KR20120117821A - 생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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패트릭 빌헬무스 반캄
요한 게라드 클라이베이커
허버트 세실 프랑소아 마틴
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사피엔스 스티어링 브레인 스티뮬레이션 비.브이.
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Abstract

본 발명은 대상(20)에 대해 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하기 위한 시스템(1)에 관한 것이다. 본 시스템은 적어도 두 개의 자극기 소자(4A;4C)를 포함하는 제 1 생체의학적 자극 장치(2), 및 자극기 소자(4A;4C)에 사전결정된 위상에 의해 상이한 시변 전기 신호(6A;6C)를 공급하도록 배열된 발생기(22)를 포함한다. 본 시스템은 자극기 소자(4A;4C)로부터의 감지 신호(8)를 감지하도록 배열된, 제 1 생체의학적 자극 장치(2)에 대해 공지된 상대적 위치(X;α)를 갖는 센서 장치(10), 및 감지 신호(8)의 감지된 위상, 시변 신호(6A;6C)의 위상 및 공지된 상대적 위치(X;α)를 기초로 하여 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하도록 배열된 프로세서 장치(12)를 포함하며, 여기서 감지된 신호(8)는 자극기 소자(4A;4C)로부터의 시변 전기 신호(6A;6C)로부터 비롯된 것이다. 상기 시스템은 대상에 대한 생체의학적 자극 장치의 방위, 즉 각 위치를 정확하게 결정한다. 이러한 방위는 또한, 생체의학적 자극 장치가 대상에 이식될 때 정확하게 결정된다. 이러한 시스템은 비교적 저렴하다. 본 발명은 또한 대상(20)에 대한 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하는 방법에 관한 것이다.

Description

생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하기 위한 시스템 및 방법{A SYSTEM AND A METHOD FOR DETERMINATION OF AN ORIENTATION OF A BIOMEDICAL STIMULATION DEVICE}
본 발명은 대상(object), 예를 들어 인간에 대해, 생체의학적 자극 장치, 예를 들어 심뇌 자극 장치의 방위(orientation)를 결정하기 위한 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 대상에 대해 생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하는 방법에 관한 것이다.
대상, 예를 들어 인간 또는 동물의 조직을 자극시키기 위한 생체의학적 자극 장치는 매우 다양한 질병을 치료하기 위해 사용된다. 이러한 생체의학적 자극 장치를 이용하여, 펄스 발생기에 의해 형성된 전기적 자극 펄스는 대상의 요망되는 자극 부위로 전달된다. 자극 펄스의 전달로부터 요망되는 효과를 달성하기 위하여, 장치의 자극-전달 소자(stimulation-delivery element)가, 최적의 자극 에너지가 요망되는 자극 부위에 적용되도록, 적절하게 정위되고 지향되는 것이 중요하다. 이러한 것은 여러 상이한 종류의 자극 치료요법의 경우에 마찬가지지만, 장치 정위화 및 지향화(orienting)는 특히 신경 자극의 영역에서 중요하다.
대상의 조직에 생체의학적 자극 장치를 삽입할 때, 대상의 해부학적 구조에 대해 장치의 방위, 즉 각 위치(angular position)를 정확하게 결정하는 것이 가능해야 한다. 예를 들어, 꼭지점(angular point)에서 보면, 자극을 선택 방향으로 전달하는 자극기 소자(stimulator element)를 포함하는 실린더형 생체의학적 자극 장치는 무한계의 방식으로 조직에 삽입될 수 있다. 이에 따라, 생체의학적 자극 장치의 방위 검출을 위한 시스템이 요구된다.
공지된 시스템은 대상 조직에 삽입된 생체의학적 자극 장치의 위치 및 방위를 결정하기 위해 고해상도 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 장치를 이용한다. 이러한 경우에, 생체의학적 자극 장치는 장치의 방위가 획득된 CT 영상을 기초로 하여 결정될 수 있게 하기 위해 비대칭 형태(asymmetrical shape)를 가져야 한다. 공지된 시스템의 단점은 비교적 복잡하고 고가라는 것이다. 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 장치는 비교적 고가이며, 또한 비대칭 형태를 갖는 생체의학적 자극 장치의 제작이 비교적 고가이다.
본 발명의 목적은 특히, 생체의학적 자극 장치가 대상의 조직에 이식될 때, 대상의 해부학적 구조에 대해 생체의학적 자극 장치의 각 위치를 정확하게 결정할 수 있는 적정 가격의 시스템을 제공하기 위한 것이다. 이러한 목적은 청구항 1에서 규정된 바와 같은 본 발명에 따른 시스템으로 달성된다. 대상에 대해 제 1 생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하기 위한 시스템은 적어도 두 개의 자극기 소자를 포함하는 제 1 생체의학적 자극 장치, 및 자극기 소자에 시변 전기 신호(time-varying electric signal)를 공급하도록 배열된 발생기를 포함한다. 시변 전기 신호는 사전결정된 위상에 의해 서로 다르다. 본 시스템은 자극기 소자로부터의 감지 신호(sensing signal)를 감지하도록 배열된, 제 1 생체의학적 자극 장치에 대해 공지된 상대적 위치를 갖는 센서 장치를 추가로 포함한다. 감지 신호는 자극기 소자로부터의 시변 전기 신호로부터 비롯된 것이다. 본 시스템은 감지 신호의 감지된 위상, 시변 신호의 위상 및 공지된 상대적 위치를 기초로 하여 제 1 생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하도록 배열된 프로세서 장치를 추가로 포함한다. 대상의 해부학적 구조에 대한 생체의학적 자극 장치의 각 위치는 상술된 시스템을 이용하여 얻어질 수 있다. 시스템의 기능이 비교적 고가의 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 장치 또는 비대칭적인 형태를 갖는 생체의학적 자극 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 이러한 시스템은 비교적 저렴하며, 즉 본 시스템은 종래 기술의 문제점을 가지지 않는다.
본 시스템은 각각이 제 1 생체의학적 자극 장치에 대해 상이한 상대적 위치를 갖는, 다수의 센서 장치를 포함할 수 있다. 다수의 센서 장치를 가짐으로써, 대상의 해부학적 구조에 대한 생체의학적 자극 장치의 각 위치의 결정의 정확성이 추가로 개선된다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구체예는 제 1 생체의학적 자극 장치가 대상에 이식된다는 특징을 갖는다. 이는, 상기 장치가 이식되기 때문에, 상기 장치의 방위가 장치를 볼 수 없는 사용자에 의해 결정될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구체예는 제 1 생체의학적 자극 장치가 제 1 심뇌 자극 장치라는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구체예는 센서 장치가 대상에 이식된다는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구체예는 센서 장치가 제 2 생체의학적 자극 장치라는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구체예는 제 2 생체의학적 자극 장치가 제 2 심뇌 자극(DBS) 장치라는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구체예는 시변 전기 신호가 사인파 패턴이라는 특징을 갖는다.
본 발명의 다른 양태에서, 상기 본 발명의 목적은 청구항 8에 규정된 방법으로 달성된다. 대상에 대해 자극기 소자를 포함하는 제 1 생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하는 방법은 하기 단계들을 포함한다:
- 발생기를 이용하여 자극기 소자에 사전결정된 위상에 의해 서로 다른 시변 전기 신호들을 공급하는 단계,
- 제 1 생체의학적 자극 장치에 대해 공지된 상대적 위치를 갖는 센서 장치를 이용하여 자극기 소자로부터의 감지 신호를 감지하되, 상기 감지 신호가 자극기 소자로부터의 시변 전기 신호로부터 비롯된 것인, 감지 신호를 감지하는 단계, 및
- 프로세서 장치를 이용하여 감지 신호의 감지된 위상, 시변 신호의 위상 및 공지된 상대적 위치를 기초로 하여 제 1 생체의학적 자극 장치의 방위를 결정하는 단계.
본 발명에 따른 시스템과 유사하게, 본 방법은 비교적 고가의 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 장치의 사용, 또는 비대칭 형태를 갖는 생체의학적 자극 장치의 사용을 포함하지 않는다. 이에 따라, 본 방법의 실행은 비교적 저렴하다.
하기에서, 본 발명 및 다른 양태들은 일 예로서 기술될 것이며, 하기에서 하기 도면을 이용하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 제 1의 대표적인 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 본 발명에 따른 시스템의 제 2의 대표적인 구체예를 개략적으로 도시한 것으로서, 여기서 제 1 생체의학적 자극 장치 및 센서 장치 둘 모두는 심뇌 자극(DBS) 장치이다.
하기 바람직한 구체예의 내용에서, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부된 도면이 참조된다. 본 발명이 실행될 수 있는 특정 구체예들은 예시로서 하기 명세서에 기술된다. 또한, 다른 구체예들이 사용될 수 있으며 구조적 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않게 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 동일한 참조 기호는 여러 구체예에서 동일하거나 유사한 부분을 지시하기 위해 사용될 것이라는 것이 주지된다.
본 발명의 제 1 구체예는 도 1에 도시된다. 대상(20), 특히 인간에 대해 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(orientation; 14)를 결정하기 위한 시스템(1)은 제 1 생체의학적 자극 장치(2), 센서 장치(10), 발생기(22) 및 프로세서 장치(12)를 포함한다. 제 1 생체의학적 자극 장치(2)는 예를 들어, 제 1 심뇌 자극(DBS) 장치일 수 있다. 발생기(22)는 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 두 개의 자극기 소자(4A;4C)에 바람직하게 쌍극자 형태(dipole shape)의 시변 전기 신호(6A;6C)를 공급한다. 시변 전기 신호(6A;6C)는 예를 들어 사인파 패턴을 형성할 수 있다. 시변 전기 신호(6A;6C)는 사전결정된 위상, 예를 들어 180도의 사전결정된 위상에 의해 서로 차이가 난다. 제 1 생체의학적 자극 장치(2)에 대한 센서 장치(10)의 상대적 위치(X;α)는 공지되어 있다. 센서 장치(10)는 자극기 소자(4A;4C)로부터의 감지 신호(8)를 감지한다. 감지 신호(8)는 자극기 소자(4A;4C)로부터의 시변 전기 신호(6A;6C)로부터 비롯된 것이다. 시변 전기 신호(6A;6C)의 위상, 감지 신호(8)의 감지 위상, 및 상대적 위치(X;α)는 프로세서 장치(12)에 제공된다. 이러한 데이타를 가짐으로써, 프로세서 장치(12)는 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 정확하게 결정한다.
이에 따라, 또한 시스템(1)의 사용자가 제 1 생체의학적 자극 장치(2)를 볼 수 없을 때, 사용자는 대상(20)에 대해 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위를 결정할 수 있다. 예를 들어, 사용자인 의사는 제 1 방(room)에 위치될 수 있으며, 대상(20)인 환자는 다른 방에 위치될 수 있다. 의사가 제 1 생체의학적 자극 장치(2)를 볼 수 없지만, 의사는 본 시스템을 이용하여 장치의 방위를 결정할 수 있다. 제 1 생체의학적 자극 장치(2)가 대상(20)에 이식될 때에도 동일하다.
또한, 센서 장치(10)는 대상(20)에 이식될 수 있다. 또한, 센서 장치(10)는 생체의학적 자극 장치, 즉 제 2 생체의학적 자극 장치일 수 있다. 당해 분야에 공지된 바와 같이, 이러한 장치는 자극을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 전기 신호를 감지할 수 있다. 제 1 생체의학적 자극 장치(2)와 유사하게, 제 2 생체의학적 자극 장치(10)는 제 2 심뇌 자극(DBS) 장치일 수 있다.
본 발명의 제 2 구체예는 도 2a, 2b, 2c 및 2d에 도시된다. 제 1 생체의학적 자극 장치(2)와 센서 장치 둘 모두는 심뇌 자극(DBS) 장치, 즉 제 1 심뇌 자극(DBS) 장치 및 제 2 심뇌 자극(DBS) 장치이다. 이러한 심뇌 자극 장치는 도 2a에 도시된다.
DBS 장치는 도 2a에 도시된 예에서 4개의 컬럼(A, B, C 및 D)을 포함한다. 컬럼 각각은 적어도 하나의 전극을 포함한다. 도 2a에 따른 예에서, 컬럼 A, B, C 및 D 각각은 8개의 전극을 포함한다. 두 개의 DBS 장치(2;10)는 환자(10)에 이식되는데, 예를 들어 제 1 DBS 장치(2)는 환자의 제 1 뇌 반구에 이식되며, 제 2 DBS 장치(10)는 환자의 제 2 뇌 반구에 이식된다.
DBS 장치(2;10)는 전기 신호를 뇌 조직에 전달하는 능력을 가지며, 이러한 것들은 뇌 조직으로부터의 전기 신호를 측정하는 능력을 갖는다. 당해 분야에 공지된 바와 같이, 이는 자극 또는 감지를 위한 전용 전극 어래이, 또는 자극을 제공하고 전기 신호를 획득할 수 있는 다기능 전극-어래이로 달성될 수 있다. DBS 장치들 중 하나, 예를 들어 제 1 DBS 장치의 방위를 결정하기 위한 사용 시에, 이러한 장치는 전기장을 제공하기 위해 사용되며, 다른 하나의 DBS 장치, 예를 들어 제 2 DBS 장치는 감지를 위해 사용된다. 도 2b에 도시된 바와 같은 쌍극자 형태의 장(dipole shaped field)은 컬럼 B 및 컬럼 D의 전극 상에 적절한 전기 신호를 인가함으로써 제 1 DBS 장치 둘레에 생성된다. 쌍극자는 제 1 DBS 장치에 대해 공지된 각 방위(angular orientation)로 지향된다. 특정 예에서, 이는 전극이 도 2a에서 보이지 않는, 컬럼 D에서의 4개의 전극 상에 음의 신호를 부여하고 컬럼 B에서의 4개의 전극 상에 양의 신호를 부여함으로써 달성된다. 결과적으로, 쌍극자 형태의 장은 D 컬럼의 방향, 즉 도 2b에서 좌측에 음의 전위를 가지고 B 컬럼의 방향, 즉 도 2b에서 우측에 양의 전위를 가지고 중간에 실질적으로 0 볼트의 면을 갖도록, 제 1 DBS 장치 둘레에 형성된다. 이는 도 2b에 도시된 전압 단면 플롯에 의해 예시된다. 음의 전위장(30)은 제 1 DBS 장치(2)의 컬럼 D에 인접한 조직에 형성되며, 양의 전위장(32)은 제 1 DBS 장치(2)의 컬럼 B에 인접한 조직에 형성된다. 거의 0의 전위장은 컬럼 C 및 컬럼 A에 인접한 조직에 형성된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 대략 수 센티미터의 거리에서, 10 내지 20 밀리볼트(mV)의 전위는 2 볼트의 자극(excitation)이 가해졌을 때와 같은 것으로서, 이는 뇌-신호 보다 1배 내지 2배 정도이며, 즉 매우 용이하고 정확한 측정이 본 시스템에 의해 확보된다.
제 1 DBS 장치(2)로부터 쌍극자장(diploe field)을 회전시키는 동안에, 시변 전위는 제 2 DBS 장치(10)에 의해 감지될 것이다. 이는 예를 들어 제 1 DBS 장치의 전극에 도 2c에 도시된 바와 같이 다양한 컬럼 A;B;C;D에 있는 전극들의 각 세트에 대한 시간-의존적 여기 프로파일을 공급함으로써 달성될 수 있다. 제 1 DBS 장치(2)에 인가된 여기 프로파일에 대해 도 2d에 도시된 이러한 감지된 신호(8)의 감지 위상을 측정함으로써, 제 2 DBS 장치에 대한 제 1 DBS 장치의 방위가 획득된다. 이는 감지 신호의 나타난 위상을 시변 신호들 각각의 나타난 위상과 비교함으로써 진행된다. 제 2 DBS 장치(10)가 내측으로, 즉 다른 뇌 반구 상에 정위됨에 따라, 제 2 DBS 장치에 대한 제 1 DBS 장치의 상대적 위치가 알려진다. 이러한 방식으로, 환자의 뇌에 대한 제 1 DBS 장치(2)의 방위는 명확하게 결정된다.
이러한 시스템(1)은 또한 외과적 이식 절차 동안에 사용될 수 있다.
비-사인파의 시간-의존적 프로파일, 예를 들어 블록-형 여기 프로파일이 또한 사용될 수 있다.
본 발명이 도면 및 상기 상세한 설명에서 상세히 예시되고 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 예시적이거나 대표적이고 비-제한적인 것으로 여겨질 것이다. 본 발명은 기술된 구체예들로 한정되지 않는다.
기술된 구체예들에 대한 다른 변형예는 본 발명을 실행 시에, 도면, 상세한 설명 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 당업자에 의해 이해되고 달성될 수 있다. 청구범위에서, 용어 "포함하는"은 다른 구성요소 또는 단계들을 배제하는 것이 아니며, 단수 명사는 복수를 배제하는 것이 아니다. 특정 척도(measure)들이 서로 상이한 종속항들에서 인용된다는 단순한 사실은, 이러한 척도들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 명시하는 것은 아니다. 청구범위에서 임의의 참조 기호는 본 발명의 범위를 한정하는 것으로서 해석되지 않아야 한다.
1 시스템
2 제 1 생체의학적 자극 장치
4A;4B;4C;4D 자극기 소자
6A,6B,6C,6D 시변 전기 신호
8 감지 신호
10 센서 장치
12 발생기
14 제 1 생체의학적 자극 장치의 방위
20 대상
30 음의 전위장
32 양의 전위장

Claims (8)

  1. 대상(20)에 대해 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하기 위한 시스템으로서,
    - 두 개 이상의 자극기 소자(4A;4C)를 포함하는 제 1 생체의학적 자극 장치(2),
    - 상기 자극기 소자(4A;4C)에, 사전결정된 위상에 의해 서로 상이한 시변 전기 신호(6A;6C)를 공급하도록 위해 배열된 발생기(22),
    - 자극기 소자(4A;4C)로부터의 감지 신호(8)를 감지하도록 배열된, 제 1 생체의학적 자극 장치(2)에 대해 공지된 상대적 위치(X;α)를 갖는 센서 장치(10)로서, 상기 감지 신호(8)가 자극기 소자(4A;4C)로부터의 시변 전기 신호(6A;6C)로부터 비롯되는, 센서 장치(10), 및
    - 감지 신호(8)의 감지된 위상, 시변 신호(6A;6C)의 위상, 및 공지된 상대적 위치(X;α)를 기초로 하여 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하도록 배열된 프로세서 장치(12)를 포함하는, 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 제 1 생체의학적 자극 장치(2)가 대상(20)에 이식되는 시스템(1).
  3. 제1항에 있어서, 제 1 생체의학적 자극 장치(2)가 제 1 심뇌 자극(DBS) 장치(2)인 시스템(1).
  4. 제1항에 있어서, 센서 장치(10)가 대상(20)에 이식되는 시스템(1).
  5. 제1항에 있어서, 센서 장치(10)가 제 2 생체의학적 자극(DBS) 장치(10)인 시스템(1).
  6. 제5항에 있어서, 제 2 생체의학적 자극 장치(10)가 제 2 심뇌 자극(DBS) 장치(10)인 시스템(1).
  7. 제1항에 있어서, 시변 전기 신호(6A;6C)가 사인파 패턴인 시스템(1).
  8. 대상(20)에 대해, 자극기 소자(4A;4C)를 포함하는 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하는 방법으로서,
    - 발생기(12)를 이용하여 자극기 소자(4A;4C)에 사전결정된 위상에 의해 서로 상이한 시변 전기 신호들(6A;6C)을 공급하는 단계,
    - 상기 자극기 소자(4A;4C)로부터의 감지 신호(8)를 제 1 생체의학적 자극 장치(2)에 대해 공지된 상대적 위치(X;α)를 갖는 센서 장치(10)를 이용하여 감지하되, 상기 감지 신호(8)가 자극기 소자(4A;4C)로부터의 시변 전기 신호들(6A;6C)로부터 비롯되는, 감지하는 단계, 및
    - 프로세서 장치(12)를 이용하여 감지 신호(8)의 감지된 위상, 시변 신호(6A;6C)의 위상, 및 공지된 상대적 위치(X;α)를 기초로 하여 제 1 생체의학적 자극 장치(2)의 방위(14)를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
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