KR101655152B1 - 펄스 개수 변조를 이용한 전기 자극 방법 및 장치 - Google Patents

펄스 개수 변조를 이용한 전기 자극 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 전기 자극 방법은, 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 단계; 상기 외부자극의 세기에 기초하여, 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계; 및 결정된 상기 개수의 상기 단위 자극 펄스를 자극인가주기 내에서 발생시키는 단계;를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 자극 펄스의 진폭이 일정하고 이웃하는 펄스 사이의 시간간격이 일정한 자극 펄스를 발생시킴으로써 공간적 해상도가 높고 자극대상의 자극에 대한 민감도가 균일한 선형적 전기 자극 방법을 구현할 수 있다.

Description

펄스 개수 변조를 이용한 전기 자극 방법 및 장치{Apparatus and Method for Electrical Stimulation using Pulse Count Modulation}
실시예들은 전기 자극 방법 및 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 펄스의 개수를 변조함으로써 전기 자극을 조절하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
신경 자극 장치, 예를 들면, 인공 망막 장치는 시각 정보를 두뇌에 전달하기 위해서 망막의 시신경을 전기적으로 자극하며, 이를 위해 외부에서 감지된 빛의 세기에 비례하는 전기 자극을 생성한다.
망막 시신경을 자극하기 위한 전기 자극의 세기를 조절하기 위해서는 시신경에 주입하는 전하량을 변조해야 한다. 이를 위해 자극 전류 펄스의 진폭을 변조하는 방식인 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation) (PAM) 방식이 일반적으로 사용된다. 그러나 PAM 방식은 빛의 세기가 증가함에 따라 자극 전류 펄스의 진폭이 증가하기 때문에, 자극이 공간적으로 넓게 퍼져 망막 시신경 자극의 공간적 해상도가 감소하는 문제가 발생한다. 이는 두뇌로 전달하고자 하는 이미지의 훼손을 유발한다.
이러한 문제를 개선하기 위해 자극 전류의 주파수를 변조시키는 방식인 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation) (PFM) 방식이 대안으로 제시되었다. 그러나, PFM 방식은 목표 주입 전하량에 따라 자극 전류 펄스의 발생 주파수가 변조되어 자극 전류 펄스 사이의 시간간격이 변화하기 때문에, 망막 시신경의 전기 자극에 대한 반응 민감도가 매 자극 마다 변화하게 된다. 이에 따라, 자극 전류의 주파수에 비례하는 신경 자극을 구현하는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.
KR 10-2011-0090703 A
본 발명의 일 측면에 따르면, 자극 펄스의 진폭 및 자극 펄스 사이의 시간간격이 일정한 자극 전류 펄스를 발생시키는 전기 자극 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 전기 자극 방법은 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 단계; 상기 외부자극의 세기에 기초하여, 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계; 및 결정된 상기 개수의 단위 자극 펄스를 자극인가주기 내에서 발생시키는 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호는 아날로그 신호이며, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계는, 상기 단위 자극 펄스의 개수가 상기 외부자극의 세기에 비례하도록 상기 단위 자극 펄스의 개수를 결정한다.
일 실시예에서, 상기 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계는, 상기 외부자극의 세기에 기초하여 적어도 하나의 상기 단위 자극 펄스를 발생시킬 자극시간을 결정하는 단계를 포함하며, 상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계는 상기 자극인가주기 내에서 상기 자극시간 동안 결정된 개수의 상기 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 자극시간을 결정하는 단계는, 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호를 생성하는 단계 및 상기 외부자극의 세기에 기초하여 상기 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격을 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계는, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 각 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격이 결정된 상기 시간간격과 동일하도록 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 단계를 더 포함하며 상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계는, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 동일한 진폭을 갖는 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 단계는 상기 진폭을 전기 자극의 공간적 퍼짐을 줄일 수 있는 충분히 낮은 값으로 결정한다.
일 실시예에서, 상기 외부자극은 빛 또는 소리이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치는 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 신호수신부; 상기 신호수신부와 전기적으로 연결되어, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호에 기초하여 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 펄스 개수 결정부; 및 상기 펄스 개수 결정부와 전기적으로 연결되어, 결정된 개수의 상기 단위 자극 펄스를 자극인가주기 내에서 발생시키는 펄스 발생부;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호는 아날로그 신호이며, 상기 신호수신부는, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 펄스 개수 결정부는 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호에 기초하여 적어도 하나의 상기 단위 자극 펄스를 발생시킬 자극시간을 결정하는 자극시간 결정부를 포함하고, 상기 펄스 발생부는 상기 자극인가주기 내에서 상기 자극시간 동안 결정된 개수의 상기 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 자극시간 결정부는, 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호를 생성하는 자극시간신호 생성부; 상기 신호수신부와 전기적으로 연결되어 상기 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하기 위한 신호를 저장하는 자극시간 선택신호 저장부; 및 상기 자극시간신호 생성부 및 상기 자극시간 선택신호 저장부와 전기적으로 연결되어 상기 자극시간 선택신호에 따라 상기 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 자극시간신호 선택부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 자극시간 선택신호 저장부는 플립플롭(flip-flop)을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 자극시간신호 선택부는 멀티플렉서(mux)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 펄스 발생부는 하나의 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격을 결정하는 시간간격 결정부를 포함하며, 상기 펄스 발생부는 복수의 자극인가주기에 걸쳐 각 자극인가주기내의 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격이 상기 시간간격 결정부에서 결정된 시간간격과 동일하도록 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 펄스 발생부는 상기 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 진폭 결정부를 포함하며, 상기 펄스 발생부는 복수의 자극인가주기에 걸쳐 동일한 진폭을 갖는 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 외부자극은 빛 또는 소리이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기 자극 방법 또는 장치에 의하면, 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation; PAM)의 자극 전류 진폭 상승으로 인한 공간적 자극 해상도의 저하 및 이에 따른 이미지 왜곡 문제를 해결할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 측면에 따른 전기 자극 방법 또는 장치는, 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation; PFM)와 달리 선형적인 전기 자극 구현이 가능하다. 즉, 전기 자극에 대한 자극대상의 민감도를 균일하게 유지함으로써 단위 자극 펄스의 개수에 비례하는 자극 세기 조절이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법과 종래의 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation; PAM) 또는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation; PFM)를 이용한 전기 자극 기법을 비교하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 발생하는 자극 펄스의 형태를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 자극시간 결정부의 내부 구조를 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치의 개략적인 내부 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치에 포함된 자극기 픽셀 회로의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치에 포함된 자극기 픽셀 회로의 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법에서 발생하는 자극시간신호 및 자극 전류 펄스를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법 및 종래의 전기 자극 방법들을 이용하여 쥐의 망막 시신경을 자극하였을 때 유발되는 신경 반응의 공간적 분포를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법 및 종래의 펄스 진폭 변조(PAM)를 이용한 전기 자극 방법에 있어서 주입된 전하량에 따른 해상도 팩터(factor)를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법의 순서도이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치의 블록도이다. 도 1을 참고하면, 전기 자극 장치(100)는 신호수신부(110), 펄스 개수 결정부(120) 및 펄스 발생부(130)를 포함할 수 있다.
외부자극의 세기에 따라 자극인가주기 내의 단위 자극 펄스의 개수를 조절함으로써 주입 전하량을 조절할 수 있으며, 전하량을 펄스의 개수로 조절하기 때문에 펄스의 진폭 및 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격을 복수의 자극인가주기에 걸쳐 일정하게 유지할 수 있게 된다. 이에 따라, 자극의 공간적 해상도를 상승시키는 동시에 전기 자극에 대한 신경의 반응 민감도를 일정하게 유지하면서 자극의 세기를 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 개수 변조(Pulse Count Modulation; PCM)를 이용하는 전기 자극 방법과 종래의 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation; PAM) 또는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation; PFM)를 이용한 전기 자극 기법을 비교하기 위한 개념도이다.
종래의 전기 자극 방법은 PAM 신호(S2) 또는 PFM 신호(S3)와 같은 전류 펄스를 발생시킴으로써 주입하는 전하량을 조절할 수 있다. 제1자극인가주기(P1), 제2자극인가주기(P2) 및 제3자극인가주기(P3)에서 주입하고자 하는 전하량이 각각 Q, 0.5Q, 2Q [C]로 표현될 경우, PAM 신호(S2)의 제1자극인가주기(P1), 제2자극인가주기(P2) 및 제3자극인가주기(P3)에서의 단위 자극 펄스의 진폭은 각각 A, 0.5A, 2A 로 표현된다. 또한, PFM 신호(S3)의 경우는 제1자극인가주기(P1), 제2자극인가주기(P2) 및 제3자극인가주기(P3)에서의 단위 자극 펄스의 주파수가 각각 f, 0.5f, 2f 로 표현된다. 복수의 자극인가주기(P1, P2, P3)는 미리 설정된 지속시간을 동일하게 가질 수 있으며, 예를 들면 시신경을 자극할 경우 이전 주기의 잔상이 남지 않는 정도의 값으로 결정된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법에서 자극 펄스로서 발생되는 PCM 신호(S1)는 각각의 자극인가주기(P1, P2, P3) 내의 펄스의 개수가 외부자극의 세기에 따라 조절된다. 즉, 각 자극인가주기에서는 단위 자극 펄스의 개수에 따라 해당 주기 내에서 주입되는 전하량이 결정된다. 예를 들어, 제1자극인가주기(P1)에서 4개의 단위 자극 펄스가 발생되었을 때 주입되는 전하량을 Q 라고 하면, 2개의 단위 자극 펄스가 발생하는 제2자극인가주기(P2)에서 주입되는 전하량은 0.5Q, 8개의 단위 자극 펄스가 발생하는 제3자극인가주기(P3)에서 주입되는 전하량은 2Q 로 표현된다. 전하량은 외부자극의 세기에 비례하여 주입되므로, 하나의 자극인가주기에서 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수는 외부자극의 세기에 비례하여 결정할 수 있다.
PCM 신호(S1)는 PAM 신호(S2)와 달리, 서로 다른 자극인가주기에서도 단위 자극 펄스의 진폭이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 또한, PFM 신호(S3)는 자극인가주기가 바뀌면 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격도 변하는 반면, PCM 신호(S1)는 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격(td)이 서로 다른 자극인가주기에서도 동일하게 유지된다.
본 발명의 실시예들에 따른 전기 자극 방법은 적어도 세 가지의 형태로 자극 펄스 트레인(train)을 발생시킬 수 있다. 도 3은 실시예들에서 발생하는 자극 펄스 트레인의 형태를 나타낸다. 도 3을 참고하면, 자극 펄스 트레인은 연속된 2상(biphasic) 단위 자극 펄스로 이루어진 펄스 트레인(S4), 연속된 단상(monophasic) 펄스 트레인(S5) 및 연속된 단상 펄스를 이용한 2상 자극 펄스 트레인(S6) 중 어느 하나일 수 있다. 제4자극인가주기(P4)에서 주입되는 전하량을 Q'라고 할 때, 세 개의 펄스 트레인(S4, S5, S6) 중 어느 것을 이용하더라도 제5자극인가주기(P5) 및 제6자극인가주기(P6)에서 주입되는 전하량은 각 자극인가주기 내의 펄스의 개수로 조절되며, 각각 0.5Q', 2Q'로 표현된다.
다시 도 1을 참고하면, 신호수신부(110)는 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신한다. 외부자극은 감각기관으로 감지할 수 있는 자극을 의미하며, 예를 들면 빛 또는 소리 등일 수 있다.
외부자극의 세기를 나타내는 신호는 전기 자극 장치의 외부장치로부터 수신될 수 있다. 이때 외부장치는 외부자극(예를 들면, 광신호)을 전기적 신호로 변환하는 장치로서 카메라, 녹음기 등일 수 있다. 다른 실시예에서는 전기 자극 장치 내에서 외부자극을 감지하여 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 생성할 수도 있다. 전기 자극 장치의 내부에서 외부자극을 감지하는 경우, 전기 자극 장치는 외부자극 감지부(예를 들면, 광감지부) 및 감지된 외부자극을 전기적 신호로 변환하는 신호변환부를 포함할 수 있다.
신호수신부(110)는 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 외부자극의 세기를 나타내는 신호가 아날로그 신호로 수신될 경우, 신호수신부(110)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter; ADC)를 더 포함한다.
펄스 개수 결정부(120)는 신호수신부(110)와 전기적으로 연결되며, 외부자극의 세기를 나타내는 신호에 기초하여 하나의 자극인가주기 내에서 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정한다.
도 4를 참고하여 일 실시예에 따른 펄스 개수 결정부의 구조 및 연결관계를 설명한다. 도 4를 참고하면, 펄스 개수 결정부는 자극시간 결정부(420)를 포함할 수 있으며, 자극시간 결정부(420)는 신호수신부(110)와 전기적으로 연결되어 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 입력받고, 외부자극의 세기에 따라 하나의 자극인가주기 내에서 적어도 하나의 단위 자극 펄스를 발생시키는 시간인 자극시간을 결정한다. 그 후 자극시간 결정부(420)는 전기적으로 연결된 펄스 발생부(130)에 자극시간을 나타내는 신호를 전달하며, 펄스 발생부(130)는 결정된 자극시간 동안 진폭, 펄스 폭 및 이웃하는 펄스 사이의 시간간격이 일정하게 정해진 적어도 하나의 단위 자극 펄스를 발생시킨다. 외부자극의 세기가 클수록 자극대상(예를 들면, 시신경)에 주입해야 하는 전하량이 증가하므로, 자극시간은 외부자극의 세기에 비례하도록 결정될 수 있다.
자극시간을 결정하기 위한 일 실시예로서, 자극시간 결정부(420)는 도 4에 도시된 바와 같이 자극시간신호 생성부(420a), 자극시간 선택신호 저장부(420b) 및 자극시간신호 선택부(420c)를 포함할 수 있다.
자극시간신호 생성부(420a)는 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호를 생성하여 출력한다. 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호는 복수의 펄스 트레인으로서 각 펄스 트레인은 서로 다른 지속시간(duration) 또는 폭을 갖는 펄스로 이루어질 수 있다. 자극시간은 미리 설정된 자극인가주기보다 작거나 같고, 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격(td; 도 2)의 배수일 수 있다.
자극시간 선택신호 저장부(420b)는 신호수신부(110)로부터 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 입력받아 저장한다. 외부자극의 세기를 나타내는 신호는 복수의 자극시간신호 중 어느 하나를 선택하는데 이용될 수 있다. 자극시간 선택신호 저장부(420b)는 데이터를 저장하기 위해 적어도 하나의 플립플롭(flip-flop)을 포함할 수 있다.
자극시간신호 선택부(420c)는 자극시간신호 생성부(420a)에서 생성된 복수의 자극시간신호 및 자극시간 선택신호 저장부(420b)에 저장된 자극시간 선택신호를 입력받고, 자극시간 선택신호에 따라 복수의 자극시간신호 중 어느 하나를 선택하여 펄스 발생부(130)로 출력한다. 자극시간 선택신호는 매 자극인가주기마다 자극시간신호 선택부(420c)로 입력된다. 자극시간신호 선택부(420c)는 예를 들어 멀티플렉서(multiplexer; mux)로 이루어질 수 있으며, 이 경우 자극시간 선택신호가 멀티플렉서의 제어신호가 된다.
다시 도 1을 참고하면, 펄스 발생부(130)는 펄스 개수 결정부(120)와 전기적으로 연결되어, 펄스 개수 결정부(120)로부터 단위 자극 펄스의 개수를 나타내는 신호를 입력받아 하나의 자극인가주기 동안 결정된 개수의 단위 자극 펄스를 발생시킨다.
일 실시예에서, 전기 자극 장치(100)는 펄스 발생부(130)에서 발생시킬 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 진폭 결정부(130a)를 더 포함한다. 본 실시예에 따른 전기 자극 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 자극인가주기에서 단위 자극 펄스의 진폭이 일정한 자극 신호(S1)를 발생시킨다. 본 실시예에서는 고정된 낮은 진폭을 갖는 단위 자극 펄스의 개수에 따라 주입 전하량을 조절할 수 있으므로 자극 세기의 조절이 용이하며 자극의 공간 해상도를 증대시킬 수 있다. 단위 자극 펄스의 진폭은 예를 들면 20μA 이하의 값으로 설정될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 자극 장치(100)는, 하나의 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격(td; 도 2)을 결정하는 시간간격 결정부(130b)를 더 포함할 수 있다. 단위 자극 펄스 사이의 시간간격(td)이란 동일한 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격으로서, 예를 들면 동일한 상(phase)의 상승 엣지(rising edge) 사이의 시간간격 또는 하강 엣지(falling edge) 사이의 시간간격일 수 있다. 본 실시예에 따른 전기 자극 장치(100)의 경우, 서로 다른 자극인가주기에서도 단위 자극 펄스 사이의 시간간격이 목표 주입 전하량에 무관하게 일정하므로, 자극대상의 전기 자극에 대한 민감도를 균일하게 유지할 수 있다. 이에 따라 자극의 세기가 펄스의 개수에 비례하는 선형적인 전기 자극의 구현이 가능하다.
진폭 결정부(130a) 또는 시간간격 결정부(130b)는 도 1에 도시된 바와 같이 펄스 발생부(130)에 포함될 수도 있고, 펄스 발생부(130)의 외부에 위치하면서 펄스 발생부(130)와 전기적으로 연결될 수도 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치의 구조 및 동작에 대하여 세부적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치의 개략적인 내부 구조도이다.
도 5를 참고하면, 전기 자극 장치(500)는 자극기 픽셀 어레이(520a) 및 자극 행 선택기(520b)를 포함하는 자극기 회로(520)를 이용하여 구현할 수 있다. 도 5에 도시된 자극기 픽셀 어레이(520a)는 총 16개의 자극기 픽셀 회로(520c)를 포함한다. 자극 행 선택기(520b)에 의해 선택된 행에 있는 적어도 하나의 자극기 픽셀 회로(520c)는 동시에 동작할 수 있다.
신호 수신부(510)는 외부장치(예를 들면, 영상 장치)로부터 외부자극의 세기를 나타내는 아날로그 신호(예를 들면, 명암 등의 영상 정보)를 수신한다. 수신된 아날로그 신호는 ADC에 의해 디지털 신호로 변환된다. 변환된 디지털 신호는 자극시간을 결정하기 위해 이용되며, 자극기 픽셀 회로(520c)로 전달된다.
자극시간신호 생성부(530)는 자극기 회로(520)에 전기적으로 연결되며 복수의 자극시간신호를 각각의 자극기 픽셀 회로(520c)로 전달한다.
자극 펄스의 진폭을 결정하기 위한 신호(VAMP)가 자극기 회로(520)로 입력되며, 전기 자극 장치(500)에서 발생하는 자극 펄스의 진폭은 VAMP 신호에 의해 결정된다.
전기 자극 장치(500)에서 발생될 자극 펄스의 형태(2상, 단상 등)를 결정하기 위해 자극 펄스의 방향을 결정하는 적어도 하나의 신호(source(SRC), sink(SNK))가 자극기 회로(520)로 입력된다.
이외 자극기 회로(520)의 전체적인 동작을 위한 클락(clock(CLK)), 리셋(reset(RST)), 인에이블(enable(EN)) 신호 또한 자극기 회로(520)로 입력된다.
도 6은 도 5의 자극기 픽셀 회로(520c)의 예시적 회로도이다.
도 6을 참고하면, 각 자극기 픽셀 회로(520c)는 플립플롭 메모리로 이루어진 자극시간 선택신호 저장부(620b), 멀티플렉서로 이루어진 자극시간 선택부(620c), 및 SRC/SNK 신호 생성기(630b), 2상 전류 생성기(630c) 및 전압제어 전류원(Voltage Controlled Current Source; VCCS)(630a)을 포함하는 펄스 발생부(630)를 포함할 수 있다.
자극시간 선택신호 저장부(620b)는 신호수신부(110; 도 4)로부터 자극시간을 선택하기 위한 신호를 입력받아 저장한다. 자극시간신호 선택부(620c)는 자극시간신호 생성부(420a; 도 4)로부터 복수(도 6에서는 8개)의 자극시간신호를 입력받고, 자극시간 선택신호 저장부(620b)로부터 자극시간 선택신호를 제어신호로서 입력받음으로써 복수의 자극시간신호 중 어느 하나를 선택하여 펄스 발생부(630)로 전달한다.
2상 전류 생성기(630c) 및 전압제어 전류원(630a)은 예를 들면 12V의 높은 전압에서 동작하도록 구성함으로써 전극의 크기를 감소시킬 수 있다. 그 외의 구성요소들은 예를 들면 5V의 상대적으로 낮은 전압에서 동작하도록 구성될 수 있다.
결정된 자극시간신호가 펄스 발생부(630)로 인가되는 동안 SRC/SNK 신호 생성기(630b)는 2상 자극 펄스 트레인을 발생시키기 위해 입력받은 SRC 신호 및 SNK 신호를 이용하여 2상 전류 생성을 위해 사용될 신호를 생성한다. SRC 및 SNK 신호는 레벨 쉬프터(lever shifter)에서 레벨이 예를 들면 5V에서 12V로 변경된 후 2상 전류 생성기(630c)로 인가된다.
2상 전류 생성기(630c)는 SRC/SNK 신호 생성기(630b)에서 생성된 신호 및 전압제어 전류원(630a)을 이용하여 펄스 개수 변조(PCM) 방식으로 2상 펄스 트레인의 형태를 갖는 자극 전류를 생성한다. 2상 전류 생성기(630c)는 전압제어 전류원(630a)과 전기적으로 연결되어 있으며, 자극 펄스의 진폭은 전압제어 전류원(630a)의 입력 전압(VAMP)의 레벨에 의해 결정되고, 상기 입력 전압(VAMP)은 예를 들면 1V 이하로 고정되어 자극 펄스의 진폭이 20 μA 이하의 낮은 값으로 고정될 수 있다. 생성된 자극 펄스는 신경에 전달되어 신경을 전기적으로 자극한다.
도 7은 도 6의 자극기 픽셀 회로의 예시적 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.
도 7을 참고하면, 클락(CLK) 신호에 의해 자극인가주기가 결정되며, 매 자극인가주기마다 자극시간 선택신호(SEL)가 생성되고 이에 따라 8개의 자극시간신호 중 어느 하나가 선택되어 자극시간이 결정된다.
자극시간이 결정되면, 자극시간 동안 자극 펄스가 발생되며, 자극 펄스의 형태는 자극시간신호가 인가되는 구간 내에서 SRC 신호 및 SNK 신호에 따라 결정된다. 단위 자극 펄스의 폭은 SRC 신호와 SNK 신호의 지속시간(또는 펄스 폭)에 의해 결정되며, 이웃하는 단위 자극 펄스의 시간간격은 이웃하는 두 SRC 신호 또는 두 SNK 신호 사이의 딜레이에 의해 결정될 수 있다. 일 실시예에서 복수의 단위 자극 펄스는 일정한 폭을 가질 수 있고, 예를 들면 250 μs 이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 장치에서 발생하는 자극시간신호 및 자극 전류 펄스를 오실로스코프로 관찰한 결과이다. 자극시간신호가 인가되는 동안에 2상 전류 펄스로 구성된 자극 전류 펄스 트레인이 생성되고, 자극시간신호가 인가되지 않는 구간에서는 자극 전류 펄스가 생성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 개수 변조(PCM)를 이용한 전기 자극 방법 및 종래의 전기 자극 방법들(PAM, PFM)을 이용하여 rd1 쥐의 망막 조직을 전류 자극하였을 때 유발되는 신경 반응의 공간적 분포를 시신경에 주입된 전하량에 따라 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이, PCM을 이용하여 망막 시신경을 자극하였을 때 기존의 망막 시신경 자극 기법(PAM, PFM)과 비교하여 신경 반응의 퍼짐이 적은 것을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명의 일 실시예를 통해 고해상도 망막 시신경 자극이 가능함을 입증한다.
도 10은 PCM과 PAM 방법에 대하여 주입된 전하량에 따른 해상도 팩터(factor)를 나타낸다. 원형(circle)의 금(Au) 마이크로전극 어레이(microelectrode array; MEA)가 사용되었고, 각 자극 전극의 지름은 150 μm, 신경 스파이크를 기록하기 위한 기록 전극의 지름은 50 μm 이다. 마이크로 전극 어레이의 중심에 위치한 16개의 전극은 집중적으로 자극된 영역을 의미한다. 전기 자극으로서 2상 전류 펄스가 rd1 쥐의 망막 신경절 세포(retinal ganglion cells; RGCs)에 주입되었다. 자극 인가 주기는 1초로 설정하였다. 펄스 진폭 변조(PAM) 방법은 펄스의 진폭을 10μA, 20μA 및 40μA 로 변화시켰으며, SRC 및 SNK 전류 펄스는 도 7에 도시된 SRC 및 SNK 신호의 형태를 가지며, SRC 및 SNK 전류 펄스의 지속시간은 1 ms 로 고정하고, SRC 펄스와 SNK 펄스의 사이(SRC 펄스의 하강 엣지와 SNK 펄스의 상승 엣지의 사이 또는 SRC 펄스의 상승 엣지와 SNK 펄스의 하강 엣지의 사이)에는 1 ms 의 딜레이를 두었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PCM 방법은 SRC 및 SNK 전류 펄스의 지속시간 및 두 펄스 사이의 딜레이는 250μs 로 고정하고, 펄스의 진폭은 20μA 로 고정하고, 펄스의 개수는 2, 4 및 8개로 변화시켰다.
여기서, 해상도 팩터(factor)란 서로 다른 펄스 변조 방법의 공간 해상도를 비교하기 위해 고안된 요소로서, 집중적으로 자극되지 않은 영역에서 발생된 스파이크(spike)의 평균 개수에 대한 집중적으로 자극된 영역에서 발생된 스파이크의 평균 개수의 비율을 의미한다.
도 10을 참고하면, PAM의 경우 주입된 전하량이 증가할수록 해상도 팩터가 감소하는 반면, PCM의 경우에는 주입된 전하량이 증가할수록 해상도 팩터가 증가한 것을 확인할 수 있다. 즉, 펄스의 개수를 변조하여 신경 자극 세기를 조절할 경우, 주입되는 전하량이 증가하더라도 공간적 해상도가 감소하지 않는 유리한 효과를 갖는 것을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전기 자극 방법에 대하여 도 11을 참고하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법의 순서도이다.
도 11을 참고하면, 전기 자극 방법은 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 단계(S100), 외부자극의 세기에 기초하여 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계(S200) 및 결정된 개수의 단위 자극 펄스를 자극인가주기 내에서 발생시키는 단계(S300)를 포함할 수 있다. 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계(S200)는 단위 자극 펄스의 개수가 외부자극의 세기에 비례하도록 결정할 수 있다.
외부자극의 세기를 나타내는 신호가 아날로그 신호인 경우에는 일 실시예에 따른 전기 자극 방법은 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 단계(S100)와 외부자극의 세기에 기초하여 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계(S200)의 사이에, 수신한 외부자극의 세기를 나타내는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계(S200)는 하나의 자극인가주기 내에서 적어도 하나의 단위 자극 펄스가 발생하는 시간인 자극시간을 결정함으로써 단위 자극 펄스의 개수를 결정할 수 있으며, 자극시간은 외부자극의 세기에 비례할 수 있다. 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계(S200)에서 자극시간이 결정되면, 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계(S300)는 하나의 자극인가주기 내에서 결정된 자극시간 동안 단위 자극 펄스를 발생시킨다. 단위 자극 펄스의 펄스 폭 및 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격이 정해져 있을 경우, 자극시간을 결정함으로써 단위 자극 펄스의 개수를 결정할 수 있다.
자극시간을 결정하는 일 실시예로서, 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호를 생성하고, 외부자극의 세기에 기초하여 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하여 자극시간을 결정할 수 있다. 예를 들면, 외부자극의 세기가 클수록 긴 자극시간을 나타내는 신호를 선택한다. 그러나 본 발명의 전기 자극 방법에서 자극시간을 결정하는 방법은 본 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에서는, 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 단계를 더 포함하고, 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계(S300)에서는 결정된 진폭을 갖는 적어도 하나의 단위 자극 펄스를 발생시키되, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 단위 자극 펄스의 진폭이 일정하도록 한다. 자극 펄스의 진폭은 예를 들면 20 μA 이하일 수 있다.
한편, 일 실시예에서는, 하나의 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격을 결정하는 단계를 더 포함하고, 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계(S300)는 제1자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격과 제2자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격이 결정된 상기 시간간격과 동일하도록 단위 자극 펄스를 발생시킨다. 이때, 제1자극인가주기와 제2자극인가주기는 서로 다른 주기이다. 즉, 본 실시예에서는 PFM을 이용한 전기 자극 기법과 달리, 서로 다른 자극인가주기에서도 단위 자극 펄스 간의 시간간격을 일정하게 유지한다.
본 발명의 실시예들에 따른 전기 자극 장치 또는 전기 자극 방법은 감각 정보를 두뇌에 전달하는 신경(예를 들면, 망막 시신경, 청각신경 등)을 자극하기 위해 이용될 수 있다. 전기 자극 장치는 예를 들면 인공 망막 장치, 신경 자극 장치 등일 수 있다.
본 발명은 외부 자극의 세기에 따라 단위 자극 펄스의 개수를 조절하기 위해 자극시간을 달리하는 실시예에 한정되지 않으며, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 일정한 진폭 및 시간간격을 유지하면서 외부 자극의 세기에 따라 펄스의 개수를 조절하는 방법이라면 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
110 : 신호수신부 120 : 펄스 개수 결정부
130 : 펄스 발생부 130a : 진폭 결정부
130b : 시간간격 결정부

Claims (18)

  1. 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 단계;
    상기 외부자극의 세기에 기초하여, 각 자극인가주기 내에서 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 개수의 단위 자극 펄스를 자극인가주기 내에서 발생시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호는 아날로그 신호이며,
    상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계는, 상기 단위 자극 펄스의 개수가 상기 외부자극의 세기에 비례하도록 상기 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 단계는, 상기 외부자극의 세기에 기초하여 적어도 하나의 상기 단위 자극 펄스를 발생시킬 자극시간을 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계는 상기 자극인가주기 내에서 상기 자극시간 동안 결정된 개수의 상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자극시간을 결정하는 단계는, 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호를 생성하는 단계 및 상기 외부자극의 세기에 기초하여 상기 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격을 결정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계는, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 각 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격이 결정된 상기 시간간격과 동일하도록 단위 자극 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 단계를 더 포함하며
    상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 단계는, 복수의 자극인가주기에 걸쳐 동일한 진폭을 갖는 단위 자극 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 단계는 상기 진폭을 0초과 20 μA 이하의 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외부자극은 빛 또는 소리인 것을 특징으로 하는 전기 자극 방법.
  10. 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 수신하는 신호수신부;
    상기 신호수신부와 전기적으로 연결되어, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호에 기초하여 각 자극인가주기 내에서 발생시킬 단위 자극 펄스의 개수를 결정하는 펄스 개수 결정부; 및
    상기 펄스 개수 결정부와 전기적으로 연결되어, 결정된 개수의 상기 단위 자극 펄스를 자극인가주기 내에서 발생시키는 펄스 발생부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호는 아날로그 신호이며,
    상기 신호수신부는, 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 펄스 개수 결정부는 상기 외부자극의 세기를 나타내는 신호에 기초하여 적어도 하나의 상기 단위 자극 펄스를 발생시킬 자극시간을 결정하는 자극시간 결정부를 포함하고,
    상기 펄스 발생부는 상기 자극인가주기 내에서 상기 자극시간 동안 결정된 개수의 상기 단위 자극 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 자극시간 결정부는, 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호를 생성하는 자극시간신호 생성부; 상기 신호수신부와 전기적으로 연결되어 상기 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하기 위한 신호를 저장하는 자극시간 선택신호 저장부; 및 상기 자극시간신호 생성부 및 상기 자극시간 선택신호 저장부와 전기적으로 연결되어 상기 자극시간 선택신호에 따라 상기 서로 다른 자극시간을 나타내는 복수의 신호 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 자극시간신호 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 자극시간 선택신호 저장부는 플립플롭(flip-flop)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 자극시간신호 선택부는 멀티플렉서(mux)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 펄스 발생부는 하나의 자극인가주기 내의 이웃하는 단위 자극 펄스 간의 시간간격을 결정하는 시간간격 결정부를 포함하며,
    상기 펄스 발생부는 복수의 자극인가주기에 걸쳐 각 자극인가주기내의 이웃하는 단위 자극 펄스 사이의 시간간격이 상기 시간간격 결정부에서 결정된 시간간격과 동일하도록 단위 자극 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 펄스 발생부는 상기 단위 자극 펄스의 진폭을 결정하는 진폭 결정부를 포함하며,
    상기 펄스 발생부는 복수의 자극인가주기에 걸쳐 동일한 진폭을 갖는 단위 자극 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 외부자극은 빛 또는 소리인 것을 특징으로 하는 전기 자극 장치.
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