KR20210061738A

KR20210061738A - 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20210061738A
Application number: KR1020190149630A
Authority: KR
Inventors: 조제원; 허여울; 박상건
Original assignee: 가톨릭관동대학교산학협력단
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-28
Also published as: WO2021101253A3; KR102334132B1; WO2021101253A2

Abstract

경두개 자기 자극과 실시간 적으로 신경 신호를 측정할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치는, 경두개 자기 자극 위한 구동 신호를 제공하고 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호 처리 및 분석을 수행하는 자극 및 측정 본체부와, 상기 자극 및 측정 본체부와 전기적 및 광학적 경로로 연결되며, 상기 구동 신호에 자기 자극 신호를 인가하고 섬유 광도법을 이용하여 신경 신호를 측정하는 자극 및 측정 모듈을 포함한다. 여기서, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상기 자기 자극 신호를 인가하는 자극 코일과, 신경 신호 측정을 위하여 상기 자극 코일의 코어를 관통하는 광 섬유를 구비할 수 있다.

Description

경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION AND NEURON SIGNAL OBSERVATION AND METHOD THEREOF}

본 발명은 경두개 자기 자극(TMS : TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION)을 수행하며, 그 자극에 따른 신경 신호를 관측할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

사람의 뇌에 존재하는 다양한 종류의 신경 세포들은 각기 다른 역할을 수행하기 때문에 특정 신경 세포의 활성화는 신경 정신학적인 치료 수단으로서 활용 가능하다. 따라서, 특정 신경 세포 종류만을 자극하는 기술은 뇌기능 조절 기술의 중요한 지향점이다.

현재, 특정 신경 세포의 선택적 자극 방법은, 광유전학적(optogenetics) 방법, 설계 수용체만 활성화는 설계 약물 (DREADDs, designer receptor exclusively activated by designer drugs), TRPV1 (transient receptor potential cation channel, subfamily V, member 1)과 자성 나노 물질을 사용하는 방법 등이 있다.

하지만, 전술한 방법들은 바이러스 또는 나노 물질을 뇌에 직접 주입하기 때문에 침습적 시술이 동반되며, 이질적인 단백질을 신경세포에 발현시키기 때문에 실질적으로 사람에게 적용하는 데에 제약이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 비침습적인 뇌자극 방법이 개발되고 있다. 비침습적 뇌자극 방법은, 경두개 자기 자극법 (TMS, transcranial magnetic stimulation), 경두개 직류 전류 자극법 (tDCS, transcranial direct current stimulation), 집중식 초음파 자극법 (FUS, focused ultrasound stimulation) 등이 있다. 이러한 비침습적인 뇌자극 방법은 안전성이 장점이지만, 침습적 뇌자극 방법에 비해 신경 세포 종류별 자극이 어렵다는 한계가 있다.

여기서, 경두개 자기 자극법(TMS)의 경우에는 코일을 통해 생성된 자기장에 의해 기능하는 뇌 자극 방법이다. 이 자기장은 피험자에게 큰 고통을 주지 않고 두개골을 통과해 뇌 조직에 전기장을 생성하고, 신경세포의 과분극 혹은 탈분극을 유도할 수 있다.

또한, 경두개 자기 자극법(TMS)의 경우에는 자극 프로토콜에 따라서 각기 다른 신경 세포 종류의 활동의 영향을 미치는 것이 간접적으로 확인되었기 때문에 비침습적 뇌자극 방법의 단점을 극복하는 기술로서 연구가 진행되고 있다. 즉, 자극 프로토콜(자극의 빈도와 간격, 주파수, 패턴 등)을 다르게 설정함에 , 특정 신경 활동을 활성 또는 억제할 수 있음을 시사하는 연구가 진행되고 있다.

그러나, 경두개 자기 자극법(TMS)의 자극 프로토콜에 따라 신경 세포 종류별로 활동의 명확한 인과 관계를 규명하는 데는 여전히 어려운 점이 존재한다. 즉, 자극과 동기화되어 특정 신경 신경의 변화를 실시간적으로 직접 측정이 가능하여야 경두개 자기 자극법(TMS)의 효과를 규명할 수 있다.

뇌에서 신경 신호를 측정하는 방법에 있어서, 뇌에서 전기적 신호를 측정하는 방법과 식별자(indicator)를 이용하여 세포내의 칼슘(Ca2+) 신호 변화를 측정하는 방법이 있다.

여기서, 전기적 신호를 측정하는 방법을 TMS와 병행하는 경우에는, 경두개 자기 자극을 인가하는 동안 발생하는 유도 전류와 측정 대상의 전기 신호간의 간섭이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 경두개 자기자극을 인가하는 동안 전기적 신호를 측정하는 방법에는 한계가 존재한다.

따라서, 경두개 자기 자극에 있어서 비 전기적 신호로서 효율적으로 신경 세포의 활동 변화를 측정가능한 장치 및 방법이 필요한 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 경두개 자기 자극(TMS)을 수행하면서 신경 신호를 함께 측정 가능한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 경두개 자기 자극(TMS)의 뇌부위 손상을 최소화하면서 광학적인 방식으로 신경 신호를 측정 가능한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 경두개 자기 자극(TMS) 중에 칼슘 (Ca2+) 신호를 측정 및 분석하여 제공 가능한 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치는, 경두개 자기 자극 위한 구동 신호를 제공하고 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호 처리 및 분석을 수행하는 자극 및 측정 본체부와, 상기 자극 및 측정 본체부와 전기적 및 광학적 경로로 연결되며, 상기 구동 신호에 자기 자극 신호를 인가하고 섬유 광도법을 이용하여 신경 신호를 측정하는 자극 및 측정 모듈을 포함하며, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상기 자기 자극 신호를 인가하는 자극 코일과, 신경 신호 측정을 위하여 상기 자극 코일의 코어를 관통하는 광 섬유를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 신경 신호는 칼슘(Ca2+) 신호일 수 있다.

또한, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구를 포함하는 모듈 바디와, 상기 모듈 바디의 하부에 장착되며 중심부에 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구가 형성되어 있는 모듈 베이스를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 광 섬유의 일 단부는 피그테일 광섬유이며, 상기 모듈 베이스의 상기 개구는 상기 피그테일 광섬유를 내삽시키는 가이드 캐뉼라가 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며, 상기 광 섬유를 둘러싸고 있는 광 페룰이 상기 자극 코일의 코어부를 관통하는 모듈 바디와, 상기 모듈 바디의 상부에 장착되며, 상기 커넥터와 상기 광 페룰에 각각 전기적 신호와 광학 신호를 제공하도록 구성된 모듈 캡을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 모듈 캡은 다른 광 페룰을 더 포함하여 상기 모듈 바디의 광 페룰과 접합될 수 있다.

또한, 상기 자극 및 측정 본체부는, 상기 자극 코일에 인가되는 구동 신호를 제공하는 경두개 자극 구동부와, 상기 구동 신호와 연관되어 상기 광 섬유에 광원을 인가하고 측정광을 수신하는 신경 신호 측정부와, 상기 신경 신호 수신된 신호를 분석 데이터로 처리하는 분석부를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 방법은, 경두개 자기 자극을 위한 구동 신호를 설정하여, 자극 코일에 상기 구동 신호를 인가하는 단계와, 신경 신호를 측정하기 위하여 미리 정해진 파장의 광원을 자극 부위에 광섬유를 통해 조사하고 수신 광 신호를 측정하는 단계와, 상기 수신 광신호를 이용하여 신경 신호를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정은, 단일 자극 및 측정 모듈을 이용하여 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 경두개 자기 자극(TMS) 모듈과 섬유 광도법(Fiber photometry) 모듈이 일체화되어, 단일 장치로 뇌 자극에 따른 실시간 적인 신경 세포 변화를 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 경두개 자기 자극(TMS)의 구동 신호에 따른 패턴과 칼슘 (Ca2+) 신호의 변화를 통합적을 분석하여 신경 세포 종류별 자극에 활용이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 뇌 손상을 최소화하여 경두개 자기 자극(TMS)에 있어서 외부 영향을 최소화하여 뇌 자극에 따른 신경 세포의 변화를 더 정확히 측정 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 비 전기적 신경 신호 관측을 수행하여 경두개 자기 자극 신호로부터 외란 또는 간섭이 발생하지 않아 더 정확한 신경 세포의 변화를 측정 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 측정 시스템을 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 본체부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명은 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 체결 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 측정 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 측정 시스템을 도시한 개요도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치는 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(2000)을 포함한다.

자극 및 측정 본체부(1000)는 경두개 자기 자극 및 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호의 처리 및 분석을 수행한다. 자극 및 측정 본체부(1000)는 경두개 자극 구동부(110), 신경 신호 측정부(120), 분석부(130)을 포함한다.

자극 및 측정 모듈(2000)은 인간 또는 동물의 뇌에 접촉 장착되어 경두개 자기 자극 신호 인가와 신경 신호를 측정한다. 자극 및 측정 모듈(2000)는 경두개 자기 자극을 위한 구조와 섬유 광도법(fiber photometry)를 이용한 Ca2+ 신호를 측정하는 구조가 일체화되어 형성된다. 자극 및 측정 모듈(2000)의 상세한 구조는 도면과 함께 후술하기로 한다.

자극 및 측정 본체부(1000)의 경두개 자극 구동부(110)는 경두개 자기 자극(TMS)를 위하여 코일에 구동 신호를 인가하게 된다. 코일에 인가된 구동 신호에 의해 발생된 자계는 특정 자극 프로토콜에 따라 경두개를 자극 하게 된다.

신경 신호 측정부(120)는 자기 자극과 연동하여 실시간적으로 신경 신호를 측정하게 된다. 신경 신호 측정부(120)은 섬유 광도법을 이용하여 Ca2+ 신호를 측정함으로써 경두개 자기 자극에 의해 발생하는 유도 전류에 의한 간섭과 노이즈를 회피할 수 있다.

분석부(130)는 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정의 처리를 수행하고 처리 결과를 저장하고 분석할 수 있는 데이터(예를 들어, 그래프 또는 이미지)로 변환한다. 변환된 데이터는 표시부에 의해 표시될 수 있으며 자기 자극의 프로토콜에 따른 신경 신호의 측정과 분석에 이용된다.

자극 및 측정 본체부(1000)는 자극 및 측정 모듈(2000)과 전기적 및 광학적 연결부를 통해 연결된다. 따라서, 자극 및 측정 모듈(2000)은 탈착이나 교체가 가능하며, 실험체에 따라 적합하게 변형된 구조로 설계될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 본체부의 구성을 도시한 블록도이다.

경두개 자극 구동부(110)는 전원 제어부(111), 구동 신호 인가부(112), 주파수 제어부(113), 구동 신호 측정부(114)를 포함할 수 있다.

전원 제어부(111)는 자기자극에 이용되는 교류 또는 직류 전원의 속성을 제어한다. 자기 자극을 위하여 코일에 교류 신호가 인가되는데, 전원이 교류인 경우에는 전원 제어부(111)는 교류 전원의 크기와 주파수를 조절하여 자기 자극에 적합한 교류 전류를 생성한다. 또는, 전원 제어부(111)이 직류 전원을 이용하는 경우에는 직류 전류를 교류 전류로 컨버팅하여 제공한다.

구동 신호 인가부(112)는 전원 제어부(111)로부터 자기 자극을 위해 생성된 교류 전류를 수신하여 자극 및 측정 모듈(2000)로 인가한다. 구동 신호 인가부(112)는 구동 신호를 인가의 개시와 종료, 구동 신호의 연속적/단속적 인가를 제어하게 된다. 구동 신호 인가부(112)는 오퍼레이터의 입력 또는 주파수 제어부(113) 및 구동 신호 측정부(114)의 출력에 따라 제어될 수 있다.

주파수 제어부(113)는 오퍼레이터의 입력 또는 미리 정해진 자극 프로토콜에 따라 구동 신호의 주파수를 제어한다. 구동 신호의 주파수는 특정 주파수로의 구동 신호의 인가 외에도 복수의 주파수를 스윕(sweep)하거나 하핑(hopping)하면서 변화될 수 있다. 또한, 특정 진폭이나 특정 시점을 변수로 하는 주파수로 동적인 구동 신호가 인가될 수 있다. 또는, 미리 정해진 시간 동안 인가 신호를 중단하고 다시 인가하는 단속적인 인가 신호의 구동 주기를 제공할 수 도 있다.

구동 신호 측정부(114)는 인가되는 구동 신호를 측정하여 본체부(1000)의 피드백 제어를 수행할 수 있다. 구동 신호 측정부(114)는 실험 전에 모조 실험체에 인가된 신호를 측정하여 본체부(1000)의 설정의 미세 조정을 수행할 수 있다. 또한, 구동 신호 측정부(114) 자극 및 측정 모듈(2000)과 연결부에 의해 발생하는 기생 임피던스 성분을 측정하여 이를 제거하거나 구동 신호에 고려할 파라메터로 설정하 수 있다.

한편, 신경 신호를 측정하는 신경 신호 측정부(120)는 광원 제어부(121), 광 신호 인가부(122), 측정광 처리부(123) 및 광 수신부(124)를 포함할 수 있다

광원 제어부(121)는 신경 신호의 측정을 위한 섬유 광도법에서 사용될 광원을 제어하게 된다. 광원 제어부(121)은 신경 신호를 측정하기 위한 특정 파장의 광을 생성하는 기능을 수행한다. 상기 광원은 473nm 레이저 광소스가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광원은 단일 광원 뿐 아니라 2가지 이상의 상이한 파장의 광원이 사용될 수 있다.

광 신호 인가부(122)는 신경 신호 측정을 위한 광신호를 광 섬유를 통해 자극 및 측정 모듈(2000)로 인가한다. 광 신호 인가부(122)는 광원에서 발생한 광 신호를 필터링 또는 초퍼링(choppering)하여 가공할 수 있다. 또한, 광신호 인가부(122)는 복수의 미러 또는 렌즈와 같은 광학계를 포함하여, 광신호를 반사, 굴절, 회절 또는 산란 광 신호의 경로를 조절할 수 있다.

광 신호 수신부(124)는 인가된 광신호에 응답하는 수신광을 수신한다. 수신광은 상기 광 섬유를 통해 자극 및 측정 모듈(2000)로부터 수신하는 것이 가능하다. 광 신호 수신부(124)는 CMOS 센서 또는 포토 디텍터 등으로 구현될 수 있으며, 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환한다. 광 수신부(124)는 경두개 자극 구동부(110)과 연동하여, 특정 시점(예를 들어, 자극 시점)에 수신광을 수신한다.

측정광 처리부(123)는 자극 및 측정 모듈(2000)에서 수신된 측정광을 신호 처리한다. 측정광 처리부(123)는 측정광의 필터링, 노이즈 캔슬링, 아날로그-디저털 컨버팅 등을 수행하여 신경 신호로써 판독가능한 측정 신호로 처리한다. 이와 같이, 처리된 측정 신호는 통신 인터페이스(140)을 통해 분석부(130)로 전송될 수 있다.

분석부(130)는, 측정 신호 처리부(131), 프로세서(132), 저장부(133), 표시부(134)를 포함한다.

측정 신호 처리부(131)는 신경 신호 측정부(120)으로부터 수신된 아날로그 또는 디지털 측정신호를 수신하여 분석 데이터로 처리한다. 예를 들어, 측정 신호 처리부(131)는 측정 신호를 기반으로 Ca2+ 형광 변화를 이미지 데이터로 처리할 수 있다. 측정 신호 처리부(131)는 분석의 편의를 제공하기 위하여 이미지 데이터의 명도, 컨트라스트, 그레이스케일 등을 조절하여 표시 가능한 포맷의 이미지로 변환 기능을 수행할 수 있다.

저장부(133)는 자극 구동 명령, 측정 신호, 분석 데이터, 오퍼레이터의 입력 등의 신호 및 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장한다. 저장부(133)는 휘발성 또는 비휘발성 메모리를 포함하며, 본체부(1000)에 내장되거나 별도 모듈로 형성되어 탈부착 될 수도 있다.

표시부(134)는 분석 데이터의 처리 및 가공된 결과를 오퍼레이터에게 표시하는 기능을 수행한다. 표시부(134)는 LCD, AM-OLED, PM-OLED, e-ink 등 다양한 표시 장치를 포함할 수 있다. 표시부(134) 역시 본체부(1000)에 내장되거나 별도 모듈로 형성되어 탈부착 될 수 있다.

프로세서(132)는 분석부(130)에서 수행되는 데이터 처리, 저장, 표시에 관한 명령을 오퍼레이터 입력 또는 미리 정해진 알고리즘에 따라 수행한다. 프로세서(132)는 별도의 micro-processor 칩으로 구현될 수도 있으며, 타 기능을 수행하는 칩의 일부 블록으로 구현될 수도 있다.

전술한 바와 같이 자극 및 측정 본체부(1000)는 경두개 자기 자극을 위한 구동과 섬유 광도법에 의한 측정을 하나의 장치에서 수행하고, 자극 및 측정 모듈(2000)와 전기적 신호 및 광신호를 통해 연계 동작하게 된다.

도 3은 본 발명은 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈을 도시한 도면이다.

자극 및 측정 모듈(2000)은 전술한 바와 같이 자극 및 측정 본체부(1000)와 전기적 및 광학적으로 연결된다.

경두개 자기 자극을 위한 구동 신호는 자극 구동 라인(210)을 통해 전달된다. 상기 자극 구동 신호는 자기 코일에 의한 유도 전류를 발생시킬 수 있는 특정 진폭과 주파수를 가진 교류 신호이다.

한편, 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하기 위한 광원 신호와 측정광은 광학 와이어(310)를 통해 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(2000) 사이에서 송수신된다. 광학 와이어(310)은 광을 송수신 할 수 있는 광 섬유 및 상기 광 섬유를 보호하거나 성능을 향상 시키는 피복이나 코팅을 포함할 수 있다.

자극 및 측정 모듈(2000)은 자극 구동 라인(210), 광학 와이어(310), 회전 전동기(410), 커넥터(220), 자극 코일(230), 모듈 바디(420),. 모듈 베이스(430), 피그테일 광섬유(320) 및 가이드 캐뉼라(guide cannula)를 포함한다.

회전 전동기(410)은 모듈 바디(420)의 관통하는 광학 와이어(310)을 중심으로 하여 회전 운동을 수행한다. 회전 전동기(410)는 자극 및 측정 모듈(2000)과 일체형으로 구현될 수도 있지만, 외부에 구현되어 상호 연결될 수 있다. 회전 전동기(410) 내에서 자극 구동 라인(210) 및 광학 와이어(310)는 조인트 커넥트로 체결되어 있는 것이 실시에 있어 유용하다.

모듈 바디(420)는 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정을 동시에 수행할 수 있는 기구적 구조를 채택한다. 모듈 바디(420)의 상부에는 자극 구동 라인(210)과 연결가능한 커넥터(220)가 형성된다. 또한, 모듈 바디(420) 상부에는 광학 와이어(310)가 관통할 수 있는 개구가 형성되어 있다. 상기 개구를 통해 광학 와이어(310) 또는 심선인 광 섬유는 모듈 바디(420)를 관통하여 하부에 장착되는 모듈 베이스(430)까지 연장 관통된다.

모듈 바디(420)의 상부는 단차를 통해 외주면과 공간을 확보할 수 있다. 상기 단차 아래 쪽으로 모듈 바디(420)는 자극 코일(230)이 권취 된다. 즉, 모듈 바디(420)은 자극 코일의 보빈 역할을 수행하게 된다. 자극 코일(230)은 커넥터(220)과 전기적으로 연결되어 자극 인가 신호를 수신한다.

도시는 생략 되었지만, 모듈 바디(420)는 코일의 코어 부분에 해당하며, 설계에 따라 강자성체 또는 페라이트 코어가 삽입되어 자계 형성을 제어할 수 있다. 또한, 특정 물질이 개입하지 않는 에어 코어 형태로 코일이 형성되는 것도 가능하다.

모듈 바디(420)의 중앙부를 관통하는 광학 와이어(310)의 단부는 피그테일 광 섬유(320) 형태로 이뤄진다. 피그테일 광섬유(320)는 단부에 커넥터 등의 다른 소자가 없이 광섬유를 특정 경사로 연마된 단부를 가진 것을 의미한다. 피그테일 광섬유(320)은 신경 신호 측정을 위한 대상의 두부에 들어가 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하게 된다.

모듈 베이스(430)은 고정부를 통해 모듈 바디(420)과 고정 체결될 수 있다. 모듈 베이스는 자극 코일의 단부를 형성하기 때문에 투자율에 영향을 미치지 않는 비자성체로 구현될 수 있다. 모듈 베이스(430)는 중심부는 개구가 형성되어 피그테일 광섬유(320)가 관통될 수 있다. 모듈 베이스(430)의 하부의 개구는 피그테일 광섬유(320)을 보호하고 가이드할 있는 가이드 캐뉼라(330)가 연장 형성된다. 가이드 캐뉼라(330)의 내경은 피그테일 광섬유(320)의 외경보다 크게 형성되어 피그테일 광섬유(320)을 내삽시키고, 단부의 일부분을 외부로 노출시킨다.

전술한 바와 같이 자극 및 측정 모듈(2000)은 자기 자극을 위한 코일의 보빈 구조와 섬유 광도법을 위한 광섬유의 광경로를 일체화하여 형성함으로써, 경두개 자기 자극과 동시에 실시간적으로 신경 신호를 측정할 수 있다.

또한, 자계가 집속되는 코어 부분에 전자기 신호 간섭이 없는 광 섬유가 관통하고 있어, 자기 자극과 광 측정 상호간에 외란이나 간섭을 발생시키지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 체결 형태를 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 모듈 바디(420)와 모듈 베이스(430)이 체결된 경우에는 피그테일 광섬유(320)은 가이드 캐뉼라(330)을 관통하여 일부가 노출된다.

또한, 체결후에는 자극 및 측정 모듈(2000)은 코일의 보빈 형태를 갖추게 되어, 경두개의 원하는 위치에 자기 및 유도 전류를 인가할 수 있다.

이와 같은 구조에서, 자극 코일(230)에 인가되는 교류 신호에 따라 자기 자극은 변화하게 된다. 자기 자극과 동시에 피그테일 광섬유(320)을 통해 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하는 것이 가능하다.

섬유 광도법을 이용하는 경우에는 신경 세포의 종류별로 바이오 마커를 이용하여 Ca2+ 신호를 측정할 수 있다. 예를 들어, CaMK2(Calmodulin-dependent protein kinase II), PV(Parvalbumin), SOM(Somatostatin), VIP(Vasoactive intestinal peptide expressing neuron) 등의 바이오 마커를 이용하여 Ca2+ 신호를 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 구성을 도시한 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈(3000)은 모듈 캡(710), 모듈 바디(720), 커넥터(520), 광 섬유(610), 광 페룰(620) 및 자극 코일(530)을 포함한다.

자극 및 측정 모듈(2000)과 비교하여 자극 및 측정 모듈(3000)은 모듈 캡(710)과 모듈 바디(520)의 결합을 이용하여 자극 신호와 광 신호를 제공한다. 모듈 캡(710)은 커넥터(520)을 수용할 수 있는 공간을 이용하여 자극 신호를 자극 코일(530)에 전송한다.

한편, 광 페룰(620)의 심선에는 신경 신호 측정을 위한 광 섬유(610)가 형성되어 있다. 광 페룰(620)은 동일 또는 유사한 규격의 외부 광 페룰과 접합함으로써 광 섬유(610)과 외부 광 섬유를 접속시키는데 이용된다.

따라서, 모듈 캡(710)은 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 구동 라인(210)와 광학 와이어(310)을 통해 연결되고, 모듈 캡(710)을 모듈 바디(720)과 체결함에 의해 전기 및 광학적으로 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(3000)을 연결할 수 있다.

도시는 생략되었지만, 모듈캡(710)은 커넥터(520)과 전기적으로 접속되는 커넥터와 광 페룰(620)과 광학적으로 접속되는 상이한 광 페룰을 포함할 수 있다. 이 경우, 모듈캡(710)은 모듈 바디(720)과 기계적으로 결합함으로써 자극 신호와 광신호를 모듈 바디(720)로 전송하는 것이 가능하다.

도 5에 도시된 실시예에 따르면, 자극 코일(530)에 설치된 보빈을 교체가 가능하기 때문에 경두개 자기 자극을 위한 복수의 코일 사양을 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 측정 방법을 도시한 흐름도이다.

전술한 바와 같이, 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정은 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(2000, 3000)이 연동하여 수행된다. 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자극 및 측정 방법은 자극 및 측정 본체부(1000)의 동작을 위주로 설명한다.

단계(S100)은 경두개 자극을 위한 동작을 개시한다. 경두개 자극을 위해 자극 코일에 교류 신호를 인가한다. 단계(S120)에서는 구동 신호를 설정한다. 구동 신호는 자극 프로토콜에 따라 진폭, 주파수, 딜레이가 결정된다. 자극 프로토콜은 미리 정해진 프로그램 또는 오퍼레이터 입력에 따라 설정될 수 있다.

단계(S130)에서는 구동 신호가 적정한지 판단한다. 예를 들어, 구동 신호 측정부(114)는 출력부를 단락, 오픈 또는 기지의 임피던스와 연결하여 구동 신호를 측정하여 실제 출력되는 구동 신호가 적정한지 판단한다. 상황에 따라 도선의 길이, 자극 및 측정 모듈(2000,3000)의 임피던스 등에 따라 미세 조정이 필요한 경우가 존재할 때, 구동 신호 측정부(114)를 이용하여 구동 신호가 적정하도록 미세 조정하는 것이 가능하다.

구동 신호가 적정하게 설정되면, 단계(S140)에서 경두개 자극 코일을 구동한다. 자극 방법은 자극 및 측정 모듈(2000,3000)의 보빈 부분에 권취되어 있는 자극 코일에 교류 전류를 인가하고, 보빈의 단부에 해당하는 모듈 베이스를 자극 부위에 또는 접촉시킨다.

단계(S150)에서는 신경 신호의 측정을 개시할지 판단한다. 신경 신호의 측정이 개시되는 경우에는 섬유 광도계를 구동한다 (S210). 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하기 위해서 광원 제어부(121)을 통해 미리 정해진 파장의 광원을 광섬유를 통해 조사한다.

측정을 위해 광이 조사되면, 단계(S220)에서는 수신 광신호를 측정한다. 측정광은 동일한 광 섬유의 다른 대역을 통해 광 수신부(124)에 제공될 수 있다. 광 수신부(124)는 경두개 자극에 따라 수신 광 신호 파장과 세기 및 상호 관계에 대한 정보를 획득할 수 있다.

단계(S230)은 수신된 광 신호를 이용하여 이미지 처리를 수행한다. 상기 이미지 처리는 형광 픽셀에 대한 이미지 조합을 포함할 수 있다. 또한, 상기 이미지 처리는 바이오 마커에 대응하는 파장, 세기의 변화에 대한 그래프화도 포함한다.

단계(S240)은 미리 정해진 알고리즘을 통해 처리된 이미지를 분석한다. 이미지는 미리 정해진 프레임 레이트에 따라 저장부(133)에 순차 저장될 수 있으며, 시간에 따른 이미지의 변화는 신경 신호의 변화 값으로 분석될 수 있다. 측정 시간 외에도 경두개 자기 자극 구동 신호의 인가와 연계하여 신경 신호의 변화는 경두개 자기 자극과의 상관성 역시 분석될 수 있다.

단계(S250)에서, 신경 신호는 최종적으로 측정되어 표시부(134)를 통해 오퍼레이터에게 제공될 수 있다. 신경 신호 측정은 미리 정해진 바이오 마커를 이용하여 Ca2+ 신호의 변화로서 제공된다.

추가적인 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정이 필요 없는 경우에는 단계(S160)에서 자극 및 측정은 종료된다.

전술한 구성에 따르면, 단일 모듈로 구현된 자극 및 측정 모듈(2000,3000)을 이용하여 상호 간섭 없이 정확한 경두개 자기 자극에 따른 신경 신호의 측정이 가능하다.

또한, 경두개 자기 자극을 위한 적정 구동 시점 및 자극 프로토콜에 연계된 신경 신호의 변화를 실시간으로 측정하는 것이 가능하다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1000 : 자극 및 측정 본체부
2000 : 자극 및 측정 모듈
110 : 경두개 자극 구동부
120 : 신경 신호 측정부
130 : 분석부

Claims

경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치에 있어서,
경두개 자기 자극 위한 구동 신호를 제공하고 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호 처리 및 분석을 수행하는 자극 및 측정 본체부와,
상기 자극 및 측정 본체부와 전기적 및 광학적 경로로 연결되며, 상기 구동 신호에 자기 자극 신호를 인가하고 섬유 광도법을 이용하여 신경 신호를 측정하는 자극 및 측정 모듈을 포함하며,
상기 자극 및 측정 모듈은,
상기 자기 자극 신호를 인가하는 자극 코일과,
신경 신호 측정을 위하여 상기 자극 코일의 코어를 관통하는 광 섬유를 구비하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제1 항에 있어서, 상기 신경 신호는 칼슘(Ca2+) 신호인 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제2 항에 있어서,
상기 자극 및 측정 모듈은,
상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구를 포함하는 모듈 바디와,
상기 모듈 바디의 하부에 장착되며 중심부에 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구가 형성되어 있는 모듈 베이스를 더 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제3 항에 있어서,
상기 광 섬유의 일 단부는 피그테일 광섬유이며,
상기 모듈 베이스의 상기 개구는 상기 피그테일 광섬유를 내삽시키는 가이드 캐뉼라가 형성된 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제2 항에 있어서,
상기 자극 및 측정 모듈은,
상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며, 상기 광 섬유를 둘러싸고 있는 광 페룰이 상기 자극 코일의 코어부를 관통하는 모듈 바디와,
상기 모듈 바디의 상부에 장착되며, 상기 커넥터와 상기 광 페룰에 각각 전기적 신호와 광학 신호를 제공하도록 구성된 모듈 캡을 더 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제5 항에 있어서,
상기 모듈 캡은 다른 광 페룰을 더 포함하여 상기 모듈 바디의 광 페룰과 접합되는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제2항에 있어서,
상기 칼슘 (Ca2+) 신호는 CaMK2(Calmodulin-dependent protein kinase II), PV(Parvalbumin), SOM(Somatostatin), VIP(Vasoactive intestinal peptide expressing neuron) 중 적어도 하나의 바이오 마커를 이용하여 측정되는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제2항에 있어서,
상기 자극 및 측정 본체부는,
상기 자극 코일에 인가되는 구동 신호를 제공하는 경두개 자극 구동부와,
상기 구동 신호와 연관되어 상기 광 섬유에 광원을 인가하고 측정광을 수신하는 신경 신호 측정부와,
상기 신경 신호 수신된 신호를 분석 데이터로 처리하는 분석부를 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치. .
제 8항에 있어서,
상기 경두개 자극 구동부는,
구동 신호에 사용될 교류 전류를 생성하는 전원 제어부와,
상기 자극 및 측정 모듈로 교류 전류를 인가하는 구동 신호 인가부와,
상기 구동 신호의 주파수를 제어하는 주파수 제어부와,
피드백 제어 또는 미세 조정을 위해 상기 구동 신호를 측정하는 구동 신호 측정부를 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
제8 항에 있어서,
상기 신경 신호 측정부는,
신경 신호 측정에 사용되는 특정 파장의 광을 생성하는 광원 제어부와,
광 섬유를 통해 상기 자극 및 측정 모듈에 광신호를 인가하는 광 신호 인가부와,
자극 및 측정 모듈로부터 측정광을 수신하는 광 신호 수신부와,
상기 수신된 측정광을 판독 가능한 측정 신호로 처리하는 측정광 처리부를 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 방법에 있어서,
경두개 자기 자극을 위한 구동 신호를 설정하여, 자극 코일에 상기 구동 신호를 인가하는 단계와,
신경 신호를 측정하기 위하여 미리 정해진 파장의 광원을 자극 부위에 광섬유를 통해 조사하고 수신 광 신호를 측정하는 단계와,
상기 수신 광신호를 이용하여 신경 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정은, 단일 자극 및 측정 모듈을 이용하여 수행되는 것인 경두개 자기 자극 및 신경 측정 방법.
제11 항에 있어서,
상기 신경 신호는 칼슘 (Ca2+) 신호이며, 상기 칼슘 (Ca2+) 신호의 측정은 섬유 광도법을 이용하는 것인 경두개 자기 자극 및 신경 측정 방법
제12항에 있어서,
상기 칼슘 (Ca2+) 신호는 CaMK2(Calmodulin-dependent protein kinase II), PV(Parvalbumin), SOM(Somatostatin), VIP(Vasoactive intestinal peptide expressing neuron) 중 적어도 하나의 바이오 마커를 이용하여 측정되는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 방법.
제11항에 있어서,
상기 측정된 신경 신호의 이미지 처리 및 분석 단계를 더 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 신경 측정 방법.