Research
DGIST 이상훈 교수팀, 실시간 신경 자극을 조절할 수 있는 회전형 신경자극기 개발
- 자극 파라미터 조절을 통한 실시간 생리학적 신경자극반응 변화를 전임상 실험으로 증명하여 재료 및 에너지 분야 상위 저널인 Nano Energy에 논문 게재
DGIST(총장 국양) 로봇및기계전자공학과 이상훈 교수 연구팀이 회전기반 에너지를 활용하여 실시간으로 신경자극 파라미터(진폭, 주파수, 펄스폭 등의 매개변수)를 조절할 수 있는 신경자극기 개발에 성공했다.
기존의 신경자극기의 경우, 회로기반 시스템의 특성상 이미 설정된 자극 파라미터를 실시간으로 변경하기 위해서는 여러 절차를 거쳐야 하는 번거로움이 있다. 특히, 전하량을 유지하면서 실시간으로 자극 파라미터를 바꾸기 위해서는 전하량 계산과 함께 여러 전자기기를 거쳐야하는 번거로움 때문에 실용성이 굉장히 낮았다.
DGIST 이상훈 교수 연구팀은 이러한 기존 신경자극기의 한계를 극복하기 위해, 마찰만으로 전기에너지를 발생시키는 마찰대전나노소자를 회전기반 형태로 바꾸어 한번 회전만으로도 다중 펄스(multiple pulses)가 구현되도록 디자인하고 다양한 전극 디자인을 통해 생성되는 전기파형이 신경자극에 사용 가능하도록 만들었다.
마찰대전소자의 고유의 전기 생성 기전으로 인해 회전 변화에 따라 생성되는 파형의 주파수와 펄스폭(pulse width)은 조절되면서도 펄스마다 전달되는 전하량은 동일하게 유지하기 때문에 실시간으로 신경자극 파라미터를 조절하며 신경을 자극하는 것이 가능해졌다. 또한, 동시에 회전 접촉면간의 거리를 조절함으로써 진폭(amplitude)을 조절할 수 있어 다양한 신경자극 파라미터 조절이 가능하다.
연구팀은 개발된 회전기반 마철대전 신경자극기의 임상적 유효성을 확인하기 위해 전임상 동물실험을 진행했다. 쥐의 좌골분기 신경에 신경전극을 삽입 후 개발한 자극기를 통해 신경자극 파라미터를 조절하면서 유도되는 생리학적 반응을 관찰했다. 주파수가 증가함에 따라 단독수축, 지속수축 등의 생리학적인 반응을 확인하였고 동시에 마찰면의 거리를 증가시킴에 따라 진폭이 작아져 수축되었던 근육이 자연스럽게 이완되는 현상을 확인하였다. 이를 통해 실시간으로 신경자극 파라미터를 조절하면서 원하는 신경조절이 가능함을 증명하였다.
DGIST 로봇및기계전자공학과 이상훈 교수는 “본 연구를 통해 개발된 신경자극기가 전임상시험을 통해 회전운동 에너지를 활용하여 실시간으로 신경 자극 파라미터를 조절할 수 있음을 확인하였다”며, “향후 기술의 고도화 및 최적화 연구를 통해 바이오닉 사지 및 외골격 로봇 등과 연계하여 빠르면서도 직관적인 감각신경전달이 가능할 것이며, 재활 및 전자약 분야로도 응용이 가능할 것으로 기대한다.”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 한국연구재단 신진연구 및 ㈜휴고다이나믹스 범부처전주기의료기기연구개발사업의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야에 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 게재되었다.
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연구결과개요
Triboelectric neurostimulator for physiological modulation of leg muscle
강민석, 신희재, 조영준, 박재우, Pritish Nagwade, 이상훈
(논문명, on-line published on 09.29, 2022)
마찰대전나노소자 (Triboelctric nanogenerator, TENG)는 서로 다른 마찰전기 특성을 갖는 두 물질이 서로 접촉했을 때, triboelectric effect (마찰전기 효과) 와 electrostatic induction (정전기 유도) 현상에 의해 전기에너지를 생성한다. 이러한 TENG를 이용한 신경 자극이 활발히 연구되고 있다. 그러나 이전의 TENG는 제한된 작동 설계와 조건 때문에 자극 매개 변수를 변경할 수 없었기 때문에 제한된 신경 반응만 입증되었다.
이러한 한계점을 극복하기 위해 일정한 전하 출력을 생성하면서 회전에 따라 자극 매개 변수를 지속적으로 변조할 수 있는 회전 기반 마찰대전 나노 신경 자극기(RoTENS)를 제작했다. RoTENS는 회전 속도 및 비접촉 방식을 제어하여 자극 주파수와 진폭(amplitude)과 같은 자극 파라미터를 조정할 수 있다. 이러한 자극 파라미터들의 변화를 가시적으로 확인하기 위해 본 연구실은 쥐(rat)의 좌골 신경 가지들을 RoTENS를 이용하여 자극 파라미터들을 바꿔가며 자극함으로써 자극 파라미터에 따른 생리학적인 근육 자극 반응을 관찰하였다. 자극 주파수 증가함에 따라 다리 근육의 단독수축 (twitching)부터 지속수축 (unfused tetanus), 융합된 지속수축 (fused tetanus)까지 변화를 확인하였고 자극 진폭을 감소시킴으로써 수축된 다리 근육이 자연스럽게 이완되는 것을 확인하였다.
이러한 결과는 RoTENS을 통해 다양한 주파수와 펄스폭을 변화시키면서 자극이 가능하다는 것을 보여주며 이러한 특성은 응용에 제한적이였던 TENG를 이용한 신경자극기가 앞으로 다양한 응용분야로 적용될 수 있는 새로운 기회와 가능성을 보여줄 것이라고 기대한다.
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연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 신경자극기는 자극 동안에 자극파라미터 조절은 복잡하면서도 여러 절차를 거쳐야하기 때문에 실용성이 떨어진다. 또한, 최근에 많이 연구되고 있는 마찰대전소자 기반의 신경자극기는 자극 파라미터 변조가 제한적이기 때문에 자극 가능한 말초신경의 종류나 이끌어낼 수 있는 생리학적 반응이 한정적이다. 이번 연구를 통해 개발한 RoTENS (Rotational Triboelectric Neurostimulator)은 회전 속도 및 마찰면의 거리를 조절하여 주파수와 펄스폭을 조절할 수 있다. 또한, 펄스의 주파수와 폭을 조절하면서도 펄스당 전달되는 전하량은 동일하게 유지하기 때문에 실시간으로 자극 파라미터를 조절하며 신경을 자극하는 것이 가능해졌다. 이를 쥐(rat)의 좌골분기신경들을 자극하여 생리학적인 반응을 관찰하고 자연스러운 다리 근육의 움직임을 구현하였다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
실시간으로 자극 파라미터 조절이 가능하다는 것은 같은 말초신경을 통해서도 다양한 생리학적 반응을 이끌어낼 수 있음을 의미한다. 예를 들어 바이오닉 사지 및 외골격 로봇으로부터 신경자극을 통한 실제 감각에 가까운 감각을 구현하기 위해서는 펄스변조 (pulse modulation)를 통한 자극이 필요하다. 기존의 방법은 자극을 위한 전하값을 유지하면서 펄스폭이나 진폭을 조절해야하고 이를 위해서는 여러과정을 거쳐야하기 때문에 실용성이 떨어지지만, 개발된 자극기는 회전 속도 및 마찰면간의 거리만을 조절함으로써 전하량은 유지하면서 펄스변조가 가능하다. 즉 실시간으로 자극 파라미터를 변조하여 다양한 감각을 구현할 수 있는 것이다. 또한, 재활 등에도 응용이 가능할 것이며 다양한 말초신경을 타겟으로 하는 전자약이나 생체전자의약품 분야에도 활용될 수 있을 거라 전망한다.
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
실제 특정 목적을 위한 실용화를 위해서는 RoTENS의 크기를 축소하면서도 출력값은 유지 또는 향상해야 한다. 그리고, 구동 에너지원에 적용을 위한 디자인 변화가 필요하다. 추가적인 기술의 고도화 및 최적화 연구를 통해 최종적으로 의료기기 승인을 받아 실제 의료현장에서 활용될 수 있도록 노력하겠다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
기존의 TENG 기반 신경자극기는 배터리 없이 구동이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 신경자극기의 필수 요건인 자극 파라미터 조절을 위한 기능에 한계가 있었다. 본 연구실에서는 이러한 단점을 보완하면서도 기존의 장점을 살릴 수 있는 방향으로 연구를 계속하게 진행하였다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
기존의 TENG 기반의 신경자극기가 배터리 없이 구동 가능하다는 장점에 초점이 맞춰져 있었다면, RoTENS는 TENG 기반의 신경자극기에 대해 새로운 방향을 제시해주어 보다 다양한 가능성을 열어줄 것이다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
RoTENS의 크기를 줄이고, 구동 에너지원을 줄이거나 무선 등으로 대체하여 인체 내에 삽입 가능하고 장기간 신경자극이 가능한 소자를 만들어 새로운 형태의 인체삽입형 신경자극 소자를 구현하고자 한다.
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그림설명
[그림 1]
(a) RoTENS 디자인 및 구조. (b) 회전자의 회전속도 조절에 근육 수축의 변화 및 (c) 회전자와 고정자 사이의 거리 조절에 따른 근육 이완 변화를 나타내는 모식도
[그림 2]
회전자 회전속도 조절에 따른 (a)전류값 및 (b)전하량 변화 그래프. 회전자 및 고정자 사이의 거리 조절에 따른 (c)전류값 및 (d) 전하량 변화 그래프. (e)회전속도 및 거리 변화에 따른 전류값의 3차원 그래프. (f) 회전속도 및 거리 변화에 따른 전하량의 3차원 그래프.
[그림 3]
회전자 회전속도 조절에 따른 총비골신경(Common peroneal nerve) 자극에 대한 앞정강근(Tibialis anterior muscle) 수축의 변화 및 이때의 EMG(electromyogram, 근전도) 변화
[그림 4]
회전자 높이 조절에 따른 총비골신경(Common peroneal nerve) 자극에 대한 앞정강근(Tibialis anterior muscle) 수축의 변화 및 이때의 EMG(electromyogram, 근전도) 변화
[그림 5]
주파수 및 진폭 변조에 대한 총비골신경(Common peroneal nerve) 자극에 따른 앞정강근(Tibialis anterior muscle) 수축 각도 및 이때의 EMG(electromyogram, 근전도) 변화 그래프들과 주파수 변조에 대한 경골신경(Tibial nerve) 자극에 따른 비복근(Gastrocnemius muscle) 수축 각도 및 이때의 EMG(electromyogram, 근전도) 변화 그래프
