KR100197550B1 - 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법 - Google Patents

운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

하반신 마비환자에서 전기자극에 의하여 보행기능을 복원시키기 위한 전기자극 패턴을 작성하고, 하지근의 특성에 적합한 자극조건을 설정하며, 하지근의 관절에서 공동근의 수축특성을 관찰하여 적합한 자극강도를 임상실험에 적용할 수 있도록 한 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법이 제안된다. 이 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법은 임의의 동작에 사용되는 근의 활동성을 정상인으로부터 근전도를 기록 및 분석하여 각 동작에 대한 각 근들의 전기자극패턴을 작성하는 단계와; 상기 단계의 전기자극패턴에 따라 최대 16개의 근을 수축시킬 수 있는 자극 패턴을 휴대용 기능적 전기자극기에 전송하여 입력시키는 단계와; 상기 기능적 전기자극기로부터의 자극패턴을 마비된 근에 삽입하여 연결된 전극을 통하여 각 근에 전달함으로써 각 근이 상기 자극패턴에 의하여 임의의 동작을 수행하는 단계로 진행되므로 목적달성이 가능해진다. 따라서, 이 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법은 하반신마비환자의 치료에 유용하데 적용될 것이다.

Description

운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법
제1도는 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치를 나타낸 개략적 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치를 구체화시킨 블록도.
제3도는 본 발명의 전기자극방법에 적용되는 프로그램 작성 화면.
제4도는 제3도의 프로그램 작성에 따른 동작 플로우차트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 프로그램 입력부 2 : 프로그램 출력부
3 : 데이터 출력부 4 : 어드레스 출력부
5 : 제1멀티플렉시 6 : 메모리부
7 : D/A 컨버터 8 : 레벨 쉬프터
9 : 이득 제어부 10 : 아날로그 스위치
11 : 파워 앰프 12 : 매칭트랜스
13 : 16채널 출력부 14 : 에프이에스(FES) 타임제어부
15 : 내부어드레스 카운터 16 : 타임 발생부
17 : 펄스폭 제어부 18 : 출력채널 선택 카운터
19 : 메모리 채널 선택스위치 20 : 제2멀티플렉서
본 발명은 의료용 전기자극장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히, 신경마비 환자에서 운동기능을 복원시켜 주기 위한 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법에 관한 것이다.
의학계에서 신경계의 질환이나 손상은 운동 및 감각기능의 장애, 근위축, 무혈선 괴사 등을 초래하는 것으로 보고되어 왔다. 그러나, 신경계의 질환에 대해서는 그 원인만을 제거하는 치료법이 지금까지 사용되어 왔으며, 마비된 운동기능이나 감각기능 등의 회복을 위한 치료법은 매우 미약한 실정에 있다. 신경계의 손상에 의하여 초래되는 감각기능은 시일이 점차 경과함에 따라 어느 정도 회복되지만 운동기능의 회복은 기대하기 어려우며, 이러한 운동기능의 상실은 일상 생활에서 가장 기본적인 동작까지도 수행할 수 없는 신체장애자가 되는 것은 말할 것도 없고 이들은 근위축과 무혈성 괴사 등을 영구적으로 동반한다.
한편, 최근 중추신경계의 손상으로 인한 마비된 운동기능의 복원을 위하여 전기자극법이 이용되고 있다. 이 전기자극법은 마비된 근의 위축을 방지하고 수축력을 증가시키며 혈액순환을 증가시킬 목적으로 단순하게 근의 수축과 이완만을 반복하는 치료적 전기자극법과 사지마비환자나 하지마비환자 등에서 상지나 하지의 운동기능을 인위적으로 복원시키기 위한 기능적 전기자극법이 개발되고 있는 실정에 있다.
본 발명에서는 신경계의 손상으로 인하여 마비된 근의 운동기능을 복원시키기 위한 기능적 전기자극기에 관하여 언급하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상기한 점에 감안하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 하반신 마비환자에서 전기자극에 의하여 보행기능을 복원시키기 위한 전기자극 패턴을 작성하고, 하지근의 특성에 적합한 자극조건을 설정하며, 하지근의 관절에서 공동근의 수축특성을 관찰하여 적합한 자극강도를 임상실험에 적용할 수 있도록 한 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치는, 컴퓨터 그래픽으로 디자인된 파형을 컴퓨터의 내부에 설치된 슬롯으로 출력시키는 자극패턴 출력수단과; 상기 자극패턴을 FES 타임과 시분할 타임에 따라 16개의 서로 다른 채널로 메모리에 저장시키는 자극패턴 처리수단과; 상기 메모리에 저장된 자극패턴을 일정 주파수 대역 및 펄스폭을 갖도록 디지털/아날로그 변환하여 출력하는 전기자극패턴 출력수단과; 상기 전기자극패턴 출력수단에서 전송된 16채널의 자극패턴을 상지근 또는 하지근에 자극하기 위한 휴대용 자극수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 운동기능 복원용 전기자극방법은, 임의의 동작에 사용되는 근의 활동성을 정상인으로부터 근전도를 기록 및 분석하여 각 동작에 대한 각 근들의 전기자극패턴을 작성하는 단계와; 상기 단계의 전기자극패턴에 따라 최대 16개의 근을 수축시킬 수 있는 자극패턴을 휴대용 기능적 전기자극기에 전송하여 입력시키는 단계와; 상기 기능적 전기자극기로부터의 자극패턴을 마비된 근에 삽입하여 연결된 전극을 통하여 각 근에 전달함으로써 각 근이 상기 자극패턴에 의하여 임의의 동작을 수행하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하고 있다.
이하, 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치 및 그 방법의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치를 나타낸 개략적 블록도이고, 제2도는 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치를 구체화시킨 블록도이다.
본 발명의 실시예 설명에 앞서서 기능적 전기자극법의 원리는 마비된 근을 지배하는 신경의 운동점(motor point)에 외부의 전기자극기로부터 중추신경계에서의 명령과 유사한 전기자극을 가하여 근을 수축시킴으로써 임의의 동작을 가능하게 하는 방법을 말한다.
다시 말하면, 척추손상으로 인한 하반신마비 환자에서 보행기능을 전기자극기에 연결하고, 이 전기자극기는 정상인의 보행동작 시 얻어진 각 근의 근전도를 대상으로 작성한 자극패턴을 입력시킨 것으로, 전기자극이 주어지면 각 근이 정상인의 근과 비슷한 양상으로 수축함으로써 보행이 이루어지게 된다.
제1도를 참조하면, 첫째, 임의의 동작에 사용되는 근의 활동성을 정상인으로부터 근전도를 기록하여 분석함으로써, 각 동작에 대한 각 근들의 전기자극패턴을 작성한다.
즉, 임의의 동작에 대해서 각 근으로부터 측정한 수축시간 및 수축강도 등을 대상으로 각 근에서 동일한 반응을 발생할 수 있는 자극시간 및 자극강도 등을 결정하는 자극패턴을 컴퓨터(PC)에서 설정한다.
둘째, 최대 16개의 근을 수축시킬 수 있는 자극패턴을 휴대용 기능적 전기자극기(16채널 D/A 변환부)에 전송하여 입력시킨다.
셋째, 휴대용 기능적 전기자극기로부터의 자극패턴은 마비된 근에 삽입하여 연결된 전극을 통하여 각 근에 전달됨으로써 기능적 전기자극기로부터 출력된 자극 패턴에 의하여 임의의 동작을 수행할 수 있다.
따라서, 운동기능이 마비된 근의 기본적인 동작은 하지에서의 보행기능, 상지에서는 물건을 잡는 동작 등을 수행할 수 있다.
여기서, 신경마비 환자에서 인위적으로 운동기능을 복원시킬 수 있는 기능적 전기자극기의 제작을 위해서는 전기자극의 조건 및 전기자극기의 구성이 매우 중요한 요소로 작용한다.
왜냐 하면, 마비된 근을 수축시키기 위하여 외부로부터 전기자극이 주어지면 쉽게 근 피로현상을 초래하여 전기자극에 대하여 근이 반응하지 않기 때문이다.
따라서, 근 피로현상을 가능하면 감소시키기 위하여 각 근의 특성에 적합한 전기자극조건을 설정하여야 한다.
즉, 골격근은 지근(slow muscle)과 속근(fast muscle)으로 구성되어 있으며, 전자는 주로 오랜 시간동안 강한 수축력을 생성할 수 있는 근으로 대부분의 항중력근들이 속하며, 후자는 순간적으로 강한 힘을 생성할 수 있는 근들이다.
이처럼 지근과 속근은 그 수축특성이 판이하기 때문에 전기자극 조건에서도 차이를 갖는다.
본 발명의 임상 실험결과에 따르면, 진폭변조시스템(amplitude modulation system)에 의하여 지근은 0.2ms, 20Hz, 40Hz가 가장 적합한 전기자극조건으로써 근피로를 최소화할 수 있었다.
또한, 전기자극장치는 마비된 근을 정상처럼 수축시킬 수 있는 자극패턴을 발생할 수 있어야한다.
즉, 임의의 동작을 행하고자할 때 정상인의 근전도를 분석하여 이와 동일한 근전도를 발생할 수 있는 자극패턴을 각 근을 대상으로 작성하고 이를 기능적 전기자극장치에 입력시킨 후, 마비된 근을 지배하는 운동점에 연결된 전극을 통하여 전기자극을 전달하여 근을 수축시켜서 임의 동작을 가능하게 한다.
따라서 임의의 동작에 대하여 각 근의 근전도를 대상으로 컴퓨터(PC)에서 자극패턴을 작성하고, 이를 휴대용인 기능적 전기자극장치에 전송시켜 저장한 후, 필요에 따라 사용하여야 하기 때문에 기능적 전기자극장치는 컴퓨터(PC)에서 작성된 여러 개의 자극패턴을 빠른 시간 내에 입력시킬 수 있어야 하고, 환자에서 삽입된 전극을 통하여 전기자극을 효과적으로 출력시켜야하며, 휴대가 간편하면서 사용이 간편해야 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전기자극장치는 컴퓨터(PC)의 그래픽으로 디자인된 파형을 컴퓨터의 내부에 설치된 슬롯으로 출력시키고, 이를 입출력 회로를 통하여 256Kbit의 메모리부에 16개의 서로 다른 신호로 저장한 후, 20Hz 및 40Hz의 주파수로 0.2ms의 펄스폭을 갖는 출력이 될 수 있도록 메모리부의 주소를 시 분할하여 자료를 한 개의 D/A(digital/analog)컨버터에 인가시키고, 다시 동기화하여 16개의 수집된 신호를 얻어서 증폭한 후, 인체에 자극을 가할 수 있도록 구성되어 있다.
이에 대하여 제2도를 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
프로그램 입력부(1)는 80286이상의 처리속도와 칼라모니터를 구비하여 근전도를 대상을 자극패턴을 프로그래밍하거나 후단의 프로그램 출력부(2)를 제어한다.
상기 프로그램 출력부(2)는 8255 포트 출력단으로 구성되며, 메모리부(6)에 주소 및 저장 데이터를 지정한다.
데이터 출력부(3)는 메모리부(6)에 작성된 자극패턴에 따른 데이터를 제공하며, 어드레스 출력부(4)는 각각의 채널에 필요한 어드레스를 제공한다.
또한, 제1멀티플렉서(5)는 상기 어드레스 출력부(4)의 어드레스와 내부 어드레스 카운터(15)의 제어신호에 따라 메모리부(6)에 저장할 번지수를 지정한다.
메모리부(6)는 본 발명의 전기자극장치를 핵심요소로서 1개의 256Kbit용량에 자극패턴에 따른 16채널의 데이터를 저장할 수 있도록 한다. 이때, 메모리부(6)내의 주소 A0~A3는 4비트 채널선택용으로 사용하고 있으며, A4~Al4는 각 채널별 주소를 바꾸어 줄 수 있도록 이미 지도화 되어있다. 또, 상기 메모리부(6)는 자료의 장시간 보관을 위하여 씨모스 에스램(CMOS SRAM)을 사용하였다.
D/A(digital/analog)컨버터(7)는 메모리부(6)에서 출력된 16개의 신호를 시분할형식으로 받아들여 혼합된 아날로그 신호로 출력한다. 이때, D/A컨버터(7)의 출력단에 접속된 레벨쉬프터(8)는 상기 D/A컨버터(7)에서 출력된 신호의 오프셋 전압을 조정한다.
또한, 이득 제어부(9)는 데이터값의 출력에 필요한 전압의 크기만큼이나 증폭하며, 아날로그 스위치(10)는 상기 D/A컨버터(7)에서 출력된 파형을 각 채널별로 분배하여 원래의 파형을 펄스파형으로 출력시킨다.
파워앰프(11)는 펄스전압의 신호를 전류 증폭하기 위한 에미터 플로워(emitter follower) 증폭한 것이며, 매칭 트랜스(12)는 전력 증폭된 펄스성 신호를 인체에 적합한 임피던스로 변환시키고 직류전류의 성분을 차단하기 위한 것이다. 또, 16채널 출력부(13)는 펄스성 전압을 8채널씩 분할하여 휴대용 전기자극장치로 출력시킨다.
한편, 에프이에스(FES) 타임제어부(14)는 에프이에스(FES: Functional Electrical Stimulation)의 1주기 시간을 제어하기 위한 신호를 발생시키며, 내부 회로의 주기를 변화시켜 줌으로써 동작의 시간을 제어할 수 있다.
내부 어드레스 카운터(15)는 메모리부(6)의 자체 주소를 변환시키고, 메모리부(6)에 제공되는 10개의 어드레스 비트를 제어하고 있다.
채널선택 카운터(16)는 16개의 채널이 순서대로 선택될 수 있도록 시간을 발생하며, 펄스폭 제어부(17)는 R-C발진에 의하여 발생된 5KHz의 신호를 16분주 및 8분주하고 이를 앤드게이트(AND GATE) 처리하여 펄스폭=0.2ms, 주기=3.125ms와 1.56ms가 될 수 있도록 처리하여 각 채널들에 공급함으로써 3.125ms×16CH = 50ms= 20Hz, 1.56ms×16CH=25ms=40Hz의 신호가 나올 수 있도록 제어한다.
출력 채널 선택 카운터(18)는 회로의 출력부에서 아날로그 스위치(10)가 채널별로 작동될 수 있도록 스위칭 타임을 제어해준다.
메모리 채널 선택 스위치(19)는 컴퓨터에서 출력된 신호를 받아들일 때 사용자가 저장한 채널을 선택할 수 있도록 하는 스위치이며, 제2멀티플렉서(20)는 컴퓨터에서 출력된 신호를 받아들일 때 사용자가 저장할 채널을 선택한 경우 다른 주소회로는 차단하고 BCD 스위치만 작동될 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기한 하드웨어 구성을 참고로 하여 전기자극장치의 프로그램 입력 단계를 제3도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전기자극장치에 입력되는 프로그램은 터보 C(TURBO C)언어를 사용하여 한글 메뉴방식으로 작동하여 마우스를 이용하여 실행하도록 하였으며, 휴대용 자극장치에서 수행하고자 하는 동작을 저장시키기 위하여 컴퓨터(PC)상에서 16개의 파형을 작성하고 틀린 부분을 수정한 후, 휴대용 자극장치로 전송하는 화면으로 구성되어 있으며, 프로그램을 실행시키면 제3도와 같은 초기화면이 나타난다.
제3도를 참조하면, 상기 초기화면에서 마우스를 움직이면, 좌표측 X, Y값이 변한다.
상기 X, Y값은 파형을 그릴 때 정확성을 기하기 위한 보조 수치값이다.
파형은 200×400개의 점으로 구성되며, 그 값은 X와 Y에 표시되고, 수치값은 화면에 표시된 수치를 소수점 한자리까지 나타낸다.
각각의 메뉴에 대한 설명은 아래와 같다.
1. 화면지움 : 화면상의 그래프를 지운다.
2. 화면정리 : 화면상의 그래프를 다시 그려 정리하고자할 때 사용한다.
3. 파형수정 : 화면상의 그래프의 일부분을 수정하고자할 때 사용한다. 즉, 마우스의 왼쪽 버턴을 누른 채로 구간을 지정한 후 다시 놓으면 구간이 지워진다.
4. 파형저장 : 현재 화면상의 그래프를 파일(file)로 저장하고 이는 키보드에서 파일명을 입력하여야 한다.
5. 파형읽기 : 지정한 그래프파일은 읽어 순차적으로 색을 바꾸며 화면에 표시한다.
6. 파형전송 : 화면상의 파형을 휴대기로 전송한다.
7. 파일삭제 : 보조기억장치(FDD, HDD)에 기 저장된 파일을 지운다.
8. 종료 : 프로그램의 실행을 끝낸다.
상기와 같은 화면상에서 마우스의 버튼 용도를 살펴보면, 먼저, 왼쪽 버튼의 용도는 그래프 좌표 안에서 그래프를 그리거나 지울 때 왼쪽 버튼을 누르고, 메뉴 좌표 안에서 화면의 메뉴를 선택할 때 누른다. 그리고, 오른쪽 버튼의 용도는 왼쪽 버튼으로 눌러 그린 그래프를 완성시키고자할 때 누른다.
이는 제4도의 프로그램 작성에 따른 동작 플로우차트를 참조하면 되는데 그 흐름은 상술한 바와 같다.
먼저, 사용자가 파형편집 화면 및 메뉴 선택 단계로 진입하면, 편집영역, 메뉴영역, 화면지움, 화면정리, 파형수정, 파형저장, 파형전송, 파일삭제, 배율, 종료 등을 임의로 선택할 수 있다.
또한, 상기 편집영역에서는 마우스 입력에 따라 왼쪽 버튼 온, 완성된 위치, 오른쪽 버튼 온을 각각 선택하여 커서를 이동시킨 후, 편집을 수행할 수 있다.
또한, 파형수정 단계에서도 동일하게 왼쪽 버튼 온/오프, 왼쪽 버튼 온 및 오른쪽 버튼 온에 의해 화면정리를 수행할 수 있다.
상기한, 본 발명에 따른 운동기능 복원용 전기자극장치 및 방법에 의한 임상 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제1, 2 요추 손상으로 인한 하반신 마비로써 보행불능, 근위축, 강직성 수축 및 통증을 갖는 40세와 50세의 남자 환자 2명을 대상으로 본 발명에서 제시된 전기자극장치를 사용하였다. 이들 환자에서 본 발명의 전기자극장치는 보행동작을 할 때뿐만 아니라 근위축을 방지할 목적으로 앉아 있거나 누워 있는 자세에서 하루 2-3시간 자극함으로써 근수축력을 증가시켰다. 4주동안 전기자극에 의해서 족관절의 앵클 클로우너스(ankle clonus; 근육의 간헐성 경련)가 현저히 감소함으로써, 강직성 수축이 감소되었으며, 8주 후에는 트레드밀(treadmill) 훈련이 가능하였으며(대략 2m/sec정도임), 전기자극에 의하여 일어나서 보조기에 의존한 보행이 가능하였다.
또 다른 임상결과로서, 40세의 요추(腰椎) 손상환자로 손상 1년 후부터 전기자극을 시도하여 10개월 후의 보행자세를 보인바, 초기에는 양측 하지의 족관절, 슬관절, 고관절에서 굴전 및 신전력이 모두 Mo에 해당하였으며, 보조기에 의한 보행도 불가능하였다.
그러나, 10개월 동안의 전기자극 후에 하지 각 관절의 수축력은 M2-M4로 향상되었으며, 전기자극에 의해서 보조기의 지지에 의한 보행이 가능하였다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 운동기능 복원용 전기자극장치 및 방법에 의하면, 하반신마비환자에게 적용하였을 때, 기계적인 보행이 가능할 뿐만 아니라 또 근위축과 무혈성 괴사가 예방되고 근수축력이 증가되었으며, 혈액 순환이 호전되는 전기자극의 생리적 효과를 가져왔으나 합병증은 출현하지 않았다.

Claims (4)

  1. 임의의 동작에 사용되는 근(筋)의 활동성을 정상인으로부터 근전도를 기록 및 분석하여 컴퓨터 그래픽으로 디자인된 파형을 컴퓨터의 내부에 설치된 슬롯으로 출력시키는 자극패턴 출력수단과; 상기 자극패턴을 에프이에스(FES) 타임과 시분할 타임에 따라 16개의 서로 다른 채널로 메모리에 저장시키는 자극패턴 처리수단과; 상기 메모리에 저장된 자극패턴을 일정 주파수 대역 및 펄스폭을 갖도록 디지털/아날로그 변환하여 출력하는 전기자극패턴 출력수단과; 상기 전기자극패턴 출력수단에서 전송된 16채널의 자극패턴을 상지근 또는 하지근에 자극하기 위한 휴대용 자극수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 운동기능 복원용 전기자극장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨터 그래픽 상에 각 근육에 대한 자극패턴은 마우스를 사용하여 작성함을 특징으로 하는 운동기능 복원용 전기자극장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨터 그래픽에 적용되는 프로그램은 터보 C언어로 이용하고 한글메뉴방식으로 마우스를 이용하여 실행함을 특징으로 하는 운동기능 복원용 전기자극장치.
  4. 제1항에 있어서, 근(筋)들을 전기 자극하기 위한 전기자극 조건이 속근(fast muscle)은 0.2ms, 40Hz, 지근(slow muscle)은 0.2ms, 20Hz로 되도록 진폭변조에 의해 설정됨을 특징으로 하는 운동기능 복원용 전기자극장치.
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