KR20230121211A - 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템은, 두개골의 개방 부위에 삽입 배치되어 초음파를 발생시키며, 뇌자극 부위의 관측이 가능하도록 광투과성의 투명 소재로 형성되거나 중앙부가 개방된 구조로 형성되고, 상기 초음파를 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 제공하는 초음파 변환자, 및 상기 초음파 변환자의 상측에 배치되어, 상기 초음파 발생 시 상기 초음파 변환자의 투명한 표면 또는 상기 개방된 중앙부를 통해 관찰되는 상기 뇌 자극 부위의 반응 영상을 모니터링하는 광학 영상부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 초음파 변환자를 두개골 윈도우로 활용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하고 광학 영상을 통해 뇌자극 부위의 반응 영상에 대한 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라, 광학 영상 모니터링 결과에 대응하여 초음파 자극을 변화시킬 수 있는 초음파 기반의 뇌자극 및 영상 모니터링 플랫폼을 제공한다.
본 발명에 따르면, 초음파 변환자를 두개골 윈도우로 활용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하고 광학 영상을 통해 뇌자극 부위의 반응 영상에 대한 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라, 광학 영상 모니터링 결과에 대응하여 초음파 자극을 변화시킬 수 있는 초음파 기반의 뇌자극 및 영상 모니터링 플랫폼을 제공한다.
Description
본 발명은 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 변환자를 두개골 윈도우(Transcranial window)로 활용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하고 광학 영상을 통해 뇌자극 부위에 대한 반응 영상의 모니터링이 가능한 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템에 관한 것이다.
종래에는 동물이 살아있는 상태에서 뇌의 광학 영상 관찰이 가능한 기법이 개시된 바 있다.
이러한 종래 기법에 따르면 두개골 구멍에 설치된 시트에 대해 날카로운 팁의 삽입 및 제거를 통하여 약물 주입 및 그에 따른 전기 신호 획득을 수행하는데, 팁의 삽입 및 제거 과정에서 오염 우려가 있는 단점이 존재한다.
아울러, 뇌의 특정 반응을 유도하는 기법 중에서 약물 주입을 기반으로 하는 반응 유도 기법은 단순히 약물 주입에 따른 반응을 관찰하기 때문에 뇌의 국소적인 반응 유도가 어렵다.
또한, 약물 주입에 기반한 반응 유도 기법의 경우 반응이 느려서 실제로 약물 주입 후 반응이 일어나기 까지 시차가 존재하며 적시에 정확한 반응을 확인하기가 곤란한 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 일본공개특허 제2017-502739호(2017.01.26 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은, 초음파 변환자를 두개골 윈도우로 활용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하고 광학 영상을 통해 뇌자극 부위의 반응 영상에 대한 모니터링이 가능한 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 두개골의 개방 부위에 삽입 배치되어 초음파를 발생시키며, 뇌자극 부위의 관측이 가능하도록 광투과성의 투명 소재로 형성되거나 중앙부가 개방된 구조로 형성되고, 상기 초음파를 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 제공하는 초음파 변환자, 및 상기 초음파 변환자의 상측에 배치되어, 상기 초음파 발생 시 상기 초음파 변환자의 투명한 표면 또는 상기 개방된 중앙부를 통해 관찰되는 상기 뇌 자극 부위의 반응 영상을 모니터링하는 광학 영상부를 포함하는 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템을 제공한다.
또한, 상기 초음파 변환자는, 상기 중앙부가 개방된 경우 상기 중앙부에 설치되는 광학 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 초음파 변환자는, 단일소자 타입으로 구성되고 하측에는 초음파 홀로그램 생성을 위한 홀로그램 렌즈가 결합되며, 상기 홀로그램 렌즈는, 상기 초음파 변환자로부터 입사된 초음파를 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 전달하되, 높낮이 분포가 달리 설계된 표면 구조를 이용하여 상기 초음파를 공간적 위상 변조하여 뇌 자극 부위에 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 제공할 수 있다.
또한, 상기 홀로그램 렌즈는, 렌즈 표면의 각 단위 영역 별 두께가 정의된 높이 분포도를 기반으로 제작되며, 상기 높이 분포도는, 상기 설정 패턴 모양의 홀로그램 생성을 위하여 상기 각 단위 영역 별로 인가되어야 하는 초음파 신호의 위상 값을 정의한 위상 분포도를 기반으로 결정될 수 있다.
또한, 상기 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템은, 상기 광학 영상부의 영상 모니터링 결과에 따라 상기 초음파 변환자에 인가되는 입력 신호의 음압 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 초음파 변환자는, 매트릭스 형태로 어레이 배열된 복수의 소자를 포함한 배열형(array) 타입으로 구성되되, 각 소자에 인가되는 입력 신호의 위상 제어에 따라 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템은, 상기 초음파 변환자의 각 소자에 인가되는 입력 신호의 위상을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 설정 주기 별로 상기 각 소자의 입력 신호의 위상을 변경하여 초음파 홀로그램 패턴을 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 광학 영상부의 영상 모니터링 결과에 따라 상기 각 소자에 인가되는 입력 신호의 위상을 변경하여 자극 위치를 변경하거나, 상기 입력 신호의 음압 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절하여 자극 강도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 설정 패턴 모양의 홀로그램 생성을 위하여 상기 각 소자에 필요로 하는 입력 신호의 위상 값을 정의한 위상 분포도에 기초하여 상기 각 소자 별 전기적 시간 지연 값을 결정하여 상기 각 소자에 인가되는 신호 시간 차이를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템은, 단일의 상기 위상 분포도를 바탕으로 단일 깊이의 표면에 초음파 홀로그램 패턴을 생성하거나 다중 깊이의 표면에 대해 초음파 홀로그램 패턴을 동시에 생성할 수 있다.
또한, 상기 광학 영상부는, 촬영되는 이미지에 대한 광학 수차를 보정하는 파면 변조(wavefront modulator) 기반의 이미징 처리를 수행하여 수차가 보정된 광학 영상을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초음파 변환자를 두개골 윈도우로 활용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하며 광학 영상을 통해 뇌자극 부위의 반응 영상에 대한 모니터링이 가능한 초음파 뇌자극 플랫폼을 제공한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 광학 영상 모니터링 결과에 따라 초음파 자극을 변화시킬 수 있는 피드백 플랫폼을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 변환자의 다양한 실시 예를 설명한 도면이다.
도 3은 단일 소자 초음파 변환자에 홀로그램 렌즈가 결합된 구조에 기반한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 다중 평면의 초음파 홀로그램 생성 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4와 같은 다중 높이의 초음파 생성을 위한 홀로그램 렌즈의 위상 분포 최적화 결과 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 광학 수차를 보정하여 영상을 얻기 위한 광학 영상 처리 개념도이다.
도 7은 도 6의 영상 처리에 적용되는 광학 수차 보정 방법의 개략도이다.
도 8은 광학 영상 기반의 초음파 자극 피드백 조절 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 변환자의 다양한 실시 예를 설명한 도면이다.
도 3은 단일 소자 초음파 변환자에 홀로그램 렌즈가 결합된 구조에 기반한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 다중 평면의 초음파 홀로그램 생성 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4와 같은 다중 높이의 초음파 생성을 위한 홀로그램 렌즈의 위상 분포 최적화 결과 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 광학 수차를 보정하여 영상을 얻기 위한 광학 영상 처리 개념도이다.
도 7은 도 6의 영상 처리에 적용되는 광학 수차 보정 방법의 개략도이다.
도 8은 광학 영상 기반의 초음파 자극 피드백 조절 시스템을 예시한 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템에 관한 것으로, 초음파 변환자를 두개골 윈도우(Transcranial window)로 적용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하며 광학 영상을 통해 뇌자극 부위의 반응 영상에 대한 모니터링이 가능한 초음파 뇌자극 플랫폼을 제공한다. 아울러, 본 발명은 광학 영상 모니터링 결과에 따라 초음파 자극을 변화시킬 수 있는 피드백 플랫폼을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 초음파 변환자의 다양한 실시예를 설명한 도면이다.
먼저, 도 1를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템(100)은 초음파 변환자(110) 및 광학 영상부(120)를 포함하며, 제어부(130)를 더 포함할 수 있다.
초음파 변환자(110)는 두개골의 개방 부위에 삽입 배치되어 타겟 부위를 향하여 초음파를 발생시키며 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 초음파를 제공한다.
초음파 변환자(110)는 상측의 광학 영상부(120)를 통한 뇌자극 부위의 관측이 가능하도록, 전체가 광투과성을 갖는 투명 소재로 형성되거나, 도 2의 하측 그림과 같이 중앙부(C)가 직접 개방된 구조로 형성될 수 있다.
전자의 경우 초음파 변환자(110)는 광 투과성을 위해 리튬 나이오뱃(lithium niobate, LiNbO3)과 같이 투명한 성질을 가지는 압전 물질을 활용하여 제작될 수 있고 반도체 공정을 통해 제작되는 CMUT(capacitive micromachined ultrasonic transducer)의 광 투과성을 극대화하여 사용할 수도 있다.
후자의 경우 초음파 변환자(110)는 그 중심부(C)를 개방하고 커버 글라스, PDMS(polydimethylsiloxane) 렌즈 등의 광학 렌즈를 채워서 빛이 중심부(C)를 통과하는 형태로 제작될 수도 있다.
투명한 초음파 변환자에 필요한 투명 전극은 광 투과성을 가지지만 비교적 전도성이 낮아 에너지 전환 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 불투명한 초음파 변환자의 사용이 필요할 수 있는데, 이때는 초음파 변환자를 불투명한 물질로 제작하고 광학 영상이 가능하도록 중심부(C)를 뚫어 광 투과성을 확보할 수 있다. 또한 뚫은 중심부는 PDMS, 커버글라스 등의 광학 렌즈로 보호하여 뇌가 외부와 차단 되면서도 광학 영상 수집이 가능한 윈도우 기능으로 동작하게 한다.
광학 영상부(120)는 초음파 변환자(110)의 상측에 배치되어 초음파 발생에 따른 뇌 자극 부위의 반응 영상을 획득한다. 광학 영상부(120)는 광학 현미경, 레이저 현미경, CCD 카메라, 영상 처리부 등을 포함하여 구성될 수 있다.
광학 영상부(120)는 초음파 변환자(110)에서 초음파 발생 시 초음파 변환자(110)의 투명한 표면 또는 개방된 중앙부(C)를 통해서 관찰되는 뇌 자극 부위의 반응 영상을 획득하고 모니터링한다. 이러한 본 발명에 따르면, 초음파 변환자(110)를 두개골 윈도우(window)로 활용하여 초음파를 기반으로 선택적 뇌자극이 가능하고 이와 동시에 광학적 영상 관측이 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에서 초음파 변환자(110)는 단일 소자 타입 또는 배열형 타입 중에서 선택 가능하다.
도 2의 (a)는 단일 소자 타입의 초음파 변환자를 예시한 것이고 (b)는 배열형 타입의 초음파 변환자 구조를 예시한 것이다. 이때, 두 타입 모두, 상측 그림은 초음파 변환자(110)를 투명 소재로 형성한 경우이고, 하측 그림은 초음파 변환자(110)를 불투명한 소재로 형성하되 중앙부(C)를 직접 개방하여 광학 렌즈를 삽입한 형태이다.
이하에서는 두 타입 모두 상면이 막힌 구조를 대표 예시로 하여 설명한다.
본 발명의 실시예는 원하는 부위에 선택적 자극이 가능하도록 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 인가한다.
이를 위해, 도 2의 좌측 그림과 같이, 단일 소자 타입의 초음파 변환자(110-1)의 하부에 홀로그램 랜즈(115)를 결합한 구조를 사용하거나(CASE 1), 도 2의 우측 그림과 같이 매트릭스 형태로 어레이 배열된 복수의 소자(111)를 포함한 배열형 소자 타입의 초음파 변환자(110-2)를 사용할 수 있다(CASE 2).
CASE 1의 경우 단일 소자 초음파 변환자(110-1)에 홀로그램 랜즈(115)가 결합된 구조의 두개골 윈도우가 머리의 개방 부위에 삽입되고, CASE 2의 경우 배열형 초음파 변환자(110-2)로 이루어진 두개골 윈도우가 머리의 개방 부위에 삽입되어, 영상 촬영을 위한 윈도우 역할을 수행한다.
초음파 홀로그램은 여러 초음파 전파 간의 상쇄/간섭을 이용하여 입체적으로 초음파 에너지를 다루는 기술로, 초음파 홀로그램을 이용할 경우 초음파가 설정 패턴 모양으로 뇌의 타겟 부위에 인가되어 설정 패턴 모양대로 선택적 자극이 이루어질 수 있고, 그에 따른 자극 반응 영상의 관찰이 가능해진다.
여기서 물론, 초음파 홀로그램을 이용하면 3차원 상에서 원하는 다중 초점 패턴으로 고해상도 자극도 가능하다.
홀로그램 생성을 위해서는 위상의 조절이 필요한데, 이는 도 2의 좌측 그림(CASE 1)과 같은 단일 소자 초음파 변환자(110-1)와 위상 조절 렌즈(115; 홀로그램 렌즈)의 조합 구조, 혹은 도 2의 우측 그림(CASE 2)과 같은 2차원 배열형 초음파 변환자(110-2)의 소자별 전기적 위상 조절 구조를 통해 실현될 수 있다.
위상 변조 홀로그램 구현시에 위상 조절에 사용되는 위상 분포도는 일반적으로 GS(Gerchberg-Saxton) 알고리즘, 딥러닝 기반 알고리즘, 확률적 경사 하강법 기반 알고리즘 등에 의해 계산될 수 있다.
위상 조절 렌즈(115)를 사용할 경우 위상 분포도는 해당 렌즈(115)의 높이 분포도로 변환되고, 높이 분포도를 기반으로 실제 렌즈(115)가 설계된다. 2차원 배열형 변환자(110-2)를 사용할 경우 위상 분포도는 전기적 신호 지연 시간으로 변환되어 각 소자에 인가되는 신호 시간의 차이로 사용된다.
우선, 도 2의 좌측 그림(CASE 1)과 같이, 초음파 변환자(110)가 단일 소자 타입의 초음파 변환자(110-1)로 구성된 경우에는 초음파 홀로그램 생성을 위한 홀로그램 렌즈(115)가 하부에 결합되고 이를 통해 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 생성할 수 있다. 여기서 홀로그램 렌즈(115) 또한 광투과성을 갖는 투명한 물질로 제작될 수 있다.
구체적으로, 홀로그램 렌즈(115)는 초음파 변환자(110)에서 발생한 초음파를 입사받아 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 전달하되, 의도적으로 높낮이 분포가 달리 설계된 표면 구조를 이용하여 초음파를 공간적 위상 변조하여 뇌 자극 부위에 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 제공한다.
도 3은 단일 소자 초음파 변환자에 홀로그램 렌즈가 결합된 구조에 기반한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템을 예시한 도면이다.
도 3의 (a)는 도 2의 (a)의 상측 그림과 같은 막힌 구조의 초음파 변환자를 예시한 것으로, 투명 초음파 변환자의 하면에 투명 홀로그램 렌즈가 결합된 구조가 적용된 것을 알 수 있다.
도 3의 (b)는 투명 초음파 변환자의 하부에 별도의 고정 기구에 의해 홀로그램 렌즈가 결합된 모습을 예시한다. 투명 초음파 변환자는 통상의 경우와 같이 압전소자와 흡음층을 포함하며, 관련 전극층을 갖는다. 여기서 투명 초음파 변환자와 홀로그램 렌즈는 고정 기구 대신 접착 등의 방법으로 결합될 수도 있다.
도 3의 (a)의 우측 하단에는 홀로그램 렌즈(115)의 구현 모습을 예시한 것으로 높낮이 분포가 달리 설계된 표면 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 표면 구조는 렌즈 표면을 구성하는 각 단위 영역의 높이(높낮이)를 달리 제작함으로써 구현된다.
여기서, 홀로그램 렌즈(115)는 렌즈 표면의 각 단위 영역 별 두께가 정의된 높이 분포도를 기반으로 제작될 수 있고, 이러한 높이 분포도는 위상 분포도를 기반으로 결정된다.
렌즈 표면 영역은 복수의 단위 영역(예: m행과 n열의 n×m개 단위 영역)으로 이루어지고 이 단위 영역 별 두께를 정의한 높이 분포도를 기반으로 홀로그램 렌즈(115)가 제작된다.
이러한 높이 분포도에 따라 홀로그램 렌즈(115)는 각 단위 영역 별로 높낮이 분포가 달리 설계된 표면 구조를 가지며, 이러한 표면 구조를 통하여 초음파를 공간적 위상 변조하여 타겟 부위에 설정 패턴 모양으로 집속할 수 있으며 설정 패턴 모양으로 선택적인 자극이 가능하다.
여기서, 높이 분포도는 미리 정의한 위상 분포도를 기반으로 결정될 수 있다. 위상 분포도는 설정 패턴 모양(예: 문자, 도형, 숫자, 기하학적 무늬 등)의 홀로그램 생성을 위하여 각 단위 영역 별로 인가되어야 하는 초음파 신호의 위상 값을 정의한 것에 해당하며, 앞서 언급한 다양한 알고리즘에 의해 도출 가능하다. 위상 분포도는 매트릭스 형태의 n×m개의 위상 값으로 구성되고 이러한 위상 분포도로부터 얻어지는 높이 분포도 또한 n×m개의 높이 값으로 구성될 수 있다.
위상 분포도를 구성한 각 단위 영역 별 위상 값은 해당 영역의 높이 값으로 변환되어 높이 분포도로 얻어진다. 이때 각 단위 영역 별 위상 값과 렌즈의 구성 재질에 기초하여 렌즈 표면의 단위 영역 별 설계 두께가 결정되고 이를 바탕으로 초음파 홀로그램 렌즈(115)가 제작될 수 있다. 예를 들어 위상 값과 렌즈의 재질에 따른 계수가 설정 함수 혹은 설정 알고리즘에 적용되어 위상 값에 대응된 설계 두께가 결정될 수 있다.
홀로그램 렌즈(115)는 일반 렌즈 재질로 형성될 수 있으며, 3D 프린팅 기법에 의해 제조될 수 있다. 3D 프린팅 기법을 이용하면 높낮이 분포가 상이하게 설계된 렌즈 표면 구조를 빠르고 용이하게 제작할 수 있다.
이와 같이 홀로그램 렌즈(115)는 각 단위 영역 별 위상 값(위상 분포도)을 토대로 높낮이 분포가 상이한 표면 구조로 설계될 수 있고, 3D 프린터를 통해 간편하게 제작될 수 있다.
다음, 도 2의 우측 그림(CASE 2)은 초음파 변환자(110)가 복수의 소자(111)를 갖는 배열형 타입의 초음파 변환자(110-2)(2차원 배열형 변환자)로 구성된 경우로, 이 경우는 각 소자(111)에 인가되는 입력 신호의 위상 제어에 따라 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 발생시킬 수 있다.
물론, 이를 위해 제어부(130)는 초음파 변환자(110-2)의 각 소자(111)에 인가되는 입력 신호의 위상을 제어하게 된다.
구체적으로 제어부(130)는, 설정 패턴 모양의 홀로그램 생성을 위하여 각 소자(111)에 필요로 하는 입력 신호의 위상 값을 정의한 위상 분포도에 기초하여, 각 소자(111) 별 전기적 시간 지연 값을 결정하여 각 소자에 인가되는 신호 시간 차이를 발생시킨다.
또한, 제어부(130)에서 설정 주기 별로 각 소자(111)의 입력 신호의 위상을 변경하면 초음파 홀로그램 패턴을 동적으로 조절할 수 있다.
이와 같이, 배열형 변환자 구조를 활용할 경우에는 소자 각각에서 위상을 조절할 수 있으므로 선택적 자극이 가능하며 위상을 지속해서 바꿀 수 있으므로 동적 패턴 조절이 가능해진다.
상술한 본 발명의 실시예를 활용하면 홀로그램 효과를 극대화하여 하나의 위상 분포도를 통하여 단일 깊이 뿐만 아니라 다중 깊이에 대해 동시에 초음파 음압 패턴 형성이 가능하다.
즉, 단일의 위상 분포도를 바탕으로 단일 깊이의 표면에 대해 설정 모양의 초음파 홀로그램 패턴을 생성할 수도 있지만, 다중 깊이의 표면에 대해 동시에 서로 동일 혹은 상이한 모양의 초음파 홀로그램 패턴을 동시에 생성할 수도 있다.
다중 깊이의 평면에 대해 각기 다른 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 동시 생성하도록 구현하는 예시는 아래의 도 4와 도 5의 내용을 참조한다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 다중 평면의 초음파 홀로그램 생성 원리를 설명하는 도면이다. 도 4의 좌측 그림은 m×n개의 위상 값으로 구성된 위상 분포도를 보여주며, 이러한 단일의 위상 분포도 만으로 2cm, 5cm, 8cm 깊이의 평면에 대해 서로 다른 모양의 패턴 A, B, C가 동시 생성될 수 있다.
만일, 초음파 변환자가 2차원 배열형 초음파 변환자(110-2)로 구성된 경우에는 배열형 변환자를 구성하는 각 소자가 m×n개로 구성되고 도 4에 나타낸 위상 분포도 내의 각 위상 값은 도 4의 다중 평면 홀로그램을 위하여 각 소자에 필요한 위상 값으로 사용된다.
물론, 초음파 변환자가 단일 소자 타입의 초음파 변환자(110-1)의 하부에 홀로그램 렌즈(115)가 결합된 구조로 구성된 경우에는 도 4에 나타낸 위상 분포도 내의 각 위상값은 홀로그램 렌즈(115) 표면의 각 단위영역 별로 적용되는 높이 값으로 변환되어 사용된다.
도 5는 도 4와 같은 다중 높이의 초음파 생성을 위한 홀로그램 렌즈의 위상 분포 최적화 결과 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)는 알고리즘에 의한 위상 분포 최적화 결과이다. 여기서 알고리즘은 앞서 설명한 GS(Gerchberg-Saxton) 알고리즘 등과 같은 위상 분포도를 계산하는데 사용된 알고리즘을 의미한다. 도 5의 (b), (c), (d)는 각각 2 cm, 5 cm, 8 cm 높이에 생성되는 패턴 모양을 시뮬레이션을 통해 확인한 결과를 나타낸다. 이와 같이 본 발명의 경우 단일의 위상 분포도 정보를 이용하여 다중 높이에 대해 서로 다른 패턴의 초음파를 입체적으로 인가할 수 있다.
한편, 본 발명의 경우, 광학 영상부(120)는 수차 보정 기능을 포함할 수 있다. 광학 영상부(120)는 촬영되는 이미지에 대한 광학 수차를 보정하는 파면 변조(wavefront modulator) 기반의 이미징 처리를 수행하여 수차가 보정된 광학 영상을 제공한다.
특히, 도 2의 (a)와 같이 초음파 변환자(110-1)와 홀로그램 렌즈(115)가 결합된 구조(CASE 1)를 사용하여 초음파 홀로그램을 형성하는 경우, 홀로그램 렌즈(115)의 두께 분포가 일정하지 않아 광학 수차가 발생하며, 일반 광학 영상 시스템의 적용 이후에 추가적인 보정을 필요로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 광학 수차를 보정하여 영상을 얻기 위한 광학 영상 처리 개념도이다.
도 6에서와 같이, 본 발명에서 제안한 CASE 1과 같은 형태의 홀로그램 렌즈 윈도우(Transcranial window)를 매개로 획득되는 뇌 조직 반응 영상에 대해 다양한 광학 이미징 기법을 적용함으로써 in-vivo 뇌조직 영상 획득이 가능하다.
생명 현상을 연구하는 목적의 다양한 현미경은 여러 가지 빛의 성질을 이용하여 형상을 획득한다. 그런데, 획득되는 영상에는 광학계를 구성하는 광학소자의 조정불량(misalignment) 또는 광 경로상에서의 굴절율 변환 등의 원인으로 발생하는 수차가 존재한다. 이를 해결하기 위해 영상 획득에 사용되는 특정 이미징 기법에 적절한 수차 보정 방법들이 존재한다.
도 7은 영상 처리에 적용되는 광학 수차 보정 방법의 개략도이다. 이러한 도 7은 광학 수차 보정의 하나의 예시에 해당한다. 생명 현상 연구에 필요한 특정 이미징 기법을 정하고, 생체 phantom 모델을 이용해 이미징 영역에 대한 guiding star를 확립하여 이에 대한 광학 이미지 신호를 얻고 파면(wavefront)의 위상 정보를 획득할 수 있다. 또한 위상 변조기(modulator)를 이용해 파면을 교정하여 수차가 보정된 고해상도 영상을 획득할 수 있다.
도 8은 광학 영상 기반의 초음파 자극 피드백 조절 시스템을 예시한 도면이다. 도 8과 같이, 본 발명에 따르면, 광학 영상부(120)를 통하여 수집되는 광학 영상을 이용하여 자극에 의한 뇌 조직 반응을 세포 및 세포 네트워크 레벨에서 실시간 관찰할 수 있으며, 원하는 반응을 얻기 위해 자극을 조절할 수 있다. 즉, 본 발명의 경우 영상 모니터링을 통한 피드백 자극 조절이 가능하다.
먼저, 도 2의 좌측 그림과 같이, 단일 소자 초음파 변환자(110-1)와 홀로그램 렌즈(120)가 결합된 구조(CASE 1)의 경우, 제어부(130)는 광학 영상부(120)의 영상 모니터링 결과에 따라 초음파 변환자(110-1)에 인가되는 입력 신호의 음압, 반복 주파수 등을 조절하여 자극 강도가 달라질 수 있고 이를 통해 원하는 반응이 나올 수 있도록 한다. 제어부(130)는 광학 모니터링 결과에 따른 사용자의 입력 신호를 바탕으로 초음파 음압, 주파수 등의 각종 파라미터를 제어할 수 있다. 즉, 영상 모니터링 결과로부터 원하는 반응을 얻기 위하여 초음파 음압, 주파수 등을 조절할 수 있다.
CASE 1의 경우는 홀로그램 렌즈(115)의 형태(설계 구조)에 따라 초음파 자극 위치는 고정된다. 그런데 광학 영상 모니터링 결과에 따라 자극 위치를 변화시킬 필요가 있을 수 있다. 이는 배열형 초음파 변환자의 어레이 배열된 소자들에 대한 위상 분포도를 조절하는 것에 의해 가능해진다.
즉, 도 2의 우측 그림과 같이, 2차원 배열형 초음파 변환자(110-2)를 사용한 구조(CASE 2)의 경우, 제어부(130)는 광학 영상부(120)의 영상 모니터링 결과에 따라 각 소자(111)에 인가되는 입력 신호의 위상을 변경하여 자극 위치를 변경할 수도 있고, 입력 신호의 음압 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절하여 자극 강도를 조절하여 원하는 반응이 나오도록 할 수 있다. 제어부(130)는 영상 모니터링 결과로부터 원하는 자극 부위와 반응을 얻기 위하여 초음파의 위상, 음압, 주파수 등을 조절할 수 있다. 즉, 2차원 배열형 변환자에서 반응에 따라 실시간으로 위상을 조절하여 자극 위치를 변화시키며, 동시에 음압, 반복 주파수 등을 조절하여 원하는 반응이 나올 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에서 제어부(130)는 광학 영상부(120) 및 초음파 변환자(110)와 연결되어 각각의 동작을 제어할 수 있으며, 광학 영상부(120)로부터 얻은 이미지 및 각종 데이터를 수신하여 사용자 단말로 제공할 수 있다. 사용자 단말은 데스크탑, 노트북, 태블릿 PC, 스마트폰 등을 포함할 수 있다. 제어부(130)는 사용자 단말에 응용 프로그램으로 구현될 수도 있고 사용자 단말과 별도 네트워크 연결되어 동작할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에서 제안한 두개골 윈도우는 단순히 광학 영상을 얻는 용도의 기존 윈도우와는 다르게, 초음파 변환자를 내장하여 초음파 기반의 뇌자극 기능을 수행하는 동시에 초움파 변환자를 투명 재질로 구현하거나 중앙부가 개구된 구조로 구현하여 뇌 자극 부위에 대한 광학 영상 모니터링을 동시에 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따르면 초음파 홀로그램 생성을 통하여 선택적 뇌자극이 가능하며 2차원 배열형 변환자를 활용하는 경우 선택적 뇌자극과 동시에 동적 자극 위치 조절이 가능하다. 또한 원하는 반응을 광학 영상을 통해 모니터링하며 초음파 변환자의 피드백 제어를 통하여 더욱 정밀한 반응을 유도할 수 있다
이러한 본 발명의 기술을 활용하면 초음파를 이용한 뇌기능 조절 기전 연구에 있어 EMG. EEG 등의 간접적인 신경 네트워크 관찰이 아니라 뇌의 광학 영상을 통해 직접적으로 신경 네트워크를 관찰할 수 있다. 특히, 초음파 홀로그램을 이용한 비침습적 선택적 뇌자극이 가능하다.
아울러, 상술한 효과를 바탕으로 초음파 뇌자극에 대한 반응을 자극 시야와 동시야에서 광학 영상으로 관찰하며, 피드백 시스템을 통하여 자극 위치, 세기, 주파수 변화를 통해 원하는 반응을 유도할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템
110: 초음파 변환자
115: 홀로그램 렌즈 120: 광학 영상부
130: 제어부
115: 홀로그램 렌즈 120: 광학 영상부
130: 제어부
Claims (12)
- 두개골의 개방 부위에 삽입 배치되어 초음파를 발생시키며, 뇌자극 부위의 관측이 가능하도록 광투과성의 투명 소재로 형성되거나 중앙부가 개방된 구조로 형성되고, 상기 초음파를 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 제공하는 초음파 변환자; 및
상기 초음파 변환자의 상측에 배치되어, 상기 초음파 발생 시 상기 초음파 변환자의 투명한 표면 또는 상기 개방된 중앙부를 통해 관찰되는 상기 뇌 자극 부위의 반응 영상을 모니터링하는 광학 영상부를 포함하는 초음파를 이용한 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 초음파 변환자는,
상기 중앙부가 개방된 경우 상기 중앙부에 설치되는 광학 렌즈를 더 포함하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 초음파 변환자는,
단일소자 타입으로 구성되고 하측에는 초음파 홀로그램 생성을 위한 홀로그램 렌즈가 결합되며,
상기 홀로그램 렌즈는,
상기 초음파 변환자로부터 입사된 초음파를 타겟이 되는 뇌 자극 부위로 전달하되, 높낮이 분포가 달리 설계된 표면 구조를 이용하여 상기 초음파를 공간적 위상 변조하여 뇌 자극 부위에 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 제공하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 홀로그램 렌즈는,
렌즈 표면의 각 단위 영역 별 두께가 정의된 높이 분포도를 기반으로 제작되며,
상기 높이 분포도는,
상기 설정 패턴 모양의 홀로그램 생성을 위하여 상기 각 단위 영역 별로 인가되어야 하는 초음파 신호의 위상 값을 정의한 위상 분포도를 기반으로 결정되는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 광학 영상부의 영상 모니터링 결과에 따라 상기 초음파 변환자에 인가되는 입력 신호의 음압 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절하는 제어부를 더 포함하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 초음파 변환자는,
매트릭스 형태로 어레이 배열된 복수의 소자를 포함한 배열형(array) 타입으로 구성되되, 각 소자에 인가되는 입력 신호의 위상 제어에 따라 설정 패턴 모양의 초음파 홀로그램을 발생시키는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 6에 있어서,
상기 초음파 변환자의 각 소자에 인가되는 입력 신호의 위상을 제어하는 제어부를 더 포함하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는,
설정 주기 별로 상기 각 소자의 입력 신호의 위상을 변경하여 초음파 홀로그램 패턴을 동적으로 조절하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는,
상기 광학 영상부의 영상 모니터링 결과에 따라 상기 각 소자에 인가되는 입력 신호의 위상을 변경하여 자극 위치를 변경하거나, 상기 입력 신호의 음압 및 반복 주파수 중 적어도 하나를 조절하여 자극 강도를 조절하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는,
상기 설정 패턴 모양의 홀로그램 생성을 위하여 상기 각 소자에 필요로 하는 입력 신호의 위상 값을 정의한 위상 분포도에 기초하여 상기 각 소자 별 전기적 시간 지연 값을 결정하여 상기 각 소자에 인가되는 신호 시간 차이를 발생시키는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 4 또는 청구항 10에 있어서,
단일의 상기 위상 분포도를 바탕으로 단일 깊이의 표면에 초음파 홀로그램 패턴을 생성하거나 다중 깊이의 표면에 대해 초음파 홀로그램 패턴을 동시에 생성하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 광학 영상부는,
촬영되는 이미지에 대한 광학 수차를 보정하는 파면 변조(wavefront modulator) 기반의 이미징 처리를 수행하여 수차가 보정된 광학 영상을 제공하는 뇌자극 및 영상 모니터링 시스템.
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