KR20210110509A - 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 피험자의 뇌에 연결되는 복수의 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 피험자의 뇌에 전기자극을 가하는 비침습적 뇌자극 모듈; 피험자의 뇌에 연결되는 복수의 FNIRS 채널을 포함하며, 상기 FNIRS채널로부터 뇌혈류역학적 뇌 신호를 수신하는 FNIRS 모듈; 상기 비침습적 뇌자극 모듈이 자극하는 뇌 자극 정보 및 상기 자극에 의해 활성화되는 뇌 기능 활성 정보를 획득 및 표시하는 모니터링 모듈; 및 최적 자극 프로토콜을 이용하여 상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기반으로 최적 자극 정보를 생성하는 분석 모듈;를 포함하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치에 관한 것이다.
20세기 뇌과학 연구의 패러다임은 뇌영상기술을 중심으로 뇌가 어떤 구조를 가지고 있고, 어떤 기능을 하는지 알아내기 위해 노력해왔으나 뇌 영상만으로는 뇌의 특정 부위가 어떤 역할을 하는지 정확히 알아내기 어려우며 특히 거의 활성을 보이지 않는 부위나 항상 활성을 보이는 부위의 경우에는 어떤 기능을 수행하는지 규명하기 더욱 어려웠다. 이러한 상황에서 뇌의 활성도를 변화시킬 수 있는 기술로서 신경 조절 기술이 개발되기 시작하되었으며, 고령화 사회를 맞아 최근 뇌 신경 조절을 위한 뇌 자극 방법이 매우 빠르게 성장하고 있으며 향후 맞춤형 신경 조절 기술에 대한 수요는 더욱 늘어날 전망이다.
신경 조절 기술은 신경계의 일부를 활성시키거나 억제시키는 기술이다. 뇌는 전기화학적인 신호를 통해 정보를 전달한다. 그래서 뇌를 조절하기 위해서 전류를 직접 가하는 방식이나 화학물질을 투여하는 방식이 주로 사용되고 있으며, 대표적인 신경 조절 기술로는 경두개자기자극술(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS) 및 경두개직류자극술(Transcranial cranial direct current stimulation, tDCS)이 있다.
경두개자기자극술(TMS)은 자기장을 활용한 신경 조절 기술로, 보다 구체적으로는 특정 부위에 자기장을 걸어 그에 해당하는 부위의 뉴런을 활성화시키는 기술이다. TMS 기기에는 코일이 있는데, 이 코일에 자기장을 걸어주면 자기장의 수직 방향으로 전기장이 형성된다. 뉴런은 활동 전위라는 전기적인 신호를 통해 서로 소통하므로 TMS에 의해 형성된 전기장은 뉴런을 탈분극시키고, 활동 전위를 만들어내며 이로부터 뇌가 자극된다.
경두개자기자극술(TMS)은 단일 TMS(Single TMS)와 반복적TMS(Repetitive TMS, rTMS)이 있다. 단일 TMS는 TMS를 한 번 실행하는 것이고, 반복적 TMS는 TMS를 똑같은 부위에 여러 번 실행하는 것이다. 단일 TMS는 뇌 부위가 어떤 기능을 하는지 검증하기 위한 연구용으로 쓰이며 반복적 TMS는 연구 목적으로 쓰이지만, 우울증과 같은 질병을 치료하기 위한 용도로 쓰이기도 한다.
경두개직류자극술(tDCS)은 직류 전기를 활용한 신경 조절 기술로 보다 구체적으로는, 두피 위에 전극을 붙이고 낮은 전압의 직류전류를 흘려 원하는 뇌 부위를 조절하는 기술이다. 전극이 양극이면 뇌 활동이 활성화되고, 전극이 음극이면 뇌의 활동이 억제된다. 경두개직류자극술(tDCS)은 특정 신경세포를 직접 자극하는 것이 아닌 뇌 안의 다른 회로를 거쳐 원하는 신경세포로 전류가 흘러간다는 점이 특징이다. 또한 직접 신경세포의 활동 전위를 만들어내는 것이 아니라 기본적인 휴지 전위를 높여 활동 전위가 잘 생길 수 있도록 만들어주는 기술이라는 점도 중요한 특징이다.
이와 관련하여 대한민국 공개특허 제10-2010-0073646호에서는 복수 개의 양극 전극과 한 개의 음극 전극을 구비한 자극접촉부를 이용함으로써, 음극에 의해 발생하는 억제(inhibition)을 최소화하면서 뇌의 여러 부위에 전기적 자극이 가능한 경두개직류자극를 개시한 바 있다.
이러한 경두개자기자극술(TMS) 및 경두개직류자극술(tDCS)은 비침습적이므로 안전하여 사람에게 직접 사용할 수 있는 장점이 있는 반면 환자의 개별 특성을 고려하지 않은 일반적으로 알려져있는 획일적인 자극 치료 방법을 제공하여 그 치료 효과가 제한적이다.
또한, 경두개자기자극술(TMS)은 숙련된 치료사에 의해 자극영역을 집중시킬 수 있는 장점을 가지고 있지만 공간적인 해상도가 낮아 원하는 작은 부위만 정밀하게 자극하는 것이 어렵고, 자기장이 뇌 조직을 통과하는데 한계가 있어 뇌의 바깥 부분만 자극할 수 있으며, 상대적으로 비싼 가격과 휴대할 수 없으며 숙련도가 요구된다.
반면 경두개직류자극술(tDCS)에 사용되는 장비는 비교적 저렴하고 간편하게 들고 다니며 자극 치료를 수행할 수 있는 장점이 있지만 자극영역을 특정영역으로 집중시키기가 어려운 단점을 갖는다.
한편, 네비게이티드자극술(Navigated Brain Stimulation, NBS)는 영상화 장비를 이용해 환자의 최적 뇌자극 위치를 추정 후, tDCS나 rTMS 등으로 뇌자극을 수행하는 뇌자극 방법으로, 환자 개인의 뇌 영상 및 기능적 영상화 기술을 통해 환자 맞춤형 뇌자극을 부분적으로 수행할 수 있어 뇌 질환 후 후유장애를 가지고 있는 환자등 일반적으로 알려져있는 뇌의 기능적 역활의 차이가 발생할 수 있는 환자에게 맞춘 뇌자극을 수행할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 이러한 네비게이티드자극술(NBS)는 자극 이전에 촬영한 영상을 활용하여 자극 위치를 결정하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 추정된 자극 방법을 사용하므로 실제 자극이 해당 위치에 정확하게 자극이 되고 있는지 확인할 수 없고, 영상 촬영 후, 질환의 경과에 따라 최적 자극 위치가 변하면 이에 대해 대응이 불가능한 단점을 지니고 있다.
이에, 환자 개인의 최적의 자극 위치에 뇌자극을 하기 위해, 뇌 기능 활성을실시간으로 모니터링하기 위한 기술이 요구된다.
한편, 뇌 기능 활성을 모니터링하는 방법 중 기능적 근적외 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)은 자기공명영상(MRI)과 비교하여, 높은 시간해상도로 신경 활성의 변화에 따른 산화 헤모글로빈(Oxy Hb) 및 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)의 농도변화를 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 자기공명영상(fMRI)의 발전과 더불어 비침습적인 뇌기능 계측방법으로 최근 주목받고 있다.
기능적 근전외선분광법(fNIRS)은 600nm 내지 1000nm 파장의 근적외선을 이용해서 뇌의 혈류변화를 비침습적으로 계측하는 방법이며, 계측원리는 근적외광을 이용한 뇌혈류의 헤모글로빈 산소화 정도의 측정에 바탕을 두고 있다. 보다 구체적으로는, 생체에 근적외광을 조사하여 조직을 투과한 fNIRS 신호를 검출하여 처리하면 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)의 농도와 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)의 농도를 측정할 수 있다. 뇌의 활성화 영역은 혈액 속의 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)에 의해 수송된 산소를 소비하고, 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)는 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)으로 변한다. 이 두 가지 헤모글로빈은 가시광과 근적외광 영역에서 광 특성을 가지며, 기능적 근적외 분광법(fNIRS)으로 측정한 이들의 농도는 뇌활동의 척도로서 사용될 수 있다.
본 발명자들은 피험자의 뇌 기능 활성을 실시간으로 모니터링하고 최적의 자극 정보를 실시간으로 업데이트함으로써 피험자에게 실시간 최적의 자극 정보를 지속적으로 피드백할 수 있는 뇌 자극 장치 및 이를 포함하는 뇌신경 조절 장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
일 측면에서의 목적은
실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치 및 이를 포함하는 뇌신경 조절 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
일 측면에서는,
피험자의 뇌에 연결되는 복수의 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 피험자의 뇌에 전기자극을 가하는 비침습적 뇌자극 모듈;
피험자의 뇌에 연결되는 복수의 FNIRS 채널을 포함하며, 상기 FNIRS채널로부터 뇌혈류역학적 뇌 신호를 수신하는 FNIRS 모듈; 및
상기 비침습적 뇌자극 모듈이 자극하는 뇌 자극 정보 및 상기 자극에 의해 활성화되는 뇌 기능 활성 정보를 획득 및 표시하는 모니터링 모듈;을 포함하고,
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기반으로 최적 자극 정보를 생성 및 업데이트하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치가 제공된다.
상기 뇌 자극 장치는,
상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의해 최대값으로 자극되는 최대 뇌 자극 영역을 제1 뇌영역으로 설정하는 단계;
상기 FNIRS 모듈에 수신되는 최대 뇌 기능 활성 영역을 제2 뇌영역으로 설정하는 단계; 및
상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 상기 비침습 뇌자극(HD-tDCS) 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 포함하는 방법으로 최적 자극 정보를 생성한다.
또한, 상기 뇌 자극 장치는
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기 설정 주기마다 갱신하여 상기 최적 자극 정보를 업데이트한다.
상기 뇌 자극 장치는
상기 최적 자극 정보에 따라 상기 비침습적 뇌자극 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 뇌 자극 장치는
상기 최적 자극 정보에 따라 상기 비침습적 뇌자극 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 비침습적 뇌자극 모듈은 HD-tDCS(High-Definition transcranial Direct Current Stimulation)방식으로 뇌 자극을 가할 수 있다.
상기 뇌 자극 장치는,
비침습적 뇌자극의 전극 및 FNIRS 모듈의 FNIRS 채널을 포함할 수 있다.
상기 모니터링 모듈은
상기 뇌혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 기능 활성도를 산출 및 출력하는 뇌 기능 활성도 시각화 유닛;을 포함한다.
상기 뇌 기능 활성도 시각화 유닛은,
휴식상태(resting state)의 뇌로부터 얻은 휴식상태의 뇌혈류역학적 뇌 신호를 기준으로한 자극상태의 뇌로부터 얻은 자극상태의 뇌혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 기능 활성 계산 지표를 산출하는 신호처리부;
통계적 확률밀도 함수를 이용하여 상기 뇌 기능 활성 계산 지표로부터 각 FNIRS채널의 뇌 기능 활성도를 산출하는 연산부; 및
상기 뇌 기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델의 표면에 막대 바의 길이로 나타내는 출력부;를 포함할 수 있다.
상기 뇌 기능 활성 계산 지표는 대비대 잡음비(contrast to noise raio, CNR), t-value 및 Brain network 중 어느 하나일 수 있다.
상기 뇌 기능 활성 계산 지표는 뇌혈류역학적 뇌 신호 중 기설정된 통계 분석 시간 윈도우내의 뇌혈류역학적 뇌 신호를 사용하여 중복겹침(overlapping)방법으로 기설정된 주기마다 갱신될 수 있다.
상기 출력부는 컴퓨터 화면에 MATLAB 기반 그래픽 유저인터페이스(GUI)로 출력할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
상기 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치를 포함하는 뇌 신경 조절 장치가 제공된다.
상기 신경 조절 장치는
상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의해 최대값으로 자극되는 최대 뇌 자극 영역을 제1 뇌영역으로 설정하는 단계;
상기 FNIRS 모듈에 수신되는 최대 뇌 기능 활성 영역을 제2 뇌영역으로 설정하는 단계; 및
상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 상기 비침습 뇌자극(HD-tDCS) 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 포함하는 방법으로 최적 자극 정보를 생성할 수 있다.
상기 신경 조절 장치는
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기 설정 주기마다 갱신하여 상기 최적 자극 정보를 업데이트할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
뇌 자극 장치를 이용한 뉴로-피드백 방법이 제공된다.
일 측면에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치는 뇌 기능 활성을 실시간으로 모니터링할 수 있고, 실시간 모니터링을 통해 뇌 자극을 최적화할 수 있다.
일 측면에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치는 뇌 자극에 따른 환자의 뇌 기능 활성을 실시간으로 모니터링하면서 동시에 자극이 정확하게 이루어지고 있는지의 여부, 최적의 자극 정보를 실시간으로 업데이트하므로, 현재의 환자 상태에 가장 적합한 자극을 지속적으로 피드백할 수 있다.
일 측면에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치는 뇌가소성 기전 탐색의 원천 기술로 활용될 수 있으며, 뇌 자극 및 치료 프로토콜을 개인화함으로써 파킨슨, 퇴행성 뇌질환 등의 다양한 질환등을 치료하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 비침습적 뇌자극 모듈인 HD-tDCS를 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치에서 뇌 자극을 가하고 뇌 신호 수신하기 위해 피험자의 머리에 착용하는 캡을 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치에서 사용되는 뇌 기능 활성도 시각화 유닛의 그래픽 유저인터페이스(GUI)를 나타낸다.
도 4는 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치를 이용하여 최적 자극 정보를 피드백하는 방법을 나타낸다.
도 5는 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치를 이용하여 최적 자극 정보를 피드백하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치에서 뇌 자극을 가하고 뇌 신호 수신하기 위해 피험자의 머리에 착용하는 캡을 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치에서 사용되는 뇌 기능 활성도 시각화 유닛의 그래픽 유저인터페이스(GUI)를 나타낸다.
도 4는 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치를 이용하여 최적 자극 정보를 피드백하는 방법을 나타낸다.
도 5는 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치를 이용하여 최적 자극 정보를 피드백하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 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 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
일 측면에서는,
피험자의 뇌에 연결되는 복수의 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 피험자의 뇌에 전기자극을 가하는 비침습적 뇌자극 모듈;
피험자의 뇌에 연결되는 복수의 FNIRS 채널을 포함하며, 상기 FNIRS채널로부터 뇌혈류역학적 뇌 신호를 수신하는 FNIRS 모듈; 및
상기 비침습적 뇌자극 모듈이 자극하는 뇌 자극 정보 및 상기 자극에 의해 활성화되는 뇌 기능 활성 정보를 획득 및 표시하는 모니터링 모듈;을 포함하고,
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기반으로 최적 자극 정보를 생성 및 업데이트하는 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치가 제공된다.
이하, 일 측면에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치를 도면을 참조하여 각 구성별로 상세히 설명한다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 피험자의 뇌에 연결되는 복수의 전극을 통해 피험자의 뇌에 전기자극을 가하는 비침습적 뇌자극 모듈을 포함한다.
상기 비침습적 뇌자극 모듈은 피험자에게 전기 자극을 가하기 위한 장치로, 바람직하게는 HD-tDCS(High-Definition transcranial Direct Current Stimulation)방식으로 피험자의 뇌에 전기 자극을 가할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 HD-tDCS를 나타낸 사진이다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 비침습적 뇌자극 모듈로, tDCS를 보완한 다채널 HD-tDCS를사용함으로써, 비교적 저렴하고 간편하게 들고 다니며 자극 치료를 수행할 수 있는 장점을 갖는 동시에, 극성 변환 및 미세 전류 조절기능으로 자극영역을 집중시킬 수 있어, 원하는 특정 위치에 보다 정확히 뇌 자극을 가할 수 있는 장점이 있다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 피험자의 뇌에 연결되는 복수의 FNIRS 채널로부터 뇌혈류역학적 뇌 신호를 수신하는 FNIRS 모듈을 포함한다.
상기 FNIRS 모듈은 피험자의 뇌 기능 활성을 측정하기 위한 뇌 신호를 수신하기 위한 장치로서, 뇌에 근적외광을 조사하여 조직을 투과한 FNIRS신호로부터 혈류역학적 뇌 신호를 수신할 수 있다.
상기 뇌 자극 장치는 뇌 기능 활성을 측정하기 위한 뇌 신호로서 혈류역학적 뇌 신호를 사용함으로써 잡음이 많이 발생되는 뇌파(Electroencephalogram; EEG)보다 정확하게 뇌 기능 활성 신호를 얻을 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치에서 뇌 자극을 가하고 뇌 신호 수신하기 위해 피험자의 머리에 착용하는 캡을 나타낸다. 일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 뇌 자극 장치는 도 2에 나타난 바와 같이, 비침습적 뇌자극의 전극 및 FNIRS 모듈의 FNIRS 채널을 포함하며, 피험자의 머리에 착용되는 캡(cap)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 비침습적 뇌자극 모듈이 자극하는 뇌 자극 정보 및 상기 자극에 의해 활성화되는 뇌 기능 활성 정보를 획득 및 표시하는 모니터링 모듈을 포함한다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 모니터링 모듈을 통해 상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의한 자극에 의해 활성화되는 뇌 기능 활성 정보를 실시간 모니터링할 수 있다.
상기 모니터링 모듈은 상기 뇌혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 기능 활성도를 산출 및 출력하는 뇌 기능 활성도 시각화 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 뇌 기능 활성도 시각화 유닛을 통해 뇌 기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델 표면의 채널 위치에 막대 바의 길이로 표시할 수 있고 기설정한 통계범위 값 범위 내에 포함되는지 여부를 막대 바의 색상으로 표시할 수 있어 실시간, 보다 직관적으로 뇌 활성을 확일할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 뇌 기능 활성도 시각화 유닛은,
휴식상태(resting state)의 뇌로부터 얻은 휴식상태의 뇌혈류역학적 뇌 신호를 기준으로한 자극상태의 뇌로부터 얻은 자극상태의 뇌혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 기능 활성 계산 지표를 산출하는 신호처리부;
통계적 확률밀도 함수를 이용하여 상기 뇌 기능 활성 계산 지표로부터 각 FNIRS채널의 뇌 기능 활성도를 산출하는 연산부; 및
상기 뇌 기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델의 표면에 막대 바의 길이로 나타내는 출력부;를 포함할 수 있다.
이때 상기 "휴식 상태(resting state)"는 외부의 뇌자극이나 대상자가 자체적으로 뇌활성을 일으킬 수 있는 뇌 긴으적 활동을 하지 않은 상태를 의미하고, "자극 상태"는 뇌자극이나 뇌 기능적 활동을 하는 상태를 의미한다.
일반적으로는 휴식 상태의 혈류역학적 뇌 신호 는 뇌 자극에 대한 활성도를 확인할 때 많은 노이즈를 포함하고 있으므로 뇌로부터 얻은 혈류역학적 뇌 신호를 전처리 없이 사용할 경우 뇌 자극 에 대한 활성도를 얻는 데 부정확할 수 있으며, 자극에 의한 미세 활성값은 구분하기 어려운 문제가 있다. 이에, 휴식 상태의 혈류역학적 뇌 신호를 기본적인 상태((baseline)으로 자극 상태의 혈류역학적 뇌 신호 로부터 산출되는 뇌 활성 계산 지표를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 신호처리부는 혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 활성 계산 지표를 산출한다.
상기 뇌 활성 계산 지표는 대비대 잡음비(contrast to noise raio, CNR), t-value 및 Brain network 중 어느 하나일 수 있으며, 보다 바람직하게는 대비대 잡음비(CNR)값일 수 있다.
상기 뇌 기능 활성도 시각화 유닛은 뇌 활성 계산 지표로서 대비대 잡음비(CNR)을 이용함으로써, 뇌 자극에 대한 뇌 기능 활성을 보다 높은 분해능으로 측정할 수 있고, 상기 대비대 잡음비(CNR)값을 기설정된 주기로 갱신함으로써 뇌 기능 활성을 실시간 확인할 수 있다.
상기 신호처리부는 예를 들어, 휴식 상태(resting state)의 뇌로부터 일정시간동안 혈류역학적 뇌 신호를 획득한 후 뇌에 자극을 가하여 혈류역학적 뇌 신호가 획득될 때 아래의 식 1을 통해 계산함으로써, 대비대 잡음비(CNR)을 산출할 수 있다.
<식 1>
상기 뇌 활성 계산 지표는 혈류역학적 뇌 신호 중 기설정된 통계 분석 시간 윈도우내의 혈류역학적 뇌 신호를 사용하여 70% 내지 90%의 중복겹침(overlapping), 보다 바람직하게는 80%의 중복겹침(overlapping)방법으로 기설정된 주기마다 갱신된다.
여기서 통계 분석 시간 윈도우는 가변적으로 설정 가능할 수 있으나, 통계 분석 시간 윈도우의 시간을 길게 잡을 경우 더 많은 뇌신호 데이터를 활용할 수 있으므로 통계적으로 더 정확한 값을 얻을 수 있지만 그 시간만큼의 실시간 뇌활성 산출의 시간지연이 발생하고 갱신시간이 오래 걸리기 때문에 현재의 뇌활성과의 차이가 발생할 수 있다. 반면 통계 분석 시간 윈도우의 시간을 너무 짧게 잡을 경우 너무 적은 뇌신호 데이터만으로 뇌활성을 산출해야 하기 때문에 신뢰도를 확보하기 힘들다. 따라서 본 발명에서는 70% 내지 90%, 보다 바람직하게는 80%의 과거의 값을 중복하여 사용하는 중복겹침을 이용하여 뇌활성의 신뢰도는 그대로 유지하고 갱신시간은 5배 더 빠르게 유지할 수 있다.
상기 기 설정된 주기는 실시간분석을 위해 뇌 활성 계산 지표를 갱신하는 주기로, 0.5초 내지 1분, 보다 바람직하게는 0.5초 내지 10초일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 뇌 기능 활성도를 실시간 분석하는데 적합한 값으로서 사용자의 요구에 따라 달라질 수 있다.
상기 연산부는 통계적 확률 밀도 함수를 이용하여 상기 뇌 활성 계산 지표로부터 각 FNIRS채널의 뇌 기능 활성도를 산출한다.
여기서 "뇌 기능 활성도"는 뇌 기능 활성 정도를 객관적인 수치값을 의미하며, 이하의 방법으로 산출될 수 있다.
확률 밀도 함수를 이용해 산출한 뇌 활성 지표는 전체 표본중 해당값이 확률적으로 어느 위치에 해당하는지를 쉽게 판단할 수 있으며, 뇌활성지표가 높은 상태, 보통인 상태, 낮은 상태 등을 p-값만으로 간단하게 구별할 수 있다. 사용자가 기설정한 p-값 이상인 경우 뇌활성이 높은 상태, p-값 이하는 낮은 상태, 그 사이는 보통인 상태로 표현 할 수 있다.
상기 연산부는 상기 뇌 기능 활성도가 기설정한 통계범위 내에 포함되는지 여부를 산출할 수 있으며, 이를 통해 3차원 표준 머리 모델 표면의 각 FNIRS 채널 위치의 배치되는 막대 바의 색으로 뇌 기능 활성도가 기설정한 통계범위 내에 포함되는지 여부를 표시하도록 할 수 있다.
상기 출력부는 상기 각 FNIRS채널의 뇌 기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델의 표면에 막대 바의 길이로 나타낼 수 있다.
상기 뇌 기능 활성도 시각화 장치는 뇌 기능 활성의 객관적 수치인 뇌 기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델의 표면에 막대 바의 길이로 나타냄으로써 뇌 기능 활성도를 실시간 빠르게 확인할 수 있는 장점이 있다.
상기 출력부는 컴퓨터 화면에 MATLAB 기반 그래픽 유저인터페이스(GUI)로 출력할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌자극 장치에서 사용되는 뇌 기능 활성도 시각화 유닛의 그래픽 유저인터페이스(GUI)를 나타내며, 아래의 표 1은 도 3의 GUI에 표시되는 사용자 환경 및 기능 설명표이다.
| 영역 | 제목 | 기능 |
| (a) | 뇌 활성 계산 지표 선택부 | CNR, t-value, Brain network |
| (b) | 머리 모델 표현부 | 저장된 채널셋을 불러오며 채널위치, 10-20 좌표의 표현을 on/off 할 수 있는 기능 |
| (c) | 실시간 분석제어 및 명령부 | 실시간 스트리밍 데이터 획득, 실시간 뇌활성 영역 및 뇌신호 표현 시작 및 종료 버튼과 통계분석 시간 윈도우 크기와 p값을 설정 |
| (d) | 저장된 뇌신호 로드부 | 저장된 뇌신호를 다시 불러와 뇌활성 및 신호 분석 기능 수행 |
| (e) | 저장된 뇌 활성 지표 로드부 | 저장된 뇌 활성 정보를 저장한 파일을 불러와 다시 분석하는 기능 수행 |
| (f) | 전체 채널 뇌신호 표현부 | 모든 채널의 뇌신호를 표현하는 윈도우 |
| (g) | 단일 채널 뇌신호 표현부 | 단일 채널을 선택하여 뇌신호를 표현하는 윈도우 |
| (h) | 뇌활성 컬러맵 스케일 조절부 | 약하거나 강한 뇌활성을 모두 표현할 수 있도록 컬러맵의 스케일을 조절 기능 |
| (i) | 뇌활성 시각화 표현부 | 뇌활성을 컬러맵으로 표현함과 동시에 객관적 시각화를 위한 바(bar)길이와 통계적 p-값을 통해 3가지 색으로 표현 |
| (j) | 뇌활성 표현 시점 조절부 | 실시간 뿐만아니라 과거 시점의 뇌활성을 표현하기 위한 시점 조절 기능 |
도 5 및 상기 표 1을 참조하면, GUI는 (a)뇌 활성 계산 지표 선택부 및 (b)머리 모델 표현부, (c)실시간 분석 제어 및 명령부, (d)저장된 채널 로드부, (e)저장된 뇌 활성 계산 지표 로드부, (f)전체 혈류역학적 뇌 신호 표현부, (g) 단일 혈류역학적 뇌 신호 표현부, (h)뇌활성 컬러맵 스케일 조절부, (i)뇌활성 시각화 표현부 및 (j)뇌활성 표현 시점 조절부를 포함할 수 있다.
도 3의 GUI의 상단에 (a)뇌 활성 계산 지표 선택부 및 (b)머리 모델 표현부, (c)실시간 분석 제어 및 명령부, (d)저장된 채널 로드부 및 (e)저장된 뇌 활성 계산 지표 로드부를 표시할 수 있다.
사용자는 (a)뇌 활성 계산 지표 선택부를 통해 CNR, t-value 및, Brain network 중 어느 하나의 뇌 활성 계산 지표를 선택할 수 있고 (b)머리 모델 표현부를 통해 저장된 채널셋을 불러오며 FNIRS 채널를 추가, 제거할 수 있고 10-20 좌표의 표현을 온/오프할 수 있다.
또한, 사용자는 (c)실시간 분석 제어 및 명령부는 시작 및 종료 버튼을 통해 3차우너 표준 머리 모델 상에 표시되는 뇌활성도 표현 및 (f)전체 혈류역학적 뇌 신호 표현부에 표시되는 혈류역학적 뇌 신호 표현을 시작 및 종료할 수 있고, 신호 데이터를 취득하여 분석하는 통계분석 시간 윈도우 크기를 설정할 수 있고, 산출된 현재 뇌 활성 지표의 높고 낮음을 판단하는 기준이 되는 p값을 설정할 수 있다.
또한, 사용자는 (d)저장된 채널 로드부를 통해 저장된 혈류역학적 뇌 신호를 다시 불러와 뇌활성 및 뇌 신호 분석을 수행할 수 있고, (e)저장된 뇌 활성 계산 지표 로드부를 통해 저장된 뇌 활성 정보를 저장한 파일을 불러와 다시 분석할 수 있다.
도 3의 GUI의 우측에는 신호 표현부로서, 전체 채널의 혈류역학적 뇌 신호를 표시하는 (f)전체 혈류역학적 뇌 신호 표현부, 선택된 단일 채널의 혈류역학적 뇌 신호를 표시하는 (g) 단일 혈류역학적 뇌 신호 표현부를 포함한다.
또한 도 3의 GUI의 좌측에는 뇌활성을 컬러맵으로 표현함과 동시에 객관적 수치인 뇌활성도를 머리모델 상에 막대 바(bar)의 길이 및 색으로 나타내는 (i)뇌활성 시각화 표현부를 포함한다.
이때, 상기 막대 바의 색 중 붉은색은 확률밀도함수상 뇌활성이 높은 상태, 녹색은 보통인 상태, 파란색은 낮은 상태를 의미하며 따뜻한 색이 높은 값을 나타내며 차가운 색이 낮은 값을 나타낸다.
또한 상기 (i)뇌활성 시각화 표현부 하단에는 (j)뇌활성 표현 시점 조절부를 포함하며, 이를 통해 실시간 뿐만아니라 과거 시점의 뇌활성을 표현하기 위한 시간을 조절할 수 있다.
또한, 도 3의 GUI의 중앙에는 (h)뇌활성 컬러맵 스케일 조절부를 표시하며 이를 통해 약하거나 강한 뇌활성을 모두 표현할 수 있도록 컬러맵의 스케일을 조절할 수 있다.
상기 뇌 기능 활성도 시각화 장치는 뇌 기능 활성도를 컴퓨터 화면에 MATLAB 기반 그래픽 유저인터페이스(GUI)로 출력함으로써 높은 사용자 편의성을 가질 수 있고 최소한의 버튼 클릭만으로 조작이 가능하여 비전문가들도 손쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 그래픽 유저인터페이스(GUI)는
복수의 FNIRS 채널 중 적어도 하나의 FNIRS 채널 위치가 표시되는 3차원 표준 머리 모델 표현부; 및
상기 3차원 표준 머리 모델 표현부의 복수의 FNIRS 채널 중 적어도 하나의 FNIRS채널의 위치에 막대 바의 길이로서 뇌 기능 활성도를 나타내는 뇌활성 시각화 표현부;를 포함한다.
상기 뇌 기능 활성도 시각화 장치는 그래픽 유저인터페이스(GUI)를 통해, 상기 3차원 표준 머리 모델 표현부에 표시되는 복수의 FNIRS 채널에 대해 사용자의 요구에 따라 FNIRS 채널을 온/오프할 수 있어, 예를 들어, 1개의 FNIRS 채널을 활성화시킬 수 있고, 또는 전체 FNIRS 채널을 활성화시킬 수 있다.
상기 뇌활성 시각화 표현부는 각 FNIRS채널의 뇌 기능 활성도가 기설정한 통계 범위 내에 포함되는지 여부를 상기 막대 바의 색으로 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로는 뇌 기능 활성도가 기설정한 통계 범위보다 낮은 막대 바를 푸른 계열의 색으로, 상기 통계 범위보다 높은 뇌 기능 활성도를 나타내는 막대 바를 붉은 계열의 색으로 나타낼 수 있다.
뇌 기능 활성도 시각화 장치는 3차원 표준 머리 모델 표현부에 복수의 FNIRS 채널 전체 또는 일부를 표시할 수 있고, 표시된 FNIRS 채널로부터 얻은 뇌 신호로부터 상기 FNIRS 채널 위치의 뇌기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델 표면상에 막대 바의 길이 및 색으로 시각화할 수 있어, 뇌 기능 활성도를 직관적으로 빠르고 확인할 수 있는 장점이 있다.
상기 그래픽 유저인터페이스(GUI)는, 상기 막대 바에 표시되는 색의 스케일을 조절하는 뇌활성 컬러맵 스케일 조절부;를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 뇌 기능 활성도 시각화 장치는 뇌 기능 활성도가 기설정한 통계 범위 내에 포함되는지 여부를 상기 막대 바의 색으로 표시하되, 상기 뇌활성 컬러맵 스케일 조절부를 통해 약하거나 강한 뇌활성을 모두 표현할 수 있도록 상기 막대 바에 표시되는 색의 스케일을 조절할 수 있으며, 이를 통해 다양한 자극 및 기능적 작업을 수행할 수 있다.
상기 그래픽 유저인터페이스(GUI)는 상기 혈류역학적 뇌 신호를 나타내는 뇌신호 표현부;를 를 더 포함할 수 있다.
상기 뇌신호 표현부는 단일 FNIRS 채널 및 전체 FNIRS 채널의 혈류역학적 뇌 신호 중 하나 이상을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 도 3에서와 같이 상기 그래픽 유저인터페이스(GUI)는 컴퓨터 화며의 우측 상단에 전체 혈류역학적 뇌 신호 표현부를 나타내고, 우측 하단에 단일 혈류역학적 뇌 신호 표현부 및 전체 혈류역학적 뇌 신호 표현부를 나타낼 수 있으며, 단일 FNIRS 채널 및 전체 FNIRS 채널의 혈류역학적 뇌 신호 중 하나 이상을 나타낼 수 있다.
상기 그래픽 유저인터페이스(GUI)는 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 출력시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 그래픽 유저인터페이스(GUI)는 뇌활성 표현 시점 조절부를 더 포함할 수 있고, 상기 뇌활성 표현 시점 조절부는 통해 실시간 뿐만아니라 과거 시점의 뇌활성을 출력하기 위한 시간을 조절할 수 있으며, 이를 통해 상기 데이터저장부에 저장된 과거의 혈류역학적 뇌 신호, 뇌 활성 계산 지표 및 뇌 기능 활성도 중 적어도 하나를 출력할 수 있다.
상기 출력부는 상기 3차원 표준 머리 모델의 표면에 상기 뇌 기능 활성도와 함께 상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의해 자극되는 뇌 자극 영역을 표시할 수 있다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기반으로 최적 자극 정보를 생성 및 업데이트한다.
보다 구체적으로는,
상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의해 최대값으로 자극되는 최대 뇌 자극 영역을 제1 뇌영역으로 설정하는 단계;
상기 FNIRS 모듈에 수신되는 최대 뇌 기능 활성 영역을 제2 뇌영역으로 설정하는 단계; 및
상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 상기 비침습 뇌자극 모듈의 전극의 위치 및 세기 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 포함하는 방법으로 최적 자극 정보를 생성할 수 있다.
이때, 상기 "최적 자극"은 사용자 개인의 기능적 최대 활성영역에 자극하는 것을 의미한다.
상기 최적 자극 정보는 최적 자극 위치 및 최적 자극 세기 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 최적 자극 위치일 수 있다.
상기 뇌 자극 장치는 모니터링되는 뇌 기능 활성 정보에 따라 상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 자극 위치를 수동으로 이동시키거나 뇌자극 모듈의 전극의 위치, 방향 및 세기 중 적어도 하나를 변경하여 뇌 자극을 반복수행하고, 상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기 설정 주기마다 갱신함으로써 최적 자극 정보를 업데이트할 수 있고 최적 자극 위치에 자극을 가할 수 있다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 최적 자극 정보에 따라 상기 비침습적 뇌자극 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 뇌 자극 장치는 상기 생성 및 업데이트되는 최적 자극 정보에 따라 상기 비침습적 뇌자극 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 변경할 수 있어 현재의 환자 상태에 가장 적합한 자극을 지속적으로 피드백할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
상기 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치를 포함하는 뇌 신경 조절 장치가 제공된다.
상기 신경 조절 장치는 상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 상기 비침습 뇌자극(HD-tDCS) 모듈의 전극의 위치 및 세기 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 포함하는 방법으로 최적 자극 정보를 생성 및 업데이트할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
뇌 자극 장치를 이용한 뉴로-피드백 방법이 제공된다.
이하, 실시 예 및 실험 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시 예 및 실험 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시 예 1>
도 4는 이하의 실시 예 1에 따라 최적 자극 정보를 피드백하는 방법을 나타낸 사진이고, 도 5는 최적 자극 정보를 피드백하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
단계 1: 피험자의 머리에 HD-tDCS 모듈의 전극 및 fNIRS 모듈의 FNIRS 채널을 포함하는 캡을 착용시킨다. 이후 FNIRS 장치로부터 특별한 자극이 가해지지 않은 피험자의 휴식 상태(resting state)의 뇌에 대해 약 30초 이상의 시간동안 혈류역학적 뇌 신호를 획득하여 데이터 저장부에 저장하였다.
단계 2: HD-tDCS 모듈을 이용하여 기 설정한 최적 자극 정보에 초기 뇌 신경 자극을 가하였다.
단계 3: 뇌 신경 자극의 효과가 나타날 수 있도록 약 5분 이상의 충분한 휴식을 취하도록 하였다.
단계 4: HD-tDCS 모듈을 이용하여 뇌 자극을 가함과 동시에 fNIRS 모듈을 이용해 수신한 혈류역학적 뇌 신호를 뇌 기능 활성도 시각화 유닛으로 실시간 모니터링하여, HD-tDCS의 자극 위치 및 뇌 기능 활성도 시각화 유닛의 뇌 기능 활성도의 최대 뇌 활성 영역을 검출하였다.
이때, 상기 뇌 기능 활성도 시각화 유닛은 전술한 방법 뇌 기능 활성도를 산출하였다.
단계 5: 산출된 뇌 기능 활성도의 값 중 최대값이 나타나는 뇌 영역에 뇌 자극이 가해지도록 뇌 신경 자극 위치를 변경한다.
단계 6: 상기 단계 1 내지 단계 5를 반복 수행한다.
Claims (15)
- 피험자의 뇌에 연결되는 복수의 전극을 포함하며, 상기 전극을 통해 피험자의 뇌에 전기자극을 가하는 비침습적 뇌자극 모듈;
피험자의 뇌에 연결되는 복수의 FNIRS 채널을 포함하며, 상기 FNIRS채널로부터 뇌혈류역학적 뇌 신호를 수신하는 FNIRS 모듈; 및
상기 비침습적 뇌자극 모듈이 자극하는 뇌 자극 정보 및 상기 자극에 의해 활성화되는 뇌 기능 활성 정보를 획득 및 표시하는 모니터링 모듈;을 포함하고,
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기반으로 최적 자극 정보를 생성 및 업데이트하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 뇌 자극 장치는,
상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의해 최대값으로 자극되는 최대 뇌 자극 영역을 제1 뇌영역으로 설정하는 단계;
상기 FNIRS 모듈에 수신되는 최대 뇌 기능 활성 영역을 제2 뇌영역으로 설정하는 단계; 및
상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 상기 비침습 뇌자극(HD-tDCS) 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 포함하는 방법으로 최적 자극 정보를 생성하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 뇌 자극 장치는
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기 설정 주기마다 갱신하여 상기 최적 자극 정보를 업데이트하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 뇌 자극 장치는
상기 최적 자극 정보에 따라 상기 비침습적 뇌자극 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 비침습적 뇌자극 모듈은 HD-tDCS(High-Definition transcranial Direct Current Stimulation)방식으로 뇌 자극을 가하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 뇌 자극 장치는,
비침습적 뇌자극의 전극 및 FNIRS 모듈의 FNIRS 채널을 포함하며, 피험자의 머리에 착용되는 캡(cap)을 더 포함하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 모니터링 모듈은
상기 뇌혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 기능 활성도를 산출 및 출력하는 뇌 기능 활성도 시각화 유닛;을 포함하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 뇌 기능 활성도 시각화 유닛은,
휴식상태(resting state)의 뇌로부터 얻은 휴식상태의 뇌혈류역학적 뇌 신호를 기준으로한 자극상태의 뇌로부터 얻은 자극상태의 뇌혈류역학적 뇌 신호로부터 뇌 기능 활성 계산 지표를 산출하는 신호처리부;
통계적 확률밀도 함수를 이용하여 상기 뇌 기능 활성 계산 지표로부터 각 FNIRS채널의 뇌 기능 활성도를 산출하는 연산부; 및
상기 뇌 기능 활성도를 3차원 표준 머리 모델의 표면에 막대 바의 길이로 나타내는 출력부;를 포함하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 뇌 기능 활성 계산 지표는 대비대 잡음비(contrast to noise raio, CNR), t-value 및 Brain network 중 어느 하나인, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 뇌 기능 활성 계산 지표는 FNIRS 신호 중 기설정된 통계 분석 시간 윈도우내의 FNIRS 신호를 사용하여 중복겹침(overlapping)방법으로 기설정된 주기마다 갱신되는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 출력부는 컴퓨터 화면에 MATLAB 기반 그래픽 유저인터페이스(GUI)로 출력하는, 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치.
- 제1항의 실시간 뇌 기능 활성 모니터링을 이용한 뇌 자극 장치를 포함하는 뇌 신경 조절 장치.
- 제12항에 있어서,
상기 뇌 신경 조절 장치는
상기 비침습적 뇌자극 모듈에 의해 최대값으로 자극되는 최대 뇌 자극 영역을 제1 뇌영역으로 설정하는 단계;
상기 FNIRS 모듈에 수신되는 최대 뇌 기능 활성 영역을 제2 뇌영역으로 설정하는 단계; 및
상기 제1 뇌 영역과 상기 제2 뇌 영역의 차이를 줄이도록 상기 비침습 뇌자극(HD-tDCS) 모듈의 전극의 위치 및 세기 정도 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 포함하는 방법으로 최적 자극 정보를 생성하는, 뇌 신경 조절 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 뇌 신경 조절 장치는
상기 뇌 자극 정보 및 뇌 기능 활성 정보를 기 설정 주기마다 갱신하여 상기 최적 자극 정보를 업데이트하는, 뇌 신경 조절 장치.
- 제1항의 뇌 자극 장치를 이용한 뉴로-피드백 방법.
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