WO2015178680A1 - 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 이를 이용하는 방법 - Google Patents

초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 이를 이용하는 방법 Download PDF

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WO2015178680A1
WO2015178680A1 PCT/KR2015/005049 KR2015005049W WO2015178680A1 WO 2015178680 A1 WO2015178680 A1 WO 2015178680A1 KR 2015005049 W KR2015005049 W KR 2015005049W WO 2015178680 A1 WO2015178680 A1 WO 2015178680A1
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ultrasonic
image
skull
user
ultrasound
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PCT/KR2015/005049
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Inventor
서종범
박진감
조용준
유범재
Original Assignee
연세대학교 원주산학협력단
재단법인 실감교류인체감응솔루션연구단
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00—Ultrasound therapy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body

Definitions

  • the present invention relates to a brain stimulation technology, and more particularly, to a brain stimulation device for irradiating ultrasound to the position of the brain that needs stimulation according to the shape of the user's skull using a flexible substrate and a method of using the same. .
  • the brain is the central control organ that controls all functions of the human body such as judgment, cognition, emotion, and behavior. When a disease occurs in the brain, not only physical ability but also mental ability and social ability arise.
  • brain-related diseases include mental disorders such as dementia, autism, speech disorders, depression and panic disorders, as well as diseases caused by neurological abnormalities of the brain such as cerebral hemorrhage, cerebral infarction, brain tumors and cerebral aneurysms.
  • diseases caused by neurological abnormalities of the brain such as cerebral hemorrhage, cerebral infarction, brain tumors and cerebral aneurysms.
  • the cause and treatment method are not clearly identified, which makes it difficult to treat.
  • invasive brain stimulation techniques have been used to treat electrical disorders by making small holes in the skull or dissecting the brain to give electrical impulse.
  • permanent cranial damage such as cerebral hemorrhage, paralysis, stroke and speech disorder may occur due to craniotomy.
  • non-invasive brain stimulation techniques that stimulate certain parts of the brain that cause brain disease without craniotomy are increasing.
  • non-invasive brain stimulation techniques are commonly used such as transcranial magnetic stimulation and transcranial DC electrostimulation.
  • Transcranial Magnetic Stimulation is a method of stimulating a user's scalp by using a magnetic field induced by a short and strong current flowing through a coil, in which resolution is different and treatment performance varies depending on the shape of the user's skull. There is a limit.
  • transcranial direct current stimulation improves brain activity by flowing weak DC current into the scalp, which can cause pain in that the user's brain is directly exposed to current.
  • tDCS transcranial direct current stimulation
  • Brain stimulation technology has been developed to apply high-intensity focused ultrasound therapy (HIFU, High Intensity Focused Ultrasound).
  • HIFU High Intensity Focused Ultrasound
  • Brain stimulation technology using the HIFU technique can adjust the position of the focal point to be irradiated by using a single device.
  • An object of the present invention for solving the above problems is, by using a flexible substrate can be easily deformed according to the shape of the user's skull provides a brain stimulation apparatus that can irradiate the ultrasound to the exact position of the brain needs stimulation There is.
  • another object of the present invention is to provide a brain stimulation method that can prevent the permanent damage of the brain by forming a multi-focus through the phase control of a plurality of piezoelectric elements arranged in the form of an array to shorten the exposure time to the ultrasound To provide.
  • Brain stimulation apparatus using the ultrasound according to an aspect of the present invention for achieving the above object is performed by the brain stimulation system, the user skull taken through the image and at least one marker (maker) obtained in advance of the user skull
  • a target position calculating unit for calculating an ultrasonic target position to irradiate the ultrasonic wave based on the image of the image
  • a phase adjusting unit for adjusting phases for each of the plurality of piezoelectric elements so that a multifocal point is formed at the ultrasonic target position, and the ultrasonic wave is positioned at the ultrasonic target position.
  • an ultrasonic converter for applying an electrical signal to the plurality of piezoelectric elements whose phase is adjusted to be irradiated and converting the electrical signal into an ultrasonic signal.
  • a plurality of piezoelectric elements may be arranged in the form of an array on a flexible substrate, and at least one marker may be disposed in up, down, left, and right positions based on the center point and the center point of the flexible substrate.
  • the flexible substrate may be a housing manufactured by mixing a liquid plastic hardener and a liquid plastic softener in a predetermined ratio so as to be attached in correspondence with the shape of a user skull.
  • the photographed image of the user skull using the marker disposed at the center point of the flexible substrate to take an image of the crown of the user skull, at least one of the top, bottom, left and right of the flexible substrate based on the image of the crown By taking an image of the user's skull using a marker, it is possible to determine the shape of the user's skull.
  • the pre-obtained image of the user skull may include at least one of an MRI image, a CT image and an X-ray image of the user skull.
  • the target position calculation unit extracts the position of the brain requiring stimulation from the image of the user's skull obtained in advance, the shape of the user's skull by mapping the image of the user's skull and the image of the extracted brain through at least one marker According to the ultrasound target position to be irradiated with ultrasound can be calculated.
  • the phase adjuster may adjust the position and direction of each of the plurality of piezoelectric elements arranged in the form of an array so that multiple focal points are formed at the ultrasonic target position.
  • the ultrasonic transducer may stimulate the ultrasonic target position by adjusting the time for which the electrical signal is converted into the ultrasonic signal for each of the plurality of piezoelectric elements whose position and direction are adjusted.
  • the ultrasonic converter may be connected to the electrical supply device for applying an electrical signal using a tuning coil.
  • the ultrasonic transducer may further include an acoustic insulator for preventing the converted ultrasonic signal from leaking, a sound absorbing layer for suppressing vibration generated in the plurality of piezoelectric elements, and a shielding film for suppressing external electrical noise.
  • the brain stimulation method using the ultrasound according to another aspect of the present invention for achieving the above object is performed by the brain stimulation apparatus using the ultrasound, and obtained in advance the image of the user skull and at least one marker (maker) Computing an ultrasound target position to irradiate the ultrasound based on the image of the user's skull, adjusting the phase of each of the plurality of piezoelectric elements to form a multi-focus on the ultrasound target position and the ultrasonic wave at the ultrasonic target position And applying an electrical signal to the plurality of piezoelectric elements whose phase is adjusted to be irradiated to convert them into ultrasonic signals.
  • the ultrasonic wave at the exact brain position requiring stimulation can be investigated.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a brain stimulation apparatus using ultrasound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary view illustrating a brain stimulation device using ultrasound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exemplary view illustrating calculating an ultrasound target position according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram illustrating forming a multifocal by adjusting phases for each of a plurality of piezoelectric elements according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a brain stimulation method using ultrasound according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a brain stimulation device using an ultrasound according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exemplary view illustrating a brain stimulation device using an ultrasound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exemplary view illustrating calculating an ultrasound target position according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 illustrates multiple focal points by adjusting phases for each of the plurality of piezoelectric elements, according to an exemplary embodiment. It is an exemplary view explaining what to do.
  • the brain stimulation apparatus 100 using ultrasound may be implemented by a brain stimulation system.
  • the brain stimulation system may refer to a non-invasive brain stimulation system that stimulates certain parts of the brain that cause brain disease without craniotomy.
  • non-invasive techniques such as transcranial magnetic stimulation or transcranial DC electrostimulation have been generally used for brain stimulation, but there are limitations in that the therapeutic performance varies depending on the shape of the user's skull and the position of the treatable brain is limited. .
  • the brain stimulation technique using the HIFU technique has recently been used, but this also requires the physical movement of a single element to control the focus, and since it forms a single focus, the brain may be exposed to ultrasound for a long time, which may cause side effects. There is a limit in this respect.
  • the present invention arranges a plurality of piezoelectric elements in the form of an array on a flexible substrate so that ultrasonic waves can be irradiated at an accurate position requiring stimulation according to the shape of the user's skull.
  • a brain stimulation device and method using ultrasound which can be used.
  • the brain stimulation apparatus 100 using the ultrasound according to the present invention may be manufactured by arranging a plurality of piezoelectric elements 11 and at least one marker 12 on the flexible substrate 10 as shown in FIG. 2.
  • the flexible substrate 10 may be made of a plastic housing so as to be easily bent or bent in accordance with the shape of the user skull.
  • the plastic housing must be flexible for a long time so that it can be reused continuously and repeatedly. Therefore, it can be produced by mixing and heating a hard plastic (liquid plastic hardener) and a soft plastic softener (liquid plastic softener) in a predetermined ratio and then slowly cooling.
  • a hard plastic liquid plastic hardener
  • a soft plastic softener liquid plastic softener
  • the mixing ratio of the curing agent and the softener may be preset to the mixing ratio for the plastic housing excellent in elasticity, flexibility, ultrasonic transfer rate and attenuation coefficient among plastic housings manufactured at various mixing ratios.
  • the curing agent and the softener may be used in a ratio of 9: 1, 7: 3, or 6: 4 by volume, respectively, but are not limited thereto.
  • the flexible substrate 10 includes a plurality of piezoelectric elements 11 having E 11 , E 12 . ... It may be arranged in the form of a two-dimensional array (E mn ).
  • the piezoelectric element may refer to an element having a piezoelectric effect that vibrates to generate ultrasonic waves when an electric signal is applied thereto.
  • the reason for arranging the plurality of piezoelectric elements 11 in the arrangement of the flexible substrate 10 in the present invention is to adjust the phase of each of the plurality of piezoelectric elements 11 to form a multi-focus. Because it is easy.
  • the phases of each of the plurality of piezoelectric elements 11 arranged in an array form are electronically adjusted.
  • ultrasound can be irradiated over a wide range of locations in the brain. This will minimize the amount of time the brain is exposed to ultrasound, so it is expected to reduce the side effects of ultrasound.
  • At least one marker 12 may be disposed on the flexible substrate 10.
  • the at least one marker 12 may mean an image sensor or a miniature camera capable of capturing an image of the user skull to determine the shape of the user skull, but is not limited thereto.
  • one marker 12 capable of photographing the crown of the user's skull at a position corresponding to the center of gravity of the flexible substrate 10 is fixedly disposed. can do.
  • the markers 12 may be disposed on the top, bottom, left, and right sides of the flexible substrate 10 to photograph the front, back, and side surfaces of the user's skull. At this time, each of the markers 12 arranged on the top, bottom, left and right may be moved in position to easily grasp the shape of the user's skull.
  • the flexible substrate 10 having a rectangular shape is taken as an example, but is not limited thereto.
  • a plurality of piezoelectric elements 11 may be arranged in an array and include at least one marker 12. Can be extended to
  • the brain stimulation apparatus 100 using the ultrasonic waves manufactured as described above may include a target position calculator 110, a phase adjuster 120, and an ultrasonic transducer 130.
  • the target location calculator 110 may calculate an ultrasound target location for irradiating ultrasound on the basis of an image of the user skull obtained in advance and an image of the user skull photographed through at least one marker.
  • the target position calculator 110 extracts the position of the brain requiring stimulation from the image of the user skull obtained in advance, and maps the image of the extracted skull and the position of the extracted brain through at least one marker.
  • the ultrasound target position to be irradiated with ultrasound may be calculated according to the shape of the user skull.
  • the pre-obtained image of the user's skull may include at least one of an MRI image, a CT image, and an X-ray image of the user's skull, but the present invention is not limited thereto.
  • Brain images can be included to determine location.
  • the image of the user skull taken through the at least one marker is at least one marker disposed on the flexible substrate 10 when the flexible substrate 10 is deformed according to the shape of the user skull as shown in FIG. You can shoot using (A, B, C, D, E).
  • the image of the skull (a) of the user is photographed using the marker (A) disposed at the center point of the flexible substrate 10, and the images are arranged on the flexible substrate 10 on the top, bottom, left, and right sides based on the captured parietal image.
  • the at least one marker may be moved to capture an image of the front, back, or side of the user's skull. That is, the front face (b) of the user skull can be taken with a marker (B), the back (c) is a marker (C), the left side (e) with a marker (E).
  • the right side of the user's skull can be photographed using the marker (D).
  • the image of the user skull obtained in advance and the image of the user skull taken through the marker 12 is a three-dimensional image, in order to calculate the ultrasound target position by comparing the two images more accurately as shown in Figure 3 (b) You need to convert to two-dimensional coordinates.
  • an image of the user skull obtained in advance and an image of the user skull photographed through the marker 12 may be represented as coordinate information on a two-dimensional plane as shown in FIG.
  • Z () or S () may mean a function of converting an image of a three-dimensional user's skull into coordinates on a two-dimensional plane by using parameters r and ⁇ , and n and m are brains included in the image. It may mean a coordinate for a specific portion of but is not limited thereto.
  • two images obtained by converting a three-dimensional image into two-dimensional coordinate information may have different coordinates of specific regions of the brain depending on the curvature of the user's skull. There is a need.
  • the two images may be normalized by comparing the images of the user skulls previously acquired with the markers of the user skulls captured by the markers more accurately.
  • f may refer to coordinate information about an image of the user skull obtained in advance
  • g may refer to coordinate information about an image of the user skull photographed through a marker.
  • n and m may refer to the coordinates of a specific part of the brain included in the image
  • f * () is a complex value for a specific site
  • N is the number of pixels for a particular site
  • X A may mean a position of a pixel.
  • ⁇ T A, B may mean an area where the two images A and B overlap.
  • B T () may mean an image obtained by moving the image B to the coordinates of the image A.
  • an ultrasound target position for a specific position of the user's skull that requires ultrasound stimulation may be calculated, but is not limited thereto.
  • the phase adjuster 120 may adjust the phase of each of the plurality of piezoelectric elements so that the multi focus is formed at the ultrasonic target position calculated by the target position calculator 110.
  • adjusting the phase may mean electronically adjusting a position and a direction to irradiate ultrasonic waves in each of the plurality of piezoelectric elements arranged in the form of an array.
  • the output of each of the piezoelectric elements may be approximated by acquiring phase information and output amplitudes of the plurality of piezoelectric elements.
  • x, y, z are positional parameters indicating the position of each of the plurality of piezoelectric elements
  • ⁇ is the density of the medium forming the flexible substrate
  • c is the transmission rate of the ultrasonic wave
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ A is the The area
  • ⁇ ⁇ is the width of each device
  • ⁇ h is the height of each device
  • R is the distance from the center device among the plurality of piezoelectric elements disposed on the flexible substrate
  • Un may mean the vibration speed of each device.
  • x ' n and y' n may mean a distance from the n-th element, respectively.
  • the pressure on the M targets of the ultrasonic target positions can be expressed by a matrix equation.
  • p may mean a column vector for the ultrasonic target position M
  • u may mean a column vector for the number N of the piezoelectric elements.
  • H can be calculated by the following equation (5) as a matrix of M ⁇ N.
  • a multifocal point may be formed at an ultrasound target position.
  • the shape and width of an ultrasonic beam in which a focal point is formed by adjusting the position and direction of each of the plurality of piezoelectric elements based on the coordinate information of the ultrasonic target position. And multiple focal points in a wide range of ultrasonic target positions 13 by controlling positions and the like.
  • a plurality of piezoelectric elements are classified based on coordinate information about each of the ultrasonic target positions 13, and the positions and directions of the classified piezoelectric elements are classified.
  • multiple focal points may be formed to stimulate the plurality of ultrasound target positions 13.
  • the ultrasonic transducer 130 may convert an ultrasonic signal by applying an electrical signal to a plurality of piezoelectric elements whose phases are adjusted to irradiate ultrasonic waves to the ultrasonic target position.
  • the ultrasonic transducer 130 may further include an acoustic insulator 131, a sound absorbing layer 133, and a shielding film 135.
  • the acoustic insulator 131 may mean rubber, cork, etc. to prevent leakage of the converted ultrasonic signal, but is not limited thereto.
  • the sound absorbing layer 133 may suppress vibration generated in each piezoelectric element as the brain stimulator includes a plurality of piezoelectric elements, and the shielding layer 135 may suppress electrical noise generated from the outside.
  • the ultrasonic transducer 130 adjusts the shape and direction of the beam for the ultrasonic wave that stimulates the ultrasonic target position by adjusting the time when the electrical signal is converted into the ultrasonic signal for each of the plurality of piezoelectric elements whose position and direction are adjusted. But it is not limited thereto.
  • the ultrasonic converter 130 may be connected to the electrical supply device 140 that provides an electrical signal through a tuning coil, but is not limited thereto.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a brain stimulation method using ultrasound according to an embodiment of the present invention.
  • the brain stimulation method using ultrasonic waves may include calculating an ultrasound target position (S100), adjusting a phase of each of the plurality of piezoelectric elements to form a multifocal point at an ultrasound target position (S200), and a phase.
  • Applying an electrical signal to the adjusted plurality of piezoelectric elements may include the step of converting into an ultrasonic signal (S300).
  • the brain stimulation method using ultrasonic waves may be performed by a brain stimulation apparatus using ultrasonic waves manufactured by arranging a plurality of piezoelectric elements in an array form on a flexible substrate and including at least one marker.
  • the ultrasound target position to be irradiated with the ultrasound may be calculated based on an image of the user's skull and an image of the user's skull photographed through at least one marker (S100).
  • the position of the brain requiring stimulation is extracted from the image of the user's skull obtained in advance, by mapping the image of the user's skull and the position of the extracted brain through at least one marker to ultrasound according to the shape of the user's skull
  • the ultrasound target position to be irradiated can be calculated.
  • the pre-obtained image of the user's skull may include at least one of an MRI image, a CT image, and an X-ray image of the user's skull, but the present invention is not limited thereto.
  • Brain images can be included to determine location.
  • the image of the user skull photographed through the at least one marker may be photographed using at least one marker disposed on the flexible substrate.
  • the front, rear, side surfaces of the user's skull is arranged up, down, left and right on the basis of the photographed parietal image
  • the shape of the user's skull according to the curvature of the user's skull can be detected.
  • the phases of the plurality of piezoelectric elements may be adjusted to form multiple focal points at the ultrasound target position (S200).
  • adjusting the phase may mean electronically adjusting a position and a direction to irradiate ultrasonic waves in each of the plurality of piezoelectric elements arranged in the form of an array.
  • an electrical signal may be applied to the plurality of piezoelectric elements whose phases are adjusted to irradiate the ultrasonic wave to the ultrasonic target position, and may be converted into the ultrasonic signal (S300).
  • the shape and direction of the beam regarding the ultrasonic wave stimulating the ultrasonic target position may be adjusted by adjusting the time at which the electrical signal is converted into the ultrasonic signal. It is not.
  • the brain stimulation device using the ultrasonic wave and the method using the same according to the embodiment of the present invention as described above unlike the invasive stimulation technology to puncture the skull or incision into the brain non-invasive stimulation technology to irradiate the ultrasound outside the skull This can be used to prevent permanent damage to the brain.
  • the present invention can be easily deformed according to the shape of the user's skull using a flexible substrate, it is possible to irradiate the ultrasound to the exact position of the brain that needs stimulation.

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Abstract

초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 방법이 개시된다. 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출하는 타겟 위치 산출부, 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하는 위상 조절부 및 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환부를 포함한다. 따라서, 자극이 필요한 정확한 뇌의 위치에 초음파를 조사할 수 있으며 초음파 자극 시간을 단축하여 뇌의 영구적 손상을 방지할 수 있다.

Description

초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 이를 이용하는 방법
본 발명은 뇌 자극 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 플렉시블(flexible) 기판을 이용하여 사용자 두개골의 모양에 따라 자극이 필요한 뇌의 위치에 초음파를 조사하는 뇌 자극 장치 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.
뇌는 판단, 인지, 정서, 행동 등 인체의 모든 기능을 조절하는 중앙 통제 기관으로 뇌에 질환이 생기면 신체적 능력뿐만 아니라 정신적 능력과 사회적 능력까지 문제가 발생한다.
일반적으로 뇌와 관련된 질환은 뇌출혈, 뇌경색, 뇌종양, 뇌동맥류 등과 같이 뇌의 신경 이상으로 발생하는 질환뿐만 아니라 치매, 자폐증, 언어장애, 우울증, 공황장애 등의 정신적 질환이 포함되며 특히, 정신적 질환의 경우 그 원인과 치료 방법이 명확하게 밝혀지지 않아 치료하는데 어려움이 있다.
이와 같이 뇌 질환의 종류가 다양해지고 이로 인해 다양한 사회 문제가 발생됨에 따라 현재 세계 각국에서 뇌 질환의 원인을 분석하고 치료하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
종래에는 뇌 질환을 치료하기 위해 두개골에 작은 구멍을 내거나 뇌를 절개하여 전기적 자극(electrical impulse)을 주는 침습적 뇌 자극 기술이 이용되었다. 그러나, 개두술로 인해 감염이 발생하거나 뇌출혈, 마비, 중풍, 언어장애와 같은 영구적인 뇌손상이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
그리하여, 개두술 없이 뇌 질환의 원인이 되는 뇌의 특정 부분을 자극하는 비침습적 뇌 자극 기술의 활용이 증가하고 있다. 현재 비 침습적 뇌 자극 기술은 경두개 자기 자극법과 경두개 직류 전기 자극법등이 일반적으로 활용되고 있다.
경두개 자기 자극법(TMS, Transcranial Magnetic stimulation)은 코일에 짧고 강한 전류를 흘려 유발되는 자기장을 이용하여 사용자의 두피를 자극하는 방식으로, 해상도가 떨어지고 사용자 두개골의 모양에 따라 치료 성능이 상이하다는 점에서 한계가 있다.
또한, 경두개 직류 전기 자극법(tDCS, Trnascrainal direct current stimulation)은 두피에 약한 직류 전기를 흘려주어 뇌의 활성도를 향상시키는 방법으로, 사용자의 뇌가 전류에 직접 노출된다는 점에서 통증이 유발될 수 있으며 손과 관련된 기능을 향상시키는 것에 국한된다는 점에서 한계가 있다.
그리하여, 최근에는 강력 집속 초음파 암치료 기법(HIFU, High Intensity Focused Ultrasound)을 적용한 뇌 자극 기술이 개발되었다. HIFU 기법을 적용한 뇌 자극 기술은 단일 소자를 이용하여 초음파가 조사될 초점의 위치를 조절할 수 있다.
그러나, 초점을 조절하기 위해 단일 소자를 물리적으로 이동해야 한다는 점과 단일 초점을 이용하기 때문에 뇌가 초음파에 장시간 노출되어 부작용이 발생할 수 있다는 점에서 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 플렉시블 기판을 이용하여 사용자 두개골의 모양에 따라 용이하게 변형할 수 있으므로 자극이 필요한 정확한 뇌의 위치에 초음파를 조사할 수 있는 뇌 자극 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자의 위상 조절을 통해 다중 초점을 형성하여 초음파에 노출되는 시간을 단축함으로써 뇌의 영구적 손상을 방지할 수 있는 뇌 자극 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치는, 뇌 자극 시스템에 의해 수행되며, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출하는 타겟 위치 산출부, 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하는 위상 조절부 및 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환부를 포함한다.
여기에서, 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치는 플렉시블(flexible) 기판에 다수의 압전 소자가 배열의 형태로 배치되고, 플렉시블 기판의 중심점 및 중심점을 기준으로 상하좌우 위치에 적어도 하나의 마커가 배치될 수 있다.
여기에서, 플렉시블 기판은 사용자 두개골의 모양에 상응하여 부착되도록 경화제(liquid plastic hardener) 및 연화제(liquid plastic softener)를 미리 설정된 비율로 혼합하여 제작되는 하우징(housing)일 수 있다.
여기에서, 촬영된 사용자 두개골의 영상은 플렉시블 기판의 중심점에 배치된 마커를 이용하여 사용자 두개골의 정수리에 대한 영상을 촬영하고, 정수리에 대한 영상을 기준으로 플렉시블 기판의 상하좌우에 배치된 적어도 하나의 마커를 이용하여 사용자 두개골의 영상을 촬영함으로써 사용자 두개골의 모양을 파악할 수 있다.
여기에서, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상은 사용자 두개골을 촬영한 MRI 영상, CT 영상 및 X-ray 영상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기에서, 타겟 위치 산출부는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에서 자극이 필요한 뇌의 위치를 추출하고, 적어도 하나의 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상과 추출된 뇌의 위치를 매핑하여 사용자 두개골의 모양에 따라 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다.
여기에서, 위상 조절부는 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자 각각의 위치 및 방향을 조절할 수 있다.
여기에서, 초음파 변환부는 위치 및 방향이 조절된 다수의 압전 소자 각각에 대하여 전기 신호가 초음파 신호로 변환되는 시간을 조절함으로써 초음파 타겟 위치를 자극할 수 있다.
여기에서, 초음파 변환부는 전기 신호를 부여하는 전기 공급 장치와 동조 코일을 이용하여 연결될 수 있다.
여기에서, 초음파 변환부는 변환된 초음파 신호가 누설되는 것을 방지하는 음향 절연체, 다수의 압전 소자에서 발생하는 진동을 억제시키는 흡음층 및 외부의 전기적 잡음을 억제하는 차폐막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 방법은, 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치에 의해 수행되며, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출하는 단계, 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하는 단계 및 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 이를 이용하는 방법에 따르면, 플렉시블 기판을 이용하여 사용자 두개골의 모양에 따라 용이하게 변형할 수 있으므로 자극이 필요한 정확한 뇌의 위치에 초음파를 조사할 수 있다.
또한, 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자의 위상 조절을 통해 다중 초점을 형성하여 초음파에 노출되는 시간을 단축함으로써 뇌의 영구적 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치를 설명하는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 타겟 위치를 산출하는 것을 설명하는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하여 다중 초점을 형성하는 것을 설명하는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치를 설명하는 예시도이다.
또한, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 타겟 위치를 산출하는 것을 설명하는 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하여 다중 초점을 형성하는 것을 설명하는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치(100)는 뇌 자극 시스템에 의해 구현될 수 있다.
여기에서, 뇌 자극 시스템은 개두술 없이 뇌 질환의 원인이 되는 뇌의 특정 부분을 자극하는 비침습적 뇌 자극 시스템을 의미할 수 있다.
종래에는 경두개 자기 자극법 또는 경두개 직류 전기 자극법 등의 비침습적 기술을 뇌 자극에 일반적으로 활용하였으나, 사용자 두개골의 모양에 따라 치료 성능이 상이하며 치료 가능한 뇌의 위치가 한정된다는 점에서 한계가 있다.
그리하여, 최근에는 HIFU 기법을 적용한 뇌 자극 기술이 활용되고 있으나 이 또한 초점을 조절하기 위해 단일 소자를 물리적으로 이동시켜야 한다는 점과 단일 초점을 형성하기 때문에 뇌가 초음파에 장시간 노출되어 부작용이 발생할 수 있다는 점에서 한계가 있다.
상술한 바와 같은 종래 기술의 한계 및 문제점을 극복하기 위해 본 발명은 플렉시블(flexible) 기판에 다수의 압전 소자를 배열의 형태로 배치함으로써 사용자 두개골의 모양에 따라 자극이 필요한 정확한 위치에 초음파를 조사할 수 있는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 플렉시블 기판(10)에 다수의 압전 소자(11)와 적어도 하나의 마커(12)를 배치하여 제작될 수 있다.
여기에서, 플렉시블 기판(10)은 사용자 두개골의 모양에 따라 용이하게 휘거나 구부러지는 등의 변형이 가능하도록 플라스틱 하우징(plastic housing)으로 제작될 수 있다.
이 때, 플라스틱 하우징은 장시간 유연성을 유지하여 지속적이고 반복적으로 재사용될 수 있어야 한다. 따라서, 경화제(liquid plastic hardener) 및 연화제(liquid plastic softener)를 미리 설정된 비율로 혼합하여 가열한 후 천천히 냉각시킴으로써 제작될 수 있다.
여기에서, 경화제와 연화제의 혼합 비율은 다양한 혼합 비율로 제작된 플라스틱 하우징 중에서 탄성도, 유연성, 초음파의 전달 속도 및 감쇄 계수 등이 뛰어난 플라스틱 하우징에 대한 혼합 비율로 미리 설정될 수 있다. 그리하여, 경화제와 연화제를 부피 기준으로 각각 9:1, 7:3 또는 6:4등의 비율로 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
플렉시블 기판(10)에는 다수의 압전 소자(11)가 E11, E12 …… Emn와 같이 2차원 배열(array)의 형태로 배치될 수 있다. 여기에서, 압전 소자(piezoelectric element)란 전기 신호가 가해지면 진동하여 초음파를 발생시키는 압전 효과를 지닌 소자를 의미할 수 있다.
특히, 본 발명에서 플렉시블 기판(10)에 다수의 압전 소자(11)를 배열의 형태로 배치하는 이유는 다중 초점을 형성하기 위해 다수의 압전 소자(11) 각각의 위상(phase)을 조절하는 것이 용이하기 때문이다.
즉, 종래의 HIFU 기술을 적용한 뇌 자극 시스템에서는 단일 소자를 물리적으로 이동시켜 단일 초점을 형성하였으나, 본 발명에서는 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자(11) 각각에 대한 위상을 전자적으로 조절하여 다중 초점을 형성함으로써 뇌의 광범위한 위치에 초음파를 조사할 수 있다. 이를 통해 뇌가 초음파에 노출되는 시간을 최소화할 수 있으므로 초음파로 인한 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 플렉시블 기판(10)에는 적어도 하나의 마커(12)가 배치될 수 있다.
적어도 하나의 마커(12)는 사용자 두개골의 모양을 파악하기 위해 사용자 두개골의 영상을 촬영할 수 있는 이미지 센서 또는 초소형 카메라를 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
만약, 플렉시블 기판(10)이 도 2와 같이 직사각형 형태를 가진다고 가정할 때, 플렉시블 기판(10)의 무게 중심점에 해당하는 위치에 사용자 두개골의 정수리를 촬영할 수 있는 하나의 마커(12)를 고정 배치할 수 있다.
또한, 플렉시블 기판(10)의 상하좌우 각각에 마커(12)를 배치하여 사용자 두개골의 앞, 뒤, 옆면을 촬영할 수 있다. 이 때, 상하좌우에 배치된 각각의 마커(12)는 사용자 두개골의 모양을 용이하게 파악할 수 있도록 위치가 이동될 수 있다.
도 2에서는 직사각형 형태의 플렉시블 기판(10)을 예로 들었으나 이에 한정되지 않고, 다수의 압전 소자(11)가 배열의 형태로 배치되고 적어도 하나의 마커(12)가 포함될 수 있는 다양한 형태의 플렉시블 기판으로 확장될 수 있다.
상술한 바와 같이 제작된 초음파는 이용하는 뇌 자극 장치(100)는 타겟 위치 산출부(110), 위상 조절부(120) 및 초음파 변환부(130)를 포함할 수 있다.
타겟 위치 산출부(110)는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다.
보다 구체적으로, 타겟 위치 산출부(110)는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에서 자극이 필요한 뇌의 위치를 추출하고, 적어도 하나의 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상과 추출된 뇌의 위치를 매핑하여 사용자 두개골의 모양에 따라 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다.
여기에서, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상은 사용자 두개골을 촬영한 MRI 영상, CT 영상 및 X-ray 영상 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 사용자의 뇌에서 질환이 발생된 원인과 그 위치를 파악할 수 있는 뇌 영상이 포함될 수 있다.
적어도 하나의 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상은 도 3 (a)에 도시된 바와 같이 사용자 두개골의 모양에 따라 플렉시블 기판(10)이 변형되면, 플렉시블 기판(10)에 배치된 적어도 하나의 마커(A, B, C, D, E)를 이용하여 촬영할 수 있다.
예를 들어, 플렉시블 기판(10)의 중심점에 배치된 마커(A)를 이용하여 사용자 두개골 정수리(a)의 영상을 촬영하고, 촬영된 정수리 영상을 기준으로 플렉시블 기판(10)에 상하좌우에 배치된 적어도 하나의 마커를 이동시켜 사용자 두개골의 앞, 뒤 또는 측면의 영상을 촬영할 수 있다. 즉, 사용자 두개골의 앞면(b)은 마커(B), 뒷면(c)은 마커(C), 왼쪽 측면(e)은 마커(E)로 촬영할 수 있다. 또한, 도 3 (a)에 도시하지는 않았으나 사용자 두개골의 오른쪽 측면은 마커(D)을 이용하여 촬영할 수 있다.
여기에서, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상과 마커(12)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상은 3차원 영상이며, 두 영상을 보다 정확히 비교하여 초음파 타겟 위치를 산출하기 위해서는 도 3 (b)와 같이 2차원 좌표로 변환해야할 필요가 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2015005049-appb-M000001
따라서, 수학식 1을 참조하여, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상과 마커(12)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 도 3 (b)와 같이 2차원 평면 상의 좌표 정보로 나타낼 수 있다.
여기에서, Z() 또는 S()은 파라미터 r과 θ를 이용하여 3차원의 사용자 두개골의 영상을 2차원 평면 상의 좌표로 변환하는 함수를 의미할 수 있고, n과 m은 영상에 포함되는 뇌의 특정 부위에 대한 좌표를 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 상술한 바와 같이 3차원 영상을 2차원 좌표 정보로 변환한 두 영상은 사용자 두개골의 곡률에 따라 뇌의 특정 부위에 대한 좌표가 상이하게 나타날 수 있으므로, 두 영상에 대한 좌표 정보를 정규화해야 할 필요가 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2015005049-appb-M000002
따라서, 수학식 2를 참조하여, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상과 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상에 대하여 어떤 부분이 얼마나 유사한지 보다 정확히 비교함으로써 두 영상을 정규화할 수 있다.
여기에서, f는 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에 대한 좌표 정보를 의미할 수 있고, g는 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상에 대한 좌표 정보를 의미할 수 있다.
또한, n과 m은 영상에 포함되는 뇌의 특정 부위에 대한 좌표를 의미할 수 있으며, f*()는 특정 부위에 대한 복소수(complex) 값, N은 특정 부위에 대한 화소(voxel) 수, XA은 화소의 위치를 의미할 수 있다.
만약, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상을 A라고 가정하고, 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 B로 가정하였을 때, θT A,B는 두 영상 A와 B가 겹치는 영역을 의미할 수 있고, BT()는 영상 B를 영상 A의 좌표로 이동시킨 영상을 의미할 수 있다.
이를 통해 초음파 자극이 필요한 사용자 두개골의 특정 위치에 대한 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
위상 조절부(120)는 타겟 위치 산출부(110)에서 산출된 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절할 수 있다. 여기에서, 위상을 조절하는 것은 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자 각각에서 초음파를 조사할 위치 및 방향을 전자적으로 조절하는 것을 의미할 수 있다.
보다 구체적으로, 다중 초점을 형성하기 위해서는 초음파 타겟 위치(13)의 좌표를 기반으로 다수의 압전 소자에 대한 위상 정보와 출력 진폭을 우선적으로 획득해야 할 필요가 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2015005049-appb-M000003
따라서, 수학식 3을 참조하여, 다수의 압전 소자에 대한 위상 정보와 출력 진폭을 획득하여 압전 소자 각각에서의 출력을 근사화할 수 있다.
여기에서, x, y, z는 다수의 압전 소자 각각의 위치를 나타내는 위치 파라미터이며, ρ는 플렉시블 기판을 형성하는 매질의 밀도, c는 초음파의 전달 속도, λ는 파장, ㅿA는 소자 각각의 면적, ㅿω는 소자 각각의 너비, ㅿh는 소자 각각의 높이, R은 플렉시블 기판에 배치된 다수의 압전 소자 중에서 중심 소자로부터의 거리, Un은 소자 각각의 진동 속도를 의미할 수 있다. 또한, x′n과 y′n은 각각 n번째 소자로부터 거리를 의미할 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2015005049-appb-M000004
따라서, 압전 소자의 수가 N개인 뇌 자극 장치에서 초음파 타겟 위치 M개의 점에 대한 압력은 수학식 4와 같은 행렬의 식으로 표현이 가능하다. 이 때, p는 초음파 타겟 위치 M에 대한 열벡터를 의미할 수 있으며, u는 압전 소자의 개수 N에 대한 열벡터를 의미할 수 있다. 그리하여, H는 M×N의 행렬식으로 하기 수학식 5를 통해 산출할 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2015005049-appb-M000005
즉, 수학식 5의 유사 역행렬을 이용하여 해를 구함으로써 초음파 타겟 위치에 다중 초점을 형성할 수 있다.
그리하여, 도 4a와 같이 초음파 타겟 위치(13)가 광범위한 경우, 초음파 타겟 위치의 좌표 정보를 기반으로 다수의 압전 소자 각각의 위치와 방향을 조절하여 초점이 형성되는 초음파 빔(beam)의 형태, 폭 및 위치 등을 제어함으로써 광범위한 초음파 타겟 위치(13)에 다중 초점을 형성할 수 있다.
또한, 도 4b와 같이 다수의 초음파 타겟 위치(13)가 존재하는 경우, 초음파 타겟 위치(13) 각각에 대한 좌표 정보를 기반으로 다수의 압전 소자를 분류하고, 분류된 압전 소자의 위치와 방향을 조절하여 초점이 형성되는 초음파 빔(beam)의 형태, 폭 및 위치 등을 제어함으로써 다수의 초음파 타겟 위치(13)를 자극할 수 있도록 다중 초점을 형성할 수 있다.
초음파 변환부(130)는 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환할 수 있다. 여기에서, 초음파 변환부(130)는 음향 절연체(131), 흡음층(133) 및 차폐막(135)를 더 포함할 수 있다.
음향 절연체(131)는 변환된 초음파 신호가 누설되는 것을 방지하기 위한 고무, 코르크 등을 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 흡음층(133)은 뇌 자극 장치가 다수의 압전 소자를 포함함에 따라 압전 소자 각각에서 발생되는 진동을 억제시킬 수 있으며, 차폐막(135)은 외부에서 발생하는 전기적 잡음을 억제시킬 수 있다.
특히, 초음파 변환부(130)는 위치 및 방향이 조절된 다수의 압전 소자 각각에 대하여 전기 신호가 초음파 신호로 변환되는 시간을 조절하여 초음파 타겟 위치를 자극하는 초음파에 관한 빔의 형태 및 방향을 조절할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
초음파 변환부(130)는 전기 신호를 부여하는 전기 공급 장치(140)와 동조 코일로 연결될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 초음파를 이용하는 뇌 자극 방법은 초음파 타겟 위치를 산출하는 단계(S100), 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각의 위상을 조절하는 단계(S200) 및 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
여기에서, 초음파를 이용하는 뇌 자극 방법은 플레시블 기판에 다수의 압전 소자를 배열의 형태로 배치하고, 적어도 하나의 마커를 포함하여 제작된 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치에 의해 수행될 수 있다.
그리하여, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다(S100).
보다 구체적으로, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에서 자극이 필요한 뇌의 위치를 추출하고, 적어도 하나의 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상과 추출된 뇌의 위치를 매핑하여 사용자 두개골의 모양에 따라 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출할 수 있다.
여기에서, 미리 획득한 사용자 두개골의 영상은 사용자 두개골을 촬영한 MRI 영상, CT 영상 및 X-ray 영상 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 사용자의 뇌에서 질환이 발생된 원인과 그 위치를 파악할 수 있는 뇌 영상이 포함될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 마커를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상은 사용자 두개골의 모양에 따라 적용되도록 플렉시블 기판이 변형되면, 플렉시블 기판에 배치된 적어도 하나의 마커를 이용하여 촬영할 수 있다.
예를 들어, 플렉시블 기판의 중심점에 배치된 마커를 이용하여 사용자 두개골의 최정점인 정수리의 영상을 촬영하고, 촬영된 정수리 영상을 기준으로 사용자 두개골의 앞, 뒤, 옆면을 플렉시블 기판의 상하좌우 배치된 각각의 마커를 이용하여 촬영함으로써 사용자 두개골의 곡률에 따른 사용자 두개골의 모양을 파악할 수 있다.
이와 같이, 초음파 타겟 위치가 산출되면, 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각의 위상을 조절할 수 있다(S200). 여기에서, 위상을 조절하는 것은 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자 각각에서 초음파를 조사할 위치 및 방향을 전자적으로 조절하는 것을 의미할 수 있다.
이를 위해, 초음파 타겟 위치의 좌표 정보를 기반으로 다수의 압전 소자 각각의 위치와 방향을 조절하여 초점이 형성되는 초음파 빔의 형태, 폭 및 위치 등을 제어함으로써, 초음파 타겟 위치의 범위 및 영역의 개수에 관계없이 초음파를 조사할 수 있는 다중 초점을 형성할 수 있다.
그리하여, 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환할 수 있다(S300).
보다 구체적으로, 위치 및 방향이 조절된 다수의 압전 소자 각각에 대하여 전기 신호가 초음파 신호로 변환되는 시간을 조절하여 초음파 타겟 위치를 자극하는 초음파에 관한 빔의 형태 및 방향을 조절할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치 및 이를 이용하는 방법에 따르면, 두개골에 구멍을 내거나 뇌를 절개하는 침습적 자극 기술과 달리 두개골 외부에 초음파를 조사하는 비침습적 자극 기술을 이용함으로써 뇌의 영구적 손상을 방지할 수 있다.
특히, 본 발명은 플렉시블 기판을 이용하여 사용자 두개골의 모양에 따라 용이하게 변형할 수 있으므로 자극이 필요한 정확한 뇌의 위치에 초음파를 조사할 수 있다.
또한, 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자의 위상 조절을 통해 다중 초점을 형성하여 초음파에 노출되는 시간을 단축함으로써 뇌의 영구적 손상을 방지할 수 있다.
이를 통해 뇌와 관련된 질환, 장애 또는 고령화 등의 사회문제를 해결함으로써 국가의 성장 동력 및 새로운 고부가가치 산업의 창출이 가능할 것으로 기대된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 뇌 자극 시스템에 있어서,
    미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출하는 타겟 위치 산출부;
    상기 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하는 위상 조절부; 및
    상기 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 상기 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환부를 포함하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치는,
    플렉시블(flexible) 기판에 상기 다수의 압전 소자가 배열의 형태로 배치되고,
    상기 플렉시블 기판의 중심점 및 상기 중심점을 기준으로 상하좌우 위치에 상기 적어도 하나의 마커가 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 플렉시블 기판은,
    상기 사용자 두개골의 모양에 상응하여 부착되도록 경화제(liquid plastic hardener) 및 연화제(liquid plastic softener)를 미리 설정된 비율로 혼합하여 제작되는 하우징(housing)인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 촬영된 사용자 두개골의 영상은,
    상기 플렉시블 기판의 중심점에 배치된 마커를 이용하여 상기 사용자 두개골의 정수리에 대한 영상을 촬영하고,
    상기 정수리에 대한 영상을 기준으로 상기 플렉시블 기판의 상하좌우에 배치된 적어도 하나의 마커를 이용하여 상기 사용자 두개골의 영상을 촬영함으로써 상기 사용자 두개골의 모양을 파악하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 미리 획득한 사용자 두개골의 영상은,
    상기 사용자 두개골을 촬영한 MRI 영상, CT 영상 및 X-ray 영상 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 타겟 위치 산출부는,
    상기 미리 획득한 사용자 두개골의 영상에서 자극이 필요한 뇌의 위치를 추출하고, 상기 적어도 하나의 마커를 통해 촬영된 상기 사용자 두개골의 영상과 상기 추출된 뇌의 위치를 매핑하여 상기 사용자 두개골의 모양에 따라 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 위상 조절부는,
    상기 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 상기 배열의 형태로 배치된 다수의 압전 소자 각각의 위치 및 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 초음파 변환부는,
    상기 위치 및 방향이 조절된 다수의 압전 소자 각각에 대하여 상기 전기 신호가 상기 초음파 신호로 변환되는 시간을 조절함으로써 상기 초음파 타겟 위치를 자극하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 초음파 변환부는,
    상기 전기 신호를 부여하는 전기 공급 장치와 동조 코일을 이용하여 연결되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 초음파 변환부는,
    상기 변환된 초음파 신호가 누설되는 것을 방지하는 음향 절연체;
    상기 다수의 압전 소자에서 발생하는 진동을 억제시키는 흡음층; 및
    외부의 전기적 잡음을 억제하는 차폐막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치.
  11. 초음파를 이용하는 뇌 자극 장치에 의해 수행되는 방법에 있어서,
    미리 획득한 사용자 두개골의 영상 및 적어도 하나의 마커(maker)를 통해 촬영된 사용자 두개골의 영상을 기반으로 초음파를 조사할 초음파 타겟 위치를 산출하는 단계;
    상기 초음파 타겟 위치에 다중 초점이 형성되도록 다수의 압전 소자 각각에 대한 위상을 조절하는 단계; 및
    상기 초음파 타겟 위치에 초음파가 조사되도록 상기 위상이 조절된 다수의 압전 소자에 전기 신호를 가하여 초음파 신호로 변환하는 단계를 포함하는 초음파를 이용하는 뇌 자극 방법.
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