KR20230130442A - 밀리미터파를 이용한 귀미주신경 자극장치 및 자극방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 비침습적 귀미주신경 자극장치는, 소정 주파수 대역의 지속파를 생성하는 신호 발생기, 및 이갑개정(cymba concha)의 면적 이하의 애퍼처(aperture)를 갖는 어플리케이터를 포함하고, 상기 어플리케이터는 상기 신호 발생기에서 발생한 지속파를 귀미주신경의 이개신경분지로 전달한다. 이때, 상기 지속파(CW)는 60GHz의 ISM 대역 주파수를 갖는 밀리미터파이다. 본 발명의 밀리미터파를 이용한 귀미주신경 자극장치 및 자극방법에 의하면 완전히 비침습적인 방법으로, 원치 않는 비(非)미주신경을 자극하지 않고, 타겟인 이개신경분지(ABVN)만을 정확히 자극할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 밀리미터파를 이용한 귀미주신경 자극장치 및 자극방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀리미터파를 이용하여 경피적 귀미주신경을 자극하는 밀리미터파를 이용한 귀미주신경 자극장치 및 자극방법에 관한 것이다.
미주신경의 이개신경분지를 경피적으로 자극하는 방법(ta-VNS)은 우울증, 간질, 두통, 뇌허혈을 포함한 다양한 상태에 대한 비침습적 신경조절 기법으로 사용되었다. 이것은 외이(外耳)에서 구심성 감각 섬유인 미주 신경의 피부 표면에 전극을 적용하여 사용된다.
그러나, 기존의 신경자극 방법은 미주신경의 이개신경분지(ABVN)외에 이개측두신경(auriculotemporal nerve), 대이개신경(Great auricular nerve) 등을 불필요하게 자극하는 단점이 있었다. 이개신경분지(ABVN)가 이갑개정(cymba concha)에 독점적으로 신경분포 되어 있는 반면, 다른 이개(pinna) 부위는 이개신경분지(ABVN)가 부족하거나 불충분하다. 기존의 전기자극을 기반으로 하는 ta-VNS는 이갑개정(cymba concha)을 초과하는 영역을 자극하기 때문에 원하지 않는 신경이 흥분될 수 있는 우려가 있다.
상대적으로 넓은 표면적을 갖는 전극이 확산된 자극 필드를 생성하는 ta-VNS와 대조적으로, 바늘전극을 이용하여 미주신경의 이개신경분지를 자극하는 방법(percutaneous auricular VNS, pa-VNS)은 최소 침습적 접근을 사용하여 보다 집중된 자극을 제공한다. 전기침을 이용한 pa-VNS는 자극되는 면적은 작지만 침습적이며 출혈을 야기할 수 있다는 문제점이 있다. 투과조명법(transillumination technique)을 이용하여 귀의 혈관들을 시각화하여 출혈을 피할 수 있다 하더라도 바늘 전극을 이용한 비침습적인 방법은 감염의 가능성이 존재한다. 따라서, 타겟인 이개신경분지(ABVN)을 자극할 수 있으면서 동시에 완전히 비침습적인 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이갑개정 (cymba concha)의 면적 이하의 애퍼처 (aperture)를 갖는 어플리케이터를 통해 신경조절이 가능한 수준의 집속 에너지를 갖는 밀리미터파(MMW)를 미주신경의 이개신경분지(auricular branch of the vagus nerve, ABVN)에만 국소적으로 전달하여 파인 포커싱(fine-focusing)한 비침습성 미주신경자극(VNS)을 수행할 수 있는 귀미주신경 자극장치 및 자극방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비침습적 귀미주신경 자극장치는, 소정 주파수 대역의 지속파를 생성하는 신호 발생기; 및 소정 크기의 애퍼처(aperture)를 갖는 어플리케이터;를 포함하고, 상기 어플리케이터는 상기 신호 발생기에서 발생한 지속파를 귀미주신경의 이개신경분지로 전달한다.
그리고, 상기 지속파(CW)는 30∼300GHz 범위의 주파수를 밀리미터파(MMW)일 수 있다.
또한, 상기 지속파(CW)는 60GHz의 ISM 대역의 주파수를 가질 수 있다.
그리고, 상기 어플리케이터는 소정 주파수 대역의 애퍼처를 갖는 도파관(wave-guide)와, 혼 안테나 또는 배열 안테나를 가질 수 있다.
또한, 상기 어플리케이터의 특성 임피던스는 인체 피부의 특성 임피던스와 소정 범위 이내의 유사도를 가질 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비침습적 귀미주신경 자극방법은, 소정 주파수 대역의 지속파를 생성하는 단계; 및 생성된 지속파를 어플리케이터를 통해 귀미주신경의 이개신경분지로 전달하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 밀리미터파를 이용한 귀미주신경 자극장치 및 자극방법에 의하면 완전히 비침습적인 방법으로, 원치 않는 비(非)미주신경을 불필요하게 자극하지 않고, 타겟인 이개신경분지(ABVN)만을 정확히 자극할 수 있게 된다.
도 1은 밀리미터파 애플리케이터의 애퍼처의 사이즈와 주파수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 외이 모델에 대한 밀리미터파 노출의 개념도(좌측) 및 외이 모델에 대한 전기 펄스 노출 개념도(우측)이다.
도 3은 피부와 연골 사이의 경계면의 단면에서의 전력 밀도 분포를 도시한다.
도 4는 다른 사이즈의 전극으로 전기 펄스를 인가한 경우의 전력 밀도 분포를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비침습적 신경 자극장치의 개념도(a) 및 외이의 자극 위치(b)를 도시한다.
도 6은 자극 전후 뇌신경 활동의 평균 전력 비율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 외이 모델에 대한 밀리미터파 노출의 개념도(좌측) 및 외이 모델에 대한 전기 펄스 노출 개념도(우측)이다.
도 3은 피부와 연골 사이의 경계면의 단면에서의 전력 밀도 분포를 도시한다.
도 4는 다른 사이즈의 전극으로 전기 펄스를 인가한 경우의 전력 밀도 분포를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비침습적 신경 자극장치의 개념도(a) 및 외이의 자극 위치(b)를 도시한다.
도 6은 자극 전후 뇌신경 활동의 평균 전력 비율을 나타내는 그래프이다.
귀미주신경의 전기자극은 우울증, 간질, 두통 및 뇌허혈을 포함한 다양한 상태에 사용되는 비침습적 신경조절 기술이다. 그러나 확산자극 (diffused stimulation)으로 인해 원치 않는 비(非)미주신경 자극이 발생할 수 있다.
본 발명은 밀리미터파(MMW)를 미주신경의 이개신경분지(auricular branch of the vagus nerve, ABVN)에 대한 자극으로 사용한다. 자극 영역의 크기는 어플리케이터의 애퍼처(aperture)를 둘러싼 영역으로 국한된다. 어플리케이터의 애퍼처는 파장과 관련이 있기 때문에 주파수가 증가할수록 어플리케이터의 애퍼처와 피부층에 형성되는 자극장의 크기가 감소한다. 이갑개정 (cymba concha)의 면적 이하의 애퍼처(aperture)를 갖는 어플리케이터를 통해 밀리미터파(MMW)를 미주신경의 이개신경분지(auricular branch of the vagus nerve, ABVN)에만 국소적으로 전달한다. 나아가 어플리케이터는 도파관 (wave-guide) 및 혼 안테나, 또는 배열 안테나를 가질 수 있다. 또한, 상기 어플리케이터의 특성 임피던스는 피부의 특성 임피던스와 유사한 값을 갖고, 최소한의 손실로 상기 지속파를 이개신경분지로 전달한다. 구체적으로, 어플리케이터의 특성 임피던스는 피부의 특성 임피던스와 소정 범위 이내의 유사도를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 소정 범위는 80% 이내일 수 있고, 바람직하게는 90∼95% 이내일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 95∼100% 이내일 수 있다. 한편, 지속파(CW)는 30∼300GHz 범위의 주파수를 밀리미터파(MMW)일 수 있으며, 바람직하게, 지속파(CW)는 60GHz의 ISM 대역의 주파수를 가질 수 있다.
본 발명은 인간 귓바퀴의 이갑개정(cymba concha) 내에 형성되는 정확한 자극장을 확인하는 전자기 시뮬레이션과 제안된 기술을 검증하는 동물 실험이 포함되어 있다.
따라서, 어플리케이터의 애퍼처는 쥐의 귓바퀴 외이 안에 있을 만큼 충분히 작아야 한다. 본 발명에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 표준 이득 혼 안테나와 비교하여 인간 및 쥐의 귓바퀴를 자극하는데 더 적합한 표준 직사각형 도파관을 사용했다.
시뮬레이션 및 실험에는 13dBm 출력 전력의 60GHz CW가 사용되었다.
도 2는 외이 모델에 대한 밀리미터파 노출의 개념도(좌측) 및 외이 모델에 대한 전기 펄스 노출 개념도(우측)를 도시한다. 인간의 귓바퀴의 신경 분포에 관한 연구에 따르면 외이의 신경은 진피와 연골막에 위치한다. 반면 표피 내에 존재하는 신경 섬유는 발견되지 않는다. 피부층의 가장 바깥쪽 신경이 진피와 표피 사이의 경계에 위치할 수 있다고 해석되었고, 해부학적 연구에 기초하여, 인간 외이에서 밀리미터파의 전파 특성의 정량적 분석을 위해 다음과 같은 추가적인 가정이 이루어졌다.
(1) 최외곽 신경은 표피와 진피의 경계면 (진피의 최상층)에 위치한다.
(2) ta-VNS의 자극전달은 외이에 있는 구심성 미주신경 말단의 액션 임펄스 (action impulse)에서 시작하며 뇌의 한 부분이 고립로핵(NTS)으로 이동한다. 따라서 진피 내의 ABVN은 밀리미터파에 의해 자극된다.
밀리미터파에 의한 생물학적 효과는 주파수와 SI 단위가 Wm2인 전력 밀도에 따라 달라진다. 본 발명에서 귓바퀴 피부 수용필드영역(cutaneous receptive field)의 외부 자극은 단위 시간당 입사 밀리미터파에 수직인 외이의 각 단위 면적을 통해 흐르는 에너지로 정의되었다. 단위 면적당 에너지의 속도를 포인팅(Poynting) 벡터 P라고 하며 SI 단위는 Wm2이다.
도 3은 피부와 연골 사이의 경계면의 단면에서의 전력 밀도 분포를 도시한다. 자극장의 크기가 커질수록 자극에 영향을 받는 신경섬유의 수가 증가한다. 자극장의 크기가 커질수록 자극에 영향을 받는 신경섬유의 수가 증가한다.
이갑개정(cymba concha)의 치수는 외이의 인체 측정에 기초하여 15.8mm ×6.8mm이다. 그러나, 상용 기기를 이용한 귀 부위의 전기 자극은 자극장의 크기가 약 2cm2로 이갑개정(cymba concha)의 경계를 넘는다.
전기 펄스는 최외각 신경에서 208.1mm2의 두 개의 겹치는 원을 형성했다. 밀리미터파는 최외각 신경에서 17.97mm2 크기의 원을 형성했으며, 이는 전기 펄스에 의해 형성된 것보다 91.4% 더 작다. 전기 펄스가 밀리미터파와 동일한 정도로 작은 자극장을 형성할 수 있는지 여부를 결정하기 위해 전극의 직경과 그 사이의 중심 간 거리를 각각 0.3mm와 0.8mm로 감소시켰다.
본 연구에서 모의된 전극의 직경은 전기 펄스를 이용한 ta-VNS의 최근 연구에서 사용된 전극의 직경보다 작다. 그러나, 시뮬레이션 결과 전극의 표면적이 감소되었음에도 불구하고 전기 펄스에 의해 형성되는 자극필드 (6.4mm×4.81mm)는 밀리미터파에 의해 형성되는 자극장보다 더 큰 것으로 확인되었다. 이는 전극의 크기를 작게 하는 것만으로 이갑개정(cymba concha) 영역만이 선택적으로 자극되지는 않는다는 것을 의미한다. 결국, 본 발명에서 사용된 전극은 이갑개정(cymba concha) 영역만을 선택적으로, 그리고, 집중적으로 자극할 수 있는 최적의 사이즈를 가짐을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비침습적 신경 자극장치의 개념도(a) 및 외이의 자극 위치(b)를 도시한다.
도 5의 (a)에 도시된 밀리미터파 시스템은 60GHz에서 지속파(CW, continuous wave)를 생성하기 위해 필요한 신호 발생기, 주파수 확장 모듈, 전력 증폭기를 포함한다.
출력은 3.8 mm×1.9mm의 애퍼처(aperture)를 갖는 개방형 WR15 표준 직사각형 도파관을 통해 방출된다.
외이에 대한 밀리미터파 기반 경피 자극의 두 가지 요인인 자극 강도과 자극 부위를 제어했다. 최소 자극 강도를 결정하기 위해 세 가지 다른 입사 전력(7, 10 및 13dBm)으로 이갑개정(cymba concha)에 밀리미터파를 조사(irradiation) 했다.
3개의 밀리미터파 자극이 오름차순으로 전달되었다. 13dBm 수준의 밀리미터파를 사용한 비침습적 자극도, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 2개의 외이 위치에서 수행되었다. 밀리미터파 자극을 위한 어플리케이터의 끝은 ta-VNS를 실행하기 위해 이갑개정(cymba concha)에 배치했다. ta-nonVNS의 경우, ta-VNS에 사용된 동일한 어플리케이터의 팁을 ABVN 분포 외부의 귓바퀴 외부 가장자리에 배치했다. 모든 경우에 대한 자극 절차는 OFF phase (소위 baseline phase) 및 ON phase의 두 phase로 이루어져있다. OFF phase의 1분 후, ON 단계의 1분이 시작되었고, 쥐의 귀 피부 표면에 밀리미터파 조사(irradiation)에 대한 뇌 반응이 기록되었다.
밀리미터파 기반의 ta-VNS 및 ta-nonVNS에 대한 응답으로 고립로핵(NTS)의 지역장 전위(Local Field Potential, LFP)의 변화를 모니터링 했고, 전력 스펙트럼 밀도(power spectral density, PSD)를 계산했다.
모든 데이터는 평균 ± 평균의 표준오차로 표현했다. 모든 경우에서 통계적 유의성은 *p<0.05로 설정되었다.
분석된 스펙트럼 주파수는 delta(1∼4Hz), theta(5∼8Hz), alpha(9∼14Hz), beta(15∼30Hz), low gamma(30∼50Hz), gamma high(50∼100Hz) 및 gamma very high(100∼150Hz)로 구분되었다. 각 주파수 대역의 전력 값은 아래 수학식 1과 같이 계산되었다.
각 자극 조건에 대한 전력 변화는 아래 수학식 2와 같이 계산되었다.
이때, LFP powerON은 관심 주파수 범위에서 합산된 ON phase 전력, LFP powerOFF는 베이스라인(baseline)(OFF phase) 전력을 의미한다.
도 6은 고립로핵 (NTS)에서 신경 활동의 평균 전력 비율을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 8의 (a)는 delta 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율, (b)는 theta 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율, (c)는 alpha 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율, (d)는 beta 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율, (e)는 gml 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율, (f)는 gmH 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율, 그리고, (g)는 gmVH 주파수 밴드에서의 평균 전력 비율을 나타낸다. 이는 LFP 전력의 변화를 의미한다.
Case A, B, C 및 D는 다음과 같은 실험 조건을 나타낸다.
* Case A: MMW의 7dBm 입사 전력을 갖는 ta-VNS
* Case B: MMW의 10dBm 입사 전력을 갖는 ta-VNS
* Case C: MMW의 13dBm 입사 전력을 갖는 ta-VNS
* Case D: MMW의 13dBm 입사 전력을 갖는 ta-nonVNS
delta에서 alpha까지의 주파수 범위에서는 고립로핵(NTS)에서 LFP의 유의한 변화는 관찰되지 않았다. 그러나, beta에서 gamma very high(gmVH)까지의 주파수 범위에서는 Case C와 D에서 NTS에서 LFP의 유의한 변화가 관찰되었다. 그 결과는 다음과 같다.
1) Case A, B, C는 NTS에서 beta와 gamma low(gmL) power에 큰 변화가 없었다. 그러나, Case D는 NTS에서 베타 및 gmL 검정력의 유의한 감소를 유도했다(beta power: P=0.031, gmL power: P=0.031). baseline과 비교한 평균 전력 비율은 0.890 (beta powe: 11.0±4.4% 감소) 및 0.892(gmL power: 10.8±2.8% 감소)였다.
2) Case C는 고립로핵(NTS)에서 gamma high(gmH) 전력의 상당한 증가를 유도했다(P=0.016). baseline과 비교한 평균 전력 비율은 1.086(8.6±2.0% 증가)이었다. 그러나 Case D는 NTS에서 유의한 gmH power 변화를 나타내지 않았다.
3) Case C는 NTS에서 gmVH power의 유의한 증가를 보였다(P=0.031). baseline과 대비 평균 전력 변화율은 1.182(18.2±5.9% 증가)였다. 그러나 Case D는 큰 변화를 보이지 않았다.
4) Case A와 Case B는 NTS에서 gmH와 gmVH power 값에 큰 변화를 보이지 않았다. 그러나, 밀리미터파 기반 ta-VNS의 입사 전력이 7, 10, 13dBm으로 증가함에 따라 NTS의 gmH 및 gmVH 전력이 점차 증가하는 경향을 보였다.
상술한 테스트 결과는 13dBm의 입사 전력을 가진 60GHz CW가 고립로핵의 변조를 유도한다는 것을 보여주었다. 또한, gmH 및 gmVH 대역의 주파수 범위에서 ABVN의 밀리미터파 자극에 대한 뇌 반응은 자극 수준에 비례하였다.
또한, 밀리미터파를 사용하는 ta-nonVNS가 NTS에서 gmL 전력을 유의하게 감소시킨 결과는 밀리미터파 자극이 ABVN의 존재 여부에 따라 분명히 다른 반응을 나타냄을 시사한다.
상술한 시뮬레이션은 60GHz에서 외이 모델을 전파하는 CW가 ABVN에 의해 분포되는 영역에만 영향을 미치는 자극 필드를 형성할 수 있음을 보여주었다. 동물 실험에서 밀리미터파 기반의 경피적 ABVN 자극이 고립로핵(NTS)을 신경조절(modulate)할 수 있음을 확인했다. 또한 이러한 발견은 밀리미터파가 쥐의 귓바퀴에서 밀리미터 규모의 국소적인 자극 영역을 가지고 있음을 시사한다.
본 발명에 따른 비침습적 귀미주신경 자극방법은, 소정 주파수 대역의 지속파를 생성하는 단계, 및 생성된 지속파를 어플리케이터를 통해 귀미주신경의 이개신경분지로 전달하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 비침습적 귀미주신경 자극방법의 상세 구성은, 위에서 설명한 비침습적 귀미주신경 자극장치의 동작 방법과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 소정 주파수 대역의 지속파를 생성하는 신호 발생기; 및
소정 크기의 애퍼처(aperture)를 갖는 어플리케이터;를 포함하고,
상기 어플리케이터는 상기 신호 발생기에서 발생한 지속파를 귀미주신경의 이개신경분지로 전달하는, 비침습적 귀미주신경 자극장치. - 제1항에 있어서,
상기 지속파(CW)는 30∼300GHz 범위의 주파수를 밀리미터파(MMW)인, 비침습적 귀미주신경 자극장치. - 제2항에 있어서,
상기 지속파(CW)는 60GHz의 ISM 대역의 주파수를 갖는, 비침습적 귀미주신경 자극장치. - 제1항에 있어서,
상기 어플리케이터는 소정 주파수 대역의 애퍼처를 갖는 도파관(wave-guide)와, 혼 안테나 또는 배열 안테나를 갖는, 비침습적 귀미주신경 자극장치. - 제1항에 있어서,
상기 어플리케이터의 특성 임피던스는 인체 피부의 특성 임피던스와 소정 범위 이내의 유사도를 갖는, 비침습적 귀미주신경 자극장치. - 소정 주파수 대역의 지속파를 생성하는 단계; 및
생성된 지속파를 어플리케이터를 통해 귀미주신경의 이개신경분지로 전달하는 단계;를 포함하는, 비침습적 귀미주신경 자극방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020220027636A KR20230130442A (ko) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | 밀리미터파를 이용한 귀미주신경 자극장치 및 자극방법 |
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Publications (1)
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| KR20230130442A true KR20230130442A (ko) | 2023-09-12 |
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ID=88020100
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| KR (1) | KR20230130442A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210006395A (ko) | 2018-04-26 | 2021-01-18 | 이노베이티브 헬스 솔루션즈, 인크. | 귀 신경장 자극 디바이스 |
-
2022
- 2022-03-03 KR KR1020220027636A patent/KR20230130442A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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