KR101572790B1 - 부정 조작이 없이 신체의 전기 자극을 위한 착용가능한 디바이스 및 시스템 - Google Patents

부정 조작이 없이 신체의 전기 자극을 위한 착용가능한 디바이스 및 시스템 Download PDF

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KR101572790B1
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덴 에렌벰트 야코부스 엠. 아. 반
디르크 브로켄
빌렘 페. 야. 호겐스트라텐
로엘 에. 아. 로이센스
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

사용자 신체의 전기 자극을 위한 시스템 및 착용가능한 디바이스(100)로서, 상기 착용가능한 디바이스(100)는 사용자 신체의 일부에 맞추어지도록 구성되고, 상기 착용가능한 디바이스(100)는 자극 전류를 사용자 신체로 전달하기 위해 상기 착용가능한 디바이스(100)에 매립된 적어도 하나의 전극(104a-104d); 상기 적어도 하나의 전극(104a-104d)과 자극 전류를 발생하도록 구성되는 제어유닛(110) 사이에 있는 중간 접속부인 접속점(106); 및 상기 접속점(106)과 상기 적어도 하나의 전극(104a-104d) 사이에서 물리적 관계의 변화가 미리 정해진 임계값을 초과하는지 여부를 검출하고 이에 의해 디바이스(100)의 악용 및 부정조작을 검출할 수 있게 하는 수단을 포함한다. 이것은 예를 들어 심부전을 초래할 수 있는 심장을 자극할 위험이 존재하도록 하는 방법으로 전극들을 배치함으로써 사용자에게 어떠한 피해를 끼치는 일이 없다는 것을 보장한다. 더구나, 디바이스의 부정 조작이 검출될 수 있고, 이에 의해 경쟁적인 컴퓨터 게임에서 디바이스를 사용할 계획이 있을 때 반-부정행위 기능을 할 수 있게 한다.

Description

부정 조작이 없이 신체의 전기 자극을 위한 착용가능한 디바이스 및 시스템{Wearable device and system for a tamper free electric stimulation of a body}
본 발명은 사용자 신체의 전기 자극을 위한 시스템 및 착용가능한(wearable) 디바이스에 관한 것이다.
전기 자극은 인간 신경계를 다루는데 촉망있는 새로운 방법으로서, 통증 완화(pain-relief), 갈바니 전정자극(galvanic vestibular stimulation), 근육 자극, 및 감각 자극과 같은 광범위한 의료 및 비의료 응용분야를 위해 개발될 수 있다. 전기 자극은 현재 공인 의료 전문가(qualified medical professional)의 감독 하에서 의료용에 대부분 사용되고 있다. 그러나, 공인 의료 전문가가 항상 이용할 수는 없는 다른 분야들에서 마찬가지로 전기 자극이 주류 양상(mainstram modality)이 될 수 있다는 제안을 하는 추세를 볼 수 있다. 그러한 예를 들면 가정의 건강관리용 디바이스들 또는 컴퓨터 게임과 함께 사용하기 위한 디바이스들이 있다.
GB 2424595호는 컴퓨터에 연결되어 이 컴퓨터로부터 디지털 지령들을 수신하며 그 결과로서 전기 펄스를 생성하는 컴퓨터 게임 액세서리를 공개하는데, 상기 전기 펄스는 플레이어(player)의 근육에 전기 자극을 생성함으로써 게임 경험에 물리적 효과를 부가하기 위해 플레이어의 신체에 부착된 패드에 공급된다. 그러한 디바이스는 플레이어가 자신의 신체에 패드들을 부착한다면 그가 추측하는 방법으로 게임 경험(예로서 플레이어가 게임에 몰두한다면 그는 통증을 시뮬레이션하기 위해 전기 펄스에 노출될 수 있다)에 물리적 효과를 추가하는데 사용될 수 있었다.
US2004/0229702A1호는 컴퓨터 게임들을 위한 피드백 조립체를 공개하며, 상기 피드백 조립체는 플레이어 신체 부분의 근육들을 자극하도록 자극 신호들을 전달하기 위한 출력 수단, 신호 발생기로부터 자극 신호들을 수신하기 위한 입력 수단 및 상기 출력 수단을 플레이어 신체 부분에 부착하도록 구성된 부착 수단을 구비하며, 사용시 상기 출력 수단은 플레이어에 관련된 활동에서 발생하는 이벤트들을 제공하기 위해 예정된 시간에 상기 입력 수단으로부터 수신된 작용에 응답하여 자극 신호들을 전달하도록 구성된다.
US 2003/0097125A1호는 절제 시스템 셋업을 확인하고 조정하기 위한 시스템 및 방법을 공개하고 있다.
또한, DE 103 53 970 A1호는 시험 회로를 구비한 생체신호 측정 시스템을 공개하고 있으며, 시험 회로는 증폭기 유닛 또는 시험 회로 부분에 대한 적어도 하나의 전극 전도체의 교대 접속을 위한 적어도 하나의 스위치를 구비한다.
그러나, 경쟁적인 컴퓨터 게임{예를 들어 온라인 게이밍(gaming)}에서 참가자는 의도적인 전기 자극을 회피하거나 감소시킴으로써 부정행위를 하여 자신을 경쟁적인 이점을 과도하게 도용하려고 하는 유혹을 받을 수 있다. 더구나, 전기 자극의 부적절한 사용은 사용자에게 해를 끼칠 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들어, 심장의 전기 자극은 심부전을 일으킬 수 있다.
따라서, 위와 같은 관점에서, 본 발명의 목적은 사용자 신체의 전기 자극을 위한 디바이스의 악용을 방지하고 특히 디바이스의 부정조작(tampering)을 방지하는데 있다.
본 발명의 양상에 따라서, 상기 목적은, 자극 전류를 발생하기 위한 제어유닛과, 상기 자극 전류를 사용자 신체로 전달하기 위한 착용가능한 디바이스를 포함하는, 사용자 신체를 전기 자극하기 위한 시스템에 의해서 충족되며, 상기 착용가능한 디바이스는 사용자 신체의 일부분에 착용되도록 구성되고, 상기 착용가능한 디바이스는 자극 전류를 사용자 신체로 전달하기 위해 상기 착용가능한 디바이스에 매립된 적어도 하나의 전극; 상기 적어도 하나의 전극과 상기 제어유닛 사이에 있는 중간 접속부인 접속점; 및 상기 접속점과 상기 적어도 하나의 전극 사이에서 물리적 관계(예로서 저항, 정전용량, 유도용량 및/또는 임피던스의 변화와 같은 전기적 관계 또는 거리와 같은 상대 관계)의 변화가 미리 정해진 임계값을 초과하는지 여부를 검출하고 이에 의해 상기 디바이스의 악용 및 부정조작을 검출할 수 있게 하는 수단을 포함하는 것에 의해 충족된다.
본 발명의 다른 형태에 따라서, 상기 목적은 또한 사용자 신체의 전기 자극을 위한 상술한 종류의 시스템에 사용하기 위한 착용가능한 디바이스에 의해서 충족되며, 상기 착용가능한 디바이스는 사용자 신체의 일부분에 착용되도록 구성되고, 상기 착용가능한 디바이스는 자극 전류를 사용자 신체에 전달하기 위해 상기 착용가능한 디바이스에 매립된 적어도 하나의 전극, 상기 적어도 하나의 전극과 제어유닛 사이에 있는 중간 접속부인 접속점으로서, 상기 제어유닛이 상기 자극 전류를 발생시키도록 구성되는 상기 접속점, 및 상기 접속점과 상기 적어도 하나의 전극 사이에서 물리적 관계의 변화가 미리 정해진 임계값을 초과하는지 여부를 검출하고 이에 의해 상기 디바이스의 악용 및 부정 조작을 검출할 수 있게 하는 수단을 포함한다.
착용가능한 디바이스가 사용자 신체의 일부분에 착용되도록 특별히 구성되어 있기 때문에, 사용자는 신체의 다른 부분들에 전극들을 부주의로 배치하지 않게 된다. 이것은 예를 들어 심장을 자극할 위험이 존재하여 심부전을 일으킬 수 있도록 전극들을 배치함으로써 사용자에게 해를 끼치는 일이 없다는 것을 보장한다. 이것은 가정의 건강관리용 디바이스들과 같은 응용분야 또는 컴퓨터 게임 응용분야에 유익할 수 있다. 더구나, 전극들 또는 관련된 회로를 부정조작하기, 의도하지 않은 신체의 일부에 맞추기 위해 착용가능한 디바이스를 스트레칭하기(stretching), 또는 전극들이 불필요한 영역들(예로서 가슴, 머리)에 배치될 수 있는 정도로 디바이스를 분해하기 등과 같은 계획적인 악용이 검출될 수 있어서 전기 자극을 이용할 수 없게 된다. 덧붙여, 컴포넌트 실패를 초래하는 디바이스 마모와 같은 디바이스 손상 또는 디바이스 하드웨어 컴포넌트들의 의도하지 않은 실패도 역시 검출될 수 있다. 또한 이 구조체는 온라인 게이밍과 같은 경쟁적인 컴퓨터 게임에 참가하는 모든 플레이어들이 동일한 도전 레벨을 경험하도록 반부정행위(anti-cheat) 기능을 실행할 수 있다.
디바이스의 부정조작은 여기서 넓게 해석되어야 하고, 착용가능한 디바이스, 또는 그 전극들 또는, 의도하지 않은 방법으로 또는 의도하지 않은 신체의 일부분에 전기 자극을 제공할 수 있도록 하는 연관 회로에서 행한 어떠한 변경을 말할 수 있다. 또한, 접속점과 적어도 하나의 전극 사이의 물리적 관계의 변화는 여기서 넓게 해석되어야 한다. 예를 들어 이것은 접속점과 전극 사이의 거리 변화 및/또는 상대 위치를 검출하는 것과 관련될 수 있고, 또는 접속점과 전극 사이의 접속부에서 저항, 정전용량, 유도용량 및/또는 임피던스의 변화와 같은 전기적 관계와 관련될 수 있다. 접속점은 전극을 제어유닛에 접속하는 전기 와이어상의 가상 지점, 또는 예를 들어 전극을 제어유닛에 접속하는 커넥터와 같은 물리적 지점이 될 수 있다. 예정 임계값은 부정조작이 검출될 수 있도록 설정되어야 하며, 한편으로 착용가능한 디바이스가 근육 수축이나 온도 변화로 인한 변화와 같이, 정상 작동 중에 일어날 수 있는 변화들에 대해 튼튼하게(robust) 유지되어야 한다.
전기 자극은 여기서 근육, 근육 부분들, 근육 그룹들, 신경 또는 이들의 조합의 전기 자극을 포함하는 모든 종류의 신경근 자극을 말한다. 예를 들어 경피신경 전기 자극(TENS) 및 기능적 전기 자극(FES)이 있다. 대표적인 응용예는 통증 완화, 갈바니 전정 자극, 근육 자극 및 감각 자극이 있다.
전극은 여기서 자극 전류를 사용자 피부에 전달하는데 사용된 어떠한 종류의 도체를 말한다. 전극들은 통상 쌍으로 배치되는데, 즉 전극쌍 각각은 제1극을 갖는 전극과 대향 극을 갖는 전극, 즉 양극 및 음극을 포함한다. 제1극을 갖는 하나 이상의 전극이 제2극을 갖는 전극과 공유할 수 있음을 인식해야 한다. 따라서 예를 들어 제1극을 갖는 2개의 전극과, 제2극을 갖는 하나의 전극이 2개의 전극쌍을 형성할 수 있다.
본 발명은 착용가능한 디바이스 또는 전극들 및 연관 회로에 부정조작하려는 시도가 접속점과 적어도 하나의 전극 사이에 물리적 관계를 변화시킨다는 이해에 기초하고 있다. 더구나 사용자의 신체의 일부분에 착용되도록 특별하게 구성된 착용가능한 디바이스를 제공함으로써, 착용가능한 디바이스를 다른 신체에 맞추려고 하는 시도는 역시 접속점과 적어도 하나의 전극 사이에 물리적 관계를 변화시킬 것이다.
착용가능한 디바이스는, 이 착용가능한 디바이스내에 매립되어서 접속점으로부터 적어도 하나의 전극으로 전기 접속을 제공하는 적어도 하나의 전기 와이어를 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기 와이어의 길이는 접속점과 전극 사이의 거리보다 적어도 2배 크다. 더 긴 전기 와이어가 착용가능한 디바이스의 더 넓은 영역에 배치될 수 있다는 것은 전기 와이어를 절단하지 않고 또는 다른 방법으로 영향을 미치지 않고 착용가능한 디바이스 및/또는 그 전극들을 해체하기가 어렵게 만든다는 장점이 있다. 예를 들어, 접속점으로부터 전극까지 직선을 따라 전기 와이어를 배치하기보다는, 전기 와이어는 예를 들어 착용가능한 디바이스의 표면 내에 또는 표면상에 S자 패턴으로 매립되거나 배치될 수 있다.
착용가능한 디바이스는, 이 착용가능한 디바이스가 착용되는 사용자 신체의 그 부분을 에워쌀 수 있다. 이 디바이스는 사용자의 다른 (예로서 더 큰) 부분에 통상 착용되지 않을 것이라는 장점이 있다. 특히, 착용가능한 디바이스가 사용자의 팔에 착용되도록 구성되고 따라서 그 팔을 에워싸게 되면, 디바이스는 접속점과 전극 사이의 물리적 관계를 변화시키지 않고는 (예를 들어 착용가능한 디바이스를 스트레칭하지 않고는) 머리 또는 가슴에 착용되지 않을 것이며, 그렇게 하려는 어떠한 시도는 검출될 것이기 때문이다. 이것은 전기 자극을 가하는 것이 위험할 수 있는 신체의 영역들이, 각각 더 넓은 원주를 갖는 심장 영역(즉, 가슴) 및 머리가 될 때, 사용자의 피해를 방지하는 효율적인 방법이다.
적어도 하나의 전기 와이어는 사용자 신체의 부분을 둘러싸게 구성되도록 원주방향으로 배치될 수 있다. 그 결과 착용가능한 디바이스 및/또는 그 전극들의 부정조작 또는 해체를 방지하는 더욱 효율적인 방법이다. 예를 들어, 착용가능한 디바이스가 팔에 맞추어져서 에워싸게 구성되면, 전기 와이어는 착용가능한 디바이스의 중공 코어 둘레에 나선 형상으로 원주방향으로 배치될 수 있다. 따라서, 착용가능한 디바이스를 절단 개방하려는 어떠한 시도, 예를 들어 머리에 맞추려고 하는 어떠한 시도는 통상 전기 와이어를 절단하여야 할 것이다.
착용가능한 디바이스는 사용자의 팔 또는 다리의 부분에 맞추어지도록 구성된 슬리브형 착용가능한 디바이스가 될 수 있다. 장점은, 이 디바이스가 위험할 수 있는 머리 또는 가슴과 같은 신체의 다른 영역들의 전기 자극에 사용될 수 없다는 것이다. 슬리브형 착용가능한 디바이스는 다른 신체 치수들을 수용하도록 양호하게 조절가능하고 및/또는 스트레치될 수 있다. 예를 들어, 팔에 사용하기 위한 슬리브형 착용가능한 디바이스는 5 내지 10 cm로 조절가능한 직경을 가질 수 있다.
착용가능한 디바이스는 재킷, 조끼(vest), 장갑, 양말, 바지 또는 모자와 같은 의복이 될 수 있다. 전극들을 의복 내에 매립하는 것의 장점은, 사용자가 의복을 입을 때, 전극들이 전기 자극을 위해 계획된 사용자 신체의 미리 정해진 위치들에 배치될 것이라는 점이다. 모자를 머리에 쓸 때, 그러한 디바이스는 통상적으로 TENS 보다는 갈바니 전정 자극을 위해 사용된다는 점을 인식해야 한다. 더구나, 양말 및 장갑은 통상적으로 근육 자극보다는 감각들(예로서 통증)을 자극하는데 관심을 가질 것이다.
착용가능한 디바이스는 개방될 수 있고 그리고 자극 전류가 공급되기 전에 상기 착용가능한 디바이스가 폐쇄되어 있음을 보장하는데 사용하기 위한 수단을 구비할 수 있다. 개방가능한 디바이스는 사용자가 착용가능한 디바이스를 입고 벗기에 편리하게 될 수 있는 반면에, 단지 부분적으로만 착용되는 신체의 부분에 디바이스를 배치하는 것과 같은 악용은 방지된다. 예를 들어, 착용가능한 디바이스가 폐쇄될 때 제어유닛과 전극들 사이의 회로를 폐쇄하는 전기 스위치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 제어유닛은, 미리 정해진 기준 키(reference key)를 내장하고, 여기서 제어유닛은 적어도 하나의 전기 와이어(및/또는 감지 와이어)를 위한 매개변수를 측정하도록 구성되고, 및 상기 적어도 하나의 측정된 매개변수에 기초하여 키를 계산하도록 구성되어 있고, 상기 계산된 키는, 상기 계산된 키와 상기 기준 키를 비교함으로써 상기 착용가능한 디바이스의 적절한 기능을 수행하는데 사용될 수 있다.
기준 키는 복제 방지 기능(PUF)인 것이 유익하다. 전극들 및 관련된 전기 와이어들은 부정조작의 시도를 인식하기 위해 제어유닛에 의해 사용될 수 있는 복제 방지 기능(PUF)이 발생하도록 구성될 수 있다. 전기 와이어들의 전기 특성들(예로서, 다른 주파수에서의 다른 와이어들 간의 정전용량, 유도용량, 및 저항)과 같은 매개변수들의 세트는 착용가능한 디바이스가 공장에서 출하되기 전에 측정될 수 있다. 이렇게 측정된 매개변수들로부터 제어유닛 내에 저장되는 그 착용가능한 디바이스를 위한 유일한 키가 만들어질 수 있다. PUF의 성질은, 유일한 키는 용이하게 측정되지만 동일한 측정 결과를 제공하는 다른 디바이스를 제작할 수 없도록 하는 것이다. 더구나, 제1 전기 와이어를 위해 측정된 매개변수와 제2 전기 와이어를 위해 측정된 매개변수 사이의 비율은 키를 계산하는데 사용될 수 있고, 여기서 제2 전기 와이어는 제1 전기 와이어 부근에 배치된 전기 와이어인 것이 유익하다. 비율을 쓰면, 디바이스를 예를 들어 하부 팔(the lower-arm)에 적용하는 동안에 의복의 스트레칭과 같은 작업 또는 온도 변화에서 통상적으로 발생할 수 있는 정상적 변화들에 대해 강하게 견디는 전기 특성들을 가질 수 있다. 2개의 와이어는 양호하게, 2개의 측정된 와이어들 사이에 충분히 큰, 즉 측정가능한 기생 정전용량, 유도용량 및 저항을 발생하도록 충분히 "오버랩(overlap)" 될 수 있다.
착용가능한 디바이스는 제어유닛에 의해 감시되는 보조 감지 와이어를 포함할 수 있다. 착용가능한 디바이스 내에 통합된 보조 감지 와이어의 전기적 감시에 의하여, 예를 들어 저항 또는 임피던스가 크게 변할 때 전기 자극을 중지시킬 수 있다. 이것은 디바이스의 부정조작을 검출하는 능력을 더욱 강화시킨다. 보조 감지 와이어는 원주방향으로 배치될 수 있다.
전기 와이어들(및/또는 감지 와이어들)은 전기적 절연을 유지하면서 서로 교차될 수 있다. 이것은, 전기 와이어들이 전기적으로 절연된 채로 유지되도록 각각의 전기 와이어를 다른 층 내에 배치하거나, 또는 전기 와이어들에 절연 코팅을 제공함에 의하여 달성될 수 있다. 전기 와이어들을 교차시킴에 의하여 전기 와이어를 절단하지 않고 착용가능한 디바이스 및/또는 그 전극들을 해체하기가 더욱 어려울 것이다.
복수의 감지 와이어들(및/또는 전기 와이어들)은 예를 들어 와이어들 사이에 기생 정전용량, 유도용량 및 저항을 측정함에 의하여 적어도 하나의 전극의 위치 변화를 검출하는데 사용될 수 있는 메쉬(mesh) 내에 배치될 수 있다. 더구나, 제작 중에 와이어들을 랜덤(random) 방식으로 맞물리게 함으로써 다른 전극들 사이의 기생 정전용량, 유도용량 및 저항이 PUF를 형성할 수 있다.
각각의 전기 와이어 및/또는 각각의 감지 와이어는 이 와이어들이 전기 절연된 채로 유지되면서 서로 교차하도록 다른 층 내에 배치될 수 있다. 장점은, 와이어들을 분리하는 재료의 특성들(유전율과 같은)이 제작되는 방법에 의해 랜덤 방식으로 공간적으로 변하기 때문에 와이어들을 분리하는 재료가 PUF를 발생하는 부분이 될 수 있다는 것이다.
착용가능한 디바이스는 사용자 피부와의 접촉을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있고, 이에 의하여 착용가능한 디바이스의 미리규정된 부분이 피부와 접촉하는 경우에만 디바이스가 작동될 수 있다. 장점은, 착용가능한 디바이스가 사용자 신체에 적절하게 착용되어져 있음을 보장하고, 그리고 착용가능한 디바이스에 단지 부분적으로만 착용되는, 의도하지 않은 신체 부분에 디바이스를 사용하는 것을 방지할 수 있다는 것이다. 또한 착용가능한 디바이스가 사용자의 피부에 실제로 접촉하고 어떤 다른 재료에는 접촉하지 않음을 보장하는데 사용될 수 있다.
추가로, 자극 전류를 사용자 신체로 전달하기 위한 착용가능한 디바이스는 제어유닛과 함께 사용자 신체를 전기적으로 자극하기 위한 시스템을 형성하고, 여기서 제어유닛은 전극들을 제어하고 그리고 착용가능한 디바이스의 부정조작을 검출하도록 구성된다.
다른 목적들, 특징들 및 장점들은 아래의 상세한 설명, 첨부된 청구범위뿐만 아니라 도면으로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명의 상기 양상들 및 다른 양상들은 본 발명의 현재 양호한 실시예를 보여주는 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 사용자의 하부 팔(lower arm)의 전기 자극을 위한 슬리브형 TENS-디바이스를 도시한다.
도 1b는 사용자 신체의 예정된 부분들의 전기 자극을 할 수 있는 조끼 형태로 된 착용가능한 TENS-디바이스를 도시한다.
도 2는 전극들의 위치 변화를 검출하도록 메쉬내에 배치된 보조 감지 와이어들을 구비한 슬리브형 TENS-디바이스를 도시한다.
도 3은 개방가능한 슬리브형 TENS-디바이스를 도시한다.
이제 본 발명은 이하에, 본 발명의 현재 양호한 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참고하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구체화될 수 있고 여기에 설명된 실시예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 이러한 실시예들은 철저함 및 완전함을 위해 제공되며, 본 발명의 범위를 숙련된 수신인(addressee)에게 충분히 전달하기 위해 제공된다. 유사한 참고부호들은 전체를 통해 유사한 요소들을 언급한다.
이제 도면들 특히 도 1a를 참고하면, 사용자의 하부 팔의 전기 자극을 위한 착용가능한 TENS(경피신경 전기 자극)-디바이스(100)가 도시되어 있다. 착용가능한 TENS-디바이스(100)는 약 20 내지 30 cm의 길이와, 다른 신체 치수들을 수용하도록 허용하기 위해서 5 내지 10 cm의 조절가능한(또는 탄성) 직경을 갖는 튜브형 슬리브(102)를 갖는다.
슬리브(102)는 통상 직물로 제조되지만, 변형가능하고 전기 절연되며 또한 양호하게 스트레치가능한 다른 재료들도 가능한데, 예로서 다양한 플라스틱도 가능한다. 슬리브(102)에서 탄성 재료를 사용함으로써 사용자 팔에 편리하게 끼워질 수 있다.
착용가능한 TENS-디바이스(100)는 슬리브(102)내에 매립된 전극들(104a-104d)을 구비한다. 전극들은 통상 전기 전도성 고무로 제조된다. 대안으로 염화은으로 전기도금된 금속 또는 플라스틱 전극들이 사용될 수 있다. 전극들(104a-104d)은 사용자의 피부와 결합할 수 있도록 슬리브(102)의 피부 대향면에 배치된다. 여기서, 전극들(104a-104d)은 음극(104d)으로 둘러싸인 3개의 양극(104a-104c)이다. 전극들(104a-104d) 사이의 거리는 통상 2 내지 5 cm 사이에 변한다. 기술에 숙련된 자는, 전극들의 개수 및 그 디자인이 응용에 따라 변할 수 있다는 것을 인식하고 있다. 전극들(104a-104d), 즉 양극들(104a-104c) 및 음극(104d)은 전기 와이어들(108a-108d)에 의하여 중간 접속점(106)에 접속된다. 도시된 실례에서, 각각의 양극(104a-104c)은 별개의 전기 와이어(108a-108c)에 의하여 접속점(106)에 접속되어서 각각의 양극(104a-104c)을 개별적으로 제어할 수 있게 되어있다.
접속점(106)은 제어유닛(110) 및 연관된 펄스 발생기(112)에 접속된다. 이러한 배치를 통해, 제어유닛(110)은 음극(104d) 및 하나 이상의 양극들(104a-104c)에 자극 전류를 선택적으로 보낼 수 있고, 여기서 사용자에게 인가된 자극 전류의 진폭 및 시퀀싱(sequencing)이 제어될 수 있다. 주의해야 할 것은, 전극들이 통상 주입된 전류 전체가 양방향으로 동일하도록 교류로서 구동된다는 점이다. 이것은 예를 들어 피부상에 존재하는 소금 및 다른 여러 물질들의 경피성 이온 운반(transcutaneous iontophoretic transport)을 방지하는데, 그렇지 않으면 이것이 피부 염증을 일으키는 원인이 될 수 있다. 제어유닛(110)은 외부 유닛에 배치될 수 있고, 또는 착용가능한 TENS-디바이스(100)의 통합 부품이 될 수 있다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 양극들의 전기 와이어들(108a-108c)은 원주방향으로 배치되고, 여기서 양극들(104a-104c) 중 하나를 접속점(106)에 접속하는 전기 와이어들(108a-108c) 각각은 슬리브(102)의 중공 코어 둘레에 나선형으로 배치된다. 여기서 각각의 전기 와이어(108a-108c)는 중공 코어 둘레에 2번 감긴다. 도면에서는 슬리브(102) 및/또는 전극들(104a-104d) 및 관련 배선을 해체하려는 어떤 시도가 대부분 적어도 하나의 전기 와이어(108a-108d)를 절단하는 방법으로서 슬리브(102)의 측방향 표면을 가로질러 전기 와이어들(108a-108c)이 어떻게 분포되는지를 볼 수 있다.
다른 실시예에서, 전기 와이어들을 원주방향으로 배치할 필요가 없거나 또는 배치할 수 없다. 그렇게 되면, 유사한 효과를 달성하기 위해서 착용가능한 TENS-디바이스(100)의 표면을 가로질러 전기 와이어들이 분포될 수 있다. 예를 들어 도 1b에 도시된 컴퓨터 게임에 사용하게 될 조끼로서, 여기서는 전기 와이어들이 S자 패턴으로 배치되어 있다.
전기 와이어들(108a-108d)이 서로 교차할 때 전기적 절연이 유지되도록 하기 위해서, 각각의 전기 와이어(108a-108d)에는 절연 코팅이 제공될 수 있다. 절연 코팅의 대안으로서 각각의 전기 와이어(108a-108d)는 그들이 서로 교차할 때 전기적 절연이 유지되도록 의복의 다른 층(또는 유사한 특성들을 갖는 어떤 다른 재료)내에 배치될 수 있다. 후자의 대안책은 예를 들어 의복 자체와 짜맞추어질 수 있는 전도성 얀들(yarns)을 사용할 때 유용하다.
실시예에 따라, 제어유닛(110)은 어떤 자극 전류를 사용자에게 인가하기 전에 피부로 향하는 완전한 갈바니 경로의 상태에 대해 전기 검출을 수행한다. 이것은 각각의 양극(104a-104c)에 전류를 보내고 양극(104a-104c)과 음극(104d) 사이의 저항을 측정함으로써 수행될 수 있다. 피부 저항 측정을 위한 전류는 통상 0.1㎂(자극 주기에 따라 TENS를 사용하여 운동 신경 섬유들을 자극하기 위한 3 내지 40 mA와 비교됨)보다 작고, 따라서 통상 사용자에게 해를 끼치지 않는다. 착용가능한 TENS-디바이스(100)가 적절히 작용하고 전극들(104a-104d)이 피부에 적절하게 부착될 때, 측정된 저항은 통상 약 5 내지 50 MΩ이며 피부에 있는 습기와 첨가제의 존재로 인하여 약간의 변화가 있을 수 있다. 그러나, 측정된 저항이 실질적으로 더 높으면(예로서 200 MΩ), 이것은 피부 접촉이 없거나 또는 와이어가 절단되었음, 즉 시스템의 부정조작이 발생하였음을 나타낸다. 그렇게 되면 제어유닛(110)은 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 작동시킬 수 없고, 사용자에게 인가되는 전기 자극이 없을 것이다. 양극들(104a-104c)과 음극(104d) 사이의 저항은 착용가능한 TENS-디바이스(100)의 작동 중에 반복적으로 측정되는 것이 바람직하다.
도 2는 전극들을 구동하는데 사용되는 전기 와이어들(108a-108d)과 분리되어 있는 2개의 보조 감지 와이어(216a-216b)를 구비한 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 도시한다. 2개의 와이어는 단지 예시적인 목적을 위한 것이고, 와이어들의 개수는 응용에 따라 변할 수 있다. 감지 와이어들(216a-216b)은 제어유닛(110)에 접속되며 따라서 전극들을 구동하는 전기 와이어들(108a-108d)과 유사한 방법으로 감시될 수 있으며, 따라서 악용 및 부정조작을 검출하는 능력을 더욱 향상시킨다.
도시된 실시예에서, 감지 와이어들(216a-216b)은 메쉬 내에 배열되며, 여기서 감지 와이어들은 서로 몇 번 교차된다. 메쉬의 형상은 변할 수 있으며 랜덤하거나 하지 않을 수도 있다. 사용자가 전극(104a-104d)을 해체하거나 또는 슬리브(102)를 과도하게 스트레칭함으로써 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 부정조작하려고 시도하면, 메쉬 내에서 감지 와이어들(216a-216b) 사이에 상대운동이 있을 것이다. 메쉬로 제조되어 있는 감지 와이어들(216a-216b) 사이의 정전용량, 유도용량 및/또는 저항을 측정함으로써 이러한 운동이 제어유닛(110)에 의하여 (즉 물리적 변화가) 검출될 수 있고, 이는 전기 자극을 할 수 없게 한다. 실제적인 응용에서 메쉬 내에 2개 이상의 와이어들을 사용하는 것이 유익할 수 있다. 더구나, 유사하게 전극들을 구동하는 전기 와이어들(108a-108d)이 메쉬 내에 배치될 수 있고 그리고 메쉬가 전기 와이어들(108a-108d) 및 감지 와이어들(216a-216b) 모두를 포함할 수 있다는 것을 인식해야 한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 전극들(104) 및 관련된 전기 와이어들(108a-108d)은 부정조작의 시도를 인식하기 위해서 제어유닛(110)에 의하여 사용될 수 있는 복제 방지 기능(PUF)이 발생하도록 하는 방법으로 구성된다. PUF를 실행하기 위해서, 착용가능한 TENS-디바이스(100)가 공장에서 출하되기 전에, 여기서 전기 와이어들(108a-108c)의 전기적 특성들(즉, 예로서, 다른 주파수에서의 다른 와이어들 간의 정전용량, 유도용량, 및 저항)인 매개변수들의 세트가 측정된다. 이렇게 측정된 매개변수들로부터 제어유닛(110)과 연결된 메모리(114) 내에 저장되는 그 특별한 디바이스를 위한 유일 키(unique key)가 만들어질 수 있다. PUF의 성질은, 유일 키를 용이하게 측정하지만 동일한 측정 결과를 제공하는 다른 디바이스를 제작할 수 없도록 하는 것이다. 이것은 제작 공정에서 랜덤 사건(random occurrences)의 원인이 될 수 있다.
제작 중에 와이어들을 랜덤 방식으로 맞물리게 함으로써 다른 전극들 사이의 기생 정전용량, 유도용량 및 저항이 PUF를 형성한다. 실시예에 따라, 전기 와이어들(108a-108d)은 전기적 절연이 유지되면서 많은 다른 상황들에서 서로 교차하도록 의복의 다른 층들을 통해 짜여진다. 와이어들을 분리하는 재료의 특성들(유전율과 같은)이 제작되는 방법에 의해 랜덤 방식으로 공간적으로 변하기 때문에 와이어들을 분리하는 재료가 PUF를 발생하는 부분이 될 수 있다. 더구나 감지 와이어들은 PUF를 실행하는데 사용될 수도 있다는 것을 인식해야 한다.
작동시에, 제어유닛(110)은 어떤 자극 전류가 사용자에게 인가되기 전에, 동일한 매개변수들을 측정하고 이러한 측정치에 기초하여 새로운 키를 결정함으로써 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 점검할 수 있다. 착용가능한 TENS-디바이스(100)의 어떤 부정조작은 메모리(114) 내에 저장된 유일 키로부터 측정된 키를 변화시킬 것이다. 그 결과 제어유닛(110)은 착용가능한 TENS-디바이스(100)의 전기 자극을 사용할 수 없다.
여러 개가 밀접한 간격을 갖는 전기 와이어들 사이에서 측정된 매개변수들의 비율을 사용함으로써, 통상 착용가능한 TENS-디바이스(100)의 정상 작동에서 발생하며 허용되어야 하는 변화들을 허용하는 더욱 튼튼한 전기적 특성들이 달성될 수 있다. 그러한 허용가능한 변화들의 예를 들면, 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 예로서 하부 팔에 적용하는 동안에 의복을 스트레칭하는 것 또는 온도 변화이다. 와이어들은 측정된 와이어들 사이에 측정가능한 기생 정전용량, 유도용량 및 저항을 발생하도록 충분히 "오버랩" 될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 착용가능한 TENS-디바이스(100)는 피부 접촉을 검출할 수 있는 센서들의 세트를 추가로 구비한다. 센서들은 기계식, 광학식 또는 전기식이 될 수 있다. 센서들의 적절한 배치에 의하여 착용가능한 디바이스가 사용자 신체에 적절하게 맞추어져 있음을 보장할 수 있다. 슬리브형 TENS-디바이스에서, 센서들(322a-322f)은, 슬리브가 팔에 적절하게 맞추어져 있음을 보장하기 위해서 도 3에 도시된 바와 같이 슬리브의 양단부와 슬리브 중간에 배치될 수 있다. 제1 단부에서 (및 중간과 제2 단부에 유사하게 배치함) 슬리브의 내측 주변을 가로질러 분포된(예로서 팔의 전방측에 하나 그리고 팔의 후방측에 하나) 2개의 센서(322a-322b)를 사용함으로써, 신체 부분이 슬리브(102)를 채우고 있음을 검출할 수 있고, 따라서 사용자가 슬리브에 단지 부분적으로만 맞추어지는 신체의 더 작은 부분 둘레에 슬리브를 배치하지 못하게 한다. 센서들의 개수 및 그들의 배치는 응용에 따라 변할 수 있으며 정확도는 추가의 센서들에 의해 더욱 개선될 수 있음을 인식해야 한다. 센서들을 통해, 또한 착용가능한 TENS-디바이스가 실제로 사용자의 피부와 접촉하고 있으며 어떤 다른 재료와 접촉하지 않는다는 것을 보장할 수 있다. 그러한 피부 검출기를 실행하는 한가지 방법은, 미리 정해진 파장의 빛에 대한 피부의 산란율 및/또는 흡수율과 같이 사람 피부가 특징적으로 가질 수 있는 생물학적 성질을 측정하는 것이다. 그러한 검출기의 상세한 설명은 WO 02/078559 A1을 참고하기 바란다. 다른 대안은 혈류의 존재를 검출하기 위해 광혈류검사기(photo pletysmography)로 측정하는 것, 또는 전기적 측정치를 수행하는 것이다.
실시예에 따라, 착용가능한 TENS-디바이스는 도 3에 도시된 바와 같이 힌지들(318a-318b) 및 로킹(locking) 수단(320a-320b)를 구비한다. 이것은 사용자가 입고 벗기에 용이한 개방식 착용가능한 TENS-디바이스(100)로 만들 수 있게 한다. 사용자의 팔 둘레에 슬리브(102)를 고정시키는 로킹 수단(320a-320b)은 양호하게 전기 자극이 시작되기 전에 슬리브가 폐쇄되어 있음을 보장하기 위해 '폐쇄' 지시기를 갖는다. 상기 '폐쇄' 지시기는 착용가능한 슬리브가 폐쇄될 때 회로를 폐쇄하는 단순한 전기 스위치가 될 수 있다. 개방식 착용가능한 TENS-디바이스(100)는 내부에 강한(rigid) 재료를 사용할 수 있게 한다. 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 위해 강한 재료를 사용하면, 착용가능한 디바이스가 의도하지 않은 신체의 부분에 착용가능한 TENS-디바이스(100)를 맞추기가 더욱 어렵다는 장점을 가질 수 있다. 그러나, 탄성 재료가 더 잘 맞추어지게 하고, 통상 다양한 신체 치수를 수용하기 위해 착용가능한 TENS-디바이스를 조절하기가 더욱 용이하게 만든다.
숙련된 사람은 본 발명이 상술한 양호한 실시예로 제한하는 것이 아님을 이해한다. 그와 반대로, 첨부한 청구범위 내에서 많은 변경 및 수정이 가능하다. 예를 들어, 디바이스는 사람이 사용하는 것으로 제한하지 않고, 예로서 말과 같은 동물에 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 사용자 신체의 전기 자극을 위한 시스템으로서,
    자극 전류를 발생하기 위한 제어 유닛(110); 및
    상기 자극 전류를 사용자 신체로 전달하기 위한 착용가능한 디바이스(100)로서, 사용자 신체의 일부분에 착용되도록 구성되는 상기 착용가능한 디바이스(100)를 포함하는 상기 시스템에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는,
    자극 전류를 사용자 신체에 전달하기 위해 상기 착용가능한 디바이스(100)에 매립된 적어도 하나의 전극(104a-104d);
    상기 적어도 하나의 전극(104a-104d)과 상기 제어 유닛(110) 사이에 있는 중간 접속부인 접속점(106); 및
    - 상기 접속점(106)과 상기 적어도 하나의 전극(104a-104d) 사이의 물리적 관계의 변화가 미리 정해진 임계값을 초과하는지 여부를 검출하고 이에 의해 상기 디바이스(100)의 악용(misuse) 및 부정 조작(tampering)을 검출할 수 있게 하는 수단을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는, 상기 착용가능한 디바이스(100) 내에 매립된 적어도 하나의 전기 와이어(108a-108d)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기 와이어(108a-108d)는 상기 접속점(106)으로부터 상기 적어도 하나의 전극(104a-104d)으로 전기 접속을 제공하고, 상기 적어도 하나의 전기 와이어(108a-108d)의 길이는 상기 접속점(106)과 상기 전극(104a-104d) 사이의 거리의 적어도 2배인, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는, 상기 착용가능한 디바이스(100)가 착용되는 상기 사용자 신체의 일부분을 둘러싸는, 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 와이어(108a-108d)는 원주방향으로 배치되는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는 사용자의 팔 또는 다리의 일부분에 착용되도록 구성된 슬리브 모양의 형태를 갖는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는 의복(garment)인, 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전기 와이어들(108a-108d)은 전기적으로 절연된 상태로 유지되는 한편 서로 교차하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는 개방될 수 있고, 상기 착용가능한 디바이스(100)는 상기 자극 전류가 공급되기 전에 상기 착용가능한 디바이스(100)가 폐쇄되어 있음을 보장하는데 사용가능한 수단(320a-320b)을 구비하는, 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛(110)은,
    - 소정의 기준 키(reference key)를 포함하고;
    - 상기 적어도 하나의 전기 와이어를 위한 매개변수(parameter)를 측정하도록 구성되고; 및
    - 상기 적어도 하나의 측정된 매개변수에 기초하여 키(key)를 계산하도록 구성되어 있고,
    상기 계산된 키는, 상기 계산된 키와 상기 기준 키를 비교함으로써 상기 착용가능한 디바이스의 기능을 보장하는데 사용될 수 있는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는 상기 제어 유닛(110)에 의해 모니터되는 추가 감지 와이어(216a-216b)를 포함하는, 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    복수의 감지 와이어들(216a-216b)은 상기 적어도 하나의 전극(104a-104d)의 위치 변화를 검출하는데 사용될 수 있는 메쉬를 형성하는, 시스템.
  12. 제2항에 있어서,
    각각의 전기 와이어(108a-108d)는, 상기 전기 와이어들(108a-108d)이 전기적으로 절연된 상태로 유지되는 한편 서로 교차하도록 다른 층 내에 배치되는, 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 착용가능한 디바이스(100)는 사용자 피부와의 접촉을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서(322a-322f)를 추가로 포함하는, 시스템.
  14. 사용자 신체의 전기 자극을 위한 제 1 항에 기재된 시스템에 사용하기 위한 착용가능한 디바이스로서, 사용자 신체의 일부분에 착용되도록 구성되는 상기 착용가능한 디바이스에 있어서,
    자극 전류를 사용자 신체에 전달하기 위해 상기 착용가능한 디바이스(100)에 매립된 적어도 하나의 전극(104a-104d);
    상기 적어도 하나의 전극(104a-104d)과 제어 유닛(110) 사이에 있는 중간 접속부인 접속점(106)으로서, 상기 제어 유닛(110)이 상기 자극 전류를 발생시키도록 구성되는, 상기 접속점(106); 및
    - 상기 접속점(106)과 상기 적어도 하나의 전극(104a-104d) 사이의 물리적 관계의 변화가 미리 정해진 임계값을 초과하는지 여부를 검출하고 이에 의해 상기 디바이스(100)의 악용(misuse) 및 부정 조작(tampering)을 검출할 수 있게 하는 수단;을 포함하는 착용가능한 디바이스.
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