지네에서 영감을 받은 분절형 구조의 무전원 두개골 밀착형 뇌심부자극기 = A Battery-Free Skull-Conformal Deep Brain Stimulator with a Centipede-Inspired Segmented Architecture

국문 초록 (Abstract)

뇌심부 자극기(Deep Brain Stimulation, DBS)는 전 세계적으로 약 24만 건 이상 이식된 대표적인 삽입형 의료기기로, 파킨슨병, 본태성 떨림, 강박장애, 우울증 등 다양한 질환의 증상 완화 및 치료에 사용되고 있다. 기존 DBS 시스템은 뇌에 삽입되는 전극, 쇄골 아래 피부 밑에 위치한 자극기(IPG), 그리고 이들을 연결하는 연장선으로 구성되며, 1997년 이후 형태가 거의 변하지 않았다. 그러나 이러한 구조는 수술의 복잡성, 구조적 피로로 인한 장치 손상, 장치 형상으로 인한 피부 침식, 그리고 3~5년마다 요구되는 배터리 교체 수술과 같은 문제를 동반한다.
본 연구에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 얇고 두개골에 밀착되는 일체형 DBS 장치를 제안한다. 제안된 구조는 기존의 분리된 구성 요소를 하나로 통합하여 두개골 위에 직접 위치시키고, 배터리를 제거하며 무선 전력 공급 방식을 적용하여 배터리 교체 문제를 해결한다. 또한, 지네의 분절 구조에서 영감을 받아 두개골에 밀착될 수 있는 설계를 적용함으로써 구조적 피로와 피부 침식 문제를 완화한다. 본 연구에서는 제안 구조의 DBS 장치가 두개골에 밀착되며, 무선 전력 공급과 함께 4채널 전기 자극을 블루투스 저전력(BLE) 통신으로 제어할 수 있음을 보여, 임상 적용 가능성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Deep Brain Stimulation (DBS) is a widely used implantable medical
device, with over 240,000 reported implantations worldwide, for alleviating
symptoms and treating disorders such as Parkinson’s disease, essential
tremor, obsessive-compulsive disorder, and depression. The conventional
DBS system, consisting of electrodes implanted in the brain, a stimulator
placed subcutaneously under the clavicle, and connecting leads, has
remained largely unchanged since 1997. However, this design introduces
challenges, including surgical complexity, mechanical fatigue leading to
device damage, skin erosion due to device geometry, and the need for
periodic battery replacement every 3–5 years. In this study, we propose a
thin, skull-conformal, monolithic DBS device to address these limitations.
The proposed design integrates the conventional components into a single
unit positioned directly on the skull, reducing surgical complexity, and
replaces the battery with wireless power delivery to eliminate the need for
replacement surgeries. Furthermore, inspired by the segmented
morphology of a centipede, the device is designed to conform closely to the
skull, mitigating mechanical fatigue and skin erosion. We demonstrate that
the proposed DBS device adheres closely to the skull, delivers wireless
power, and enables four-channel electrical stimulation controlled via
Bluetooth Low Energy (BLE), highlighting its potential for clinical
application.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 6
• 제 2 장 시스템 설계 및 제작작 8
• 2.1 전체 시스템 개요 8
• 2.2 곡면에 밀착하기 위한 분절 개수의 도출 10
• 2.3 제안 장비의 회로 구성 11
• 2.3.1 무선 전력 수신부 12
• 2.3.2 전압관리 회로 14
• 2.3.3 정전류 자극 회로 16
• 2.3.4 4채널 전극 스위칭 구조 17
• 2.4 전극 제작 18
• 2.5 케이스 제작 및 밀봉 20
• 제 3 장 실험 및 결과 23
• 3.1 제작 결과 23
• 3.2 밀봉 PCB의 내환경성 평가 및 통신 안정성 실험 26
• 3.3 자극 파형 28
• 3.4 채널 독립성 29
• 3.5 HCP 회로 특성 분석 30
• 제 4 장 결론 31
• [참고 문헌] 34