KR20240105513A - 다기능 폐쇄 루프 신경 피드백 자극 디바이스 및 그 방법 - Google Patents
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- A61M2021/0072—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis by the use of a particular sense, or stimulus with application of electrical currents
Abstract
본 발명은 적어도 하나의 헤드 장착 디바이스; 적어도 하나의 전력 공급 유닛; 적어도 하나의 통신 유닛; 적어도 하나의 마이크로컨트롤러; 적어도 하나의 외부 디바이스; 및 적어도 하나의 클라우드-기반 저장 디바이스를 포함하는 뇌 자극 시스템을 개시한다.
Description
본 발명은 감각 데이터에 따라 특정 뇌 기능들을 실시간으로 조작, 변경 또는 향상시키는 신경 자극 및 신경 감지 디바이스들 및 방법들의 분야에 관한 것이다.
신경 변조 분야의 전극 시스템들은 전기 신호들을 피검자로 송신하는 데 사용되며, 피검자로부터 신호들을 검출하거나 측정하는 데 사용할 수 있다. 그러나, 전기 자극 및/또는 신호 검출을 위한 현재의 전극 시스템들은 피검자와 시스템의 전극(들) 사이의 부적절한 접촉, 피검자와 시스템의 전극(들) 사이의 견고하지 않은 접촉, 전극 시스템을 사용하는 동안의 피검자의 불편함, 및/또는 복수의 전기 시뮬레이션 또는 생체-신호 검출 패러다임들 내에서의 제한된 사용을 포함하는 많은 이유들로 불충분하다. 이러한 기술의 다른 문제점은, 일반적으로 장비가 매우 비싸고 평균의 사용자에 대해 작동시키기 어렵다는 것이다. 또한, 전기 자극을 제공하는 방법들은 많은 이유들로 부적절하다.
특허 출원 US20150066104호는 사용자가 시간 윈도우 동안 작업들의 세트를 수행할 때 사용자에게 전기 자극을 제공하기 위한 방법을 설명하며, 이 방법은, 자극 파라미터 및 일부의 세트를 특징으로 하는 전기 자극 처치를 시간 윈도우와 연관된 사용자의 뇌 영역에 제공하는 단계; 작업들의 세트의 각 작업에 대하여, 사용자의 신경 논리 상태를 특징화하는 신호 스트림을 수신하는 단계; 신호 스트림으로부터, 작업과 연관된 신경 논리 상태를 특징화하는 신경 논리 서명을 식별하는 단계; 및 신경 논리 서명에 기초하여 사용자의 뇌 영역에 제공된 전기 자극 처치를 변조하는 단계를 포함하고, 변조하는 단계는, 최대 한계 아래의 시간 윈도우 동안 제공된 처치의 자극 파라미터의 총량을 유지하면서, 전기 자극 처치의 일부들의 일부의 세트의 일부를 사용자의 뇌 영역에 전달하는 단계를 포함한다.
특허 US8954152호는 뇌 상태의 증상 완화와 연관되는 바람직한 뇌 상태를 강화시키기 위한 방법들 및 장치들을 개시한다. 기술들은 하나 이상의 뇌 신호들을 모니터링하고 하나 이상의 뇌 신호들, 환자의 뇌 상태의 하나 이상의 증상들의 감소와 연관된 바람직한 뇌 상태에 기초하여 바람직한 뇌 상태의 에피소드를 검출하는 것을 포함한다. 그런 다음, 바람직한 뇌 상태 에피소드의 검출에 응답하여, 바람직한 뇌 상태를 강화시키는 전기 자극이 환자의 뇌에 전달되고, 각각의 바람직한 뇌 상태 에피소드를 검출하기 위해 개방되는 시간 윈도우 내에 전기 자극이 전달된다.
특허 US8914115호는, 생체 전기 뇌 신호들이 의료 디바이스에 의해 환자의 뇌의 하나 이상의 영역들에서 모니터링될 수 있음을 개시한다. 모니터링된 생체 전기 신호들은 환자의 장애를 처치하기 위해 전달되는 치료를 위해 하나 이상의 치료 사이클 파라미터, 예를 들어, 온(on) 사이클 지속 시간 및/또는 오프(off) 사이클 지속 시간을 선택하는 데 사용될 수 있다. 일례에서, 치료의 오프-사이클 지속 시간은 온 사이클 동안의 치료의 전달에 후속하는 환자의 감지된 뇌 신호들로부터 결정된 워시아웃(washout) 기간에 기초하여 선택될 수 있다. 다른 예에서, 치료의 온 사이클 지속 시간 및/또는 오프 사이클 지속 시간은 환자의 장애의 효과적인 처치와 연관되는 특성에 대해 정의된 타겟 값의 임계 범위 내에서 환자의 뇌 신호(예를 들어, 피질 활동)의 하나 이상의 특성 값을 유지하도록 선택될 수 있다.
특허 출원 WO2016179407A1호는 피검자의 수면 방추들(sleep spindles)과 같은 진동하는 뇌 활동의 버스트들(bursts)을 변조하기 위한 방법들을 개시한다. 본 발명은 피검자의 기억 또는 인지 기능을 향상시키는 방법 및 피검자의 진동하는 뇌 활동의 버스트를 검출하고 피검자의 두개골을 통해 진동 전류를 흐르게 함으로써 피검자의 수면 방추들의 발생, 구조, 진폭 및/또는 동기화의 빈도를 변조 또는 강화하는 방법을 추가로 개시한다.
특허 출원 WO2016046830A2호는 국소 뇌 자극 도구를 구성하는 방법을 개시한다. 이 방법은, 기준 뇌 네트워크 활동(BNA: brain network activity) 패턴을 획득하는 단계를 포함하고, BNA 패턴은 피검자의 신경 생리학적 상태를 설명하고, BNA 패턴들의 각각은 복수의 노드들을 갖고, 각각의 노드는 뇌 위치 및 적어도 하나의 뇌파 주파수를 나타낸다. 이 방법은 BNA 패턴들을 비교하는 단계; 및 비교에 기초하여 선택된 주파수에서 국소 뇌 자극을 적용하도록 국소 뇌 자극 도구를 구성하는 단계를 더 포함한다.
특허 출원 US20160022168A1호는 전기 뇌 바이오마커들(biomarkers)의 거의 실시간 분석으로 전기 두뇌 바이오마커들을 측정함으로써 뇌 가소성(plasticity)을 평가하기 위한 장치 및 방법을 개시하며, 여기서 적어도 하나의 바이오마커의 증가 또는 감소는 자극 또는 처치에 반응하는 뇌 가소성의 상태를 나타낸다. 뇌 가소성은 예를 들어 학습을 위한 최상의 시간을 결정하기 위해 추가 자극으로 또는 추가 자극 없이 측정될 수 있다. 또한, 환자에게 전기적 자극 또는 약물 자극을 가함으로써 신경 논리 질환 트라우마를 처치하기 위한 방법이 제공되며, 여기서 자극은 환자의 전기 뇌 바이오마커의 변화에 따라 증가되거나 감소된다. 이 처치는 거의 실시간으로 이루어질 수 있으므로, 처치 과정이 환자의 요구에 따라 즉시 맞춤화될 수 있다.
특허 US8267851호는 피검자에게 루시드(lucid) 꿈을 유도하는 방법을 개시한다. 뇌 상태 동조 신호는 회로에서 생성된다. 변환기는 뇌 상태 동조 신호에 기초하여 뇌에서 루시드 꿈을 유발하기에 충분한 종류의 파형을 인가한다. 뇌 상태 동조 신호는 동조 주파수보다 높은 주파수의 반송파를 변조한다. 파형은 우선 피검자에 인가되고, 그 후 루시드 꿈을 시도하기 위해 제거된다. 파형은 전기, 광, 음향 또는 자기 파형일 수 있다.
특허 출원 WO2016110804A1호는 하나 이상의 웨어러블 디바이스들(즉, 팔다리, 몸, 머리 또는 다른 신체 말단에 부착되거나 적용되지만, 이식 또는 생리학적으로 부착 가능한 시스템에도 적용 가능함)을 개시한다. 이 시스템들은 관련 파라미터들의 모니터링에 적용 가능한 진단 또는 예측 모니터링 및 이벤트들의 발생 또는 검출 또는 관심 있는 건강 상태들에 적용 가능한 대응하는 분석 결정 및 특징화를 가능하게 하는 수단을 갖는다. 하나의 어플리케이션은 수면 모니터링 및 관련 EEG 센서들과 관련된다.
위에 개시된 모든 특허 문헌들이 이 기술의 일부 측면을 설명하고 있지만, 사용자에게 자극을 제공하기 위한 새롭고 유용한 방법 및 시스템에 대한 신경 변조 분야에서의 필요성이 여전히 존재한다. 본 발명은 (의료, 웰니스(wellness) 및 레크리에이션 분야들에서) 평균의 사용자에 대한 결과를 달성하고 유지하는데 도움을 주고 일상적인 경험을 향상시키는 데 도움을 주는 수단들 및 방법들을 제공한다. 간단한 명령들과 지정된 어플리케이션을 통해 사용자에 의해 제어되는 사전 설정된 자극 프로토콜로 전극들의 올바른 배치를 보장하는 고유한 설계들을 가짐으로써 이와 같이 수행된다.
본 발명의 범위는 뇌 자극 시스템을 제공하는 것이며, 뇌 자극 시스템은: 적어도 하나의 헤드 장착 디바이스로서: 적어도 하나의 자극 구성 요소로서: 적어도 하나의 디지털 대 아날로그 유닛; 적어도 하나의 드라이버; 적어도 하나의 제1 커넥터; 및 적어도 하나의 제1 전극을 포함하는, 적어도 하나의 자극 구성 요소; 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소로서: 적어도 하나의 프론트-엔드 구성 요소; 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 유닛; 적어도 하나의 제2 커넥터; 및 적어도 하나의 제2 전극을 포함하는 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소; 적어도 하나의 전력 공급 유닛; 적어도 하나의 통신 유닛; 적어도 하나의 마이크로컨트롤러로서: 적어도 하나의 프로세서; 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행 가능한 명령들이 저장된 적어도 하나의 비일시적인 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함하는, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 포함하는, 적어도 하나의 헤드 장착 디바이스; 적어도 하나의 외부 디바이스; 적어도 하나의 클라우드-기반 저장 디바이스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 적어도 하나의 제2 전극은 그 성능을 위해 임의의 종류의 외부 도전성 습윤 재료들을 필요로 하지 않고; 상기 드라이버는 높은 DC 정밀도, 높은 입력 공통 모드 범위, 고정밀 매칭 저항들 및 넓은 전압 공급 범위를 갖는 양방향 전류 소스를 제공함으로써, 정현 자극 파들을 포함하는 다양한 자극 파들의 생성을 가능하게 하는 아키텍처를 특징으로 한다.
본 발명의 추가적인 범위는 뇌 자극 시스템을 제공하는 것이며, 뇌 자극 시스템은: 적어도 하나의 헤드 장착 디바이스로서: 적어도 하나의 자극 구성 요소로서: 적어도 하나의 디지털 대 아날로그 유닛; 적어도 하나의 드라이버; 적어도 하나의 제1 커넥터; 및 적어도 하나의 제1 전극을 포함하는, 적어도 하나의 자극 구성 요소; 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소로서: 적어도 하나의 프론트-엔드 구성 요소; 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 유닛; 적어도 하나의 제2 커넥터; 및 적어도 하나의 제2 전극을 포함하는, 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소; 적어도 하나의 안테나; 적어도 하나의 전력 수집 모듈을 포함하는, 적어도 하나의 헤드 장착 디바이스; 적어도 하나의 제어 유닛으로서: 적어도 하나의 전력 공급 유닛; 적어도 하나의 무선 통신 유닛; 적어도 하나의 마이크로컨트롤러로서: 적어도 하나의 프로세서; 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행 가능한 명령들이 저장된 적어도 하나의 비일시적인 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함하는, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 포함하는, 적어도 하나의 제어 유닛; 적어도 하나의 클라우드-기반 저장 디바이스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 적어도 하나의 제2 전극은 그 성능을 위해 임의의 종류의 외부 도전성 습윤 재료들을 필요로 하지 않고; 상기 드라이버는 높은 DC 정밀도, 높은 입력 공통 모드 범위, 고정밀 매칭 저항들 및 넓은 전압 공급 범위를 갖는 양방향 전류 소스를 제공함으로써, 정현 자극 파들을 포함하는 다양한 자극 파들의 생성을 가능하게 하는 아키텍처를 특징으로 한다.
본 발명의 범위는 뇌 자극 디바이스를 제공하는 것이며, 뇌 자극 디바이스는: 적어도 하나의 자극 구성 요소로서: 적어도 하나의 디지털 대 아날로그 유닛; 적어도 하나의 드라이버; 적어도 하나의 제1 커넥터; 및 적어도 하나의 제1 전극을 포함하는, 적어도 하나의 자극 구성 요소; 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소로서: 적어도 하나의 프론트-엔드 구성 요소; 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 유닛; 적어도 하나의 제2 커넥터; 및 적어도 하나의 제2 전극을 포함하는, 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소; 적어도 하나의 전력 공급 유닛; 적어도 하나의 통신 유닛; 적어도 하나의 마이크로컨트롤러로서, 적어도 하나의 프로세서; 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행 가능한 프로토콜들 및 명령들이 저장된 적어도 하나의 비일시적인 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함하는, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 포함하고, 적어도 하나의 제1 전극 및 적어도 하나의 제2 전극은 그 성능을 위해 임의의 종류의 외부 도전성 습윤 재료들을 필요로 하지 않고; 드라이버는 높은 DC 정밀도, 높은 입력 공통 모드 범위, 고정밀 매칭 저항들 및 넓은 전압 공급 범위를 갖는 양방향 전류 소스를 제공함으로써, 정현 자극 파들을 포함하는 다양한 자극 파들의 생성을 가능하게 하는 아키텍처를 특징으로 한다.
본 발명의 추가적인 범위는 뇌 자극 디바이스를 제공하는 것이며, 뇌 자극 디바이스는: 적어도 하나의 자극 구성 요소로서: 적어도 하나의 디지털 대 아날로그 유닛; 적어도 하나의 드라이버; 적어도 하나의 제1 커넥터; 및 적어도 하나의 제1 전극을 포함하는, 적어도 하나의 자극 구성 요소; 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소로서: 적어도 하나의 프론트-엔드 구성 요소; 적어도 하나의 아날로그 대 디지털 유닛; 적어도 하나의 제2 커넥터; 및 적어도 하나의 제2 전극을 포함하는, 적어도 하나의 뇌 기능 모니터 구성 요소; 적어도 하나의 안테나; 적어도 하나의 전력 수집 모듈; 적어도 하나의 제어 유닛으로서: 적어도 하나의 전력 공급 유닛; 적어도 하나의 무선 통신 유닛; 적어도 하나의 마이크로컨트롤러로서, 적어도 하나의 프로세서; 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행 가능한 명령들이 저장된 적어도 하나의 비일시적인 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함하는, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 포함하는, 적어도 하나의 제어 유닛을 포함하고, 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 적어도 하나의 제2 전극은 그 성능을 위해 임의의 종류의 외부 도전성 습윤 재료들을 필요로 하지 않고; 드라이버는 높은 DC 정밀도, 높은 입력 공통 모드 범위, 고정밀 매칭 저항들 및 넓은 전압 공급 범위를 갖는 양방향 전류 소스를 제공함으로써, 정현 자극 파들을 포함하는 다양한 자극 파들의 생성을 가능하게 하는 아키텍처를 특징으로 한다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 통신 유닛은, 셀폰; 태블릿; 스마트워치; 전용 디바이스; 클라우드-기반 디바이스; 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 외부 디바이스로 정보를 전달하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 자극 구성 요소는: 전기 자극 전극; 자기 자극 전극; 적외선 자극 광섬유; 초음파 자극 변환기; 음향 자극 디바이스; 광 자극 디바이스; 냄새 자극 디바이스; 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 자극 구성 요소는 적어도 하나의 보호 유닛을 더 포함하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 통신 유닛은 유선 또는 무선 중 어느 하나일 수 있는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 자극 구성 요소는: 알파(alpha); 베타(beta); 감마(gamma); 델타(delta); 세타(theta); 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 뇌 파들을 자극하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 자극 구성 요소는 약 0.01 Hz 내지 약 5000 Hz의 주파수를 갖는 파들에서 자극하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 시스템은 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 것이다. 상기 적어도 하나의 센서는: 자기 센서들; 심박 센서; 모션 센서; 혈압 센서; 인장 센서; 적외선 센서; 전도도 센서; 압전 센서; 가속도계; 자이로스코프; 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 적어도 하나의 센서는: 소리, 음향, 진동, 화학, 전류, 전위, 자기, 라디오, 환경, 날씨, 수분, 습도, 흐름, 유체 속도, 이온화 방사선, 아원자 입자들, 내비게이션 기구들, 위치, 각도, 변위, 거리, 속도, 가속도, 광학, 광, 이미징, 광자, 압력, 힘, 밀도, 레벨, 열(thermal), 열(heat), 온도, 근접성, 존재와, 심박수, 뇌전도(electroencephalography; EEG), 심전도(electrocardiogram; ECG), 근전도(electromyography; EMG), 눈전위도(electrooculography; EOG), 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging; fMRI), 운동, 눈 운동, 각성, 호흡, 혈압, 신경 전달 물질들, 대사 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터의 생물학적 기능들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 감지하도록 구성되는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 디바이스는 상기 적어도 하나의 센서에 의해 상기 적어도 하나의 감지 구성 요소와 상기 적어도 하나의 자극 구성 요소의 위치 결정을 인식하도록 구성되는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터-판독 가능 매체는 상기 적어도 하나의 헤드 장착 디바이스의 올바른 위치 결정을 확인하기 위한 명령들을 더 포함하고, 상기 명령들은: 상기 적어도 하나의 감지 구성 요소 및 상기 적어도 하나의 자극 구성 요소의 상기 위치 결정에 관한 정보를 수신하는 단계; 상기 정보를 미리 규정된 올바른 위치 측정 데이터와 비교하는 단계; 상기 정보가 상기 미리 규정된 올바른 위치 측정 데이터와 동일한 경우, 명령들로 계속 진행하는 단계; 상기 정보가 상기 미리 규정된 올바른 위치 측정 데이터와 동일하지 않은 경우, 사용자에게 보정 위치 결정 명령들을 제공하는 단계를 포함하는 올바른 위치 결정을 확인하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 적어도 하나의 무선 통신 유닛은: Wi-Fi; 블루투스(Bluetooth); BLE; RF; NFC; 오디오(Audio); 지그비(Zigbee); 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 클라우드-기반 디바이스는 상기 디바이스, 상기 프로토콜들, 상기 명령들, 상기 사용자들과 관련되고, 이들로부터/이들로 수집된 모든 데이터를 수집하도록 구성되는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는 상술한 시스템들 및 디바이스들 중 임의의 것을 제공하고, 상기 디바이스는 헤드밴드, 헬멧, 시계, 베개 필링(filling), 헤드보드, 수면 마스크, 샤워 캡, 모자, 링, 팔찌, 목걸이, 임플란트로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 형태를 갖도록 구성되는 것이다.
본 발명의 범위는 뇌 자극을 위한 방법을 제공하는 것이며, 뇌 자극을 위한 방법은: 상술한 디바이스를 제공하는 단계; 상기 디바이스를 사용자의 머리 상에 장착하는 단계; 프로토콜 단계들을 수행하기 위해 디바이스를 활성화하는 단계를 포함하고, 다음의 프로토콜 단계들은: i. 뇌 활동을 감지하는 단계; ii. 상기 뇌 활동 및 상기 뇌 활동의 주요 특징들을 결정하는 단계; iii. 상기 뇌 활동 및 상기 주요 특징들에 관한 정보를 저장하는 단계; iv. 미리 정해진 자극 프로토콜에 따라 자극을 시작하는 단계; v. 상기 뇌 활동이 원하는 뇌 활동 패턴에 도달했는지를 감지하는 단계; vi. 도달하지 않은 경우, 단계 v의 결과들에 기초하여 또는 저장된 자극 파라미터들 이력에 기초하여 자극 파라미터들을 변경하는 단계; vii. 도달한 경우, 뇌 자극을 중지하고 자극 파라미터들 이력을 저장하는 단계; viii. 상기 프로토콜의 종료까지 상기 원하는 뇌 활동 패턴의 연속성을 보장하기 위해 상기 뇌 활동을 연속적으로 감지하는 단계; ix. 상기 뇌 활동이 원하는 뇌 활동 패턴과 매칭되지 않는 경우; 단계 iv로 복귀하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 범위는, 상기 자극을 시작하는 단계가 약 0.01 Hz 내지 약 5000 Hz의 주파수를 갖는 파들을 사용하여 수행되는 상기 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, 상기 자극을 시작하는 단계가: 알파; 베타; 감마; 델타; 세타; 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 뇌 파들을 사용하여 수행되는 상기 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, 상기 뇌 활동 및 상기 주요 특징들에 관한 상기 정보를 저장하는 단계 및 상기 자극 파라미터들 이력을 저장하는 단계가: 셀폰; 태블릿; 스마트워치; 전용 디바이스; 클라우드-기반 디바이스; 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 외부 디바이스 상에서 수행되는 상기 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, 심박수, EEG, ECG, EMG, EOG, fMRI, 운동, 눈 운동, 각성, 호흡, 혈압, 신경 전달 물질들, 대사로 이루어진 그룹으로부터의 생물학적 기능들을 모니터링하는 단계를 더 포함하는 상기 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, a. 사용자의 베타 활동의 레벨을 결정하는 단계; b. 약 20 Hz 및 약 200 내지 약 1500 μA에서 자극하여, 베타 활동을 자극하는 단계; c. 베타 활동에서의 진동들의 내생적 변화를 검출하는 단계; d. 상기 베타 활동에서의 진동들의 상기 내생적 변화가 예측과 같은 경우: 상기 베타 활동에서의 진동들을 유지하기 위해 자극을 유지하는 단계; e. 상기 감마 활동에서의 진동들의 상기 내생적 변화가 예측과 같지 않은 경우: 주파수를 변경하고 단계(b)로 복귀하는 단계를 포함하는 프로토콜을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, a. 사용자의 감마 동작의 레벨을 결정하는 단계; b. 약 40 내지 약 60 Hz 및 약 500 μA에서 배외측 전전두피질(DLPFC)을 자극하여 감마 활동을 자극하는 단계; c. 감마 활동에서 진동들의 내생적 변화를 검출하는 단계; d. 감마 활동에서의 진동들의 상기 내생적 변화가 예측과 같은 경우: 상기 감마 활동에서의 진동을 유지하기 위해 자극을 유지하는 단계; e. 상기 감마 활동에서의 진동들의 상기 내생적 변화가 예측과 다른 경우: 주파수를 변경하고 단계(b)로 복귀하는 단계를 포함하는 프로토콜을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, a. 약 250 μA에서 및 약 60 Hz에서 1차 시각 피질(V1); 약 270 μA에서 및 약 10 Hz에서 우하 두정 피질; 및 약 0.5-1 mA 및 약 2 내지 약 5 KHz에서 1차 운동 피질을 동시에 자극하는 단계를 포함하는 프로토콜을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, a. 사용자의 두뇌 활동을 이용하고 자극으로 사용자의 내생적 알파 활동을 증가하여 외부 주의 프로세스들을 자극하는 단계; b. 60 Hz 자극을 사용하여 V1 부위를 자극하는 단계; c. 직류 전류 자극(tDCS: direct current stimulation) 및 약 1000 내지 약 2000 Hz의 고주파수 자극을 제공하여 운동 피질을 자극하는 단계; d. 상기 사용자의 반응 시간을 향상시키기 위해 전두 및 운동 피질을 약 60 내지 약 90 Hz로 자극하는 단계를 포함하는 프로토콜을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 범위는, a. 상기 사용자의 뇌 활동을 측정하는 단계; b. 뇌 활동의 이상을 인식하는 단계; 및 c. 상기 뇌 활동을 정상적인 베이스라인으로 가져오기 위해 자극하는 단계를 포함하는 프로토콜을 제공하는 것이다.
본 발명의 비한정적인 실시예들은, 개략적이며 스케일대로 도시되도록 의도되지 않은 첨부 도면들을 참조하여 예시의 방식으로 설명될 것이다. 도면들에서, 나타내어진 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 통상적으로 단일 숫자로 나타내어진다. 명료함을 위해, 모든 구성 요소가 모든 도면에 표기되는 것은 아니며, 나타낸 본 발명의 각 실시예의 모든 구성 요소도 아니고, 여기서 도시는 본 기술 분야의 통상의 기술자가 본 발명을 이해할 수 있게 하기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 헤드 디바이스의 일반적인 일 실시예이다.
도 2는 본 발명의 헤드 디바이스의 일반적인 다른 실시예이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명의 구성 요소들의 실시예들의 개략도들이다.
도 6은 본 발명의 드라이버의 구성의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 전원 유닛의 구성의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 건식 전극들의 개략적인 실시예들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 방법들의 흐름도들이다.
도 11은 사용자의 머리에 있는 자극 포인트들의 위치의 개략도이다.
도 12는 서로에 대해 라이딩(riding)하는 상이한 주파수들을 갖는 2개의 파들의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 헤드 디바이스의 일반적인 일 실시예이다.
도 2는 본 발명의 헤드 디바이스의 일반적인 다른 실시예이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명의 구성 요소들의 실시예들의 개략도들이다.
도 6은 본 발명의 드라이버의 구성의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 전원 유닛의 구성의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 건식 전극들의 개략적인 실시예들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 방법들의 흐름도들이다.
도 11은 사용자의 머리에 있는 자극 포인트들의 위치의 개략도이다.
도 12는 서로에 대해 라이딩(riding)하는 상이한 주파수들을 갖는 2개의 파들의 개략도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이 설명은 본 발명이 구현될 수 있는 모든 상이한 방식들 또는 본 발명에 추가될 수 있는 모든 특징들의 상세한 카탈로그가 되도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예와 관련하여 설명된 특징들은 다른 실시예들에 통합될 수 있고, 특정 실시예와 관련하여 설명된 특징들은 그 실시예로부터 삭제될 수 있다. 또한, 본 발명으로부터 벗어나지 않는, 본원에서 제시된 다양한 실시예들에 대한 많은 변형들 및 부가들은 본 발명에 비추어 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 이하의 명세서는 본 발명의 몇몇 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 그 순열들, 조합들 및 변형들을 철저히 특정하도록 의도되지는 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 본 발명의 설명에 사용된 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하려고 의도된 것은 아니다. 본원에 인용된 모든 간행물들, 특허 출원들, 특허들, 특허 간행물들 및 기타 참고 문헌들은 그 참조가 제시된 문장 및/또는 문단과 관련된 교시를 위해 그 전체가 참조로 통합된다.
어떤 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층에 대해 "위에(on)", "부착되어(attached to)", "접속되어(connected to)", "커플링되어(coupled to)", "함께 커플링되어(coupled with)" 또는 "접촉하는(contacting)" 것으로 칭해질 때, 이는 다른 요소 또는 층에 직접 접속되거나 커플링될 수 있거나, 개재 요소들 또는 층들이 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 반대로, 요소가 다른 요소 또는 층에 "직접 그 위에(directly on)", "직접 접속되어(directly connected to)" 또는 "직접 커플링되는(directly coupled to)" 것으로 칭해질 때, 개재 요소들 또는 층들은 존재하지 않는다. 또한, 다른 구조 또는 피처에 "인접하게(adjacent)" 배치된 구조 또는 피처에 대한 언급은 인접한 구조 또는 피처와 중첩되거나 그 아래에 놓이는 부분들을 가질 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다.
본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명의 양태들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함)로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 양태들은 회로들, 모듈들, 디바이스들 및/또는 시스템들로 칭해지는 하드웨어/소프트웨어의 다양한 조합들에 관하여 본원에서 예시되고 설명될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 프로그램 코드가 내부에 구현된 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다.
컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터 판독-가능 매체 신호 매체 및 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 매체가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 명령 실행 시스템에 의해 또는 명령 실행 시스템과 관련하여 사용하기 위해 매체에 구현된 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체(예를 들어, 비일시적 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체) 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취한다. 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체는 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위해 프로그램을 포함 및/또는 저장할 수 있는 임의의 유형의(tangible) 매체일 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체는 전자, 광학, 전자기, 적외선 또는 반도체 시스템, 장치 또는 디바이스 또는 이들의 임의의 적절한 조합일 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독-전용 메모리(ROM), 소거 가능 프로그래머블 판독-전용 메모리(EPROM 또는 플래시(Flash) 메모리), 중계기를 갖는 광섬유, 휴대용 컴팩트 디스크 판독-전용 메모리(CD-ROM), 광학 저장 디바이스, 자기 저장 디바이스 또는 이들의 임의의 적절한 조합에 구현된다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 명령 실행 시스템에 의해 또는 컴퓨터 실행 시스템과 관련하여 사용하기 위해 매체에 구현된 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 신호 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취한다. 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 신호 매체는 컴퓨터 사용-가능 또는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체가 아니며, 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위해 프로그램을 전달, 전파 및/또는 운송할 수 있는 임의의 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 매체일 수 있다. 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 신호 매체는 내부에 구현된 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 프로그램 코드를 갖는 전파된 데이터 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 신호 매체는 기저 대역 또는 반송파로 구현된 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 전파된 데이터 신호는 전자기 및 광학을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 전파된 데이터 신호는 유선 및 무선 통신 채널들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적절한 매체를 사용하여 전달, 전파 및/또는 송신될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 본 발명의 양태들은 LAN, 인터넷, 공중 전화 스위칭 네트워크, 블루투스(Bluetooth), WLAN 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 통해 송신되는 컴퓨터-사용 가능 또는 컴퓨터-판독 가능 신호 매체로 구현된다.
본 발명의 양태들에 대한 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 자바(Java), 스칼라(Scala), 스몰토크(Smalltalk), 에펠(Eiffel), JADE, 에머랄드(Emerald), C++, C#, VB.NET, 파이썬(Python) 등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어, "C" 프로그래밍 언어, 비주얼 베이직(Visual Basic), 포트란(Fortran) 2003, 펄(Perl), 코볼(COBOL) 2002, PHP, ABAP와 같은 통상의 절차적 프로그래밍 언어들, 파이썬, 루비(Ruby) 및 그루비(Groovy)와 같은 동적 프로그래밍 언어들 또는 다른 프로그래밍 언어들을 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어들의 임의의 조합으로 기록될 수 있다. 프로그램 코드는 사용자 컴퓨터 상에 전체로(예를 들어, 평가 포털 상에 전체로), 사용자 컴퓨터 상에 일부로(예를 들어, 평가 포털 상에 일부로), 독립형 소프트웨어 패키지로, 사용자 컴퓨터 상에 일부 및 원격 컴퓨터 상에 일부로(예를 들어, 평가 포털 상에 일부 및 평가 허브 상에 일부로) 또는 원격 컴퓨터 또는 서버 상에 전체로(예를 들어, 평가 허브 상에 전체로) 실행될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 근거리 네트워크(LAN) 또는 광역 네트워크(WAN)를 포함하는 임의의 유형의 네트워크를 통해 사용자 컴퓨터에 접속될 수 있거나, 접속은 (예를 들어, 예를 들어 인터넷 서비스 공급자를 사용하여 인터넷을 통해) 외부 컴퓨터로 또는 클라우드 컴퓨팅 환경에서 이루어질 수 있거나 서비스로서의 소프트웨어(SaaS: Software as a Service)와 같은 서비스로서 제공될 수 있다.
본원에서 사용되는 단수 형태들 "어느(a)", "어떤(an)" 및 "그(the)"는 문맥 상 분명하게 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것으로 의도된다.
본원에서 사용되는 용어 "대략(about)"은 질량, 투여량, 시간, 온도 등의 양과 같은 측정 가능한 값과 관련하여 사용될 때, 특정량의 ±20 %의 편차를 포함하는 것을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "및/또는"은 하나 이상의 관련 열거된 항목들의 임의의 조합 및 모든 조합들을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "포함하다(comprise)", "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포괄하다(include)", "포괄하다(includes)" 및 "포괄하는(including)"은 언급된 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성 요소들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성 요소들 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본원에 사용되는 용어 "향상시키다" 및 "증가시키다" (및 그의 문법적 변형)는 적어도 약 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 %, 100 %, 125 %, 150 %, 175 %, 200 %, 250 %, 300 % 이상의 특정된 파라미터에서의 증가를 나타낸다.
본원에서 사용되는 용어 "억제하다" 및 "감소시키다" (및 그의 문법적 변형)는 적어도 약 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 %, 99 % 이상의 특정된 파라미터에서의 감소를 나타낸다.
본원에서 사용되는 용어 "피검자" 또는 "사용자"는 인간 피검자들 및 쥐들(mice), 쥐들(rats), 토끼들, 고양이들, 개들, 돼지들, 말들, 원숭이들, 유인원들 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 동물 피검자들 모두를 나타낸다. 피검자는 남성 또는 여성일 수 있다. 피검자는 유아, 청소년, 청년, 성인 및 노인 연령대를 포함하여 임의의 적절한 연령대일 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법들, 디바이스들 및 시스템들은 의학적 진단 및/또는 치료 목적을 위해 피검자의 생리 학적 및/또는 심리적 반응들을 유도하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법들, 디바이스들 및 시스템들은 의료 연구 또는 수의학적 목적을 위해 쥐들(mice), 쥐들(rats), 돼지들 및 원숭이들과 같은 포유류 피검자들을 진단 및/또는 처치하는 데 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "센서(들)"는 다음과 같이 소리, 음향, 진동, 자동차, 운송, 화학, 전류, 전위, 자기, 라디오, 환경, 날씨, 수분, 습도, 흐름, 유체 속도, 이온화 방사선, 아원자 입자, 내비게이션 도구, 위치, 각도, 변위, 거리, 속도, 가속, 광학, 광, 이미징, 광자, 압력, 힘, 밀도, 레벨, 열(thermal), 열(heat), 온도, 근접성, 존재와 같은 유형으로부터의 센서를 나타낸다.
용어 "뇌 기능 모니터들"은 이하에서 EEG 감지 전극들과 같이 사용자의 뇌 기능을 모니터링할 수 있는 임의의 센서 수단을 나타낸다.
신경 진동들은 모든 레벨에서 중추 신경계 전반에서 관찰되며, 스파이크 트레인(spike trains), 국소적인 필드 포텐셜 및 뇌파 검사(EEG: electroencephalography)에 의해 측정될 수 있는 대규모 진동들을 포함한다. 일반적으로 진동은 그 주파수, 진폭 및 위상으로 특징화될 수 있다. 이러한 신호 특성들은 시간-주파수 분석을 사용하여 신경 기록들로부터 추출될 수 있다. 대규모 진동들에서, 진폭 변화들은 국소 동기화로도 칭해지는 신경 앙상블 내의 동기화의 변화들로부터 인한 것으로 고려된다. 국소 동기화에 추가하여, 원거리 신경 구조들(단일 뉴런 또는 신경 앙상블)의 진동 활동이 동기화될 수 있다. 신경 진동들 및 동기화는 정보 전달, 인식, 운동 제어 및 기억과 같은 많은 인지 기능들에 링크되었다.
신경 진동들은 많은 뉴런들의 그룹들에 의해 생성된 신경 활동에서 가장 광범위하게 연구되어 왔다. 대규모 활동은 EEG와 같은 기술로 측정될 수 있다. 일반적으로, EEG 신호들은 핑크 잡음과 유사한 넓은 스펙트럼 컨텐츠를 갖지만, 또한 특정 주파수 대역들에서 진동 활동을 나타낸다. 가장 먼저 발견되고 가장 잘 알려진 주파수 대역은 이완된 각성 중에 후두엽에서 검출될 수 있으며, 눈이 감겼을 때 증가하는 알파 활동(7.5 Hz 내지 12.5 Hz)이다. 다른 주파수 대역들은 델타(1 Hz 내지 4 Hz), 세타(4 Hz 내지 8 Hz), 베타(13 Hz 내지 30 Hz) 및 감마(30 Hz 내지 70Hz) 주파수 대역이며, 여기서 감마 활동과 같은 더 빠른 리듬들이 인지 프로세싱에 링크되어 있다. 실제로 EEG 신호들은 수면 중에 극적으로 변하고, 더 빠른 주파수들로부터 알파 파들과 같은 점점 더 느린 주파수들로의 천이를 나타낸다. 사실, 상이한 수면 단계들은 통상적으로 스펙트럼 컨텐츠에 의해 특징화된다. 결과적으로, 신경 진동들은 인식과 의식과 같은 인지 상태와 링크되어 있다.
인간 뇌 활동의 신경 진동들은 EEG 기록들을 사용하여 대부분 조사되지만, 또한 단일-유닛 기록들과 같은 보다 침습적인 기록 기술들을 사용하여 관찰된다. 뉴런들은 활동 전위 또는 스파이크들의 리듬 패턴들을 생성할 수 있다. 몇몇 유형의 뉴런들은 소위 공진들인 특정 주파수들에서 발화하는 경향을 갖는다. 버스팅(bursting)은 리듬 스파이킹의 다른 형태이다. 스파이킹 패턴들은 뇌의 정보 코딩에 대한 기본으로 고려된다. 진동 활동은 또한 임계 이하 막 전위 진동(즉, 활동 전위가 없는 상태)의 형태로 관찰될 수 있다. 많은 뉴런들이 동기하여 스파이킹하면, 국소 필드 전위에서 진동을 일으킬 수 있다. 정량적 모델들은 기록된 데이터에서 신경 진동의 강도를 추정할 수 있다.
신경 진동들은 통상적으로 수학적 틀에서 연구되고, "신경 동역학(neurodynamics)" 분야, 뇌 기능을 설명할 때 신경 활동의 동적 특성에 강한 중점을 두는 인지 사이언스의 연구 영역에 속한다. 이는 뇌를 동적 시스템으로 고려하고, 미분 방정식을 사용하여 시간이 따라 신경 활동이 어떻게 전개되는지 설명한다. 특히, 이는 뇌 활동의 동적인 패턴들을 지각 및 기억과 같은 인지 기능들과 관련시키는 것을 목표로 한다. 매우 추상적인 형태로, 신경 진동들은 분석적으로 분석될 수 있다. 보다 생리적으로 현실적인 설정에서 연구될 때, 진동 활동은 일반적으로 계산 모델의 컴퓨터 시뮬레이션들을 사용하여 연구된다.
신경 진동들의 기능들은 광범위하며, 상이한 유형의 진동 활동에 따라 다르다. 예들은 심장 박동과 같은 리듬 활동의 생성 및 대상의 형상 및 색상과 같은 지각에서의 감각적 피처의 신경 바인딩이다. 신경 진동들은 또한 파킨슨병을 가진 환자의 간질 또는 발작에서의 발작 활동 중 과도한 동기화와 같은 많은 신경계 장애에서 중요한 역할을 한다. 진동 활동은 또한 피험자가 특정 뇌 리듬의 진폭을 변경하여 외부 디바이스를 제어할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스들의 외부 디바이스들을 제어하는 데 사용될 수 있다.
디바이스
저렴하고, 경량이고, 컴팩트하고 및 용이하게 작동되는 디바이스를 제공하는 것이 본 발명의 하나의 범위이다. 디바이스는 더 많은 또는 별개의 기능들을 달성하기 위해 추가 요소들에 접속되거나 통합되는 기능들을 추가로 포함한다.
일반적으로, 디바이스가 적절하게 기능하기 위해서는 적어도 하나의 자극기, 적어도 하나의 검출기(또는 센서) 및 그 적절한 구성 요소(이하 참조)를 갖는 적어도 하나의 전기 보드를 포함해야 한다.
본 발명은 디바이스에 대한 적어도 2개의 가능한 실시예를 제공한다:
1. 필요한 모든 구성 요소를 포함하는 헤드 디바이스.
2. 자극기들 및 뇌 기능 모니터들만을 포함하는 헤드 디바이스.
모든 것을 갖춘 헤드밴드
디바이스의 빌딩 블록은 다음과 같다:
1. 데이터 프로세싱, 무선/유선 통신을 수행하는 전자 회로는 전기 드라이버 회로를 포함하며, 저잡음 수신기 증폭기들을 포함한다.
2. 시스템 전원을 켜기 위해 일반적인 또는 재충전 가능한 배터리를 포함하는 배터리 팩.
3. 자극 전극들.
4. EEG 감지 전극들.
본 발명의 일부 실시예들에서, 디바이스는 그의 머리에 사용자에 의해 착용될 수 있는 케이싱 내에 배치된 몇몇 전극들을 포함한다. 본 발명은 신경 파형들을 생성하고 기록하는 데 사용되는 스마트 헤드밴드를 개시한다.
이하 도 1을 참조하면, 본 발명의 헤드밴드의 예시적인 실시예를 나타낸다. 헤드밴드(1000)는 주로 전기 보드(1001) 및 일련의 전극들(1002)을 포함한다. 본 실시예에서는, 8개의 전극들이 있다. 자극 및 모니터링될 필요가 있는 뇌 영역에 따라 전극들의 다른 구성이 이루어질 수 있음은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
헤드밴드는 사용자의 머리에 견고하고 안전하게 맞추어지도록 구성된다. 헤드밴드는 장시간 동안 편안하게 착용되도록 설계된다.
몇몇 실시예들에서, 헤드밴드는 EEG 감지 전극들(뇌 기능 모니터들로도 알려짐)(미도시)을 더 포함한다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 디바이스의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다. 디바이스(2000)는 전기 보드(1001)를 포함하는 중앙 피스에 모두 접속된 몇 개의 레그들(legs)(1003)을 포함한다. 각 레그(1003)를 따라, 몇몇 전극들(1002)이 등거리들 또는 가변 거리들로 분포된다. 각각의 전극(1002)은 다른 전극과 독립적으로 활성화될 수 있다. 각 전극(1002) 부근에는, 사용자로부터 정보를 수신할 수 있는 센서(미도시)가 또한 있다(이하 참조).
향상된 감지
견고하고 사용자-친화적인 시스템을 달성하기 위해, 새로운 유형의 전극들이 시스템과 통합된다. 하나의 옵션은 국부 증폭기로 커패시터를 사용하여 통상 EEG로 검출된 작은 전류를 검출하는 것이며, 이는 심지어 피부와 직접 접촉하지 않아도 이러한 신호들을 검출할 수 있을 것이다. 다른 옵션은 자기장의 변화를 감지할 수 있는 코일을 사용하는 것이다(이 영역들에서 전기 활동에 대한 양호한 표시를 제공함). 또 다른 옵션은 부드러운 빗의 형상으로 성형될 수 있는 도전성 중합체들 또는 도전성 고무들을 사용하는 것이며, 이러한 방식으로 털을 통과하여 피부에 직접 접촉할 수 있을 것이다.
바람직한 실시예에서, 센서들은 서로로부터 그들의 위치를 "감지"하기 위해 서로 통신할 수 있다. 하나의(또는 그 이상의) 기준점들을 사용하여, 디바이스는 하나의(또는 그 이상의) 다리들이 올바른 위치에 있지 않음을 사용자에게 전달할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 전기 보드(100)의 일 실시예를 상세하게 나타낸다. 본 예에서, 전기 보드(100)는 배터리(30)로부터 분리된다. 다른 실시예들에서, 배터리(30)는 전기 보드(100) 내에 포함될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 무선 충전이 사용되고 전용 전력 축전기가 사용된다.
전기 보드(100)는 보드의 모든 구성 요소들에 전력을 공급할 수 있는 전력 공급 유닛 및 전력 조절기(10)를 포함한다. 마이크로컨트롤러(11)는 메모리 및 프로그램 가능 입력/출력 주변 장치들과 함께 하나 이상의 CPU들(프로세서 코어들)을 포함한다. 이는 또한 강유전성 RAM, NOR 플래시 또는 칩 상의 OTP ROM뿐만 아니라 소량의 RAM의 형태의 프로그램 메모리를 포함할 수 있다. 전기 보드(100)의 모든 구성 요소들은 마이크로컨트롤러(11)에 접속된다.
마이크로컨트롤러(11)는 디지털-대-아날로그 변환기(D2A-12)에 접속된다. D2A(12)는 마이크로컨트롤러(11)로부터의 디지털 커맨드를 자극 전극들(16)에 대한 아날로그 신호로 변환한다. 일련의 독립적인 라인들이 D2A(12)로부터 나와서 자극 전극들(16)에 대한 커넥터들(15)에 대한 서지 보호기(14)를 통해 특정 드라이버들(13)로 간다. 모니터링 수단으로서, 정보/원격 측정이 드라이버들(13)로부터 수집되어 아날로그-대-디지털 변환기(A2D-17)를 통해 마이크로컨트롤러(11)로 다시 전송된다.
마이크로컨트롤러(11)는 또한 수신된 신호들을 분석할 수 있는 EEG 프론트 엔드(18)에 커플링된다. 그런 다음, EEG 프론트 엔드(18)는 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환하고 상기 신호들을 증폭하도록 인에이블된 프론트 엔드(19)에 커플링되고, 마지막으로 뇌 기능 모니터 전극들(21)의 커넥터들(20)에 커플링된다.
마이크로컨트롤러(11)는 또한 Wi-Fi/블루투스/BLE(또는 임의의 다른 무선 통신 구성 요소) 디지털 유닛(22)에 추가로 커플링되며, 이는 그 후 Wi-Fi/블루투스 아날로그 유닛(23)에 접속되며, 이는 마지막으로 안테나(24)에 접속된다.
마지막으로, 마이크로컨트롤러(11)는 필요시 시스템의 제어, 업데이트, 디버깅을 인에이블하는 USB 커넥터(25)에 접속된다. 일부 실시예들에서, USB 커넥터를 사용하는 대신에, 시스템의 제어, 업데이트, 디버깅은 무선 통신 구성 요소들을 통해 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 디바이스는 외부 디바이스의 필요 없이 클라우드에 직접 통신할 수 있다.
일반적으로, 디바이스는 사용자의 특정 기술들, 감각들 또는 능력들을 변경/향상/감소시킬 수 있는 상이한 진폭들(예를 들어, 0.01 mA 내지 5 mA) 및 주파수들(예를 들어, 0.001 Hz 내지 250 kHz)로 자극한다.
이 디바이스는 생체 활동(예를 들어, EEG, 심박수, EOG 등)을 검출하는 분리 가능한 감지 요소들과 뇌의 별개의 부분들을 자극하는 자극 요소들(예를 들어, 전극들)로 구성된다. 뇌를 타겟으로 하지 않는 (오디오 자극을 위한 이어폰과 같은) 다른 자극/기록 장치, (연습하면서 이를 사용하고 이들에 대해 더욱 안정적일 필요가 있는 운동 선수들과 같은) 상이한 조건들에 대한 추가적인 보호를 제공할 수 있는 보호 기어와 같은 추가적인 기능들을 제공하기 위해 다른 부분들이 디바이스와 통합될 수 있다.
디바이스는 많은 형태들을 가질 수 있으며, 일부는 착용 가능하고 일부는 착용 가능하지 않으며, 예를 들어, 헤드밴드, 헬멧, 시계, 베개 필링, 헤드보드, 수면 마스크, 샤워 캡, 모자, 링, 팔찌, 목걸이, 내부 디바이스(임플란트: 당신의 뇌, 인공 치아 등에 대한 전극 어레이)가 있다.
디바이스는 배터리들로 작동하고 몇 시간까지 계속 실행되는 경량의 웨어러블 시스템이 되도록 구성된다.
디바이스는 펌웨어 업그레이드와 같은 추가 피처를 가질 수 있는 외부 충전기를 가질 수 있다.
자극기들 및 뇌 기능 모니터들만을 포함하는 헤드밴드
본 발명의 다른 실시예에서, 헤드밴드는 주로 자극기들, 뇌 기능 모니터들 및 최소 지원 하드웨어(즉, 무선 구성 요소들, 마이크로컨트롤러, 전력 공급 어댑터 등)를 포함한다.
아이디어는 극도로 가볍고 착용하기에 편안한 디바이스를 제공하는 것이다. 디바이스는 주 커맨드들이 수행되는 지원 장치를 갖는다. 상기 지원 장치는 전용 "블랙 박스" 또는 모바일 디바이스일 수 있다. 또한, 본 실시예에서, 헤드밴드는 내장 배터리를 포함하지 않을 수 있다.
본 실시예에서, 헤드밴드는 외부 디바이스에 포함된 프로토콜에 따라 피검자를 자극하기 위해 외부 디바이스로부터 명령들을 수신한다. 헤드밴드는 뇌 기능 모니터들로부터 정보를 수신하여 분석을 위해 외부 디바이스로 다시 이를 전달한다. 외부 디바이스는 분석을 수행하고 필요한 경우 추가적인 자극 명령들을 다시 헤드밴드로 전달한다.
외부 디바이스는 클라우드와 직접 통신하여 관련 정보를 전달하고 수신한다.
이제 도 4를 참조하면, 실시예(200)의 부분들을 개략적으로 나타낸다. 제어 유닛(201)은 전체 시스템에 필요한 에너지를 제공하는 전원(10)을 포함한다. 이는 또한 디바이스의 액션을 조정 및 활성화하는 마이크로-컨트롤러(11)를 포함한다. USB 커넥터(25)도 포함된다. 마이크로-컨트롤러(11)는 무선 프론트엔드(31)에 접속되고, 이는 그 후 드라이버(13)에 접속되고, 그 후 안테나(24'b)에 접속된다. 안테나(24'b)는 안테나(24'b2)를 통해 자극 전극 유닛(202)에 에너지 및 명령들을 전달하는 데 사용된다. 에너지는 자극 전극 유닛(202)에 필요한 에너지를 제공하는 것을 담당하는 전력 수집 모듈(10')에 전달된다. 아날로그 복조기(33)는 안테나(24'b2)에 접속된다. 유사한 드라이버(13)가 아날로그 복조기(33) 다음에 배치된다. 그 후 보호 유닛(14), 마지막으로 전극(16)이 배치된다. 감지 전극(203) 유닛은 증폭기(32)에 접속되고 그 후 다른 아날로그 복조기(33)에 접속되는 전극(21)을 포함한다. 정보는 안테나(24'a2)를 통해 송신된다. 감지 전극 유닛(203)은 안테나(24'a3)를 통해 에너지를 수신하고, 에너지는 전력 수집 모듈(10')에 저장된다. 감지 전극 유닛(203)으로부터 전달된 정보는 안테나(24'a)에 의해 수신된 후, 증폭기(32)에 의해 증폭되고, 다른 무선 프론트엔드(31)를 통과하여 분석을 위해 마이크로-컨트롤러로 전달된다. 제어 유닛(201)은 송신/수신을 위해 안테나(24)에 접속되는 Wi-Fi/BT(또는 유사한) 아날로그 유닛을 통해 마이크로-컨트롤러(11)로부터/로 정보를 수신/전달하는 Wi-Fi/BT(또는 유사한) 디지털 유닛을 더 포함한다.
이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 디바이스(300)는 주로 두 부분, 즉 자극기들 및 뇌 기능 모니터들(302)만을 포함하는 헤드밴드; 및 제어 유닛(301)을 포함한다. 구성 요소들은 이전과 동일하지만, 이제는 자극 전극 유닛(202) 및 감지 전극 유닛(203)만이 하나의 구성 요소(302) 내에 통합된다. 양쪽 유닛들이 함께 있기 때문에, 이들은 아날로그 복조기(33), 데이터 전달을 위한 안테나(24'c1) 및 에너지 전달을 위한 안테나(24'c2), 및 전력 수집 모듈(10')과 같은 구성 요소들을 또한 공유한다.
이하의 표는 2개의 실시예들 간의 차이를 설명한다:
| 특징＼실시예 | 모두 갖추어진 헤드밴드 | 자극기 및 센서들만 | 외부 디바이스 |
| 자극 | X | X | |
| 센서 | X | X | |
| 마이크로프로세서 | X | X | |
| ● 자극기의 활성화 프로토콜 | X | X | |
| ● 센서 정보 전송/수신 | X | X | X |
| ● 수신 데이터 분석 | |||
| ● 클라우드로 정보 전송 | X | X | |
| ● 클라우드로부터 정보 수신 | X | X | |
| ● 알고리즘들의 계산 | X | X | |
| 배터리 | X | X |
드라이버들(13)경두개(transranial) 교류 전류 자극(tACS)을 수행할 때, 디바이스는 두개골을 통해 이에 외부 전기력을 부과함으로써 뇌의 전류 흐름을 에뮬레이팅한다. 경두개 직류 전류 자극은 전극을 통해 일정한/교번하는 낮은 전류를 전송함으로써 작동한다. 교류 정현파 전류가 뇌내 전류 흐름을 유도하는 관심 영역에 인가된다. 그 후 이 전류 흐름은 어떠한 유형의 자극이 사용되고 있는지에 기초하여 자극되고 있는 특정 영역에서 신경 흥분성을 증가시키거나 감소시킨다.
tACS 디바이스로부터의 방출은 저항과 같은 부하에 전류를 공급하는 것으로 생각될 수 있다. 현실에 대한 이러한 감소하는 유사성으로부터의 차이는, '부하' 또는 사용자들의 머리의 저항이 시간의 경과에 따라 실제로 저항이 변하는 것이다. 전극 패드의 수분(식염수를 적신 패드가 사용되는 경우), 참가자의 수화 레벨, 날씨의 습도 및 전극 접촉이 필요한 전압을 왜곡할 수 있다.
디바이스의 기본 사양은 다음과 같다:
고정밀 저속 디지털-대-아날로그(D2A): 분해능>18 비트, 샘플링 속도>10 MSps.
양방향 교류 전류 드라이버: 전류 소싱 범위: ±50 uA: ±2mA, 공급 전압 범위 10 V:30 V, 높은 공통-모드 제거비(CMRR).
본 발명에서 개시된 혁신적인 드라이버는 본 발명의 디바이스의 고유한 요건: 즉, 양방향 전류 소스/싱크 기능들, 매우 낮은 전류 및 높은 전압(높은 임피던스 부하)에 대한 정확하고 견고한 동작, 낮은 전력 및 크기와 안전에 대응한다.
본 발명은 하울랜드(Howland) 전류 펌프 회로의 변형된 버전을 개시한다. 하울랜드 전류 펌프는 정밀한 전류를 전달하는 데 유용한 널리 사용되는 생체 전기 회로이다. 생물학적 부하(즉, 전기 임피던스 토모그래피(EIT), 피부 전기 활동(EDA))에 교류 전류를 고정밀도로 전달해야 하는 어플리케이션에서, 하울랜드의 출력 임피던스는, 부하가 변할 때 전달되는 전류의 정밀도를 제한하는 중요한 성능 지수이다.
본 발명의 드라이버는 이하에 의해 추가적으로 특징화된다:
- 높은 DC 정밀도
- 매우 높은 입력 공통 모드 범위
- 통합되고 매칭된 저항들
- 다양한 전극 기술들을 지원하는 넓은 전압 공급 범위(50 V까지).
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 드라이버는 높은 DC 정밀도, 높은 입력 공통 모드 범위, 고정밀 매칭 저항들 및 넓은 전압 공급 범위를 갖는 양방향 전류 소스를 제공하는 아키텍처를 특징으로 하고, 이로써 정현 자극파들을 포함하는 다양한 자극파들의 생성을 인에이블한다.
이제 도 6을 참조하면, 본 발명의 드라이버 구성의 개략도를 나타낸다. 개시된 숫자는 도 3에 나타낸 것과 동일하다. 도 6은 본 발명의 드라이버(13)에 대해 D2A(12)에 접속된 마이크로컨트롤러(11)를 나타낸다. 동일한 결과를 달성하기 위해 다른 개략 구성들이 사용될 수 있음은 자명할 것이다. 드라이버의 개략적 표현은 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 설계를 구명하도록 유도한다.
드라이버(13)는 전압 제어 전류원으로서 동작하고 연산 증폭기(40)를 포함한다. 반전 입력(41)이 저항(42)을 통해 접지(43)에 커플링된다. 비반전 입력(44)은 저항(45)을 통해 D2A(12)를 통해 마이크로컨트롤러(11)에 의해 제공되는 내부-전용 DC 블록(46) 신호 입력 전압원으로 커플링된다. 출력(47)은 피드백 저항(48)을 통해 반전 입력(41)에 커플링된다. 가변 저항(49)을 통한 전류는 일련의 피드백 저항들을 통해 전극들이 접속되는 바나나 소켓(56)을 통해 부하(사용자의 머리)에 전송되는 출력 전류를 규정한다. 저항 복합체(50-51-52)는 비반전 입력(44)에 접속되고, 바나나 소켓(56)으로부터 직접 연결된 저항(53)은 또한 비반전 입력(44)에 접속되고, 저항 복합체(50-51-52)는 DC 블록(46)에 대한 저항(54)과 접지(55)에 추가로 접속된다. 저항 복합체(57-58-59)는 반전 입력(41) 및 접지(60)에 접속된다. 드라이버(13)는 입력 신호와 피드백 양자를 차동적으로 감지하는 차동 증폭기이다. 입력 저항들은 밀접하게 매칭된 저항이다. 피드백 저항은 밀접하게 매칭된 저항이다. 내재하는 저항 매칭을 갖는 완전 통합 드라이버들과 같은 대안적인 전류원 드라이버들이 고려된다.
본 발명의 드라이버에서, 저항값들은 다음의 공식을 준수하도록 선택될 수 있다:
그리고::
특정 경우에: 저항 42 = 저항 48 = 저항 45 = 저항 53 = R이고, 41에서의 전압= 0V, 를 얻는다.
본 발명에서, 44에서 전압의 전압은 D2A(12)의 출력이다.
전원 공급 유닛들(13)
전원 공급 유닛들은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 전력 유닛(10)의 일 실시예의 개략도를 나타낸다. 본 예에서, 회로는 저전압 9V 배터리에 기초하며, 심지어 하드웨어 고장이 발생하는 경우에도, 사용자에게 높은 전압이 인가될 수 없게 하는 것을 보장하고 시스템을 사용하기에 안전하게 만든다.
모니터링
디바이스는 (단지 이것만은 아니지만) HR, EEG, ECG, EMG, EOG, fMRI, NIRS, RF, 적외선, 모션 센서들, 초음파, 눈 운동, 각성, 호흡, 혈압, 뇌에서의 실시간 화학 활동(신경 전달 물질, 신진 대사)과 같은 생물학적 기능들을 모니터링하도록 구성된다.
각각의 생물학적 기능은 디바이스(착용 가능 또는 불능)의 일부로 구성되는 특정 센서를 필요로 한다는 것은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
모든 요소들은 마이크로컨트롤러 유닛(11)에 접속된다. 마이크로컨트롤러는 요소들을 통해 수신된 데이터를 기록 및 분석한다. 일부 실시예들에서, 데이터는 클라우드로 데이터베이스로 전송될 수 있다.
클라우드에서 수집된 데이터는 일부 사용자들의 빅 데이터 분석을 통해 이상을 발견하고 처치를 제안하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 사용자는 상기 이상의 통지를 수신할 것이고, 사용자 앱을 통해 권고를 수신할 것이다.
유도
디바이스는 (이것만은 아니지만) 전류, 자기장, 광, 음향, 냄새, 초음파, 진동, 신경 전달 물질과 같은 액체(외부/내부)의 투여, 생물학적 기능을 갖는 물질, 공기 흐름(5감 자극)과 같은 특정 자극을 유도하도록 구성된다.
본 발명은 최상의 최적의 방식으로 모니터링 및 유도를 달성하도록 설계된 특수 전극들을 개시한다.
유도기는 상이한 유형들의 EEG들 또는 기타 웨어러블/고정식 디바이스들에 맞추어질 수 있는 독립형 유닛일 수 있다.
건식 전극들
뇌에 영향을 줄 수 있는 전기 자극을 유도하기 위해서는, 전류를 두피에 직접 전달할 수 있는 저저항 전극들이 필요하다. 통상적으로 이것은 몇몇 종류의 도전성 겔 또는 염류를 사용하여 달성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 전극들은 아주 작은 금속 핀들로 이루어지며, 각각의 중앙에 스프링이 있어, 이러한 방식으로 편평한 표면에 대해 가압되지 않더라도, 이들 모두는 여전히 두피와의 접촉점을 가질 것이다. 이 핀들은 모발 사이의 두피에 닿을 만큼 충분히 얇기 때문에 모발을 또한 통과할 수 있다. 또한, 모든 핀들이 접속되는 표면은 도전성이고 유연하며, 최대 연결성을 보장한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 자극 전극들은 그 성능을 위해 임의의 종류의 외부 도전성 습식 재료들을 필요로 하지 않는 신규한 건식 전극들이다.
이제 도 8을 참조하면, 본 발명의 건식 전극들(700)의 몇몇 실시예들을 나타낸다.
일 실시예에서, 건식 전극(701)은 가요성 핀(702) 어레이를 갖는 가요성 베이스를 포함한다. 이 구조는 염류 또는 도전성 크림들을 필요로 하지 않고 모발을 통과하는 것을 돕고 두피를 자극한다. 알 수 있는 바와 같이, 각 핀(702)의 아키텍처 메커니즘은 베이스(703), 자극 코일(704) 및 커버(705)를 포함한다. 가요성 베이스 및 가요성 핀들의 상이한 구성들이 가능하다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
다른 실시예에서, 건식 전극들은 자극(707) 및 뇌 모니터링(708) 능력 모두를 갖는 접착성 패드(706)의 형태이다.
다른 실시예에서, 건식 전극들은 자극(707) 및 뇌 기능 모니터링(708) 능력 모두를 갖는 편평한 전극(709)으로서 구성된다. 전극이 편평하기 때문에, 건식 전극은 두피 표면 상의 미세한 전기적 변화를 감지할 수 있는 커패시턴스 센서들을 포함한다. 그리고 또 다른 실시예에서, 건식 전극들은 모발을 더 잘 통과하고 두피 자체에 접촉할 수 있게 하는 거의 유연성이 없는 강모들(bristles)(710)을 갖는 편평한 전극으로서 구성된다.
모든 실시예들에서, 건식 전극들은 내장형 안테나 및 무선 자극기/뇌 기능 모니터링으로서의 사용을 위한 프로세서를 더 포함할 수 있다. 이러한 유닛들 중 몇몇은 자극 패턴들을 변경하기 위해 상이한 위치들에 배치될 수 있다. 각 유닛은 개별적으로 그리고 고유의 방식으로 활성화될 수 있다.
자극 유닛
자극 자체는 많은 상이한 방식들로 유도될 수 있다. AC 전류는 간단한 해결책이지만 전류가 통과하기 위해서는 물리적 접촉과 양호한 도전성이 필요하다. 그 아래 있는 주요 사항은 전극 아래 영역의 조직의 전위의 변화는 그 피크에서 세포가 발화할 확률을 증가시키고(교류 전류는 피크와 골을 가짐), 궁극적으로 세포는 특정 주파수에서 동기화될 것이라는 점이다. 다른 방법은 신경 세포막에서 광-활성화된 이온 채널을 활성화시켜 원하는 영역/주파수에서 활동을 생성하는 적외선 자극을 포함한다. 적외선 자극은, 통과하기 위해 피부와 접촉할 필요가 없기 때문에 효과적이며, 심지어 두개골을 관통하여 매우 특정한 조직에 영향을 미칠 수 있다. 적외선 자극이 작동하는 또 다른 방식은 원하는 영역을 약하게 가열하는 것이며 - 이는 해당 영역의 뉴런이 발화될 가능성을 높이는 것으로 이어지며, 특정 리듬에서는, 이는 경두개 교류 전류 자극(tACS)과 비슷한 결과를 유도할 것이다. 그 논리를 사용하여, 초음파 자극도 작용될 수 있으며 - 타겟 조직을 가열하는 것이 동일한 원하는 효과를 유도할 수 있을 것이다. 마지막으로 자기 자극이 또한 유사한 방식으로 세포들에 영향을 미치는 자기장을 유도하는 것과 동일하게 작용할 수 있다.
제어-마이크로컨트롤러
마이크로컨트롤러는 프로세스를 관리하고 디바이스가 사용하는 부분들을 통합한다.
프로세싱/분석
미가공 데이터는 3개의 다른 레벨들로 프로세싱된다:
1. 실시간으로 수집된 데이터
시스템의 올바른 기능에 필수적으로, 특정 데이터는 사용자의 현재 상태를 결정하기 위해 실시간으로 분석될 수 있는 방식으로 모니터링 및 프로세싱을 통해 수집될 필요가 있으며, 그에 따라 마이크로컨트롤러가 올바른 시간에 유도를 개시할 수 있게 한다. 사용자의 상태는 사용자의 환경과 사용자의 생리 상태에 의해 결정된다.
2. 사용자 데이터
특정 데이터는 사용자가 볼 수 있도록 프로세싱된다. 이는 루시드(Lucid) 스코어뿐만 아니라 더욱 시각적일 수 있다(즉, 그래프 및 차트). 루시드 스코어는 특정 사용자의 논(non)-루시드 꿈의 뇌 활동을 측정하여 고안되었다. 특정 웨이브밴드 전력 비율(~40/25/33 Hz)의 자동 비교는 사용자의 현재의 루시드 경험을 채점한다. 어느 정도 경험에 대한 사용자의 주관적 보고서를 고려할 가능성이 또한 존재한다.
획득된 데이터 및 사용자 프로파일에 따라, 시스템은 사용자에 대해 개인화된 시스템 권고를 생성한다. 권고의 목적은 선택된 목표를 달성하는 것이다. 따라서, 프로토콜의 변경은 사용 빈도, 자극 빈도, 자극 유형 등이 될 수 있다.
3. 대량 사용자 데이터
모든 사용자들로부터 수집된 데이터는 다음과 같이 다양한 분야들에 대한 유용한 데이터를 추출하기 위해 보다 큰 규모로 분석될 수 있다:
● 의학 - 식별되고 처치될 수 있는 이상 또는 병리를 발견한다.
● 디바이스 개선 - 제품의 프로세스를 개선하고 그 효율을 증가시킨다.
● 기타 - 선호도 등에 기초한 마케팅 목적, 권고에 유용한 데이터이다.
디바이스에서의 데이터 송신
상술한 바와 같이, 데이터는 사용자-앱에 의해 사용될 수 있도록 디바이스로 그리고 디바이스로부터 (단지 이것만은 아니지만) 스마트폰, 스마트워치, 태블릿, PC, MAC과 같은 사용자 휴대 디바이스로 전달될 수 있다. 데이터는 또한 디바이스와 클라우드 서비스뿐만 아니라 사용자-앱 사이에서 전후로 이동한다. 시스템 업데이트들 또는 수리들은 또한 디바이스와 외부 플랫폼 간에 전달된다. 통신은 (단지 이것만은 아니지만) Wi-Fi, 블루투스, BLE, RF, NFC, 오디오, 지그비(Zigbee) 또는 이들의 임의의 조합을 통한 유선 또는 무선일 수 있다. 일부 실시예들에서, 디바이스 자체가 데이터를 클라우드로 직접 송신한다.
데이터는 디바이스와 외부 애드-온들(소프트웨어, 하드웨어 또는 임의의 다른 것) 간에 전달될 수 있다.
사용자 프로필
디바이스는 사용자들의 습관들, 뇌 활동 패턴들, 사용 빈도 및 생물학적 데이터를 기초로 다른 사용자들에 대해 상이한 설정들을 갖는다. 개인 선호도들 및 사용자 정의 설정들도 자극 프로토콜들에 영향을 준다. 상이한 모니터링 또는 자극 프로그램들이 각 사용자의 진행 상황의 메모리를 갖는 시스템과 특정 사용자에게 적용되는 적응된 알고리즘들을 사용하여 상이한 사용자들에게 적용될 수 있다.
전화 부속품으로서의 디바이스 폼 팩터
전체 디바이스는 스마트폰에 대한 부속품일 수 있다. 이는 폰의 배터리로부터 유선 또는 무선으로 그 전력을 끌어올 수 있으며, 디바이스와 더욱 효율적인 방식으로 통신하며, 배터리 또는 충전 능력을 필요로 하지 않으므로 디바이스의 무게 및 크기를 최소화한다. 이러한 형태에서, 디바이스는 또한 이들 상에 전극들을 갖는 몇몇 상이한 스티커들/클립들을 포함할 수 있으며, 별도의 유닛들로 되지만 블루투스/Wi-Fi/BLE를 통해 스마트폰과 그리고 서로 동기화된다.
사용자-앱
사용자 앱은 (단지 이것만은 아니지만) 통계(생체 신호들, 수면 사이클들)의 시각화, 선택적인 자극/비자극 프로그램들, 프로세스 관리, 프로세스의 게임화, 다른 사용자들 간의 랭킹, (마케팅, 의료 수요와 같은) 상이한 엔티티들에 대한 접촉을 포함할 수 있다. 사용자의 보고서는 사용자의 달성을 개선하고 추적하는 데 도움이 될 것이다.
● 베이스라인/진행중인 테스트 - 루시드 테스트.
● 구성(무선 네트워크, 이메일 통지).
● 안전한 알고리즘 업그레이드 프로세스.
VR 부속품
사용자에게 완전한 경험을 제공하기 위해 시스템 자체가 기존 AR/VR 기어의 최상부 상에 통합될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 목적이 VR을 통한 물리 치료에 관여하는 경우, 시스템은 부상 후 물리 치료의 경우에 회복 시간을 단축시키는 운동 피질에 자극을 유도하고 치료를 더 빠르고 더 효율적으로 만들 수 있다. 다른 예로서 - 사용자가 게임을 하기 위해 VR 기어를 사용하는 경우, 디바이스는 경험을 더욱 현실적으로 만드는 사용자 감각 입력을 제공하기 위해 체감각 피질을 자극할 수 있고/있거나 사용자에게 운동의 느낌을 제공하기 위해 전정 신경을 자극할 수 있고 - 따라서 경험을 향상시키고 (두통, 현기증 등과 같이) 함께 운동과 관련되는 부작용을 낮춘다.
교정 테스트
시스템을 최적화하기 위해, 디바이스의 전극들이 정확한 위치들 상에 있어야 할 필요가 있다. 그렇게 하기 위해, 사용자가 쉽게 찾을 수 있는 기준점들이 마킹되고 그 후 나머지 전극들이 사용자 및 앱에 대한 시각적 안내를 갖는 위치 결정 시스템의 도움을 받아 정렬된다. 디바이스는 기준 전극으로부터 다른 전극들까지의 거리를 결정하기 위해 머리의 전체 둘레와 전극들 자체 사이의 거리를 측정하는 인장 센서들을 사용할 수 있으며, 그 후 그 거리는 사용자에 의해 조정될 수 있어, 관련 영역의 최상부 상에 이를 정확하게 위치시킨다.
사용자의 머리 상의 디바이스의 올바른 위치 결정을 보장하기 위한 다른 방법은 헤드밴드 상의 특수 자극 메쉬를 생성하여 수행된다. 메쉬의 모든 부분은 자극을 제공하고 모니터링을 수행하도록 적응된다. 뇌의 특정 고유 부분에 상관될 수 있는 특정 고유한 뇌 활동이 일단 메쉬의 특정 고유 영역(기준점이라고 칭함)에서 검출되면, 시스템은 상기 기준점에 기초하여 올바른 위치들과 매칭하도록 메쉬 상에 자극 영역들을 배열할 수 있다.
다른 유형의 교정 테스트는 사용자의 내생적인 활동을 테스트함으로써 수행될 수 있다. 디바이스는 다른 주파수들 및 전류들에서 짧은 자극들을 방출하고 활동의 변화들을 테스트한다.
마지막으로 시스템은 사용자의 머리 상에 유지되어, 특정 사용자의 자연 활동 빈도들을 연구하고, 나중에 각각의 고유한 사용자에 대해 개인화된 자극을 제공하기 위해 상이한 알고리즘들에서 이러한 값들을 구현할 수 있다.
방법론들/프로토콜들
기억 강화 또는 인식과 같은 특정 활동은 뇌의 다른 영역들에서 고유한 동기 활동이 특징화되는 것으로 나타났다. 최신 연구는, 외부 자극에 의해 이러한 활동을 모방하는 것이 원하는 고유 효과를 생성할 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 기억 강화의 프로세스에 참여하는 것으로 알려진 영역을 자극하면 인간 환자들의 기억 강화의 향상 나타내었다. 진단은 다른 병리들에 대한 데이터로부터 추출될 수 있다. 예를 들어 - 불규칙한 REM 기간은 우울증을 가리킬 수 있으며, 전두엽 영역의 비정상적 감마 활동은 조현병과 관련이 있을 수 있다.
다른 많은 생물학적 기능들과 마찬가지로, 이러한 동기 활동은 사람마다 약간씩 다르며, 항상 동일하지는 않다. 활동 진동들의 주파수가 변하고, 전류도 변한다. 올바른 종류의 활동이 향상되고 있는지 확인하기 위해, 시스템은 사용자의 생체 신호들을 모니터링한다. 결과들은 과학 문헌에 따라, 또는 디바이스용으로 개발된 내부 측정법에 따라, 그리고 사용자에 대한 베이스라인 테스트에 따라 분석될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 그의 스마트폰 디바이스를 사용하여 간단한 메모리 테스트를 수행할 수 있으며, 그 시간 동안 기억 강화를 위한 특정 뇌 활동이 기록될 수 있다. 이러한 방식으로, 디바이스는 매칭 영역들에서 기억 강화 활동에 대한 특정 사용자의 베이스라인을 갖는다.
뉴런이 통신하는 데 사용하는 전기 활동은 사용자의 두피 상의 전략적 장소들에 배치된 전극들에 의해 검출될 수 있다. 예를 들어, 운동 성과와 관련된 활동을 측정하기 위해, 전극은 운동 피질(M1)로 칭해지는 피질 영역 위에 배치되거나, 시각 정보/프로세싱이 관찰을 필요로 하는 경우, 전극은 시각 피질(V1) 뒤에 배치될 수 있다. 특정 주파수들 및 진폭들에서 전류를 구동하는 자극 전극들은 전략 영역들 상에도 배치되며, 예를 들어, 이러한 영역들(이마 측면들) 위에 전극들을 배치함으로써 배외측 전전두피질(DLPFC: Dorso Lateral Prefrontal Cortex)을 자극하거나, 심지어 M1을 자극한다. 디바이스가 특정 영역들을 자극하고 있는 동안, 그리고 자극 직후에, 디바이스는 그 영역들(또는 그 영역들에 인접한 영역)로부터 활동을 기록하고, 뇌 활동 자극 전과 뇌 활동 자극 후를 비교하여 특정 사용자에 대한 특정 자극의 효율성 및 효능을 결정하고, 원하는 변화(% 증가/감소, 웨이브밴드 주파수 변경...)가 달성되었는지를 검증한다. 시스템은 타겟화된 영역 주변의 주파수들(예를 들어 - 높은 인지 기능들에 대해 약 40 Hz, 운동 기능들에 대해 약 20 Hz 등)을 변경하고, 그 사용자에 대한 최적의 주파수를 찾는다.
상이한 목적들에 대해 복수의 영역을 타겟팅해야 하는 필요는 필요에 따라 요소들을 추가/제거할 수 있는 모듈식 디바이스에 의해 해결된다. 추가적인 부분들은 자극 부분 또는 감지 부분들일 수 있으며, 각 부분은 하나 이상의 특정 기능을 제공한다.
활성화 후, 사용자는 사용자의 목표들과 필요들에 따라 자극 계획을 선택하고(하나는 자동으로 선택될 수 있음), 그 후 디바이스는 사용자의 뇌와 통신을 시작한다.
디바이스는 사용자가 디바이스 자체와 상호 작용할 필요없이 새로운 방식으로 그렇게 하도록 뇌를 가르친다.
일부 실시예들에서, 디바이스는 그 프로그램에서 사용자의 진도를 학습 및 추적하며, 대량의 데이터는 복수의 사용자의 대량 데이터에 기초하여, (수면 장애와 같이) 특정 파라미터의 비정상 범위에서 발견되는 사용자에 대한 특정 처치의 제시뿐만 아니라 장래의 문제점들 또는 기존의 문제점들을 해결하기 위한 더 나은 방식들을 찾기 위해 클라우드 서버 상에서 분석된다.
폐쇄 루프 신경 피드백 프로토콜(NFP: closed loop neuro feedback protocol)은 센서로부터 수신된 데이터에 따라 자극의 전압과 주파수를 변경하여 특정 사용자에 대한 자극의 효과를 향상시켜 특정 사용자에게 이를 최적으로 만든다. 예를 들어, 명상을 할 때, 세타 활동이 증가될 것이다. 이 디바이스가 세타 향상을 위해 뇌를 자극하는 동안 디바이스는 뇌로부터의 활동을 기록한다. 이는 뇌가 따르는 정도를 검출하고 이에 따라 자극을 변화시킨다. 이렇게 함으로써 디바이스는 실제로 사용자의 뇌와 통신한다(양방향 통신). 숙련된 명상가를 위해, 세타 활동은 신입자보다 훨씬 더 느릴 수 있다. 따라서, 명상 프로토콜을 사용하는 동안, 디바이스는 사용자의 리듬을 검출하여 뇌가 익숙해질 때마다 리듬을 느리게 한다(8 Hz에서 3.5까지).
디바이스는 휴식, 명상, 집중과 같은 일반적인 마음 상태를 달성하는 데 도움이 될 수 있으며, 더 구체적인 기능들은 미리 설정된 프로토콜들을 사용하여 달성된다. 프로토콜들은 향상된 현실(ER: enhanced reality)의 상태로 귀결되는 (현재 프로토콜에 의해 정의되는) 사용자의 현재 활동의 향상을 사용자에게 제공한다.
일반적인 방법
디바이스는 일반 프로토콜을 따르고, 자극 파라미터들의 변화들은 프로토콜들 간에 다르다.
이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 하나의 방법(800)의 흐름도를 나타낸다. 본 방법은 사용자의 두뇌 활동을 감지하고(801) 상기 사용자의 특정 두뇌 활동 및 주요 특징들을 결정하는(802) 것으로 시작한다. 수신된 정보는 각각의 특정 사용자에 대해 저장된다(803). 그 다음에, 자극 파라미터들은 수신된 뇌 활동 및/또는 특정 사용자의 저장된 뇌 활동에 기초하여 설정된다(804). 자극 파라미터는 자극의 범위에 따른다. 다른 범위들이 아래에서 더 상세히 설명된다. 그런 다음, 뇌 자극은 선택된 특정 프로토콜에 따라 시작된다(805). 자극 동안, 피드백 메커니즘은 시작되고 뇌 활동의 변화가 감지된다(806). 뇌 활동이 원하는 활동으로 변경되지 않으면, 원하는 활동이 감지될 때까지 자극 파라미터들의 변화가 수행된다(807). 일단 원하는 뇌 활동에 도달하면 자극은 중단된다(808). 자극 이력의 정보는 장래의 자극들을 위해 저장된다(809). 뇌 활동은 자극의 연속성을 보장하기 위해 여전히 계속된다(810). 다시, 뇌 활동이 원하는 활동과 매칭되지 않으면(811), 새로운 자극 사이클이 개시된다.
이제 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 방법(900)의 흐름도를 나타낸다. 이 방법은 변경/개선되기를 원하는 특정 인지 작업을 선택하는 것으로 시작한다(901). 그 후, 시스템은 사용자의 뇌 활동을 감지하고(902), 상기 사용자의 특정 뇌 활동 및 주요 특징들을 결정한다(903). 각 특정 사용자에 대해 수신된 정보가 저장된다(904). 그 다음에, 자극 파라미터는 수신된 뇌 활동 및/또는 특정 사용자의 저장된 뇌 활동에 기초하여 설정된다(905). 자극 파라미터는 자극의 범위에 따른다. 다른 범위들은 아래에서 더 상세히 설명된다. 그런 다음, 뇌 자극은 선택된 특정 프로토콜에 따라 시작된다(906). 자극 동안, 피드백 메커니즘이 시작되고 뇌 활동의 변화가 감지된다(907). 뇌 활동이 원하는 활동으로 변경되지 않으면, 원하는 활동이 감지될 때까지 자극 파라미터들의 변화가 수행된다(908). 일단 원하는 뇌 활동에 도달하면 자극은 중단된다(909). 자극 이력의 정보는 장래의 자극들을 위해 저장된다(910). 뇌 활동은 자극의 계속성을 보장하기 위해 여전히 계속된다(811). 다시, 뇌 활동이 원하는 활동과 매칭되지 않으면(812), 새로운 자극 사이클이 개시된다.
Claims (20)
- 헤드 장착 디바이스를 포함하는 뇌 자극 디바이스로서,
상기 헤드 장착 디바이스는,
뇌 기능을 모니터링하도록 구성된 감지 전극 시스템, 및
가요성 핀들의 어레이를 갖는 가요성 베이스를 가지며 뇌를 자극하도록 구성된 자극 전극 시스템을 포함하고,
각각의 가요성 핀은 상기 가요성 베이스로부터 외측으로 돌출되고,
상기 감지 전극 시스템 및 상기 자극 전극 시스템은 그들의 성능을 위해 어떠한 종류의 외부 도전성 습윤 재료들을 필요로 하지 않는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항에 있어서,
외부 디바이스에 신호들을 전달하도록 구성된 통신 시스템을 더 포함하는,
뇌 자극 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 외부 디바이스는, 휴대폰, 태블릿, 및 스마트워치로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항에 있어서,
클라우드 시설로 신호들을 전달하도록 구성된 통신 시스템을 더 포함하는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 자극 전극 시스템은 전기 자극을 전송하도록 구성되는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 자극 전극 시스템은 자기 자극을 전송하도록 구성되는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 헤드 장착 디바이스에 장착되고, 상기 자극 전극 시스템에 의해 전송될 뇌 자극파들을 생성하도록 구성된 드라이버 회로를 포함하는,
뇌 자극 디바이스. - 제7항에 있어서,
상기 드라이버 회로는 수면 향상 프로토콜에 따라 뇌 자극파들을 생성하도록 구성되는,
뇌 자극 디바이스. - 제7항에 있어서,
상기 드라이버 회로는 깊은 수면 상태를 유도하기 위해 뇌 자극파들을 생성하도록 구성되는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 전극 시스템은 EEG 신호들을 감지하도록 구성되는,
뇌 자극 디바이스. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 전극 시스템은 MEG 신호들을 감지하도록 구성되는,
뇌 자극 디바이스. - 뇌를 자극하고 모니터링하기 위한 시스템으로서,
헤드 장착 디바이스,
상기 헤드 장착 디바이스에 장착된 통신 시스템, 및
상기 통신 시스템 및 클라우드 시설과 통신하도록 구성된 로컬 제어 디바이스를 포함하고,
상기 헤드 장착 디바이스는,
뇌 기능을 모니터링하도록 구성된 감지 전극 시스템, 및
가요성 핀들의 어레이를 갖는 가요성 베이스를 가지며 뇌를 자극하도록 구성된 자극 전극 시스템을 포함하고,
각각의 가요성 핀은 상기 가요성 베이스로부터 외측으로 돌출되고,
상기 감지 전극 시스템 및 상기 자극 전극 시스템은 그들의 성능을 위해 어떠한 종류의 외부 도전성 습윤 재료들을 필요로 하지 않는,
시스템. - 제12항에 있어서,
상기 로컬 제어 디바이스는, 휴대폰, 태블릿, 및 스마트 워치로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
시스템. - 제12항에 있어서,
상기 자극 전극 시스템은 전기 자극을 전송하도록 구성되는,
시스템. - 제12항에 있어서,
상기 자극 전극 시스템은 자기 자극을 전송하도록 구성되는,
시스템. - 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 헤드 장착 디바이스에 장착되고, 상기 자극 전극 시스템에 의해 전송될 뇌 자극파들을 생성하도록 구성된 드라이버 회로를 포함하는,
시스템. - 제16항에 있어서,
상기 드라이버 회로는 수면 향상 프로토콜에 따라 뇌 자극파들을 생성하도록 구성되는,
시스템. - 제16항에 있어서,
상기 드라이버 회로는 깊은 수면 상태를 유도하기 위해 뇌 자극파들을 생성하도록 구성되는,
시스템. - 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 전극 시스템은 EEG 신호들을 감지하도록 구성되는,
시스템. - 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 전극 시스템은 MEG 신호들을 감지하도록 구성되는,
시스템.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/396,286 | 2016-09-19 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237028125A Division KR20230126742A (ko) | 2016-09-19 | 2017-09-18 | 다기능 폐쇄 루프 신경 피드백 자극 디바이스 및 그방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240105513A true KR20240105513A (ko) | 2024-07-05 |
Family
ID=
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