KR102222759B1 - 사용자의 피부의 저항률에 기초하여 전압을 가변시키는 수단을 구비하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스 - Google Patents

사용자의 피부의 저항률에 기초하여 전압을 가변시키는 수단을 구비하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용자의 피부(12)에 인가하기에 적절한 패치(10)와, 상기 패치에 위치된 전극 시스템에 의해 사용자의 피부를 통해 낮은 세기의 전류를 인가하기에 적절한 전압 생성기(22)를 포함하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스에 관한 것이다; 본 디바이스는, 상기 패치 아래 사용자 피부의 저항률을 연속적으로 측정한 값의 함수로서 전압 생성기에 의해 공급되는 전압을 가변시키는 자가-조절기(16)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 피부의 저항을 측정하는 요소(24)에 의해 제공되는 피부의 저항 값으로부터 저항률이 측정된다.

Description

사용자의 피부의 저항률에 기초하여 전압을 가변시키는 수단을 구비하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스{ELECTRICAL STIMULATION AND/OR IONTOPHORESIS DEVICE HAVING MEANS FOR VARYING THE VOLTAGE ON THE BASIS OF THE RESISTIVITY OF THE SKIN OF A USER}
본 발명은 피부 세포(dermal cell)에 전기장을 인가하여 진피 세포의 활동성을 증가시키거나 및/또는 전기 전류를 사용하여 활성 물질(active substance)의 경피전달 확산(transdermal diffusion)을 촉진하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자가-조절된(self-regulated) 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스에 관한 것이다.
전기장에 의한 세포 자극은 많은 응용에 사용된다. 그리하여, 특허 EP 0797421에 개시된 전기 자극은 통증을 완화시키는 역할을 한다. 또한 섬유아세포(fibroblast)에 전기장을 인가하여 단백질 생산 속도를 증가시키는 것에 의해 전기 자극을 사용하여 주름을 치료할 수 있는데, 여기서 섬유아세포에 의해 생산된 단백질은 주로 콜라겐과 엘라스틴이고, 그 예상된 효과는 피부의 탄력성 및 그리하여 주름을 감소시키는 시각적 효과를 증가시키는 것을 포함한다. 또한 전기 자극을 사용하여 상처의 아물기(cicatrisation)를 치료할 수 있는데, 여기서 전기장은 세포 이동을 증가시켜, 상처의 아물기를 촉진할 수 있다.
특허 EP 1727593에 개시된 바와 같은 이온 영동은 화장용 및/또는 의료용으로 사용되어 전류에 의해 피부의 진피(dermis) 속으로 활성 물질을 분배할 수 있는 방법이다. 저장소에 포함된 활성 물질 또는 하이드로겔은 일반적으로 10,000 내지 1,000,000 g.mol-1의 고분자량을 가지는 다양한 착물(varying complexity) 분자로 구성된다.
상대적으로 긴 기간 동안 패치에 의해 전기 전류를 피부 표면에 인가하면, 전기 자극 또는 이온 영동에서 그러하듯이, 피부 특성을 변화시키거나, 또는 심지어 피상적인 부종(superficial oedema)으로부터 깊은 화상에 이르는 상해(injury)를 초래할 수 있다.
최신 기술에서 제안된 해법은 치료 초기에 패치 위치에 있는 피부의 생리적 파라미터와 사용자에 관한 데이터를 측정하여 디바이스에 의해 전달되는 전압을 적응시킨다. 그러나, 여전히 상해가 존재한다.
그리하여, 디바이스의 안전성을 개선시켜 전기 자극 및/또는 이온 영동의 효율을 유지하면서 상해 위험을 제거할 수 있는 디바이스를 제공하는 것이 요구된다.
그 결과, 본 발명의 주요 목적은 특히 과도하게 높은 전류 밀도로 인해 사용자에 초래되는 위험 및 열적 또는 화학적 화상의 위험을 회피하기 위하여 피부의 변화에 연속적으로 적응하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스를 제공하는 것이다.
그리하여 본 발명의 주요 목적은 사용자의 피부에 인가하기에 적절한 패치와, 이 패치에 위치된 전극 시스템에 의하여 사용자의 피부를 통해 낮은 세기의 전류를 인가하기에 적절한 전압 생성기를 포함하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스이다. 본 디바이스는 이 패치 아래 사용자 피부의 저항률(resistivity)을 연속적으로 측정한 값의 함수로서 전압 생성기에 의해 공급되는 전압을 가변시키는 자가-조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 출원인은 측정 디바이스의 특성과는 독립적인 피부의 상태를 나타내는 단위로 저항률을 연속적으로 측정하면 전달되는 전류를 실시간으로 모니터링할 수 있고 임의의 화상의 위험을 감소시키거나 심지어 제거할 수 있다는 것을 관찰하였다.
본 발명의 제2 목적은 전극 시스템이 상기 전압 생성기의 단자들 중 하나에 연결된 제1 극성을 가지는 수 개의 전극과, 상기 전압 생성기의 다른 단자에 연결된 제2 극성을 가지는 수 개의 전극을 포함하고, 상기 제1 극성의 전극은 상기 제2 극성의 전극과 교대로 배열되고 상기 패치의 두 단부에 있는 전극들은 동일한 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스에 있다.
본 발명의 제3 목적은 각 전극, 즉 애노드 또는 캐소드가 수 개의 인터페이스에 걸쳐 가해지는 전류를 분배하여 국부 전류 밀도를 분할하는 수 개의 접촉점을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스에 있다.
본 발명의 목적, 목표 및 특성은 도면을 참조하여 이루어진 이하 상세한 설명을 판독하면 보다 명확히 드러날 것이다:
- 도 1은 본 발명에 따른 자가-조절기를 포함하는 이온 영동 디바이스의 개략도;
- 도 2는 본 발명에 따른 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스에 의해 치료하는 동안 자가-조절기에 의해 실행되는 단계의 구성 흐름도;
- 도 3은 본 발명에 따른 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스를 구현하는데 사용되는 패치를 도시하는 도면.
본 발명의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 조합하여 또는 대안적으로 사용될 수 있는 순전히 선택적인 특성들이 아래에 언급된다.
유리하게, 본 발명은 사용자의 피부에 인가하기에 적절한 패치와, 상기 패치에 위치된 전극 시스템에 의하여 사용자의 피부를 통해 낮은 세기의 전류를 인가하기에 적절한 전압 생성기를 포함하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스로서, 상기 디바이스는 상기 패치 아래 사용자 피부의 저항률을 연속적으로 측정한 값의 함수로서 상기 전압 생성기에 의해 공급되는 전압을 가변시키는 자가-조절기를 포함하고; 상기 자가-조절기는 상기 피부의 저항을 측정하는 요소를 포함하고, 상기 저항 값에 기초하여 상기 자가-조절기는 상기 패치 아래 사용자 피부의 저항률 값을 계산할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 디바이스는 접착제 제품을 사용하여 사용자의 피부(12)에 도포되는 일반적으로 "패치"로 알려진 스탬프(10)를 포함한다.
도 1은 이온 영동 디바이스를 나타내고, 이 경우에, 패치(10)는 피부에 직접 도포되는 것이 아니라, 이후 볼 수 있는 바와 같이, 활성 물질을 포함하는 개재 층(14)을 통해 도포되는 것으로 이해된다. 디바이스가 단순히 전기 자극 디바이스로 사용되는 경우, 패치(10)는 사용자의 피부에 직접 도포된다.
본 발명의 본질적인 특성에 따라, 디바이스는 자가-조절기(16)를 포함한다. 자가-조절기는 재충전가능한 저장 배터리 또는 표준 배터리와 같은 전기 에너지 소스(20)가 공급되는 마이크로프로세서(18)를 포함하고 이 마이크로프로세서는 전압 생성기(22)에 의해 패치(10)에 위치된 전극에 인가되는 전압를 제어한다.
마이크로프로세서(18)는 유리하게는 2개의 입력으로부터 유도되는 데이터를 수신한다. 제1 입력은 저항 측정 요소(24)에 의해 제공되고; 제2 입력은 온도 측정 요소(26)에 의해 제공된다.
이미 전술된 바와 같이, 피부의 저항은 측정 특성에 따라 측정가능한 단위(unit)인 것으로 이해된다. 그에 반해, 저항률은 측정 디바이스의 특성과는 독립적으로 피부의 상태를 나타내는 단위이다. 그 결과, 측정 요소(24)는 수행하기 용이한 피부의 저항을 결정하고, 마이크로프로세서(18)는 마이크로프로세서에 이전에 공급된 측정 요소의 특성을 사용하여 피부의 상태에 대해 단지 중요한 값인 피부의 저항률을 계산한다.
피부의 저항률에 더하여, 인가되는 전압이 피부의 온도를 고려하여야 하는 한, 온도 측정 요소(26)에 의해 제공되는 피부의 온도가 유리하게 고려되어야 한다. 나아가, 성공적인 치료를 위하여 이 온도가 미리 결정된 값을 초과하지 않아야 하는 것이 바람직하다.
획득된 저항률 값에 기초하여, 마이크로프로세서(18)는 상해 또는 화상을 야기할 수 있는 임계값보다 항상 아래에 있는 인가 전압을 계산한다.
본 출원인은 패치에서 피부의 상태를 모니터링하는데 안전하고 신뢰성 있는 파라미터로, 특히 상해 및/또는 화상의 위험을 감소시키기 위한 파라미터로 저항률을 발견하였다. 놀랍게도, 저항률은 전달된 전류와 피부의 함수로 변하는 양이다. 이 저항률의 변화는 신속하고 폭넓은 것으로 검증되었다. 그리하여 저항률을 측정하면 인가 전압을 결정할 수 있고, 이는 바로 저항률과 공급 전류의 변화를 수반한다. 디바이스는 임의의 효율 감소 없이 사용자의 안전성을 증가시킬 수 있다. 공급 전류는 항상 순간의 요구에 적응된다.
본 발명에 따른 디바이스는 저항률을 연속적으로 제어할 수 있다. 이렇게 연속적으로 제어하는 것은 공급 전류를 영구적으로 제어할 수 있게 하여서 디바이스의 신뢰성과 안전성을 증가시킬 수 있어서 특히 유리하다. 연속적으로 라는 것은 1 초 미만의 측정 주파수를 의미한다.
본 디바이스는 공급 전류의 밀도와 전류의 침투 깊이를 제어한다.
그리하여 본 발명에 따른 디바이스는 특히 신뢰성이 있다.
자가-조절기(16)는 사용되는 파라미터를 포함하는 구성을 외부로부터 수신하고, 적용된 치료 결과를 외부에 통신할 수 있게 하는 통신/프로그래밍 인터페이스(28)를 더 포함한다. 바람직한 실시예에서, 인터페이스(28)는 안테나(30)에 의해 컴퓨터, 모바일 전화 또는 "블루투스" 링크를 통해 다른 등가 디바이스에 연결된다.
전압 생성기(22)는 적용되는 치료에 따라, 마이크로프로세서(18)의 제어 하에, 직류 전압 또는 교류 전압, 또는 펄스 전압을 공급할 수 있는 것을 이해해야 된다.
펄스 전압은 전극이 산화되되어 결국 피부로 전극 성분이 이동하는 것을 제한하므로 특히 유리하다. 전극 성분의 이동은 사실 이런 유형의 디바이스를 오래 기간 사용한다는 것을 고려하면 특히 유해할 수 있다.
나아가, 자가-조절기(16)는 이 경우에 이들 조건 하에서 특히 민감한 피부의 저항을 연속적으로 측정하기 위하여 적응된다. 마이크로 샘플링에 의존하는 것이 바람직하다. 저항률은 사실 펄스의 끝과 그 다음 펄스 시작시에 상이할 수 있다. 그리하여 저항률은 펄스의 시작시로부터 신속히, 특히 바로 반응하기 위하여 높은 주파수에서 측정되어야 한다. 마이크로 샘플링 동안 주파수는 1kHz를 초과한다.
자가-조절기 소프트웨어에 의해 수행되는 단계의 구성 흐름도를 도시하는 도 2를 참조하면, 제1 단계는, 인가되는 전압과 치료의 지속시간과 같은 수행되는 치료 특성을 포함하는 새로운 구성을 인터페이스(28)를 통해 자가-조절기에 부여(단계 42)하는 것에 의해 자가-조절기를 초기화(단계 40)하는 것을 수반한다.
자가-조절기는 이후 측정 요소(24)에 의해 저항률(r)의 측정(단계 44)을 수행한다. 이후 피부의 저항률이 최소값(rmin)과 최대값(rmax) 사이에 포함되는지 여부(단계 46)가 결정된다. 사실, 매우 낮은 저항률 값은 시스템이 단락되었다는 것을 의미할 수 있고, 과도하게 높은 값은 사용자에 화상의 위험을 초래하는 너무 높은 전압을 의미할 수 있다.
저항률 값이 rmin과 rmax 사이에 포함되지 않는 경우, 알람이 트리거되는데(단계 48), 상기 알람은 경고등(warning light)(미도시)을 조명하는 것을 수반한다. 저항률 값이 이 2개의 값들 사이에 포함되는 경우, 전압은 원하는 값으로 조절된다(단계 50).
자가-조절기는 이후 측정 요소(26)에 의하여 피부의 온도(T)를 측정(단계 52)하고, 이를 통해 이 온도가 미리 결정된 온도(Tmax) 미만인지 여부가 결정(단계 54)할 수 있다. 과도하게 높은 피부 온도는 사실 화학적 화상의 위험을 나타내는 지시자이므로, 이러한 온도 제한은, 장기간 치료시 예를 들어 욕창(bedsore)을 치료하는데, 추가적인 안전성을 달성할 수 있도록 한다. 피부의 온도가 온도(Tmax)를 초과하는 경우, 알람이 트리거된다(단계 48).
피부의 온도가 Tmax를 초과하지 않은 경우, 다음 테스트는 치료에 할당된 시간에 도달하였는지 여부를 결정하는 것을 포함한다(단계 56). 만약 할당 시간에 도달하지 않은 경우, 공정은 저항률을 측정하는 단계로 되돌아간다(단계 44). 만약 할당 시간에 도달하였다면, 공정은 종료한다(단계 58).
본 발명의 주제인 전기 자극 및/또는 이온 영동 디바이스의 중요한 파라미터는 표피를 통과하는 전류 밀도가 1mA/cm2로 추정된 미리 결정된 밀도 미만이여야 한다는 것이다. 사실, 인가되는 전류 밀도가 이 값을 초과한다면, 화상의 위험이 있을 수 있다.
그 결과, 본 발명의 제2 주제에 따라, 디바이스는 애노드와 캐소드 사이를 순환하는 전류 밀도가 1mA/cm2 미만이도록 총 전류가 수 개의 애노드-캐소드 회로에 걸쳐 분할되도록 수 개의 애노드와 이 애노드와 교번하는 수 개의 캐소드를 포함한다. 나아가, (디바이스 외부에) 외부 전기력선(field line)이 형성되는 것을 방지하기 위해, 2개의 단부에 위치된 2개의 전극들은 동일한 극성인데, 즉 이들 전극은 2개의 애노드 또는 2개의 캐소드이다.
다중-전극 디바이스는 추가적으로 주요 잇점을 제안하는데, 즉 애노드와 캐소드 사이의 거리는 인가되는 전압에 따라 미리 결정된 거리 미만이어야 한다. 사실, 직접 또는 혈관-허혈(angio-ischaemia)의 결과 근육 또는 힘줄의 미세 병변(microlesion)을 야기하는 것을 회피하기 위해 전류 라인(current line)이 하피(hypodermis)에 침투하여서는 안된다는 것이 중요하다. 그 결과, 애노드와 캐소드 사이의 거리는 인가되는 전압에 따라 미리 결정된 거리 미만이어야 한다. 그리하여, 5v 전압에서, 애노드와 캐소드 사이의 거리는 2cm 미만이어야 한다.
따라서, 도 3은, 3개의 캐소드(68, 70 및 72)와 교번하는 4개의 애노드(60, 62, 64 및 66)를 포함하고, 패치의 2개의 단부 전극이 전술된 바와 같이 2개의 애노드인, 대략 14cm 길이의 대형 사이즈의 패치(예를 들어, 이마 또는 목에 사용되는 패치)를 도시한다.
전술된 바와 같이, 2개의 전극들 사이의 거리는 미리 결정된 거리 이하인데; 예를 들어 5v의 인가 전압에서는 2cm이다.
저항을 측정하기 위해, 도 3에 도시된 디바이스는 연결부(78)에 의해 측정 요소(24)에 링크된 접촉점(74 및 76)의 세트를 포함한다. 이 접촉점(74)은 애노드(60)와 캐소드(68) 사이의 중간에 위치되고, 접촉점(76)은 캐소드(68)와 애노드(62) 사이의 중간에 위치된다. 이 측정은 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 수행될 수 있는 것으로 이해된다.
도 3에 도시된 실시예에서, 피부의 저항을 보다 잘 나타내는 평균 값을 획득하기 위하여 연결부(84)에 의해 측정 요소(26)에 링크된 접촉점의 제2 세트가 사용되는데, 즉 접촉점(80)은 애노드(64)와 캐소드(72) 사이의 중간에 위치되고, 접촉점(82)은 캐소드(72)와 애노드(66) 사이의 중간에 위치된다.
피부의 온도를 측정하는 것은 연결부(90)에 의해 온도 측정 요소(26)에 링크된 접촉점(86 및 88) 세트에 의해 수행된다. 바람직하게는, 접촉점 세트는 서미스터이다.
도 3에 도시된 바람직한 실시예에서, 각 전극, 즉 애노드 또는 캐소드는 피부를 통해 인가되는 전류를 더 잘 분배하기 위하여 8개의 접촉점을 포함하는 다중점 전극이다. 각 접촉점은 합금 또는 금-니켈로 만들어지고 5mm2의 면적을 구비한다. 다중점 전극을 사용하는 가치는 피부의 표피(epidermis)가 매끄러운 표면이 아니라는 것과, 단일 전극이 낮은 유연성을 가지고 있어서 피부로부터 적어도 부분적으로 분리되는 경우, 접촉점에서 전류 밀도가 증가되는 것으로 인해 표피에 순간 전기 아크 또는 화학적 화상을 생성하기 쉽다는 것으로부터 유래된다.
도 3의 경우에 인가된 전류의 세기는 3개의 캐소드에 걸쳐 분할되고, 각 캐소드는 8개의 접촉점으로 형성된다. 그 결과, 인가되는 전류의 세기(I)는 부등식 I/3 ≤ 8 x 0.05, 즉 I ≤ 1.2mA에 따라야 한다.
전술된 바와 같이, 디바이스가 전기 자극에 사용되는 경우, 피부에 직접 도포되는 패치는 전류를 피부에 침투시켜 섬유아세포를 자극하여 콜라겐과 엘라스틴 생산 속도를 증가시켜 피부의 탄력성을 개선시키는 역할을 하거나 또는 상처를 치료하는 역할을 한다.
디바이스가 이온 영동으로 사용될 때, 이 디바이스는 피부로 분배되는 활성 물질, 예를 들어, 비타민 A 또는 레티놀(탈색제), 레티노산(retinoic acid)(여드름 치료), 비타민 C(항산화제), 이온 킬레이터(ion chelator), 예를 들어, β-알라닌 이아세트산(alanine diacetic acid)(홍반 치료용), 글리콜산(피부결(skin texture)의 개선), 덱사메타손 나트륨 인산염(dexamethasone sodium phosphate)(항염증제) 또는 음이온 또는 양이온 에멀젼의 형태로 이온화되거나 제공되어 전류에 의해 운반되는 임의의 다른 유형의 활성 물질을 포함하는 층(14)을 패치(10) 아래에 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 층(14)은 (액체용의) 임의의 저장소를 요구하지 않고 유연성이 있어 적용되는 피부의 윤곽에 순응될 수 있다는 이중 잇점을 제공하는 하이드로겔이다.
도 3에 도시된 디바이스는 각 전극에 동일한 개수의 접촉점을 포함하지만, 물론 이 개수는 본 발명의 구조를 벗어남이 없이 변경될 수 있다. 마찬가지로, 각 전극의 접촉점은 직사각형 형태와는 다른 형태로 배열될 수 있다.

Claims (9)

  1. 사용자의 피부(12)에 적용되는 패치(10)와, 상기 패치에 위치된 전극 시스템에 의해 사용자의 피부를 통해 낮은 세기의 전류를 인가할 수 있는 전압 생성기(22)를 포함하는 전기 자극 또는 이온 영동 디바이스로서,
    상기 디바이스는, 상기 패치 아래 사용자 피부의 저항률을 연속적으로 측정한 값의 함수로서 상기 전압 생성기에 의해 공급되는 전압을 가변시키는 자가-조절기(16)를 포함하고; 상기 자가-조절기(16)는 피부(24)의 저항을 측정하는 요소를 포함하고, 상기 피부의 저항을 측정하는 요소는 마이크로 샘플링에 의해 1kHz를 초과하는 주파수에서 저항을 측정하도록 구성되며, 저항 값에 기초하여 상기 자가-조절기는 상기 패치 아래 사용자 피부의 저항률 값을 계산할 수 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피부의 저항률 값이 최소값과 최대값 사이에 포함되지 않는 경우 알람이 트리거되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자가-조절기(16)는 피부(26)의 온도를 측정하는 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피부 온도 값이 최대값을 초과할 때 알람이 트리거되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 시스템은, 상기 전압 생성기의 단자들 중 하나에 연결된 제1 극성을 가지는 복수의 전극(60, 62, 64, 66)과, 상기 전압 생성기의 다른 단자에 연결된 제2 극성을 가지는 복수의 전극(68, 70, 72)을 포함하고, 상기 제1 극성의 전극은 상기 제2 극성의 전극과 교대로 배열되고, 상기 패치의 두 단부에 있는 전극들은 동일한 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    근육 또는 힘줄의 미세 병변을 야기하는 것을 회피하기 위하여 전류 라인이 하피(hypodermis)에 침투하지 않도록 하는 애노드와 인접한 캐소드 사이의 거리는 2 센티미터의 미리 결정된 거리 미만인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    각각의 상기 전극, 애노드 또는 캐소드는 수 개의 인터페이스에 걸쳐 인가되는 전류를 분배하여 국부 전류 밀도를 분할하는 수 개의 접촉점을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 패치(10)와 사용자의 피부 사이에, 사용자의 피부 속으로 전류를 도입하는 활성 물질 층(14)을 포함하는, 이온 영동 디바이스로 사용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 활성 물질 층은 하이드로겔 형태인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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