KR20120135219A - 말초 신경의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치 - Google Patents

말초 신경의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

말초 신경의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치로서, 상기 장치는 한쪽 면에 다중-패드 전극이 제공되고 다른 쪽 면에 활성화 수단이 제공된 연성 의류를 포함하며, 상기 활성화 수단은 개별적으로 각각의 다중-패드 전극에 대하여 전달된 전기 펄스의 활성화 및 제어를 가능하게 하도록 구성된다.

Description

말초 신경의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치{APPARATUS FOR EXTERNAL ACTIVATION OF PARALYZED BODY PARTS BY STIMULATION OF PERIPHERAL NERVES}
발명의 분야
본 발명은 말초 신경의 자극, 특히 전기-자극에 의한, 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치에 관한 것이다.
선행 기술
중추 신경계(central nervous system, CNS)의 상해 또는 질병 이후, 신체의 일부는 기능적으로 정상화될 것이지만, 신체 일부는 마비될 것이다. 많은 근육은 상해 수준 미만으로 CNS에 연결될 것이며, 이에 따라 신경이 통하게 되지만, 기능적으로 마비될 것이다(자유의사에 의해 통제되지 않음). 많은 감각 경로가 CNS에 연결되지만, 이들의 기능은 소실되거나 변형되는데 왜냐하면 이들이 전송하는 정보가 CNS 내 대응하는 고위 중추(higher center)로 중계되지 않기 때문이다.
기능적 전기 자극(Functional electrical stimulation, FES)이 손상된 감각-운동 메커니즘의 우회로로서 고려될 수 있다. FES는 많은 근육의 시너지 활동, 즉 크기 원리, 동원 순서(recruitment order), 및 동원 비율(recruitment rate)에 관한 발견을 다름으로서 근육 각각에 대한 완전한 제어를 제공하여야 하며, 또한 시스템의 작동 및 유효하여야 하는 경우 활동의 인지 지각 둘 모두를 위한 감각 피드백을 포함하여야 한다. 병행하여, 장애가 있는 사람에 의한 독립적이고 효과적인 일상의 사용을 가능하게 하는 것이 실용적이어야 한다.
생물학적 시스템에서 운동 반응 강도의 조절은 활성 운동 신경 섬유의 수 및 이들의 활동 전위를 유발하는 비율을 통하여 이루어지는데, 각각 동원 및 시간적 총화(temporal summation)이다. 생리학적 수축에서, 동원 순서가 고정되며; 느리고, 피로-내성인 운동 단위(motor unit)가 더 크고, 빠르며, 피로성(fatigable)인 단위보다 더 적은 자발적 노력에서 활성이다. 근육에 의해 나타난 전체 힘에 영향을 미치는 두 번째 메커니즘은 시간적 총화이다. 생성된 근육 힘이 충분하게 평활(smooth)되는 빈도가 융합 빈도(융합 빈도)로 알려져 있다. 융합이 달성되는 지점은 활성화된 근육 섬유의 수축 속도에 의존하며, 이에 따라 최종적으로 동원의 수준에 의존한다. 생물학적으로 신경 근육(innervated muscle)에서, 운동 뉴런은 전형적으로 5 펄스/초 미만의 빈도에서 비동기적으로 활동하지만; 알짜 효과는 평활 수축이다.
마비된 근육에서, 전기 자극은 신경분포 경로(innervation pathway)에 전달되어 펄스의 파열 내 손실된 생물학적 제어 신호를 대체한다. 외부적으로 유도된 동원에 있어서, 동원 순서는 우선순위가 알려져 있지 않지만, 위치 및 형태뿐만 아니라 섬유 크기의 변화에 의존한다. FES가 적용될 때 전기적으로 유도된 동원의 역적 순위가 전형적이며; 가장 큰 섬유가 작은 섬유와 비교하여 용이하게 흥분된다. 이는 동원은, 제어되고 등급 매겨진 외부적으로 유도된 활성화를 제공하기 위하여 항상 고려되어야 한다는 것을 의미한다. 증가하는 자극 펄스 진폭 또는 기간을 갖는 신경 섬유의 동원은 비선형적이다. 이러한 이유로, 근육 출력 힘의 선형적 증가는 출력의 선형적 증가에 의해 달성될 수 없다. 외부적으로 활성화된 근육에서 현재 기술로 정상 활성화를 모방하는 것은 불가능한데, 왜냐하면 운동 단위를 개별적으로 활성화시키는 것이 오히려 어렵기 때문이며; 이에 따라, 융합이 약 20 펄스/초에서 일어난다. 융합 빈도 이상의 자극 빈도를 강축(tetanus) 수준으로 증가시키는 것은 힘의 추가적인 증가를 유발한다. 최대 근육 힘의 최고 40 또는 50%가 융합에서 강축(tetanus)으로 시간적 총화에 의해 조절될 수 있다.
근육에 의해 발생한 힘은 자극의 세기에 직접적으로 관련된다. 자극의 세기는 펄스에 의해 전달되는 전하의 양에 직접적으로 관련된다. 전하의 최소 수준은 시치(chronaxia), 즉 I-T (펄스의 진폭 I vs. 펄스 기간(폭) T)에 의해 결정된다. 따라서, 진폭 변조(amplitude modulation, AM) 또는 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM)이 동원의 수준, 즉 힘을 관리한다. 동원 변조는 재현성을 보증하여야 하며; 이에 따라 활성화의 연장된 기간 동안 발생하기 쉬운 변화를 고려하여야 한다. 전부는 아니지만, 대부분의 FES 시스템은 많은 운동 단위를 동시에 활성화한다.
인간의 감각 기관은 수많은 시행착오를 통하여 훈련된 초거대 신경망으로서 작동한다. 생물학적 감각 기관 성분은 2진 정보의 주파수 암호화 시리즈(frequency coded series)를 제공하며, 이러한 정보의 융합 과정은 문헌에서 완전하게 이해 및 개시되지 않는다. 주된 역할을 하는 입력부는 시각, 전정 기관(vestibular system), 청각 기관, 및 체성-감각 기관(외부감각(exteroception) 및 고유감각(propriception))이다. 자연적인 제어는 공간에서 작동하며 이는 정성적으로 설명된다(예컨대, 물체와 접촉하는 손, 완전하게 뻗은 팔꿈치, 일어선 신체, 등). 이와 대조적으로, 인공 감각 기관은 물리적 양을 유용한 전기 신호로 변형시키며 이러한 전기 신호는 해당 물리적 양에 대한 정량적 정보를 운반한다. 인공 센서의 매우 감소된 버전에서, 입력에 적용되는 단일 역치 방법(single threshold method)은 2진 신호이며; 이에 따라 주파수가 암호화된 경우 이는 감각 세포의 복제일 수 있다. 인간의 체성감각 기관은 척수(spinal cord)를 통하여 뇌와 소통하고, 시각, 청각, 및 전정 기관과는 직접적으로 소통한다. 척수는 전달자(relay)로서 역할을 할 뿐만 아니라 말초로부터 뇌로의 신호의 번역 동안 집적 및 가공 메커니즘으로서의 역할을 한다.
요컨대, 기능적 이동을 발생하기 위한 임무는 매우 복잡하며: 다중-감각 기관 및 경험적으로 최적화된 규칙에 의거하여 다중-액츄에이터 시스템(multi-actuator system)에 대하여 작용하는 제어부의 대체이다. 기술자의 관점에서, 제어될 시스템은 다중 입력, 다중 출력, 시간 가변적 고도 비선형 시스템이며 여기서 개별 파라미터는 단지 비-완벽 모델에 기초하여 평가될 수 있을 뿐이다.
이하의 요소들은 선행 기술로부터 공지된 것이다(Special issue J Automatic Control, Vol 18(2), 2008):
■ 전기 자극이 인가될 때의 전기장(전류 밀도) 분포 모델;
■ 다양한 크기의 접착 하이드로겔(hydrogel)을 갖는 표면 전극;
■ 하이드로겔을 갖거나 또는 적셔질 때 전도성이 되도록 제조된 다양한 크기의 직물 기판 단일 패드 또는 다중-패드 전극;
■ 전극용의 다양한 옷감 형태 정렬(alignment);
■ 표면 전기 자극의 안전한 인가를 위하여 적합한, 마이크로프로세서 기초 전류 제어 또는 전압 제어 다중-채널 자극기;
■ 운동 및 제한된 수의 기능적 움직임(잡기, 걷기)을 위한 많은 수의 사전-정의된 자극 패턴을 갖는 최대 8개 채널이 구비된 전기 자극기;
■ 가속도, 위치, 관절 각도, 압력, 힘, 및 근육 노력의 수준을 측정하는 MEMS 및 EMG 센서;
■ 다중-채널 자극기를 구동시켜 사전-정의된 궤도의 추적을 가능하게 하는 모델-기초 제어기;
■ 피드백 및 사정-정의된 시너지에 기초하여 작동하는 유한-상태 제어기.
그렇지만, 편마비, 다중 경화증, 뇌성 마비, 불완전 하반신마비, 불완전 사지마비, 떨림(tremor), 및 또 다른 움직임 장애가 있는 개인의 치료에 사용될 수 있는 현실적인 시스템이 없다. 이러한 시스템이 없는 이유는 충분히 선택성인 자극의 부재, 신속하게 발생하는 근육 피로, 환자의 요구에 대한 기기 적응을 허용하기에 충분하지 않은 적응 및 촉진 제어 알고리즘, 시스템의 착탈의(donning and doffing)에 대한 문제, 및 작동 상의 충분하지 않은 기능성이다.
발명의 대상
본 발명의 목적은 기능성(예컨대, 붙잡기, 대상물 옮기기, 걷기)을 유발하는, 마비된 신체 부위의 센서-구동된 제어를 위한 집적 시스템을 제공하는 것이다.본 발명은 따라서 청구항 1에 따라 말초 신경의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외부적 활성화를 위한 장치를 제공하며, 이러한 장치는 위치 및/또는 여러 자극 지점에서의 자극 세기의 조절 문제를 해결하고, 이에 따라 예컨대 조직화된 배열의 다중채널 전기자극 시스템의 사용을 중지시킨다. 유익한 구체 예가 종속항에서 정의된다.
도면의 간단한 설명
설명을 완성하고 본 발명의 더욱 나은 이해를 제공하기 위하여, 한 세트의 도면이 제공된다. 이러한 도면은 설명의 완전한 일부를 형성하며 본 발명의 바람직한 구체 예를 도시하며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 단지 본 발명이 구체화되는 실시예로서 해석되어야 한다. 도면은 다음 특징을 포함한다:
도 1은 피부를 제어부 및 자극 전자기기부를 포함하는 후면 층과 접촉시키는 다중-패드 전극을 집적하는 본 발명에 따르는 연성 경계부이다.
도 2는 피부를 제어부 및 자극 전자기기부를 포함하는 후면 층과 접촉시키는 스트립 다중-패드 전극을 집적하는 본 발명에 따르는 연성 경계부이다.
도 3은 3x3 분포의 9개 접촉부 및 자극 위치 및 세기를 설정하기 위한 대응하는 위치에서 터치 민감성 패드를 포함하는 후면 층이 구비된 다중-패드 전극 설계이다.
도 4는 1x8 분포의 8개 계란형 접촉부 및 자극 위치 및 세기를 설정하기 위한 대응하는 위치에서 터치 민감성 패드를 포함하는 후면 층이 구비된 다중-패드 전극 설계이다.
도 5는 실시간 사용 및 자동 설정을 위하여 감각 기관에 연결된 내장형 제어기에 의해 제어되는 스마트 드라이버 유닛이 구비된 자극 층의 개략도이다.
도 6은 대응하는 구성성분이 구비된 다중-어레이 전극의 개략도이다.
도 7은 시스템의 모든 구성성분의 전반적인 설명도이다.
도 8은 장갑-형상의 팔뚝(forearm)에 대한 구체 예이다.
도 9는 다중-층 지능형 FES의 일반적인 구체 예이다.
도 10은 활성화 제어 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 진폭 조절 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 활성화/진폭 조절 제어 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 동기식 자극의 그래프이다.
도 14는 비동기식 자극의 그래프이다.
도 15는 단일 기판 다중-패드 전극이다.
도 16은 이중 기판 다중-패드 전극이다.
도 17은 ASIC 다중-패드 전극 모듈이다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 다중-패드 슬리브(sleeve)는 연성 네오프렌(Neoprene) 또는 유사한 친피부(skin friendly) 물질(8)로 제조되며, 상기 다중-패드 슬리브는 피부와 제어부 및 자극 전자기기부를 포함하는 후면 층을 접촉시키는 다중-패드 전극(7)을 집적하며, 이는 도 1 및 도 2에 도시된다. 다중-패드 전극은 자극기와 피부 사이의 다중-층 경계부의 일부이며, 여기서 패드가 충분히 작아서 애노드와 캐소드 사이의 제어된 전류 흐름을 가능하게 한다. 신체상의 캐소드(본 명세서에서 전극으로 불림)의 위치는 근육 또는 신경이 활성화되는 곳을 결정한다. 애노드는 동일 신체의 임의 위치에 위치될 수 있으며 종종 무관심 전극(indifferent electrode)으로 불린다. 따라서 캐소드로 사용되는 다중-패드 전극이 전기 전류를 유도할 수 있으며 이에 따라 말초 신경의 활성화는 활성화된 패드의 구성에 의존한다. 더욱이, 선택적 활성화는 운동뉴런의 낮은 주파수 활성화의 적용을 가능하게 하며, 이는 현존 장치의 표면 전극에 의한 전기 자극에 대하여 전형적인 피로를 지연시킨다. 다중 층 경계부는 비효과적인 자극 전류의 고르지 않은 분배를 제거하기 위해 장치에 구비될 수 있으나, 불쾌하며 가끔 고통스럽다. 두 가지 선호되는 다중-패드 전극 설계가 도 3 및 도 4에 도시되지만, 임의 형상 및 수의 패드가 사용될 수 있다. 다중-패드 전극은 단지 한 가지 가능한 방법으로 시스템의 위치선정을 가능하게 하는 방식으로 설계된 연성이며 가요성인 기판에 집적화되며; 이에 따라, 마비가 있는 사람 스스로에 의한 독립적인 적용 또는 비전문적인 교사인 타인의 최소한의 도움에 의한 독립적인 적용이 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 두 가지 선호되는 다중-패드 다중-층 전극의 설계를 나타낸다. 자극 층(31)은 임의적인 여러 모양으로 제조된 임의 수의 접촉부로 구성된다. 두 가지 선호되는 설계는 3x3 또는 1x8 매트릭스로 분포된 계란형 접촉부를 가진다. 다중-패드 전극 내 패드의 크기 및 모양은 편리하며 또한 선택적인 자극을 제공하도록 선택된다. 이러한 요구는 패드 크기와 관련하여 상반된다. 더 큰 패드일수록 자극 동안 더 적은 전류 밀도를 생성하며 이에 따라 더 적은 통증을 생성한다. 대조적으로, 더 작은 패드는 더 큰 전류 밀도를 생성하며 이에 따라 통증 생성에 뒤따른다. 본 발명에는 그 상단에 전도성 겔이 위치하는 비교적 작은 패드 기저부가 제공된다. 겔 크기 및 모양이 효과적인 전극 영역을 결정한다(흔히 전도성 하이드로겔이 사용되는 겔은 피부에 대하여 비교적 우수한 도체이며; 이에 따라 이러한 크기의 겔이 전극 영역을 결정할 것이다).
감각 층(32)은 자극 층을 덮으며(overlap) 전극으로서 자극 조절 요소와 동일한 모양 및 수를 가지며, 활성 및/또는 세기를 조절하며; 접촉부마다 하나의 센서를 가진다. 감각 층에 위치한 압력 센서는 제어 시스템으로 하여금 어느 접촉부가 활성화되고 어느 것이 비활성화될 필요가 있는지 여부를 결정하도록 한다. 이러한 센서에 의해 획득된 데이터는 컨넥터(33)를 통하여 제어기에 전달된다.
접촉 스위치 또는 용량성 스위치(capacitive switch)가 압력 센서 대신 사용될 수 있다. 다중-패드 전극용 컨넥터가 클램프에 의해 케이블에 부착된다.
다중-패드 전극의 후면은 도 5에 도시된 바와 같이 내장형 제어기(26)에 의해 제어되는 스마트 드라이버 유닛을 위한 지지부이다. 제어기는 일회용 또는 재충전 배터리 또는 복수의 배터리로 제조된 자체 에너지 공급원을 사용할 수 있다. 제어기는 도 7에 도시된 바와 같이 소위 규칙-기초 제어(rule-based control)를 수행한다. 규칙 기초 제어는 기계 지능(machine intelligence) 및 인간 경험(human heuristics)에 의한 발견으로부터 획득된 지식을 이용하는 유한 상태 방법(finite state method)이다. 글로벌 제어기(27)가 구비된 가능한 시스템 구성이 도 6에 제시된다. 글로벌 제어기(27)는 사용자 제어 입력을 위한 키보드 및 LCD 디스플레이를 가진다. 사용자는 몇 가지 사전-프로그램된 모드 중에서 원하는 작동 모드를 선택할 수 있다. 서로 다른 모드 탐색 및 작동 파라미터를 설정하기 위하여, 키보드 탐색 화살표를 지적할 수 있다. 글로벌 제어기는 특정 작동 모드를 위하여 필요한 임의 수의 다중-패드(7) 전극에 부착될 수 있다. 또한 글로벌 제어기는 원하는 작동 모드를 위하여 적절한 외부 센서(28)에 연결될 수 있다. 센서는 관성 MEMS 센서, 가속도계 및 자이로스코프를 포함하며; 길이 및 압력 센서가 장갑(3) 안에 위치하며; 굽힘 및 힘 센서가 다중-패드 전극의 감각-층에 위치한다. 모든 센서와의 소통은 관성 센서 및 제어부, ISC(21)을 통하여 수행된다. 글로벌 제어기는 센서 입력(28) 및 바람직한 작동 모드에 기초하여 전체 시스템을 위한 규칙-기초 제어를 수행하는데; 즉 다중-패드 전극의 최적의 접촉에 대한 자극 펄스의 전개를 제어한다. 최적의 접촉은, 비골 철회 반사(peroneal withdraw reflex)와 같은 반사를 유발하기 위하여 감각 신경의 자극 또는 근육 섬유의 특정 세트의 근육 활성화와 같은, 원하는 수축 또는 감각 기능을 달성하기 위하여 활성화 응답 조절을 통하여 사용자에 의해 선택되는 접촉이다. 자극 펄스는 전극 드라이버 내에서 발생하며 제어기(26) 내에서 또는/및 고립형 전기 자극기(25) 내에서 실행될 수 있다. 한 가지 실시에서, 사전-정의된 자극 순서가 작동 모드에 의존하여 수행된다. 매 번의 작동 모드에 대하여, 서로 다른 자극 순서가 정의된다. 모든 전극은 자신의 전극 드라이버를 가지며, 이에 따라 전극을 서로 전기적으로 고립시킨다. 글로벌 제어기에 의한 온라인 조절이 진폭, 기간 시간, 주파수, 및 각 자극 채널의 터닝 온/오프에 독립적으로 영향을 미칠 수 있다. 고립형 전기 자극기(25)의 예는 사용자가 각 모드에 대한 자극 순서 파라미터를 수동으로 설정하도록 하는 키보드 및 숫자 LCD 디스플레이를 가진다. 글로벌 제어기는 규칙-기초 제어의 온라인 또는 오프라인 조절을 위한 호스트 컴퓨터(PC)와의 통신 링크를 가진다.
장치의 작동은 두 단계를 포함하는데: 즉 설정 및 기능 사용단계이다. 이러한 단계 사이의 전환(switch)은 제어기의 작동 모드로서 사용자에 의해 수행된다. 설정 단계는 다중 센서(일부는 신체에 임시로 접촉될 수 있거나, 또는 접촉 없이 시각에 기초할 수 있음) 및 역치(threshold)를 설정하는 특정 소프트웨어의 사용을 고려하며, 예컨대 손으로 붙잡는 것과 같은 원하는 기능을 위하여 가장 효과적인 전극 패드의 선택을 위한 최적 과정을 사용한다. 시스템의 기능 사용은 바람직하게는 예컨대 도 9에 도시된 바와 같이 다양한 옷감에 위치하고 집적된 센서의 사용을 고려한다.
도 9는 본 발명의 서로 다른 응용을 제시한다. 도면에서 서로 다른 시스템에 제시되는데: 즉 팔뚝의 제어 및 손의 부분적 제어를 위한 시스템(1), 및 팔뚝 및 손 방향의 제어 그리고 손가락의 제어를 위한 시스템(2), 몸통의 제어를 위한 시스템(4) 및 상부 및 하부 다리의 제어를 위한 시스템(5, 6)이다.
도 8은 팔뚝 장치(2)의 구체 예를 나타낸다. 이러한 장치는 본 발명에 따르는 다중-패드 슬리브(24) 및 컨넥터가 구비된 관성 센서 하우징(ISC(21 및 22))을 포함한다. 팔뚝 시스템(2)은 네오프렌(Neoprene) 또는 유사한 친피부(skin friendly) 물질로 제조되며, 그 조절가능한 지름에 의해 모든 팔뚝에 맞춰질 수 있다. 컨넥터가 구비된 관성 센서 하우징(21)은 팔뚝 시스템의 양쪽 끝단에 위치된다. 각 ISC 모듈은 MEMS 관성 센서, 배터리 전력 공급원 및 컨넥터로 구성된다. MEMS 관성 센서, 가속도계(22) 및 자이로스코프(23)가 신체 일부의 공간상의 방향을 획득하기 위하여 제어기에 의해 사용될 수 있다. 시스템에 일체화된 센서는 네트워크로서 작동하며 신체 일부의 기능적 상태에 대한 정성적 정보를 제공하며; 이에 따라 원하는 움직임을 재생하기 위한 움직임을 위한 명령 신호 및 기능성에 관한 정보를 제공한다. 센서 신호 조건 및 처리 회로가 또한 ISC 내에 위치된다. 전력 공급원은 임의 ISC 내에 위치될 수 있으며 하나 이상의 배터리로 구성된다. 배터리는 재충전용이거나 일회용일 수 있다. 배터리의 충전은 외부 충전기에 의해 ISC의 컨넥터를 통하여 이루어진다. 글로벌 제어기(27)가 사용되는 경우, 상기 글로벌 제어기는 배터리 전력 공급원을 모든 유닛에 제공한다. 글로벌 제어기는 다중 기능을 가지는데: 모든 유닛을 감독하고 전력공급하며, 복수의 시스템 사이의 통신을 동기화 및 촉진하며, 배터리의 재충전을 가능하게 한다. 글로벌 제어기는 케이블 또는 무선 인터페이스에 의해 PC에 연결된다. 손가락 굽힘/펼침 및 손 위치(내전(pronation)/외전(suppination) 뿐만 아니라 요골/척골 편위(radial/ulnar deviation)) 측정 장갑(3)은 주로 설정 단계 동안의 사용, 및 일부 작동 모드에서 팔뚝 시스템이 사용되는 경우 기능 단계에서의 사용을 위하여 설계된 시스템의 일부이다. 장갑은 복수의 센서: 즉 MEMS 관성 센서, 길이 센서 및 압력 센서로 구성된다. 압력 센서는, 손가락이 대상물과 접촉할 때, 잡는 힘(grasp force)을 측정한다. 규칙-기초 제어기는 이러한 센서 입력을 사용하는 손 기능(functionality)을 위한 규칙을 정의한다.
예컨대 손 움켜쥠 정형수술(hand grasp orthosis)에서의 전극의 기능적 사용은 서로 다른 움켜쥠 구성(손 및 손가락의 구성)의 순서로 구성되며, 이는 청구된 전극(터치 센서를 사용함)에 의해 설정될 것이다. 기능 모드에서, 이러한 설정은 규칙 기초 제어기를 사용하는 손 방향, 위치 및 구성에 의존하여 선택될 것이다.
작동 모드 1은 감각 층 데이터에 기초한 개별 패드의 활성화 제어를 제공한다. 이러한 특징은 설정 단계 및 기능 단계 모두에서 활용가능하다. 모드 1의 주된 기능적 원리는 온/오프 방식으로 자극 펄스의 분포를 원하는 패드에 선택/명령하는 것이다. 활성 장(active field)을 제어하는 프로토콜은 감각 층에 적용되는 압력에 의해 가이드 된다. 자극 조절 요소(센서)에 대한 증가하는 경사가 탐지되는 경우, 하부의 자극 패드는 상태를 변경시키는데, 즉 활성인 경우 비활성이 되거나 또는 그 반대이다. 제어 알고리즘이 도 10에 제시된다. 자극 진폭은 제어 유닛 입력 경계부 상에 간접적으로 설정된다.
모드 2는 자극 펄스 진폭 조절을 포함한다. 이러한 특징은 설정 단계 및 기능 단계 모두에서 활용가능하다. 설정 단계 동안 사용자는 활성화될 필요가 있는 모든 패드에 대하여 자극 펄스 진폭의 조절을 수행한다. 펄스 진폭은 선택성, 편의성, 운동 또는 감각 역치 또는 성능일 수 있는 특정 필요성에 따라 사용자에 의해 조절될 것이다. 제어 과정이 도 11에 도시된다. 설정 단계에서 초기 자극 진폭은 0이다. 자극 진폭의 증가가 센서 누름 기간에 의해 결정된다. 사용자에 의해 설정된 값이 메모리에 저장되어 기능 단계에서 초기 값으로 사용된다.
모드 3은 활성화 및 진폭 조절 기능 모두를 가능하게 한다. 도 12는 구체예 4에 대한 제어 알고리즘을 나타낸다.
모드 4에서 프로세싱 및 저장 유닛이 사용되며 이는 전술한 구체 예에서 언급한 바와 같은 방식으로 형성된 복수의 설정을 저장하는 것을 가능하게 한다. 예컨대 도 11의 과정을 사용하여 결정되는 바와 같이 어느 패드가 활성이어야 하는가와 같은 이러한 설정은 기능 단계에서 시간적으로 순서가 정해질 수 있다. 이러한 서로 다른 패드 설정은 더욱 복잡한 기능 임무를 위하여 사용될 수 있는데, 예컨대 근육을 자극하여 손가락 펼침을 유발하는 설정 및 후속하여 손목 펼침 근육을 자극하는 또 다른 패드 설정이며, 상기 손목 펼침 근육은 해부학적으로 손가락 신근(extensor)보다 더욱 근위(proximal)에 위치한다. 서로 다른 설정 사이의 변경 타이밍은, 예컨대 사지(limb) 움직임 또는 사지 구성과 같은 활동을 기록하는 결정론적으로 또는 프로세싱된 센서 정보를 사용하는 프로그램에 의하거나 또는 또 다른 종류의 인공 또는 천연 센서에 의해 조절될 수 있다. 한 가지 설정에서 다른 설정으로의 전환은 급격하게 또는 완만하게 이루어질 수 있다. 완만한 전환은 두 개의 영상을 모핑(morphing)할 때 이루어지는 것과 같이 상호적으로 패드 설정을 계산한다. 복수의 다중-패드 전극은 타이밍 및 전환 조정의 이러한 설정 개념을 사용하여 조정될 수 있다. 전형적인 응용은 손 움켜쥠 및 펼침을 위한 손가락 및 손 기능의 자극을 위하여 2 또는 3개의 이러한 다중-패드 전극을 사용하거나, 또는 이동을 위한 발 및 다리 움직임을 자극하기 위한 4-6개 패드를 사용하는 것이다.
다중-패드 전극 FES는 활성 패드(active pad)의 동기식 또는 비동기식 자극에 의해 수행될 수 있다. 동기식 자극은 활성 패드를 통하여 인가되는 전기 전류의 중첩(superposition)을 유발한다(도 13). 유발된 장(field)은 신경의 흥분(excitation)을 유발할 수 있는데 이는 각각의 장에 의해 개별적으로 자극될 때 역치(threshold) 이하이다. 모드 5는 설정 및 기능 단계 동안 패드의 동기식 자극을 포함한다. 이러한 방식으로, 공간적으로 고정된 다중-패드 전극으로 자극될 때 자극 파라미터에 대한 더 많은 자유도(degrees of freedom)가 도입된다.
비동기식 자극은 하나의 자극 펄스를 짧은 시간 내에 다른 것의 이후로 딜레이 시키면서, 자극 펄스를 다중-패드 전극 내 패드로 순차적으로 전송하는 것을 지속한다(도 14). 모드 6은 설정 및 기능 단계 동안 패드의 비동기식 자극을 포함한다. 비동기식으로 자극될 때 자극 펄스는 단지 하나의 패드로만 전송되고, 이에 따라 신경의 흥분은 유일하게 각 펄스에 대하여 결정되며 다중 패드와 무관심 전극 사이의 임피던스 분포에 의해 결정되지 않는다. 자극 파라미터의 더욱 우수한 재생성이 허용된다.
이중-층 다중-패드 전극의 대안적인 구체 예는 측면에 자극 및 감각 층을 갖는 단일 기판 층으로서 설계되며 이는 도 15에 도시된다.
이중-층 다중-패드 전극의 또 다른 구체 예는 두 개의 별개 기판 층으로 설계되는데, 하나는 자극 패드를 운반하며 두 번째는 자극 조절 요소를 운반한다(도 16).
도 17은 제어기가 구비된 ASIC 자극기를 포함하는 다중-패드 전극의 구체 예를 나타낸다(주문형 집적회로(application specific integrated circuits)). 각 패드에 대한 자극 세기 설정 및 자극의 스위칭 온/오프 기능은 전극 기판 상에 위치한 ASIC에 집적된다. 하나의 ASIC가 예를 들면 4개의 패드를 담당하며 입력으로서 높은 공급 전압 및 제어 신호를 가진다. 이러한 구체 예는, 특히 다중-패드 전극이 많은 패드로 구성될 때, 복잡한 와이어 라우팅의 문제를 해결한다. 하나의 ASIC가 4개의 전극 및 센서 패드를 위한 집적 아날로그 및 디지털 회로를 포함하는 구성에 있어서, 다중-채널 전극은, 모든 ASIC에 동일 신호 라인이 제공되고 이로 인해 제어되기 때문에 와이어링의 증가된 복잡성 없이 임의 크기가 될 수 있다. ASIC 모듈은 모드 1-9에 대한 완전한 기능성을 제공한다. 도 17은 모든 ASIC 모듈, 즉 예컨대 150 V의 2 개의 고전압원 와이어 및 자극 채널 스위칭, 채널 동기화, 자극 진폭 및 펄스 기간에 관한 정보가 있는 2개의 통신 와이어에 의해 공유된 4개의 연결부를 나타낸다. 그 대신에, ASIC 모듈은 중복된(superimpose) 통신 신로를 갖는 고전압을 제공하는 단지 2개의 연결 라인을 사용하여 배선될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "포함하다" 및 그 파생어(예컨대 "포함하는" 등)는 제외적인 의미로 이해되어서는 안되는데, 즉 이러한 용어는 설명되고 정의된 것이 추가적인 요소, 단계 등을 포함할 수도 있다는 가능성을 제외하는 것으로 해석되어서는 안된다.
한편, 본 발명은 본 명세서에서 설명된 특정 구체예에 제한되지 않으며, 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 고려될 수 있는 모든 변형(예컨대 물질, 치수, 성분, 구성 등의 선택)을 청구항에서 정의된 발명의 범위 이내에서 포함할 수 있다.

Claims (8)

  1. 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치에 있어서, 상기 장치는 한쪽 면(31)에 다중-패드 전극이 제공되고 다른 쪽 면(32)에 활성화 수단이 제공된 연성 의류(24)를 포함하며, 상기 활성화 수단은 개별적으로 각각의 다중-패드 전극에 대하여 전달된 전기 펄스의 활성화 및 제어를 가능하게 하도록 구성되는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 전극에 상기 전극에 대향(facing)하는 위치로 대응 활성기(activator)가 제공되며 상기 전극과 상기 활성기 사이에 슬리브 물질이 존재하는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 모든 활성기를 제어하도록 구성된 제어기 수단을 더욱 포함하는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어기는 퍼스널 컴퓨터에 연결되도록 구성되는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성기는 압력 구동(pressure driven)되는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  6. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기에 연결된 움직임 및/또는 위치 센서(22)를 더욱 포함하는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 센서는 힘 센서, 가속도계, 관성 센서, 자이로스코프 및/또는 길이 또는 굽힘 센서인, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
  8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 자극 패드(31)를 운반하는 전극 기판 층 상의 최소 하나의 ASIC를 더욱 포함하며, 상기 다중-패드 전극은 그룹핑되며, 상기 ASIC는 상기 그룹으로 전달되는 전압 및/또는 진폭을 제어하도록 구성되는, 말초 신경 또는 근육의 자극에 의한 마비된 신체 일부의 외적 활성화를 위한 장치.
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