KR20230089126A - 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치 및 뇌신경 조절방법 - Google Patents
재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치 및 뇌신경 조절방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 상하지 유산소 훈련뿐만 아니라 언어 및 인지 훈련을 통하여 피험자의 구조적 및 기능적으로 복잡한 뇌활성신호를 실시간 측정하고, 측정된 뇌활성신호를 분석 및 처리하여 뇌활성 상태를 정확하게 시각화하여 모니터링하며, 모니터링되는 뇌활성 상태를 기반으로 정확한 부위 및 강도로 피험자의 뇌신경을 자극해줄 수 있는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치 및 이를 이용한 뇌신경 조절방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 재활 훈련모듈; 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성신호를 측정하기 위한 측정모듈; 상기 측정모듈의 강도를 조절하는 측정모듈 컨트롤러; 상기 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하는 신호처리모듈; 피험자의 뇌에 전기 자극을 가하기 위한 자극모듈; 및 상기 신호처리모듈에서 처리된 뇌활성도를 기반으로 상기 자극모듈에서 출력되는 자극의 강도 및 위치를 조절하는 자극모듈 컨트롤러;를 포함하는 특징을 개시한다.
Description
본 발명은 뇌신경 조절장치 및 뇌신경 조절방법에 관한 것으로, 상세하게는 재활훈련에 따른 피험자의 뇌활성도 모니터링을 기반으로 하여 뇌신경을 효율적으로 제어할 수 있는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치 및 뇌신경 조절방법에 관한 것이다.
뇌 속에 전극을 삽입하여 자극을 주는 침습적 뇌심부자극술은 수전증, 파킨슨병, 근긴장 이상증 등에 치료법으로 사용되고 있으나, 수술 부작용이나 의도치 않은 간질 발작과 같은 부작용들이 보고되고 있다. 이러한 침습적 뇌심부자극술은 특정 중증 질환에 매우 탁월한 치료 효과를 보이지만, 시술의 위험성 및 작동의 복잡성이 높아, 다양한 뇌질환 치료에 적용하기에는 어려움이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 상하지 유산소 훈련뿐만 아니라 언어 및 인지 훈련을 통하여 피험자의 구조적 및 기능적으로 복잡한 뇌활성신호를 실시간 측정하고, 측정된 뇌활성신호를 분석 및 처리하여 뇌활성 상태를 정확하게 시각화하여 모니터링하며, 모니터링되는 뇌활성 상태를 기반으로 정확한 부위 및 강도로 피험자의 뇌신경을 비침습적 전기 자극해줄 수 있는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치 및 뇌신경 조절방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절장치는 피험자에 대해 재활훈련을 수행하기 위한 훈련모듈; 피험자의 머리에 착용된 캡에 설치되며 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성신호를 측정하기 위한 측정모듈; 상기 측정모듈에서 출력되는 발신신호의 강도를 조절하는 측정모듈 컨트롤러; 상기 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하여 뇌활성도를 시각화하여 표시해주는 신호처리모듈; 상기 캡에 설치되며 피험자의 뇌에 전기 자극을 가하기 위한 자극모듈; 및 상기 신호처리모듈에서 처리 및 시각화된 뇌활성도를 기반으로 상기 자극모듈에서 출력되는 전기 자극의 강도 및 위치를 조절하는 자극모듈 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 뇌신경 조절장치에 있어서, 상기 측정모듈은, 제1발신신호를 발신하는 제1발신부와, 상기 제1발신부로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제1발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제1수신신호를 수신하는 제1수신부를 가지는 제1단위측정모듈; 및 상기 제1단위측정모듈로부터 상기 기준간격보다 큰 제1간격으로 이격하여 배치되고, 제2발신신호를 발신하는 제2발신부와, 상기 제2발신부로부터 상기 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제2발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제2수신신호를 수신하는 제2수신부를 가지는 제2단위측정모듈;을 포함하고, 이때, 상기 제1수신부는 상기 제2발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제3수신신호를 수신할 수 있고, 상기 제2수신부는 상기 제1발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제4수신신호를 수신할 수 있으며, 여기서, 상기 측정모듈 컨트롤러는, 상기 제1수신신호 및 상기 제2수신신호가 미리 설정된 제1유효신호범위 내에 존재하고, 상기 제3수신신호 및 상기 제4수신신호가 미리 설정된 제2유효신호범위 내에 존재하도록, 상기 제1발신부에서 출력되는 제1발신신호 및 상기 제2발신부에서 출력되는 제2발신신호의 강도를 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 뇌신경 조절장치에 있어서, 상기 신호처리모듈은, 상기 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 제1처리신호로 변환하는 신호변환부; 상기 제1처리신호의 노이즈를 제거하는 동시에 실시간 변환되는 상기 제1처리신호의 최종 신호 값에 가중치를 반영하여 제2처리신호를 생성하는 가중치필터부; 상기 제2처리신호를 기반으로 2D 또는 3D의 뇌활성도 모델링 샘플을 생성하는 샘플생성부; 및 상기 뇌활성도 모델링 샘플 및 미리 저장된 표준모델을 정합하여 시각화하는 샘플매칭부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절방법은, 전술한 뇌신경 조절장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 실시예에 따른 뇌신경 조절방법은, 재활훈련을 수행하는 재활훈련 수행단계; 피험자의 머리에 착용된 캡에 설치된 측정모듈을 이용하여 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성신호를 측정하는 뇌활성신호 측정단계; 측정모듈 컨트롤러를 이용하여 상기 측정모듈에서 출력되는 발신신호의 강도 및 위치를 조절하는 발신신호 설정단계; 신호처리모듈을 이용하여 상기 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하여 뇌활성도를 시각화하여 표시해주는 뇌활성신호 처리단계; 및 피험자의 머리에 착용된 캡에 설치된 자극모듈을 이용하여 표시되는 뇌활성도를 기반으로 피험자의 뇌에 전기 자극을 가하는 전기 자극단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 뇌신경 조절방법에 있어서, 상기 측정모듈은, 제1발신신호를 발신하는 제1발신부와, 상기 제1발신부로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제1발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제1수신신호를 수신하는 제1수신부를 가지는 제1단위측정모듈; 및 상기 제1단위측정모듈로부터 상기 기준간격보다 큰 제1간격으로 이격하여 배치되고, 제2발신신호를 발신하는 제2발신부와, 상기 제2발신부로부터 상기 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제2발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제2수신신호를 수신하는 제2수신부를 가지는 제2단위측정모듈;을 포함하고, 이때, 상기 제1수신부는 상기 제2발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제3수신신호를 수신할 수 있고, 상기 제2수신부는 상기 제1발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제4수신신호를 수신할 수 있으며, 여기서, 상기 발신신호 설정단계는, 상기 제1발신부에서 출력되는 제1발신신호 및 상기 제2발신부에서 출력되는 제2발신신호의 강도를 조절하여, 상기 제1수신신호 및 상기 제2수신신호가 미리 설정된 제1유효신호범위 내에 존재하고, 상기 제3수신신호 및 상기 제4수신신호가 미리 설정된 제2유효신호범위 내에 존재하도록 설정할 수 있다.
본 실시예에 따른 뇌신경 조절방법에 있어서, 상기 뇌활성신호 처리단계는, 상기 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 제1처리신호로 변환하는 신호변환단계; 상기 제1처리신호의 노이즈를 제거하는 동시에 실시간 변환되는 상기 제1처리신호의 최종 신호 값에 가중치를 반영하여 제2처리신호를 생성하는 신호필터링단계; 상기 제2처리신호를 기반으로 2D 또는 3D의 뇌활성도 모델링 샘플을 생성하는 샘플생성단계; 및 상기 뇌활성도 모델링 샘플 및 미리 저장된 표준모델을 정합하여 시각화하는 샘플매칭단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상하지 유산소 훈련뿐만 아니라 언어 및 인지 훈련을 통하여 구조적 및 기능적으로 복잡한 뇌활성신호를 정확하게 측정해낼 수 있고, 측정된 뇌활성신호를 분석 및 처리하여 뇌활성 상태를 정확하게 시각화하여 모니터링하며, 실시간 모니터링되는 뇌활성 상태를 기반으로 정확한 부위 및 강도로 뇌신경을 자극해줄 수 있기 때문에, 피험자의 뇌질환을 효과적으로 치료할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절장치의 전체 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절장치의 세부 구성을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈, 측정모듈 컨트롤러, 자극모듈 및 자극모듈 컨트롤러를 나타낸 블록 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모듈홀더가 장착된 캡을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈 및 자극모듈이 장착된 모듈케이스를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기준패턴모델을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈의 뇌활성신호 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 신호처리모듈의 샘플생성부를 통해 생성된 뇌활성도 모델링 샘플을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신호처리모듈의 샘플매칭부를 통해 생성된 뇌활성도 모델링 샘플 및 뇌 표준모델을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절방법을 나타낸 블록 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 뇌활성신호 처리단계를 나타낸 블록 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절장치의 세부 구성을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈, 측정모듈 컨트롤러, 자극모듈 및 자극모듈 컨트롤러를 나타낸 블록 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모듈홀더가 장착된 캡을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈 및 자극모듈이 장착된 모듈케이스를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기준패턴모델을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈의 뇌활성신호 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 신호처리모듈의 샘플생성부를 통해 생성된 뇌활성도 모델링 샘플을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신호처리모듈의 샘플매칭부를 통해 생성된 뇌활성도 모델링 샘플 및 뇌 표준모델을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절방법을 나타낸 블록 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 뇌활성신호 처리단계를 나타낸 블록 예시도이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절장치의 전체 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절장치의 세부 구성을 나타낸 예시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치는 훈련모듈, 측정모듈, 측정모듈 컨트롤러, 신호처리모듈, 자극모듈, 및 자극모듈 컨트롤러를 포함할 수 있다.
훈련모듈은 피험자에 대해 재활 훈련을 수행할 수 있다.
훈련모듈은 상하지 재활 훈련모듈, 인지 재활 훈련모듈 및 언어 재활 훈련모듈을 포함할 수 있다.
상하지 재활 훈련모듈, 인지 재활 훈련모듈 및 언어 재활 훈련모듈 각각은 미리 설정된 훈련프로그램에 따른 상하지 재활 훈련, 인지 재활 훈련 및 언어 재활 훈련을 수행할 수 있다.
피험자는 상하지 재활 훈련모듈을 통한 유산소 운동 과정에서 뇌가 활성화될 수 있을 뿐만 아니라, 인지 재활 훈련모듈 및 언어 재활 훈련모듈을 통한 재활 훈련 과정에서도 뇌가 활성화될 수 있다.
일반적으로 뇌는 외부의 자극, 운동 등으로부터 활성화될 때 많은 에너지와 산소를 필요로 하는데, 산소는 헤모글로빈이라는 혈액의 단백질에 의해 뇌영역으로 운반된다. 에너지가 꽉 찬 산화된 헤모글로빈은 활성화된 뇌 영역으로 공급되며, 이때, 혈관은 이를 수용하기 위해 확장 반응을 일으키며 뇌혈류량(Cerebral bloodflow), 뇌혈액량(Cerabralbloodvolume)이 변화된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈, 측정모듈 컨트롤러, 자극모듈 및 자극모듈 컨트롤러를 나타낸 블록 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모듈홀더가 장착된 캡을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈 및 자극모듈이 장착된 모듈케이스를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5를 추가 참조하면, 측정모듈은 피험자의 머리에 착용된 캡(10)에 설치될 수 있으며, 피험자의 뇌활성신호를 측정할 수 있다.
측정모듈은 복수개의 단위측정모듈을 가지며, 캡(10)에는 각각의 단위측정모듈이 결합 및 분리 가능하도록 하는 복수개의 모듈홀더(11)가 구비될 수 있다.
측정모듈로는 기능적 근적외선 분광법(Functional near-infrared Spectroscopy, fNRIS)이 사용될 수 있다. 기능적 근적외선 분광법(fNRIS)은 기능적 신경 영상을 목적으로 근적외선 분광법을 사용하는 광학 뇌 모니터링 기술 중 하나로, 근적외선을 사용하여 신경 활동에 반응하여 발생하는 뇌혈류의 역학적 활동을 추정할 수 있다. 또한, 기능적 근적외선 분광법(fNRIS)은 양전자 방출 단층 촬영법(Positron Emission Tomography, PET) 및 기능적 자기 공명 영상법(Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)과 비교하여 상대적으로 가격이 저렴하고 크기가 작아 휴대성이 우수하며, 비침습성으로 머리에 측정모듈이 장착된 캡(10)을 씌우는 것만으로 뇌활성도에 따른 신경 영상을 간단하고 빠르게 획득할 수 있는 장점이 있다. 또한, 근적외선을 이용한 분광법은 대뇌피질 근처 영역(650-1000nm)에서의 헤모글로빈 농도 변화를 효과적으로 측정해낼 수 있다. 헤모글로빈의 농도 변화를 관찰함으로써 혈액내 산소화 정도뿐 아니라 세포내 산소화 정도 또한 측정 가능하며, 뇌혈류량, 뇌혈액량 등을 계산해낼 수 있다.
단위측정모듈은 발신신호를 발신하는 발신부(31)와, 발신부(31)로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 수신신호를 수신하는 수신부(33)를 가질 수 있다.
측정모듈 컨트롤러는 측정모듈에서 출력되는 발신신호의 강도를 조절할 수 있다. 즉, 단위측정모듈의 발신부(31)에서 발신되는 발신신호의 강도를 조절할 수 있다.
한편, 캡(10)은 피험자의 신체 특성을 고려하여 유연성 소재로 제작될 수 있다. 따라서, 다양한 신체 특성을 가지는 피험자들에 의해 착용될 수 있다.
이때, 캡(10)의 모듈홀더(11)에 설치되는 복수개의 단위측정모듈은 뇌활성신호를 측정하고자 하는 설정된 위치를 유지해야 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기준패턴모델을 나타낸 도면이다.
도 6에서와 같이, 모듈홀더(11) 및 단위측정모듈의 위치 즉, 뇌활성신호의 측정부위는 미리 설정된 기준패턴모델을 따르게 되는데, 일반적으로 기준패턴모델은 국제적으로 인정된 International 10-20 System을 이용하게 된다.
여기서, 피험자가 캡(10)을 바르게 착용하였다 하더라도 피험자의 두상 구조와 기준패턴모델 간에는 미세한 위치 편차가 발생될 수 있다. 더구나, 피험자마다의 신체 특성을 고려하여 유연한 재질의 캡(10)이 사용될 경우, 캡(10)이 변화되면서 모듈홀더(11)에 장착된 단위측정모듈의 위치가 연동하여 변화될 수 있고, 이에 따라, 단위측정모듈의 발신부의 위치와, 기준패턴모델 간에 미세한 위치 편차가 발생될 수 있다. 이러한 위치 편차는 캡(10)의 착용 위치를 단순 조절하는 것으로는 정확히 일치하기가 곤란한다. 예컨대, 단위측정모듈 간의 간격이 3cm를 유지할 경우 기준패턴모델에 설정된 채널 사이의 간격은 4cm 이상 길게 형성될 수 있고, 이 상태에서는 수신되는 신호가 약하게 검출되는 등의 문제가 발생된다.
따라서, 단위측정모듈의 발신부(31)의 위치와, 기준패턴모델 간에 발생된 위치 편차에도 불구하고, 단위측정모듈의 수신부에서는 적정 크기의 뇌활성신호가 수신되어야만 피험자에 대한 정확한 뇌활성도를 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 측정모듈의 뇌활성신호 측정 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 추가 참조하면, 측정모듈은 제1단위측정모듈 및 제2단위측정모듈을 포함할 수 있다.
제1단위측정모듈은 제1발신신호를 발신하는 제1발신부(31)와, 제1발신부(31)로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 제1발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제1수신신호를 수신하는 제1수신부(33)를 가진다.
제2단위측정모듈은 제1단위측정모듈로부터 기준간격보다 큰 제1간격으로 이격하여 배치되고, 제2발신신호를 발신하는 제2발신부(35)와, 제2발신부(35)로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 제2발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제2수신신호를 수신하는 제2수신부(37)를 가진다.
이때, 제1수신부(33)는 제2발신부(35)에서 발신된 제2발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제3수신신호를 추가적으로 수신할 수 있고, 제2수신부(37)는 제1발신부(31)에서 발신된 제1발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제4수신신호를 추가적으로 수신할 수 있다.
여기서, 측정모듈 컨트롤러는 제1수신신호 및 제2수신신호가 미리 설정된 제1유효신호범위 내에 존재하고, 동시에 제3수신신호 및 제4수신신호가 미리 설정된 제2유효신호범위 내에 존재하도록, 제1발신부(31)에서 발신되는 제1발신신호 및 제2발신부(35)에서 발신되는 제2발신신호의 강도를 조절할 수 있다.
보충 설명하면, 제1발신부(31) 및 제1수신부(33) 사이에서 변형되는 제1수신신호와, 제2발신부(35) 및 제2수신부(37) 사이에서 변형되는 제2수신신호는, 상대적으로 얕은(Shallow) 신호에 해당되어 뇌의 깊은 영역에 도달하지 못하고 두피나 두개골 등 얕은 영역을 지나게 된다. 하지만, 노이즈 처리 관련하여 중요한 정보(맥박, 호흡 등 생체 신호)를 가지기 때문에 불필요한 생체 신호를 제거하는데 이용될 수 있고, 차후 자극모듈을 이용하여 뇌에 전기 자극을 가할 시 변화되는 뇌활성신호의 중요한 판단 기준이 되는 신호에 해당된다.
그리고, 제2발신부(35) 및 제1수신부(33) 사이에서 변형되는 제3수신신호와, 제1발신부(31) 및 제2수신부(37) 사이에서 변형되는 제4수신신호는, 상대적으로 깊은(Deep) 신호에 해당되어 뇌의 깊은 영역까지 도달할 수 있기 때문에 전체적인 뇌활성신호를 검출하는데 중요한 판단 기준이 될 수 있다.
예컨대, 제1발신부(31)의 제1발신신호가 너무 강해서 제1수신부(33)의 제1수신신호가 제1유효신호범위를 초과하게 되면 포화상태(Saturation)가 되어 정확한 값을 얻을 수 없다. 그리고, 제1발신부(31)의 제1발신신호가 너무 약해서 제2수신부(37)의 제4수신신호가 제2유효신호범위에 도달하지 못하면 약한 신호로 인해 정확한 값을 얻을 수 없게 된다.
따라서, 상대적으로 얕은(Shallow) 신호인 제1수신신호 및 제2수신신호는 제1유효신호범위 내에 존재하고, 상대적으로 깊은(Deep) 신호인 제3수신신호 및 제4수신신호는 제2유효신호범위 내에 존재하게 될 경우, 뇌활성신호를 효과적으로 획득할 수 있게 된다.
한편, 신호처리모듈은 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하여 뇌활성도를 시각화하여 표시해줄 수 있다.
신호처리모듈은 신호변환부, 기중치필터부, 샘플생성부, 샘플매칭부를 포함할 수 있다.
신호변환부는 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 제1처리신호로 변환할 수 있다.
신호변환부는 뇌활성신호를 증폭시키거나 오프셋 위치 이동시킬 수 있고, 디지털신호로 변환시킬 수도 있다. 즉, 제1처리신호는 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호가 증폭된 신호일 수 있고, 오프셋 위치 이동된 신호일 수 있으며, 디지털 변환된 신호일 수 있다.
가중치필터부는 제1처리신호의 노이즈를 제거할 수 있고 동시에 실시간 변환되는 제1처리신호의 최종 신호 값을 추정한 제2처리신호를 생성할 수 있다. 즉, 가중치필터부는 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호의 정확한 분석을 위하여, 노이즈를 제거하는 동시에 실시간 측정되는 뇌활성신호의 최종 신호 값에 가중치를 반영하여 보다 정확한 뇌활성신호를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 가중치필터부는 에버리지 필터, 무빙 에버리지 필터, 하이/로 패스 필터를 가질 수 있다.
에버리지(Average) 필터는 신호변환부에서 실시간 변환되는 제1처리신호의 평균 값을 산출하여 1차로 노이즈가 제거된 제1필터링신호를 생성할 수 있다.
무빙 에버리지(Moving Average) 필터는 에버리지 필터에서 생성된 제1필터링신호의 최종 신호 값을 포함한 일부 구간에 대한 평균 값을 추가 산출하여 2차로 노이즈가 제거된 제2필터링신호를 생성할 수 있다. 에버리지 필터를 통해 실시간 변환되는 제1처리신호의 전체 평균 값만을 산출할 시 시퀀스(Sequence)가 길어지면 제1필터링신호의 최종 신호 값의 변동이 커질 수 있다. 따라서, 제1필터링신호의 최종 신호 값을 포함한 일부 구간에 대한 평균 값을 산출하여 추가적으로 반영해 줌으로써 뇌활성신호의 현재 값의 변동성을 줄일 수 있다.
하이/로 패스(High/Low Pass) 필터는 제1필터링신호의 최종 신호 값을 포함한 일부 구간에 대한 평균 값을 추가 산출하는 과정에서, 제1필터링신호의 최종 신호 값에 가까울수록 상대적으로 높은 가중치를 추가 반영하여 제3필터링신호를 생성할 수 있다.
이처럼 에버리지 필터링, 무빙 에버리지 필터링, 하이/로 패스 필터링 단계를 거치면서, 노이즈가 제거되는 동시에 최종 신호 값에 가중치를 반영해 줌으로써 실시간 측정되는 뇌활성신호의 신뢰성 및 정확도를 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 신호처리모듈의 샘플생성부를 통해 생성된 뇌활성도 모델링 샘플을 나타낸 도면이다.
도 8에서와 같이, 샘플생성부는 제2처리신호를 기반으로 뇌활성도 모델링 샘플을 생성할 수 있다. 뇌활성도 모델링 샘플은 2D 또는 3D 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 기능적 근적외선 분광법(fNRIS) 사용 시에는 가우시안 필터를 이용하여 짧은 시간에 2D 형태의 뇌활성도 모델링 샘플을 생성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신호처리모듈의 샘플매칭부를 통해 생성된 뇌활성도 모델링 샘플 및 뇌 표준모델을 나타낸 도면이다.
도 9에서와 같이, 샘플매칭부는 뇌활성도 모델링 샘플 및 미리 저장된 뇌 표준모델을 정합하여 시각화할 수 있다.
자극모듈은 캡(10)에 설치될 수 있으며, 피험자의 뇌에 전기 자극을 가할 수 있다. 즉, 상부 운동신경원 손상으로 운동 조절이 어려운 환자에게 전기 자극을 가하여 기능적으로 유용한 움직임을 만들어낼 수 있다.
자극모듈은 복수개의 단위자극모듈을 가지며, 각각의 단위자극모듈은 캡(10)의 모듈홀더(11)에 결합 및 분리 가능하도록 설치될 수 있다.
자극모듈 컨트롤러는 신호처리모듈에서 처리 및 시각화된 뇌활성도를 기반으로 자극모듈에서 출력되는 전기 자극의 강도 및 위치를 조절할 수 있다.
그리고, 피험자의 뇌환부에 전기 자극이 가해짐에 따라, 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성도는 계속해서 실시간 변화되는데, 신호처리모듈은 실시간 변화되는 뇌활성도를 계속해서 피드백 제어하여 모니터링하게 되고, 자극모듈 컨트롤러는 신호처러모듈을 통해 모니터링되는 뇌활성도를 기반으로 자극모듈에서 출력되는 전기 자극의 강도 및 위치를 실시간으로 조절할 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 뇌신경 조절장치는 모듈가이드(20)를 더 포함할 수 있다.
모듈가이드(20)는 단위측정모듈 및 단위자극모듈을 캡(10)의 모듈홀더(11)에 연결시킬 수 있다. 즉, 모듈가이드(20)는 단위측정모듈 및 단위자극모듈이 통합되어 일체로 모듈화된 프로브를 캡(10)에 연결할 수 있다.
모듈가이드(20)는 캡(10)의 천공부에 결합된 모듈홀더(11)에 탈부착 가능하게 결합되는 모듈케이스를 가질 수 있다.
모듈케이스에는 단위측정모듈 및 단위자극모듈이 배치될 수 있고, 이때, 단위측정모듈 및 단위자극모듈은 탄성부재에 지지되어 발신부(31), 수신부(33) 및 전극단자(41)가 모듈케이스의 선단으로 돌출되도록 배치된다.
이러한 모듈케이스를 모듈홀더(11)에 결합하면, 발신부(31) 및 수신부(33)는 피험자의 뇌를 향하도록 배치되고 전극단자(41)는 모듈홀더(11)에 구비된 스펀지단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에 따르면, 전극단자(41)는 원통형상으로 구비되고, 원통형상의 전극단자(41) 내측에 발신부(31) 및 수신부(33)가 기준간격으로 이격하여 배치되어 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절방법에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 뇌신경 조절방법을 나타낸 블록 예시도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 뇌활성신호 처리단계를 나타낸 블록 예시도이다.
도 10 및 도 11을 추가 참조하면, 본 실시예에 따른 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절방법은 앞서 설명한 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치를 이용하여 수행될 수 있다.
본 실시예에 따른 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절방법은 재활훈련 수행단계(S10), 뇌활성신호 측정단계(S20), 발신신호 설정단계(S30), 뇌활성신호 처리단계(S40), 자극단계(S50)를 포함할 수 있다.
재활훈련 수행단계(S10)는 재활훈련모듈을 이용하여 피험자가 재활훈련을 수행하는 단계일 수 있다. 즉, 미리 설정된 훈련프로그램에 따른 상하지 재활 훈련, 인지 재활 훈련 및 언어 재활 훈련을 수행할 수 있다.
뇌활성신호 측정단계(S20)는 측정모듈을 이용하여 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성신호를 측정하는 단계일 수 있다. 즉, 하지 재활 훈련, 인지 재활 훈련 및 언어 재활 훈련 중인 피험자의 헤모글로빈의 농도 변화를 관찰함으로써 혈액내 산소화 정도뿐 아니라 세포내 산소화 정도 또한 측정 가능하며, 뇌혈류량, 뇌혈액량 등을 계산해낼 수 있다.
발신신호 설정단계(S30)는 측정모듈 컨트롤러를 이용하여 측정모듈에서 출력되는 발신신호의 강도를 조절하는 단계일 수 있다. 즉, 제1발신부에서 출력되는 제1발신신호 및 제2발신부에서 출력되는 제2발신신호의 강도를 조절하여, 제1수신신호 및 제2수신신호가 미리 설정된 제1유효신호범위 내에 존재하고, 제3수신신호 및 제4수신신호가 미리 설정된 제2유효신호범위 내에 존재하도록 설정할 수 있다. 따라서, 단위측정모듈의 발신부의 위치와, 기준패턴모델 간에 발생된 위치 편차에도 불구하고, 단위측정모듈의 수신부에서는 적정 크기의 뇌활성신호가 수신될 수 있고, 이로부터 보다 정확한 뇌활성신호를 획득할 수 있다.
뇌활성신호 처리단계(S40)는 신호처리모듈을 이용하여 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하여 뇌활성도를 시각화하여 표시해주는 단계일 수 있다.
뇌활성신호 처리단계(S40)는 신호변환단계(S41), 신호필터링단계(S42), 샘플생성단계(S43) 및 샘플매칭단계(S44)를 가질 수 있다.
신호변환단계(S41)는 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 제1처리신호로 변환하는 단계일 수 있다. 즉, 신호변환단계(S41)는 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 증폭시키거나 오프셋 위치 이동시킬 수 있고, 디지털신호로 변환시킬 수도 있다.
신호필터링단계(S42)는 에버리지 필터, 무빙 에버리지 필터, 하이/로 패스 필터를 이용하여 제1처리신호의 노이즈를 제거하는 동시에 실시간 변환되는 제1처리신호의 최종 신호 값에 가중치를 반영하여 제2처리신호를 생성하는 단계일 수 있다.
샘플생성단계(S43)는 제2처리신호를 기반으로 2D 또는 3D의 뇌활성도 모델링 샘플을 생성하는 단계일 수 있다.
샘플매칭단계(S44)는 뇌활성도 모델링 샘플 및 미리 저장된 표준모델을 정합하여 시각화하는 단계일 수 있다.
자극단계(S50)는 샘플매칭단계(S44)를 거쳐 표시되는 뇌활성도를 기반으로, 자극모듈을 이용하여 피험자의 뇌에 전기 자극을 가하는 단계일 수 있다.
이후, 피험자의 뇌환부에 전기 자극이 가해짐에 따라, 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성도는 계속해서 실시간 변화되는데, 신호처리모듈을 이용하여 실시간 변화되는 뇌활성도를 계속해서 피드백 제어하여 모니터링하고, 모니터링되는 뇌활성도를 기반으로 자극모듈에서 출력되는 전기 자극의 강도 및 위치를 실시간 조절할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 재활 훈련 방법인 상하지 훈련, 인지훈련, 언어훈련을 수행하는 피험자에 대해 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)을 이용한 측정모듈 및 신호처리모듈을 통하여 뇌활성신호를 효과적으로 측정 및 분석 처리하여 모니터링하며, 모니터링되는 뇌활성 상태를 기반으로 최적의 뇌 자극 위치 및 강도를 설정 및 조절할 수 있다. 이에 따라, 피험자의 뇌질환을 효과적으로 치료할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
Claims (6)
- 피험자에 대해 재활훈련을 수행하기 위한 훈련모듈;
피험자의 머리에 착용된 캡에 설치되며 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성신호를 측정하기 위한 측정모듈;
상기 측정모듈에서 출력되는 발신신호의 강도를 조절하는 측정모듈 컨트롤러;
상기 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하여 뇌활성도를 시각화하여 표시해주는 신호처리모듈;
상기 캡에 설치되며 피험자의 뇌에 자극을 가하기 위한 자극모듈; 및
상기 신호처리모듈에서 처리 및 시각화된 뇌활성도를 기반으로 상기 자극모듈에서 출력되는 자극의 강도 및 위치를 조절하는 자극모듈 컨트롤러;를 포함하는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정모듈은,
제1발신신호를 발신하는 제1발신부와, 상기 제1발신부로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제1발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제1수신신호를 수신하는 제1수신부를 가지는 제1단위측정모듈; 및
상기 제1단위측정모듈로부터 상기 기준간격보다 큰 제1간격으로 이격하여 배치되고, 제2발신신호를 발신하는 제2발신부와, 상기 제2발신부로부터 상기 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제2발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제2수신신호를 수신하는 제2수신부를 가지는 제2단위측정모듈;을 포함하고,
상기 제1수신부는 상기 제2발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제3수신신호를 더 수신하며,
상기 제2수신부는 상기 제1발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제4수신신호를 더 수신하고,
상기 측정모듈 컨트롤러는,
상기 제1수신신호 및 상기 제2수신신호가 미리 설정된 제1유효신호범위 내에 존재하고, 상기 제3수신신호 및 상기 제4수신신호가 미리 설정된 제2유효신호범위 내에 존재하도록, 상기 제1발신부에서 출력되는 제1발신신호 및 상기 제2발신부에서 출력되는 제2발신신호의 강도를 조절하는 것을 특징으로 하는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치. - 제1항에 있어서,
상기 신호처리모듈은,
상기 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 제1처리신호로 변환하는 신호변환부;
상기 제1처리신호의 노이즈를 제거하는 동시에 실시간 변환되는 상기 제1처리신호의 최종 신호 값에 가중치를 반영하여 제2처리신호를 생성하는 가중치필터부;
상기 제2처리신호를 기반으로 2D 또는 3D의 뇌활성도 모델링 샘플을 생성하는 샘플생성부; 및
상기 뇌활성도 모델링 샘플 및 미리 저장된 표준모델을 정합하여 시각화하는 샘플매칭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치. - 재활훈련을 수행하는 재활훈련 수행단계;
피험자의 머리에 착용된 캡에 설치된 측정모듈을 이용하여, 재활훈련 중인 피험자의 뇌활성신호를 측정하는 뇌활성신호 측정단계;
측정모듈 컨트롤러를 이용하여, 상기 측정모듈에서 출력되는 발신신호의 강도를 조절하는 발신신호 설정단계;
신호처리모듈을 이용하여, 상기 측정모듈에서 측정된 뇌활성신호를 처리하여 뇌활성도를 시각화하여 표시해주는 뇌활성신호 처리단계; 및
피험자의 머리에 착용된 캡에 설치된 자극모듈을 이용하여, 표시되는 뇌활성도를 기반으로 피험자의 뇌에 자극을 가하는 자극단계;를 포함하는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절방법. - 제4항에 있어서,
상기 측정모듈은,
제1발신신호를 발신하는 제1발신부와, 상기 제1발신부로부터 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제1발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제1수신신호를 수신하는 제1수신부를 가지는 제1단위측정모듈; 및
상기 제1단위측정모듈로부터 상기 기준간격보다 큰 제1간격으로 이격하여 배치되고, 제2발신신호를 발신하는 제2발신부와, 상기 제2발신부로부터 상기 기준간격으로 이격하여 배치되며 상기 제2발신신호가 뇌조직을 통과하면서 변형된 제2수신신호를 수신하는 제2수신부를 가지는 제2단위측정모듈;을 포함하고,
상기 제1수신부는 상기 제2발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제3수신신호를 더 수신하며,
상기 제2수신부는 상기 제1발신신호가 피험자의 뇌를 통과하면서 변형된 제4수신신호를 더 수신하고,
상기 발신신호 설정단계는,
상기 제1발신부에서 출력되는 제1발신신호 및 상기 제2발신부에서 출력되는 제2발신신호의 강도를 조절하여, 상기 제1수신신호 및 상기 제2수신신호가 미리 설정된 제1유효신호범위 내에 존재하고, 상기 제3수신신호 및 상기 제4수신신호가 미리 설정된 제2유효신호범위 내에 존재하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절방법. - 제4항에 있어서,
상기 뇌활성신호 처리단계는,
상기 측정모듈에서 실시간 측정되는 뇌활성신호를 제1처리신호로 변환하는 신호변환단계;
상기 제1처리신호의 노이즈를 제거하는 동시에 실시간 변환되는 상기 제1처리신호의 최종 신호 값에 가중치를 반영하여 제2처리신호를 생성하는 신호필터링단계;
상기 제2처리신호를 기반으로 2D 또는 3D의 뇌활성도 모델링 샘플을 생성하는 샘플생성단계; 및
상기 뇌활성도 모델링 샘플 및 미리 저장된 표준모델을 정합하여 시각화하는 샘플매칭단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절방법.
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| KR1020210177530A KR20230089126A (ko) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 재활훈련에 따른 뇌활성도 모니터링 기반 뇌신경 조절장치 및 뇌신경 조절방법 |
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| KR20230089126A true KR20230089126A (ko) | 2023-06-20 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20170042084A (ko) | 2015-10-08 | 2017-04-18 | 연세대학교 산학협력단 | 치료용 뇌 자극 장치 |
-
2021
- 2021-12-13 KR KR1020210177530A patent/KR20230089126A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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