[논문]Maxwell 3D를 이용한 경두개 자기 전극 시뮬레이션에 관한 연구

이근용; 윤세진; 정진형; 김준태; 이상식

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.6.657

초록
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본 연구는 전 세계적으로 문제가 대두되고 있는 고령화 사회로 인한 신경성 퇴행 질환인 치매 및 근육통증 치료방법인 경두개 자기 전극에 관한 연구를 진행하였다. 특히 경두개 자기 전극은 두부 표피에 코일을 이용하여 뇌 심층으로 자기를 출력하여 언어능력, 인지능력, 기억력 등의 치매 증상에 의해 저하되는 능력을 향상시키기 위해 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 경두개 자기 전극의 핵심인 코일의 설계를 위하여 Maxwell 3D 프로그램을 통한 시뮬레이션을 진행하였다. 선행 연구로 설계된 코일과 연구 개발을 통한 코일의 시뮬레이션 비교를 한 결과 출력의 경우 기존의 설계된 코일 보다 출력 면에서 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. B-Field, H-Field 두 개의 코일 출력의 그래프는 대칭을 이루는 것을 확인하였으나, 각 코일간의 대칭은 유사 대칭으로 정확한 대칭을 이루지 않는 것으로 확인이 되었다. 이러한 결과를 바탕으로 양 코일을 통한 두부 표피의 출력이 가능한지에 관한 확인을 위해 실험을 진행하였다. 역순방향 2-코일의 분석의 자기장의 경우 최대 출력은 3.3920e+004 H[A_per_meter]로 나타났으며 벡터장의 경우 35도에서 165도 부근에서의 자기장이 가장강한 것으로 나타났지만, 양 방향의 자기 출력으로 인하여 자기 출력이 상쇄가 되는 것을 확인하였다. 순방향 2-코일의 경우 역방향 코일과 비슷한 최대 3.2348e+004H[A_per_meter] 나타났으나 vector field의 경우 순방향 출력 및 두부 표피 출력에 관한 자기 출력이 확인이 되었다. 다만, 출력 코일에서 높이의 변화를 하였을 때, 자기 출력이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we conducted a study on the transcranial magnetic electrode, a method for the study of dementia and muscle pain, a neurodegenerative disease caused by an aging society, which is becoming a problem worldwide. In particular, transcranial magnetic electrodes have been studied to improve ...

In this study, we conducted a study on the transcranial magnetic electrode, a method for the study of dementia and muscle pain, a neurodegenerative disease caused by an aging society, which is becoming a problem worldwide. In particular, transcranial magnetic electrodes have been studied to improve their ability to be deteriorated by dementia symptoms such as speech, cognitive ability, and memory by outputting magnetism deep into the brain using coils on the head epidermis. In this study, simulation was performed using Maxwell 3D program for the design of coil, the core of transcranial magnetic electrode. As a result of the simulation comparison between the coil designed by the previous research and the coil through the research and development, the output was found to be superior to the conventional designed coil. The graphs of the coil outputs of B-Field and H-Field are found to be symmetrical, but the symmetry between each coil is pseudo-symmetrical and not accurate. Based on these results, an experiment was conducted to confirm whether the output of the head epidermis through both coils is possible. In the magnitude field of the reverse-coil 2-coil analysis, the maximum output was 3.3920e + 004 H [A_per_meter], and the vector field showed the strongest magnetic field around 35 to 165 degrees. It was confirmed that the magnetic output canceled due to the magnetic output. In the case of the forward 2-coil, a maximum of 3.2348e + 004H [A_per_meter] similar to the reverse coil was observed, but in the case of the vector field, the magnetic output regarding the forward output and the head skin output was confirmed. However, when the height change in the output coil, the magnetic output was reduced.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 경두개 자기 자극 코일 회로 설계도 Fig. 1. TMS(Transcranial Magnetic Stimulation) coil circuit schematic
그림 그림 2. 시뮬레이션 코일 설정 Fig. 2. Simulation coil setting
그림 그림 3. Project model 시뮬레이션 코일 실험 Fig. 3. Project model simulation coil experiment
그림 그림 4. 1차 시뮬레이션 결과 : y축 – kA_per_meter, x축 : Distance(mm) Fig. 4. 1st simulation result: y-axis – kA_per_meter, x-axis: Distance (mm)
그림 그림 5. 2차 시뮬레이션 결과 : y축 – kA_per_meter, x축 : Distance(mm) Fig. 5. 2nd simulation result: y-axis – kA_per_meter, x-axis: Distance (mm)
그림 그림 6. 3차 시뮬레이션 결과 : y축 – kA_per_meter, x축 : Distance(mm) Fig. 6. 3rd simulation result: y-axis – kA_per_meter, x-axis: Distance (mm)
그림 그림 7. 4차 시뮬레이션 결과 : y축 – kA_per_meter, x축 : Distance(mm) Fig. 7. 4th simulation result: y-axis – kA_per_meter, x-axis: Distance (mm)
그림 그림 8. 5차 시뮬레이션 결과 : y축 – kA_per_meter, x축 : Distance(mm) Fig. 8. 5th simulation result: y-axis – kA_per_meter, x-axis: Distance (mm)
그림 그림 9. 6차 시뮬레이션 결과 : y축 – kA_per_meter, x축 : Distance(mm) Fig. 9. 6th simulation result: y-axis – kA_per_meter, x-axis: Distance (mm)
그림 그림 10. 2-코일 current type(B-역방향, H-순방향) magnitude field 실험 결과 Fig. 10. 2-coil current type (B-reverse, H-forward) magnitude field test result
그림 그림 11. 2-코일 current type(B-역방향, H-순방향) vector field 실험 결과 Fig. 11. 2-coil current type (B-reverse, H-forward) vector field test result
그림 그림 12. 2-코일 current type(B-H 순방향) magnitude field 실험 결과 Fig. 12. 2-coil current type (B-H forward) magnitude field test result
그림 그림 13. 2-코일 current type(B-H 순방향) vector field 실험 결과 Fig. 13. 2-coil current type (B-H forward) vector field test result
그림 그림 14. 2-코일 current type(B-H 순방향) 높이에 따른 자기 출력 Fig. 14. Magnetic output according to 2-coil current type (B-H forward) height

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 고령화 사회로 인한 퇴행성 뇌질환인 치매와 근육통 치료용 경두개 전기 자극의 개발 및 설계를 위해 전류 방출용 코일의 설계와 코일을 통한 자기 자극의 출력에 관한 연구를 진행하였다.

가설 설정

c) 얼굴 근육의 통증 및 활성화와 같은 최소 부작용.
835mm, height = 10mm, thickness = 1mm으로 설정하였으며, source 설정 및 입력조건은 conductor에서 폐루프 형태로 구성된 model내의 2D 면에 설정하였다. solid의 경우 conductor 내부 도체 수를 하나로 가정하였고, stranded의 경우 conductor 내부의 도체의 수를 여러 개로 가정하였다. 그리고 전류는 1000A로 설정하였다.

제안 방법

1차부터 6차 시뮬레이션 결과의 경우 코일의 내경을 2mm씩 증가시키면서 두부의 출력이 제대로 전달 할 수 있는지에 관하여 실험을 진행하였다. 경두개 자기 자극의 이상적인 출력은 양 코일을 통하여 출력이 대칭으로 이루어 질 때 최적의 치료 조건이 성립된다.
이를 바탕으로 2-코일을 바탕으로 한 치료목적의 경두개 자기 전극(TMS) 분석을 진행 확인하였다. 2-코일실험에서는 프로젝트 모델에서 도체가 폐루프를 형성하고 있지 않기 때문에 solution type의 설정을 변경하여 current type에서 stranded type으로 변경하여 region을 재설정하고 진행하였다.
경두개 자기 자극을 위해 코일을 설계하였다. 경두개 자기 자극 코일은 조직에서의 전기장 세기 및 코일로부터의 거리의 함수로서 전기장의 감소율은 조직 표면에 대한 코일 요소의 배향에 크게 의존한다.
maxwell 3D version 14 프로그램을 통한 각 코일(B-Field H-Field)의 시뮬레이션 결과 각 유사 대칭 그래프는 확인이 가능하나 각 B-Field 및 H-Field 출력 자기가 대칭을 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 또한, 두 개의 코일의 중심부에서 출력이 제대로 이루어지고 이를 바탕으로 두부의 표피를 지나 뇌의 심층적인 면까지 도달할 수 있도록 하는 것이 최종 목표이기에 2-코일을 역순방향 및 순방향으로 실험하였다. 역순방향의 경우 서로 출력하는 방향이 반대방향이 되어 중심부에서는 자기 출력이 상쇄되었다.
코일의 내경 변화에 따른 시뮬레이션 결과유사 대칭형의 그래프를 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 2-코일을 바탕으로 한 치료목적의 경두개 자기 전극(TMS) 분석을 진행 확인하였다. 2-코일실험에서는 프로젝트 모델에서 도체가 폐루프를 형성하고 있지 않기 때문에 solution type의 설정을 변경하여 current type에서 stranded type으로 변경하여 region을 재설정하고 진행하였다.
이후 내경의 수치를 2mm씩 증가 시키면서 파장의 변화에 따른 원하는 부위의 출력이 나오는 것을 확인하였다. 코일의 두께가 1mm이고 코일 안쪽의 한 겹씩 없애면서 내경을 2mm씩 증가시키면서 진행하였다.
코일의 설계를 위하여 위의 3가지 목표를 충족하고 시뮬레이션을 위해 이론적 배경을 바탕으로 설계를 진행하였다.[2-4]
역순방향의 경우 서로 출력하는 방향이 반대방향이 되어 중심부에서는 자기 출력이 상쇄되었다. 하지만, 순방향으로 이루어진 2-코일의 실험결과 자기 출력의 방향의 일치로 인하여 치료 시술을 할 수 있는 출력의 범위 및 위치를 확인하였다. 단, 출력면의 위치에서 높이적인 변화를 주었을 때, 출력을 통한 자기 침투가 상대적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

전압의 경우 5000V, 주파수는 2280Hz를 유지하였고, 저항(R)의 경우 1Ω, 커페시터(C)는 240μF, 인덕터(L)의 경우 (7μH+TMS@)*2 로 고정하였다. 프로젝트 코일의 모델은 내경 3523.05mm 로 시작하였다. 이후 내경의 수치를 2mm씩 증가 시키면서 파장의 변화에 따른 원하는 부위의 출력이 나오는 것을 확인하였다.

데이터처리

경두개 자기 자극 코일의 회로 설계를 완성 한 후 maxwell 3D version 14 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. solution type의 경우 inner-radius 23.

성능/효과

경두개 자기 자극의 이상적인 출력은 양 코일을 통하여 출력이 대칭으로 이루어 질 때 최적의 치료 조건이 성립된다. maxwell 3D version 14 프로그램을 통한 각 코일(B-Field H-Field)의 시뮬레이션 결과 각 유사 대칭 그래프는 확인이 가능하나 각 B-Field 및 H-Field 출력 자기가 대칭을 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 또한, 두 개의 코일의 중심부에서 출력이 제대로 이루어지고 이를 바탕으로 두부의 표피를 지나 뇌의 심층적인 면까지 도달할 수 있도록 하는 것이 최종 목표이기에 2-코일을 역순방향 및 순방향으로 실험하였다.
하지만, 순방향으로 이루어진 2-코일의 실험결과 자기 출력의 방향의 일치로 인하여 치료 시술을 할 수 있는 출력의 범위 및 위치를 확인하였다. 단, 출력면의 위치에서 높이적인 변화를 주었을 때, 출력을 통한 자기 침투가 상대적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
동일한 current 순 방향으로 실험을 한 결과 magnitude field에서의 최대 값은 2.9993e+004H[A_per_meter]로 나타났다.
05mm 로 시작하였다. 이후 내경의 수치를 2mm씩 증가 시키면서 파장의 변화에 따른 원하는 부위의 출력이 나오는 것을 확인하였다. 코일의 두께가 1mm이고 코일 안쪽의 한 겹씩 없애면서 내경을 2mm씩 증가시키면서 진행하였다.
하지만, 두부 표피를 통한 치료를 위해 경두개 자기 전극과 두부 표피와의 간격을 유념하여 높이에 따른 실험을 한 결과 코일 바로 밑의 경우 약 35 H[A_per_meter]로 나타났으니 약 20mm를 띄웠을 경우 최대 약 8.4 H[A+per_meter]로 나타났다.

후속연구

세포 실험 및 동물실험에서의 경두개 자기 전극실험에서 유의성이 발표되고 있으며, 우울증 및 뇌질환과 관련한 뇌신경학적 부분에서 경두개 자기 전극이 사용되고 있음은 치매를 치료할 수 있는 하나의 방법이라고 생각된다. 우리는 본 실험을 통하여 확인 할 수 있었던 2-코일을 이용한 경두개 자기 전극을 통한 치료방법을 향후 더 연구하며 치매 치료가 완치되는 그 날까지 보다 나은 연구를 통하여 이바지 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경두개 자기 자극 이란?	최근, 뇌질환 치료의 목적으로 경두개 자기 자극(TMS : Transcranial Magnetic Stimulation)에 대한 관심이 높아지고 있다. 경두개 자기 자극은 국소 자기장 파동을 이용하여 두뇌 피질을 자극할 수 있는 비침습적 시술 방법이다. 뇌와 가까이에 있는 두부에 전자기 코일을 올려놓고 강한 전류파를 방출하여 생긴 자기장으로 두개골을 통과 하여 피질의 신경세포를 활성화시키도록 한다.
	어떤 특징이 치매를 치료하는데 도움이 될 것으로 기대되는가?	초기의 경두개 자기 자극은 말초 및 중추신경의 전도도를 검사하는 데 사용 되어 왔으나, 점차 시각 정보 처리, 언어, 기억, 감정 및 운동 등 다양한 두뇌 기능을 활성화 하는데 사용되고 있으며, 특히 두뇌 기능을 활성화 시키는데 사용되고 있다. 두뇌 피질을 국소적으로 자극할 수 있다는 특징으로 인해 신경적, 정신과적 질환의 새로운 치료에 대한 가능성을 내포하고 있으며, 치매를 치료하는데 있어 많은 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.[1]
	경두개 자기 자극 과정은?	경두개 자기 자극은 국소 자기장 파동을 이용하여 두뇌 피질을 자극할 수 있는 비침습적 시술 방법이다. 뇌와 가까이에 있는 두부에 전자기 코일을 올려놓고 강한 전류파를 방출하여 생긴 자기장으로 두개골을 통과 하여 피질의 신경세포를 활성화시키도록 한다. 초기의 경두개 자기 자극은 말초 및 중추신경의 전도도를 검사하는 데 사용 되어 왔으나, 점차 시각 정보 처리, 언어, 기억, 감정 및 운동 등 다양한 두뇌 기능을 활성화 하는데 사용되고 있으며, 특히 두뇌 기능을 활성화 시키는데 사용되고 있다.

참고문헌 (8)

Geun-Yong Lee, Su-Hwan Kim, Jae-Hyun Jo, Se-Jin Yoon, Sang-Sik Lee, "Establishing EMG Measurement System for Measurement of Motor Nerve Response in Transcranial Magnetic Stumulation", Journal of Korea Institute of Information, Electronics and Communication Technology, 12(4), pp. 413-418. 2019

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Guizhi Xu, Yong Chen, Shuo Yang, Mingshi Wang, Weili Yan, "The Optimal Design of Magnetic Coil in Transcranial Magnetic Stimulation", IEEE, 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Coference, pp. 6221-6224, 2005
Vernon Weh-Hau Lin, Ian N. Hsiao, and Vijay Dhaka, "Magnetic coil Design Considerations for Functional Magnetic Stimulation", IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 47, no.5, pp. 600-610, 2000

상세보기
Pedro C. Miranda, Mark Hallett, and Peter J. Basser, "The Electric Field Induced in the Brain by Magnetic Stimulation: A 3-D Finite-Element Analysis of the Effect of Tissue Heterogeneity and Anisotropy," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 50, no. 9, pp. 1074-1085, Sep, 2003.

상세보기
Byung H. Han, In K. Chun, Sang C. Lee, and Soo Y. Lee, Member, Multichannel Magnetic Stimulation System "Design Considering Mutual Couplings Among the Stimulation Coils," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 51, no. 5, pp. 812-817, 2004.

상세보기
Osamu Hiwaki, Masato Odagaki, Hiroshi Fukuda, Atsuchi Kodabashi, Toshiro Fujimoto, "Modification of Motor Evoked Potentials Caused by Electrical Peripheral Nerve Stimulation in Transcrannail Magnetic Stimulation", IEEE, IEEE Transcations on Magnetics, Vol. 44, Issue 11, PP.4440-4443, 2008

상세보기
W. Renhart, H. Stogner, K. Peris, "Calcilation of 3D eddy current problems by finite element method using either an electric or a magnetic vector potential", IEEE, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 24, Issue 1, PP.122-125, 1988

상세보기
Akihisa Kameari, "Local force calculation in 3D FEM with edge elemnets", Elsevier, International Journal of Applied Electromagnetics in Materials, Vol 3, PP.231-240, 1993

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