KR20100095754A

KR20100095754A - 생체 무선 전기 자극 장치

Info

Publication number: KR20100095754A
Application number: KR1020090014734A
Authority: KR
Inventors: 최일환; 신희섭; 이규빈
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-09-01
Also published as: US20100217350A1; US8195306B2; KR101032269B1

Abstract

생체 무선 전기 자극 장치에 있어서, 광 신호를 조사하는 광원부; 상기 광원부에서 조사되는 광 신호를 제어하는 광원 제어부; 및 상기 광원부로부터 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하여 전기 자극을 발생하는 전기 자극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치가 개시된다.

또한, 상기 전기 자극부가 전류를 공급하는 배터리; 상기 광원부의 광 신호를 검출하여, 상기 배터리가 공급하는 전류를 스위칭하는 광 스위치; 및 상기 광 스위치가 스위칭한 전류를 생체에 전달하는 자극 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치가 개시된다.

전기 자극, 광 신호, 적외선, 무선

Description

생체 무선 전기 자극 장치{Wireless Electrical Stimulating Device for Living Body}

본 발명은 뇌 또는 신경 자극을 위한 전기 자극 장치에 관한 것으로서, 작은 동물에게도 장착할 수 있는 생체 무선 전기 자극 장치에 관한 것이다.

전기를 이용한 뇌 자극 기술은 환자의 병을 치료하는 데 사용되며, 동시에 인간 외의 동물들에게 적용하여 뇌의 기능을 밝히는데 사용되고 있다.

전기 자극기는 유선과 무선이 있으며 상용화된 무선 전기 자극기는 침팬지와 같은 대형 동물에게는 물리적인 부담이 되지 않을 정도로 작지만 생쥐와 같은 소형 동물에게 적용되기에는 아직 충분히 작지 않다.

비교적 소형동물인 생쥐에게 적용되는 이식형 전기 자극기 중의 하나는 무게가 28 g(Xu et al. 2004 Journal of neuroscience methods) 정도로서 생쥐의 무게가 대략 25 g 정도임을 고려하면 생쥐에게는 적용할 수 없다. 따라서 현재는 생쥐의 머리에 이식한 전극을 긴 전선을 이용해 외부의 대형 전기 자극기에연결하여 전기 자극을 인가하고 있다. 도 1은 종래에 사용되던 뇌 자극을 위한 전기 자극 장치의 실시예를 나타낸 도면이다.

이 방식의 문제는 전극에 전선을 연결하기 위해 생쥐를 순응시켜야 하고, 전선이 생쥐의 자유로운 움직임을 제약하며, 생쥐가 전선을 절단하기도 한다는 것이다. 또한 유선 방식은 여러 마리의 생쥐를 한꺼번에 실험하기가 어렵다.

따라서 생쥐와 같은 소동물에게도 이식이 가능한 소형 전기 자극기가 개발된다면 상기한 어려움에서 벗어나서 손쉽게 생쥐를 이용한 연구를 할 수 있을 것이다. 또한 사회성 등의 고등 뇌기능 연구에 본 장치를 이용하면 뇌기능에 대한 탁월한 연구를 기획할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 제안된 것으로서, 전기 자극 장치를 구현함에 있어서, 종래의 유선 방식의 전기 자극 장치를 벗어나 측정 대상 생체의 자유로운 움직임을 보장하고, 작은 생체에도 적용할 수 있는 생체 무선 전기 자극 장치를 제공한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체 무선 전기 자극 장치는, 광 신호를 조사하는 광원부; 상기 광원부에서 조사되는 광 신호를 제어하는 광원 제어부; 및 상기 광원부로부터 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하여 전기 자극을 발생하는 전기 자극부를 포함한 생체 무선 전기 자극 장치이다.

종래에 전기 자극기에서 생체에 삽입된 전극까지 전선(wire)을 통해 전기 자극 신호를 인가하였으나, 광 신호를 조사함으로써 전선을 사용하지 않으며 광 신호를 전기 자극 신호로 변환하여 생체 무선 전기 자극 장치의 소형화, 경량화를 달성 하였다.

본 생체 무선 전기 자극 장치를 통하여 생쥐의 행동에 장애를 주지 않으면서, 동시에 여러 마리의 생쥐에게 외부의 간섭 없이 신경자극을 유도하는 실험을 할 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 무선 전기 자극 장치를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 생체 무선 전기 자극 장치는 크게 광원부, 생체에 전기 자극을 인가하는 전기 자극부를 포함하고 있다. 또한 광원부를 제어하는 광원 제어부를 더 포함할 수 있다.

도 2에서 육면체는 생체 무선 전기 자극 장치의 외벽을 나타낸다. 외벽의 천장과 벽의 하단부에는 광 신호를 조사하는 광원부가 배치되어 있다. 빗금친 부분은 이 광원부를 나타낸다. 실험 대상인 생쥐의 머리에는 전기 자극부가 장착되어 있다. 광원 제어부에 의해 제어되는 광원부는 광 신호를 조사하고, 상기 광 신호에 반응하여 상기 전기 자극부가 생체(예를 들면, 생쥐)에 전기 자극 신호를 인가하게 된다.

종래의 전기 자극 장치에서는 전기 자극 생성기에서 전기 신호를 생성하고 이를 전극을 통해 생체에 인가하였으나, 본 발명에서는 상기 광원부를 이용하여 광 신호를 조사하고 이를 상기 전기 자극부가 전기 자극 신호로 변환하여 생체에 인가한다. 이는 종래의 전기 자극 장치에서 사용된 전선(wire)을 사용하지 않고, 실험 대상 생체의 자유로운 움직임을 보장하기 위함이다.

마이크로 배터리(micro battery)를 전원으로 사용하고 포토 트랜지스터(phototransistor)를 광 스위치로 사용하는 전기 자극부를 소동물의 뇌 또는 신경(도 2에서는 생쥐의 머리)에 부착한다. 그 위에 전기 자극부를 작동하기 위한 광 신호를 조사한다. 도 2의 실시예에서는 적외선(100Hz, 100us)을 조사하여 뇌 또는 신경에 고주파 전기 자극(high frequency electrical stimulation)이 되어 치료 효과, 행동의 변화, 전기 생리학적 변화 등을 일이 킬 수 있다.

전기 자극부는 소형화 및 경량화 하여 생체에 이식할 때의 부담을 최대한 감소시킨 장치로서 무게는 0.65 내지 0.7 g, 부피는 200 내지 290 mm³ 로 제작 가능하다. 작동 전원은 연속 전류를 4uA (load : 300kΩ, 9 내지 10 V) 로 200시간 이상 작동이 가능하다. 이것을 빛을 통한 스위칭(switching) 장치를 통해 제어하면 생체에 고주파 전기 자극을 인가할 수 있으며, 생체의 신경 세포를 활성화하여 치료 효과 또는 행동의 변화를 유도할 수 있다. 한편 상기의 수치는 본 발명의 범위를 한정하지 않는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수치이다.

뇌에 전기 자극을 주었을 때 중요한 것은 주변의 신경 세포들을 활성화 시킬 수 있어야 한다는 것이다. 통상적으로 뇌에는 직류보다는 펄스(pulse) 형태의 전류가 신경세포를 활성화 시키며 중요한 변수는 펄스의 세기, 지속시간, 빈도 이다. 펄스의 빈도에 대해서는 10 Hz 내외로 자극하는 저주파 자극(low frequency stimulation; LFS) 과 100 Hz 내외의 고주파 자극(high frequency stimulation; HFS)으로 나뉘는데 양자의 생리적인 영향은 확실히 밝혀지지 않았다. 파킨슨 환자에게는 3 내지 4 V, 60 내지 450 μs, 100 Hz 정도의 HFS가 증상경감을 목적으로 적용된다.

신경세포의 활성화를 일으킬 수 있는 최소 전류량은 기전류(rheobase current)이고, 이것의 2배는 시치 전류(chronaxie current)이다. 펄스의 지속시간에 따른 신경세포 활성화의 문턱 전류(threshold current)를 계산해 보면 대체로 지속 시간이 짧아질수록 문턱 전류가 커지다가 시치 전류를 지나면서 급격히 증가한다.

신경의 유수축삭(myelinated axon)은 30 내지 200 ㎲의 펄스 지속 시간에서 활성화 되고 세포(cell body)와 수상돌기(dendrite)는 1 내지 10 ㎳의 펄스 지속 시간에서 활성화 된다. 또한 신경 세포는 저전압에 짧은 펄스를 인가하면 좁은 영역에서 목표 신경 요소(target neural elements)가 활성화 되고, 고전압에 짧은 펄스를 인가하면 넓은 영역이 활성화되어 목표 신경 요소와 비-목표 신경 요소(non-target neural elements)가 함께 활성화 되며, 저전압에 긴 펄스를 인가하면 좁은 영역에서 많은 목표 신경 요소가 활성화 된다.

빛을 전류로 바꾸는 기술은 물리적으로 광전 효과를 이용한 것이며 포토 다이오드(photodiode), 포토 트랜지스터(phototransistor), 태양 전지(solar cell) 등의 반도체 소자로 개발되어 사용되고 있으며 태양 전지, 카메라 등을 제작하는데 널리 응용되고 있다. 빛의 파장대에 따라 특이적으로 작동하는 반도체의 제작도 가능하다. 이중에 포토 트랜지스터는 빛을 받으면 저항이 감소하는 성질을 가져 스위치(switch)를 만드는데 사용한다. 포토 트랜지스터에 필터를 씌워 적외선(700 내지 1100㎱)에 특이적으로 반응하는 소자가 있으며 100lx 정도의 빛에도 on/off 스위치로 작동할 수 있다.

반도체에 조사하는 광원으로는 발광 다이오드(LED), 레이저(Laser) 등이 사 용되는 데 LED는 저전압, 저전류에서 작동하고 광특성은 일반적으로 생체에 무해하며, 작동 속도가 빨라 수십 ㎑ 정도의 고주파 펄스에도 잘 작동한다. 상용화된 적외선 LED 중에는 상승 시간(rise time)이 약 2 ㎲, 복사속(radiant flux)은 15 ㎽ 로서 40cm 이상 떨어진 거리에서 적외선 포토 트랜지스터를 on/off 시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광원부를 나타낸 도면이다. 광원부는 전기 자극부를 작동시키기 위한 장치로서 광 신호를 조사한다. 도 2의 실시예에서는 적외선을 조사한다. 따라서 적외선 LED를 사용한다. 도 3의 (a)에서는 광원부의 전체적인 구성도를 나타내었다. 광원부는 광원 모듈(Light emitting module)을 조립하여 원하는 넓이의 광장(Light field)을 만들 수 있도록 제작할 수 있다. 광원부는 전원부(Power supply)에 연결되어 작동하며 펄스 생성기(pulse generator)와 스위칭 보드(switching board)가 점멸을 제어한다.

도 3의 (b)에서는 광원부로 사용되는 LED의 모듈의 조립 예를 나타낸 도면이다. LED 모듈은 복수의 LED가 포함된 것으로서, 모듈로 제작함으로써 광장의 크기를 제어할 수 있다. LED 모듈은 일정한 간격으로 배치된 LED 열을 포함하고, 이러한 LED 열을 복수 개 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 LED 열을 서로 평행하게 배치되어 있다.

상기 복수 개의 LED 열의 구조는, 서로 이웃한 2개의 LED 열의 배치 구조로서 설명할 수 있다. 서로 이웃한 2개의 LED 열을 각각 제1 LED 열, 제2 LED 열이라 하였을때, 제1 LED 열에 속하는 임의의 적외선 LED를 제1 적외선 LED라 하고, 상기 제1 적외선 LED의 중심에서 제2 LED 열의 적외선 LED를 연결한 직선(이하, ‘제2 LED 열의 직선’이라 합니다)에 그은 수직선에 가장 가까운 적외선 LED를 제2 적외선 LED라 한다. 상기 제1 적외선 LED의 중심과 상기 제2 적외선 LED의 중심을 연결한 직선과 상기 제2 LED 열의 직선이 이루는 각도가 60도가 되도록 상기 LED 열들을 배치할 수 있다. 이렇게 LED 열을 배치하면, 광원부가 가장 효율적으로 광 신호를 조사할 수 있고 빛의 사각 지대를 줄일 수 있기 때문이다.

도 3의 (c)는 상기 LED 모듈의 회로도를 나타낸 도면이다.

도 4는 전기 자극부의 구조를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)는 전기 자극부를 구성하는 소자를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 전기 자극부의 회로도를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체 무선 전기 자극 장치의 블록도를 나타낸 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 생체 무선 전기 자극 장치(100)는 광 신호를 조사하는 광원부(10); 상기 광원부로부터 수신한 광 신호를 제어하는 광원 제어부(20); 및 상기 광원부에서 조사되는 광 신호를 전기 신호로 변환하여 전기 자극을 발생하는 전기 자극부(30)를 포함한다.

광원부는 광 신호를 펄스 형태로 방출한다. 이 광 신호의 입력에 따라 상기 전기 자극부는 펄스 형태의 전압을 뇌 또는 신경에 인가하게 된다. 입력되는 광 신호 펄스의 조건은 광원 제어부를 통해서 제어 가능하며, 실제 생체의 신경 세포를 활성화 할 수 있는 전압, 전류 조건을 만족하도록 전류를 인가할 수 있다. 따라서 생쥐는 이미 설치된 광장범위 안에서 일정한 펄스 전기 자극을 인가 받으며 활동한다.

전기 자극부는 실질적으로 전압을 인가하는 장치로서 전극을 통해 생쥐의 뇌 또는 신경과 연결된다. 마이크로 배터리(micro battery)가 장착되어 있으며, 상기 광원부로부터 조사된 광 신호를 포토 트랜지스터가 수신하면 저항이 감소하면서 전기 자극부에 전류가 흐르게 된다. 일반적인 경우에는 on/off 스위치로 사용하며, 광원부와 포토 트랜지스터 사이의 거리를 조절하여 on/off 스위치처럼 사용한다. 또한, 광 신호의 세기 및 주파수에 따라 전기 자극부에 흐르는 전류의 크기 및 주파수를 조정할 수 있다.

상기 광원부와 상기 광원 제어부는 본 발명의 실시예에 따른 생체 무선 전기 자극 장치의 외벽에 위치하고, 상기 전기 자극부는 생체(예를 들면, 생쥐)에 부착되므로, 생체의 움직임을 방해하지 않고 실험 또는 테스트를 진행할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자극부(30)의 블록도를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 전기 자극부는 전류를 공급하는 배터리(31); 상기 광원부의 광 신호를 검출하여, 상기 배터리가 공급하는 전류를 스위칭하는 광 스위치(32); 및 상기 광 스위치가 스위칭한 전류를 생체에 전달하는 자극 전극(33)을 포함할 수 있다.

상기 배터리는 위에서 설명한 마이크로 배터리로서, 본 발명의 과제에 해당하는 생체 무선 전기 자극 장치의 소형화에 따라 부피가 작아야한다. 상기 광 스위치는 상기 광 신호에 반응하여야 한다. 즉, 광 신호를 검출하여 광 신호의 세기 또는 주파수 등에 따라 스위칭을 하여, 회로에 자극 전류를 흘려야한다. 상기 자극 전극은 생체 내에 삽입되는 것으로 상기 광 스위치가 스위칭하는 전류를 생체 내에 공급하여, 신경 등을 자극할 수 있다. 만약에, 광 신호로서 적외선이 사용된다면, 적외선에 반응할 수 있는 광 스위치여야 하므로, 광 스위치에 특정 파장대만 통과시키는 필터를 씌워 이러한 동작을 수행할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래에 사용되던 뇌 자극을 위한 전기 자극 장치의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자극 장치를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광원부를 나타낸 도면이다.

도 4는 전기 자극부의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자극 장치의 블록도를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자극부의 블록도를 나타낸 것이다.

Claims

생체 생체 무선 전기 자극 장치에 있어서,

광 신호를 조사하는 광원부;

상기 광원부에서 조사되는 광 신호를 제어하는 광원 제어부; 및

상기 광원부로부터 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하여 전기 자극을 발생하는 전기 자극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 광원부는,

상기 광 신호를 펄스파 형태로 제공하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제2항에 있어서,

상기 광원 제어부는,

상기 펄스파의 크기와 주파수를 제어하여 상기 전기 자극의 세기와 상기 전기 자극의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 전기 자극부는,

전류를 공급하는 배터리;

상기 광원부의 광 신호를 검출하여, 상기 배터리가 공급하는 전류를 스위칭하는 광 스위치; 및

상기 광 스위치가 스위칭한 전류를 생체에 전달하는 자극 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제4항에 있어서,

상기 광 스위치는,

상기 광원부에서 조사되는 광 신호의 세기에 반비례하여 전기 저항값이 변하는 포토 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제5항에 있어서,

상기 광 신호는 적외선 신호인 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 광원부는,

복수의 적외선 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제7항에 있어서,

상기 광원부는,

상기 적외선 LED의 개수와 상기 적외선 LED 간의 배치 각도를 조절하여 광량을 제어하는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 광원부는,

복수의 적외선 LED를 포함하는 LED 열을 포함하고,

상기 복수의 적외선 LED는 동일한 간격만큼 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.
제9항에 있어서,

상기 LED 열을 복수 개 포함하고,

상기 복수 개의 LED 열은 서로 평행하며,

상기 복수 개의 LED 열 중 제1 LED 열 및 제2 LED 열은 서로 이웃하고,

상기 제1 LED 열의 제1 적외선 LED; 및 상기 제1 적외선 LED의 중심에서 상기 제2 LED 열에 속한 복수의 적외선 LED의 중심을 이은 직선으로 내린 수선에 가장 가까운 상기 제2 LED 열의 제2 적외선 LED;는,

상기 제1 적외선 LED의 중심과 상기 제2 적외선 LED의 중심을 연결한 직선과, 상기 제2 LED 열에 속한 복수의 적외선 LED의 중심을 이은 직선이 60도로 각도 를 갖는 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 무선 전기 자극 장치.