KR100310305B1 - 휴대형 전기 자극기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하지 또는 상지 부분의 신경계 마비 환자 등을 대상으로 마비된 근육의 감각이나 운동기능을 복원시키기 위해 표피전극형 전기자극 요법으로 치료함에 있어서, 해당 근육의 복성에 알맞은 전기자극의 형태를 선택적으로 결정하는 것이 가능하고 전기적인 마사지 기능을 발휘할 수 있는 전기자극 치료기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 목적은 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력 변화를 근거로 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술할 제어수단측으로 출력하는 보행 감지수단과; 복수개의 기능적 전기자극 모드, 치료용 전기자극 모드, 근육피로의 회복을 위한 마사지 모드 중 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 모드선택부(2)와; 상기 복수개의 기능적 전기자극 모드, 치료용 전기자극 모드, 근육피로의 회복을 위한 마사지 모드에 대응되는 각각의 전기자극 패턴을 미리 저장해 두고, 상기 모드선택부(2)의 출력신호에 따라 해당 패턴의 스위칭 제어신호를 출력하는 마이크로프로세서(6)와; 입력전원을 일정 레벨 이상의 직류전압으로 변환하고 상기 마이크로프로세서(6)에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따른 그 직류전압을 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극 파형을 출력하는 출력수단에 의해 달성된다.

Description

휴대형 전기 자극기{PORTABLE ELECTRICAL STIMULATOR}

본 발명은 인체의 신경계 손상으로 인하여 손실된 감각기능이나 운동기능을 전기자극 요법으로 치료하는 기술에 관한 것으로, 특히 하지 또는 상지마비 환자 등을 대상으로 마비된 근육의 감각이나 운동기능을 복원시키기 위해 표피전극형 전기자극 요법으로 치료할 때 해당 근육의 복성에 알맞은 전기자극의 형태를 선택적으로 결정하는 것이 가능하고 전기적인 마사지 기능을 발휘하는데 적당하도록한 휴대형 전기 자극기에 관한 것이다.

인체의 신경계통 질환이나 손상은 운동기능과 감각기능의 장애를 초래하고, 경우에 따라 근육 위축이나 무혈성 괴사등을 초래하기도 한다. 그럼에도 불구하고 지금까지는 신경계 질환에 대해 단순히 원인만을 제거하는 치료법이 주로 사용되고 있는 실정에 있다.

신경계 손상에 따른 감각기능이나 운동기능의 손실은 손상 정도에 따라 다소 차이가 있으나 각종 사고에 의한 중추신경의 절단이나 손상의 경우 완전한 회복을 기대하기가 거의 불가능하며, 뇌졸증과 같은 신경계 질환에 의한 신경손상 역시 부분적인 회복 또는 장기적인 기능장애를 초래한다. 더욱이 이로 인한 운동기능 및 감각기능의 상실은 일상생활을 영위하는데 가장 기본적인 동작마저 제한하고, 장시간 근육을 사용하지 못함에 따른 근육 위축과 혈액순환 장애에 따른 피부괴사를 초래하기도 한다.

최근들어, 중추신경계 손상으로 인한 마비환자의 운동기능을 회복시키기 위해 몇가지의 전기자극 치료법이 제안되었다. 이 전기자극 치료법은 마비된 근육이 위축되는 것을 방지하고 근육의 수축력 증가를 도모하며 근육의 피로를 억제함과 아울러 혈액순환의 촉진을 목적으로 한다. 이러한 전기자극 치료법은 근육의 수축과 이완 운동을 반복하는 치료적 전기자극법과, 하지 및 상지마비 환자에 대해 인위적인 전기자극으로 해당 부위의 운동기능을 복원시키거나 촉진시키기 위한 기능적 전기자극법을 들 수 있는데, 이들의 치료원리를 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 인체의 살아 있는 조직에 전기를 공급하면 신경세포의 활동전위(Action Potential)가 유발되어 근육의 수축작용이 일어난다. 가령, 인체에 골고루 퍼져있는 신경의 특정 가지에 전기자극을 가할 경우 특정 근육이 수축하게 되고, 이에 의해 운동이 유발된다.

이와 같은 원리를 이용하여, 신경의 손상으로 인해 더 이상 자위적으로 운동기능을 제어하지 못하는 근육에 전기자극을 가하여 운동을 유발하고, 이러한 운동을 복원하기 위해 시간에 따른 힘의 세기를 적절히 조절함으로써 특정한 움직임을 만들어내는 기능적인 자극을 유도할 수 있게 된다.

지금까지의 이러한 기능적 전기자극기는 주로 교통사고, 산업재해, 뇌졸중 등으로 인한 신경마비 환자의 마비근을 재활 치료 및 운동기능을 보조하는데 사용되었으며, 이러한 기능적 전기자극 시스템은 크게 삽입전극형 전기자극기와 표피전극형 전기자극기로 나뉘어 진다.

상기 삽입전극형 전기자극기는 해당 근육 또는 해당 근육을 관장하는 신경에직접 전기자극을 가하기 때문에 원하는 근육에 선택적으로 운동을 유발할 수 있고, 자극을 시작할때마다 매번 자극점을 찾아야 하는 불편함이 없으며, 적은 용량의 전원으로도 강한 근수축을 유발하고 오래 동안 재 충전없이 사용할 수 있다.

그러나, 상기의 삽입전극형 전기자극기에 있어서는 전극을 삽입하기 위하여 수술과정을 필요로 하고, 피부로 노출된 전선부에 세균감염에 의한 염증의 우려가 있기 때문에 위생상태에 각별히 신경을 써야 하는 불편함이 있었다. 또한 수술로 인하여 비용이 많이 추가되고, 환자의 정신적 부담을 가중시키게 되는 결함이 있었다.

한편, 표피전극형 전기자극기는 전극의 부착과 해체가 쉬우며, 세균의 감염 우려가 없고, 시술에 소요되는 경비와 환자의 심리적 부담이 적다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 상기 표피전극형 전기자극기를 사용하는 경우, 원하는 근육 하나 하나를 선택적으로 자극할 수 없기 때문에 섬세한 동작을 제어하는데 어려움이 있다. 또한, 환자가 어떤 동작을 취하고자 할 경우, 근육에 가해진 전기자극에 의해 피로가 가중되고 장기간 전기자극이 이루어질 경우 쉽게 근육의 토크가 감소하기 때문에 장시간 연속적인 자극이 불가능하게 되는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 기본적으로 표피전극형 전기자극기를 채용하되, 마비근육의 감각 및 운동기능을 복원시키는데 적당하도록 여러 가지의 전기적인 자극 파형을 설정해 두고, 필요에 따라 원하는 전기자극 형태를 선택적으로 출력하며, 근육의 피로를 억제하는데 적당한 전기적인 마사지 모드를 제공하는 휴대형 전기 자극기를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 휴대형 전기자극 장치의 예시 블록도.

도 2는 도 1에서 보행감지 센서의 일실시 구현예를 보인 종단면도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1 : 배터리상태 표시부 2 : 모드선택부

3 : 자극주기 선택부 4 : 발진기

5 : 보행감지 센서 6 : 마이크로프로세서

7 : 리세트부 8 : 자극상태 표시램프

9 : 정전압부 10 : 충/방전 감시부

11 : 전압조절부 12 : 승압부

13 : 정류부 14 : 스위칭부

15 : 과전압보호기

본 발명의 목적을 달성하기 위한 휴대형 전기 자극기는 하지 또는 상지마비 환자 등에 대한 근육의 감각 및 운동기능을 복원시키는데 적당하도록 여러 가지의 전기적인 자극 파형을 설정해 두고 있다가 요구되는 전기자극 파형을 선택적으로 출력하며, 근육의 피로를 억제하는데 적당한 전기적인 마사지 모드를 제공하는 전기자극 장치와; 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력 변화를 근거로 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 상기 전기자극 장치에 출력하는 보행 감지센서와; 상기 전기자극 장치에서 출력되는 전기자극 파형이나 마사지 출력을 환자의 해당 근육부위에 전달해 주는 전극부로 구성하였다.

도 1은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 휴대형 전기자극 장치의 일실시 예시 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 정전압부(9)에 장착된 배터리의 잔류전압을 표시하는 배터리상태 표시부(1)와; 복수개의 기능적 전기자극 모드, 치료용 전기자극 모드, 근육피로의 회복을 위한 마사지 모드 중에서 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 선택신호를 출력하기 위해 선택스위치를 구비한 모드선택부(2)와; 상기 치료용 전기자극 모드에서 근육에 가해지는 전기자극의 주기 시간을 설정하기 위한 자극주기 선택부(3)와; 후술할 마이크로프로세서(6)에서 필요로 하는 소정 주기의 클럭신호를 공급하는 발진기(4)와: 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력 변화를 근거로 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술할 마이크로프로세서(6)측으로 출력하는 보행감지센서(5)와; 상기 모드선택부(2)의 모드선택 출력신호에 따라 여러 가지의 전기적인 자극 파형 중에서 해당 패턴의 전기자극 파형이 출력되고, 필요에 따라 근육의 피로를 억제하는데 적당한 전기적인 마사지 출력이 발생되도록 스위칭 제어신호를 출력하는 마이크로프로세서(6)와: 파워가 온될 때 상기 마이크로프로세서(6)를 자동으로 초기화시키기 위한 리세트부(7)와: 출력되는 전기자극의 상태를 표시하기 위한 자극상태 표시램프(8)와; 충전용 배터리를 장착하여 전기자극 장치에 안정화된 직류전압을 공급하는 정전압부(9)와; 상기 배터리의 충/방전 상태를 감시하는 충/방전 감시부(10)와; 사용자의 요구에 따라 상기 정전압부(9)의 출력전압 레벨을 조절하는 전압조절부(11)와; 상기 전압조절부(11)의 출력전압을 전기자극이 가능한 레벨의 교류전압으로 승압시키는 승압부(12)와; 상기 승압부(12)에 의해 일정 레벨로 승압된 교류전압을 정류하여 고압의 직류전압으로 변환하는 정류부(13)와; 상기 정류부(13)로부터 출력되는 높은 레벨의 직류전압을 상기 마이크로프로세서의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극 펄스를 생성하는 스위칭부(14)와; 어떤 이유로 인하여 상기 스위칭부(14)에서 허용된 레벨 이상의 자극펄스가 출력되는 것을 방지하기 위한 과전압 보호기(15)로 구성하였다.

상기 마이크로프로세서(6)의 내부 구성요소로서, 마이크로프로세서(6)의 동작상태를 감시하여 동작 정지상태로 될 때 자동으로 복귀시키는 워치독(6A)과; 정전압부(9)의 배터리 잔류전원을 확인할 수 있도록 충/방전 감시부(10)를 통해 검출되는 아날로그 전압을 디지털 값으로 변환하는 A/D변환기(6B)와; 자극펄스파를 생성하기위한 타이머(6C)가 있다.

도 2는 상기 도 1에서 보행감지 센서(5)의 일실시 구현예를 보인 종단면도로서 이에 도시한 바와 같이, 탄력성이 양호한 재질로 조성되고, 중앙부위에 탄력지지되는 접촉편(51A)을 내장한 상판(51)과; 상기 상판(51)의 일측면과 결합되고, 사용자의 보행에 의해 그 상판(51)의 상부에 압력이 가해질 때 상기 접촉편(51A)과 접촉되어 통전상태(스위치 온상태)로 되는 인쇄회로기판(52)으로 구성되었다.

이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

사용자가 전기자극 치료를 받고자 하는 경우, 도 1과 같은 전기자극 장치의 출력단(OUT)과 연결되는 전극부를 하지 또는 상지 중 치료받고자 하는 부위에 그 전극부를 고정시키고, 보행감지 센서(5)를 신발의 바닥면이나 내부에 장착한 후 파워스위치를 온시킨다.

이에 따라 정전압부(9)에서 출력되는 배터리전압이 전압조절부(11)를 통해 요구된 레벨로 조정된 다음 승압부(12)에 공급되어 전기자극이 가능한 레벨의 교류전압으로 승압된다. 이렇게 승압된 교류전압이 정류부(13)에 의해 정류되고, 그 정류된 전압이 스위칭부(14)에서 마이크로프로세서(6)의 타이머(6C)에 의해 소정의 패턴으로 스위칭된다. 이에 따라 상기 출력단(OUT) 및 전극부를 통해 치료부위에 해당 패턴의 전기자극 파형이 공급된다.

이때, 상기 마이크로프로세서(6)는 보행감지 센서(5)를 통해 사용자의 보행 동작을 파악하고, 그 보행동작에 동기하여 사용자가 모드선택부(2)를 통해 요구한 패턴의 전기자극 파형이 출력되도록 내부의 메모리에 기 저장되어 있는 다수의 전기자극 패턴 중에서 해당 패턴을 선택하여 타이머(6C)를 셋팅하게 된다.

참고로, 인체의 근육은 빠르고 순간적으로 강한 힘을 내지만 피로가 빨리 오는 속근과, 힘을 발휘하는 속도는 느리지만 오래 동안 계속된(지속적인) 힘을 발휘하여도 피로가 느리게 오는 지근으로 대별된다.

그런데, 상기 속근은 비교적 높은 주파수인 40Hz 정도에서 반응하는 알려져 있으며, 지근은 그보다 낮은 주파수인 20Hz에서 반응하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 이러한 근육특성을 감안하여 전기자극 패턴을 설정하였다. 또한 근육의 운동과 연동하여 마비환자자 보행하는데 도움을 주는 전기자극 패턴을 제공하며, 근육의 피로를 억제하기 위한 마사지 용도의 전기자극 패턴을 제공한다.

도 1과 같은 전기자극 장치의 실시예에서는 20Hz, 30Hz, 40Hz의 전기자극 패턴과 30Hz에 12.5KHz의 마이크로파를 포함하는 0.2msec의 트리거 주파수를 사용한다. 환자와 정상인을 상대로 실험한 결과 지근에는 20Hz가 효과적이고, 속근에는 40Hz가 효과적인 것으로 나타났다. 또한 상기 30Hz와 30Hz에 마이크로파를 포함(30Hz+12.5KHz)하는 두 개의 전기자극 패턴은 지근과 속근에 동시에 존재하는 근육에 사용하기 위해 제안된 것이다.

상기와 같은 전기자극 패턴에 관련하여, 상기 모드 선택부(2)에서 2개의 기능적 전기자극모드, 4개의 치료용 전기자극모드, 근피로의 회복을 위한 4개의 마사지 모드 중 원하는 자극모드를 선택할 수 있도록 선택스위치를 구비하였다.

상기 기능적 전기자극모드는 상기 보행감지 센서(5)와 연동되어 동작하는 모드로 그 보행감지 센서(5)의 스위치가 단락될 때 즉, 접촉편(51A)과인쇄회로기판(52)이 접촉될 때 전기자극이 이루어지는 제1의 기능적 전기자극모드와, 떨어질 때 동작하는 제2의 기능적 전기자극모드가 있다.

치료용 전기자극모드에는 지근에서 우수한 효과를 나타내는 20Hz의 주파수 성분을 갖는 제1의 치료용 전기자극모드와 30Hz의 주파수 성분을 갖는 제2의 치료용 전기자극모드, 40Hz의 속근에서 우수한 효과를 나타내는 제3의 치료용 전기자극모드, 그리고 중간의 근육에 작용하는 30Hz에 12.5KHz의 합성파를 이용하는 제4의 치료용 전기자극모드가 있다. 이때, 모든 치료용 전기자극기의 자극 펄스폭은 0.2msec로 하였다.

또한, 상기 마사지 모드에는 두드리는 효과를 나타내는 제1의 마사지모드와, 주무르는 효과를 나타내는 제2의 마사지모드와, 연속적으로 약하고 빠르게 두드리는 효과를 나타내는 제3의 마사지모드와, 상기 제1-3의 마사지모드를 적당히 합성한 제4의 마사지모드가 있다.

한편, 배터리상태 표시부(1)는 상기 정전압부(9)에 장착된 배터리의 잔류전압을 표시하게 되므로, 사용자가 그 표시상태를 보고 휴대형 전기자극기의 잔여 사용가능시간을 짐작할 수 있게 된다. 자극주기 선택부(3)는 상기 각 전기자극모드에서 출력되는 자극펄스의 폭을 사용자의 요구에 따라 임의로 설정하기 위해 마련된 것이고, 발진기(4)는 상기 마이크로프로세서(6)에서 필요로 하는 클럭신호를 공급한다.

상기 보행감지 센서(5)는 도 2에서와 같이, 탄력성이 양호한 재질(예: 실리콘 고무)로 조성된 상판(51)의 일측면이 인쇄회로기판(52)과 결합된 상태로 되어 있는데, 그 상판(51)의 중앙부위에는 탄력지지되는 접촉편(51A)이 장착되어 있다. 따라서, 사용자가 보행할때마다 그 상판(51)의 타측면에 압력이 가해져 상기 접촉편(51A)과 인쇄회로기판(52)이 접촉되어 통전상태(스위치 온 상태)로 되며, 그에 따른 감지신호가 상기 마이크로프로세서(6)에 전달된다.

또한, 상기 마이크로프로세서(6)는 워치독(6A), A/D변환기(6B), 타이머(6C)를 내부 구성요소로 하는데, 그 워치독(6A)은 마이크로프로세서(6)의 동작상태를 감시하여 동작 정지상태로 될 때 자동으로 복귀시키는 기능을 수행하며, A/D변환기(6B)는 정전압부(9)의 배터리 잔류전원을 확인할 수 있도록 충/방전 감시부(10)를 통해 검출되는 아날로그 전압을 디지털 값으로 변환하는 기능을 수행하고, 타이머(6C)는 상기와 같은 각종 전기자극 모드가 수행되도록 마이크로프로세서(6)에 의해 해당 패턴으로 셋팅되어 상기 스위칭부(14)의 스위칭 동작을 제어한다.

이밖에, 리세트부(7)는 전기자극기의 파워가 온될 때 상기 마이크로프로세서(6)를 자동으로 초기화시키기 위한 것이고, 자극상태 표시램프(8)는 도 1과 같은 전기자극 장치에서 출력되는 전기자극의 상태를 표시하기 위해 마련된 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 표피전극형 전기자극 시스템에서 기능적 자극모드와 치료적 자극모드 그리고 마사지 모드를 마련하여 근육의 조건과 상태에 따라 적절한 자극패턴을 선택적으로 출력할 수 있게 함으로써, 섬세한 제어동작이 가능하게 되고 전기자극에 의한 피로가 해소되어 연속적인 자극이 가능하게 되므로 근육의 치료효과를 극대화할 수 있는 이점이 있다.

Claims (10)

1. 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력 변화를 근거로 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술할 제어수단측으로 출력하는 보행 감지수단과; 복수개의 기능적 전기자극 모드, 치료용 전기자극 모드, 근육피로의 회복을 위한 마사지 모드 중 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 모드선택수단과; 상기 복수개의 기능적 전기자극 모드, 치료용 전기자극 모드, 근육피로의 회복을 위한 마사지 모드에 대응되는 각각의 전기자극 패턴을 미리 저장해 두고, 상기 모드선택수단의 출력신호에 따라 해당 패턴의 스위칭 제어신호를 출력하는 제어수단과; 입력전원을 일정 레벨 이상의 직류전압으로 변환하고 상기 제어수단에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따른 그 직류전압을 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극 파형을 출력하는 출력수단과; 상기 출력수단으로부터 출력되는 전기자극 파형이나 마사지 출력을 환자의 해당 근육부위에 전달해 주는 전극부로 구성한 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
2. 제1항에 있어서, 제어수단의 기능적 전기자극 모드는 상기 보행감지수단의 스위치가 단락될 때 전기자극이 이루어지는 제1의 기능적 전기자극모드와, 떨어질 때 동작하는 제2의 기능적 전기자극모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
3. 제1항에 있어서, 제어수단의 치료용 전기자극모드는 20Hz의 주파수 성분을 갖는 제1의 치료용 전기자극모드와; 30Hz의 주파수 성분을 갖는 제2의 치료용 전기자극모드와; 40Hz의 속근에서 우수한 효과를 나타내는 제3의 치료용 전기자극모드와; 중간의 근육에 작용하는 30Hz에 12.5KHz의 합성파를 이용하는 제4의 치료용 전기자극모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
4. 제3항에 있어서, 제4의 치료용 전기자극모드의 자극 펄스폭은 0.2msec인 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
5. 제1항에 있어서, 제어수단의 마사지 모드는 두드리는 효과를 나타내는 제1의 마사지모드와; 주무르는 효과를 나타내는 제2의 마사지모드와; 연속적으로 약하고 빠르게 두드리는 효과를 나타내는 제3의 마사지모드와; 상기 제1-3의 마사지모드를 적당히 합성한 제4의 마사지모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
6. 제1항에 있어서, 제어수단은 치료용 전기자극 모드에서 근육에 가해지는 전기자극의 주기 시간을 설정하기 위한 자극주기 선택부를 구비한 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
7. 제1항에 있어서, 제어수단은 출력되는 전기자극의 상태를 표시하기 위한 자극상태 표시램프를 구비한 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
8. 제1항에 있어서, 보행감지수단은 중앙부위에 탄력지지되는 접촉편을 내장한 상판과; 상기 상판의 일측면과 결합되고, 사용자의 보행에 의해 그 상판의 상부에 압력이 가해질 때 상기 접촉편과 접촉되어 통전신호를 출력하는 인쇄회로기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
9. 제1항 또는 제8항에 있어서, 보행감지수단은 부드러운 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.
10. 제1항에 있어서, 출력수단은 충전용 배터리를 장착하여 전기자극 장치에 안정화된 직류전압을 공급하는 정전압부와; 상기 정전압부의 출력전압을 전기자극이 가능한 레벨의 교류전압으로 승압시키는 승압부와; 상기 승압부에 의해 일정 레벨로 승압된 교류전압을 정류하여 고압의 직류전압으로 변환하는 정류부와; 상기 정류부로부터 출력되는 높은 레벨의 직류전압을 상기 마이크로프로세서의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극 펄스를 생성하는 스위칭부와; 상기 스위칭부에서 허용된 레벨 이상의 자극펄스가 출력되는 것을 방지하기 위한 과전압 보호기로 구성된 것을 특징으로 하는 휴대형 전기 자극기.