Magnetic Stimulation for Motor Cortex and Sciatic Nerve Using Implantable Devices

Abstract

자기자극은 강한 세기의 전류 펄스에 의해 형성된 자기장을 활용하여 신경조직을 자극하는 기술이다. 이 기술은 전기적 절연층으로 둘러싸인 코일을 이용하여 전극과 조직 간의 직접적인 접촉 없이도 신경자극이 가능하기 때문에, 전극 표면에서의 생물학적 반응에 의한 자극성능 저하를 고려하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다. 그러나 사용되는 코일의 크기가 사람의 반구를 덮을 만큼 크기 때문에, 의도치 않은 피질영역에도 자극이 가해질 수 있는 제약이 있다. 이러한 제약은 코일 크기를 축소함으로써 공간적 해상도를 높이는 방법으로 해결할 수 있지만, 이는 자극 세기의 감쇠와 높은 발열로 인한 조직 손상 가능성을 높일 수 있다는 문제를 동반한다. 따라서 국소적인 신경조직 영역의 자극을 달성하기 위해서는 소형 코일을 사용한 신경자극 여부와 더불어 열적 안전성을 평가하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 체내에 삽입 가능한 크기의 소형 코일을 활용한 국소적 자기자극 기술의 실현 가능성을 평가하였다. 첫 번째 장에서는 박막 형상의 코일을 이용한 피질에서의 자기자극 가능성을 살펴보았다. 선 폭, 두께, 및 층 수를 달리 한 박막형 코일들을 미세전자기계시스템 및 연성회로기판 공정으로 각각 제작한 뒤, 전기적 및 열적 특성들을 평가하였다. 이후, 박막형 코일들을 랫트의 우측 뒷다리에 해당하는 운동피질 위에 위치시킨 뒤 자기자극을 인가하였을 때 피질에서의 국소 장 전위 및 뒷다리에서의 복합운동유발전위의 변화를 관찰하였다. 그 결과, 박막형 코일을 이용한 자기자극으로는 주목할 만한 신경반응이 관찰되지 않았다. 이를 통해 박막형 구조는 낮은 유도 전기장 세기와 높은 발열로 인해 자기자극을 위한 삽입형 장치의 형상으로 활용하기에는 적합하지 않음을 실험적으로 확인하였다. 두 번째 장에서는, 박막형 코일 대신 솔레노이드 타입의 코일을 도입하여 좌골 신경에서 신경 반응을 이끌어내는 자기 자극의 타당성을 입증했다. 작은 코일은 페라이트 코어에 감겨 있어 낮은 전류 세기에도 강한 세기의 전기장을 유도할 수 있었다. 동물실험에 앞서 소형 코일을 이용하여 신경을 자극에 필요한 전기장 세기와 입력 전류 세기를 3차원 랫트 모델을 사용한 시뮬레이션으로 예측하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 해당 코일을 이용하여 랫트의 좌골신경에 자극 펄스를 인가하여 복합운동유발전위가 발생하는 것을 확인하였다. 세번째 장에서는, 좌골신경의 자극을 이끌어낸 코일을 좌측 운동피질의 경막 위에 완전히 삽입한 후, 경막외 자기자극을 통해 운동피질에서의 신경조절 효과를 연구하였다. 그 결과, 좌측 운동피질의 자극에 대응하는 우측 뒷다리의 운동유발전위가 크게 증가하는 효과를 확인하였다. 이는 기존의 피질을 손상시키지 않은 자기자극 연구들 중에서 가장 높은 공간해상도를 달성한 것이었다. 코일의 발열 또한 체내 삽입형 의료기기에 대한 가이드라인에서 규정한 온도보다 낮게 유지되도록 하였다. 종합적으로, 본 연구에서는 삽입 가능한 크기의 코일을 이용하여 국소영역의 신경조직을 자극하는 자기자극 기술의 실현가능성을 평가하였고, 좌골신경과 운동피질에서 자기자극의 효과를 성공적으로 확인하였다.|Magnetic stimulation is a technique that modulate neural responses by applying a magnetic field generated by strong current pulse. This technique allows for neural stimulation without direct contact between the electrode and the tissue due to the coil encapsulated with electrical insulation layer. This advantage eliminates concerns about the degradation in stimulation performance due to biological response, such as immune response on the electrode surface. However, the size of the coil used in magnetic stimulation is large enough to cover a hemisphere of a human brain, which introduces a limitation as it may inadvertently stimulate adjacent areas to the target region. While reducing the size of the coil can increase spatial resolution, it comes with the constraints: attenuation of the stimulation intensity, thermal tissue damaging due to high heat generation. Therefore, research evaluating the use of miniature coils for neural stimulation, along with assessing thermal safety, is necessary to achieve localized stimulation of neural tissue. In this study, the feasibility of focal magnetic stimulation using small-sized coils that can be implanted into the body was evaluated. In the first section (Chapter Ⅱ), the potential for cortical magnetic stimulation using thin film coils with different dimensional parameters was examined. These thin film coils were fabricated using microelectromechanical systems (MEMS) and flexible printed circuit board (FPCB) manufacturing processes. After evaluating their electrical and thermal characteristics, the thin film coils were positioned on the rat motor cortex corresponding to the right hind limb. Upon applying magnetic stimulation, no significant neural responses were observed. These results confirmed that thin film structures are not suitable for use as implantable devices for magnetic stimulation due to their low intensity of induced electric field and high heat generation. In the second section (Chapter Ⅲ), a solenoidal type of coil was employed instead of thin film coils to demonstrate the feasibility of eliciting neural responses in sciatic nerve. Small coils with a diameter of 3mm wound around a ferrite core were able to induce a strong electric field near the coil even at low intensity current pulse. Prior to in vivo experiments, the electric field intensity and input current were estimated using simulations with a 3D rat model. Based on the simulated results, compound muscular action potentials were successfully elicited in vivo in limb muscles by applying current pulses of a few amperes. Furthermore, it was ensured that the coil surface temperature remained within 2 ℃ defined by guidelines for implantable medical devices. In the third section (Chapter Ⅳ), the coil, eliciting responses in the sciatic nerve, was completely implanted epidurally on the left motor cortex to observe the neuromodulation effect of magnetic stimulation. The results showed a significant increase in motor evoked potentials in the right hind limb corresponding to the stimulation region using the coil. This achieved the highest spatial resolution among magnetic stimulation studies that did not damage the cortical tissues. The heat generation of the coil was also carefully managed to keep the temperature below the safety threshold of 2 ℃. Overall, this study evaluated the feasibility of magnetic stimulation using implantable coils for focal stimulation, and successfully confirmed the neuromodulation effects of magnetic stimulation for the sciatic nerve and motor cortex.