KR20160099174A

KR20160099174A - 무선전력 전송 기능이 결합된 초소형 심부 뇌자극 시스템

Info

Publication number: KR20160099174A
Application number: KR1020150021106A
Authority: KR
Inventors: 백선하; 김희찬; 허만승; 임용훈; 박형우
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2016-08-22
Also published as: KR101662594B1

Abstract

본 발명은 무선전력 전송 기능을 결합하여 배터리 소모에 따른 재수술이 불필요한 반영구적인 초소형 심부 뇌자극 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템은 두피에 이식되는 체내장치와, 무선전력 전송 방식에 의해 상기 체내장치로 전력을 공급하는 체외장치를 포함하고, 상기 체외장치는 배터리와, 상기 배터리에서 공급된 전력을 상기 체내장치로 전송하는 무선전력 송신부를 포함하고, 상기 체내장치는 상기 무선전력 송신부에서 전송되는 전력을 수신하는 무선전력 수신부와, 상기 무선전력 수신부에 수신된 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하는 자극부를 포함하고, 상기 무선전력 송신부는 상기 배터리에서 공급된 전력에 의해 자장이 유도되는 외부코일과, 상기 외부코일이 감기는 외부자석을 포함하고, 상기 무선전력 수신부는 상기 외부코일에 유도된 자장에 의해 교류 전력이 형성되도록 상기 외부코일에 정렬하는 내부코일과, 상기 내부코일이 감기는 내부자석을 포함하고, 상기 체외장치는 상기 외부자석이 상기 내부자석에 부착됨에 따라 상기 외부코일과 상기 내부코일이 정렬된 상태로 상기 체내장치에 결합하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력 전송 기능이 결합된 초소형 심부 뇌자극 시스템{Under-scalp impantable Deep brain stimulation system with wireless power transmission function}

본 발명은 무선전력 전송 기능을 결합하여 배터리 소모에 따른 재수술이 불필요한 반영구적인 초소형 심부 뇌자극 시스템에 관한 것이다.

심부 뇌자극 장치(Deep Brain Stimulation, DBS)는 뇌의 특정 부위에 전기 자극을 가해 파킨슨병과 같은 질병의 증상을 완화시켜 주는 이식형 장치이다.

도 1은 종래의 심부 뇌자극 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 심부 뇌자극 장치는 뇌에 이식되는 전극(1), 가슴 부위에 이식되어 전기자극신호를 발생시키는 제어장치(2), 전극(1)과 제어장치(2)를 연결하는 연결선(3)으로 이루어져 있다.

상기 구성들 중 가슴 부위에 이식되는 제어장치(2)는 마이크로프로세서 기반의 복잡한 전자회로와 5년 정도의 구동을 위한 배터리, 외부와의 통신을 위한 RF 송수신장치 등으로 구성되는데, 생체 내에서의 장기간 동안의 안정된 작동을 위해 특별히 제조된 Titanium 케이스에 담겨져 Laser welding으로 봉합되는 인공 심장 박동기(Cardiac Pacemaker)의 기본 구조를 그대로 사용하고 있다.

따라서 종래의 심부 뇌자극 장치는 제어장치(2)의 제조원가가 비싸지고, 크기도 커져서 이식부위가 가슴까지 내려올 수밖에 없었으며, 특히 5년 이내에 배터리의 수명이 다하게 되면 수술을 통해 새로운 제어장치로 교체할 수밖에 없는 문제가 있었다.

한편, 한국공개특허공보 제2008-0100564호(2008.11.19)에는 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 유선으로 전력을 공급하는 별도의 전원장치를 인체 내에 이식하는 대신 인체 외부로부터 무선으로 공급되는 전력을 이용하여 환자의 뇌신경을 자극하도록 구성되는 "자기유도에 의한 무선공급 전력으로 구동되는 심부 뇌자극 장치"(이하, '종래기술'이라 한다)가 공개된 바 있다.

도 2는 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치(4)는 환자의 머리 부위에 이식되는 이식모듈(5), 모자(6) 내부에 구비되어 이식모듈(5)에서 소요되는 전력을 무선으로 공급하기 위해 회전 자기장을 발생시키는 모자모듈(7)로 구성된다.

또한, 이식모듈(5)은 환자의 신경계에 전기적인 자극을 가하는 자극핀(8), 자극핀(8)을 구동하기 위한 유도 전력을 생성하는 유도코일판(9)으로 구성되며, 모자모듈(7)은 이식모듈(5)의 구동을 위해 소요되는 전력을 생성하기 위해 이식모듈(5)의 유도코일판(9) 측으로 회전 자기장을 발생시켜주는 회전자기장원반(10), 회전자기장원반(10)을 회동시켜주는 소형 전기모터(11), 전기모터(11)를 제어하는 제어부(12)로 구성된다.

그러나, 위와 같은 구성을 가지는 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치(4)는 모자모듈(7)이 구비된 모자(6)를 항상 착용하고 다녀야 한다는 문제가 있다.

또한, 이식모듈(5)의 유도코일판(9)에 유도 전력을 생성하기 위해서는 회전자기장원반(10)과 유도코일판(9)이 정확하게 정렬되어야 하지만, 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치(4)에서의 회전자기장원반(10)과 유도코일판(9)의 정렬은 단지 환자가 모자(6)를 착용하는 것에 의해 이루어지기 때문에 정확한 정렬이 어려우며, 설사 정확한 정렬이 이루어지도록 모자(6)를 착용하였다고 하더라도 바람 등의 주변 환경에 의해 모자(6)가 움직이게 되면 정렬이 다시 틀어질 염려가 있는 문제가 있다.

한국공개특허공보 제2008-0100564호 (2008.11.19. 공개)

본 발명은 무선전력 전송 기술을 결합하여 두피에 반영구적으로 이식이 가능한 초소형 심부 뇌자극 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 두피에 이식되는 체내장치와 체내장치에 전력을 공급하는 체외장치가 두피를 사이에 두고 쉽고 간단하게 탈부착 될 수 있는 초소형 심부 뇌자극 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템은 두피에 이식되는 체내장치와, 무선전력 전송 방식에 의해 상기 체내장치로 전력을 공급하는 체외장치를 포함하고, 상기 체외장치는 배터리와, 상기 배터리에서 공급된 전력을 상기 체내장치로 전송하는 무선전력 송신부를 포함하고, 상기 체내장치는 상기 무선전력 송신부에서 전송되는 전력을 수신하는 무선전력 수신부와, 상기 무선전력 수신부에 수신된 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하는 자극부를 포함하고, 상기 무선전력 송신부는 상기 배터리에서 공급된 전력에 의해 자장이 유도되는 외부코일과, 상기 외부코일이 감기는 외부자석을 포함하고, 상기 무선전력 수신부는 상기 외부코일에 유도된 자장에 의해 교류 전력이 형성되도록 상기 외부코일에 정렬하는 내부코일과, 상기 내부코일이 감기는 내부자석을 포함하고, 상기 체외장치는 상기 외부자석이 상기 내부자석에 부착됨에 따라 상기 외부코일과 상기 내부코일이 정렬된 상태로 상기 체내장치에 결합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무선전력 송신부는 상기 배터리에서 공급된 전력을 이용하여 상기 외부코일에 자장을 유도하는 외부 마이크로 컨트롤러와 무선전력 드라이빙 회로를 더 포함하고, 상기 무선전력 수신부는 상기 내부코일에 형성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 자극부에 공급하는 정류회로를 더 포함하고, 상기 자극부는 상기 정류회로에서 공급된 직류 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하기 위한 특정 자극 파형을 생성하는 내부 마이크로 콘트롤러와 자극회로, 상기자극회로에서 생성된 자극 파형에 따라 뇌신경을 자극하는 자극용 전극을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템은 무선전력 전송 방식으로 전력을 공급하는 체외장치가 두피에 이식된 체내장치에 탈부착 될 수 있어서 체내장치의 반영구적 이식이 가능하며, 그에 따라 종래의 이식형 심부 뇌자극 장치의 단점인 배터리 삽입에 따른 이식체 부피 증가와 교체에 따른 환자 불편을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템은 내부자석과 외부자석의 탈부착에 의해 체외장치와 체내장치가 두피를 사이에 두고 쉽고 간단하게 탈부착 될 수 있다.

또한, 본 발명은 내부코일은 내부자석에 감겨지고, 외부코일은 외부자석에 감겨지기 때문에, 한 쌍의 코일(즉, 내부코일과 외부코일)은 내부자석과 외부자석의 부착결합에 의한 체내장치와 체외장치의 결합에 의해 자동적으로 정확하게 정렬될 수 있다.

도 1은 종래의 심부 뇌자극 장치를 나타내는 도면이고,
도 2는 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 심부 뇌자극 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 심부 뇌자극 시스템을 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부도면에서, 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것일 수 있으며, 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 한정되지 않는다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 파킨슨병을 비롯한 이상운동 질환 및 정신운동 질환의 효과적인 치료를 위해 무선전력 전송 기술을 결합하여 두피에 반영구적으로 이식이 가능한 초소형 심부 뇌자극 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템은 두피에 이식되어 뇌신경을 자극하는 체내장치와, 체내장치에 무선전력 전송 방식에 의해 전력을 공급하는 체외장치를 포함한다.

체내장치는 두피에 이식 가능하도록 초소형의 형태로 이루어지며, 체외장치는 초소형의 체내장치와 두피를 사이에 두고 탈부착 가능하게 구비될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템은 체내장치에 배터리를 구비시킬 필요가 없어서 초소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 두피에 반영구적으로 이식이 가능하다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 심부 뇌자극 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템(100)은 두피에 반영구적으로 이식되는 체내장치(110)와, 두피(101)를 사이에 두고 체내장치(110)와 결합하는 체외장치(120)를 포함한다.

체외장치(120)는 배터리(121) 및 배터리(121)에서 공급되는 전력을 체내장치(110)로 전송하는 무선전력 송신부(122)를 포함하고, 체내장치(110)는 무선전력 송신부(122)에서 전송되는 전력을 수신하는 무선전력 수신부(112) 및 무선전력 수신부(112)에 수신된 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하는 자극부(111)를 포함한다.

배터리(121)는 체외장치(120)와 일체로 구비될 수도 있으며, 체외장치(120)에 교체가능하게 구비될 수도 있다.

또한, 무선전력 송신부(122)는 배터리(121)에서 공급된 전력에 의해 자장이 유도되는 외부코일(123) 및 외부코일(123)이 감기는 외부자석(124)을 포함하고, 무선전력 수신부(112)는 외부코일(123)에 유도된 자장에 의해 교류 전력이 형성되도록 외부코일(123)에 정렬하는 내부코일(113) 및 내부코일(113)이 감기는 내부자석(114)을 포함한다.

따라서, 본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템(100)은 외부자석(124)과 내부자석(114)의 탈부착에 의해 체외장치(120)가 두피(101)를 사이에 두고 체내장치(110)에 쉽고 간단하게 탈부착 될 수 있다.

또한, 내부코일(113)은 내부자석(114)에 감겨지고, 외부코일(123)은 외부자석(124)에 감겨지기 때문에, 외부자석(124)이 내부자석(114)에 부착 결합되면, 외부코일(123)과 내부코일(113)은 정렬된 상태를 이룰 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템(100)은 외부자석(124)과 내부자석(114)의 탈부착에 의해 체외장치(120)가 체내장치(110)에 두피(101)를 사이에 두고 쉽게 간단하게 탈부착 될 수 있으며, 이와 같이 체외장치(120)가 체내장치(110)가 부착 결합되면 자동적으로 외부코일(123)과 내부코일(113)은 무선전력 전송이 가능하도록 정렬될 수 있게 된다.

체외장치(120)가 두피(101)를 사이에 두고 체내장치(110)에 결합된 경우에 무선전력 전송 방식에 의해 전력을 전송하기 위해서는 외부코일(123)과 내부코일(113)이 정확하게 정렬되는 것이 중요한데, 본 발명에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템(100)은 간단하게 외부자석(124)과 내부자석(114)의 부착 결합에 의해 체외장치(120)가 체내장치(110)에 결합될 수 있음과 동시에 자동적으로 외부코일(123)과 내부코일(113)이 무선전력 전송이 가능하도록 정확하게 정렬될 수 있는 것이다.

이하 본 발명의 일실시 예에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템의 구체적인 구성 에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 심부 뇌자극 시스템을 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 무선전력 송신부(122)는 배터리(121)에서 공급된 전력을 이용하여 외부코일(123)에 자장을 유도하는 외부 마이크로 컨트롤러(125)와 무선전력 드라이빙 회로(126)를 더 포함할 수 있다.

무선전력 수신부(112)는 내부코일(113)에 형성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 자극부(111)에 공급하는 정류회로(115)를 더 포함할 수 있다.

또한, 자극부(111)는 정류회로(115)에서 공급된 직류 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하기 위한 특정 자극 파형을 생성하는 내부 마이크로 콘트롤러(116)와 자극회로(117), 자극회로(117)에서 생성된 자극 파형에 따라 뇌신경을 자극하는 자극용 전극(118)을 포함할 수 있다.

이하 전술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시 예에 따른 초소형 심부 뇌자극 시스템(100)의 작동에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 배터리(121)가 구비된 체외장치(120)를 두피(101)에 반영구적으로 이식된 체내장치(110)에 결합시킨다.

전술한 바와 같이, 체외장치(120)와 체내장치(110)의 결합은 외부자석(124)과 내부자석(114)의 부착에 의해 쉽고 간단하게 이루어질 수 있으며, 이와 같이 외부자석(124)과 내부자석(114)가 부착되면, 외부코일(123)과 내부코일(113)은 무선전력 전송이 가능하도록 정렬될 수 있게 된다.

이후, 체외장치(120)의 배터리(121)에서 전력이 공급되게 되면, 상기 공급된 전력은 외부 마이크로 컨트롤러(125)와 무선전력 드라이빙 회로(126)에 의해 외부코일(123)에 자장을 유도한다.

그리고, 상기 유도된 자장은 피부(ex. 두피)를 관통하여 내부코일(113)에 교류 전력을 형성하게 되고, 이와 같이 형성된 교류전력은 정류회로(115)에 의해 직류전력으로 변환된 후 내부 마이크로 컨트롤러(116)와 자극회로(117)에 공급된다.

그러면, 내부 마이크로 컨트롤러(116)는 공급된 전력을 이용하여 자극회로(117)에 특정 자극 파형을 생성하게 되고, 이와 같이 생성된 특정 자극 파형은 자극용 전극(118)에 의해 뇌신경을 자극하게 된다.

한편, 배터리(121)가 소모되어 수명을 다하게 되면, 외부자석(124)과 내부자석(114)의 부착을 해제시킴으로써 체외장치(120)를 체내장치(110)로부터 분리시키고, 새로운 체외장치(120)를 체내장치(110)에 부착 결합시키거나 배터리(121)가 교체된 체외장치(120)를 다시 체내장치(110)에 결합시킴으로써, 두피(101)에 이식된 체내장치(110)를 반영구적으로 사용할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 무선전력 방식으로 전력을 공급하는 체외장치가 두피에 이식되는 체내장치에 자석의 탈부착에 의해 쉽게 결합할 수 있는 초소형 심부 뇌자극 시스템에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

100 : 초소형 심부 뇌자극 시스템
110 : 체내장치 111 : 자극부
112 : 무선전력 수신부 113 : 내부코일
114 : 내부자석
120 : 체외장치 121 : 배터리
122 : 무선전력 송신부 123 : 외부코일
124 : 외부자석

Claims

두피에 이식되는 체내장치와, 무선전력 전송 방식에 의해 상기 체내장치로 전력을 공급하는 체외장치를 포함하고,
상기 체외장치는 배터리와, 상기 배터리에서 공급된 전력을 상기 체내장치로 전송하는 무선전력 송신부를 포함하고,
상기 체내장치는 상기 무선전력 송신부에서 전송되는 전력을 수신하는 무선전력 수신부와, 상기 무선전력 수신부에 수신된 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하는 자극부를 포함하고,
상기 무선전력 송신부는 상기 배터리에서 공급된 전력에 의해 자장이 유도되는 외부코일과, 상기 외부코일이 감기는 외부자석을 포함하고,
상기 무선전력 수신부는 상기 외부코일에 유도된 자장에 의해 교류 전력이 형성되도록 상기 외부코일에 정렬하는 내부코일과, 상기 내부코일이 감기는 내부자석을 포함하고,
상기 체외장치는 상기 외부자석이 상기 내부자석에 부착됨에 따라 상기 외부코일과 상기 내부코일이 정렬된 상태로 상기 체내장치에 결합하는 것을 특징으로 하는 초소형 심부뇌자극 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 무선전력 송신부는 상기 배터리에서 공급된 전력을 이용하여 상기 외부코일에 자장을 유도하는 외부 마이크로 컨트롤러와 무선전력 드라이빙 회로를 더 포함하고,
상기 무선전력 수신부는 상기 내부코일에 형성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 자극부에 공급하는 정류회로를 더 포함하고,
상기 자극부는 상기 정류회로에서 공급된 직류 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하기 위한 특정 자극 파형을 생성하는 내부 마이크로 콘트롤러와 자극회로, 상기자극회로에서 생성된 자극 파형에 따라 뇌신경을 자극하는 자극용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 심부뇌자극 시스템.