WO2017155180A1 - 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치 및 방법 - Google Patents

마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치 및 방법 Download PDF

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WO2017155180A1
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signal
impedance
applicator
high frequency
output
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PCT/KR2016/012882
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권영우
서태윤
조제원
정다희
박미정
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서울대학교 산학협력단
한국과학기술연구원
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02—Details
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    • A61N1/06—Electrodes for high-frequency therapy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation

Definitions

  • the present invention relates to a technique for inducing brain stimulation by using an applicator for generating an electromagnetic field, and in particular to adjust the modulation frequency of the microwave signal modulated in the form of a square wave supplied to the applicator to induce brain excitement and suppression.
  • the present invention relates to a brain stimulation apparatus and method using microwave signals.
  • the brain stimulation device refers to a device that treats the brain by stimulating the cranial nerve by applying an electric current or a magnetic field to a target area of the brain.
  • brain stimulation methods applied to such brain stimulation devices. Typical examples include deep brain stimulation of invasive methods, transcranial direct current stimulation (tDCS) stimulation apparatus using direct current of noninvasive method, and transcranial magnetic stimulation using magnetic field (TMS). transcranial magnetic stimulation.
  • tDCS transcranial direct current stimulation
  • TMS magnetic field
  • Cerebral deep stimulation is an invasive surgical method.
  • the electrode When the electrode is penetrated into the brain and the brain core is stimulated at a high frequency of 100 to 200 Hz, the power of the brain deep core is increased, thereby the excitability and suppression are complex. Is caused by. It has been reported that peripheral nerve fibers are activated thereby regulating the basal ganglia-thalamic cortical network.
  • such deep brain stimulation is difficult to penetrate the electrode to the brain for deep brain stimulation, there are disadvantages that various side effects appear.
  • Noninvasive brain stimulation is a technique that stimulates nerves in specific areas of the brain without surgical treatment using magnetic fields or currents. It is used as an enemy.
  • Transcranial magnetic stimulation is a technique that uses the principle of depolarization of nerves like a general electric stimulus after a certain period of time when a current generated through a stimulation coil is changed into an electric field of moderate intensity. This technique has the advantage of more localized stimulation and less skin irritation compared to transcranial DC stimulation, but it is expensive, difficult to move, and has a lot of noise.
  • Transcranial direct current stimulation is a non-invasive application of 1-2 mA weak direct current electrical stimulation to the scalp for a period of time through two or more electrodes, thereby regulating the restoring membrane potential of the nerve cells.
  • This technique is based on the principle that the spontaneous discharge rate and N-methyl-D-aspartic acid receptor activation of cells are changed. Such a technique has the advantages of convenient equipment movement and relatively low equipment cost, but it is difficult to perform a local procedure due to the wide stimulation site.
  • the brain stimulation apparatus may cause side effects of surgery, there is a problem that consumes a lot of power, there are disadvantages such as difficulty in local procedures.
  • the problem to be solved by the present invention is to make the brain stimulation in a non-invasive way using a microwave electromagnetic field.
  • Another problem to be solved by the present invention is to enable local site stimulation using a simple applicator.
  • Another problem to be solved by the present invention is to increase the signal transmission efficiency by making the target impedance matching between the power amplifier and the applicator through the impedance variable circuit.
  • Another problem to be solved by the present invention is to obtain a target degree of excitability and suppression by using a modulation of the microwave signal.
  • Brain stimulation apparatus using a microwave signal for achieving the above technical problem,
  • Signal generator for generating a microwave signal;
  • a signal modulator for modulating the microwave signal into a high frequency signal of a pattern for brain stimulation;
  • a power amplifier for amplifying the high frequency signal into a signal having a size required by a microwave brain stimulation device;
  • a directional coupler for transmitting the high frequency signal output from the power amplifier to a next stage and separating the incident wave of the high frequency signal received through its input terminal and the reflected wave of the high frequency signal received through its output terminal;
  • An applicator for radiating the high frequency signal supplied through the directional coupler to a stimulation target region of the brain of a patient to be treated;
  • An impedance variable circuit for varying an impedance such that a target impedance match is made between the power amplifier and the applicator;
  • a controller configured to control an impedance varying state of the impedance varying circuit so that impedance matching between the applicator and the power amplifier is performed
  • the on and off interval of the microwave signal is not output is repeated Radiating a radio frequency signal modulated in the form to the stimulus target site of the brain of the patient; Checking whether a signal transmission efficiency of the high frequency signal falls below a preset reference value based on an output of the power detector of the brain stimulation device; Whenever the signal transmission efficiency falls below the reference value, changing the impedance varying state of the impedance varying circuit of the brain stimulation device and measuring the reflection coefficient of the applicator each time; Compensating for the signal transfer efficiency by controlling a state of the impedance varying circuit so as to achieve a target impedance match according to the measured reflection coefficient; And adjusting the frequency of the high frequency signal according to the inhibitory / excited effect to be obtained by measuring the potential of the single unit nerve cell of the stimulation target site.
  • the microwave brain stimulation device of the present invention when using the microwave brain stimulation device of the present invention, it can be implemented in relatively simple circuits, there is an effect that can minimize the power of the signal required for brain stimulation through efficiency compensation. This makes it easier to miniaturize the product, reduce the price, and can be widely applied to brain stimulation applications.
  • FIG. 1 is a block diagram of a microwave brain stimulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a graph of the potential measurement of single unit neurons of a mouse performed using a brain stimulation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of a microwave brain stimulation method according to another embodiment of the present invention.
  • the brain stimulation device 100 is a signal generator 110, a signal modulator 120, The power amplifier 130, the directional coupler 140, the impedance variable circuit 150, the applicator 160, and the controller 170 are included.
  • the signal generator 110 generates a microwave signal MS, which is a stimulus signal of a frequency required by the brain stimulation device 100.
  • the signal modulator 120 modulates and outputs the microwave signal MS output from the signal generator 110 in a predetermined pattern.
  • FIG. 2 shows an example of the modulation of the microwave signal MS. That is, FIG. 2 is a modulated signal (hereinafter, referred to as a 'high frequency signal') in which the on-section T1 from which the microwave signal MS is output and the off-section T2 from which the microwave signal MS is not output are repeated. ) Shows an example of (MOD_SIG).
  • the modulation form of the high frequency signal MOD_SIG may be variously changed by adjusting the frequency (repetition frequency) of the high frequency signal MOD_SIG.
  • the signal modulator 120 may be implemented in the form of a switch using a transistor.
  • the power amplifier 130 amplifies and outputs a high frequency signal MOD_SIG output from the signal modulator 120 into a signal having a size required by the brain stimulation apparatus 100.
  • the directional coupler 140 transmits the high frequency signal MOD_SIG output from the power amplifier 130 to the impedance variable circuit 150 of the next stage.
  • the directional coupler 140 receives an incident wave of the high frequency signal MOD_SIG received at its input from the output terminal of the power amplifier 130 and a high frequency signal received at its output terminal from the input terminal of the impedance variable circuit 150. It serves to separate the reflected wave of (MOD_SIG).
  • the directional coupler 140 may include a transmission line or a device such as a capacitor or an inductor, and may include a circulator using a magnetic material.
  • the impedance variable circuit 150 is controlled by the controller 170 to achieve a target impedance match between the power amplifier 130 and the applicator 160.
  • the impedance variable circuit 150 serves to vary the impedance of the applicator 160 in contact with the treatment target region of the brain by providing elements such as transistors, diodes and switches.
  • Such an impedance variable circuit 150 may be implemented in various forms.
  • the impedance variable circuit 150 may include an impedance tuner or a phase shifter and two ports to change the output impedance to various values.
  • the applicator 160 serves to radiate the high frequency signal MOD_SIG supplied through the impedance variable circuit 150 to the stimulation target portion of the brain of the patient to be treated. Accordingly, the energy of the radiated high frequency signal MOD_SIG causes electrical stimulation to the brain tissue of the target region of stimulation.
  • the structure of the applicator 160 is not particularly limited, and may include any structure that is easy to contact with the stimulation target site, and may include any structure suitable for more efficiently transmitting the high frequency signal MOD_SIG to the treatment site. .
  • the operator can appropriately adjust the frequency of the radio frequency signal (MOD_SIG) radiated from the applicator 160 to the stimulation target site to adjust the degree of electrical stimulation applied to the brain tissue of the stimulation target site as desired.
  • the structure provided with the planar opening surface is mentioned.
  • the control unit 170 calculates the reflection coefficient of the applicator 160 and based on the result of the calculation, the impedance of the impedance varying circuit 150 to achieve impedance matching between the applicator 160 and the power amplifier 130. It controls the variable state.
  • the controller 170 includes an input stage power detector 171A, an output stage power detector 171B, an analog-digital converter 172, an operation unit 173, and a control unit 174.
  • the input stage power detector 171A receives an incident wave of the high frequency signal MOD_SIG separated from the directional coupler 140 and outputs a DC voltage corresponding to the amount of power thereof.
  • the output stage power detector 171B receives the reflected wave of the high frequency signal MOD_SIG separated from the directional coupler 140 and outputs a DC voltage corresponding to the amount of power thereof.
  • the analog-to-digital converter 172 converts analog DC voltage signals supplied from the input stage power detector 171A and the output stage power detector 171B into digital DC voltage signals, respectively, and outputs the converted DC voltage signals.
  • the calculator 173 stores the digital signals converted by the analog-to-digital converter 172, and calculates the reflection coefficient of the applicator 160 from the stored digital signals.
  • the computing device 173 may include a digital signal processor (DSP), a personal computer (PC), or an electronic computing device.
  • DSP digital signal processor
  • PC personal computer
  • the controller 174 is an impedance of the impedance variable circuit 150 to achieve impedance matching between the applicator 160 and the power amplifier 130 according to the reflection coefficient of the applicator 60 calculated by the calculator 173. Control the variable state. To this end, the control device 174 provides a digital or analog control signal to the impedance variable circuit 150.
  • Figure 3 is a result of measuring the potential of a single unit neurons of the mouse performed using the microwave brain stimulation apparatus 100 according to a preferred embodiment of the present invention. By using the brain stimulation device 100 according to the invention it can be confirmed that the brain stimulation was made correctly.
  • a microwave signal is generated in the brain stimulation device, and the microwave signal is modulated in the form of repeating an on section in which the microwave signal is output and an off section in which the microwave signal is not output.
  • the signal (hereinafter, referred to as 'high frequency signal') is radiated to the stimulus target area of the brain of the patient (or the test mouse) (S1-S3).
  • the output of the power detector is continuously monitored to determine whether the signal transmission efficiency falls below a predetermined reference value based on the monitoring result (S4-S5).
  • the impedance varying state of the impedance varying circuit is arbitrarily changed and the reflection coefficient of the applicator is measured (calculated) each time (S6).
  • the state of the impedance varying circuit is controlled (changed) to achieve a target impedance matching according to the calculated reflection coefficient of the applicator, thereby compensating for the signal transmission efficiency (S7).
  • the frequency of the high frequency signal is adjusted according to the inhibitory / excited effect to be obtained by measuring the potential of the single unit nerve cell of the stimulation target site of the brain of the patient to be treated according to the brain stimulation result (S8, S9).

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Abstract

본 발명은 전자기장을 발생시키는 어플리케이터를 이용하여 뇌 자극을 유도하는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 어플리케이터의 반사계수를 연산하고, 그 연산 결과를 근거로 어플리케이터와 전력 증폭기 간의 임피던스 정합이 이루어지도록 임피던스 가변회로의 임피던스 가변 상태를 제어하는 제어부를 구비하여, 어플리케이터에 공급되는 구형파 형태로 변조된 마이크로파 신호의 변조 주파수를 조절함으로써, 뇌의 흥분과 억제를 목표로 하는 정도로 유도할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치 및 방법
본 발명은 전자기장을 발생시키는 어플리케이터를 이용하여 뇌 자극을 유도하는 기술에 관한 것으로, 특히 어플리케이터에 공급되는 구형파 형태로 변조된 마이크로파 신호의 변조 주파수를 조절하여 뇌의 흥분과 억제를 유도할 수 있도록 한 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 뇌 자극 장치는 뇌의 자극 대상 부위에 전류나 자기장을 가하여 뇌신경을 자극해서 뇌를 치료하는 장치를 일컫는다. 이러한 뇌 자극 장치에 적용되는 뇌 자극 방법에는 여러 가지가 있다. 대표적인 예로써, 침습적인 방법의 뇌심부자극술(deep brain stimulation), 비침습적인 방법의 직류 전류를 사용한 경두개 직류자극술(tDCS: transcranial direct current stimulation) 자극 장치 및 자기장을 이용한 경두개 자기 자극술(TMS: transcranial magnetic stimulation) 등이 있다.
뇌심부자극술은 침습적인 수술 방법으로서, 수술을 통하여 전극을 뇌에 침투시키고뇌심부핵을 100 ~ 200 Hz의 고주파로 자극하면 뇌심부핵의 출력이 증가되고, 이에 의해 흥분성과 억제성이 동시에 복합적으로 유발된다. 이에 의해 주위 신경섬유가 활성화되어 기저핵-시상피질 네트워크 전반이 조절되는 것으로 보고되고 있다. 그런데, 이와 같은 뇌심부자극술은 뇌심부자극을 위해 전극을 뇌에 침투시키는 수술이 어렵고, 그에 따른 여러 가지의 부작용이 나타나는 단점이 있다.
비침습적인 방법의 뇌자극술은 자기장 또는 전류등을 이용하여 수술적 치료없이 뇌의 특정 부위의 신경을 자극하는 기법으로, 자기장을 이용한 경두개 자기자극술과 직류 전기를 이용한 경두개 직류자극술이 현재 임상적으로 사용되고 있다.
경두개 자기자극술은 자극코일을 통해 발생되는 전류를 조직 내에서 적당한 강도의 전기장으로 변화시키면 일정 시간이 경과된 후 일반적인 전기자극처럼 신경의 탈분극을 일으키는 원리를 이용한 기법이다. 이와 같은 기법은 경두개 직류자극술에 비해 보다 국소적인 자극이 가능하고 피부자극이 적은 이점이 있지만, 장비 가격이 고가이고 이동이 어려우며 소음이 많이 발생되는 결함이 있다.
경두개 직류자극술은 두 개 또는 그 이상의 전극을 통해 1~2 mA의 약한 직류 전기자극을 비침습적으로 일정시간 동안 두피에 가하여 신경세포의 안정막 전압(resting membrane potential)을 조절하면, 이에 의해 신경세포의 자발성 방전율(spontaneous discharge rate) 및 N-methyl-D-aspartic acid 수용체 활성화가 변화되는 원리를 이용한 기법이다. 이와 같은 기법은 장비의 이동이 편리하고 장비가격이 상대적으로 저렴한 장점이 있지만, 자극 부위가 넓어 국소적인 시술에 어려움이 있다.
결국, 종래 기술에 의한 뇌 자극 장치는 수술의 부작용을 초래할 수 있는 우려가 있고, 전력을 많이 소모하는 문제점이 있으며, 국소적인 시술에 어려움을 겪게 되는 등의 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로파 전자기장을 이용하여 비침습적인 방법으로 뇌 자극이 이루어지도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 간단한 구조의 어플리케이터를 이용하여 국소부위 자극이 가능하도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 임피던스 가변회로를 통해 전력 증폭기와 어플리케이터 간에 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지도록 하여 신호 전달 효율을 높이는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 마이크로파 신호의 변조를 이용하여 목표로 하는 정도의 흥분성과 억제성을 얻는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치는, 마이크로파 신호를 발생하는 신호 발생기; 상기 마이크로파 신호를 뇌자극을 위한 패턴의 고주파 신호로 변조하는 신호변조기; 상기 고주파 신호를 마이크로파 뇌 자극 장치에서 필요로 하는 크기의 신호로 증폭하는 전력 증폭기; 상기 전력 증폭기에서 출력되는 상기 고주파 신호를 다음 단으로 전달하고, 자신의 입력단을 통해 수신되는 상기 고주파 신호의 입사파와 자신의 출력단을 통해 수신되는 고주파 신호의 반사파를 분리하는 방향성 결합기; 상기 방향성 결합기를 통해 공급되는 상기 고주파 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위에 방사하는 어플리케이터; 상기 전력 증폭기와 상기 어플리케이터 간에 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지도록 임피던스를 가변하는 임피던스 가변회로; 및 상기 어플리케이터의 반사계수를 근거로 상기 어플리케이터와 상기 전력 증폭기 간의 임피던스 정합이 이루어지도록 상기 임피던스 가변회로의 임피던스 가변 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 방법은, 뇌 자극 장치의 어플리케이터를 통하여, 마이크로파 신호가 출력되는 온구간과 마이크로파 신호가 출력되지 않는 오프구간이 반복되는 형태로 변조된 고주파 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위에 방사하는 단계; 상기 뇌 자극 장치의 전력검출기의 출력을 근거로 상기 고주파 신호의 신호전달 효율이 미리 설정된 기준치 이하로 떨어지는지 확인하는 단계; 상기 신호전달 효율이 상기 기준치 이하로 떨어질 때 마다, 상기 뇌 자극 장치의 임피던스 가변 회로의 임피던스 가변 상태를 변경하면서 그 때마다 상기 어플리케이터의 반사계수를 측정하는 단계; 상기 측정된 반사계수에 따라 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지도록 상기 임피던스 가변 회로의 상태를 제어하여 상기 신호전달 효율을 보상하는 단계; 및 상기 자극대상 부위의 단 단위 신경 세포의 전위를 측정하여 얻고자하는 억제/흥분효과에 따라 상기 고주파 신호의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로파 뇌 자극 장치를 이용하는 경우, 펄스 반복 형태의 고주파 신호의 주파수를 조절하여 목표로 하는 정도의 뇌신경의 흥분성과 억제성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 복잡한 신호처리의 과정을 거치지 않고 단지 송수신 신호의 크기에 따른 직류전압만을 측정함으로써, 실시간으로 반사계수를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 측정한 반사계수에 따라 임피던스 가변회로의 상태를 제어함으로써 뇌자극을 위한 신호전달 효율이 생체 조성 성분비에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 마이크로파 뇌 자극 장치를 이용하는 경우, 비교적 간단한 회로들로 구현할 수 있으며, 효율 보상을 통해 뇌 자극에 필요한 신호의 전력을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 제품의 소형화가 용이해 지고, 가격을 줄일 수 있는 효과가 있고, 뇌 자극 응용에 널리 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 마이크로파 뇌 자극 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 신호의 변조 예이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뇌 자극 장치를 이용하여 수행한 쥐의 단 단위 신경세포의 전위 측정 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 뇌 자극 방법의 처리과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 본 발명의 실시예에 의한 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 뇌 자극 장치(100)는 신호발생기(110), 신호변조기(120), 전력 증폭기(130), 방향성 결합기(140), 임피던스 가변회로(150), 어플리케이터(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
신호 발생기(110)는 뇌 자극 장치(100)에서 필요로 하는 주파수의 자극신호인 마이크로파(microwave) 신호(MS)를 생성한다.
신호 변조기(120)는 상기 신호 발생기(110)에서 출력되는 마이크로파 신호(MS)를 소정의 패턴으로 변조하여 출력한다. 상기 신호 변조기(120)에서 상기 마이크로파 신호(MS)를 변조하는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있으며, 도 2는 마이크로파 신호(MS)의 변조예를 나타낸 것이다. 즉, 도 2는 마이크로파 신호(MS)가 출력되는 온구간(T1)과 마이크로파 신호(MS)가 출력되지 않는 오프구간(T2)이 반복되는 형태로 변조된 신호(이하, '고주파 신호'라 칭함)(MOD_SIG)의 예를 나타낸 것이다. 이와 같은 경우 상기 고주파 신호(MOD_SIG)의 주파수(반복 주파수)를 조절하여 상기 고주파 신호(MOD_SIG)의 변조 형태를 다양하게 변화시킬 수 있다. 이와 같은 신호 변조 기능을 수행하기 위해 상기 신호 변조기(120)는 트랜지스터를 이용한 스위치 형태로 구현될 수 있다.
전력 증폭기(130)는 상기 신호 변조기(120)에서 출력되는 고주파 신호(MOD_SIG)를 뇌 자극 장치(100)에서 필요로 하는 크기의 신호로 증폭하여 출력한다.
방향성 결합기(140)는 상기 전력 증폭기(130)에서 출력되는 고주파 신호(MOD_SIG)를 다음 단의 임피던스 가변회로(150)에 송신하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 방향성 결합기(140)는 상기 전력증폭기(130)의 출력단으로부터 자신의 입력단에 수신되는 고주파 신호(MOD_SIG)의 입사파와 상기 임피던스 가변회로(150)의 입력단으로부터 자신의 출력단에 수신되는 고주파 신호(MOD_SIG)의 반사파를 분리하는 역할을 수행한다. 이를 위해 상기 방향성 결합기(140)는 기본적으로 전송선로 또는 커패시터, 인덕터 등의 소자를 구비하고, 자성 물질을 이용한 서큘레이터(circulator)를 구비할 수 있다.
임피던스 가변회로(150)는 제어부(170)의 제어를 받아 상기 전력 증폭기(130)와 어플리케이터(160)간에 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지게 한다. 이를 위해 상기 임피던스 가변회로(150)는 트랜지스터, 다이오드 및 스위치 등의 소자를 구비하여 뇌의 치료 대상 부위와 접촉되어 있는 어플리케이터(160)의 임피던스를 가변하는 역할을 수행한다. 이와 같은 임피던스 가변회로(150)는 다양한 형태로 구현할 수 있는데, 예를 들어 임피던스 튜너나 위상 천이기 및 두 개의 포트를 구비하여 출력 임피던스를 여러 값으로 가변하는 형태로 구현할 수 있다.
어플리케이터(160)는 상기 임피던스 가변회로(150)를 통해 공급되는 고주파 신호(MOD_SIG)를 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위에 방사하는 역할을 한다. 이에 따라, 상기 방사된 고주파 신호(MOD_SIG)의 에너지가 상기 자극대상 부위의 뇌 조직에 전기자극을 일으킨다. 상기 어플리케이터(160)의 구조는 특별하게 한정되지 않으며, 자극대상 부위와 접촉이 용이한 구조를 포함하고, 고주파 신호(MOD_SIG)를 치료 부위에 보다 효율적으로 전달하는데 적합한 어떠한 구조도 모두 포함할 수 있다. 이때, 시술자는 어플리케이터(160)로부터 상기 자극대상 부위에 방사되는 고주파 신호(MOD_SIG)의 주파수를 적절히 조절하여 자극대상 부위의 뇌 조직에 가해지는 전기자극의 정도를 원하는 대로 조절할 수 있다. 상기 자극대상 부위와 접촉이 용이한 구조의 예로써, 평면 형태의 개구면을 구비한 구조를 들 수 있다.
제어부(170)는 상기 어플리케이터(160)의 반사계수를 연산하고, 그 연산 결과를 근거로 상기 어플리케이터(160)와 상기 전력 증폭기(130) 간의 임피던스 정합이 이루어지도록 상기 임피던스 가변회로(150)의 임피던스 가변 상태를 제어하는 역할을 한다.
이를 위해 상기 제어부(170)는 입력단 전력검출기(171A), 출력단 전력검출기(171B), 아날로그 디지털 변환기(172), 연산장치(173) 및 제어장치(174)를 구비한다.
입력단 전력 검출기(171A)는 상기 방향성 결합기(140)로부터 분리된 고주파 신호(MOD_SIG)의 입사파를 입력받아, 그의 전력량에 상응되는 직류전압을 출력하는 역할을 수행한다.
출력단 전력 검출기(171B)는 상기 방향성 결합기(140)로부터 분리된 고주파 신호(MOD_SIG)의 반사파를 입력받아, 그의 전력량에 상응되는 직류전압을 출력하는 역할을 수행한다.
아날로그 디지털 변환기(172)는 상기 입력단 전력검출기(171A) 및 출력단 전력검출기(171B)로부터 각기 공급되는 아날로그의 직류전압 신호를 디지털의 직류전압 신호로 각각 변환하여 출력한다.
연산장치(173)는 상기 아날로그 디지털 변환기(172)에 의해 변환된 디지털신호들을 저장하고, 상기 저장된 디지털신호들로부터 상기 어플리케이터(160)의 반사 계수를 연산한다. 이를 위해 상기 연산장치(173)는 DSP(Digital Signal Processor) 또는 PC(Personal Computer) 또는 전자 계산 장치를 포함할 수 있다.
제어장치(174)는 상기 연산장치(173)에 의해 연산된 어플리케이터(60)의 반사계수에 따라 상기 어플리케이터(160)와 전력 증폭기(130) 간의 임피던스 정합을 이루도록 상기 임피던스 가변회로(150)의 임피던스 가변 상태를 제어한다. 이를 위해 상기 제어장치(174)는 상기 임피던스 가변회로(150)에 디지털 혹은 아날로그의 제어신호를 제공한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로파 뇌 자극 장치(100)를 이용하여 수행한 쥐의 단 단위 신경세포의 전위를 측정한 결과이다. 본 발명에 따른 뇌 자극 장치(100)를 이용하여 뇌 자극이 정확하게 이루어졌음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따라 뇌 자극시 임피던스 가변회로를 이용하여 신호 전달 효율을 일정하게 유지하는 처리과정을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
뇌 자극 장치의 파워를 온시키면 뇌 자극 장치 내에서 마이크로파 신호가 생성되고, 상기 마이크로파 신호는 마이크로파 신호가 출력되는 온구간과 마이크로파 신호가 출력되지 않는 오프구간이 반복되는 형태로 변조되며, 이렇게 변조된 신호(이하,'고주파 신호'라 칭함)가 시술 대상 환자(또는 실험대상 쥐)의 뇌의 자극대상 부위에 방사된다(S1-S3).
이때, 상기 고주파 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위에 방사하면, 환자의 생체조직 임피던스에 따라 상기 어플리케이터를 통한 신호 전달 효율이 다르게 나타난다.
이를 감안하여, 전력검출기의 출력을 지속적으로 모니터링하여 상기 모니터링결과를 근거로 신호전달 효율이 미리 설정된 기준치 이하로 떨어지는지 확인한다(S4-S5).
상기 확인 결과 신호전달 효율이 미리 설정된 기준치 이하로 떨어진 것으로 판단되면, 임피던스 가변 회로의 임피던스 가변 상태를 임의로 변경하고 그 때마다 어플리케이터의 반사계수를 측정(계산)한다(S6).
이어서, 상기 계산된 어플리케이터의 반사계수에 따라 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지도록 임피던스 가변 회로의 상태를 제어(변경)하게 되는데, 이에 의해 상기 신호전달 효율이 보상된다(S7).
이후, 뇌자극 결과에 따른 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위의 단 단위 신경 세포의 전위를 측정하여 얻고자하는 억제/흥분효과에 따라 상기 고주파 신호의 주파수를 조절한다(S8,S9).
이후, 뇌 자극 시간이 모두 경과되었는지 확인하여 경과되지 않았으면, 제 3단계로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행하고, 경과되었으면 상기 고주파 신호의 출력을 중단시킨다(S10).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 마이크로파 신호를 발생하는 신호 발생기;
    상기 마이크로파 신호를 뇌자극을 위한 패턴의 고주파 신호로 변조하는 신호변조기;
    상기 고주파 신호를 마이크로파 뇌 자극 장치에서 필요로 하는 크기의 신호로 증폭하는 전력 증폭기;
    상기 전력 증폭기에서 출력되는 상기 고주파 신호를 다음 단으로 전달하고, 자신의 입력단을 통해 수신되는 상기 고주파 신호의 입사파와 자신의 출력단을 통해 수신되는 고주파 신호의 반사파를 분리하는 방향성 결합기;
    상기 방향성 결합기를 통해 공급되는 상기 고주파 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위에 방사하는 어플리케이터;
    상기 전력 증폭기와 상기 어플리케이터 간에 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지도록 임피던스를 가변하는 임피던스 가변회로; 및
    상기 어플리케이터의 반사계수를 근거로 상기 어플리케이터와 상기 전력 증폭기 간의 임피던스 정합이 이루어지도록 상기 임피던스 가변회로의 임피던스 가변 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호 변조기는
    상기 마이크로파 신호가 출력되는 온구간과 상기 마이크로파 신호가 출력되지 않는 오프구간이 반복되는 패턴으로 상기 고주파 신호를 변조하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 가변회로는
    임피던스 튜너나 위상 천이기 및 두 개의 포트를 구비하여 출력 임피던스를 여러 값으로 가변하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 어플리케이터는
    상기 자극 대상 부위와 접촉이 용이하도록 하기 위해 평면 형태의 개구면을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 방향성 결합기로부터 분리된 상기 고주파 신호의 입사파를 근거로 상기 방향성 결합기의 전력량에 상응되는 직류전압을 출력하는 입력단 전력 검출기;
    상기 방향성 결합기로부터 분리된 상기 고주파 신호의 반사파를 근거로 상기 방향성 결합기의 전력량에 상응되는 직류전압을 출력하는 출력단 전력 검출기;
    상기 입력단 전력검출기 및 출력단 전력검출기로부터 공급되는 아날로그의 직류전압 신호를 디지털의 직류전압 신호로 각각 변환하는 아날로그 디지털 변환기;
    상기 아날로그 디지털 변환기에 의해 변환된 디지털신호를 저장하고, 상기 저장된 디지털신호로부터 상기 어플리케이터의 반사 계수를 연산하는 연산장치; 및
    상기 반사계수에 따라 상기 어플리케이터와 상기 전력 증폭기 간의 임피던스 정합을 이루도록 상기 임피던스 가변회로의 임피던스 가변 상태를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 장치.
  6. (a) 뇌 자극 장치의 어플리케이터를 통하여, 마이크로파 신호가 출력되는 온구간과 마이크로파 신호가 출력되지 않는 오프구간이 반복되는 형태로 변조된 고주파 신호를 시술 대상 환자의 뇌의 자극대상 부위에 방사하는 단계;
    (b) 상기 뇌 자극 장치의 전력검출기의 출력을 근거로 상기 고주파 신호의 신호전달 효율이 미리 설정된 기준치 이하로 떨어지는지 확인하는 단계;
    (c) 상기 신호전달 효율이 상기 기준치 이하로 떨어질 때 마다, 상기 뇌 자극 장치의 임피던스 가변 회로의 임피던스 가변 상태를 변경하면서 그 때마다 상기 어플리케이터의 반사계수를 측정하는 단계;
    (d) 상기 측정된 반사계수에 따라 목표로 하는 임피던스 정합이 이루어지도록 상기 임피던스 가변 회로의 상태를 제어하여 상기 신호전달 효율을 보상하는 단계; 및
    (e) 상기 자극대상 부위의 단 단위 신경 세포의 전위를 측정하여 얻고자하는 억제/흥분효과에 따라 상기 고주파 신호의 반복 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (e) 단계는
    미리 설정된 뇌 자극 시간이 모두 경과되었는지의 여부에 따라 상기 (a) 단계로 복귀하거나 상기 고주파 신호의 출력을 중단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 신호를 이용한 뇌 자극 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101953615B1 (ko) * 2017-10-16 2019-03-04 서울대학교산학협력단 금속판과 숏스텁을 이용한 뇌 자극용 어플리케이터
KR102099200B1 (ko) * 2017-12-18 2020-04-09 서울대학교산학협력단 뇌 자극 장치
CN112569475B (zh) * 2019-09-27 2022-09-02 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 一种电磁波改善阿尔茨海默病空间认知障碍和Aβ沉积的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005034268A (ja) * 2003-07-17 2005-02-10 Kalaco Scientific Inc 経頭蓋電気刺激方法及び装置
KR100739002B1 (ko) * 2006-04-28 2007-07-12 (주) 태웅메디칼 고주파 열치료용 멀티 알에프 제너레이터
JP2008104517A (ja) * 2006-10-23 2008-05-08 Ito Choutanpa Kk 高周波治療器
KR101057974B1 (ko) * 2008-11-20 2011-08-19 (주)아이티시 고주파치료 및 저주파치료 기능을 동시 적용한 전기치료기
JP2014133123A (ja) * 2012-12-14 2014-07-24 Univ Of Electro-Communications 電気刺激システム及び計測システム

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101961528B (zh) * 2009-07-24 2013-09-04 中华大学 神经刺激及反应监控的装置及其系统以及装置的制备方法
JP6076915B2 (ja) * 2011-01-28 2017-02-08 スティムウェイブ テクノロジーズ インコーポレイテッド 神経刺激装置システム
KR101419793B1 (ko) * 2012-10-25 2014-07-17 서울대학교산학협력단 탐침형 온열 치료 장치 및 그의 동작방법
CN103537011B (zh) * 2013-10-23 2016-04-06 徐兆东 针灸微波治疗罐

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005034268A (ja) * 2003-07-17 2005-02-10 Kalaco Scientific Inc 経頭蓋電気刺激方法及び装置
KR100739002B1 (ko) * 2006-04-28 2007-07-12 (주) 태웅메디칼 고주파 열치료용 멀티 알에프 제너레이터
JP2008104517A (ja) * 2006-10-23 2008-05-08 Ito Choutanpa Kk 高周波治療器
KR101057974B1 (ko) * 2008-11-20 2011-08-19 (주)아이티시 고주파치료 및 저주파치료 기능을 동시 적용한 전기치료기
JP2014133123A (ja) * 2012-12-14 2014-07-24 Univ Of Electro-Communications 電気刺激システム及び計測システム

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