Development of a Local Field Potential-based Closed-loop Deep Brain Stimulation System for Neuropathic Pain Control

Abstract

심부 뇌 자극술은 뇌의 특정 부위를 전기적으로 자극함으로써 관련 신경질환들을 치료하는 신경외과적 기법이다. 이는 미국 식약처(FDA)의 승인을 받아 파킨슨씨 병, 경직장애, 우울증, 강박장애 등과 같은 다양한 질환 치료에 적용되고 있다. 그러나, 현 시스템은 개회로(開回路, open-loop)구조로, 환자의 증상 경중 여부와 무관한 동일 자극조건 전기신호를 인가함으로써, 조직에 무리를 주거나 시간에 따른 질환치료효과가 경감되는 등의 한계를 가지고 있다. 또한, 지속적인 전기자극파형을 발생시킴으로써 자극기 내의 배터리수명이 단축되어, 자극기 교체수술의 주기가 단축되어 환자의 불편을 야기하기도 한다. 이에, 본 연구는 신경병증성 통증의 증상 경중에 따라 자극조건을 조정하는 폐회로 (閉回路, closed-loop) 심부 뇌 자극시스템과 그 기반 기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 이를 위해 다채널 전극과 뇌 국소 전위 (Local field potential, LFP) 기반의 폐회로 심부 뇌 자극장치를 개발하였으며, 이와 관련된 기반 기술들을 개발하였다. 먼저, 다채널 전극을 집적하기 위하여 기존의 액정폴리머 공정을 개선하였다. 다음으로, 제작된 액정폴리머 기반의 다채널 심부 뇌 전극을 이용하여 다양한 자극 조건에 따른 통증모델 동물의 행동반응 실험과 신경신호의 변화들을 측정 및 분석함으로써 신경병증성 통증에의 효과적인 자극조건을 획득하였다. 그리고 두 실험방법론에 따라 얻어진 결과들간 연관성 분석 (Pearsons correlation analsys)을 수행함으로써 뇌 국소 전위의 특정 주파수에서의 변화가 신경병증성 통증의 신경신호 지표로 사용될 수 있음을 객관적으로 검증하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 뇌 국소 전위 기반의 폐회로 제어 알고리즘을 개발하고, 이를 적용한 프로토타입 장치를 개발하였다. 개발된 폐회로 시스템의 효과와 성능을 검증하기 위하여, 시스템 동작성 시험과 함께 신경병증성 동물 모델에 적용하는 실험을 수행하였으며, 개발된 시스템이 통증 관련 뇌 국소 전위 신호의 발생과 그 정도에 따라 자동적으로 조정된 심부 뇌 자극을 인가하여 신경병증성 통증을 조절함을 확인하였다.

Deep brain stimulation (DBS) is an effective therapy that can be used to alleviate symptoms of neuropathic disorders such as Parkinsons disease, essential tremor, dystonia, and neuropathic pain. Even though the method has matured for widespread implantation of the device worldwide, the therapeutic mechanisms of DBS are still unclear. Moreover, current DBS system is an open-loop system so a flexible and effective neuromodulation that depends on severity of patients symptoms is yet to be made available. The open-loop configuration also wastes power due to its continuous generation of stimulation current pulses, requiring frequent exchange of implanted battery. In this dissertation, we studied a local field potential-based closed-loop deep brain stimulation (CDBS) system and its use for controlling neuropathic pain. A multichannel DBS electrode was developed based on a novel LCP material using improved fabrication process. Stimulation parameters of the CDBS system were determined from preliminary experiments including behavioral tests and neural recordings. A correlation analysis was performed between changes in recorded local field potential (LFP) and changes in scored results of behavioral tests related to neuropathic pain proved to yield important information for the closed-loop strategy. Finally, a prototype CDBS system for neuropathic pain was developed and validated in vivo.