KR100948671B1 - 제세동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제세동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체의 임피던스 값에 따라 전기충격 전압을 조절하고, 과전압 충전 및 전기충격에 의한 기기의 손상을 방지할 수 있는 제세동기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 제세동기는, 인체의 임피던스를 검출하는 임피던스검출부와, 심전도를 검출하는 심전도검출부와, 검출된 임피던스 신호와 심전도 신호를 처리하고 전기충격여부 및 전기충격량을 판정하는 마이크로컨트롤러부와, 마이크로컨트롤러부에 의해 제어되어 고압의 전기충격을 가하기 위한 고전압발생부와, 상기 고전압발생부에서 발생된 전류를 인체에 방전하기 위한 고전압스위칭부를 포함하는 제세동기에 있어서, 상기 고전압발생부에는 고전압발생부에 기준 이상의 전압이 충전되는 경우 회로를 차단하기 위한 고전압차단회로가 구비된 것을 특징으로 한다.

제세동기

Description

제세동기{DEFIBRILLATOR}

본 발명은 제세동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체의 임피던스 값에 따라 전기충격 전압을 조절하고, 과전압 충전 및 전기충격에 의한 기기의 손상을 방지할 수 있는 제세동기에 관한 것이다.

심장제세동기(Defibrillator)는 사망(돌연사)을 유발할 수 있는 심장의 심실세동(ventricular fibrillation : 심실이 수축이 정상적으로 되지 않고 미세하게 움직이는 상태), 심실빈맥(ventricular tachycardia), 급작스러운 심장정지(cardiac arrest)가 일어난 환자의 심장에 직간접적인 강한 전기적 충격을 주어 컴퓨터를 리셋시키듯이 심근 전체를 순간적으로 탈분극시켜 심장을 정상 리듬(normal heart rhythm)으로 복구 시키고 이를 통해 심장을 통한 혈액이 원활히 흐를 수 있도록 하여 환자가 생존할 수 있도록 도움을 주는 필수 응급 의료기기로 종류는 크게 Manual Defibrillator(Internal Defibrillator, External Defibrillator), Automatic Defibrillator(AED), Implantable defibrillator(ICD)로 나뉜다.

심장제세동기에 사용되는 전기적 신호는 초창기에는 한쪽 패들(paddle)에서 다른 쪽의 패들로 단방향성(monophasic)의 파형을 사용해온 반면 최근에는 한쪽 패들에서 환자의 가슴, 다른 패들에서 다시 되돌아오는 양방향성(biphasic) 파형을 사용함으로 해서 단방향성에 비해 적은 에너지를 사용으로도 심장에 영향을 덜 주면서 환자에게 효율적으로 충격을 줄 수 있는 양방향성 파형을 사용하는 기술이 이용되고 있다.

심장세동은 개개의 심장근육을 수축시키는 심근세포(Myocardial cell)의 불규칙한 활동에 의한 심장의 부정맥을 의미하며, 심근세포들은 미세하게 떨리는 불규칙한 수축으로 인하여 인체 여러 곳에 혈액을 효과적으로 전달하지 못하기 때문에 심정지로 인한 산소공급의 부족에 의한 사망에 이르게 된다. 심장세동에 의한 심정지 환자는 약물이나 기타 전통적인 방법에 의해 치료할 수 없는 짧은 시간에 심장내 세동을 제거해야만 하기 때문에 일반적으로 가장 빠르고 효과적인 방법인 강한전류를 심장의 흉벽을 통해 심근에 인가함으로서 근수축을 일으켜 세동을 제거하는 방법을 사용한다.

그런데, 제세동기의 전기충격을 위해 고전압 전류가 사용되기 때문에 그에 따라 제세동기가 충격을 받아 손상되거나 인체에 전기충격을 가하지 않아야 되는 경우에도 전기충격을 가하는 위험성이 있다.

또한, 동일한 전기충격에 대하여 인체에 따라 과도하거나 부족한 전기충격이 될 수 있어 인체의 상태에 따라 가해지는 전기충격량을 달리 조절할 필요가 있다.

한편, 심정지환자가 전기충격에 의한 심실세동의 제거가 가능한 상태인지를 검사하기 위해 심장근의 수축시 발생하는 생체전위 변화에 따른 심전도 신호를 검 출하여 분석한다.

도 1은 정상적인 심전도를 도시한 것으로, 인체로부터 검출된 정상적인 심전도 신호는 P, Q, R, S, T, U의 6가지 신호형태를 가진다. 심전도 신호에서 가장 먼저 발생하는 P신호는 심방의 흥분전파기에 나타나는 신호이며, 우심방이 흥분되고 바로 다음 좌심방이 흥분될 때 나타나는 신호이다. QRS파형은 심전도 파형 중 가장 크고 명확히 구분되는 파형으로 심실의 탈분극이 일어나는 심실흥분기에 나타나는 파형이며, 정상 상태에서는 0.1sec를 넘기지 않는다. T와 U파는 심실의 재분극시 나타나는 파형이고 ST파형은 심근상태에 관한 정보를 제공하는 파형이다.

심정지 환자에서 나타나는 심전도 파형의 유형은 20여 가지가 넘지만 크게 도 2에 도시된 5가지 유형으로 압축할 수 있다.

도 2의 첫 번째 파형은 도 1에서 보인 바와 같은 정상인에게서 볼 수 있는 P, Q, R, S, T, U의 파형 형태가 명확한 심전도이며, 도 2두 번째 심전도 파형은 심실이 미세하고 불규칙하게 빠르게 떨리는 심실세동(Ventricular Fibrillation) 파형이다. 도 2의 세 번째는 심장박동이 빠른 심실빈맥(Ventricular Tachycardia)으로 규칙적이거나 또는 불규칙적인 R파가 나타나는 파형이다. 심실빈맥은 비교적 규칙적인 R파를 가진 Mono VT와 R-R 간격이 불규칙하고 복합적인 파형이 혼합된 Poly VT 파형으로 구분된다. 도 2에서 네 번째 파형은 심방세동(Atrial Fibrillation)파형으로 심방이 미세하게 떨리는 형태이며, 다섯째 파형은 심방이 비교적 규칙적이고 신호가 큰 형태로 나타나는 심방조동(Atrial Flutter) 파형이다.

상기와 같은 심실세동과 심실빈맥 파형은 제세동기의 전기충격 여부를 판단하는데 중요한 파형이다. 심실세동과 심실빈맥의 판정을 위해서는 심전도신호로부터 진폭, 주기, 주파수를 검출하여야 하는데, 심실세동과 심실빈맥의 경우 심전도신호가 약하고 불규칙하여 전기충격여부를 판정하는데 많은 신호처리와 절차를 거침으로써 판정시간이 길어지거나 고가의 장비를 사용하여야 하는 단점을 갖는다.

본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 인체의 임피던스 값에 따라 전기충격 전압을 조절하고, 과전압 충전 및 전기충격에 의한 기기의 손상을 방지할 수 있는 제세동기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 환자의 심전도를 검출하여 심장제세동기가 자동으로 전기충격 여부를 판정할 수 있도록 하는 심전도분석을 이용한 전기충격 여부를 판정할 수 있는 제세동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 R파를 효과적으로 검출하고 검출된 R파로부터 주기와 주파수를 효과적으로 측정할 수 있도록 R파를 간단한 절차로 보간하고, R파의 간격으로부터 빈맥의 종류를 효과적으로 판별함으로써 간단한 절차를 거쳐 효과적으로 전기충격여부를 판정할 수 있는 심전도분석을 이용한 전기충격 여부를 판정하는 제세동기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 제세동기는, 인체의 임피던스를 검출하는 임피던스검출부와, 심전도를 검출하는 심전도검출부와, 검출된 임피던스 신호와 심전도 신호를 처리하고 전기충격여부 및 전기충격량을 판정하는 마이크로컨트롤러부와, 마이크로컨트롤러부에 의해 제어되어 고압의 전기충격을 가하기 위한 고전압발생부와, 상기 고전압발생부에서 발생된 전류를 인체에 방전하기 위한 고전압스위칭부를 포함하는 제세동기에 있어서, 상기 고전압발생부에는 고전 압발생부에 기준 이상의 전압이 충전되는 경우 회로를 차단하기 위한 고전압차단회로가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는, 상기 고전압스위칭부는 H-브리지 정류회로에 의해 구성되되, 그 H-브리지 정류회로의 입력단에는 SCR이 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는, 상기 고전압스위칭부의 H-브리지 정류회로는 제1SCR과 제1IGBT가 직렬 연결된 회로와, 제2SCR과 제2IGBT가 직렬 연결된 회로가 서로 병렬로 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는 상기 H-브리지 정류회로의 스위칭 작동을 위하여 상기 마이크로컨트롤러부터 출력되는 제어신호를 입력받아 제1SCR과 제2IGBT는 연결시키고 제2SCR과 제1IGBT는 차단시키는 스위칭과 제1SCR과 제2IGBT는 차단시키고 제2SCR과 제1IGBT는 연결시키는 스위칭이 교대로 이루어지도록 하기 위한 인터락부가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는, 고전압스위칭부의 출력단과, 상기 임피던스 검출부 및 상기 심전도 검출부로의 입력단은 제1전환릴레이에 의해 전환되어 인체에 접촉연결되는 전극에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는, 임피던스검출부 회로와 상기 심전도검출부 회로는 제2전환릴레이에 의해 전환되어 상기 임피던스검출부 및 심전도검출부로의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는, 상기 제1전환릴레이와 제2전환릴레이 사 이에는 차단릴레이가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제세동기는, 상기 마이크로컨트롤러부는, 상기 임피던스검출부에 의해 검출된 인체의 임피던스 값에 따라 전기충격을 위한 전압 펄스폭을 정하여 상기 고전압발생부에 의해 고전압이 발생되도록 상기 고전압발생부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 제세동기는 인체의 임피던스 값에 따라 전기충격 전압을 조절하고, 과전압 충전 및 전기충격에 의한 기기의 손상을 방지할 수 있는 장점을 갖는다.

뿐만 아니라 본 발명에 따른 제세동기는, 환자의 심전도를 검출하여 심장제세동기가 자동으로 전기충격 여부를 판정할 수 있도록 하는 심전도분석을 이용한 전기충격 여부를 판정할 수 있으며, 특히 본 발명은 R파를 효과적으로 검출하고 검출된 R파로부터 주기와 주파수를 효과적으로 측정할 수 있도록 R파를 간단한 절차로 보간하고, R파의 간격으로부터 빈맥의 종류를 효과적으로 판별함으로써 간단한 절차를 거쳐 효과적으로 전기충격여부를 판정할 수 있는 심전도분석을 이용한 전기충격 여부를 판정할 수 있는 장점을 갖는다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 제세동기를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 임피던스검출부 및 심전도검출부를 도시한 블럭도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 마이크로컨트롤러부 및 그 주변회로를 도시한 회로도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 방전파형과 제어파형을 도시한 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 고전압발생부를 도시한 회로도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 고전압스위칭부를 도시한 회로도이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 고전압스위칭부에 의한 전기충격파형을 도시한 그래프이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 인터락부 및 고전압스위칭부의 작동을 개념적으로 도시한 도면이며, 도 12는 본 발명의 일실시에에 따른 제세동기의 전원장치의 회로를 도시한 회로도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 전체적인 구성을 도시한 블럭도록 도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기는 임피던스검출부(10), 심전도검출부(20), 마이크로컨트롤러부(30), 고전압발생부(40), 고전압스위칭부(50), 인터락부(60), 판넬부(70), 전극(80), 전환 및 차단릴레이(91,92,93)를 포함하여 구성된다.

상기 임피던스검출부(10)는 인체의 임피던스를 측정하여 인체에 가해지는 전기충격 값을 계산하기 위한 계측회로이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 임피던스검출부(10)는 임피던스측정파발진기(11)에서 발진된 5KHz의 주파수를 가진 전류를 인체에 인가하고 임피던스측정회로(12)에서 측정된 전압을 적분회로(13)에 적분하여 계측하는 방식을 사용한다. 계측된 인체의 임피던스는 AD 컨버터(10',ADC)를 통해 마이크로컨트롤러부(30)로 전송되고, 마이크로컨트롤러부(30)는 입력된 임피던스에 따른 전기충격 에너지량, 즉 전기충격 값의 전기충격이 이루어지도록 고전압발생부(40) 및 스위칭회로부(50)의 작동을 제어한다.

상기 심전도검출부(20)는 인체의 심전도를 검출하는 구성이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 인체로부터 전극(80)을 통해 들어온 신호가 제1,2전환릴레이(91,93), 차단릴레이(92)의 연결에 의해 심전도검출부(20)의 검출회로로 전달된다. 전극(80)으로부터 전달된 미약한 심전도신호는 인스트루멘테이션 앰프(Instrumentation AMP, 21)를 거쳐 10Hz의 대역을 가지는 고역통과 필터(HPF, 22a)와 60Hz의 대역을 가지는 대역저지 필터(NF, 22b) 및 250Hz 대역의 저역통과 필터(LPF, 22c) 등으로 구성된 필터(22)를 거치면서 노이즈가 제거된 깨끗한 심전도신호로 필터링된다. 약1mV의 생체신호를 검출할 수 있는 인스트루멘테이션 앰프(21)로는 입력임피던스가 10¹²Ω으로 매우 높은 앰프가 사용되는 것이 바람직하다. 이는 심전도신호의 필터링에서 처음 노이즈를 걸러내는 고역통과 필터(22a)는 인스트루멘테이션 앰프(21)가 기본적으로 차동앰프를 기반으로 설계되기 때문에 작은 입력 전위차에 따라 한쪽으로 포화되는 현상이 발생하여 위급한 상황에서 심전도를 검출하는데 오랜 시간이 소요되기 때문이다. 전위차에 따른 편향된 포화상태를 빠르게 제거하기 위해서 AC성분을 가지는 앰프의 선택을 위해 심전도 분석에 영향을 주지 않는 범위에서 주파수 대역을 정하는 것이 바람직하다. 고역통과 필터(22a)를 통과하여도 60Hz 상용전원 노이즈가 많아 ECG(Electrocardiography) 신 호를 볼 수 없기 때문에 55Hz~65Hz사이의 신호를 저지하기 위한 대역저지 필터(22b)가 구비되는 것이 바람직하고, 250Hz 이상의 신호는 무의미한 신호이기때문에 저역통과 필터(22c)를 장착하여 상위 신호를 차단시키는 것이 바람직하다. 마지막으로 필터링된 심전도신호의 심전도의 교정(calibration)을 위해 신호크기를 조절할 수 있는 디지털 제어방식의 이득제어 회로를 가진 조절앰프(23)가 구비된다.

상기 마이크로컨트롤러부(30)는 검출된 임피던스신호와 심전도신호에 따라 전기충격여부 및 전기충격량을 판정하며, 고전압발생부(40) 및 고전압스위칭부(50)의 작동을 제어하기 위한 구성이다. 도 3을 참조하면, 상기 마이크로컨트롤러부(30)에는 메모리장치, 음성안내 및 음성기록장치, USB 인터페이스 장치, SD 프레쉬 메모리 장치, 키패드 및 LED 표시장치 등으로 구성된 판넬부(70)이 연결되며, 고전압스위칭부(50)의 제어를 위한 제어신호의 인터락을 구성하기 위한 인터락부(60)이 연결된다. 도 5는 상기와 같은 마이크로컨트롤러부(30)을 중심으로 구성된 주변회로를 도시한 도면이다.

상술한 바와 같이 마이크로컨트롤러부(30)는 전기충격 여부를 판정하고 그에 따라 전기충격이 가해지도록 고전압발생부(40) 및 고전압스위칭부(50)의 작동을 제어한다. 심장정지 환자의 세동제거를 위한 전기충격 방법은 크게 AC세동 방법과 DC세동 방법이 있으며, AC세동 방법 보다 DC세동 방법이 보다 효과적이다. DC세동 방법에는 한쪽 방향으로만 고압전류을 인체에 방전하는 단일방향(Monophasic) 충격 방법이 있으나, 적은 에너지로 보다 좋은 효과와 환자에게 미치는 영향이 적기 때 문에 양방향(Biphasic)충격 방법이 적당하며, 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기는 도 6에 도시된 양방향 방전파형을 나타내는 양방향충격 방법을 채택한 것이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기는 방전의 전체주기를 20msec로 하고 그 중간에 0.5msec 오프타임을 가지도록 설계하였다. 상술한 바와 같이 본 발명은 인체의 임피던스 값에 따라 방전 에너지 량도 같이 조절시키는 것을 특징으로 하는데, 방전 에너지 량의 조절방법으로는 전압을 조절하는 방법, 전류량을 조절하는 방법 등이 있으나 회로가 간단하고 제어가 용이하기 때문에 인체임피던스 값에 따라 방전시간을 조절하는 방법이 바람직하다. 도 6에는 A의 제어파형에 따른 방전파형에 비하여 인체의 임피던스가 낮아질 때 B의 제어파형으로 방전파형의 펄스폭이 작아져 방출에너지량이 줄어들도록 하는 것이 개념적으로 도시되어 있다. 표 1은 측정된 인체 임피던스에 따른 전기충격 값의 변화량의 일예를 나타낸 것으로, 본 발명은 상기 마이크로컨트롤러부(30)가 상기 임피던스검출부(10)에 의해 검출된 인체의 임피던스 값에 따라 전기충격을 위한 전압 펄스폭을 정하여 상기 고전압발생부(40)에 의해 고전압이 발생되도록 상기 고전압발생부(40)를 제어한다. 즉, 본 발명은 표 1에서와 같이 인체 임피던스에 따라 전기충격 펄스파형의 상향, 하향 펄스폭이 변화시킨다.

임피던스 측정치(O: 5KHz)	상향파형(ms)	하향파형(ms)
25	2.5	2.5
50	4.5	4.5
75	6.5	6.5
100	7.5	7.5
125	8.5	8.5
150	11.5	7.5
175	12.5	6.5
200	12.5	6.5

한편, 하술하는 고전압스위칭부(50)의 H-브리지 스위칭회로에서 방전시 짧은 시간 동안이라도 단락상태가 될 때 소자가 파괴되는 것을 방지하기 0.5msec 정도의 오프 시간을 주는 것이 바람직하며, C는 오프타임을 위한 간격이다.

상기 고전압발생부(40)는 상기 마이크로컨트롤러부(30)에 의해 제어되어 고압의 전기충격을 가하기 위한 고전압의 전류를 발생시켜 충전하기 위한 구성이다. 도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 고전압발생부(40)는 고압트랜스(42)를 FET 스위칭 TR을 이용하여 50KHz의 발진 주파수로 스위칭하여 교류의 고전압을 발생시킨다. 고전압으로 승압된 교류전압은 고압브리지 정류회로(43)를 통해 직류전원으로 만들어지고 고압 캐패시터로 구성된 충전회로(43)에 충전된다. 충전된 고전압전류는 댐퍼장치(도면에 미도시)를 거쳐 상기 고전압스위칭부(50)의 스위칭 회로를 통해 인체에 방전된다. 본 발명은 고전압발생부(40)에 캐패시터로 구성된 충전회로(43)에 기준 이상의 전압이 충전되는 경우 회로를 차단하기 위한 고전압차단회로가 구비된 것을 특징으로 한다. 도면을 참조하면, 상기 고전압차단회로는 충전회로(43)는 전압을 감시하기 위한 전압분배기(45)와 시스템의 오작동으로 기준이상의 전압이 충전될 경우 회로가 자동으로 차단하기 위한 고전압차단회로(46)로 구성된다. 전압분배기(45)에서 낮춰진 감시전압은 전압증폭회로(47a)를 거처 AD변환기(47b)에서 디지털 전압으로 변환되어 마이크로컨트롤러부(30)으로 전송하고, 그 전송된 고전압값은 판넬부(70)에 표시된다.

상기 고전압스위칭부(50)는 상기 고전압발생부(40)에서 발생된 전류를 인체에 방전하기 위하여 상기 마이크로컨트롤러부(30)에 의해 제어되어 스위칭 작동을 하기 위한 구성이다. 도 3 및 도 8을 참조하면, 고전압발생부(40)에서 발생되어 충전된 충전전류는 실리콘 제어 정류기(Silicon controlled rectifier, SCR)과 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)로 구성된 H-브리지 스위칭 회로를 통해 방전되는데, 좌측과 우측이 교대로 작동하면서 +방향과 -방향으로 교차되어 방전되는 양방향(Biphasic) 전류방전이 도 9와 같이 이루어진다. 상기 고전압스위칭부(50)의 H-브리지 정류회로는 상부에 SCR(51,53)을 배치하고 하단에 IGBT(52,54)를 배치하여 구성된다. 즉, 상기 H-브리지 정류회로는 제1SCR(51)과 제1IGBT(52)가 직렬 연결된 회로와, 제2SCR(53)과 제2IGBT(54)가 직렬 연결된 회로가 서로 병렬로 연결되어 구성된다.

또한, 본 발명은 상기 고전압스위칭부(50)의 H-브리지 정류회로의 입력단에는 SCR(50')이 연결된 것을 특징으로 한다. 이는 시스템의 오작동으로 인한 갑작스런 인체방전에 의한 사고를 방지하기 위해 주 전원 선인 H-브리지 정류회로의 입력단에 SCR(50')을 추가로 배치하여 시스템의 안전성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 상기 고전압스위칭부(50)에는 고전압발생부(40)에서 충전되었으나 인체에 전기충격을 가하지 않는 경우 안전을 위하여 고전압을 방전시키기 위한 회로가 구비된다. 즉, 상기 고전압스위치부(50)에는 방전단에 방전저항(55)이 연결되어 그 방전저항(55)에 직렬로 연결된 IGBT3(56)의 스위칭에 의하여 방전이 이루어지도록 구성된다.

본 발명은 상기 고전압스위칭부(50)가 고압회로이기 때문에 저전압의 제어신호로 스위칭시켜 고전압에 의한 시스템의 손상 및 간섭을 방지하기 위해 SCR은 드라이버(51a,53a)를 통해 펄스트랜스를 이용하여 전원을 분리하여 구동하였으며, IGBT는 포토커플러를 기본으로 구성된 게이트드라이버(52a,54a,56a)를 배치하여 고압전원과 제어전원 사이를 분리하였다.

한편, 상기 고전압스위칭부(50)의 H-브리지 스위칭 회로가 아주 짧은 시간이라도 좌측 또는 우측의 상하 SCR(51,53)과 IGBT(52,54)가 동시에 온이 되는 경우가 발생하면 순간적인 단락상태가 되어 고압회로가 파괴된다. 따라서 본 발명에서는 마이크로컨트롤러부(30)의 프로그램 오작동 또는 짧은 시간차에 의한 순간적인 단락상태가 되는 것을 방지하기 위해 게이트를 이용한 내부 인터락 회로가 구성된 상기 인터락부(60)가 구비된 것을 특징으로 한다.

도 10 및 도 11은 상기 인터락부(60)의 내부 인터락 회로의 구성 및 작동을 도시한 블럭도로서 상하 인터락 회로(61,62)의 출력이 교차되어 신호를 입력하기 때문에 한쪽의 출력이 나갈 때 반대쪽 회로는 동시에 H-브리지 회로가 연결되지 않고 X형으로 교차되어 스위칭 되게된다. 즉, 상기 인터락부(60)는 상기 H-브리지 정류회로의 스위칭 작동을 위하여 상기 마이크로컨트롤러부(30)터 출력되는 제어신호(SW1,SW2)를 입력받아 제1SCR(51)과 제2IGBT(54)는 연결시키고 제2SCR(53)과 제1IGBT(52)는 차단시키는 스위칭과 제1SCR(51)과 제2IGBT(54)는 차단시키고 제2SCR(53)과 제1IGBT(52)는 연결시키는 스위칭이 교대로 이루어지도록 한다.

상기 판넬부(70)는 상기 마이크로컨트롤러부(30)에 연결되어 제세동기의 각 구성의 상황을 디스플레이하는 구성, 사용자가 명령 및 데이터를 입출력시키는 구성, 각 데이터 등을 저장시키는 구성, 외부 기기와의 인터페이스를 위한 구성 등으로 구성된다. 도면을 참조하면, 상기 판넬부(70)는 제세동기 주변의 음성을 입력받아 기록하기 위한 음성기록장치(71), 제세동기의 알람이나 기타 메세지 등을 음성으로 출력하기 위한 음성출력장치(72), 사용자가 명령이나 데이터를 입력하기 위한 키패드(73), 제세동기의 상황이나 심전도출력 등을 화면으로 디스플레이하기 위한 표시장치(74), 제세동기의 각종 상황이나 데이터를 저장하기 위한 메모리장치(75) 및 외부기기와의 인터페이스를 위한 입출력인터페이스(76) 등을 포함하여 구성된다.

상기 전극(80)은 인체에 접촉되어 상기 임피던스검출부(10) 및 심전도검출부(20)으로 입력되는 신호를 입력받고, 상기 고전압발생부(40)에서 발생되어 상기 고전압스위칭부(50)의 작동으로 출력되는 방전전류를 인체에 방전하기 위한 단자이다.

한편, 본 발명은 상기 전극(80)으로부터 입력되는 신호의 검출과 충격전류의 방전을 위한 전환 및 회로의 보호를 위하여 릴레이가 구비된다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 고전압스위칭부(50)의 출력단과, 상기 임피던스검출부(10) 및 상기 심전도검출부(20)로의 입력단은 제1전환릴레이(91)에 의해 전환되어 인체에 접촉연결되는 전극(80)에 연결된다. 또한, 상기 임피던스검출부(10) 회로와 상기 심전도검출부(20) 회로는 제2전환릴레이(93)에 의해 전환되어 상기 임피던스검출부(10) 및 심전도검출부로(20)의 입력단에 연결된다. 그리고, 고전압에 의한 회로보호를 위해 상기 제1전환릴레이(91)와 제2전환릴레이(93) 사이에는 차단릴레이(94)가 구비된 다. 상기 제1전환릴레이(91)는 충격전류와 생체신호 계측이 전환되는 스위치로 작동하고, 제2전환릴레이(93)는 임피던스검출부(10)의 계측회로와 심전도검출부(20)의 계측을 선택하기 위한 신호전환용으로 구성되어 신호가 각 계측 회로에 전달 된다. 상기 차단릴레이(92)는 고압의 충격전류가 임피던스 계측장치나 심전도 앰프로 흘러들어 회로가 파괴되는 현상을 방지하기 위한 보호용 릴레이이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기는 도 11에 도시된 바와 같은 전원장치를 구비한다. 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 전원장치는 3V용 리튬전지를 여러개 직렬 연결하여 에너지원으로 사용하며, 기본적으로 고압전원용 21V 전원과 제어용 9V 전원을 이용한다. 21V 전원은 고전압 발생에 필요한 전원을 만드는데 필요한 에너지 원으로 사용되는 전원이며, 9V 전원은 DC-DC 스위칭 전원장치를 거처 5V 정전압 전원을 각각의 전원감시장치, 리얼타임 컨트롤러(RTC), 마이크로컨트롤러(MCU) 등에 공급된다. 5V전원은 심전도 앰프에 양전원이 공급되야 함으로 ±2.5V의 전압을 분배하여 전원을 생성한다. 기타 3.3V 전원을 사용하는 음성장치를 위한 전원 발생 회로 등으로 구성된다.

한편, 상기와 같이 구성된 제세동기는 상기 심전도검출부(20)에서 검출된 심전도를 분석하여 전기충격여부를 판정한다. 이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기에서 심전도분석을 이용하여 전기충격여부를 판정하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법을 도시한 흐름도이고, 도 14은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법의 실시를 위한 프로그램의 흐름도이며, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 R파 검출시 기준값과의 관계를 도시한 그래프이고, 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 R파 보간을 위한 이동평균법을 개념적으로 도시한 개념도이며, 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 이동평균에 의하여 보간된 R파와 원 R파간을 비교하여 도시한 그래프이고, 도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 단일 심실빈맥과 복합 심실빈맥의 R파 간격을 개념적으로 도시한 그래프이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기는 심전도분석을 이용하여 전기충격여부를 판정하는데 그 판정 방법은, 진폭비교단계(S10), R파검출단계(S20), R파예비보간단계(S30), 빈맥분류단계(S40), R파보간단계(S50), 전기충격판정단계(S60), 심박정지판정단계(S70)을 포함하여 구성된다.

상기 진폭비교단계(S10)는 검출된 심전도신호의 진폭값을 진폭 기준값과 비교하여 정상, 빈맥여부 또는 그 이하인지를 판단하는 단계이다. 일반적으로 정상인의 심전도신호는 1mV 이상의 생체신호를 가진다. 심전도신호는 심장으로 부터 발생하는 생체신호를 증폭하는 ECG 앰프에 의해서 증폭되는데 1,000배에서 5,000배 정도를 증폭하여 얻어진다. 도 14의 흐름도에서 보는 바와 같이 진폭비교단계(S10)에서는 심전도에서 검출되는 신호의 최고점과 최저점의 값으로부터 진폭크기를 측정하여 신호의 이득을 구하고 이를 기준값과 비교하는 단계이다. 즉, 심전도신호의 진폭값이 상위 진폭 기준값(상위값)인 1mV 이상일 경우에는 정상적인 상태로 전기충격을 가하지 않고, 진폭값이 상위 진폭 기준값인 1mV보다 작고 하위 진폭 기준값(하위값)인 0.2mV 보다 크면 심실빈맥(Ventricular Tachycardia)을 측정하기 위한 알고리즘 루틴으로 들어간다. 또한, 진폭비교단계(S10)에서 진폭값이 하위 진폭 기준값인 0.2mV보다 작은 경우 하술하는 심박정지판정단계(S70)에서 심박정지여부를 판정하는 알고리즘 루틴이 실행된다.

상기 R파검출단계(S20)는 심전도분석을 위하여 심전도신호로부터 R파를 검출하는 단계이다. 특히, 상기 R파검출단계(S20)는 상기 진폭비교단계(S10)에서 진폭값이 상위 진폭 기준값과 하위 진폭 기준값 사이인 경우로서 심실빈맥을 판정하기 위하여 R파의 간격을 분석하는 경우 신뢰성 있는 R파를 효과적으로 신속하게 검출하는 것이 필요하다. 신뢰성 있는 R파를 효과적이고 신속하게 검출하기 위하여 본 발명은 심전도신호의 최대값을 기준으로 그 최대값 대비 설정된 비율의 범위내에서 검출된 신호를 이용하여 R파를 검출하는 것을 특징으로 한다. 도 15는 본 발명에서 R파를 검출하는 방법을 도식적으로 도시한 그래프이다. 도 15를 참조하면, 본 발명에서는 심전도신호로부터 R파를 검출하기 위해 P, Q, R, S, T 파가 증폭되는 파형으로부터 신호가 가장 큰 신호의 최고점을 먼저 찾고, 그 가장 큰 신호, 즉 최대값을 중심으로 일정한 범위를 정하고 그 범위 이내에 들어있는 값에 대한 최대치를 R파로 인식한다. 도 5는 범위 설정기준값(Ref)을 최대값의 0.9로 하여 범위를 설정한 것을 도시한 것이다.

상기 R파예비보간단계(S30)는 R파검출단계에서 검출된 R파로부터 노이즈를 제거하기 위하여 R파를 보간하는 단계이다. 즉, 전기충격 여부를 판단하는데 보간법의 일종인 이동평균법을 적용하여 임펄스 형태의 노이즈와 기저노이즈를 제거하고 노이즈가 없이 깨끗한 파형을 구하는 단계이다. 도 16은 R파의 보간을 위하여 사용되는 이동평균법을 개념적으로 도시한 것이다. 도 16을 참조하면, 본 발명은 R파의 보간을 위하여 심전도신호를 데이터 샘플링하고 샘플링 데이터(A1 내지 An)의 이동평균을 구하여 R파를 보간한다. 본 발명은 보간법의 일종인 이동평균법을 이용하여 데이터 열의 평균값을 구함으로서 예측하지 못한 불규칙한 데이터 값을 제거할 수 있게 된다. 본 발명에서는 도 16에 도시된 바와 같이 연속하는 복수개(도면에는 3개)의 데이터를 평균하고 이를 가장 앞에 선 데이터에 넣어 값을 기록하는 방법으로 순차적으로 데이터의 끝까지 계산하는 방법을 사용하였다. 도 17은 샘플링 데이터 22개를 이동평균하여 원 R파(도 17의 심전도AD값 선도)의 미세한 노이즈나 곡선의 날카로운 파형을 완만하게 하여 보간된 R파(도 17의 이동평균적용 선도)를 도시한 그래프로서, 도 17에서와 같이 보간된 R파를 이용함으로서 하술하는 빈맥분류단계(S40)에서의 R파 간격 분석이나 전기충격판정단계(S60)에서의 분당심박수(BPM) 분석을 보다 정확하게 수행할 수 있게 된다.

상기 빈맥분류단계(S40)는 심전도신호에서 이웃하는 R파간 간격의 편차를 누적시킨 누적값을 구하고, 그 누적값이 편차 기준값보다 작은 경우 단일 심실빈맥(Mono VT)으로 판정하고, 그 누적값이 기준값보다 크거나 같은 경우 복합 심실빈맥(Poly VT)으로 판정하는 단계이다.

본 발명은 R파 간격의 편차 누적값을 구해 효과적으로 단일 심실빈맥과 복합 심실빈맥을 구분 판정할 수 있는 것을 특징으로 한다. 도 18a와 도 18b는 단일 심실빈맥과 복합 심실빈맥 각각의 파형으로부터 미세한 맥박의 형태를 띤 노이즈 파형을 상기 R파예비보간단계(S30)에서 이동평균법을 적용하여 제거한 후 예비보간된 R파의 최대점을 검출하여 그 최대점간의 간격을 R파 간격으로하여 이웃하는 R파간의 간격의 편차를 누적하였다. 도 18a 및 도 18b에서는 최대점을 각각의 시간 축에서 막대바를 그어 표시했으며, 각각의 막대바의 간격을 측정하여 편차값을 누적하였다. 편차의 누적값을 구하는 방법은 처음의 R파와 두번째 R파의 간격을 더한 값을 R1이라고 하고, 두번째 R파와 세번째 R파의 간격을 더한 값을 R2라고 한다. 그리고 R1의 값에서 R2의 값을 뺀 값(편차)을 누적시켜 누적값(RD)를 구한다. 하기의 식 1은 누적값을 구하는 식으로, 식 1의 누적값(RD)은 R파 간격의 차이가 많이 나는 파형은 계속커지게 된다.

RD= |R1-R2| + |R2-R3| +.........|Rn-Rn+1|

도 18a는 단일 심실빈맥 파형의 경우를 도시한 것으로, 단일 심실빈맥의 경우는 R파 간격이 비교적 일정하기 때문에 편차 누적값(RD)가 적게 나오지만 도 18b에서와 같이 R파 간격이 불규칙한 복합 심실빈맥의 경우는 편차 누적값(RD)가 매우 크게 나오게 된다.

상기와 같이 구해진 편차 누적값을 기준값과 비교하여 단일 심실빈맥과 복합 심실빈맥을 판정하게 된다. 판정을 위한 기준값은 신뢰성있는 판정이 이루어지도록 선정되는데, 예를 들어 R파를 5초간 샘플링하여 얻은 샘플링 데이터로부터 R파를 보간하고 그 샘플링 데이터로부터 구해진 R파 간격의 편차 누적값을 구한 경우 단일 심실빈맥에서는 누적편차가 50이하의 수치가 주로 나타났으며, 복합 심실빈맥에서는 100보다 큰 수백의 누적편차 값을 나타내어 기준값을 100으로 선정하였다. 즉, 편차 누적값이 100이하이면 단일 심실빈맥(Mono VT)으로 판정하였으며, 100이상 일 때는 복합 심실빈맥(Poly VT)으로 판정하였다.

상기 R파보간단계(S50)는 상기 빈맥분류단계(S40)에서 복합 심실빈맥으로 분류된 샘플링 데이터의 이동평균을 구하여 R파를 보간하는 단계이다. 하술하는 바와 같이 전기충격여부의 판정시 심장박동수를 측정하는데, 단일 심실빈맥의 경우 R파가 주기적이기 때문에 심장박동수의 측정이 비교적 용이하고, 그 값의 신뢰성이 높지만, 복합 심실빈맥의 경우 R파의 주기가 불규칙하고 노이즈가 많기 때문에 심장박동수를 구하기가 쉽지 않다. 따라서, 본 발명은 상기 R파보간단계(S50)에서 복합 심실빈맥으로 판정된 경우에는 더욱더 R파를 보간하여 심장박동수를 용이하게 측정하도록 구성된 것을 특징으로 한다. 이에 따라 본 발명은 R파예비보간단계(S30)을 거치지 않고 빈맥분류단계(S40)를 거쳐 복합 심실빈맥으로 판정된 경우에만 R파를 보간하도록 하여 심전도분석 알고리즘을 단순화시키고 데이터 처리 부하를 줄여 신속한 분석이 이루어지도록 구성되거나, 또는 R파예비보간단계(S30)를 거친 경우라 하더라도 상기 R파예비보간단계(S30)에서 이동평균을 구하기 위한 샘플링 데이터 수보다 상기 R파보간단계에서 이동평균을 구하기 위한 샘플링 데이터 수가 더 크게 함(예를 들어 R파예비보간단계에서는 10개의 데이터에 대한 평균값을 구하고 R파보간단계에서는 22개의 데이터에 대한 평균값을 구하여 이동평균법을 적용)으로써 분석의 신속함과 복합 심실빈맥에서 용이하게 심장박동수를 구하도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 전기충격판정단계(S60)는 심전도신호로부터 심장박동수를 구하여 그 심장박동수가 기준 박동수보다 큰 경우 전기충격을 가하는 것으로 판정하는 단계이다. 즉, 상기 전기충격판정단계(S60)는 상기 진폭비교단계(S10)에서 진폭값이 상위 진폭 기준값과 하위 진폭 기준값 사이인 경우 상기의 R파검출단계(S20), R파예비보간단계(S30), 빈맥분류단계(S40), R파보간단계(S50)를 거쳐, 심전도신호의 R파로부터 심장박동수를 구하여 그 심장박동수가 기준 박동수보다 큰 경우 전기충격을 가하는 것으로 판정한다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 단일 심실빈맥과 복합 심실빈맥으로 부터 주파수에 해당하는 분당심박수(BPM)를 구하여 전기충격여부를 판정한다. 단일 심실빈맥은 비교적 주기적인 심실빈맥 파형이 나타남으로 R파를 구하고 분당 R파의 수를 구해 미리 설정된 기준 박동수인 150BPM이상이면 전기충격을 가하고 이하이면 가하지 않는 알고리즘이다. 또한, 복합 심실빈맥의 경우 미세한 세동 주파수가 기저에 깔려있어 정확한 BPM을 구하기 어려움으로 이동평균법을 추가적으로 적용하여 미세한 기저 노이즈를 제거한 후 BPM을 측정하였다. 여기서도 150BPM이 초과 할경우 전기충격을 가하고 150BPM 보다 작으면 충격을 가하지 않도 록 구현하였다.

상기 심박정지판정단계(S70)는 상기 진폭비교단계(S10)에서 심전도신호의 진폭이 하위 진폭 기준값 이하인 경우에 심장박동의 정지여부를 판정하는 단계이다. 즉, 심박정지판정단계(S70)에서는 상기 진폭비교단계(S10)에서 심전도신호의 진폭이 하위 진폭 기준값인 0.2mV 이하인 경우에 그 진폭값이 심박정지 기준값(정지값)인 0.1mV과 비교하여 진폭값이 정지값보다 크면 심장이 완전히 멈추기 직전임으로 즉각 전기충격이 가해지며, 정지값인 0.1 mV 이하에서는 이미 사망한 상태이기 때문에 전기충격을 가하지 않는다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 제세동기는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 정상적인 심전도신호를 도시한 그래프

도 2는 심전도 분석에서 적용되는 다양한 심전도 파형을 도시한 도면

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 구성을 도시한 블럭도

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 임피던스검출부 및 심전도검출부를 도시한 블럭도

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 마이크로컨트롤러부 및 그 주변회로를 도시한 회로도

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 방전파형과 제어파형을 도시한 그래프

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 고전압발생부를 도시한 회로도

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 고전압스위칭부를 도시한 회로도

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 고전압스위칭부에 의한 전기충격파형을 도시한 그래프

도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 인터락부 및 고전압스위칭부의 작동을 개념적으로 도시한 도면

도 12는 본 발명의 일실시에에 따른 제세동기의 전원장치의 회로를 도시한 회로도

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법을 도시한 흐름도

도 14은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법의 실시를 위한 프로그램의 흐름도

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 R파 검출시 기준값과의 관계를 도시한 그래프

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 R파 보간을 위한 이동평균법을 개념적으로 도시한 개념도

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 이동평균에 의하여 보간된 R파와 원 R파간을 비교하여 도시한 그래프

도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일실시예에 따른 제세동기의 심전도분석을 이용한 전기충격 판정 방법에서 단일 심실빈맥과 복합 심실빈맥의 R파 간격을 개념적으로 도시한 그래프

<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>

10 임피던스검출부

20 심전도검출부

30 마이크로컨트롤러부

40 고전압발생부

50 고전압스위칭부

60 인터락부

70 판넬부

80 전극

91,92,93 릴레이

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 인체의 임피던스를 검출하는 임피던스검출부와, 심전도를 검출하는 심전도검출부와, 검출된 임피던스 신호와 심전도 신호를 처리하고 전기충격여부 및 전기충격량을 판정하는 마이크로컨트롤러부와, 마이크로컨트롤러부에 의해 제어되어 고압의 전기충격을 가하기 위한 고전압발생부와, 상기 고전압발생부에서 발생된 전류를 인체에 방전하기 위한 고전압스위칭부를 포함하는 제세동기에 있어서,

   상기 고전압발생부에는 고전압발생부에 기준 이상의 전압이 충전되는 경우 회로를 차단하기 위한 고전압차단회로가 구비되고,

   상기 고전압스위칭부는 H-브리지 정류회로에 의해 구성되되, 그 H-브리지 정류회로의 입력단에는 SCR이 연결되며,

   상기 고전압스위칭부의 H-브리지 정류회로는 제1SCR과 제1IGBT가 직렬 연결된 회로와, 제2SCR과 제2IGBT가 직렬 연결된 회로가 서로 병렬로 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 제세동기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 H-브리지 정류회로의 스위칭 작동을 위하여 상기 마이크로컨트롤러부터 출력되는 제어신호를 입력받아 제1SCR과 제2IGBT는 연결시키고 제2SCR과 제1IGBT는 차단시키는 스위칭과 제1SCR과 제2IGBT는 차단시키고 제2SCR과 제1IGBT는 연결시키는 스위칭이 교대로 이루어지도록 하기 위한 인터락부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 제세동기.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   고전압스위칭부의 출력단과, 상기 임피던스 검출부 및 상기 심전도 검출부로의 입력단은 제1전환릴레이에 의해 전환되어 인체에 접촉연결되는 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 제세동기.
6. 제5항에 있어서,

   임피던스검출부 회로와 상기 심전도검출부 회로는 제2전환릴레이에 의해 전환되어 상기 임피던스검출부 및 심전도검출부로의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 제세동기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1전환릴레이와 제2전환릴레이 사이에는 차단릴레이가 구비된 것을 특징으로 하는 제세동기.
8. 삭제

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