KR20220121035A

KR20220121035A - 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법 및 침습적 다중 영역 뇌자극 장치

Info

Publication number: KR20220121035A
Application number: KR1020210024932A
Authority: KR
Inventors: 정천기; 윤석윤; 김준식
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2022-08-31
Also published as: KR102564252B1

Abstract

뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법에 있어서, (a) 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위한 정보인 특정 감각 정보가 입력되면, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 데이터베이스에 포함된 복수의 뇌활성 패턴 정보 중 적어도 하나의 특정 뇌활성 패턴 정보를 참조로 하여 상기 사용자의 뇌의 특정 영역에서 상기 특정 감각 정보에 대응되는 특정 전기장 패턴을 계산하는 단계; (b) 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하고, 상기 복수의 특정 전극쌍 각각에 할당될 각각의 뇌자극 강도를 계산하는 단계; 및 (c) 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 복수의 뇌자극 강도 각각에 대응되는 뇌자극 파라미터를 결정하고, 상기 뇌자극 파라미터를 참조로 하여 상기 복수의 특정 전극쌍을 통해 상기 사용자의 뇌를 자극하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법 및 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가 개시된다.

Description

뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법 및 침습적 다중 영역 뇌자극 장치{METHOD AND INVASIVE MULTI-SITE CORTICAL STIMULATION DEVICE FOR PROVIDING BRAIN STIMULATION BY USING A PLURALITY OF ELECTRODE PAIRS TO INDUCE NEURONAL ACTIVATI0N}

본 발명은 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법 및 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 대한 것이다.

현재 감각 복원을 위한 뇌자극 연구는 주로 체성감각이나 시각 등을 관장하는 대뇌의 해당 감각 피질에 전극을 통한 전기자극을 인가하는 것이 핵심인데, 보다 자연스러우면서 그 감각의 의미를 인식 가능한 수준으로 자극하는 기술을 고도화하는 것이 현재 해당 연구자들의 주요 목표이다.

또한, 비침습적 뇌자극 방식은 뇌 피질까지의 거리나 두개골에 의한 신호 감쇄(전기자극 한정) 등의 한계로 자극의 공간적 해상도, 효과성이 떨어지고 선별적인 신경세포 집단의 자극이 어렵다는 단점이 있어, 비침습적 방식 대비 매우 뛰어난 자극 정밀성 및 효과성을 가지는 침습적 방식을 이용한 양방향 뇌-컴퓨터 연결이나 사지마비 등으로 감각이 상실된 환자들의 감각을 복원시켜주는 연구들이 진행되고 있다.

다만, 일반적인 침습적 전극으로 사용되는 뇌피질전극(ECoG, electrocorticography)은 직경이 수 mm 정도이며, 전극 간 간격은 수 mm에서 1 cm 정도로 인간 뇌의 크기와 1 cm 안에 존재하는 신경세포들의 수를 고려하면 다소 그 dimension이 큰 수준이어서, 전기자극을 가할 시에 느껴지는 감각이 부자연스럽다는 단점이 있다.

따라서, 환자에게 조금 더 정밀한 감각을 느낄 수 있도록 하기 위해서는 전극의 사이즈를 줄이고 전극 간의 간격을 좁힐 필요가 있으나, 전극 사이즈를 줄이고 전극 간의 간격을 좁히게 되면 전극이 커버하는 뇌 영역이 그만큼 좁아지는데(약 100채널 정도의 미세 전극 어레이의 크기는 4 mm by 4 mm 정도이다) 수 cm에 달하는 체성감각 영역의 크기를 생각했을 때 자극 가능 영역이 상당히 한정되며, 이를 커버하기 위해 뇌 피질을 일부 파괴하는 미세전극 어레이를 모든 영역에 걸쳐 삽입하는 것은 현실적으로 불가능하다는 문제점이 있다.

또한, 일반적으로 실제 감각 정보를 뇌가 처리하는 방식은 매우 동적이며 이에 대한 뇌활성은 시공간적 다이나믹스를 가지며 상대적으로 넓은 영역에 걸쳐 퍼져나가나, 침습적 뇌 전기자극에 사용되는 일반적인 자극의 형태는 일종의 pulse train 자극으로, 고정된 주파수를 가진 rectangular pulse를 단일 영역에 자극하는 방식으로, 해당 자극을 통해 뇌 피질 내부에 유도되는 전기장은 공간적으로는 정적(static)이며, 시간적으로는 일정한 주기만을 갖는다는 문제점이 있다.

따라서, 종래 기술이 가지는 정적인 시공간적 자극 방식을 벗어나 국소적인 영역에 다수의 전극쌍을 통한 침습적 뇌 전기자극을 인가하여, 각각의 전극쌍들에 의해 생성된 전기장 상호간 간섭을 밀리초 이하의 정밀도로 미세 제어함으로써 국소적인 영역에 대한 시공간적 다이나믹스를 가지는 뇌활성을 유도하여, 보다 자연스럽고 시공간적 연속성을 가지는 감각 또는 인지기능 확장을 위한 뇌자극을 제공할 수 있는 방법 및 장치를 개발할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위해 사용자의 뇌에 맞는 전기장 패턴을 계산하고, 전기장 패턴을 유도하기 위해 활성화될 전극들의 분포 및 전극들에 할당된 뇌자극 강도를 계산하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 사용자의 뇌의 국소 영역에 삽입된 다수의 전극쌍을 이용하여 각각의 전기적 펄스 자극을 밀리초 이내로 정밀하게 제어하여 해당 전기장들 간의 간섭을 통해 국소 영역의 전기장을 시공간적으로 제어함으로써 보다 구체적인 감각-운동 경험을 사용자에게 전달하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 전기장들 간의 간섭을 통해 전극이 위치하지 않은 중간지대들에 유효한 뇌자극을 제공하고, 시간에 따라 간섭되는 위치를 변화시켜 보다 실제 뇌의 신호전달 양상과 유사하게 사용자의 뇌를 지극할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한 본 발명의 특징적인 구성은 다음과 같다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법에 있어서, (a) 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위한 정보인 특정 감각 정보가 입력되면, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 데이터베이스에 포함된 복수의 뇌활성 패턴 정보 중 적어도 하나의 특정 뇌활성 패턴 정보를 참조로 하여 상기 사용자의 뇌의 특정 영역에서 상기 특정 감각 정보에 대응되는 특정 전기장 패턴을 계산하는 단계; (b) 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하고, 상기 복수의 특정 전극쌍 각각에 할당될 각각의 뇌자극 강도를 계산하는 단계; 및 (c) 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 복수의 뇌자극 강도 각각에 대응되는 뇌자극 파라미터를 결정하고, 상기 뇌자극 파라미터를 참조로 하여 상기 복수의 특정 전극쌍을 통해 상기 사용자의 뇌를 자극하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 (a) 단계에서, 상기 특정 전기장 패턴은 제1 시점 내지 제n 시점 각각에 대응되는 제1 특정 전기장 패턴 내지 제n 특정 전기장 패턴을 포함하고, 상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴 각각은, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 의해 계산된 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점별 상기 특정 영역에 해당되는 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값 - 상기 3차원 기울기 벡터 값의 크기는 전기장의 세기에 대응되고, 상기 3차원 기울기 벡터 값의 방향은 전기장의 방향에 대응됨 - 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 사용자의 뇌의 MRI데이터를 기반으로 FEM(유한요소법)을 이용하여 상기 특정 뇌활성 패턴 정보에 포함되어 있는 뇌활성도를 상기 사용자의 뇌에 맵핑하고, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 FEM의 각각의 요소별 뇌활성도에 대응되는 제1 기울기 벡터 값 내지 제n 기울기 벡터 값 각각을 상기 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 (b) 단계에서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 복수의 특정 전극쌍으로서의 제1 전극쌍조합 내지 제n 전극쌍조합 각각을 선택하고, 상기 제1 전극쌍조합 내지 상기 제n 전극쌍조합 각각에 할당될 제1 뇌자극 강도 내지 제n 뇌자극 강도 각각을 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 (c) 단계에서, 상기 뇌자극 파라미터는 자극 전류의 세기, pulse width 및 pulse frequency를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 자극 전류의 세기, 상기 pulse width 및 상기 pulse frequency 중 적어도 하나는 그 값이 고정되고, 나머지는 상기 뇌자극 강도에 따라 그 값이 변하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 (c) 단계에서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 특정 시점에서 상기 복수의 특정 전극쌍으로서 선택된 제k_1 전극쌍조합 및 제k_2 전극쌍조합 각각에 제k_1 전기적 펄스 및 제k_2 전기적 펄스 각각을 인가함으로써 상기 사용자의 뇌에 자극을 제공하되, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각의 파형의 소정 구간에서 서로 간섭이 발생되도록 제어함으로써 상기 특정 전기장 패턴에 대응되는 전기장이 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각이 인가되는 타이밍을 조절하여 상기 파형의 제1 구간에서는 상기 간섭이 발생되도록 하고, 상기 파형의 제2 구간에서는 상기 간섭이 발생되지 않도록 함으로써 상기 간섭의 발생여부, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 유지시간, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 위치 및 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 세기 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자의 뇌신호를 측정하고 기록하는 뇌신호 측정 장치 및 상기 뇌신호 측정 장치와 시간적으로 동기화된 소정의 기록 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

일례로서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극을 즉시 중지시키는 비상장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법이 개시된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 있어서, 인스트럭션들을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 및 상기 인스트럭션들을 실행하기 위해 구성된 적어도 하나의 프로세서;를 포함하되, 상기 프로세서는, (1) 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위한 정보인 특정 감각 정보가 입력되면, 데이터베이스에 포함된 복수의 뇌활성 패턴 정보 중 적어도 하나의 특정 뇌활성 패턴 정보를 참조로 하여 상기 사용자의 뇌의 특정 영역에서 상기 특정 감각 정보에 대응되는 특정 전기장 패턴을 계산하는 프로세스, (2) 상기 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하고, 상기 복수의 특정 전극쌍 각각에 할당될 각각의 뇌자극 강도를 계산하는 프로세스 및 (3) 상기 복수의 뇌자극 강도 각각에 대응되는 뇌자극 파라미터를 결정하고, 상기 뇌자극 파라미터를 참조로 하여 상기 복수의 특정 전극쌍을 통해 상기 사용자의 뇌를 자극하는 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 (1) 프로세스에서, 상기 특정 전기장 패턴은 제1 시점 내지 제n 시점 각각에 대응되는 제1 특정 전기장 패턴 내지 제n 특정 전기장 패턴을 포함하고, 상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴 각각은, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 의해 계산된 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점별 상기 특정 영역에 해당되는 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값 - 상기 3차원 기울기 벡터 값의 크기는 전기장의 세기에 대응되고, 상기 3차원 기울기 벡터 값의 방향은 전기장의 방향에 대응됨 - 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 프로세스는, 상기 사용자의 뇌의 MRI데이터를 기반으로 FEM(유한요소법)을 이용하여 상기 특정 뇌활성 패턴 정보에 포함되어 있는 뇌활성도를 상기 사용자의 뇌에 맵핑하고, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 FEM의 각각의 요소별 뇌활성도에 대응되는 제1 기울기 벡터 값 내지 제n 기울기 벡터 값 각각을 상기 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 프로세서는, 상기 (2) 프로세스에서, 상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 복수의 특정 전극쌍으로서의 제1 전극쌍조합 내지 제n 전극쌍조합 각각을 선택하고, 상기 제1 전극쌍조합 내지 상기 제n 전극쌍조합 각각에 할당될 제1 뇌자극 강도 내지 제n 뇌자극 강도 각각을 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 (3) 프로세스에서, 상기 뇌자극 파라미터는 자극 전류의 세기, pulse width 및 pulse frequency를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 자극 전류의 세기, 상기 pulse width 및 상기 pulse frequency 중 적어도 하나는 그 값이 고정되고, 나머지는 상기 뇌자극 강도에 따라 그 값이 변하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 프로세서는, 상기 (3) 프로세스에서, 특정 시점에서 상기 복수의 특정 전극쌍으로서 선택된 제k_1 전극쌍조합 및 제k_2 전극쌍조합 각각에 제k_1 전기적 펄스 및 제k_2 전기적 펄스 각각을 인가함으로써 상기 사용자의 뇌에 자극을 제공하되, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각의 파형의 소정 구간에서 서로 간섭이 발생되도록 제어함으로써 상기 특정 전기장 패턴에 대응되는 전기장이 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 프로세서는, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각이 인가되는 타이밍을 조절하여 상기 파형의 제1 구간에서는 상기 간섭이 발생되도록 하고, 상기 파형의 제2 구간에서는 상기 간섭이 발생되지 않도록 함으로써 상기 간섭의 발생여부, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 유지시간, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 위치 및 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 세기 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자의 뇌신호를 측정하고 기록하는 뇌신호 측정 장치 및 상기 뇌신호 측정 장치와 시간적으로 동기화된 소정의 기록 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

일례로서, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극을 즉시 중지시키는 비상장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치가 개시된다.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은, 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위해 사용자의 뇌에 맞는 전기장 패턴을 계산하고, 전기장 패턴을 유도하기 위해 활성화될 전극들의 분포 및 전극들에 할당된 뇌자극 강도를 계산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 사용자의 뇌의 국소 영역에 삽입된 다수의 전극쌍을 이용하여 각각의 전기적 펄스 자극을 밀리초 이내로 정밀하게 제어하여 해당 전기장들 간의 간섭을 통해 국소 영역의 전기장을 시공간적으로 제어함으로써 보다 구체적인 감각-운동 경험을 사용자에게 전달할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 전기장들 간의 간섭을 통해 전극이 위치하지 않은 중간지대들에 유효한 뇌자극을 제공하고, 시간에 따라 간섭되는 위치를 변화시켜 보다 실제 뇌의 신호전달 양상과 유사하게 사용자의 뇌를 지극할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 침습적 다중 영역 뇌자극 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법의 개략적인 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 전기장 패턴을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 전기장 패턴을 참조로 하여 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 전기적 펄스간의 간섭이 발생되도록 하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는 메모리(110), 프로세서(120), 시뮬레이션부(130), 제어부(140), 자극부(150), 측정부(160) 및 긴급처리부(170)를 포함할 수 있다.

침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)의 메모리(110)는 프로세서(120)의 인스트럭션들을 저장할 수 있는데, 구체적으로, 인스트럭션들은 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)로 하여금 특정의 방식으로 기능하게 하기 위한 목적으로 생성되는 코드로서, 컴퓨터 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장될 수 있다. 인스트럭션들은 본 발명의 명세서에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 프로세스들을 수행할 수 있다.

그리고, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)의 프로세서(120)는 MPU(Micro Processing Unit) 또는 CPU(Central Processing Unit), 캐쉬 메모리(Cache Memory), 데이터 버스(Data Bus) 등의 하드웨어 구성을 포함할 수 있다. 또한, 운영체제, 특정 목적을 수행하는 애플리케이션의 소프트웨어 구성을 더 포함할 수도 있다.

다음으로, 시뮬레이션부(130)는 다양한 운동-감각 자극에 대한 뇌활성 패턴이 기록된 데이터베이스에 접근하여 사용자의 상황에 맞는 뇌활성 패턴의 시공간적 특성을 바탕으로 이를 전기장의 다이나믹스로 변환한 뒤, 사용자에 심어진 전극들의 공간적 분포를 고려하여 각각의 전극쌍에 할당될 뇌자극 정도를 계산할 수 있다.

다음으로, 제어부(140)는 시뮬레이션부(130)에서 도출된 결과를 토대로 자극부(150)의 각각의 뇌자극기에 자극 파라미터들을 실시간으로 전달하여 자극 명령할 수 있다.

다음으로, 자극부(150)는 다채널 뇌자극이 가능하도록 다채널 뇌자극기 또는 다수의 뇌자극기로 구성되며, 제어부(140)로부터 전달받은 펄스 파라미터, 타이밍 등에 따라 전기적 펄스를 생성하여 사용자의 뇌에 심어진 각 전극에 이를 인가할 수 있다. 자극부(150)에는 사용자의 뇌에 삽입될 복수의 침습적 전극 및 각각의 전극과 연결된 와이어가 포함될 수 있다. 여기서, 침습적 전극은 ECoG, high-density ECoG, depth electrode, micro-ECoG, microelectrode array 등 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 뇌활성에 의한 field potential이나 신경세포의 발화(firing)를 측정할 수 있는 형태의 전극은 모두 포함될 수 있을 것이다.

다음으로, 측정부(160)는 사용자에게 뇌자극을 제공할 때, 뇌자극 전후의 뇌신호를 사용자에게 심어진 전극으로부터 측정하고, 뇌자극으로 유발된 사용자의 운동-감각 경험을 기록할 수 있다. 측정부(160)는 뇌신호를 측정하고 기록하는 뇌신호 측정 장치를 포함할 수 있고, 뇌신호 측정 장치와 시간적으로 동기화된 소정의 기록 장치를 더 포함할 수 있다. 여기서, 기록 장치는 비디오카메라, 녹음기, 사용자의 감각 경험을 글로 기록할 수 있는 장치 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아니다.

다음으로, 긴급처리부(170)는 사용자에게 비정상적인 전기자극이 인가되거나 자극 시 사용자의 안전에 문제가 생긴 경우 즉시 자극을 중단하는 기능을 담당한다. 긴급처리부(170)는 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극을 즉시 중지시키는 비상장치일 수 있다. 여기서, 긴급처리부(170)는 뇌자극기와는 별도로 연결될 수도 있고, 뇌자극기 자체의 emergency 버튼과 연동하여 작동될 수도 있다.

또한, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는 사용자의 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는데 사용되는 정보를 포함하는 데이터베이스(900)와 연동될 수 있다. 여기서, 데이터베이스(900)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ReadOnly Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory), PROM(Programmable ReadOnly Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않으며 데이터를 저장할 수 있는 모든 매체를 포함할 수 있다. 또한, 데이터베이스(900)는 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)와 분리되어 설치되거나, 이와는 달리 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)의 내부에 설치되어 데이터를 전송하거나 수신되는 데이터를 기록할 수도 있고, 도시된 바와 달리 둘 이상으로 분리되어 구현될 수도 있으며, 이는 발명의 실시 조건에 따라 달라질 수 있다.

또한, 데이터베이스(900)에는 복수의 뇌활성 패턴 정보가 저장되어 있을 수 있다. 여기서, 복수의 뇌활성 패턴 정보는, 실제로 사용자 또는 복수의 타사용자에게 특정 팔 또는 다리의 움직임, 촉감각 자극, 시각 자극. 청각 자극 등을 제시하였을 때의 뇌활성을 다수의 침습적 전극을 이용하여 측정한 정보 및 경험적으로 알고 있는 뇌활성 패턴, 즉 어떤 자극 또는 감각에 대해 이미 널리 알려져 있거나 데이터화 되어 있는 뇌활성 정보를 포함할 수 있다. 이때, 실제 뇌활성도 측정에 macro(전극의 크기가 상대적으로 커서 field potential만을 측정할 수 있는 전극, 일반적인 ECoG 등) 전극을 이용할 경우, 50 ~ 수 백 Hz 정도의 frequency range를 가지는 하이-감마(high-gamma), 4-8 Hz 쎄타(theta)파, 베타 파(15-30 Hz)의 rebound 등에서의 뇌파 power의 시공간적 증가 또는 감소 양상을 측정함으로써 뇌활성 패턴 정보를 획득할 수 있다. 여기서, Field potential의 경우, 각 frequency band의 뇌파 power를 추출하기 위하여 시간-주파수 분석법을 이용하는데, short-time Fourier transform(단시간 푸리에 변환), Wavelet transform(웨이브렛 변환), Matching pursuit, Hilbert-Huang transform(힐버트-황 변환), 또는 타깃이 되는 frequency band에 대한 단순한 필터링 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실제 뇌활성도 측정에 신경세포 발화를 직접적으로 측정할 수 있는 micro 전극을 이용할 경우, 신경세포들의 firing rate(발화율) 변화, 발화 타이밍(inter-spike interval) 변화 등을 측정함으로써 뇌활성 패턴 정보를 획득할 수도 있다. 이처럼, 측정된 뇌활성도는 가장 강한 뇌활성을 보이는 전극의 뇌활성 강도를 기준으로 -1에서 1 사이의 값으로 조정하거나 최대 뇌활성 강도 대비 로그 스케일의 값을 가지는(10*log(current power/maximum power)) 데시벨 단위로 조정하여 정규화될 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)를 이용하여 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법의 개략적인 순서를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위한 정보인 특정 감각 정보가 입력되면, 데이터베이스에 포함된 복수의 뇌활성 패턴 정보 중 적어도 하나의 특정 뇌활성 패턴 정보를 참조로 하여 상기 사용자의 뇌의 특정 영역에서 상기 특정 감각 정보에 대응되는 특정 전기장 패턴을 계산할 수 있다(S210).

여기서, 상기 특정 전기장 패턴은 제1 시점 내지 제n 시점 각각에 대응되는 제1 특정 전기장 패턴 내지 제n 특정 전기장 패턴을 포함할 수 있다. 즉, 특정 전기장 패턴은 전기장의 분포 및 크기가 고정되어 있는 것이 아니라 시간에 따라 변화될 수도 있다. 이때, 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴 각각은, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 의해 계산된 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점별 상기 특정 영역에 해당되는 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 상기 3차원 기울기 벡터 값의 크기는 전기장의 세기에 대응되고, 상기 3차원 기울기 벡터 값의 방향은 전기장의 방향에 대응될 수 있다. 또한, 상기 특정 영역은, 특정 뇌활성 패턴 정보에 포함되어 있는 뇌활성이 가장 활발하게 일어나는 영역에 대응되는 상기 사용자의 뇌의 소정의 일부 영역일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아닐 것이다.

이때, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 상기 사용자의 뇌의 MRI데이터를 기반으로 FEM(유한요소법)을 이용하여 상기 특정 뇌활성 패턴 정보에 포함되어 있는 뇌활성도를 상기 사용자의 뇌에 맵핑하고, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 FEM의 각각의 요소별 뇌활성도에 대응되는 제1 기울기 벡터 값 내지 제n 기울기 벡터 값 각각을 상기 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값으로서 계산할 수 있다. 참고로, FEM(유한요소법)은 이미 널리 사용되고 있는 공지된 계산법으로 설명을 생략하도록 하겠다.

예를 들어, 도 3a 내지 도 3c을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 특정 뇌활성 패턴 정보는 도 3a과 같이, 특정 감각 정보에 대응하여 뇌가 활성화된 정도를 나타내는 뇌활성도(310)가 뇌활성의 정도(또는 강도)에 따라 색이 구분된 채로 나타나 있는 정보일 수 있다. 그리고, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 도 3b와 같이, 사용자의 뇌의 MRI데이터를 이용하여 뇌활성도(310)를 사용자의 뇌의 피질에 맵핑할 수 있다. 이 작업에는 단순한 선형/비선형 3차원 보간법을 사용하거나, 뇌기능매핑에서 사용하는 sLORETA (standardized low resolution brain electromagnetic tomography), MNE (Minimum-norm estimation) 등의 3차원 전류원 추적 기법이 사용될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 다음으로, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 도 3c에 화살표 표시로 나타낸 것과 같이, FEM의 각각의 요소별 뇌활성 값을 이용으로 맵핑된 뇌활성도에 대응되는 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값들을 계산할 수 있다. 즉, 도 3c에 나타난 각각의 화살표인 3차원 기울기 벡터 값들이 소정의 시점에서의 특정 전기장 패턴일 수 있다. 참고로, 도 3a 내지 도 3c의 예시에서는 제1 시점 내지 제n 시점 중 하나의 시점에 대해서만 설명한 것으로 각각의 시점마다 해당 시점에서의 특정 전기장 패턴을 계산하는 것은 자명할 것이다.

그리고, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 상기 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하고, 상기 복수의 특정 전극쌍 각각에 할당될 각각의 뇌자극 강도를 계산할 수 있다(S220).

이때, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 복수의 특정 전극쌍으로서의 제1 전극쌍조합 내지 제n 전극쌍조합 각각을 선택하고, 상기 제1 전극쌍조합 내지 상기 제n 전극쌍조합 각각에 할당될 제1 뇌자극 강도 내지 제n 뇌자극 강도 각각을 계산할 수 있다.

즉, 사용자의 뇌에 삽입되어 있는 전극들의 분포를 바탕으로, 상기 S210 단계에서 계산된 각각의 시점별 특정 전기장 패턴에 대응되는 전기장을 갖도록 하기 위해 각각의 시점별로 활성화될 최적의 전극쌍들을 선택하고, 선택된 전극쌍에 할당될 뇌자극 강도를 계산하는 것이다.

예를 들어, 계산된 소정의 시점의 특정 전기장 패턴이 도 4a와 같고, 사용자 뇌의 특정 영역(410)에 삽입된 복수의 전극(420)들의 분포가 도 4b와 같다고 가정한다면, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 도 4a와 같은 전기장 생성하기 위해 도 4c에 나타난 것과 같이 복수의 전극(420) 중 최적의 전극쌍조합인 파란색으로 표시된 제1 전극쌍조합(421), 빨간색으로 표시된 제2 전극쌍조합(422) 및 노란색으로 표시된 제3 전극쌍조합(423)을 선택하고, 해당 전극쌍조합 각각에 할당될 제1 뇌자극 강도, 제2 뇌자극 강도 및 제3 뇌자극 강도 각각을 계산할 수 있을 것이다.

이때, 주어진 특정 전기장 패턴을 토대로 다수의 current dipole들에서의 전류 강도를 추정하고, 각 dipole들의 상대적인 전류의 세기를 정규화한 뒤, 이를 각 전극쌍들의 뇌자극 강도로 변환함으로써 뇌자극의 강도가 계산될 수 있다. 또한, Current dipole들의 전류 강도를 추정할 때는 주어진 전기장 패턴으로부터 최적의 current dipole의 전류값에 대한 해를 구하기 위해 수치해석적 알고리즘이 사용되며, 뇌기능매핑에서 자주 사용되는 equivalent current dipole(ECD) 알고리즘을 변형한 형태의 방법이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 일반적으로 전극쌍은 양극과 음극이 서로 근접해 있는 bipolar일 수 있지만, 양극과 음극이 멀리 떨어져 있는 경우 monopolar처럼 취급될 수도 있다.

다음으로, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 상기 복수의 뇌자극 강도 각각에 대응되는 뇌자극 파라미터를 결정하고, 상기 뇌자극 파라미터를 참조로 하여 상기 복수의 특정 전극쌍을 통해 상기 사용자의 뇌를 자극할 수 있다(S230).

여기서, 상기 뇌자극 파라미터는 자극 전류의 세기, pulse width 및 pulse frequency를 포함할 수 있다. 참고로, 뇌자극 강도는 (current*pulse width)*(보정치*pulse frequency)일 수 있으며, 자극 전류의 세기(mA)의 범위는 0 mA 내지 15 mA, pulse width의 범위는 수 십 us 내지 1 ms, pulse frequency의 범위는 0 Hz 내지 300 Hz 일 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아닐 것이다. 또한, 인간 뇌에 자극하였을 때 가장 자극 효과의 변화가 큰 파라미터는 자극 전류의 세기이지만, pulse width가 길어질수록, pulse frequency가 올라갈수록 사람이 느끼는 주관적인 감각 경험 등의 전체적인 강도가 올라 수 있을 것이다.

이때, 상기 자극 전류의 세기, 상기 pulse width 및 상기 pulse frequency 중 적어도 하나는 그 값이 고정되고, 나머지는 상기 뇌자극 강도에 따라 그 값이 변할 수 있다. 일례로, 자극 전류의 세기 및 pulse width를 일정 값으로 고정하고, pulse frequency의 값만을 뇌자극 강도에 따라 변화를 줄 수 있을 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 특정 시점에서 상기 복수의 특정 전극쌍으로서 선택된 제k_1 전극쌍조합 및 제k_2 전극쌍조합 각각에 제k_1 전기적 펄스 및 제k_2 전기적 펄스 각각을 인가함으로써 상기 사용자의 뇌에 자극을 제공할 수 있다. 여기서, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각의 파형의 소정 구간에서 서로 간섭이 발생되도록 제어함으로써 상기 특정 전기장 패턴에 대응되는 전기장이 생성되도록 할 수 있다.

즉, 사용자의 뇌의 특정 영역 중 전극이 위치하지 않은 중간지대들에까지 유효한 자극을 제공하기 위해 전극에서 인가되는 전기적 펄스간에 서로 간섭되도록 함으로써 중간지대에 전기장이 생성될 수 있을 것이.

이때, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각이 인가되는 타이밍을 조절하여 상기 파형의 제1 구간에서는 상기 간섭이 발생되도록 하고, 상기 파형의 제2 구간에서는 상기 간섭이 발생되지 않도록 함으로써 상기 간섭의 발생여부, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 유지시간, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 위치 및 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 세기 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

즉, 복수의 전기적 펄스간의 간섭이 모든 자극 시간에 걸쳐 발생하는 것이 아니라, 개별 전기적 펄스들을 밀리초 이내로 정밀하게 제어함으로써 각각의 전기적 펄스 간의 간섭을 유도할 수 있을 것이다.

예를 들어, 도 5를 참조하여 설명하면, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치(100)는 자극 1의 전기적 펄스와 자극 2의 전기적 펄스가 인가되는 타이밍을 조절함으로써, 파란색 구간으로 표시된 간섭구간인 제1 구간에서는 간섭이 발생되고, 나머지 구간인 제2 구간에서는 간섭이 발생되지 않도록 할 수 있다. 이처럼, 복수의 전기적 펄스 각각의 시퀀스에 의해 유발되는 전기장은 밀리초 이내 단위로 바뀔 수 있을 것이다. 또한, 복수의 전기적 펄스 각각의 뇌자극 파라미터인 자극 전류의 세기, pulse width 및 pulse frequency 중 적어도 하나에 다이나믹스를 부여하여 이를 조절함으로써 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 유지시간, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 위치 및 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 세기 등이 제어할 수 있을 것이다.

이처럼, 본 발명은, 침습적 뇌자극 제공함에 있어, 고정된 주파수를 가지고 단일 영역을 자극하여 뇌 피질에 공간적으로는 정적(static)이고 시간적으로 일정한 주기만을 갖는 전기장을 인가하는 것이 아니라, 다수의 전극쌍 각각의 의해 인가되는 전기적 펄스 각각이 생성하는 전기장 상호간 간섭이 발생될 수 있도록 하고, 전기장 간섭을 밀리초 이하의 정밀도로 미세 제어하여 국소적인 영역에 대한 시공간적 다이나믹스를 가지는 뇌활성을 유도함으로써, 보다 자연스럽고 시공간적 연속성을 가지는 감각 또는 인지기능 확장을 위한 뇌자극을 제공할 수 있도록 하는 것이다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magnetooptical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 방법에 있어서,
(a) 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위한 정보인 특정 감각 정보가 입력되면, 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 데이터베이스에 포함된 복수의 뇌활성 패턴 정보 중 적어도 하나의 특정 뇌활성 패턴 정보를 참조로 하여 상기 사용자의 뇌의 특정 영역에서 상기 특정 감각 정보에 대응되는 특정 전기장 패턴을 계산하는 단계;
(b) 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하고, 상기 복수의 특정 전극쌍 각각에 할당될 각각의 뇌자극 강도를 계산하는 단계; 및
(c) 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 복수의 뇌자극 강도 각각에 대응되는 뇌자극 파라미터를 결정하고, 상기 뇌자극 파라미터를 참조로 하여 상기 복수의 특정 전극쌍을 통해 상기 사용자의 뇌를 자극하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 특정 전기장 패턴은 제1 시점 내지 제n 시점 각각에 대응되는 제1 특정 전기장 패턴 내지 제n 특정 전기장 패턴을 포함하고,
상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴 각각은, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 의해 계산된 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점별 상기 특정 영역에 해당되는 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값 - 상기 3차원 기울기 벡터 값의 크기는 전기장의 세기에 대응되고, 상기 3차원 기울기 벡터 값의 방향은 전기장의 방향에 대응됨 - 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제2항에 있어서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 사용자의 뇌의 MRI데이터를 기반으로 FEM(유한요소법)을 이용하여 상기 특정 뇌활성 패턴 정보에 포함되어 있는 뇌활성도를 상기 사용자의 뇌에 맵핑하고, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 FEM의 각각의 요소별 뇌활성도에 대응되는 제1 기울기 벡터 값 내지 제n 기울기 벡터 값 각각을 상기 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제2항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 복수의 특정 전극쌍으로서의 제1 전극쌍조합 내지 제n 전극쌍조합 각각을 선택하고, 상기 제1 전극쌍조합 내지 상기 제n 전극쌍조합 각각에 할당될 제1 뇌자극 강도 내지 제n 뇌자극 강도 각각을 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 뇌자극 파라미터는 자극 전류의 세기, pulse width 및 pulse frequency를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제5항에 있어서,
상기 자극 전류의 세기, 상기 pulse width 및 상기 pulse frequency 중 적어도 하나는 그 값이 고정되고, 나머지는 상기 뇌자극 강도에 따라 그 값이 변하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 특정 시점에서 상기 복수의 특정 전극쌍으로서 선택된 제k_1 전극쌍조합 및 제k_2 전극쌍조합 각각에 제k_1 전기적 펄스 및 제k_2 전기적 펄스 각각을 인가함으로써 상기 사용자의 뇌에 자극을 제공하되,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각의 파형의 소정 구간에서 서로 간섭이 발생되도록 제어함으로써 상기 특정 전기장 패턴에 대응되는 전기장이 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제7항에 있어서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치가, 상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각이 인가되는 타이밍을 조절하여 상기 파형의 제1 구간에서는 상기 간섭이 발생되도록 하고, 상기 파형의 제2 구간에서는 상기 간섭이 발생되지 않도록 함으로써 상기 간섭의 발생여부, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 유지시간, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 위치 및 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 세기 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제1항에 있어서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자의 뇌신호를 측정하고 기록하는 뇌신호 측정 장치 및 상기 뇌신호 측정 장치와 시간적으로 동기화된 소정의 기록 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
제1항에 있어서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극을 즉시 중지시키는 비상장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 제공 방법.
뇌신경의 활성화를 유도하기 위해 복수의 전극쌍을 이용하여 뇌자극을 제공하는 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 있어서,
인스트럭션들을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 및
상기 인스트럭션들을 실행하기 위해 구성된 적어도 하나의 프로세서;
를 포함하되,
상기 프로세서는, (1) 사용자에게 특정 감각을 유발시키기 위한 정보인 특정 감각 정보가 입력되면, 데이터베이스에 포함된 복수의 뇌활성 패턴 정보 중 적어도 하나의 특정 뇌활성 패턴 정보를 참조로 하여 상기 사용자의 뇌의 특정 영역에서 상기 특정 감각 정보에 대응되는 특정 전기장 패턴을 계산하는 프로세스, (2) 상기 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 사용자의 뇌에 삽입된 복수의 전극 중 소정의 분포를 가지는 복수의 특정 전극쌍을 선택하고, 상기 복수의 특정 전극쌍 각각에 할당될 각각의 뇌자극 강도를 계산하는 프로세스 및 (3) 상기 복수의 뇌자극 강도 각각에 대응되는 뇌자극 파라미터를 결정하고, 상기 뇌자극 파라미터를 참조로 하여 상기 복수의 특정 전극쌍을 통해 상기 사용자의 뇌를 자극하는 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제11항에 있어서,
상기 (1) 프로세스에서,
상기 특정 전기장 패턴은 제1 시점 내지 제n 시점 각각에 대응되는 제1 특정 전기장 패턴 내지 제n 특정 전기장 패턴을 포함하고,
상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴 각각은, 상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치에 의해 계산된 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점별 상기 특정 영역에 해당되는 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값 - 상기 3차원 기울기 벡터 값의 크기는 전기장의 세기에 대응되고, 상기 3차원 기울기 벡터 값의 방향은 전기장의 방향에 대응됨 - 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제12항에 있어서,
상기 프로세스는,
상기 사용자의 뇌의 MRI데이터를 기반으로 FEM(유한요소법)을 이용하여 상기 특정 뇌활성 패턴 정보에 포함되어 있는 뇌활성도를 상기 사용자의 뇌에 맵핑하고, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 FEM의 각각의 요소별 뇌활성도에 대응되는 제1 기울기 벡터 값 내지 제n 기울기 벡터 값 각각을 상기 3차원 기울기 벡터(gradient vector) 값으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제12항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 (2) 프로세스에서,
상기 제1 특정 전기장 패턴 내지 상기 제n 특정 전기장 패턴을 참조로 하여, 상기 제1 시점 내지 상기 제n 시점 각각에 대해 상기 복수의 특정 전극쌍으로서의 제1 전극쌍조합 내지 제n 전극쌍조합 각각을 선택하고, 상기 제1 전극쌍조합 내지 상기 제n 전극쌍조합 각각에 할당될 제1 뇌자극 강도 내지 제n 뇌자극 강도 각각을 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제11항에 있어서,
상기 (3) 프로세스에서,
상기 뇌자극 파라미터는 자극 전류의 세기, pulse width 및 pulse frequency를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제15항에 있어서,
상기 자극 전류의 세기, 상기 pulse width 및 상기 pulse frequency 중 적어도 하나는 그 값이 고정되고, 나머지는 상기 뇌자극 강도에 따라 그 값이 변하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제11항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 (3) 프로세스에서,
특정 시점에서 상기 복수의 특정 전극쌍으로서 선택된 제k_1 전극쌍조합 및 제k_2 전극쌍조합 각각에 제k_1 전기적 펄스 및 제k_2 전기적 펄스 각각을 인가함으로써 상기 사용자의 뇌에 자극을 제공하되,
상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각의 파형의 소정 구간에서 서로 간섭이 발생되도록 제어함으로써 상기 특정 전기장 패턴에 대응되는 전기장이 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제17항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제k_1 전기적 펄스 및 상기 제k_2 전기적 펄스 각각이 인가되는 타이밍을 조절하여 상기 파형의 제1 구간에서는 상기 간섭이 발생되도록 하고, 상기 파형의 제2 구간에서는 상기 간섭이 발생되지 않도록 함으로써 상기 간섭의 발생여부, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 유지시간, 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 위치 및 상기 간섭에 의해 발생되는 전기장의 세기 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제11항에 있어서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자의 뇌신호를 측정하고 기록하는 뇌신호 측정 장치 및 상기 뇌신호 측정 장치와 시간적으로 동기화된 소정의 기록 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.
제11항에 있어서,
상기 침습적 다중 영역 뇌자극 장치는 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 사용자에게 제공되고 있거나 제공될 뇌자극을 즉시 중지시키는 비상장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌자극 장치.