KR101056220B1 - Emergency signal transmitter for artificial heart and emergency signal transmitter for artificial heart - Google Patents

Emergency signal transmitter for artificial heart and emergency signal transmitter for artificial heart Download PDF

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노형준
문범호
손동길
윤홍철
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 전류 생성부; 상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류회로부; 상기 정류회로로부터 발생된 전류를 커패시터에 충전하는 충전부; 상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되고, 모터가 구동되지 않을 시 충전된 커패시터가 방전을 개시하도록 하는 스위치 회로부; 및 상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터로부터 방전된 전기 에너지를 이용하여 구조신호를 발신하는 신호 발신부를 포함하는 인공심장용 긴급신호 발신장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 혼자 사는 심장질환자 등 인공심장을 이식받은 환자들이 주위에 도움을 줄 수 있는 사람이 없어 신속히 응급조치를 못 받아 사망하는 경우를 예방할 수 있으며, 안전장치의 전원을 독립적으로 생산함으로써 전지교환의 번거로움을 피할 수 있다. According to the present invention, in operation of an artificial heart having a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of a substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor, and a displacement occurs in the piezoelectric body by vibration of the substrate, thereby generating a current. A current generator; A rectifier circuit unit electrically connected to the current generator and configured to receive an alternating current from the current generator and convert the alternating current into a direct current; A charging unit for charging a capacitor with current generated from the rectifier circuit; A switch circuit unit configured to charge the capacitor with the rectified current when the motor of the artificial heart is driven and to start discharging the charged capacitor when the motor is not driven; And when the motor of the artificial heart is not driven provides an emergency signal transmitting apparatus for artificial heart comprising a signal transmitting unit for transmitting a rescue signal by using the electrical energy discharged from the capacitor. According to the present invention, patients who have artificial heart transplants, such as heart disease patients who live alone, can prevent the death of patients who are unable to receive first aid promptly because there is no one who can help the surroundings. The hassle of battery replacement can be avoided.

인공심장, 긴급신호, 응급조치, 압전체 Artificial heart, emergency signal, first aid, piezoelectric

Description

인공심장용 긴급신호 발신장치 및 이를 이용한 인공심장용 긴급신호 발신방법{An emergency signal transmission apparatus for artificial heart and a method of emergency signal transmission for artificial heart}An emergency signal transmission apparatus for artificial heart and a method of emergency signal transmission for artificial heart}

본 발명은 인공심장용 긴급신호 발신장치 및 이를 이용한 인공심장용 긴급신호 발신방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전체를 이용하여 별도의 독립전원이 없이 인공심장의 고장 또는 이상을 감지하여 긴급신호를 발신하도록 하는 장치 및 이를 이용한 인공심장용 긴급신호 발신방법에 관한 것이다. The present invention relates to an emergency signal transmission apparatus for artificial heart and an emergency signal transmission method for artificial heart using the same, and more specifically, to detect an emergency signal by detecting a failure or abnormality of an artificial heart without a separate independent power source using a piezoelectric body. An apparatus for transmitting and an emergency signal transmitting method for an artificial heart using the same are provided.

인류역사상 공통관심사의 하나는 생명 연장의 꿈이며 이것의 현대 과학적 시도들 중 하나가 생명성을 나타내는 심장을 대체할 인공심장의 개발이다. 1982년 12월 2일 유타대학병원의 Dr. Devries가 공압식 인공심장을 영구사용목적으로 치과의사인 환자 Barney Clark에게 이식함으로써 인공심장의 임상적용시대가 열리게 되었으며 현재 많은 수의 사람들이 혜택을 보고 있다.One of the common concerns of human history is the dream of prolonging life and one of its modern scientific attempts to develop an artificial heart that will replace the heart that represents vitality. December 2, 1982 Dr. University of Utah Hospital Devries implanted the pneumatic heart into the patient Barney Clark for permanent use, opening the clinical application of artificial heart, which is now benefiting a large number of people.

완전인공심장의 경우, 그 에너지원에 따라 크게 공기압 구동방식과 전기 구동방식으로 나눌 수 있다. 공기압 구동방식의 경우에는 전세계적으로 많은 연구팀에 의하여 다양한 형태의 심실로 구성된 인공심장이 개발되어 현재 미국을 비롯하 여 일본, 독일, 프랑스, 체코, 러시아 등지에서 임상적으로 활발히 응용되고 있다. 그러나 커다란 압축공기용 컴프레서 때문에 인체 내 완전 이식이 불가능하며, 이식받은 환자의 생활이 제한받는다는 단점이 있다.In the case of a fully artificial heart, it can be divided into a pneumatic drive type and an electric drive type according to its energy source. In the case of the pneumatically driven method, artificial heart composed of various types of ventricles has been developed by many research teams around the world and is currently being actively applied clinically in Japan, Germany, France, Czech Republic, Russia, etc. However, due to the large compressed air compressor, it is impossible to completely transplant the human body, and the life of the transplanted patient is limited.

공기압식 인공심장이 갖는 단점인 완전 이식의 불가능성과 이식받은 환자의 제한된 생활 등을 근본적으로 해결하기 위하여, 소형 모터를 이용한 완전이식형 인공심장을 본격적으로 개발하기 시작한 것은 공기압식 인공심장이 임상적으로 성공한 직후이다. 현재 개발중인 전기식 인공심장은 전기 에너지를 소형 모터를 이용하여 기계적 운동으로 변환하고, 이를 이용하여 혈액을 순환시키도록 고안되었다. 전기식 인공심장은 인공심장의 에너지 변환 장치를 이식할 수 있지만 근본적인 에너지원을 이식할 수는 없다. 이를 위하여 전기 유도 현상을 이용한 무선 에너지 전달 장치가 개발되었다. 또한 에너지 외에 인공심장을 외부에서 제어할 수 있는 통신 방법도 개발되었다. 따라서 모든 전기식 인공심장은 체내에 이식되는 인공심장과 샤워 등의 위생목적으로 짧은 기간 전기에너지를 저장할 수 있는 내부축전지 및 외부에서부터 유도되는 전기에너지를 받을 수 있는 2차 코일 및 내부 인공심장 제어기 등이 인체 내에 완전히 매립되며, 외부 제어기와 1차 코일 등이 있어서 에너지를 공급하거나 인공심장의 모터를 조절하도록 고안되었다. 이식되는 인공심장 제어기는 소형화를 위하여 하이브리드형 PCB로 제작되고 있다. 개발된 인공심장의 성능은 여러 가지 방법으로 평가될 수 있으나, 궁극적으로는 생체 내에 이식되어 이식된 동물을 얼마나 생존시키느냐가 좋은 기준이 될 수 있다. In order to fundamentally solve the drawbacks of the pneumatic heart, the impossibility of full transplantation and the limited life of the transplanted patient, the pneumatic heart has begun to develop fully implantable artificial heart using a small motor. Immediately after the success. The electric heart currently under development is designed to convert electrical energy into mechanical motion using a small motor and to circulate blood using it. An electric heart can implant an energy conversion device of an artificial heart, but not an underlying energy source. To this end, a wireless energy transfer device using an electric induction phenomenon has been developed. In addition to energy, a communication method was developed to control the artificial heart externally. Therefore, all electric heart has internal battery which can store electric energy for a short period of time for sanitary purposes such as artificial heart and shower implanted in the body, secondary coil and internal heart controller which can receive electric energy from outside. It is completely embedded in the human body, and has an external controller and a primary coil designed to supply energy or regulate the motor of the artificial heart. The implanted artificial heart controller is made of hybrid PCB for miniaturization. The performance of the developed artificial heart can be evaluated in various ways, but ultimately, the survival criteria of the transplanted animal can be a good standard.

문명이 발달한 선진국일수록 심장병에 의한 사망률이 높고, 성인에게서 뿐만 아니라 신생아에게서도 발견되며, 그 숫자나 비율은 계속해서 증가하는 추세를 보이고 있다. 우리나라 서울대학교병원의 경우 연간 550명이, 전국적으로는 1500여 명의 환자가 개심술을 받은 것으로 보고되고 있으나 실제로 이러한 심장질환 환자는 연간 약 만 명에 달하고 있으며 이중 약 10% 이상이 인공심장이 완성될 경우 우선 그 혜택을 받을 수 있는 것으로 믿어지고 있다. 국내에서는 서구에 비해 심장질환에 대한 관심이 적은 이유로 조기 진단이 늦어져 질병이 발견되는 환자들 중 이미 심장 상태가 악화되어 있는 경우가 많으므로 인공심장의 필요성이나 그 수요는 외국보다 더욱 절실하다고 할 수 있다. 인공심장이 실용화되면 직접적으로는 심장질환으로 인하여 사망할 수 밖에 없는 환자를 치료하여 사회로 복귀시킴으로써 귀중한 인적자원을 보호할 수 있게 된다. In advanced countries where civilization develops, the mortality rate of heart disease is higher, and it is found not only in adults but also in newborns, and the number and ratio are continuously increasing. In Seoul National University Hospital, 550 patients per year and 1500 patients nationwide have been reported to have open heart surgery, but in fact, about 10,000 patients per year have heart disease. First of all, it is believed that you can receive the benefits. In Korea, the early diagnosis is delayed due to less interest in heart disease than in the West, and many patients are found to have a worsening of heart condition. Therefore, the necessity or demand for artificial heart is more urgent than in foreign countries. Can be. When the artificial heart is put into practical use, it is possible to protect valuable human resources by treating patients who are forced to die from heart disease and returning to society.

한편, 고령화 사회의 진입과 함께 혼자 사는 인구의 증가에 따른 의료사각지대의 발생이 사회문제화되고 있다. 우리나라는 특히 저출산, 고령화 사회의 진행이 급속하게 진행되는 나라이고, 향후 1인 가구수가 급격하게 증가할 것으로 보인다. 이에 따라 긴급한 상황에도 주의의 도움을 받지 못하여 응급조치를 받지 못하는 사태가 발생될 수 있다. Meanwhile, with the entry of an aging society, the development of medical blind spots caused by the increase in the population living alone is becoming a social problem. In particular, Korea is a fast-growing country with a low birth rate and aging society, and the number of single-person households is expected to increase rapidly. As a result, even in an emergency situation, a situation may occur in which emergency care is not received due to lack of assistance.

의료기술의 발달로 인공심장을 사용하는 인구가 증가할 것으로 예상되고, 이에 맞춰 인공심장의 안전 장치가 요구되어 진다. 여기서 안전장치(safety device)란 인공심장이 기계적 혹은 전력이 끊김으로 인해 발생할 수 있는 위험을 감지할 수 있는 장치를 의미한다. 인공심장의 고장이나 이상으로 인한 긴급상황의 발생시에 이에 대한 대책이 매우 열악한 실정이다. 그러나 종래의 제품들은 이런 기술에 대한 고려가 없었을 뿐만 아니라 있다 하더라도 안전 장치를 작동시킬 독립 전력원을 필요로 하였다. 그러나 항상 건전지를 교체하고 관리하기가 어렵고 방전에 의한 작동불능으로 큰 문제를 야기할 수 있다. 특히, 인공심장을 이용하는 환자가 다른 사람의 도움이 미치지 못하는 상태에서 인공심장의 고장이나 이상이 생기게 되는 경우 환자의 생명과 직결되는 중대한 문제가 생길 수 있다는 것이다. The development of medical technology is expected to increase the population using artificial heart, and accordingly the safety device of artificial heart is required. Here, the safety device (safety device) means a device that can detect the risk that can be caused by the artificial heart due to mechanical or power loss. In the case of an emergency caused by a failure or abnormality of an artificial heart, the countermeasures against it are very poor. However, conventional products not only had no consideration for this technology, but also required an independent power source to operate the safety devices, if any. However, it is always difficult to replace and maintain batteries, which can cause big problems due to inoperability due to discharge. In particular, if a patient using artificial heart does not have the help of another person, if the artificial heart breaks down or becomes abnormal, a serious problem directly related to the patient's life may occur.

상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 물리적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 압전체를 이용하여 별도의 독립전원이 없이 인공심장의 고장 또는 이상을 감지하여 긴급신호를 발신하도록 하는 장치를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides an apparatus for transmitting an emergency signal by detecting a failure or abnormality of an artificial heart without a separate independent power source by using a piezoelectric material capable of converting physical energy into electrical energy.

또한 본 발명은 압전체를 이용하여 별도의 독립전원이 없이 인공심장의 고장 또는 이상을 감지하여 긴급신호를 발신하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for transmitting an emergency signal by detecting a failure or abnormality of the artificial heart without a separate independent power supply using a piezoelectric body.

또한 본 발명은 압전체를 이용하여 별도의 독립전원이 없이 인공심장의 고장 또는 이상을 감지하여 긴급신호를 발신하는 장치를 구비한 인공심장을 제공한다.In another aspect, the present invention provides an artificial heart having a device for transmitting an emergency signal by detecting a failure or abnormality of the artificial heart without a separate independent power source using a piezoelectric body.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above problems, the present invention

모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 전류 생성부;In the operation of an artificial heart with a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of the substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor, and the current is generated by the vibration of the substrate causing displacement in the piezoelectric body to generate a current. part;

상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류회로부;A rectifier circuit unit electrically connected to the current generator and configured to receive an alternating current from the current generator and convert the alternating current into a direct current;

상기 정류회로로부터 발생된 전류를 커패시터에 충전하는 충전부;A charging unit for charging a capacitor with current generated from the rectifier circuit;

상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되고, 모터가 구동되지 않을 시 충전된 커패시터가 방전을 개시하도록 하는 스위치 회로부; 및A switch circuit unit configured to charge the capacitor with the rectified current when the motor of the artificial heart is driven and to start discharging the charged capacitor when the motor is not driven; And

상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터로부터 방전된 전기 에너지를 이용하여 구조신호를 발신하는 신호 발신부를 포함하는 인공심장용 긴급신호 발신장치를 제공한다.When the motor of the artificial heart is not driven provides an emergency signal transmitting apparatus for artificial heart including a signal transmitting unit for transmitting a rescue signal by using the electrical energy discharged from the capacitor.

상기 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above other problem, the present invention

모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 단계;In the operation of the artificial heart with a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of the substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor and the displacement occurs in the piezoelectric due to the vibration of the substrate to generate a current;

상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류단계;A rectifying step electrically connected to the current generating unit and converting an AC current from the current generating unit into a DC current;

상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되는 충전단계; 및A charging step in which a rectified current is charged in a capacitor when the artificial heart motor is driven; And

상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터에서 방전된 전기 에너지가 마이크로 컨트롤러에 전달되고, 통신모듈을 이용하여 구조신호를 발신하는 단계를 포함하는 인공심장용 긴급신호의 발신방법을 제공한다.When the motor of the artificial heart is not driven, the electrical energy discharged from the capacitor is transmitted to the microcontroller, and provides a method for transmitting an emergency signal for artificial heart, comprising transmitting a rescue signal using a communication module.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above another problem, the present invention

상기 긴급신호 발신장치를 구비한 인공심장을 제공한다.It provides an artificial heart having the emergency signal transmitting device.

본 발명으로 인해 혼자 사는 심장질환자 등 인공심장을 이식받은 환자들이 주위에 도움을 줄 수 있는 사람이 없어 신속히 응급조치를 못 받아 사망하는 경우를 예방할 수 있으며, 안전장치의 전원을 독립적으로 생산함으로써 전지의 교환의 번거로움을 피할 수 있다. Due to the present invention, patients who have received artificial heart transplants, such as heart disease patients who live alone, can prevent the death due to rapid emergency treatment because there are no people who can help the surroundings. The hassle of exchanging can be avoided.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명은 모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 전류 생성부; 상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류회로부; 상기 정류회로로부터 발생된 전류를 커패시터에 충전하는 충전부; 상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되고, 모터가 구동되지 않을 시 충전된 커패시터가 방전을 개시하도록 하는 스위치 회로부; 및 상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터로부터 방전된 전기 에너지를 이용하여 구조신호를 발신하는 신호 발신부를 포함하는 인공심장용 긴급신호 발신장치를 제공한다.According to the present invention, in operation of an artificial heart having a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of a substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor, and a displacement occurs in the piezoelectric body by vibration of the substrate, thereby generating a current. A current generator; A rectifier circuit unit electrically connected to the current generator and configured to receive an alternating current from the current generator and convert the alternating current into a direct current; A charging unit for charging a capacitor with current generated from the rectifier circuit; A switch circuit unit configured to charge the capacitor with the rectified current when the motor of the artificial heart is driven and to start discharging the charged capacitor when the motor is not driven; And when the motor of the artificial heart is not driven provides an emergency signal transmitting apparatus for artificial heart comprising a signal transmitting unit for transmitting a rescue signal by using the electrical energy discharged from the capacitor.

전류 생성부는 기판에 부착된 압전체를 포함하고 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류가 생성된다. 압전체는 기계적 에너지를 가하면 전기적 에너지를 발생시키고, 반대로 전기적 에너지를 가하면 기계적 에너지를 발생시키는 재료이다. 이중 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 특성을 압전 특성이라 명명하며, 본 발명은 이러한 압전 특성을 이용하여 만들고자 한 것이다. 압전체를 제작하기 위해서는 시료의 합성, 볼밀, 폴링, 전극의 도핑 등 여러 공정을 거치게 된다.The current generating unit includes a piezoelectric body attached to the substrate, and the substrate vibrates by the operation of the motor, and displacement occurs in the piezoelectric body by the vibration, thereby generating a current. A piezoelectric material is a material that generates electrical energy when mechanical energy is applied, and on the contrary, generates mechanical energy when electrical energy is applied. The property of converting the double mechanical energy into electrical energy is called a piezoelectric property, and the present invention is intended to be made using such piezoelectric properties. In order to fabricate the piezoelectric material, various processes such as synthesis of a sample, ball mill, polling, and electrode doping are performed.

압전 직접효과라고 하는 것은 전압발생 기능으로 압전 소자에 외부 응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며, 착화용 압전소자나 각종 센서에 응용된다. 압전 직접효과에서는 압전 소자에 외부 응력이 없는 상태에서는 출력전압이 발생하지 않는다. 그러나 압축력을 가하면 상하의 전극에 각각 (+),(-)이 전압이 발생하고 소자 두께는 감소되고, 반대로 신장력을 가하면 상하의 전극에 각각 (-),(+) 전압이 발생하며, 이때 소자의 두께 초기 무응력 상태보다 증가하며 압축력을 가했을 경우와 반대현상이 발생된다.The piezoelectric direct effect refers to a phenomenon in which an electrical signal is generated at the output terminal when an external stress or vibration displacement is applied to the piezoelectric element as a voltage generating function, and is applied to an ignition piezoelectric element or various sensors. In the piezoelectric direct effect, the output voltage does not occur in a state where the piezoelectric element is free from external stress. However, when compressive force is applied, positive and negative electrodes generate voltages, respectively, and the device thickness decreases. On the contrary, when extensive force is applied, negative and negative voltages are generated on the upper and lower electrodes, respectively. It increases from the initial non-stress state, and the opposite occurs when compressing force is applied.

도 1은 본 발명에 따른 압전체 기판을 구비한 인공심장을 간략하게 도시한다. 도 1을 참조하면, 인공심장(11)은 압전체(15)가 부착된 기판(12)이 고정대(13)에 의하여 고정되도록 한다. 인공심장에 설치된 구동모터에 의하여 회전하는 십자모양 톱니바퀴(14)는 압전체(15)가 구비한 기판(12)에 일정한 물리적 충격을 가하게 된다. 여기서 압전체(15)에 직접 충격을 가할 수도 있으나, 압전체(15)는 취성이 큰 세라믹스이므로 충격에 의해 파괴나 손상의 우려가 있기 때문에 이를 기판(12)에 부착시키고 간접적으로 진동이 전해지도록 하고 있다. 압전체(15)가 부착되는 기판(12)은 금속 성분으로 구성될 수 있다.1 briefly illustrates an artificial heart having a piezoelectric substrate according to the present invention. Referring to FIG. 1, the artificial heart 11 allows the substrate 12 to which the piezoelectric body 15 is attached to be fixed by the holder 13. The cross-shaped cogwheel 14 rotated by the driving motor installed in the artificial heart exerts a certain physical impact on the substrate 12 provided with the piezoelectric body 15. Here, the piezoelectric body 15 may be directly impacted. However, since the piezoelectric body 15 is a brittle ceramic, it may be damaged or damaged by impact, and thus, the piezoelectric body 15 is attached to the substrate 12 so that vibration is indirectly transmitted. . The substrate 12 to which the piezoelectric body 15 is attached may be made of a metal component.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전체를 구비한 기판을 도시한다. 도 2를 참조하면, 압전체(15)가 가운데 부분에 부착되어 있으며, 상기 압전체(15)의 한 쪽에는 기판(12)을 고정시킬 수 있는 고정부(18)가 있고 고정부(18) 내에는 고정핀(16)이 삽입되어 있다. 압전체(15)의 한 쪽에는 물리적 충격을 가하는 경우 진동을 할 수 있는 진동부(17)가 위치한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전체를 구비한 기판의 측면을 도시한다. 인공심장에 설치된 모터에 의하여 물리적 충격이 가해지면 기판(12)의 진동부는 상하로 진동을 하게 되고, 이러한 진동은 기판(12)에 부착된 압전체(15)에 전달되어 기계적 에너지가 전기 에너지를 생성하게 된다. 압전체(15)는 세라믹 재료로서 직접 타격 시 파손의 위험이 있으므로 간접 충격이 가해질 수 있도록 장치를 제작하는 것이 중요하다. 금속(예: 스테인리스)을 이용한 기판(12)을 이용하여 간접적으로 진동에너지를 압전체(15)에 제공함으로써 재료의 파손을 막고 에너지를 발생시킬 수 있는 다양한 형태로 제작할 수 있다. 또한, 탄성이 있는 기판을 제작함으로써 한 번의 타격을 여진으로 바꿔줌으로써 더 많은 에너지를 발생할 수 있도록 제작할 수 있다. 2 illustrates a substrate having a piezoelectric body according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a piezoelectric body 15 is attached to the center portion, and one side of the piezoelectric body 15 has a fixing portion 18 for fixing the substrate 12, and inside the fixing portion 18. The fixing pin 16 is inserted. On one side of the piezoelectric body 15 is a vibrating portion 17 that can vibrate when a physical impact is applied. 3 illustrates a side of a substrate having a piezoelectric body according to an embodiment of the present invention. When a physical shock is applied by a motor installed in the artificial heart, the vibrating part of the substrate 12 vibrates up and down, and the vibration is transmitted to the piezoelectric body 15 attached to the substrate 12 so that mechanical energy generates electrical energy. Done. Since the piezoelectric body 15 is a ceramic material, there is a risk of breakage when directly hitting, so it is important to manufacture the device so that an indirect impact can be applied. By indirectly providing vibration energy to the piezoelectric body 15 using the substrate 12 using a metal (eg, stainless steel), it may be manufactured in various forms to prevent breakage of the material and generate energy. In addition, it is possible to manufacture a substrate with elasticity can be produced to generate more energy by converting a single blow into aftershock.

정류회로부는 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 역할을 담당한다. 브릿지 다이오드 것과 같은 통상의 방식으로 정류회로를 구성할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 회로를 구성하고 있는 일 실시예를 도시하고 있으며, V1은 전류 생성부로부터 생성된 전류를 정류회로를 거쳐 직류전류로 생성된 전류를 표시한다. The rectifier circuit part is electrically connected to the current generating part, and receives the AC current from the current generating part and converts the DC current into the current generating part. The rectifier circuit can be constructed in a conventional manner such as a bridge diode. Figure 4 shows an embodiment constituting a circuit according to the present invention, V1 represents the current generated by the DC current through the rectifier circuit the current generated from the current generator.

인공심장에 달린 압전체를 이용하여 에너지를 발생시킨 후 충전부(커패시터)에 충전을 하게 된다. 충전부의 커패시터는 둘 이상이 병렬로 연결되는 것이 바람직하다. 충전 전원 오프시에는 커패시터에 충전된 전기에너지로 AVR 회로를 구동시켜 RF 통신을 통해 구조신호를 요청한다. 여기서 충전 전원 on/off의 판단은 p-channel mosfet(예: IRF 9540)를 압전체 발전 부분에 연결하여 스위칭 역할을 할 수 있다.The piezoelectric body attached to the artificial heart generates energy and charges the charging unit (capacitor). It is preferable that two or more capacitors of the charging unit are connected in parallel. When the charging power is off, the AVR circuit is driven by the electric energy charged in the capacitor to request a rescue signal through RF communication. The determination of the on / off of the charging power may serve as a switching role by connecting a p-channel mosfet (eg, IRF 9540) to the piezoelectric power generation part.

스위치 회로부는 전류 인가시 게이트 전극으로 신호가 들어가 드레인 전극과 소스 전극 사이가 단락된 상태로 있을 수 있다. 스위치 회로부는 게이트 전극으로 신호가 단절되는 경우 드레인 전극과 소스 전극 사이가 연결되어 통전될 수 있다.The switch circuit unit may be in a state in which a signal enters the gate electrode when the current is applied, and a short circuit occurs between the drain electrode and the source electrode. When the signal is disconnected to the gate electrode, the switch circuit may be electrically connected between the drain electrode and the source electrode.

스위치 회로부는 MOSFET(예: IRF9540)을 사용하여 전류 인가 시 게이트 전극(G)으로 신호가 들어가게 되어 드레인 전극(D)과 소스 전극(S) 사이가 단락된 상태로 된다. 이때는 커패시터쪽으로만 충전이 이루어진다. 그러나 전류공급이 단절되게 되면 게이트 전극(G)으로 신호가 들어오지 못하게 되고, 드레인 전극(D)과 소스 전극(S)사이가 연결되어 통전된다. 즉, 커패시터와 마이크로 컨트롤러는 연결되게 되고 커패시터로부터 방전된 에너지가 마이크로 컨트롤러로 들어가게 된다. The switch circuit part enters a signal into the gate electrode G when a current is applied by using a MOSFET (eg, IRF9540), so that a short circuit between the drain electrode D and the source electrode S occurs. At this time, only the capacitor is charged. However, when the current supply is cut off, the signal does not enter the gate electrode G, and the drain electrode D and the source electrode S are connected and energized. That is, the capacitor and the microcontroller are connected, and the energy discharged from the capacitor enters the microcontroller.

신호 발신부는 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터로부터 방전된 전기 에너지를 이용하여 구조신호를 발신한다. 신호 발신부는 마이크로 컨트롤러와 통신모듈로 구성되는 것이 바람직하다. 통신모듈은 두 세트로 구성되고 하나는 인공심장의 기판상에 형성되고, 다른 하나는 외부 전산장치에 무선으로 연결되는 것이 바람직하다. MOSFET에 전기신호가 들어오지 않아 커패시터부와 마이크로 컨트롤러가 연결되게 되면 커패시터에 저장되어 있던 전기 에너지는 마이크로 컨트롤러로 방전되게 된다. 이때 방전된 에너지를 이용하여 마이크로 컨트롤러는 통신모듈을 작동시킬 수 있다.The signal transmitter transmits a rescue signal by using electric energy discharged from the capacitor when the motor of the artificial heart is not driven. The signal transmitter is preferably composed of a microcontroller and a communication module. The communication module is composed of two sets, one is formed on the substrate of the artificial heart, the other is preferably wirelessly connected to the external computing device. When no electric signal is input to the MOSFET and the capacitor unit and the microcontroller are connected, the electric energy stored in the capacitor is discharged to the microcontroller. At this time, the microcontroller may operate the communication module by using the discharged energy.

통신모듈은 예를 들면, Zig-100 세트와 Zigbee-serial의 세트로 구성할 수 있다. Zig-100 set은 2개가 하나의 세트로서, Zig(1)은 심장과 연결된 마이크로 컨트롤러에 부착하고 다른 한쪽 Zig(2)는 외부의 전산장치, 예를 들어, USB를 통해 컴퓨터와 연결하도록 설치한다. 위급상황 발생시(심장이 박동을 멈추었을 경우)에는 커패시터로부터 마이크로 컨트롤러로 전기 에너지가 방전되게 되고 마이크로 컨트롤러는 Zig(1)을 이용하여 Zig(2)에게 구조신호를 보내게 된다. The communication module may consist of, for example, a set of Zig-100 sets and a Zigbee-serial. The Zig-100 set is a two-piece set, with the Zig (1) attached to the microcontroller connected to the heart and the other Zig (2) installed to connect to the computer via an external computer, eg USB. . When an emergency occurs (when the heart stops beating), electrical energy is discharged from the capacitor to the microcontroller and the microcontroller sends a rescue signal to the Zig (2) using the Zig (1).

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 단계; 상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류단계; 상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되는 충전단계; 및 상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터에서 방전된 전기 에너지가 마이크로 컨트롤러에 전달되고, 통신모듈을 이용하여 구조신호를 발신하는 단계를 포함하는 인공심장용 긴급신호의 발신방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, in the operation of the artificial heart with a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of the substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor and the piezoelectric element by the vibration of the substrate. Displacement occurs in the generating a current; A rectifying step electrically connected to the current generating unit and converting an AC current from the current generating unit into a DC current; A charging step in which a rectified current is charged in a capacitor when the artificial heart motor is driven; And when the motor of the artificial heart is not driven, electric energy discharged from the capacitor is transferred to a microcontroller, and transmitting a rescue signal using a communication module. .

본 발명자들은 압전체를 인공심장의 모터 부근에 설치하여 모터로 압전체에 압력을 가하고 그 압력으로 에너지를 발전시켜 커패시터에 저장하여 안전장치를 작동시킨다. 주기적인(심장박동) 기계적 응력으로 인하여 기판에 응력이 가해지게 되면 압전체에 간접적으로 인장 및 압축 응력이 생겨 전류를 발생하고 이를 커패시터에 저장할 수 있게 된다. 만약 심장이 멈추거나 주기적이지 못한 심장박동을 하게 되면, 더 이상 커패시터에 저장을 할 수 없게 되고 그에 따라 커패시터에서는 방전을 시작한다. 이 방전된 에너지(평소에 박동으로 모아두었던)는 마이크로 컨트롤러로 들어가게 되고 마이크로 컨트롤러는 구조신호를 송신하게 된다.The present inventors install the piezoelectric element near the motor of the artificial heart, pressurize the piezoelectric body with the motor, generate energy by using the pressure, and store the energy in the capacitor to operate the safety device. When stress is applied to the substrate due to periodic (heartbeat) mechanical stress, the piezoelectric material indirectly causes tensile and compressive stresses to generate current and store it in the capacitor. If the heart stops or has a non-periodic heartbeat, it can no longer be stored in the capacitor and the capacitor starts to discharge. This discharged energy (usually collected in beats) enters the microcontroller and the microcontroller transmits a rescue signal.

도 4은 본 발명에 따른 인공심장용 긴급신호 발신장치의 회로도를 도시하고 있다. 도 4를 참고하면, V1은 압전체의 발전부분으로 정류회로를 거친 후 직류 전류를 흘리고 있는 상태를 나타낸다. 초기에 압전체가 전기를 발전하고 V1을 통하여 파워가 발생하게 되면 그 에너지는 M1과 C2, C1으로 흘러들어 가게 된다. 여기서 M1은 P-channel mosfet으로써 게이트(Gate) 전극 쪽으로 신호가 들어오게 되면 커패시터 부분과 U1(마이크로 컨트롤러), U2(통신모듈) 부분이 분리된다. 이로써 V1(압전체 발전부)에서 나온 전기 에너지는 커패시터 방향으로만 흘러가게 되어 충전을 하게 된다. 이후 V1으로부터 전기 에너지가 단절되게 되면 게이트 전극으로 신호가 가지 않게 되고 그렇게 되면 커패시터와 U1(마이크로 컨트롤러), U2(통신모듈)는 연결되게 된다. 이렇게 연결되면 커패시터로부터 방전된 에너지는 U1(마이크로 컨트롤러)과 U2(통신모듈)로 들어가게 되고, 이때 흘러들어온 전기를 이용하여 U1(마이크로 컨트롤러)은 U2(통신모듈)를 통해 무선통신을 하게 된다. C1(커패시터1), C2(커패시터2)와 U1(마이크로 컨트롤러), U2(통신모듈)를 분리한 이유는 C1과 C2에 에너지를 저장할 때 U1(마이크로 컨트롤러)과 U2(통신모듈)가 방해되는 것을 방지하기 위함이다. R1이 없을 때에는 충전시에도 방전이 일어나기 때문에 R1이 필요하다. R1 저항이 커질수록 충전되는 캐패시터에 저장할 수 있는 전압은 높아진다. R1의 저항이 낮아지게 되면 충전되는 캐패시터에 저장할 수 있는 전압은 낮아지지만 방전시간을 늘릴 수 있다.Figure 4 shows a circuit diagram of the emergency signal transmitting apparatus for artificial heart according to the present invention. Referring to FIG. 4, V1 represents a state in which a DC current is flowing after passing through a rectifying circuit to the power generating portion of the piezoelectric body. Initially, when the piezoelectric power generates electricity and generates power through V1, the energy flows into M1, C2, and C1. Here, M1 is a P-channel mosfet, and when a signal comes to the gate electrode, the capacitor part, U1 (microcontroller), and U2 (communication module) part are separated. As a result, the electric energy from V1 (piezoelectric generator) flows only in the direction of the capacitor, thereby charging. After that, when the electrical energy is disconnected from V1, the signal does not go to the gate electrode. Then, the capacitor, U1 (microcontroller), and U2 (communication module) are connected. When connected in this way, the discharged energy from the capacitor enters U1 (microcontroller) and U2 (communication module). At this time, U1 (microcontroller) communicates wirelessly through U2 (communication module) using the flowed electricity. The reason for separating C1 (Capacitor1), C2 (Capacitor2), U1 (Microcontroller) and U2 (Communication Module) is that U1 (Microcontroller) and U2 (Communication Module) are interrupted when energy is stored in C1 and C2. To prevent this. When R1 is absent, R1 is necessary because discharge occurs during charging. The higher the R1 resistance, the higher the voltage that can be stored in the capacitor being charged. The lower the resistance of R1, the lower the voltage that can be stored in the capacitor being charged, but the longer the discharge time can be.

도 5는 본 발명에 따른 인공심장과 긴급신호 발신장치의 일 실시예 사진을 나타내고 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예를 제시한 것이므로 다양한 형태로 변 경하여 제작이 가능하다. Figure 5 shows a picture of an embodiment of the artificial heart and emergency signal transmission apparatus according to the present invention. Figure 5 shows an embodiment of the present invention, it is possible to change the production in various forms.

본 발명은 상기 설명한 바와 같은 압전체를 이용하여 별도의 독립전원이 없이 인공심장의 고장 또는 이상을 감지하여 긴급신호를 발신하는 장치를 구비한 인공심장을 제공한다. 이와 같이 본 발명의 인공심장을 제공함으로써 혼자 사는 심장질환자 등 인공심장을 이식받은 환자들이 주위에 도움을 줄 수 있는 사람이 없어 신속히 응급조치를 못 받아 사망하는 경우를 예방할 수 있으며, 안전장치의 전원을 독립적으로 생산함으로써 전지의 교환의 번거로움을 피할 수 있다. The present invention provides an artificial heart having a device for transmitting an emergency signal by detecting a failure or abnormality of an artificial heart without a separate independent power source using the piezoelectric body as described above. As described above, by providing the artificial heart of the present invention, patients who have had artificial heart transplants, such as those who live alone, can prevent the death of a patient who is unable to help them quickly due to the lack of people who can help. Independent production of the battery can avoid the hassle of replacing the battery.

도 1은 본 발명에 따른 압전체 기판을 구비한 인공심장을 도시한다. 1 shows an artificial heart with a piezoelectric substrate according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전체를 구비한 기판을 도시한다. 2 illustrates a substrate having a piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전체를 구비한 기판의 측면도를 도시한다.3 shows a side view of a substrate having a piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 인공심장용 긴급신호 발신장치의 회로도를 도시하고 있다.Figure 4 shows a circuit diagram of the emergency signal transmitting apparatus for artificial heart according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 인공심장과 긴급신호 발신장치의 일실시예 사진을 나타내고 있다.Figure 5 shows a picture of an embodiment of the artificial heart and emergency signal transmission apparatus according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

11: 인공심장11: artificial heart

12: 기판12: substrate

13: 고정대13: fixture

14: 십자모양 톱니바퀴14: Cross Gear

15: 압전체15: piezoelectric

16: 고정핀16: push pin

17: 진동부17: vibrator

18: 고정부18: fixing part

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Claims (12)

모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 전류 생성부;In the operation of an artificial heart with a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of the substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor, and the current is generated by the vibration of the substrate causing displacement in the piezoelectric body to generate a current. part; 상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류회로부;A rectifier circuit unit electrically connected to the current generator and configured to receive an alternating current from the current generator and convert the alternating current into a direct current; 상기 정류회로로부터 발생된 전류를 커패시터에 충전하는 충전부;A charging unit for charging a capacitor with current generated from the rectifier circuit; 상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되고, 모터가 구동되지 않을 시 충전된 커패시터가 방전을 개시하도록 하는 스위치 회로부; 및A switch circuit unit configured to charge the capacitor with the rectified current when the motor of the artificial heart is driven and to start discharging the charged capacitor when the motor is not driven; And 상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터로부터 방전된 전기 에너지를 이용하여 구조신호를 발신하는 신호 발신부를 포함하는 인공심장용 긴급신호 발신장치.Emergency signal transmitting apparatus for artificial heart comprising a signal transmitting unit for transmitting a rescue signal by using the electric energy discharged from the capacitor when the motor of the artificial heart is not driven. 제1항에 있어서, 상기 전류 생성부에서 압전체가 부착되는 기판은 금속 성분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신장치.The apparatus of claim 1, wherein the substrate to which the piezoelectric body is attached in the current generating unit is made of a metal component. 제1항에 있어서, 상기 스위치 회로부는 전류 인가시 게이트 전극으로 신호가 들어가 드레인 전극과 소스 전극 사이가 단락된 상태로 있는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신장치.The apparatus of claim 1, wherein the switch circuit unit has a state in which a signal enters a gate electrode and a short circuit occurs between a drain electrode and a source electrode when a current is applied. 제1항에 있어서, 상기 스위치 회로부는 게이트 전극으로 신호가 단절되는 경우 드레인 전극과 소스 전극 사이가 연결되어 통전되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신장치.The apparatus of claim 1, wherein the switch circuit unit is electrically connected with the drain electrode and the source electrode when the signal is disconnected to the gate electrode. 제1항에 있어서, 상기 스위치 회로부에서 커패시터는 둘 이상이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신장치.The apparatus of claim 1, wherein two or more capacitors are connected in parallel in the switch circuit unit. 제1항에 있어서, 상기 신호 발신부는 마이크로 컨트롤러와 통신모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신장치.The apparatus of claim 1, wherein the signal transmitter comprises a microcontroller and a communication module. 모터를 구비한 인공심장의 작동에 있어서, 기판의 일면에 압전체(piezoelectric material)가 부착되고, 상기 모터의 작동에 의하여 기판이 진동하고 기판의 진동에 의하여 압전체에 변위가 생겨 전류를 생성하는 단계;In the operation of the artificial heart with a motor, a piezoelectric material is attached to one surface of the substrate, the substrate vibrates by the operation of the motor and the displacement occurs in the piezoelectric due to the vibration of the substrate to generate a current; 상기 전류 생성부와 전기적으로 연결되고 전류 생성부로부터 교류 전류를 전달받아 직류 전류로 변환하는 정류단계;A rectifying step electrically connected to the current generating unit and converting an AC current from the current generating unit into a DC current; 상기 인공심장의 모터가 구동될 시 정류된 전류가 커패시터에 충전되는 충전단계; 및A charging step in which a rectified current is charged in a capacitor when the artificial heart motor is driven; And 상기 인공심장의 모터가 구동되지 않는 경우 상기 커패시터에서 방전된 전기 에너지가 마이크로 컨트롤러에 전달되고, 통신모듈을 이용하여 구조신호를 발신하는 단계를 포함하는 인공심장용 긴급신호의 발신방법.And when the motor of the artificial heart is not driven, electric energy discharged from the capacitor is transferred to a microcontroller, and transmitting a rescue signal using a communication module. 제7항에 있어서, 상기 압전체가 부착되는 기판은 금속 성분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신방법.8. The method of claim 7, wherein the substrate to which the piezoelectric body is attached comprises a metal component. 제7항에 있어서, 전류 인가시 게이트 전극으로 신호가 들어가 드레인 전극과 소스 전극 사이가 단락된 상태로 있는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신방법.8. The method of claim 7, wherein a signal enters the gate electrode when the current is applied, and the drain electrode and the source electrode are short-circuited. 제7항에 있어서, 게이트 전극으로 신호가 단절되고 드레인 전극과 소스 전극 사이가 연결되어 통전되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신방법.The method of claim 7, wherein the signal is disconnected to the gate electrode and the emergency signal transmission method for artificial heart, characterized in that the current is connected between the drain electrode and the source electrode. 제7항에 있어서, 상기 통신모듈은 두 세트로 구성되고 하나는 인공심장의 기판 상에 형성되고, 다른 하나는 외부 전산장치에 무선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 인공심장용 긴급신호 발신방법.8. The method of claim 7, wherein the communication module is composed of two sets, one is formed on a substrate of an artificial heart, and the other is wirelessly connected to an external computing device. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 긴급신호 발신장치를 구비한 인공심장.An artificial heart having an emergency signal transmitting apparatus according to any one of claims 1 to 6.
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Citations (3)

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US4731076A (en) 1986-12-22 1988-03-15 Baylor College Of Medicine Piezoelectric fluid pumping system for use in the human body
US20080319544A1 (en) 2007-06-20 2008-12-25 Terumo Kabushiki Kaisha Blood pump system for artificial heart and apparatus supervisory system
KR20090122674A (en) * 2008-05-26 2009-12-01 성균관대학교산학협력단 Power supply device of defibrillator using a piezoelectric element and defibrillator having the power supply device

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