KR20230111140A - Eeg 기반 가변 자극 - Google Patents

Abstract

반복적 경두개 자기 자극(rTMS) 또는 경두개 교류 자극(tACS)의 펄스 간격을 변경하여 사람의 뇌 활동을 조절하는 방법 및 디바이스가 설명된다. 펄스 간격 변동은 치료 세션에 대한 펄스의 간격 주파수 분포가 사람의 EEG 주파수 분포를 근사화하도록 선택된다.

Description

EEG 기반 가변 자극

출원 우선권

본 출원은 2020년 5월 7일에 출원된 미국 출원 제16/869,150호 및 2020년 5월 7일에 출원된 미국 가출원 제63/021,391호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 각각의 전체 내용은 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 반복적 경두개 자기 자극(repetitive transcranial magnetic stimulation: rTMS) 또는 경두개 교류 자극(transcranial Alternating Current Stimulation: tACS)으로 뇌 활동을 조절하는 방법 및 디바이스에 관한 것으로, rTMS 또는 tACS 펄스 간격은 가변적이다.

반복적 경두개 자기 자극(rTMS) 및 경두개 교류 자극(tACS)은 정신 장애의 증상을 개선하고 뇌 기능을 수정하는 데 사용되었다. rTMS는 사람의 머리 가까이에 위치한 자기장 발생기로부터의 고에너지 자기 펄스를 사용하여 자기 펄스가 뇌 안의 원하는 치료 영역에 영향을 미치도록 한다. tACS는 두피에 전달되는 전류 펄스를 사용한다. 전통적으로, rTMS 또는 tACS 펄스는 짧은 지속시간 동안 고정 주파수에서 생성된다. 예를 들어, 전형적인 rTMS 시스템은 6초의 지속기간 동안 10Hz에서 펄스를 생성할 수 있다. 일정 시구간 동안 생성된 일련의 펄스를 펄스 트레인이라고 한다. rTMS 치료 세션은 여러 펄스 트레인으로 구성될 수 있으며 각각의 펄스 트레인 사이에는 휴식 기간이 있다. 전형적인 휴식 기간은 54초일 수 있으므로 분당 6초의 rTMS 펄스가 생성된다.

뇌의 신경 진동은 동기화되고 일관된 전기 활동에서 발생하며 뇌파도(electroencephalogram: EEG)를 사용하여 기록될 수 있다. 사전정의된 EEG 범위의 고유 EEG 주파수는 그 범위 내에서 우세한 EEG 진동이다. 예를 들어, 8-13Hz 범위의 우세한 EEG 진동은 고유 알파 주파수(Intrinsic Alpha Frequency: IAF) 또는 간단히 알파 주파수이며, 개인 간에 및 시간에 따라 다를 수 있다. Phillips와 Jin(미국 특허 제8,475,354호)은 사람의 IAF와 일치하는 주파수에서 자기 펄스를 제공하면 10Hz와 같은 임의의 주파수에서 rTMS에 비해 사람에게 추가 이점을 제공할 수 있다고 공개했다. 또한, Jin(미국 특허 제9,308,385호)은 개인의 IAF에 가까운 심박수와 같은 비EEG 생물학적 메트릭의 고조파에서 rTMS 펄스가 추가 이점을 또한 제공할 수 있다고 공개하였다.

일반적으로, rTMS 또는 tACS 펄스는 일정한 펄스 폭, 진폭 및/또는 펄스 주파수에서 투여된다. 그러나, 개인의 EEG는 시간이 지남에 따라 변하거나 속성의 분포를 생성하는 다양한 개별 신호로 구성될 수 있으므로, 적용된 자기장이 개별 EEG 신호에 맞게 추가로 맞춤화되면 추가적인 이점을 얻을 수 있다.

예시적인 실시예는 환자에게 자기장을 인가하는 것을 포함하되, 자기장은 환자의 분석된 EEG 신호에 응답하여 진폭, 펄스 지속기간, 펄스 간격, 펄스 주파수, 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 조합이 변할 수 있다. 예를 들어, EEG 기록은 EEG가 고유한 패턴이나 분포를 정의할 수 있도록 시간이 지남에 따라 달라질 수 있다. 고유한 패턴 또는 분포를 분석하여 뇌 자극의 투여를 최적화할 수 있다. 최적의 자극은 가변 펄스 길이, 가변 펄스 간격, 가변 펄스 진폭, 가변 펄스 주파수, 가변 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 조합으로 투여될 수 있다.

다른 예로서, EEG 기록에 나타난 바와 같은 뇌 활동은 단일 주파수에서 발생하지 않고, 대신에 다양한 주파수에서 집계된 신경세포 발화로 구성되어, 주파수 스펙트럼은 평균 고유 주파수 주변의 대다수의 신경세포의 주기적인 발화의 총합으로 구성된다. 시간이 지남에 따라 뇌 전반에 걸친 IAF의 이러한 가변성을 기반으로, Phillips와 Jin(미국 특허 제8,475,354호)이 제안한 것과 같은 뇌 자극은 일반적으로 최적일 수 있지만, 각 개별 영역이나 순간에 대해서는 그렇지 않다. 대신, 최적의 자극은 다양한 주파수에서 투여될 수 있어서, 뇌에서 자기장의 주파수 분포 또는 유도된 전류는 특정 시간 또는 시간 간격에 사람의 기록된 EEG의 주파수 분포를 근사화한다.

반복적 경두개 자기 자극(rTMS) 또는 경두개 교류 자극(tACS)의 펄스 지속기간, 펄스 간격, 펄스 진폭, 펄스 주파수 및 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 임의의 조합을 변경함으로써 사람을 치료하는 방법 및 디바이스가 본 명세서에 설명된다. 본 명세서에 설명된 방법 및 디바이스에는 어떠한 약물도 필요하지 않다. 본 명세서에 기술된 방법 및 디바이스는 펄스 지속기간, 펄스 간격, 펄스 강도, 펄스 주파수/주파수들 및/또는 펄스 트레인 속성과 같은 자극의 하나 이상의 속성을 변화시킨다.

예시적인 실시예에서, 전류 펄스의 펄스 간격은 순차적인 펄스가 펄스 사이의 주기의 변화와 함께 정의된 시간 시퀀스로 투여되도록 변화될 수 있다. 펄스 주기는 환자의 EEG 신호로부터 분석된 파형의 순차적 피크, 순차적 트로프 사이의 시간 간격 또는 이들의 조합에 기초하여 결정될 수 있다. 펄스 간격은 또한 EEG 신호에서 검출되는 주파수의 가변성 또는 주파수의 분포에 기초하여 결정될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 전류 펄스의 펄스 강도는 펄스가 환자의 EEG 신호로부터 분석된 파형의 진폭 변화에 기초한 강도 변화로 투여될 수 있도록 변화될 수 있다. 순차적인 펄스는 환자의 EEG 신호로부터 생성된 파형의 순차적 피크와 트로프 사이 또는 트로프와 피크 사이에서 결정되거나 측정된 진폭에 기초하여 가변 강도로 투여될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 전류 펄스의 주파수는 전류 펄스의 주파수 분포가 사람의 뇌파도(EEG)의 주파수 분포를 근사화하도록 변화되어, 전류 펄스 주파수에 가까운 주파수로 발화하는 목표 영역 내의 신경세포 영역의 공명 동작에 영향을 미친다.

본 발명의 일 양상에서, 사람의 뇌 활동을 조절하는 방법이 설명되며, 방법은 사람의 뇌 활동을 조절하는 단계를 포함하고, 방법은 사람에게 반복적인 자극 전류 펄스를 가하는 단계를 포함하며, 전류 펄스 간격은 가변적이며, 사람의 EEG 프로파일의 파동 패턴에 기초하고, 생리학적 조건 또는 신경 정신학적 조건의 개선이 달성된다.

본 발명의 일 양상에서, 사람의 뇌 활동을 조절하는 방법이 설명되며, 방법은 사람의 뇌 활동을 조절하는 단계를 포함하고, 방법은 사람에게 반복적인 자극 전류 펄스를 가하는 단계를 포함하며, 전류 펄스 강도는 가변적이며, 사람의 EEG 프로파일의 파동 패턴 진폭에 기초하고, 생리학적 조건 또는 신경 정신학적 조건의 개선이 달성된다.

본 발명의 일 양상에서, 사람의 뇌 활동을 조절하는 방법이 설명되며, 방법은 사람의 뇌 활동을 조절하는 단계를 포함하고, 방법은 사람에게 반복적인 자극 전류 펄스를 가하는 단계를 포함하며, 전류 펄스 주파수는 가변적이고, 주파수 상한 및 하한을 갖는 사람의 주파수 범위 내에서 EEG 주파수 분포를 근사화하는 분포를 가지며, 생리학적 조건 또는 신경 정신학적 조건의 개선이 달성된다.

다른 양상에서, 반복적인 전류 펄스는 rTMS를 사용한 유도를 통해 생성된다. 예를 들어, 자기장 펄스는 사람의 머리 외부에 있는 코일을 사용하여 생성될 수 있다. 다른 예에서, 자기 펄스는 사람의 머리 외부에 있는 움직이는 영구 자석을 사용하여 생성될 수 있다. 자기 펄스 지속기간은 짧거나 길 수 있다. 자기 펄스는 사인파일 수 있어서, 펄스 트레인이 사인파와 유사하다.

다른 양상에서, 반복적인 전류 펄스는 tACS를 통해 경두개로 생성된다. 예를 들어, tACS 전류는 사람의 두피에 배치된 전극을 통해 생성될 수 있다. 전기 펄스 지속기간은 짧거나 길 수 있다. 펄스는 사인파일 수 있어서, 전기 펄스 트레인이 사인파와 유사하다.

투여된 뇌 자극의 가변성은 사전선택되거나 사람의 EEG 특성에 기초할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 주파수 범위는 사람의 주파수 대역이다. 예를 들어, 뇌 자극의 개인화된 투여를 결정하기 위해 분석된 EEG 신호는 알파 대역과 같은 주파수 범위를 기반으로 한다. 본 발명의 다른 양상에서, 주파수 대역은 델타 대역(<4Hz), 세타 대역(4-8Hz), 알파 대역(8-13Hz), 베타 대역(13-30Hz), 감마 대역(30-80Hz), 또는 Mu 대역(9-11Hz)이다. 예시적인 실시예에서, 뇌 활동이 조절되는 것은 3Hz와 7Hz 사이, 8Hz와 13Hz 사이, 15Hz와 20Hz 사이 및 35Hz와 45Hz 사이의 하나 이상의 뇌파 주파수 대역폭을 포함한다.

본 발명의 일 양상에서, EEG는 치료 세션의 개시 전에 기록된다. 사람의 부담을 줄이기 위해, 예를 들어, 제1 치료 세션 전에 EEG를 기록할 수 있다. 이와 달리, 각 치료 세션 전에 EEG를 기록할 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, EEG는 치료 세션 동안 전류 펄스 트레인 사이의 시간 간격으로 기록되고, 투여된 전류 펄스 패턴은 각각의 전류 펄스 트레인 이전에 업데이트된다. 이 업데이트는 자극의 결과로서 발생할 수 있는 EEG 변화를 설명할 것이다. 펄스 트레인 중에 EEG를 기록하고, 해당 기록을 기반으로 자극 파라미터를 업데이트하는 것도 가능하다. 본 발명의 일 양상에서, EEG는 전류 펄스 트레인 동안 기록되고 전류 펄스 주파수 분포, 펄스 지속기간, 펄스 간격 및/또는 펄스 강도는 치료 세션의 각각의 전류 펄스 트레인 동안 업데이트된다.

본 발명의 rTMS 또는 tACS 치료는 다양한 생리학적 조건에서 사용될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 생리학적 조건은 집중력, 수면, 각성도, 기억력, 혈압, 스트레스, 성욕, 언어능력, 운동 기능, 신체 성능, 인지 기능, 지능, 키 또는 체중이다. 치료는 또한 여러 신경 정신학적 조건에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 신경 정신학적 조건은 자폐 스펙트럼 장애(ASD), 알츠하이머병, 정신분열증, 불안, 우울증, 혼수상태, 파킨슨병, 약물 남용, 양극성 장애, 수면 장애, 섭식 장애, 이명, 섬유근육통, 외상 후 스트레스 장애(PTSD), 외상성 뇌손상(TBI), 기억력 장애, 통증, 중독, 강박 장애(OCD), 고혈압, 성욕 장애, 운동 기능 이상, 소아 저신장, 스트레스, 비만, 집중력/집중 이상, 언어능력 이상, 지능 결핍, 인지 이상, 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD), 근육통, 만성 라임병, 류마티스 관절염(RA), 자가면역 질환, 통풍, 당뇨병, 관절염, 외상 재활, 운동 능력, 인지 개선 또는 뇌졸중이다.

예시적인 실시예를 설명하는 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조함으로써 제공된 디바이스 및 방법의 특징 및 장점이 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 예시적인 EEG 원시 신호가 원시 신호에 기초하여 결정된 중첩된 파동 패턴으로 도시된 것을 보여준다. 도 1b는 도 1a의 중첩된 파동 패턴에 대응하는 예시적인 펄스파를 도시한다.
도 2는 EEG 주파수 분포를 근사화하는 전류 펄스에 대한 주파수 스펙트럼의 범위를 지정하는 예시적인 EEG 주파수 분포를 도시한다.
도 3은 전류 펄스에 대한 주파수 스펙트럼의 범위가 임계값을 넘는 EEG 스펙트럼에 의해 정의되는 예시적인 EEG 주파수 분포를 도시한다.
도 4는 정의된 범위 내에서 주파수 분포에 가우시안 곡선이 맞춰진 예시적인 EEG 주파수 분포를 도시한다. 가우시안 분포는 정의된 범위 내에서 가우시안 분포를 근사화하는 현재 펄스에 대한 주파수 스펙트럼을 정의하는 데 사용될 수 있다.
도 5a는 주파수 분포를 도시하고 도 5b는 도 5a의 정의된 범위 내에서 주파수 분포를 근사화하고 주파수가 변하는 전류 펄스의 시간 플롯을 도시한다.
도 6a는 치료 세션에서 펄스 트레인에 대한 기본 주파수 분포를 도시하고, 1차 고조파 및 2차 고조파에서의 주파수 분포도 나타낸다. 도 6b는 도 6a에 대응하는 전류 펄스의 예시적인 시간 플롯을 도시한다.
도 7a는 주파수 분포를 도시하고, 도 7b는 도 7a의 정의된 범위 내에서 주파수 분포를 근사화하는 진폭 및 주파수가 변하는 전류 펄스의 시간 플롯을 도시한다.
도 8은 각각이 파동의 피크에서 전류 펄스가 생성되는 EEG의 섹션을 근사화하는 연쇄 사인파로 구성된 파동 패턴과 함께 샘플 EEG를 도시한다.

소정 실시예가 본 명세서에 제공되고 설명되었지만, 그러한 실시예가 예로서만 제공된다는 것이 당업자에게 쉽게 명백할 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예에 대한 다양한 대안이 이용될 수 있고 본 명세서에 기재된 발명의 일부임을 이해해야 한다.

통상적으로, rTMS 또는 tACS 펄스는 일정한 펄스 폭, 진폭 및/또는 펄스 주파수로 투여된다. 그러나, 개인의 EEG는 시간이 지남에 따라 그리고 사람마다 다를 수 있거나 또는 파라미터의 분포를 생성하는 다양한 개별 신호로 구성될 수 있다. 단순히 평균 또는 일반 파라미터를 사용하는 대신에, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예는 환자에게 가변 펄스 트레인을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 가변 펄스 트레인은 환자의 EEG 신호의 하나 이상의 속성의 가변성을 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, EEG 신호는 가변 펄스 진폭, 가변 펄스 폭 및/또는 가변 펄스 주파수를 포함하는 파동 패턴을 정의할 수 있다.

EEG 기록에 나타난 뇌 활동은 특정 주파수 범위에 대해 평균화되더라도, 일정한 파동 패턴을 생성하지 않는다. 대신, EEG 기록은 시간이 지남에 따라 또는 사람마다 다를 것이다. EEG 기록은 또한 신호 분포를 포함할 수 있으며 신호 속성 내의 변화를 가질 수 있다. EEG 원시 정보에서 파동 패턴이 추출된 후에도, 추출된 파동 패턴은 파동 진폭, 파동 주기, 파동 지속기간 및 파동 주파수가 가변적일 수 있을 것이다.

예시적인 실시예는 개별 환자의 분석된 EEG 신호 및 분석된 EEG의 가변성에 응답하여 진폭, 펄스 지속기간, 펄스 간격, 주파수, 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 조합이 변할 수 있는 자기장을 환자에게 적용하는 것을 포함한다. 예를 들어, EEG 기록을 분석하여 파동 패턴을 생성할 수 있다. 파동 패턴은 시간이 지남에 따라 다를 수 있다. 파동 패턴은 EEG 신호를 정의하는 검출된 속성의 분포에 걸쳐 변할 수 있다. 어느 경우에나, 파동 패턴은 개별 환자에 특정한 고유한 파동 패턴을 정의할 수 있다. 고유한 파동 패턴은 또한 속성의 가변성에 의해 정의되거나 이를 포함할 수 있다. 속성의 가변성은 파형 진폭, 파동 지속기간, 파동 간격, 파동 주파수에 있을 수 있거나 또는 EEG 기록 내에서 주어진 속성의 분포를 포함할 수 있다. 고유한 파동 패턴을 분석하여 뇌 자극의 투여를 최적화할 수 있다. 고유한 파동 패턴의 가변성을 기반으로 최적의 자극이 투여될 수 있다. 예를 들어, 최적의 자극은 가변 펄스 지속기간, 가변 펄스 간격, 가변 펄스 강도, 가변 펄스 주파수 및 이들의 조합으로 투여될 수 있다. 가변 펄스 간격, 가변 펄스 강도, 가변 펄스 주파수, 가변 펄스 지속기간 및 이들의 조합을 갖는 rTMS 또는 tACS를 사용하여 사람을 치료하는 방법이 본 명세서에 설명된다. 전류 펄스의 패턴에는 많은 선택 사항이 있다.

본 발명의 일 양상에서, 사람의 뇌 활동을 조절하는 방법이 설명되며, 방법은 사람의 뇌 활동을 조절하는 단계를 포함하며, 방법은 사람에게 반복적인 자극 전류 펄스를 가하는 단계를 포함하며, 전류 펄스 주파수, 펄스 지속기간, 펄스 간격, 펄스 강도, 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 조합은 가변 펄스 패턴을 생성하는 변수이다. 투여되는 가변 펄스 패턴은 환자의 EEG 신호로부터 결정되는 파라미터를 가질 수 있다. 투여된 가변 펄스 패턴은 분석된 EEG 신호의 가변성에 기초할 수 있다. 투여된 가변 펄스 패턴은 진폭, 파동 지속기간, 파동 간격, 주파수 분포 및 이들의 조합을 포함하는 EEG 파동 패턴에 기초할 수 있다.

투여된 펄스 트레인은 주파수 범위, 펄스 지속기간, 펄스 간격, 펄스 진폭, 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 조합과 같은 가변 속성을 포함할 수 있다. 투여된 펄스 트레인 가변 속성은 사전선택되거나 사람의 EEG 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, EEG 신호는 사람의 주파수 대역에 기초한다. 예를 들어, 주파수 범위는 알파 대역일 수 있어서 분석된 EEG 신호 및 대응하는 투여된 펄스 트레인은 사람의 알파 대역에서의 활동에 기초하거나 근사화한다. 본 발명의 다른 양상에서, 주파수 대역은 델타 대역(<4Hz), 세타 대역(4-8Hz), 알파 대역(8-13Hz), 베타 대역(13-30Hz), 감마 대역(30-80Hz) 또는 Mu 대역(9-11Hz)이다. 2개의 범위 내의 전류 펄스의 주파수 분포가 사람의 EEG 분포를 근사화하도록 전류 펄스 사이의 주기를 변경함으로써 하나의 치료 세션에서 복수의 주파수 대역을 근사화하는 것도 가능할 것이다.

다른 양상에서, 반복적 전류 펄스는 rTMS를 사용한 유도를 통해 생성된다. 예를 들어, 자기장 펄스는 사람의 머리 외부에 있는 코일을 사용하여 생성될 수 있다. 다른 예에서, 자기 펄스는 사람의 머리 외부에 있는 움직이는 영구 자석을 사용하여 생성될 수 있다. 자기 펄스 지속기간은 짧거나 길 수 있다. 자기 펄스는 사인파일 수 있어서 펄스 트레인이 사인파와 유사하다.

다른 양상에서, 반복적 전류 펄스는 tACS를 통해 경두개로 생성된다. 예를 들어, tACS 전류는 사람의 두피에 배치된 전극을 통해 생성될 수 있다. 전기 펄스 지속기간은 짧거나 길 수 있다. 펄스는 사인파일 수 있어서 전기 펄스 트레인이 사인파와 유사하다.

사람에게 투여되는 인가 펄스 패턴은 사람의 기록된 EEG 신호 내의 가변성에 기초할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 환자의 EEG 신호가 기록된다. EEG 신호는 치료 세션이 개시되기 전에 기록될 수 있다. 그 사람의 부담을 줄이기 위해, 예를 들어, 제1 치료 세션 전에 EEG가 기록될 수 있으며, EEG 신호 속성 또는 그 EEG로부터의 파형이 모든 후속 치료에 사용된다. 이와 달리, 각 치료 세션 전에 EEG가 기록될 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, EEG는 치료 세션 동안 전류 펄스 트레인 사이의 시간 간격으로 기록되고, 전류 펄스 주파수 분포는 각각의 전류 펄스 트레인 이전에 업데이트된다. 이 업데이트는 자극의 결과로 발생할 수 있는 EEG 변화 또는 상대적으로 짧은 시구간 동안 발생하는 작은 EEG 변화를 설명한다. 펄스 트레인 중에 EEG를 기록하고, 해당 기록을 기반으로 자극 파라미터를 업데이트하는 것도 가능하다. 본 발명의 일 양상에서, EEG는 전류 펄스 트레인 동안 기록되고 전류 펄스 주파수 분포는 치료 세션의 각각의 전류 펄스 트레인 동안 업데이트된다. 그러나, 이 양상은 rTMS 또는 tACS로부터의 전류 펄스가 사람의 EEG에 미치는 상당한 영향으로 인해 구현하기 어려울 것이다.

그 후 EEG 데이터는 분석되어 EEG 데이터의 가변성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 분석은 EEG 신호에서 파동 패턴을 추출할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 분석은 웨이블릿 변환(wavelet transform)일 수 있다. 웨이블릿은 사전지정된 파라미터화 웨이블릿을 곡선 맞춤하고 최적화 루틴을 사용하여 생성될 수도 있다. 웨이블릿은 일련의 하위 웨이블릿을 연쇄시켜 생성될 수도 있으며, 각 하위 웨이블릿은 지정된 범위에서 EEG 신호에 근사화하도록 파라미터화된다. 파동 패턴은 파라미터의 곡석 맞춤에 의해 생성될 수도 있다. 사인파, 파라미터의 다항식 등과 같이 EEG 신호 내에서 진동 동작을 제공할 수 있는 임의의 맞춤 파형이 사용될 수 있다. 파동 패턴은 시간 경과에 따라 취해지는 원하는 주파수 대역으로부터 평균의 원시 진폭 신호로부터 생성될 수 있다.

그런 다음 파동 패턴은 환자에게 공급되는 자극의 펄스 패턴의 속성을 변경하기 위해 속성의 변화를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 파동 패턴은 환자의 EEG의 주어진 주파수 대역에 대해 시간 경과에 따른 진폭으로서 표현될 때 순차적인 피크와 트로프를 포함할 수 있다. 순차적인 피크 사이 또는 순차적인 트로프 사이 또는 인접한 피크-트로프(peak to trough) 사이의 기간은 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 순차적인 최소 피크와 최대 피크 사이의 진폭 변화도 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 환자의 EEG 신호로부터의 파동 패턴을 사용하여 펄스 패턴을 결정할 수 있다. 펄스 패턴은 가변 주기 및/또는 가변 강도의 펄스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 펄스 패턴은 환자의 EEG 신호에서 생성된 파동 패턴의 최대 피크와 정렬될 수 있다. 펄스 패턴은 파동 패턴의 순차적인 최대 피크 사이의 시간 간격과 같은 파동 패턴의 간격에 기초한 가변 펄스 간격을 포함할 수 있다. 펄스 패턴은 환자의 EEG 신호에서 생성된 파동 패턴의 최소 피크(트로프)와 정렬될 수 있다. 펄스 패턴은 파동 패턴의 진폭 변화에 기초하여 가변 강도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 펄스 강도는 환자의 EEG 신호로부터의 파동 패턴의 순차적인 피크-트로프 또는 트로프-피크와의 진폭 차이에 비례하거나 기초할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 자기 펄스의 펄스 패턴은 환자의 EEG 신호로부터 생성된 파동 패턴의 피크에 대응하는 시간에 rTMS 펄스가 발생하는 환자에게 투여될 수 있다. 가변 펄스 패턴의 펄스 사이의 타이밍, 펄스 간격은 환자의 EEG 신호로부터 생성된 파동 패턴의 피크, 트로프, 피크-트로프 또는 트로프-피크 사이의 시간 지속기간과 같거나 이에 기초하거나 이에 비례할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 환자에게 투여되는 가변 펄스 패턴은 웨이브 패턴의 순차적 피크 사이의 시간 간격과 거의 동일한 지속기간에 순차적 펄스 사이의 펄스 간격을 근사화할 수 있다. 알파 대역의 뇌파 활동을 위해, 펄스 패턴은 75 밀리초와 125 밀리초 사이의 가변 펄스 간격을 포함할 수 있다.

사람에게 투여되는 인가 펄스 패턴은 사람의 기록된 EEG 신호 내의 가변성에 기초할 수 있다. 따라서 본 명세서에 기술된 방법은 환자로부터 EEG 데이터 세트를 획득하는 것을 포함할 수 있다. 그 후 EEG 데이터 세트를 분석하여 파동 패턴을 생성할 수 있다. EEG 데이터 세트는 웨이블릿 변환으로 분석되어 파동 패턴을 생성할 수 있다. EEG 데이터 세트를 분석하여 EEG 신호의 가변 속성의 분포 형태의 파동 패턴을 생성할 수 있다. 파동 패턴은 환자에게 투여될 펄스 패턴을 프로그래밍하는 데 사용되는 변수 속성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 가변 펄스는 펄스 패턴에 기초하여 환자에게 투여된다. 펄스 패턴은 가변 펄스 간격을 포함할 수 있다. 가변 펄스 패턴은 본 명세서에 기술된 바와 같은 장치를 프로그래밍하는 데 사용되어 환자에게 가변 펄스 간격으로서 펄스를 투여할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 환자에게 전달되는 피크 전력 또는 강도는 환자의 운동 역치 미만이다. 예를 들어, 환자에게 전달되는 강도는 환자의 운동 역치의 40%와 90% 사이일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 펄스 패턴의 강도는 EEG 데이터에서 생성된 파동 패턴에 비례할 수 있다. 비례는 환자의 운동 역치와 환자의 편안함 수준에 기초한 것과 같은 원하는 강도 범위 사이에서 설정될 수 있다.

그 후 EEG 데이터가 분석되어 EEG 데이터의 가변성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 분석은 EEG 신호에서 파동 패턴을 추출할 수 있으며, 파동 패턴은 EEG 데이터 내의 변수 분포에 있다. EEG 기록에서 볼 수 있듯이 뇌 활동은 단일 주파수에서 발생하지 않고 대신 다양한 주파수에서 집계된 신경세포 발화로 구성되어 주파수 스펙트럼이 평균 고유 주파수 주변의 많은 수의 신경세포의 주기적인 발화의 총합으로 구성된다. 이는 주파수 분포가 다소 종 모양이 되게 한다. 뇌의 단일 신경세포는 특정 주파수에서 발화할 수 있다. 그러나, 그 주파수는 뇌의 다른 부분에 있는 다른 뉴런과 다를 수 있다. 기록가능한 EEG를 생성하는 것은 신경세포 발화의 축적이며, 신경세포 발화 주파수의 총합은 EEG 주파수 스펙트럼을 생성한다. 따라서, 사람의 IAF는 뇌의 어느 부분이 기록되느냐에 따라 다를 수 있다. 뇌의 영역을 전기적으로 분리할 수 있다면, 각 영역은 관심 영역에 물리적으로 근접한 영역이라도, 다른 영역과 상이한 고유 주파수를 가진 EEG 파형을 제공할 가능성이 높다.

사람에게 투여되는 인가 파동 패턴은 사람의 기록된 EEG의 주파수 스펙트럼에 기초할 수 있다. 뇌 영역에서 신경세포의 발화는 특정 고유 주파수 또는 주파수들과의 공명 동작을 나타낸다. 따라서, 해당 영역의 신경세포에 영향을 미치기 위해서는 그 영역의 고유 주파수와 일치하거나 이의 고조파인 주파수에서 전류 펄스를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이웃 영역의 고유 주파수는 다양할 수 있으므로 신경세포 발화의 주파수 분포는 종 모양과 유사하며, 신경세포 조직의 큰 비율은 전체 고유 주파수에서 발화하고, 조직의 작은 비율은 전체 고유 주파수에서 더 먼 주파수에서 발화한다. 두피의 한 위치에서 샘플링된 기록된 신경세포 발화 주파수의 히스토그램으로서 EEG 주파수 분포를 나타낼 수 있다. EEG가 샘플링되는 두피의 위치 또는 그 근처에서 자극을 제공하는 것이 필수는 아니지만 최적이다. 두피의 여러 위치에서 EEG를 샘플링하여 뇌 전체의 EEG 주파수 분포 모음을 컴파일하고, 위치 중 하나에서의 주파수 분포를 사용하거나 복수의 위치로부터 주파수 분포를 조합하여 EEG 두피 위치 중 하나 이상을 선택하며, 결과적인 EEG 주파수 분포를 사용하여 현재 펄스의 주파수 분포를 계산할 수 있다.

뇌의 모든 영역에 영향을 미치기 위해, 자기 펄스의 주파수는 전체 치료 세션 동안 자기 펄스의 주파수 스펙트럼이 특정 범위 내에서 EEG의 주파수 분포를 근사화하도록 변할 수 있다.

본 발명의 일 양상에서, 사람의 뇌 활동을 조절하는 방법이 기술되며, 방법은 사람의 뇌 활동을 조절하는 단계를 포함하며, 방법은 사람에게 반복적인 자극 전류 펄스를 가하는 단계를 포함하며, 전류 펄스 주파수는 가변적이고, 주파수 상한 및 하한을 가진 사람의 주파수 범위 내에서 EEG 주파수 분포를 근사화하는 분포를 갖고, 생리학적 조건 또는 신경 정신학적 조건의 개선이 달성된다.

전류 펄스의 주파수 스펙트럼이 지정된 범위 내에서 EEG 주파수 분포를 근사화하도록 펄스 패턴 또는 전류 펄스를 결정하기 위한 많은 선택사항이 있다. 예를 들어, 지정된 범위에서 가장 높은 주파수 기간과 지정된 범위에서 가장 낮은 주파수 기간 사이에서 난수가 선택되는 펄스가 임의로 생성될 수 있으며, 각 펄스와 다음 펄스 사이의 기간은 이 난수에 따라 달라질 수 있다. 이 경우, 치료 세션 동안 각 기간의 역수의 히스토그램은 사람의 EEG의 주파수 분포와 유사할 것이다. 다른 예에서, 펄스는 연속적인 펄스 트레인을 생성함으로써 달라질 수 있으며, 펄스 주파수의 히스토그램이 사람의 EEG의 주파수 분포와 유사하도록 각 펄스 트레인의 지속기간이 선택된다. 다른 예에서, 주파수 변동을 구현하는 가장 간단한 방법은 로우에서 하이 또는 하이에서 로우의 범위 내에서 몇몇 주파수 단계를 사용하여 주파수를 스위핑하는 것이며, 각각의 주파수에서 펄스 트레인의 지속기간은 그 주파수에서 사람의 EEG의 주파수 분포의 에너지에 비례한다. 다른 예에서, 펄스 트레인은 도표화된 발생으로 가변 펄스 주파수에 랜덤으로 할당되어 전달 완료 시 전달되는 모든 펄스 주파수의 분포가 치료를 받는 사람의 EEG의 주파수 분포와 유사하다.

투여되는 펄스 트레인은 주파수 범위, 펄스 지속기간, 펄스 폭, 펄스 간격, 펄스 진폭, 펄스 트레인 지속기간 및 이들의 조합과 같은 가변 속성을 포함할 수 있다. 투여되는 펄스 트레인 가변 속성은 사전선택되거나 사람의 EEG 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 가변 펄스 트레인은 주파수 범위에 기초하고 사람의 주파수 대역일 수 있다. 예를 들어, 주파수 범위는 알파 대역일 수 있어서 전류 펄스 주파수의 분포가 사람의 알파 대역 내 활동을 근사화한다. 본 발명의 다른 양상에서, 주파수 대역은 델타 대역(<4Hz), 세타 대역(4-8Hz), 알파 대역(8-13Hz), 베타 대역(13-30Hz), 감마 대역(30-80Hz), 또는 Mu 대역(9-11Hz)이다. 두 범위 내에서 전류 펄스의 주파수 분포가 사람의 EEG 분포와 비슷하도록 전류 펄스 사이의 주기를 변경함으로써, 한 치료 세션에서 복수의 주파수 대역을 근사화하는 것도 가능하다.

본 발명의 다른 양상에서, 주파수 범위는 EEG 대역의 고유 EEG 주파수 주변의 사전결정된 범위이다. 이 범위는 고유 EEG 주파수 주변에서 등거리일 수 있다. 예를 들어, 주파수 범위는 사람의 IAF -2.0Hz 내지 IAF +2.0Hz일 수 있다. 고유 EEG 주파수의 선택은 전달되는 치료 유형에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 다른 양상에서, 고유 EEG 주파수는 델타 주파수, 세타 주파수, 알파 주파수, 베타 주파수, 감마 주파수 또는 Mu 주파수이다. 이 양상은 고유 주파수에 가까운 EEG 주파수를 목표로 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 알파 범위(8-13Hz)는 5Hz를 포함한다. 사람의 IAF가 12.5Hz이면, 8-9Hz 범위의 신경세포 활동은 전체 공명에 크게 영향을 미치지 않을 수 있는 반면, 베타 대역의 낮은 범위(13-14Hz)는 IAF에 가까우므로 뇌 공명에서 일부 역할을 할 수 있다. 따라서, 고유 주파수의 어느 한 쪽에 범위를 지정하면 더 많은 공명 신경세포 활동이 작용할 수 있다. 범위는 고유 EEG 주파수 주변에서 등거리일 필요는 없다. 예를 들어, 주파수 범위는 사람의 IAF -2.0Hz 내지 IAF +1.0Hz일 수 있다.

고유 EEG 주파수를 둘러싼 임의의 범위 대신, 범위는 분포 자체를 기반으로 할 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 주파수 범위는 EEG 주파수 분포 진폭이 고유 주파수에서 EEG 주파수 분포 진폭의 사전결정된 백분율인 주파수 값으로 설정된 한계를 갖는 EEG 대역의 고유 EEG 주파수에 대한 범위이다. 예를 들어, 주파수 분포의 진폭이 고유 주파수에서의 값 또는 최대값의 30%인 지점까지 범위가 확장될 수 있다. 방법의 이러한 양상은 주파수 분포의 에너지를 최대화하는 최소 범위를 허용할 것이다. 그러나, 주파수 스펙트럼이 고유 EEG 주파수의 양쪽에서 단조적으로 감소하지 않기 때문에, 이 양상은 EEG의 주파수 스펙트럼의 변화에도 영향을 받기 쉽다.

범위 내에서 주파수 분포를 정확히 일치시키는 대신에, 파라미터화될 수 있는 공지된 분포로 주파수 분포를 근사화하는 것이 가능할 것이다. 이렇게 함으로써, 주파수 변화의 구현이 보다 간단해질 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 자기 펄스 주파수의 분포는 EEG 주파수 분포의 평균 및 표준 편차를 근사화하는 평균 및 표준 편차를 갖는 가우시안이다. 본 발명의 다른 양상에서, 자기 펄스 주파수의 분포는 균일하며, EEG 주파수 분포의 평균 및 표준 편차를 근사화하는 평균 및 표준편차를 갖는다. 푸아송 분포(Poisson distribution), 베르누이 분포(Bernoulli distribution), 이항 분포(Binomial distribution), 스켈람 분포(Skellam distribution), 카이제곱 분포(Chi-squared distribution) 또는 감마 분포(Gamma distribution)를 포함한 다른 분포도 가능하다.

본 발명의 rTMS 또는 tACS 치료는 다양한 생리학적 조건에서 사용될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 생리학적 조건은 집중력, 수면, 각성도, 기억력, 혈압, 스트레스, 성욕, 언어능력, 운동 기능, 신체 성능, 인지 기능, 지능, 키 또는 체중이다. 치료는 또한 여러 신경 정신학적 조건에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 신경 정신학적 조건은 자폐 스펙트럼 장애(ASD), 알츠하이머병, 정신분열증, 불안, 우울증, 혼수상태, 파킨슨병, 약물 남용, 양극성 장애, 수면 장애, 섭식 장애, 이명, 섬유근육통, 외상 후 스트레스 장애(PTSD), 외상성 뇌손상(TBI), 기억력 장애, 통증, 중독, 강박 장애(OCD), 고혈압, 성욕 장애, 운동 기능 이상, 소아 저신장, 스트레스, 비만, 집중력/집중 이상, 언어능력 이상, 지능 결핍, 인지 이상, 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD), 근육통, 만성 라임병, 류마티스 관절염(RA), 자가면역 질환, 통풍, 당뇨병, 관절염, 외상 재활, 운동 능력, 인지 개선 또는 뇌졸중이다.

예시적인 실시예는 가변 속성을 갖는 환자에게 펄스 트레인을 생성하기 위한 시스템 및 장치를 포함한다. 장치는 반복적인 자기 또는 전류 펄스를 생성하기 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예는 반복적인 전류 펄스를 생성하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 장치는 rTMS를 이용한 유도를 통해 반복적인 전류 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 자기장 펄스는 사람의 머리 외부에 있는 코일을 사용하여 생성될 수 있다. 다른 예에서, 자기 펄스는 사람의 머리 외부에 있는 움직이는 영구 자석을 사용하여 생성될 수 있다. 자기 펄스 지속기간은 짧거나 길 수 있다. 자기 펄스는 사인파일 수 있어서 펄스 트레인이 사인파와 유사하다. 장치는 또한 tACS를 통해 경두개로 반복적인 전류 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, tACS 전류는 환자의 두피에 배치된 전극을 통해 생성될 수 있다. 전기 펄스 지속기간은 짧거나 길 수 있다. 펄스는 사인파일 수 있어서 전기 펄스 트레인이 사인파와 유사하다.

장치는 환자로부터 EEG 신호를 검출하기 위한 전극을 포함할 수 있다. 장치는 환자의 EEG 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.

장치는 EEG 신호를 분석하는 프로세서 및/또는 메모리를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서 장치는 EEG 신호를 분석하기 위해 네트워크를 통해 원격 프로세서 및/또는 메모리와 통신하도록 구성될 수 있다. 따라서 프로세서(들) 및/또는 메모리는 장치의 공통 하우징 내에 포함되거나 EEG를 검출하기 위한 리드로부터 및/또는 자기 또는 전류 펄스 트레인을 생성하기 위한 구성요소로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다.

예시적인 실시예에서, 메모리는 프로세서(들)에 의해 실행될 때 본 명세서에 기술된 기능을 수행하도록 구성되는 비일시적 머신 판독가능 명령어를 포함한다. 예를 들어, 명령어는 EEG 신호의 가변성을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 가변성은 EEG 신호의 주파수 분포에 있을 수 있다. 속성의 가변성은 파형 진폭, 파동 지속기간, 파동 간격, 파동 주파수에 있을 수 있거나 또는 EEG 기록 내에서 주어진 속성의 분포를 포함할 수 있다. 명령어는 속성의 가변성을 갖는 EEG 신호로부터 파형을 근사화하도록 구성될 수 있다. 근사화한 파형은 속성 및/또는 속성의 가변성 값을 얻는 데 사용될 수 있다. 명령어는 또한 환자에게 투여될 자기 또는 전류 펄스의 생성을 제어하도록 구성될 수 있다. 명령어는 속성의 가변성에 기초하여 자기 또는 전류 펄스를 투여하도록 구성될 수 있다.

도 1은 환자의 주파수 대역으로부터 평균화된 시간에 따른 평균 진폭의 예시적인 EEG 신호(101)를 도시한다. 예시된 주파수 대역은 약 8-13Hz의 알파 대역에 해당하지만, 다른 범위도 사용될 수 있다. EEG 신호(101)는 EEG 원시 데이터 신호로부터 파형(102)을 추출하기 위해 분석될 수 있다. 파형(102)은 주기적 파형 또는 하나 이상의 가변 속성을 갖는 버스트 파형을 정의할 수 있다. 파형은 도시된 바와 같이 피크 최대 진폭(PM)을 나타내는 순차적인 피크와 순차적인 트로프 최소 진폭(TM)을 포함한다. 각각의 피크는 시간(T)에 발생한다. 순차적인 피크(PM)의 차이는 주기(Tn+1 - Tn)를 결정하는 데 사용될 수 있다. 피크 최소값 사이에 피크 최대값이 발생하므로, 최소값과 최대값 사이의 진동에서 파형이 생성될 수 있다. 진폭(A)은 순차적인 트로프(TM)와 피크(PM) 사이의 진폭 차이로서 정의될 수 있으며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 참고로, 순차적인 피크와 트로프 및 해당 진폭과 타이밍은 참조용으로만 순차적인 숫자 값으로 표시된다. 특정 숫자의 시퀀스는 필요하지 않으며, 0보다 크고 n까지의 임의의 시퀀스를 포함할 수 있다. 환자에게 자기 펄스를 투여하기 위한 펄스 패턴은 파형 주기, 진폭, 피크 타이밍 및 이들의 조합과 같은 파형의 속성으로부터 생성될 수 있다. 예를 들어, 펄스 패턴은 파형의 피크 최대값의 예상 시간에 해당하는 시간부터 시작할 수 있다. 펄스 패턴은 파형의 인접한 피크 최대치들 사이의 주기에 기초하거나 주기에 대응하여 가변 주기를 포함할 수 있다. 펄스 패턴은 파형의 진폭에 근사하거나, 비례하거나, 그렇지 않으면 관련된 가변 강도를 포함할 수 있다. 예시적인 펄스 파형(103)이 제공되는데, 파형(102)의 피크 위치에 의해 정의된 타이밍 및 파형의 피크의 진폭에 의해 정의된 펄스 진폭을 가진 5개의 펄스로 구성된 버스트 자극을 보여준다. 펄스 트레인은 환자에게 더 긴 버스트 또는 지속적인 펄스 자극을 제공하기 위해 반복될 수 있다. 펄스 진폭은 도시된 바와 같이 일정하거나 가변적일 수 있다. 또한, 피크들 사이의 평균 시간 간격이 결정되고 펄스에 대한 주파수 값을 정의하는 데 사용될 수 있다.

도 2는 사람에 대한 예시적인 EEG 주파수 분포(201)를 도시한다. 여기에서 저주파(202) 및 고주파(203)에 의해 정의된 범위 내의 주파수 분포가 선택되었다. 전류 펄스 주파수 분포는 저 범위와 고 범위 사이에 그 주파수 분포를 근사화하도록 선택될 수 있다.

도 3은 고유 EEG 주파수(303)를 갖는 사람에 대한 예시적인 EEG 주파수 분포(301)를 도시한다. 진폭 값(302)이 선택되는데, 저주파(304) 및 고주파(305) 값은 그 값이 주파수 스펙트럼을 넘는 지점으로 설정된다. 저주파 및 고주파 값은 주파수 범위를 정의하고, 전류 펄스 주파수 분포는 낮은 값과 높은 값 사이에 그 주파수 분포를 근사화하도록 선택될 수 있다.

도 4는 예시적인 EEG 주파수 분포(401)를 도시하며, 여기서 가우시안 곡선은(402)는 저주파(404) 및 고주파(405)에 의해 지정된 범위 내에서 주파수 분포(403)를 근사화하도록 최적화되었다. 전류 펄스 주파수 분포는 저주파 값과 고주파 값 사이의 범위에서 곡선을 근사화하도록 선택될 수 있다.

도 5a는 저주파(509)와 고주파(510) 사이의 범위에 속하는 주파수 분포(501)를 도시한다. 도 5b는 이상(biphasic) 자기 펄스(502)의 시계열을 나타내며, 여기서 임의의 특정 펄스 주파수에서의 펄스 트레인 지속기간은 전체 치료 세션의 주파수 분포에 기여할 것이다. 이 예에서, 저주파 펄스(504)는 주파수 스펙트럼의 저주파 스파이크(507)에 해당한다. 중간 주파수 펄스(503)는 주파수 스펙트럼의 중간 주파수 스파이크(506)에 해당한다. 고주파 펄스(505)는 주파수 스펙트럼의 고주파 스파이크(508)에 해당한다. 다양한 주파수에서 더 많은 펄스 트레인이 치료 세션에 포함됨에 따라, 더 많은 스파이크가 치료 세션의 주파수 스펙트럼에 기여하고, 각각의 주파수에서 펄스 트레인의 지속기간은 모든 스파이크의 총합에 기초한 주파수 스펙트럼이 사람의 EEG 주파수 분포를 근사화하도록 선택된다.

펄스 트레인은 펄스 주파수의 고조파에서 주파수 스파이크를 생성한다. 따라서, 치료 세션의 전체 빈도 분포는 실제로 지정된 범위를 넘어 연장될 것이다. 도 6a는 치료 세션에서 펄스 트레인에 대한 기본 주파수 분포(601)를 도시하고, 1차 고조파(603) 및 2차 고조파(604)에서의 주파수 분포도 나타낸다. 도 6b는 가변 펄스 간격(606)을 갖는 이상 자기 펄스(602)의 시계열을 나타낸다. 더 높은 주파수 성분으로부터 추가적인 이점을 얻을 수 있다. 더 높은 주파수 성분의 영향은 펄스 길이를 증가시킴으로써 감소할 수 있다. 예를 들어, 표준 rTMS 펄스는 약 200 usec이다. 300 usec로 증가함으로써, 고조파의 영향이 줄어든다.

도 5b에서, 펄스의 주파수 스펙트럼은 펄스 진폭을 일정하게 유지하면서 다양한 펄스 주파수에서 펄스의 지속기간 또는 수를 변경하여 생성되었다. 펄스의 지속기간 또는 수를 변경하거나 다양한 펄스 주파수에서 펄스의 지속기간 또는 수를 일정하게 유지하면서 펄스 진폭을 변경하여 유사한 결과를 얻을 수 있다. 도 7a는 저주파(709)와 고주파(710) 사이의 범위에 속하는 주파수 분포(701)를 나타낸다. 도 7b는 이상 자기 펄스(702)의 시계열을 나타내며, 여기서 임의의 특정 펄스 주파수에서의 펄스 트레인 진폭은 전체 치료 세션의 주파수 분포에 기여할 것이다. 이 예에서, 저주파 펄스(704)는 주파수 스펙트럼의 저주파 스파이크(707)에 해당한다. 중간 주파수 펄스(703)는 주파수 스펙트럼의 중간 주파수 스파이크(706)에 해당한다. 고주파 펄스(705)는 주파수 스펙트럼의 고주파 스파이크(708)에 해당한다. 다양한 주파수에서 더 많은 펄스 트레인이 치료 세션에 포함됨에 따라, 더 많은 스파이크가 치료 세션의 주파수 스펙트럼에 기여하고, 각각의 주파수에서 펄스 트레인의 펄스 진폭은 모든 스파이크의 총합에 기초한 주파수 스펙트럼이 사람의 EEG 주파수 분포를 근사화하도록 선택된다.

도 8은 각각 상이한 진폭 및 주기를 가질 수 있는 연쇄 사인파(802)로 구성된 파형과 함께 예시적인 EEG(801)를 도시한다. 각각의 사인파는 EEG의 단일 주기를 근사화한다. 사인파가 함께 연쇄되면, 이들은 환자에게 전달되는 펄스(803)를 지정하는 데 사용될 수 있는 파형을 형성한다. 도면에서, 일련의 10개의 사인파가 범위(804) 내에서 함께 연쇄된다. 이 예에서, 펄스는 파형의 피크에서 발생한다. EEG를 근사화하는 파형의 피크에 펄스를 투여함으로써, 펄스의 주파수 스펙트럼이 특정 주파수 대역 내에서 EEG의 주파수 스펙트럼을 근사화할 것이다. 펄스는 버스트 방식으로 투여되어, 파형이 생성된 범위만 포함하거나, 펄스가 파형에 의해 생성된 펄스 패턴을 반복하여 연속적 또는 장기간 자극을 제공할 수 있다.

본 명세서에서 설명은 일반적으로 사람의 치료에 관한 것이다. 그러나, 개시는 이에 제한되지 않으며 임의의 대상(subject)에 적용될 수 있다. "환자(patient)"와 "피험자(subject)"는 동의어이며 상호교환적으로 사용된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 이들은 본 명세서에 기술된 발명이 실시될 수 있는 임의의 동물(예를 들어, 포유동물)을 의미한다. "피험자"라는 용어도 "환자"라는 용어도 의사의 관리 하에 있는 동물로 제한되지 않는다.

문맥상 달리 명확하게 요구되지 않는 한, 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, "포함하다", "포함하는" 등의 용어는 배타적 또는 완전한 의미가 아닌 포괄적인 의미로 해석되어야 하며, 즉, "포함하지만 이에 국한되지는 않는다"는 의미로 해석되어야 한다. 단수 또는 복수를 사용하는 단어는 각각 복수 또는 단수도 포함한다. 또한, "여기에", "하기에", "위", "아래" 및 유사한 의미의 단어는 본 출원의 임의의 특정 부분이 아니라 전체로서 본 출원을 지칭한다. "또는"이라는 단어가 2개 이상의 항목의 목록과 관련하여 사용되는 경우, 해당 단어는 단어에 대한 다음 해석을 모두 포함한다: 목록 내의 항목 중 임의의 것, 목록 내의 모든 항목 및 목록 내의 항목의 임의의 조합.

방법 또는 디바이스의 예시된 실시예에 대한 위 설명은 개시된 바로 그 형태로 제한되거나 총 망라하도록 의도되지 않는다. 방법 또는 디바이스의 특정 실시예 및 예가 예시 목적으로 본 명세서에 기술되어 있지만, 당업자가 인식하는 바와 같이 방법 또는 디바이스의 범위 내에서 다양한 균등 변형이 가능하다. 본 명세서에 제공된 방법 또는 디바이스의 교시는 설명된 방법 또는 디바이스뿐만 아니라 다른 처리 방법 또는 디바이스에도 적용될 수 있다.

설명된 다양한 실시예의 요소 및 동작은 추가 실시예를 제공하기 위해 조합될 수 있다. 이들 및 다른 변경은 위 상세한 설명에 비추어 디바이스에 대해 이루어질 수 있다.

일반적으로, 다음 청구범위에서, 사용된 용어는 방법 또는 디바이스를 명세서 및 청구범위에 개시된 특정 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 청구범위 하에서 동작하는 모든 처리 디바이스를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 방법 및 디바이스는 본 개시에 의해 제한되지 않으며, 대신에 방법 또는 디바이스의 범위는 전적으로 청구범위에 의해 결정되어야 한다.

방법 또는 디바이스의 소정 양상이 소정의 청구항 형식으로 아래에 제시되지만, 발명자는 임의의 수의 청구항 형식으로 방법 또는 디바이스의 다양한 양상을 고려한다. 따라서, 발명자는 방법 또는 디바이스의 다른 양상에 대해 이러한 추가 청구항 형식을 추진하기 위해 출원을 제출한 후에 추가 청구항을 부가할 권리를 보유한다.

Claims (36)

1. 피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법으로서,
   상기 피험자의 EEG 주파수 분포를 수신하는 단계와,
   상기 피험자에게 반복적인 전류 또는 자기 펄스를 가하는 단계 - 펄스 간격은 가변적이며, 상기 EEG 주파수 분포를 근사화하는 분포를 가짐 - 와,
   상기 피험자의 생리학적 조건 또는 신경 정신학적 조건을 개선하는 단계를 포함하는,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 EEG 주파수 분포는 상기 피험자의 주파수 범위 내에 있고 주파수 상한 및 하한 내에 있는,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 반복적인 전류 펄스는 반복적 경두개 자기 자극(repetitive transcranial magnetic stimulation: rTMS)을 이용한 유도를 통해 생성되는,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 반복적인 전류 펄스는 경두개 교류 자극(transcranial alternating current stimulation: tACS)을 통해 생성되는,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 주파수 범위는 사람의 주파수 대역인,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 주파수 대역은 델타 대역(<4Hz), 세타 대역(4~8Hz), 알파 대역(8~13Hz), 베타 대역(13~30Hz), 감마 대역(30~80Hz) 또는 Mu 대역(9-11Hz)인,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 주파수 범위는 EEG 대역의 고유 EEG 주파수 주변의 사전결정된 범위인,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 고유 EEG 주파수는 델타 주파수, 세타 주파수, 알파 주파수, 베타 주파수, 감마 주파수 또는 Mu 주파수인,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
9. 제2항에 있어서,
   상기 주파수 범위는, EEG 대역의 고유 EEG 주파수에 대한 범위이고, EEG 주파수 분포 진폭이 상기 고유 주파수에서 상기 EEG 주파수 분포 진폭의 사전결정된 백분율인 주파수 값으로 설정된 한계를 갖는,
   피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 EEG는 치료 세션의 개시 전에 기록되는,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 EEG는 치료 세션 동안 전류 펄스 트레인들 사이의 시간 간격으로 기록되고, 상기 자기 펄스 주파수 분포는 각각의 전류 펄스 트레인 이전에 업데이트되는,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 EEG는 전류 펄스 트레인 동안 기록되고 상기 자기 펄스 주파수 분포는 치료 세션의 각각의 전류 펄스 트레인 동안 업데이트되는,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 전류 펄스 주파수의 분포는 가우시안이며, 상기 EEG 주파수 분포의 평균 및 표준 편차를 근사화하는 평균 및 표준 편차를 갖는
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
14. 제1항에 있어서,
    상기 전류 펄스 주파수의 분포는 균일하며, 상기 EEG 주파수 분포의 평균 및 표준 편차를 근사화하는 평균 및 표준 편차를 갖는,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 생리학적 조건은 집중력, 수면, 각성도, 기억력, 혈압, 스트레스, 성욕, 언어능력, 운동 기능, 신체 성능, 인지 기능, 지능, 키 또는 체중인,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
16. 제1항에 있어서,
    상기 신경 정신학적 조건은 자폐 스펙트럼 장애(ASD), 알츠하이머병, ADHD, 정신분열증, 불안, 우울증, 혼수상태, 파킨슨병, 약물 남용, 양극성 장애, 수면 장애, 섭식 장애, 이명, 외상성 뇌손상, 외상 후 스트레스 장애 또는 섬유근육통인,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
17. 피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법으로서,
    상기 피험자에게 반복적인 전류 또는 자기 펄스를 가하는 단계를 포함하되,
    펄스 주파수는 가변적이고, 주파수 상한 및 하한을 갖는 사람의 주파수 범위 내의 EEG 주파수 분포를 근사화하는 분포를 가지며, 생리학적 조건 또는 신경 정신학적 조건의 개선이 달성되는,
    피험자의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
18. 뇌 활동을 조절하는 장치로서,
    피험자로부터 EEG 신호를 수신하는 입력부와,
    하나 이상의 메모리와 통신하는 하나 이상의 프로세서 - 상기 하나 이상의 메모리는 비일시적 머신 판독가능 명령어를 포함하며, 상기 명령어는 상기 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때,
    상기 EEG 신호의 가변 속성을 결정하기 위해 상기 EEG 신호를 분석하고,
    상기 가변 속성에 대응하는 가변 시간 간격을 결정하도록 구성됨 - 와,
    상기 가변 시간 간격으로 투여되는 반복적인 전류 또는 자기 펄스를 생성하도록 구성된 생성기를 포함하는,
    뇌 활동을 조절하는 장치.
    
19. 포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법으로서,
    포유동물에게 뇌 활동을 조절하기에 충분한 시간 동안 가변 펄스 간격으로 반복적 경두개 자기 자극(rTMS)을 가하는 단계를 포함하는,
    포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
20. 제19항에 있어서,
    상기 뇌 활동이 조절되는 것은 3Hz와 7Hz 사이, 8Hz와 13Hz 사이, 15Hz와 20Hz 사이 및 35Hz와 45Hz 사이의 하나 이상의 뇌파 주파수 대역폭을 포함하는,
    포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
21. 제20항에 있어서,
    상기 뇌 활동이 조절되는 것은 8Hz와 13Hz 사이의 뇌파 주파수 대역폭인,
    포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
22. 제19항에 있어서,
    상기 가변 펄스 간격은 웨이블릿 분석(wavelet analysis)에 의해 추출된 포유동물의 EEG 신호로부터 유도되는,
    포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
23. 제22항에 있어서,
    상기 뇌 활동이 조절되는 것은 3Hz와 7Hz 사이, 8Hz와 13Hz 사이, 15Hz와 20Hz 사이 및 35Hz와 45Hz 사이의 하나 이상의 뇌파 주파수 대역폭을 포함하는,
    포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
24. 제23항에 있어서,
    상기 뇌 활동이 조절되는 것은 8Hz와 13Hz 사이의 뇌파 대역인,
    포유동물의 뇌 활동을 조절하는 방법.
    
25. 인간 환자의 PTSD를 치료하는 방법으로서,
    a. 상기 환자에게 EEG를 가하여 EEG 데이터 세트를 생성하는 단계와,
    b. 웨이블릿 변환으로 상기 EEG 데이터 세트를 분석하여 EEG 신호 패턴을 초래하는 단계와,
    c. 가변 펄스 간격을 갖는 전자기 펄스를 전달하도록 rTMS 장치를 프로그래밍하는 데 상기 EEG 신호 패턴을 사용하는 단계와,
    d. 상기 웨이블릿 변환으로부터 유도된 가변 펄스 간격을 갖는 전자기 펄스를 전달하는 상기 프로그래밍된 rTMS 장치로부터 반복적 경두개 자기 자극(rTMS)을 상기 환자에게 가하는 단계를 포함하는,
    인간 환자의 PTSD를 치료하는 방법.
    
26. 인간 환자의 자폐 스펙트럼 장애(ASD)를 치료하는 방법으로서,
    a. 상기 환자에게 EEG를 가하여 EEG 데이터 세트를 생성하는 단계와,
    b. EEG 신호 변환으로 상기 EEG 데이터 세트를 분석하여 EEG 신호 패턴을 초래하는 단계와,
    c. 가변 펄스 간격을 갖는 전자기 펄스를 전달하도록 rTMS 장치를 프로그래밍하는 데 상기 EEG 신호 패턴을 사용하는 단계와,
    d. 상기 EEG 신호 변환으로부터 유도된 가변 펄스 간격을 갖는 전자기 펄스를 전달하는 상기 프로그래밍된 rTMS 장치로부터 반복적 경두개 자기 자극(rTMS)을 상기 환자에게 가하는 단계를 포함하는,
    인간 환자의 자폐 스펙트럼 장애(ASD)를 치료하는 방법.
    
27. 인간 환자의 알츠하이머병을 치료하는 방법으로서,
    a. 상기 환자에게 EEG를 가하여 EEG 데이터 세트를 생성하는 단계와,
    b. EEG 신호 변환으로 상기 EEG 데이터 세트를 분석하여 EEG 신호 패턴을 초래하는 단계와,
    c. 가변 펄스 간격을 갖는 전자기 펄스를 전달하도록 rTMS 장치를 프로그래밍하는 데 상기 EEG 신호 패턴을 사용하는 단계와,
    d. 상기 EEG 신호 변환으로부터 유도된 가변 펄스 간격을 갖는 전자기 펄스를 전달하는 상기 프로그래밍된 rTMS 장치로부터 반복적 경두개 자기 자극(rTMS)을 상기 환자에게 가하는 단계를 포함하는,
    인간 환자의 알츠하이머병을 치료하는 방법.
    
28. 제27항에 있어서,
    상기 rTMS 자극은 포유동물의 운동 역치 미만인,
    인간 환자의 알츠하이머병을 치료하는 방법.
    
29. 제28항에 있어서,
    상기 전달된 rTMS는 상기 포유동물의 운동 역치의 40-90%인,
    인간 환자의 알츠하이머병을 치료하는 방법.
    
30. 외상 후 스트레스 장애(PTSD), 자폐 스펙트럼 장애(ASD) 및 알츠하이머병(AD)의 치료를 위해 가변 펄스 간격으로 rTMS 펄스를 생성하고 전달하도록 제조된 반복적 경두개 자기 자극(rTMS) 장치의 용도.
    
31. 제30항에 있어서,
    상기 rTMS 장치는 웨이블릿 변환으로부터 유도된 가변 펄스 간격으로 전자기 펄스를 전달하도록 프로그래밍되는,
    rTMS 장치.
    
32. 제31항에 있어서,
    외상 후 스트레스 장애(PTSD), 자폐 스펙트럼 장애(ASD), 알츠하이머병(AD), 외상성 뇌손상(TBI), 기억력 장애, 우울증, 통증, 중독, 강박 장애(OCD), 불안, 파킨슨병(PD), 고혈압, 성욕 장애, 운동 기능 이상, 소아 저신장, 스트레스, 비만, 수면 장애, 섭식 장애, 집중력/집중 이상, 언어능력 이상, 지능 결핍, 인지 이상, 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD), 정신분열증, 혼수상태, 양극성 장애, 이명, 섬유근육통, 만성 라임병, 류마티스 관절염(RA), 자가면역 질환, 통풍, 당뇨병, 관절염, 외상 재활, 운동 능력, 인지 개선 및 뇌졸중의 치료에 사용되는,
    rTMS 장치.
    
33. 개선된 rTMS 장치로서,
    상기 개선은 가변 펄스 간격으로 rTMS 펄스를 전달하도록 rTMS 장치를 프로그래밍하는 것을 포함하는,
    개선된 rTMS 장치.
    
34. 제33항에 있어서,
    상기 가변 펄스 간격은 웨이블릿 변환으로부터 유도되는,
    개선된 rTMS 장치.
    
35. 자기 펄스를 생성하는 rTMS 장치로서,
    가변 펄스 간격으로 자기 펄스를 생성하는 상기 장치의 프로그램을 포함하는,
    rTMS 장치.
    
36. 제35항에 있어서,
    상기 가변 펄스 간격은 웨이블릿 변환으로부터 유도되는,
    rTMS 장치.

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