WO2021101253A2 - 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2021101253A2
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허여울
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for performing transcranial magnetic stimulation (TMS) and observing neural signals according to the stimulation.
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • the methods of selective stimulation of specific neurons include optogenetics, designer receptor exclusively activated by designer drugs (DREADDs), and TRPV1 (transient receptor potential cation channel, subfamily V, member). 1) and methods of using magnetic nanomaterials.
  • Non-invasive brain stimulation methods include transcranial magnetic stimulation (TMS), transcranial direct current stimulation (tDCS), and focused ultrasound stimulation (FUS).
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • tDCS transcranial direct current stimulation
  • FUS focused ultrasound stimulation
  • This non-invasive brain stimulation method has an advantage of safety, but has a limitation in that stimulation for each type of nerve cell is difficult compared to invasive brain stimulation method.
  • the transcranial magnetic stimulation method is a brain stimulation method that functions by a magnetic field generated through a coil. This magnetic field passes through the skull without causing great pain to the subject, generates an electric field in the brain tissue, and can induce hyperpolarization or depolarization of nerve cells.
  • transcranial magnetic stimulation (TMS)
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of measuring neural signals together while performing transcranial magnetic stimulation (TMS).
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of measuring a nerve signal in an optical manner while minimizing damage to the brain portion of the transcranial magnetic stimulation (TMS).
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and system capable of measuring and analyzing a calcium (Ca2+) signal during transcranial magnetic stimulation (TMS).
  • Ca2+ calcium
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • the transcranial magnetic stimulation and neural signal measuring apparatus provides a driving signal for transcranial magnetic stimulation and optical-based signal processing and analysis for measuring neural signals.
  • a stimulation and measurement module that is connected to the stimulation and measurement main body unit for performing a measurement, and is connected to the stimulation and measurement main unit through electrical and optical paths, applies a magnetic stimulation signal to the driving signal, and measures a nerve signal using a fiber photometric method.
  • the stimulation and measurement module may include a stimulation coil for applying the magnetic stimulation signal, and an optical fiber penetrating the core of the stimulation coil to measure a nerve signal.
  • the neural signal may be a calcium (Ca2+) signal.
  • the stimulation and measurement module includes a module body having an upper connector for receiving the driving signal, the stimulation coil electrically connected to the connector being wound, and including an opening through which the optical fiber can pass, and the It may further include a module base mounted on the lower part of the module body and having an opening through which the optical fiber can penetrate.
  • one end of the optical fiber may be a pigtail optical fiber
  • the opening of the module base may have a guide cannula for inserting the pigtail optical fiber
  • the stimulation and measurement module includes a connector for receiving the driving signal on an upper portion, the stimulation coil electrically connected to the connector is wound, and the light surrounding the optical fiber
  • the ferrule may further include a module body passing through the core portion of the stimulation coil, and a module cap mounted on the module body and configured to provide electrical signals and optical signals to the connector and the optical ferrule, respectively.
  • the module cap may further include another optical ferrule to be bonded to the optical ferrule of the module body.
  • the stimulation and measurement body unit a transcranial stimulation driving unit that provides a driving signal applied to the stimulation coil, a neural signal measurement unit that applies a light source to the optical fiber in association with the driving signal and receives measurement light. And an analysis unit that processes the received signal of the neural signal as analysis data.
  • a method of measuring transcranial magnetic stimulation and neural signal includes the steps of setting a driving signal for transcranial magnetic stimulation, applying the driving signal to a stimulation coil, and measuring a neural signal. It may include irradiating a light source of a predetermined wavelength to a stimulation portion through an optical fiber and measuring a received optical signal, and measuring a nerve signal using the received optical signal.
  • the transcranial magnetic stimulation and neural signal measurement may be performed using a single stimulation and measurement module.
  • a transcranial magnetic stimulation (TMS) module and a fiber photometry module are integrated, so that a single device can measure changes in nerve cells in real time according to brain stimulation.
  • a pattern according to a driving signal of a transcranial magnetic stimulation (TMS) and a change in a calcium (Ca2+) signal can be analyzed in an integrated manner to be utilized for stimulation for each type of nerve cell.
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • Ca2+ calcium
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a transcranial magnetic stimulation and neural measurement system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a stimulation and measurement main body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a stimulation and measurement module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a fastening form of a stimulation and measurement module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a stimulation and measurement module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a transcranial magnetic stimulation and measurement method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a transcranial magnetic stimulation and neural measurement system according to an embodiment of the present invention.
  • the transcranial magnetic stimulation and neural signal measurement apparatus includes a stimulation and measurement body part 1000 and a stimulation and measurement module 2000.
  • the stimulation and measurement body unit 1000 processes and analyzes optical-based signals for measuring transcranial magnetic stimulation and neural signals.
  • the stimulation and measurement body unit 1000 includes a transcranial stimulation driving unit 110, a nerve signal measurement unit 120, and an analysis unit 130.
  • the stimulation and measurement module 2000 is mounted in contact with the brain of a human or animal to apply a transcranial magnetic stimulation signal and measure a neural signal.
  • the stimulation and measurement module 2000 is formed by integrating a structure for transcranial magnetic stimulation and a structure for measuring Ca2+ signals using fiber photometry. The detailed structure of the stimulation and measurement module 2000 will be described later together with the drawings.
  • the transcranial stimulation driving unit 110 of the stimulation and measurement body unit 1000 applies a driving signal to the coil for transcranial magnetic stimulation (TMS).
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • the magnetic field generated by the driving signal applied to the coil stimulates the transcranial according to a specific stimulation protocol.
  • the neural signal measuring unit 120 measures the neural signal in real time in connection with the magnetic stimulation.
  • the neural signal measuring unit 120 may avoid interference and noise due to induced currents generated by transcranial magnetic stimulation by measuring the Ca2+ signal using a fiber photometric method.
  • the analysis unit 130 processes transcranial magnetic stimulation and neural signal measurement, stores the processing result, and converts it into data (eg, graph or image) that can be analyzed.
  • the converted data can be displayed by the display unit and is used for measurement and analysis of neural signals according to the magnetic stimulation protocol.
  • the stimulation and measurement body part 1000 is connected to the stimulation and measurement module 2000 through electrical and optical connections. Therefore, the stimulation and measurement module 2000 may be detachable or replaced, and may be designed in a structure that is suitably modified according to the test object.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a stimulation and measurement main body according to an embodiment of the present invention.
  • the transcranial stimulation driving unit 110 may include a power control unit 111, a driving signal applying unit 112, a frequency control unit 113, and a driving signal measuring unit 114.
  • the power control unit 111 controls the properties of an AC or DC power source used for magnetic stimulation.
  • An AC signal is applied to the coil for magnetic stimulation.
  • the power control unit 111 When the power is AC, the power control unit 111 generates an AC current suitable for magnetic stimulation by adjusting the size and frequency of the AC power.
  • the power control unit 111 uses DC power, the DC current is converted into AC current and provided.
  • the driving signal applying unit 112 receives the alternating current generated for magnetic stimulation from the power control unit 111 and applies it to the stimulation and measurement module 2000.
  • the driving signal applying unit 112 controls the start and end of application of the driving signal and continuous/intermittent application of the driving signal.
  • the driving signal applying unit 112 may be controlled according to an input of an operator or an output of the frequency control unit 113 and the driving signal measuring unit 114.
  • the frequency control unit 113 controls the frequency of the driving signal according to an operator input or a predetermined stimulation protocol.
  • the frequency of the driving signal may be changed while sweeping or hopping a plurality of frequencies in addition to application of the driving signal to a specific frequency.
  • a dynamic driving signal may be applied with a specific amplitude or a frequency having a specific time point as a variable.
  • a driving period of an intermittent application signal in which the application signal is stopped for a predetermined time and then applied again may be provided.
  • the driving signal measuring unit 114 may perform feedback control of the body unit 1000 by measuring an applied driving signal.
  • the driving signal measuring unit 114 may perform fine adjustment of the settings of the main body unit 1000 by measuring a signal applied to the simulated test object before the experiment.
  • a parasitic impedance component generated by the stimulus and measurement module 2000 of the driving signal measurement unit 114 and the connection unit may be measured and removed or set as a parameter to be considered in the driving signal.
  • the neural signal measuring unit 120 measuring a neural signal may include a light source control unit 121, an optical signal applying unit 122, a measuring light processing unit 123, and a light receiving unit 124.
  • the light source controller 121 controls a light source to be used in the fiber photometric method for measuring neural signals.
  • the light source controller 121 performs a function of generating light of a specific wavelength for measuring a neural signal.
  • the light source may be a 473nm laser light source, but is not limited thereto.
  • the optical signal applying unit 122 applies an optical signal for measuring a nerve signal to the stimulation and measurement module 2000 through an optical fiber.
  • the optical signal applying unit 122 may filter or chopper an optical signal generated from a light source to process the optical signal. Further, the optical signal applying unit 122 may include an optical system such as a plurality of mirrors or lenses, and may reflect, refraction, diffraction, or scatter the optical signal to adjust the path of the optical signal.
  • the optical signal receiver 124 receives received light in response to the applied optical signal.
  • the received light may be received from the stimulation and measurement module 2000 through the optical fiber.
  • the optical signal receiver 124 may be implemented as a CMOS sensor or a photo detector, and converts the received optical signal into an electrical signal.
  • the light receiving unit 124 interlocks with the transcranial stimulation driving unit 110 to receive the received light at a specific time point (eg, a stimulation time point).
  • the measurement light processing unit 123 signal-processes the measurement light received from the stimulation and measurement module 2000.
  • the measurement light processing unit 123 performs filtering of measurement light, noise canceling, analog-digital conversion, and the like, and processes the measurement signal as a readable measurement signal as a neural signal. In this way, the processed measurement signal may be transmitted to the analysis unit 130 through the communication interface 140.
  • the analysis unit 130 includes a measurement signal processing unit 131, a processor 132, a storage unit 133, and a display unit 134.
  • the measurement signal processing unit 131 receives the analog or digital measurement signal received from the neural signal measurement unit 120 and processes it as analysis data. For example, the measurement signal processing unit 131 may process Ca2+ fluorescence change as image data based on the measurement signal. The measurement signal processing unit 131 may perform a function to convert the image data into an image in a displayable format by adjusting brightness, contrast, grayscale, etc. of image data to provide convenience of analysis.
  • the storage unit 133 temporarily or permanently stores signals and data such as stimulation driving commands, measurement signals, analysis data, and operator inputs.
  • the storage unit 133 includes a volatile or nonvolatile memory, and may be embedded in the body unit 1000 or formed as a separate module to be attached or detached.
  • the display unit 134 performs a function of processing the analysis data and displaying the processed result to the operator.
  • the display unit 134 may include various display devices such as LCD, AM-OLED, PM-OLED, and e-ink.
  • the display unit 134 may also be embedded in the body unit 1000 or may be formed as a separate module to be attached or detached.
  • the processor 132 executes commands related to data processing, storage, and display performed by the analysis unit 130 according to an operator input or a predetermined algorithm.
  • the processor 132 may be implemented as a separate micro-processor chip, or may be implemented as some blocks of a chip that performs other functions.
  • the stimulation and measurement body unit 1000 performs driving for transcranial magnetic stimulation and measurement by the fiber photometric method in one device, and is connected to the stimulation and measurement module 2000 through electrical signals and optical signals. It works.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a stimulation and measurement module according to an embodiment of the present invention.
  • the stimulation and measurement module 2000 is electrically and optically connected to the stimulation and measurement body unit 1000 as described above.
  • the driving signal for transcranial magnetic stimulation is transmitted through the stimulation driving line 210.
  • the stimulation driving signal is an AC signal having a specific amplitude and frequency capable of generating an induced current by a magnetic coil.
  • the optical wire 310 may include an optical fiber capable of transmitting and receiving light, and a coating or coating that protects the optical fiber or improves performance.
  • the stimulation and measurement module 2000 includes a stimulation drive line 210, an optical wire 310, a rotary motor 410, a connector 220, a stimulation coil 230, a module body 420, and the like. It includes a module base 430, a pigtail optical fiber 320, and a guide cannula.
  • the rotary motor 410 performs a rotational motion around the optical wire 310 passing through the module body 420.
  • the rotary motor 410 may be implemented integrally with the stimulation and measurement module 2000, but may be implemented externally and interconnected. It is useful in practice that the magnetic pole drive line 210 and the optical wire 310 are fastened with a joint connector in the rotary motor 410.
  • the module body 420 adopts a mechanical structure capable of simultaneously performing transcranial magnetic stimulation and neural signal measurement.
  • a connector 220 connectable to the magnetic pole driving line 210 is formed on the module body 420.
  • an opening through which the optical wire 310 can pass is formed on the module body 420. Through the opening, the optical wire 310 or the optical fiber, which is a core wire, penetrates through the module body 420 and extends through the module base 430 mounted at the bottom.
  • the upper portion of the module body 420 may secure an outer peripheral surface and a space through a step.
  • a stimulation coil 230 is wound around the module body 420 below the step. That is, the module body 420 serves as a bobbin of the stimulation coil.
  • the stimulation coil 230 is electrically connected to the connector 220 to receive a stimulation application signal.
  • the module body 420 corresponds to the core portion of the coil, and according to the design, a ferromagnetic material or a ferrite core may be inserted to control the formation of a magnetic field.
  • a ferromagnetic material or a ferrite core may be inserted to control the formation of a magnetic field.
  • the end of the optical wire 310 penetrating the central portion of the module body 420 is formed in the shape of a pigtail optical fiber 320.
  • the pigtail optical fiber 320 means that the optical fiber has an end that has been polished to a specific inclination without other elements such as a connector at the end.
  • the pigtail optical fiber 320 enters the head of an object for measuring a nerve signal and measures a nerve signal by a fiber photometric method.
  • the module base 430 may be fixedly coupled to the module body 420 through a fixing part. Since the module base forms the end of the magnetic pole coil, it can be implemented as a nonmagnetic material that does not affect the permeability.
  • the module base 430 has an opening formed in the center thereof so that the pigtail optical fiber 320 may pass therethrough.
  • the opening in the lower part of the module base 430 has a guide cannula 330 extending therethrough to protect and guide the pigtail optical fiber 320.
  • the inner diameter of the guide cannula 330 is formed larger than the outer diameter of the pigtail optical fiber 320 to insert the pigtail optical fiber 320 and expose a part of the end portion to the outside.
  • the stimulation and measurement module 2000 integrates the bobbin structure of the coil for magnetic stimulation and the optical path of the optical fiber for fiber photometry, so that it is possible to measure neural signals in real time at the same time as transcranial magnetic stimulation. have.
  • the optical fiber without electromagnetic signal interference penetrates the core portion where the magnetic field is focused, disturbance or interference does not occur between the magnetic stimulation and the optical measurement.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a fastening form of a stimulation and measurement module according to an embodiment of the present invention.
  • the pigtail optical fiber 320 passes through the guide cannula 330 and partially is exposed.
  • the magnetic pole and measuring module 2000 has a bobbin shape of a coil, so that magnetic and induced currents can be applied to a desired position of the hard skull.
  • magnetic stimulation changes according to an AC signal applied to the stimulation coil 230. Simultaneously with magnetic stimulation, it is possible to measure the neural signal through the pigtail optical fiber 320 by a fiber photometric method.
  • the Ca2+ signal can be measured using a biomarker for each type of nerve cell.
  • Ca2+ signals can be measured using biomarkers such as Calmodulin-dependent protein kinase II (CAMK2), Parvalbumin (PV), Somatostatin (SOM), and Vasoactive intestinal peptide expressing neuron (VIP).
  • CAMK2 Calmodulin-dependent protein kinase II
  • PV Parvalbumin
  • SOM Somatostatin
  • VIP Vasoactive intestinal peptide expressing neuron
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a stimulation and measurement module according to another embodiment of the present invention.
  • the stimulation and measurement module 3000 includes a module cap 710, a module body 720, a connector 520, an optical fiber 610, an optical ferrule 620, and a stimulation coil 530. Includes.
  • the stimulation and measurement module 3000 provides a stimulation signal and an optical signal using a combination of the module cap 710 and the module body 520.
  • the module cap 710 transmits a stimulation signal to the stimulation coil 530 using a space capable of accommodating the connector 520.
  • an optical fiber 610 for measuring a nerve signal is formed on the core wire of the optical ferrule 620.
  • the optical ferrule 620 is used to connect the optical fiber 610 and the external optical fiber by bonding with an external optical ferrule of the same or similar standard.
  • the module cap 710 is connected to the stimulation and measurement body unit 1000, the stimulation drive line 210, and the optical wire 310, and by fastening the module cap 710 with the module body 720, electricity And optically, the stimulation and measurement body unit 1000 and the stimulation and measurement module 3000 may be connected.
  • the module cap 710 may include a connector electrically connected to the connector 520 and a different optical ferrule optically connected to the optical ferrule 620.
  • the module cap 710 may be mechanically coupled to the module body 720 to transmit a stimulus signal and an optical signal to the module body 720.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a transcranial magnetic stimulation and measurement method according to an embodiment of the present invention.
  • the transcranial magnetic stimulation and neural signal measurement are performed by interlocking the stimulation and measurement body unit 1000 and the stimulation and measurement modules 2000 and 3000.
  • the transcranial stimulation and measurement method according to an exemplary embodiment of the present invention will be described mainly on the operation of the stimulation and measurement body part 1000.
  • Step S100 starts an operation for transcranial stimulation.
  • an AC signal is applied to the stimulation coil.
  • a driving signal is set.
  • the amplitude, frequency, and delay of the driving signal are determined according to the stimulation protocol.
  • the stimulation protocol may be set according to a predetermined program or operator input.
  • step S130 it is determined whether the driving signal is appropriate.
  • the driving signal measuring unit 114 measures the driving signal by connecting the output unit with a short, open, or known impedance to determine whether the actual output driving signal is appropriate.
  • fine adjustment is necessary depending on the length of the wire, the stimulus, and the impedance of the measurement modules 2000 and 3000 depending on the situation, it is possible to finely adjust the driving signal so that the driving signal is appropriate using the driving signal measuring unit 114 .
  • the transcranial stimulation coil is driven in step S140.
  • an alternating current is applied to the stimulation coil wound around the bobbin portion of the stimulation and measurement modules 2000 and 3000, and the module base corresponding to the end of the bobbin is brought into contact with or in contact with the stimulation portion.
  • step S150 it is determined whether to start the measurement of the neural signal.
  • the fiber photometer is driven (S210).
  • a light source of a predetermined wavelength is irradiated through an optical fiber through the light source control unit 121.
  • the received optical signal is measured in step S220.
  • the measurement light may be provided to the light receiving unit 124 through different bands of the same optical fiber.
  • the optical receiver 124 may acquire information on a wavelength and intensity of a received optical signal and a correlation according to the transcranial stimulation.
  • step S230 image processing is performed using the received optical signal.
  • the image processing may include image combination for fluorescent pixels.
  • the image processing includes graphing changes in wavelength and intensity corresponding to the biomarker.
  • step S240 an image processed through a predetermined algorithm is analyzed. Images may be sequentially stored in the storage unit 133 according to a predetermined frame rate, and a change in the image over time may be analyzed as a change value of a neural signal. In addition to the measurement time, the change of the neural signal in connection with the application of the transcranial magnetic stimulation driving signal can also be analyzed for correlation with the transcranial magnetic stimulation.
  • the neural signal may be finally measured and provided to the operator through the display unit 134.
  • Neural signal measurements are provided as changes in Ca2+ signals using predetermined biomarkers.
  • step S160 stimulation and measurement are terminated in step S160.
  • a transcranial magnetic stimulation (TMS) module and a fiber photometry module are integrated, so that a single device can measure changes in nerve cells in real time according to brain stimulation.
  • a pattern according to a driving signal of a transcranial magnetic stimulation (TMS) and a change in a calcium (Ca2+) signal can be analyzed in an integrated manner to be utilized for stimulation for each type of nerve cell.
  • TMS transcranial magnetic stimulation
  • Ca2+ calcium
  • TMS transcranial magnetic stimulation

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Abstract

경두개 자기 자극과 실시간 적으로 신경 신호를 측정할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치는, 경두개 자기 자극 위한 구동 신호를 제공하고 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호 처리 및 분석을 수행하는 자극 및 측정 본체부와, 상기 자극 및 측정 본체부와 전기적 및 광학적 경로로 연결되며, 상기 구동 신호에 자기 자극 신호를 인가하고 섬유 광도법을 이용하여 신경 신호를 측정하는 자극 및 측정 모듈을 포함한다. 여기서, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상기 자기 자극 신호를 인가하는 자극 코일과, 신경 신호 측정을 위하여 상기 자극 코일의 코어를 관통하는 광 섬유를 구비할 수 있다.

Description

경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치 및 그 방법
본 발명은 경두개 자기 자극(TMS : TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION)을 수행하며, 그 자극에 따른 신경 신호를 관측할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
사람의 뇌에 존재하는 다양한 종류의 신경 세포들은 각기 다른 역할을 수행하기 때문에 특정 신경 세포의 활성화는 신경 정신학적인 치료 수단으로서 활용 가능하다. 따라서, 특정 신경 세포 종류만을 자극하는 기술은 뇌기능 조절 기술의 중요한 지향점이다.
현재, 특정 신경 세포의 선택적 자극 방법은, 광유전학적(optogenetics) 방법, 설계 수용체만 활성화는 설계 약물 (DREADDs, designer receptor exclusively activated by designer drugs), TRPV1 (transient receptor potential cation channel, subfamily V, member 1)과 자성 나노 물질을 사용하는 방법 등이 있다.
하지만, 전술한 방법들은 바이러스 또는 나노 물질을 뇌에 직접 주입하기 때문에 침습적 시술이 동반되며, 이질적인 단백질을 신경세포에 발현시키기 때문에 실질적으로 사람에게 적용하는 데에 제약이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 비침습적인 뇌자극 방법이 개발되고 있다. 비침습적 뇌자극 방법은, 경두개 자기 자극법 (TMS, transcranial magnetic stimulation), 경두개 직류 전류 자극법 (tDCS, transcranial direct current stimulation), 집중식 초음파 자극법 (FUS, focused ultrasound stimulation) 등이 있다. 이러한 비침습적인 뇌자극 방법은 안전성이 장점이지만, 침습적 뇌자극 방법에 비해 신경 세포 종류별 자극이 어렵다는 한계가 있다.
여기서, 경두개 자기 자극법(TMS)의 경우에는 코일을 통해 생성된 자기장에 의해 기능하는 뇌 자극 방법이다. 이 자기장은 피험자에게 큰 고통을 주지 않고 두개골을 통과해 뇌 조직에 전기장을 생성하고, 신경세포의 과분극 혹은 탈분극을 유도할 수 있다.
또한, 경두개 자기 자극법(TMS)의 경우에는 자극 프로토콜에 따라서 각기 다른 신경 세포 종류의 활동의 영향을 미치는 것이 간접적으로 확인되었기 때문에 비침습적 뇌자극 방법의 단점을 극복하는 기술로서 연구가 진행되고 있다. 즉, 자극 프로토콜(자극의 빈도와 간격, 주파수, 패턴 등)을 다르게 설정함에 , 특정 신경 활동을 활성 또는 억제할 수 있음을 시사하는 연구가 진행되고 있다.
그러나, 경두개 자기 자극법(TMS)의 자극 프로토콜에 따라 신경 세포 종류별로 활동의 명확한 인과 관계를 규명하는 데는 여전히 어려운 점이 존재한다. 즉, 자극과 동기화되어 특정 신경 신경의 변화를 실시간적으로 직접 측정이 가능하여야 경두개 자기 자극법(TMS)의 효과를 규명할 수 있다.
뇌에서 신경 신호를 측정하는 방법에 있어서, 뇌에서 전기적 신호를 측정하는 방법과 식별자(indicator)를 이용하여 세포내의 칼슘(Ca2+) 신호 변화를 측정하는 방법이 있다.
여기서, 전기적 신호를 측정하는 방법을 TMS와 병행하는 경우에는, 경두개 자기 자극을 인가하는 동안 발생하는 유도 전류와 측정 대상의 전기 신호간의 간섭이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 경두개 자기자극을 인가하는 동안 전기적 신호를 측정하는 방법에는 한계가 존재한다.
따라서, 경두개 자기 자극에 있어서 비 전기적 신호로서 효율적으로 신경 세포의 활동 변화를 측정가능한 장치 및 방법이 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 경두개 자기 자극(TMS)을 수행하면서 신경 신호를 함께 측정 가능한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 경두개 자기 자극(TMS)의 뇌부위 손상을 최소화하면서 광학적인 방식으로 신경 신호를 측정 가능한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 경두개 자기 자극(TMS) 중에 칼슘 (Ca2+) 신호를 측정 및 분석하여 제공 가능한 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른, 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치는, 경두개 자기 자극 위한 구동 신호를 제공하고 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호 처리 및 분석을 수행하는 자극 및 측정 본체부와, 상기 자극 및 측정 본체부와 전기적 및 광학적 경로로 연결되며, 상기 구동 신호에 자기 자극 신호를 인가하고 섬유 광도법을 이용하여 신경 신호를 측정하는 자극 및 측정 모듈을 포함하며, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상기 자기 자극 신호를 인가하는 자극 코일과, 신경 신호 측정을 위하여 상기 자극 코일의 코어를 관통하는 광 섬유를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 신경 신호는 칼슘(Ca2+) 신호일 수 있다.
또한, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구를 포함하는 모듈 바디와, 상기 모듈 바디의 하부에 장착되며 중심부에 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구가 형성되어 있는 모듈 베이스를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 광 섬유의 일 단부는 피그테일 광섬유이며, 상기 모듈 베이스의 상기 개구는 상기 피그테일 광섬유를 내삽시키는 가이드 캐뉼라가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 자극 및 측정 모듈은, 상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며, 상기 광 섬유를 둘러싸고 있는 광 페룰이 상기 자극 코일의 코어부를 관통하는 모듈 바디와, 상기 모듈 바디의 상부에 장착되며, 상기 커넥터와 상기 광 페룰에 각각 전기적 신호와 광학 신호를 제공하도록 구성된 모듈 캡을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 모듈 캡은 다른 광 페룰을 더 포함하여 상기 모듈 바디의 광 페룰과 접합될 수 있다.
또한, 상기 자극 및 측정 본체부는, 상기 자극 코일에 인가되는 구동 신호를 제공하는 경두개 자극 구동부와, 상기 구동 신호와 연관되어 상기 광 섬유에 광원을 인가하고 측정광을 수신하는 신경 신호 측정부와, 상기 신경 신호 수신된 신호를 분석 데이터로 처리하는 분석부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 방법은, 경두개 자기 자극을 위한 구동 신호를 설정하여, 자극 코일에 상기 구동 신호를 인가하는 단계와, 신경 신호를 측정하기 위하여 미리 정해진 파장의 광원을 자극 부위에 광섬유를 통해 조사하고 수신 광 신호를 측정하는 단계와, 상기 수신 광신호를 이용하여 신경 신호를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정은, 단일 자극 및 측정 모듈을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 경두개 자기 자극(TMS) 모듈과 섬유 광도법(Fiber photometry) 모듈이 일체화되어, 단일 장치로 뇌 자극에 따른 실시간 적인 신경 세포 변화를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 경두개 자기 자극(TMS)의 구동 신호에 따른 패턴과 칼슘 (Ca2+) 신호의 변화를 통합적을 분석하여 신경 세포 종류별 자극에 활용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 뇌 손상을 최소화하여 경두개 자기 자극(TMS)에 있어서 외부 영향을 최소화하여 뇌 자극에 따른 신경 세포의 변화를 더 정확히 측정 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비 전기적 신경 신호 관측을 수행하여 경두개 자기 자극 신호로부터 외란 또는 간섭이 발생하지 않아 더 정확한 신경 세포의 변화를 측정 가능하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 측정 시스템을 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 본체부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명은 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 체결 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 측정 시스템을 도시한 개요도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치는 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(2000)을 포함한다.
자극 및 측정 본체부(1000)는 경두개 자기 자극 및 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호의 처리 및 분석을 수행한다. 자극 및 측정 본체부(1000)는 경두개 자극 구동부(110), 신경 신호 측정부(120), 분석부(130)을 포함한다.
자극 및 측정 모듈(2000)은 인간 또는 동물의 뇌에 접촉 장착되어 경두개 자기 자극 신호 인가와 신경 신호를 측정한다. 자극 및 측정 모듈(2000)는 경두개 자기 자극을 위한 구조와 섬유 광도법(fiber photometry)를 이용한 Ca2+ 신호를 측정하는 구조가 일체화되어 형성된다. 자극 및 측정 모듈(2000)의 상세한 구조는 도면과 함께 후술하기로 한다.
자극 및 측정 본체부(1000)의 경두개 자극 구동부(110)는 경두개 자기 자극(TMS)를 위하여 코일에 구동 신호를 인가하게 된다. 코일에 인가된 구동 신호에 의해 발생된 자계는 특정 자극 프로토콜에 따라 경두개를 자극 하게 된다.
신경 신호 측정부(120)는 자기 자극과 연동하여 실시간적으로 신경 신호를 측정하게 된다. 신경 신호 측정부(120)은 섬유 광도법을 이용하여 Ca2+ 신호를 측정함으로써 경두개 자기 자극에 의해 발생하는 유도 전류에 의한 간섭과 노이즈를 회피할 수 있다.
분석부(130)는 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정의 처리를 수행하고 처리 결과를 저장하고 분석할 수 있는 데이터(예를 들어, 그래프 또는 이미지)로 변환한다. 변환된 데이터는 표시부에 의해 표시될 수 있으며 자기 자극의 프로토콜에 따른 신경 신호의 측정과 분석에 이용된다.
자극 및 측정 본체부(1000)는 자극 및 측정 모듈(2000)과 전기적 및 광학적 연결부를 통해 연결된다. 따라서, 자극 및 측정 모듈(2000)은 탈착이나 교체가 가능하며, 실험체에 따라 적합하게 변형된 구조로 설계될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 본체부의 구성을 도시한 블록도이다.
경두개 자극 구동부(110)는 전원 제어부(111), 구동 신호 인가부(112), 주파수 제어부(113), 구동 신호 측정부(114)를 포함할 수 있다.
전원 제어부(111)는 자기자극에 이용되는 교류 또는 직류 전원의 속성을 제어한다. 자기 자극을 위하여 코일에 교류 신호가 인가되는데, 전원이 교류인 경우에는 전원 제어부(111)는 교류 전원의 크기와 주파수를 조절하여 자기 자극에 적합한 교류 전류를 생성한다. 또는, 전원 제어부(111)이 직류 전원을 이용하는 경우에는 직류 전류를 교류 전류로 컨버팅하여 제공한다.
구동 신호 인가부(112)는 전원 제어부(111)로부터 자기 자극을 위해 생성된 교류 전류를 수신하여 자극 및 측정 모듈(2000)로 인가한다. 구동 신호 인가부(112)는 구동 신호를 인가의 개시와 종료, 구동 신호의 연속적/단속적 인가를 제어하게 된다. 구동 신호 인가부(112)는 오퍼레이터의 입력 또는 주파수 제어부(113) 및 구동 신호 측정부(114)의 출력에 따라 제어될 수 있다.
주파수 제어부(113)는 오퍼레이터의 입력 또는 미리 정해진 자극 프로토콜에 따라 구동 신호의 주파수를 제어한다. 구동 신호의 주파수는 특정 주파수로의 구동 신호의 인가 외에도 복수의 주파수를 스윕(sweep)하거나 하핑(hopping)하면서 변화될 수 있다. 또한, 특정 진폭이나 특정 시점을 변수로 하는 주파수로 동적인 구동 신호가 인가될 수 있다. 또는, 미리 정해진 시간 동안 인가 신호를 중단하고 다시 인가하는 단속적인 인가 신호의 구동 주기를 제공할 수 도 있다.
구동 신호 측정부(114)는 인가되는 구동 신호를 측정하여 본체부(1000)의 피드백 제어를 수행할 수 있다. 구동 신호 측정부(114)는 실험 전에 모조 실험체에 인가된 신호를 측정하여 본체부(1000)의 설정의 미세 조정을 수행할 수 있다. 또한, 구동 신호 측정부(114) 자극 및 측정 모듈(2000)과 연결부에 의해 발생하는 기생 임피던스 성분을 측정하여 이를 제거하거나 구동 신호에 고려할 파라메터로 설정하 수 있다.
한편, 신경 신호를 측정하는 신경 신호 측정부(120)는 광원 제어부(121), 광 신호 인가부(122), 측정광 처리부(123) 및 광 수신부(124)를 포함할 수 있다
광원 제어부(121)는 신경 신호의 측정을 위한 섬유 광도법에서 사용될 광원을 제어하게 된다. 광원 제어부(121)은 신경 신호를 측정하기 위한 특정 파장의 광을 생성하는 기능을 수행한다. 상기 광원은 473nm 레이저 광소스가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광원은 단일 광원 뿐 아니라 2가지 이상의 상이한 파장의 광원이 사용될 수 있다.
광 신호 인가부(122)는 신경 신호 측정을 위한 광신호를 광 섬유를 통해 자극 및 측정 모듈(2000)로 인가한다. 광 신호 인가부(122)는 광원에서 발생한 광 신호를 필터링 또는 초퍼링(choppering)하여 가공할 수 있다. 또한, 광신호 인가부(122)는 복수의 미러 또는 렌즈와 같은 광학계를 포함하여, 광신호를 반사, 굴절, 회절 또는 산란 광 신호의 경로를 조절할 수 있다.
광 신호 수신부(124)는 인가된 광신호에 응답하는 수신광을 수신한다. 수신광은 상기 광 섬유를 통해 자극 및 측정 모듈(2000)로부터 수신하는 것이 가능하다. 광 신호 수신부(124)는 CMOS 센서 또는 포토 디텍터 등으로 구현될 수 있으며, 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환한다. 광 수신부(124)는 경두개 자극 구동부(110)과 연동하여, 특정 시점(예를 들어, 자극 시점)에 수신광을 수신한다.
측정광 처리부(123)는 자극 및 측정 모듈(2000)에서 수신된 측정광을 신호 처리한다. 측정광 처리부(123)는 측정광의 필터링, 노이즈 캔슬링, 아날로그-디저털 컨버팅 등을 수행하여 신경 신호로써 판독가능한 측정 신호로 처리한다. 이와 같이, 처리된 측정 신호는 통신 인터페이스(140)을 통해 분석부(130)로 전송될 수 있다.
분석부(130)는, 측정 신호 처리부(131), 프로세서(132), 저장부(133), 표시부(134)를 포함한다.
측정 신호 처리부(131)는 신경 신호 측정부(120)으로부터 수신된 아날로그 또는 디지털 측정신호를 수신하여 분석 데이터로 처리한다. 예를 들어, 측정 신호 처리부(131)는 측정 신호를 기반으로 Ca2+ 형광 변화를 이미지 데이터로 처리할 수 있다. 측정 신호 처리부(131)는 분석의 편의를 제공하기 위하여 이미지 데이터의 명도, 컨트라스트, 그레이스케일 등을 조절하여 표시 가능한 포맷의 이미지로 변환 기능을 수행할 수 있다.
저장부(133)는 자극 구동 명령, 측정 신호, 분석 데이터, 오퍼레이터의 입력 등의 신호 및 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장한다. 저장부(133)는 휘발성 또는 비휘발성 메모리를 포함하며, 본체부(1000)에 내장되거나 별도 모듈로 형성되어 탈부착 될 수도 있다.
표시부(134)는 분석 데이터의 처리 및 가공된 결과를 오퍼레이터에게 표시하는 기능을 수행한다. 표시부(134)는 LCD, AM-OLED, PM-OLED, e-ink 등 다양한 표시 장치를 포함할 수 있다. 표시부(134) 역시 본체부(1000)에 내장되거나 별도 모듈로 형성되어 탈부착 될 수 있다.
프로세서(132)는 분석부(130)에서 수행되는 데이터 처리, 저장, 표시에 관한 명령을 오퍼레이터 입력 또는 미리 정해진 알고리즘에 따라 수행한다. 프로세서(132)는 별도의 micro-processor 칩으로 구현될 수도 있으며, 타 기능을 수행하는 칩의 일부 블록으로 구현될 수도 있다.
전술한 바와 같이 자극 및 측정 본체부(1000)는 경두개 자기 자극을 위한 구동과 섬유 광도법에 의한 측정을 하나의 장치에서 수행하고, 자극 및 측정 모듈(2000)와 전기적 신호 및 광신호를 통해 연계 동작하게 된다.
도 3은 본 발명은 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈을 도시한 도면이다.
자극 및 측정 모듈(2000)은 전술한 바와 같이 자극 및 측정 본체부(1000)와 전기적 및 광학적으로 연결된다.
경두개 자기 자극을 위한 구동 신호는 자극 구동 라인(210)을 통해 전달된다. 상기 자극 구동 신호는 자기 코일에 의한 유도 전류를 발생시킬 수 있는 특정 진폭과 주파수를 가진 교류 신호이다.
한편, 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하기 위한 광원 신호와 측정광은 광학 와이어(310)를 통해 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(2000) 사이에서 송수신된다. 광학 와이어(310)은 광을 송수신 할 수 있는 광 섬유 및 상기 광 섬유를 보호하거나 성능을 향상 시키는 피복이나 코팅을 포함할 수 있다.
자극 및 측정 모듈(2000)은 자극 구동 라인(210), 광학 와이어(310), 회전 전동기(410), 커넥터(220), 자극 코일(230), 모듈 바디(420),. 모듈 베이스(430), 피그테일 광섬유(320) 및 가이드 캐뉼라(guide cannula)를 포함한다.
회전 전동기(410)은 모듈 바디(420)의 관통하는 광학 와이어(310)을 중심으로 하여 회전 운동을 수행한다. 회전 전동기(410)는 자극 및 측정 모듈(2000)과 일체형으로 구현될 수도 있지만, 외부에 구현되어 상호 연결될 수 있다. 회전 전동기(410) 내에서 자극 구동 라인(210) 및 광학 와이어(310)는 조인트 커넥트로 체결되어 있는 것이 실시에 있어 유용하다.
모듈 바디(420)는 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정을 동시에 수행할 수 있는 기구적 구조를 채택한다. 모듈 바디(420)의 상부에는 자극 구동 라인(210)과 연결가능한 커넥터(220)가 형성된다. 또한, 모듈 바디(420) 상부에는 광학 와이어(310)가 관통할 수 있는 개구가 형성되어 있다. 상기 개구를 통해 광학 와이어(310) 또는 심선인 광 섬유는 모듈 바디(420)를 관통하여 하부에 장착되는 모듈 베이스(430)까지 연장 관통된다.
모듈 바디(420)의 상부는 단차를 통해 외주면과 공간을 확보할 수 있다. 상기 단차 아래 쪽으로 모듈 바디(420)는 자극 코일(230)이 권취 된다. 즉, 모듈 바디(420)은 자극 코일의 보빈 역할을 수행하게 된다. 자극 코일(230)은 커넥터(220)과 전기적으로 연결되어 자극 인가 신호를 수신한다.
도시는 생략 되었지만, 모듈 바디(420)는 코일의 코어 부분에 해당하며, 설계에 따라 강자성체 또는 페라이트 코어가 삽입되어 자계 형성을 제어할 수 있다. 또한, 특정 물질이 개입하지 않는 에어 코어 형태로 코일이 형성되는 것도 가능하다.
모듈 바디(420)의 중앙부를 관통하는 광학 와이어(310)의 단부는 피그테일 광 섬유(320) 형태로 이뤄진다. 피그테일 광섬유(320)는 단부에 커넥터 등의 다른 소자가 없이 광섬유를 특정 경사로 연마된 단부를 가진 것을 의미한다. 피그테일 광섬유(320)은 신경 신호 측정을 위한 대상의 두부에 들어가 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하게 된다.
모듈 베이스(430)은 고정부를 통해 모듈 바디(420)과 고정 체결될 수 있다. 모듈 베이스는 자극 코일의 단부를 형성하기 때문에 투자율에 영향을 미치지 않는 비자성체로 구현될 수 있다. 모듈 베이스(430)는 중심부는 개구가 형성되어 피그테일 광섬유(320)가 관통될 수 있다. 모듈 베이스(430)의 하부의 개구는 피그테일 광섬유(320)을 보호하고 가이드할 있는 가이드 캐뉼라(330)가 연장 형성된다. 가이드 캐뉼라(330)의 내경은 피그테일 광섬유(320)의 외경보다 크게 형성되어 피그테일 광섬유(320)을 내삽시키고, 단부의 일부분을 외부로 노출시킨다.
전술한 바와 같이 자극 및 측정 모듈(2000)은 자기 자극을 위한 코일의 보빈 구조와 섬유 광도법을 위한 광섬유의 광경로를 일체화하여 형성함으로써, 경두개 자기 자극과 동시에 실시간적으로 신경 신호를 측정할 수 있다.
또한, 자계가 집속되는 코어 부분에 전자기 신호 간섭이 없는 광 섬유가 관통하고 있어, 자기 자극과 광 측정 상호간에 외란이나 간섭을 발생시키지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 체결 형태를 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이, 모듈 바디(420)와 모듈 베이스(430)이 체결된 경우에는 피그테일 광섬유(320)은 가이드 캐뉼라(330)을 관통하여 일부가 노출된다.
또한, 체결후에는 자극 및 측정 모듈(2000)은 코일의 보빈 형태를 갖추게 되어, 경두개의 원하는 위치에 자기 및 유도 전류를 인가할 수 있다.
이와 같은 구조에서, 자극 코일(230)에 인가되는 교류 신호에 따라 자기 자극은 변화하게 된다. 자기 자극과 동시에 피그테일 광섬유(320)을 통해 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하는 것이 가능하다.
섬유 광도법을 이용하는 경우에는 신경 세포의 종류별로 바이오 마커를 이용하여 Ca2+ 신호를 측정할 수 있다. 예를 들어, CaMK2(Calmodulin-dependent protein kinase II), PV(Parvalbumin), SOM(Somatostatin), VIP(Vasoactive intestinal peptide expressing neuron) 등의 바이오 마커를 이용하여 Ca2+ 신호를 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자극 및 측정 모듈(3000)은 모듈 캡(710), 모듈 바디(720), 커넥터(520), 광 섬유(610), 광 페룰(620) 및 자극 코일(530)을 포함한다.
자극 및 측정 모듈(2000)과 비교하여 자극 및 측정 모듈(3000)은 모듈 캡(710)과 모듈 바디(520)의 결합을 이용하여 자극 신호와 광 신호를 제공한다. 모듈 캡(710)은 커넥터(520)을 수용할 수 있는 공간을 이용하여 자극 신호를 자극 코일(530)에 전송한다.
한편, 광 페룰(620)의 심선에는 신경 신호 측정을 위한 광 섬유(610)가 형성되어 있다. 광 페룰(620)은 동일 또는 유사한 규격의 외부 광 페룰과 접합함으로써 광 섬유(610)과 외부 광 섬유를 접속시키는데 이용된다.
따라서, 모듈 캡(710)은 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 구동 라인(210)와 광학 와이어(310)을 통해 연결되고, 모듈 캡(710)을 모듈 바디(720)과 체결함에 의해 전기 및 광학적으로 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(3000)을 연결할 수 있다.
도시는 생략되었지만, 모듈캡(710)은 커넥터(520)과 전기적으로 접속되는 커넥터와 광 페룰(620)과 광학적으로 접속되는 상이한 광 페룰을 포함할 수 있다. 이 경우, 모듈캡(710)은 모듈 바디(720)과 기계적으로 결합함으로써 자극 신호와 광신호를 모듈 바디(720)로 전송하는 것이 가능하다.
도 5에 도시된 실시예에 따르면, 자극 코일(530)에 설치된 보빈을 교체가 가능하기 때문에 경두개 자기 자극을 위한 복수의 코일 사양을 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자기 자극 및 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
전술한 바와 같이, 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정은 자극 및 측정 본체부(1000)와 자극 및 측정 모듈(2000, 3000)이 연동하여 수행된다. 본 발명의 실시예에 따른 경두개 자극 및 측정 방법은 자극 및 측정 본체부(1000)의 동작을 위주로 설명한다.
단계(S100)은 경두개 자극을 위한 동작을 개시한다. 경두개 자극을 위해 자극 코일에 교류 신호를 인가한다. 단계(S120)에서는 구동 신호를 설정한다. 구동 신호는 자극 프로토콜에 따라 진폭, 주파수, 딜레이가 결정된다. 자극 프로토콜은 미리 정해진 프로그램 또는 오퍼레이터 입력에 따라 설정될 수 있다.
단계(S130)에서는 구동 신호가 적정한지 판단한다. 예를 들어, 구동 신호 측정부(114)는 출력부를 단락, 오픈 또는 기지의 임피던스와 연결하여 구동 신호를 측정하여 실제 출력되는 구동 신호가 적정한지 판단한다. 상황에 따라 도선의 길이, 자극 및 측정 모듈(2000,3000)의 임피던스 등에 따라 미세 조정이 필요한 경우가 존재할 때, 구동 신호 측정부(114)를 이용하여 구동 신호가 적정하도록 미세 조정하는 것이 가능하다.
구동 신호가 적정하게 설정되면, 단계(S140)에서 경두개 자극 코일을 구동한다. 자극 방법은 자극 및 측정 모듈(2000,3000)의 보빈 부분에 권취되어 있는 자극 코일에 교류 전류를 인가하고, 보빈의 단부에 해당하는 모듈 베이스를 자극 부위에 또는 접촉시킨다.
단계(S150)에서는 신경 신호의 측정을 개시할지 판단한다. 신경 신호의 측정이 개시되는 경우에는 섬유 광도계를 구동한다 (S210). 섬유 광도법으로 신경 신호를 측정하기 위해서 광원 제어부(121)을 통해 미리 정해진 파장의 광원을 광섬유를 통해 조사한다.
측정을 위해 광이 조사되면, 단계(S220)에서는 수신 광신호를 측정한다. 측정광은 동일한 광 섬유의 다른 대역을 통해 광 수신부(124)에 제공될 수 있다. 광 수신부(124)는 경두개 자극에 따라 수신 광 신호 파장과 세기 및 상호 관계에 대한 정보를 획득할 수 있다.
단계(S230)은 수신된 광 신호를 이용하여 이미지 처리를 수행한다. 상기 이미지 처리는 형광 픽셀에 대한 이미지 조합을 포함할 수 있다. 또한, 상기 이미지 처리는 바이오 마커에 대응하는 파장, 세기의 변화에 대한 그래프화도 포함한다.
단계(S240)은 미리 정해진 알고리즘을 통해 처리된 이미지를 분석한다. 이미지는 미리 정해진 프레임 레이트에 따라 저장부(133)에 순차 저장될 수 있으며, 시간에 따른 이미지의 변화는 신경 신호의 변화 값으로 분석될 수 있다. 측정 시간 외에도 경두개 자기 자극 구동 신호의 인가와 연계하여 신경 신호의 변화는 경두개 자기 자극과의 상관성 역시 분석될 수 있다.
단계(S250)에서, 신경 신호는 최종적으로 측정되어 표시부(134)를 통해 오퍼레이터에게 제공될 수 있다. 신경 신호 측정은 미리 정해진 바이오 마커를 이용하여 Ca2+ 신호의 변화로서 제공된다.
추가적인 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정이 필요 없는 경우에는 단계(S160)에서 자극 및 측정은 종료된다.
전술한 구성에 따르면, 단일 모듈로 구현된 자극 및 측정 모듈(2000,3000)을 이용하여 상호 간섭 없이 정확한 경두개 자기 자극에 따른 신경 신호의 측정이 가능하다.
또한, 경두개 자기 자극을 위한 적정 구동 시점 및 자극 프로토콜에 연계된 신경 신호의 변화를 실시간으로 측정하는 것이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 경두개 자기 자극(TMS) 모듈과 섬유 광도법(Fiber photometry) 모듈이 일체화되어, 단일 장치로 뇌 자극에 따른 실시간 적인 신경 세포 변화를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 경두개 자기 자극(TMS)의 구동 신호에 따른 패턴과 칼슘 (Ca2+) 신호의 변화를 통합적을 분석하여 신경 세포 종류별 자극에 활용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 뇌 손상을 최소화하여 경두개 자기 자극(TMS)에 있어서 외부 영향을 최소화하여 뇌 자극에 따른 신경 세포의 변화를 더 정확히 측정 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비 전기적 신경 신호 관측을 수행하여 경두개 자기 자극 신호로부터 외란 또는 간섭이 발생하지 않아 더 정확한 신경 세포의 변화를 측정 가능하다.

Claims (14)

  1. 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 장치에 있어서,
    경두개 자기 자극 위한 구동 신호를 제공하고 신경 신호를 측정하기 위한 광학 기반 신호 처리 및 분석을 수행하는 자극 및 측정 본체부와,
    상기 자극 및 측정 본체부와 전기적 및 광학적 경로로 연결되며, 상기 구동 신호에 자기 자극 신호를 인가하고 섬유 광도법을 이용하여 신경 신호를 측정하는 자극 및 측정 모듈을 포함하며,
    상기 자극 및 측정 모듈은,
    상기 자기 자극 신호를 인가하는 자극 코일과,
    신경 신호 측정을 위하여 상기 자극 코일의 코어를 관통하는 광 섬유를 구비하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 신경 신호는 칼슘(Ca2+) 신호인 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 자극 및 측정 모듈은,
    상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구를 포함하는 모듈 바디와,
    상기 모듈 바디의 하부에 장착되며 중심부에 상기 광 섬유가 관통할 수 있는 개구가 형성되어 있는 모듈 베이스를 더 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 광 섬유의 일 단부는 피그테일 광섬유이며,
    상기 모듈 베이스의 상기 개구는 상기 피그테일 광섬유를 내삽시키는 가이드 캐뉼라가 형성된 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 자극 및 측정 모듈은,
    상부에 상기 구동 신호를 수신하는 커넥터를 구비하고 상기 커넥터에 전기적으로 연결된 상기 자극 코일이 권취되며, 상기 광 섬유를 둘러싸고 있는 광 페룰이 상기 자극 코일의 코어부를 관통하는 모듈 바디와,
    상기 모듈 바디의 상부에 장착되며, 상기 커넥터와 상기 광 페룰에 각각 전기적 신호와 광학 신호를 제공하도록 구성된 모듈 캡을 더 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 모듈 캡은 다른 광 페룰을 더 포함하여 상기 모듈 바디의 광 페룰과 접합되는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 칼슘 (Ca2+) 신호는 CaMK2(Calmodulin-dependent protein kinase II), PV(Parvalbumin), SOM(Somatostatin), VIP(Vasoactive intestinal peptide expressing neuron) 중 적어도 하나의 바이오 마커를 이용하여 측정되는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 자극 및 측정 본체부는,
    상기 자극 코일에 인가되는 구동 신호를 제공하는 경두개 자극 구동부와,
    상기 구동 신호와 연관되어 상기 광 섬유에 광원을 인가하고 측정광을 수신하는 신경 신호 측정부와,
    상기 신경 신호 수신된 신호를 분석 데이터로 처리하는 분석부를 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치. .
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 경두개 자극 구동부는,
    구동 신호에 사용될 교류 전류를 생성하는 전원 제어부와,
    상기 자극 및 측정 모듈로 교류 전류를 인가하는 구동 신호 인가부와,
    상기 구동 신호의 주파수를 제어하는 주파수 제어부와,
    피드백 제어 또는 미세 조정을 위해 상기 구동 신호를 측정하는 구동 신호 측정부를 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 신경 신호 측정부는,
    신경 신호 측정에 사용되는 특정 파장의 광을 생성하는 광원 제어부와,
    광 섬유를 통해 상기 자극 및 측정 모듈에 광신호를 인가하는 광 신호 인가부와,
    자극 및 측정 모듈로부터 측정광을 수신하는 광 신호 수신부와,
    상기 수신된 측정광을 판독 가능한 측정 신호로 처리하는 측정광 처리부를 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 장치.
  11. 경두개 자기 자극 및 신경 신호 측정 방법에 있어서,
    경두개 자기 자극을 위한 구동 신호를 설정하여, 자극 코일에 상기 구동 신호를 인가하는 단계와,
    신경 신호를 측정하기 위하여 미리 정해진 파장의 광원을 자극 부위에 광섬유를 통해 조사하고 수신 광 신호를 측정하는 단계와,
    상기 수신 광신호를 이용하여 신경 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 경두개 자기 자극과 신경 신호 측정은, 단일 자극 및 측정 모듈을 이용하여 수행되는 것인 경두개 자기 자극 및 신경 측정 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 신경 신호는 칼슘 (Ca2+) 신호이며, 상기 칼슘 (Ca2+) 신호의 측정은 섬유 광도법을 이용하는 것인 경두개 자기 자극 및 신경 측정 방법
  13. 제12항에 있어서,
    상기 칼슘 (Ca2+) 신호는 CaMK2(Calmodulin-dependent protein kinase II), PV(Parvalbumin), SOM(Somatostatin), VIP(Vasoactive intestinal peptide expressing neuron) 중 적어도 하나의 바이오 마커를 이용하여 측정되는 것인 경두개 자기 자극 및 측정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 측정된 신경 신호의 이미지 처리 및 분석 단계를 더 포함하는 것인 경두개 자기 자극 및 신경 측정 방법.
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