KR20190064205A - 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치에 관한 것으로서, 환자의 뇌 활성도를 측정하기 위하여 환자의 머리에 씌워진 고글과; 상기 고글에 동일한 간격을 두고 다수개 천공된 천공부에 각각 결착된 모듈가이드와; 상기 모듈가이드의 모듈에 각각 연결되어 이를 제어하는 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와; 환자의 팔목에 부착된 2개의 말초신경자극기에 연결되어 이를 제어하는 2채널FES Controller와; 상기 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와 상기 2채널FES Controller에 동시에 연결되어 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 뇌활성도 측정신호, 경두개전류자극(tCS) 제어신호 및, 기능적 전기자극(FES) 제어신호를 송신받아 모니터링하는 시뮬레이션장치로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 구조적, 기능적으로 복잡한 뇌인지 정보를 실시간 검출을 통해 사용자의 뇌 기능적 활성화를 자동으로 이해하고, 인공지능 기반 뇌 신호와 뇌 전기 자극 피드백 응용 기술로, 사람의 뇌 환부를 타켓팅하지 않고 인간의 뇌활성 상태를 파악하여 자동으로 전기 자극을 제어하도록 한 실시간 뇌 활성도 변화에 따라 모니터링 함으로써 인간의 윤택한 삶을 위한 편리성을 제공함과 동시에 획기적으로 뇌질환을 치료하도록 하는 효과를 가지고 있다.
이와 같은 본 발명은 구조적, 기능적으로 복잡한 뇌인지 정보를 실시간 검출을 통해 사용자의 뇌 기능적 활성화를 자동으로 이해하고, 인공지능 기반 뇌 신호와 뇌 전기 자극 피드백 응용 기술로, 사람의 뇌 환부를 타켓팅하지 않고 인간의 뇌활성 상태를 파악하여 자동으로 전기 자극을 제어하도록 한 실시간 뇌 활성도 변화에 따라 모니터링 함으로써 인간의 윤택한 삶을 위한 편리성을 제공함과 동시에 획기적으로 뇌질환을 치료하도록 하는 효과를 가지고 있다.
Description
본 발명은 중추신경 자극을 위한 경두개전류자극{tCS = tACS(Transcranial alternate Current Stimulation) + tDCS(Transcranial Direct Current Stimulation)}장치와 말초신경 자극을 위한 기능적 전기자극(FES: Functional electrical stimulation)장치를 복합한 복합자극 장치 및 뇌기능 실시간 모니터링을 위한 기능적 근적외선 분광법(Functional near-infrared spectroscopy; fNIRS)의 뇌활성도 동시 측정 모듈 장치에 대하여 모니터링하도록 한 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b와 같이, 뇌 속에 전극을 삽입하여 자극을 주는 침습적 뇌심부자극술은 수전증, 파킨슨병, 근긴장 이상증 등에 치료법으로 사용되고 있으나, 수술 부작용이나 의도치 않은 간질 발작과 같은 부작용들이 보고됨. 특정 중증 질환에 매우 탁월한 치료효과를 보이지만, 시술의 위험성 및 작동의 복잡성이 높아, 많은 질환의 치료에 대양하게 적용하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 요망에 부응하기 위하여 발명된 것으로서, 구조적, 기능적으로 복잡한 뇌인지 정보를 실시간 검출을 통해 사용자의 뇌 기능적 활성화를 자동으로 이해하고, 뇌의 기능적 전기 자극을 수행하는 기술로서, 인간의 윤택한 삶을 위한 편리성을 제공함과 동시에 획기적으로 뇌질환을 치료하도록 한 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 인공지능 기반 뇌 신호와 뇌 전기 자극 피드백 응용 기술로, 사람이 뇌 환부를 타켓팅하지 않고 인간의 뇌활성 상태를 파악하여 자동으로 전기 자극을 제어하도록 한 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치는, 환자의 뇌 활성도를 측정하기 위하여 환자의 머리에 씌워진 고글과; 상기 고글에 동일한 간격을 두고 다수개 천공된 천공부에 각각 결착된 모듈가이드와; 상기 모듈가이드의 모듈에 각각 연결되어 이를 제어하는 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와; 환자의 팔목에 부착된 2개의 말초신경자극기에 연결되어 이를 제어하는 2채널FES Controller와; 상기 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와 상기 2채널FES Controller에 동시에 연결되어 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 뇌활성도 측정신호, 경두개전류자극(tCS) 제어신호 및, 기능적 전기자극(FES) 제어신호를 송신받아 모니터링하는 시뮬레이션장치로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 시뮬레이션장치는 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 혈류 역학 모니터링 소프트웨어와 경두개 전류자극(tCS) 해석 프로그램이 내장되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 모듈가이드는, 상기 고글의 천공부에 각각 세워진 상하부가 개구된 원통형상의 모듈가이드 고정홀(①)과; 상기 모듈가이드 고정홀(①)에 삽입되는 하부는 개구되고 상부는 폐쇄된 실린더 형상의 모듈케이스(④)와; 상기 모듈케이스(④) 내에서 상하 이동되는 피스톤 형상의 부재로서, 하단이 두피에 접촉되도록 스틸관으로 된 tCS+fNIRS모듈(⑤)과; 상기 tCS+fNIRS모듈(⑤)의 상부면을 모듈케이스(④) 내에서 하부로 미는 스프링(⑨)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치에 의하면, 구조적, 기능적으로 복잡한 뇌인지 정보를 실시간 검출을 통해 사용자의 뇌 기능적 활성화를 자동으로 이해하고, 인공지능 기반 뇌 신호와 뇌 전기 자극 피드백 응용 기술로, 사람의 뇌 환부를 타켓팅하지 않고 인간의 뇌활성 상태를 파악하여 자동으로 전기 자극을 제어하도록 한 실시간 뇌 활성도 변화에 따라 모니터링 함으로써 인간의 윤택한 삶을 위한 편리성을 제공함과 동시에 획기적으로 뇌질환을 치료하도록 하는 효과를 가지고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 뇌속에 전극을 삽입하여 자극을 주는 침습적 뇌심부자극술을 도시한 사진이고,
도 2은 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 도시한 전체 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 도시한 세부 블록도이며,
도 4는 본 발명의 다채널 경두개전류자극 및 2채널 FES 자극기 결합과 뇌활성도 측정용 모듈장치를 도시한 블록도이며,
도 5는 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 실시간으로 제어하기 위한 하드웨어, 인터페이스, 소프트웨어 처리과정에 대한 블록도이며,
도 6은 본 발명의 경두개 전류자극 및 뇌활성도 측정용 고글 연결구의 모듈장치를 도시한 도면이며,
도 7은 본 발명의 경두개 전류자극 및 뇌활성도 측정용 고글 연결구성 및 모듈장치를 도시한 단면도 및 사시도이며,
도 8은 본 발명의 경두개 전류자극 및 뇌활성도 측정용 고글을 착용한 사진이다.
도 2은 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 도시한 전체 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 도시한 세부 블록도이며,
도 4는 본 발명의 다채널 경두개전류자극 및 2채널 FES 자극기 결합과 뇌활성도 측정용 모듈장치를 도시한 블록도이며,
도 5는 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치를 실시간으로 제어하기 위한 하드웨어, 인터페이스, 소프트웨어 처리과정에 대한 블록도이며,
도 6은 본 발명의 경두개 전류자극 및 뇌활성도 측정용 고글 연결구의 모듈장치를 도시한 도면이며,
도 7은 본 발명의 경두개 전류자극 및 뇌활성도 측정용 고글 연결구성 및 모듈장치를 도시한 단면도 및 사시도이며,
도 8은 본 발명의 경두개 전류자극 및 뇌활성도 측정용 고글을 착용한 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
[실시예]
도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치에 대하여 설명한다.
상기 중추 및 말초 신경 복합자극이란, 경두개전류자극{tCS = tACS(Transcranial alternate Current Stimulation) + tDCS(Transcranial Direct Current Stimulation)}과 말초신경 자극을 위한 기능적 전기자극(FES: Functional electrical stimulation)을 말하는 것이다.
실시간 뇌기능 모니터링이란, 기능적 근적외선 분광법(Functional near-infrared spectroscopy; fNIRS)의 뇌활성도 동시 측정 모듈 장치를 말하는 것이다.
상기 중추 및 말초 신경 복합자극과 실시간 뇌기능 모니터링을 복합하여 뇌신경 조절장치라고 명명한다.
본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치는, 환자의 뇌 활성도를 측정하기 위하여 환자의 머리에 씌워진 고글과, 상기 고글에 동일한 간격을 두고 다수개 천공된 천공부에 각각 결착된 모듈가이드와, 상기 모듈가이드의 모듈에 각각 연결되어 이를 제어하는 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와, 환자의 팔목에 부착된 2개의 말초신경자극기에 연결되어 이를 제어하는 2채널FES Controller와, 상기 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와 상기 2채널FES Controller에 동시에 연결되어 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 뇌활성도 측정신호, 경두개전류자극(tCS) 제어신호 및, 기능적 전기자극(FES) 제어신호를 송신받아 모니터링하는 시뮬레이션장치로 이루어진다.
상기 시뮬레이션장치는 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 혈류 역학 모니터링 소프트웨어와 경두개 전류자극(tCS) 해석 프로그램이 내장되어 있다.
상기 모듈가이드는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 고글의 천공부에 각각 세워진 상하부가 개구된 원통형상의 모듈가이드 고정홀(①)과, 상기 모듈가이드 고정홀(①)에 삽입되는 하부는 개구되고 상부는 폐쇄된 실린더 형상의 모듈케이스(④)와, 상기 모듈케이스(④) 내에서 상하 이동되는 피스톤 형상의 부재로서, 하단이 두피에 접촉되도록 스틸관으로 된 tCS+fNIRS모듈(⑤)과, 상기 tCS+fNIRS모듈(⑤)의 상부면을 모듈케이스(④) 내에서 하부로 미는 스프링(⑨)으로 이루어진다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치는, 정상 성인과 일부 뇌졸중 환자의 집중력 향상, 기억력향상, 운동 정확도 향상, 언어기능 향상, 삼킴기능 향상 등에 효과가 있다.
상기 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 뇌활성도 측정 모니터링 기술은 두가지 주요한 성질을 기본으로 하고 있는데 첫째, 생체 조직이 근적외선(near infrared)영역의 파장을 가진 빛을 상대적으로 잘 투과시키며 둘째, 조직에는 산화상태에 따라 빛의 흡수가 달라지는 색 함유물질 즉, chromophore들이 소수 존재한다는 것이다. 이와 같이 모니터링으로 뇌조직에 존재하는 chromophore는 oxyhemoglobin(HbO2), deoxyhemoglobin(Hb), oxidized Cytochromeaa3(CytO2)이며, 상기 Cytochromeaa3은 세포내 mitochondria막 안쪽에 존재하며 세포내 에너지대사에서 중요한 역할을 한다.
이 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)으로 이들 chromophores의 농도 변화를 관찰함으로써 혈액내의 산소화 정도뿐 아니라 세포내의 산소화 정도 또한 측정 가능하며 뇌혈류량(cerebral bloodflow), 뇌혈액량(cerabralbloodvolume), 뇌혈류량의 자동 조정 기능(autoregulation)등을 계산하게 된다.
그리고, 상기 기능적 전기자극(FES: functional electrical stimulation)은 상부 운동신경원 손상으로 운동 조절이 어려운 환자에게 전기자극을 가하여 기능적으로 유용한 움직임을 만들어내는 행위로 정의하고 있다. 즉, 척수손상, 두부외상, 뇌졸중, 뇌성마비 등 중추신경장애 환자에서 마비근의 근력강화, 보행장애의 상태개선과 보행훈련 및 보조기의 역할로서 이용되고 있다.
상기 기능적 전기자극(FES)은, 뇌졸중으로 인한 편마비 환자에게 있어서는 손 기능을 잡는 기능으로 향상시키거나 견관절의 탈구를 방지하기 위하여 사용되고 있다. 현재 임상에서 통상적으로 FES를 적용할 때는 주로 상지의 근육에서는 40~50Hz를 이용하고 있으며, 하지 근육에서는 20~30Hz를 이용하고 있다.
뇌졸중 환자의 만성 장애는 상지의 원위부인 손에서 현저하게 나타나고, 특히 손가락을 펴는 동작은 회복이 가장 지연되는 움직임으로 적극적인 재활 훈련이 필요하며, 손가락 폄 동작은 기능적 전기자극의 주요 적용 대상이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.
Claims (3)
- 환자의 뇌 활성도를 측정하기 위하여 환자의 머리에 씌워진 고글과;
상기 고글에 동일한 간격을 두고 다수개 천공된 천공부에 각각 결착된 모듈가이드와;
상기 모듈가이드의 모듈에 각각 연결되어 이를 제어하는 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와;
환자의 팔목에 부착된 2개의 말초신경자극기에 연결되어 이를 제어하는 2채널FES Controller와;
상기 32채널fNIRS+32채널tCS Controller와 상기 2채널FES Controller에 동시에 연결되어 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 뇌활성도 측정신호, 경두개전류자극(tCS) 제어신호 및, 기능적 전기자극(FES) 제어신호를 송신받아 모니터링하는 시뮬레이션장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 시뮬레이션장치는 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)에 의한 혈류 역학 모니터링 소프트웨어와 경두개 전류자극(tCS) 해석 프로그램이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 모듈가이드는, 상기 고글의 천공부에 각각 세워진 상하부가 개구된 원통형상의 모듈가이드 고정홀(①)과;
상기 모듈가이드 고정홀(①)에 삽입되는 하부는 개구되고 상부는 폐쇄된 실린더 형상의 모듈케이스(④)와;
상기 모듈케이스(④) 내에서 상하 이동되는 피스톤 형상의 부재로서, 하단이 두피에 접촉되도록 스틸관으로 된 tCS+fNIRS모듈(⑤)과;
상기 tCS+fNIRS모듈(⑤)의 상부면을 모듈케이스(④) 내에서 하부로 미는 스프링(⑨)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 뇌 활성도 변화에 따른 모니터링과 중추 및 말초 신경 복합자극을 통한 뇌신경 조절장치.
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| KR102538308B1 (ko) | 2022-12-08 | 2023-05-31 | 주식회사 카티스 | 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템의 운용 클라우드 서버와 클라우드 서버 운용방법 |
| KR102538311B1 (ko) | 2022-12-08 | 2023-05-31 | 주식회사 카티스 | 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 |
| KR102567515B1 (ko) | 2022-12-08 | 2023-08-17 | 주식회사 카티스 | 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치 및 방법 |
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