KR20200075859A - 뇌 수면 모드를 관리하는 방법 및 장치 - Google Patents

뇌 수면 모드를 관리하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

뇌 수면 모드를 감지하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 상기 방법은 운동 피질에 의해 방출되어 신체의 적어도 하나의 부위로 하행하는 유휴 임펄스에 대한 망상체의 감쇠/차단 수준을 측정함으로써 수면 모드에서의 뇌의 수면 깊이 및 수면 단계를 측정하는 단계를 포함한다.

Description

뇌 수면 모드를 감지하는 방법 및 장치
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라, 2017년 10월 29일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/578,463호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용이 인용되어 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 일반적으로, 뇌 수면 모드 관리 시스템에서 운동 피질에 의해 방출되어 뇌로부터 신체 부위로 하행하는 유휴 임펄스를 감지함으로써 뇌 수면 모드에서의 수면 깊이 및 모든 수면 단계를 감지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
뇌는 뇌의 다양한 기능을 제공하는 복수의 기능 부위로 구성되며, 운동 피질 기능 부위는 신경계를 통해 신체 부위에 뉴런 전기 임펄스를 방출함으로써 신체의 다양한 부위의 운동을 유도한다. 운동 피질은 복수의 기능 클러스터로 나뉜다. 각 클러스터는 신체의 특정 근육의 운동을 유도하고, 운동 개시 신호를 지닌 또는 지니지 않은 임펄스를 신경계를 통해 뇌로부터 신체 부위의 근육으로 끊임없이 방출한다. 운동 개시 신호를 지니지 않은 임펄스는 신체 부위 자세를 위한 근육 톤(tone)을 유발하는 "유휴 임펄스(idle impulse)"이고, 운동 개시 신호를 지닌 임펄스는 신체 부위 운동을 위한 근육 수축을 유발한다. 증폭 회로를 구비한 전극을 사용함으로써, 뇌의 각성 상태에서 신체의 모든 부위의 신경, 근육 또는 피부에서 유휴 임펄스가 검출될 수 있다. 예를 들어, 뇌의 각성 상태에서, 신호 증폭 시스템을 구비한 전극을 왼쪽 손목의 피부 상에 위치시킴으로써, 신체의 해당 부위가 활동하지 않을 때 피부와 접촉하는 전극 사이의 전위차의 시간에 따른 변화가 검출될 수 있다. 검출된 전위차 변화는 운동 피질의 오른쪽 상부 클러스터로부터 왼쪽 손목으로 방출된 유휴 임펄스의 결과이다.
뇌는 각성 모드와 수면 모드인 두 가지 동작 모드를 갖는다. 각성 모드에서, 운동 피질의 모든 기능 클러스터로부터 방출된 유휴 임펄스는 신경계를 통해 전신의 모든 신체 부위에 끊임없이 도달하고, 신체의 모든 부위의 신경 또는 피부로부터 유휴 임펄스가 측정될 수 있다. 수면 모드에서는 뇌에서 수면 호르몬이 방출되어 뉴런 활동이 억제된다. 수면 호르몬의 방출의 영향으로, 뇌의 망상체 영역, 특히 하행 망상체의 망상 척수로 내에서, 운동 피질에 의해 방출된 유휴 임펄스가 신체 부위로 하행하는 것이 감쇠된다.
뇌가 처음에 각성 모드에서 초기 수면 모드(소위 수면 개시 단계)로 전환될 때, 망상체 내에서 수면 호르몬이 약간 방출되어, 운동 피질에 의해 방출되는 유휴 임펄스의 하행이 약간 감쇠된다. 이는 신체 부위에서 측정된 전위차 변화 폭의 감소로 검출될 수 있다.
뇌가 NRAM(non-rapid-eye-movement) 수면 단계로 추가적으로 전환될 때, 망상체에서 수면 호르몬이 추가적으로 방출되고, 운동 피질에 의해 방출되는 유휴 임펄스의 하행이 추가적으로 감쇠된다. 이는 신체 부위에서 측정된 전위차 변화 폭의 추가적인 감소로 검출될 수 있다.
뇌가 NRAM(non-rapid eye movement) 수면 단계로 전환되기 전과 전환되는 동안, 뇌는 꿈을 꾸는 상태에 있고 수면 마비가 발생할 수 있으며, 망상체에서 수면 호르몬이 대량으로 방출되어, 운동 피질에 의해 방출되는 유휴 임펄스의 하행이 완전히 감쇠된다. 이는 신체 부위에서 측정된 전위차 변화의 소실(파형 대신 직선)로 검출될 수 있다.
신체 부위의 신경, 근육 또는 피부에서 측정된 전위차 변화폭의 감소를 측정함으로써, 운동 피질에 의해 방출되는 유휴 임펄스가 망상체로부터 모든 신체 부위로 하행한 하행 레벨을 측정할 수 있으며, 이로써 모든 단계에서의 관련 뇌 수면 모드를 감지할 수 있다.
본 발명에서, 뇌 수면 모드에서의 수면 깊이 및 모든 수면 단계는, 수면 호르몬 방출의 영향 하에, 운동 피질에 의해 방출되어 신체의 모든 부위로 하행하는 유휴 임펄스에 대한 망상체, 특히 하행 망상체의 망상 척수로의 감쇠/차단 수준을 감지함으로써 감지된다.
본 발명에서, 수면 호르몬 방출의 영향 하에, 운동 피질에 의해 방출되어 신체의 모든 부위로 하행하는 유휴 임펄스에 대한 망상체, 특히 하행 망상체의 망상 척수로의 감쇠/차단 수준을 감지함으로써, 뇌 수면 모드에서의 수면 깊이 및 모든 수면 단계를 측정하는 방법 중 하나는, 운동 피질에 의해 방출되어 뇌 망상체로부터 신체 부위로 하행한 유휴 임펄스를 측정하는 것이다.
본 발명에서, 운동 피질에 의해 방출되어 뇌 망상체로부터 신체 부위로 하행한 유휴 임펄스를 측정하여, 뇌 수면 모드에서의 수면 깊이 및 모든 수면 단계를 측정하는 방법 중 하나는, 신체 부위에서 측정된 전위차 변화폭을 측정하는 것이다.
본 발명에서, 예를 들어, 운동 피질에 의해 방출되어 뇌 망상체로부터 신체 부위로 하행한 유휴 임펄스를 측정하여, 뇌 수면 모드에서의 수면 깊이 및 모든 수면 단계를 측정하는 방법 중 하나는, 신체의 왼쪽 손목에서 측정된 전위차 변화폭을 측정한다.
특히, 수면 개시 단계, NREM 수면 단계, 및 REM 수면 단계 등 세 단계에서, 수면 호르몬 방출의 영향 하에, 운동 피질에 의해 방출되어 신체의 모든 부위로 하행하는 유휴 임펄스에 대한 망상체, 특히 하행 망상체의 망상 척수로의 감쇠/차단 수준과 관련된 수면 깊이를 감지함으로써, 뇌 수면 모드를 감지하는 방법이 제공되되, 수면 깊이는, 뇌가 각성 모드에서 수면 모드로 전환하기 전에(즉, 운동 피질에 의해 방출되어 신체의 모든 부위로 하행하는 유휴 임펄스에 대한 망상체, 특히 하행 망상체의 망상 척수로의 감쇠/차단 수준이 0에 가까운 경우) 신체의 왼쪽 손목에서 측정된 전위차 변화폭의 기준 측정값을 사용함으로써 정의되며, 수면 깊이 및 모든 수면 단계는 다음 비율을 사용하여 정의되고 감지된다.
수면 깊이 = 측정된 변화폭/기준값
그 중에서, 수면 깊이 값이 작을수록, 수면 정도가 더 깊으며, 수면 모드의 세 단계의 수면 깊이 값의 크기 순서는 다음과 같다.
REM <NREM <수면 개시
즉, REM 수면이 가장 깊은 수면이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 운동 피질에 의해 방출되어 뇌 망상체로부터 신체 부위로 하행한 유휴 임펄스를 감지함으로써 뇌 수면 모드를 감지하도록 구성된 장치가 제공되며, 상기 장치는 1) 신체 부위의 근육 상의 피부에 부착되어 피부의 두 위치 사이의 전위차를 측정하도록 구성된 전극을 구비한 피부 전위 감지 회로; 2) 모든 단계에서 감지된 수면 깊이 및 뇌 수면 모드를 산출하도록 구성된 신호 처리 유닛; 3) 산출된 결과를 저장하도록 구성된 데이터 저장 유닛; 4) 상기 장치와 협력 작동하는 수면 유도 기기에 대한 온 또는 오프를 결정하여 동작을 취하도록 구성된 제어 유닛; 및 5) 외부 기기에 데이터 및 제어 명령을 송신하도록 구성된 송신 유닛;을 포함한다. 상기 장치는 근육 상의 피부에 부착된 전극(피부로부터 전위 신호를 수신함)을 통해 신체 부위 근육 내의 신경으로부터, 운동 피질에 의해 방출된 유휴 전위를 감지하고, 신호 처리 유닛을 통해 전극으로부터 유휴 전위 신호를 수집하고, 현재 수면 깊이로서, 수면 시간 간격 내의 유휴 전위의 평균 진폭을 산출하고, 저장 유닛에 그 값을 기록하고, 변화 기울기에 따라 수면 깊이의 변화 추세를 산출하고 - 양의 기울기와 음의 기울기는 각각 깊은 수면에 진입한 상태 및 덜 깊은 수면에 진입한 상태를 표시함 -, 더 깊은 수면을 얻거나 수면 깊이를 유지하기 위해, 산출된 수면 깊이의 변화 기울기에 기반하여 수면 간섭에 대한 결정을 추가적으로 내리고, 협력 작동 기기를 제어하기 위한 명령을 추가로 송신하여, 수면자가 더 깊은 수면을 취하거나 수면 깊이를 유지할 수 있도록 한다.
예를 들어, 손목 밴드는 복수의 전극, 신호 처리 유닛, 데이터 저장 유닛 및 무선 송신 유닛을 포함하되, 전극은 왼쪽 손목 밴드의 피부에 부착되어 뇌의 운동 피질의 우측 상부로부터 방출된 유휴 임펄스를 수신하고, 수신된 유휴 전위 신호는 전반 수면 지속 시간 동안의 수면 깊이 및 수면 깊이의 변화 기울기를 위해 신호 처리 유닛 내에서 처리되되, 수면 기간 동안의 특정 시각 i의 수면자의 수면 깊이는 SD(i)이며 다음과 같이 산출된다.
SD(i) =
Figure pct00001
여기서
Figure pct00002
은 시각 i의 샘플링 전위차의 평균값이며,
Figure pct00003
은 기준 전위차로서, 뇌가 여전히 각성 모드에 있는 동안 수면 개시 시의 샘플링 전위차의 평균값이다.
수면 기간 동안의 특정 시각 i의 수면 깊이의 변화 기울기
Figure pct00004
는 다음과 같이 산출된다.
Figure pct00005
=
Figure pct00006
여기서
Figure pct00007
와
Figure pct00008
는 각각 Ti 시각 이전에 측정된 수면 깊이 값 및 Ti 시각에 측정된 수면 깊이 값이고,
Figure pct00009
와
Figure pct00010
는 각각 Ti 시각 이전의 시간 및 Ti 시각의 시간이다.
본 발명에서, 수면 깊이의 처리 결과는 업로드하기 위해 데이터 저장 유닛에 저장된다. 또한,
Figure pct00011
가 0보다 큰 값에서 0으로 변하고 일정 시간 동안 변경되지 않은 경우, 제어 유닛은 협력 작동하는 수면 보조 장치가 오프되도록 트리거링하고,
Figure pct00012
가 0에서 음으로 변경되면, 제어 유닛은 협력 작동하는 수면 보조 장치가 온되도록 트리거링한다.
단지 예시적인 방식으로서, 본 명세서에서 본 발명의 일부 실시예가 도면을 참조하여 설명된다. 도면을 구체적으로 참조하면, 도시된 세부 사항은 예로서 본 발명의 실시 형태에 대한 예시적인 설명을 위한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면을 통한 설명은 당업자에게 본 발명의 실시 형태를 구현하는 방법이 명확하도록 한다.
도면에서 :
도 1은 운동 피질에 의해 방출되어 망상체를 통해 신체 부위로 하행하는 유휴 임펄스를 감지함으로써 뇌 수면 모드를 감지하는 방법을 도시한 예시도로서, 전극이 장착된 장치가 왼쪽 손목에 부착되어, 오른쪽 상부 운동 피질 클러스터에 의해 방출되어 망상체로부터 왼쪽 손목으로 하행하는 유휴 임펄스로 인해 발생된 전위차 변화를 측정한다.
도 2는 운동 피질에 의해 방출되어 망상체를 통해 신체 부위로 하행하는 유휴 임펄스를 감지함으로써 뇌 수면 모드를 감지하도록 구성된 장치를 도시한 예시도로서, 해당 장치는 신호 획득 유닛, 신호 처리 유닛, 데이터 저장 유닛, 제어 유닛 및 송신 안테나를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일부 실시 형태를 설명하면 다음과 같다.
일 실시 형태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 뇌(1)의 수면 깊이 및 뇌 수면 모드의 모든 수면 단계를 감지하는 방법은, 수면 모드 관리 장치(10)를 사용하여, 운동 피질(2)의 우측 상부 클러스터(3)에 의해 방출되어 망상체(4)를 통해 왼쪽 손목(12)으로 하행하는 유휴 임펄스(11)를 감지함으로써, 수면 호르몬 방출의 영향 하에, 운동 피질(2)의 우측 상부 클러스터에 의해 방출된 유휴 임펄스(11)의 하행에 대한 뇌(1)의 망상체(4)의 감쇠/차단 수준을 감지한다. 감지 장치(10)는 왼쪽 손목(12)에 부착된 전극(8, 9)을 구비하여, 운동 피질(2)의 우측 상부 클러스터(3)에 의해 방출된 유휴 임펄스(11)로 인해 발생되는 전위 신호를 수집하고, 그 신호 처리 유닛(16)을 이용하여 처리하여, 데이터를 저장 유닛(14) 및 제어 유닛(15)으로 송신하고, 제어 유닛(15)은 안테나(7)를 통해 데이터를 외부 기기로 송신한다. 외부 기기는 안테나(6)를 통해 제어 유닛(15)으로부터 명령 데이터를 수신하는 협력 작동하는 수면 보조 기기(5)를 포함한다.
다른 일 실시 형태에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 운동 피질에 의해 방출되어 망상체를 통해 신체 부위로 하행한 유휴 임펄스를 감지함으로써 뇌 수면 모드를 감지하도록 구성된 장치의 기능 블록으로서, 신호 획득 유닛(17), 신호 처리 유닛(16), 데이터 저장 유닛(14), 제어 유닛(15) 및 송신 안테나(7)를 구비한다. 신호 획득 유닛(17)은 신체 부위의 피부 상에 부착된 전극(8, 9)을 구비하여, 운동 피질에 의해 방출되어 망상체를 통해 하행하는 유휴 임펄스에 의해 발생된 전위 신호를 수집함으로써 전위차를 확정하고, 그 결과를 신호 처리 유닛(16)으로 전송한다. 신호 처리 유닛(16)은 수면 깊이 및 수면 깊이 기울기를 위한 전위차 신호를 처리하고, 그 결과를 저장 유닛(14) 및 제어 유닛(15)에 전송하여, 안테나(7)를 통해 송신한다.

Claims (12)

  1. 운동 피질에 의해 방출되어 신체의 적어도 하나의 부위로 하행하는 유휴 임펄스에 대한 망상체의 감쇠/차단 수준을 측정함으로써 수면 모드에서의 뇌의 수면 깊이 및 수면 단계를 측정하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 망상체는 상기 망상체의 망상 척수로인
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 감쇠/차단 수준을 측정함에 있어서,
    상기 운동 피질에 의해 방출되어 상기 망상체로부터 상기 신체의 적어도 하나의 부위로 하행한 상기 유휴 임펄스를 측정하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 운동 피질에 의해 방출된 상기 유휴 임펄스를 측정함에 있어서,
    상기 신체의 적어도 하나의 부위 상에서 측정된 적어도 하나의 전위차의 변화폭을 측정하는 것을 포함하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 신체의 상기 적어도 하나의 부위는 상기 신체의 왼쪽 손목인
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수면 단계는 수면 개시 단계, NREM 수면 단계 및 REM 수면 단계를 포함하는 단계들 중 하나인
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 수면 깊이를 측정함으로써 상기 수면 단계를 측정하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 뇌가 각성 모드에서 수면 모드로 전환하기 전에 상기 신체의 왼쪽 손목에서 측정된 상기 전위차의 변화폭의 기준 측정값을 사용하여 상기 수면 깊이를 정의하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 감쇠/차단 수준은 상기 각성 모드에서 0에 가까운
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 수면 깊이는, 상기 수면 깊이 = 측정된 상기 변화폭/상기 기준 측정값을 만족시키되, 상기 수면 깊이의 값이 작을수록 수면 정도가 더 깊은
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 수면 단계의 상기 수면 깊이의 값의 크기 순서는, 상기 수면 개시 단계> 상기 NREM 수면 단계> 상기 REM 수면 단계이되, 상기 REM 수면 단계가 가장 깊은 수면에 해당하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하는 방법.
  12. 뇌의 수면 모드를 감지하기 위한 장치로서,
    신체 부위의 근육 상의 피부에 부착된 전극을 구비하여, 운동 피질에 의해 방출되어 망상체를 통해 하행한 유휴 임펄스로 인해 발생된 전위차를 측정하도록 구성된 피부 전위 감지 회로;
    수면 깊이 및 수면 깊이 기울기를 산출하도록 구성된 신호 처리 유닛;
    산출된 결과를 저장하도록 구성된 데이터 저장 유닛;
    상기 장치와 협력 작동하는 수면 유도 기기에 대한 온 또는 오프를 결정하여 동작을 취하도록 구성된 제어 유닛; 및
    데이터 및 제어 명령을 외부 기기로 송신하도록 구성된 송신 유닛을 포함하는
    것을 특징으로 하는 뇌의 수면 모드를 감지하기 위한 장치.
KR1020207014522A 2017-10-29 2018-10-29 뇌 수면 모드를 관리하는 방법 및 장치 KR102388319B1 (ko)

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