KR20230145703A - 경두개 직류자극술(tDCS)용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경두개 직류 자극술용 전극에 관한 것으로, 전극은 비전도성 실리콘으로 형성된 하우징, 전도성 실리콘으로 형성된 전극기판부, 스펀지층을 고정하기 위해 비전도성 물질로 구성된 니들부 및 일측은 상기 전극기판부와 접하도록 형성되며, 다른 일측은 두피에 접촉하도록 형성된 스펀지층을 포함하며, 상기 스펀지층은 복수개의 층상구조로 이루어지며, 전극기판부는 전류 생성부에 연결되어 상기 전극에 전류를 공급하도록 형성된 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극에 관한 것이다.

Description

경두개 직류자극술(tDCS)용 전극{Electrode for Transcranial Direct Current Stimulation}

이 출원발명은 경두개 직류자극술(tDCS)용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다층구조의 스펀지를 포함하는 전극을 제조함으로써 두피 특정부위로 전류 밀도가 몰리는 현상을 방지할 수 있는 전극에 관한 것이다.

뇌는 인체 머리의 내부 기관으로 신경계의 최고 중추기관이며, 대뇌, 소뇌, 중간뇌, 다리뇌, 연수로 나뉘어진다. 뇌는 뉴런 활동 준위의 합이 뇌의 표피에서 측정되는 신호인 뇌파를 발생하는데, 뇌의 뉴런 활동을 제어할 수 있도록 외부로부터 전기적인 자극을 가해주는 두뇌 자극술이 꾸준히 연구개발이 이루어지고 있다.

두뇌 자극술은 크게 침습식 두뇌자극술(invasive brain stimulation)과 비침습식 두뇌자극술(non-invasive brain stimulation)로 구분된다.

침습식 두뇌자극술은 수술을 통해 전극을 뇌에 침투시키고 전기 신호를 인가하는 방법이며, 비침습식 두뇌자극술은 두개골 내부로 전극을 침습하지 않고 뇌를 자극하여 소정의 효과를 달성하는 방법이다.

구체적인 두뇌자극술로는, 심부 전기 자극법(deep electrical stimulation), 경두개 자기 자극법(TMS: transcranial magnetic stimulation), 경두개 전기 자극법(TES: transcranial electrical stimulation), 경두개 직류 자극법(tDCS: transcranial direct current stimulation) 및 경두개 랜덤 노이즈 자극법(tRNS:transcranial random noise stimulation) 등이 있다.

이 가운데 경두개 직류 자극법(tDCS)을 이용한 뇌 전기 자극 기술은, 상대적으로 간단한 비침습식 두뇌자극술 가운데 하나로써, 인지 능력 향상이나 우울증, ADHD(Attention Deficit Hyperactivity Disorder), 간질, 치매, 수면장애 등 다양한 뇌신경 질환 치료에 효과가 있는 것으로 알려져 있어 이와 관련된 많은 연구가 활발히 이루어지고 있다.

경두개 직류 자극(tDCS) 장치를 이용하여 뇌를 자극하는 방법은, 직류 전류를 발생시키는 경두개 직류 자극(tDCS) 장치에 양극 전극(Anode)과 음극 전극(Cathode)을 연결하여, 양극 전극(Anode)에 전류를 주입하면 전류는 대뇌를 거처 음극 전극(Cathode)으로 다시 들어오게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이 기존 경두개 직류 자극(tDCS) 장치에서 사용되는 전극은 식염수를 적신 스펀지와 피부 사이에 전도율의 차이로 인해 두피와 전극의 접촉면에서 전류밀도가 전극 가장자리로 몰리는 현상이 발생한다. 이는 두피를 자극하여 통증을 유발하거나 발진, 두피 화상을 유발하는 문제점이 있다.

국내공개특허공보 제10-2011-0138917호(2011.12.28.자 공개) 국내등록특허 제10-2130198호(2019.08.21.자 공개)

본 발명의 적어도 하나의 실시예가 이루고자 하는 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 따른 전극은 다층구조의 스펀지층을 형성하고, 스펀지층의 전기 전도도를 상부에서 하부로 갈수록 점차적으로 낮아지도록 함으로써 특정 영역에 전류밀도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.

특히, 전극 내부의 전기전도도를 점차적으로 낮추어 전극과 두피가 접촉하는 부분의 전기전도도를 두피표면과 유사하도록 전극을 제조함으로써 특정 영역에 전류밀도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로, 다층구조의 스펀지층을 가지는 tDCS용 전극을 제공한다.

또한, 본 발명 전극의 하부 스펀지층은 상부 스펀지층보다 공극의 크기가 작고, 공극의 밀도가 낮으며, 이에 스펀지층의 전기 전도도가 상부에서 하부로 갈수록 점진적으로 낮아지도록 하여, 두피 표면에서 특정 부위에 전류밀도가 높아지는 것을 방지할 수 있도록 한다.

이 발명에 따른 다층구조의 스펀지를 포함하는 전극은 상부에서 하부로 갈수록 전기 전도도가 점진적으로 낮아지도록 함으로써, 두피와 접촉되는 면에서 전극 가장자리로 전류밀도가 몰리는 현상을 방지할 수 있다. 이를 통해 두피 통증을 예방하고, 경두개 직류자극술로 인한 두피 발진, 화상 등을 예방할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 종래 전극의 문제점을 도시화한 도면이다.
도 2는 경두개 직류 자극술을 도시화한 도면이다.
도 3은 종래 경두개 직류 자극술용 전극을 도시화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 직류 자극술용 전극의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 모델을 사용한 시뮬레이션 결과를 도시화한 도면이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 별명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

명세서 전체에서 "경두개 직류 자극 장치"는 두피에 연결된 양극 전극(Anode)과 음극 전극(Cathode)에 전류를 주입하여 대뇌의 목표 자극 위치에 전기적 자극을 가하는 장치를 지칭하며, "전극"은 두피에 접촉되어 전류를 주입하는 구성요소를 지칭한다.

경두개 직류 자극 장치(transcranial Direct Current Stimulation, tDCS)는 전극에 주입하는 전류를 생성하는 전류 생성부, 전류를 주입할 전극에 대한 선택 및 각 전극에 주입하는 전류의 양을 제어하는 제어부 및 복수의 전극을 포함할 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다.

임피던스 매칭(Impedance matching)은 전자공학 등에서 전기 부하의 입력 임피던스 또는 그와 일치하는 소스의 출력 임피던스를 설계하기 위한 방법으로, 부하의 시그널 리플렉션을 최소화하거나 전력 공급을 최대화하기 위해 사용된다. 본 발명은 임피던스 매칭(Impedance matching)에 의한 전극설계 방법에 일 예로, 전극 내부의 전기전도도를 점진적으로 낮추어 두피와 접촉하는 전극표면의 전기전도도를 두피 표면과 유사 또는 동일하도록 설계하는 기술에 해당한다.

도 1은 기존 경두개 직류 자극술용 전극의 접촉면에서 전극 가장자리로 전류밀도가 몰리는 현상을 나타내는 도면이며, 도 2는 경두개 직류 자극술을 도시화한 도면이며, 도 3은 기존 경두개 직류 자극술용 전극을 도시화한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 경두개 직류 자극 장치용 전극은 전도성 실리콘으로 구성된 전극에 식염수를 적신 단일층의 스펀지가 부착되어 두피와 접촉되게 된다. 기존 전극의 경우, 전극 접촉부와 피부 사이의 전도율의 매우 크며, 이 차이로 인해 두피와 전극의 접촉면에서 전류밀도가 전극 가장자리에 몰리는 현상이 발생하였으며, 이로 인해 통증을 유발하거나 화상, 발진 등의 부작용을 야기하기도 하였다.

이하에서는 이 발명의 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 직류 자극술용 전극의 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극은 비침습형 전극인 것을 특징으로 한다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전극(100)은 하우징(110), 전극기판부(120), 니들부(130), 스펀지층(140)을 포함할 수 있다.

필요에 따라 하우징(110)은 비전도성 실리콘으로 형성될 수 있으며, 전극의 형상을 유지하고 견고성을 증대시켜줄 수 있다.

전극기판부(120)는 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예로 전극기판부는 전도성 실리콘으로 형성될 수 있다. 전극기판부(120)는 경두개 직류 자극 장치의 전류 생성부에 연결되어 전극에 전류를 공급하도록 형성된다.

필요에 따라 니들부(130)는 비전도성물질로 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 전극은 비침습형 전극에 해당하는 바, 니들부(130)의 말단은 후술하는 스펀지층(140)을 고정할 수 있는 고정구조를 포함하여 형성될 수 있다. 필요에 따라, 니들부(130)의 외주를 따라 절연성 물질로 형성된 절연부를 포함할 수 있다.

스펀지층(140)은 복수개의 층상구조로 이루어질 수 있다. 상부 스펀지층(141)은 전극기판부(120)와 접하도록 형성되며, 하부 스펀지층(142)은 두피에 접하도록 형성될 수 있다. 필요에 따라 스펀지층(140)은 서로 다른 전류밀도를 갖는 층상구조를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면 스펀지층(140)의 층상구조는 상부 스펀지층(141)의 전기 전도도가 하부 스펀지층(142)의 전기 전도도보다 높을 수 있다.

보다 구체적으로, 상부 스펀지층(141)은 하부 스펀지층(142)보다 공극의 밀도가 높을 수 있다. 또한, 상부 스펀지층(141)의 공극의 크기는 하부 스펀지층(142)의 공극의 크기보다 크도록 구성될 수 있다. 두 개 이상의 스펀지층이 구비되는 경우, 공극의 밀도는 상부 스펀지층(141)에서 하부 스펀지층(142)으로 갈수록 점진적으로 낮아질 수 있으며, 공극의 크기도 상부 스펀지층(141)에서 하부 스펀지층(142)으로 갈수록 점진적으로 작아질 수 있다. 전극에 사용되는 스펀지층(140)은 식염수에 침지된 상태로 사용되는 바, 공극이 크고, 밀도가 높을수록 높은 전기 전도도를 가지게 된다. 이에 스펀지층의 공극의 크기 및 밀도를 조절함으로써 전기 전도도를 조절할 수 있다.

필요에 따라, 하부 스펀지층(142)의 전기전도도는 두피 표면의 전기전도도와 유사 또는 동일한 것을 특징으로 한다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 4개의 층을 가진 스펀지층을 포함할 수 있다. 스펀지층(140)은 상층에서 하층으로 내려갈수록 전기 전도도가 점진적으로 작아지도록 설계될 수 있다.

필요에 따라, 스펀지층을 구성하는 복수개의 층상구조는 동일한 두께를 가질 수 있으며, 필요에 따라 각기 다른 두께를 가질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 모델을 사용한 시뮬레이션 결과를 도시화한 도면이다. 이에 사용된 전극 모델은 2개의 층(레이어)를 가진 스펀지를 사용하였으며, 상부층(전도성 실리콘과 접하는 층)의 전기 전도도는 1.4 S(지멘스, Siemens)/m로 고정한 상태에서 하부층의 전기 전도도를 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.0, 1.4, 1.7 S/m로 변경하면서 전극 접촉면의 전류 밀도를 확인하는 방식으로 진행되었다. 도 5(a)는 해당 실험의 시뮬레이션 결과를 위치에 따른 전류밀도 그래프로 도시화한 도면이다. 도 5(b)는 전류밀도가 가장 높은 케이스 즉, 상부층의 전기 전도도가 1.4 S/m, 하부층의 전기전도도가 1.7 S/m일 때 전류밀도 분포에 대한 시뮬레이션 그림이며, 도 5(c)는 전류밀도 분포가 가장 낮은 케이스인 상부층의 전기 전도도가 1.4 S/m, 하부층의 전기전도도가 0.1 S/m일 때 전류밀도 분포에 대한 시뮬레이션 그림이다. 두피의 전도도는 약 0.43 S/m이다.

시뮬레이션 결과, 전기 전도도가 다른 복수의 스펀지층을 가지는 전극을 제조함으로써 전극과 두피의 접촉면에서 전류 밀도가 특정부위에 집중되는 특성을 완화시켰으며, 이에 따라 최대 전류밀도의 크기를 감소시킴으로써 같은 전류를 뇌에 작용시키면서도 두피에 자극을 감소시킬 수 있었다.

즉, 본 발명은 다층구조의 스펀지를 포함하는 전극을 구비하며, 해당 전극의 상부 스펀지층(전극기판부에 접하는 측)에서 하부 스펀지층(두피와 접하는 측)으로 갈수록 전기 전도도가 점진적으로 낮아지도록 설계함으로써, 하부 스펀지층의 전기 전도도가 두피의 전기 전도도와 유사 또는 동일하도록 전극을 설계할 수 있다. 이를 통해 해당 면에서 전극 가장자리로 전류밀도가 몰리는 현상을 방지하였다. 이는 전극 접촉에 따른 두피 통증을 예방하고, 경두개 직류자극술로 인한 두피 발진, 화상 등을 예방할 수 있을 것으로 보인다.

본 발명의 또 다른 실시예는 위에 언급한 전극을 포함하는 경두개 직류 자극 장치에 관한 것이다. 다만, 이러한 구조는 tDCS용 전극에 한정될 것이 아니라 자동제세동기(AED)나 물리치료기 등 신체에 전극을 부착하여 전류를 인가하는 장치에 다양하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 경두개 직류 자극술 전극에 사용되는 스펀지에 관한 것이다. 이러한 스펀지는 복수개의 층상구조로 이루어지며, 스펀지의 전기 전도도는 상부 스펀지층에서 하부 스펀지층으로 갈수록 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.

100: 전극 110: 하우징
120: 전극기판부 130: 니들부
140: 스펀지층

Claims (10)

1. 경두개 직류 자극술용 전극(100)에 있어서,
   상기 전극은 두피에 접촉하도록 형성된 비침습형 전극인 것을 특징으로 하고,
   상기 전극은,
   비전도성 실리콘으로 형성된 하우징(110);
   전도성 실리콘으로 형성된 전극기판부(120);
   스펀지층을 고정하기 위해 비전도성 물질로 구성된 니들부(130);및,
   일측은 상기 전극기판부와 접하도록 형성되며, 다른 일측은 두피에 접하도록 형성된 스펀지층(140);을 포함하며,
   상기 스펀지층은,
   복수개의 층상구조로 이루어지며,
   상기 전극기판부(120)는,
   전류 생성부에 연결되어 상기 전극에 전류를 공급하도록 형성된 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 스펀지층(140)은,
   서로 다른 전류밀도를 갖는 층상구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 스펀지층(140)의 층상구조는,
   상기 상부 스펀지층(141)의 전기 전도도가 하부 스펀지층(142)의 전기 전도도보다 높은 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 스펀지층(140)의 전기 전도도는,
   상기 상부 스펀지층(141)에서 하부 스펀지층(142)으로 갈수록 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
5. 제3 항에 있어서,
   상기 스펀지층(140)은,
   상부 스펀지층(141)의 공극의 밀도는 하부 스펀지층(142)의 공극의 밀도보다 높고,
   상부 스펀지층(141)의 공극의 크기는 하부 스펀지층(142)의 공극의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 스펀지층(140)의 공극의 크기는,
   상부에서 하부로 갈수록 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하며,
   상기 스펀지층(140)의 공극의 밀도는,
   상부에서 하부로 갈수록 점진적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
7. 제5 항에 있어서,
   상기 하부 스펀지층(142)의 전기전도도는,
   두피 표면의 전기전도도와 유사 또는 동일한 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
8. 제2 항에 있어서,
   상기 스펀지층(140)은,
   네 개의 층을 포함하며,
   상부에서 하부로 갈수록 스펀지층의 전기 전도도는 작아지는 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술용 전극.
   
9. 제1 내지 제8 항의 전극을 포함하는 경두개 직류 자극 장치.
   
10. 경두개 자극술 전극에 사용되는 스펀지에 있어서,
    상기 스펀지는,
    복수개의 층상구조로 이루어지며,
    상기 스펀지의 전기 전도도는,
    상부 스펀지층(141)에서 하부 스펀지층(142)으로 갈수록 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 경두개 직류 자극술 전극용 스펀지.