KR20150144489A - 정현파 자극을 이용하여 자극 아티팩트를 제거하는 폐루프 신경 전기 자극기 - Google Patents

Abstract

정현파 자극을 이용하여 자극 아티팩트를 제거하는 폐루프 신경 전기 자극기를 제공한다. 폐루프 신경 자극기는 신경 활동으로 인해 신경 세포에서 발생되는 신경 신호를 센싱하고, 상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하며, 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 국소 전위 신경 신호를 추출하여 상기 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 상기 전기 자극부에서 생성되는 전기 자극을 제어할 수 있다.

Description

정현파 자극을 이용하여 자극 아티팩트를 제거하는 폐루프 신경 전기 자극기{CLOSED-LOOP ELECTRICAL NEURAL STIMULATOR WITH ARTIFACT REMOVAL USING SINUSOIDAL STIMULATION}

정현파 자극을 이용하여 자극 아티팩트를 제거하는 폐루프 신경 전기 자극기를 제공한다. 보다 구체적으로, 단일 주파수를 가지는 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하여, 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하는 방법을 제공한다.

전기 자극(DBS: Deep Brain Stimulation)은 약물 치료로는 완화할 수 없는 신경 질환에서 큰 효과를 내고 있다. 이러한 신경 질환에는 파킨슨씨 병(Parkinson's disease), 긴장 이상(dystonia), 강박 장애(obsessive compulsive disorder) 등이 있으며 증상을 완화시키기 위한 이식형 신경 전기 자극기가 개발되어 환자들에게 적용되고 있다.

그러나 이와 같은 현상 뒤에 존재하는 신경 세포들 간의 신경 전달 기전은 명확히 알려져 있지 않다. 따라서 그 메커니즘을 연구하기 위한 직접적인 방법은 전기 자극에 의해 어떤 신경 신호가 유발되는지 자극과 동시에 신경 신호를 측정하는 것이다.

다만 일반적으로 전기 자극은 자극이 인가되는 동안 전기적인 신호의 중첩에 의한 아티팩트(artifact)를 유발하여 신경 신호 기록을 불가능하게 만든다. 따라서 전기 자극이 일어나고 있는 동안 자극에 의한 신경계 변화를 관찰할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.

일측에 따르면, 신경 활동으로 인해 신경 세포에서 발생되는 신경 신호를 센싱하는 센싱부, 상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하는 전기 자극부, 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 국소 전위 신경 신호를 추출하는 필터링부 및 상기 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 상기 전기 자극부에서 생성되는 전기 자극을 제어하는 제어부를 포함하는 폐루프 신경 전기 자극기를 제공한다.

일실시예에 따르면, 상기 국소 전위 신경 신호는 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 가지고, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 크게 설정될 수 있다.

또한, 상기 필터링부는, 상기 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 통과시키는 로우 패스 필터를 통해 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 국소 전위 신경 신호를 추출할 수 있다.

더불어, 상기 제어부는, 상기 전기 자극이 가해지기 전의 상기 국소 전위 신경 신호와 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 추출된 상기 국소 전위 신경 신호의 변화에 기반하여 상기 전기 자극을 제어할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 변화에 기반하여 상기 전기 자극이 가해지는 위치를 결정하고, 상기 전기 자극의 강도를 제어할 수 있다.

다른 일실시예에 따르면, 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 단일단위활동 신경 신호를 더 추출할 수 있다.

또한, 상기 단일단위활동 신경 신호는 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 가지고, 상기 제1 주파수는 상기 제3 주파수보다 작게 설정될 수 있다.

더불어, 상기 필터링부는, 상기 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 통과시키는 하이 패스 필터를 통해 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 단일단위활동 신경 신호를 추출할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 추출된 단일단위활동 신경 신호 및 상기 추출된 국소 전위 신경 신호 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전기 자극부에서 생성되는 전기 자극을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제2 주파수 및 상기 제3 주파수는 상기 신경 신호가 발생되는 상기 신경 세포의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다.

다른 일측에 따르면, 신경 활동으로 인해 신경 세포에서 발생되는 신경 신호를 센싱하는 단계, 상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하는 단계, 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 가지는 국소 전위 신경신호를 추출하는 단계 및 상기 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 상기 전기 자극을 제어하는 단계를 포함하는 폐루프 신경 전기 자극 제어 방법을 제공한다.

일실시예에 따르면, 상기 제어하는 단계는, 상기 전기 자극이 가해지기 전의 상기 국소 전위 신경 신호와 상기 추출된 상기 국소 전위 신경 신호의 변화에 기반하여 상기 전기 자극이 가해지는 위치를 결정하고, 상기 전기 자극의 강도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 크게 설정되고, 상기 추출하는 단계는, 상기 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 통과시키는 로우 패스 필터를 통해 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 국소 전위 신경 신호를 추출할 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 신경 활동으로 인해 신경 세포에서 발생되는 단일단위활동 신경 신호 및 국소 전위 신경 신호를 포함하는 신경 신호를 센싱하는 센싱부, 상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하는 전기 자극부, 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 상기 단일단위활동 신경 신호 및 상기 국소 전위 신경 신호 중 적어도 하나를 추출하는 필터링부 및 상기 추출된 단일단위활동 신경 신호 및 국소 전위 신경 신호 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전기 자극부에서 생성되는 전기 자극을 제어하는 제어부를 포함하는 폐루프 신경 전기 자극기를 제공한다.

일실시예에 따르면, 상기 필터링부는, 상기 제2 주파수 이하 및 상기 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 통과시키는 밴드 리젝션 필터를 통하여 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 국소 전위 신경 신호 및 상기 단일단위활동 신경 신호를 추출할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극기의 블록도이다.
도 2a-2b는 일비교예에 따른 구형파 전기 자극의 파형과 일실시예에 따른 정현파 전기 자극의 파형을 도시한다.
도 3a-3b는 일실시예에 따른 전기 자극이 가해진 경우의 파형과 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 파형을 도시한다.
도 4a-4b는 일실시예에 따른 200Hz, 20μA의 국소 전위 신경 신호에 정현파 전기 자극이 가해진 경우의 파형과 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 국소 전위 신경 신호의 파형을 도시한다.
도 5a-5b는 일실시예에 따른 300Hz, 50μA의 국소 전위 신경 신호에 정현파 전기 자극이 가해진 경우의 파형과 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 국소 전위 신경 신호의 파형을 도시한다.
도 6은 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극기를 통해 전기 자극을 제어하여 비정상적인 통증을 제어하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 7은 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하에서, 일부 실시예들를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 권리범위가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.

도 1은 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극기의 블록도이다.

일실시예에 따르면, 폐루프 신경 자극기(100)는 센싱부(110), 전기 자극부(120), 필터링부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.

일반적으로 관찰 가능한 신경 신호로는 크게 활동전위(action potential)를 포함하여 높은 주파수 대역을 관찰하는 단일단위활동(Single-unit activity) 신경 신호와 수지상 시냅스 활동(dendritic synaptic activity)을 포함하여 낮은 주파수 대역을 관찰하는 국소 전위(Local Field Potential) 신경 신호가 있다.

전기 자극에 의해 발생하는 단일단위활동 신경 신호의 기록 시에는 비교적 같은 신경 세포가 발생하는 활동 전위의 형태를 추출하여 자극 아티팩트를 제거할 수 있다. 하지만 국소 전위 신경 신호는 특정한 파형을 가지고 있지 않고 노이즈에 취약한 주파수 대역이므로 자극 아티팩트의 제거가 어려울 수 있다. 예를 들어, 국소 전위 신경 신호는 신경 신호가 발생하는 신경 세포의 특성에 따라 0.1 내지 300Hz 근방의 주파수 대역을 가질 수 있다.

단순한 대역 통과 필터(band-pass filter)로 이러한 전기 자극 아티팩트를 제거하기 어려운 이유는 자극 파형이 일반적으로 구형파(square wave)의 형태를 갖기 때문이다. 구형파는 단일 주파수를 가지지 않고 다양한 주파수 대역의 신호를 포함하고 있어서 대역 통과 필터로는 구형파 자극에 의한 아티팩트의 제거가 어렵고 어느 정도 고주파 아티팩트 노이즈를 제거하더라도 국소 전위 신경 신호의 중요 주파수 대역의 정보를 잃기 쉽다.

따라서, 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극기(100)는 단일 주파수를 지닌 정현파 전기 자극을 가하여 신경 신호에 포함되는 국소 전위 신경 신호 상에서 전기 자극 아티팩트를 쉽게 제거할 수 있다. 정현파는 단일 주파수 성분을 가지고 있기 때문에 복잡한 제거 방법 없이 대역 통과 필터만으로 제거 가능하여 국소 전위 신경신호의 변화를 관찰할 수 있다.

또한, 단일단위활동 신경 신호에 있어서도, 기존과 같이 비교적 같은 신경 세포가 발생하는 활동전위의 형태를 추출하여 자극 아티팩트를 제거하는 것이 아니고, 상술한 바와 같이 정현파 전기 자극을 가하여 단순한 대역 통과 필터만으로 전기 자극에 의한 자극 아티팩트를 제거하여 추출할 수 있다. 이와 같이 단순한 대역 통과 필터 만으로 단일단위활동 신경 신호를 추출하는 경우, 추출과정이 보다 단순해 지며, 보다 정확한 단일단위활동 신경 신호를 추출할 수 있다.

센싱부(110)는 신경활동으로 인해 신경세포에서 발생되는 신경 신호를 센싱할 수 있다. 센싱부(110)는 상기 신경 신호를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있으며, 도 1에서는 사람의 뇌에서 발생하는 신경 신호를 측정하는 것으로 도시되었으나 이는 설명의 목적을 위한 일 예일 뿐이며, 뇌를 제외한 사람의 신체에 포함되는 신경 세포 어느 곳에서 발생하는 신경 신호라도 센싱할 수 있다.

전기 자극부(120)는 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가할 수 있다. 상술한 바와 같이 단일 주파수가 아닌 다양한 주파수의 구형파의 전기 자극을 가할 경우에는, 국소 전위 신경 신호의 검출이 어렵다. 따라서, 일실시예에 따른 전기 자극부(120)는 단일 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가할 수 있다.

상기 제1 주파수는 상기 정현파의 단일 주파수를 나타내며, 상기 제1 주파수는 사용자의 설정에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 최대 주파수 이하의 주파수 대역을 가지는 국소 전위 신경 신호를 검출하고자 하는 경우, 상기 제1 주파수는 상기 국소 전위 신경 신호 주파수 대역의 최대 주파수인 제2 주파수 보다 크게 설정될 수 있다.

이와는 반대로, 최소 주파수 이상의 주파수 대역을 가지는 단일단위활동 신경 신호를 검출하고자 하는 경우, 상기 제1 주파수는 상기 단일단위활동 신경 신호 주파수 대역의 최소 주파수인 제3 주파수 보다 작게 설정될 수 있다.

또한, 상기 국소 전위 신경 신호 및 단일단위활동 신경 신호를 모두 검출 하고자 하는 경우, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수 보다 크고, 상기 제3 주파수 보다 작게 설정될 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 제2 주파수 및 상기 제3 주파수는 신경 신호가 발생되는 신경 세포의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다. 국소 전위 신경 신호 및 단일단위활동 신경 신호의 주파수 대역은 모든 신경 세포마다 동일한 값이 아니고, 상기 신경 세포가 발생시키는 신경 세포의 전달 매커니즘에 따라 변화하는 값이므로, 신경 세포의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다.

이와 같이 검출하고자 하는 신경 신호의 주파수에 기반하여 정현파 전기 자극의 제1 주파수를 설정함으로써, 단순한 대역 통과 필터 만으로도 검출하고자 하는 신경 신호를 쉽게 검출할 수 있다.

필터링부(130)는 정현파의 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 국소 전위 신경 신호를 추출할 수 있다.

또한, 필터링부(130)는 정현파의 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 단일단위활동 신경 신호를 더 추출할 수 있다.

전기 자극이 가해지지 않은 구간에서는 센싱부(110)에 의해 신경 세포에서 발생되는 신경 신호가 센싱될 수 있다. 그러나, 전기 자극이 가해진 구간에서는 상기 전기 자극으로 인하여 발생하는 아티팩트 때문에, 정확한 신경 신호가 센싱되지 않는다. 따라서, 상기 전기 자극으로 인하여 발생하는 아티팩트를 필터링하는 과정이 요구된다.

필터링부(130)는 전기 자극부(120)에서 신경 세포에 가해지는 전기 자극이 단일 주파수를 가진 정현파이므로 단순한 대역 통과 필터만을 이용하여 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링할 수 있다.

예를 들어, 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 가지는 국소 전위 신경 신호를 추출하고자 하는 경우, 필터링부(130)는 상기 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 통과시키는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 통해 상기 아티팩트를 필터링 할 수 있다.

국소 전위 신경 신호를 추출하고자 하는 경우, 정현파의 단일 주파수인 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 높게 설정되기 때문에, 로우 패스 필터만을 이용하여 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링 할 수 있다.

이와는 반대로, 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 가지는 단일단위활동 신경 신호를 추출하고자 하는 경우, 필터링부(130)는 상기 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 통과 시키는 하이 패스 필터(High Pass Filter)를 통해 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링 할 수 있다.

단일단위활동 신경 신호를 추출하고자 하는 경우, 정현파의 단일 주파수인 제1 주파수는 상기 제3 주파수보다 낮게 설정되기 때문에, 하이 패스 필터만을 이용하여 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링 할 수 있다.

더불어, 상기 국소 전위 신경 신호 및 단일단위활동 신경 신호를 모두 추출하고자 하는 경우, 필터링부(130)는 상기 제2 주파수 이하 및 상기 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 통과시키는 밴드 리젝션 필터(Band-Rejection Filter)를 통해 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링 할 수 있다.

상기 두 가지의 신경 신호를 추출하고자 하는 경우, 정현파의 단일 주파수인 제1 주파수는 상기 제2 주파수 보다 크고 상기 제3 주파수 보다 낮게 설정되기 때문에, 밴드 리젝션 필터를 이용하여 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링 할 수 있다.

제어부(140)는 상기 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 상기 전기 자극부(120)에서 생성되는 전기 자극을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 필터링부(130)를 통해 단일단위활동 신경 신호가 더 추출되는 경우, 상기 국소 전위 신경 신호 및 상기 단일단위활동 신경 신호 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전기 자극을 제어할 수 있다.

구체적으로, 제어부(140)는 상기 전기 자극이 가해 지기 전의 국소 전위 신경 신호와 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 추출된 상기 국소 전위 신경 신호의 변화에 기반하여 전기 자극을 제어할 수 있다. 전기 자극을 통하여 국소 전위 신경 신호가 어떻게 변화하는지를 판단하고, 상기 변화에 기반하여 의도하고자 하는 효과가 나타날 수 있도록 전기 자극을 제어할 수 있다.

이를 위하여, 제어부(140)는 상기 변화에 기반하여 상기 전기 자극이 가해지는 위치를 결정하고, 전기 자극의 강도를 제어할 수 있다. 신경 세포에 가한 전기 자극을 통해 상기 변화가 미미하거나 원하는 효과가 발생하지 않은 경우, 전기 자극을 가할 위치를 변경할 수 있다. 이와 같이 전기 자극을 가할 위치를 변경함으로써 다양한 신경 전달 경로를 밝히는데 활용될 수 있다.

또한, 신경 세포에 가한 전기 자극을 통해 원하는 효과가 발생하고는 있으나, 그 효과가 의도한 만큼 발생하지 않는 경우, 전기 자극의 강도를 강하게 제어할 수 있다. 이와는 반대로 전기 자극을 통해 원하는 효과가 발생하고는 있으나, 그 효과가 의도한 것 이상으로 발생하는 경우, 전기 자극의 강도를 약하게 제어할 수 있다. 이와 같이 전기 자극의 강도를 제어하여 비 정상적인 신경 신호를 제어하는 구체적인 실시예는 도 6에서 후술하기로 한다.

일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극기(100)는 정현파 전기 자극을 이용하여 신경 자극과 아티팩트 제거를 통해 신경 신호를 분석할 수 있다. 이를 이용하여 전기 자극 후 신경 신호를 관찰함으로써 다양한 신경 전달 경로를 밝히는데 활용될 수 있다.

떠한, 기존의 심부뇌자극기, 인공 달팽이관, 인공 망막 시스템 등과 같이 신경 장애나 질병을 치료하기 위해 체내에 이식되는 전기 자극 시스템에 적용되어 실시간으로 신경 신호의 반응을 기록할 수 있다. 이를 통하여, 전기 자극을 일률적으로 가하는 방식이 아닌, 전기 자극을 가하는 세포의 특성 및 사람의 특성을 고려하여 최적의 전기 자극을 인가하는데 활용될 수 있다.

도 2a-2b는 일비교예에 따른 구형파 전기 자극의 파형과 일실시예에 따른 정현파 전기 자극의 파형을 도시한다.

도 2a는 일비교예에 따른 전기 자극에 포함되는 다양한 주파수를 가지는 구형파의 파형을 도시한다. 구형파는 다양한 주파수를 가지기 때문에, 단순한 대역 통과 필터를 통해서는 상기 구형파를 포함한 전기 자극에 의해 발생되는 아티팩트를 제거할 수 없다. 또한, 국소 전위 신경 신호는 특정한 파형을 가지고 있지 않고, 노이즈에 취약한 주파수 대역이므로 전기 자극에 의한 아티팩트의 제거에 있어서 더욱 어려운 점이 존재하였다.

단일단위활동 신경 신호의 경우 비교적 같은 신경 세포가 발생하는 활동 전위의 형태를 추출하여 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수도 있다. 다만, 이와 같은 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하는 과정은 복잡하고 더 많은 연산량이 요구될 수 있다.

도 2b는 일실시예에 따른 전기 자극에 포함되는 단일 주파수를 가지는 정현파의 파형을 도시한다. 상술한 바와 같이 정현파는 단일 주파수를 가지므로 복잡한 제거 방법 없이 대역 통과 필터만으로 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다.

이를 통하여 기존에는 추출하기 어려웠던 국소 전위 신경 신호에서 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하여 정확하게 국소 전위 신경 신호를 추출할 수 있다. 또한, 단일단위활동 신경 신호를 추출함에 있어서도 활동 전위의 형태를 추출하는 등의 복잡한 전기 자극에 의한 아티팩트 제거 방법 없이 대역 통과 필터 만으로 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 쉽게 제거할 수 있다.

이하에서는 구체적인 국소 전위 신경 신호의 파형을 통해 정현파를 포함하는 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거되는 과정을 살펴본다.

도 3a-3b는 일실시예에 따른 전기 자극이 가해진 경우의 파형과 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 파형을 도시한다.

도 3a는 일정 주파수 이하의 주파수 대역을 가진 파형에 상기 일정 주파수 보다 큰 단일 주파수의 정현파 전기 자극이 가해진 경우 센싱되는 파형을 도시한다. 도 3a를 참조하면, 정현파 전기 자극이 가해진 30s에서 40s의 구간에서는 파형이 정확하게 센싱되지 않음을 알 수 있다.

신경 신호 역시 전기적 신호의 일종이기 때문에, 전기 자극이 가해진 구간 동안에서는 상기 전기 자극에 의한 아티팩트 때문에 신경 신호는 정확하게 센싱되지 않는다.

도 3b는 도 3a의 파형을 로우 패스 필터에 통과 시킨 경우의 파형이다. 도 3a에서 나타난 파형을 일정 주파수 이하의 주파수 대역을 가지고 있고, 상기 정현파의 단일 주파수는 상기 일정 주파수 이상이 되도록 설정되어 있다.

따라서, 상기 도 3a의 파형을 로우 패스 필터에 통과 시키는 경우, 상기 정현파 전기 자극에 의한 아티팩트는 로우 패스 필터를 통해 필터링 되고, 상기 일정 주파수 이하의 주파수 대역을 가진 파형 만이 로우 패스 필터를 통과하게 된다.

이와 같이 단일 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하는 경우 로우 패스 필터와 같은 대역 통과 필터 만으로 쉽게 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다. 도 3a-3b에서는 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거되는 점을 개시하고 있으나, 이는 설명의 목적일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 파형이 일정 주파수 이상의 주파수 대역을 가지고 있는 경우에는 상기 일정 주파수 이하의 단일 주파수를 가지는 정현파 전기 자극을 가할 수 있다. 이 경우에는 하이 패스 필터를 통해 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다.

도 4a-4b 및 도 5a-5b에서는 실제 국소 전위 신경 신호에 있어서 정현파 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하는 방법에 대해 설명한다.

도 4a-4b는 일실시예에 따른 200Hz, 20μA의 국소 전위 신경 신호에 정현파 전기 자극이 가해진 경우의 파형과 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 국소 전위 신경 신호의 파형을 도시한다.

도 4a-4b에서는 실제로 센싱되는 국소 전위 신경 신호의 로우(Raw) 신호를 도시한다. 도 3a에서와 마찬가지로 도 4a에서도 전기 자극이 가해진 30s-40s의 구간에서는 국소 전위 신경 신호의 파형이 정확하게 센싱되지 않는다.

기존의 구형파를 포함하는 전기 자극이 가해진 경우에는, 상기 30s-40s의 구간의 국소 전위 신경 신호를 추출하기가 어려웠다. 다만, 단일 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극이 가해진 경우에는, 대역 통과 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트를 쉽게 제거할 수 있다.

도 4b에서는 로우 패스 필터를 통해 상기 30s-40s의 구간에서 발생된 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 파형을 도시한다. 이와 같이, 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하여 전기 자극이 가해진 구간에서도 정확한 국소 전위 신경 신호를 검출할 수 있다.

전기 자극에 의한 아티팩트 제거를 위해 상기 국소 전위 신경 신호의 주파수 대역과 상기 정현파 전기 자극의 주파수를 고려하여 적합한 차단 주파수를 가지는 로우 패스 필터를 이용할 수 있다.

도 5a-5b는 일실시예에 따른 300Hz, 50μA의 국소 전위 신경 신호에 정현파 전기 자극이 가해진 경우의 파형과 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 국소 전위 신경 신호의 파형을 도시한다.

도 5a-5b는 도 4a-4b와 마찬가지로 실제로 센싱되는 국소 전위 신경 신호의 로우(Raw) 신호를 도시한다. 다만, 센싱하는 국소 전위 신경 신호는 300Hz, 50μA이다.

도 5a-5b에서도 정현파 전기 자극이 가해진 구간에서는 국소 전위 신경 신호가 검출되지 않는다. 따라서, 로우 패스 필터를 이용하여 상기 정현파 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다. 도 5b는 도 5a의 파형이 로우 패스 필터를 통과하여 전기 자극에 의한 아티팩트가 제거된 파형을 도시한다.

도 4a-4b와 다른 점은 신경 신호의 주파수 대역이 상이하므로, 이 점을 고려하여 정현파 전기 자극의 주파수가 좀 더 높게 설정될 수 있으며, 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하기 위한 로우 패스 필터의 차단 주파수 역시 좀 더 높게 설정된 것이 이용될 수 있다.

도 4a-4b 및 도 5a-5b에서 설명한 바와 같이 정현파 전기 자극이 가해진 경우에는 로우 패스 필터만을 이용해서 복잡한 아티팩트 제거 방법 없이 쉽게 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다. 다만, 도 4a-4b 및 도 5a-5b에서는 국소 전위 신경 신호 추출에 있어서 로우 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거하는 방법에 대하여만 설명하였지만, 이는 설명의 목적일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 단일단위활동 신경 신호 추출에 있어서는 하이 패스 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다. 또한, 국소 전위 신경 신호 및 단일단위활동 신경 신호 모두를 추출하고자 하는 경우에 있어서는, 밴드 리젝션 필터를 통해 전기 자극에 의한 아티팩트를 제거할 수 있다. 상술한 두 가지의 경우 모두 로우 패스 필터를 이용하는 것과 동일한 원리로 적용될 수 있으며, 이는 해당 기술의 통상의 기술자에게 있어 명백하다.

도 6은 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극기를 통해 전기 자극을 제어하여 비정상적인 통증을 제어하는 과정을 나타낸 개략도이다.

도 6에서는 일실시예에 따른 폐루프 신경 자극기(610)를 이용하는 실시예로서 정현파 전기 자극을 뇌 영역인 ACC(Anterior Cingulate Cortex)에 인가하여 신경 장애를 치료하기 위한 과정을 도시한다.

상기 ACC는 피질(cortex)(640)에 존재하는 세부 영역으로서, 시상(thalamus)(630)의 VPL(Ventral Posterolateral Nucleus)를 제어하는 신경 신호를 발생(650)할 수 있다. 또한 ACC는 MD(Medial Dorsal Nucleus)에서 발생되는 신경 신호에 의해 제어될 수 있다. 더불어, VPL은 피질에 존재하는 다른 세부 영역인 S1을 제어하는 신호를 발생시킬 수 있다.

일반적으로 척수(Spinal Cord)(620)에 통증이 인가되면 신경 신호가 발생하여 시상(630)의 특정 세부 영역에 전달된다. 상기 신경 신호가 전달된 시상(630)의 특정 세부 영역은 피질(650)의 특정 세부 영역을 제어하는 신경 신호를 발생하고, 상기 신경 신호를 피질의 특정 세부 영역에 전달함으로써 사람이 통증을 느끼게 된다.

다만, 이러한 신경 전달 과정에 장애가 생겨 아주 미세한 통증이 실제로 가해진 경우에도, 과도한 신경 신호의 발생으로 인해 사람이 실제적으로는 큰 통증을 느끼게 될 수 있다.

이와 같은 신경 장애를 치료하기 위한 한 방법으로서 폐루프 신경 자극기(610)가 이용될 수 있다. 도 6에서는 시상에 존재하는 VPL에 이상이 생겨 과다한 신경 신호를 발생시키는 경우를 도시한다. 이 경우, VPL에서 발생되는 신경 신호를 억제하기 위해 피질의 ACC에 전기 자극을 가하여 VPL에서 발생하는 신경 신호를 억제할 수 있다.

이를 통하여 VPL에서 발생되는 신경 신호가 감소하여 신경 장애를 치료할 수 있으며, 결과적으로 폐루프 신경 자극기(610)가 척수(620)를 간접적으로 억제(660)하는 결과가 된다.

다만, 현재 모든 신경 신호 전달 경로가 밝혀져 있지 않은 상태이고, 실험적 데이터만을 통해 신경 신호 전달 경로를 밝히고 있다. 또한, 신경 신호 전달 경로가 밝혀져 신경 이상이 발생한 영역을 억제하는 신경 신호에 전기 자극을 가하는 경우에도, 전기 자극을 어떠한 강도로 가하여야 하는지 사람의 특성 및 신경 장애의 특성에 따라 다양한 경우가 존재한다.

따라서, 전기 자극에 따라 변화하는 신경 신호를 정확히 검출하고 전기 자극을 제어하는 것이 필요하고, 일실시예에 따른 폐루프 신경 자극기(610)를 이용하여 정확한 신경 신호를 추출하고, 추출된 신경 신호를 이용하여 전기 자극이 가해지는 위치 및 강도를 제어할 수 있다.

도 7은 일실시예에 따른 폐루프 신경 전기 자극 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

단계(710)에서는 센싱부(110)가 신경활동으로 인해 뉴런에서 발생되는 신경 신호를 센싱할 수 있다. 센싱부(110)는 신경 신호를 측정하기 위한 센서 등을 포함할 수 있으며, 사람의 뇌에서 발생하는 신경 신호뿐만 아니라 뇌를 제외한 사람의 신체에 포함되는 신경 세포 어느 곳에서 발생하는 신경 신호라도 센싱할 수 있다.

단계(720)에서 전기 자극부(720)는 상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가할 수 있다. 단순한 대역 통과 필터 만으로 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 쉽게 제거하기 위하여, 다양한 주파수의 구형파를 포함하는 전기 자극이 아닌 단일 주파수의 정현파를 포함하는 전기자극을 신경 세포에 가할 수 있다.

또한, 상기 정현파의 단일 주파수인 제1 주파수는 사용자의 설정에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 국소 전위 신경 신호를 검출하고자 하는 경우, 상기 제1 주파수는 상기 국소 전위 신경 신호 주파수 대역의 최대 주파수인 제2 주파수 보다 크게 설정될 수 있다.

이와는 반대로, 단일단위활동 신경 신호를 검출하고자 하는 경우, 상기 제1 주파수는 상기 단일단위활동 신경 신호 주파수 대역의 최소 주파수인 제3 주파수 보다 작게 설정될 수 있다.

또한, 상기 국소 전위 신경 신호 및 단일단위활동 신경 신호를 모두 검출 하고자 하는 경우, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수 보다 크고, 상기 제3 주파수 보다 작게 설정될 수 있다.

단계(730)에서는 필터링부(130)는 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 국소 전위 신경 신호를 추출할 수 있다.

또한, 필터링부(130)는 정현파의 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 단일단위활동 신경 신호를 더 추출할 수 있다.

필터링부(130)는 전기 자극부(120)에서 신경 세포에 가해지는 전기 자극이 단일 주파수를 가진 정현파이므로 단순한 대역 통과 필터만을 이용하여 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링할 수 있다.

단계(740)에서 제어부(140)는 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 전기 자극을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 필터링부(130)를 통해 단일단위활동 신경 신호가 더 추출되는 경우, 상기 국소 전위 신경 신호 및 상기 단일단위활동 신경 신호 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전기 자극을 제어할 수 있다.

제어부(140)는 상기 전기 자극이 가해 지기 전의 국소 전위 신경 신호와 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 추출된 상기 국소 전위 신경 신호의 변화에 기반하여 전기 자극을 제어할 수 있다. 이를 위하여, 제어부(140)는 상기 변화에 기반하여 상기 전기 자극이 가해지는 위치를 결정하고, 전기 자극의 강도를 제어할 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

1. 신경 활동으로 인해 신경 세포에서 발생되는 신경 신호를 센싱하는 센싱부;
   상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하는 전기 자극부;
   상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 국소 전위 신경 신호를 추출하는 필터링부; 및
   상기 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 상기 전기 자극부에서 생성되는 전기 자극을 제어하는 제어부
   를 포함하는 폐루프 신경 전기 자극기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 국소 전위 신경 신호는 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 가지고, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 크게 설정되는, 폐루프 신경 전기 자극기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 필터링부는, 상기 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 통과시키는 로우 패스 필터를 통해 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 국소 전위 신경 신호를 추출하는, 폐루프 신경 전기 자극기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 전기 자극이 가해지기 전의 상기 국소 전위 신경 신호와 상기 전기 자극이 가해진 구간에서 추출된 상기 국소 전위 신경 신호의 변화에 기반하여 상기 전기 자극을 제어하는, 폐루프 신경 전기 자극기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 변화에 기반하여 상기 전기 자극이 가해지는 위치를 결정하고, 상기 전기 자극의 강도를 제어하는, 폐루프 신경 전기 자극기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 필터링부는,
   상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 단일단위활동 신경 신호를 더 추출하는, 폐루프 신경 전기 자극기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 단일단위활동 신경 신호는 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 가지고, 상기 제1 주파수는 상기 제3 주파수보다 작게 설정되는, 폐루프 신경 전기 자극기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 필터링부는, 상기 제3 주파수 이상의 주파수 대역을 통과시키는 하이 패스 필터를 통해 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 단일단위활동 신경 신호를 추출하는, 폐루프 신경 전기 자극기.
9. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 추출된 단일단위활동 신경 신호 및 상기 추출된 국소 전위 신경 신호 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전기 자극부에서 생성되는 전기 자극을 제어하는, 폐루프 신경 전기 자극기.
10. 제2항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 제2 주파수 또는 상기 제3 주파수는 상기 신경 신호가 발생되는 상기 신경 세포의 특성에 따라 다르게 결정되는, 폐루프 신경 전기 자극기.
11. 신경 활동으로 인해 신경 세포에서 발생되는 신경 신호를 센싱하는 단계;
    상기 신경 세포에 제1 주파수의 정현파를 포함하는 전기 자극을 가하는 단계;
    상기 전기 자극이 가해진 구간에서 센싱된 신경 신호에서 상기 전기 자극에 의한 아티팩트를 필터링하여 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 가지는 국소 전위 신경신호를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 국소 전위 신경 신호에 기반하여 상기 전기 자극을 제어하는 단계
    를 포함하는 폐루프 신경 전기 자극 제어 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 전기 자극이 가해지기 전의 상기 국소 전위 신경 신호와 상기 추출된 상기 국소 전위 신경 신호의 변화에 기반하여 상기 전기 자극이 가해지는 위치를 결정하고, 상기 전기 자극의 강도를 제어하는, 폐루프 신경 전기 자극 제어 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 크게 설정되고,
    상기 추출하는 단계는,
    상기 제2 주파수 이하의 주파수 대역을 통과시키는 로우 패스 필터를 통해 상기 아티팩트를 필터링하여 상기 국소 전위 신경 신호를 추출하는, 폐루프 신경 전기 자극 제어 방법.
    

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