KR100877229B1

KR100877229B1 - 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스장치

Info

Publication number: KR100877229B1
Application number: KR1020070046435A
Authority: KR
Inventors: 이언; 최상혁
Original assignee: 가천의과학대학교 산학협력단
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2009-01-09
Also published as: US8498717B2; WO2008140241A2; KR20080100573A; WO2008140241A3; US20110022116A1

Abstract

본 발명은 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선기술과 스마트 마이크로센서 및 나노 프로브-핀 시스템 등이 융합된 신경-전자 인터페이스 장치를 구현함으로써, 이를 운동 및 감각 기능에 문제점을 가진 환자의 뇌에 이식하여 뇌신경의 활동을 모니터링하거나 필요시 뇌신경을 자극하여 운동 및 감각 기능을 정상화시킬 수 있는 신경-전자 인터페이스 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치는, 환자의 뇌신경에 접촉이 되도록 두피이하 두개골을 관통하여 이식되며, 신경계를 모니터링 또는 자극하는 심부 뇌 감시 및 자극(DBMS) 모듈과; 무선으로 상기 DBMS 모듈에 전력을 전송하는 송전부와, 상기 DBMS 모듈과 무선 통신을 수행하는 통신부와, 상기 송전부의 전력 송신 기능을 제어하며 상기 통신부를 통해 상기 DBMS 모듈로부터 전달되는 모니터링 신호를 분석 및 처리하여 상기 통신부를 통해 상기 DBMS 모듈의 뇌신경 자극 기능을 제어하기 위한 명령 신호를 전송하는 원격제어부로 구성되어, 환자가 머리에 착용하는 모자에 구비되는 모자 모듈;을 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.

심부 뇌자극(DBS), 프로브-핀 장치(PPD), 신경-전자 인터페이스(NEI), 양자점(quantum-dots)

Description

인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치{Neural electronic interface device for motor and sensory controls of human body}

도 1은 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치를 인체에 삽입한 상태를 보이는 모식도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 개괄적인 구성과 적용 상태를 나타내는 상태도.

도 3은 도 2에 도시된 PPD의 상세 구성을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

3, 103 : 모자 모듈 4, 104 : DBMS모듈

10 : NEI 장치 31, 131 : 원격제어부

32, 132 : 송전부 33, 133 : 통신부

35 : 송신부 41 : DBMS제어부

43, 143 : DBMS통신부 42, 142 : 수전부

44, 144 : 전력조절기 45 : 신호처리부

46, 146 : PPD 47 : 전극

48 : 박막필름 460 : 센서부

461 : 전압센서 462 : 화학센서

463 : 압력센서 464 : 온도센서

465 : 신호선 546 : 전극침

550 : 전선 560 : 전원부

현대사회의 복잡성으로 인하여 현대인은 사고 또는 질병에 잘 노출되어 인간고유의 기능 또는 운동 능력을 상실하곤 하는데, 의학만으로는 이러한 환자를 치유하는데 한계성을 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 최근 공학분야의 기술이 의학분야에 접목된 의공학 분야의 발전을 가져 왔으며, 이로 인하여 건강관리 시스템의 많은 영역에 획기적인 변화를 가져오고 있다.

예를 들자면, 심장박동조절기 및 심실근육 세동제거기는 수백명의 목숨을 구했으며 심장병 치료의 혁신적인 역할을 해오고 있다. 또한 심장박동조절기의 기술을 이용하여, 외과의사는 현재 비정상적인 뇌기능을 조절하기 위해 심부 뇌자극(Deep Brain Stimulation, DBS) 장치를 환자의 뇌에 이식하고 있다.

비정상적인 신체 행동 또는 정신적인 장애는 파킨슨병(Parkinson's Disease, PD) 또는 강박장애(Obessive-Compulsive Disorder, OCD)와 같은 뇌의 비정상적인 기능으로부터 유래한다. 파킨슨병은 손발이 떨리고 행동이 느려지면서 근육이 굳어지는 것이 주 증상인 만성 퇴행성 뇌질환이며, 강박장애를 가진 사람은 자신들이 접촉하는 어떤 것들로부터 오염되지도 모른다는 공포 때문에 외출도 꺼려하는 정신 질환이다.

현재 신경외과 의사는 파킨슨병, 강박장애 및 우울증과 같은 중대한 건강상의 문제점을 치료하기 위해 심부 뇌자극 장치를 사용하고 있다. 심부 뇌자극 장치는 정확한 뇌신경 위치에 이식된 전극을 통해 뇌신경에 전류 펄스를 인가하여 질병의 주요현상인 떨림증을 멈추게 하고 곱은 근육을 이완시키는 작용을 한다.

심부 뇌자극 장치를 이용하는 치료 방법은 외과적 방법으로 강박장애를 치료하는 유일한 희망이며, 파킨슨병을 치유하는데 효과가 입증된 방법이다.

파킨슨병을 가진 80명 이상의 환자를 통해 얻어진 결과를 프랑스의 그레놀 대학병원의 Alim-Louis Benabid가 1993년에 보고한 이래로 폭발적으로 심부 뇌자극 장치가 시술되기 시작하여, 전세계적으로 약 3만건의 유사한 수술이 현재까지 수행 되어 왔으며 그 결과도 대단히 성공적이다.

도 1은 종래기술에 따른 심부 뇌자극 장치를 인체에 삽입한 상태를 보이는 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 심부 뇌자극 장치는 뇌신경 위치에 이식되어 뇌신경에 전기 자극을 가함으로써 비정상적인 뇌 기능을 회복시켜주는 전극침(546)과, 전극침(546)에 전선(550)을 통해 연결되어 전극침(546)으로 전력을 공급해주는 전원부(560)로 구성된다.

이와 같이 구성된 심부 뇌자극 장치는, 파킨슨병이나 강박장애의 치료에 탁월한 효과를 보이고 있으며, 건전지와 같은 전원이 구비된 전원부(560)를 복부 또는 가슴에 꿰매어 넣고, 피부를 이용하여 원격으로 전원을 온 또는 오프할 수 있도록 시술되기 때문에 임상적으로는 간단하게 적용이 가능한 이점이 있다.

그러나 심부 뇌자극 장치를 적용하기 위해서는 환자의 뇌 기능을 정상화하기 위해 뇌신경의 일정부분을 억압하거나 자극할 수 있는 전극을 뇌의 심층부에 이식하는 과정이 필요하며, 전원 공급이나 데이터 전송 그리고 프로그래밍을 위해서 인간의 신체 내에 전선을 사용함으로써 발생되는 다수의 문제점들을 가지고 있다.

즉, 신체 내에 전원이나 전선이 복잡하게 이식되기 때문에 환자에게 참기 힘든 불편함을 제공하고, 또한 피부 밑에 설치된 전선(550)이 단락되거나 복부 또는 가슴에 내장된 건전지의 전원이 모두 소모된 경우에는 해당 부품의 교체 및 수리를 위해 외과적 수술을 되풀이 해야 하는 문제점이 있다.

또 다른 관점에서 살펴보면, 불행하게도 대뇌피질의 넓은 영역에 분포한 수 백만개의 신경의 공통적 전기적 활동을 표현하는 뇌파기록장치(EEG)는 저렴한 뇌활동 기록장치이지만, 인체의 특정부분에 필요한 시변(time-varying)의 행동제어 신호를 실시간으로 공급할 수 없는 단점이 있다. 즉, 문제의 원인이 되는 정확한 지점에서의 뇌 활동을 현장에서 관찰하고 즉시 치유하는 것이 일반적으로 환자들에게서 나타나는 뇌기능 부전을 치료하기 위해 반드시 필요하지만, 이를 해결할 만한 구체적인 수단이 없는 현실이다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 심부 뇌자극 장치의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 무선 기술과 스마트 마이크로센서 및 나노 프로브-핀 장치 등의 융합을 통해, 뇌속의 화학적/물리적 정보를 모니터링하고 뇌신경 계통의 비정상적인 기능을 자율적으로 경감 또는 치유하는 신경-전자 인터페이스(Neural Electronic Interface, NEI) 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 인체 외부에서 무선으로 공급되는 전력을 이용하여 환자의 뇌를 모니터링하거나 자극함으로써, 전원 계통을 교체 또는 수리할 필요 없이 안정적으로 적용 가능한 심부 뇌 자극 치료를 제공하는데 또다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 환자의 뇌신경에 접촉이 되도록 두피이하 두개골을 관통하여 이식되며, 신경계를 모니터링 또는 자극하는 심부 뇌 감시 및 자극(DBMS) 모듈과; 무선으로 상기 DBMS 모듈에 전력을 전송하는 송전부와, 상기 DBMS 모듈과 무선 통신을 수행하는 통신부와, 상기 송전부의 전력 송신 기능을 제어하며 상기 통신부를 통해 상기 DBMS 모듈로부터 전달되는 모니터링 신호를 분석 및 처리하여 상기 통신부를 통해 상기 DBMS 모듈의 뇌신경 자극 기능을 제어하기 위한 명령 신호를 전송하는 원격제어부로 구성되어, 환자가 머리에 착용하는 모자에 구비되는 모자 모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치를 제공한다.

본 발명은 운동과 감각조절을 위한 기능적 전기 자극(Functional Electrical Stimulation, FES)과 NEI와 연관된 과제를 해결하기 위해 재료과학, 미세전자기계 시스템(Micro MEMS), 신경과학, 신경외과술, 특히 운동 및 감각 제어 분야의 전문 기술 등의 여러 학문분야 기술을 총합한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 개괄적인 구성과 적용 상태를 나타내는 상태도이다.

본 발명은 나노 기술을 이용한 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치(10)로서, 크게 환자의 뇌에 이식되는 심부 뇌 감시 및 자극(Deep Brain Monitoring and Stimulation, DBMS) 모듈(4)과, 환자가 머리에 착용하여 DBMS 모듈(4)과 무선통신을 수행하는 모자 모듈(3)로 구성된다.

DBMS 모듈(4)은, 심부 뇌신경에 접촉이 되도록 두피 이하 두개골을 관통하여 이식되고 환자의 신경계를 모니터링하거나 신경계에 전기적인 자극을 가하는 프로브-핀 장치(Probe Pin Device, PPD)(46)와, 모자 모듈(3)로부터 무선으로 전력을 전송받아 PPD(46)를 구동하고, 모자 모듈(3)과 무선 통신을 수행하는 전력 및 신호 처리부(45)로 구성된다.

전력 및 신호처리부(45)는 무선으로 데이터 신호(7)를 송수신하는 DBMS통신부(43)와, 모자 모듈(3)로부터 무선으로 전력(6)을 전송받는 수전부(42)를 포함하여 구성된다. 또한, 두피 조직 아래의 두개골 뼈에 고정되어, 그 상면에 DBMS통신부(43), 수전부(42)를 포함한 전력 및 신호처리부(45)의 부품을 장착하는 가요성 소재의 박막필름(48)이 포함되는데, 박막필름(48)의 하면 중앙에 PPD(46)가 연결되어 신경 자극을 위한 위치에 고정된다.

여기서, DBMS통신부(43)는 모자 모듈(3)로부터 명령 신호를 수신받거나, PPD(46)에 의해 측정된 센서 신호를 모자 모듈(3) 측으로 전송해주는 기능을 수행한다.

한편 모자 모듈(3)은, DBMS 모듈(4)의 구동을 위해 소요되는 전력을 무선으로 공급하기 위한 송전부(32)와, DBMS통신부(43)와 무선 통신을 수행하는 통신부(33)와, 통신부(33)와 연결되어 PPD(46)로부터 측정된 센서 신호를 전송받고 이에 대한 제어 신호를 송신할 수 있는 원격제어부(31)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 모자 모듈(3)의 송전부(32)와 DBMS 모듈(4)의 수전부(42)로 무선 전력 전송 모듈을 구성하여 무선으로 전력을 전송함으로써, 환자의 신체 내에 별도의 전원을 구비하지 않고도 환자의 신경계에 전기적 자극을 가하기 위한 전력을 자체적으로 조달할 수 있다.

무선 전력 전송 모듈의 전력 전송 방법으로는 유도성 전력을 이용하는 방식과 마이크로파를 통한 전파 전송 방식이 사용될 수 있다.

먼저, 유도성 전력을 이용하는 방식은 송전부(32)에 회전 자기장을 발생하는 회전자기장원반을 구비하고, 수전부(42)에 회전 자기장과 결합하는 유도 코일을 구비하여 회전자기장원반과 유도 코일의 상대 운동에 의해 유도 전력을 생성한다.

한편, 마이크로파를 통한 전파 전송 방식은 송전부(32)에 혼안테나와 같이 마이크로파를 발신하는 마이크로파 안테나를 구비하고, 수전부(42)에 마이크로파를 수신하여 전력으로 변환하는 렉테나를 구비하여, 인체 외부로부터 마이크로파를 통해 전력 에너지를 전송하게 된다.

상술한 유도성 전력을 이용한 방식 및 마이크로파를 통한 전파 전송 방식에 대한 보다 상세한 내용은 본 출원인에 의해 출원된 한국특허 제 2007-0046408(발명의 명칭:자기 유도에 의한 무선 공급 전력으로 구동되는 심부 뇌자극 장치)와 한국특허 제 2007-0046404(발명의 명칭:무선 전력 전송 방식 심부 뇌자극 장치)를 각각 참조하기 바란다.

이와 같이 본 실시예에 따른 신경-전자 인터페이스 장치(10)는 신경 계통에 문제가 있는 환자의 뇌에 이식되어, DBMS 모듈(4)과 모자 모듈(3) 사이의 무선 인터페이스를 통해 뇌신경의 변화를 모니터링하고, 환자의 팔(1)에 의도되지 않은 이상 행동이 발생하는 경우 모자 모듈(3)에 포함된 원격제어부(31)를 통해 DBMS 모듈(4)의 PPD(46)를 제어함으로써, 이상이 발생한 환자의 운동 및 감각 기능을 정상 상태로 회복시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 신경-전자 인터페이스 장치(10)는 1)뇌 기능 조절을 위해 무선으로 전원을 공급하고, 2) 전력 공급과 동시에 신경 상태를 지속적으로 모 니터링하며, 3) 모니터링된 데이터를 인체 조직 외부에 위치한 제어 시스템으로 무선으로 전송하며, 4) 전송된 피드백 데이터에 대한 분석 및 처리를 바탕으로 뇌 신경 자극 기능을 제어함으로써 운동 및 감각과 관련된 신경의 이상을 보상하는 점을 특징으로 한다.

도 3은 도 2에 도시된 PPD의 상세 구성을 나타내는 도면이다.

PPD(46)의 내부에는 팁 부분에 구비되어 뇌 조직의 상태를 감지하기 위한 센서부(460)와, 센서부(460)에서 탐지되는 신호를 전력 및 신호처리부(45) 측으로 전송하기 위해 몸체의 길이방향을 따라 매설된 신호선(465)과, 신경 세포를 자극하기 위한 전압을 전달하는 자극용 전극(47)이 다수개 착설되어 있다.

PPD(46)의 센서부(460)를 통해 모니터링된 각종 신호는 전력 및 신호처리부(45) 내에 포함된 DBMS통신부(43)를 통해 무선으로 모자 모듈(3)의 통신부(33)로 전송되기 때문에, 본 발명의 PPD(46)는 무선 매립식 신경 프로브라고 지칭할 수 있다.

신호선(465)은 미세한 직경을 가지고 전력 및 신호처리부(45)로부터 PPD(46)의 내부를 따라 PPD(46)의 팁 부분까지 연장되도록 다수 구비되는데, 석영 광섬유(quarz optical fiber), 금선 또는 백금봉(platinum rod)으로 구성되어 센서부(460)의 출력 신호를 전달하게 된다. 또한, 신호선(465)의 말단에는 각각 뇌내 전압, 뇌질환과 관련된 신경전달물질(이하 뇌질환 유발물질이라 칭함), 뇌압 및 온도를 검출하기 위해 주위의 뇌 조직을 향해 노출되는 전압센서(461), 화학센 서(462), 압력센서(463) 및 온도센서(464)로 이루어진 나노 단위의 센서 어레이가 집적되어 센서부(460)를 구성하게 된다.

여기서, 뇌압을 측정하기 위한 압력센서(463)는 미세한 나노 소자로 구성되어 뇌압에 의해 발생하는 응력 변화에 따라 전기적 신호를 출력하도록 구성된다. 또한, 뇌질환 유발물질을 검출하기 위한 화학센서(462)는 직경 5~20 nm를 갖도록 정밀하게 크기 조절되어 신호선(465)의 말단에 형성되는 양자점(quantum-dots)으로 구성되는데, 양자점이 뇌질환 유발물질에 노출되었을 때 서로의 상호 작용에 의해 양자점의 형광 특성이 변하는 현상을 이용하여, 양자점의 형광 스펙트럼 변화나 FRET(fluorescence resonance energy transfer)을 감지함으로써 뇌질환 유발물질을 검출하게 된다. 양자점 기반의 센서는 주로 생화학 분야에 많이 사용되는 센서로서, 분자 레벨에서 세포 및 조직과 상호작용하도록 설계될 수 있으며, 신호선(465)과 대뇌 피질 영역의 뉴런 사이의 양호한 전기적 연결을 위해 양자점 위에 신경돌기가 성장하도록 유도할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 신경계 응용을 통한 나노 단위의 화학센서(462)는 뇌의 내부에서 검출되는 뉴런 레벨의 신호를 외부 장치로 효율적으로 전달할 수 있게 해준다.

이와 같이 구성된 PPD(46)는 행동 대뇌피질의 미세한 통로 내에 이식되어 하단부가 심부 뇌신경에 접촉하게 되기 때문에, 그 몸체의 재질은 인체내의 유체에 반응하지 않고 거부반응이 없는 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 특히 생리학적으로 인체에 적응이 잘되는 폴리머 또는 세라믹 재질로 구성되는 것이 좋다. 또한 그 표면에는 상부부터 팁 영역까지 절연물이 코팅되어 있으며, PPD(46) 구조 내에 설치되는 다수의 자극용 전극(47)은 절연 코팅된 금선으로 제조된다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 도 4를 참고하여 본 발명에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 전체 구성 및 작동 과정을 상세히 설명하기로 한다.

앞에서도 설명한 바와 같이, 본 발명의 신경-전자 인터페이스 장치는 환자가 착용하는 모자 모듈(3)과 환자의 뇌에 이식하는 DBMS 모듈(4)로 구성되어 있다.

모자 모듈(3)의 경우에는 전력을 무선으로 전송하는 송전부(32)와, DBMS 모듈(4)과 무선 통신을 수행하는 통신부(33) 및 원격제어부(31)를 포함하고 있는데, 원격제어부(31)는 송전부(32)의 전력 송신 기능을 제어하며, DBMS 모듈(4)에 포함된 PPD(46) 내의 센서부(460)로부터 수집 전송되는 데이터 신호를 통신부(33)를 통해 전달받아 분석 및 처리하여, 통신부(33)를 통해 뇌신경 자극 기능을 제어하기 위한 명령 신호를 DBMS 모듈(4)로 전송한다.

여기서, 원격제어부(31)는 센서부(460)로부터 수집 전송되는 데이터 신호를 실시간으로 분석하여, 데이터 신호가 심한 요동을 보이는 충격파의 형태를 띄거나 급격하게 변동되는 경우에, 뇌의 운동 및 감각 기능이 비정상 상태에 접어든 것으로 판단하고, 즉시 송전부(32)를 제어하여 DBMS 모듈(4) 측으로 전송되는 무선 전력을 증가시켜 뇌 신경을 자극하기에 충분한 전력이 전송되도록 한다. 또한, 원격제어부(31)는 실험적으로 작성된 룩업 테이블을 이용하여 일정 시간 구간 동안 전 송된 데이터 신호를 분석하여 뇌의 이상 상태를 판단할 수도 있다. 여기서, 룩업 테이블은 비정상적인 뇌 기능을 보이는 환자에 대한 각 센서 신호의 출력 유형을 미리 기록하여 작성될 수 있다.

또한, 원격제어부(31)는 분석된 결과에 따라 DBMS 모듈(4)의 전력 및 신호처리부(45) 측으로 센서부(460)의 검출 주기를 조절하기 위한 명령 신호를 통신부(33)를 통해 전송해준다. 즉, 뇌의 운동 및 감각 기능이 정상 상태인 경우에는 센서부(460)의 검출 주기를 연장시킴으로써 DBMS 모듈(4)에서 소요되는 전력을 절감시켜주고, 반대로 비정상 상태인 경우에는 센서부(460)의 검출 주기를 단축시켜 비정상 상태에 대응한 빠른 피드백 제어가 이루어지도록 한다.

이와 같이, 원격제어부(31)는 일정 시간 구간 내에서 센서부(460)로부터 전송된 데이터 신호의 변화 유형을 미리 설정된 알고리즘 또는 룩업 테이블을 이용하여 분석하고, 분석된 결과에 따라 전력 전송 기능 또는 모니터링 기능을 제어함으로써 뇌의 비정상적인 운동 및 감각 기능을 회복시킬 수 있다.

한편, 뇌에 이식되는 DBMS 모듈(4)은 센서부(460)와 자극용 전극(47)을 포함하는 PPD(46)와, 무선으로 전송되는 전력을 수신하여 변조하고, 명령 신호 및 피드백 신호에 대한 처리 기능을 가지는 전력 및 신호처리부(45)로 구성되어 있다.

센서부(460)는 PPD(46)의 팁에 구비되는 전압센서(461), 화학센서(462), 압력센서(463) 및 온도센서(464) 등으로 구성되어 감지된 각종 신호들을 전력 및 신호처리부(45)에 공급하는 역할을 수행하며, 자극용 전극(47)은 환자의 비 정상적인 운동 또는 감각 기능을 억제하기 위해 뇌신경에 자극 신호를 전달하는 역할을 한 다.

전력 및 신호처리부(45)는 모자 모듈(3)의 송전부(32)로부터 무선으로 전력을 공급받기 위한 수전부(42)와, 공급 받은 전력을 전체 회로 및 PPD(46) 등에서 사용할 수 있도록 변조하는 전력조절기(44)와, PPD(46)로부터 전달받은 모니터링 신호를 분석하고 분석된 신호를 기반으로 전력조절기(44)를 제어하는 DBMS제어부(41)와, 그리고 센서부(460)에서 측정된 신호를 두피 외부에 구비되는 모자 모듈(3) 내의 원격제어부(31)로 전달하고 원격제어부(31)로부터 제어용 명령 신호를 수신하는 DBMS통신부(43)로 구성된다.

DBMS제어부(41)는 센서부(460)로부터 전달되는 센서 신호를 직접 전달받아 판독하는데, 전압센서(461), 화학센서(462), 압력센서(463) 및 온도센서(464)로부터 각각 전달되는 전압, 뇌질환 유발물질 생성량, 뇌압 및 온도의 각 수치가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나는 경우, 자극용 전극(47)을 통해 뇌신경을 자극하기 위한 펄스 전압을 내보내도록 전력조절기(44)를 작동시킨다. 여기서, 심부 뇌 자극을 위해 요구되는 전력은 최소 200Hz에서 60 내지 500μsec의 펄스 폭을 가지는 펄스파로서 그 크기는 0 에서 ±10 볼트 사이인 것이 바람직하다. 따라서, 전력조절기(44)는 송전부(32)에서 출력되는 전력을 그 크기가 0 ~ ±10 볼트이고, 주파수는 200Hz 이상이며, 펄스폭은 60 ~ 500μsec인 펄스파로 변조하여 자극용 전극(47)으로 공급한다. 여기서, DBMS제어부(41)에는 동기 샘플앤홀드(Synchronous Sample/Hold, SSH) 모듈(미도시)이 포함되어, 센서부(460)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 DBMS통신부(43)로 전달해준다.

이와 같이 센서부(460)로부터 입력되는 피드백 신호는 운동에 관계된 뇌속의 화학적 변화와 신경-전기에 대한 정확한 정보를 DBMS제어부(41)와 모자 모듈(3)의 원격제어부(31)에 제공하기 때문에, 본 실시예에 따른 신경-전자 인터페이스 장치(10)는 무선으로 공급되는 전원에 의해 자체적으로 작동되는 총체적인 감각 피드백 요소를 가지고 있다고 할 수 있다.

즉, DBMS 모듈(4)의 DBMS제어부(41)는 전송된 피드백 신호값의 범위에 따라 전력조절기(44)를 제어하여 자극용 전극(47)으로 공급되는 펄스 전력을 조절함으로써, 뇌 신경계의 이상 상태에 대하여 비교적 단순하고 즉각적인 조치를 취하는 실시간 제어 기능을 수행하는 한편, 모자 모듈(3)의 원격제어부(31)는 일정 시간 구간 내에서 전송된 피드백 신호의 변화 유형에 대한 분석 결과에 따라 전력 전송 기능 또는 모니터링 기능을 제어함으로써, 일정 시간 구간에 대한 데이터 분석이 요구되는 보다 복잡하고 난해한 제어 기능을 수행하게 된다.

따라서, 본 실시예에 따라 인간 뇌의 행동 대뇌피질에 적용되는 신경-전자 인터페이스 장치는 환자의 손발의 움직임을 읽고 제어하는 것이 가능하여 환자의 비정상적인 행동을 회복시키는데 도움을 줄 수 있다. 즉, 뇌로부터 탐지되는 전기적 신호는 환자의 상태를 판정하는 알고리즘을 가진 DBMS제어부(41) 및 원격제어부(31)로 피드백되어 신경 기능이 정상인지 여부가 판단되고, 신경 기능이 비 정상인 경우 뇌 자극에 소요되는 충분한 전력을 무선으로 공급하는 동시에 전력조절기(44)를 구동하여 자극용 전극(47)으로 펄스 전력을 공급한다. 따라서, 피드백 오차 수정 알고리즘 등을 통해 근육 떨림 현상을 실시간으로 교정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 신경-전자 인터페이스 장치(10)는, 복부 또는 가슴에 꿰매어 넣고 피부를 통해 원격으로 전원을 온 또는 오프하는 종래의 심부 뇌자극기와 비교해 볼 때, 무선방식으로 전력을 전송할 수 있는 점이 특징이고, 따라서, 환자의 세포 조직 내에 이식된 신경-전자 인터페이스 장치의 건전지 및 기타 요소를 교체하기 위해 외과적 수술이 필요하지 않는 점이 장점이라 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치는 전술한 제1 실시예에서 DBMS 모듈(4) 내에 구비되는 DBMS제어부(41)를 제거한 보다 단순화된 구조로서, 모자 모듈(3)의 원격제어부(31)만으로 뇌 기능을 정상화시키기 위한 제어 알고리즘을 수행하도록 구성된다.

즉, 모자 모듈(103)의 원격제어부(131)는 PPD(146)의 각 센서로부터 DBMS통신부(143)와 통신부(133)를 거쳐 전송되는 데이터 신호를 실시간으로 분석하여, 뇌의 운동 및 감각 기능이 비정상 상태에 접어든 것으로 판단되는 경우, 즉시 송전부(132)를 제어하여 DBMS 모듈(104)의 수전부(142)로 전송되는 무선 전력을 증가시켜 뇌 신경을 자극하기에 충분한 전력이 전송되도록 하며, 이와 동시에 전력조절기(144)를 구동시키는 명령 신호인 카운터 신호를 통신부(133)를 통해 발신해준다. DBMS통신부(143)를 통해 카운터 신호를 전달받은 전력조절기(144)에서는 즉각 뇌 자극을 위한 펄스 전력을 생성하도록 함으로써 뇌의 기능을 정상화 시킨다.

여기서, DBMS 모듈(104) 내의 각 센서를 트리거 및 제어하는 센서제어모듈(미도시)을 별도로 구비하고, 원격제어부(131)에서 분석된 결과에 따라 통신부(133)를 통해 센서제어모듈에 센서부(460)의 검출 주기를 조절하도록 지시하는 명령 신호를 전송할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치는, 무선방식을 통한 심부 뇌 자극(DBS)장치를 구현하여 뇌신경계통의 비 정상적인 기능을 지닌 환자의 기능을 정상화시키고, 또한 약화된 신경계의 기능을 강화할 뿐만 아니라, 종래의 DBS 장치 시술시에 경험하는 환자의 고통을 경감하는 효과를 가지며, 또한 무선 인터페이스를 통한 자극신호 및 피드백 신호를 이용하여 뇌의 기능을 모니터링하고 신경을 제어할 수 있어, 신경계와 관련된 질환을 앓고 있는 환자에게 직접적이고 즉각적인 치료를 제공할 수 있는 수단을 제공하는 효과를 가지고 있다.

Claims

운동 및 감각 기능에 이상이 있는 환자의 뇌신경을 자극하여 뇌 기능을 정상화시키기 위한 신경-전자 인터페이스 장치에 있어서,

환자의 뇌신경에 접촉이 되도록 두피이하 두개골을 관통하여 이식되며, 신경계를 모니터링 또는 자극하는 심부 뇌 감시 및 자극(DBMS) 모듈(4)과;

무선으로 상기 DBMS 모듈(4)에 전력을 전송하는 송전부(32)와, 상기 DBMS 모듈(4)과 무선 통신을 수행하는 통신부(33)와, 상기 송전부(32)의 전력 송신 기능을 제어하며 상기 통신부(33)를 통해 상기 DBMS 모듈(4)로부터 전달되는 모니터링 신호를 분석 및 처리하여 상기 통신부(33)를 통해 상기 DBMS 모듈(4)의 뇌신경 자극 기능을 제어하기 위한 명령 신호를 전송하는 원격제어부(31)로 구성되어, 환자가 머리에 착용하는 모자(2)에 구비되는 모자 모듈(3);

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 DBMS 모듈(4)은, 상기 전송된 피드백 데이터의 범위에 따라 신경계를 자극하기 위한 펄스 전력을 제어하여 상기 접촉한 뇌신경에 출력하고,

상기 모자 모듈(3)은, 상기 전송된 피드백 신호의 변화 유형에 따라 상기 DBMS 모듈(4) 측으로 전송되는 전력을 조절하며, 상기 DBMS 모듈(4)의 모니터링 주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 DBMS 모듈(4)은,

환자의 두피이하 두개골을 관통하여 뇌신경에 접촉이 되도록 구비되며, 주위의 신경계를 모니터링하며 상기 접촉한 뇌신경에 전기적인 자극을 가하는 프로브-핀 장치(Probe Pin Device, PPD)(46)와;

상기 모자 모듈(3)로부터 무선으로 전력을 전송받아 상기 PPD(46)를 구동하고, 상기 모자 모듈(3)과 무선 통신을 수행하는 전력 및 신호처리부(45);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 3항에 있어서,

상기 PPD는,

팁 부분에 구비되어 뇌 조직의 상태를 감지하기 위한 센서부(460)와;

상기 센서부(460)에서 탐지되는 신호를 전력 및 신호처리부(45) 측으로 전송하기 위해 몸체의 길이방향을 따라 매설된 신호선(465)과;

신경 세포를 자극하기 위한 전압을 전달하는 자극용 전극(47);

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 4항에 있어서,

상기 신호선(465)은,

석영 광섬유(quarz optical fiber), 금선 또는 백금봉(platinum rod)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 4항에 있어서,

상기 센서부(460)는,

상기 신호선(465)의 말단에 주위의 뇌 조직을 향해 노출되는 나노 단위의 센서 어레이가 집적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 4항에 있어서,

상기 센서부(460)는,

뇌내 전압을 검출하는 전압센서(461), 뇌질환 유발물질을 검출하는 화학센서(462), 뇌압을 검출하는 압력센서 및 온도를 검출하는 온도센서(464) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 3항에 있어서,

상기 PPD(46)의 몸체는,

폴리머 또는 세라믹 재질로 구성되고, 표면에 상부부터 팁 영역까지 절연물이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 7항에 있어서,

상기 화학센서(462)는,

상기 신호선(465)의 말단에 형성되는 양자점(quantum-dots)으로 구성되어, 상기 양자점이 뇌질환 유발물질에 노출되었을 때 서로의 상호 작용에 의해 양자점의 형광 특성이 변하는 현상을 이용하여 상기 뇌질환 유발물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 9항에 있어서,

상기 화학센서(462)는,

상기 양자점 위에 신경돌기가 성장하도록 유도하여, 상기 신경돌기를 통해 대뇌 피질 영역의 뉴런과의 전기적 연결을 향상시키는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 3항에 있어서,

상기 전력 및 신호처리부(45)는,

상기 모자 모듈(3)로부터 무선으로 전력을 공급받기 위한 수전부(42)와;

상기 수전부(42)를 통해 공급 받은 전력을 전체 회로 및 상기 PPD(46)의 구동에 사용될 수 있도록 변조하는 전력조절기(44)와;

상기 PPD(46)로부터 전달되는 모니터링 신호에 따라 상기 전력조절기(44)를 제어하는 DBMS제어부(41)와;

상기 PPD(46)에서 모니터링된 데이터를 상기 모자 모듈(3)로 전달하고, 상기 모자 모듈(3)로부터 제어용 명령 신호를 수신하는 DBMS통신부(43);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 3항에 있어서,

상기 전력 및 신호처리부(45)는,

상기 모자 모듈(3)로부터 무선으로 전력을 공급받기 위한 수전부(42)와;

상기 수전부(42)를 통해 공급 받은 전력을 전체 회로 및 상기 PPD(46)의 구동에 사용될 수 있도록 변조하는 전력조절기(44)와;

상기 PPD(46)에서 모니터링된 데이터를 상기 모자 모듈(3)로 전달하고, 상기 모자 모듈(3)로부터 제어용 명령 신호를 수신하는 DBMS통신부(43);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 11항 또는 제 12항에 있어서,

상기 전력 및 신호처리부(45)는,

상기 PPD(46)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 DBMS통신부(43)로 전달하는 동기 샘플앤홀드(Synchronous Sample/Hold, SSH) 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 11항 또는 제 12항에 있어서,

상기 전력조절기(44)에서 출력되는 전력은,

크기가 0 ~ ±10 볼트이고, 주파수는 200Hz 이상이며, 펄스폭은 60 ~ 500μsec인 펄스파인 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 원격제어부(31)는,

상기 전달된 모니터링 신호가 충격파의 형태를 띄거나 급격하게 변동되는 경우에, 상기 송전부(32)를 제어하여 상기 DBMS 모듈(4) 측으로 전송되는 무선 전력을 증가시켜주는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 원격제어부(31)는,

실험을 통해 비정상적 신호 유형을 기록한 룩업 테이블을 이용하여, 상기 전달된 모니터링 신호가 룩업 테이블에 수록된 신호 유형에 해당하는 경우, 상기 송전부(32)를 제어하여 상기 DBMS 모듈(4) 측으로 전송되는 무선 전력을 증가시켜주는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 원격제어부(31)는,

상기 전달된 모니터링 신호에 따라 상기 DBMS 모듈(4) 측으로 모니터링 주기를 조절하기 위한 명령 신호를 상기 통신부(33)를 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 모자 모듈(3)은 상기 DBMS 모듈(4) 측으로 회전 자기장을 발생시키고,

상기 DBMS 모듈(4)은 상기 회전 자기장과 결합하여 자기 유도에 의해 발생하는 유도 전력을 이용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 모자 모듈(3)은 상기 DBMS 모듈(4) 측으로 마이크로파를 발신하고,

상기 DBMS 모듈(4)은 상기 마이크로파를 수신하여 직류 전력으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전력을 이용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 인체의 운동 및 감각 기능 조절용 신경-전자 인터페이스 장치.