DGIST 이상훈, 실시간 신경 자극… 회전형 신경자극기 개발

DGIST 로봇 및 기계전자공학과 이상훈 교수, 강민석, 신희재 석박통합과정생(왼쪽부터 시계방향)이다. [사진=DGFEZ]

DGIST 로봇 및 기계전자공학과 이상훈 교수 연구팀이 회전기반 에너지를 활용하여 실시간으로 신경자극 파라미터(진폭, 주파수, 펄스폭 등의 매개 변수)를 조절할 수 있는 신경자극기 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.
 
이번 연구 결과는 한국연구재단 신진연구 및 휴고다이나믹스 범부처전주기의료기기연구개발사업의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야에 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지’에 게재됐다.
 

이는 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 거쳐야 하는 번거로움 때문에 실용성이 굉장히 낮았다.
 
DGIST 이상훈 교수 연구팀은 이러한 기존 신경자극기의 한계를 극복하기 위해, 마찰 만으로 전기에너지를 발생시키는 마찰대전나노소자를 회전기반 형태로 바꾸어서 한번 회전 만으로도 다중 펄스(multiple pulses)가 구현되도록 디자인하고 다양한 전극 디자인을 통해 생성되는 전기파형이 신경자극에 사용할 수 있도록 만들었다.

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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 접촉면 간의 거리를 조절함으로써 진폭(amplitude)을 조절할 수 있어 다양한 신경자극 파라미터 조절이 가능하다.
 
이에 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 수축하였던 근육이 자연스럽게 이완되는 현상을 확인하였다. 이를 통해 실시간으로 신경자극 파라미터를 조절하면서 원하는 신경조절이 가능함을 증명하였다.
 
DGIST 로봇 및 기계 전자공학과 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.