KR20150049072A - 신경계 감시용 시각 자극기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신경계 감시용 시각 자극기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED가 실장된 기판을 포함하고 상기 LED는 600 내지 650nm 대역의 빛을 발생시키는 신경계 감시용 시각 자극기에 관한 것이다.

Description

신경계 감시용 시각 자극기{Visual stimulator for intraoperative monitoring}

본 발명은 신경계 감시용 시각 자극기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수술 중 시각 신경계를 감시하기 위하여 눈에 빛 자극을 제시하는 장치에 관한 것이다.

수술 중 신경계 감시(IOM, Intraoperative Monitoring)는 수술 중 신경계의 이상 여부를 전기 생리학적인 방법을 통해 감시하는 방법으로서, 수술의 질 및 후유증과 관련하여 신경계 수술에서 중요하게 여겨진다. 수술 중 신경계 감시는 신경계 검사의 디지털화 이후인 1980년대부터 본격적으로 임상에 적용되기 시작하였고, 이후 다양한 신경계 수술에서 필요한 방법으로 알려져 왔다. 특히, 1992년 척추 측만 협회에서 수술 중 신경계 감시는 척추 수술 동안 각성상태검사에 보조적일 뿐만 아니라 대안으로도 사용될 수 있다는 결과를 발표한 이후(Scoliosis Research Society, 1992), 수술 중 신경계 감시의 필요성을 입증하는 여러 사례들이 보고되어 왔다

유발 전위(EP, evoked potentials)는 감각계를 통해 인체에 자극을 주고, 이에 대한 신경계의 반응으로 유도되는 특정 진폭(amplitude)과 잠복기(latency)를 가진 전기적 성분을 일컫는다. 유발 전위의 종류로는 운동 유발 전위(MEP, motor evoked potentials), 체성 감각 유발 전위(SEP, somatosensory evoked potentials), 청각 유발 전위(AEP, auditory evoked potentials), 시각 유발 전위(VEP, visual evoked potentials)등이 있다. 수술 중 유발 전위 감시는 수술 도중 발생 가능한 신경계의 손상 여부를 감시하기 위하여 사용되는 최신 기술로서, 그 가운데에서도 수술 중 VEP 측정은 시각 신경계 손상 여부를 감시하기 위해 사용하는 방법이다.

VEP는 시각계에 영향을 주는 혈관성 손상에 민감하고, 목동맥과 관련된 일시적인 허혈성 에피소드 발생 시 VEP의 진폭이 감소하는 것으로 알려져 있다. 또한, 뇌하수체 종양 또는 시각 신경이나 시신경 교차(optic chiasm) 근처 부위의 수막종(meningiomas)이나 신경교종(gliomas) 제거와 같은 일련의 종양 제거술의 보고들에 따르면, VEP는 수술 전후의 시각계 평가에 유용하고, 수술 후 VEP 향상은 시각 기능의 향상과 연관되어 있다.

수술 집도 시, 마취 후 VEP 반응 중 P100 (시각 자극 이후 100ms 근처에서 나오는 양극(positive) 반응, 도 5 참고) 성분의 진폭은 일차 시각 중추에 해당하는 후두엽 채널인 O2에서 상당히 억제(suppression)되지만, 시각계 기능 감시 표식자로서의 역할은 충분히 가능할 만큼 반응이 관찰된다. 예를 들어, P100 성분의 진폭이 50%이상 감소하면 수술 집도의에게 경고 신호를 주어야 한다.

하지만, 실제의 경우, 수술장 내에서 마취 후 의식 없는 상태의 환자로부터 VEP 반응을 관찰하는 것은 상당히 곤란하다. 특히, 수술 전 진료실에서의 평가시 사용하는 방법은 환자의 의식적인 집중이 동반되어야 가능하기 때문에 수술장에서 사용이 불가능하며, 따라서 플래시 자극을 이용한 VEP가 시행되어야 한다.

이를 위해, 종래에는 LED가 부착된 고글 형태의 시각 자극기를 이용해 VEP를 관찰하는 방법이 가장 널리 사용되고 있으며, 그 일 예가 도 6에 나타나 있다.

그러나, 도 6에 나타난 종래의 고글 타입 시각 자극기는 부피가 클 뿐 아니라, 무엇보다 환자 눈에 접촉시키기 어려워 시각 자극 전달 효율이 떨어져서 P100 성분 검출을 위해서는 적어도 1000회 이상의 자극을 반복해서 인가해야 하며, 그럼에도 불구하고 검출을 되지 않는 경우가 많은 문제가 있다. 이와 같이 자극 반복 횟수가 늘어나는 경우, 신경계 감시를 위한 성분 검출에 걸리는 시간이 증가하고, 따라서 실시간 환자 감시라는 수술 중 VEP 감시의 원래 목적을 저해하는 요인이 된다.

한국공개특허공보 제 2009-0115306호

본 발명은 상술한 문제를 개선하기 위한 것으로, 자극 인가 횟수를 줄이면서 동시에 신속한 신경계 감시를 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 눈꺼풀에 근접 또는 부착한 상태에서 빛을 제시하는 시각 자극기를 제공하기 위한 것이다.

한편, 눈꺼풀의 분광 투과율을 고려한 시각 자극기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기는 LED가 실장된 기판을 포함하고, 상기 LED는 600 내지 650nm 대역의 빛을 발생시킨다. 이 때, 상기 기판은 LED가 눈꺼풀에 접촉되도록 구부러진 형상이 될 수 있는 한편, 기판은 연성 기판일 수도 있다. 본 발명의 LED는 패치형 LED가 될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 신경계 감시용 시각 자극기는 LED에 전원을 공급하는 전원부 및 전원부의 동작을 제어하는 전원 제어부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 전원 제어부는 LED의 온-오프 주기, 동작 시간, 동작 횟수 또는 밝기 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 출력 파장 대역이 서로 다른 복수의 LED 및 상기 LED를 제어하는 LED 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래에 비하여 신속하게 시각 유발 전위를 발생시키고, 신경계를 감시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기의 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 3은 빛의 파장에 따른 눈꺼풀의 분광 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기가 신경계 감시 장치와 연결된 형태를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명은 시간에 따른 시각 유발 전위 파형의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래의 고글 타입 신경계 감시용 시각 자극기를 나타낸 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경계 감시용 시각 자극기를 나타낸 도면이다.

본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기는 기판 및 기판 상에 실장된 LED를 포함한다. LED는 수술 중인 환자의 눈에(보다 상세하게는 눈꺼풀 위에, 이하에서는 눈과 눈꺼풀을 구분하지 않고 설명함) 빛을 가하기 위한 구성이다. 도 1에 표시된 실시예에서 LED는 안구의 형상을 따라 배치되어 있으며, 전체적인 형상도 안경의 전면부와 유사하여, 눈(꺼풀)에 효과적으로 빛을 발생시킬 수 있도록 한다. 다만, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니며 눈에 빛을 조사할 수 있는 다양한 형태 모두 본 발명의 범위에 속한다.

본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기가 활용되는 수술 중 시각 유발 전위(VEP, visual evoked potentials)는 시각 신경계 손상 여부를 감시하기 위해 사용되는 방법으로, 일반적으로 VEP는 양쪽 눈에 시각 자극을 제시한 후 이에 대한 반응을 일차 시각 중추에 해당하는 뇌부위의 뇌파로부터 측정한다. 이 때 양쪽 눈에 시각 자극을 제시하는 역할을 담당하는 것이 상기 LED이다.

본 발명의 특징 중 하나는 LED에서 600 내지 650nm 대역의 빛을 발생시키는 점이다. 본 발명은 종래와는 다르게 특정 대역 파장의 빛을 발생시켜 시각 유발 전위에 활용한다. 종래에는 특정 파장을 선별하지 않고 가시광선 전 영역이 혼합된 빛(백색광)을 발생시키는 wLED(white LED)를 사용하였다.

종래 기술에서와 같이 백색광으로도 수술 중 시각 유발 전위를 적용할 수는 있다. 즉, 눈꺼풀을 통과하는 빛과 통과하지 않는 빛을 한꺼번에 발생시키고 눈꺼풀로 조사하면, 그 중 어느 정도의 빛은 눈꺼풀로 조사한다. 종래 기술은 눈꺼풀을 통과할 수 있는 특정 파장의 빛이 존재한다는 사실을 인식하지 못한 상태에서 이루어진 것이다. 그러나, 연구 결과, 눈꺼풀을 통과하는, 즉 눈꺼풀에 대한 분광 투과율이 매우 높은 빛의 파장이 특정된다는 사실을 확인하였다. 본 발명은 이를 기초로, 신경계 감시용 시각 자극기에서 LED를 통해 발생시키는 빛의 파장을 특정하였으며, 그 일 실시예로 600 내지 650nm 대역의 빛을 시각 유발 전위를 위해 사용한다.

도 3을 통해 본 실시예에 대해 더욱 상세하게 살펴본다. 도 3은 빛의 파장에 따른 눈꺼풀의 분광 투과율을 나타낸 그래프이다. 도 3을 보면 450nm의 파장부터 650nm의 파장에 이르기까지 눈꺼풀의 분광 투과율이 나타나 있는데, 600nm를 경계로 분광 투과율이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다(세로축이 로그 스케일로 그려져 있음을 감안하면, 600nm 부근에서 약 10배 가까이 분광 투과율이 증가한다.)

본 발명은 이러한 연구 결과에 기초하여, 600 내지 650nm 대역의 빛을 발생시키는 LED를 사용한다.

이에 따른 효과를 살펴보면, 종래와 같이 가시광선 전 영역이 혼합된 빛(백색광)을 사용하는 경우, 눈꺼풀의 분광 투과율을 고려하지 않았기 때문에 VEP 측정이 안 되거나, 유도를 위해 수 천회 이상의 반복 측정을 해야하는 상황이 많았다. 특히, [발명의 배경이 되는 기술]란에서 언급한 P100 성분을 검출하기 위해서는 통상 1000회 이상의 자극을 반복하여 인가해야 했다(1000회 이상 반복하여도, P100 성분이 검출되지 않는 경우도 많다.). 만약 자극이 1Hz로 인가되는 경우 20분 가까이 자극을 가해야 하는데, 이는 수술 중 환자의 위험을 판단하는데 사용하기에는 지나치게 긴 시간이다. 즉, 수술 중 환자의 신경계에 문제가 발생하더라도 이를 발견하는데 20분 가까이 소요되므로 응급 상황에 제대로 대처하기 어렵다.

그러나, 본 발명과 같이 600 내지 650nm 대역의 빛을 투과시키는 신경계 감시용 시각 자극기는 100회 미만으로 자극을 반복하여 인가하더라도 종래에 비하여 P100 성분을 유효하게 검출할 수 있다. 종래의 경우, 넓은 대역의 빛을 발생시키므로, 실제 시각 유발 전위에 필요한 대역의 빛은 약한 강도로 발생시킬 수 밖에 없는데, 본 발명은 시각 유발 전위에 필요한 대역의 빛 만을 집중적으로 발생시켜 눈에 제시하므로, 종래에 비하여 훨씬 효과적으로 시각 유발 전위를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 기판은 LED가 눈꺼풀에 접촉되도록 구부러진 형상으로 형성된다. 본 실시예(도 1 참고) 종래에 사용된 고글 타입의 신경계 감시용 시각 자극기(도 6 참고)와 비교하여 살펴본다.

종래에는 고글 형태로 시각 자극기를 제조하고, 고글의 렌즈 부분에 LED가 실장된 기판을 부착하여 시각 유발 전위에 사용하였다. 그러나 종래의 방식은 LED를 환자의 눈에 접촉시키기가 어려웠다. LED와 눈꺼풀이 이격되는 경우, 특히 이격 거리가 멀어질수록 눈꺼풀에 가해지는 빛의 강도는 약해진다(빛의 세기는 광원으로부터의 거리에 제곱에 반비례하는 특성이 있다.) 따라서, 최대한 LED를 눈꺼풀과 가깝게, 바람직하게는 눈꺼풀에 접촉하도록 할 필요가 있다. 그러나 종래의 고글 타입은 눈과 LED가 일정거리 떨어질 수 밖에 없는 구조가 된다. 고글 렌즈의 이면에 부착된 LED의 높이를 높여 눈꺼풀과 LED의 거리를 좁힐 수도 있지만, 환자마다 안구의 크기, 눈꺼풀의 높이가 다르기 때문에 일부 환자의 눈꺼풀에 정확히 LED가 정확히 접하더라도, 다른 환자의 경우 눈을 압박하는(찌르는) 문제가 발생할 수 있다.

뿐만 아니라, 고글 타입의 시각 자극기는 부피가 큰 단점이 있어, 집도의 수술 행위를 방해하는 요인이 되기도 한다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 기판을 평면이 아닌 오목한 형상으로 보다 구체적으로는 LED가 눈꺼풀에 접촉되도록 구부러진 형상으로 형성시킨다. 이에 따라 구형인 눈에 시각 자극기가 안착될 수 있고, LED가 눈을 압박하지 않은 상태에서 눈에 접촉되어, 빛이 효과적으로 눈에 가해질 수 있도록 한다. 그 결과 종래에 비하여 훨씬 적게 반복 자극을 가하더라도, 충분히 P100 성분을 검출할 수 있게 되고, 신속하게 시각 유발 전위를 이용하여 신경계를 감시할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서 기판은 연성 기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board)이다.

종래에는 강성(rigid) 기판을 사용하였다. 도 6에 나타난 고글 타입의 시각 자극기 역시 고글의 렌즈에 LED가 실장된 강성 기판을 부착하였다. 그러나 본 발명은 유연한 성질을 가지는 연성 기판을 사용한다. 이로써, 안구의 모양인 구형에 맞게 LED를 눈에 밀착시킬 수 있고, 개인마다 조금씩 상이한 안구 형태에 맞추어 기판을 탄력적으로 변형시킬 수 있으므로 LED와 안구 사이의 거리를 줄일 수 있다. 그 결과, 반복 자극을 가하는 횟수를 현저하게 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기는 상기 LED에 전원을 공급하는 전원부 및 전원부의 동작을 제어하는 전원 제어부를 더 포함한다. 본 발명은 전원부를 포함하는 실시예와 포함하지 않는 실시예로 나뉠 수 있다. 전원부를 포함하는 경우, 전원부에서 자체적으로 LED에 전원을 공급한다. 이에 반해 전원부를 포함하지 않는 경우에는 본 발명의 시각 자극기에 따른 환자의 반응을 분석하는 신경계 감시 장치(도 4에 참고)로부터 LED 구동에 필요한 전원을 인가받을 수도 있다.

본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기가 신경계 감시 장치와 연동하여 동작하는 방식을 도 4를 통해 살펴본다.

도 4는 본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기가 신경계 감시 장치와 연결된 형태를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 4에는 크게 3 가지 구성이 나타나 있다. 우측에 구성도 형태로 나타난 신경계 감시 장치와 좌측 상단에 나타난 신경계 감시용 시각 자극기 및 좌측 중단에 원형으로 나타낸 전극이다. 좌측 중단의 전극은 환자의 두피 또는 근육에 부착되어 시각 자극기에 의해 가해지는 빛 자극에 따른 사용자의 반응을 전기적 신호로 추출하여 신경계 감시 장치에 전달하는 구성이다.

본 발명의 신경계 감시용 시각 자극기에서 LED를 통해 사용자의 눈꺼풀에 빛 자극을 제시한다. 이 때 자극의 주기, 반복 횟수, 조도 등은 앞서 언급한 대로 시각 자극기 자체에 포함된 전원부 및 전원 제어부를 통해 조절할 수도 있고, 도 4에 표시된 것처럼 신경계 감시 장치 내에 구비된 자극 인가부를 통해 조절될 수도 있다.

신경계 감시용 시각 자극기에 따른 환자의 반응은 전극을 통해 유발전위 검출부로 전달된다. 유발전위 검출부는 환자의 두피 또는 근육에 전기적으로 접촉된 전극으로부터 상기 자극신호 인가 이후의 유발전위를 검출하고, 상기 유발전위를 증폭시켜 환자의 상태를 분석하는 데에 필요한 형태로 신호를 가공한다.

유발전위 검출부에서 증폭된 신호는 데이터 처리부로 전달된다. 데이터 처리부는 유발전위 검출부로부터 증폭된 유발전위를 디지털 신호화하고 잡음 신호를 제거하고 수술 중 감시신호를 생성한다.

수술 중 감시신호는 수술 중 환자의 신경계 상태를 알기 위해 신경계 감시 장치에 사용된 결합 변수로서, 유발전위의 피크(peak)들의 발생 시간(Latency)과 그 피크들의 진폭(Amplitude) 값을 이용하여 생성된다.

데이터 처리부는 자극이 인가된 후 발생한 유발전위의 피크(peak)들의 발생 시간(Latency)과 그 피크들의 진폭(Amplitude)를 유발전위로부터 추출하고, 피크들의 발생 시간에 대한 진폭의 비율을 수술 중 감시신호로 생성한다. 특히, 도 5에 표시된 P100 성분을 검출, 가공하여 감시 신호로 생성한다.

감시경고부는 비교 감시신호를 계산하여, 상기 비교 감시신호가 제 1간격을 벗어나는 경우에 경고 신호를 생성한다. 비교 감시신호는 미리 저장된 기준 감시신호에 대한 상기 수술 중 감시신호의 비율을 의미하고, 기준 감시신호는 수술 개시 이전에 동일한 자극신호를 인가한 후 환자로부터 측정된 유발전위에서 추출된 유발전위 피크의 발생 시간에 대한 진폭의 비율을 의미한다.

위와 같은 구성에 의해 수술 중 시각 자극에 따른 유발 전위를 감지하고 분석하여 시각 신경계 손상 여부를 감시한다.

한편, 전원부 및 전원부를 포함하는 실시예에서, 전원 제어부는 LED의 온-오프 주기, 동작 시간, 동작 횟수 또는 밝기 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다. 본 실시예는 시각 유발 전위를 활용하여 신경계를 감시하는 데에 있어서 빛을 얼마만큼의 주기로 제시할 지, 총 몇 회를 제시할 지, 어느 정도의 시간 동안 빛을 제시할 지, 어느 정도의 밝기의 빛을 제시할 지를 조절하기 위한 것이다. 본 실시예와 결합하여 전원 제어부에서 제어하기 위한 온-오프 주기, 동작 시간, 동작 횟수 또는 밝기를 입력하기 위한 인터페이스부가 더 포함될 수도 있다.

특히 빛의 밝기는 분광 투과율을 결정하는 요소이므로, 시각 유발 전위가 제대로 검출되지 않는 경우, 밝기를 높이는 등의 제어를 실시할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, LED는 패치형 LED이다. 이 경우, LED와 기판은 별도로 구별되지 않을 수 있다. 즉 앞선 실시예에서 설명한 기판, LED가 패치형 LED의 형태로 융합될 수 있다. 패치형 LED를 사용하는 경우에도 위에서 언급한 실시예들과 마찬가지로 LED를 눈꺼풀에 효과적으로 접촉시키기 위한 기술들이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신경계 감시용 시각 자극기는 출력 파장 대역이 서로 다른 복수의 LED 및 상기 LED를 제어하는 LED 제어부를 더 포함한다. 도 2는 본 실시예에 따른 신경계 감시용 시각 자극기를 나타낸 구성도이다.

본 실시예는 서로 다른 파장의 빛을 발생시키는 LED를 시각 자극기 내에 배치시켜 시각 자극기에서 여러 파장의 빛을 선택적으로 발생시킬 수 있도록 한다. LED 제어부를 통해 LED의 선택적 구동을 제어한다.

도 3 및 앞서 언급한 실시예와 같이 600 내지 650nm의 빛이 눈꺼풀에 대한 분광 투과율이 높다. 다만, 눈꺼풀의 두께, 형상이 사람마다 다르므로, 이에 따른 분광 투과율도 미세하게 차이가 난다. 즉, A라는 사람의 눈꺼풀은 610nm의 빛이 가장 잘 투과되는 반면 B라는 사람은 630nm의 빛이 가장 잘 투과될 수 있다.

본 실시예는 위와 같은 개인차를 극복할 수 있도록 다른 영역의 빛을 발생시키는 LED를 각각 기판 상에 실장시키고, 이를 선택적으로 구동되도록 제어하는 LED 제어부를 포함하여, 위와 같은 한계를 극복한다.

한편, 본 실시예에서도 상기 LED 제어부에 제어 명령을 입력하기 위한 인터페이스부가 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것으로 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 수정, 변경, 부가가 가능한 부분까지 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (7)

1. LED가 실장된 기판을 포함하는 신경계 감시용 시각 자극기에 있어서,
   상기 LED는 600 내지 650nm 대역의 빛을 발생시키는 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 LED가 눈꺼풀에 접촉되도록 구부러진 형상인 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 연성 기판인 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 LED에 전원을 공급하는 전원부; 및
   상기 전원부의 동작을 제어하는 전원 제어부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 전원 제어부는 LED의 온-오프 주기, 동작 시간, 동작 횟수 또는 밝기 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 LED는 패치형 LED인 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   
7. 청구항 1에 있어서,
   출력 파장 대역이 서로 다른 복수의 LED; 및
   상기 LED를 제어하는 LED 제어부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경계 감시용 시각 자극기
   

Images