KR20170046593A - 삽입 가능한 양방향 무선 신경 기록 및 자극의 장치 및 방법 - Google Patents
삽입 가능한 양방향 무선 신경 기록 및 자극의 장치 및 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20170046593A KR20170046593A KR1020160136768A KR20160136768A KR20170046593A KR 20170046593 A KR20170046593 A KR 20170046593A KR 1020160136768 A KR1020160136768 A KR 1020160136768A KR 20160136768 A KR20160136768 A KR 20160136768A KR 20170046593 A KR20170046593 A KR 20170046593A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- bbmi
- stimulation
- brain
- patient
- soc
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 title claims description 81
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 claims abstract description 43
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 63
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 62
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims description 60
- 230000006854 communication Effects 0.000 claims description 55
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 claims description 37
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 34
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims description 28
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 23
- 208000002193 Pain Diseases 0.000 claims description 18
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 18
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 17
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 13
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 11
- 210000004705 lumbosacral region Anatomy 0.000 claims description 10
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 10
- 208000035475 disorder Diseases 0.000 claims description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 claims description 7
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 claims description 6
- 230000007170 pathology Effects 0.000 claims description 6
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 claims description 6
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 claims description 6
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 6
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 claims description 5
- 208000010877 cognitive disease Diseases 0.000 claims description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 5
- 210000001032 spinal nerve Anatomy 0.000 claims description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical group [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 208000012902 Nervous system disease Diseases 0.000 claims description 4
- 208000025966 Neurological disease Diseases 0.000 claims description 4
- 208000020307 Spinal disease Diseases 0.000 claims description 4
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 201000006417 multiple sclerosis Diseases 0.000 claims description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 4
- 208000020016 psychiatric disease Diseases 0.000 claims description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 4
- 229920001342 Bakelite® Polymers 0.000 claims description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 3
- 229920001328 Polyvinylidene chloride Polymers 0.000 claims description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004637 bakelite Substances 0.000 claims description 3
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 3
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 230000007831 electrophysiology Effects 0.000 claims description 3
- 238000002001 electrophysiology Methods 0.000 claims description 3
- 206010015037 epilepsy Diseases 0.000 claims description 3
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008449 language Effects 0.000 claims description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 3
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 3
- 230000000926 neurological effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HLXZNVUGXRDIFK-UHFFFAOYSA-N nickel titanium Chemical compound [Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni] HLXZNVUGXRDIFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical compound [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 claims description 3
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 claims description 3
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 3
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 claims description 3
- 201000002859 sleep apnea Diseases 0.000 claims description 3
- 229910000811 surgical stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000451 tissue damage Effects 0.000 claims description 3
- 231100000827 tissue damage Toxicity 0.000 claims description 3
- 229910000391 tricalcium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000019731 tricalcium phosphate Nutrition 0.000 claims description 3
- 229940078499 tricalcium phosphate Drugs 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 3
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000008035 nerve activity Effects 0.000 claims description 2
- 208000027765 speech disease Diseases 0.000 claims description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 241000251539 Vertebrata <Metazoa> Species 0.000 claims 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 abstract description 7
- 102100026773 Unconventional myosin-Ia Human genes 0.000 abstract 1
- 101710135389 Unconventional myosin-Ia Proteins 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 22
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 19
- 238000002566 electrocorticography Methods 0.000 description 16
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 description 15
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 12
- 238000003491 array Methods 0.000 description 11
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 11
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 11
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 9
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 description 8
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 241000282693 Cercopithecidae Species 0.000 description 7
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 7
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 7
- 230000007604 neuronal communication Effects 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 210000003582 temporal bone Anatomy 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 5
- 208000004296 neuralgia Diseases 0.000 description 5
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 5
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 208000020431 spinal cord injury Diseases 0.000 description 4
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 206010010904 Convulsion Diseases 0.000 description 3
- 208000006011 Stroke Diseases 0.000 description 3
- 208000030886 Traumatic Brain injury Diseases 0.000 description 3
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 3
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 3
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 3
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 238000000554 physical therapy Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 3
- 230000009529 traumatic brain injury Effects 0.000 description 3
- 206010002383 Angina Pectoris Diseases 0.000 description 2
- 208000008035 Back Pain Diseases 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 208000028389 Nerve injury Diseases 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 2
- 208000018737 Parkinson disease Diseases 0.000 description 2
- 241000288906 Primates Species 0.000 description 2
- 208000002847 Surgical Wound Diseases 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 2
- 230000007175 bidirectional communication Effects 0.000 description 2
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 2
- 208000029028 brain injury Diseases 0.000 description 2
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000002512 chemotherapy Methods 0.000 description 2
- 230000001684 chronic effect Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 208000007784 diverticulitis Diseases 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 210000000337 motor cortex Anatomy 0.000 description 2
- 230000007830 nerve conduction Effects 0.000 description 2
- 230000008764 nerve damage Effects 0.000 description 2
- 230000007383 nerve stimulation Effects 0.000 description 2
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 2
- 208000021722 neuropathic pain Diseases 0.000 description 2
- 230000007823 neuropathy Effects 0.000 description 2
- 201000001119 neuropathy Diseases 0.000 description 2
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 2
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 2
- 208000033808 peripheral neuropathy Diseases 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 238000001959 radiotherapy Methods 0.000 description 2
- 210000004761 scalp Anatomy 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 2
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 2
- 208000003174 Brain Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- 208000000094 Chronic Pain Diseases 0.000 description 1
- 208000032544 Cicatrix Diseases 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920004934 Dacron® Polymers 0.000 description 1
- IMQLKJBTEOYOSI-UHFFFAOYSA-N Diphosphoinositol tetrakisphosphate Chemical compound OP(O)(=O)OC1C(OP(O)(O)=O)C(OP(O)(O)=O)C(OP(O)(O)=O)C(OP(O)(O)=O)C1OP(O)(O)=O IMQLKJBTEOYOSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- 208000032843 Hemorrhage Diseases 0.000 description 1
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 1
- 208000004044 Hypesthesia Diseases 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000005764 Peripheral Arterial Disease Diseases 0.000 description 1
- 208000030831 Peripheral arterial occlusive disease Diseases 0.000 description 1
- 239000000150 Sympathomimetic Substances 0.000 description 1
- 206010047571 Visual impairment Diseases 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000002266 amputation Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000003050 axon Anatomy 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 230000006931 brain damage Effects 0.000 description 1
- 231100000874 brain damage Toxicity 0.000 description 1
- 230000004641 brain development Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 210000003710 cerebral cortex Anatomy 0.000 description 1
- 206010008129 cerebral palsy Diseases 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000019771 cognition Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000036461 convulsion Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007585 cortical function Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007428 craniotomy Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 230000002996 emotional effect Effects 0.000 description 1
- 210000002615 epidermis Anatomy 0.000 description 1
- 230000000763 evoking effect Effects 0.000 description 1
- 210000000609 ganglia Anatomy 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 208000016354 hearing loss disease Diseases 0.000 description 1
- 208000014617 hemorrhoid Diseases 0.000 description 1
- WHWDWIHXSPCOKZ-UHFFFAOYSA-N hexahydrofarnesyl acetone Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)=O WHWDWIHXSPCOKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000007918 intramuscular administration Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004153 islets of langerhan Anatomy 0.000 description 1
- 210000003734 kidney Anatomy 0.000 description 1
- 208000011977 language disease Diseases 0.000 description 1
- 210000002429 large intestine Anatomy 0.000 description 1
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 1
- 238000002582 magnetoencephalography Methods 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 206010027175 memory impairment Diseases 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000520 microinjection Methods 0.000 description 1
- 230000007659 motor function Effects 0.000 description 1
- 230000007433 nerve pathway Effects 0.000 description 1
- 210000000944 nerve tissue Anatomy 0.000 description 1
- 210000000118 neural pathway Anatomy 0.000 description 1
- 230000010004 neural pathway Effects 0.000 description 1
- 230000007106 neurocognition Effects 0.000 description 1
- 210000000103 occipital bone Anatomy 0.000 description 1
- 238000011275 oncology therapy Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 210000000496 pancreas Anatomy 0.000 description 1
- 210000003455 parietal bone Anatomy 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 238000011321 prophylaxis Methods 0.000 description 1
- 210000002979 radial nerve Anatomy 0.000 description 1
- 210000000664 rectum Anatomy 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 231100000241 scar Toxicity 0.000 description 1
- 230000036573 scar formation Effects 0.000 description 1
- 230000037387 scars Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 210000000813 small intestine Anatomy 0.000 description 1
- 210000000952 spleen Anatomy 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 210000002784 stomach Anatomy 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000002889 sympathetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001975 sympathomimetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000009885 systemic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 210000003932 urinary bladder Anatomy 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
- 208000019553 vascular disease Diseases 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 208000029257 vision disease Diseases 0.000 description 1
- 210000000857 visual cortex Anatomy 0.000 description 1
- 230000004393 visual impairment Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/372—Arrangements in connection with the implantation of stimulators
- A61N1/375—Constructional arrangements, e.g. casings
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
- A61B5/0031—Implanted circuitry
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
- A61B5/293—Invasive
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/369—Electroencephalography [EEG]
- A61B5/372—Analysis of electroencephalograms
- A61B5/374—Detecting the frequency distribution of signals, e.g. detecting delta, theta, alpha, beta or gamma waves
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/40—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
- A61B5/4058—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system for evaluating the central nervous system
- A61B5/4064—Evaluating the brain
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/48—Other medical applications
- A61B5/4836—Diagnosis combined with treatment in closed-loop systems or methods
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
- A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
- A61B5/6847—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive mounted on an invasive device
- A61B5/686—Permanently implanted devices, e.g. pacemakers, other stimulators, biochips
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
- A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
- A61B5/6867—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive specially adapted to be attached or implanted in a specific body part
- A61B5/6868—Brain
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/02—Details
- A61N1/04—Electrodes
- A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
- A61N1/0526—Head electrodes
- A61N1/0529—Electrodes for brain stimulation
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/02—Details
- A61N1/04—Electrodes
- A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
- A61N1/0551—Spinal or peripheral nerve electrodes
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
- A61N1/3606—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system adapted for a particular treatment
- A61N1/36103—Neuro-rehabilitation; Repair or reorganisation of neural tissue, e.g. after stroke
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/372—Arrangements in connection with the implantation of stimulators
- A61N1/375—Constructional arrangements, e.g. casings
- A61N1/37514—Brain implants
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
- G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
- G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
- G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
- A61B2560/02—Operational features
- A61B2560/0204—Operational features of power management
- A61B2560/0214—Operational features of power management of power generation or supply
- A61B2560/0219—Operational features of power management of power generation or supply of externally powered implanted units
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
- A61B5/0015—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network characterised by features of the telemetry system
- A61B5/0024—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network characterised by features of the telemetry system for multiple sensor units attached to the patient, e.g. using a body or personal area network
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
- A61N1/3606—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system adapted for a particular treatment
- A61N1/36082—Cognitive or psychiatric applications, e.g. dementia or Alzheimer's disease
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
- G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
- G06F2203/011—Emotion or mood input determined on the basis of sensed human body parameters such as pulse, heart rate or beat, temperature of skin, facial expressions, iris, voice pitch, brain activity patterns
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Neurology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Neurosurgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Psychology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Physiology (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Psychiatry (AREA)
- Electrotherapy Devices (AREA)
Abstract
장치 및 방법은 전자 인간 보철을 위해 설명되며, 특히 두개골 또는 척추에 삽입 가능하며 입력, 출력 및 온-보드 컴퓨팅이 단일 유닛에 조합되어 컴팩트 신경 보철 장치를 형성하는 양방향 신경-통신/두뇌-기계 인터페이스(BBMI) 장치를 위한 것이다. 본 발명은 또한 인체 내에서 BBMI를 사용하는 완전히 삽입 가능한 무선 척추 전자 기록 및 자극 시스템에 관한 것이다. BBMI 장치들은 다른 BBMI 장치들 그리고/또는 외부 제어기들과 무선으로 통신한다. 컴팩트 삽입 가능한 자극기는 초음파 2차 배터리 충전 시스템을 구비한다. 하나 또는 그보다 많은 BBMI는 무선으로 연결되어, BBMI 장치들 또는 BBMI 장치와 외부 제어기의 폐루프는 완전히 삽입된 자극기에 척추를 넘어 트리거 펄스를 무선으로 전송할 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 전자 인간 보철물들에 관한 것으로, 더 상세하게는 입력, 출력 및 온-보드 연산이 단일 유닛으로 조합되어 컴팩트 신경-보철 장치를 형성하는 삽입 가능한 양방향 신경-통신 장치에 관한 것이다.
신경가소성(Neuroplasticity)은 인간 중앙 신경망(CNS, central nervous system)의 고유한 특성이며, 환경적 압력들, 생리적 변화들, 그리고 경험들을 능동적으로 채택하는 능력을 나타낸다. 신경가소성은 사람들이 새로운 감각 정보를 처리하기 시작하는 정상 두뇌 발달 동안에 또는 두뇌 또는 척수 손상(SCI, spinal cord injury)으로 인해 신경 경로들을 재생성하는 적응적 메커니즘으로서 발생한다. CNS에 대한 피해는 매해 적어도 2백만의 사람들에게 영향을 준다. 두뇌 또는 척수 기능 손실을 위한 보상은 뇌졸증(stroke) 또는 SCI와 같은 CNS 부상 이후에 발생한다. 이러한 보상의 결과는 피질(cortex)에서만 발생하는 것이 아니라 다른 피질 하부의 부분들에서도 발생한다. 따라서, 두뇌 활동의 상이한 레벨을 해석할 수 있고 그리고 그것을 이용하여 기계적인 제어를 할 수 있는 시스템들 그리고 컴퓨터 구성들은 다양한 분야들에의 응용들에 대해 막대한 잠재력을 갖는다.
두뇌-컴퓨터-인터페이스들은 인간들 및 기계들 사이에 통신들을 제공하는 시스템들이다. 두뇌-컴퓨터-인터페이스들은, 예를 들어, 개인들에 의해 휠체어와 같은 외부 자치를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 두뇌-기계-인터페이스들의 주요 목표는 개인의 활동으로부터 의도를 해석하는 것이고, 해석된 의도를 나타내는 신호들은 외부 장치들과 통신하는 데에 다양한 방법들로 사용될 수 있다. 두뇌-기계-인터페이스들은 치명적인 동작 장애를 갖는 사람들을 치료하기 위한 구체적인 용도로 발전할 가능성을 갖는다.
두피 전극들로부터 획득되는 뇌파계(EEG, Electroencephalographic) 신호들 그리고 미세 전극 어레이들 또는 콘 전극들에 의해 측정되는 신호 뉴런(neuron) 활동은 안전하고 비외과적인 양식으로 여겨지지만, 낮은 공간 해상도, 두개골에 의한 신호 감쇄에 따른 나쁜 신호 대 잡음비, 그리고 근육 활동으로부터의 신호 오염을 갖는다. 반대로, 개별 뉴런으로부터의 신호들의 단일-유닛 기록은 더 높은 정보 전송률로 매우 미세한 공간 해상도를 전달하며, 더 독립적인 채널들의 사용을 가능하게 한다. 그러나 단일 유닛 기록은 뉴런과 가까운 근접성(100마이크론 이내)을 필요로 하며, 따라서 더 높은 연관된 임상 위험 그리고 전극들 주변의 흉터 형성에 부차적인 감내할 수 있는 효과의 부족으로 인해 일반적으로 인간 적용하기에 적절하지 않다.
현재 인간 신경망에 삽입된 또는 인간 신경망에 접촉하는 장치들은 통상적으로 개방 회로(open-loop) 모드로 동작하며, 아직 신경 데이터를 강건하게(robustly), 만성적으로(chronically), 안전하게(safely), 그리고 기능적으로 의미 있는 방식으로 처리하는 목표를 달성하지 못한다. 예를 들어, 완전한 폐쇄 회로(closed-loop) 제어 시스템을 위한 삽입 가능한 상업적인 심박조율기(pacemaker) 시스템은 현재 존재하지 않는다. 또한, 전원 공급이 화제로 남아 있으며, 재충전 배터리들은 현재 집적 시스템들에서 다뤄지지 않는다.
본 발명의 목적은 삽입 가능한 양방향 무선 신경 기록 및 자극의 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
바람직한 실시 예들에서, 장치 및 사용 방법들이 제공되며, 양방향 두뇌-기계 인터페이스(BBMI) 장치는 (i) 초음파 무선 전력 모듈을 감싸는 생체적합 용기; 상기 전력 모듈은 전력 정류 회로에 연결된 압전 합성 트랜스듀서 및 재충전가능한 배터리를 포함하고, 상기 압전 합성 트랜스듀서는 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템의 내부를 형성하고, 상기 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하여 상기 재충전가능한 배터리를 재충전하기 위해 상기 내부와 짝지어지는 외부 압전 합성 트랜스듀서를 갖고; (ii) 상기 하우징 내의 무선 RF 통신 시스템 온 칩(SoC); 상기 SoC는 프로세서 코어를 갖고 상기 전력 모듈에 의해 전원을 공급받고, 상기 프로세서 코어는 무선 데이터 송신 및 수신을 제어하도록 구성되고, 상기 프로세서 코어는 상기 재충전가능한 배터리의 충전을 제어하도록 구성되고, 상기 프로세서 코어는 센서 출력 데이터를 획득하도록 구성되고, 상기 프로세서 코어는 자극 입력 펄스들을 제어하도록 구성되고, 상기 SoC는 저전력 근거리 무선 통신을 사용하도록 구성되고; (iii) 상기 SoC와 접속하고 디지털 전기생리 인터페이스 칩, 프로그램가능한 증폭기, 그리고 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 센서 전자장치 모듈; 상기 센서 전자장치 모듈은 신경 조직 활동의 적어도 16채널들에서 기록하도록 구성되고; (iv) 상기 SoC와 접속하고 전기적 자극들을 전송하도록 구성되는 펄스 회로를 포함하는 자극 모듈; 상기 펄스 회로는 적어도 자극의 4채널들을 생성하도록 구성되고; 그리고 (v) 상기 센서 전자장치 모듈 및 상기 자극 모듈과 접속하는 양방향 미세전극 어레이를 포함한다. 상기 양방향 미세전극 어레이는 뉴런 조직 활동을 기록하고 전기적 자극들을 전송하는 양방향 인터페이스를 제공하도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치는 전기적 자극을 척추로 전송하기 위해 상기 자극 모듈과 연결되는 적어도 하나의 척추 전극을 더 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 생체적합 용기는 25-100mm의 지름 범위 및 8-30mm의 높이 범위를 갖는 원형 디스크이고, 상기 생체적합 용기는 28-75mm 범위의 지름 및 10-20mm 범위의 높이를 갖는 원형 디스크이고, 상기 생체적합 용기는 30-50mm 범위의 지름 및 10-20mm 범위의 높이를 갖는 원형 디스크이고, 또는 상기 생체적합 용기는 35mm 이하의 지름 및 10mm 이하의 높이를 갖는 원형 디스크이다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 생체적합 용기는 금속, 폴리머, 또는 합성물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 생체적합 용기는 티타늄, 니티놀(R), 수술용 강철, 칼슘, 구리, 아연, 철, 코발트, 마그네슘, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 규산염, 스트론튬, 텅스텐, 크롬, 니켈, 알루미늄, 그리고 세라믹들, 합성물들, 합금들, 화합물들, 그리고 이들의 조합들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 생체적합 용기는 폴리우레탄(PU), 폴리에스터들, 폴리에테르들(PEEK), 실리콘들, 규산염들, 폴리(염화비닐)(PVC), 폴리비닐 아세테이트, 베이클라이트, 폴리클로로프렌(네오프렌), 나일론, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리(염화비닐리덴), 불화계 폴리머들, 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 그리고 이들의 혼합물들 및 혼성 중합체들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 생체적합 용기는 인산칼슘, 인산삼칼슘, 또는 수산화인회석으로부터 선택되는 생체적합 코팅을 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 재충전가능한 배터리는 리튬이온 배터리이다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 프로세서 코어는 활동하지 않는 모듈 구성 요소들을 턴-오프하여 배터리를 절약한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 저전력 근거리 무선 통신은 2.4GHz 프로토콜을 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 저전력 근거리 무선 통신은 250Kbps-2Mbps의 데이터율을 갖는다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 저전력 근거리 무선 통신은 블루투스 저에너지(BLE, Bluetooth Low Energy) 통신 프로토콜 또는 ESB (Enhanced ShockBurst) 프로토콜을 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 저전력 근거리 무선 통신은 0.01-2.5mW (-20dBm 내지 4dBm) 범위의 송신 전력을 갖는다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 저전력 근거리 무선 통신은 1.5Mbits/sec의 최소 데이터율 대역폭을 갖는다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 아날로그 디지털 변환기는 16비트이다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 센서 전자장치 모듈은 빌트-인 온도 센서를 포함하고, 상기 SoC는 조직 온도를 관찰하고 그리고 고온으로부터의 조직 손상을 회피하기 위해 장치 변화들을 구현하도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 센서 전자장치 모듈은 신경 조직 활동의 적어도 32채널들을 기록하도록 구성되고, 상기 펄스 회로는 자극의 적어도 16채널들을 생성하도록 구성되고, 또는 상기 펄스 회로는 자극의 적어도 32채널들을 생성하도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 센서 전자장치 모듈은 신경 조직 활동의 적어도 32채널들을 기록하도록 구성되고, 상기 펄스 회로는 자극의 적어도 32채널들을 생성하도록 구성되고, 상기 SoC는 기록된 신경 조직 활동의 적어도 32채널들을 관찰하도록 구성되고, 상기 SoC는 상기 펄스 회로가 상기 기록된 신경 조직 활동에 기반하여 자극의 사전-프로그램된 채널로 자극을 생성하도록 제어한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 펄스 회로는 2상 펄스들을 생성하도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 SoC는 자극을 위한 신호들 및 기록을 위한 신호들의 멀티플렉싱을 구현하도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치에서, 상기 SoC는 동시의 전력 충전 및 무선 데이터 전송을 수행하도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 BBMI 장치는 상기 SoC에 연결된 메모리 장치를 더 포함하고, 상기 SoC와 무선 통신하는 원격 컴퓨터를 더 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 통합 양방향 신경-통신 및 척추 자극 시스템은 적어도 두 개의 BBMI 장치들을 포함하고, 예를 들어 하나는 두뇌를 위해 하나는 척추를 위해, 상기 BBMI 장치들은 폐쇄-회로에서 통신 및 동작하도록 구성되고, 제1 BBMI 장치는 신호를 수신하도록 구성되는 제2 BBMI 장치로 상기 신호를 송신하도록 구성되고, 그리고 상기 제1 BBMI 장치는 상기 제1 BBMI 장치의 상기 SoC가 신경 조직 활동을 기록할 때에 상기 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 제2 BBMI 장치는 상기 제2 BBMI 장치의 상기 SoC가 상기 신호를 수신할 때에 전기적 자극들을 보내도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 제공되는 통합 양방향 신경-통신 및 척추 자극 시스템은 적어도 세 개의 BBMI 장치들을 포함하고, 예를 들어 두뇌-척추-앞팔, 상기 BBMI 장치들은 서로 신호들을 송신 및 수신하도록 구성되고, 제1 BBMI 장치는 상기 제1 BBMI 장치의 상기 SoC가 신경 조직 활동을 기록할 때에 상기 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 제1 BBMI 장치는 상기 제2 BBMI 장치가 상기 신호를 수신할 때에 척추 전기적 자극들을 보내도록 구성되고, 그리고 제3 BBMI 장치는 상기 제3 BBMI 장치가 말초 신경 조직 활동을 기록할 때에 제2 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 제1 BBMI 장치는 상기 제1 BBMI 장치의 상기 SoC가 상기 제2 신호를 수신할 때에 전기적 자극들을 보내도록 구성된다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 장치 및 사용 방법들이 제공되며, 폐쇄-회로, 상호-적응적, 양방향 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BBMI) 장치는 전력 정류 회로 및 재충전가능한 배터리에 연결된 압전 합성 트랜스듀서를 감싸는 생체적합 티타늄 용기; 상기 압전 합성 트랜스듀서는 2부 초음파 전력 전송 시스템의 내부를 형성하고, 상기 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템은 전력을 전송하여 상기 재충전가능한 배터리를 재충전하기 위해 상기 내부와 짝지어지는 외부 압전 합성 트랜스듀서를 갖고; 무선 송수신기, 회로 기판, 안테나 장치, 그리고 프로세서 인터페이스를 갖는 RF 모듈; 상기 RF 모듈은 상기 정류 회로에 연결되고; 상기 RF 모듈은 상기 무선 송수신기와 연결되는 다중-채널 입력/출력 양방향 인터페이스 회로를 포함하고, 상기 인터페이스 회로는 근거리 무선 통신을 위해 저전력 블루투스를 사용하도록 구성되고, 상기 인터페이스 회로는 신경 조직 활동의 16채널들을 기록하도록 구성되고 그리고 상기 인터페이스 회로는 자극의 16채널들을 생성하도록 구성되고; 상기 RF 모듈과 연결되는 마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서는 센서 신호들의 주기적 또는 연속적 측정들을 이용하여 주파수, 듀티-사이클, 진폭 등과 같은 자극 파라미터들을 실시간으로 제어하는 데에 사용되고, 상기 마이크로프로세서는 기록, 제어 및 수신 및 송신 신호 처리를 수행하고, 상기 마이크로프로세서는 메모리 장치에 연결되고; 전기적 자극을 상기 척추에 전송하기 위해 상기 RF 모듈에 연결되는 적어도 하나의 척추 전극; 그리고 상기 두뇌로부터 전기 신호들을 수신하기 위해 상기 마이크로프로세서상의 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에 연결되는 센서 어레이를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 두뇌로부터 컴퓨터로 신호를 전송하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 청구항 1의 장치를 환자의 두개골에 상기 센서 어레이 및 상기 전극들과 함께 삽입하는 단계; 상기 센서 어레이 및 상기 전극은 상기 환자의 상기 두뇌와 통신하도록 동작하고; 그리고 상기 장치로부터 외부 수신기로 신호를 전송하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 환자를 요구에 따라 처치하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 BBMI 장치를 상기 환자의 요구에 따라 상기 환자의 두개골에 삽입하는 단계; 상기 장치와 신호들을 송신 및 수신하여 간질, 마비를 포함하는 운동 명령 병리, 언어 장애, 수면 무호흡, 통증, 신경적 떨림, 다중 경화증, 신경적 장애들, 청각 또는 시각 장애들, 기억 장애들, 우울증을 포함하는 정신 장애들, 그리고 인지 장애로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 질병 또는 장애를 처치하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 환자를 요구에 따라 처치하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 BBMI 장치를 상기 환자의 요구에 따라 상기 환자의 두개골에 삽입하는 단계; 상기 장치와 신호들을 송신 및 수신하여 청각, 시각, 언어, 운동 제어, 그리고 다른 타입들의 신경 지각 또는 제어의 타고난 처리를 강화하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 장치 및 사용 방법들이 제공되며, 삽입가능한 무선 척추 자극기는 전력 정류 회로 및 재충전가능한 배터리에 연결된 압전 합성 트랜스듀서를 감싸는 생체적합 티타늄 용기; 상기 압전 합성 트랜스듀서는 2부 초음파 전력 전송 시스템의 내부를 형성하고, 상기 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템은 전력을 전송하여 상기 재충전가능한 배터리를 재충전하기 위해 상기 내부와 짝지어지는 외부 압전 합성 트랜스듀서를 갖고; 무선 송수신기, 회로 기판, 안테나 장치, 그리고 프로세서 인터페이스를 갖는 RF 모듈; 상기 RF 모듈은 상기 정류 회로에 연결되고; 상기 RF 모듈은 상기 무선 송수신기와 연결되는 다중-채널 입력/출력 양방향 인터페이스 회로를 포함하고, 상기 인터페이스 회로는 근거리 무선 통신을 위해 저전력 블루투스를 사용하도록 구성되고, 상기 인터페이스 회로는 신경 조직 활동의 16채널들을 기록하도록 구성되고 그리고 상기 인터페이스 회로는 자극의 16채널들을 생성하도록 구성되고; 상기 RF 모듈과 연결되는 마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서는 센서 신호들의 주기적 또는 연속적 측정들을 이용하여 주파수, 듀티-사이클, 진폭 등과 같은 자극 파라미터들을 실시간으로 제어하는 데에 사용되고, 상기 마이크로프로세서는 기록, 제어 및 수신 및 송신 신호 처리를 수행하고, 상기 마이크로프로세서는 메모리 장치에 연결되고; 전기적 자극을 상기 척추에 전송하기 위해 상기 RF 모듈에 연결되는 적어도 하나의 척추 전극; 그리고 상기 두뇌로부터 전기 신호들을 수신하기 위해 상기 마이크로프로세서상의 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에 연결되는 센서 어레이를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 두뇌로부터 척추로 전기적 자극을 전송하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 BBMI 장치를 척추 신경(들)과 통신하는 척추 전극 및 환자의 상기 두뇌와 통신하도록 동작하는 센서 어레이와 함께 상기 환자의 요추 영역에 삽입하는 단계; 그리고 상기 두뇌로부터 상기 컴퓨터로의 신호에 기반하여 상기 컴퓨터로부터 상기 척추로 자극을 전송하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 환자를 요구에 따라 처치하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 환자의 요구에 따라 청구항 2 또는 35의 장치를 상기 환자의 요추 영역에 삽입하는 단계; 그리고 상기 장치와 신호를 송신 및 수신하여 척추 질병 또는 장애를 처치하는 단계를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 환자를 요구에 따라 처치하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 환자의 요구에 따라 청구항 2 또는 35의 장치를 상기 환자의 요추 영역에 삽입하는 단계; 그리고 상기 장치와 신호를 송신 및 수신하여 척추 신경 활동 또는 제어의 타고난 처리를 강화하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 삽입 가능한 양방향 무선 신경 기록 및 자극의 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 통상적인 양방향 BMI 시스템 구조의 다이어그램이다.
도 2a는 티타늄 케이스 내의 시스템이다.
도 2b는 시스템의 상면 및 하면 조망이다.
도 2c는 25센트 동전과 비교한 케이스 내의 시스템이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 네 개의 상이한 외과적 BMI 시스템 부착 전략이다.
도 4는 무선 BBMI 시스템 블록도이다.
도 5는 ESB 프로토콜 패킷 구조이다.
도 6은 초음파 공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 7은 상이한 구성 모드에 대한 전력 소비이다.
도 8은 벤치 테스트를 위한 실험적 설정이다.
도 9는 체내 테스트를 위한 실험적 설정이다.
도 10a는 원숭이의 운동 피질로부터 기록되는 LFP의 상이한 두뇌 리듬들이다.
도 10b는 30초 동안 캡처된 자극 산물을 보여준다.
도 11은 하나의 단일 자극에 대한 자극-이전 및 자극-이후 주파수 도메인 전력 비교이다.
도 12a, 도 12b, 도 12c, 도 12d는 4개의 상이한 위치들로부터 기록되는 각 주파수 대역에 대한 자극-이전 및 자극-이후 전력 비교이다.
도 13은 원격 의료 설비, 노드 또는 서버와 통신하는 지역 핸드헬드 장치와 무선 통신하는 삽입 가능한 장치를 갖는 인간 머리의 모델을 보여주는 선도이다.
도 14는 두개골의 후두부를 향해 뒤쪽으로 이어지는 선들을 가지며 측두골 영역에 또는 하래에 삽입된 장치를 갖는 인간 머리의 모델을 보여주는 선도이다.
도 15는 두뇌 내의 센서 어레이 또는 전자 처치 장치와 연결되는 선 리드들을 갖고 몸통의 하강 요추 영역 또는 흉골 영역으로 이어지는 제2 하강 선을 갖고 측두골 영역에 또는 그 아래에 위치하는 삽입된 장치를 갖는 인간 머리 및 몸통의 모델을 보여주는 선도이다.
도 16은 목의 관다발 구조로 이어지고, 심장으로 이어지고, 몸통의 요추 영역 또는 흉골 영역으로 하강하고, 그리고 장기와 접속하는 복막 공간으로 하강하는 일련의 하강 선들을 갖고 두뇌 내의 센서 어레이 또는 전자 처치 장치와 연결되는 선을 갖고 측두골에 또는 그 아래에 위치하는 삽입된 장치를 갖는 인간 머리 및 몸통의 모델을 보여주는 선도이다.
도 17은 인간 머리에 대해 사이즈 비교를 위해 도시된 케이스 및 내부 구성들을 갖는 장치를 보여주는 그래픽이다.
도 18은 외부 케이스 내에서 내부 영역에 배터리 구성, 회로 구성, 송수신기, 그리고 선택적인 내부 프레임으로 구성되는 적층된 일련의 구성들을 포함하는 장치의 전체적인 구성 다이어그램의 예를 보여주는 그래픽이다.
도 19는 티타늄 케이스로 포장되는 신규한 압전 합성물, 수신부, 동전-타입 재충전 가능한 배터리, 전력 관리 회로를 포함하는 제안된 초음파 전력 전송 시스템을 위한 프로토타입 구성들을 보여주는 일 실시 예의 사진이다.
도 20은 신규한 압전 합성물, 수신부, 동전-타입 재충전 가능한 배터리, 전력-관리 회로를 갖는 프로토타입 장치의 일 실시 예를 보여주는 세 개의 사진들이다.
도 21은 프로토타입 다중 채널 인터페이스 회로 다이어그램이다.
도 22는 저전력 다중-채널 무선 데이터 전송 회로를 갖는 프로토타입 16채널 BCI 인터페이스 회로의 회로 보드 및 회로들의 조명의 사진이다.
도 23은 모델의 두정골 영역에 가까운 두개골 물질에 내장된 저전력 다중-채널 무선 데이터 전송 회로를 갖는 프로토타입 16채널 BCI 인터페이스 회로를 갖는 인간 두개골의 플라스틱 모델의 사진이다.
도 24는 그래픽 스케치이며, (1) 무선 척추 시뮬레이터, (2) 척추 전극들, (3) 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI), (4) BCI 전극들, (5) 외부 제어기, (6) 스마트폰 제어기, (7) 무선 네트워크를 보여준다.
도 25는 구조적 개관도이며, 무선 척추 시뮬레이터 기능적 블록도를 보여준다.
도 26a, 도 26b, 도 26c는 장치 사이즈 및 구성 조망들을 보여주는 세 개의 사진들이다.
도 27a, 도 27b, 도 27c는 (a) 피질에 적용된 자극 및 기록된 자극 산물, (b) 삽입 가능한 장치로부터 무선 기록된 두뇌 데이터, (c) 무선 피질척수 BBMI 시스템 블록도에 대해 무선으로 제어되는 삽입 가능한 자극기의 제1 프로토타입으로부터의 기록이다.
도 28은 다수의 채널들 및 신호 특성들의 상세들을 보여주는 차트이다.
도 29는 BBMI 장치의 일 실시 예의 절단 상세도의 분해도 및 측면도에서 폐쇄-회로, 상호 조정의 양방향 두뇌-기계 인터페이스 조작 시스템(BBMI)의 구성도를 보여주는 도면이다.
도 30은 전송 트랜스듀서, 매질, 수신 트랜스듀서, 전력 관리 시스템 및 2차 배터리로 구성되는 초음파 무선 전력 전송 시스템의 도면이다.
도 31은 매칭 레이어를 갖고 제조된 초음파 트랜스듀서를 보여주는 사진들의 세트이다.
도 32는 트랜스듀서의 매질(물)에 대한 결합 효율을 보여주는 그래프이다.
도 33은 트랜스듀서의 기능과 연관된 어드미턴스 및 임피던스를 지배하는 공식들을 보여주는 도면이다.
도 34는 초음파 공진을 사용하는 무선 전력 전송의 인쇄 회로 기판(PCB) 도해의 사진이다.
도 35는 돼지의 조직을 이용하여 삽입 BBMI를 걸쳐 인간 피부를 모사하는 무선 전력 전송 평가 시스템을 보여주는 사진들의 세트이다.
도 36은 무선 전력 전송 평가 시스템의 실험적 결과들을 보여주는 4개의 그래프들이다.
도 2a는 티타늄 케이스 내의 시스템이다.
도 2b는 시스템의 상면 및 하면 조망이다.
도 2c는 25센트 동전과 비교한 케이스 내의 시스템이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 네 개의 상이한 외과적 BMI 시스템 부착 전략이다.
도 4는 무선 BBMI 시스템 블록도이다.
도 5는 ESB 프로토콜 패킷 구조이다.
도 6은 초음파 공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 7은 상이한 구성 모드에 대한 전력 소비이다.
도 8은 벤치 테스트를 위한 실험적 설정이다.
도 9는 체내 테스트를 위한 실험적 설정이다.
도 10a는 원숭이의 운동 피질로부터 기록되는 LFP의 상이한 두뇌 리듬들이다.
도 10b는 30초 동안 캡처된 자극 산물을 보여준다.
도 11은 하나의 단일 자극에 대한 자극-이전 및 자극-이후 주파수 도메인 전력 비교이다.
도 12a, 도 12b, 도 12c, 도 12d는 4개의 상이한 위치들로부터 기록되는 각 주파수 대역에 대한 자극-이전 및 자극-이후 전력 비교이다.
도 13은 원격 의료 설비, 노드 또는 서버와 통신하는 지역 핸드헬드 장치와 무선 통신하는 삽입 가능한 장치를 갖는 인간 머리의 모델을 보여주는 선도이다.
도 14는 두개골의 후두부를 향해 뒤쪽으로 이어지는 선들을 가지며 측두골 영역에 또는 하래에 삽입된 장치를 갖는 인간 머리의 모델을 보여주는 선도이다.
도 15는 두뇌 내의 센서 어레이 또는 전자 처치 장치와 연결되는 선 리드들을 갖고 몸통의 하강 요추 영역 또는 흉골 영역으로 이어지는 제2 하강 선을 갖고 측두골 영역에 또는 그 아래에 위치하는 삽입된 장치를 갖는 인간 머리 및 몸통의 모델을 보여주는 선도이다.
도 16은 목의 관다발 구조로 이어지고, 심장으로 이어지고, 몸통의 요추 영역 또는 흉골 영역으로 하강하고, 그리고 장기와 접속하는 복막 공간으로 하강하는 일련의 하강 선들을 갖고 두뇌 내의 센서 어레이 또는 전자 처치 장치와 연결되는 선을 갖고 측두골에 또는 그 아래에 위치하는 삽입된 장치를 갖는 인간 머리 및 몸통의 모델을 보여주는 선도이다.
도 17은 인간 머리에 대해 사이즈 비교를 위해 도시된 케이스 및 내부 구성들을 갖는 장치를 보여주는 그래픽이다.
도 18은 외부 케이스 내에서 내부 영역에 배터리 구성, 회로 구성, 송수신기, 그리고 선택적인 내부 프레임으로 구성되는 적층된 일련의 구성들을 포함하는 장치의 전체적인 구성 다이어그램의 예를 보여주는 그래픽이다.
도 19는 티타늄 케이스로 포장되는 신규한 압전 합성물, 수신부, 동전-타입 재충전 가능한 배터리, 전력 관리 회로를 포함하는 제안된 초음파 전력 전송 시스템을 위한 프로토타입 구성들을 보여주는 일 실시 예의 사진이다.
도 20은 신규한 압전 합성물, 수신부, 동전-타입 재충전 가능한 배터리, 전력-관리 회로를 갖는 프로토타입 장치의 일 실시 예를 보여주는 세 개의 사진들이다.
도 21은 프로토타입 다중 채널 인터페이스 회로 다이어그램이다.
도 22는 저전력 다중-채널 무선 데이터 전송 회로를 갖는 프로토타입 16채널 BCI 인터페이스 회로의 회로 보드 및 회로들의 조명의 사진이다.
도 23은 모델의 두정골 영역에 가까운 두개골 물질에 내장된 저전력 다중-채널 무선 데이터 전송 회로를 갖는 프로토타입 16채널 BCI 인터페이스 회로를 갖는 인간 두개골의 플라스틱 모델의 사진이다.
도 24는 그래픽 스케치이며, (1) 무선 척추 시뮬레이터, (2) 척추 전극들, (3) 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI), (4) BCI 전극들, (5) 외부 제어기, (6) 스마트폰 제어기, (7) 무선 네트워크를 보여준다.
도 25는 구조적 개관도이며, 무선 척추 시뮬레이터 기능적 블록도를 보여준다.
도 26a, 도 26b, 도 26c는 장치 사이즈 및 구성 조망들을 보여주는 세 개의 사진들이다.
도 27a, 도 27b, 도 27c는 (a) 피질에 적용된 자극 및 기록된 자극 산물, (b) 삽입 가능한 장치로부터 무선 기록된 두뇌 데이터, (c) 무선 피질척수 BBMI 시스템 블록도에 대해 무선으로 제어되는 삽입 가능한 자극기의 제1 프로토타입으로부터의 기록이다.
도 28은 다수의 채널들 및 신호 특성들의 상세들을 보여주는 차트이다.
도 29는 BBMI 장치의 일 실시 예의 절단 상세도의 분해도 및 측면도에서 폐쇄-회로, 상호 조정의 양방향 두뇌-기계 인터페이스 조작 시스템(BBMI)의 구성도를 보여주는 도면이다.
도 30은 전송 트랜스듀서, 매질, 수신 트랜스듀서, 전력 관리 시스템 및 2차 배터리로 구성되는 초음파 무선 전력 전송 시스템의 도면이다.
도 31은 매칭 레이어를 갖고 제조된 초음파 트랜스듀서를 보여주는 사진들의 세트이다.
도 32는 트랜스듀서의 매질(물)에 대한 결합 효율을 보여주는 그래프이다.
도 33은 트랜스듀서의 기능과 연관된 어드미턴스 및 임피던스를 지배하는 공식들을 보여주는 도면이다.
도 34는 초음파 공진을 사용하는 무선 전력 전송의 인쇄 회로 기판(PCB) 도해의 사진이다.
도 35는 돼지의 조직을 이용하여 삽입 BBMI를 걸쳐 인간 피부를 모사하는 무선 전력 전송 평가 시스템을 보여주는 사진들의 세트이다.
도 36은 무선 전력 전송 평가 시스템의 실험적 결과들을 보여주는 4개의 그래프들이다.
본 발명의 특성들, 측면들 및 장점들이 아래의 설명, 예들 및 청구항들을 참조하여 더 용이하게 이해될 수 있다.
여기의 실시 예들 및 다양한 특성들과 그것의 이로운 상세들은 첨부된 도면들 및 아래의 설명의 상세들에서 설명되는 한정되지 않는 실시 예들을 참조하여 더 완전하게 설명된다. 잘 알려진 구성들 및 처리 기술들의 설명들은 여기의 실시 예들을 불필요하게 혼동하지 않기 위해 생략된다. 여기에서 사용되는 예들은 실시 예들이 실시될 수 있는 방법들의 이해를 돕기 위해 그리고 이 분야에 숙련된 자들이 여기의 실시 예들을 실시하는 것을 가능하게 하기 위한 것만을 의도한다. 따라서, 예들은 여기의 실시 예들의 범위를 제한하지 않는 것으로 여겨져야 한다.
또한, 이러한 실시 예들은 본 기재가 빈틈없이 관전해 지도록, 그리고 이 분야에 숙련된 자들에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위해 제공된다. 유사한 번호들은 전체적으로 유사한 요소들을 참조한다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "그리고/또는"의 용어는 하나 또는 그보다 많은 연관되어 나열된 항목들의 임의의 그리고 모든 조합들을 포함한다.
여기에서 사용되는 용어는 구체적인 실시 예들을 설명하는 목적을 위한 것이며, 본 발명의 전체 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은 문맥이 명확하게 지적하지 않는 한 복수 형태들 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함한다" 그리고/또는 "포함하는"의 용어들은 상세한 설명에서 사용된 때에 언급된 특성들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 그리고/또는 구성들의 존재를 언급하며, 하나 또는 그보다 많은 다른 특성들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성들, 그리고/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
정의들
본 발명의 이해를 돕기 위해, 여기에서 사용되는 특정 용어들은 아래와 같이 정의된다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "생체에 적합한(biocompatible)"의 용어는 양방향 반응, 즉 물질에 대한 신체의 반응 및 물질들의 신체 환경에 대한 반응을 정의한다. 의료 장치의 생체적합성(biocompatibility)은 장치가 호스트에서 원하지 않은 지역적 또는 시스템적 효과들을 끌어내지 않으면서 호스트 내에서 결합의 원하는 정도를 갖고 의도된 기능을 수행하는 능력을 나타낸다. 바람직한 실시 예들에서, 본 발명의 생체적합 물질은 의료용(medical grade) 또는 삽입용(implant grade) 물질이다.
"폐쇄 회로(closed loop)"의 용어는 우리가 출력을 모니터하고 그리고 출력의 일부를 되먹임하여 실제 출력 및 필요한 출력을 비교하여 에러를 줄이고, 그리고 교란된 경우에 시스템의 출력을 원래의 또는 필요한 응답으로 옮김으로써 절차를 정확하게 제어하는 방법을 나타낸다. 출력의 측정은 "피드백 신호"라 불리고, 피드백 신호를 사용하여 자신을 조절하는 제어 시스템의 형태는 폐쇄-회로 시스템이라 불린다. 피드백 제어 시스템으로도 알려진 폐쇄-회로 시스템은 순방향 경로로서 개방 회로 시스템의 개념을 사용하고 출력 및 입력 사이에 하나 또는 그보다 많은 피드백 루프들(따라서 명명된)을 갖는 제어 시스템이다. "피드백"의 용어는 단순히 출력이 일부가 입력으로 전달되어 시스템 자극의 일부를 형성하는 것을 의미한다. 폐쇄-회로 시스템들은 출력을 실제 조건과 비교하여 필요한 출력 조건을 자동적으로 달성하고 유지하도록 설계된다. 폐쇄-회로 시스템은 출력 및 참조 입력 사이의 차이인 에러 신호를 생성함으로써 이를 수행한다. 다시 말하면, "폐쇄-회로 시스템"은 제어 활동이 부분적으로 출력에 의존하는 완전 자동 제어 시스템이다.
여기에서 교환 가능하게 사용되는 바와 같이, "ECoG" 및 "피질뇌파검사(electrocorticography)"의 용어들은 두개골 아래에서 대뇌 피질 위에 직접, 경뇌막(dura mater) 아래에(경막하(subdural)) 또는 경뇌막 위에(경막외(epidural))에 배치되는 전극들의 수단들로 대뇌 피질의 전기적 활동을 기록하는 기술을 나타낸다.
여기에서 교환 가능하게 사용되는 바와 같이, "양방향 두뇌 기계 인터페이스", "BBMI", "양방향 두뇌-컴퓨터 인터페이스", "BBCI", 그리고 "신경-컴퓨터 인터페이스"는 미가공 신호들의 형태로 입력을 획득하고 미가공 신호들을 저장 및 추가 분석을 위한 디지털 장치에 입력될 수 있는 처리된 신호로 변환하는 신호 처리 회로를 나타낸다.
BBMI의 한정하지 않는 예는 한 쌍의 삽입된 장치들이 손상된 척수 신경 세포들을 무선으로 우회하여 아래의 예에서와같이 두뇌가 손상 장소 아래의 온전한 척수 조직과 통신하는 것을 허용하는 것이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "BBMI 시스템" 또는 "BCI 시스템"의 용어는 앞서 정의된 바와 같은 적어도 하나의 BBMI를 포함하고 부차적인 BBMI 장치들과 함께, 시스템의 사용자의 중앙 신경망으로부터 도출되는 미가공 신호들을 장치의 출력으로 변환하는 기능을 수행하는 다중 구성 요소들의 조직화된 스킴(scheme)을 나타낸다. 시스템은 신호들을 기록하고 자극 명령들을 전송하고, 구성 요소들의 소프트웨어/펌웨어를 갱신하는 것 등을 하는 데에 사용되는 원격 컴퓨터(비삽입된) 또한 선택적으로 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "장치"의 용어는 특별한 목적 또는 기능을 제공하도록 설계된 장비 또는 기계의 조각을 나타낸다. 예시적으로, 장치는 커서 또는 비디오 모니터일 수 있다. 해당 용어의 의도된 의미 내의 장치들의 다른 예들은, 한정하지 않고, 휠체어들 및 보철물들을 포함할 수 있다. 해당 용어는 조향 핸들들, 조이스틱들, 레버들, 버튼들 등과 같은 다른 기계들을 제어하는 데에 사용될 수 있는 기계들 또한 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "저전력"은 2.0 내지 3.5V의 공급 전압으로부터 송신 및 수신을 위해 6밀리암페어보다 적은 것을 의미한다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "높은 데이터 전송률"은 200kbps 내지 1Gbps를 의미하며, 데이터 전송률은 사용되는 구체적인 변조 스킴들, 선택된 BER, SNR, 그리고 전력 소비에 의존할 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "처치"는 일반적으로 의료상의 문제, 진단, 불편, 또는 문제로 인식되는 질병, 문제, 또는 병리의 하나 또는 그보다 많은 징후들 또는 증상들을 처치 과정 동안에 또는 처치 과정이 완료됨에 따라 임시적으로 또는 더 영구적으로 감소, 제거 또는 개선하는 것을 의미한다. "처치"는 환자가 일상 활동을 지속할 수 있게 하는 고통의 감소, 진통제의 감소, 향상된 휴식, 근력, 사용, 조정, 탄력, 혈액 공급 및 신경 전도를 개선하는 테라피를 포함하는 물리적 테라피, 그리고/또는 개선된 수면을 포함할 수 있다.
본 발명의 사상 내에서 고려되는 상태들은, 한정하지 않고, 만성적인 다리 또는 팔의 고통, 척수수술 후 요통 증후군, 복합부의 통증 증후군, 지주막염, 절단 통증, 협심통, 말초동맥질환, 다발성 경화증, 척수외상, 뇌졸증, 비발작성 뇌허혈 사건, 마비, 뇌손상, 신경적 통증, 임의의 종류의 신경 손상, 사지마비, 대마비, 외상성 뇌손상, 암에 의해 또는 화학 요법 또는 방사선 테라피와 같은 암 처치로부터 유발되는 손상, 신경 장애, 유전병들, 장애들 또는 증후군들, 간질, 신경통, 떨림, 파킨슨병, 발작, 경추 또는 요추 디스크 또는 신경 장애, 신경병 통증, 교감 진정 만성 통증 등을 포함한다.
여기에서 설명되는 바와 같이, "전극들"의 용어는 전기적 전하를 목표 조직으로 전달하는 전기적 구성 요소들을 나타낸다. 전극들은 또한 그들을 펄스 생성기들에 연결하는 리드들을 포함할 수 있다. 리드들 및 전극들은 삽입물들로서 내구성이 있어야 한다. 전극들은 근외막 및 근육내 전극들뿐 아니라 신경외막 및 단추/둘러싸는 전극들을 포함한다. 전극들은 선호적으로 백금, 이리듐, 스테인리스 스틸, 또는 합금과 같은 부식에 저항하는 물질들로 제조된다. 전극들은 내성장 및 영구성을 조장하는 데이크론(Dacron) 또한 포함할 수 있다. 리드들은 통상적으로 스테인리스 스틸 및 코발트, 크롬, 그리고 니켈의 합금들로 제조된다.
도 1을 참조하면, 두뇌 기계 인터페이스들(BMI)은 원래의 경로가 더이상 사용 불가능한 때에 원래 경로를 우회하는 다른 경로를 제안함으로써, 두뇌 및 물리 장치들 사이에 양방향 통신 연결을 제공한다. 두뇌 활동의 상이한 패턴들을 실시간으로 명령들로 해석함으로써, BMI는 보조 장치들을 제어하고, 재활 기간 동안 및 이후에 환자의 정서적인 상태를 관찰하고, 그리고 두뇌가 운동 기능을 다시 얻는 것을 돕는다. 본 발명은 피질 및 척수 가소성을 유도하고 새로운 신경 경로를 창조하기 위한 새로운 삽입 가능한 무선 양방향 두뇌 기계 인터페이스(BBMI)를 제공한다.
운동 형상화 기반 BMI 시스템들에서, 자발적인 운동 의도들을 나타내는 신경 신호들은 물리 장치들을 제어하는 데에 활용된다. 외과적인 것 또는 제한된 정도로 비외과적인 것을 이용하여 기록된 신경 신호들은 전기 신호들을 감지하고, 이들은 의도 검출을 위해 처리되고, 그 결과는 외부 장치들을 제어하는 데에 사용될 수 있다.
선행 기술은 모든 기능적 구성 요소들을 합리적으로 작은 사이즈의 장소에 집적하는 능력이 부족하거나 또는 만족할만한 사이즈를 갖지만 완전 양방향 통신이 아니다. 본 발명은 쓸모있는 대역폭, 많은 수의 기록 및 자극 채널들, 낮은 전력 소비, 저잡음, 작은 사이즈 및 삽입 가능한 BMI 해법의 하드웨어 및 소프트웨어의 일부로서 기능적인 처리 특성들을 제공한다.
개발된 시스템은 신경 재활을 위한 활공 의존 가소성을 유도하고 자극에 대한 두뇌 응답을 평가하기 위한 다중채널, 적은 폼 팩터, 저전력 및 저잡음 해법이다. 시스템은 장치에 무선으로 채용된 프로토콜에 기반하여 삽입된 전극들로부터 기록하는 두뇌 활동의 32채널 및 두뇌 또는 척수에 대한 자극의 4채널을 제공한다. 시스템은 근거리 통신을 위한 BLE (Bluetooth Low Energy) 및 ESB (Enhanced ShockBurst) 프로토콜들 사이를 전환할 수 있는 저전력 통신 SoC (System on Chip)을 활용한다. 두뇌 활동 보고에 기반하여, 시스템은 하나가 두뇌에 자극을 유도하는 것을 허용하고 이 자극에 대한 두뇌의 반응을 관찰한다. 시스템은 삽입된 2차 재충전가능한 배터리를 무선으로 충전하기 위하여 초음파 전력 전송을 활용한다. 개발된 하드웨어 및 구성-기반 소프트웨어 플랫폼은 체내에서 테스트되었다.
양방향 BMI 시스템
이 연구에서 개발된 BBMI 모듈은 도 2a 및 도 2c에 도시된 바와 같이 최대 지름 35mm, 두께 10mm의 티타늄 케이스에 압축된다. 케이스 내에서, BMI 모듈의 최상층에 초음파 전력 전송 수신기가 배치되고, 3.7V의 리튬-이온 재충전가능한 배터리가 그 아래에 배치된다.
바람직한 실시 예들에서, BBMI 장치는 25mm 내지 100mm 벙위의 지름 및 8mm 내지 30mm 범위의 높이를 갖거나, 28mm 내지 75mm 범위의 지름 및 10mm 내지 20mm 범위의 높이를 갖거나, 30mm 내지 50mm 범위의 지름 및 10mm 내지 20mm 범위의 높이를 갖거나, 또는 35mm 이하의 지름 및 10mm 이하의 높이를 갖는다.
바람직한 실시 예들에서, 생체적합한 용기는 금속, 폴리머 또는 합성물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성된다. 금속 물질들은 티타늄, 니티놀(R), 수술용 강철, 칼슘, 구리, 아연, 철, 코발트, 마그네슘, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 규산염, 스트론튬, 텅스텐, 크롬, 니켈, 알루미늄, 그리고 세라믹들, 합성물들, 합금들, 화합물들, 그리고 이들의 조합들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들을 포함할 수 있다. 폴리머 물질들은 폴리우레탄(PU), 폴리에스터들, 폴리에테르들(PEEK), 실리콘들, 규산염들, 폴리(염화비닐)(PVC), 폴리비닐 아세테이트, 베이클라이트, 폴리클로로프렌(네오프렌), 나일론, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리(염화비닐리덴), 불화계 폴리머들, 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 그리고 이들의 혼합물들 및 혼성 중합체들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들을 포함할 수 있다.
다른 바람직한 예로서, 생체적합 용기는 인산칼슘, 인산삼칼슘, 또는 수산화인회석으로부터 선택되는 생체적합 코팅을 포함할 수 있다.
수술적인 BMI는 감지 전극들이 두뇌에 삽입(피질내 전극 어레이들)되거나 또는 두개골 바로 아래의 두뇌의 표면에 안착(피질 표면 전극들)하는 방법을 나타낸다. 양자 모두에서, 감지, 통신 및 자극 전극들은 두개골 아래에 배치되거나 또는 두개골 삽입으로서 두개골의 일부분을 대체하도록 설계되거나, 또는 두개골 및 피부 사이에 배치되거나 또는 두개골의 완전 밖에 위치할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 일 배치에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전극 어레이들만이 두개골 아래에 삽입되고, 데이터 획득 전극들은 두 유닛들 사이를 연결하는 배선을 갖고 신체의 외부에 있다. 그러나 바람직한 실시 예에서, 데이터 획득 전극들 및 배터리 모듈은 도 3b에 도시된 바와 같이 두개골에 부착되는 알루미늄 하우징 내에 포함된다. 데이터 획득 전극들뿐 아니라 전극들은 두개골 내의 작은 천공을 통해 삽입되고, 도 3c에 도시된 바와 같이 두개골에 고정될 수 있다. 삽입된 구성 요소는 또한 센서 어레이들 및 봉인된 기록 전자들의 두 부분들로 분할될 수 있다. 센서 어레이들은 두개골 내에 삽입되고, 봉인된 기록 전자들은 도 3d에 도시된 바와 같이 두개골의 위에 그러나 두피의 아래에 잔여할 수 있다. 이 배치는 두뇌를 직접적인 열 부하, 전류 누설 및 오염으로부터 보호한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서, 32채널들 및 자극의 4채널들로부터 기록할 수 있는 완전 삽입 가능한 BMI 시스템이 제공된다. 시스템은 BMI가 삽입된 전극들로부터 기록하고 신호를 분석하고 그리고 자극을 필요한 곳에 전달하는 자율적인 동작을 포함한다. 시스템은 또한 기록된 신호가 무선 통신 채널을 통해 호스트 프로세싱 시스템으로 전송되고 처방 갱신들이 삽입된 모듈에 무선으로 설치되는 연결된 동작을 포함한다. 전체 시스템은 삽입 오염에 대한 위험을 고려하여 도 2a에 도시된 바와 같이 두개골의 일부로서 삽입되는 작은 티타늄 케이스 내에 들어맞을 수 있다. 시스템은 또한 자유 이동 환경의 피험자로부터 관성 데이터 및 EMG를 수집할 수 있고 그리고 데이터를 종합하여 호스트 프로세싱 시스템에 무선으로 제공하는 신체 영역 네트워크를 포함할 수 있다.
상세한 BBMI 시스템 블록도는 도 4에 주어진다. BMI 시스템에 대한 핵심 구성은 Cortex-M0 프로세서 코어를 갖는 통신 SoC이다. 프로세서는 1) 무선 데이터 전송, 2) 충전 전류 관찰, 3) 데이터 획득, 그리고 4) 자극 구성을 제어하기 위해 채용된다. 감지 전극 모듈은 45.67dB의 이득 및 작은 입력 기준 잡음을 갖는 32개의 입력 채널들을 제공한다. 자극 모듈은 프로그램 가능한 주파수 및 펄스 구간을 갖는 단극 20V 자극을 지원하는 4개의 출력 채널들을 제공한다. 전력 모듈은 초음파 전력 수신기 및 충전/방전 보호를 위한 구성 요소들로 구성된다. 초음파 전력 전송이 비활성화된 때에, 통상적인 USB 충전 또한 가능하다. 표준 인터페이스들을 갖는 구성요소-기반 시스템은 상이한 모듈들을 최소의 노력들로 집적하는 유연성을 제공한다. PCB 기판은 지름 30mm이고, 케이스에 포함되어 35mm의 지름을 이 된다.
A. 센서
센서들은 뉴런들이 활동 모드일 때에 유도되는 전압을 측정하기 위해 사용된다. 삽입 가능한 BBMI 장치들에 대해, 마이크로전극 어레이(MEA)가 양방향 인터페이스로 사용되어 세포 밖의 신경 활동들을 감지하고 자극으로서 전기 신호 입력을 제공한다. 상이한 타입의 MEA들 중에서, 유타 어레이(Utah Array )가 뛰어난 만성 안정성 때문에 넓게 사용된다. 이 연구에서, 현재의 BBMI 시스템의 체내 테스트를 위해 사용된 실험 이전에, 유타 어레이 전극(Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT, USA)이 영장류의 피질에 삽입되었다. 동물 실험에서 삽입된 MEA의 임피던스는 0.5Mohm 내지 2.5MOhm의 범위 내이다.
B. 센서 전자 모듈
두뇌 신호들을 획득하기 위하여, 인탄 테크놀로지(Intan Technologies, Los Angeles, CA, USA)로부터의 HD2132 디지털 전기생리 인터페이스 칩들이 아날로그 첨단으로 사용되었다. 이 감지 전극 모듈은 온-칩 16-비트 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 산업-표준 SPI (Serial Peripheral Interface)를 갖는 완전 집적 전기생리 증폭기 어레이를 갖는다. RHD2132는 45.67dB (192)의 고정 이득을 갖고, 증폭기 대역폭 선택에 대한 프로그램 가능한 범위를 갖는다. 증폭기 낮은 차단 주파수는 0.2Hz 내지 1kHz의 범위 내이고 그리고 높은 차단 주파수는 10Hz로부터 20kHz까지이다. 낮은 그리고 높은 차단 주파수들은 상이한 두뇌 신호들을 캡처할 수 있는 넓은 범위 내에 있으며, 이는 지역장 전위(LFP, Local Field Potential)를 고주파수 극점 검출까지 기록하는 단일 유닛으로부터의 넓은 범위의 기록을 가능하게 한다. 칩셋은 특정은 두뇌 신호 기록 시스템을 위해 구체적으로 설계된 완전한 저전력 전기생리학적 신호 획득 시스템이다. 온도 센서가 설치되면, 아주 작은 온도 변화도 관찰될 수 있으며 시스템이 주변의 조직에 손상을 주는 것에 의해 발생하는 열 이슈들을 회피할 수 있다.
C. 무선 통신 모듈
노르딕 반도체(nRF51822, Nordic Semiconductor, Oslo, Norway)에 의한 저에너지 통신 SoC는 감지 전자 모듈 및 2.4GHz 프로토콜 스택을 통합할 수 있는 임의의 호스트 사이의 무선 인터페이스를 제공한다. nRF51822 통신 SoC는 2Mbps, 1Mbps, 그리고 250kbps의 3개의 데이터율을 지원한다. 두뇌로부터 추출되는 상이한 목표 신호들에 의존하여, 미가공 두뇌 데이터의 전송은 높은 스루풋을 필요로 한다. LFP의 경우에, 16비트 해상도에서 초당 1k 샘플들(SPS)의 샘플링률을 갖는 32채널들의 전송을 위해 약 700Kbps가 필요하다. 등록된 ESB (Enhanced ShockBurst) 프로토콜이 호스트 컴퓨터와 두뇌 신호를 통신하는 데에 사용된다. ESB 프로토콜은 1 내지 32바이트들의 동적 페이로드 길이를 갖고, 최소 연결 간격은 1.2ms로 설정될 수 있다. 도 5는 ESB 프로토콜의 패킷 구조를 보여준다.
프림블: nRF51822는 0들 및 1들이 번갈아 나오는 시퀀스로 구성되는 프림블을 갖는다. 패킷에서, 액세스 어드레스 비트들 이전의 8비트들이 프림블에 대해 할당된다.
액세스 어드레스: 베이스 어드레스 및 프리픽스 어드레스로 구성되는 온-에어 어드레스는 3 내지 5 바이트들이다.
프리픽스 어드레스: 노드들의 각 논리 어드레스는 파이프라 불리고, 8 파이프들 각각은 고유한 바이트-길이 프리픽스 어드레스를 갖는다.
베이스 어드레스: ESB 프로토콜은 베이스 어드레스에 대해 2바이트들, 3바이트들 또는 4바이트들의 3개의 길이 옵션들을 제공한다. 또한, ESB 프로토콜에서 두 개의 상이한 베이스 어드레스들이 사용되어 파이프들을 식별한다. 베이스 어드레스 0은 파이프 0에 대한 것이고, 베이스 어드레스 1은 나머지 파이프들에 대한 것이다.
패킷 제어 필드: 9비트들이 신호 길이, 식별, 그리고 접수(acknowledgment)에 대해 할당된다.
6비트들이 페이로드 길이를 가리키는 데에 사용된다. 2비트들이 패킷 식별에 대해 사용되어 이전 패킷으로부터 새로운 패킷을 구별한다. ESB 프로토콜은 접수 있는 전송 및 접수 없는 전송 모드를 모두 지원한다. 1비트 표시로, 자동-접수가 비활성화될 수 있다. 따라서, 주 수신기(PRX, Primary Receiver)는 주 송신기(PTX, Primary Transmitter)로부터 패킷이 수신된 후에 접수(acknowledgment)로 응답하지 않는다. 그렇지 않으면, PTX는 수신기 측으로부터 전송이 성공적임을 알리는 접수 메시지를 요청할 수 있다.
페이로드: 전송할 패킷의 목표 부분은 0으로부터 32바이트들까지 동적 범위를 갖는 페이로드이다. PTX는 호스트로 송신될 필요가 있는 실제 데이터를 갖는 페이로드들을 포함하고, PRX는 접수 데이터를 포함한다.
순환 리던던시 체크(CRC): ESB 프로토콜은 미가공 데이터에서 변화를 인식하는 에러-검출 코드인 CRC를 사용하는 옵션을 갖는다. 사용자 요구에 기반하여, CRC 체크는 8비트, 16비트 또는 비활성화로 설정될 수 있다.
수신기 측에서, nRF51822 및 USB 컨트롤러의 동글(dongle)이 집적되어 무선 링크를 거쳐 데이터를 수신할 수 있다. 패킷이 송신기로부터 처음으로 송신되면, 그리고 수신기의 RX_FIFO가 패킷을 위한 자유 공간을 가지면, 패킷은 RX_FIFO로 전송되고, 접수가 송신기로 전송된다. 수신된 데이터는 직렬 인터페이스를 통해 호스트 프로세서로 통과된다.
전체적은 구성요소-기반 구조는 시스템 레벨의 유연성을 제공하여 상이한 센서들을 하나의 센서 네트워크로 통합한다. 바람직한 실시 예에서 또한 고려되는 것은 통합된 EMG 센서 및 9-축 관성 센서를 갖는 신체 영역 네트워크(body area network) 노드이다. 신체 영역 네트워크 노드는 이 연구에 기재된 전기생리학적 인터페이스와 통합될 수 있으며, 시스템의 감각운동 피드백 능력들을 확장한다. 신체 영역 네트워크는 동일인에 설치된 7개의 네트워크 노드들을 관리할 수 있다.
D. 자극 모듈
피질내 미세자극(ICMS, Intracortical Microstimulation)은 두개골 아래에 삽입된 센서 어레이들에 상대적으로 낮은 그러나 높은 주파수 전류 펄스를 전달하는 자극 방법이다. ICMS는 센서 어레이들에 전달되는 피드백 입력으로서 신경 보철에 대한 연구에서 사용된다. 직접 피질내 자극은 팔-도달 움직임을 재연하기 위한 BMI 시스템에 적용된다.
두뇌 또는 척수에 자극을 인가하는 것은 CNS에 영향을 주는 특정 상태들의 처치를 위해 사용된다. 본 발명에 따른 시스템은 피질 자극 또는 척수 자극을 위해 4-채널 고전압 자극을 지원한다. 자극 전압은 1ms의 최소 펄스폭을 갖는 20V로 설정된다. 자극 주파수는 초당 250 자극 펄스들만큼 높을 수 있다. 0.5MOhm 내지 2.5MOhm의 전극 임피던스를 고려하면, 자극 전류는 8uA 내지 40uA의 범위 내이다. 상이한 목적들을 위한 상이한 파라미터들을 갖는 자극이 제시되고, 두뇌 활동들이 동시에 기록될 수 있다. 두뇌 활동 보고에 기반하여, 시스템은 자극을 유도하고 그리고 자극에 대한 두뇌 반응을 관찰하는 데에 사용된다.
무선 전력 전송 및 전력 수요
심장박동기들 및 뇌심부 자극기들에서 펄스 생성을 지원하는 데에 사용되는 것들과 같은 통상적인 단일-용도의 재충전 불가능한 배터리들은 보통 정해진 수명을 가지며, 배터리를 교체하는 잦은 외과수술을 유발한다.
필수 장기들에 인접한 구성 요소들을 갖는 삽입 가능한 BMI 시스템에 대해, 무선으로 전원이 공급되고 재충전되는 재충전 가능한 배터리들은 더 생존 가능한 옵션으로 여겨지며, 무선 주파수(RF), 초음파, 적외선광, 저주파 자기장 충전을 포함한다. 생리적인 환경 또는 신체 움직임들에 의해 생성되는 에너지를 사용하여 배터리를 충전하는 것과 같은 통상적이지 않은 다른 에너지 수확 해법들 또한 본 발명의 기술적 사상 내인 것으로 여겨진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 초음파 무선 전력 전송은 전기 에너지 및 초음파 에너지를 서로 변환하는 것으로 구성된다. 시스템에 충분한 전원을 전달하기 위해, 초음파는 고효율로 전달되어야 한다. 피부내에서 초음파 전송의 고효율을 달성하기 위해, 구형 확산 및 음파의 감쇄가 고려된다. 에너지 전송 효율은 다양한 인자들에 기반한다. 전력 충전 구간 동안 최고 효율을 달성하기 위하여, 주파수 및 진폭과 같은 인자들이 따라서 조절될 필요가 있다. 송신기(TX) 및 수신기(RX) 사이에 초음파 공동 젤을 사용하여 인간 피부처럼 동작함으로써, 달성된 최고 효율은 18% 내지 20%이다.
센서 모듈은 30mm 지름을 갖는 동전 타입 재충전 가능한 배터리를 이용하여 동작하도록 설계된다. 충전들 사이의 시스템의 수명을 연장하기 위하여, 명쾌한 전력 관리 스킴이 채용되어 활동하지 않는 구성 모듈 구성 요소들을 턴-오프 하고 배터리를 절약한다. 전송 전력은 무선 통신 시스템들에서 전력 소비에 영향을 주는 무선 특성의 하나이다. ESB 프로토콜은 -20dBm로부터 4dBm까지의 범위의 전송 전력을 갖는 무선 해법을 지원한다. 전송 전력이 -20dBm으로부터 0dBm으로 변할 때, 전력 소비에서 6.22% 증가가 관측된다.
샘플링률은 전력 소비에 영향을 주는 또 다른 인자이다. 데이터 획득 모듈의 전체 전력 소비는 상이한 구성들에 의존한다. 표 1에 주어진 비교는 전력 소비 및 1kSPS 및 30kSPS에 대한 샘플링률의 관계를 강조한다. 샘플링률이 1kSPS로부터 30kSPS로 증가할 때, 전력 소비에서 212%의 증가가 있다.
표 1: 삽입 가능한 BBMI에 대한 에너지 수요
| 구성 요소들 | 1kSPS | 30kSPS |
| 베이스라인 증폭기 어레이 전류 | 200uA | 200uA |
| 증폭기들 | 16*7.6ua/kHz*1kHz=122uA | 16*7.6ua/kHz*10kHz=1220uA |
| 베이스라인 ADC 전류 | 510uA | 510uA |
| ADC/MUX | 2.14uA(kSPS)*19*1kSPS=40.7uA | 2.14uA(kSPS)*19*30kSPS=1219uA |
| 온도 센서 | 70uA | 70uA |
| 전체 전류 소비 | 1.03mA | 3.22mA |
| 전체 전력 소비 | 3.4mW | 10.62mW |
도 7은 주어진 구성에서 전력 소비의 시험을 보여주며, 특히 장치 각성, 방송 및 데이터 전송의 통신 프로토콜 상태들에 기반한 아래의 상태들 각각 동안에 소비되는 에너지를 보여준다. 도 7에서, 청색 그림은 장치 각성 동안의 전력 소비를 나타낸다. 녹색 그림은 방송 모드에서 전력 소비를 나타내고, 적색 그림은 데이터 전송 모드에서 전력 소비를 보여준다. 장치 각성 모드에서 평균 전력 소비는 대략 68.54mW이고, 방송 모드에서 평균 전력 사용은 대략 78.25mW이다. 데이터 전송 동안의 전력 소비는 약 74.05mW로 측정된다. 전력 소비는 5.92Ohm의 저항값 및 3.71V의 공급 전압으로 계산된다. 전류 소비는 장치가 정상 동작 상태일 때에 18.47mA 내지 19.96mA의 범위에 있다.
센서는 200mAh의 공칭 용량 및 3.7V의 공칭 전압을 갖는 하나의 리튬-이온 재충전 가능한 배터리에 의해 전원을 공급받는다. 결과적으로, 배터리의 재충전 없이 약 10시간의 작동 시간이 제공될 수 있다.
기록 및 자극
도 8을 참조하면, 시스템은 세 개의 상이한 전송률들로 데이터를 전송할 수 있다. 벤치 테스트를 위해, 온-에어 데이터 전송률이 1Mbps로 설정된다. 수신기 측에서, 보율(baud rate)은 1Mbps로 설정된다. 샘플링률은 하나의 채널에 대해 800SPS로 설정된다. 활성화된 16-채널로, ESB 프로토콜로 800SPS의 데이터율이 달성될 수 있다. 사용자 인터페이스는 직렬 포트를 통해 데이터를 읽고 그리는 파이톤(Phyton)으로 설계된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 두 개의 상이한 입력 소스들이 벤치 테스트를 위해 BBMI 장치(102)로 입력된다. 이 장치를 위한 입력 신호 범위는 +5mV 또는 -5mV 이다. 하나의 테스트 소스인 신호 생성기(190)는 3.3mV의 진폭 및 1Hz로부터 100Hz까지의 동적 주파수 변화를 갖는 정현파를 생성한다. 또 다른 하나의 테스트 소스인 기록된 피질내 신호(192)는 연구 등급 기록 시스템을 이용하여 동물 모델로부터 기록되는 사전 기록 피질내 신호의 세트이다. 피질내 데이터 스트림은 우선 디지털-아날로그 변환기(DAC)(194)로 입력되고, 이후에 BBMI 장치(102)의 입력 멀티플렉서(196)로 입력된다. 호스트 측에서 수신되는 모든 데이터는 실시간으로 그려지고 확인을 위하여 지역적으로 ".csv" 파일로 저장된다. 자극 모듈은 출력 자극 진폭 및 주파수를 관찰하기 위해 스코프를 이용하여 확인된다.
특정한 주파수 대역이 피질 활동의 특정한 타입들로 식별되어 왔다. 알파(alpha) 리듬(시각 피질에 걸쳐) 및 뮤(mu) 리듬(감각 피질에 걸쳐)은 8-12Hz이며, 피질 활동에서 억압된 주파수 전력을 보여주는 시상 피질 회로들의 결과물로 여겨진다. 이러한 전력 억압들은 ERD (Event Related Desynchronizations)으로도 알려져 있다. 뮤 리듬은 베타 리듬(18-26Hz)과도 종종 연관될 수 있으나, 타이밍 및 지형학적 분포에 대해 분리될 수 있다. 감마 리듬(>30Hz)으로 알려진 더 국지적으로 명확한 더 높은 주파수 대역들 또한 연구되어 왔다. 감마 대역은 피질 활동과 연관되어 종종 증가된 전력(ERS, Event Related Synchronization)과 연관되고, 운동 프로그래밍, 주의, 그리고 감각운동/다중모드 감각 통합과 연관된 것으로 상정되어 왔다.
EEG는 비외과적이고 적은 위험, 상대적으로 적은 비용, 그리고 넓게 적용 가능하므로, EEG는 활동의 이러한 전기 신호들을 획득하기 위한 가장 공통적으로 사용되는 기술이었다. 그러나 두개골에 의한 신호 감쇄 및 근육 활동으로부터의 잡음 오염으로 인해, EEG의 신호 대 잡음 비는 낮고, 공간 및 주파수 해상도는 나쁘다. EEG의 최대 공간 분해도는 약 3cm이고, 감지할 수 있는 주파수 범위는 0-40Hz이다. 뇌자기도(Magnetoencephalography) 또한 EEG와 유사한 프로파일을 갖는 비외과적 모델이지만, 약 4mm 내지 10mm의 향상된 공간 해상도를 갖는다. 반대로, ECoG는 전극 배치를 위한 개두를 필요로 한다. 외과적이지만, ECoG 플랫폼은 약 0-200Hz의 더 넓은 주파수 범위 및 약 1-2mm의 높은 공간 해상도의 조합을 제공한다.
통상적인(즉, EEG 기반) BCI 시스템들은 40Hz 미만의 제한된 주파수 범위에서 매우 구체적인 신호들을 사용한다. 이러한 신호들의 예들은 뮤/베타 리듬들(각각 10/20Hz 주변), 느린 피질 전위들, 그리고 P300 유발 전위들을 포함한다. 반대로, ECoG 신호들은 매우 더 높은 주파수 범위 및 더 높은 공간 해상도를 가지므로, ECoG 신호들은 다른 신호 특성들을 나타낸다. 따라서, 종래의 EEG-기반 시스템들에서 사용되는 전극 위치들 또는 주파수들은 ECoG-기반 시스템들에서 도움이 되지 않는다. 현재까지, ECoG-기반 시스템들에서 유용한 전극 구성들, 주파수들 및 신호 특성들이 연구되었지만 온라인 제어를 위해 사용되거나 정의되지 않았다. 본 ECoG-기반 BCI 시스템은 신호 특성들 및 분석들의 구별되는 세트를 사용한다.
BBMI 시스템에서 뇌파측정 신호들의 사용은 개인이 뇌파측정 신호들을 이용한 연속적인 피드백으로 실시간으로 장치 제어를 연속적으로 유지하는 것을 가능하게 한다. ECoG 신호는 피질내 전극 장치들보다 낮은 수술 위험들을 갖고 두개골 표면에 위치하는 전극들로부터 기록되고, 동시에 공간 해상도 및 주기 해상도 양쪽에서 EEG보다 훨씬 더 강건한 신호를 제공한다. ECoG 신호 진폭은 통상적으로 EEG보다 5 내지 10배 더 크고(EEG의 0.01-0.02mV 대비 0.05-1.0mv), 전극 간격과 연관되어 훨씬 더 높은 공간 해상도를 갖고(EEG의 3.0cm 대비 0.125cm), 그리고 EEG의 주파수 대역의 4배 이상을 갖는다(EEG의 0-40Hz 대비 0-200Hz). 따라서, ECoG 신호들은 EEG보다 적은 수의 뉴런들을 나타내고, 40Hz보다 높은 주파수들을 포함하는 더 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐 식별한다. ECoG-기반 BCI는 뮤 리듬의 완전 사용을 가능하게 할 뿐 아니라, 더 높은 특정한 피질 기능과 더 가까이 연관된 것으로 생각되는 훨씬 더 높은 주파수 대역들(베타 및 감마)의 사용 또한 가능하게 한다.
바람직한 실시 예에서, 본 발명은 경막하 전극들 및 피질내 미세전극들 모두의 사용을 고려한다.
바람직한 또 다른 실시 예에서, 신호는 네트워크를 통해 전달된다. 또 다른 실시 예에서, 신호는 사용자 피드백 스크린으로 전달된다. 획득 장치로부터의 미가공 및 처리된 신호들, 그리고 장치 커맨드는 하나 또는 그보다 많은 컴퓨터들과 지역 네트워크(LAN, local area network)를 통해 통신될 수 있다. 다른 전자 장치들처럼, 신호는 저대역 통과-필터, 증폭기들, 오실레이터들, 변조 장치들, 인코딩 장치들, 그리고 AD/DA 변환기들을 통해 더 통과될 수 있다.
가급적, 본 발명은 입력, 출력 및 온-보드 컴퓨팅이 단일 유닛으로 조합되어 컴팩트 신경-보철 장치를 형성하는 새로운 삽입 가능한 양방향 신경-통신 장치를 제공한다.
BBMI 장치가 작은 폼 팩터를 가지므로, 삽입의 방법은 외부 하드웨어 요건들을 갖는 복잡한 다중-구성 장치의 복잡성을 필요로 하지 않는다. 개두(craniotomy)는 절개를 생성하여 피부의 표피층을 제거하고 두개골을 액세스하는 것을 포함한다. 두개골의 일부가 제거되어 BBMI 장치를 수용하기에 충분히 큰 공동이 생성된다. 처치에 따라, 두정골, 측두골, 전측두골, 그리고 후두골을 포함하는 두개골의 임의의 영역이 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, BBMI 장치는 부착될 추가적인 리드들 또는 전극들을 필요로 하지 않고, BBMI 장치는 위치에 접착되고, 그리고 외과 상처가 봉합될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, BBMI 장치는 배치된 전극들 또는 전극 어레이들과 연결되고, BBMI 장치는 양호한 연결을 위하여 테스트된다. 일단 BBMI 장치가 신호들의 송신 및 수신, 초음파 소스로부터의 전력 수신을 하고 그리고 전자적 자극 펄스들을 제공하는 것이 가능한 것이 보이면, 외과적 상처가 봉합된다.
BBMI 장치 및 삽입의 방법은 종래의 장치들의 삽입보다 장점들을 제공한다. 구조적 견실성, 삽입에 대한 용이한 배터리 충전, 충전 효율, 그리고 구체적인 시스템 신호대 잡읍비 및 비트 에러율을 만족하는 더 좋은 무선 통신이 제공된다. 또한, 본 발명은 용이한 교체, 환자들을 위한 더 좋은 삶의 질, 그리고 더 적은 가시적 흉터들의 장점을 제공한다.
인터페이스 장치들은 무선 데이터 통신을 위한 블루투스와 같은 현존하는 네트워킹 기술들을 이용하여 연결될 수 있다. 온-보드 계산 회로는 지능적인 데이터 순위화를 제공하여 다양한 응급 상황들을 관리하고 그리고 건강관리 제공자에게 무선 네트워크를 이용하여 자동적으로 알린다. 온-보드 계산 회로는 원격 구성 프로그래밍 입력을 지원하여 시스템이 건강관리 제공자에 의해 수정/갱신되는 것을 허용한다(예를 들어, 도 1 참조). 인터페이스 장치는 종래의 무선 충전 기술들에 대해 적은 폼-팩터, 저온 효과, 깊은 전력 전송 거리 등을 포함하는 몇몇 장점들을 제공하는 삽입된 2차 재충전가능한 배터리를 피부를 통해 무선으로 충전하기 위한 통합된 초음파 전력 전송을 갖는다. 삽입가능한 양방향 신경-통신 장치는 초음파 전력 전송을 이용한 커스텀 포터블 재충전 시스템을 사용할 것이다. 장치는 다양한 삽입가능한 의료 응용들에 대해 자동으로 제어되는 신경 보철물들을 위한 완전 폐쇄-회로 시스템을 제공할 것이다.
B. 체내 테스트
두뇌 기록들은 넓게 두 개의 카테고리들로 분류될 수 있다. 300Hz 미만의 신호들은 LFPs라 불리며 특정 영역에서 상승된 두뇌 활동과 연관되고, 100Hz보다 높은 신호들은 신경 극점들에 대한 상세한 정보를 제공한다. 신경 극점들을 기록하기 위하여 샘플링률은 15kSPS 및 그보다 높게 설정되어야 하고, LFPs에 대해 2kSPS 근처의 샘플링률이 적절하다. 피질내 전극 어레이들을 이용하여, 단일 유닛 활성(SUA, single unit activity), 다중 유닛 활성(MUA, multiple unit activity) 그리고 LFP가 기록될 수 있고, 피질 표면 전극들은 두뇌의 표면으로부터의 LFP 및 ECoG (Electrocorticography)를 기록하는 것을 가능하게 한다. LFP는 뉴런들의 작은 그룹으로부터 장 전기 전위를 기록 및 샘플할 수 있다. LFP는 ECoG와 유사하지만 더 높은 공간 해상도로 감각운동 리듬들을 기록한다. 또한, 통합적인 시냅스 처리들을 분석하기 위하여, 시냅스 처리들은 적은 수의 뉴런들의 극점 활동에 의해 포착될 수 없으므로 LFP는 극점들 대신에 관심 신호이다.
LFP는 보철 장치들을 제어하는것 뿐 아니라 주의, 기억 및 지각을 포함하는 고-레벨 인지 처리들을 연구하는 데에 사용된다. 신호가 극점들과 반대로 장시간 설정들에서 더 쉽고 안전하게 포착될 수 있으므로, LFP는 인간 기록들에서 신경 활동을 관찰하기 위해 사용된다. 따라서, 시스템의 체내 테스트들은 행동하는 원숭이에서 수행되어 원숭이의 LFP 전송들을 기록하였다. 이 연구에 적용된 동물 모델은 피질 영역에 삽입된 유타(Utah) 어레이를 갖고 손동작과 연관된 LFP 진동을 관측한다. 유타 어레이는 두개골에 설치된 커넥터를 통해 외부의 기록 및 자극 유닛들에 연결된다. 첨단 증폭기의 낮은 대역은 0.1Hz로 설정되고 높은 대역은 1kHz로 설정된다. 온-보드 고-통과 필터는 0.3Hz의 차단 주파수로 활성화된다.
도 9를 참조하면, 체내 신호 결과들을 위한 실험 설정이 도시된다. 원숭이는 PC 모니터의 앞에서 게임을 하면서 안전하게 위치된다. 특정한 시각적 단서가 모니터에 표시되며, 이 경우에 사각형 박스가 화면에 임의로 떠오른다. 원숭이는 조이스틱을 이용하여 화면에서 커서를 사각형 박스를 향해 이동하여야 한다. 원숭이가 커서를 사각형 영역 내로 성공적으로 이동하면, 원숭이는 선물을 줌으로써 보상받는다.
도 10a를 참조하면, 실험 동안에, 정상 LFP는 우선 1000초 동안 기록되었고, 신호들은 도시된 바와 같이 상이한 리듬들로 대역-통과 된다. 여섯 개의 대역 통과 필터들이 데이터 스트림에 적용된다. 이들은 델타 파(0.3Hz-2Hz), 세타 파(2Hz-7Hz), 알파 파(7Hz-15Hz), 베타 파(15Hz-30Hz), 감마 파(30Hz-60Hz), 그리고 고 감마 파(60Hz-100Hz)이다.
실험의 다음 부분에서, 8uA 내지 40uA 사이의 전류율로 자극 펄스들을 발행함으로써 자극 모듈이 테스트된다. 자극 주기는 1.6초로 설정된다. 자극 결과물은 도 10b에 도시된 바와 같이 기록된 데이터로부터 관측된다.
도 11을 참조하면, 단일 자극에 대한 자극-사전 및 자극-사후 양자에 대한 7개의 상이한 주파수 대역들의 주파수 도메인 신호들이 도시된다. 발행된 자극의 100ms 이전 및 발행된 자극의 100ms 이후 신호들이 비교되었다. 청색 선은 자극 이전일 나타내고 적색 선은 자극 이후를 나타낸다. 도 11은 베타, 감마 및 고 감마의 높은 주파수 대역의 에너지 증가를 보여준다. 그러나 델타 및 세타의 낮은 주파수 대역에 대해 에너지는 변화하지 않는다. 자극들이 1000초 동안 주기적으로 발행된 후에, 정상 LFP가 다시 기록된다.
도 12를 참조하면, 자극 이전 및 자극 이후 세션으로부터의 LFP가 도시된 바와 같이 함께 비교된다. 이전 비교와 달리, LFP의 전체 세션은 자극 세션의 1000초 이전 및 이후에 비교되었다. 도 12a 내지 도 12d는 4개의 상이한 채널들(전극들)로부터 기록된 신호들을 나타낸다. 주파수 대역 전력 소비를 계산함으로써, 고주파 진동들(베타, 감마 및 고 감마)에서 자극 세선 이후에 전력 스펙트럼의 증가가 관측되었다. 특히, 15Hz 내지 20Hz는 차단 주파수 점이며, 차단 주파수 미만의 에너지는 증가하지 않고 차단 주파수보다 높은 에너지는 명백하게 크게 증가한다. 고주파 진동들이 운동 움직임과 연관되므로, 실험 동안에 인가된 자극은 감각운동 움직임과 연관된 고진동 대역들의 에너지 스펙트럼의 증가에 의해 증명되듯이 손 움직임에 대한 강화로 작동한다.
여기에서 설명되는 시스템은 적은 폼 팩터를 제시하며, 하나의 단일 30mm PCB 설계의 다른 작업들에 의해 제시되는 것과 유사한 또는 그보다 나은 기능적 능력들을 제공한다. 시스템은 신경 신호 기록, 신경 자극기, 삽입가능한 장치들에 대한 지나친 외과수술들을 회피하는 무선 데이터 및 전력 전송을 포함하는 기능들을 통합한다. 기록(32) 및 자극(4)을 위한 다수의 채널들은 대부분의 치료 응용들에서 유용하며 문헌에서 보고된 것들을 넘어선다. 전력 소비는 낮고, 신규한 무선 전력 전송 기술이 시스템이 통합된다. 장치들 및 호스트 사이의 통신은 2Mbit/set 까지 제안하는 등록된 프로토콜을 이용하여 완전 무선이다.
예 - 두뇌 및 원격 시스템
도면들을 참조하면, 도 13은 지역 핸드헬드 장치(198)와 무선 통신하는 삽입 가능한 장치(102)를 갖는 인체 머리의 모델을 보여주는 선도이며, 지역 핸드헬드 장치(198)는 원격 의료 설비, 노드 또는 서버(200)와 무선 통신한다. 이 한정되지 않는 예에서, BBMI 삽입된 장치들(102)의 쌍은 원격 장치(198)와 무선 통신하는 데에 사용된다. 미가공 두뇌-생성 전기적으로 검출 가능한 신호들은 여기에 설명된 바와 같이 삽입된 양방향 두뇌 기계 인터페이스 용기에 부착된 두뇌 삽입 전극에 의해 수신되고, 신호들은 추가적으로 네트워크와 연결될 수 있는 외부의 핸드헬드 또는 컴퓨터(198)로 무선 전송된다. 미가공 두뇌 신호들은 용기 내의 A-D 변환기를 이용하여 디지털 신호로 변환/샘플되고, 디지털 신호들은 기록 및 분석을 위해 외부 장치(198, 200)로 전송되기 전에 전송을 위해, 예를 들어 LNA 증폭, 필터, 채널 코드, 변조, 암호화, 그리고/또는 HPA 증폭과 같이 선택적으로 더 처리된다. 이후에 원격 장치(198)는 삽입된 BBMI 장치(102)에 반환 신호를 전송하고, 이 신호는 추가 기록을 수행하고, 기록 영역과 동일한 전극(130)을 통해 또는 기록 영역의 전극과 다른 전극/어레이(202)로 전자적 자극을 제공하게 하거나 또는 BMI 장치를 갱신 또는 리셋하거나 또는 BBMI 장치 설정들을 조절하는 명령들을 제공할 수 있다.
도 14는 두개골의 후두골 부분을 향해 뒤쪽으로 이어지는 배선들을 갖고 측두골에 또는 그 아래에 삽입되는 장치(102)를 갖는 인간 머리의 모델을 보여주는 선도이다. 배선(들)(134)은 안테나 사이즈를 증가시켜 신호 이득을 증가시키는 데에 사용될 수 있으며, 추가적인 배선들(134)은 두개골의 뒤쪽에 삽입된 제2 BBMI 장치(미도시)로 연결될 수 있다.
예 - 유선 두뇌 및 몸통 시스템
도 15는 몸통의 하강 요추 영역 또는 흉골 영역으로 연결되는 제2 하강 배선(134)을 갖고 두뇌 내의 센서 어레이(130) 또는 전자 처치 장치(202)로 연결되는 배선 리드들(134)을 갖고 측두골 영역에 또는 그 아래에 위치하는 삽입된 장치(102)를 갖는 인간 머리 및 몸통의 모델을 보여주는 선도이다. 이 한정되지 않는 예에서, BBMI 두뇌 삽입 장치(102)는 원격 몸통-삽입 장치(204)와 통신(송신 및 수신)하는 데에 사용된다. 같은 방향으로, 미가공 두뇌-생성 전기적으로 검출 가능한 신호들은 여기에 설명되는 바와 같이 제1 삽입된 양방향 두뇌 기계 인터페이스 용기에 부착된 두뇌 삽입 전극/어레이에 의해 수신된다. 신호들은 삽입 선(134)에 의해 제2 원격 몸통-삽입 BBMI 장치(204)로 전달된다. 포착된 미가공 두뇌 신호들은 제1 용기의 A-D 변환기를 이용하여 디지털 신호들로 변환/샘플되고, 디지털 신호들은 전자적 자극을 생성 및 전달하기 위한 원격 장치로 전송되기 전에 전송을 위해, 예를 들어 LNA 증폭, 필터, 채널 코드, 변조, 암호화, 그리고/또는 HPA 증폭과 같이 선택적으로 추가 처리된다. 원격 장치(204)는 또한, 예를 들어 원격 효과의 기록인 반환 신호들을 제1 삽입 BBMI 장치(102)로 전달하고, 반환 신호는 두뇌 영역에서 기록/분석을 수행하고, 두뇌 전극(130)을 통해 두뇌 전자적 자극을 제공하고, 또는 기록 영역의 전극과 다른 전극/어레이에 대해 기록 또는 자극 전달하고, 또는 BBMI 장치 설정들을 조절하게 하는 명령들을 제공한다.
예 - 유선 다중-BBMI 장치 시스템
도 16은 목의 혈관 다발로 향하고, 심장으로 향하고, 몸통의 하방 요추 영역 또는 흉골 영역으로 하강하고, 그리고 장기와 접촉하는 복막 공간으로 하강하는 일련의 하강 배선들(134)을 갖고 두뇌 내의 센서 어레이(130) 또는 전자 처치 장치와 연결되는 배선 리드들(212)을 갖고 측두골 영역에 또는 그 아래에 위치하는 삽입 장치(102)를 갖는 인간 머리 및 몸통의 모델을 보여주는 선도이다. 이 한정되지 않는 예에서, (제1) 두뇌 삽입 BBMI 장치(102) 및 두뇌 BBMI 장치(102)에 연결된 두뇌 삽입 전극/어레이(130)가 존재한다. 목의 제2 전극/어레이(206)는 배선(134)에 의해 두뇌 BBMI (102)에 연결된다. 제2 심장 BBMI 장치(208)는 적절한 심장 전극(들)을 갖고 심장 근처에 삽입되고 회로에서 두뇌 BBMI 장치(102)와 배선(134)에 의해 연결된다. 제3 척수 BBMI 장치(204)는 자극 및 기록된 신호들을 척수 신경들 또는 연관된 신경근들, 신경절, 뉴런들 또는 축색돌기들과 송신 및 수신하기 위한 적절한 전극(들)을 갖고 척추 내에, 위에 또는 근처에 삽입되고, 회로에서 다른 BBMI 장치들(102, 208, 210)과 배선(134)에 의해 연결된다. 제4 장기 BBMI 장치(210)는 자극 및 기록된 신호들을 예를 들어 방광, 신장, 췌장, 섬세포들, 위, 소장, 대장, 직장, 간, 비장, 쓸개, 또는 다른 복막의 조작 등의 장기와 전송 및 수신하기 위한 적절한 전극(들)을 갖고 장기 내에, 위에 또는 근처에 삽입된다.
예 - BBMI 장치 구조
도 17 내지 도 23을 참조하면, 본 발명은 회로들에 필요한 전력 소스를 제공하는 재충전 가능한 배터리를 갖는 무선 전력 전송 모듈과 통합되는 양방향 신경-통신 장치를 위한 구성 요소들을 갖는다(도 17 및 도 18). 도 17은 인간 머리에 대해 사이즈 비교를 위해 도시된 케이스 및 내부 구성들을 갖는 장치(102)를 보여주는 그래픽이다. 도 18은 외부 케이스(120, 128) 내에 내부 영역에서 배터리 구성(124), 송수신기(126)를 갖는 회로 구성, 전력 수신기(122) 그리고 선택적인 내부 프레임(214)으로 구성되는 구성 요소들의 적층들을 포함하는 장치(102)의 전체적인 구성도의 일 예를 보여주는 그래픽이다.
예 - 환자 관찰
또 다른 바람직한 실시 예에서, 양방향 신경-통신 장치의 기술적 특징들은 아래와 같이 요약된다. 장치는 폐쇄 회로 양방향 인터페이스 해법을 제공하는 전기적 신호 센서로부터 기록하는 것 및 목표 조직 또는 신경을 자극하는 것 모두를 할 수 있고, 신경 조직으로부터의 기록은 또한 자극을 위한 구성을 제공한다. 온-보드 컴퓨팅은 환자의 상태를 관찰하고, 감지 데이터에 기반하여 목표 영역에 자극을 유도하는 올바른 파라미터들을 계산할 것이다. 센서 읽기 회로는 신경, 글루코스, 산소, 심박, 방광, 근육 운동 센서들 등과 같은 삽입 센서들과 최소 인터페이싱으로 연결될 수 있다. 온-보드 계산 회로는 복잡한 양방향 입력/출력 처리들 및 외부 장치와의 무선 통신을 제어한다. 온-보드 계산 회로는 센서 신호들의 주기적인 또는 연속적인 측정들을 수행하고, 실시간 감지-데이터 분석을 수행하여 비정상 상태들을 검출하고 그리고 자동적으로 자극 설정을 수정하고, 그리고 자극 회로에 대한 파라미터의 때맞춘 전달을 보장한다. 무선 데이터에 대한 액세스는 보안되고, 인증될 수 있다.
신경 삽입물의 좋은 기술 품질은 구체적으로 두뇌를 둘러싼 영역들에서 최소한도로 외과적이도록 최소화한다. 본 발명의 기술 특징들의 하나는 두개골 구조의 일부가 되도록 두개골에 신경 삽입물을 배치하는 새로운 방법을 제공하며, 환자의 머리에 어떠한 부피 증가/면적 증가도 추가하지 않는다. 그러나 작은 사이즈의 삽입가능한 BBMI를 제조함으로써, 재충전가능한 배터리를 갖는 전원 공급 유닛을 제공하는 것이 필수적이다.
예 - 모바일 해법
또 다른 예에서, 신경자극은 모바일 폰에 의해 관리된다. BBMI 삽입물(들)은 사용자의 외부 핸드폰과 통신(무선으로)하도록 구성될 수 있다. 이는 환자로부터 수집되는 센서 데이터를 실시간으로 관찰하고, 자극 파라미터가 환자의 상태에 기반하여 자동으로 조절되는 폐쇄-회로 해법을 제공한다. 통증 제어를 위한 스마트 신경자극기로서 사용될 때, 이는 환자에게 제어 및 통증 또는 통증 연관 장애들과 연관된 진척도의 관찰을 제공한다. 이는 또한 자극 세선 동안 그리고 이후에 환자의 상태를 관찰할 수 있으며, 손상된 감각들을 대체 또는 증폭할 수 있다. 언급된 바와 같이, 장치는 인간 신경 정보 및 물리 자극 장치들 사이의 양방향 통신을 제공한다. 장치가 모바일 단말 설정(즉 스마트폰)에서 사용될 때, 모바일 네트워크 도구들이 보안되고 및 안전하게 연결된 능동 관찰/제어 시스템을 위해 사용될 수 있다. 때맞은 감지 데이터를 제공하는 것은 단말이 무선으로 환자의 상태를 가까이 관찰하고 그리고 자동으로 올바른 자극 활동들을 수행하는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 또한, 스탠드-얼론 신경보철 삽입물들에서 자체적으로 나타나지 않는 보안 및 인증 문제들을 대처한다.
장치가 시스템들에 연결되는 보안 및 인증 문제를 포함하도록 설계되므로, 본 발명은 신경으로부터의 환자의 신경 신호들로부터의 센서 읽기들을 안전하게 획득하고 그리고 활성 자극 신호를 안전하게 관리 및 제어함으로써 모바일 네트워크를 통한 말단 대 말단 환자-의사 연결 해법을 제공한다.
예 - 초음파 충전 통합 BBMI
전력은, 예를 들어 피부를 통해 무선 전력 전송으로 삽입물에 수신된다. 삽입물을 둘러싼 조직은 보통 온도 상승에 민감하며, 이는 조직 손상을 방지하기 위하여 전력 소비가 최소화되어야 함을 의미한다. 본 발명은 최소의 온도 상승을 제공하도록 구성된다. 몇몇 프로토타입들이 본 발명의 이러한 특성을 포함하도록 개발되었다.
일 실시 예에서, 초음파 전력 전송 시스템, 즉 폐쇄-회로, 상호 적응적, 양방향 두뇌-기계 인터페이스(BBMI) 시스템의 일부로서 필요한 전기 전력을 제공하는 수신기/송신기가 제조되었다.
초음파 전력 전송 시스템은 피부 조직들 사이에서 서로 마주보며 전기적 에너지 및 기계적 진동 에너지를 상호 변환하는 두 개의 신규한 압전 트랜스듀서들을 갖는다. 초음파는 전자기 결합 효과로부터 자유롭고 그리고 의료 주파수 대역들과 접촉하지 않으므로, 초음파는 삽입가능한 목적들로 최적이다. 본 발명에서, 신규한 압전 합성 트랜스듀서, 정류 회로, 그리고 재충전가능한 배터리가 개발되었으며, 모두 생체적합한 티타늄 용기에 포장된다. 실험 결과들은 프로토타입 장치가 20mm 거리의 물 매질에서 50%의 에너지 전송 효율에 도달하고, 그리고 18mm 거리의 동물 피부 조직에서 18%에 도달함을 나타낸다.
도 19는 지속중인 프로젝트 노력으로부터 제조된 초음파 전력 전송 시스템에 대한 프로토타입 구성들을 보여주며, (a) 신규한 압전 합성물(216), (b) 송신기/트랜스듀서 유닛(218), (c) 전력-관리 회로(220), (d) 케이스(222)를 포함한다.
도 20은 제조된 프로토타입 BBMI 장치(102)이며, 하부 케이스(128) 및 상부 케이스 뚜껑(120), 그리고 안쪽에 딱 맞게 포장되는 배터리(124), 회로/SoC (126), 그리고 전력 수신기/트랜스듀서(122)를 포함한다. 캘리퍼스는 한정되지 않는 실시 예에서 약 9.99mm의 두께를 보여준다.
예 - MIMO 및 16X16 프로세싱
본 발명의 또 다른 측면은 근거리 무선 통신을 위해 저전력 블루투스를 활용하는 다중-채널 입력/출력 인터페이스 회로이다. 이 한정되지 않는 예에서, 본 발명은 초음파 충전 제어 회로들에 통합되는 기록의 16채널들 및 자극의 4채널들을 갖는 무선 척수 자극기 시스템을 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. 초음파 무선 충전 및 무선 관찰 능력들은 통합된 펌웨어 및 소프트웨어를 포함하고, 지속적인 20-25%의 충전 효율을 제공한다. BBMI는 아날로그 첨단으로 16채널 인탄(Intan) 칩을 채용한 3.5cm 지름의, 제조되고 테스트 된 무선 자극기를 포함한다. BBMI는 16-채널 자극 회로를 위한 제어 회로를 포함하고, 무선 통신 프로토콜은 노르딕 반도체(Nordic Semiconductor)로부터의 시스템 온 칩을 이용하여 구현된다. 신경 기록의 통신을 위해, BBMI는 ESB (enhanced shock burst) 프로토콜에 기반한 경량 프로토콜을 구현한다. BBMI는 선택적으로 블루투스 저전력 통신 프로토콜로 구성될 수 있다. ESB 프로토콜은 최소 1.5Mbits/sec의 대역폭을 갖는다. 자극/펄스 회로는 두 위상 펄스들뿐 아니라 단일 위상 펄스도 전달한다. 회로는 자극 및 기록 전극들의 멀티플렉싱을 구현한다. 용기는 무선 데이터 전송뿐 아니라 효율적인 동시 전력 충전을 위해 티타늄 생체적합 패키지를 사용한다.
일 실시 예에서, 신호는 네트워크를 통해 전달된다. 또 다른 실시 예에서, 신호는 사용자 피드백 화면으로 전달된다. 획득 장치로부터의 미가공 및 처리된 신호들, 그리고 장치 커맨드는 하나 또는 그보다 많은 컴퓨터들과 지역 네트워크(LAN)를 통해 통신될 수 있다. 다른 전자 장치들과 함께, 신호는 저대역 필더, 증폭기들, 오실레이터들, 변조 장치들, 인코딩 장치들, 그리고 A-D/D-A 변환기들을 통해 더 통과될 수 있다.
프로토타입은 신경 조직 활동의 16채널들을 기록하고 자극의 16채널들을 생성할 수 있는 저전력 양방향 인터페이스를 갖는다. 온-보드 마이크로프로세서가 센서 신호들의 주기적 또는 연속적 측정을 이용하여 주파수, 듀티 사이클, 진폭 등과 같은 자극 파라미터들을 실시간 제어하는 데에 사용된다. 양방향 인터페이스 회로의 일부가 도 21, 도 22 및 도 23에 도시된다. 도 21은 프로토타입 다중-채널 인터페이스 회로 다이어그램을 보여준다. 도 22는 저전력 다중-채널 무선 데이터 전송 회로를 갖는 프로토타입 16채널 BCI 인터페이스 회로를 보여준다. 도 23은 두개골 모델에 삽입된 저전력 다중-채널 무선 데이터 전송 회로를 갖는 BBMI 유닛을 갖는 프로토타입 BBMI 장치를 보여준다.
예 - 무선 척수 자극기
도 24를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템 구성인 삽입 가능한 무선 척수 자극기 시스템(104)의 한정되지 않는 예가 도시된다.
두개골에 배치된 용기(102)와 유사하게, 척수 사용(204)을 위해 배치된 용기는 작은 저전력 무선 척수 자극기이다. 이는 전극(130)을 갖는 머리-고정 BBMI(102) 또는 외부 원격 제어기(198, 228) 사이의 무선 통신(230)을 제공한다. 시스템(104)은 척수 BBMI (204)로서 홀로 또는 두뇌 삽입 BBMI (102)와 함께 사용될 수 있다. 완전히 삽입된 척수 자극기는 초음파(2034)를 통해 재충전된다. 본 발명은 파괴되거나 오염될 수 있는 배선 연결들에 의해 생성될 수 있는 문제들에 대처한다. 이 프로토타입은 16 읽기 채널들뿐 아니라 16 자극 채널들을 제시한다. 이 예에서, 자극 출력(202)은 BBMI (204) 또는 외부 제어기(198, 228)로부터 척수 BBMI (204)로 또는 외부 제어기(198, 228)로부터 심장 BBMI(102)로 그리고 척수 BBMI (204)로 무선으로 트리거된다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 발명은 척수 자극 및 기록 기능을 제공하는 신경 통신 장치이다. 본 발명은 무선 데이터 통신을 위한 블루투스 또는 ESB (Enhanced ShockBurst)와 같은 현존하는 네트워킹 기술들을 이용하여 연결될 수 있다. 본 발명은 삽입된 2차 재충전가능한 배터리를 무선으로 충전하기 위한 피부를 통한 통합된 초음파 전력 전송을 갖는다. 이는 적은 폼 팩터, 낮은 온도 효과, 깊은 전력 전송 거리 등을 포함하는 종래의 무선 재충전 기술들에 대한 몇몇 장점들을 제공한다. 삽입가능한 양방향 신경-통신 장치는 연구원들에 의해 개발된 초음파 전력 전송을 이용한 커스텀 포터블 재충전 시스템을 사용한다.
도 25는 척수 자극기의 시스템 다이어그램을 보여준다. 도 25는 초음파 수신기와 무선 연결된 초음파 송신기를 보여준다. 초음파 수신기는 통신, 자극 및 기록 구성들에 전력을 공급한다. 원격 제어기는 무선 가능 프로세서와 무선 신호들을 송신 및 수신하는 것으로 도시된다. 프로세서는 자극 회로 및 기록 회로와 연결되기 위해 필요한 인코더 및 다른 회로를 포함한다. 자극 회로는 전자 자극을 제공하기 위해 전극 어레이에 멀티플렉서를 통해 연결되는 신호 생성기 및 전류 제어 모듈을 포함한다. 기록 회로는 전극 어레이 또는 제2 전극 어레이와 연결된 멀티플렉서로부터 신경 신호들을 수신한다.
표 2는 본 발명의 기능적 능력들을 보여준다.
| 표 1: 두 개의 삽입가능한 척수 자극기들의 스펙들 |
| 자극 채널들의 수 : 16 |
| 기록 채널들의 수 : 16 |
| 출력 특성 : 조절 가능한 전압 (+- 18V) |
| 파형 타입 : 양극-위상 |
| 펄스 주파수 : 0-250Hz |
| 펄스폭 : 100-300 us |
| 전력 소비 : 25mW |
예 - 처치
한정되지 않는 이 예에서, 환자는 일반적으로 의료적 장애, 작용, 질병, 상태 또는 병리로 알려진 상태, 진단, 불평을 제기한다. 본 발명의 범위로 여겨지는 장애들, 작용들, 상태들 및 병리들은 다음으로부터 선택된다.: 만성 다리 또는 팔 통증, 척수수술 후 요통증후군, 복합부의 통증 증후군, 지주막염, 절단 통증, 협심증, 말초혈관계 질환, 다발성 경화증, 척수 손상, 뇌졸증, 비발작성 뇌허혈 사건, 마비, 두뇌 손상, 신경적 통증, 임의의 종류의 신경 손상, 사지마비, 대마비, 외상성 뇌손상, 암에 의해 또는 화학 요법 또는 방사선 테라피와 같은 암 처치로부터 유발되는 손상, 유전병들, 장애들 또는 증후군들, 간질, 신경통, 떨림, 파킨슨병, 발작, 신경 경련, 경추 또는 요추 디스크 또는 신경 장애, 신경병 통증, 교감 진정 만성 통증, 운동 명령 장애, 언어 장애, 수면 무호흡, 청각 또는 시각 장애, 기억 장애, 인지 장애, 그리고 정신 질환 및 DSM IV에서 식별된 질병. 여기의 BBMI 장치를 이용한 처치가 수행되고, 처치 과정 동안 또는 처치 완료 후에 앞서 나열된 장애들, 작용들, 질병들, 상태들 또는 병리들 중 하나 또는 그보다 많은 것의 하나 또는 그보다 많은 징후들 또는 증상들이 임시로 또는 더 영구적으로 감소, 제거 또는 개선되는 것이 초래된다. "처치"는 환자가 일상 활동들을 지속할 수 있게 하는 통증의 감소, 진통제의 감소, 향상된 휴식, 근력, 사용, 조정, 탄력, 혈액 공급 및 신경 전도를 개선하는 테라피를 포함하는 물리적 테라피, 그리고/또는 개선된 수면을 포함할 수 있다.
예 - 타고난 향상
한정되지 않는 이 예에서, 환자는 청각, 시각, 언어, 운동 제어, 그리고 다른 타입의 신경 지각의 타고난 작용을 향상하고 위하여 의료적 개입을 요청한다. 여기의 BBMI 장치를 이용한 처치가 수행되면, 환자의 타고난 능력들의 개선이 초래된다.
도 26a, 도 26b 및 도 26c를 참조하면, 도 26은 장치 사이즈 및 구성 요소들의 조망의 세 가지 사진들을 보여준다. 통신 유닛 칩(142)은 충전 유닛 칩(154) 및 감지 전자 장치 모듈(148)과 연결된다. 센서 전극들(130) 및 자극 전극들(202)은 회로에 부착된 것으로 도시된다. 도 26b는 자극 모듈(150)을 보여준다.
도 27a, 도 27b 및 도 27c는 장치의 첫 번째 프로토타입으로부터의 기록이다. 도 27a는 피질에 인가된 자극 및 기록된 자극 결과물들이다. 도 27b는 삽입된 장치로부터 무선으로 기록된 두뇌 데이터이다.
도 27c는 무선 피질척수 BBMI 시스템 블록도를 위한 무선 제어 삽입 자극기들의 다중-장치 시스템을 보여준다. 도 27c는 척수 BBMI (204)에 무선 연결된 두뇌 BBMI (102)를 보여주며, 이들 중 하나 또는 양자는 또한 앞팔 삽입 BBMI (236)와 무선 통신한다.
도 28은 채널들의 수 및 신호 특성들의 상세를 보여주는 차트이다.
예 - 척수 처치
신경가소성은 인간 중앙 신경망(CNS)의 본질적인 특성이며 환경 압력들, 생리적 변화들, 그리고 경험들을 능동적으로 채용하는 능력을 나타낸다. 두뇌 활동을 해석하고 이를 이용하여 보철 장치들을 제어하거나 또는 감각운동 시스템의 재활을 촉진하는 시스템들은 어마어마한 잠재력을 갖는다. 두개골 삽입 장치를 영장류들의 척수의 자극 전극들에 연결하여 운동 피질의 신경 활동이 척수 자극을 허용하고 하는 작은 저전력 무선 삽입가능한 척수 자극기가 제안된다. 본 발명은 기록 및 자극 기능들을 적은 폼 팩터 신경자극 장치로 조합하는 새로운 척추-삽입가능한 양방향 척수 자극 장치를 제공한다.
양방향 신경-통신 및 척수 자극 장치가 개발된다. 양방향 신경-통신 장치는 목표 뉴런들의 기록 및 자극 양자의 기능을 가지며 폐쇄-회로 해법을 제공한다. 또한, 척수 자극 장치는 두개골 삽입 장치에 통합된다.
척추 자극기는 척수 전극 어레이에 16채널의 자극을 전달할 수 있다. 척추 자극기는 초음파 트랜스듀서를 이용하여 재충전될 수 있으며, 모든 감염-경향 경피 리드들을 제거한다. 양방향 통신 모듈은 척수 자극 유닛을 두개골 삽입 장치와 연결한다.
두개골 삽입 장치 및 자극기 사이의 통신 링크는 2.4GHz 통신 링크에 기반한 등록된 uESB (micro Enhanced ShockBurst)에 기반한다.
시스템은 또한 표적 활동-의존 척수 자극(TADSS, targeted, activity-dependent spinal stimulation)을 달성하기 위한 앞팔 삽입물로서 계획된 삽입 가능한 무선 EMG 모듈을 구현한다. TADSS를 달성하기 위하여, 손상점 아래의 척수내 미세자극이 손상된 팔의 근전 활동(EMG, electromyographic activity)에 의해 신호가 보내지는 기능적으로 연관된 의지적 운동 명령의 도착과 동기될 것이다. TADSS는 앞팔 활동의 재활과 연계되어 전달되어 사용-의존적 물리 테라피를 강화할 것이다. 자극기는 두개골 삽입 장치 및 삽입된 EMG에 의해 제어되어 척수내 자극을 위한 트리거들을 생성할 것이다.
무선 생체-신호 전송의 핵심 도전들 중 하나는 송신기 및 수신기 사이의 제한된 통신 대역폭이다. 등록된 uESB 프로토콜은 2Mbits/sec 대역폭까지 지원할 수 있다. 이는 넓은 범위의 상이한 목표 생리 신호 기록들을에 대한 능력들 제공한다.
작은 폼 팩터, 저전력 무선 삽입가능한 척수 자극기가 개발되었다. 무선 EMG 모듈은 두개골 삽입 장치에 추가되는 무선 통신 모듈을 통해 두개골 삽입 장치와 통합된다. 척수 프로토타입은 16 자극 채널들을 제시하고 출력은 극점 시발 자극의 두개골 삽입 장치에 의해 그리고 TADSS를 위해 삽입된 EMG 모듈에 의해 무선으로 트리거될 수 있다.
예 - 2파이 피에조(piezo)
도 29를 참조하면, 트랜스듀서는 원주적으로(circumferentially) 회로(126), 예를 들어 SoC, 센서 모듈, 자극 모듈, 전력 제어 모듈을 둘러싼다. 이러한 "2파이" 피에조 초음파 무선 전력 전송 시스템은 폐쇄-회로, 상호 적응적, 양방향 두뇌-기계 인터페이스(BBMI) 시스템(244)의 일부로 도시되며 필요한 전기 전력을 제공한다.
이 예에서, 초음파 전력 전송 시스템은 피부 조직들 사이에서 서로 마주보며 전기 에너지와 기계 진동 에너지를 서로 변환하는 신규한 압전 트랜스듀서(240)를 갖는다. 이러한 무선 전력 전송 모듈은 재충전가능한 배터리(124)를 가지며 BBMI 공학 시스템(244)을 위해 필요한 전원 소스를 제공한다. 앞서 설명된 바와 같이, 초음파 무선 전력 전송 시스템은 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환한다. 이후에, 수신기는 초음파 에너지를 전기 에너지로 다시 변환한다. 이는 생성된 음파가 조직과 같은 매체를 통해 무선으로 전달되게 한다(도 29, 도 30).
도 31은 매칭 레이어, 알루미늄 케이스 및 이들 사이의 PZT 합성물을 보여준다. 초음파 공진 송신기 및 수신기는 30.0mm 지음 및 3.0mm 높이의 동일 사이즈이다. 이는 구동 주파수의 1/4의 매칭 레이어를 갖는다. 압전 물질은 PZT 5H 이다. 이는 1-3 합성 타입이다(도 31).
도 32를 참조하면, 임피던스는 HP 4194A를 이용하여 측정된다. 결과들이 도시된다. 도 32는 공기 중에서 측정된 결과를 나타내는 적색 점이 있는 선을 보여준다. 녹색 교차선은 물(매체)에서 측정된 데이터를 나타낸다. 전체 결합 효율은 65.5%로 계산되었다. 전기로부터 기계 에너지 변환 효율은 거의 92%이다. 기계로부터 음향 에너지 변환 효율은 71.5% 이다. 매칭 레이어의 임피던스로 인해 기계로부터 음향 에너지로의 변환 손실이 일부 존재할 수 있다.
도 33을 참조하면, 어드미턴스 및 임피던스 사이의 관계를 지배하는 공식들이 제공된다. Gm 및 G0는 어드미턴스이고, R은 트랜스듀서의 임피던스이다. Rair, Rw 및 R0는 각각 공기, 물 및 DC 레벨의 임피던스이다.
도 34는 초음파 공진 원리를 이용한 무선 전력 전송 시스템의 도해를 보여준다.
도 35는 무선 전력 전송 평가 시스템을 보여준다. 송신 장치(tx) 및 수신 장치(rx)는 인간 피부의 대체로서 돼지 조직에 의해 분리된다.
도 36에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 효율은 입력 전력 대 수신 전력 사이의 비율이다. 수신 전력은 구동 주파수 및 부하의 함수이다. 최대 무선 전력 효율은 RX의 내부 저항이 부하 저항과 유사한 때의 60ohm에서이다(도 36b). 최대 무선 전력 효율은 1.05MHz의 구동 주파수에서이다(도 36c). 최대 효율은 22.6%이다(도 36d).
입력 전력의 실제 제한(~1W)을 고려하면, 최대 전송 전력은 150mW이다. 압전 트랜스듀서, 정류 회로, 그리고 재충전가능한 배터리는 모두 전자기 간섭으로부터 자유로운 생체적합 티타늄 하우징에 포장된다. 집적된 프로토타입 장치는 35mm의 지름 및 10mm의 두께를 갖는다.
여기에 인용된 참조들은 그들의 전체적으로, 구체적으로는 이 분야에 통상적인 기술의 레벨을 가르치는 것과 연관되는 한 그리고 청구된 발명의 한정의 통상적인 이해를 위해 필요한 임의의 기재에 대해 여기에 포함된다. 본 발명의 범위로부터 멀어지지 않으면서 앞선 실시 예들이 변경되거나 또는 중요하지 않은 변경들이 행해질 수 있음은 이 분야에 숙련된 자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 아래의 청구항들 및 그들과 대등한 등가물들에 의해 정해진다.
110; 양방향 BMI 시스템
120; 뚜껑 매칭 레이어
122; WPT 트랜스듀서(RX)
124; 배터리
126; BMI 시스템
128; 케이스
120; 뚜껑 매칭 레이어
122; WPT 트랜스듀서(RX)
124; 배터리
126; BMI 시스템
128; 케이스
Claims (38)
- 양방향 두뇌-기계 인터페이스(BBMI) 장치에 있어서:
초음파 무선 전력 모듈을 감싸는 생체적합 용기;
상기 전력 모듈은 전력 정류 회로에 연결된 압전 합성 트랜스듀서 및 재충전가능한 배터리를 포함하고, 상기 압전 합성 트랜스듀서는 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템의 내부를 형성하고, 상기 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하여 상기 재충전가능한 배터리를 재충전하기 위해 상기 내부와 짝지어지는 외부 압전 합성 트랜스듀서를 갖고;
상기 하우징 내의 무선 RF 통신 시스템 온 칩(SoC);
상기 SoC는 프로세서 코어를 갖고 상기 전력 모듈에 의해 전원을 공급받고, 상기 프로세서 코어는 무선 데이터 송신 및 수신을 제어하도록 구성되고, 상기 프로세서 코어는 상기 재충전가능한 배터리의 충전을 제어하도록 구성되고, 상기 프로세서 코어는 센서 출력 데이터를 획득하도록 구성되고, 상기 프로세서 코어는 자극 입력 펄스들을 제어하도록 구성되고, 상기 SoC는 저전력 근거리 무선 통신을 사용하도록 구성되고;
상기 SoC와 접속하고 디지털 전기생리 인터페이스 칩, 프로그램가능한 증폭기, 그리고 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 센서 전자장치 모듈;
상기 센서 전자장치 모듈은 신경 조직 활동의 적어도 16채널들에서 기록하도록 구성되고;
상기 SoC와 접속하고 전기적 자극들을 전송하도록 구성되는 펄스 회로를 포함하는 자극 모듈;
상기 펄스 회로는 적어도 자극의 4채널들을 생성하도록 구성되고; 그리고
상기 센서 전자장치 모듈 및 상기 자극 모듈과 접속하는 양방향 미세전극 어레이를 포함하고,
상기 양방향 미세전극 어레이는 뉴런 조직 활동을 기록하고 전기적 자극들을 전송하는 양방향 인터페이스를 제공하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
전기적 자극을 척추로 전송하기 위해 상기 자극 모듈과 연결되는 적어도 하나의 척추 전극을 더 포함하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 25-100mm의 지름 범위 및 8-30mm의 높이 범위를 갖는 원형 디스크인 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 28-75mm 범위의 지름 및 10-20mm 범위의 높이를 갖는 원형 디스크인 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 30-50mm 범위의 지름 및 10-20mm 범위의 높이를 갖는 원형 디스크인 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 35mm 이하의 지름 및 10mm 이하의 높이를 갖는 원형 디스크인 BBMI 장치. - 제1항에 있어서, 상기 생체적합 용기는 금속, 폴리머, 또는 합성물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성되는 BBMI 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 티타늄, 니티놀(R), 수술용 강철, 칼슘, 구리, 아연, 철, 코발트, 마그네슘, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 규산염, 스트론튬, 텅스텐, 크롬, 니켈, 알루미늄, 그리고 세라믹들, 합성물들, 합금들, 화합물들, 그리고 이들의 조합들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 폴리우레탄(PU), 폴리에스터들, 폴리에테르들(PEEK), 실리콘들, 규산염들, 폴리(염화비닐)(PVC), 폴리비닐 아세테이트, 베이클라이트, 폴리클로로프렌(네오프렌), 나일론, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리(염화비닐리덴), 불화계 폴리머들, 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 그리고 이들의 혼합물들 및 혼성 중합체들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 그보다 많은 물질들로 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합 용기는 인산칼슘, 인산삼칼슘, 또는 수산화인회석으로부터 선택되는 생체적합 코팅을 포함하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 재충전가능한 배터리는 리튬이온 배터리인 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서 코어는 활동하지 않는 모듈 구성 요소들을 턴-오프하여 배터리를 절약하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저전력 근거리 무선 통신은 2.4GHz 프로토콜을 포함하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저전력 근거리 무선 통신은 250Kbps-2Mbps의 데이터율을 갖는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저전력 근거리 무선 통신은 블루투스 저에너지(BLE, Bluetooth Low Energy) 통신 프로토콜 또는 ESB (Enhanced ShockBurst) 프로토콜을 포함하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저전력 근거리 무선 통신은 0.01-2.5mW (-20dBm 내지 4dBm) 범위의 송신 전력을 갖는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저전력 근거리 무선 통신은 1.5Mbits/sec의 최소 데이터율 대역폭을 갖는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 아날로그 디지털 변환기는 16비트인 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센서 전자장치 모듈은 빌트-인 온도 센서를 포함하고, 상기 SoC는 조직 온도를 관찰하고 그리고 고온으로부터의 조직 손상을 회피하기 위해 장치 변화들을 구현하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센서 전자장치 모듈은 신경 조직 활동의 적어도 32채널들을 기록하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서, 상기 펄스 회로는 자극의 적어도 16채널들을 생성하도록 구성되는 BBMI 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 펄스 회로는 자극의 적어도 32채널들을 생성하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 펄스 회로는 2상 펄스들을 생성하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센서 전자장치 모듈은 신경 조직 활동의 적어도 32채널들을 기록하도록 구성되고, 상기 펄스 회로는 자극의 적어도 32채널들을 생성하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 SoC는 기록된 신경 조직 활동의 적어도 32채널들을 관찰하도록 구성되고, 상기 SoC는 상기 펄스 회로가 상기 기록된 신경 조직 활동에 기반하여 자극의 사전-프로그램된 채널로 자극을 생성하도록 제어하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 SoC는 자극을 위한 신호들 및 기록을 위한 신호들의 멀티플렉싱을 구현하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 SoC는 동시의 전력 충전 및 무선 데이터 전송을 수행하도록 구성되는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 SoC에 연결된 메모리 장치를 더 포함하는 BBMI 장치. - 제1항에 있어서,
상기 SoC와 무선 통신하는 원격 컴퓨터를 더 포함하는 BBMI 장치. - 통합 양방향 신경-통신 및 척추 자극 시스템에 있어서:
적어도 두 개의 청구항 1의 BBMI 장치들을 포함하고,
상기 BBMI 장치들은 폐쇄-회로에서 통신 및 동작하도록 구성되고, 제1 BBMI 장치는 신호를 수신하도록 구성되는 제2 BBMI 장치로 상기 신호를 송신하도록 구성되고, 그리고 상기 제1 BBMI 장치는 상기 제1 BBMI 장치의 상기 SoC가 신경 조직 활동을 기록할 때에 상기 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 제2 BBMI 장치는 상기 제2 BBMI 장치의 상기 SoC가 상기 신호를 수신할 때에 전기적 자극들을 보내도록 구성되는 통합 양방향 신경-통신 및 척추 자극 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 BBMI 장치들은 폐쇄-회로에서 통신 및 동작하도록 구성되고, 상기 BBMI 장치들은 서로 신호들을 송신 및 수신하도록 구성되고, 제1 BBMI 장치는 상기 제1 BBMI 장치의 상기 SoC가 신경 조직 활동을 기록할 때에 상기 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 제1 BBMI 장치는 상기 제2 BBMI 장치가 상기 신호를 수신할 때에 척추 전기적 자극들을 보내도록 구성되고, 그리고 제3 BBMI 장치는 상기 제3 BBMI 장치가 말초 신경 조직 활동을 기록할 때에 제2 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 상기 제1 BBMI 장치는 상기 제1 BBMI 장치의 상기 SoC가 상기 제2 신호를 수신할 때에 전기적 자극들을 보내도록 구성되는 통합 양방향 신경-통신 및 척추 자극 시스템. - 두뇌로부터 컴퓨터로 신호를 전송하는 방법에 있어서:
청구항 1의 장치를 환자의 두개골에 상기 센서 어레이 및 상기 전극들과 함께 삽입하는 단계;
상기 센서 어레이 및 상기 전극은 상기 환자의 상기 두뇌와 통신하도록 동작하고; 그리고
상기 장치로부터 외부 수신기로 신호를 전송하는 단계를 포함하는 방법. - 환자를 요구에 따라 처치하는 방법에 있어서:
청구항 1의 장치를 상기 환자의 요구에 따라 상기 환자의 두개골에 삽입하는 단계;
상기 장치와 신호들을 송신 및 수신하여 간질, 마비를 포함하는 운동 명령 병리, 언어 장애, 수면 무호흡, 통증, 신경적 떨림, 다중 경화증, 신경적 장애들, 청각 또는 시각 장애들, 기억 장애들, 우울증을 포함하는 정신 장애들, 그리고 인지 장애로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 질병 또는 장애를 처치하는 단계를 포함하는 방법. - 환자를 요구에 따라 처치하는 방법에 있어서:
청구항 1의 장치를 상기 환자의 요구에 따라 상기 환자의 두개골에 삽입하는 단계;
상기 장치와 신호들을 송신 및 수신하여 청각, 시각, 언어, 운동 제어, 그리고 다른 타입들의 신경 지각 또는 제어의 타고난 처리를 강화하는 단계를 포함하는 방법. - 삽입가능한 무선 척추 자극기에 있어서:
전력 정류 회로 및 재충전가능한 배터리에 연결된 압전 합성 트랜스듀서를 감싸는 생체적합 티타늄 용기;
상기 압전 합성 트랜스듀서는 2부 초음파 전력 전송 시스템의 내부를 형성하고, 상기 무선 2부 초음파 전력 전송 시스템은 전력을 전송하여 상기 재충전가능한 배터리를 재충전하기 위해 상기 내부와 짝지어지는 외부 압전 합성 트랜스듀서를 갖고;
무선 송수신기, 회로 기판, 안테나 장치, 그리고 프로세서 인터페이스를 갖는 RF 모듈;
상기 RF 모듈은 상기 정류 회로에 연결되고;
상기 RF 모듈은 상기 무선 송수신기와 연결되는 다중-채널 입력/출력 양방향 인터페이스 회로를 포함하고, 상기 인터페이스 회로는 근거리 무선 통신을 위해 저전력 블루투스를 사용하도록 구성되고, 상기 인터페이스 회로는 신경 조직 활동의 16채널들을 기록하도록 구성되고 그리고 상기 인터페이스 회로는 자극의 16채널들을 생성하도록 구성되고;
상기 RF 모듈과 연결되는 마이크로프로세서;
상기 마이크로프로세서는 센서 신호들의 주기적 또는 연속적 측정들을 이용하여 주파수, 듀티-사이클, 진폭 등과 같은 자극 파라미터들을 실시간으로 제어하는 데에 사용되고, 상기 마이크로프로세서는 기록, 제어 및 수신 및 송신 신호 처리를 수행하고, 상기 마이크로프로세서는 메모리 장치에 연결되고;
전기적 자극을 상기 척추에 전송하기 위해 상기 RF 모듈에 연결되는 적어도 하나의 척추 전극; 그리고
상기 두뇌로부터 전기 신호들을 수신하기 위해 상기 마이크로프로세서상의 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에 연결되는 센서 어레이를 포함하는 삽입가능한 무선 척추 자극기. - 두뇌로부터 척추로 전기적 자극을 전송하는 방법에 있어서:
청구항 2 또는 35의 장치를 척추 신경(들)과 통신하는 척추 전극 및 환자의 상기 두뇌와 통신하도록 동작하는 센서 어레이와 함께 상기 환자의 요추 영역에 삽입하는 단계; 그리고
상기 두뇌로부터 상기 컴퓨터로의 신호에 기반하여 상기 컴퓨터로부터 상기 척추로 자극을 전송하는 단계를 포함하는 방법. - 환자를 요구에 따라 처치하는 방법에 있어서:
상기 환자의 요구에 따라 청구항 2 또는 35의 장치를 상기 환자의 요추 영역에 삽입하는 단계; 그리고
상기 장치와 신호를 송신 및 수신하여 척추 질병 또는 장애를 처치하는 단계를 포함하는 방법. - 환자를 요구에 따라 처치하는 방법에 있어서:
상기 환자의 요구에 따라 청구항 2 또는 35의 장치를 상기 환자의 요추 영역에 삽입하는 단계; 그리고
상기 장치와 신호를 송신 및 수신하여 척추 신경 활동 또는 제어의 타고난 처리를 강화하는 단계를 포함하는 방법.
Applications Claiming Priority (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562244183P | 2015-10-20 | 2015-10-20 | |
| US201562244162P | 2015-10-20 | 2015-10-20 | |
| US62/244,162 | 2015-10-20 | ||
| US62/244,183 | 2015-10-20 | ||
| US15/295,988 US10452143B2 (en) | 2015-10-20 | 2016-10-17 | Apparatus and method of implantable bidirectional wireless neural recording and stimulation |
| US15/295,988 | 2016-10-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170046593A true KR20170046593A (ko) | 2017-05-02 |
Family
ID=58523002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160136768A KR20170046593A (ko) | 2015-10-20 | 2016-10-20 | 삽입 가능한 양방향 무선 신경 기록 및 자극의 장치 및 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10452143B2 (ko) |
| KR (1) | KR20170046593A (ko) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190008819A (ko) * | 2017-07-17 | 2019-01-25 | 한국전자통신연구원 | 생체 전위 전극이 통합된 이중 3d 자이로스코프 네트워크를 갖는 실시간 건강 및 운동 센서 매커니즘 장치 및 방법 |
| KR20190047241A (ko) * | 2017-10-27 | 2019-05-08 | 주식회사 아모센스 | 인체 삽입형 모듈 |
| KR20190062077A (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-05 | (주)뉴옵틱스 | 체내 이식형 의료기기 |
| WO2019107584A1 (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | (주)뉴옵틱스 | 체내 이식형 의료기기 |
| WO2019231282A1 (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-05 | 서울대학교 산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20190136835A (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 서울대학교산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20190136836A (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 서울대학교산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20190136834A (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 서울대학교산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20200012401A (ko) * | 2018-07-27 | 2020-02-05 | 엘지이노텍 주식회사 | 신경조절 디바이스용 전극 구조체 |
| WO2020050568A1 (ko) * | 2018-09-04 | 2020-03-12 | 연세대학교 산학협력단 | 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치 |
| KR20200056335A (ko) * | 2018-11-13 | 2020-05-22 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | 무선 자극기, 무선 자극 및 측정기 및 치료 시스템 |
| KR20210059958A (ko) * | 2019-11-18 | 2021-05-26 | 오션스바이오 주식회사 | 무선충전이 가능한 뇌전증 치료용 전자약 및 이의 제어방법 |
| US11298534B2 (en) | 2018-04-24 | 2022-04-12 | Korea University Research And Business Foundation | Stimulator for digestive organ |
| WO2022107946A1 (ko) * | 2020-11-23 | 2022-05-27 | 오션스바이오 주식회사 | 무선충전이 가능한 뇌전증 치료용 전자약 및 이의 제어방법 |
| KR20220107736A (ko) * | 2021-01-26 | 2022-08-02 | 울산과학기술원 | 인체통신 기반 인체 자극 장치 및 방법 |
Families Citing this family (35)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10223634B2 (en) | 2014-08-14 | 2019-03-05 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Multiplicative recurrent neural network for fast and robust intracortical brain machine interface decoders |
| US11278004B2 (en) | 2015-12-15 | 2022-03-22 | Battelle Memorial Institute | Transmitters for animals and methods for transmitting from animals |
| US10236920B2 (en) | 2015-12-15 | 2019-03-19 | Battelle Memorial Institute | Signal transmitter and methods for transmitting signals from animals |
| US10531639B2 (en) | 2016-08-25 | 2020-01-14 | Battelle Memorial Institute | Systems and methods for monitoring organisms within an aquatic environment |
| US20180199841A1 (en) * | 2017-01-19 | 2018-07-19 | Regents Of The University Of Minnesota | System and method for simultaneous stimulation and recording using system-on-chip (soc) architecture |
| WO2019060298A1 (en) | 2017-09-19 | 2019-03-28 | Neuroenhancement Lab, LLC | METHOD AND APPARATUS FOR NEURO-ACTIVATION |
| US11717686B2 (en) | 2017-12-04 | 2023-08-08 | Neuroenhancement Lab, LLC | Method and apparatus for neuroenhancement to facilitate learning and performance |
| KR102387573B1 (ko) | 2017-12-12 | 2022-04-18 | 삼성전자주식회사 | 내부 장치, 외부 장치, 사용자 단말 및 전자 장치 및 이들의 동작 방법 |
| US11478603B2 (en) | 2017-12-31 | 2022-10-25 | Neuroenhancement Lab, LLC | Method and apparatus for neuroenhancement to enhance emotional response |
| US11364361B2 (en) | 2018-04-20 | 2022-06-21 | Neuroenhancement Lab, LLC | System and method for inducing sleep by transplanting mental states |
| US11464964B2 (en) * | 2018-08-03 | 2022-10-11 | Brown University | Neural interrogation platform |
| WO2020056418A1 (en) | 2018-09-14 | 2020-03-19 | Neuroenhancement Lab, LLC | System and method of improving sleep |
| US20200104689A1 (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-02 | Brown University | Synergistic effector/environment decoding system |
| US11533818B2 (en) * | 2019-03-12 | 2022-12-20 | Battelle Memorial Institute | Sensor assemblies and methods for emulating interaction of entities within water systems |
| CN111013011A (zh) * | 2019-03-26 | 2020-04-17 | 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 | 一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置 |
| WO2020219738A1 (en) * | 2019-04-25 | 2020-10-29 | Medtronic, Inc. | Acoustic power transfer for implantable medical device |
| US11093038B2 (en) | 2019-05-14 | 2021-08-17 | Synchron Australia Pty Limited | Systems and methods for generic control using a neural signal |
| US11786694B2 (en) | 2019-05-24 | 2023-10-17 | NeuroLight, Inc. | Device, method, and app for facilitating sleep |
| US11640204B2 (en) | 2019-08-28 | 2023-05-02 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Systems and methods decoding intended symbols from neural activity |
| CN110664401A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-10 | 天津大学 | 一种针对帕金森状态的噪声深度脑刺激系统 |
| WO2021086972A1 (en) * | 2019-10-29 | 2021-05-06 | Synchron Australia Pty Limited | Systems and methods for configuring a brain control interface using data from deployed systems |
| KR102150725B1 (ko) * | 2020-03-18 | 2020-09-02 | 주식회사 에너지마이닝 | 초음파 의료 기기를 이용한 체내 삽입 기기의 무선 충전 시스템 |
| WO2022006462A1 (en) * | 2020-07-01 | 2022-01-06 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Systems and methods decoding intended symbols from neural activity |
| CN111736706A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-10-02 | 芯盟科技有限公司 | 人工智能物联网沟通控制器 |
| CN112353403A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-02-12 | 北京宁矩科技有限公司 | 侵入式神经信号采集装置及方法 |
| CN112545533B (zh) * | 2020-12-03 | 2023-03-21 | 中国船舶工业系统工程研究院 | 基于多传感器与脑电磁波复合信号的人体域网通信方法 |
| WO2022120765A1 (zh) * | 2020-12-10 | 2022-06-16 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种实时超声刺激电信号记录芯片及其制备方法 |
| CN114143193B (zh) * | 2021-12-07 | 2024-02-20 | 天翼物联科技有限公司 | 网络配置方法、装置、计算机设备及存储介质 |
| CN114646907B (zh) * | 2021-12-24 | 2023-10-20 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 一种基于机器学习的轨道交通低频磁场现场测量方法 |
| CN114543649A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-05-27 | 华南理工大学 | 一种弹力绳织物基底拉伸传感器、设备及制造方法 |
| US20230244314A1 (en) * | 2022-01-13 | 2023-08-03 | Thomas James Oxley | Systems and methods for generic control using a neural signal |
| CN115382100A (zh) * | 2022-08-08 | 2022-11-25 | 江苏畅医达医疗科技有限公司 | 一种带感知功能的脑部神经电刺激系统 |
| CN115444426B (zh) * | 2022-11-09 | 2023-04-28 | 之江实验室 | 片上电极集成的无线肌电SoC系统、芯片及采集装置 |
| DE202023101251U1 (de) | 2023-03-15 | 2023-03-30 | Binod Kumar Kanaujia | Eine kompakte Ultrabreitbandantenne für neuronale Aufzeichnungen mit hoher Datenrate für Gehirn-Computer-Schnittstellen |
| CN117482398B (zh) * | 2023-12-30 | 2024-03-19 | 科斗（苏州）脑机科技有限公司 | 一种可调节发射频率的无线电刺激设备 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120134239A1 (en) * | 2010-11-28 | 2012-05-31 | Struthers Sheldon L | Micro sonic transmitter |
| US9008780B2 (en) * | 2011-10-05 | 2015-04-14 | Case Western Reserve University | Methods and associated neural prosthetic devices for bridging brain areas to improve function |
| US9613911B2 (en) * | 2013-02-06 | 2017-04-04 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Self-similar and fractal design for stretchable electronics |
| AU2016342197B2 (en) * | 2015-10-21 | 2020-10-22 | NeuSpera Medical Inc. | Devices, systems, and methods for stimulation therapy |
-
2016
- 2016-10-17 US US15/295,988 patent/US10452143B2/en active Active
- 2016-10-20 KR KR1020160136768A patent/KR20170046593A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190008819A (ko) * | 2017-07-17 | 2019-01-25 | 한국전자통신연구원 | 생체 전위 전극이 통합된 이중 3d 자이로스코프 네트워크를 갖는 실시간 건강 및 운동 센서 매커니즘 장치 및 방법 |
| KR20190047241A (ko) * | 2017-10-27 | 2019-05-08 | 주식회사 아모센스 | 인체 삽입형 모듈 |
| KR20190062077A (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-05 | (주)뉴옵틱스 | 체내 이식형 의료기기 |
| WO2019107584A1 (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | (주)뉴옵틱스 | 체내 이식형 의료기기 |
| WO2019107585A1 (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | (주)뉴옵틱스 | 체내 이식형 의료기기 |
| US11298534B2 (en) | 2018-04-24 | 2022-04-12 | Korea University Research And Business Foundation | Stimulator for digestive organ |
| KR20190136834A (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 서울대학교산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20190136836A (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 서울대학교산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20190136835A (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 서울대학교산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| WO2019231282A1 (ko) * | 2018-05-31 | 2019-12-05 | 서울대학교 산학협력단 | 체내 이식형 의료기기 제어시스템 및 그의 제어방법 |
| KR20200012401A (ko) * | 2018-07-27 | 2020-02-05 | 엘지이노텍 주식회사 | 신경조절 디바이스용 전극 구조체 |
| WO2020050568A1 (ko) * | 2018-09-04 | 2020-03-12 | 연세대학교 산학협력단 | 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치 |
| KR20200056335A (ko) * | 2018-11-13 | 2020-05-22 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | 무선 자극기, 무선 자극 및 측정기 및 치료 시스템 |
| KR20210059958A (ko) * | 2019-11-18 | 2021-05-26 | 오션스바이오 주식회사 | 무선충전이 가능한 뇌전증 치료용 전자약 및 이의 제어방법 |
| KR20210095606A (ko) * | 2019-11-18 | 2021-08-02 | 오션스바이오 주식회사 | 전자기 교란방지 기능이 있는 뇌전증 치료용 전자약의 제어방법 |
| WO2022107946A1 (ko) * | 2020-11-23 | 2022-05-27 | 오션스바이오 주식회사 | 무선충전이 가능한 뇌전증 치료용 전자약 및 이의 제어방법 |
| KR20220107736A (ko) * | 2021-01-26 | 2022-08-02 | 울산과학기술원 | 인체통신 기반 인체 자극 장치 및 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10452143B2 (en) | 2019-10-22 |
| US20170108926A1 (en) | 2017-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10452143B2 (en) | Apparatus and method of implantable bidirectional wireless neural recording and stimulation | |
| JP7161585B2 (ja) | 無線植込み型電力受信機システム及び方法 | |
| Ha et al. | Silicon-integrated high-density electrocortical interfaces | |
| US8666499B2 (en) | Artificial nerve networking system and method for functional recovery of damaged nerve | |
| JP6082942B2 (ja) | 脳内の生体電気信号を獲得し監視し頭蓋シミュレーションを行うことのできる移植装置 | |
| US8112154B2 (en) | Systems and methods for neuromodulation using pre-recorded waveforms | |
| US9326720B2 (en) | Wireless, implantable electro-encephalography system | |
| US9339650B2 (en) | Systems and methods for neuromodulation using pre-recorded waveforms | |
| US10542904B2 (en) | Systems and methods for at home neural recording | |
| US8391986B2 (en) | Apparatus for managing a neurological disorder | |
| US20060049957A1 (en) | Biological interface systems with controlled device selector and related methods | |
| CN106999088A (zh) | 用于监测肌肉康复的系统和方法 | |
| US11324916B2 (en) | Devices and methods for the non-invasive transcutaneous neurostimulation of the neck and ear vagus nerves via electrical, magnetic and haptic stimulation | |
| Deshmukh et al. | Fully implantable neural recording and stimulation interfaces: peripheral nerve interface applications | |
| Wright et al. | A fully implantable wireless bidirectional neuromodulation system for mice | |
| EP3710104B1 (en) | Implantable intra- and trans- body wireless networks for therapies | |
| WO2023014735A1 (en) | Systems and methods for inducing muscle contraction | |
| Im et al. | Development of wireless neural interface system | |
| CN106621045B (zh) | 一种充电控制的组织病变检测系统 | |
| US20240207618A1 (en) | System for neuromodulation applications | |
| US20230364426A1 (en) | Neuromodulation therapy optimization using sleep and activity derived measures | |
| Tang et al. | A fully implantable wireless neural interface for simultaneous recording from multiple sites of peripheral nerves in free moving animal | |
| US20220126099A1 (en) | Physiologic signal transmitter and receiver device | |
| Yan et al. | Intracranial EEG Recordings of High-Frequency Activity From a Wireless Implantable BMI Device in Awake Nonhuman Primates | |
| WO2017041138A1 (en) | Systems and methods of neuromodulation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |