KR20140080299A - 머리 착용 장치 및 이를 이용한 경두개 전기 자극 시스템 - Google Patents

머리 착용 장치 및 이를 이용한 경두개 전기 자극 시스템 Download PDF

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Abstract

머리 착용 장치 및 이를 이용한 경두개 전기 자극 시스템을 개시한다. 본 발명은 경두개에 착용되어 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 가함과 동시에 뇌파 측정이 가능한 머리 착용 장치 및 이를 이용하여 측정된 뇌파의 결과에 따라 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 조절하여 제공 가능한 경두개 전기 자극 시스템을 제공한다. 그에 따라, 본 발명은 경두개 전기 자극을 수행함에 있어서, 사용자의 전기 자극 목적에 따라서 보다 정확하고 편리하게 전기 자극이 수행되도록 해 준다.

Description

머리 착용 장치 및 이를 이용한 경두개 전기 자극 시스템{HEADWEAR TYPE APPARATUS AND TRANSCRANIAL ELECTRIC STIMULATION SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 머리 착용 장치 및 이를 이용한 경두개 전기 자극 시스템에 관한 것으로, 경두개에 착용되어 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 가함과 동시에 뇌파 신호 측정이 가능한 머리 착용 장치 및 이를 이용하여 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 조절하여 제공 가능한 경두개 전기 자극 시스템에 관한 것이다.
다양한 개념들이 뇌 구조들의 신경 자극의 분야에 알려져 있다.
이들은 심부 전기 자극법(deep electrical stimulation), 경두개 자기 자극법(TMS: transcranial magnetic stimulation) 및 경두개 전기 자극법(TES:transcranial electrical stimulation), 특히 경두개 직류 자극법(tDCS: transcranial direct current stimulation) 및 경두개 랜덤 노이즈 자극법(tRNS: transcranial random noise stimulation)을 포함한다.
특히, 다음의 방법들과 장치들이 알려져 있으며, 침습적 방법과 비침습적 방법이 구분될 수 있다. 침습적 방법들의 경우에, 협심증의 경우에서 외부 척수의 수막들의 신경자극을 위한 자극기가 개시되었으며, 자극기는 수술에 의해 실행된다.
그리고, 주로 경두개 자기 및 전기 뇌 자극 방법들이 뇌의 비침습적 신경자극을 위한 방법으로서 알려져 있다. 경두개 자기 자극법(TMS)의 경우에, 머리의 표면의 위에 있는 자기 코일이 1 밀리세컨드(ms)보다 짧은 지속 시간으로 매우 짧은 자기장을 가하는데 사용된다. 자기장은 대략 1 내지 2 테슬러의 세기를 가진다. 자기장은 두개골을 통과하며 매우 짧은 전류 흐름을 유도한다. 이는 수 입방 센티미터의 정확하게 한계가 정해진 영역에서 신경성 방출들을 생성한다. 따라서, 코일 전류는 먼저 자기 에너지로 변환되며 그런 다음에 신경세포들에 있는 전류로 전환된다. 그리고, 싱글-펄스 TMS에 더하여 반복 TMS(rTMS: Repetitive TMS)가 알려져 있다. rTMS에서, 다수의 펄스들이 소정의 시퀀스에 적용된다. 높은 펄스 수는 피질의 흥분을 증가시키는 반면에 예를 들어 1 헤르츠의 낮은 펄스 수는 피질의 흥분을 억제시킨다.
경두개 직류 자극법(tDCS)의 경우에는, 약한 연속적인 직류가 두피의 위에 있는 두 개의 대면적 전극들을 통해 가해진다. 이는 피질의 신경세포들의 막 전위의 작은 변경 및 발화율의 변화를 초래하며, 그에 따라 이의 흥분 레벨이 영향을 받는다. 정확히 말하면, 이는 자극의 극성에 따라, 증가되거나 감소된다. 양극의 자극의 경우에(양극은 세포 몸체나 수지상 돌기의 근처에 있다), 탈분극화가 증가된 막 전위와 발화율에 의해 발생되며, 그에 따라 흥분을 증가시킨다. 음극의 자극의 경우에, 신경세포들은 낮아진 막 전위와 발화율의 결과로 과분극화되며, 흥분은 감소된다.
한국특허공개공보 제10-2011-0086611호(공개일 : 2011.07.28)
본 발명은 경두개에 착용되어 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 가함과 동시에 뇌파 신호 측정이 가능한 머리 착용 장치 및 이를 이용하여 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 조절하여 제공 가능한 경두개 전기 자극 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치는 생체 대상의 경두개에 전기 자극을 주기 위한 머리 착용 장치에 있어서, 상기 경두개에 착용되도록 구성된 상기 머리 착용 장치의 본체; 상기 본체의 일정 부분에 고정된 복수 개의 전극들; 외부로부터 전극 선택 신호 및 전기 자극 신호를 입력받는 신호 입력부; 및 상기 복수 개의 전극들 중 적어도 하나의 전극은 뇌파 신호 측정이 가능한 전극으로, 그로부터 측정된 뇌파 신호를 출력하는 뇌파 출력부를 포함하고, 상기 복수 개의 전극들 중 적어도 둘의 전극들은 전기 자극이 가능한 전극들로, 그들은 상기 본체가 상기 경두개에 착용되었을 때에 뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 존재하도록 상기 본체에 고정되어 있고, 상기 본체는 상기 신호 입력부를 통해 입력받은 전기 자극 신호를 상기 전극 선택 신호에 따라 상기 전기 자극이 가능한 전극들에 선택적으로 출력시키는 출력부를 포함한다.
여기서, 상기 뇌파 신호 측정이 가능한 전극은, 상기 전기 자극이 가능한 전극들 중 적어도 하나가 뇌파 신호 측정도 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전기 자극이 가능한 전극들은, 상기 본체가 상기 경두개에 착용되었을 때에 뇌의 배외측전전두피질 영역 및 복내측전전두피질 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 존재할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치; 및 외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택 및 상기 머리 착용 장치에서 출력되는 뇌파 신호를 분석하여 그 분석 결과에 따라 전극 선택 신호 및 전기 자극 신호를 발생시켜 상기 머리 착용 장치로 출력하는 자극 발생 장치를 포함하고, 상기 자극 발생 장치는, 뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 대한 전기 자극을 위해서 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보를 포함한 자극 프로토콜 정보를 적어도 하나 기 저장하고 있고, 외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택에 따라 해당 자극 프로토콜 정보를 제공하는 자극 프로토콜 제공부; 상기 머리 착용 장치에서 출력되는 뇌파 신호를 입력받아 분석하는 뇌파 분석부; 상기 자극 프로토콜 제공부에서 제공된 자극 프로토콜 정보 및 상기 뇌파 분석부에서 상기 뇌파 신호를 분석한 결과에 따라 자극 세기 또는 자극 시간을 조절하여 전기 자극 신호를 발생시키고 출력하는 전기 자극 신호 제공부; 상기 자극 프로토콜 제공부에서 제공된 자극 프로토콜 정보에 따라 전극 선택 신호를 발생시켜 출력하는 전극 선택 신호 제공부; 및 상기 전기 자극 신호 제공부에서 출력된 상기 전기 자극 신호 및 상기 전극 선택 신호 제공부에서 출력된 상기 전극 선택 신호를 상기 머리 착용 장치로 출력하는 신호 출력부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 자극 프로토콜 제공부는, 뇌의 배외측전전두피질 영역 및 복내측전전두피질 영역 중 적어도 한 영역에 대한 전기 자극을 위해서 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보를 포함한 자극 프로토콜 정보를 적어도 하나 기 저장하고 있고, 외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택에 따라 해당 자극 프로토콜 정보를 제공할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 자극 발생 장치는, 상기 전기 자극 신호 제공부에서 출력된 전기 자극 신호의 전류 값을 감지하는 전류 감지부; 상기 전류 감지부에서 감지된 상기 전류 값이 기 설정된 과전류 값보다 큰 경우, 상기 전기 자극 신호 제공부의 전기 자극 신호 출력을 차단하는 과전류 차단부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 상기 자극 발생 장치는, 상기 전기 자극 신호 제공부가 전기 자극 신호를 발생시켜 상기 머리 착용 장치로 출력하는 동안, 남아 있는 자극 시간을 표시해 주는 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 머리 착용 장치는 뇌의 특정 영역에 전기 자극이 가해 질 수 있도록 미리 해당 영역들과 매칭되는 위치에 복수 개의 전극들이 고정되어 있는 구성을 가진다. 또한 본 발명에 따른 머리 착용 장치는 전기 자극과 함께 뇌파 측정도 가능한 구성을 가진다. 따라서, 기존에 사용자가 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 가하기 위해서 전극들을 경두개의 해당 위치에 일일이 찾아서 부착시켜 주었던 번거로움 없이, 경두개에 착용만 하면 전기 자극을 가하고자 하는 해당 영역에 전극들을 부착시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전기 자극에 의해 뇌파가 어떻게 변화되는지 실시간 뇌파 신호 측정도 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 사용자의 자극 선택에 따라서 뇌의 특정 영역에 선택적인 전기 자극이 수행될 수 있도록 해 주며, 실시간으로 전기 자극에 의해 변화된 뇌파 신호를 분석하여 그 분석 결과에 따라 전기 자극 신호를 조절하여 제공해 준다. 그에 따라, 본 발명에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 사용자의 경두개 전기 자극 목적에 따라서 보다 정확하고 편리하게 경두개 전기 자극이 수행되도록 해 준다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 머리 착용 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 머리 착용 장치에 의해 전기 자극이 가해질 수 있는 뇌의 영역들을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 머리 착용 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 머리 착용 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100)는 생체 대상의 경두개에 착용되도록 구성된 본체(101)와, 복수 개의 전극들(103a,103b,103c,103d,103e)과, 신호 입력부(105)와, 뇌파 출력부(107)로 구성된다.
여기서, 본체(101)는 도 1에 도시된 바와 같이 머리에 착용 가능한 형태인 헬맷 형태로 구성될 수 있다.
복수 개의 전극들(103a,103b,103c,103d,103e)은 본체(101)의 일정 부분에 고정되어 있으며, 그들 중 적어도 하나의 전극은 뇌파 신호 측정이 가능한 전극으로, 그들 중 적어도 두 개의 전극들은 전기 자극이 가능한 전극들로 구성된다.
따라서, 복수 개의 전극들은 뇌파 신호 측정이 가능한 전극과 전기 자극이 가능한 전극이 따로 분리되어 구성되거나, 복수 개의 전극들 중 적어도 하나의 전극이 뇌파 신호 측정과 전기 자극이 모두 가능하도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 뇌파 신호 측정이 가능한 전극은 전기 자극이 가능한 전극들 중 적어도 하나가 뇌파 신호 측정도 가능하도록 구성된 것일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 전기 자극이 가능한 전극들은 본체(101)가 경두개에 착용되었을 때에 뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 존재하도록 본체(101)에 고정되는 것을 특징으로 한다.
신호 입력부(105)는 본체(101)에 고정된 복수 개의 전극들(103a,103b,103c,103d,103e) 중에서 적어도 두 개의 전기 자극이 가능한 전극들에 전기 자극 신호가 출력되도록, 필요한 전극 선택 신호 및 전기 자극 신호를 외부로부터 입력받는다.
뇌파 출력부(107)는 복수 개의 전극들(103a,103b,103c,103d,103e) 중에서 적어도 하나의 뇌파 신호 측정이 가능한 전극으로부터 실시간 측정된 뇌파 신호를 츨력하는 동작을 수행한다. 여기서, 뇌파 신호는 EEG(Electroencephalogram의 약어) 신호로 두뇌 활동에 따른 두피의 전위 변화를 측정하여 두뇌 활동을 예측할 수 있는 신호이다.
그리고, 본체(101)에는 출력부(109)가 포함되어 있으며, 출력부(109)는 신호 입력부(105)를 통해 입력된 전극 선택 신호에 따라 전기 자극 신호를 복수 개의 전극들(103a,103b,103c,103d,103e) 중 적어도 두 개의 전기 자극이 가능한 전극들에 선택적으로 출력시키는 동작을 수행한다.
상기 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100)는 뇌의 특정 영역에 전기 자극이 가해질 수 있도록 머리 착용 장치(100)의 본체(101)에 복수 개의 전극들(103a,103b,103c,103d,103e)이 그 전기 자극을 가할 위치에 미리 고정되어 있다. 따라서, 기존에 사용자가 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 가하기 위해서 전극들을 경두개의 해당 위치에 일일이 찾아서 부착시켜 주었던 번거로움 없이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100)를 착용만 하면 전기 자극을 가하고자 하는 해당 영역에 전극들을 부착시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치는 전기 자극과 함께 뇌파 측정도 가능한 구성을 가진다. 그러므로, 본 발명은 전기 자극에 의해 뇌파가 어떻게 변화되는지 실시간으로 뇌파 신호 측정도 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100)의 본체(101)에 전기 자극이 가능한 전극들이 고정되는 위치는 전기 자극을 가하고자 하는 뇌의 자극 부위와 서로 매칭되며, 도 2는 도 1에 도시된 머리 착용 장치에 의해 전기 자극이 가해질 수 있는 뇌의 영역들을 도시한 도면이다. 여기서, 뇌의 영역 분류는 International 10-20 System에 따라 도시된 것이다.
살펴보면, FP1과 FP2는, OFC 또는 VMPFC라고 불리우는 복내측전전두피질(ventromedial prefrontal cortex) 영역이다. 이 영역은 쾌감, 충동, 의지 조절, 및 감정과 관련된 뇌의 영역으로 알려져 있다.
그리고, F3과 F4는 DLPFC라 불리우는 배외측전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex) 영역이다. 이 영역은 이성의 중추로, 인지, 문제 해결, 합리적 의사 결정과 관련된 뇌의 영역으로 알려져 있다.
C3와 C4는 일차 운동 피질(primary motor cortex) 영역으로, 운동 통제와 관련된 뇌의 영역으로 알려져 있다.
T3와 T4는 측두엽(temporal lobe) 영역으로, 기억과 관련된 뇌의 영역으로, O1과 O2는 후두엽(occipital lobe) 영역으로, 시지각과 관련된 뇌의 영역으로 알려져 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 머리 착용 장치는 상기의 도 2에 도시된 뇌의 특정 영역에 전기 자극이 가해질 수 있도록 미리 해당 영역들과 매칭되는 위치에 복수 개의 전극들이 고정되어 있는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 머리 착용 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시 예의 구성과 다른 점은, 머리 착용장치의 본체 구성과 본체에 고정된 전극들의 개수이다.
도 3에 도시된 머리 착용 장치(200)의 신호 입력부(205)와, 뇌파 출력부(207)와, 출력부(209)의 동작은 앞서, 도 1을 참작하여 설명한 바와 동일하므로, 여기서는 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 본체(101)가 경두개에 착용될 수 있는 헬맷 형태를 가지도록 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 도 3에 도시된 바와 같이 본체(201)가 헤드셋 형태를 가지도록 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 머리 착용 장치(200)는 본체(201)가 경두개에 착용될 수 있는 헤드셋 형태를 가지며, 본체(201)에 고정되는 전극들의 개수가 2개 내지 4개 정도로 적은 개수인 경우에 대한 실시 예이다. 도 3에는 전기 자극이 가능한 3개의 전극들(203a, 203b,203c)이 고정된 형태의 머리 착용 장치(200)가 일 예로 도시되어 있다.
특히, 도 3에 도시된 머리 착용 장치(200)는 경두개에 착용되었을 때에 본체(201)에 고정된 전기 자극이 가능한 전극들이 뇌의 감정 및 인지와 관련된 영역들에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 부착되도록 구성된 형태이다.
앞서, 도 2에서 살펴본 바와 같이, 인지와 관련된 뇌의 영역은 F3과 F4이다. 그리고, 감정과 관련된 뇌의 영역은 FP1과 FP2이다. 그러므로, 도 3에서 전기 자극이 가능한 전극들(203a, 203b,203c)은 뇌의 배외측전전두피질 영역 및 복내측전전두피질 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 존재하도록 본체(201)에 고정되어 있다. 그리고, 생체 대상의 인지 능력을 조절하기 위해서는 F3 및 F4 부위에 전기 자극을 주는 방식이, 감정을 조절하기 위해서는 F3 및 FP2 부위 또는 F4 및 FP1 부위에 전기 자극을 주는 방식이 이용되고 있다.
그러므로, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 머리 착용 장치(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 전극을 최소한으로 3개 구비하는 형태로 구성되어 뇌의 감정과 관련된 영역 및 뇌의 인지와 관련된 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 줄 수 있다. 여기서, 3개의 전기 자극이 가능한 전극들(203a, 203b,203c)은 뇌의 F3, F4, 그리고 FP1 또는 FP2 총 3 부위에 전기 자극을 가할 수 있는 경두개의 위치에 부착되도록 머리 착용 장치(200)의 본체(201)에 고정되어 있다.
그리고, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 머리 착용 장치(200)는 전기 자극에 따른 실시간 뇌파 변화를 측정하기 위해서, 상기 3개의 전기 자극이 가능한 전극들(203a, 203b,203c) 중 적어도 하나의 전극이 뇌파 신호 측정도 가능하도록 구성되거나, 도 3에 도시되지는 않았으나, 별도의 적어도 하나의 뇌파 신호 측정이 가능한 전극을 추가로 구비함으로써, 실시간으로 뇌파 신호 측정이 가능하도록 구성될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 본체가 헬맷 형태나 헤드셋 형태로 형성되는 것 이외에도, 밴드 형태 등 경두개에 착용 가능한 다양한 형태들 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100,200)를 이용한 것으로, 외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택 및 머리 착용 장치(100,200)에서 출력되는 뇌파 신호를 분석하여 그 분석 결과에 따라 전극 선택 신호 및 전기 자극 신호를 발생시켜 머리 착용 장치(100,200)로 출력하는 자극 발생 장치(300)를 포함하는 구성을 가진다. 도 4에는 일 예로 본 발명의 제1 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100)를 이용한 경두개 전기 자극 시스템을 도시하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100,200)의 구성에 대해서는 상기 도 1 내지 3을 통해 앞서 설명하였으므로, 여기서는 설명을 생략하고, 자극 발생 장치(300)의 구성에 대해서 이하 상세하게 설명하도록 하겠다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템의 자극 발생 장치(300)는 도 4에 도시된 바와 같이, 사용자 인터페이스부(301)와, 자극 프로토콜 제공부(303)와, 뇌파 분석부(305)와, 전기 자극 신호 제공부(307)와, 전극 선택 신호 제공부(309)와, 신호 출력부(311)와, 전류 감지부(313)와, 과전류 차단부(315)와, 표시부(317)로 구성될 수 있다.
자극 프로토콜 제공부(303)는 뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 대한 전기 자극을 위해서 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보가 포함된 자극 프로토콜 정보를 적어도 하나 기 저장하고 있고, 사용자 인터페이스부(301)를 통해 입력된 사용자의 자극 선택에 따라 해당 자극 프로토콜 정보를 제공한다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템이 도 3에 도시된 실시 예 형태와 같은 머리 착용 장치(200)를 이용하는 경우에는, 자극 프로토콜 제공부(303)가 뇌의 배외측전전두피질 영역 및 복내측전전두피질 영역 중 적어도 한 영역에 대한 전기 자극을 위해서 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보인 자극 프로토콜 정보를 적어도 하나 기 저장하고 있고, 사용자 인터페이스부(301)를 통해 입력된 사용자의 자극 선택에 따라 해당 자극 프로토콜 정보를 제공한다.
자극 프로토콜 제공부(303)에 저장된 자극 프로토콜 정보의 실시 예들은 다음과 같다.
첫 번째 자극 프로토콜 정보는 인지 능력을 향상시키기 위한 자극 프로토콜 정보로, 자극 세기가 0.029㎃/㎠이고, 자극 시간이 20분이며, 전극에 대한 정보로 뇌의 F3 및 F4 부위에 전기 자극을 가하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치에 고정된 두 전극(여기서, 상기 두 전극을 F3 전극과 F4 전극이라 함)의 식별 정보와 F3 전극은 애노드(anode)이고 F4 전극은 캐소드(cathode)인 정보를 포함한다.(참고문헌: Antal A, Nitsche MA, Kincses TZ, et al. Facilitation of visuo-motor learning by transcranial direct current stimulation of the motor and extrastriate visual areas in humans. Eur J Neurosci 2004;19: 2888-2892)
두 번째 자극 프로토콜 정보는 시지각 능력을 향상시키기 위한 자극 프로토콜 정보로, 자극 세기가 0.029㎃/㎠이고, 자극 시간이 10분이며, 전극에 대한 정보로 뇌의 O1 및 C4 부위 또는 O2 및 C3 부위에 전기 자극을 가하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치에 고정된 두 전극(여기서, 상기 두 전극을 O1 전극 및 C4 전극 또는 O2 전극 및 C3 전극이라 함)의 식별 정보와 O1 전극은 애노드이고 C4 전극은 캐소드인 정보 또는 O2 전극은 애노드이고 C3 전극은 캐소드인 정보를 포함한다.(참고 문헌 : Antal A, Nitsche MA, Kruse W, et al. Direct current stimulation over V5 enhances visuomotor coordination by improving motion percep-tion in humans. J Cogn Neurosci 2004;16:521-527.)
세 번째 자극 프로토콜 정보는 언어 학습 능력을 향상시키기 위한 자극 프로토콜 정보로, 자극 세기가 0.029㎃/㎠이고, 자극 시간이 20분이며, 전극에 대한 정보로 뇌의 T3 및 T4 부위에 전기 자극을 가하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치에 고정된 두 전극(여기서, 상기 두 전극을 T3 전극 및 T4 전극이라 함)의 식별 정보와 T3 전극은 애노드이고 T4 전극은 캐소드인 정보를 포함한다. (참고문헌 : Floel A, Rosser N, Michka O, Knecht S, Breitenstein C. Noninvasive brain stimulation improves language learning. J Cogn Neurosci 2008 Feb 27.. epub ahead of print.)
네 번째 자극 프로토콜 정보는 우울증 증상을 완화시키기 위한 자극 프로토콜 정보로, 두 세트의 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보를 포함하며, 상기 두 세트의 정보가 번갈아 가면서 제공되도록 구성된다.
네 번째 자극 프로토콜 정보의 제1 세트는 자극 세기가 0.057㎃/㎠이고, 자극 시간이 20분이며, 전극에 대한 정보로 뇌의 F3 및 C4 부위에 전기 자극을 가하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치에 고정된 두 전극(여기서, 상기 두 전극을 F3 전극 및 C4 전극이라 함)의 식별 정보와 F3 전극은 애노드이고 C4 전극은 캐소드인 정보를 포함한다. 그리고 제2 세트는 자극 세기가 0.029㎃/㎠이고, 자극 시간이 20분이며, 전극에 대한 정보로 뇌의 FP1 및 F4 부위에 전기 자극을 가하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치에 고정된 두 전극(여기서, 상기 두 전극을 FP1 전극 및 F4 전극이라 함)의 식별 정보와 FP1 전극은 애노드이고 F4 전극은 캐소드인 정보를 포함한다. (참고문헌 : Boggio PS, Bermpohl F, Vergara AO, et al. Go-no-go task perfor-mance improvement after anodal transcranial DC stimulation of the left dorsolateral prefrontal cortex in major depression. J Affect Dis-ord 2007;101:91-98.)
다섯 번째 자극 프로토콜 정보는 운동 능력을 향상시키기 위한 자극 프로토콜 정보로, 자극 세기가 0.029㎃/㎠이고, 자극 시간이 20분이며, 전극에 대한 정보로 뇌의 C3 및 C4 부위에 전기 자극을 가하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치에 고정된 두 전극(여기서, 상기 두 전극을 C3 전극 및 C4 전극이라 함)의 식별 정보와 C3 전극은 애노드이고 C4 전극은 캐소드인 정보, 그리고 C3 전극이 애노드이고 C4 전극이 캐소드인 정보를 포함한다. 다섯 번째 자극 프로토콜 정보는 C3 전극 및 C4 전극의 극성을 번갈아 가면서 변화시키며 20분 동안 0.029㎃/㎠의 자극 세기를 가지는 전기 자극 신호가 C3 전극 및 C4 전극에 출력되도록 하는 정보이다. (참고문헌 : Boggio PS, Castro LO, Savagim EA, et al. Enhancement of non-dominant hand motor function by anodal transcranial direct current stimulation. Neurosci Lett 2006;404:232-236.)
본 발명의 실시 예에 따른 자극 프로토콜 제공부(303)는 상기와 같은 적어도 하나의 자극 프로토콜 정보를 기 저장하고 있으면서, 사용자의 자극 선택에 맞추어 해당 자극 프로토콜 정보를 제공하게 된다.
뇌파 분석부(305)는 머리 착용 장치(100)의 뇌파 출력부(107)를 통해 실시간 출력되는 뇌파 신호를 입력받아 그 입력된 뇌파 신호의 크기 및 주파수 등을 분석한다.
전기 자극 신호 제공부(307)는 자극 프로토콜 제공부(303)에서 제공하는 자극 프로토콜 정보를 입력받고, 뇌파 분석부(305)로부터 뇌파 신호 분석 결과를 입력받는다. 그리고, 전기 자극 신호 제공부(307)는 자극 프로토콜 제공부(303)에서 제공된 자극 프로토콜 정보 및 뇌파 분석부(305)의 뇌파 신호 분석 결과에 따라 자극 세기 또는 자극 시간을 조절하여 전기 자극 신호를 발생시키고 출력한다.
상세하게, 전기 자극 신호 제공부(307)는 사용자의 자극 선택에 따라 자극 프로토콜 제공부(303)에서 제공하는 자극 프로토콜 정보를 이용하여 전기 자극 신호를 발생시켜 제공하되, 뇌파 분석부(305)의 뇌파 신호 분석 결과를 토대로 뇌파 신호 상태가 최종 목표치에 도달되도록 자극 세기 또는 자극 시간을 조절해 가면서 전기 자극 신호를 발생시켜 출력해 준다.
여기서, 전기 자극 신호 제공부(307)가 뇌파 분석부(305)의 뇌파 신호 분석 결과를 기초로 하여 뇌파 신호 상태가 최종 목표치에 도달되도록 자극 세기 또는 자극 시간을 조절하는 것은 기 설정해 놓은 조절 방식에 의해서 가능하다. 상기 조절 방식은 뇌의 특정 영역에 가한 전기 자극으로 뇌파 신호가 변화되는 양상을 분석한 다양한 실험 예들을 기초로 하여 정해질 수 있을 것이다.
전극 선택 신호 제공부(307)는 자극 프로토콜 제공부(303)에서 제공된 자극 프로토콜 정보에 따라 전극 선택 신호를 발생시켜 출력한다.
그러므로, 일 예로, 자극 프로토콜 제공부(303)에서 제공된 자극 프로토콜 정보가 앞서 언급된 우울증 증상을 완화시키기 위한 네 번째 자극 프로토콜 정보인 경우, 우선 상기 언급한 바 있는 두 세트의 서로 다른 전기 자극이 번갈아 가면서 제공되도록, 전기 자극 신호 제공부(307)와 전극 선택 신호 제공부(309)가 동작한다. 즉, 전기 자극 신호 제공부(307)는 자극 세기가 0.057㎃/㎠인 전기 자극 신호를 출력하고 전극 선택 신호 제공부(309)는 F3 전극이 애노드이고 C4 전극이 캐소드인 정보를 전극 선택 신호로 발생시켜 출력한 후, 다시 전기 자극 신호 제공부(307)는 자극 세기가 0.029㎃/㎠인 전기 자극 신호를 출력하고 전극 선택 신호 제공부(309)는 FP1 전극이 애노드이고 F4 전극이 캐소드인 정보를 전극 선택 신호로 발생시켜 출력해 주는 동작을 수행한다.
그리고, 일반적으로, 우울증 환자의 경우, 좌측 전두엽의 뇌파 신호는 알파파가 증가하고, 우측 전두엽의 뇌파 신호는 베타파가 증가하는 양상을 나타낸다. 다시 말해서, 좌측 전두엽의 활성도가 감소하고 우측 전두엽의 활성도는 증가하는 전두엽 부위의 비대칭 패턴이 나타나는 경향이 있다. 이에 반해, 정상적인 경우에는, 전두엽 좌우뇌에서 측정되는 뇌파 신호가 비교적 대칭 패턴을 나타낸다.
따라서, 상기 네 번째 자극 프로토콜 정보에 따라 전기 자극 신호 제공부(307) 및 전극 선택 신호 제공부(309)가 각각 해당 신호를 발생시켜 출력하되, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자극 신호 제공부(307)는 뇌파 분석부(305)의 뇌파 신호 분석 결과를 토대로 하여, 전두엽 좌우뇌에서 측정되는 뇌파 신호가 대칭 패턴을 나타내도록 전기 자극 신호의 자극 세기 또는 자극 시간을 조절하여 전기 자극 신호를 발생시키게 된다.
그리고, 신호 출력부(311)는 전기 자극 신호 제공부(307)에서 출력된 상기 전기 자극 신호 및 전극 선택 신호 제공부(309)에서 출력된 상기 전극 선택 신호를 입력받아 본 발명의 실시 예에 따른 머리 착용 장치(100,200)로 출력해 준다.
전류 감지부(313)는 전기 자극 신호 제공부(307)에서 출력된 전기 자극 신호의 전류 값을 감지하는 동작을 수행한다. 전류 감지부(313)는 전기 자극 신호 제공부(307)에서 일정한 자극 세기를 가지는 전기 자극 신호가 출력되도록 전기 자극 신호 제공부(307)로 감지된 전류 값을 피드백하여 줄 수 있다.
또한, 전류 감지부(313)는 전기 자극 신호 제공부(307)에서 출력된 전기 자극 신호의 전류 값을 감지하여 과전류 차단부(315)로 그 감지된 전류 값을 제공한다.
과전류 차단부(315)는 전류 감지부(313)에서 감지된 상기 전류 값을 기 설정된 과전류 값과 비교하여 상기 과전류 값보다 큰 경우, 전기 자극 신호 제공부(307)의 전기 자극 신호 출력을 차단한다. 그리하여, 일정 자극 세기 그 이상의 세기를 가지는 전기 자극 신호가 신호 출력부(311)를 통해 머리 착용 장치(100,200)로 전달되는 것을 차단시킨다.
표시부(317)는 전기 자극 신호 제공부(307)가 전기 자극 신호를 발생시켜 머리 착용 장치(100,200)로 출력하는 동안, 남아 있는 자극 시간에 대한 정보를 외부로 표시해 준다. 그에 따라, 사용자가 표시부(317)를 통해 남아 있는 자극 시간을 확인할 수 있도록 해 준다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 뇌의 특정 영역에 전기 자극을 가함에 있어서 사용자가 보다 편리하게 사용할 수 있도록 구성된 머리 착용 장치가 이용된다. 그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 사용자의 자극 선택에 따라서 뇌의 특정 영역에 선택적인 전기 자극이 수행될 수 있도록 해 줄 뿐만 아니라 실시간으로 전기 자극에 의해 변화된 뇌파 신호를 분석하여 그 분석 결과에 따라 전기 자극을 조절하여 제공해 준다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 경두개 전기 자극 시스템은 보다 정확하고 편리하게 경두개 전기 자극이 수행되도록 해 준다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100,200 : 머리 착용 장치 101,201 : 본체
103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 203a, 203b, 203c : 전극
105,205 : 신호 입력부 107,207 : 뇌파 출력부
109, 209 : 출력부 300 : 자극 발생 장치
301 : 사용자 인터페이스부 303 : 자극 프로토콜 제공부
305 : 뇌파 분석부 307 : 전기 자극 신호 제공부
309 : 전극 선택 신호 제공부 311 : 신호 출력부
313 : 전류 감지부 315 : 과전류 차단부
317 : 표시부

Claims (7)

  1. 생체 대상의 경두개에 전기 자극을 주기 위한 머리 착용 장치에 있어서,
    상기 경두개에 착용되도록 구성된 상기 머리 착용 장치의 본체;
    상기 본체의 일정 부분에 고정된 복수 개의 전극들;
    외부로부터 전극 선택 신호 및 전기 자극 신호를 입력받는 신호 입력부; 및
    상기 복수 개의 전극들 중 적어도 하나의 전극은 뇌파 신호 측정이 가능한 전극으로, 그로부터 측정된 뇌파 신호를 출력하는 뇌파 출력부를 포함하고,
    상기 복수 개의 전극들 중 적어도 둘의 전극들은 전기 자극이 가능한 전극들로, 그들은 상기 본체가 상기 경두개에 착용되었을 때에 뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 존재하도록 상기 본체에 고정되어 있고,
    상기 본체는 상기 신호 입력부를 통해 입력받은 전기 자극 신호를 상기 전극 선택 신호에 따라 상기 전기 자극이 가능한 전극들에 선택적으로 출력시키는 출력부를 포함하는 것인 머리 착용 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 뇌파 신호 측정이 가능한 전극은,
    상기 전기 자극이 가능한 전극들 중 적어도 하나가 뇌파 신호 측정도 가능하도록 구성된 전극인 것을 특징으로 하는 머리 착용 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 전기 자극이 가능한 전극들은,
    상기 본체가 상기 경두개에 착용되었을 때에 뇌의 배외측전전두피질 영역 및 복내측전전두피질 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 존재하도록 상기 본체에 고정된 것인 머리 착용 장치.
  4. 제1 항에 따른 머리 착용 장치; 및
    외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택 및 상기 머리 착용 장치에서 출력되는 뇌파 신호를 분석하여 그 분석 결과에 따라 전극 선택 신호 및 전기 자극 신호를 발생시켜 상기 머리 착용 장치로 출력하는 자극 발생 장치를 포함하고,
    상기 자극 발생 장치는,
    뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 대한 전기 자극을 위해서 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보를 포함한 자극 프로토콜 정보를 적어도 하나 기 저장하고 있고, 외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택에 따라 해당 자극 프로토콜 정보를 제공하는 자극 프로토콜 제공부;
    상기 머리 착용 장치에서 출력되는 뇌파 신호를 입력받아 분석하는 뇌파 분석부;
    상기 자극 프로토콜 제공부에서 제공된 자극 프로토콜 정보 및 상기 뇌파 분석부에서 상기 뇌파 신호를 분석한 결과에 따라 자극 세기 또는 자극 시간을 조절하여 전기 자극 신호를 발생시키고 출력하는 전기 자극 신호 제공부;
    상기 자극 프로토콜 제공부에서 제공된 자극 프로토콜 정보에 따라 전극 선택 신호를 발생시켜 출력하는 전극 선택 신호 제공부; 및
    상기 전기 자극 신호 제공부에서 출력된 상기 전기 자극 신호 및 상기 전극 선택 신호 제공부에서 출력된 상기 전극 선택 신호를 상기 머리 착용 장치로 출력하는 신호 출력부를 포함하는 경두개 전기 자극 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 자극 프로토콜 제공부는,
    뇌의 배외측전전두피질 영역 및 복내측전전두피질 영역 중 적어도 한 영역에 대한 전기 자극을 위해서 자극 세기, 자극 시간, 및 전기 자극 신호가 출력되는 전극에 대한 정보를 포함한 자극 프로토콜 정보를 적어도 하나 기 저장하고 있고, 외부로부터 입력된 사용자의 자극 선택에 따라 해당 자극 프로토콜 정보를 제공하는 것인 경두개 전기 자극 시스템.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 자극 발생 장치는,
    상기 전기 자극 신호 제공부에서 출력된 전기 자극 신호의 전류 값을 감지하는 전류 감지부;
    상기 전류 감지부에서 감지된 상기 전류 값이 기 설정된 과전류 값보다 큰 경우, 상기 전기 자극 신호 제공부의 전기 자극 신호 출력을 차단하는 과전류 차단부를 더 포함하는 경두개 전기 자극 시스템.
  7. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 자극 발생 장치는,
    상기 전기 자극 신호 제공부가 전기 자극 신호를 발생시켜 상기 머리 착용 장치로 출력하는 동안, 남아 있는 자극 시간을 표시해 주는 표시부를 더 포함하는 경두개 전기 자극 시스템.
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