KR20190031941A - 기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법 - Google Patents

기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190031941A
KR20190031941A KR1020170120231A KR20170120231A KR20190031941A KR 20190031941 A KR20190031941 A KR 20190031941A KR 1020170120231 A KR1020170120231 A KR 1020170120231A KR 20170120231 A KR20170120231 A KR 20170120231A KR 20190031941 A KR20190031941 A KR 20190031941A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
eeg
electric
stimulation system
intensity
Prior art date
Application number
KR1020170120231A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102050261B1 (ko
Inventor
유승현
차영주
박지호
황종석
김건
정도희
Original Assignee
연세대학교 원주산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 원주산학협력단 filed Critical 연세대학교 원주산학협력단
Priority to KR1020170120231A priority Critical patent/KR102050261B1/ko
Publication of KR20190031941A publication Critical patent/KR20190031941A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102050261B1 publication Critical patent/KR102050261B1/ko

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36003Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of motor muscles, e.g. for walking assistance
    • A61B5/0476
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369Electroencephalography [EEG]
    • A61B5/377Electroencephalography [EEG] using evoked responses
    • A61B5/383Somatosensory stimuli, e.g. electric stimulation
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02Details
    • A61N1/04Electrodes
    • A61N1/0404Electrodes for external use
    • A61N1/0408Use-related aspects
    • A61N1/0452Specially adapted for transcutaneous muscle stimulation [TMS]
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02Details
    • A61N1/04Electrodes
    • A61N1/0404Electrodes for external use
    • A61N1/0472Structure-related aspects
    • A61N1/0492Patch electrodes
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36014External stimulators, e.g. with patch electrodes
    • A61N1/3603Control systems
    • A61N1/36031Control systems using physiological parameters for adjustment

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Electrotherapy Devices (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

본 발명은, 뇌성 마비 환자 등 근육을 마음대로 움직이지 못하는 환자가 근육을 움직이기 위한 재활 훈련을 보조해 주기 위한 전기 자극 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은, 환자 근육의 운동점(motor point)에 전기 자극을 인가하기 위한 전극부; 상기 환자의 뇌파를 감지하기 위한 뇌파 감지 센서; 및 상기 감지되는 뇌파에 기초하여, 상기 인가되는 전기 자극을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는, 전기 자극 시스템에 관한 것이다.

Description

기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법{FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATION SYSTEM AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 말초 신경계의 자극을 통하여 근육 마비 환자의 재활을 도와주기 위한 시스템 및 그것의 제어 방법에 관한 것이다.
기능적 전기 자극(FES, functional electrical stimulation)은 마비된 근육에 적절한 강도의 전기 자극을 순차적으로 가하여 주어진 기능을 수행하도록 하는 치료 행위를 말한다. 다시 말해, 근육을 움직이게 하는 전기 자극을 주어 근육이 제 기능을 할 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 근육이 상부운동신경계와 단절된 뒤 나타나는 근위축을 방지하거나 지연시켜 근육의 기능이 퇴화하는 것을 막고, 근육이 가지는 본래의 운동 기능을 지속할 수 있도록 재교육하는 효과를 가진다. 전자의 경우를 좁은 의미의 기능적 전기 자극이라 하며, 후자의 경우를 신경근 전기 자극이라고 하며, 넓은 의미의 기능적 전기 자극은 두 가지를 모두 포함한다.
근수축의 조절은 상지 및 하지에 따라 다른 전기 자극 빈도로 조절한다. 일반적으로 저주파 자극이 이용되며 이는 근육의 피로를 최소화하고 지속적인 기능 수행을 가능하게 하기 때문이다. 자극 빈도 이외에도 자극의 진폭과 파동 지속시간으로 조절된다. 지속적인 전기 자극으로 조직 내로 이동하는 전하량이 증가하여 전기장이 넓어지고, 보다 많은 수의 운동 단위를 동원하여 근수축력을 강화할 수 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 근육 재활 훈련을 효과적으로 수행할 수 있는 재활 훈련 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 환자 근육의 운동점(motor point)에 전기 자극을 인가하기 위한 전극부; 상기 환자의 뇌파를 감지하기 위한 뇌파 감지 센서; 및 상기 감지되는 뇌파에 기초하여, 상기 인가되는 전기 자극을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는, 전기 자극 시스템를 제공한다.
본 발명에 따른 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본인의 의지대로 근육을 움직일 수 있도록 재활 훈련을 효과적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 재활 훈련자에게 훈련에 대한 피드백을 주어, 훈련에 집중을 효과적으로 할 수 있는 시스템을 제공한다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자극 시스템(1)의 블록도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전기 자극 시스템(1)이 환자의 신체에 적용된 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자극 시스템(1)의 제어 방법의 순서도를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, EEG 측정 장치(즉 뇌파 감지 센서)의 전극 부착 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 척수와 관련되는 재활 부위를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자극 시스템(1)의 블록도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전기 자극 시스템(1)이 환자의 신체에 적용된 상태를 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 전기 자극 시스템(1)은 사람과 같은 동물의 피부 위에 위치될 수 있는 전극부(10-1, 10-2)을 포함한다. 도 2에서, 전극부(10-1, 10-2)이 사용자의 팔의 피부 일부에 위치(접촉)된다. 그러나 전극부(10-1, 10-2)은 신체의 다른 부분에도 위치될 수 있고 특정 신체 부위의 형태에 적응된 형태를 가질 수 있을 것이다.
전극부(10-1, 10-2)은 도 1에 도시된 것처럼, 적어도 하나의 세트(10-1, 10-2)로 구비될 수 있다. 각 세트(10-1, 10-2)의 전극은, 도 1의 예에서와 같이 접지로 작용하는 대향 전극(counter electrode)을 포함한다. 예를 들어, 세트 전극(10-1, 10-2) 중 어느 하나의 자극 전극(A)을 통하여 자극할 때, 다른 하나의 전극(B)은 대향 전극 또는 접지로 작용할 수 있다.
전극부(10-1, 10-2)이 피부, 즉 피부 아래 근육 조직과 접촉하는 신체 조직과 전기적으로 접촉하도록 피부 상에 위치될 수 있다. 그리고 전극부(10-1, 10-2)과 상기 근육 조직의 접촉은 전기적일 것이고, 특히 전기적 신호를 전극부(10-1, 10-2)가 부착되는 피부 영역 아래의 근육 지역으로 수신 또는 전송 할 것이다. 특히, 전극부(10-1, 10-2)은 근육 조직을 자극하기 위해 근육 자극 신호의 형태로 피부를 통해 전류를 근육 조직에 주입할 수 있을 것이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 시스템(1)은 연결부(18)을 통해 전극부(10-1, 10-2)과 연결되는 작동 유닛(50)을 더 포함한다. 도 1의 예에서, 연결부(18)는 전선 연결이다. 그러나 연결부(18)는 무선 연결일 수 있다. 예를 들어, 전극부(10-1, 10-2)은 전지식(battery powered)이고 무선 송/수신부를 포함할 수 있다.
작동 유닛(50)은 전극부(50)에 의해 발생된 신호들을 수신하고 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이 전극부(10-1, 10-2)의 동작을 제어할 수 있다.
전극부(10-1, 10-2)은 유동적인, 바람직하게는 탄력성 있는 캐리어(carrier)의 표면상에 제공될 수 있다. 이것은 전극부가이 전극부(10-1, 10-2)이 위치된 신체 부위의 형태에 적응하도록 허용한다. 캐리어는 전극부(10-1, 10-2)을 연결부(18)를 통해 작동 유닛(50)에 연결하는 전기적 성분들을 구비할 수 있다.
예를 들어, 작동 유닛(50)은 하우징(housing)을 포함한다. 하우징의 내부에, 선택적 사용자 인터페이스(56)에 연결되고, 연결부(18)를 통해 전극부(10-1, 10-2)과 연결되는 제어 유닛(53)이 제공된다. 사용자 인터페이스(56)는 예를 들어, 시스템(1)의 사용자에게 정보를 출력하기 위한 출력 인터페이스를 형성하는 디스플레이 및 입력 인터페이스를 형성하는 제어 버튼들을 포함한다. 예를 들어, 사용자는 사용자 인터페이스(56)을 통해, 장치에 의해 수행되는 작동을 위한 의도된 세팅(setting)들과 같은 입력을 제어 유닛(53)에 제공할 수 있다.
이 예에서, 출력 인터페이스는 데이터를 시각적으로 출력하는 것을 허용하나, 데이터는 대안적으로 또는 추가적으로 오디오 또는 다른 적당한 방법으로 출력될 수 있다.
제어 유닛(53)은 도 1에 도시된 바와 같이, 각 세트(10-1, 10-2)에 서로 다른 자극을 배분해 줄 수 있는 전극 선택기(530)를 포함한다. 예를 들어서, 전극 선택기(530)는 제 1 세트 전극(10-1)에는 제 1 전기 자극을, 제 2 세트 전극(10-2)에는 제 2 전기 자극을 배분해 인가할 수 있다.
신호 발생기(531)는 전극 선택기(530)에 연결되어 있다. 작동시, 신호 발생기(531)는 전기적 근육 자극 신호를 활성화 패턴에 따라 전극 선택기(530)에 의해 선택된 세트 전극에 제공한다. 전기적 자극 신호가 전극부(10-1, 10-2)이 위치된 표면, 즉 피부로 전달된다. 그 다음 근육 조직이 수축할 수 있는 것에 대응하여, 전극 신호가 피부를 통해 근육 조직으로 관통한다. 그렇게 하여, 근육 조직의 모토 포인트(운동점, motor point)가 자극된다.
전류의 양 및 자극기간의 지속 시간과 같은, 자극의 매개 변수들 (parameters)의 값들은, 신호 발생기(531)의 메모리에 저장된 데이터에 기초하여 신호 발생기(531)에 의해 결정될 수 있다. 신호 발생기(531)는 자극을 위한 매개 변수들을 세팅하도록 적응되는 프로그램 가능한 마이크로프로세서(536)에 연결된다. 자극의 매개 변수들의 값들은 사용자 인터페이스(56)를 통해 사용자에 의해 결정될 수 있다.
마이크로프로세서(536)는 전극 선택기(530)에 연결되고, 활성화 패턴에 따라 자극 전극들을 선택하기 위해 전극 선택기(530)를 제어할 수 있다.
마이크로프로세서(536)는 예를 들어, 작동 시 전극부(10-1, 10-2)을 통하여 전기적 근육 자극 신호를 신체 조직에 제공하기 위한 방법의 단계들의 시퀀스가 이하 기술되는 바와 같이 수행되도록 마이크로프로세서(536)의 작동 순서를 제어하기 위한 타이머를 포함할 수 있다.
게다가 마이크로프로세서(536)는 예를 들어 이하에서 기술될 응답 신호들과 관련된 데이터 또는 자극 매개 변수들을 저장하기 위한 메모리(533)에 연결되고/되거나 메모리를 구비한다.
도 1의 예에서, 전극부(10-1, 10-2)은 두 개의 센서 전극(30)의 형태로 독립된 센서를 포함한다. 이 예에서, 센서 전극(30)은 전극부(10-1, 10-2)의 맞은 편 측면들 상에서 서로 평행하게 위치할 수 있다. 예를 들어, 센서 전극들은 예를 들어, 장방형의 스트립들(strips)을 형성하는 전극 패드들이다. 도 1의 예에서, 센서는 이극성 근전계(EMG) 센서이다.
센서는 근육 조직의 특성을 감지할 수 있으며, 이 특성은 상기 근육 조직의 활동을 위한 척도를 형성한다. 센서는 제어 유닛(53)에서 신호 처리 유닛(537)의 입력에 연결된, 센서 출력을 가진다. 센서 출력을 통해, 센서는 센서 신호를 신호 처리 유닛(537)에 제공할 수 있다. 신호 처리 유닛(537)은 센서 신호로부터 활동을 위한 기준값을 결정할 수 있다, 즉 센서에 의해 감지된 신호를 측정하고 프로세서 출력을 통해 값을 마이크로프로세서(536)로 출력할 수 있다.
예를 들어, 마이크로프로세서(536)는 신호 처리 유닛(537)에 의해 결정된 값에 기초하여 근육 조직의 매개 변수를 결정할 수 있고 사용자 인터페이스(56)에서 사용자 지각가능 형상으로 이 값을 출력할 수 있다.
센서(30)의 다른 예시로는 단일 센서 전극 형태로 구비될 수 있음은 자명하다.
본 발명의 일실시예에서 센서(30)는, 뇌파(혹은 뇌전도, EEG, Electroencephalogram) 감지 센서를 더 포함할 수 있다.
EEG(electroencephalogram)는 대뇌피질내의 신경세포의 전기적 활동을 두피에 부착한 전극을 통하여 기록한 것으로, 뇌파는 1∼50 Hz의 주파수와 약 10∼200μV의 진폭을 가지며 1929년 독일의 생리학자 한스 베르거(Hans Berger)에 의해 처음으로 시도되었다. 이 전기적 활동성은 후에 EEG라 명명하였고, EEG가 실험자의 정신적 상태에 따라 변한다는 것을 보였다.
신체 일부를 움직일 때 나타나는 뇌파의 변화가 움직임을 상상하는 것만으로도 비슷하게 나타난다는 것에 기초하며 감각운동리듬(Sensorimotor Rhythms, SMR) 혹은 움직임 상상(Motor Imagery)이라고도 불린다. 주로 뇌 피질 상에서 관장하는 영역이 비교적 멀리 있는 왼손, 오른손, 발 혹은 혀의 움직임 상상을 사용한다.
이하에서는 재활 운동 시, 훈련자의 능동적인 재활 참여를 유도할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface; 이하에서는 BCI라고 호칭함)에 대해서 설명한다.
인간이 어떤 일에 대해 생각을 하거나 행동을 할 때, 뇌 속에 있는 시냅스(synapse)에서는 신경전달물질을 이용해 정보를 전달하게 되고. 이때 뉴런 간에 생기는 전위차에 의해 전류가 발생하게 되는데, 상기 전류를 두피에 부착한 전극을 통하여 측정한 것이 뇌파(brainwaves) 또는 상술한 EEG 신호이다. BCI 기술은 이런 뇌파를 이용해서 인간의 생각이나 의지를 언어나 신체의 다른 동작을 거치지 않고 시스템에 직접 전달할 수 있는 기술이다.
BCI 기술은 신체적 결함이나 장애로 인해, 자신의 의사를 표현, 전달할 수 없는 사람들에게 새로운 의사소통 수단을 제공할 수 있다는 점에 큰 의의를 가지고 있으며, 이러한 기술적 이점을 이용해서 신체 장애인을 위한 의료용 보조 기구부터 뇌파를 이용한 새로운 인터페이스의 게임, 가정 자동화를 위한 전자제품 그리고, 학습 보조기구에 이르기까지 많은 응용분야에 사용될 수 있다.
본 발명에서는, 이러한 BCI 기술을 활용하여, 훈련자가 실제 근육을 움직이려고 노력하는지 여부를 판단하고 이러한 판단에 기초하여 능동적인 참여를 유도할 수 있는 환경을 제공한다.
시각적 자극으로 왼손이나 오른손 움직임을 상상하는 동안 피험자의 μ 리듬 영역에서는 활동이 쇠약해지거나 차단되는 현상 혹은 억제되는 현상이 나타나며, 이러한 현상을 ERD(Event-Related desynchronization)라고 한다. 주로 μ 리듬과 β 리듬 영역 중 국소적으로 β 에서 발생하게 된다. ERS는 ERD와 상반된 특징을 가지고 있으며 EEG의 진폭이 증가하게 되는 현상을 말한다.
STFT(Short-Time Fourier Transform)은 시간-주파수 해석을 위한 가장 간단한 방법으로 짧게 쪼개진 시간 영역에서 원하는 부분에 대한 푸리에 변환을 수행하고 기간 축을 기준 삼아 주파수 분포를 도시해 나가는 방법이다. STFT를 통해 주파수 영역의 해석과 시간 영역의 해석을 표현할 수 있다.
본 발명에서는 상기 센서(30)를 통하여 추가적으로 뇌파를 실시간으로 감지(센서(30)는 뇌파 감지 센서를 더 포함할 수 있음)하고, 이렇게 감지된 뇌파에 기초하여 훈련자가 능동적으로 훈련에 참여하고 있는지 여부(이하 능동참여인지)를 분석하여 운동점에 인가되는 전기 자극을 제어하도록 제안하는 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자극 시스템(1)의 제어 방법의 순서도를 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 사용자 능동참여인지 분석 방법은 뇌파 획득 단계(S301), 필터링 적용 단계(S302), STFT 적용 단계(S303)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 사용자 능동참여인지 분석 방법은 이하에서 설명하게 될 사용자 능동참여인지 분석 장치에 의해 각각의 단계가 수행될 수 있다.
먼저, 뇌파 획득 단계(S301)에서 마이크로프로세서(536)는 뇌파 감지 센서, 구체적으로 EEG 측정 장치(예컨대, Emotiv사의 EPOC 장치)로부터 실제 측정된 로우 EEG 신호(raw EEG signal)를 획득할 수 있다. 이어서 마이크로프로세서(536)는 획득한 뇌파 데이터에서 노이즈를 제거하거나 미약한 뇌파 데이터를 증폭함으로써 뇌파 데이터에 대한 전처리 과정을 수행할 수 있다.
본 실시예에서는 128SPS(2048㎐)의 샘플링 레이트(sampling rate)를 가지는 14채널의 전극을 10-20 전극 위치법에 따라 사용자에게 부착하여 사용자의 실제 뇌파 데이터를 획득할 수 있다. 필요 이상의 샘플링 레이트는 처리할 데이터의 비대화를 초래하여 처리 속도 저하의 문제가 발생하며 실시간 구동에 있어서 많은 제약 사항으로 작용될 수 있다. 이에, 본 실시예에서는 뇌파 분석에 필요한 최소 필요 샘플링 수인 128SPS가 바람직하며, 이에 한정되는 것은 아니고 뇌파계에서 정의하기에 따라서 일정 범위(128±αSPS) 내에서 얼마든지 변경 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, EEG 측정 장치(즉 뇌파 감지 센서)의 전극 부착 위치를 설명하기 위한 도면이다. 사용자의 두뇌에 전극을 부착하여 뇌파 데이터를 측정하게 되며, 이때 뇌파를 측정하기 위한 전극 부착 위치는 도 4에 도시한 바와 같이 국제 표준법인 10-20 전극 시스템에 의거하여 두피의 19개 전극 (Fp1, Fp2, F7, F8, F3, F4, Fz, T3, T4, C3, C4, Cz, T5, T6, P3, P4, Pz, O1, O2) 및 추가적으로 Fpz, Oz 2개의 전극을 선택적으로 결정할 수 있다.
다시 도 3에서, 필터링 적용 단계(S302)에서 마이크로프로세서(536)는 획득한 뇌파 데이터에서 뮤리듬(μ) 영역인 8-30㎐ 영역을 분류할 수 있다. 이때, 사용자 능동참여인지 분석하기 위하여 마이크로프로세서(536)은 DNF(digital notch filter) 또는 BPF(band pass filter)를 이용하여 필요한 영역을 분류할 수 있다. 뇌파에서의 운동 감각에 따른 특징은 주로 8-30㎐의 주파수 영역에서 나타나기 때문이다.
STFT 적용 단계(S303)에서 마이크로프로세서(536)는 8-30㎐ 영역의 뇌파 데이터를 짧게 쪼개진 시간 영역에 대한 푸리에 변환을 수행할 수 있다.
즉, 마이크로프로세서(536)는 훈련자의 능동참여인지를 분석하기 위하여 전처리된 뇌파 데이터를 기 설정된 알고리즘에 입력하여 주파수 신호로 변환하고, 변환된 주파수 영역에 따라 원하는 부분의 뇌파를 분류할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로프로세서(536)는 상기 S301 단계 ~ S303 단계의 뇌파에 기초하여 전기 자극을 제어할 수 있다.
즉, 훈련자는 팔을 움직이기 위하여 집중을 하게 되면, 그에 맞는 뇌파가 더 강하게 발생되고, 발생되는 뇌파에 맞도록 전기 자극이 더 강하게 인가될 것이다.
한편, 전기 자극을 제어하는데 활용하기 위한 뇌파는, 상기 분류된 뇌파 중에서 특정 부분과 연관되는 뇌파만일 수 있다. 예를 들어서, 뇌성마비 환자의 팔이 구부러진 상태로 유지되는 것을 피기 위한 재활훈련에 적용한다고 하였을 때, 팔에 대한 운동점과 연관되는 뇌파를 이용하여 전기 자극을 제어할 수 있을 것이다.
우선, 뇌파가 감지되기 전에, 작은 세기의 전기 자극만이 인가될 수 있다. 즉 상기 마이크로프로세서는, 상기 뇌파 감지 여부에 관계 없이 제 1 세기의 전기 자극을 인가하도록 상기 전극부(10-1, 10-2)를 제어하다가, 상기 감지되는 뇌파가 소정 기준 이상일 경우, 상기 제 1 세기의 전기 자극을 제 2 세기로 상향 조정하여, 재활 훈련자의 재활 훈련을 더욱 촉진할 수 있을 것이다.
즉, 재활 훈련자는, 팔을 움직이기 위하여 팔의 근육에 집중을 할 경우, 생성된 뇌파에 의해서 전기 자극이 더 세지게 되므로 재활 훈련에 집중하는 것이 가능해 진다.
특히, 본 발명에서는 보다 효과적인 재활 훈련을 위하여 상기 제 2 세기는, 상기 감지되는 뇌파의 세기에 비례하도록 제안한다. 즉, 훈련자가 더 강하게 생각할 수록, 더 센 전기 자극이 인가될 수 있는 것이다.
훈련자가 실제로 팔을 움직이려고 노력하기 위하여 집중(상상)을 하는 경우, 뇌파 활성도가 높아지게 된다. 이때 뇌파 활성도의 지표는 소정 주기 동안 발생된 뇌파의 평균으로 구해질 수도 있지만, 아래 수학식 1에 의해서 계산된 ERS(event-related synchronization)에 기초하여 구해질 수도 있을 것이다.
여기서, P는 파워를 나타내고, j는 시간을 나타내고, fk는 주파수를 나타내며, 
Figure pat00001
는 fk 주파수에서의 r0에서 r0+m 시간의 평균 파워를 나타낸다.
Figure pat00002
더 나아가, 본 발명에서의 일실시예에서는, 제 1 세트 전극(10-1)과 제 2 세트 전극(10-2)에 서로 다른 전기 자극을 주도록 제안한다.
뇌성 마비 환자는, 평상시에 팔을 안으로 굽는 근육에는 지나치게 많은 힘(주동근, spastic agonist)이 작용되고 있으며, 팔을 바깥쪽으로 피는 근육(길항근, antagonist)은 거의 작용하지 않는다. 그렇기 때문에, 주동근은 항상 발달되어 있으나 길항근은 퇴화한다.
본 발명에서는, 주동근에 제 1 세트 전극(10-1)을 배치하여, 근육에 힘을 풀어주기 위한(즉, 힘을 뺄 수 있는) 제 1 자극을 주고, 길항근에는 제 2 세트 전극(10-2)을 배치하여, 근육에 힘을 주기 위한 제 2 자극을 주도록 제안한다.
이를 위하여, 전극 선택기(530)는, 제 1 및 제 2 세트 전극(10-1, 10-2)에 서로 다른 자극을 주도록 전기 자극을 선택하여 각 세트 전극에 전달할 수 있다.
더 나아가 본 발명에서는, 근육에 힘을 뺄 수 있는 제 1 자극과, 근육에 힘을 주기 위한 제 2 자극의 구체적인 스펙(specification)에 대해서 더 제안한다.
제 1 자극의 스펙은 다음 표 1과 같다. 제 1 및 제 2 자극은, 구형파(squar wave) 또는 정현파(sinusoidal)로 인가될 수 있다.
케리어 주파수 0.5 Hz
인가 방식 연속적
진폭 서서히 증가
인가 시간 7 ~ 15 분
제 2 자극의 스펙은 다음 표 2와 같다.
케리어 주파수 2500 Hz
인가 방식 12초 인가
18초 휴식
진폭 서서히 증가
인가 시간 10 분
이와 같이, 마이크로프로세서(536)는 전극 선택기(530)를 통하여 제 1 및 제 2 전극에 상술한 제 1 및 제 2 자극을 서로 달리 인가시킬 수 있으며, 주동근에 대해서는 근육의 릴렉스를 유도하고, 길항근에 대해서는 근육에 힘을 주도록 유도할 수 있을 것이다.
더 나아가, 이와 같은 실시예는 상술한 뇌파 감지 실시예와 융합될 수도 있을 것이다. 즉, 제 1 및/또는 제 2 자극의 세기는, 감지되는 뇌파의 세기에 기초하여 달라지도록 제어될 수 있을 것이다. 특히, 본 발명의 일실시예에서는, 주동근의 세기인 제 1 자극의 세기는 일정하게 유지시키되, 길항근의 세기인 제 2 자극의 세기만을 변화시키도록 제안한다. 왜냐하면, 주동근에 인가되는 제 1 자극은, 주동근의 근육을 풀어주기 위한 자극일뿐, 움직이기 위한 자극이 아니기 때문이다.
즉, 상술한 S304단계에서 마이크로프로세서(536)는, 길항근에 작용하는 제 2 자극의 세기만을 제어할 수 있다. 제 1 자극의 세기는, 뇌파에 무관하게 일정하게 인가될 수 있을 것이다.
상술하는 실시예에서는, 재활 훈련자에게 인가되는 자극으로, 근육의 운동점(motor point)에 인가되는 전기자극만을 설명하였다. 더 나아가, 본 발명에서는 뇌에 직접적으로도 자극하여 말초신경을 자극하는 운동점 자극과 함께, 두뇌에 직접적으로 자극(rTMS, Repetitive transcranial magnetic stimulation)하거나, 척수에 자극을 가하도록 제안한다. 이를 위하여, 상기 전극부와는 별도로, 두뇌를 자극하기 위한 두뇌 자극부(미도시)가 더 구비거나, 척수 자극부(미도시)가 더 구비될 수 있을 것이다.
뒤뇌에 직접 자기적인 자극을 주기 위한 시술로, 경두개자기자극술(일명 rTMS)을 예로 들 수 있으나, 반드시 이러한 자극에 한정되는 것은 아닐 것이다.
즉, 실시예에서 S304 단계의 자극의 제어 시, 제어되는 자극의 종류로 두뇌 자극이 추가적으로 이루어질 수 있는 것이다. 더 나아가, 두뇌를 자극할 때 자극이 이루어지는 구체적인 부위는 상기 재활 훈련과 관련되는 부위일 수 있을 것이다.
더 나아가, 상기 두뇌 자극과 함께 또는 개별적으로 척수에 자극이 가해질 수도 있을 것이다. 척수에 자극이 가해지는 부위 역시, 재활 훈련에 관련된 부위가 자극될 수 있을 것이다. 이러한 자극 부위에 대해서 도 5 및 관련된 설명을 참조하여 구체적으로 살펴본다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 척수와 관련되는 재활 부위를 설명하는 도면이다. 근력약화와 관련된 해당 요추신경의 근절(또는 근분절, myotome) 모식도를 나타낸다. 척수 레벨에 따라서 운동을 지배하는 곳이 정해져 있고 이를 근절이라고 한다.
예를 들어, C5 척수레벨 손상이면 Biceps(bends elbows, elbow flexor) 까지 사용할 수 있다는 것을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 일실시예에서는 C5 척수레벨 손상 환자의 경우 C6에 해당하는 Deltoids, Extensor Carpii(bends wrists back, wrist extensor)를 잘 못쓸 가능성이 높음으로 C6레벨에 맞는 신경을 자극 할 수 있을 것이다.
즉 본 발명의 일실시예에서는, 상술한 재활 훈련 시 운동점의 전기 자극과 함께 대응되는 부분의 척수의 말초신경(또는 중추신경까지)에도 자극을 가하여, 효과적인 재활이 되도록 제안하는 것이다.
이와 같이, 마이크로프로세서(536)는, 상기 S304 단계에서 감지되는 뇌파에 기초하여 상기 두뇌 자극부 및/또는 척수 자극부를 제어하여 직접적으로 두뇌나 척수의 특정 부위를 자극하여 재활 훈련을 보조시킬 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명에 따른 전기 자극 시스템의 실시예를 설시하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정/제한되지는 아니하는 것이다. 또한 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.

Claims (14)

  1. 환자 근육의 운동점(motor point)에 전기 자극을 인가하기 위한 전극부;
    상기 환자의 뇌파를 감지하기 위한 뇌파 감지 센서; 및
    상기 감지되는 뇌파에 기초하여, 상기 인가되는 전기 자극을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는,
    전기 자극 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는,
    상기 감지되는 뇌파에 기초하여 상기 인가되는 전기 자극의 세기를 제어하는,
    전기 자극 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 뇌파 감지 센서는, 상기 전기 자극을 인가하는 운동점과 연관되는 뇌파를 감지하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는, 상기 뇌파 감지 여부에 관계 없이 제 1 세기의 전기 자극을 인가하도록 상기 전극부를 제어하다가,
    상기 감지되는 뇌파가 소정 기준 이상일 경우, 상기 제 1 세기의 전기 자극을 제 2 세기로 상향 조정하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 세기는, 상기 감지되는 뇌파의 세기에 비례하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는, 복수 개의 전극 세트를 포함하고,
    상기 전극 세트는, 전기 자극이 인가되는 자극 전극 및 상기 자극 전극에 대향하는 대향 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 세트에 서로 다른 자극을 입력하기 위한 전극 선택기를 더 포함하는,
    전기 자극 시스템.
  8. 전극부를 통해 환자 근육의 운동점(motor point)에 전기 자극을 인가하는 단계;
    상기 환자의 뇌파를 감지하는 단계; 및
    상기 감지되는 뇌파에 기초하여, 상기 인가되는 전기 자극을 제어하는 단계를 포함하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 감지되는 뇌파에 기초하여 상기 인가되는 전기 자극의 세기를 제어하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 감지하는 단계는, 상기 전기 자극을 인가하는 운동점과 연관되는 뇌파를 감지하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는, 상기 뇌파 감지 여부에 관계 없이 제 1 세기의 전기 자극을 인가하도록 상기 전극부를 제어하다가,
    상기 감지되는 뇌파가 소정 기준 이상일 경우, 상기 제 1 세기의 전기 자극을 제 2 세기로 상향 조정하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 세기는, 상기 감지되는 뇌파의 세기에 비례하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극부는, 복수 개의 전극 세트를 포함하고,
    상기 전극 세트는, 전기 자극이 인가되는 자극 전극 및 상기 자극 전극에 대향하는 대향 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 세트에 서로 다른 자극을 입력하기 위한 전극 선택기를 더 포함하는,
    전기 자극 시스템의 제어 방법.
KR1020170120231A 2017-09-19 2017-09-19 기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법 KR102050261B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170120231A KR102050261B1 (ko) 2017-09-19 2017-09-19 기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170120231A KR102050261B1 (ko) 2017-09-19 2017-09-19 기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190031941A true KR20190031941A (ko) 2019-03-27
KR102050261B1 KR102050261B1 (ko) 2019-11-29

Family

ID=65906639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170120231A KR102050261B1 (ko) 2017-09-19 2017-09-19 기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102050261B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200129205A (ko) * 2019-05-07 2020-11-18 한국전자통신연구원 자극 신호를 방사하고 생체 신호를 수신하기 위한 픽셀 회로 및 이를 포함하는 전자 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090031860A (ko) * 2006-06-01 2009-03-30 비엠알 리서치 앤드 디벨럽먼트 리미티드 스마트한 의복 기술
KR20120042252A (ko) * 2010-10-25 2012-05-03 연세대학교 산학협력단 안정상태 시각유발전위 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템
KR20140091381A (ko) * 2013-01-11 2014-07-21 재단법인대구경북과학기술원 뇌신호와 기능적 전기자극을 결합한 자기주도형 재활 훈련 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090031860A (ko) * 2006-06-01 2009-03-30 비엠알 리서치 앤드 디벨럽먼트 리미티드 스마트한 의복 기술
KR20120042252A (ko) * 2010-10-25 2012-05-03 연세대학교 산학협력단 안정상태 시각유발전위 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템
KR20140091381A (ko) * 2013-01-11 2014-07-21 재단법인대구경북과학기술원 뇌신호와 기능적 전기자극을 결합한 자기주도형 재활 훈련 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200129205A (ko) * 2019-05-07 2020-11-18 한국전자통신연구원 자극 신호를 방사하고 생체 신호를 수신하기 위한 픽셀 회로 및 이를 포함하는 전자 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR102050261B1 (ko) 2019-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11883645B2 (en) Neurostimulation or electromyography cuff
EP3954430B1 (en) Non-invasive motor impairment rehabilitation system
EP3906090B1 (en) Motor function neural control interface for spinal cord injury patients
Darling et al. Variability of motor potentials evoked by transcranial magnetic stimulation depends on muscle activation
Dideriksen et al. Electrical stimulation of afferent pathways for the suppression of pathological tremor
KR101229244B1 (ko) 안정상태 시각유발전위 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템
Müller-Putz et al. A single-switch BCI based on passive and imagined movements: toward restoring communication in minimally conscious patients
US20140336722A1 (en) Method and neuroprosthetic device for monitoring and suppression of pathological tremors through neurostimulation of the afferent pathways
Insausti-Delgado et al. Intensity and dose of neuromuscular electrical stimulation influence sensorimotor cortical excitability
KR102027398B1 (ko) 방향성 자극을 인가하는 웨어러블 타입의 근육 자극 장치 및 그것의 제어 방법
KR101566788B1 (ko) 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기
KR20140061170A (ko) 재활 훈련 시스템 및 방법
Qiu et al. A stimulus artifact removal technique for SEMG signal processing during functional electrical stimulation
Carson et al. Electromyographic activity, H-reflex modulation and corticospinal input to forearm motoneurones during active and passive rhythmic movements
Kato et al. Effects of neuromuscular electrical stimulation and voluntary commands on the spinal reflex excitability of remote limb muscles
Hamilton et al. Electrical nerve stimulation modulates motor unit activity in contralateral biceps brachii during steady isometric contractions
Insausti-Delgado et al. Non-invasive brain-spine interface: continuous control of trans-spinal magnetic stimulation using EEG
Kaneko et al. Cortical motor neuron excitability during cutaneous silent period
Choi et al. A hybrid BCI-controlled FES system for hand-wrist motor function
Knikou et al. Corticospinal excitability during walking in humans with absent and partial body weight support
KR102050261B1 (ko) 기능적 전기 자극 시스템 및 그것의 제어 방법
Osama et al. Emotiv EPOC+ fed electrical muscle stimulation system; an inexpensive brain-computer interface for rehabilitation of neuro-muscular disorders
Takahashi et al. Fundamental research about electroencephalogram (EEG)-functional electrical stimulation (FES) rehabilitation system
Insausti-Delgado et al. Non-invasive brain-spine interface: continuous brain control of trans-spinal magnetic stimulation using EEG
Dutta et al. Translational methods for non-invasive electrical stimulation to facilitate gait rehabilitation following stroke-the future directions

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant