KR20220016566A - apparatus and method for controlling ultrasonic wave for brain stimulation - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an ultrasound stimulus control device including: an ultrasound control unit determining a target position on a brain to be stimulated and controlling an ultrasound focal position in accordance with the target position; an ultrasound generating unit stimulating the brain with ultrasound in accordance with the ultrasound focal position; a cerebral biometric signal measuring unit measuring a biometric signal of the brain during the ultrasound stimulation of the brain; a neural activity determination unit determining the stimulated position of the ultrasound-stimulated brain based on the measured biometric signal; and a compensation unit determining a compensation value for the ultrasound focal position by error calculation between the target position and the stimulated position. The ultrasound control unit adjusts the ultrasound focal position in accordance with the compensation value for the ultrasound focal position.

Description

초음파 자극 제어 장치 및 방법{apparatus and method for controlling ultrasonic wave for brain stimulation}Apparatus and method for controlling ultrasonic wave for brain stimulation

본 발명은 초음파 자극 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 뇌졸중 환자의 신경 가소성 증진시키기 위해 초음파 자극을 최적화시키는 자극 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for controlling ultrasound stimulation, and more particularly, to an apparatus and method for controlling ultrasound for optimizing ultrasound stimulation to enhance neuroplasticity in stroke patients.

[국가지원 연구개발에 대한 설명][Description of state-funded R&D]

본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 (No. CAP-18-01-KIST)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was conducted with the support of the National Institute of Science and Technology Creative Convergence Research Project (No. CAP-18-01-KIST) under the supervision of the Korea Institute of Science and Technology.

전 세계적으로 고령화가 진행됨에 따라, 뇌졸중 등의 만성질환이 사회문제로 대두되고 있고, 최근 국내 뇌졸중 환자가 지속적으로 증가됨에 따라 발병 후 치료 및 재활과 관련하여 사회적으로 이슈가 되고 있다.As the aging population progresses around the world, chronic diseases such as stroke are emerging as a social problem, and as the number of stroke patients in Korea continues to increase in recent years, it is becoming a social issue in relation to treatment and rehabilitation after the onset.

종래에는 뇌 질환을 치료하기 위해 두개골에 작은 구멍을 내거나 뇌를 절개하여 전기적 자극(electrical impulse)을 주는 침습적 뇌 자극 기술이 이용되었다. 그러나, 개두술로 인해 감염이 발생하거나 뇌출혈, 마비, 중풍, 언어장애와 같은 영구적인 뇌손상이 발생할 수 있다는 문제가 있다.Conventionally, an invasive brain stimulation technique for giving an electrical impulse by making a small hole in the skull or cutting the brain to treat brain diseases has been used. However, there is a problem that infection or permanent brain damage such as cerebral hemorrhage, paralysis, paralysis, and speech disorders may occur due to craniotomy.

그리하여, 개두술 없이 질환의 원인이 되는 뇌의 특정 부분을 자극하는 비침습적 뇌 자극 기술의 활용이 증가하고 있다. 구체적으로 신경가소성을 증진시키는 방법으로 low intensity ultrasound 자극 등이 있다. 초음파 자극을 극대화 하기 위해서는 최적의 초음파 파라미터를 결정하는 것이 핵심이다. 현재까지는 초음파 파라미터를 경험적으로 (Heuristic) 결정하였기에, 객관적인 지표를 이용한 파라미터 결정 기법이 필요하다. 또한 초음파 자극이 비침습적 자극이기 때문에, 타겟 위치가 부정확할 수밖에 없기에 초음파 자극 위치 제어 기법이 필요하다.Accordingly, the use of non-invasive brain stimulation techniques for stimulating a specific part of the brain that causes a disease without craniotomy is increasing. Specifically, low-intensity ultrasound stimulation is a method for enhancing neuroplasticity. Determining the optimal ultrasound parameters is the key to maximizing ultrasound stimulation. Until now, since ultrasound parameters have been determined heuristically, a parameter determination technique using objective indicators is required. In addition, since the ultrasound stimulation is a non-invasive stimulation, the target position is inevitably inaccurate, so an ultrasound stimulation position control technique is required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 최적의 초음파 자극 위치 및 초음파 파라미터를 제공하기 위한 초음파 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and relates to an ultrasound control apparatus and method for providing an optimal ultrasound stimulation position and ultrasound parameters.

본 발명의 일 실시시예에 따른 초음파 자극 제어 방법은, 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하는 단계; 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 단계; 상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 단계; 상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계; 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계; 상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 단계; 및 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정하는 단계를 포함한다.An ultrasonic stimulation control method according to an embodiment of the present invention, the method comprising: determining a target location of the brain to be stimulated; controlling an ultrasound focus position according to the target position; stimulating the brain with ultrasound according to the ultrasound focal position; measuring a biosignal of the brain while stimulating the brain with the ultrasound; determining a stimulation location of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals; determining a compensation value of an ultrasound focal position by calculating an error between the target position and the stimulation position; and adjusting the ultrasonic focus position according to a compensation value of the ultrasonic focus position.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the determining of the stimulation position includes determining the neural activity of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 자극 위치를 결정하는 단계는, 결정된 상기 신경 활성도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the determining of the stimulation position includes determining the stimulation position based on the determined nerve activity.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 결정된 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하는 단계; 및 상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the method comprising: determining a compensation value of an ultrasound parameter according to the determined neural activity; and adjusting the ultrasound parameter according to the compensation value of the ultrasound parameter.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the ultrasound parameter includes at least one of an ultrasound intensity, a frequency, and a pulse duration.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계는, EEG 신호를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 단계; 및 상기 EEG 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the measuring of the biosignal of the brain includes measuring an EEG signal, and the determining of the stimulation position of the brain includes the EEG signal based on the measured EEG signal. generating a topographic map; and determining, as the stimulation position, a position where nerve activity is most changed in the EEG topography.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계는, fNIRs 신호를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 단계; 및 상기 fNIRs 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the measuring the biosignal of the brain includes measuring the fNIRs signal, and the determining of the stimulation position of the brain includes the fNIRs based on the measured fNIRs signal. generating a topographic map; and determining, as the stimulation position, a position where nerve activity is most changed on the topography of the fNIRs.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 초음파로 뇌를 자극하는 단계는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the step of stimulating the brain with ultrasound includes the step of non-invasively stimulating the brain outside the skull.

본 발명의 일 실시시예에 따른 초음파 자극 제어 장치는, 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하고, 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 초음파 제어부; 상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 초음파 발생부; 상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 뇌 생체 신호 측정부; 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 신경 활성도 결정부; 및 상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 보상부를 포함하고, 상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정 한다.An ultrasound stimulation control apparatus according to an embodiment of the present invention includes: an ultrasound controller for determining a target position of a brain to be stimulated, and controlling an ultrasound focus position according to the target position; an ultrasonic wave generator for stimulating the brain with ultrasonic waves according to the ultrasonic focus position; a brain bio-signal measuring unit that measures a bio-signal of the brain while stimulating the brain with the ultrasound; a nerve activity determining unit that determines a stimulation position of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals; and a compensator configured to calculate an error between the target position and the stimulation position to determine a compensation value of the ultrasound focus position, wherein the ultrasound controller adjusts the ultrasound focus position according to the compensation value of the ultrasound focal position.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 신경 활성도 결정부는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정한다.According to an embodiment of the present invention, the neural activity determining unit determines the neural activity of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 신경 활성도 결정부는, 결정된 상기 신경 활성도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정한다.According to an embodiment of the present invention, the nerve activity determining unit determines the stimulation location based on the determined nerve activity.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 보상부는, 결정된 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하고, 상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다.According to an embodiment of the present invention, the compensator determines a compensation value of the ultrasound parameter according to the determined nerve activity, and the ultrasound controller adjusts the ultrasound parameter according to the compensation value of the ultrasound parameter.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the ultrasound parameter includes at least one of an ultrasound intensity, a frequency, and a pulse duration.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌 생체 신호 측정부는, EEG 신호를 측정하는 EEG 측정부를 포함하고, 상기 신경 활성도 결정부는, 측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 EEG 지형도 생성부; 및 상기 EEG 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 자극 위치 결정부를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the brain biosignal measuring unit includes an EEG measuring unit measuring an EEG signal, and the neural activity determining unit is an EEG topographical map generating unit generating an EEG topographic map based on the measured EEG signal. ; and a stimulation position determining unit configured to determine a position where nerve activity changes the most on the EEG topography as the stimulation position.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 상기 뇌 생체 신호 측정부는, fNIRs 신호를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 신경 활성도 결정부는, 측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 fNIRs 지형도 생성부; 및 상기 fNIRs 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 자극 위치 결정부를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the brain biosignal measuring unit includes measuring an fNIRs signal, and the neural activity determining unit includes: an fNIRs topographic map generating unit that generates a fNIRs topographic map based on the measured fNIRs signal; and a stimulation position determining unit configured to determine a position at which nerve activity is most changed in the fNIRs topography as the stimulation position.

본 발명의 일 실시시예에 따르면, 초음파 발생부는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극한다.According to an embodiment of the present invention, the ultrasound generator non-invasively stimulates the brain outside the skull.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 실시간으로 자극 위치와 타겟 위치를 비교함으로써 최적의 초음파 초점 위치에서 뇌를 자극할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the brain can be stimulated at an optimal ultrasound focus position by comparing the stimulation position with the target position in real time.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실시간으로 뇌의 신경 활성도를 확인함으로써 최적의 초음파 파라미터로 뇌를 자극할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the brain can be stimulated with optimal ultrasound parameters by checking the neural activity of the brain in real time.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 제어 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 지역 신경 가소성 감지를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 위치 제어를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도를 이용한 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도 및 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 및 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.
1 is a block diagram of an ultrasonic control apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating local regional neural plasticity sensing according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating an ultrasonic focus position control according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound focus position using an EEG topographic map according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of an ultrasound parameter control method using an EEG topography according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound focus position using a topographical map of fNIRs according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart of an ultrasound parameter control method using a topographical map of fNIRs according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound focus position and parameters using an EEG topography and fNIRs topography according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Accordingly, in some embodiments, well-known process steps, well-known device structures, and well-known techniques have not been specifically described in order to avoid obscuring the present invention. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.

본 명세서에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소가 제2 또는 제3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제2 또는 제3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as first, second, third, etc. may be used to describe various components, but these components are not limited by the terms. The above terms are used for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second or third component, and similarly, the second or third component may be alternately named.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙인다.In order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar components throughout the specification.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8 .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 제어 장치의 블럭도이다. 1 is a block diagram of an ultrasonic control apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 초음파 제어 장치는, 초음파 제어부(100), 초음파 발생부(200), 뇌 생체 신호 측정부(300), 평가부(400) 및 보상부(500)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , the ultrasound control apparatus includes an ultrasound control unit 100 , an ultrasound generation unit 200 , a brain biosignal measurement unit 300 , an evaluation unit 400 , and a compensation unit 500 .

먼저, 초음파 발생부(200)는 비침습적으로 특정 사용자의 뇌의 특정 부분을 자극하기 위한 초음파를 하나 또는 그 이상의 초음파 트랜스듀서 유닛을 통해 환자의 뇌에 입력하는 기능을 수행한다. 초음파 발생부(200)는 하나의 트랜스듀서 유닛만으로 구성될 수도 있으며, 다수 개의 트랜스듀서 유닛으로 이루어진 트랜스듀서 어레이로 구성될 수도 있다. 초음파 발생부(200)는 초음파 제어부(100)의 제어에 따라 조정된 초음파 초점 위치 및/또는 초음파 파라미터에 따라 특정 위치의 뇌를 초음파로 자극할 수 있다.First, the ultrasound generator 200 performs a function of non-invasively inputting ultrasound to stimulate a specific part of a specific user's brain into the patient's brain through one or more ultrasound transducer units. The ultrasound generator 200 may be configured with only one transducer unit, or may be configured with a transducer array including a plurality of transducer units. The ultrasound generator 200 may stimulate the brain at a specific position with ultrasound according to the ultrasound focus position and/or ultrasound parameters adjusted under the control of the ultrasound controller 100 .

초음파 제어부(100)는 타겟 위치 결정부(110), 초음파 초점 위치 제어부(120) 및 파라미터 제어부(130)를 포함할 수 있다.The ultrasound control unit 100 may include a target position determiner 110 , an ultrasound focus position control unit 120 , and a parameter control unit 130 .

타겟 위치 결정부(110)는 후술할 EEG 지형도 생성부(410) 및 fNIRs 지형도 생성부(420)에 의해 생성된 지형도에 기초하여 타겟 위치를 결정할 수 있다. 타겟 위치 결정부(110)는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다. 미리 획득한 사용자 두개골의 영상은 사용자 두개골을 촬영한 MRI 영상, CT 영상 및 X-ray 영상 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 사용자의 뇌에서 질환이 발생된 원인과 그 위치를 파악할 수 있는 뇌 영상이 포함될 수 있다.The target location determiner 110 may determine the target location based on the topographic map generated by the EEG topographic map generator 410 and the fNIRs topographic map generator 420 to be described later. The target position determiner 110 may calculate an ultrasound target position to be irradiated with ultrasound based on the previously acquired image of the user's skull. The pre-acquired image of the user's skull may include at least one of an MRI image, a CT image, and an X-ray image obtained by photographing the user's skull, but is not limited thereto. Brain imaging may be included.

보다 구체적으로, 타겟 위치 결정부(110)는 지형도 또는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에서 자극이 필요한 뇌의 위치를 추출하고, 사용자 두개골의 모양에 따라 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다.More specifically, the target position determiner 110 extracts the location of the brain that needs stimulation from the topographic map or the previously acquired image of the user's skull, and calculates the ultrasound target position to be irradiated with ultrasound according to the shape of the user's skull. .

초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 타겟 위치에 따라 초음파의 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 타겟 위치를 고려하여 초음파 자극이 용이한 위치로 초음파 발생부(100)의 초기 위치를 조절하고, 추후 보상부(500)의 초점 위치 보상값에 따라 초음파 발생부(200)의 위치를 보정한다.The ultrasound focus position controller 120 adjusts the ultrasound focus position according to the ultrasound target position. The ultrasonic focus position controller 120 adjusts the initial position of the ultrasonic generator 100 to a position where ultrasonic stimulation is easy in consideration of the ultrasonic target position, and later, according to the focus position compensation value of the compensator 500 , the ultrasonic generator Correct the position of (200).

초음파 초점 위치 제어부(120)는, 자극 위치 결정부(430)에 의해 결정된 자극 위치를 참조로 하여 초음파 발생부(200)의 뇌 상에 포커싱되는 초점의 위치를 조정하는 기능을 한다. The ultrasound focus position control unit 120 serves to adjust the position of the focus on the brain of the ultrasound generating unit 200 with reference to the stimulation position determined by the stimulation position determining unit 430 .

초음파 초점 위치 제어부(120)는 사용자에게 입력될 초음파가 이 사용자의 뇌 상에 포커싱되는 위치를 조정함에 있어, 3자유도(예를 들어, x축, y축, z축)를 가진 상태에서 조정이 가능하며, 이 3자유도를 전부 소프트웨어적으로 조정할 수도 있고, 3 자유도 중 2자유도에 대해서는 하드웨어적으로 조정하고 나머지 1자유도에 대해서는 소프트웨어적으로 조정할 수도 있다. 여기서 소프트웨어적으로 자유도를 조정하는 방법은 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력되는 초음파의 강도, 주파수, 주기, 위상차, 발사각 등의 초음파의 특성을 조정하여 이루어지며, 하드웨어적으로 자유도를 조정하는 것은 초음파 발생부(200)를 사용자의 머리(즉, 두개골) 위에서 물리적으로 그 위치를 조정하는 것이다. 예를 들어, 초음파 발생부(200)의 강도, 위상차, 주파수, 주기, 발사각 등을 조정하여, 초음파의 포커싱 되는 위치와 깊이를 조절할 수도 있고(3자유도 전부 소프트웨어적으로 조정하는 경우), xy 방향의 위치는 초음파 트랜스듀서 모듈(11)의 물리적 위치이동을 통해, z축(즉 깊이 방향)은 소프트웨어적인 초음파의 강도나 위상차 조절을 통해 조정을 할 수도 있다(2자유도에 대해서는 하드웨어적으로 조정하고 나머지 1자유도에 대해서는 소프트웨어적으로 조정하는 경우).The ultrasound focus position control unit 120 adjusts the focus position of the ultrasound input to the user on the user's brain in a state with three degrees of freedom (eg, x-axis, y-axis, z-axis). This is possible, and all of these three degrees of freedom can be adjusted by software, or two degrees of freedom out of three degrees of freedom can be adjusted by hardware, and the remaining one degrees of freedom can be adjusted by software. Here, the method of adjusting the degree of freedom in software is performed by adjusting the characteristics of ultrasonic waves such as intensity, frequency, period, phase difference, and launch angle of ultrasonic waves input to the user through the ultrasonic generator 200 , and adjusting the degrees of freedom in hardware. What is done is to physically adjust the position of the ultrasound generator 200 on the user's head (ie, skull). For example, by adjusting the intensity, phase difference, frequency, period, launch angle, etc. of the ultrasonic generator 200, the focused position and depth of ultrasonic waves can be adjusted (when all three degrees of freedom are adjusted by software), xy The position of the direction can be adjusted through the physical position movement of the ultrasonic transducer module 11, and the z-axis (ie, the depth direction) can be adjusted through software intensity or phase difference adjustment of ultrasonic waves (2 degrees of freedom are adjusted by hardware. and the remaining one degree of freedom is adjusted by software).

파라미터 제어부(130)는 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초음파의 특성을 보정하는 기능을 수행할 수 있다.The parameter control unit 130 may perform a function of correcting characteristics of ultrasound to be input to the user through the ultrasound generator 200 with reference to the thickness of the user's brain, the thickness of the scalp, or the internal fat layer.

사람마다 뇌의 크기와 위치가 상이하듯이, 사람마다 두개골의 두께가 다르고 두피도 다르며, 내부지방층의 두께도 상이하고, 두개골과 피부, 뇌의 초음파 투과 특성, 예를 들어, 초음파의 두개골에서의 굴절률이 사람마다 다르다. 이에 따라 파라미터 제어부(130)는 사용자의 뇌의 두개골에서의 반사 및/또는 굴절 특성을 포함하는 초음파 통과 특성을 참조로 하여, 원하는 뇌의 특정 부위에 초음파가 포커싱될 수 있도록 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초음파의 파라미터를 보정하는 기능을 한다. 초음파의 파라미터는, 초음파 펄스의 강도, 주기, 주파수, 지속시간, 위상에 대한 정보 등을 포함한다.Just as the size and location of the brain differs from person to person, the thickness of the skull and the scalp are different for each person, the thickness of the inner fat layer is also different, and the ultrasound transmission characteristics of the skull, skin, and brain, for example, in the skull of ultrasound The refractive index varies from person to person. Accordingly, the parameter control unit 130 refers to the ultrasound transmission characteristics including reflection and/or refraction characteristics in the skull of the user's brain, and the ultrasound generation unit 200 so that the ultrasound can be focused on a specific part of the brain desired. It functions to correct the parameters of ultrasound to be input to the user. The ultrasound parameters include information on the intensity, period, frequency, duration, and phase of the ultrasound pulse.

파라미터 제어부(130)는 사용자의 뇌의 두개골의 반사 및/또는 굴절 특성을 포함하는 초음파 통과 특성을 참조로 하여 초기 파라미터를 결정한 후, 추후 보정부(500)에 의해 결정된 파라미터 보정값을 참조하여 파라미터를 보정한다.The parameter control unit 130 determines the initial parameters with reference to the ultrasound passage characteristics including the reflection and/or refraction characteristics of the skull of the user's brain, and then refers to the parameter correction values determined by the correction unit 500 later. to correct

뇌 생체 신호 측정부(300)는 국소 영역의 뇌의 신경 활성도 또는 신경 가소성을 평가할 수 있는 뇌의 생체 신호를 측정한다.The brain biosignal measuring unit 300 measures a brain biosignal capable of evaluating the neural activity or neural plasticity of the brain in a local area.

도 1을 참조하면, 뇌 생체 신호 측정부(300)는 EEG 측정부(310) 및 fNIRs 측정부(320) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the brain biosignal measuring unit 300 may include at least one of an EEG measuring unit 310 and an fNIRs measuring unit 320 .

EEG 측정부(310)는 뇌전도(뇌파, electroencephalogram, EEG) 신호를 출력한다. EEG 측정부(310)는 복수의 뇌파전극들을 포함하고, 다채널로 동시에 뇌파를 측정할 수 있다. EEG 측정부(310)는 위치 분해능을 증가시키기 위해서 다수의 송신부와 수신부들을 포함할 수 있다. EEG 측정부(310)는 초음파 발생부(200)와는 독립적으로 사용될 수 있으며 초음파 발생부(200)의 각 초음파 트랜스듀서들 사이 또는 주변에 자유롭게 배치될 수 있다. EEG 측정부(310)는 초음파에 의해 사용자의 뇌가 자극될 때 실시간으로 EEG 신호를 출력한다.The EEG measurement unit 310 outputs an EEG (electroencephalogram,  EEG) signal. The EEG measuring unit 310 may include a plurality of EEG electrodes and may simultaneously measure EEG in multiple channels. The EEG measurement unit 310 may include a plurality of transmitters and receivers in order to increase location resolution. The EEG measuring unit 310 may be used independently of the ultrasound generating unit 200 and may be freely disposed between or around each of the ultrasound transducers of the ultrasound generating unit 200 . The EEG measurement unit 310 outputs an EEG signal in real time when the user's brain is stimulated by ultrasound.

fNIRs 측정부(320)는 기능적 근적외선 분광법(fNIRs)을 이용하여 신경 활성도를 측정할 수 있다. fNIRs 측정부(320)는 송신부(Emitter)와 수신부(Receiver)를 포함하여 뇌의 산소 소모량을 측정한다. fNIRs 측정부(320)는 위치 분해능을 증가시키기 위해서 다수의 송신부와 수신부들을 포함할 수 있다. fNIRs 측정부(320)는 초음파 발생부(200)와는 독립적으로 사용될 수 있으며 초음파 발생부(200)의 각 초음파 트랜스듀서들 사이 또는 주변에 자유롭게 배치될 수 있다. The fNIRs measuring unit 320 may measure neural activity using functional near-infrared spectroscopy (fNIRs). The fNIRs measuring unit 320 measures the amount of oxygen consumption in the brain, including a transmitter (Emitter) and a receiver (Receiver). The fNIRs measuring unit 320 may include a plurality of transmitters and receivers to increase location resolution. The fNIRs measuring unit 320 may be used independently of the ultrasound generating unit 200 and may be freely disposed between or around each of the ultrasound transducers of the ultrasound generating unit 200 .

평가부는(400)는 EEG 지형도 생성부(410), fNIRs 지형도 생성부(420), 자극 위치 결정부(430) 및 신경 활성도 결정부(440)를 포함할 수 있다.The evaluation unit 400 may include an EEG topographic map generator 410 , an fNIRs topographic map generator 420 , a stimulus location determiner 430 , and a neural activity determiner 440 .

EEG 지형도 생성부(410)는 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 EEG 지형도(topography)를 생성한다. The EEG topography generating unit 410 generates an EEG topography by analyzing the EEG signal output by the EEG measuring unit 310 .

도 2를 참조하면, EEG 지형도 생성부(410)는 역문제(inverse problem) 기법을 이용하여 뇌의 각 위치에서의 신경 활성도를 계산하고 이를 이미지화 할 수 있다(distributed source localization). 예를 들어, EEG 신호 yeeg는 다음 수식과 같이 표현되고, Referring to FIG. 2 , the EEG topographic map generating unit 410 may calculate neural activity at each location of the brain using an inverse problem technique and image it (distributed source localization). For example, the EEG signal y eeg is expressed by the following equation,

yeeg = A*xsource y eeg = A*x source

역문제(inverse problem)는 다음 함수를 이용하여 EEG 측정부(310)로부터 출력된 EEG 신호 yeeg로부터 특정 국소 지역 신경 활성도 xsource를 추출할 수 있다.For the inverse problem, a specific local neural activity x source may be extracted from the EEG signal y eeg output from the EEG measurement unit 310 using the following function.

Figure pat00001
Figure pat00001

yeeg는 측정된 EEG 벡터이고, xsource는 뇌 전류원 벡터이며, A는 리드 필드 매트릭스(lead field matrix)이다.y eeg is the measured EEG vector, x source is the brain current source vector, and A is the lead field matrix.

fNIRs 지형도 생성부(420)는 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 fNIRs 지형도(topography)를 생성한다. EEG 지형도 생성부(410)와 같이, fNIRs 지형도 생성부(420)는 역문제(inverse problem) 기법을 이용하여 뇌의 각 위치에서의 신경 활성도를 계산하고 이를 이미지화 할 수 있다.The fNIRs topography generating unit 420 generates an fNIRs topography by analyzing the fNIRs signal output by the fNIRs measuring unit 320 . Like the EEG topographic map generator 410 , the fNIRs topographic map generator 420 may use an inverse problem technique to calculate neural activity at each location of the brain and image it.

다시 도 1을 참조하면, 자극 위치 결정부(430)는 EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다. EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도가 많이 변화한 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다. Referring back to FIG. 1 , the stimulation location determining unit 430 determines the location of the brain actually stimulated by ultrasound, ie, the stimulation location, based on the EEG topography or fNIRs topography. In the EEG topography or fNIRs topography, the location where the nerve activity changes the most after ultrasound stimulation can be determined as the stimulation location.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 자극은 비침습식이기 때문에 초음파를 타겟 위치에 정확히 집속시키기가 어렵다. 또한, 사람마다 두개골의 두께가 다르고 두피도 다르며, 내부지방층의 두께도 상이하다. 따라서 사람마다 타겟 위치와 초음파로 실제로 자극된 자극 위치가 상이하거나 최적의 초음파 파라미터가 상이할 수 있다. Referring to FIG. 3 , since ultrasound stimulation according to an embodiment of the present invention is non-invasive, it is difficult to accurately focus ultrasound on a target position. In addition, the thickness of the skull is different for each person, the scalp is different, and the thickness of the inner fat layer is also different. Accordingly, the target position and the stimulation position actually stimulated by ultrasound may be different for each person, or optimal ultrasound parameters may be different.

신경 활성도 결정부(440)는 측정된 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정한다. 신경 활성도는 EEG 신호 또는 fNIRs에 기초하여 결정될 수 있다. 또는 신경 활성도는 fMRI, CT 등 다양한 방식으로 측정된 뇌 활동 신호에 기초하여 결정될 수 있다.The neural activity determining unit 440 determines the neural activity of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals. Neural activity can be determined based on EEG signals or fNIRs. Alternatively, the neural activity may be determined based on brain activity signals measured by various methods such as fMRI and CT.

보상부(500)는 EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 초음파 초점 위치 및 초음파 파라미터를 조정할 수 있다.The compensator 500 may adjust an ultrasound focal position and ultrasound parameters based on a change in neural activity after ultrasound stimulation in the EEG topography or fNIRs topography.

보상부(500)는 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510) 및 파라미터 보상값 결정부(520)를 포함할 수 있다. 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)는 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다. 파라미터 보상값 결정부(520)는 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다.The compensator 500 may include an ultrasonic focus position compensation value determiner 510 and a parameter compensation value determiner 520 . The ultrasonic focus position compensation value determiner 510 compares the target position with the stimulation position and determines the difference value as the ultrasonic focus position compensation value. The parameter compensation value determiner 520 determines an optimal parameter based on a change in neural activity after ultrasound stimulation, and determines a difference value between the determined optimal ultrasound parameter and the current ultrasound parameter as a parameter compensation value.

초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 제어부(120)는 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 발생부(200)의 위치를 조정할 수 있다. 파라미터 제어부(130)는 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 따라서, 초음파 발생부(200)는 보정부(500)에 의해 결정된 보정값에 따라 초음파 트랜스듀서 유닛을 통해 사용자에게 입력될 초음파를 발생시킨다. The ultrasonic focus position controller 120 adjusts the ultrasonic focus position according to the ultrasonic focus position compensation value. The ultrasonic focus position controller 120 may adjust the position of the ultrasonic generator 200 according to the ultrasonic focus position compensation value. The parameter controller 130 adjusts the ultrasound parameter according to the ultrasound parameter compensation value. Accordingly, the ultrasonic generator 200 generates ultrasonic waves to be input to the user through the ultrasonic transducer unit according to the correction value determined by the correction part 500 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, EEG 신호 및/또는 fNIRs 신호를 실시간 모니터링하여 초음파의 초점 위치, 강도, 주파수, 주기, 위상차 등을 결정하고 이를 실시간으로 피드백함으로써 초음파 자극 효과를 극대화할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the ultrasound stimulation effect can be maximized by real-time monitoring of the EEG signal and/or the fNIRs signal to determine the focal position, intensity, frequency, period, phase difference, etc. of ultrasound and feedback it in real time.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 위치 제어를 나타내는 개념도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.3 is a conceptual diagram illustrating an ultrasonic focus position control according to an embodiment of the present invention. 4 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound focus position using an EEG topographic map according to an embodiment of the present invention.

먼저, 타겟 위치 결정부(110)가 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정한다(S110).First, the target position determiner 110 determines the target position of the brain to be stimulated (S110).

다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 타겟 위치에 따라 초기 초음파의 초점 위치를 조정한다(S120). Next, the ultrasound focus position controller 120 adjusts the focal position of the initial ultrasound according to the ultrasound target position ( S120 ).

다음으로, 초음파 발생부(200)가 초음파 초점 위치 제어부(120)에 의해 조정된 초음파 초점 위치에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200). Next, the ultrasound generator 200 inputs the ultrasound according to the ultrasound focal position adjusted by the ultrasound focal position control unit 120 to the brain ( S200 ).

다음으로, EEG 측정부(310)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 EEG 신호를 측정한다(S310). EEG 지형도 생성부(410)가 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 EEG 지형도(topography)를 생성한다(S410). Next, the EEG measurement unit 310 measures the EEG signal while stimulating the brain with ultrasound (S310). The EEG topography generating unit 410 analyzes the EEG signal output by the EEG measuring unit 310 to generate an EEG topography (S410).

다음으로, 자극 위치 결정부(430)는 EEG 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다(S430). EEG 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도가 많이 변화한 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다. Next, the stimulation position determining unit 430 determines the position of the brain actually stimulated by the ultrasound, that is, the stimulation position based on the EEG topographic map ( S430 ). In the EEG topography, the location where the nerve activity changes the most after ultrasound stimulation may be determined as the stimulation location.

다음으로, 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)가 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다(S510). Next, the ultrasonic focus position compensation value determining unit 510 compares the target position with the stimulation position and determines the difference value as the ultrasonic focus position compensation value ( S510 ).

다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다. Next, the ultrasonic focus position controller 120 adjusts the ultrasonic focus position according to the ultrasonic focus position compensation value. The above steps may be repeated until the ultrasonic focus position compensation value is less than a predetermined threshold.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.5 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound parameter according to an embodiment of the present invention.

먼저, 파라미터 제어부(130)가 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초기 초음파의 파라미터를 조정한다(S130).First, the parameter control unit 130 adjusts the parameters of the initial ultrasound to be input to the user through the ultrasound generator 200 with reference to the thickness of the user's brain, the thickness of the scalp, or the internal fat layer (S130).

다음으로, 초음파 발생부(200)가 파라미터 제어부(130)에 의해 조정된 초음파 파라미터에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200). Next, the ultrasound generator 200 inputs ultrasound according to the ultrasound parameters adjusted by the parameter control unit 130 to the brain ( S200 ).

다음으로, EEG 측정부(310)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 EEG 신호를 측정한다(S310). 신경 활성도 결정부(440)가 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 신경 활성도를 결정한다(S410). Next, the EEG measurement unit 310 measures the EEG signal while stimulating the brain with ultrasound (S310). The neural activity determining unit 440 analyzes the EEG signal output by the EEG measuring unit 310 to determine the neural activity ( S410 ).

다음으로, 파라미터 보상값 결정부(520)가 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다(S520).Next, the parameter compensation value determiner 520 determines an optimal parameter based on the change in neural activity after ultrasound stimulation, and determines a difference value between the determined optimal ultrasound parameter and the current ultrasound parameter as a parameter compensation value (S520) .

다음으로, 파라미터 제어부(130)가 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 초음파 파라미터 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.Next, the parameter controller 130 adjusts the ultrasound parameter according to the ultrasound parameter compensation value. The above steps may be repeated until the ultrasound parameter compensation value is less than a predetermined threshold.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 제어 방법의 흐름도이다.6 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound focus position using a topographical map of fNIRs according to an embodiment of the present invention.

먼저, 타겟 위치 결정부(110)가 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정한다(S110).First, the target position determiner 110 determines the target position of the brain to be stimulated (S110).

다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 타겟 위치에 따라 초기 초음파의 초점 위치를 조정한다(S120). Next, the ultrasound focus position controller 120 adjusts the focal position of the initial ultrasound according to the ultrasound target position ( S120 ).

다음으로, 초음파 발생부(200)가 초음파 초점 위치 제어부(120)에 의해 조정된 초음파 초점 위치에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200). Next, the ultrasound generator 200 inputs the ultrasound according to the ultrasound focal position adjusted by the ultrasound focal position control unit 120 to the brain ( S200 ).

다음으로fNIRs 측정부(320)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 fNIRs 신호를 측정한다(S320). fNIRs 지형도 생성부(420)가 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 fNIRs 지형도(topography)를 생성한다(S420). Next, the fNIRs measuring unit 320 measures the fNIRs signal while stimulating the brain with ultrasound (S320). The fNIRs topography generating unit 420 generates an fNIRs topography by analyzing the fNIRs signal output by the fNIRs measuring unit 320 ( S420 ).

다음으로, 자극 위치 결정부(430)는 fNIRs 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다(S430). fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도 변화가 큰 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다. Next, the stimulation position determining unit 430 determines the position of the brain actually stimulated by ultrasound, ie, the stimulation position, based on the fNIRs topographic map ( S430 ). In the topography of fNIRs, the position with the largest change in neural activity after ultrasound stimulation may be determined as the stimulation position.

다음으로, 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)가 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다(S510). Next, the ultrasonic focus position compensation value determining unit 510 compares the target position with the stimulation position and determines the difference value as the ultrasonic focus position compensation value ( S510 ).

다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다. Next, the ultrasonic focus position controller 120 adjusts the ultrasonic focus position according to the ultrasonic focus position compensation value. The above steps may be repeated until the ultrasonic focus position compensation value is less than a predetermined threshold.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.7 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound parameter according to an embodiment of the present invention.

먼저, 파라미터 제어부(130)가 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초기 초음파의 파라미터를 조정한다(S130).First, the parameter control unit 130 adjusts the parameters of the initial ultrasound to be input to the user through the ultrasound generator 200 with reference to the thickness of the user's brain, the thickness of the scalp, or the internal fat layer (S130).

다음으로, 초음파 발생부(200)가 파라미터 제어부(130)에 의해 조정된 초음파 파라미터에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200). Next, the ultrasound generator 200 inputs ultrasound according to the ultrasound parameters adjusted by the parameter control unit 130 to the brain ( S200 ).

다음으로, fNIRs 측정부(320)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 fNIRs 신호를 측정한다(S320). 신경 활성도 결정부(440)가 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 신경 활성도를 결정한다(S420). Next, the fNIRs measuring unit 320 measures the fNIRs signal while stimulating the brain with ultrasound (S320). The neural activity determining unit 440 analyzes the fNIRs signal output by the fNIRs measuring unit 320 to determine the neural activity ( S420 ).

다음으로, 파라미터 보상값 결정부(520)가 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다(S520).Next, the parameter compensation value determiner 520 determines an optimal parameter based on the change in neural activity after ultrasound stimulation, and determines a difference value between the determined optimal ultrasound parameter and the current ultrasound parameter as a parameter compensation value (S520) .

다음으로, 파라미터 제어부(130)가 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 초음파 파라미터 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.Next, the parameter controller 130 adjusts the ultrasound parameter according to the ultrasound parameter compensation value. The above steps may be repeated until the ultrasound parameter compensation value is less than a predetermined threshold.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 EEG 지형도 및 fNIRs 지형도를 이용한 초음파 초점 위치 및 파라미터 제어 방법의 흐름도이다.8 is a flowchart of a method for controlling an ultrasound focus position and parameters using an EEG topography and fNIRs topography according to an embodiment of the present invention.

먼저, 타겟 위치 결정부(110)가 자극할 뇌의 타겟 위치를 결정한다(S110).First, the target position determiner 110 determines the target position of the brain to be stimulated (S110).

다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 타겟 위치에 따라 초기 초음파의 초점 위치를 조정한다(S120). Next, the ultrasound focus position controller 120 adjusts the focal position of the initial ultrasound according to the ultrasound target position ( S120 ).

다음으로, 파라미터 제어부(130)가 사용자의 뇌의 두개골의 두께 및 두피 혹은 내부지방층의 두께 등을 참조로 하여 초음파 발생부(200)를 통해 사용자에게 입력될 초기 초음파의 파라미터를 조정한다(S130).Next, the parameter control unit 130 adjusts the parameters of the initial ultrasound to be input to the user through the ultrasound generator 200 with reference to the thickness of the skull of the user's brain and the thickness of the scalp or internal fat layer (S130) .

다음으로, 초음파 발생부(200)가 초음파 초점 위치 제어부(120)에 의해 조정된 초음파 초점 위치 및 파라미터 제어부(130)에 의해 조정된 초음파 파라미터에 따른 초음파를 뇌에 입력한다(S200). Next, the ultrasound generator 200 inputs the ultrasound according to the ultrasound focus position adjusted by the ultrasound focus position control unit 120 and the ultrasound parameters adjusted by the parameter control unit 130 to the brain ( S200 ).

다음으로, EEG 측정부(310)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 EEG 신호를 측정한다(S310). 또한, fNIRs 측정부(320)가 초음파로 뇌를 자극하는 동안 fNIRs 신호를 측정한다(S320).Next, the EEG measurement unit 310 measures the EEG signal while stimulating the brain with ultrasound (S310). In addition, the fNIRs measuring unit 320 measures the fNIRs signal while stimulating the brain with ultrasound (S320).

EEG 지형도 생성부(410)가 EEG 측정부(310)에 의해 출력된 EEG 신호를 분석하여 EEG 지형도(topography)를 생성한다(S410). 또한, fNIRs 지형도 생성부(420)가 fNIRs 측정부(320)에 의해 출력된 fNIRs 신호를 분석하여 fNIRs 지형도(topography)를 생성한다(S420). The EEG topography generating unit 410 analyzes the EEG signal output by the EEG measuring unit 310 to generate an EEG topography (S410). In addition, the fNIRs topography generating unit 420 generates an fNIRs topography by analyzing the fNIRs signal output by the fNIRs measuring unit 320 ( S420 ).

다음으로, 자극 위치 결정부(430)는 EEG 지형도 및 fNIRs 지형도에 기초하여 초음파에 의해 실제로 자극된 뇌의 위치, 즉 자극 위치를 결정한다(S430). EEG 지형도 또는 fNIRs 지형도에서 초음파 자극 후 가장 신경 활성도 변화가 큰 위치가 자극 위치로 결정될 수 있다. EEG 지형도와 fNIRs 지형도에서 결정된 자극 위치가 서로 다른 경우, 이를 평균하거나, 사용자의 뇌에 대한 다른 정보, 예를 들어 두개골의 두께, 내부지방층의 두께 등을 참조하여 어느 하나를 선택하거나, 각 자극 위치에 가중치를 적용할 수 있다.Next, the stimulation position determining unit 430 determines the position of the brain actually stimulated by ultrasound, ie, the stimulation position, based on the EEG topography and the fNIRs topography ( S430 ). In the EEG topography or fNIRs topography, the location with the largest change in neuronal activity after ultrasound stimulation may be determined as the stimulation location. If the stimulation locations determined on the EEG topography and fNIRs topography are different, average them or select one by referring to other information about the user's brain, such as the thickness of the skull and the thickness of the internal fat layer, or each stimulation location weights can be applied.

다음으로, 초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)가 타겟 위치와 자극 위치를 비교하여 그 차이값을 초음파 초점 위치 보상값으로 결정한다(S510). 또한, 파라미터 보상값 결정부(520)가 초음파 자극 후 신경 활성도 변화에 기초하여 최적의 파라미터를 결정하고, 결정된 최적의 초음파 파라미터와 현재 초음파 파라미터의 차이값을 파라미터 보상값으로 결정한다(S520).Next, the ultrasonic focus position compensation value determining unit 510 compares the target position with the stimulation position and determines the difference value as the ultrasonic focus position compensation value ( S510 ). Also, the parameter compensation value determiner 520 determines an optimal parameter based on the change in neural activity after ultrasound stimulation, and determines a difference value between the determined optimal ultrasound parameter and the current ultrasound parameter as the parameter compensation value ( S520 ).

다음으로, 초음파 초점 위치 제어부(120)가 초음파 초점 위치 보상값에 따라 초음파 초점 위치를 조정한다. 초음파 초점 위치 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다. 또한, 파라미터 제어부(130)가 초음파 파라미터 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정한다. 초음파 파라미터 보상값이 소정의 임계치 미만이 될 때까지 위 단계들이 반복될 수 있다.Next, the ultrasonic focus position controller 120 adjusts the ultrasonic focus position according to the ultrasonic focus position compensation value. The above steps may be repeated until the ultrasonic focus position compensation value is less than a predetermined threshold. Also, the parameter controller 130 adjusts the ultrasound parameter according to the ultrasound parameter compensation value. The above steps may be repeated until the ultrasound parameter compensation value is less than a predetermined threshold.

한편, 본 발명의 실시 예들은, 특히 평가부(400) 및 보상부(500)은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.Meanwhile, in the embodiments of the present invention, in particular, the evaluation unit 400 and the compensation unit 500 may be implemented as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium includes any type of recording device in which data readable by a computer system is stored.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. include In addition, the computer-readable recording medium is distributed in a computer system connected to a network, so that the computer-readable code can be stored and executed in a distributed manner. And functional programs, codes, and code segments for implementing the present invention can be easily inferred by programmers in the technical field to which the present invention pertains.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, EEG 신호 및/또는 fNIRs 신호를 실시간 모니터링하여 초음파의 초점 위치, 강도, 주파수, 주기, 위상차 등을 결정하고 이를 실시간으로 피드백함으로써 초음파 자극 효과를 극대화할 수 있다. Therefore, according to an embodiment of the present invention, by real-time monitoring of the EEG signal and/or fNIRs signal to determine the focal position, intensity, frequency, period, phase difference, etc. of ultrasound, and feedback it in real time, the ultrasound stimulation effect can be maximized. have.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.In the above, embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that you can. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

초음파 제어부(100)
타겟 위치 결정부(110)
초음파 초점 위치 제어부(120)
파라미터 제어부(130)
초음파 발생부(200)
뇌 생체 신호 측정부(300)
EEG 측정부(310)
fNIRs 측정부(320)
평가부(400)
EEG 지형도 생성부(410)
fNIRs 지형도 생성부(420)
자극 위치 결정부(430)
신경 활성도 결정부(440)
보상부(500)
초음파 초점 위치 보상값 결정부(510)
파라미터 보상값 결정부(520)
Ultrasonic control unit (100)
Target positioning unit 110
Ultrasonic focus position control unit 120
parameter control unit 130
Ultrasonic generator 200
Brain biosignal measurement unit 300
EEG measurement unit 310
fNIRs measuring unit 320
evaluation unit 400
EEG topographic map generator 410
fNIRs topographic map generator 420
Magnetic pole positioning unit 430
Nerve activity determination unit 440
Compensation unit (500)
Ultrasonic focus position compensation value determining unit 510
Parameter compensation value determining unit 520

Claims (16)

자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하는 단계;
상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 단계;
상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 단계;
상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계;
측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계;
상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 단계; 및
상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
determining a target location of the brain to be stimulated;
controlling an ultrasound focus position according to the target position;
stimulating the brain with ultrasound according to the ultrasound focal position;
measuring a biosignal of the brain while stimulating the brain with the ultrasound;
determining a stimulation location of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals;
determining a compensation value of an ultrasound focal position by calculating an error between the target position and the stimulation position; and
and adjusting the ultrasound focal position according to a compensation value of the ultrasound focal position.
제1항에 있어서,
측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
According to claim 1,
And determining the neural activity of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signals, ultrasound stimulation control method.
제2항에 있어서,
결정된 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하는 단계; 및
상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
3. The method of claim 2,
determining a compensation value of an ultrasound parameter according to the determined neural activity; and
and adjusting an ultrasound parameter according to a compensation value of the ultrasound parameter.
제3항에 있어서,
상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
4. The method of claim 3,
The ultrasound parameter comprises at least one of ultrasound intensity, frequency and pulse duration.
제1항에 있어서,
상기 자극 위치를 결정하는 단계는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 뇌 지형도를 생성하고, 생성된 상기 뇌 지형도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
According to claim 1,
The determining of the stimulation position includes generating a topographic map of a brain based on the measured biosignal, and determining the stimulation position based on the generated topography of the brain.
제1항에 있어서,
상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계는, EEG 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계는,
측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 단계; 및
상기 EEG 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
According to claim 1,
Measuring the biosignal of the brain includes measuring the EEG signal,
The step of determining the location of the stimulation of the brain,
generating an EEG topography based on the measured EEG signal; and
and determining, as the stimulation position, a position where nerve activity changes the most on the EEG topography.
제1항에 있어서,
상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 단계는, fNIRs 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 뇌의 자극 위치를 결정하는 단계는,
측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 단계; 및
상기 fNIRs 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
According to claim 1,
Measuring the biosignal of the brain includes measuring the fNIRs signal,
The step of determining the location of the stimulation of the brain,
generating an fNIRs topography based on the measured fNIRs signal; and
and determining, as the stimulation position, a position where nerve activity is most changed in the fNIRs topography.
제1항에 있어서,
상기 초음파로 뇌를 자극하는 단계는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극하는 단계를 포함하는, 초음파 자극 제어 방법.
According to claim 1,
The step of stimulating the brain with ultrasound comprises stimulating the brain non-invasively outside the skull.
자극할 뇌의 타겟 위치를 결정하고, 상기 타겟 위치에 따라 초음파 초점 위치를 제어하는 초음파 제어부;
상기 초음파 초점 위치에 따라 초음파로 뇌를 자극하는 초음파 발생부;
상기 초음파로 상기 뇌를 자극하는 동안 상기 뇌의 생체 신호를 측정하는 뇌 생체 신호 측정부;
측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 자극 위치를 결정하는 자극 위치 결정부; 및
상기 타겟 위치와 상기 자극 위치의 오차를 계산하여 초음파 초점 위치의 보상값을 결정하는 보상부를 포함하고,
상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 초점 위치의 보상값에 따라 상기 초음파 초점 위치를 조정하는, 초음파 자극 제어 장치.
an ultrasound control unit that determines a target position of a brain to be stimulated and controls an ultrasound focus position according to the target position;
an ultrasonic wave generator for stimulating the brain with ultrasonic waves according to the ultrasonic focus position;
a brain bio-signal measuring unit that measures a bio-signal of the brain while stimulating the brain with the ultrasound;
a stimulation position determining unit configured to determine a stimulation position of the brain stimulated by ultrasound based on the measured biosignal; and
and a compensator configured to calculate an error between the target position and the magnetic pole position to determine a compensation value for the ultrasound focal position;
The ultrasound control unit, the ultrasound stimulation control device for adjusting the ultrasound focus position according to the compensation value of the ultrasound focal position.
제9항에 있어서,
측정된 상기 생체 신호에 기초하여 상기 초음파로 자극된 뇌의 신경 활성도를 결정하는 신경 활성도 결정부를 더 포함하는, 초음파 자극 제어 장치.
10. The method of claim 9,
The ultrasonic stimulation control apparatus further comprising a nerve activity determination unit for determining the nerve activity of the brain stimulated by the ultrasound based on the measured bio-signal.
제10항에 있어서,
상기 보상부는, 결정된 신경 활성도에 따라 초음파 파라미터의 보상값을 결정하고,
상기 초음파 제어부는, 상기 초음파 파라미터의 보상값에 따라 초음파 파라미터를 조정하는, 초음파 자극 제어 장치.
11. The method of claim 10,
The compensator determines a compensation value of the ultrasound parameter according to the determined nerve activity,
The ultrasound control unit, the ultrasound stimulation control device for adjusting the ultrasound parameter according to the compensation value of the ultrasound parameter.
제11항에 있어서,
상기 초음파 파라미터는 초음파 세기, 주파수 및 펄스 지속시간 중 적어도 하나를 포함하는, 초음파 자극 제어 장치.
12. The method of claim 11,
The ultrasound parameter includes at least one of ultrasound intensity, frequency, and pulse duration.
제10항에 있어서,
상기 자극 위치 결정부는, 측정된 상기 생체 신호에 기초하여 뇌 지형도를 생성하고, 생성된 상기 뇌 지형도에 기초하여 상기 자극 위치를 결정하는, 초음파 자극 제어 장치.
11. The method of claim 10,
The stimulation position determining unit generates a topographic map of the brain based on the measured biosignal, and determines the stimulation position based on the generated topography of the brain.
제9항에 있어서,
상기 뇌 생체 신호 측정부는, EEG 신호를 측정하는 EEG 측정부를 포함하고,
상기 초음파 자극 제어 장치는, 측정된 EEG 신호에 기초하여 EEG 지형도를 생성하는 EEG 지형도 생성부를 더 포함하고,
상기 자극 위치 결정부는 상기 EEG 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는, 초음파 자극 제어 장치.
10. The method of claim 9,
The brain biosignal measuring unit includes an EEG measuring unit measuring an EEG signal,
The ultrasonic stimulation control device further comprises an EEG topographic map generating unit that generates an EEG topographic map based on the measured EEG signal,
The stimulation position determining unit determines, as the stimulation position, the position where the neural activity changes the most on the EEG topography.
제9항에 있어서,
상기 뇌 생체 신호 측정부는, fNIRs 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 초음파 자극 제어 장치는, 측정된 fNIRs 신호에 기초하여 fNIRs 지형도를 생성하는 fNIRs 지형도 생성부를 더 포함하고,
상기 자극 위치 결정부는 상기 fNIRs 지형도에서 신경 활성도가 가장 많이 변화한 위치를 상기 자극 위치로 결정하는, 초음파 자극 제어 장치.
10. The method of claim 9,
The brain biosignal measuring unit comprises the step of measuring the fNIRs signal,
The ultrasonic stimulation control device further includes an fNIRs topographic map generator configured to generate an fNIRs topographic map based on the measured fNIRs signal,
The stimulation position determining unit determines, as the stimulation position, a position in the fNIRs topography where the neural activity changes the most.
제9항에 있어서,
초음파 발생부는 두개골 외부에서 비-침습적으로 상기 뇌를 자극하는, 초음파 자극 제어 장치.
10. The method of claim 9,
The ultrasonic stimulation control device, wherein the ultrasonic generator non-invasively stimulates the brain outside the skull.
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