KR20180126456A - 신경근 자극 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 넓은 펄스 폭, 고주파수, 신경근 전기 자극 ("WPHF-NMES")을 사용한 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

신경근 자극 시스템 및 방법

본 발명은 일반적으로 외상성 및 비-외상성 척수 손상, 뇌졸중 및 뇌 손상을 포함하는 신경 재활 분야에 관한 것이다. 척수 손상, 뇌 손상 또는 신경학적 장애가 있는 인간의 자세, 팔과 다리 동작(movement), 및 서기(standing)뿐만 아니라 근육 및 뼈 손실, 심혈관 및 호흡 기능의 회복을 용이하게 하는 방법이 제공된다.

아래에 인용되거나 참고되는 모든 문헌은 본원에 참고로 명백하게 포함된다.

척수 손상(spinal cord injury, SCI)은 미국에서 일 년에 수 천명의 개인에게 영향을 주어서 근육의 자발적 제어의 손실, 심한 근육 위축 및 뼈 손실을 초래한다. SCI 6주 후에, 병변 수준 아래의 골격근은 단면적이 감소하고 빠른 섬유 표현형으로의 쉬프트(shift)가 시작된다. SCI를 갖는 개인은 전형적으로 섬유주 골단(trabecular epiphyses)의 악화와 피질 벽의 박화로 인하여 이들의 골밀도 (BMD)의 50-60%를 손실한다. 이러한 급격한 근골격계의 악화로 인해, SCI를 갖는 개인은 하지 말단부 골절(lower extremity fracture)을 당할 확률이 2%이며, 이는 일반 인구의 골절 위험의 두 배이다.

신경근 전기 자극(Neuromuscular electrical stimulation, NMES)은 무엇보다도 SCI를 갖는 환자의 신경 재활을 위한 방법이다. NMES는 근복(muscle belly) 또는 말초 신경 몸통(peripheral nerve trunk) 상의 피부에 위치하는 자극 전극(stimulating electrodes)하에서 축색(axons)을 탈분극(depolarising)하여 수축을 생성한다. 전통적으로, NMES는 상대적으로 좁은 펄스 폭 (0.05-0.4ms)과 저주파수 (20-40Hz)를 사용하여 전달된다. 이 전통적인 유형의 NMES는 운동 축색(motor axons)의 활성화를 촉진하므로 중추 신경계 (CNS)를 포함하지 않는 말초 경로를 통해 주로 수축을 생성한다. 따라서, 전통적인 NMES는 운동 유닛 타입의 무작위 소집 오더(random recruitment order)로, 비-생리학적 방식으로 운동 유닛(motor units)을 모집하고, 모든 운동 유닛이 동시에 방전된다.

그러나, 전통적인 NMES는 많은 단점을 갖는다. 무작위 모집 오더는 마비 후 불용-관련 합병증(disuse-related complications)을 일으키는 데 가장 취약한, 피로 저항 근육 섬유를 상대적으로 비활성으로 한다. 동시 방전은 모든 운동 유닛이 동시에 방전하므로 방전율(discharge rates)이 비정상적으로 높아야 기능적으로 의미있는 수축을 생성하기에 충분한 진폭의 부드러운 수축이 발생함을 의미한다. 이러한 높은 방전율은 비슷한 진폭의 자발적 수축과 비교하여 개별 운동 유닛의 신진 대사 요구를 증가시킨다. NMES (무작위 모집 오더, 동시 방전) 동안 운동 유닛 모집의 이들 비-생리적 측면 모두는 재활을 위한 NMES의 이점과 광범위한 사용을 제한한다.

추가적으로, NMES는, 전형적으로 참가자가 누워있는(supine) 동안, 한 번에 적어도 하나의 근육 상에 전달된다. 이러한 전통적인 NMES 접근법은 예를 들어, 사지 모두의 다중-근육 자극보다는 허벅지 또는 하지에 대한 수축을 초래한다. 나아가, 수축은 또한 중추 신경계로부터의 출력에 의해 생성되는 자발적인 수축과는 다르며, 따라서 잠재적으로 근육 비대에 바람직하지 않은 정체기(plateau)를 제공할 수 있다. 심지어, 저-강도 NMES-사이클링은 급성 또는 만성 SCI를 갖는 개인의 BMD에 영향을 주지 않는다. 대조적으로, 고-강도 NMES 사이클링은 만성 SCI를 갖는 개인의 원위 대퇴골(distal femur) 및 근위 경골(proximal tibia)에서 BMD를 약 10-14% 증가시키는 것으로 나타났다.

따라서, 마비를 초래하는 신경근 손상, 질병 또는 장애를 앓고 있는 환자에서 보다 높은 재활 효능을 위해 중추 신경계가 관련되고, 고-강도 NMES를 이용하는 다중 근육 그룹의 NMES에 대한 필요성이 이 기술분야에 존재한다. 또한, NMES는 트렁크 뻗음(trunk extension) 및 앉기 서기 활동과 같은 기능적 과제와 결합될 것이다.

본 발명은 NMES를 생성하기 위한 자극기를 사용하는 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복 방법에 관한 것으로, 상기 NMES는 넓은-펄스 폭 및 고주파를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 넓은 펄스 폭, 고주파수 NMES는 본원에서 "WPHF-NMES"로 지칭된다. 상기 방법은 복수의 근육 그룹을 자극하기 위해 대상에게 표면 전극을 배치하는 단계; 및 프로토콜에 따라 a) 근육 그룹에 대한 각각이 WPHF-NMES의 조합을 포함하는, 복수의 개입 세션(multiple intervention sessions) 및 b) 특정한 신체 활동 요법(physical activity regime)을 부여하는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 복수의 표면 전극; 상기 복수의 표면 전극에 연결된 자극기; 및 상기 자극기에 연결된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 프로토콜에 따라 복수의 근육 그룹에 WPHF-NMES를 동시에 부여하도록 상기 자극기를 제어하도록 개작된다.

도 1은 본 발명에 따른 NMES 시스템의 예시적인 구현예를 도시한다.

본 발명의 도면 및 설명은 명확하게 하기 위한 목적으로, 전형적인 시스템 및 배치에서 많은 다른 요소를 제거하고, 단순화하여 본 발명의 명확한 이해와 관련이 있는 요소를 예시하였다. 이 기술분야의 기술자는 다른 요소 및/또는 단계가 본 발명을 구현하는데 바람직하고 및/또는 요구된다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 이러한 요소 및 단계는 당해 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명을 더 잘 이해하도록 하는 것을 용이하게 하지는 않기 때문에, 이러한 요소 및 단계에 대한 설명은 본원에 제공되지 않는다. 본원의 개시 사항은 이 기술분야의 기술자에게 알려져 있는 이러한 요소 및 방법에 대한 모든 이러한 변형 및 변경에 관한 것이다. 나아가, 본원에서 식별되고 도시된 구현예는 단지 예시적인 목적인 것이며, 본 발명의 이들의 설명에서 대하여만 이거나 이로 제한되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명의 방법 및 시스템은 특정한 과제(task) 동안 CNS 회로의 전기생리학적 특성(electrophysiological properties)의 조정을 용이하게 한다. 이들은 참가자로부터의 의도적인 척추상 신호(supraspinal signals), NMES에 의해 유발된 구심성 신호(afferent signals) 및 과제 동안 활성화된 자기수용기(proprioceptors)에 의해 제공되는 감각 피드백(sensory feedback)의 조합에 의한 CNS 회로의 활성화를 가능하게 한다. 이들 신호는 함께 특정한 운동 기능(motor function)을 회복하도록 신경계의 적응성(plasticity)을 유도한다. 또한, 본 발명의 방법 및 시스템에 의한 CNS 전기 회로망(circuitry)의 일관된 활성화는 근육의 보다 많은 토크 생성을 제공하고, 심혈관 및 호흡기 합병증뿐만 아니라 근육 및 뼈 손실과 같은 마비의 2차적인 결과를 개선시킨다.

발명자는 전통적인 자극 기술보다 WPHF-NMES에 의한 근육의 토크 발생이 현저히 더 크다는 것을 발견했다. 발명자는 WPHF-NMES로 치료된 만성 SCI 환자의 팔 및 손 기능의 회복을 문서로 기록하였다. 나아가, 본 발명의 방법 및 시스템을 이용한, 상부 및 운동 뉴런 손상 모두를 갖는 개인에게서 다리 및 몸통을 자발적으로 움직이는 능력뿐만 아니라 개선된 몸통(trunk) 안정성, 자세, 서기 및 걷기가 관찰되었다.

본 발명자는 예를 들어, 표면 전극을 사용하여 중추 신경계를 통한 경로를 통해 수축을 생성하는 이러한 방식으로 WPHF-NMES 자극을 전달함으로써 전통적인 NMES의 한계를 극복하였다.

본 발명의 방법을 이용하여 수축이 생성되는 경우에, 운동 뉴런은 시냅스적으로 모집되며, 따라서 자발적인 수축 (규칙적으로 모집(orderly recruitment), 비동시 방전(asynchronous discharge)) 동안 피로를 감소시킨다. 놀랍게도, 본 발명에 이르기까지, NMES 동안 전기적으로-유발된 감각 발리(sensory volley)를 통해 시냅스적으로 운동 유닛을 모집하는 방법은 거의 개발되지 않았다. 어느 정도 성공한 두 가지 접근법은 600 Hz의 고주파수(Baratta et al., 1989); 또는 애노드(anodal) NMES (Fang and Mortimer 1991)를 사용하는 대형 운동 유닛에서 활동 전위를 차단하는 이식형 전극(implanted electrodes)을 포함한다. 각각의 경우에, 활동 전위는 근위 전극에서 시작되고 신경 몸통(trunk)을 따라 멀리 위치된 전극에서 차단된다. 이들 방법은 NMES가 커프 전극(cuff electrode)으로 신경 몸통(nerve trunk)에 전달될 때 발생하는 운동 축색의 역전된 운동 유닛 모집 오더의 이점을 이용한다 (Gorman and Mortimer 1983). 대형 운동 유닛은 외부에서 인가된 전류에 의해보다 쉽게 탈분극(depolarize)되므로(Blair and Erlanger 1933), 대형 운동 유닛은 직류, 고주파수 또는 애노드 NMES(anodal NMES)의 낮은 진폭에서도 보다 쉽게 차단된다. 유사하게, 자극 파형을 변경하는 것은 또한 모집 오더(recruitment order)를 변경하는데 효과적인 것으로 나타났지만 (Gorman and Mortimer 1983; Grill and Mortimer 1995; Grill and Mortimer, 1996), 이 연구는 주로 신경 커프를 사용하여 수행되었으며, 이러한 기술로 유발된 수축의 개선된 모집 오더 및 피로 저항 개선(improving-fatigue-resistance)의 달성에 의한 효과는 철저하게 시험되지 않았고 대체로 포기되었다 (Solomonow 1984). 또한, 이러한 기술은 피부 표면 상에 위치된 전극을 사용하여 적용된 WPHF-NMES에 대하여는 실현 가능하지 않으며, 따라서 본 발명과 상반된 것을 교시한다.

본 발명자는 예를 들어, 적어도 대략 1 ms의 더 넓은 펄스 지속 기간 (pulse durations) 및 전통적으로 사용되는 것보다 더 큰, 예를 들어, 대략 100 Hz의 더 높은 주파수를 포함하는 WPHF-NMES가 CNS를 가로지르는(traverse) 경로를 통해 수축을 생성한다는 것을 발견했다. 따라서 본원에 개시된 WPHF-NMES 파라미터는 전기적으로 유발된 감각 발리를 증가시켜서 운동을 제어하고, 전통적인 NMES를 사용하여 생성된 수축에 비하여, 보다 피로-저항성(fatigue-resistant)이고 근육 및 뼈 위축을 감소시키고 근육의 자발적 제어를 향상시키는 수축을 생성하는 CNS 회로와 결합하도록 디자인된다.

본 발명에 따른 예시적인 WPHF-NMES 세션 동안, 수축은 2개의 경로를 통해 발생한다. 수축의 일부는 자극 전극(stimulating electrodes) 아래의 운동 축색의 활성화로 인해 잘-확립된 말초 경로(peripheral pathway)에서 발생한다. 그러나 감각 축색의 활성화로부터 추가 토크가 발생하여, CNS를 통해 이동하고 근육으로 되돌아가는 경로를 통해 운동 유닛을 모집한다. 이는 자극 세기가, 다른 펄스 지속 기간 (따라서, 전체 자극 전하)에 대하여 조절되어 자극이 유사한 수의 운동 축색, 즉 유사한 크기의 M-웨이브(M-waves)를 모집하도록 보장되는 경우에도 발생한다. 자극 위치와 CNS 사이의 신경이 마취제로 차단되었을 때, 추가 토크가 발생하지 않기 때문에 증가된 토크는 CNS 회로를 포함한다는 것이 확인되었다 (Collins et al., 2001; Collins et al., 2002; Lagerquist et. al., 2009).

발명자는 WPHF-NMES가 전통적인 NMES에 비하여, 비교적 큰 감각 발리가 CNS로 보내지기 때문에 추가적인 수축을 생성한다는 것을 발견했다. 두 가지 이유가 이를 설명한다. 첫째, 감각 축색은 두 가지 타입의 축색에서 이온 채널의 보완(compliment)의 차이로 인하여 운동 축색보다 낮은 레오베이스(rheobase)와 더 긴 강도(strength) 지속 기간을 갖는다 (Mogyoros et al., 1996; Burke 2007). 이 방식에서, 일정한 수의 운동 축색이 자극되었을 때, 즉, 유사한 크기의 M-웨이브인 경우, 더 넓은 펄스가 감각 축색을 더 큰 비율로 모집하여, 수축(Panizza et al., 1989) 및 더 큰 토크 (Lagerquist and Collins 2008; Lagerquist and Collins 2010)에 더 큰 반사적 기여를 한다. 둘째, 예를 들어, 대략 100Hz의 비교적 높은 자극 주파수는, 전통적인 NMES 동안 발생하는 것보다 주어진 시간 내에 CNS에 더 많은 임펄스(impulse)를 보낸다.

또한, 본 발명자는 다중-근육(multi-muscle) WPHF-NMES 세션이 예를 들어, 다이나믹 스탠딩(dynamic standing)과 같은 신체 활동과 결합되는 경우에, 엉덩이 및 무릎에서 BMD가 증가됨을 발견했다. 다중-근육 WPHF-NMES에 의한 다이나믹 스탠딩 동안의 하중 힘(loading force)은 예를 들어, 사지(limb) 각각에 대하여 대략 0.7 체중(body weight)일 수 있다. 예를 들어, 다이나믹 스탠딩 개입과 같은 신체 활동과 함께 다중 근육 WPHF-NMES 세션의 조합은 근력(muscle strength) 및 근육량(muscle volume)을 증가시킬 수 있다.

생리학적으로, WPHF-NMES에 의해 생성된 강화된 시냅스 구동은 운동을 제어하는 CNS 회로와 결합한다. 이 방식에서, WPHF-NMES는 운동 뉴런을 시냅스적으로 그리고, 전통적인 NMES보다 더 생리학적으로-관련성 있는 방식으로 모집한다. WPHF-NMES가 Henneman의 크기 원리에 따라 운동 유닛을 모집하며 많은 운동 유닛은 서로 비동시적으로 방전된다 (Dean et al., 2014). 피로-저항성(fatigue-resistant) 운동 유닛이 먼저 모집되고 기능적으로 관련된 진폭에서 수축을 생성하기 위해 운동 유닛 방전(discharge)이 낮아야 하기 때문에, 운동 유닛 모집의 이들 측면 모두는 자발적 수축의 피로를 감소시킨다. 또한, WPHF-NMES는 뇌로부터 근육으로의 자발적인 명령을 중재하는 경로의 흥분성을 증가시킨다 (Mang et al., 2010). 50 Hz 또는 200 Hz가 아닌 대략 100 Hz에서 전달된 NMES는 피질척수로(corticospinal pathway)의 흥분성을 증가시킨다. 자발적인 명령을 중재하는 흥분성 CNS 회로에 대한 WPHF-NMES의 영향은 이 접근법을 사용하여 관찰된 자발적인 제어의 개선에 부분적으로 책임이 있다.

도 1은 본 발명의 방법을 수행하는데 사용 가능한 본 발명에 따른 예시적인 시스템 (100)을 도시한다. 도 1을 참고하여, 시스템 (100)은 복수의 표면 전극 (120)에 와이어 (125)에 의해 연결된 자극기 (110)를 포함한다. 프로그램 가능하거나 프로그램된 제어기 (130)는, 표면 전극 (120)이 하나 이상의 근육 그룹을 자극하기 위해 대상에게 위치되는 경우에, 하나 이상의 WPHF-NMES 세션을 구현하도록 자극기 (110)를 제어하도록 자극기에 연결되고 구성된다. 일 구현예에서, 제어기 (130)는 프로토콜에 따라 복수의 근육 그룹에 대하여 동시에 WPHF-NMES 세션을 부여하도록 자극기 (110)를 제어하도록 개작된다. 제어기 (130)는 근육 그룹에 대한 WPHF-NMES의 최소 1회의 개입 트레이닝 세션(interventional training session) 동안 예를 들어, 대략 0.5 내지 3 밀리초 또는 이보다 큰 펄스 폭을 발생시키도록 자극기를 제어한다. 다른 구현예에서, 개입 트레이닝 세션은 특정한 신체 활동 요법과 조합되어 대상의 중추 신경계를 통한 경로를 통해 적어도 부분적으로 수축을 생성한다.

다른 구현예에서, 시스템 (100)의 제어기 (130)는 WPHF-NMES 세션에 대해 예를 들어, 대략 50-150 Hz와 유사한(on the order of) 고주파를 생성하도록 자극기 (110)를 제어한다. 제어기 (130)는 단일 WPHF-NMES 세션이 대략 DC로부터 예를 들어, 150 Hz, 그러나, 바람직하게는 100 Hz와 같은 고주파수로의 주파수의 초기 증가를 포함하고, 이러한 고주파수가 특정한 신체 활동에 적합한 근육 수축을 생성하기에 충분한 지속 기간 동안 남아있고, 그 후에, 휴식 기간이 선택적으로 후속될 수 있도록, 자극기 (110)를 추가적으로 제어한다. 다른 구현예에서, 제어기 (130)는 하중 힘이 대상에게 가해지는 동안 적어도 하나의 WPHF-NMES를 부여하도록 자극기 (110)를 제어한다.

대상에게 WPHF-NMES 세션을 부여할 수 있는 임의의 제어 가능한 자극기가 본 발명에 따른 자극기 (110)에 대해 사용 가능하다는 것이 쉽게 이해되어야 한다. 본 발명에서 사용 가능한 자극기의 적합한 예는, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 메릴랜드주 볼티모어의 Restorative Therapies, Inc.의 것을 포함한다. 제어기 (130)는 본 발명에 따라 하나 이상의 WPHF-NMES 세션을 부여하도록 자극기 (110)를 제어 할 수 있는 임의의 제어기일 수 있다. 이러한 제어기의 적합한 예는, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 컴퓨터, 프로세서, 별도로 또는 자극기 (110) 내에 위치되는 마이크로제어기를 포함한다.

시스템 (100)의 전극 (120)에 대해 사용 가능한 적합한 표면 전극은 이 기술분야에 알려져 있고, 예를 들어, 미국 특허 제6,615,080호, 제7,177,705호, 제4,300,575호 및 제4,367,755호에 기재된 표면 전극과 같은 당업자가 용이하게 이용할 수 있는 생물 의학 표면 전극을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 특허는 모두 본원에 참고로 명백하게 포함된다. 도 1의 전극 (120)은 와이어 (125)에 의해 제어기 (130)에 결합되지만, 무선 전극을 사용하여 본 발명의 방법 및 시스템을 구현하는 것도 가능하며, 이러한 무선 전극은 자극기로부터 무선 신호를 수신하는 수신기를 포함하며, 자극기 (110)로부터 별도의 전원을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따라 대상에 하나 이상의 WPHF-NMES 세션을 부여하기 위한 시스템의 예시적인 구성을 도시하지만, 대상에게 하나 이상의 WPHF-NMES 세션을 부여할 수 있는 임의의 시스템 구성이 본 발명에 따라 이용 가능함이 쉽게 이해된다.

발명의 대표적인 구현예

본 발명의 일 구현예에서, 마비를 초래하는 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 a) 상기 대상에게 복수의 근육 그룹을 자극하기 위한 표면 전극을 배치하는 단계; 및 b) 각각이 넓은 펄스 폭, 고주파수, 신경근 전기 자극 (WPHF-NMES)을 포함하는 복수의 개입 세션을 상기 근육 그룹에 부여하는 단계를 포함한다. 개입 세션(intervention session)의 부여는 특정한 신체 활동 요법과 결합된다. 본원에서 규정된 "대상(Subject)"은 이러한 WPHF-NMES 치료 세션을 필요로 하는 인간 또는 다른 동물을 포함한다. 일 구현예에서, 대상은 인간이다. 본 발명의 다른 구현예에서, 신경근 고통으로 고생하는 인간은 사지 마비, 대마비(paraplegic) 또는 반신마비(hemiplegic) 환자이다.

일 구현예에서, WPHF-NMES 세션에서 사용되는 넓은 펄스 폭은 예를 들어, 대략 0.5 내지 3 밀리초이다. 본 발명의 특정한 구현예에서, 넓은 펄스 폭은 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 및 3.0 밀리초 또는 이들의 조합일 수 있다.

WPHF-NMES 세션에서 사용되는 주파수는, 예를 들어, 대략 50 내지 150 Hz 범위이다. 특정한 구현예에서, 고주파수는 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137,138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149 및 150 Hz 또는 이들의 조합일 수 있다.

WPHF-NMES 세션은 대상의 중추 신경계를 통한 경로를 통해 적어도 부분적으로 수축을 생성한다. WPHF-NMES의 단일 세션은 예를 들어, 저주파수에서 고주파수로의 주파수의 초기 증가를 포함하고, 그 후에, 특정한 신체 활동에 적합한 근육 수축을 생성하도록 이 고주파수를 유지하는 것을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, WPHF-NMES 세션은 하나 이상의 휴지 기간(rest periods)을 추가로 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 저주파수는 5Hz 미만이다. 다른 구현예에서, 저주파수는 직류 (DC)이다.

본 발명의 다른 구현예에서, 개입 세션의 수는 목표 수준의 회복이 달성될 때까지 부여된다. 목표 수준은 마비를 초래한 손상의 타입, 손상의 정도, 대상의 연령 및 기타 생리적 파라미터와 같은 많은 임상 요인에 의해 결정된다. 예를 들어, 신경근 손상, 질병 또는 장애는 외상 및/또는 비-외상성 척수 손상, 뇌졸중 또는 뇌 손상일 수 있는 마비이다.

상술한 바와 같이, WPHF-NMES 개입은 신경-재활 기술에서 일반적인 신체 활동 요법과 결합 될 수 있다. 일 구현예에서, 하나 보다 많은 특정한 신체 활동이 부여된다. 신체 활동은, 이로써 제한하는 것은 아니지만, 서기, 않기, 앉기-서기 전환, 걷기, 체중 부하(weight-bearing), 신체 부위 굽힘 또는 신체 부위 신장(뻗음, extending) 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 구현예에서, 서기(standing)는 다이나믹 스탠딩 또는 임의로 트레이드밀 상에서, 하니스(harness) 매달린, 스탠딩일 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 예를 들어, 개입 세션 동안 대상에게 하중 힘(loading force)을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 하중 힘의 예는 뼈의 장축에 평행한 압축력을 포함한다.

본 발명자는 예기치 않게 회복이 대상의 자발적 또는 전기적으로-유발된 수축 동안 근육에 의해 생성된 힘의 증가 또는 수축-피로 감소를 포함함을 발견했다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 방법은 대상에서의 근육 또는 뼈 위축(atrophy)의 감소 및 동작 과제 동안의 골격근의 자발적인 제어의 증가를 초래한다.

실시예

본 개시사항은 다음의 실시예에 의해 추가로 설명되며, 이는 본 개시사항을 본원에 기술된 특정한 절차에 대한 범위 또는 사상으로 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 실시예는 특정한 구현예를 설명하기 위해 제공되며, 이로써 본 개시사항의 범위를 제한하려는 의도는 아닌 것으로 이해된다. 본 개시사항의 사상 및/또는 첨부된 특허청구 범위의 범위를 벗어나지 않고, 이 기술분야의 기술자에게 제안할 수 있는 다양한 다른 구현예, 변형 및 균등물이 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 추가적으로 이해된다.

실시예

와이드 펄스 고주파수 신경근 전기 자극

표면 전극을 하부 및/또는 상부 사지 및 몸통 (다리, 몸통, 팔, 손)의 근육 및 신경에 위치시켰다. 자극은 1 ms 이상의 지속 기간과 적어도 100 Hz의 주파수를 갖는 펄스를 사용하여 주파수-변조된 패턴으로 전달되었다. WPHF-NMES는 운동 및 감각 축색을 활성화시켜 수축을 일으키도록 디자인되었으며, 후자는 동작을 제어하는 중추 신경계의 척수 및 다른 회로를 활성화한다.

자극의 시간 파라미터(temporal parameters)는 회복을 목표로 하는 특정한 운동 과제(motor task)와 동시화(synchronized)되었다. WPHF-NMES는 보상적 운동의 제한된 사용으로 부상 전(pre-injury) 또는 정상적인 활동을 대표하는 수준으로 운동 기능을 개선하기 위해, 아래에 설명된 바와 같이 일상 생활의 특정한 과제에 대한 교육과 결합되었다.

WPHF - NMES와 결합된 다이나믹 스탠드 재교육

목적은 운동을 제어하는 중추 신경계의 척수 및 다른 회로의 활성화를 강화시키는 것과 동시에, 다이나믹 체중 부하를 용이하게 하고 기립 근육의 활성화를 증가시키는 것이다. 두 다리와 몸통의 주요 근육 그룹은 하지와 몸통의 근육 또는 신경 위에 놓인 표면 전극을 사용하여 동시에 자극되었다. 자극은 1 ms 이상의 지속 기간과 적어도 100 Hz의 주파수를 갖는 펄스를 사용하여 주파수-변조된 패턴으로 전달되었다.

WPHF-NMES는 운동 및 감각 축색을 활성화시켜서 수축을 생성하도록 디자인되었으며, 후자는 동작을 제어하는 중추 신경계의 척수 및 다른 회로를 활성화하였다. 자극된 근육은 하퇴삼두근(triceps surae), 전경골근(tibilias anterior), 대퇴사두근(quadriceps femoris), 햄스트링스(hamstrings), 대둔근(gluteus maximus) 및 척추 기립근(erector spinae)을 포함하였다.

참가자는 다이나믹 스탠딩 프레임에 서 있거나 또는 트레이드밀(treadmill) 위의 오버헤드 케이블 (예를 들어, 체중 지지부)에 의해 하니스에 매달려 서 있었다. 필요시 균형을 보조하는 다른 장치가 사용되었다. 다이나믹 스탠딩 프로토콜은 정상적인 스탠딩과 같이 안정된 제어를 복원하는 것을 목표로 하고 서있는 동안 일련의 동적인 동작을 반복적으로 수행하는 것을 포함하였다. 치료사 또는 다른 트레이너는 과제를 용이하게 하기 위해 원하는 운동 패턴(motor pattern)을 촉진할 수 있는 특정한 기술을 사용하여 필요에 따라 수동 보조를 제공하였다.

WPHF - NMES와 결합된 앉기 서기(Sit to Stand)

목적은 몸통, 골반 및 다리에서 운동학을 사용하여 앉은 자세에서 서있는 자세로 전환을 가능한 한 부상 전 수준에 근접하게 하는 것이었다. 다리, 골반 및 몸통의 주요 근육은 WPHF-NMES를 사용하여 앉기 서기를 용이하게 하기 위해 시간 순서(temporal sequence)로 자극되었다. 자극은 1 ms 이상의 지속 기간과 적어도 100 Hz의 주파수를 갖는 펄스를 사용하여 주파수-변조된 패턴으로 전달되었다. WPHF-NMES는 운동 및 감각 축색을 활성화시켜 수축을 생성하도록 디자인되었으며, 후자는 동작을 제어하는 중추 신경계의 척수 및 다른 회로를 활성화하였다. 자극된 근육은 하퇴삼두근(triceps surae), 전경골근(tibilias anterior), 대퇴사두근(quadriceps femoris), 햄스트링스(hamstrings), 대둔근(gluteus maximus) 및 척추 기립근(erector spinae)을 포함하였다.

WPHF - NMES와 결합된 앉기에서의 몸통 뻗음(Trunk Extension)

몸통의 주요 근육 그룹은 앉아있는 동안 몸통 뻗음에 대한 순차적인 시간 패턴으로 자극되었다. 자극은 1 ms 이상의 지속 기간과 적어도 100 Hz의 주파수를 갖는 펄스를 사용하여 주파수-변조된 패턴으로 전달되었다. WPHF-NMES는 운동 및 감각 축색을 활성화시켜 수축을 생성하도록 부여되었으며, 후자는 동작을 제어하는 중추 신경계의 척수 및 다른 회로를 활성화시켰다. 몸통의 주요 근육 그룹은 몸통 근육의 운동 포인트 위에 놓인 표면 전극을 사용하여 동시에 자극되었다. 자극된 근육은 복근(abdominals), 상하부 척추 기립근 및 승모근을 포함하였다.

WPHF - NMES와 결합된 오버헤드 프레스(Overhead Press)

각 팔 및 몸통의 근육은 오버헤드 프레스 동작에 적합한 순차적인 패턴으로 자극되었다. 표면 전극은 몸통과 팔의 근육 또는 신경 위에 놓였다. 자극은 1 ms 이상의 지속 기간과 적어도 100 Hz의 주파수를 갖는 펄스를 사용하여 주파수-변조된 패턴으로 전달되었다. WPHF-NMES는 운동 및 감각 축색을 활성화시켜 수축을 생성하도록 디자인되었으며, 후자는 동작을 제어하는 중추 신경계의 척수 및 다른 회로를 활성화하였다.

본 발명은 다음의 번호가 매겨진 문단에 의해 추가로 기술된다:

1. 마비를 초래하는 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 방법으로서,

a) 상기 대상에게 복수의 근육 그룹을 자극하기 위해 표면 전극을 배치하는 단계; 및

b) 특정한 신체 활동 요법과 함께 상기 근육 그룹에 각각이 넓은 펄스 폭, 고주파수, 신경근 전기 자극 (WPHF-NMES)의 조합을 포함하는 복수의 개입 세션을 부여하는 단계를 포함한다.

2. 상기 넓은 펄스 폭은 0.5 내지 3 밀리초인, 문단 1의 방법.

3. 상기 고주파수는 50 내지 150 Hz인, 문단 1의 방법.

4. 상기 WPHF-NMES는 상기 대상의 중추 신경계를 통한 경로를 통해 적어도 부분적으로 수축을 생성하는, 문단 1의 방법.

5. WPHF-NMES의 단일 세션은 저주파수로부터 50 내지 150HZ의 고주파수까지의 주파수의 초기 증가를 포함하고, 특정한 신체 활동에 대하여 적합한 근육 수축을 생성하도록 이 고주파수를 유지하는, 문단 1의 방법.

6. 상기 저주파수는 5Hz 미만인, 문단 5의 방법.

7. 상기 저주파는 DC인, 문단 6의 방법.

8. 상기 개입 세션의 수는 목표 수준의 회복이 달성될 때까지 부여되는, 문단 1의 방법.

9. 마비를 초래하는 상기 신경근 손상, 질병 또는 장애가 외상성 및/또는 비-외상성 척수 손상, 뇌졸중 또는 뇌 손상인, 문단 1의 방법.

10. 하나 보다 많은 특정한 신체 활동이 부여되는, 문단 1의 방법.

11. 상기 신체 활동은 서기, 앉기, 앉기 서기 전환(sit-to-stand transitioning), 걷기, 체중 부하, 신체 부위 굽힘 또는 신체 부위 뻗음 또는 이들의 조합인, 문단 1의 방법.

12. 상기 서기는 다이나믹 스탠딩 또는 하니스에 매달린 스탠딩인, 문단 11의 방법.

13. 특정한 신체 활동 요법과 함께 상기 근육 그룹에 대한 WPHF-NMES의 조합의 개입 세션 동안 상기 대상에게 하중 힘(loading force)을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 문단 1의 방법.

14. 상기 회복은 상기 대상의 자발적 또는 전기적으로-유발된 수축 동안 근육에 의해 생성된 힘의 증가 또는 수축-피로의 감소를 포함하는, 문단 1 및 8의 방법.

15. 회복은 상기 대상에서 근육 또는 뼈 위축의 감소인, 문단 1의 방법.

16. 상기 대상은 인간인, 문단 1의 방법.

17. 상기 인간이 사지 마비, 대마비(paraplegic) 또는 반신마비(hemiplegic) 환자인, 문단 16의 방법.

18. 마비를 초래하는 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 시스템으로서,

a) 복수의 표면 전극;

b) 상기 복수의 표면 전극에 연결된 자극기; 및

c) 상기 자극기에 연결된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 프로토콜에 따라 복수의 근육 그룹에 WPHF-NMES 세션을 동시에 부여하도록 상기 자극기를 제어하도록 구성된다.

19. 제어기는 특정한 신체 활동 요법과 조합된, 근육 그룹에 대한 WPHF-NMES의 최소 1회의 개입 트레이닝 세션(interventional training session) 동안 0.5 내지 3 밀리초 또는 이보다 큰 펄스 폭을 생성하도록 자극기를 제어하여 상기 대상의 중추 신경계를 통한 경로를 통해 적어도 부분적으로 수축을 생성하도록 구성되는, 문단 18의 시스템.

20. 상기 제어기는 50-150Hz와 유사한 고주파수를 생성하도록 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 문단 19의 시스템.

21. 상기 제어기는 WPHF-NMES의 단일 세션이 DC로부터 150Hz까지의 주파수의 초기 증가를 포함하고, 특정한 신체 활동에 대하여 적합한 근육 수축을 생성하도록 이 고주파수를 유지하도록, 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 문단 19의 시스템.

22. 상기 제어기는 상기 대상에게 하중 힘이 적용되는 동안, 적어도 하나의 상기 WPHF-NMES를 부여하도록 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 문단 18의 시스템.

참고문헌

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본 발명은 특정한 구현예의 변형이 이루어질 수 있고, 첨부된 청구범위 내에 여전히 포함될 수 있으므로, 본 발명은 상기한 본 발명의 특정한 구현예로 제한되지 않는 것으로 이해된다.

Claims (22)

1. 마비를 초래하는 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 방법으로서,
   a) 상기 대상에게 복수의 근육 그룹을 자극하기 위해 표면 전극을 배치하는 단계; 및
   b) 특정한 신체 활동 요법과 함께 상기 근육 그룹에 각각이 넓은 펄스 폭, 고주파수, 신경근 전기 자극 (WPHF-NMES)의 조합을 포함하는 복수의 개입 세션(intervention sessions)을 부여하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 넓은 펄스 폭은 0.5 내지 3 밀리초인, 방법
3. 제1항에 있어서,
   상기 고주파수는 50 내지 150 Hz인, 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 WPHF-NMES는 상기 대상의 중추 신경계를 통한 경로를 통해 적어도 부분적으로 수축을 생성하는, 방법.
5. 제1항에 있어서,
   WPHF-NMES의 단일 세션은 저주파수로부터 50 내지 150HZ의 고주파수까지의 주파수의 초기 증가를 포함하고, 특정한 신체 활동에 대하여 적합한 근육 수축을 생성하도록 이 고주파수를 유지하는, 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 저주파수는 5Hz 미만인, 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 저주파는 DC인, 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 개입 세션의 수는 목표 수준의 회복이 달성될 때까지 부여되는, 방법.
9. 제1항에 있어서,
   마비를 초래하는 상기 신경근 손상, 질병 또는 장애가 외상성 및/또는 비-외상성 척수 손상, 뇌졸중 또는 뇌 손상인, 방법.
10. 제1항에 있어서,
    하나 보다 많은 특정한 신체 활동이 부여되는, 방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 신체 활동은 서기, 앉기, 앉기 서기 전환(sit-to-stand transitioning), 걷기, 체중 부하, 신체 부위 굽힘 또는 신체 부위 뻗음(extending) 또는 이들의 조합인, 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 서기는 다이나믹 스탠딩 또는 하니스(harness)에 매달린(suspended in) 스탠딩인, 방법.
13. 제1항에 있어서,
    특정한 신체 활동 요법과 함께 상기 근육 그룹에 대한 WPHF-NMES의 조합의 개입 세션 동안 상기 대상에게 하중 힘(loading force)을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
14. 제1항 및 제8항에 있어서,
    상기 회복은 상기 대상의 자발적 또는 전기적으로-유발된 수축 동안 근육에 의해 생성된 힘의 증가 또는 수축-피로의 감소를 포함하는, 방법.
15. 제1항에 있어서,
    회복은 상기 대상에서 근육 또는 뼈 위축의 감소인, 방법.
16. 제1항에 있어서,
    상기 대상은 인간인, 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 인간이 사지 마비, 대마비(paraplegic) 또는 반신마비(hemiplegic) 환자인, 방법.
18. 마비를 초래하는 신경근 손상, 질병 또는 장애로 고통받는 대상의 재활, 치료 또는 회복을 위한 시스템으로서,
    a) 복수의 표면 전극;
    b) 상기 복수의 표면 전극에 연결된 자극기; 및
    c) 상기 자극기에 연결된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 프로토콜에 따라 복수의 근육 그룹에 WPHF-NMES 세션을 동시에 부여하도록 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
19. 제18항에 있어서,
    상기 제어기는 특정한 신체 활동 요법과 조합된, 근육 그룹에 대한 WPHF-NMES의 최소 1회의 개입 트레이닝 세션(interventional training session) 동안 0.5 내지 3 밀리초 또는 이보다 큰 펄스 폭을 생성하도록 자극기를 제어하여 상기 대상의 중추 신경계를 통한 경로를 통해 적어도 부분적으로 수축을 생성하도록 구성되는, 시스템.
20. 제19항에 있어서,
    상기 제어기는 50-150Hz와 유사한(on the order of) 고주파수를 생성하도록 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
21. 제19항에 있어서,
    상기 제어기는 WPHF-NMES의 단일 세션이 DC로부터 150Hz까지의 주파수의 초기 증가를 포함하고, 특정한 신체 활동에 대하여 적합한 근육 수축을 생성하도록 이 고주파수를 유지하도록, 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
22. 제18항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 대상에게 하중 힘이 적용되는 동안, 적어도 하나의 상기 WPHF-NMES를 부여하도록 상기 자극기를 제어하도록 구성되는, 시스템.

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