KR101259380B1 - 외부기기와 통신을 위한 윈도우를 갖는 삽입형 의료기기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 삽입형 의료기기는 인체에 이식되며, 인체의 외부로부터 고주파의 신호를 수신하는 안테나를 갖는 메탈 재질의 패키지, 및 패키지의 일면에 고주파의 신호가 안테나에 전달될 수 있도록 형성된 개구를 덮도록 설치된 윈도우를 포함한다.

Description

외부기기와 통신을 위한 윈도우를 갖는 삽입형 의료기기{Implantable medical device having window for communicating with external device}

본 발명은 고주파 통신 방식의 삽입형 의료기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삽입형 의료기기(implantable medical device)에 설치된 윈도우를 통해 외부기기와 고주파 무선 통신이 가능한 삽입형 의료기기에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 인공심장 박동기(implantable pulse generator), 인공와우(cochlear implant), 인공망막(artificial retina), 심부뇌 자극기(deep brain stimulator) 등과 같은 신경 보철(neural prosthesis)은 삽입형 의료기기로서 인체내에 이식되어 사용된다. 이러한 삽입형 의료기기는 저주파 대역에서 자기장(magnetic field)에 의한 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 인체 외부의 기기와 저주파 통신을 유지한다.

저주파 통신은 수 MHz의 무선 주파수 대역을 사용하여 자기 커플링을 형성하는 방법이다. 도 1에는 이러한 저주파 통신 방식을 사용하는 종래의 삽입형 의료기기의 일예를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 저주파 통신 방식의 종래의 삽입형 의료기기는 인체 내부에 이식되는 메탈 재질의 패키지 형태로 구성된다. 메탈 패키지(10)는 공기를 매질로 하여 코일(20)을 통해 자기 커플링을 유도하는 코일 투 코일(coil-to-coil) 방식으로 인체 외부의 기기와 통신을 유지한다.

도 2는 인체 밖의 외부기기와 저주파 통신 방식으로 통신하는 도 1에 도시된 삽입형 의료기기의 상세 블록 구성을 도시한다.

삽입형 의료기기인 메탈 패키지(10)는 코일(20)과, 포락선 검파기(Envelope Detector)(8)와, 콤퍼레이터(Comparator)(6) 및 베이스밴드 칩(Baseband Chip)(2)을 포함한다. 이러한 메탈 패키지(10)와의 통신을 위한 외부기기(30)는 베이스밴드 칩(Baseband Chip)(2)과, 클래스-E 파워 증폭기(Class-E PA)(4)와, 코일(12)을 포함한다. 메탈 패키지(10)와 외부기기(30)와의 통신은 외부기기(30)의 코일(12)이 메탈 패키지(10) 안쪽의 코일(20)과 자기 커플링을 통해 이루어진다.

인공와우와 같은 삽입형 의료기기의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 메탈 패키지(10)의 외부에 배치된 코일(20)에 의해 자기 커플링이 지속적으로 형성되기 때문에, 이를 통해 전력의 공급이나 신호의 전달이 항상 이루어질 수 있다. 그러나 심부뇌자극기나 인공심장 박동기의 삽입형 의료기기의 경우에는 메탈 패키지(10)의 내부에 코일이 배치되어 있기 때문에, 항상 자기 커플링이 유지되는 것이 아니라, 외부기기와의 통신이 필요할 때에만 자기 커플링이 설정된다. 이 경우 위급한 상황, 예를 들면 인공심장 박동기가 작동을 멈춘 경우, 또는 심부뇌자극기에서 뇌의 자극 전달의 이상이나 배터리에 이상이 있는 경우에는, 자기 커플링을 갑작스럽게 설정하기 힘들다는 문제가 있다. 즉, 삽입형 의료기기가 외부기기와 자기 커플링이 이루어지지 않은 경우에는 외부기기와 통신이 불가능하다.

전술한 문제를 해결하기 위하여 안테나를 사용하는 방안도 있지만, 다음의 식과 같이 에너지 속도 C(energy speed)는 파장 λ에 비례한다.

C=λf (여기서, f는 주파수)

그래서 안테나를 사용하여 신호를 받기 위해서는, 파장 λ의 1/4의 크기의 안테나를 사용하여야 한다. 그러나 저주파의 경우에는 큰 파장으로 인하여 안테나가 커져야 하므로 이러한 안테나의 사용도 불가능하다.

이러한 제약으로 인해 기존 생체 삽입형 의료기기의 사용시 자기 커플링을 이용한 저주파 통신 방식은 위급한 상황이 발생한 경우에 코일 투 코일 방식이 신속하게 이루어지기 힘들어 대응할 수 있는 방법이 존재하지 않았다.

이와 달리 고주파 통신은 코일의 사용이 필요 없는 대신 안테나를 통한 통신의 방식이므로 위급한 상황이 발생할 경우에 인체 외부의 근거리에서 고주파 통신으로 즉각적으로 위급 상황을 대처할 수 있는 방안이 될 수 있다. 다시 말해서, 생체 삽입형 의료기기 사용시의 위급한 상황이 발생한 경우나 폐쇄형 회로를 이용한 외부와의 근거리 통신을 위해서 코일 투 코일을 이용한 자기 커플링보다는 근거리의 고주파 통신 방법이 더 적절한 방법이라 할 수 있다.

그런데 고주파 통신 방식의 삽입형 의료기기는 대부분 도 1에 도시된 바와 같은 금속 물질의 패키지 내에 안테나가 내장된 형태를 이용하고 있다. 이러한 금속물질은 고주파의 신호에 대한 차폐효과(shielding effect)를 가지기 때문에 고주파 신호가 메탈 패키지(10)를 통과하여 외부에서 내부로 혹은 내부에서 외부로 전달되지 않게 된다. 이처럼 고주파의 경우 금속에 대한 투과력이 없기 때문에 메탈 패키지(10) 내부와 통신이 불가능하다.

대안으로, 금속이 아닌 다른 물질들로 패키지를 제조할 수도 있다. 그러나 이러한 비금속 패키지가 생체 내에 삽입되는 경우, 외부 충격으로 인해 비금속 패키지에서 균열이 생기거나 깨지기 쉬워 비금속 패키지 내부에 있는 소자들이 인체 내로 흘러들 수 있는 유해한 상황을 초래할 수 있다.

따라서, 본 발명은 인체 삽입형 의료기기에 인체 외부의 기기와 고주파 통신이 가능하도록 윈도우를 설치한 삽입형 의료기기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 삽입형 의료기기는, 인체에 이식되며, 상기 인체의 외부로부터 고주파의 신호를 수신하는 안테나를 갖는 메탈 재질의 패키지, 및 상기 패키지의 일면에 상기 고주파의 신호가 상기 안테나에 전달될 수 있도록 형성된 개구를 덮도록 설치된 윈도우를 포함하는 삽입형 의료기기에 있어서, 상기 윈도우는 상기 개구에서 상기 패키지의 내측으로 연장하는 돌출부가 형성되어 있고, 상기 윈도우 중 상기 개구의 단차부에 접합되는 부위가 라운드처리되어 있는 것을 특징으로 한다.

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상술한 목적을 달성하기 위한 다른 실시예에 따른 삽입형 의료기기는, 인체에 이식되며, 상기 인체의 외부로부터 광학적 신호를 수신하는 수신부를 갖는 메탈 재질의 패키지, 및 상기 패키지의 일면에 상기 광학적 신호가 상기 수신부에 전달될 수 있도록 형성된 개구를 덮도록 설치된 윈도우를 포함하는 삽입형 의료기기에 있어서, 상기 윈도우는 상기 개구에서 상기 패키지의 내측으로 연장하는 돌출부가 형성되어 있고, 상기 윈도우 중 상기 개구의 단차부에 접합되는 부위가 라운드처리되어 있는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 실시예들에 의하면, 저주파 통신을 사용하는 것 대신에 고주파 통신을 이용하면 자기 커플링을 위한 코일을 사용할 필요가 없기 때문에 삽입형 의료기기의 크기를 줄일 수가 있고 환자에게 삽입 시 시술이 간편해질 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 자기 커플링을 이용한 저주파 통신 방식의 종래의 삽입형 의료기기의 구성도이다.
도 2는 외부기기와 저주파 통신 방식으로 통신하는 도 1에 도시된 삽입형 의료기기의 상세 블록 구성을 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라서 외부기기와 고주파 통신 방식으로 통신하는 삽입형 의료기기의 상세 블록 구성을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따라서 외부기기와 광학적 통신 방식으로 통신하는 삽입형 의료기기의 상세 블록 구성을 도시한다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 삽입형 의료기기의 외형을 도시한다.
도 5는 도 4의 삽입형 의료기기의 상면에 설치되는 윈도우의 일예를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4의 삽입형 의료기기의 측면에 설치되는 다른 형태의 윈도우를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 동작을 상세하게 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 전체 도면에서 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 병기하였고 편의상 상세한 설명은 생략하였다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라서 외부기기와 고주파 통신 방식으로 통신하는 삽입형 의료기기의 상세 블록 구성을 도시한다.

본 발명에서 사용된 "고주파 통신"이란 용어는 전자기파를 사용하는 모든 통신방법을 지칭하는 것으로 안테나를 이용하는 이동통신 방법과 전자기파의 일종인 빛을 이용한 통신 방법을 포괄하는 것으로 정의된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 외부기기(50)는 베이스밴드 칩(2)과, RFIC(16)와, PA(Power Amplifier: 파워 증폭기)(22) 및 안테나(32)를 포함한다. 외부기기(50)와 고주파 통신을 수행하는 삽입형 의료 기기(100)는 안테나(140)와, LNA(Low Noise Amplifier: 저잡음 증폭기)(18)와, RFIC(Radio Friquency Intergration Chip: 무선 주파수 집적 칩)(16) 및 베이스밴드 칩(2)을 포함한다. 도면부호 200은 도 4에서 설명되는 삽입형 의료기기(100)에 설치된 윈도우를 나타낸다.

외부기기(50)의 안테나(32)를 통해 근거리에서 삽입형 의료기기(100)의 안테나(140)에 고주파 무선 통신 신호가 전송됨으로써 본 발명의 삽입형 의료기기(100)와 외부기기(50)와의 근거리 무선 통신이 성취된다.

전술한 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 고주파 신호 대신에 적외선, 자외선, 가시광선을 사용하는 광학적인 방법(optical method)을 통해 외부기기와 삽입형 의료기기와의 통신이 성취될 수 있다.

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따라서 외부기기와 광학적 통신 방식으로 통신하는 삽입형 의료기기의 상세 블록 구성도이다.

도 3b에 도시된 본 발명의 다른 실시예는 외부기기(50)의 안테나(32)와 삽입형 의료기기(100)의 안테나(140) 대신 외부기기(50)의 송신부(132)와 삽입형 의료기기(100)의 수신부(240)로 대체된 것을 제외하고는 도 3a에 도시된 본 발명의 일 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 외부기기(50)의 송신부(132)를 통해 근거리에서 삽입형 의료기기(100)의 수신부(240)에 적외선, 자외선 또는 가시광선과 같은 광학 신호가 전송됨으로써 본 발명의 삽입형 의료기기(100)와 외부기기(50)와의 근거리 무선 통신이 성취된다. 송신부(132)와 수신부(240)는 각기 광학적으로 신호를 송수신하는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터를 포함할 수 있다.

도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 삽입형 의료기기의 외형을 도시한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 삽입형 의료기기(100)는 모서리가 라운드진 사각형상의 패키지의 형태를 갖는다. 패키지는 금속 재질로 구성되며, 패키지의 일면, 예를 들면 상면에는 외부기기(50)의 안테나(32)(또는 송신부(132))를 통해 고주파의 통신 신호(또는 광학적 신호)가 삽입형 의료기기(100)의 패키지의 안테나(140)(또는 수신부(240))에 전달될 수 있도록 작은 윈도우(200)가 설치되어 있다. 윈도우(200)는 패키지에 형성된 개구(120)를 덮는 형태로 설치된다.

패키지의 안테나(140)(또는 수신부(240))는 윈도우(200)의 하부에 가까이 위치되거나, 윈도우(200)에 매립될 수 있다. 물론 윈도우(200)는 패키지의 윗면 대신에 측면에도 설치될 수 있다.

도 5는 도 4의 삽입형 의료기기의 상면에 설치된 윈도우의 일예를 도시한 단면도이며, 도 6은 도 4의 삽입형 의료기기의 측면에 설치된 다른 형태의 윈도우를 도시한 단면도이다.

도 5에 도시된 윈도우(200)는 아크형태를 가지며, 도 6에 도시된 윈도우(300)는 패키지의 표면과 같은 레벨을 갖는 평탄 형태를 갖는다. 각각의 윈도우(200, 300)는 패키지에 형성된 개구(120)를 덮어 패키지에 용접 밀봉(hermetic sealing)된다. 개구(120)가 형성되는 패키지의 부분에는 아크형의 윈도우(200) 또는 평탄형의 윈도우(300)가 안착되는 단차부(122)가 형성되어 있다.

외부에서의 수직으로 가해지는 충격에 의해 개구(120)가 형성되는 패키지의 부분이 부서지는 것을 방지하기 위해, 아크형의 윈도우(200)는 단차부(122)에 접합되는 부위가 도 5에 도시된 바와 같이 라운드(round)처리되어 있다.

마찬가지로, 평탄형의 윈도우(300)는 외부에서의 수직으로 가해지는 충격에 의해 개구(120)가 형성되는 패키지의 부분이 부서지는 것을 방지하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이 단차부(122)에 접합되는 부위가 라운드처리되어 있다. 추가로 평탄형의 윈도우(300)는 개구(120)의 아래로 또는 패키지의 내측으로 연장하는 돌출부(310)가 형성됨에 따라 패키지의 측면으로부터 가해지는 충격에 의해 개구(120)가 형성되는 패키지의 부분이 부서지는 것과 윈도우(300)가 패키지로부 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 삽입형 의료기기에 설치된 윈도우(200, 300)는 사용되는 고주파의 레벨에 따라 그 크기를 조절, 예를 들면 작게 할 수 있다. 다시 말하면 주파수의 크기가 클수록(고주파에 접근할수록) 개구(120) 및 윈도우(200, 300)의 크기를 작게 하는 것이 가능하다. 이로써, 개구(120)가 형성되는 패키지 부분이 깨질 확률을 줄일 수 있으며, 이에 따라 개구(120)가 형성되는 패키지 부분의 내구성 또한 증가할 수 있다.

금속물질의 경우 고주파의 신호에 대한 차폐효과를 가지기 때문에 고주파 신호가 패키지의 내부 혹은 외부로 전달되지 않는 것을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예는 패키지의 개구(120)를 아크형의 윈도우(200) 또는 평탄형의 윈도우(300)로 덮어 윈도우(200, 300)를 패키지에 용접 밀봉한다. 이러한 윈도우(200, 300)는 비전도성물질이면서 침수성이 적은 물질, 예컨대 세라믹 또는 호박 등으로 형성될 수 있다.

아크형 윈도우(200) 또는 평탄형의 윈도우(300)는 노내 경랍땜(furnace brazing) 기법을 통해 패키지에 용접 접합시키는 것이 바람직하다. 노내 경랍땜 기법은 금속과 이종물질과의 결합을 위한 접합방법으로 통상적으로 메탈 재질의 패키지와 소자 간의 연결을 위해 사용되는 피드스루(feedthrough)를 구성하는 세라믹 등과의 접합을 위해 사용된다. 따라서, 패키지의 금속물질과 윈도우의 비전도성 물질이 결합되더라도 노내 경랍땜 기법을 통해 용접 밀봉을 유지할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 고주파 통신 방식의 삽입형 의료기기는 위급한 상황이 발생할 시에 전자기파를 이용한 고주파 통신 또는 광학적 통신을 통해 삽입형 의료기기와 외부기기와의 신호의 전달이 가능할 수 있으며, 고주파 통신의 경우 작은 사이즈의 안테나를 신체 삽입형 의료기기로서 사용하기에 적합하다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고주파 통신 방식의 삽입형 의료기기의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (11)

1. 인체에 이식되며, 상기 인체의 외부로부터 고주파의 신호를 수신하는 안테나를 갖는 메탈 재질의 패키지, 및 상기 패키지의 일면에 상기 고주파의 신호가 상기 안테나에 전달될 수 있도록 형성된 개구를 덮도록 설치된 윈도우를 포함하는 삽입형 의료기기에 있어서,
   상기 윈도우는 상기 개구에서 상기 패키지의 내측으로 연장하는 돌출부가 형성되어 있고,
   상기 윈도우 중 상기 개구의 단차부에 접합되는 부위가 라운드처리되어 있는 것을 특징으로 하는 삽입형 의료기기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 개구 및 상기 윈도우는 사용되는 고주파의 레벨에 따라 그 크기를 조절할 수 있는 삽입형 의료기기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 인체에 이식되며, 상기 인체의 외부로부터 광학적 신호를 수신하는 수신부를 갖는 메탈 재질의 패키지, 및 상기 패키지의 일면에 상기 광학적 신호가 상기 수신부에 전달될 수 있도록 형성된 개구를 덮도록 설치된 윈도우를 포함하는 삽입형 의료기기에 있어서,
   상기 윈도우는 상기 개구에서 상기 패키지의 내측으로 연장하는 돌출부가 형성되어 있고,
   상기 윈도우 중 상기 개구의 단차부에 접합되는 부위가 라운드처리되어 있는 것을 특징으로 하는 삽입형 의료기기.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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