무선 전력 및 정보 전송 기술을 이용한 영구 이식형 뇌심부 자극 시스템 개발 및 성능 평가

Abstract

주요 뇌신경 질환 중 하나인 파킨슨 병에 대한 효과적인 치료법으로 뇌심부자극술이 널리 시술되고 있으나, 현재 임상에 사용 중인 뇌심부자극기(Deep Brain Stimulator)는 배터리가 포함된 이식형 의료기기로서 수명이 5년 정도로 제한되어 있을 뿐 아니라 이식체의 크기와 무게가 증가하고 체내 안전을 위해 티타늄 케이스의 사용이 필수적이어서 가격 상승의 요인이 되고 있다. 본 논문에서는 배터리가 필요없는 두피 하 영구이식형 뇌심부자극기(Batteryless under-Scalp Permanently Implantable DBS, BuSPID)를 제안하고 필요한 세부장치를 설계 제작 및 성능평가를 실시하였으며, 전체 시스템에 대한 생체 내 성능평가를 영장류 동물모델을 이용하여 수행하였다. 두피 하에 이식된 제어장치는 임상환경에서 가장 보편적으로 사용되는 자극 강도 범위를 제공할 수 있도록 전하균형을 유지한 다양한 자극파형 생성 회로와 전극 임피던스 감시회로, 그리고 외부와의 통신기능을 제공하는 H/W 및 firmware로 구성하였다. 무선 전력 및 정보 전송 장치(Wireless Energy & Information Transfer Unit)는 배터리를 사용하지 않기 위해 필수적으로 요구되는 장치로서 자기유도(inductive coupling)로 연결된 피부안과 밖의 코일 쌍을 기반으로 구성하였다. 특히 전력전송을 위해 사용되는 코일 구동 파형의 진폭변조(Amplitude Shift Keying)기법에 의한 단순하면서도 효율 높은 양방향 통신회로를 구현하였다. 성능평가에서 무선전력 전송은 최적(코일 간격 0.1cm, 중심이탈 0mm)의 조건에서 최대 25 %의 전송효율을 확인하였으며, 동일한 조건에서 정보전송의 에러율은 일반적인 RS232 통신의 BER(bit error rate) 수준이었다. 전체 이식체는 생체적합성이 확인된 재질(PEEK 및 PDMS)로 밀봉하였으며, 두피 하 이식에 적합한 크기인 4.5cmx2.5cm, 두께 5 mm로 제작하였다. 개발된 전체 시스템의 생체 내 성능 평가는 영장류 동물모델에서 시행하였는데 장치 이식 후 기능 작동 확인 및 4주 간의 활동성 관찰을 통해 개발된 시스템의 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 기존의 DBS 시스템이 안고 있는 제한점을 극복한 새로운 BuSPID 시스템을 구현하고 전 임상 실험을 통한 성능평가를 실시함으로써, 제안된 시스템이 차세대 DBS 시스템으로 임상에 활용될 가능성을 확인하였다.