KR20180066620A - 지속적 뇌 자극이 가능한 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자극을 위해 최소한의 전자부품과 전원을 사용하여 동물의 두부(head)에 부착 가능하도록 하며, 마이크로프로세스를 사용하여 정전류방식으로 교류 및 직류 파형을 하루에 50 ~ 100 ㎂의 자극강도로 30 분 자극 시간으로 15 일 이상 뇌를 자극할 수 있는 동물실험용 경두개 전기자극시스템 (transcranial electrical stimulation)에 관한 것으로, 본 발명의 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템은, PCB 기판(1)과, 상기 PCB 기판(1)에 부착된 전원(2)과, 상기 PCB 기판(1)에 스테인레스강선으로 전기적으로 연결되어 실험동물의 두부에 직접 삽입되어 장착되는 서스강철로 된 전극(3a)과, 상기 PCB 기판(1)에 스테인레스강선으로 전기적으로 연결되어 실험동물의 가슴이나 복부에 직접 삽입되는 서스강철로 된 전극(3b)을 포함하고, 마이크로프로세스를 사용하여 정전류방식으로 교류 및 직류 파형을 하루에 50 ~ 100 ㎂의 자극강도로 30 분 자극시간으로 15 일 이상 뇌를 자극할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

지속적 뇌 자극이 가능한 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템{Head mounted transcranial electrical stimulation system for animals}

본 발명은 동물실험용 경두개 전기자극시스템 (transcranial electrical stimulation)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자극을 위해 최소한의 전자부품과 전원을 사용하여 동물의 두부(head)에 부착 가능하도록 하며, 마이크로프로세스를 사용하여 정전류방식으로 교류 및 직류 파형을 하루에 50 ~ 100 ㎂의 자극강도로 30 분 자극 시간으로 15 일 이상 뇌를 자극할 수 있는 전기자극기에 관한 것이다. 본 발명은 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이다(NRF-2014R1A2A2A01002501와 NRF-2014R1A2A1A01005128).

경두개직류자극(Transcranial direct current stimulation, TDCS)장치는 재활의학과, 신경정신과 등에서 뇌에 자극을 주는 방식으로 활용되고 있는 뇌졸중, 우울증, 인지기능 조절 등 다양한 뇌기능 변화를 유도하는 비침습적 신경자극 장치이다.

두피에 부착된 2개의 전극을 통하여 일정 시간 동안 1 ~ 2 mA의 약한 직류 및 교류를 인가하여 두개골, 뇌척수액에 전류가 통과하여 대뇌피질을 자극할 수 있는 의료장치이다. 피질에 도착한 전류는 신경세포의 안정막 전압(resting membrane potential)을 조절하여 신경세포의 자발성 방전율(spontaneous discharge rate) 및 흥분성 신경물질 수용체 활성화를 변화시켜 뇌의 흥분도를 증가시킨다.

실험동물을 대상으로 다양한 뇌질환 모델들에서 경두개직류자극의 치료 방법의 개발 및 치료기전 규명을 진행하고 있다. 현재 실험동물은 주로 흰쥐와 생쥐를 사용하고 있는데, 실험동물의 경우 두부가 사람보다 작아서 전극의 부착 및 전극의 크기가 달라야 하며 자극방식도 다르다. 예를 들면 실험동물에서는 뇌를 자극하기 자극강도는 300 ㎂ 이내를 사용하며 전극도 10mm 이내의 전극을 사용한다.

현재 경두개 직류자극시스템은 여러 가지 형태로 사용되고 있는 데, 대표적인 사용되는 자극 방식은 도 1에 도시된 바와 같이 수술로 두개골을 절개하여 하나의 전극과 커넥터를 두개골에 고정하고 소량의 치과용 시멘트(dental ciment)로 매립하는 방식이다. 커넥터 및 전극이 이식된 머리 부분은 봉합사를 이용하여 두피를 봉합함으로써 감염의 위험을 줄여준다. 전기자극할 때 마다 매번 전선을 커넥테에 고정하고 이 전선을 외부에 설치한 전기자극기에 연결한다. 나머지 전극은 복대 등과 같은 고정창치를 이용하여 복부에 부착한다. 이 때 전극은 전선을 사용하여 외부 전극에 연결한다.

이 때 매번 실험할 때마다 전선을 사용하여 전극과 외부 전기자극기에 연결하기 때문에 실험하는 과정에 여러 문제점들이 발생할 수 있다. 첫째는 실험기간 동안 머리 움직임이나 수술부위를 앞발로 긁을 때, 전선이 꼭이거나 전극과 연결선의 이음매 부분에 단선이 빈번하게 발생한다. 둘째는 전선이 연결되어 있기 때문에 실험동물의 움직임을 제약하여 동물에게 스트레스를 가한다. 셋째로 전선을 통하여 외부 자극기에 연결되어 있기 때문에 동물의 행동에 제약을 가함으로써 다른 행동반응 검사에 어려움이 상존한다. 넷째로, 전기자극을 위해서는 매번 전선을 전극에 연결해야 되는데, 이 과정에서 실험동물을 인위적으로 고정시켜야 하기 때문에 실험동물에 많은 스트레스를 가함으로써 뇌 기능에 이상을 초래할 수 있다. 다섯째, 매번 전기자극할 때 마다 실험자가 실험동물과 접촉해야 하며 전극상태 및 전선 상태를 확인하기 위하여 실험자가 많은 시간을 사용해야 하는 단점이 있다.

등록특허 제10-1149530호

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실험동물의 두개골에 부착 가능하며 소형인 경두개 전기자극시스템을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템(transcranial electrical stimulation)을 제공하자 한다. 더욱 상세하게는 소형전원과 전기회로를 최소화하여 전기자극 시스템을 소형화하여 두부에 부착 가능하도록 하며, 마이크로프로세스를 사용하여 정전류 방식으로 교류 및 직류 파형을 하루에 100 ㎂의 자극강도로 30분 자극시간으로 15일 이상 뇌를 자극할 수 있는 전기자극기이다.

이를 위해서는

첫째, 전기자극에 필요한 전극을 서스강철 재질로 제작하여 부식 및 전기저항이 변화는 것을 최소하여하여 두개골과 복부에 삽입, 부착할 수 있도록 한다.

둘째, 전기자극기를 제작하면서 전력소모가 적은 전자부품을 선택하여 전자회로를 구성하여 직경 12mm 이내의 작은 크기로 제작한다.

셋째, 정전류 자극을 시행하기 위하여 AD 컨버터를 사용하여 전기자극하는 동안 변화할 수 있는 전극의 임피던스를 측정하여 전극의 임피던스를 측정할 수 있도록 한다.

넷째, 소형 리튬이온 건전지(3V 100 mAh)를 사용하여 2주 이상 전기자극이 가능하도록 한다.

본 발명에 의한 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템에 의하면, 두부에 고정하는 전기자극기와 삽입형 스테인레스 전극으로 이루어지므로 구성이 비교적 간단하며, 일단 실험동물에 위치시키면 연구자의 간섭이 없이 실험동물에 스트레스 없이 일정한 기간동안 지속적으로 경두개 전기자극이 가능하다.

또한 경두개 전기자극 동안 전극의 임피던스 변화에 대응하여 정전류을 인가할 수 있도록 하여 전기자극의 효과를 안정적이고 지속적으로 제공하여 뇌를 흥분시킬 수 있다.

도 1은 종래기술로서, 기존의 실험동물을 대상으로 전기자극기와 전선을 사용한 경두개 전기자극 방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 경두개 직류 전기자극 시스템의 구성 및 실험동물에 착용한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 서스(SUS)강철으로 제작한 기준전극과 활성전극을 나타낸 도면이다.
도 4는 경두개 전기자극를 위한 전자회로도를 나타낸 도면이다.
도 5는 PCB 기판으로 제작한 경두개 전기자극기 실제 사진이다.
도 6은 전극, 자극기, 건전지를 결합한 본 발명에 따른 경두개 전기자극 시스템의 실제 모형을 나타낸 사진이다.
도 7은 실험동물에 전기자극 시스템을 고정한 예를 보여주는 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동물실험용 착용형 경두개 전기자극 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2은 본 발명의 경두개 직류 전기자극 시스템의 구성 및 이를 실험동물에 장착 예를 나타낸 도면이다. 전기자극 시스템은 전기자극기를 구성하는 PCB 기판(1)(직경 12mm), 전원인 리튬건전지(2), 두개골 부착 전극(3a) 및 가슴 부착 전극(3b)로 이루어진 2개의 전극으로 구성된다. 좀 더 구체적으로 본 발명의 전기자극 시스템은, PCB 기판(1)과, 상기 PCB 기판(1)에 부착된 전원(2)과, 상기 PCB 기판(1)에 스테인레스강선으로 전기적으로 연결되어 실험동물의 두부에 직접 삽입되어 장착되는 서스강철로 된 전극(3a)과, 상기 PCB 기판(1)에 스테인레스강선으로 전기적으로 연결되어 실험동물의 가슴이나 복부에 직접 삽입되는 서스강철로 된 전극(3b)을 포함한다. 상기 전기자극 시스템은 다음과 같이 실험동물에 장착된다.

먼저 PCB 기판(1)과 리튬건전지(2)를 서로 부착하여 하나의 구성품으로 만들고, 스테인레스 강선(0.03 mm)을 사용하여 전기자극기 PCB 기판과 2개의 전극을 전기적으로 연결한다. 실험동물의 두개골에 자극전극을 부착하고 PCB 기판과 리튬건전지를 dental cement로 고정한다. 다른 전극은 복부나 등의 피부 밑에 삽입하여 고정한다.

도 3은 2개 전극의 예로 이들 전극은 장기간 생체에 삽입해서 전류를 통전시켜야 하기 때문에 부식이 최소화되면서 임피던스가 변화하지 않은 재질로 서스(SUS)강철(스테인리스)로 사용한다. 활성전극(active electrode)은 두개골에 부착하는 전극으로 서스강철 재질로 직경 3 mm 와 두께는 0.3 mm의 원형전극을 제작한다. 기준전극(reference electrode)는 전류가 특정부위에 집중되지 않도록 크기를 세로 20mm, 가로 25mm로 하여 충분한 면적을 확보하였으며 두께는 0.3 mm의 서스강철로 만든다.

도 4는 경두개 전기자극를 위한 전자회로도로 우선 교류자극 mode로 작동하기 위한 것으로 낮은 소비전력(sleep mode, 20 nA, watchdog 260 nA, operation mode, 30 ㎂)을 갖는 마이크로컨트롤러(U1, PIC12F1572)를 사용하여 01 ~ 20Hz의 주파수 신호를 발생하기 위하여 16bit PWMS 방식으로 구형파 신호를 발생한다. 그 다음 저항과 콘덴서(R1, C2)를 경유하여 전기적으로 적분을 실시하여 사인파을 생성한다. 이후 출력크기는 7 bit single IC (U2, MCP40D18)를 이용하여 50 ~ 150 ㎂로 설정한 다음 op 앰프(U3, MCP6231U)를 사용하여 voltage follower 역할을 수행하게 하여 출력을 안정적으로 유지한다. 실시하는 데 이 때 impedence 매칭 기능을 수행하고 저전압 SPDT　아날로그스위치(U4, NC7SB3157)를 ON 상태로 작동하여 교류전기를 전극에 인가한다. 한편 아날로그스위치와 마이크로컨트롤러(U1, PIC12F1572)를 이용하여 전기자극전에 전극의 임피던스를 측정한다. 즉, 전기자극전에 마이크로컨트롤러를 작동하여 아날로그스위치를 ON 상태로 작동하여 순간적으로 전압을 전극에 인가하여 콘데서(C3)을 경유하는 전류를 측정하여 전극의 임피던스를 계산한다. 이밖에도 마이크로컨트롤러는 전기자극 시간 및 자극 주기를 설정하며 파형 생성을 통하여, 주파수를 제어하는 사용된다.

한편 경두개 교류 전기자극 mode로 전기자극하기 위해서는 일정 시간동안 구형파를 생성하고 콘덴서(C2)를 제거하여 적분을 통한 사인파을 없게 한다. 나머지 전자부품들은 교류전자극 mode와 같이 사용한다.

도 5는 PCB 기판으로 제작한 경두개 전기자극기 실제 사진으로 두부 착용형 경두개 전기자극기는 전력소모가 적은 전자부품들을 최소한 사용하여 크기를 직경 12 mm로 하고 2주 이상 전기자극할 수 있도록 구성한다. 마이크로컨트롤러에 c언어를 사용하여 전기자극의 파라미터 즉, 자극 파형, 자극시간, 자극강도를 설정한다. 또한 마이크로컨트롤러가 매일 일정한 시간에 1회씩 반복적으로 전류를 인가할 수 있도록 자극간격을 설정한다. 또한 PWMS 방식을 사용하여 자극파형은 직류와 교류(사인파)를 생성하도록 한다. 전기자극 전에서 마이크로프로세서를 통하여 전극의 임피던스(impendence)를 순간적으로 계측하여 자극강도를 설정하도록 한다. 스위칭부는 부피를 최소화하기 위하여 PCB 기판에 작은 두 개의 단자로 제작하며, 전기자극기를 두개골에 삽입하는 동안 납땜으로 결체하여 OFF 상태에서 ON 상태로 전환한다. 이후 지속적으로 실험동물에 삽입하고 있는 동안 전기자극기가 ON 상태로 유지되도록 한다. 정전류소자는 마이크로컨트롤러에서 발생한 신호를 일정한 전류로 출력할 수 있도록 한다. 전원은 리튬이온 건전지(3 V 100 mAh)를 사용하여 전원이 안정적으로 2주 이상 사용할 수 있도록 한다.

경두개 전기자극기 사양

Voltage Supply: 3.0V Li-Polimer Battery(100mAh)

Output Current: 0~0.5mA-부하:500Ω

Frequency : 1 ~ 20 Hz

Stimulation On/Off Time : 20 ~ 30min/ 24hours

Waveform : DC, sine wave

도 6은 실험동물에 삽입하기 전에 전극, 자극기, 건전지를 결합한 실제모형으로 각 부품간 전선과 강철선을 납땜하여 서로 연결하고 납땝부위를 dental resin으로 도포하여 납 성분이 신체에 노출되지 않도록 한다.

도 7은 실험동물에서 전기자극시스템을 착용하는 과정을 보여주는 사진들로, 우선 건겅한 성인 흰쥐(SD rats, ~300g)를 마취한 다음 뇌 정위장치에 머리를 고정한다. 수술현미 하에서 상부두피를 절개하고 두개골을 노출시킨다. 전기자극기를 고정할 목적으로 우선 전두골과 소뇌부에 고정용 스테인리스 스크류를 각각 고정한다. 경부 피부를 절개한 다음 경부에 공간을 확보하고 기준전극(reference)을 경부에 삽입한다. 경두개적으로 뇌를 자극하는 활성전극(active electrode)은 전기전도성을 향상시키기 위하여 전도성 젤을 도포한 다음 순간접착제와 acrylic resin을 사용하여 자극하고자하는 두개골에 고정한다. 이후 dental cement를 사용하여 다시 한 번 활성전극을 도포한다. 전기자극기에 전원부에 납땜을 사용하여 전원을 ON상태로 유지시킨다. 그 다음 전기자극기와 건전지 일체를 dental cement를 사용하여 완전히 싸서 고정함으로써 수분이 들어가지 않게 하고 고정이 완전하게 이루어지도록 한다. 마지막으로 절개된 두피를 봉합사로 봉합하고 마취에서 회복되도록 한다. 이후 감염을 예방할 목적으로 3일간 항생제를 투여한다.

한편 경두개 전기자극가 수술한 이후에 ON 상태로 standby 상태를 유지하도록 하고 수술 3일 후부터 매일 30분씩 경두개 자극을 실시하고 이를 2주 이상 지속되도록 한다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1 : PCB 기판 2 : 리튬건전지
3a, 3b : 전극

Claims (5)

1. PCB 기판(1)과, 상기 PCB 기판(1)에 부착된 전원(2)과, 상기 PCB 기판(1)에 스테인레스강선으로 전기적으로 연결되어 실험동물의 두부에 직접 삽입되어 장착되는 서스강철로 된 전극(3a)과, 상기 PCB 기판(1)에 스테인레스강선으로 전기적으로 연결되어 실험동물의 가슴이나 복부에 직접 삽입되는 서스강철로 된 전극(3b)을 포함하고, 마이크로프로세스를 사용하여 정전류방식으로 교류 및 직류 파형을 하루에 50 ~ 100 ㎂의 자극강도로 30 분 자극시간으로 15 일 이상 뇌를 자극할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템.
2. 제1항에 있어서, 전기자극에 필요한 전극은 부식 및 전기저항이 변화를 최소하기 위하여 두께 0.3mm의 서스강철을 사용하며, 두개골에 부착하여 뇌를 자극하는 활성전극은 전류의 전달이 균일하도록 직정 3mm의 원형으로 제작하며, 복부에 부착하는 기준전극은 전류가 특정부위에 집중되지 않도록 25 x 20mm 넓은 직사각형으로 된 것을 특징으로 하는 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 전원(2)은 리튬 이온 건전지(3V 100mAh)로 2주 이상 자극이 가능하도록 최소한의 부품을 사용하여 직경 12mm 이내 크기로 제작하고, 저소비전력을 사용하는 마이크로컨트롤러(PIC12F1572)를 사용하여 전기신호 발생과 함께 자극시간, 자극강도, 자극주기를 통제하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(PIC12F1572)를 이용하여 직류파와 20Hz 미만의 교류파을 생성하며 특히 교류파 생성은 16bit PWMS 방식으로 구형파 신호 구현한 다음 저항과 콘덴서(R1, C2)를 경유하여 사인파를 생성하고, 직류 전류 자극시 마이크로컨트롤러에서 발생한 구형파를 콘덴서를 경유하지 않고 정전류소자에 전달하게 한 것을 특징으로 하는 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템.
5. 제4항에 있어서, SPDT 아날로그 스위치와 마이크로컨트롤러(U1, PIC12F1572)를 이용하여 전기자극 직전에서 전극의 임피던스(impendence)를 순간적으로 계측하여 자극강도를 설정하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 두부 착용형 소형 경두개 전기자극 시스템.

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