각각의 유양돌기 위 피부에 배치하는 등의, 1시간짜리 양귀 양극성 GVS 세션을 거쳤다. 위에서 언급한 것처럼, 모든 피험자에게 0.6 mA를 이용하여 AC 구형파를 0.5 Hz 및 50% 듀티 사이클로 전달하였지만, 여기서 사용된 장치는 그보다 많이 전달할 수 있다.
전술된 자극 기간 내내, 그리고 자극인가 후 30분 동안, 간접 열량 측정을 진행하였다. 이들 기간에서의 평균 데이터를 도 10에서 그래프로 표시하였다. 도 9에 도시된 파형 형태로 전달된 GVS가 대사 기질로서의 지방 이용률을 대략 56%에서 62%로 증가시켰음을 나타낸다. 그 외에도, 이러한 지방 대사 증가는 자극 기간 1시간이 지나도 지속되는 것으로 보이며, 데이터 또한 활성 전정 자극을 중단한 후 적어도 30분 동안 - 기준선보다 11% 높은 - 지방 대사 증가가 지속됨을 나타낸다. 평균을 기준으로 여기서 개략적으로 설명된 패턴은 각 피험자에서 개별적으로 관찰되었음을 주목해야 한다.
시간 경과와 함께 반복적으로 수행되었을 때 대사 기질로서 지방의 이용률 증가에 대한 결과는 체지방이 감소된다는 점일 것이다. 또한, 특히 주목할 것은 GVS에 반응하여 발생한 지방 대사 증가가 실제 자극 기간을 넘어서 지속된다는 것이고, 이러한 증가는 관찰 기간 동안 약화되기 보다는 어쨌든 두드러졌다는 것이다. 이러한 발견들은 전정 자극, 특히 GVS가 개인의 체질량 조성에 생리 학적 변화를 일으킬 수 있다는 본 발명의 시스템 및 방법을 뒷받침하는 추가 증거를 제공한다.
Claims (25)
- 인간 피험자의 체질량 조성을 변화시키는 장치에 있어서,
상기 피험자의 좌측 및 우측 전정신경계(vestibular system) 각각에 상응하는 위치의 두피와 전기 접촉하도록 배치된 전극들; 및
상기 전극들과 전기적으로 연통하여 갈바닉 전정 자극(GVS)을 피험자에 인가하는 전류 소스로서, 교번 극성을 가지며 50% 듀티 사이클인 구형파 전류를 생성하는 전류 소스
를 포함하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 전류 소스는 지정된 전압 범위 내에서 정전류를 생성하는, 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전류 소스는 0.001 밀리암페어(mA) 내지 5 mA 범위의 전류를 생성하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 전류 소스는 0.6 mA의 전류를 생성하는, 장치. - 제1항에 있어서,
GVS의 주파수 특성을 심박수 신호에 대응하여 조절하는 심박수 모니터를 추가로 포함하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 구형파 전류는 피험자의 심장 주파수(cardiac frequency)보다 낮은 주파수를 갖는, 장치. - 인간 피험자의 체질량 조성을 변화시키는 장치로서,
상기 장치는,
교번 극성을 가지며 50% 듀티 사이클인 구형파 전류를 이용하여 갈바닉 전정 자극(GVS)을 상기 피험자에 인가하도록 구성된 장치. - 제8항에 있어서,
GVS는 각 유양돌기에 근접한 피험자 두피에 전극을 배치함으로써 인가되는, 장치. - 제8항에 있어서,
GVS는 일정 레벨 전류를 포함하는, 장치. - 삭제
- 제8항에 있어서,
체질량 조성을 변화시키는 것은 인간 피험자의, 전체 체지방을 감소시키고, 상대적 제지방 근육량 비율을 높이며, 골무기질 밀도를 높이는 것을 포함하는, 장치. - 제8항에 있어서,
GVS는 피험자의 심장 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 전류를 포함하는, 장치. - 제8항에 있어서,
GVS는 심박수 모니터로부터의 입력에 대응하여 조절되는, 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제8항에 있어서,
매일, 매주 또는 그 조합으로 60분까지의 지정된 자극 기간에 GVS를 반복적으로 피험자에 인가하도록 추가로 구성된 장치.
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