KR102330057B1 - 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법으로서, 소정의 저주파 펄스를 생성하는 펄스생성부에서 복수의 N개 펄스를 생성하는 단계; 상기 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 단계; 상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 단계; 상기 N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 피부 내부에 에너지를 전달하는 단계;상기 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 단계; 및 상기 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 단계를 포함함으로써 복수의 복합펄스 패턴을 이용하여 유효 영양 물질 또는 약물을 피부 표면에서 피부 조직 내부로 침투/흡착시키거나 피부 리프팅을 촉진시킬 수 있다.
Description
본 발명은 피부를 관리하는 피부 케어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근에는 피부의 노화와 탄력성을 유지 및 개선하기 위하여 외부 기기를 통해 여러가지 효능 물질에 의한 피부 생물학적 변화를 일으키도록 할 수 있으며, 이러한 방법에는 피부 표면에 물질 도포 및 마스크, 패치를 부착해 확산을 일으키는 방법, 마이크로 니들(Microneedle) 방식, 전기이온영동법(Iontophoresis), 초음파영동법(Sonophoresis), 전기천공법(Electroporation), 전기근육자극(Electrical Muscle Stimulation) 등을 적용해 확산을 일으키는 방법이 있다.
사람의 피부 조직은 각질층, 표피층, 진피층 및 피하(hypodermis)층으로 이루어져 있으며, 피부는 노화 및 자외선 작용에 의해 기능이 자연스럽게 저하된다. 노화 및 자외선에 따른 피부의 대표적인 변화로는 진피 내에 있는 콜라겐 섬유의 감소 및 변형으로 인한 주름 생성과 엘라스틴으로 구성된 탄력 섬유의 변성으로 인한 피부 탄력 감소, 표피층에 존재하는 티로시나아제 활성화에 따른 멜라닌 색소 침착 등이 있다. 이러한 주름 생성, 피부탄력 감소와 색소 침착을 예방하고 개선하기 위해서는 피부 내의 콜라겐과 엘라스틴의 합성 촉진 및 붕괴 방지와 멜라닌 색소 제거 및 티로시나아제 활성 저하를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
피부의 주름은 노화로 인한 피지선의 분비 감소와, 그로 인한 피부 건조 및 피부 탄력성 저하에 기인한다. 즉, 피부 주름은 진피의 콜라겐 및 진피 성분이 피부노화로 인해 줄어들면서 탄력이 줄어들어 발생하며, 피하지방의 흡수로 인하여 주름이 더 악화되기도 한다. 따라서 피부과적 치료와 더불어 정상적인 피부 기능의 회복을 위해 주름 관리에 대한 다양한 방법이 이루어지고 있다.
피부는 물리 화학적 자외선방어인자를 갖추고, 다양한 광화학반응에 의한 피부장애를 최소화하는 방어 기전이 있다. 그 중에, 멜라닌은 자외선부터 피부를 보호하기 위해 생성되는데, 멜라닌 형성 세포에서 티로시나아제의 활성이 촉진되면서 멜라닌 생성량이 늘어나면 피부가 검어지고 자외선을 차단할 수 있다. 그러나 멜라닌이 과다하게 생성되는 경우, 멜라닌 침착에 의해 피부의 흑화 및 기미 등의 피부질환이 발생할 수 있다.
주름 개선 및 멜라닌 색소의 생성을 억제하여 피부 미백을 유도하는 방법으로는 박피술, 보톡스 등 수술적인 방법이나 아데노신, 알부틴, 아스코르빈산 등의 포함하는 미용크림이나 로션, 마스크팩 형태의 제품을 일정 기간 피부에 바르거나 부착하여 사용하는 방법이 있다. 그러나 수술적인 방법의 경우 다수의 부작용이 보고되고 있으며, 비수술적인 방법의 경우 피부에 유효성분이 쉽게 통과하지 못하여 침투 속도가 느릴 뿐 아니라 그 효과에 있어서도 수술적인 방법에 비해 낮은 효과를 보이는 실정이다.
따라서 유효성분의 효과적인 전달을 위해 고안된 방법이 이온토포레시스(Iontophoresis)이며, 이는 피부에 미세전류를 흐르게 하여 인위적인 전위차에 의해 이온화된 영양 물질이나 약물을 전기적 반발력으로 경피를 투과하게 하는 방법으로 일반적으로 행해지는 로션이나 크림, 마스크팩에 의해 유효성분을 전달하는 방법에 비해 유효성분의 경피 전달력이 우수한 특성을 갖는다. 또한 전류의 강도 및 적용시간의 조절이 가능하여 유효성분의 투여량도 조절할 수 있는 장점을 갖는다.
또한 일렉트로포레이션(Electroporation) 방식을 통하여 피부 표면에 전기적 펄스를 가해 피부의 이중 인지질막을 교란시켜 일시적으로 홀(pore)을 만들어 영양 물질이나 약물 등을 침투시켜 경피 전달하는 방법도 있으며, EMS(Electrical muscle stimulation) 방식을 통하여 피부에 전기적 펄스를 가해 피부 내부의 근육을 수축시키는 전기적 자극을 통하여 피부 조직 피하의 콜라겐 분비를 유도하여 피부를 수축시켜 주름을 개선하는 방법 등이 있다.
다만, 이러한 여러가지 전기적 자극을 이용한 피부 관리 방법들에 있어서는 펄스의 주파수, 대역폭, 전압 등의 다양한 타입의 펄스 신호들이 있으며, 피부를 자극하는 방식에 있어서도 무수히 많은 경우의 수가 나올 수 있다. 따라서 이러한 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화 방법이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법으로서 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 피부의 L개의 피부 구역마다 최적의 전기적 자극을 제공하기 위하여 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 피부 내의 저항, PH, 전도도 및 수분에 해당하는 예측 피부 환경 매개 변수를 계산하여 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비 및 사용자의 피부의 고통을 최소화할 수 있도록 최적 피부 환경 매개 변수를 계산하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법은 소정의 저주파 펄스를 생성하는 펄스생성부에서 복수의 N개 펄스를 생성하는 단계; 상기 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 단계; 상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 단계; 상기 N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 피부 내부에 에너지를 전달하는 단계; 상기 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 단계; 및 상기 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 단계를 포함한다.
상기 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는, 이온토포레시스(Iontophoresis) 방식을 통하여 상기 복합펄스 패턴의 전류를 피부에 흘러 전위차에 의해 이온화된 유효 영양 물질 또는 약물을 전기적 반발력으로서 경피 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는, 일렉트로포레이션 (Electroporation) 방식을 통하여 상기 피부 표면에 상기 복합 패턴의 전기적 펄스를 가해 상기 피부의 이중 인지질막을 교란시켜 일시적으로 홀(pore)을 만들어 유효 영양 물질 또는 약물을 침투시켜 경피 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는, EMS(Electrical muscle stimulation) 방식을 통하여 상기 피부에 상기 복합 패턴의 전기적 펄스를 가해 상기 피부 내부의 근육을 수축시키는 전기적 자극을 통하여 피부 조직 피하의 콜라겐 분비를 유도하여 상기 피부를 수축시켜 주름을 개선하는 리프팅 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 단계는, 상기 L개의 피부 구역마다 최적의 전기적 자극을 제공하는 데이터 예측 단계를 더 포함하며, 상기 데이터 예측 단계는 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 피부 내의 저항, PH, 전도도 및 수분에 해당하는 예측 피부 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.
최적 피부 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계를 더 포함하며, 상기 데이터 최적화 단계는 사용자의 피부 환경 설정 기준값 및 전기적 자극 제어 장치의 제약 조건을 기반으로 상기 피부 조직 내의 피부 환경을 최적화하면서 상기 제어 장치의 에너지 소비 및 피부의 고통을 최소화할 수 있도록 최적 피부 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.
상기 데이터 최적화 단계는, 하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 피부 내의 환경 최적화를 계산할 수 있다.
[수학식]
J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2)
(이때, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 피부 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비, ECmin은 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 피부 환경, OEmin 는 최적 피부 환경의 최소치, OEmax는 최적 피부 환경의 최대치임.)
상기 예측 피부 환경 매개 변수와 상기 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 상기 전기적 자극 제어 장치를 동작시켜 상기 피부 내의 환경을 제어하는 환경 제어 단계를 더 포함하며, 상기 피부 환경 제어 단계는, 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 피부 환경 매개 변수와 상기 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 상기 제어 장치의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 피부 내의 환경을 제어할 수 있다.
상기 이온토포레시스 또는 일렉트로포레이션 방식을 통하여 상기 유효 영양 물질 또는 약물을 경피 전달하는 단계는, 상기 펄스의 주파수가 1kHz이며, 펄스폭은 +극성일때 400ms 및 -극성일때 3ms에서 최적의 펄스 조건을 갖는 것을 특징으로 하며 상기 EMS 방식을 통하여 상기 피부를 수축시켜 주름을 개선하는 리프팅 단계는, 상기 펄스의 주파수가 200Hz이며, 펄스폭은 3000ms 및 피크전압 10v에서 최적의 펄스 조건을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치는 소정의 저주파 펄스로서 복수의 N개 펄스를 생성하는 펄스생성부; 상기 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 시간분할부; 상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 펄스배열부; 상기 N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 피부 내부에 에너지를 전달하는 에너지전달부; 상기 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 극성변환부; 및 상기 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 복합펄스 패턴 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법을 통해 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하여 다양한 경우의 수의 피부 환경에 맞추어 최적의 피부 케어 제어를 할 수 있다.
또한 최적의 전기적 자극을 제공하기 위하여 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 피부 내의 저항, PH, 전도도 및 수분에 해당하는 매개 변수를 계산하여 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비 및 사용자의 피부의 고통을 최소화할 수 있다.
또한 이온토포레시스, 일렉트로포레이션 방식을 통하여 유효 영양 물질 또는 약물을 경피 전달함에 있어서 최적의 펄스 조건(주파수 1kHz, 펄스폭 +극성일때 400ms, -극성일때 3ms) 및 EMS 방식을 통하여 피부 리프팅할 때 최적의 펄스 조건(주파수 200Hz, 펄스폭은 3000ms, 피크전압 10v)을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법을 설명하는 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3 내지 도 8은 이온토포레시스, 일렉트로포레이션 및 EMS 방식을 통하여 전기적 펄스 신호를 생성할 때의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3 내지 도 8은 이온토포레시스, 일렉트로포레이션 및 EMS 방식을 통하여 전기적 펄스 신호를 생성할 때의 실험예를 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
또한, 본 명세서에서 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법을 설명하는 플로우 차트이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제어 방법은 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법으로서, 소정의 저주파 펄스를 생성하는 펄스생성부에서 복수의 N개 펄스를 생성하는 단계, 상기 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 단계, 상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 단계, 상기 N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 피부 내부에 에너지를 전달하는 단계, 상기 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 단계 및 상기 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 단계를 포함한다.
먼저, 저주파 펄스를 생성하는 펄스생성부에서는 2 이상의 펄스를 생성한다. 이때 생성가능한 펄스의 수는 2 내지 N(자연수)까지 이며, 이때 N은 추후 설명할 인공지능 모델에 의해서 최적의 개수로 정해질 것이다. N개의 펄스를 생성한 후에는 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할한다. 분할된 시간대역은 2 내지 M(자연수)로 나눌 수 있으며, 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열할 수 있다. 즉, 다양한 파형 파라미터를 갖는 펄스 신호를 여러개로 분할된 시간 대역에 다양한 패턴으로 배열할 수 있는 것이다. 이때 배열은 순서가 있으며, 중복을 허용한다.
따라서, 상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 배열하는 방법은 중복순열(파이)에 따라 계산할 수 있다. 예를 들어, 펄스의 종류가 N=2개이며, 분할시간 대역의 수가 M=3개인 경우에, 2가지의 펄스(a,b)가 시간대별(1,2,3)로 나타날 수 있는 경우의 수는 (a,a,a), (a,a,b), (a,b,a), (a,b,b), (b,a,a), (a,a,b), (a,b,a), (a,b,b) 이렇게 2^3=8가지 경우의 수가 된다. 따라서, 펄스의 종류가 많아질수록 그리고 분할된 시간대역이 많아질수록 굉장히 다양한 펄스 배열이 나타날 수 있으며 따라서 최적화 모델을 계산하는 알고리즘의 중요성은 더욱 높아진다.
N^M개개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부는 상기 피부 내부에 에너지를 전달하는데, 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성할 수 있다. 피부 내에 침투시키고자 하는 유효 영양 물질 또는 약물이 갈은 극성(예를 들어 양이온)을 띠는 경우에 양극은 양이온성 물질을 밀어내고, 음극은 음이온성 물질을 밀어내는 갈바닉 전류의 특성을 이용하여 화장품의 유효 성분을 피부 조직 안까지 침투시키고 피부 관리의 효과를 높일 수 있다. 양극에서는 신경자극을 감소시키고 조직을 단단하게 하는 피부 수렴, 염증 감소, 진정 등의 효과도 있다.
한편, 이때에 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력할 수도 있는데, 피부 부위별 상태에 따라 그리고 피부의 부위의 위치에 따라 복합펄스 패턴의 전류를 비대칭적으로 운용하여 다양한 복합 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 특정 피부 부위에서는 이온토포레시스(침투)와 디스인크러스테이션(추출)을 동시에 진행할 수도 있게 된다.
이때 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는 이온토포레시스(Iontophoresis) 방식을 통하여 상기 복합펄스 패턴의 전류를 피부에 흘러 전위차에 의해 이온화된 유효 영양 물질 또는 약물을 전기적 반발력으로서 경피 전달하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 또는 일렉트로포레이션(Electroporation) 방식을 통하여 상기 피부 표면에 상기 복합 패턴의 전기적 펄스를 가해 상기 피부의 이중 인지질막을 교란시켜 일시적으로 홀(pore)을 만들어 유효 영양 물질 또는 약물을 침투시켜 경피 전달하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
나아가 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는, EMS(Electrical muscle stimulation) 방식을 통하여 상기 피부에 상기 복합 패턴의 전기적 펄스를 가해 상기 피부 내부의 근육을 수축시키는 전기적 자극을 통하여 피부 조직 피하의 콜라겐 분비를 유도하여 상기 피부를 수축시켜 주름을 개선하는 리프팅 단계를 포함하는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 전기적 자극을 통하여 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치는 소정의 저주파 펄스로서 복수의 N개 펄스를 생성하는 펄스생성부, N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 시간분할부, 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 펄스배열부, N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 피부 내부에 에너지를 전달하는 에너지전달부, 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 극성변환부 및 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 복합펄스 패턴 출력부를 포함한다.
아울러, 이러한 피부 케어 최적화 제어 장치는 L개의 피부 구역마다 최적의 전기적 자극을 제공하는 데이터 예측 단계를 수행할 수 있으며, 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 피부 내의 저항, PH, 전도도 및 수분에 해당하는 예측 피부 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.
또한 최적 피부 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계에서는 사용자의 피부 환경 설정 기준값 및 전기적 자극 제어 장치의 제약 조건을 기반으로 상기 피부 조직 내의 피부 환경을 최적화하면서 상기 제어 장치의 에너지 소비 및 피부의 고통을 최소화할 수 있도록 최적 피부 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.
최적화에 있어서 아래 수학식의 목적 함수를 이용해 피부 내의 환경 최적화를 계산할 수 있다.
[수학식]
J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2)
(이때, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 피부 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비, ECmin은 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 피부 환경, OEmin 는 최적 피부 환경의 최소치, OEmax는 최적 피부 환경의 최대치임.)
사용자 설정 변수(User-desired parameter)는 사용자가 환경에 가장 적합하도록 설정한 값으로서, 사용자는 피부에 가장 적합한 최소 및 최대 저항, 수분, pH 수준 또는 전도도 수준을 설정할 수 있다.
환경 매개 변수(Environmental parameters)는 피부 조직에서 수집되는 수분, ph 레벨, 전도도 및 시계열 데이터(time-series data)가 있는 저항 센서에서 수집된 데이터이다.
에너지 구동 변수(Energy Control parameters)는 제어 장치의 제어값으로서 작동 레벨 및 활성화 시간(duration)을 나타내며, 작업 수준과 작동 시간을 제어하여 전력 소비를 제어할 수 있다.
이후, 데이터 예측 단계에서는 상기 수집된 데이터를 이용해 피부 조직 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하여 데이터를 예측할 수 있다. 이후에 데이터 최적화 단계에서는 상기 예측 피부 환경 매개 변수를 이용해 피부 내의 환경을 최적화하는 최적 피부 환경 매개 변수를 계산한다.
사용되는 ANN 알고리즘은 범용 학습 알고리즘이며 분류, 패턴 인식, 회귀, 시계열 데이터 처리 및 예측과 같은 광범위한 문제를 해결하는 데 널리 사용된다. 본 발명에 따른 최적의 피부 환경을 진단하기 위해 ANN 기반 예측 모듈을 사용하여 피부의 저항, pH, 전도도 및 수분 등을 예측할 수 있다.
ANN은 환경 예측의 비선형 및 복잡한 프로세스를 정확하게 예측할 수 있는 강력한 모델링 기술이기 때문에 피부 조직의 매개 변수의 비선형 특성을 고려하여 ANN을 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 사용자가 원하는 설정 및 제어 장치의 제약 조건을 기반으로 효율적인 에너지 소비를 하면서 그리고 사용자의 피부 고통을 최소화 하면서도 피부 환경 매개 변수를 최대화하기 위하여 목적 함수를 사용한다.
전체 에너지 소비량은 제어 장치의 에너지 소비, 시간 및 작업 수준 및 작동 기간에 따라 계산할 수 있으며, 최소 작동 수준의 제어 장치를 사용하면 에너지를 적게 소비하지만 최적의 조건을 달성하기 위해 더 많은 작동 기간을 필요로 할 수 있다. 한편, 최대 작업 수준의 제어 장치는 더 많은 에너지를 소비하지만 최적의 조건을 달성하기 위해 보다 적은 작동 기간을 필요로 하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 피부 환경 제어시에는 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 예측 피부 환경 매개 변수와 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 제어 장치의 동작 수준과 시간을 제어하여 피부 조직 내의 환경을 제어할 수 있다.
퍼지 제어의 기본은 퍼지 논리로서, 기존의 제어 방법보다 인간의 사고와 자연어에 더 가까우며, 본 발명에서는 퍼지 로직 제어를 사용하여 예측 및 최적화된 데이터를 기반으로 제어 장치의 액추에이터의 작동 수준 및 작동 기간을 설정할 수 있다.
예측되고 최적화된 환경 매개 변수는 퍼지 로직 제어(FLC) 모듈의 입력 변수이고, 이와 반대로 출력 변수는 작동기의 작동 수준 및 작동 시간이다. 퍼지 로직 제어(FLC) 모듈은 퍼지화, 추론 메커니즘 및 비퍼지화(defuzzification)의 세 가지 필수 구성 요소로 구성된다.
첫째 구성 요소로서, 실제 입력 매개 변수는 언어 매개 변수로 변환되고, 둘째 구성 요소로서, 추론 엔진은 "IF-THEN"규칙을 사용하여 의사 결정 문제의 특정 조건에 대한 언어 출력을 찾으며, 셋째 구성 요소로서 비퍼지화에서 언어 변수는 숫자 매개 변수로 변환된다.
각 언어 변수는 신뢰 변수와 연결되므로 각각 고유한 신뢰값을 갖는다. 퍼지 시스템에 대한 입력 파라미터는 수분, pH, 전도도 및 저항 감지 데이터의 예측 및 최적화된 수준이며, 퍼지 로직 제어(FLC) 모듈은 예측되고 최적화된 감지값을 기반으로 제어 장치 액추에이터에 대한 가장 바람직한 작업 수준 및 작동 시간을 계산할 수 있다.
퍼지 과정에서는 시스템의 모든 입력 및 출력 매개 변수가 퍼지 언어 변수로 변환되며, 이때 입력 변수로는 1) 예상 수분, pH, 전도도 및 피부 저항(매우 낮음, 보통, 높음, 매우 높음), 입력 변수로서 2) 최적화된 수분, pH, 전도도 및 저항(최적)이 있으며, 출력 변수로는 3) 제어 장치의 액추에이터 작동 수준(최소, 중간, 최대), 또한 출력 변수로서 4) 제어 장치 액추에이터의 작동 지속 시간(꺼짐, 아주 적음, 보통, 많음, 매우 많음)이 있을 수 있다.
제어 장치의 가변 속도 액추에이터의 작동 레벨을 최소 레벨, 중간 레벨 및 최대 레벨의 세 가지 범주로 나누어질 수 있으며, 이러한 작업 수준은 MinLev, MedLev 및 MaxLev로 표시될 수 있다. 작업 수준과 속도에 따라 각각 상이하게 전력 소비가 이루어지게 된다.
예측 피부 환경 매개 변수와 상기 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 상기 전기적 자극 제어 장치를 동작시켜 상기 피부 내의 환경을 제어하는 환경 제어 단계도 수행할 수 있는데, 피부 환경 제어 단계는, 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 피부 환경 매개 변수와 상기 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 상기 제어 장치의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 피부 내의 환경을 제어한다.
도 3 내지 도 8은 이온토포레시스, 일렉트로포레이션 및 EMS 방식을 통하여 전기적 펄스 신호를 생성할 때의 실험예를 나타내는 도면이다.
이온영동법(Iontophoresis)은 전류를 이용하여 용해성 염의 이온을 치료하는 목적으로 신체의 조직내에 도입시키는 것이며 20세기 초에 리덕(Leduc)이 이온 영동법의 개념을 정의한 이래, 이온영동법의 원리는 음이온을 음극에 의하여, 양이온은 양극에 의하여 같은 전하끼리 반발하는 힘으로 약물이 조직내부에 침투하는 것을 도와주는 원리로 작동된다. 본 발명에서는 피부자극과 경피약물전달의 최적정 밀도를 1KHz와 펄스폭 양이온 400ms, 음이온 3ms에서 최적정한 이온차와 경피약물전달 효과를 가져오는 것으로 확인하였다.
도 3은 일렉트로포레이션 양이온으로서, Frequency 166Hz, pulse Wide 4000ms, Pk 5 v~ Mean 2v을 나타내며, 도 4 역시 일렉트로포레이션 양이온으로서, Frequency 1kHz, pulse Wide 800ms, Pk 5 v~ Mean 2v을 나타낸다.
도 5는 일렉트로포레이션 음이온으로서, 피부조직에 음이온차를 이용해 경피약물의 배출하는 원리이며 Freuency 1KHz, pulse Wide 3ms, Pk-2.27v을 나타내고 있다. 한편, 도 6은 Frequency 1KHz, pulse Wide 216.0 us, Pk-1.2v을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 EMS 대역폭을 이용한 피부 리프팅 단계에서 나타나는 펄스 그래프의 일 실시예로서, 피부까지 저주파가 전달되어지면서 피부를 EMS(Electric Muscle Stimulation) 방식에 따라 자극할 수 있게 되며 저주파 발생기는 200Hz의 주파수를 발생시키고, pulse Wide 3000ms, PK 10 V에서 조절되는 진폭으로 피부를 자극하게 되는데, 이러한 저주파 발생기의 출력 임계치는 본 발명에 따른 제어 장치를 안면에 부착하였을 시에 특히 피부 리프팅 효과를 나타낼 수 있으면서도 고통을 느끼지 않는 전압 주파수 대역을 의미하는 것이다.
즉, 도 7와 같이 Frequency 200Hz, pulse Wide 3000ms, Pk 10 v의 그래프 및 도 8과 같이 Frequency 800Hz, pulse Wide 600us, Pk 10 v의 그래프에서 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (10)
- 전기적 자극 제어 장치를 통하여 사용자의 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법에 있어서,
소정의 저주파 펄스를 생성하는 펄스생성부에서 복수의 N개 펄스를 생성하는 단계;
상기 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 단계;
상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 단계;
상기 N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 사용자의 피부 내부에 에너지를 전달하는 단계;
상기 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 단계; 및
상기 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 상기 피부의 부위를 복수의 L개의 구역으로 나누어 L개의 구역마다 대칭 또는 비대칭으로 이루어진 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 출력하는 단계를 포함하며,
상기 사용자의 피부 환경 설정 기준값 및 상기 전기적 자극 제어 장치의 제약 조건을 기반으로 상기 피부 조직 내의 피부 환경을 최적화하면서 상기 제어 장치의 에너지 소비 및 상기 피부의 고통을 최소화할 수 있도록 최적 피부 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계를 더 포함하고,
상기 데이터 최적화 단계는, 하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 피부 내의 환경 최적화를 계산하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
[수학식]
J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2)
(이때, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 피부 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비, ECmin은 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 피부 환경, OEmin 는 최적 피부 환경의 최소치, OEmax는 최적 피부 환경의 최대치임.)
- 제1항에 있어서
상기 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는,
이온토포레시스(Iontophoresis) 방식을 통하여 상기 복합펄스 패턴의 전류를 피부에 흘러 전위차에 의해 이온화된 유효 영양 물질 또는 약물을 전기적 반발력으로서 경피 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
- 제2항에 있어서
상기 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는,
일렉트로포레이션(Electroporation) 방식을 통하여 상기 피부 표면에 상기 복합 패턴의 전기적 펄스를 가해 상기 피부의 이중 인지질막을 교란시켜 일시적으로 홀(pore)을 만들어 유효 영양 물질 또는 약물을 침투시켜 경피 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
- 제3항에 있어서
상기 복합펄스 패턴의 전류를 L개의 구역마다 출력하는 단계는,
EMS(Electrical muscle stimulation) 방식을 통하여 상기 피부에 상기 복합 패턴의 전기적 펄스를 가해 상기 피부 내부의 근육을 수축시키는 전기적 자극을 통하여 피부 조직 피하의 콜라겐 분비를 유도하여 상기 피부를 수축시켜 주름을 개선하는 리프팅 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 대칭 또는 비대칭으로 출력하는 단계는,
상기 L개의 피부 구역마다 전기적 자극을 제공하는 데이터 예측 단계를 더 포함하며,
상기 데이터 예측 단계는 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 피부 내의 저항, PH, 전도도 및 수분에 해당하는 예측 피부 환경 매개 변수를 계산하는 것을 특징으로 하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 예측 피부 환경 매개 변수와 상기 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 상기 전기적 자극 제어 장치를 동작시켜 상기 피부 내의 환경을 제어하는 환경 제어 단계를 더 포함하며,
상기 피부 환경 제어 단계는, 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 피부 환경 매개 변수와 상기 최적 피부 환경 매개 변수를 이용해 상기 제어 장치의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 피부 내의 환경을 제어하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 이온토포레시스 또는 일렉트로포레이션 방식을 통하여 상기 유효 영양 물질 또는 약물을 경피 전달하는 단계는,
상기 펄스의 주파수가 1kHz이며, 펄스폭은 +극성일때 400ms 및 -극성일때 3ms에서 최적의 펄스 조건을 갖는 것을 특징으로 하며
상기 EMS 방식을 통하여 상기 피부를 수축시켜 주름을 개선하는 리프팅 단계는,
상기 펄스의 주파수가 200Hz이며, 펄스폭은 3000ms 및 피크전압 10v에서 최적의 펄스 조건을 갖는 것을 특징으로 하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 방법.
- 전기적 자극을 통하여 사용자의 인체 피부 조직 내부에 에너지를 전달하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치에 있어서,
소정의 저주파 펄스로서 복수의 N개 펄스를 생성하는 펄스생성부;
상기 N개의 펄스가 발생되는 x축 시간대를 복수의 M개의 시간 대역으로 분할하는 시간분할부;
상기 분할된 복수개의 M개의 시간 대역에 상기 N개의 펄스를 N^M개의 순서로 배열하는 펄스배열부;
상기 N^M개의 순서로 배열된 펄스를 방출하는 전극부를 통해 상기 사용자의 피부 내부에 에너지를 전달하는 에너지전달부;
상기 펄스를 방출하는 전극부에서 유도되는 미세전류의 +/- 극성을 상기 M개의 시간 대역마다 서로 같거나 다르게 생성하는 극성변환부; 및
상기 전기적 자극을 통해 에너지를 전달하는 피부의 부위를 L개의 구역으로 나누어 복수의 L개의 구역마다 대칭 또는 비대칭으로 이루어진 2^(N^M)개 타입의 복합펄스 패턴의 전류를 출력하는 복합펄스 패턴 출력부를 포함하며,
상기 복합펄스 패턴 출력부는 상기 사용자의 피부 환경 설정 기준값 및 상기 제어 장치의 제약 조건을 기반으로 상기 피부 조직 내의 피부 환경을 최적화하면서 상기 제어 장치의 에너지 소비 및 상기 피부의 고통을 최소화할 수 있도록 최적 피부 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계를 수행하면서 하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 피부 내의 환경 최적화를 계산하는 것을 특징으로 하는 피부 케어 최적화를 위한 제어 장치.
[수학식]
J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2)
(이때, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 피부 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비, ECmin은 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 전기적 자극 제어 장치의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 피부 환경, OEmin 는 최적 피부 환경의 최소치, OEmax는 최적 피부 환경의 최대치임.)
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- 2020-11-30 KR KR1020200163732A patent/KR102330057B1/ko active IP Right Grant
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