WO2026019309A1 - 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치 - Google Patents

말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치

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Definitions

  • the present invention was made under the support of the Ministry of Science and ICT under the project identification number 1711196093 and project number 00220534.
  • the research management specialized organization of the project is the National Research Foundation of Korea, the research project name is “Development of Electronic Drug Technology”, the research project title is “Development of a Fully Implantable, Organ-Integrated Electronic Drug Platform for Long-Term Management and Fundamental Treatment of Urinary Diseases", the lead organization is Korea University, and the research period is from April 1, 2023 to December 31, 2025.
  • the present invention was made with the support of the Ministry of Science and ICT under the grant number 1711189022 and grant number 2021R1F1A1063173.
  • the research management organization of the above-mentioned project is the National Research Foundation of Korea, the research project name is “Basic Research”, the research project title is "Development of noninvasive sacral nerve stimulation technology based on superimposition of multi-channel electrical stimulation for the treatment of overactive bladder", the main organization is Samsung Seoul Hospital, and the research period is from March 1, 2021 to February 29, 2024.
  • the present invention was made under the support of the Ministry of Health and Welfare under the project identification number 1465039253 and project number HR21C0885030023.
  • the research management specialized organization of the project is the Korea Health Industry Development Institute, the research project name is "Research-oriented Hospital Promotion", the research project name is "Development of personalized intelligent electronic medicine to overcome intractable diseases", the main organization is Samsung Seoul Hospital, and the research period is from July 1, 2021 to December 31, 2029.
  • This invention was made with the support of the Ministry of Science and ICT under the grant number 1711160399 and grant number 2021M3A9G1015618.
  • the research management organization of the said project is the National Research Foundation of Korea, the research project name is “Market-linked Future Biotechnology Development”, the research project name is “Bio Research Data Verification Support Project”, the main organization is the Korea Institute for Science and Technology Promotion, and the research period is from January 1, 2021 to December 31, 2025.
  • the present invention was made with the support of the Ministry of Science and ICT under the project identification number 1711190260 and project number 2022M3C1A3081294.
  • the research management specialized organization of the project is the National Research Foundation of Korea, the research project name is “STEAM Research”, the research project title is "Development of a fully autonomous neural reset system to overcome intractable chronic diseases due to neural homeostasis imbalance", the main organization is Pohang University of Science and Technology, and the research period is from 2022.06.01. to 2026.12.31.
  • the present invention was made under the support of the Ministry of Science and ICT under the project identification number 00398460, project number RS-2024-00398460, and the research management specialized institution of the project is the National Research Foundation of Korea, the research project name is "Development of Leading Convergence Technology in Brain Science”, the research project title is "Development of minimally invasive on-chip closed-loop distributed deep brain stimulation technology capable of extracranial long-term seizure EEG measurement and multi-point simultaneous interference stimulation and verification of epilepsy treatment effect", the main institution is Korea University, and the research period is from 2024.04.01. to 2028.12.31.
  • the present invention relates to a method and device for selecting stimulation intensity based on peripheral muscle movement, and more particularly, to a method and device for selecting stimulation intensity based on peripheral muscle movement, which allows the device to apply stimulation that can have the highest stimulation transmission efficiency at the attachment site when using a disease treatment device through noninvasive peripheral nerve stimulation.
  • Electronic drugs which are currently being developed to replace chemical drugs, aim to treat diseases by regulating neural circuits in the body through stimulation of specific peripheral nerves.
  • the nerves In order to accurately stimulate peripheral nerves, the nerves must be stimulated accurately through an implantable stimulator. However, because surgery or a procedure is required, accessibility is low from the patient's perspective. In addition, there are many things to consider from the perspective of individualizing the device. Therefore, devices based on non-invasive nerve stimulation technology are being released, even though the stimulation is delivered inaccurately.
  • a stimulus signal for a stimulus signal to be effective, it must induce firing in the target nerves, which requires a certain level of stimulation intensity.
  • stronger stimulation intensity leads to activation of a wider range of nerves, resulting in greater therapeutic effects.
  • higher intensities can also cause movement due to muscle contraction, and even stronger stimulation can cause pain.
  • the present invention aims to provide a method and device for selecting stimulation intensity based on peripheral muscle movement that can cause an optimal therapeutic effect without causing discomfort to the patient and that can enable a patient to wear the device in a suitable position so that the device can always achieve a constant therapeutic effect.
  • the present invention is characterized by a method for selecting a stimulation intensity based on peripheral muscle movement applied to an electrical stimulator having an electrode array, the method comprising: a step of measuring an impedance value between each electrode and the skin and using the impedance value to check whether the electrical stimulator is properly worn; a step of applying an electrical stimulus while narrowing down the electrode range, calculating a change in a signal obtained from an acceleration sensor and an electromyography sensor according to the applied electrical stimulus, and selecting an electrode pair to which a therapeutic electrical stimulus is to be applied; and a step of applying an electrical stimulus with the highest stimulation intensity at which no muscle movement occurs as the therapeutic stimulation intensity to the electrode pair selected in the step of selecting the electrode pair.
  • the checking step can generate a guide to wear the electrical stimulator again if the ratio of electrodes having the impedance value greater than or equal to a preset value is greater than or equal to a certain ratio.
  • the step of selecting the electrode pair may include a first step of dividing the electrode array into one or more zones having a size of M*N, applying an electrical stimulus to each of the divided one or more zones, and then selecting the top two zones with high responsiveness; a second step of dividing the two zones selected in the first step into one or more zones having a size of m*n, applying an electrical stimulus to each of the divided one or more zones, and then selecting the top ten zones with high responsiveness; and a third step of dividing all possible electrode pairs in the zones within ten selected in the second step, applying an electrical stimulus to all divided electrode pairs, and then selecting the electrode pair with the highest responsiveness.
  • the step of applying the electrical stimulation may select the highest stimulation intensity among the stimulation intensities that only cause sensory nerves to fire without causing motor nerves to fire as the highest stimulation intensity.
  • the intensity of the stimulus that fires only the sensory nerve without firing the motor nerve may be an intensity of the electrical stimulus generated with a voltage that is lower than the threshold voltage of the motor nerve and higher than the threshold voltage of the sensory nerve.
  • the step of applying the electrical stimulation may include an initial stimulation application step of averaging the highest stimulation intensities obtained from a plurality of people to generate a highest stimulation intensity average value, and applying the electrical stimulation using the highest stimulation intensity average value as a therapeutic stimulation intensity.
  • the step of applying the electrical stimulation may include a step of applying the electrical stimulation by reducing the stimulation intensity by half when movement occurs in the peripheral muscles with the electrical stimulation applied in the initial stimulation applying step, and applying the electrical stimulation by increasing the stimulation intensity by half of the current intensity when movement does not occur in the peripheral muscles with the electrical stimulation applied in the initial stimulation applying step.
  • the step of applying the electrical stimulation may be repeated twice or more until there is no movement of the peripheral muscles or the minimum voltage control limit of the stimulator is reached.
  • the present invention is characterized in that it includes a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device applied to an electrical stimulator having an electrode array, the device including: a wearing inspection unit that measures an impedance value between each electrode and the skin and inspects whether the electrical stimulator is properly worn using the impedance value; an electrode pair selection unit that applies electrical stimulation by narrowing down the electrode range and calculates changes in signals obtained from an acceleration sensor and an electromyography sensor according to the applied electrical stimulation, thereby selecting an electrode pair to which a therapeutic electrical stimulation is to be applied; and an electrical stimulation application unit that applies electrical stimulation to the electrode pair selected by the electrode pair selection unit, using the highest stimulation intensity at which no muscle movement occurs as the therapeutic stimulation intensity.
  • the present invention has the advantage of maximizing the therapeutic effect through electrical stimulation by providing a device that can select and personalize the exact stimulation intensity.
  • the present invention has the advantage that even patients without specialized knowledge can find the exact stimulation location.
  • Figure 1 shows a flowchart of a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a detailed configuration of a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a flowchart of a step of selecting an electrode pair according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a step of selecting an electrode pair according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows a graph for explaining the third step according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows a transmission path of a nerve stimulation signal and a transmission path of a movement signal generated by stimulation according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows the relationship between stimulation time and threshold voltage in sensory nerves and motor nerves according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 shows a graph comparing the number of searches according to the individual neural threshold voltage search method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows a configuration diagram of a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device according to an embodiment of the present invention.
  • a method comprising:
  • first and second may be used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component could be referred to as a "second component,” and similarly, a second component could also be referred to as a "first component.”
  • Fig. 1 illustrates a flowchart of a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection method according to an embodiment of the present invention.
  • the peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection method may include a step of checking the state of wearing an electrical stimulator (S100), a step of selecting an electrode pair (S300), and a step of applying electrical stimulation (S500).
  • This method of selecting stimulation intensity based on peripheral muscle movement allows patients to wear the device in the appropriate location, ensuring consistent therapeutic effects. This method also allows for optimal therapeutic effects without causing discomfort. This method allows patients to select the combination of electrodes and intensity that maximizes stimulation delivery efficiency at the attachment site, maximizing therapeutic effects by delivering consistent stimulation regardless of who uses the device.
  • Fig. 2 illustrates a detailed configuration of a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device (10) according to an embodiment of the present invention.
  • the peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device (10) may be composed of a stimulator and a cuff.
  • the cuff can be worn by wrapping it around a body part of a patient, and the inner surface of the cuff can be equipped with an array of electrodes.
  • the outer surface of the cuff can be equipped with one or more magnets that can securely attach the cuff to a stimulator, and a connector that can electrically connect to the stimulator and transmit an electrical signal.
  • the cuff can be worn on the patient's foot or arm, and can be secured using a Velcro. While the present invention exemplifies a cuff as an example, the invention is not limited thereto and can take any possible form, such as an attachable type. Furthermore, the Velcro can be any detachable means, such as a snap button.
  • the stimulator may include one or more processors, memories, and storage devices that perform a method for selecting stimulation intensity based on peripheral muscle movement.
  • the stimulator may have a touchscreen on the front, and the patient may control the stimulation intensity, stimulation location, etc. by manipulating the touchscreen.
  • the stimulator may have one or more magnets on the back that can secure the stimulator and the cuff together, and a connector that is electrically connected to the stimulator and can transmit electrical signals.
  • the stimulator can perform two main functions: first, it automatically searches for the stimulation location, and second, it can perform treatment by determining the stimulation intensity based on peripheral muscle movement.
  • the step (S100) of checking the state of wearing an electric stimulator can measure the impedance value between each electrode and the skin and check the state of wearing an electric stimulator using the impedance value.
  • Step (S100) of checking the state of wearing the electric stimulator can generate guidance to wear the electric stimulator again if the ratio of electrodes whose impedance value is higher than a preset value is higher than a certain ratio.
  • Step (S100) of checking the wearing status of the electrical stimulator is to measure the impedance between the electrodes and the skin by applying a microcurrent to each electrode when the patient first puts on the cuff. If the proportion of electrodes with an impedance value exceeding a certain standard (e.g., 10 k ⁇ ) is above a certain level (e.g., 20%), the cuff may be requested to be re-wound.
  • a certain standard e.g. 10 k ⁇
  • a certain level e.g. 20%
  • the step of selecting an electrode pair can select an electrode pair to which a therapeutic electrical stimulus will be applied by narrowing down the electrode range and applying an electrical stimulus, and calculating changes in signals acquired from an acceleration sensor and an electromyography sensor according to the applied electrical stimulus.
  • EMG electromyography
  • biosignal a biosignal
  • the present invention utilizes EMG and acceleration, one of the physical quantities of actual movement.
  • Fig. 3 illustrates a flowchart of a step (S300) of selecting an electrode pair according to an embodiment of the present invention.
  • the step (S300) of selecting an electrode pair may include a first step (S310), a second step (S330), and a third step (S350).
  • Fig. 4 is a diagram illustrating a step (S300) of selecting an electrode pair according to an embodiment of the present invention.
  • the first step (S310) divides the electrode array into one or more zones having a size of M*N, applies an electrical stimulus to each of the divided one or more zones, and then selects the top two zones with high responsiveness.
  • Step 1 (S310) can be used to determine the approximate location before finely selecting the electrode pair to apply therapeutic electrical stimulation.
  • Step 1 (S310) can divide the entire active array of A*B into all possible areas of size (A-2)*(B-2) to apply electrical stimulation, and select one or more areas that show the greatest response among them.
  • Step 1 (S310) can divide the entire 5*5 electrode array into six areas of size 3*3 to apply electrical stimulation, and select two areas that show the greatest response among them.
  • the second step (S330) divides the two areas selected in the first step (S310) into one or more areas having a size of m*n, applies an electrical stimulus to each of the divided one or more areas, and then selects the top ten areas with the highest responsiveness.
  • the second step (S330) can divide one or more areas (M*N) selected in the first step (S330) into one or more areas having a size of (M-1)*(N-1), and after applying an electrical stimulus to each of the divided one or more areas, one or more areas with high responsiveness can be selected.
  • the second step (S330) can divide the two areas selected in the first step (S330) into all possible areas with a size of 2*2, and after applying an electrical stimulus to each of the possible areas, select up to 10 areas with high responsiveness.
  • responsiveness can mean the magnitude of acceleration, which is one of the physical quantities of electromyography and actual movement, and M > m and N > n.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a third step according to an embodiment of the present invention.
  • the third step (S350) may identify all possible electrode pairs in the 10 or fewer areas selected in the second step, apply electrical stimulation to all identified electrode pairs, and then select the electrode pair with the greatest responsiveness.
  • the third step (S350) may apply electrical stimulation to all possible electrode pair combinations in one or more areas with high responsiveness selected in the second step (S330), and select the electrode pair with the greatest responsiveness.
  • the electrode pair with the greatest responsiveness may be understood as the location of electrical stimulation that can exhibit the greatest therapeutic effect.
  • Figure 6 illustrates the transmission path of a nerve stimulation signal and the transmission path of a movement signal generated by the stimulation according to an embodiment of the present invention.
  • the transmission path of the nerve stimulation signal and the transmission path of the movement signal generated by the stimulation can be confirmed.
  • the nerve is stimulated at the ankle with a sufficient current strength, a movement occurs in which the big toe is lifted upward, and the movement generates an acceleration signal and an electromyography signal, so that the change in movement can be measured through a stimulator located at the ankle.
  • the step of applying electrical stimulation may apply electrical stimulation to the electrode pair selected in the step of selecting the electrode pair, with the highest stimulation intensity that does not cause muscle movement as the therapeutic stimulation intensity.
  • the step of applying electrical stimulation (S500) may perform only a minimal search in selecting an intensity that can produce the optimal stimulation effect.
  • the step of applying electrical stimulation can select the highest stimulation intensity as the highest stimulation intensity among the stimulation intensities that only cause sensory nerves to fire without causing motor nerves to fire.
  • the stimulus intensity that fires only sensory nerves without firing motor nerves can be an electrical stimulus intensity generated with a voltage that is lower than the threshold voltage of the motor nerves and higher than the threshold voltage of the sensory nerves.
  • a stimulus signal For a stimulus signal to be effective, it must induce firing of the target nerve, which requires a certain level of stimulation intensity. Generally, a stronger stimulus intensity can activate a wider range of nerves, resulting in greater therapeutic effects. However, as the intensity increases, muscle contraction can induce movement. Since even stronger stimuli can cause pain, the step of applying the electrical stimulation (S500) can be considered an appropriate stimulus for increased usability, with the highest intensity that does not induce movement being determined as the most appropriate.
  • Figure 7 illustrates the relationship between stimulation time and threshold voltage in sensory and motor nerves according to an embodiment of the present invention.
  • a single nerve bundle typically contains both efferent motor nerves and afferent sensory nerves, and the stimulus intensity required for each nerve to fire may differ.
  • the step of applying electrical stimulation can define the threshold voltage (V1) that fires the sensory nerve using the following mathematical formula 1.
  • V1 represents the stimulation time.
  • the step of applying electrical stimulation can define the threshold voltage (V2) that fires the motor nerves using the following mathematical formula 2.
  • the step of applying electrical stimulation can derive the threshold voltage relationship between the motor nerve and the sensory nerve for signals having the same stimulation time as in the following mathematical expression 3.
  • the step of applying electrical stimulation can select a stimulation intensity that independently fires only sensory nerves without firing motor nerves regardless of the stimulation length through the above mathematical expression 3, thereby achieving a therapeutic effect without discomfort such as movement and pain due to muscle contraction.
  • the step of applying electrical stimulation may include an initial stimulation application step (S510) and a stimulation intensity adjustment step (S530).
  • the step of applying electrical stimulation can solve this problem through the initial stimulation application step (S510) and the stimulation intensity adjustment step (S530).
  • the initial stimulation application step (S510) can generate a maximum stimulation intensity average value by averaging the maximum stimulation intensities obtained from multiple people, and apply electrical stimulation using the maximum stimulation intensity average value as the therapeutic stimulation intensity.
  • the initial stimulation application step (S510) can apply a search technique that utilizes prior information about the normal distribution probability to determine the stimulus intensity.
  • the stimulation intensity control step (S530) if movement occurs in the peripheral muscles due to the electrical stimulation applied in the initial stimulation application step (S510), the stimulation intensity may be reduced by half to apply the electrical stimulation, and if movement does not occur in the peripheral muscles due to the electrical stimulation applied in the initial stimulation application step, the stimulation intensity may be increased by half of the current intensity to apply the electrical stimulation.
  • the step of applying electrical stimulation may further include a repetition step (S550) of repeating the stimulation intensity adjustment step twice or more until there is no movement of the peripheral muscles or the minimum voltage adjustment limit of the stimulator is reached.
  • /2), and if there is no muscle movement, the stimulation intensity can be increased by half of the previous change amount (A n+1 A n +
  • A0 e.g., 2 mA
  • the threshold voltage for neural firing is normally distributed in the range of 1 to 3 mV and that the minimum voltage adjustment limit of the stimulator is 0.01 mV
  • the sequential increase/decrease method which is the simplest stimulus search method
  • a maximum of 100 stimulations and an average of about 20 stimulations are required, and the error that occurs at this time is 0.0025 mV on average.
  • the voltage adjustment range that can be searched at one time is increased to reduce the number of searches, if the change is 0.05 mV, the voltage can be selected with a maximum of 20 stimulations and an average of 4.1 stimulations, but the error range of the final value increases to 0.0125 mV.
  • Figure 8 is a graph comparing the number of searches according to the individual neural threshold voltage search method according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 8, when using the step of applying electrical stimulation (S500) of the present invention, a maximum of 8 stimulations are required, an average of approximately 5.7 stimulations are required, and the average error is 0.0025 mV, allowing for very accurate and fast voltage selection.
  • S500 electrical stimulation
  • Figure 8 is a graph comparing the methods for randomly selecting a virtual stimulation target value (the maximum intensity without movement that would trigger stimulation when wearing an actual device) and finding the target value using a conventional sequential increase/decrease method and the proposed method.
  • the horizontal axis represents a randomly generated target value.
  • the vertical axis represents the number of stimuli required to reach the target value from the stimulation start intensity of 2 mV.
  • the upper graph of Fig. 8 shows the number of stimuli when the minimum voltage adjustment unit of the stimulator is 0.01 mV and 0.05 mV in a general increase/decrease method. For example, when finding the closest value to the target value of 2.456 mV, 42 stimuli are required with an adjustment unit of 0.01 mV, which may result in an error of 0.005 mV. When the adjustment unit is 0.05 mV, 7 stimuli are required, which may result in an error of 0.015 mV.
  • the interrupt graph of Fig. 8 represents the number of stimulations when using the present invention. For example, when finding the closest value to the target value of 2.456 mV, 5 stimulations are required at 0.01 mV, which may result in an error of 0.005 mV.
  • the lower graph of Fig. 8 shows that the vertical axis represents the frequency of appearance of a total of 10,000 target values randomly generated to draw the upper and middle graphs, and that it has a normal distribution between 1 and 3 mV.
  • Fig. 9 illustrates a configuration diagram of a peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device (10) according to an embodiment of the present invention.
  • the peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device (10) may include a wear inspection unit (100), an electrode pair selection unit (300), and an electrical stimulation application unit (500).
  • the peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection device (10) may be a device (10) that performs the peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection method described above, and may perform all of the peripheral muscle movement-based stimulation intensity selection methods described above.
  • the wear inspection unit (100) can measure the impedance value between each electrode and the skin and use the impedance value to check whether the electric stimulator is worn properly.
  • the wear inspection unit (100) can perform the step (S100) of checking the wearing state of the electric stimulator described above.
  • the electrode pair selection unit (300) can apply electrical stimulation by narrowing the electrode range, and select an electrode pair to which therapeutic electrical stimulation will be applied by calculating changes in signals acquired from the acceleration sensor and the electromyography sensor according to the applied electrical stimulation.
  • the electrode pair selection unit (300) can perform the step (S300) of selecting the aforementioned electrode pair.
  • the electrical stimulation application unit (500) can apply electrical stimulation to the electrode pair selected by the electrode pair selection unit at the highest stimulation intensity that does not cause muscle movement as the therapeutic stimulation intensity.
  • the electrical stimulation application unit (500) can perform the step of applying electrical stimulation (S500).
  • the present invention aims to provide a method and device for selecting stimulation intensity based on peripheral muscle movement that can cause an optimal therapeutic effect without causing discomfort to the patient and that can enable a patient to wear the device in a suitable position so that the device can always achieve a constant therapeutic effect.

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Abstract

본 발명은, 전극 배열을 갖는 전기 자극기에 적용되는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법에 있어서, 각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기가 제대로 착용되었는지 검사하는 단계; 전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택하는 단계; 및 상기 전극 쌍을 선택하는 단계에서 선택된 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

Description

말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치
본 발명은 과학기술정보통신부의 지원 하에서 과제고유번호 1711196093, 과제번호 00220534에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "전자약 기술개발", 연구과제명은 "장기간 배뇨질환 관리 및 근원적 치료를 위한 완전 이식형, 체내 기관 일체형 전자약 플랫폼 개발", 주관기관은 고려대학교, 연구기간은 2023.04.01. ~ 2025.12.31.이다.
본 발명은 과학기술정보통신부의 지원 하에서 과제고유번호 1711189022, 과제번호 2021R1F1A1063173에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "기본연구", 연구과제명은 "과민성방광 치료를 위한 다채널 전기 자극 중첩 기반 비침습적 천골신경자극 기술 개발", 주관기관은 삼성서울병원, 연구기간은 2021.03.01. ~ 2024.02.29.이다.
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제고유번호 1465039253, 과제번호 HR21C0885030023에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "연구중심병원육성", 연구과제명은 "난치성 질환 극복을 위한 개인 맞춤 지능형 전자약 개발", 주관기관은 삼성서울병원, 연구기간은 2021.07.01. ~ 2029.12.31.이다.
본 발명은 과학기술정보통신부의 지원 하에서 과제고유번호 1711160399, 과제번호 2021M3A9G1015618에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "시장연계미래바이오기술개발", 연구과제명은 "바이오 연구데이터 검증지원 사업", 주관기관은 재단법인 과학기술사업화진흥원, 연구기간은 2021.01.01. ~ 2025.12.31.이다.
본 발명은 과학기술정보통신부의 지원 하에서 과제고유번호 1711190260, 과제번호 2022M3C1A3081294에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "STEAM연구", 연구과제명은 "신경 항상성 불균형 난치성 만성질환의 극복을 위한 완전 자율형 뉴럴리셋 시스템 개발", 주관기관은 포항공과대학교, 연구기간은 2022.06.01. ~ 2026.12.31.이다.
본 발명은 과학기술정보통신부의 지원 하에서 과제고유번호 00398460, 과제번호 RS-2024-00398460에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "뇌과학선도융합기술개발", 연구과제명은 "두개외 장기간 발작 뇌파 측정 및 다지점 동시 간섭자극이 가능한 최소침습 on-chip closed-loop 분산형 뇌심부 자극 기술 개발 및 뇌전증 치료 효과 검증", 주관기관은 고려대학교, 연구기간은 2024.04.01. ~ 2028.12.31.이다.
본 발명은 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 비침습적인 말초신경자극을 통한 질환치료기 사용시 기기가 스스로 부착 부위에서 최고의 자극 전달 효율을 가질 수 있는 자극을 인가하는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 화학적 약물을 대체하기 위해 개발되고 있는 전자약은 특정 말초신경의 자극을 통해 체내의 신경회로를 조절하여 질병을 치료하는 것을 목표로 한다.
말초신경의 자극을 정확히 하기 위해서는 이식형 자극기를 통해 신경을 정확하게 자극해야 하지만 수술 또는 시술이 필요하다는 점 때문에 환자입장에서는 접근성이 떨어지며, 기기를 개별해야 하는 입장에서도 고려할 사항이 많기 때문에 비록 자극이 부정확하게 전달되더라도 비침습적인 신경자극 기술 기반의 기기가 출시되고 있는 실정이다.
이러한 비침습적인 자극기의 경우 환자가 직접 착용하고 사용하는 과정에서 생리학적인 배경지식이 없는 경우가 대부분이기 때문에 목표로 하는 신경을 적합하게 자극하기 위한 강도를 결정하기 쉽지 않고, 그에 따라 치료 효과가 감소할 수밖에 없다.
한편, 자극 신호가 효과를 발휘하기 위해서는 목표로 하는 신경의 발화(firing)를 일으켜야 하며, 이를 위해서는 일정 수준 이상의 자극 강도가 필요하다. 일반적으로 자극 강도는 강하면 강할수록 넓은 범위의 신경을 발화시킬 수 있기 때문에 높은 치료효과를 얻을 수 있으나, 강도가 높아지면 근육의 수축에 의해 움직임이 발생하고, 더 강한 자극에서는 통증이 발생하기도 한다.
따라서, 기기의 항상 일정한 치료 효과를 거둘 수 있도록 환자가 직접 적합한 위치에 기기를 착용할 수 있도록 할 수 있으며, 환자에게 불편감을 주지 않으면서 최적의 치료효과를 발생시킬 수 있는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 기기의 항상 일정한 치료 효과를 거둘 수 있도록 환자가 직접 적합한 위치에 기기를 착용하게 할 수 있으며, 환자에게 불편감을 주지 않으면서 최적의 치료효과를 발생시킬 수 있는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전극 배열을 갖는 전기 자극기에 적용되는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법에 있어서, 각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기가 제대로 착용되었는지 검사하는 단계; 전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택하는 단계; 및 상기 전극 쌍을 선택하는 단계에서 선택된 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 검사하는 단계는, 상기 임피던스 값이 기설정된 값 이상인 전극의 비율이 일정 비율 이상이면, 상기 전기 자극기를 다시 착용하라는 안내를 생성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전극 쌍을 선택하는 단계는, 상기 전극 배열을 M*N 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분하고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 상위 2개의 구역을 선정하는 제1단계; 상기 제1단계에서 선정된 2개의 구역을 m*n 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분하고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 상위 10개 이내의 구역을 선정하는 제2단계; 및 상기 제2단계에서 선전된 10개 이내의 구역에서 가능한 모든 전극쌍을 구분하고, 구분된 모든 전극쌍에 전기 자극을 인가한 후 반응성이 가장 큰 전극쌍을 선정하는 제3단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 자극을 인가하는 단계는, 운동 신경을 발화시키지 않고 감각 신경만 발화시키는 자극 세기 중 가장 큰 자극 세기를 최고 자극 세기로 선정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 운동 신경을 발화시키지 않고 감각 신경만 발화시키는 자극 세기는, 운동 신경의 문턱전압보다 작고 감각 신경의 문턱전압보다 큰 전압으로 생성한 전기 자극의 세기일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 자극을 인가하는 단계는, 복수의 사람에게서 획득한 상기 최고 자극 세기를 평균하여, 최고 자극 세기 평균값을 생성하고, 상기 최고 자극 세기 평균값을 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 초기자극인가단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 자극을 인가하는 단계는, 상기 초기자극인가단계에서 인가된 전기 자극으로 말초 근육에 움직임이 발생하면 자극 세기를 반으로 줄여 전기 자극을 인가하고, 상기 초기자극인가단계에서 인가된 전기 가극으로 말초 근육에 움직임이 발생하지 않으면 현재 세기의 반만큼 자극 세기를 높여 전기 자극을 인가하는 자극세기조절단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 자극을 인가하는 단계는, 두 번 이상 말초 근육의 움직임이 없거나, 자극기의 최소 전압 조절 한계에 다다를 때까지 상기 자극세기조절단계를 반복할 수 있다.
또한 본 발명은, 전극 배열을 갖는 전기 자극기에 적용되는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치에 있어서, 각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기가 제대로 착용되었는지 검사하는 착용검사부; 전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택하는 전극쌍 선택부; 및 상기 전극쌍 선택부에서 선택한 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 전기자극인가부;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명은 정확한 자극 강도를 선정하여 개인화할 수 있는 장치를 제공함으로써 전기자극을 통한 치료 효과를 극대화할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 전문지식 없는 환자도 정확한 자극 위치를 찾을 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치의 세부 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 쌍을 선택하는 단계의 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 쌍을 선택하는 단계를 설명하기 위한 그림을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제3단계를 설명하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 신경 자극신호의 전달 경로와 자극에 의해 발생한 움직임 신호의 전달 경로를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 감각신경과 운동신경에서 자극 시간과 문턱전압의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개개인의 신경 문턱전압 탐색방법에 따른 탐색 횟수를 비교하는 그래프를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치의 구성도를 나타낸다.
전극 배열을 갖는 전기 자극기에 적용되는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법에 있어서,
각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계;
전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택하는 단계; 및
상기 전극 쌍을 선택하는 단계에서 선택된 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 단계;
를 포함하는, 방법.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 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 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
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 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법은 전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계(S100), 전극 쌍을 선택하는 단계(S300), 및 전기 자극을 인가하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법은 기기의 항상 일정한 치료 효과를 거둘 수 있도록 환자가 직접 적합한 위치에 기기를 착용하게 할 수 있으며, 환자에게 불편감을 주지 않으면서 최적의 치료효과를 발생시킬 수 있다. 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법은 환자 스스로 부착 부위에서 최고의 자극 전달 효율을 가질 수 있는 전극의 조합과 자극 강도를 선정하여 누가 사용하더라도 동일한 자극을 전달하여 치료 효과를 극대화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치(10)의 세부 구성을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치(10)는 자극기와 커프로 구성될 수 있다.
커프는 환자의 신체부위에 감는 방식으로 착용될 수 있고, 커프의 내부면에는 배열 전극이 구비될 수 있다. 커프의 외부면에는 자극기와 커프를 결합하여 고정시킬 수 있는 하나 이상의 자석이 구비될 수 있고, 자극기와 전기적으로 연결되어 전기신호를 전달할 수 있는 커넥터가 구비될 수 있다. 커프는 환자의 발과 팔 등에 착용될 수 있으며, 벨크로를 구비하여 고정될 수 있다. 본 발명에서는 일 실시예로 커프를 예를 들고 있으나, 이에 한정되지 않고 부착형 등 가능한 모든 형태가 될 수 있다. 또한, 벨크로는 똑딱이 등 탈부착 가능한 모든 수단이 적용될 수 있다.
자극기는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법을 수행하는 하나 이상의 프로세서, 메모리, 및 저장장치 등을 포함할 수 있다. 자극기는 전면에 터치스크린을 구비할 수 있으며, 환자는 터치스크린을 조작하여 자극 세기, 자극 위치 등을 제어할 수 있다. 자극기 후면에는 자극기와 커프를 결합하여 고정시킬 수 있는 하나 이상의 자석이 구비될 수 있고, 자극기와 전기적으로 연결되어 전기신호를 전달할 수 있는 커넥터가 구비될 수 있다.
자극기는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법은 크게 2가지 기능을 수행할 수 있고, 첫번째는 자동으로 자극 위치를 탐색하며, 두번째는 자극 강도를 결정하여 치료를 수행할 수 있다.
전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계(S100)는 각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기 착용 상태를 검사할 수 있다.
전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계(S100)는 전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계(S100)는 임피던스 값이 기설정된 값 이상인 전극의 비율이 일정 비율 이상이면, 전기 자극기를 다시 착용하라는 안내를 생성할 수 있다.
전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계(S100)는 환자가 처음 커프를 착용하면 각 전극에 미세 전류를 흘려 전극과 피부 사이의 임피던스를 측정하고 인피던스 값이 일정 기준(예: 10kΩ) 이상인 전극의 비율이 일정 수준(예: 20%) 이상이면 커프를 다시 감도록 요청할 수 있다. 임피던스 값 및 전극의 비율을 치료 부위나 치료 방법 등에 따라 달리 설정될 수 있으며, 환자 또는 의료진은 터치스크린을 통해 설정값을 변경할 수 있다.
전극 쌍을 선택하는 단계(S300)는 전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택할 수 있다.
치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍의 위치에 따라 실제 신경에 전달되는 전류의 양이 달라지면서 자극 효율의 편차가 발생하며, 이로 인해 근육의 움직임 차이가 발생할 수 있다. 근육 움직임의 차이를 정량적으로 분석하는 방법은 생체신호인 근전도를 측정하는 것과 실제 움직임의 물리량을 측정하는 것이 있다. 본 발명에서는 근전도 및 실제 움직임의 물리량 중 하나인 가속도를 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 쌍을 선택하는 단계(S300)의 흐름도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 전극 쌍을 선택하는 단계(S300)는 제1단계(S310), 제2단계(S330), 및 제3단계(S350)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 쌍을 선택하는 단계(S300)를 설명하기 위한 그림을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 제1단계(S310)는 전극 배열을 M*N 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분하고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 상위 2개의 구역을 선정할 수 있다.
제1단계(S310)는 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 세밀하게 선정하기에 앞서, 대략적인 위치를 파악하는 작업을 수해할 수 있다.
제1단계(S310)는 A*B의 전체 적극 배열을 (A-2)*(B-2) 크기의 가능한 모든 구역으로 나누어 전기 자극을 인가할 수 있고, 이 중 가장 큰 반응을 보이는 영역을 하나 이상 선정할 수 있다. 일 실시예로, 제1단계(S310)는 5*5의 전체 전극 배열을 3*3 크기의 6개의 구역으로 나누어 전기 자극을 인가할 수 있고, 이 중 가장 큰 반응을 보이는 2개의 영역을 선정할 수 있다.
제2단계(S330)는 제1단계(S310)에서 선정된 2개의 구역을 m*n 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분하고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 상위 10개 이내의 구역을 선정할 수 있다.
제2단계(S330)는 제1단계(S330)에서 선정된 하나 이상의 구역(M*N)을 (M-1)*(N-1) 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분할 수 있고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 하나 이상의 구역을 선정할 수 있다.
일 실시예로, 제2단계(S330)는 제1단계(S330)에서 선정된 2개의 구역을 2*2 크기를 갖는 가능한 모든 구역으로 구분할 수 있고, 가능한 모든 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 10개 이내의 구역을 선정할 수 있다.
여기에서, 반응성이란 근전도 및 실제 움직임의 물리량 중 하나인 가속도의 크기를 의미할 수 있고, M > m이고, N > n이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제3단계를 설명하기 위한 그래프를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 제3단계(S350)는 제2단계에서 선전된 10개 이내의 구역에서 가능한 모든 전극쌍을 구분하고, 구분된 모든 전극쌍에 전기 자극을 인가한 후 반응성이 가장 큰 전극쌍을 선정할 수 있다. 제3단계(S350)는 2단계(S330)에서 선정된 반응성이 큰 하나 이상의 구역에 대해 가능한 모든 전극쌍 조합에 전기 자극을 인가하여 가장 큰 반응을 보이는 전극쌍을 선정할 수 있다. 가장 큰 반응성을 보이는 전극쌍은 치료에 가장 큰 효과를 보일 수 있는 전기자극 위치로 이해될 수 있다.
도 5를 참조하면, 신경이 지나가는 경로에 전극 배열이 위치한 상태에서 서로 다른 다양한 조합의 전극 쌍에 전류를 발생시키면 신경이 자극되는 정도에 따라 발가락의 움직임이 서로 다르게 발생할 수 있다. 정확한 위치를 자극한다면 왼쪽 그림과 같이 큰 움직임(가속도 센서를 통해 측정)과 근전도 신호가 관측될 수 있으며, 자극 위치가 신경과 많이 벗어나 있다면 오른쪽 그림과 같이 움직임과 근전도 신호가 거의 관측되지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 신경 자극신호의 전달 경로와 자극에 의해 발생한 움직임 신호의 전달 경로를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 신경 자극신호의 전달 경로와 자극에 의해 발생한 움직임 신호의 전달 경로를 확인할 수 있다. 발목에서 충분한 전류 세기로 신경을 자극하면 엄지발가락 쪽이 위로 들리는 움직임이 발생하고, 해당 움직임은 가속도 신호와 근전도 신호를 발생시켜 발목에 위치한 자극기를 통해 움직임의 변화를 측정할 수 있다.
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 전극 쌍을 선택하는 단계에서 선택된 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가할 수 있다. 전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 최적이 자극 효과를 낼 수 있는 강도를 선정함에 있어서 최소한의 탐색만을 수행할 수 있다.
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 운동 신경을 발화시키지 않고 감각 신경만 발화시키는 자극 세기 중 가장 큰 자극 세기를 최고 자극 세기로 선정할 수 있다.
운동 신경을 발화시키지 않고 감각 신경만 발화시키는 자극 세기는 운동 신경의 문턱전압보다 작고 감각 신경의 문턱전압보다 큰 전압으로 생성한 전기 자극의 세기일 수 있다.
자극 신호가 효과를 발휘하기 위해서는 목표로 하는 신경의 발화(firing)을 일으켜야 하며, 이를 위해서는 일정 수준 이상의 자극 강도가 필요하다. 일반적으로 자극 강도는 강하면 강할수록 넓은 범위의 신경을 발화시킬 수 있기 때문에 높은 치료효과를 얻을 수 있으나, 강도가 높아지면 근육의 수축에 의해 움직임이 발생한다. 더 강한 자극에서는 통증이 발생하기도 하기 때문에, 전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 사용성을 높이기 위한 방법으로 움직임이 발생하지 않는 최고 강도를 적합한 자극으로 판단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 감각신경과 운동신경에서 자극 시간과 문턱전압의 관계를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 일반적으로 하나의 신경 다발에는 원심성 신경인 운동 신경과 구심성 신경인 감각 신경이 함께 존재하며, 각각의 신경이 발화하기 위한 자극 강도가 다를 수 있다.
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 감각 신경을 발화시키는 문턱전압(V1)을 하기 수학식 1로 정의할 수 있다. 여기에서 d는 자극 시간을 의미한다.
[수학식 1]
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 운동 신경을 발화시키는 문턱전압(V2)을 하기 수학식 2로 정의할 수 있다.
[수학식 2]
따라서, 전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 동일한 자극 시간을 가지는 신호에 대해 운동 신경과 감각 신경 사이의 문턱전압 관계를 하기 수학식 3과 같이 도출할 수 있다.
[수학식 3]
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 상기 수학식 3을 통해 자극 길이와 상관없이 운동 신경을 발화시키지 않으면서 감각 신경만 독립적으로 발화시키는 자극 세기를 선정할 수 있으며, 이를 통해 근육의 수축에 따른 움직임과 통증 등의 불편함 없이 치료 효과를 얻게 할 수 있다.
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 초기자극인가단계(S510) 및 자극세기조절단계(S530)를 포함할 수 있다.
자극에 적합한 강도를 찾기 위해서는 자극을 수행과 동시에 근전도 측정 또는 가속도 측정과 같은 방법을 이용하여 근육의 움직임을 확인하는 방법을 사용하는데, 자극 강도 탐색 과정에서 적합한 자극을 찾을 때까지 걸리는 시간이 오래 걸릴수록 환자의 불편감 증가에 따라 사용성이 떨어져 치료의 효과가 감소될 수 있다는 문제점이 있다. 전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 초기자극인가단계(S510) 및 자극세기조절단계(S530)을 통해 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
초기자극인가단계(S510)는 복수의 사람에게서 획득한 상기 최고 자극 세기를 평균하여, 최고 자극 세기 평균값을 생성하고, 상기 최고 자극 세기 평균값을 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가할 수 있다.
일반적으로 사용자 별로 신경을 발화시키기 위한 문턱전압의 범위는 사람마다 다르게 분포하지만, 통계적으로 보면 정규분포를 따르는 것으로 알려져 있다. 따라서, 초기자극인가단계(S510)는 자극 강도 탐색에 있어 정규분포 확률에 대한 사전 정보를 이용한 탐색 기법을 적용할 수 있다.
자극세기조절단계(S530)는 초기자극인가단계(S510)에서 인가된 전기 자극으로 말초 근육에 움직임이 발생하면 자극 세기를 반으로 줄여 전기 자극을 인가하고, 상기 초기자극인가단계에서 인가된 전기 가극으로 말초 근육에 움직임이 발생하지 않으면 현재 세기의 반만큼 자극 세기를 높여 전기 자극을 인가할 수 있다.
전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 두 번 이상 말초 근육의 움직임이 없거나, 자극기의 최소 전압 조절 한계에 다다를 때까지 상기 자극세기조절단계를 반복하는 반복단계(S550)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 전기 자극을 인가하는 단계(S500)는 통계적으로 가장 많은 사람의 신경을 발화할 수 있는 평균 값 A0(예 2mA)으로 자극을 시작할 수 있다. 자극 후 움직임이 있으면 자극 세기를 반으로 줄여 다시 자극을 하고, 움직임이 없다면 자극 세기를 현재 세기의 반만큼 더 키워 자극을 하여 근육의 움직임이 있는지 확인할 수 있다. 근육의 움직임이 있다면 다시 자극세기를 직전 변화량의 반만큼 줄이고(An+1=An-|An-An-1|/2), 근육의 움직임이 없다면 자극세기를 직전 변화량의 반만큼 늘릴 수 있다(An+1=An+|An-An-1|/2). 두 번 이상 움직임이 없거나 자극기의 최소 전압 조절 한계에 다다를 때까지 반복하여 움직임이 발생하지 않는 최고 세기를 치료용 자극 세기로 선정할 수 있다.
신경 발화를 위한 문턱전압이 1~3mV 범위에서 정규분포를 가진다고 가정할 때 자극기의 최소 전압 조절 한계가 0.01mV일 경우를 가정해보면, 가장 단순한 자극 탐색 방법인 순차적 증가/감소 방법을 사용했을 때 최대 100회, 평균 약 20회의 자극이 필요하며, 이 때 발생하는 오차는 평균적으로 0.0025mV 가 된다. 탐색 횟수를 줄이기 위해서 한번에 탐색 가능한 전압 조절 범위를 늘린다고 하면 0.05mV씩 변화를 준다고 할 경우 최대 20회, 평균 4.1회의 자극으로 전압을 선정할 수 있지만 최종 값이 가지는 오차 범위는 0.0125mV로 증가한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개개인의 신경 문턱전압 탐색방법에 따른 탐색 횟수를 비교하는 그래프를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 전기 자극을 인가하는 단계(S500)를 이용하면, 최대 8회의 자극이 필요하고 평균 약 5.7회의 자극이 필요하며, 평균 오차가 0.0025mV로 매우 정확하면서도 빠르게 전압을 선정할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 도 8은 가상의 자극 목표 값(실제 기기 착용시 자극을 수행하게 되는 움직임이 없는 최대 강도)을 무작위로 선정하고, 해당 목표 값을 찾는 방법을 일반적인 순차적 증/감 방법을 사용할 때와 제안한 방법을 사용할 때를 비교한 그래프이다. 모든 그래프에서 가로축은 무작위로 생성된 목표 값을 나타낸다.
도 8에서 상단과 중단의 그래프에서 세로축은 자극 시작 강도인 2mV부터 목표 값까지 도달하기 위해서 필요한 자극의 횟수를 나타낸다. 도 8의 상단 그래프를 참조하면, 도 8의 상단 그래프는 일반적인 증/감 방법에서 자극기의 최소 전압 조절 단위가 0.01mV 일 때와 0.05mV일 때의 자극 횟수를 나타낸다. 예를 들어, 2.456mV의 목표 값의 가장 가까운 값을 찾을 때, 조절단위 0.01mV에서는 42회의 자극이 필요하고, 이 때 0.005mV의 오차가 발생할 수 있다. 조절단위 0.05mV에서는 7회의 자극이 필요하고, 이때 0.015mV의 오차가 발생할 수 있다.
도 9의 중단 그래프를 참조하면, 도 8의 중단 그래프는 본원발명을 사용하였을 때 자극 횟수를 나타낸다. 예를 들어, 2.456mV의 목표 값의 가장 가까운 값을 찾을 때, 0.01mV에서 5회의 자극이 필요하고, 이때 0.005mV의 오차가 발생할 수 있다.
도 8의 하단 그래프를 참조하면, 도 8의 하단 그래프는 상단과 중단 그래프를 그리기 위해 무작위로 생성된 총 10000개의 목표 값의 출현 빈도를 세로축으로 나타내어 1-3mV 사이의 정규분포를 가진다는 것을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치(10)의 구성도를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치(10)는 착용검사부(100), 전극쌍 선택부(300), 및 전기자극인가부(500)를 포함할 수 있다.
말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치(10)는 전술한 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법이 수행되는 장치(10)일 수 있으며, 위에서 언급한 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법을 모두 수행할 수 있다.
착용검사부(100)는 각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기가 제대로 착용되었는지 검사할 수 있다. 착용검사부(100)는 전술한 전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계(S100)를 수행할 수 있다.
전극쌍 선택부(300)는 전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택할 수 있다. 전극쌍 선택부(300)는 전술한 전극 쌍을 선택하는 단계(S300)를 수행할 수 있다.
전기자극인가부(500)는 전극쌍 선택부에서 선택한 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가할 수 있다. 전기자극인가부(500)는 전기 자극을 인가하는 단계(S500)를 수행할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
본 발명은 기기의 항상 일정한 치료 효과를 거둘 수 있도록 환자가 직접 적합한 위치에 기기를 착용하게 할 수 있으며, 환자에게 불편감을 주지 않으면서 최적의 치료효과를 발생시킬 수 있는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Claims (9)

  1. 전극 배열을 갖는 전기 자극기에 적용되는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 방법에 있어서,
    각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기 착용상태를 검사하는 단계;
    전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택하는 단계; 및
    상기 전극 쌍을 선택하는 단계에서 선택된 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검사하는 단계는,
    상기 임피던스 값이 기설정된 값 이상인 전극의 비율이 일정 비율 이상이면, 상기 전기 자극기를 다시 착용하라는 안내를 생성하는 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 쌍을 선택하는 단계는,
    상기 전극 배열을 M*N 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분하고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 상위 2개의 구역을 선정하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 선정된 2개의 구역을 m*n 크기를 갖는 하나 이상의 구역으로 구분하고, 구분된 하나 이상의 구역마다 전기 자극을 인가한 후 반응성이 큰 상위 10개 이내의 구역을 선정하는 제2단계; 및
    상기 제2단계에서 선전된 10개 이내의 구역에서 가능한 모든 전극쌍을 구분하고, 구분된 모든 전극쌍에 전기 자극을 인가한 후 반응성이 가장 큰 전극쌍을 선정하는 제3단계;를 포함하는 것인, 방법.
    (여기에서, M > m이고, N > n이다)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기 자극을 인가하는 단계는,
    운동 신경을 발화시키지 않고 감각 신경만 발화시키는 자극 세기 중 가장 큰 자극 세기를 최고 자극 세기로 선정하는 것인, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 운동 신경을 발화시키지 않고 감각 신경만 발화시키는 자극 세기는,
    운동 신경의 문턱전압보다 작고 감각 신경의 문턱전압보다 큰 전압으로 생성한 전기 자극의 세기인 것인, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전기 자극을 인가하는 단계는,
    복수의 사람에게서 획득한 상기 최고 자극 세기를 평균하여, 최고 자극 세기 평균값을 생성하고, 상기 최고 자극 세기 평균값을 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 초기자극인가단계;를 포함하는 것인, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 자극을 인가하는 단계는,
    상기 초기자극인가단계에서 인가된 전기 자극으로 말초 근육에 움직임이 발생하면 자극 세기를 반으로 줄여 전기 자극을 인가하고, 상기 초기자극인가단계에서 인가된 전기 가극으로 말초 근육에 움직임이 발생하지 않으면 현재 세기의 반만큼 자극 세기를 높여 전기 자극을 인가하는 자극세기조절단계;를 포함하는 것인, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기 자극을 인가하는 단계는,
    두 번 이상 말초 근육의 움직임이 없거나, 자극기의 최소 전압 조절 한계에 다다를 때까지 상기 자극세기조절단계를 반복하는 것인, 방법.
  9. 전극 배열을 갖는 전기 자극기에 적용되는 말초 근육 움직임 기반 자극강도 선정 장치에 있어서,
    각 전극과 피부간 임피던스 값을 측정하고 상기 임피던스 값을 이용하여 전기 자극기가 착용상태를 검사하는 착용검사부;
    전극 범위를 좁혀 나가며 전기 자극을 인가하고, 인가된 전기 자극에 따라 가속도 센서 및 근전도 센서에서 획득된 신호의 변화를 계산하여, 치료용 전기 자극을 인가할 전극 쌍을 선택하는 전극쌍 선택부; 및
    상기 전극쌍 선택부에서 선택한 전극 쌍에 근육의 움직임이 발생하지 않는 최고 자극 세기를 치료용 자극세기로 하여 전기 자극을 인가하는 전기자극인가부;
    를 포함하는, 장치.
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