KR100723446B1 - 골다공증 환자 치료용 진동 시스템 - Google Patents
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Abstract
인체에 실제 적용 가능한 진동을 찾기 위한 것으로, 인체 환경과 유사한 진동 자극을 인가하여 진동이 골다공증 환자의 골 밀도의 증강에 미치는 영향을 관측하기 위한 진동 시스템이 개시되어 있다. 침대는 전달되는 진동 에너지를 환자에게 전달하는 베드면을 갖고, 환자가 눕는다. 진동계는 상기 환자의 골 밀도를 증강하기 위하여 전후 왕복운동을 하여 진동 에너지를 상기 침대의 베드면을 통하여 환자에게 전달한다. 선형 액츄에이터는 상기 침대의 하부에 설치되어 상기 침대 및 상기 진동계를 선형 진동시킨다. 변위 센서는 상기 진동계에 장착되어 상기 진동계의 변위 크기를 감지하여 감지 결과 신호를 출력한다. 컴퓨터는 기준 신호 및 기준 변위를 저장하고 있으며, 상기 저장된 기준 신호 및 기준 변위를 출력한다. 곱셈부는 상기 변위 선세로부터의 감지 결과 신호와 입력 사인파 신호를 곱셈하여 구동기 제어 신호를 출력한다. 구동기는 상기 곱셈부로부터의 상기 구동기 제어 신호에 따라 상기 선형 액츄에이터의 동작을 제어한다.
골다공증, 진동
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 골다공증 환자 치료용 진동 시스템의 구성을 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 골다공증 환자 치료용 진동 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 골다공증 환자 치료용 진동 시스템의 구성도이다.
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도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서 있는 사람에 적용한 집중 생물 동태 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 경사진 침대에 누워 있는 사람에 적용한 집중 생물 동태 모델을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
102: 침대 103: 베드면
104: 진동계 106: 선형 액츄에이터
108: 변위 센서 110: 컴퓨터
112: 곱셈부 114: 구동기
122: 제1 디지털/아날로그 변환기
124: 제2 디지털/아날로그 변환기
126: 사인파 발진기 202: 가이드 레일
204: 선형 베어링 206: 백러쉬리스 베어링
208: 지지대 210: 에어 담요
220: 에어 주입구 302: 선형 변이 차동 변환기
304: 선형 변이 차동 변환기 증폭기
306: 정류기/로우 패스 필터 308: 아날로그/디지털 변환기
310: 비교기
본 발명은 골다공증 환자 치료용 진동 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 인체 환경과 유사한 진동 자극을 인가하여 진동이 골다공증 환자의 골 밀도의 증강에 미치는 영향을 관측하기 위한 진동 시스템에 관한 것이다.
골다공증은 다양한 원인에 의하여 골량이 감소하고, 골의 미세 구조 변화로 인하여 외부의 작은 충격으로도 쉽게 골절이 될 수 있는 상태로 대사성 질환 중에 가장 흔한 질환이다. 그리고, 골다공증은 노년기에 유병율이 매우 높은 질환이며, 일단 발현되면 건강에 아주 심각한 영향을 미친다. 골다공증의 예방 및 치료에는 비 약물 요법은 효과가 미미하기 때문에, 주로 약물 요법이 이용된다. 그러나 약물 요법은 막대한 의료비의 지출과 약물 복용에 의한 부작용을 야기한다.
저 자극 스트레인이 골 밀도를 증가시킨다는 연구가 최근에 수행되어 적정 스트레인에 의한 골다공증의 치료 가능성이 가시화되고 있다. 최근까지 수행된 연구는 골 세포 분화 및 배양 촉진을 위한 스트레인 인가 및 진동 시스템이 주종이었다. 이중 골 세포 분화 및 배양 촉진 시스템에는 고 강도 스트레인을 인가하며, 동물 실험에는 저주파수, 저 스트레인 진동을 인가하는 시스템에 대한 연구가 수행되었다. 그러나 이러한 연구들은 인체 환경과 상이하므로, 실제 임상에 적용할 수 없는 실정이다. 임상에 적용하기 위해서는 인체 환경에 적절한 스트레인 강도와 스트레인 강도 형태 등에 관한 프로토콜의 실정이 필요하다.
종래의 루빈 등에 의하여 양을 대상으로 2001년에 수행한 연구에서는, 저 강도, 고 진동의 자극을 하루에 20 분씩 1 년간 인가하며 관찰한 결과, 근위 대퇴골의 골 밀도가 대조군에 비해 약 34 % 증가하였고, 저 강도의 기계적 스트레인이 골 형성을 2.1 배 증가시켰고, 표면의 광물화를 2.4 배 증가시킨 것으로, 이러한 동화 작용은 해면 골에 뚜렷하게 관찰되었다. 하지만, 양은 네 다리로 보행하는 동물이고 인간은 직립 보행(두다리 보행)하므로 이러한 연구는 양을 대상으로 수행한 연구이므로, 인간에 적용한 경우 유사한 효과를 기대할 없는 문제가 있다.
다른 종래의 연구로서, 와드 케이 에이 등에 의해 2001년에 수행한 연구에서는 뇌성 마비가 있는 20명의 소아를 대상으로 무작위 맹검 대조 연구를 수행하였다. 즉, 주 5 일간 10분 씩 6 개월간 진동을 부여한 결과, 경골의 골 밀도가 증가하였음을 보고하였다. 하지만, 이러한 연구는 뇌성 마비 소아 환자를 대상으로 수직 직립 상태에서 일정한 진동 주파수를 인가한 결과 경골의 골 밀도만 증가하였고, 다양한 원인에 의하여 발현된 골다공증 환자에게 진동을 인가한 연구와는 다르다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인체에 실제 적용 가능한 진동을 찾기 위한 것으로, 인체 환경과 유사한 진동 자극을 인가하여 진동이 골다공증 환자의 골 밀도의 증강에 미치는 영향을 관측하기 위한 진동 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전달되는 진동 에너지를 환자에게 전달하는 베드면을 갖고, 환자가 눕는 침대; 상기 환자의 골 밀도를 증강하기 위하여 전후 왕복운동을 하여 진동 에너지를 상기 침대의 베드면을 통하여 환자에게 전달하는 진동계; 상기 침대의 하부에 설치되어 상기 침대 및 상기 진동계를 선형 진동시키는 선형 액츄에이터; 상기 진동계에 장착되어 상기 진동계의 변위 크기를 감지하여 감지 결과 신호를 출력하는 변위 센서; 기준 신호 및 기준 변위를 저장하고 있으며, 상기 저장된 기준 신호 및 기준 변위를 출력하는 컴퓨터; 상기 변위 선세로부터의 감지 결과 신호와 입력 사인파 신호를 곱셈하여 구동기 제어 신호를 출력하는 곱셈부; 및 상기 곱셈부로부터의 상기 구동기 제어 신호에 따라 상기 선형 액츄에이터의 동작을 제어하는 구동기를 포함하는 골다공증 환자 치료용 진동 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 침대는 상기 액츄에이터의 동작 제어에 따라 30℃ 경사지게 배열된다. 더욱 바람직하게는, 상기 진동계는 상기 침대로부터 소정 거리 이격되어 설치되는 가이드 레일; 진동 에너지를 상기 환자의 골격계 전체에 균일하게 전달하기 위하여 집중 생물 동태 모델 방식으로 상기 침대와 상기 가이드 레일 사이에 상기 침대를 지지하도록 상호 소정 간격으로 이격되어 배열되는 다수의 선형 베어링; 상기 다수의 선형 베어링의 백러쉬에 의한 기계적인 히스레리시스를 제거하기 위하여 상기 가이드 레일에 상기 다수의 선형 베어링과 교대로 설치되는 다수의 백러쉬리스 베어링; 및 상기 가이드 레일 및 상기 다수의 백 러쉬리스 베어링을 지지하는 지지대를 포함한다.
가장 바람직하게는, 상기 변위 센서는 상기 진동계에 장착되어 상기 진동계의 변위 크기를 전기 신호로 변환하는 선형 변이 차동 변환기; 상기 선형 변이 차동 변환기로부터의 전기 신호를 증폭하는 선형 변이 차동 변환기 증폭기; 상기 선형 변이 차동 변환기 증폭기의 출력을 정류하고 로우 패스 필터링하는 정류기/로우 패스 필터; 상기 선형 변이 차동 변환기 증폭기의 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 및 상기 정류기/로우 패스 필터의 출력을 상기 컴퓨터로부터의 기준 신호와 비교하는 비교기를 포함한다.
실시예에 의하면, 상기 컴퓨터는 디지털 형태의 기준 신호 및 기준 변위를 저장하고 있으며, 상기 저장된 디지털 기준 신호 및 기준 변위를 출력하고, 상기 컴퓨터로부터의 디지털 기준 신호를 제1 아날로그 신호로 변환하는 제1 디지털/아날로그 변환기; 상기 제어부로부터의 디지털 기준 변위를 제 2 아날로그 신호로 변환하는 제 2 디지털/아날로그 변환기; 상기 제 2 디지털/아날로그 변환기로부터의 제 2 아날로그 신호를 기초로 하여 상기 입력 사인파 신호를 발진하는 사인파 발진 기를 포함한다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 골다공증 환자 치료용 진동 시스템의 구성을 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 골다공증 환자 치료용 진동 시스템의 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 골다공증 환자 치료용 진동 시스템은 침대(102), 진동계(104), 선형 액츄에이터(106), 변위 센서(108), 컴퓨터(110), 곱셈부(112), 및 구동기(114)를 포함한다.
침대(102)는 전달되는 진동 에너지를 환자(100)에게 전달하는 베드면(103)을 갖고, 환자가 눕는다. 상기 침대(102)는 상기 선형 액츄에이터(106)의 동작 제어에 따라 30℃ 경사지게 배열될 수 있다.
진동계(104)는 상기 환자(100)의 골 밀도를 증강하기 위하여 전후 왕복운동을 하여 진동 에너지를 상기 침대(102)의 베드면(103)을 상기 환자(100)에게 전달한다. 상기 진동계(104)는 가이드 레일(202), 다수의 선형 베어링(204), 다수의 백러쉬리스 베어링(206), 및 지지대(208)를 포함한다.
가이드 레일(202)은 상기 침대(102)로부터 소정 거리 이격되어 설치된다.
다수의 선형 베어링(204)은 진동 에너지를 상기 환자(100)의 골격계 전체에 균일하게 전달하기 위하여 집중 생물 동태 모델 방식으로 상기 침대(102)와 상기 가이드 레일(202) 사이에 상기 침대(102)를 지지하도록 상호 소정 간격으로 이격되 어 배열된다. 즉, 상기 침대(102)는 선형 가이드 레일(202)에 선형 베어링(204)으로 최소의 마찰로 움직이도록 설계되어 있다. 인간은 직립 보행하기 때문에, 동물과 상당히 다른 골격계로 형성되어 있다. 따라서, 진동 에너지를 골격계 전체에 효율적으로 전달하기 위해서는 집중 생물 동태 모델의 설정과 분석이 필요하다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서 있는 사람에 적용한 집중 생물 동태 모델을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 경사진 침대에 누워 있는 사람에 적용한 집중 생물 동태 모델을 나타낸 도면이다.
다수의 백러쉬리스 베어링(206)는 상기 가이드 레일(202)에 상기 다수의 선형 베어링(204)과 교대로 설치되고, 변위에 따른 정확한 진동을 인가하기 위하여 진동력과 진동 변위를 일치시킴으로써 상기 다수의 선형 베어링(204)의 백러쉬에 의한 기계적인 히스레리시스를 제거한다.
지지대(208)는 상기 가이드 레일(202) 및 상기 다수의 백 러쉬리스 베어링(206)를 지지한다.
환자(100)의 진동력은 진동계(104) 및 침대(102)의 베드면(103)에 동시에 진동하여, 진동을 단순화하여 베드면(103)과 인간의 마찰 저항을 최소화하기 위하여 육각형 너트에 구슬 비드가 부착된 메트(230)가 설치하는 것이 바람직하다. 또한 에어 주입구(220)를 갖는 에어 담요(210)가 설치되어 환자의 좌, 우 움직임을 최소화한다. 압착의 정도는 공기 압력의 조절로 가능하게 한다.
선형 액츄에이터(106)는 상기 침대(102)의 하부에 설치되어 상기 침대(102) 및 상기 진동계(104)를 선형 진동시킨다. 상기 선형 액츄에이터(106)는 입력을 선 형 움직임 출력으로 변환하는 전자 기계 소자로서, 기어나 기계적인 링키지없이 진동 시스템에 진동력을 인가하는 소자이다. 상기 선형 액츄에이터(106)에 의하면, 시스템의 소음을 줄이고 진동면과 기계적인 접촉을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 필요한 변위는 매우 작으며, 정확한 신호 패턴의 진동력을 인가하기 위하여, 추력과 응답 속도가 빠른 병렬 어레이 형식인 선형 액츄에이터(106)를 이용하는 것이 바람직하다.
변위 센서(108)는 상기 진동계(104)에 장착되어 상기 진동계(104)의 변위 크기를 감지하여 감지 결과 신호를 출력한다. 상기 변위 센서(108)는 선형 변이 차동 변환기(LVDT)(302), 선형 변이 차동 변환기 증폭기(304), 정류기/로우 패스 필터(306), 아날로그/디지털 변환기(308), 및 비교기(310)를 포함한다.
선형 변이 차동 변환기(Linear variable differential transformer; LVDT, 302)는 상기 진동계(104)에 장착되어 상기 진동계(104)의 변위 크기를 전기 신호로 변환한다. 선형 변이 차동 변환기 증폭기(304)는 상기 선형 변이 차동 변환기(302)로부터의 전기 신호를 증폭한다. 정류기/로우 패스 필터(306)는 상기 선형 변이 차동 변환기 증폭기(304)의 출력을 정류하고 로우 패스 필터링한다.
아날로그/디지털 변환기(308)는 상기 선형 변이 차동 변환기 증폭기(304)의 출력을 디지털 신호로 변환한다. 비교기(310)는 상기 정류기/로우 패스 필터(306)의 출력을 상기 컴퓨터(110)로부터의 기준 신호와 비교한다. 컴퓨터(110)는 기준 신호 및 기준 변위를 저장하고 있으며, 상기 저장된 기준 신호 및 기준 변위를 출력한다. 상기 컴퓨터(110)는 디지털 형태의 기준 신호 및 기준 변위를 저장하고 있으며, 상기 저장된 디지털 기준 신호 및 기준 변위를 출력하고, 상기 컴퓨터(110)로부터의 디지털 기준 신호를 제1 아날로그 신호로 변환하는 제1 디지털/아날로그 변환기(122); 상기 컴퓨터(110)로부터의 디지털 기준 변위를 제 2 아날로그 신호로 변환하는 제 2 디지털/아날로그 변환기(124); 상기 제 2 디지털/아날로그 변환기(114)로부터의 제 2 아날로그 신호를 기초로 하여 상기 입력 사인파 신호를 발진하는 사인파 발진기(126)를 더 포함한다.
곱셈부(112)는 상기 변위 선세(108)로부터의 감지 결과 신호와 입력 사인파 신호를 곱셈하여 선형 액츄에이터 구동기 제어 신호를 출력한다. 구동기(114)는 상기 곱셈부(112)로부터의 상기 선형 액츄에이터 구동기 제어 신호에 따라 상기 선형 액츄에이터(106)의 동작을 제어한다.
이들 상호간의 원활한 동작은 자동 제어된다. 즉, 컴퓨터(110)에서 제어되는 사인파 발진기(126)와 크기를 기준으로 진동 시스템은 네가티브 피드백으로 변위 서보 시스템으로 동작한다. 변위 센서(108)는 진동계(104)에 LVDT(302)가 장착되어 진동계(104)의 변위 크기를 전기 신호로 나타내고, 이를 정류기/로우 패스 필터(306)에 의하여 정류하여 다양한 사인파와 AM 변조를 한다. 변조된 신호가 선형 액츄에이터 구동기(114)의 입력 신호가 되며, 이에 따른 선형 액츄에이터(106)의 파워가 진동계(104)에 전달된다. 이때 제어 시스템의 전달 계수를 조절하여 네가티브 피드백된 외부 환경 변화 요인에 강인한 최적 제어 서보 시스템으로 동작한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요 지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
표 1에는 종래 기술과 본 발명의 차이점이 설명되어 있다.
| 종래기술 | 본 발명 | |
| 진동 방법 | 수직 진동 | 경사진 침대와 받침대 진동 |
| 임상적 의미 | 동물실험 및 뇌성마비 환자에게만 적용 | 골다공증 환자의 골밀도를 증가 |
| 생물 동태 모델 | 단순한 스트레인 분석 | 복잡한 스트레인 분석 |
| 임상 데이터베이스 | 불가능 | 가능 |
| 진동에 의한 부작용 | 어지러움 | 어지러움 최소화 |
| 인가 시간 | 오래 서 있기 힘듬 | 안락한 상태로 치료 |
본 발명의 의학 분야의 효과로는 비약물적, 비침습적으로 골 밀도를 증강시킬 수 있는 새로운 치료 방법의 제안으로 변혁을 유도한다. 의공학 분야의 효과로는 골다공증 진단 및 치료 시스템의 개발 방법론의 확립과 인력 양성 효과를 유도할 수 있다. 그 외 진동을 이용하는 타 분야에 적용 가능하며, 관련 산업 분야에 기술 이전하여 제품 생산에 활용 가능하다.
Claims (5)
- 전달되는 진동 에너지를 환자에게 전달하는 베드면을 가지고 있으며, 환자가 누울수 있도록 구성된 침대;상기 환자의 골 밀도를 증강하기 위하여 전후 왕복운동을 하여 진동 에너지를 상기 침대의 베드면을 통하여 환자에게 전달하는 진동계;상기 침대의 하부에 설치되어 상기 침대 및 상기 진동계를 선형 진동시키는 선형 액츄에이터;상기 진동계에 장착되어 상기 진동계의 변위 크기를 감지하여 감지 결과 신호를 출력하는 변위 센서;기 설정된 기준 신호 및 기준 변위를 저장하고 있으며, 상기 저장된 기준 신호 및 기준 변위를 출력하는 컴퓨터;상기 컴퓨터로부터의 기준 신호를 제 1 아날로그 신호로 변환하는 제 1 디지털/아날로그 변환기;상기 컴퓨터로부터의 기준 변위를 제 2 아날로그 신호로 변환하는 제 2 디지털/아날로그 변환기;상기 제 2 디지털/아날로그 변환기로부터의 제 2 아날로그 신호를 기초로 하여 입력 사인파 신호를 발진하는 사인파 발진기상기 변위 선서로부터의 감지 결과 신호와 입력 사인파 신호를 곱셈하여 구동기 제어 신호를 출력하는 곱셈부; 및상기 곱셈부로부터의 상기 구동기 제어 신호에 따라 상기 선형 액츄에이터의 동작을 제어하는 구동기를 포함하는 골다공증 환자 치료용 진동 시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 진동계는 상기 침대로부터 소정 거리 이격되어 설치되는 가이드 레일;진동 에너지를 상기 환자의 골격계 전체에 균일하게 전달하기 위하여 집중 생물 동태 모델 방식으로 상기 침대와 상기 가이드 레일 사이에 상기 침대를 지지하도록 상호 소정 간격으로 이격되어 배열되는 다수의 선형 베어링;상기 다수의 선형 베어링의 백러쉬에 의한 기계적인 히스레리시스를 제거하기 위하여 상기 가이드 레일에 상기 다수의 선형 베어링과 교대로 설치되는 다수의 백러쉬리스 베어링; 및상기 가이드 레일 및 상기 다수의 백 러쉬리스 베어링을 지지하는 지지대를 포함하는 골다공증 환자 치료용 진동 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 변위 센서는상기 진동계에 장착되어 상기 진동계의 변위 크기를 전기 신호로 변환하는 선형 변이 차동 변환기;상기 선형 변이 차동 변환기로부터의 전기 신호를 증폭하는 선형 변이 차동 변환기 증폭기;상기 선형 변이 차동 변환기 증폭기의 출력을 정류하고 로우 패스 필터링하는 정류기/로우 패스 필터;상기 선형 변이 차동 변환기 증폭기의 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 및상기 정류기/로우 패스 필터의 출력을 상기 컴퓨터로부터의 기준 신호와 비교하는 비교기를 포함하는 골다공증 환자 치료용 진동 시스템.
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020050073370A KR100723446B1 (ko) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | 골다공증 환자 치료용 진동 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020050073370A KR100723446B1 (ko) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | 골다공증 환자 치료용 진동 시스템 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070018564A KR20070018564A (ko) | 2007-02-14 |
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ID=41634708
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| KR1020050073370A KR100723446B1 (ko) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | 골다공증 환자 치료용 진동 시스템 |
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| KR (1) | KR100723446B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000287969A (ja) | 1999-04-05 | 2000-10-17 | Sekisui Chem Co Ltd | 骨粗鬆症測定装置 |
| KR20020075655A (ko) * | 2001-03-27 | 2002-10-05 | 엔비엠 주식회사 | 골다공증 치료기 |
| KR20040001937A (ko) * | 2002-06-29 | 2004-01-07 | 박영수 | 인체의 골밀도 강화기 |
| WO2004043324A1 (en) | 2002-11-08 | 2004-05-27 | Exogen, Inc. | Apparatuses and methods for therapeutically treating damaged tissues, bone fractures, osteopenia, or osteoporosis |
-
2005
- 2005-08-10 KR KR1020050073370A patent/KR100723446B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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|---|---|
| KR20070018564A (ko) | 2007-02-14 |
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