KR20190072723A - Apparatus for stimulating brain - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 뇌 자극 장치에서 신호 발생기의 출력신호를 변조하는 기술에 관한 것으로, 특히 마이크로파 신호를 발생하는 마이크로파 신호 발생기의 출력단이 변조기의 스위치 소자와 결합되어 변조기 출력신호의 전력이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 뇌 자극 장치에 관한 것이다.In particular, the present invention relates to a technique for modulating the output signal of a signal generator in a brain stimulation apparatus, and more particularly, to an apparatus and a method for preventing the degradation of power of a modulator output signal by combining an output terminal of a microwave signal generator for generating a microwave signal with a switch element of the modulator The present invention relates to an apparatus for stimulating the brain.
뇌 자극 장치는 뇌의 자극 대상 부위에 전류나 자기장을 가하여 뇌신경을 자극해서 뇌를 치료하는 장치를 일컫는다. 최근 들어, 초고주파 신호를 반송 주파수로 하는 진폭변조를 수행하여 뇌의 자극 대상 부위에 출력하는 뇌 자극 장치에 대한 연구가 진행되고 있다. The brain stimulation device refers to a device that treats the brain by stimulating the brain nerve by applying a current or a magnetic field to the area to be stimulated. In recent years, studies have been made on a brain stimulation apparatus that performs amplitude modulation using a very high frequency signal as a carrier frequency and outputs the signal to a stimulation target region of the brain.
도 1은 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 마이크로파 신호 발생기(110), 변조기(120), 파워 증폭기(130) 및 어플리케이터(140)를 포함한다.1 is a block diagram of a conventional brain stimulation apparatus. As shown in FIG. 1, the system includes a
도 2는 도 1의 마이크로파 신호 발생기 및 변조기의 상세 회로도로서 이를 참조하여 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the microwave signal generator and the modulator of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the operation of the conventional brain stimulation apparatus will be described below.
마이크로파 신호 발생기(110)는 수 GHz 대역의 초고주파 신호를 생성한다. 이를 위해 마이크로파 신호 발생기(110)는 도 2에서와 같이 제1,2발진부(111),(112), LC 공진부(113) 및 전류 소스(114)로 구성된 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(110A)를 구비한다.The
변조기(120)는 상기 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 진폭 변조한다. 상기 뇌자극 프로토콜은 스위치의 스위칭 동작에 의한 펄스열(pulse train) 구조를 갖는다. 상기 스위치로서 트랜지스터(예: 전계효과 트랜지스터)가 사용될 수 있다. 그런데, 상기 트랜지스터들이 전압제어발진기(110A)에 직렬로 연결될 경우 그 트랜지스터의 저항 성분으로 인하여 변조된 신호의 전력량이 줄어든다. The
이를 감안하여, 변조기(120)는 도 2에서와 같이 전압제어발진기(100A)의 발진출력단자(VOSC+)에 연결된 제1변조부(121) 및 전압제어발진기(100A)의 발진출력단자(VOSC-)에 연결된 제2변조부(122)를 구비한다. 상기 제1변조부(121)는 상기 발진출력단자(VOSC+)와 접지단자의 사이에 병렬 연결된 트랜지스터(M6-M8)를 구비하는데, 이들은 게이트에 공급되는 스위칭제어신호(SC1-SC3)에 의해 스위칭 동작한다. 상기 제2변조부(122)는 상기 발진출력단자(VOSC-)와 접지단자의 사이에 병렬 연결된 트랜지스터(M9-M11)를 구비하는데 이들은 게이트에 공급되는 스위칭제신호(SC4-SC6)에 의해 스위칭 동작한다.2, the
상기 뇌 자극 프로토콜은 다양한 운동성 장애 및 질병을 치료하는데 적합하도록 서로 다른 주기(period)를 갖는 몇 가지의 신호가 합쳐진 형태의 구조를 갖는다. 연구 결과에 의하면, 경두개 자기 자극술(Transcranial Magnetic Stimulation)에서는 다양한 주기를 갖는 TBS(Theta Burst Stimulation) 변조신호가 한 가지의 주기를 갖는 rTMS(repetitive Transcranial Stimulation) 신호에 비하여 우수한 효과를 발휘하는 것으로 보고되고 있다. The brain stimulation protocol has a structure in which several signals having different periods are combined so as to be suitable for treating various motility disorders and diseases. The results show that the TBS (Theta Burst Stimulation) modulated signal with various periods exhibits a better effect than the repetitive transcranial stimulation (rTMS) signal with one period in Transcranial Magnetic Stimulation .
그런데, 초고주파 대역에서는 상기 스위치로 사용되는 트랜지스터의 기생 성분을 무시할 수 없다. 즉, 트랜지스터의 게이트-드레인 간의 커패시터는 저주파 대역에서 초고주파 신호를 변조하는데 별다른 영향을 주지 않지만 고주파 대역에서는 이는 물론 트랜지스터의 드레인-소스 간의 커패시터도 고려해야 한다. However, the parasitic component of the transistor used as the switch can not be ignored in the very high frequency band. That is, the capacitor between the gate and the drain of the transistor does not significantly affect the modulation of the very high frequency signal in the low frequency band, but also the capacitor between the drain and source of the transistor must be considered in the high frequency band.
도 3은 종래 기술에 의한 변조기(120)를 사용하는 경우 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 3에서와 같이 스위치 소자인 트랜지스터의 사용 개수가 증가됨에 따라 기생 커패시턴스가 커져 전력 손실이 증가되는 것을 알 수 있다. FIG. 3 shows a simulation result when the
파워 증폭기(130)는 변조기(120)로부터 공급되는 진폭 변조된 초고주파 신호의 파워를 뇌 자극 장치(100)에서 필요로 하는 크기로 증폭하여 출력한다.The
어플리케이터(140)는 상기 파워 증폭기(130)로부터 공급되는 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 역할을 한다. The
그러나, 이와 같은 종래의 뇌 자극 장치는 전압제어발진기의 발진출력단자에 연결된 변조부의 스위치용 트랜지스터들의 개수가 증가될수록 그 트랜지스터들의 게이트-드레인 간의 커패시터 및 드레인-소스 간의 커패시터 용량이 증가되어 변조된 신호의 전력량이 줄어드는 문제점이 있고, 그 트랜지스터들이 턴오프될 때 이들을 통해 초고주파 신호가 누설되어 파워 손실 및 의도치 않은 자극을 초래하는 문제점이 있다.However, in such conventional brain stimulation apparatus, as the number of switching transistors in the modulator connected to the oscillation output terminal of the voltage-controlled oscillator increases, the capacitance between the gate and the drain of the transistors increases and the capacity of the capacitor between the drain and the source increases. And when the transistors are turned off, a very high frequency signal is leaked through them to cause power loss and unintentional stimulation.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발진 제어부를 통해 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 전압제어발진기의 출력신호를 변조하여 뇌 자극신호를 발생하는데 있다. A problem to be solved by the present invention is to generate a brain stimulation signal by modulating an output signal of a voltage-controlled oscillator in such a manner as to control the operation of a current source of a voltage-controlled oscillator through an oscillation controller.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 뇌 자극 장치는, 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호가 출력되도록 하는 발진 제어부를 구비한 뇌 자극신호 발생기; 상기 뇌 자극신호 발생기로부터 공급되는 뇌 자극신호의 파워를 증폭하여 출력하는 파워 증폭기; 및 상기 파워 증폭기로부터 공급되는 뇌 자극신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 어플리케이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a brain stimulation apparatus for modulating a very high frequency signal into a brain stimulation protocol by controlling the operation of a current source of a voltage controlled oscillator, A brain stimulation signal generator having a control unit; A power amplifier for amplifying and outputting power of a brain stimulation signal supplied from the brain stimulation signal generator; And an applicator for irradiating a brain stimulation signal supplied from the power amplifier to a region to be stimulated in a subject's brain of a patient to be treated so that brain stimulation is performed.
본 발명은 발진 제어부를 통해 전압제어발진기의 전류 소스의 동작을 제어하는 방식으로 전압제어발진기의 출력신호를 변조하여 뇌 자극신호를 발생 함으로써, 전압제어발진기에서 출력되는 초고주파 신호의 전력 레벨이 스위치의 수에 관계없이 일정하게 유지되고, 이에 의해 전력 손실이 방지되는 효과가 있다. The present invention generates a brain stimulation signal by modulating an output signal of a voltage-controlled oscillator in such a manner that the operation of a current source of a voltage-controlled oscillator is controlled through an oscillation controller, so that a power level of a very high frequency signal output from the voltage- So that the power loss is prevented.
도 1은 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치의 블록도.
도 2는 마이크로파 신호 발생기 및 변조기의 상세 회로도.
도 3은 종래 뇌 자극 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 블록도.
도 5는 뇌 자극신호 발생기의 상세 회로도.
도 6은 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.1 is a block diagram of a conventional brain stimulation apparatus;
2 is a detailed circuit diagram of a microwave signal generator and a modulator.
FIG. 3 is a graph showing a simulation result of a conventional brain stimulation apparatus.
4 is a block diagram of a brain stimulation apparatus according to the present invention.
5 is a detailed circuit diagram of a brain stimulation signal generator;
6 is a graph of a simulation result of a brain stimulation apparatus according to the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 의한 뇌 자극 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 뇌 자극신호 발생기(210), 파워 증폭기(220) 및 어플리케이터(230)를 포함한다.FIG. 4 is a block diagram of a brain stimulation apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 4, the brain
도 5는 뇌 자극신호 발생기의 상세 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 제1,2발진부(211),(212), LC 공진부(213) 및 전류 소스(214)를 구비한 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(210A) 및, 발진 제어부(210B)를 포함한다.5 is a detailed circuit diagram of a brain stimulation signal generator. As shown in FIG. 5, a voltage controlled oscillator (VCO) having first and
뇌 자극신호 발생기(210)는 수 GHz 대역의 초고주파 신호를 생성한다. 이를 위해 뇌 자극신호 발생기(210)는 도 5에서와 같이 상보형 교차 결합된 트랜지스터(M21,M22)를 구비한 제1발진부(211), 상보형 교차 결합된 트랜지스터(M23,M24)를 구비한 제2발진부(212), 정,부극성의 발진출력단자(VOSC+),(VOSC-)의 사이에 연결된 리액터(L) 및 상기 발진출력단자(VOSC+),(VOSC-)의 사이에 직렬 연결된 가변형 커패시터(VC21,VC22)를 구비한 LC 공진부(213) 및, 상기 트랜지스터(M23,M24)의 소스 공통연결노드(N)와 접지단자 사이에 연결된 트랜지스터(M25)를 구비한 전류 소스(214)를 포함하는 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator) (210A)를 구비한다. 여기서, 상기 LC 공진부(213)의 가변형 커패시터(VC21,VC22)에 걸리는 전압에 따라 발진되는 상기 초고주파신호의 주파수가 가변된다.The brain
이와 함께, 뇌 자극신호 발생기(210)는 상기 전압제어발진기(210A)의 전류 소스(214)의 동작을 제어하는 방식으로 상기 초고주파 신호를 뇌 자극 프로토콜로 변조하여 그에 따른 뇌 자극신호를 출력한다. 이를 위해 뇌 자극신호 발생기(210)는 도 5에서와 같이 전류 소스(214)인 트랜지스터(M25)의 게이트와 접지단자 사이에 병렬 연결된 트랜지스터(M26-M28)를 구비한 발진 제어부(210B)를 포함한다. 상기 트랜지스터(M26-M28)는 게이트에, 뇌 자극 프로토콜에 상응되게 공급되는 스위칭 제어신호(CTL1-CTL3)에 따라 스위칭 동작하여 상기 전압제어발진기(210A)의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 변조한다. In addition, the brain
상기 스위칭 제어신호(CTL1-CTL3)의 레벨이 트랜지스터(M26-M28)의 문턱전압보다 낮을 때 그 트랜지스터(M26-M28)는 턴오프되고, 문턱전압보다 높을 때에는 그 트랜지스터(M26-M28)가 턴온된다. 상기 트랜지스터(M21-M25) 및 트랜지스터(M26-M28)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 여기에서는 N채널 MOS 트랜지스터인 것을 예로 한다.When the level of the switching control signals CTL1 to CTL3 is lower than the threshold voltages of the transistors M26 to M28, the transistors M26 to M28 are turned off. When the level of the switching control signals CTL1 to CTL3 is higher than the threshold voltage, do. The types of the transistors M21-M25 and the transistors M26-M28 are not particularly limited, and an N-channel MOS transistor is taken as an example here.
상기 발진 제어부(210B)를 이용하여 상기 전압제어발진기(210A)의 동작을 제어하는 방식으로 초고주파 신호를 변조하는 경우, 도 6에서와 같이 스위치 소자로 사용되는 트랜지스터(M21-M28)의 개수에 관계없이 전력손실이 발생되지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다.In the case of modulating a very high frequency signal by controlling the operation of the voltage controlled
본 발명에 적용되는 상기 뇌 자극 프로토콜은 특별하게 한정되지 않는 것으로, 본 실시예에서는 TBS(Theta Burst Stimulation) 변조신호가 적용된 것을 예로 한다. 상기 TBS 변조신호 3 개의 단일 클럭신호의 조합으로 이루어질 수 있다.The brain stimulation protocol to which the present invention is applied is not particularly limited. In the present embodiment, a TBS (Theta Burst Stimulation) modulation signal is applied. And the TBS modulation signal may be a combination of three single clock signals.
스위치로 사용되는 상기 트랜지스터(M26-M28)는 턴온 시 온 저항 값들이 충분히 작아 전류소스 트랜지스터(M25)의 게이트 전압이 문턱 전압 보다 낮게 되도록, 이들의 너비가 일정치 이상으로 넓어야 한다. 하지만, 상기 트랜지스터(M26-M28)의 너비가 일정치 보다 훨씬 넓은 경우에는 이들의 게이트에서 본 기생 커패시턴스 값이 커져 클럭신호의 상승 및 하강 시간이 증가되고 이에 의해 스위칭 딜레이 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 트랜지스터(M26-M28)의 너비는 이들의 온 저항 값, 커패시터에 의한 스위칭 딜레이를 고려하여 적절한 사이즈로 설계할 필요가 있다. The transistors M26 to M28 used as switches must have their widths wider than a certain value so that the on-resistance values at turn-on are sufficiently small so that the gate voltage of the current source transistor M25 is lower than the threshold voltage. However, when the widths of the transistors M26-M28 are much larger than a predetermined value, the parasitic capacitance value seen from the gates of the transistors M26-M28 is increased and the rising and falling times of the clock signal are increased, thereby causing a switching delay phenomenon. Therefore, it is necessary to design the width of the transistors M26-M28 to an appropriate size in consideration of the ON resistance value thereof and the switching delay caused by the capacitor.
파워 증폭기(220)는 상기 뇌 자극신호 발생기(210)로부터 공급되는 진폭 변조된 초고주파 신호인 뇌 자극신호의 파워를 뇌 자극 장치(200)에서 필요로 하는 크기로 증폭하여 출력한다.The
어플리케이터(230)는 상기 파워 증폭기(220)로부터 공급되는 뇌 자극신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 역할을 한다. The
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, it should be understood that the scope of the present invention is not limited thereto. These embodiments are also within the scope of the present invention.
200 : 뇌 자극 장치
210A : 전압제어발진기
210B : 발진 제어부
211 : 제1발진부
212 : 제2발진부
213 : LC 공진부
214 : 전류 소스
220 : 파워 증폭기
230 : 어플리케이터200:
210B: oscillation control unit 211: first oscillation unit
212: second oscillation unit 213: LC resonance unit
214: current source 220: power amplifier
230: applicator
Claims (5)
상기 뇌 자극신호 발생기로부터 공급되는 뇌 자극신호의 파워를 증폭하여 출력하는 파워 증폭기; 및
상기 파워 증폭기로부터 공급되는 뇌 자극신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극 대상 부위에 방사하여 뇌 자극이 이루어지도록 하는 어플리케이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌 자극 장치.
A brain stimulation signal generator having an oscillation controller for modulating a very high frequency signal with a brain stimulation protocol and outputting a brain stimulation signal according to the operation of the current source of the voltage controlled oscillator;
A power amplifier for amplifying and outputting power of a brain stimulation signal supplied from the brain stimulation signal generator; And
And an applicator for irradiating a brain stimulation signal supplied from the power amplifier to an area to be stimulated by a patient's subject to be treated so that brain stimulation is performed.
상기 전류 소스로 동작하는 트랜지스터의 게이트와 접지단자 사이에 병렬 연결된 복수 개의 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 뇌 자극 장치.
The plasma display apparatus of claim 1, wherein the oscillation control unit
And a plurality of transistors connected in parallel between a gate of the transistor operating as the current source and a ground terminal.
The apparatus of claim 3, wherein the gates of the plurality of transistors are supplied with a switching control signal corresponding to the brain stimulation protocol.
The brain stimulation apparatus according to claim 3, wherein the width of the plurality of transistors is set in consideration of an ON resistance value and a switching delay caused by a capacitor of the transistor.
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