KR100546485B1 - 근전도 조절식 휴대용 전기자극기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하지 또는 상지마비 환자 등에서 환자 스스로가 근전도 레벨 기준치 이상의 힘을 가했을 때 전기자극을 가하여 근육을 수축하도록 함으로써 오로지 전기자극기의 힘에만 의존한 기존의 치료방법에서 벗어나 환자 스스로의 힘과 전기자극기의 기능을 병행하도록 하여 치료의 효율성을 극대화시키도록 한 근전도 조절식 휴대용 전기자극기를 제공함에 있다.

이에 따른 본 발명은, 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력변화에 의해 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술되는 제어수단측으로 출력하는 보행감지수단과; 후술되는 근전도 근육운동모드 시 사용자의 마비된 근육의 힘을 정량적으로 측정 증폭하여 제어수단측으로 출력하는 근전도 검출수단과; 근전도 근육운동모드, 보행연습모드, 근육운동모드, 복수개의 기능적 전기자극 통증치료모드 중 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 모드선택수단과; 상기 각 모드에 대응하는 각각의 전기자극 패턴을 미리 저장해 두고, 상기 모드선택수단의 출력신호에 따라 해당패턴의 스위칭 제어신호를 출력하되, 근전도 근육운동모드 시 기준값을 설정하고 상기 근전도 검출수단으로부터의 검출신호가 설정된 기준값 이상이 될 때 일정 시간내에 전기자극 펄스를 공급하는 제어수단과; 입력전원을 일정 레벨 이상의 직류전압으로 변환하고 상기 제어수단에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따른 그 직류전압을 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극파형을 출력하는 출력수단; 및 상기 출력수단으로부터 출력되는 각 모드의 전기자극 파형 등을 환자의 해당 근육부위에 전달해주는 전극부;를 포함하여 구성된 것이다.

보행감지센서, 근전도, 베이스, 헤드부,

Description

근전도 조절식 휴대용 전기자극기{Portable electric impulsion device}

도 1 은 본 발명에 따른 근전도 조절식 휴대용 전기자극기의 구성을 도시한 블록도.

도 2 는 본 발명에 따른 보행감지센서의 구조를 보인 분해 사시도.

도 3 은 도 2 의 보행감지센서의 일부 측단면도.

도 4 는 근전도 근육운동모드시 전기자극기의 자극펄스의 그래프.

도 5 는 보행감지센서에 의한 전기자극의 자극 펄스의 그래프.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1: 모드 선택부,2: 보행감지센서,

3: 근전도 검출부,4: 마이크로프로세서,

5: 리세트부,6: LCD 표시부,

7: 정전압부,8: 승압부,

9: 정류부,10: 정전류부,

11: 스위칭부,12: 과전압 보호기,

21: 베이스,21a: 헤드부,

21b: 단자부,22: 하판,

22a, 23a: 접촉부,22b, 23b: 통전띠,

23: 상판,24: 차단판,

본 발명은 근전도 조절식 휴대용 전기자극기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신경계 손상환자의 재활치료와 일측 마비환자의 보행능력을 향상시키는 근전도 조절식 휴대용 전기자극기에 관한 것이다.

의학계에서 신경계의 손상은 운동기능 및 감각기능의 장애를 초래하고, 근위축과 근강직, 무혈성 괴사등을 초래한다. 그러나 신경계 질환에 대해서는 그 원인만을 제거하는 치료법이 주로 사용되고 있으며, 신경의 손상에 따른 운동기능의 마비나 감각기능의 회복을 위한 치료법은 그리 많지 않은 것이 현실이다. 신경계 손상에 따른 감각기능이나 운동기능 손실은 신경의 손상정도에 따라 다소 차이가 있으나 각종 사고에 의한 중추신경의 절단이나 손상의 경우 완전한 회복을 기대하기가 거의 불가능하며, 뇌졸중과 같은 신경계 질환에 의한 신경손상 역시 부분적인 회복 또는 장기적인 기능장애를 초래한다. 이로 인한 운동기능 및 감각기능의 상실은 일상생활을 영위하는데 가장 기본적인 동작마저 제한하고, 장기간 근육을 사용하지 못함에 따른 근 위축, 근 강직과 혈액순환 장애에 따른 피부괴사를 초래하게 된다.

이러한 이유로, 최근 중추신경계 손상으로 인한 마비환자의 운동기능을 회복 및 일측 마비환자의 보행능력을 향상하기 위해 여러 가지 전기자극기가 개발되고 있다.

그러나 이러한 종래의 전기자극기는 전기자극기에 내장된 패턴에 따라 근육에 전기자극을 가해주는 방식만 가능했기 때문에 환자가 단지 전기자극기의 힘에만 의존하게 되어 치료의 효율성에 많은 의문을 제기하였다.

따라서 본 발명은 상기의 제반문제를 해결하기 위해 창출된 것으로서 그 목적은 하지 또는 상지마비 환자 등에서 환자 스스로가 근전도 레벨 기준치 이상의 힘을 가했을 때 전기자극을 가하여 근육을 수축하도록 함으로써 오로지 전기자극기의 힘에만 의존한 기존의 치료방법에서 벗어나 환자 스스로의 힘과 전기자극기의 기능을 병행하도록 하여 치료의 효율성을 극대화시키도록 한 근전도 조절식 휴대용 전기자극기를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은, 일측 마비환자의 보행을 보조하기 위해 보행감지센서의 제어에 의한 제어방법을 모색하도록 한 휴대용 전기자극기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력변화에 의해 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술되는 제어수단측으로 출력하는 보행감지수단과; 후술되는 근전도 근육운동모드 시 사용자의 마비된 근육의 힘을 정량적으로 측정 증폭하여 제어수단측으로 출력하는 근전도 검출수단과; 근전도 근육운동모드, 보행연습모드, 근육운동모드, 복수개의 기능적 전기자극 통증치료모드 중 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 모드선택수단과; 상기 각 모드에 대응하는 각각의 전기자극 패턴을 미리 저장해 두고, 상기 모드선택수단의 출력신호에 따라 해당패턴의 스위칭 제어신호를 출력하되, 근전도 근육운동모드 시 기준값을 설정하고 상기 근전도 검출수단으로부터의 검출신호가 설정된 기준값 이상이 될 때 일정 시간내에 잔기자극 펄스를 공급하는 제어수단과; 입력전원을 일정 레벨 이상의 직류전압으로 변환하고 상기 제어수단에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따른 그 직류전압을 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극파형을 출력하는 출력수단; 및 상기 출력수단으로부터 출력되는 각 모드의 전기자극 파형 등을 환자의 해당 근육부위에 전달해주는 전극부;를 포함하여 구성된 특징을 갖는다.

또한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 보행감지수단은,

최저부에 위치되고, 발바닥 뒤꿈치가 안착되는 부분의 하부 PCB 상부에 인쇄되며, 박판형태의 면적부 상에 접촉상태를 좋게 하기 위해 은도금된 접촉부와 하부 PCB의 단자부와 접속되도록 통전띠를 갖는 하판과;

상기 하판의 상부에 위치되고 하부 PCB와 같은 조건의 상부 PCB 하부에 인쇄되고, 박판형태의 면적부 상에 상기 하판과 접촉상태를 좋게 하기 위해 은도금된 접촉부와 하부 PCB의 단자부와 접속되는 통전띠를 갖는 상판; 및

상기 하판과 상판이 서로 접촉되지 않도록 그 사이에 개재되되, 상판으로부터의 가압력 발생시 압력에 의해 각 접촉부가 통전될 수 있도록 대응하는 통공을 갖는 얇은 막형태의 차단판;으로 구성된 특징을 갖는다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면에 의거 보다 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 근전도 조절식 휴대용 전기자극기의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 보행감지센서의 구조를 보인 분해 사시도이고, 도 3 은 도 2 의 보행감지센서의 일부 측단면도이며, 도 4 는 근전도 근육운동모드시 전기자극기의 자극펄스의 그래프이고, 도 5 는 보행감지센서에 의한 전기자극의 자극 펄스의 그래프이다.

도 1 에 도시된 바와 같이 본 고안은, 근전도 근육운동모드, 보행연습모드, 근육운동모드, 복수개의 기능적 전기자극 통증치료모드 중에서 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 선택신호를 출력하기 위해 선택스위치가 구비된 모드선택부(1)와,

사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력변화에 의해 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술되는 마이크로프로세서(4)측으로 출력하는 보행감지센서(2)와,

근전도 근육운동모드 시 사용자의 마비된 근육의 힘을 정량적으로 측정 증폭하여 후술되는 마이크로프로세서(4)측으로 출력하는 근전도 검출부(3)와,

근전도 근육운동모드, 보행연습모드, 근육운동모드, 복수개의 기능적 전기자극 통증치료모드에 대응하는 각각의 전기자극 패턴을 미리 저장해두고, 상기 모드선택부(1)의 출력신호에 따라 해당패턴의 스위칭 제어신호를 출력하되, 근전도 근육운동모드 시 기준값을 설정하고 상기 근전도 검출부(3)로부터의 검출신호가 설정된 기준값 이상이 될 때 일정 시간내에 전기자극 펄스를 공급하는 마이크로프로세서(4)와,

파워가 온(ON)될 때 상기 마이크로프로세서(4)를 자동으로 초기화시키기 위한 리세트부(5)와,

정전압부(7)에 장착된 배터리의 잔류전압과 출력되는 전기자극의 상태를 표시하는 LCD 표시부(6)와,

충전용 배터리를 장착하여 전기자극장치에 안정화된 직류전압을 공급하는 정전압부(7)와,

출력전압을 전기자극이 가능한 레벨의 교류전압으로 승압시키는 승압부(8)와,

상기 승압부(8)에 의해 일정 레벨로 승압된 교류전압을 정류하여 고압의 직류전압으로 변환하는 정류부(9)와,

부하저항에 관계없이 일정한 펄스의 전류를 피부에 공급하는 정전류부(10)와,

마이크로프로세서(4)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하여 승압된 직류전압을 치료에 적합한 형태의 전기자극 펄스를 생성하는 스위칭부(11)와,

장치의 이상작동에 의해 상기 스위칭부(11)에서 허용된 레벨 이상의 과다전압이 출력되는 것을 방지하기 위한 과전압 보호기(12) 등으로 구성하였다.

또한 마이크로프로세서(4)의 내부구성요소로서, 마이크로프로세서(4)의 동작상태를 감시하여 동작정지상태로 될 때 자동으로 복귀시키는 워치독(41)과, 정전압부(42)의 배터리 잔류전원을 확인할 수 있도록 체크하고, 상기 근전도 검출부(3)를 통한 아날로그 검출신호를 디지털로 변환시키는 A/D변환기(42), 내부 타이머(13)를 사용하여 낮은 전압을 승압하기 위한 기준 주파수를 생성하는 발진부(43)로 구성되어 있다.

또한, 본 발명은 여기에 국한하지 않고 근전도 검출부(3)에서 검출된 근전도 신호데이터를 시리얼통신을 통해 PC로 전송할 수 있도록 통신중계기(14)를 추가로 구비할 수 있고, 이 신호를 PC의 전용프로그램을 통해 실시간으로 표시함으로써 환자의 근력향상도 및 진행상황을 지켜볼 수 있게 할 수도 있다.

한편 상기의 보행감지센서(2)는 구체적으로,

최저부에 위치되고, 발바닥 뒤꿈치가 안착되는 부분의 하부 PCB(21) 상부에 인쇄되며, 박판형태의 면적부상에 접촉상태를 좋게 하기 위해 은도금된 접촉부(22a)와 상기 하부 PCB(21)의 단자부(21a)와 접속되도록 통전띠(22b)를 갖는 하판(22)과;

상기 하판(22)의 상부에 위치되고, 하부 PCB(21)와 같은 조건의 상부 PCB(23) 하부에 인쇄되고, 박판형태의 저면 면적부 상에 하판(22)의 접촉부(22a)와 대향되는 별도의 접촉부(24a)를 가지며, 하부 PCB(21)의 단자부(21a)와 접속되는 통전띠(24b)를 갖는 상판(24); 및

상기 하판(22)과 상판(24)이 서로 접촉되지 않도록 그 사이에 개재되되, 상판(23)으로부터의 가압력 발생시 압력에 의해 각 접촉부(22a)(24a)가 통전될 수 있도록 대응하는 통공(25a)을 갖는 얇은 막형태의 차단판(25)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.

사용자가 전기자극 치료를 받고자 하는 경우 도 1과 같은 전기자극기의 출력단(OUT)과 연결되는 전극부를 하지 또는 상지 중 치료받고자 하는 부위에 그 전극부를 고정시키고, 보행감지센서(2)를 신발의 바닥면이나 내부에 장착한 다음 파워스위치를 온(ON)시킨다.

이에 따라 정전압부(7)에서 출력되는 배터리전압이 승압부(8)에 공급되어 전기자극이 가능한 레벨의 교류전압으로 승압된다. 이렇게 승압된 교류전압이 정류부(9)에 의해 정류되고, 그 정류된 전압이 스위칭부(11)에서 마이크로프로세서(4)의 타이머(13)에 의해 소정의 패턴으로 스위칭된다. 이에 따라 상기 출력단(OUT) 및 전극부를 통해 치료부위에 해당 패턴의 전기자극 파형이 공급된다.

이 때, 상기 마이크로프로세서(4)는 보행감지 센서(2)를 통해 사용자의 보행 동작을 파악하고, 그 보행동작에 동기하여 사용자가 모드선택부(1)를 통해 요구한 패턴의 전기자극 파형이 출력되도록 내부의 메모리에 기 저장되어 있는 다수의 전기자극 패턴 중에서 해당 패턴을 선택하여 타이머(13)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 마비환자가 보행하는데 도움을 주는 전기자극 패턴을 제공하며, 근육의 피로를 억제하기 위한 마사지 용도의 전기자극 패턴을 제공한다.

도 1 과 같은 전기자극장치의 실시예에서는 1Hz ~ 100Hz의 주파수 범위에서 20Hz, 30Hz, 40Hz의 전기자극 패턴과 50 ~ 500㎲의 주파수 범위에서 200㎲의 주파수 폭을 사용한다. 환자와 정상인을 상대로 실험한 결과 지근에는 20Hz가 효과적이고, 속근에는 40Hz가 효과적인 것으로 나타났다. 또한 상기 30Hz의 전기자극 패턴은 지근과 속근에 동시에 존재하는 근육에 사용하기 위해 제안된 것이다.

상기와 같은 전기자극 패턴에 관련하여, 상기 모드 선택부(1)에서 2개의 기능적 전기자극모드, 2개의 치료용 전기자극모드와 2개의 근전도 근육운동모드 및 근피로의 회복을 위한 4개의 마사지 모드 중 원하는 자극모드를 선택할 수 있도록 선택스위치를 구비하였다.

상기 전기자극 모드나 마사지 모드의 주파수 폭은 1Hz ~ 100Hz의 주파수 범위에서 20Hz, 30Hz, 40Hz의 전기자극 패턴과 50 ~ 500㎲의 주파수 범위에서 200㎲의 주파수 폭을 사용한다.

상기 기능적 전기자극모드는 상기 보행감지 센서(2)와 연동되어 동작하는 모드로 도 2 내지 도 3 에 도시된 바와 같이 그 보행감지 센서(2)의 스위치가 단락될 때 즉, 발뒤꿈치 부분에 위치되는 하부 PCB(21) 상부에 인쇄된 하판(22)과 상부 PCB(23) 하부에 인쇄된 상판(24)의 접촉부(22a)(24a)가 발뒤꿈치의 가압력에 의해 판 사이에 개재되는 차단판(25)을 이기면서 서로 접촉될 때 전기자극이 이루어지는 제1의 기능적 전기자극모드와, 떨어질 때 동작하는 제2의 기능적 전기자극모드가 있다.

이와 같은 전기자극의 동작은 도 5 에 도시된 바와 같이 상승시간, 지속시간, 하강시간, 휴지시간의 자극패턴 순으로 동작된다. 상승시간, 하강시간은 0.5 ~ 1.5초 내에 설정되며 보행감지센서(2)가 눌려졌을 때 동작되는 모드에서 스위치가 온되면 지속시간은 계속되며, 오프되면 휴지시간이 계속된다. 보행감지센서(2)의 스위치가 오프되었을 때 동작되는 모드는 상기의 역순이다.

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 전기자극모드가 있다.

특히 근전도 근육운동모드를 선택하게 되면, 상기 근전도 근육운동모드는 도 4 에 도시된 바와 같이 상승시간, 하강시간, 휴지시간의 자극패턴으로 구성되는데, 환자가 마비된 근육에 일정한 힘을 가하면 근전도 검출부(3)에서 그 근전도를 검출하여 마이크프로세서(4)로 보내면 검출값이 상기 마이크로프로세서(4)는 기입력된 기준값과 비교하여, 마비된 근육의 힘이 기준값보다 적으면 자극을 가하지 않고, 기준값보다 크면 기준값이상부터 상승시간에 따라 일정한 지속시간, 하강시간으로 구분하여 자극을 가한다. 상승시간, 하강시간은 0.5 ~ 10초 내에, 지속시간은 1 ~ 20초 내에 설정됨이 바람직하고, 휴지시간은 근육의 힘이 기준값이상을 넘지 못할 때까지의 시간이 된다.

한편, 상기 통증치료 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.

또한, 상기 마이크로프로세서(4)는 워치독(41), A/D변환기(42), 타이머(13)를 내부 구성요소로 하는데, 그 워치독(41)은 마이크로프로세서(4)의 동작상태를 감시하여 동작 정지상태로 될 때 자동으로 복귀시키는 기능을 수행하며, A/D변환기(42)는 정전압부(7)의 배터리 잔류전원을 확인할 수 있도록 아날로그 전압을 디지털 값으로 변환하는 기능을 수행함과 동시에 상기 근전도 검출부(3)를 통한 아날로그 검출신호를 디지털로 변환시키도록 하며, 타이머(13)는 상기와 같은 각종 전기자극 모드가 수행되도록 마이크로프로세서에 의해 해당 패턴으로 셋팅되어 상기 스위칭부(11)의 스위칭 동작을 제어한다.

이밖에, 리세트부(5)는 전기자극기의 파워가 온될 때 상기 마이크로프로세서(4)를 자동으로 초기화시키기 위한 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상과 같은 본 발명은 환자 스스로의 힘과 전기자극기의 기능을 병행한 근전도 조절식 전기자극기로써, 단지 전기자극기에만 의존하였던 기존의 치료방법에서 벗어나 환자 스스로의 훈련이 가능하게 함으로써 상,하지 마비환자의 재활치료 효과를 극대화시킬 수 있으며, 일측 마비환자의 보행을 보조하기 위해 보행감지센서의 제어에 의한 전기자극모드는 편마비환자 및 족하수증 환자의 보행능력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 사용자의 보행에 따른 발바닥과 접촉면 사이의 압력변화에 의해 보행상태를 감지하여 그에 따른 검출신호를 후술되는 제어수단측으로 출력하는 보행감지수단과;

   후술되는 근전도 근육운동모드 시 사용자의 마비된 근육의 힘을 정량적으로 측정 증폭하여 제어수단측으로 출력하는 근전도 검출수단과;

   복수개의 기능적 전기자극 통증치료모드 중 사용자가 요구하는 모드를 선택하기 위한 모드선택수단과;

   상기 각 모드에 대응하는 각각의 전기자극 패턴을 미리 저장해 두고, 상기 모드선택수단의 출력신호에 따라 해당패턴의 스위칭 제어신호를 출력하는 제어수단과;

   입력전원을 일정 레벨 이상의 직류전압으로 변환하고 상기 제어수단에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따른 그 직류전압을 스위칭하여 해당 패턴의 전기자극파형을 출력하는 출력수단; 및

   상기 출력수단으로부터 출력되는 각 모드의 전기자극 파형 등을 환자의 해당 근육부위에 전달해주는 전극부를 포함하는 근전도 조절식 휴대용 전기자극기에 있어서,

   상기 모드선택수단은 근전도 근육운동모드, 보행연습모드, 근육운동모드를 선택하는 것을 포함하며,

   상기 제어수단은 근전도 근육운동모드 시 기준값을 설정하고 상기 근전도 검출수단으로부터의 검출신호가 설정된 기준값 이상이 될 때 일정 시간내에 전기자극 펄스를 공급하도록 구성됨을 특징으로 하는 근전도 조절식 휴대용 전기자극기.
2. 청구항 1 에 있어서, 보행감지수단은

   최저부에 위치되고, 발바닥 뒤꿈치가 안착되는 부분의 하부 PCB 상부에 인쇄되며, 박판형태의 면적부 상에 접촉상태를 좋게 하기 위해 은도금된 접촉부와 하부 PCB의 단자부와 접속되도록 통전띠를 갖는 하판과;

   상기 하판의 상부에 위치되고 하부 PCB와 같은 조건의 상부 PCB 하부에 인쇄되고, 박판형태의 면적부 상에 상기 하판과 접촉상태를 좋게 하기 위해 은도금된 접촉부와 하부 PCB의 단자부와 접속되는 통전띠를 갖는 상판; 및

   상기 하판과 상판이 서로 접촉되지 않도록 그 사이에 개재되되, 상판으로부터의 가압력 발생시 압력에 의해 각 접촉부가 통전될 수 있도록 대응하는 통공을 갖는 얇은 막형태의 차단판;으로 구성됨을 특징으로 하는 근전도 조절식 휴대용 전기자극기.

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