KR102489585B1 - 전기 자극 장치 - Google Patents

Abstract

복합 운동을 수행하는 것을 담당하는 적어도 하나의 근육 그룹을 전기 자극하는 방법으로, 상기 전기 자극 방법은:
- 적어도 하나의 각자의 전극이 제공된 전기 자극 채널을 상기 적어도 하나의 근육 그룹 중의 근육들 각각에 연관시키는 단계로, 각 전기 자극 채널은 각자의 근육에게 2극성 전기 펄스들을 차례로 전달하기에 적합한, 연관 단계;
- 상기 전기 자극 채널 모두에 대해, 자극의 반복 가능한 주기를 한정하는 동일한 사이클 시간을 결정하는 단계로, 상기 자극 주기 내에서 각 채널은 자기 자신의 자극 시퀀스를 수행하는, 결정 단계;
- 각 자극 주기를 동일한 지속 시간의 두 개의 반-주기들로 세분하는 단계;
- 각 반-주기를 동일한 지속 시간의 복수의 서브-인터벌들로 세분하는 단계를 포함한다.
상기 서브-인터벌들 중 적어도 하나는 자극 서브-인터벌로, 그 자극 서브-인터벌에서 하나 이상의 펄스 패킷들을 포함하는 펄스들의 기본 시퀀스가 수행되며, 각 펄스 패킷은 개별적인 2극성 전기 펄스들의 미리 정해진 시퀀스에 의해 주어진다.

Description

전기 자극 장치

본 발명은 복합 운동을 수행하는 것을 담당하는 적어도 하나의 근육 그룹에 대한 전기 자극 방법 및 장치에 관한 것이다.

제안된 전기 자극 방법 및 장치는 신경 운동계 (neuromuscular system)에 관련된 문제점들을 다루고, 나이든 사람의 건강을 유지하고 그리고 높은-레벨의 운동 트레이닝을 목표로 하는 전기-생리학적 트레이닝을 목표로 한다.

특히, 상기 전기 자극 방법 및 장치는 다음을 위해서 사용된다:

- 신경 운동계 질병, 척추 손상 및 뇌졸중 후를 포함하는 기능 상실로부터의 회복 과정에서 말초 및 중추 신경계 치료;

- 모든 수술 후 교정 정형 외과 변종들 치료;

- 운동 신경 및 노령에 관련된 문제점들을 위한 기능적인 교정;

- 속도 및 지구력을 위해 훈련하기 위해 특화된 높은-레벨의 스포츠 트레이닝;

- 특별한 트레이닝을 통해 신경근육 트라우마 방지;

- 워크아웃 (workout) 동안에 기능적인 모니터링.

인간 신체, 그리고 더 특별하게는 신경-근육계는 매우 복잡하며 유기적이지만, 둘 모두는 기능하며 전기 송전의 법칙에 종속한다. 사실상, 신경 충격은 이동하며 그리고 전위에서의 차이를 전달의 주요 매개물로서 사용한다.

사고의 결과로서 기계적으로 또는 뇌졸중으로 인해서 신경계, 뇌 또는 척수가 충격을 받을 때에, 손상을 받은 국부적인 조직들을 보호하기 위해 척수 쇼크 유형의 보호 메커니즘들이 자동적으로 동작하기 시작하여, 손상의 영역들을 축소하는 것에 공헌하지만, 모든 중추 조절로부터 영향을 받은 조직들을 동시에 격리시킨다.

모든 유기체가 더 적은 에너지 소비로 향하는 경향을 보이는 자연의 원칙을 따름으로써, 손상된 부분은 소위 단절되며, 그래서 사람에게서 기관 그리고 그 사고 이전에는 사람에 의해 자발적으로 보통은 조절되었던 신체의 부분들에 대한 조절을 빼앗는다.

효능이 있는 방식으로 자발적인 회복이 스스로 생기는 경우는 거의 없다; 트라우마 이후에 상황이 변하지 않으며, 최선의 경우에는 안정하게 남아 있는 상황들이 아주 많이 존재한다.

이렇게 개선이 부족한 것은 분명하게 부분적으로는 트라우마의 가혹함으로 인한 것이며 그리고 부분적으로는 현재 구현된 회복 치료들의 효과가 불충분하고 부족함으로 인한 것이다.

스포츠 트레이닝에 관하여, 최대의 결과를 달성하는 것에 초점을 둔 현대 스포츠는 점점 증가하는 높은 레벨에서의 운동 트레이닝을 위한 디맨드를 제시한다. 운동 선수들은 기술 및 힘을 향상시키는데 적어도 2시간을 바치는 것을 포함하여 집중적인 트레이닝에 하루에 적어도 6-8 시간을 바쳐야 한다. 그런 워크아웃은 운동 선수가 자신의 정신적인 그리고 육체적인 잠재력을 발휘할 것을 필요로 한다. 분명히 많지 않은 운동 선수들이 그런 디맨드를 충족시킬 수 있으며, 스스로 직업적인 스포츠에 종사하기를 원하는 사람들 대부분은 그들의 운동 트레이닝이 필요한 요구사항들에 합치하지 않기 때문에 상기 소망된 결과들을 달성하지 못한다.

대부분의 경우들에서, 스포츠 성취를 평가하기 위한 주요 파라미터들은 힘, 속도, 끈기 및 운동 움직임의 반복 신뢰성이다.

위에서 열거된 성질들은 운동 트레이닝 동안에 다양한 스포츠들을 위해 개발되었다.

그런 준비는, 각 전문 분야가 협력하는 접근 방식을 통해서, 보통은 여러 시간 반복되며, 상이한 근육 그룹들에 의해 안정되게 수행되는 연습에 보통 기초한다.

힘을 증가시키는 것을 목적으로 이런 유형의 트레이닝의 단조로움은 대개는 웨이트리프팅 장비의 사용이라는 특징을 주로 가진다. 그러나, 이런 접근 방식은 피로를 빠르게 초래하며, 회복을 느리게 하며 그리고 운동 선수의 경쟁적인 정신을 유지하기 위해 필요한 동기 부여를 줄어들게 한다.

사실상, FES (functional electrical stimulation)로 알려진 기능적인 전기 자극 도구들이 이미 알려져서 사용된다. 그러나, 그것들을 사용하는 것은 전기 자극의 실질적으로 수동적인 적용에 기반하며, 이는 말초 신경계에 목표를 두는 해동을 허용하지 않는다.

그러나, 본 출원인에 따라, 움직임을 산출하기 위해 우리의 신체들에 보통 사용되는 신호와 유사하게 신경계에 의해 인식 가능한 전기적인 자극을 제공하는 것이 필요하다.

특히, 수동적인, 즉, 움직임이 없는 전기 자극은 생리학적인 것이 아니며, 이는 그것이 근육 수축을 조절하는 감각계 (sensory system) 사이에서의 정보 미스매치를 초래하기 때문이다.

그런 수동적인 전기 자극 동안에, 근육 수용기들에 의해 제공된 정보 그리고 고유 수용 (proprioceptive) 관절 센서들에 의해 제공된 정보 사이에 부조화가 생긴다.

더욱이, 신경운동계의 동작의 파라미터들을 고려하지 않는 부적절한 전기 자극으로 인해서, 아세틸콜린의 생화학적인 잔류물들이 소모되며 그리고 종판 (end plate)의 레벨에서 근 섬유들의 활성 프로세스가 위배된다.

본 발명의 목적은 종래 기술에 따른 전기 자극 방법들의 상기 언급된 한계들을 극복할 수 있으며, 그리고 특히 움직임을 산출하기 위해 우리의 신체에 보통 사용되는 신호들과 유사하게 신경계에 의해 인식 가능한 전기적인 자극 신호들을 생성할 수 있는 전기 자극 방법 및 장치를 제안하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1에 따른 전기 자극 방법 및 청구항 12에 따른 전기 자극 장치를 이용하여 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 기술한다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본 발명에 따른 전기 자극 방법 및 장치의 특징들 및 장점들은, 동반 도면들을 참조하여 직설적이며 비-한정 예들에 의해 제공된 바람직한 실시예들에 대한 이하에서의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 전기 자극을 위해 사용된 2극성 (bipolar) 펄스의 예를 보여준다.
도 2는 펄스 패킷들의 두 예들을 보여준다.
도 3은 전기 자극 프로그램의 사이클에 대해, 사용된 16개 전기 자극 채널들의 펄스 패킷 시퀀스를 보여준다.
도 4는 16개의 전극들 쌍을 인간 신체 내 동일한 개수의 근육 그룹 상에 인가한 것을 보여준다.
도 5, 도 5a 및 도 5b는 상기 16개의 전기 자극 채널들 각각에 대해 걷기, 달리기 및 스쿼트 운동 각각에 관련된 워크아웃 프로그램의 자극 시퀀스를 나타내는 테이블들을 보여준다.
도 6은, 운동 동작의 두 국면들에서, "걷기" 워크아웃 프로그램에 결부된 근육 그룹들에 인가된 전극들의 쌍들을 보여준다
도 7은 본 발명에 따른 전기 자극 장치의 전면 모습이다.
도 8은 백플레인에 연결된 파워 보드들을 보여준다.
도 9는 사용자 인터페이스를 보여준다.
도 10은 마이크로프로세서 제어 유닛의 블록도이다.

본 발명의 원칙은, 운동 반복을 이용하여 일련의 조절 메커니즘들의 최적화를 (자율화된) 분절 (segmental) 레벨까지 도달한다고 가정하는 것이다. 이런 운동 조절계는 최대의 속도 및 정밀도를 가진 운동 과제를 처리하기 위해 최소의 에너지 비용으로 최대 효율을 가능하게 한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전기 자극 방법을 이용하여 수행된 운동 프로그램은, 프로그램된 순환 운동을 수행하는 근육들의 동기화된 전기 자극을 제공한다. 그 프로그램은 운동의 다근 운동 기록적인 (polymyographic) 설계 상에서 생성되며, 여기에서 각 근육이 정밀한 순간에 활성화된다.

특히, 본 발명에 따른 방법을 구현하는 전기 자극 프로그램을 생성하기 위한 기초로서, 특별한 운동들을 수행하는데 있어서 높은 운동 능력을 가진 건강한 운동 선수들의 생체 역학적 (biomechanical) 그리고 다근 운동 기록기 특성들이 고려되었다. 각 운동의 근운동 (myographic) 기록은 기록된 데이터에 대한 후속의 포괄적 분석 프로세싱을 구비한 현대적인 16-채널 근운동 시스템들을 이용하여 수행되었다.

그러므로, 복합 운동을 수행하기 위해 필요한 근육 그룹들의 동기화된 움직임을 위해 생성된 모든 전기 자극 프로그램들은 그 동일한 운동들의 생체 역학적인 그리고 생화학적인 모델들에 대응한다.

유리하게도, 상기 제안된 전기 자극 방법은 특정 자극 프로그램들을 통해 걷기, 달리기, 점핑, 구부리기 등과 같은 알려진 가장 중요한 주기적인 운동들을 산출하는 것을 가능하게 한다.

상기 운동들은 어떤 리듬으로도, 예를 들면, 0.2 내지 10 초의 빈도로 수행될 수 있다.

상기 제안된 방법은 프로그램된 기능을 수행하는 근육에 특정한 수축의 순간에 전기 자극이 수행되는 것을 가능하게 한다. 이 방식에서 상기 전기 자극 방법은 "생리학적 (physiological)"인 것으로, 즉, 움직임을 산출하기 위해 우리의 신체들에 보통 사용되는 신호와 유사하게 신경계에 의해 인식 가능한 것으로 간주될 수 있다.

워크아웃 동안에, 근육의 수축만이 증가하는 것이 아니며; 동시에, 관련된 감각계가 활성화된다. 이것은 매우 중요하며, 이는 전기적인 노출 그리고 운동 뉴런의 신경 프로그래밍 사이에 협조 불일치 (coordination discrepancy)의 경우에 대뇌 피질까지의 구심성 (afferent) 정보를 포함하여 상기 운동 뉴런계의 보통의 기능이 방해받을 수 있기 때문이다. 다른 말로 하면, 생성된 중간뉴런 연결들이 새로운 움직임을 학습함으로써 또한 깨질 수 있다. 이 부정적인 경우는 기본적인 생리학적 규칙들을 존중하지 않는 이미 현존하는 전기 자극기들의 전형적인 경우이다.

이런 면에서, 인간 뇌 기억에서, 움직임의 어떤 고정 관념들도 존재하지 않으며, 오히려, 계층적으로 종속 관계인 신경-근육계의 합리적인 사용을 하는 소망된 결과를 획득하기 위해 움직임들의 조절 알고리즘들이 실시간으로 적응된다는 것에 유의한다.

본 발명은 운동의 순환적인 반복이 운동 조절 메커니즘들을 분절 레벨에서 최적화하고 자율화한다는 개념을 기반으로 한다. 이것은 최대의 속도 및 정밀도를 가진 운동 과제를 해결하기 위해 최대 효율 및 최소의 에너지 소비를 가능하게 한다.

신체 내 각 근육 그룹이 자극되며 그리고 수축을 담당하는 운동 뉴런들은 척수에서 발견된다. 왼쪽이 그런 것처럼, 신체의 오른쪽 반은 대응하는 운동 뉴런들에 의해 자극된다; 감각계는 관련된 근육 그룹들의 작동을 자극하며, 피질 레벨에서 뇌에 의해 그리고 근육 수축을 담당하는 분절 및 실행 레벨에서 척수에 의해 수행된 분석에 관련한 종속 관계 (계층)에 따라 실시간으로 정보를 전달한다

다른 말로 하면, 상기 제안된 전기 자극 방법은 그 전기 자극이 운동을 생성하는 동안이 아니라 운동 그 자체 동안에 수행된다는 것을 제공한다

이런 유형의 전기 자극을 순환하여 반복된 물리적인 움직임들 및 운동들의 완전한 범위와 결합함으로써, 기능 회복을 촉진하기 위한 적절한 자극을 신경계에게 제공하기 위한 정확한 혼합을 획득한다.

특히 운동 선수의 수행을 향상시키기 위해 그 운동 선수의 근육들을 자극하는 경우에, 정해진 프로그램의 운동 동안에 운동 선수가 본 발명의 모습에 따른 전기 자극 프로그램의 전기 자극의 리듬에서의 근육 활동 또는 그 운동 선수 자신의 리듬에 부합할 수 없거나 계속해서 부합할 수 없다는 것을 고려하면, 자극 운동을 중단하지 않으면서도 전기 자극 리듬을 자동적으로 수정하여, 자극 치료를 겪는 환자의 전기 자극 리듬에 따르도록 하는 가능성이 제공된다.

이 목적을 위해, 전기 자극 사이클을 자동적으로 조절하여 실제의 근육 수축 모드들에 동기화하는 감각적 추적 시스템이 제공된다.

기능적인 전기 자극의 그런 적응적인 모드를 사용하는 것은 신경운동계의 연장된 트레이닝 동안만이 아니라 회복에 있어서도 특히 유리하며, 이는 공명 커플링 (resonance coupling)이 중간 뉴런들 및 운동 뉴런들 사이에서의 시냅스 연결들을 재생성하는 것을 도우며, 상실된 기능들을 복구하기 위한 상태들을 생성한다.

알려진 지식 상태에 따라, 운동의 다섯 개의 구축 레벨들이 인간들에서 식별될 수 있다:

A - 자세 (tone and posture) 레벨;

B - 시너지 레벨 (협응된 근육 수축);

C - 감각 (sensory) 레벨;

D - 정신적인 로직 레벨 (시맨틱 회로);

E - 피질 레벨의 심볼 협조 (쓰기, 언어 등).

그런 레벨들, 그리고 그것들의 감각적 교정, 즉, 시각, 듣기, 터치 및 고유 수용 감각으로부터 오는 감각을 통해 공간 내에서 자신의 방향을 아는 능력은 "기본 (basic)"로 불린다.

운동 조절 및 그것의 본질적인 조정의 더 높은 레벨은 "상위 레벨"로 불린다. 조정의 상위 레벨은 움직임을 계획된 움직임과 비교함으로써 그 운동의 결과를 평가하고 그리고 이전의 운동들의 논리적인 모델들에 기초하여 일부 수정을 하여, 상기 움직임의 감각적 조절의 해부학적으로 조직된 계가 발견되는 가용성에서의 분절 레벨까지의 하위 레벨의 실제 능력을 또한 제공한다.

각 레벨은 프리셋 기능들에 대한 필요한 교정을 위한 도구들의 특정 세트를 구비한다.

더 정확하게는, 상기 언급된 레벨들 각각은 의도된 목표를 실현하기 위한 그리고 유기체의 생존을 또한 자율화하기 위한 특정 기능을 수행하는 자기 자신의 해부학적으로 조직된 구조를 가진다.

조정의 각 레벨은 자율적으로 조직된 구조에 대응하며, 이는 넓은 범위의 프로그램된 기능들이 수행되고 그리고 또한, 필요하면, 결합된 신경 구조로의 액세스를 보장하는 것을 가능하게 한다.

이런 레벨들 각각은 또한 그 자신의 감각운동 교정 도구들을 통해서 중추 신경계에서의 특정 해부학적 형성에 기여한다.

감각운동 자체-교정에 특정된 기구들은 상기 레벨들 A, B, C 모두를 자율적으로 제시하며, 그리고 시냅스 활성화 메커니즘 및 상호적 요법 (reciprocal regimen)에서 특화된 운동 뉴런들의 금지 덕분에 그리고 중간 뉴런 레벨에서의 바이오-피드백의 원칙에 따라 자신들의 기능들을 수행한다

정해진 레벨에서 수행된 교정에 관한 정보는 상위 레벨들에 속한 섹션들을 통해 도착하며, 그 상위 레벨들에서 그 정보는 처리되어 새로운 운동 커맨드의 모습으로 하위 레벨을 향하여 다시 방향이 정해진다.

인간의 운동 활동의 다양함은 관리 시스템에 의해 보장되며, 이 관리 시스템은 특화된 해부학적인 개체들을 상기 감각계와 연결시킨다.

인간 신체의 운동 조정계 (motor regulating system)는 진화적인 적응의 프로세스에서, 다중 레벨 계층적 조절의 원칙에 따라 인간의 중추 신경계의 구성에서 근본적으로, 루프 (loop)로서 생성되었으며, 여기에서 각 레벨은 자신의 기능적인 태스크에 의해 결정되며, 국부적인 레벨 상에서 그리고 상위 레벨 상에서 활성인 진행을 모니터한다.

상기 제안된 전기 자극 방법은 인간 운동기 (locomotor) 시스템의 해부학-생리학적 법칙들의 기능에 따라 그 인간 운동기 시스템의 기능적인 전기 자극을 제공하도록 설계된다.

상기 제안된 전기 자극 장치는 파워, 지속 시간, 빈도, 극성 및 프로그램된 반복에서 조정 가능한 전기 펄스들을 사용하는 것을 가능하게 하며, 이는 움직임 동안에 또는 운동에 있어서 그리고 움직임 없는 둘 모두에서의 등척성 (isometric) 또는 등장성 (isotonic) 모드에서 신경-운동계에 작용하기 위한 것이다.

상기 제안된 전기 자극 장치에는 인간의 신경운동계의 올바른 기능을 위해 생리학적으로 적합한 전기 펄스들의 파라미터들의 폭넓은 세트가 장착되며, 각 프로그램에 대해서 그리고 각 환자에 대해 자극 파라미터들을 저장하는 가능성을 구비한다.

이것은 다양한 트레이닝 세션들에 관련된 데이터를 축적하기 위한 그리고 각 병상 및 각 특화된 트레이닝을 위한 특정 데이터베이스를 생성하기 위한 가능성을 끌어내며, 상기 워크아웃 방법이 미래의 세션들을 위해 표준화되는 것을 가능하게 한다.

이 운동 도면들을 이용하여, 예를 들면, 16개의 독립적인 채널들 상의 기능적인 전기 자극 프로그램들의 소프트웨어 라이브러리를 생성하는 것이 가능하며, 이는 상이한 경우들의 회복 통계를 또한 반영한다.

프로그램들의 상기 라이브러리는 메인 근육 그룹의 통일적인 기능적 전기 자극을 가능하게 하며, 이는 사용된 전기 자극 채널들 상의 자극 작업의 해부학적-생리학적 법칙들을 고려한다.

상기 전기 자극 프로그램들은, 피트니스 및 웨이트리프팅 머신들에 적용 가능한 운동들을 포함하는 넓은 범위의 순환적 운동들을 기반으로 한다; 그 프로그램들은 상위-레벨 운동 선수, 건강한 아이들, 청년들 및 노인에 대해 수행된 다근 운동 기록적인 (polymyographical), 각도 측정의 (goniometric) 그리고 동력 측정 (dynamometric) 시험들에 기초하여 개발된다.

이 프로그램들은, 운동 기능들을 복구하고 그리고 운동 선수에게 속도, 힘 및 파워의 면에서의 전문화를 제공하고, 그리고 사람들에게 전문 트레이닝 (우주 비행사, 특수 부대 등)을 겪도록 또한 코치하는 것은 물론이며, 모든 경우들에서 신경계의 넓은 범위의 질병들의 회복을 시도하는 것을 허용하는 프로토콜들이나 모델들의 규칙들을 형성한다.

상기 다양한 프로그램들은 특정 병리학 및 현존하는 의학적 금기들에 관하여 선택된다.

모든 프로그램들은 하지 (lower limb) 및 상지 (upper limb)의 관절 운동의 생리학적 모델들의 자극을 고려하여 준비된다.

특히, 상기 제안된 전기 자극 방법은 운동의 생리학적 모델들에 따라 상단 및 하단 말단들에 대한 충격을 생성하며 그리고 병리학적 시너지 (뇌졸증)의 신경학적인 회복에 있어서 또한 극도로 중요하다.

본 발명의 일반적인 실시예에 따라 복합 운동을 수행하는 것을 담당하는 적어도 하나의 근육 그룹의 전기 자극 방법은 이하에서 설명될 것이다.

상기 방법은 각 근육 그룹 중의 각 근육을 자극하는 것을 제공하며, 이하에서 더 설명될 전기 자극 장치의 각자의 전기 자극 채널을 그런 근육에 연관시킨다.

각 전기 자극 채널은 각자의 근육에게로 전극, 바람직하게는 전극들의 쌍에 의해 2극성 (그리고, 어떤 프로그램들에서는, 단일극) 전기 펄스를 순서대로 전달하기에 적합하다.

한 실시예에서, 각 채널은, 예를 들면, 전도성 고무로 만들어진 두 전극들에 케이블에 의해 연결된다. 접착성 전도성 젤이 각 전극의 표면에 인가되어, 피부와의 신뢰성있는 접촉을 제공한다. 전극들의 각 쌍은 근육 그룹에 걸쳐 배치되어, 개별 채널의 자극이 작용하도록 만든다.

특별한 경우들을 제외하면 각 채널은 동일한 근육 그룹에서 항상 사용된다. 또한, 신체의 각 반 (half) 위에 대칭적으로 배치된 채널들은 자신의 기능적인 길항근을 액티브로 하며, 이는 순환 운동에 관하여 반대편인 국면에서 상기 근육의 수축을 초래한다.

예를 들면, 16개 채널들의 경우에, 8개는 굴근 (flexor muscle) 그룹들 전용이며 그리고 나머지 8개 채널들은 신근 (extensor muscle) 그룹들 전용이다. 결과적으로, 순환적인 운동 동안에, 8개 이하의 채널들이 기능 그룹마다 번갈아 동시에 작동하며, 상기 프로그램에 의해 특정된 운동의 완전한 사이클을 수행한다.

사람의 운동을 가능하게 하는 주 근육 그룹들의 근운동 (myographic) 레퍼런스에 운동 프로그램들 (또는 운동들)이 링크된다. 동일한 사항이 특화된 스포츠 운동들에도 또한 적용된다.

특히, 근육 그룹의 전기 자극은 근운동 디바이스들을 통해 식별된 운동 도면들로부터 획득된다.

이런 접근 방식은 운동을 수행할 때에 근육들의 근운동 규칙성을 보장하며, 동일한 규칙성이 상기 운동 프로그램들의 기초를 형성한다.

획득된 상기 운동 프로그램들은 신경운동계의 기능적인 전기 자극 장치의 메모리 내 전기 자극 프로그램들의 카탈로그 내에 수집된다.

다양한 채널들의 특정 프로그램에 따라 작동하며, 그리고 각 채널에 대한 자극의 시작의 순간은 전극 하의 근육이 수축하도록 한다.

건강한 사람에서, 측정된 리듬으로 선택된 프로그램에 따른 운동을 수행하는 것은 (그것에 의해, 유효 근육 수축은 전기적인 파워 자극의 지속 시간에 대응함) 다양한 운동 단위 (motor unit)의 활성화를 위해 모집된 운동 뉴런들의 개수를 증가시키며 그리고 결과적으로 상기 운동 뉴런들의 활성화된 백분율을 또한 증가시키는 것으로 이끈다.

모든 상호적인 순환식 운동들은 신체의 각 반의 근육들을 자기 자신에 특유하게 또한 포함한다. 이는 운동들 수행에 또한 종속하여, 그러므로, 다양한 운동들을 재구축하며, 근육 그룹들의 수축 모델의 특성들은 사람의 운동에 결부된 주 근육 그룹들의 다근 운동 기록적 파라미터들을 이용하여 선택된다.

도 1에서 예시된 실시예에서, 각 2극성 전기 펄스 (10)는 대칭적이며 구형이다. 그러므로, 각 2극성 펄스 (10)는 하나는 양의 진폭 그리고 다른 하나는 음의 진폭인 동일한 지속 시간을 가진 두 개의 반-주기들 (10')로 분할된 펄스 주기 ΔTimp를 가지는 구형 (square) 파형으로 구성된다.

또한, 정해진 근육에 대해 수행될 치료의 유형에 따라, 상기 제1의 반-주기는 양일 수 있으며 그리고 제2의 반-주기는 음일 수 있으며, 또는 그 반대가 성립한다.

그러므로, 본 발명에 따른 전기 자극 장치는 상기 전기 신호의 형상이 선택되도록 허용하며, 상행성 신경들 (구심성, 감각기) 상의 행동을 선택적으로 강조하며, 그래서 어떤 운동 기능장애의 치료를 위해서는 물론이며 특화된 스포츠 트레이닝을 위한 추가의 기회들을 제공한다.

더 상세하게는, 구심성 전기 자극의 선택을 하는 프로그램이 소망될 때에, 2극성 전기 펄스들이 생성되며, 여기에서 제1 반-주기는 음의 진폭을 가진다. 이 방식에서, 자극 파형들의 전파 (propagation)는 뇌로 향한다.

원심성 전기 자극의 선택을 하는 프로그램이 선택될 때에, 2극성 전기 펄스들이 생성되며, 여기에서 제1 반-주기는 양의 진폭을 가진다. 이 방식에서, 제1 자극에 의해 생성된 자극 파형은 근육들로의 하강 (원심성) 방향으로 방향이 정해질 수 있다.

모든 전기 자극 채널 "C"에 대해, 동일한 사이클 시간 ΔTseq이 확립되며 (도 3), 이는 반복 가능한 자극 주기 "P"를 한정한다. 각 자극 주기 P 내에서, 각 채널 C는 자기 자신의 자극 시퀀스를 수행한다. 그러므로, 전기 자극 치료는 미리-확립된 워크아웃 시간에 대한 N 개의 자극 주기들의, 그러므로 N개의 동일한 지극 시퀀스들의 반복에 의해 주어진다.

각 자극 주기 P는 동일한 지속 시간의 두 개의 반-주기들 T1, T2로 분할된다.

더욱이, 각 반-주기는 동일한 지속 시간인 복수의 서브-인터벌들 "SI"로 분할된다.

적어도 하나의 그런 서브-인터벌 SI은 자극 서브-인터벌이며, 여기에서 하나 이상의 펄스 패킷들 (12)을 포함한 펄스들의 베이스 시퀀스가 수행된다.

차례로, 각 펄스 패킷 (12)은 개별 2극성 전기 펄스들 (10)의 미리 정해진 시퀀스에 의해 주어진다.

예를 들면, 도 2는 두 개의 펄스 패킷들 (12, 12')을 보여준다: 위에서, 펄스 패킷 (12)은 4개의 2극성 펄스들 (10)이 모인 것이며; 밑에서, 펄스 패킷들 (12')은 16개의 2극성 펄스들 (10)이 모인 것이다.

그러므로, 근육 그룹 상에서 수행될 치료의 유형에 종속하여 그리고/또는 근육 그룹의 유형에 종속하여, 다음이 정의된다:

- 각 서브-인터벌의 지속 시간;

- 각 펄스 패킷 내 펄스들의 개수;

- 펄스 패킷들의 주파수 Fpacc, 즉, 하나의 펄스 패킷 및 다음의 펄스 패킷 사이에 경과해야 하는 시간;

- 각 펄스의 진폭 및 지속 시간.

서로 동일하며 모든 채널들에 대해 동일한 지속시간 ΔTn의 복수의 서브-인터벌들 SI로 자극 주기 ΔTseq를 세분 (subdivide)하는 것은 상기 채널들 모두가 동기화되는 것을 가능하게 한다.

또한, 위에서 설명되었듯이, 각 채널의 지속시간 ΔTseq의 각 자극 주기 P는, 기본 펄스 시퀀스가 없는 반-주기 Toff 그리고 적어도 하나의 자극 서브-인터벌을 구비한 다른 반-주기 Ton을 가진다.

각 반-주기 내에 동일한 양의 전하를 구비한 상기 2극성 펄스 형상은 케이블들 및 전극들의 갈바니 붕괴 (galvanic destruction)를 회피하기 위해 사용된다는 것에 유의해야 한다. 또한, 이 방식에서 이온들은 사람의 세포 조직들로 재분배되지 않는다. 단일극 형상의 경우에, 산 및 알칼리 축적은 분극된 전극들 하에서 발생할 수 있을 것이다.

그래서, 각 자극 주기 내에서 자극 시퀀스는 하나의 베이스 펄스 시퀀스에 의해 또는 여러 베이스 펄스 시퀀스들의 하나의 반복에 의해 주어지며, 여기에서 각 베이스 시퀀스는 하나의 펄스 패킷에 의해 또는 여러 펄스 패킷들의 하나의 반복에 의해 주어진다.

일 실시예에서, 펄스 패킷들의 개수 그리고 각 자극 서브-인터벌 내 각 펄스 패킷의 펄스들의 개수는 모든 채널들에 대해 동일하다.

16개 채널 (Channel)들에 대한 도 3에서 보이는 일 실시예에서, 하나의 채널의 자극 주기의 자극 서브-인터벌들의 개수 및/또는 시간 분포는 적어도 하나의 다른 채널의 자극 서브-인터벌들의 개수 및/또는 시간적인 분포와는 상이하다.

위에서 예상되었듯이, 획득된 순환적 운동은 프로그램된 시퀀스로 작동하는 많은 개수의 근육들을 결부하여 수행된다. 주 근육 그룹들이 선택되며 그리고 인간 운동의 모든 기본적인 유형들에 대한 순환적인 워크아웃의 모드들의 임상적인 근전도 검사 (electromyography)가 식별될 수 있다.

이런 운동 도면들을 이용하여, 기능적인 전기 자극 프로그램들의 소프트웨어 라이브러리가 16개의 독립적인 채널들 상에서 생성되었다.

상기 운동에 결부된 각 근육 그룹은 자신의 기능, 운동 주기 및 유형에 종속하여, 사이클 시간 동안에 적절한 순간에 자극받는다.

각 근육에 대한 전기 자극의 지속 시간은 활동의 근운동 (myographic) 근육 주기에 대응하며 그리고 운동의 유형 및 자극이 수행되는 리듬에 종속한다.

각 프로그램에 대해 각 근육 그룹의 참여의 정도는 상이할 수 있을 것이기 때문에, 일 실시예에서 각 채널에서의 전기 자극의 지속 시간은 엄격하게 개별적이다. 전기 신호의 진폭은 근육 수축이 고통 없이 수신될 때까지 그것이 세팅될 때에 각 채널에 대해 개별적으로 선택된다.

근육적인 활동이 전혀 없는 경우들을 포함하는 병리학에서, 기능적인 전기 자극의 특정 프로그램들이 사용되며, 그 경우의 특성들에 적합하다. 그러나, 레퍼런스의 기본적인 모델은 생리학적인 모델을 항상 남겨둔다.

이 방법론적인 솔루션은, 병리학 시스템을 올바른 생리학적 방향으로 반대로 가져가기 위해서 역학을 활성화시키고 구축하는 것을 허용한다.

바람직하게는, 자극 주기가 하나보다 많은 서브-인터벌을 가지면, 상기 자극 인터벌들은 연속적이다.

일 실시예에서, 한 채널의 펄스들의 진폭은 적어도 하나의 다른 채널의 펄스들의 진폭과 상이하다.

사실상, 신체의 다양한 부분들은 상이한 레벨의 민감도 및 잘-분포된 상이한 분량의 감각적 신경 말단들 (센서들)을 가진다.

각 센서는 엄격하게 자기 자신의 특정 목적들을 가진다: 상기 프로세스들에 대한 모든 수정들을 신경 중추에게 통지한다. 감각계의 대부분은 분절 (segment)의 척수 레벨에 관한 정보를 전달하는 척수 신경절의 감각 뉴런들 내에 배치되며, 그 분절에서 정보는 운동계를 포함하는 적절한 중추들에로 통과된다. 척수의 구심성 경로들을 경유한 이 척수 레벨의 통합된 최적화 및 교정의 결과들은 운동 중추 및 뇌로 전달된다.

적당한 신경근 (neuromuscular) 기능들을 보장하기 위해서, 상기 신호의 진폭은 자극받은 근육 민감도에 관련하여 변한다는 것을 고려해야 한다. 특히, 신체의 상단 반의 근육 조직 상에서, 활성화를 위한 신호의 진폭은 하지들을 위해 필요한 신호의 진폭보다 더 작다.

이 이유를 위해, 다양한 자극 강도 모드들을 설정할 때에, 환자에 대한 고통 없이 근육 수축을 보장하기 위해 각 채널 내 신호 진폭이 제공된다.

병리학이 신경 운동계의 민감도를 손상시킬 때에, (예를 들면, 반신 불수의 경우에) 그런 민감도는 신체의 왼쪽 반 및 오른쪽 반 사이에서 크게 변할 수 있다.

일 실시예에서, 어떤 채널의 자극 시퀀스의 제1 펄스 또는 마지막 펄스의 진폭은 나머지 펄스들의 진폭보다 아주 더 크다. 이 방식에서, 이 채널에 의해 지극된 근육은 후속의 자극을 위해 준비된다.

일 실시예에서, 감각 중추 자극은, 예를 들면, 광 및/또는 청각적 신호의 모습인 근육들의 전기 자극과 연관된다

위에서 진술되었듯이, 전기 자극은 특정된 리듬으로 수행된 알려진 순환식 운동을 동반하는 프리셋 프로그램에 따라 발생한다. 운동은 특정 근육 그룹들의 수축으로 항상 시작한다; 처음으로 움직임을 시작해야 하는 그룹은 "리더 (leader)" 채널로 불리는 채널에 의해 자극된다.

각 기능적인 전기 자극 프로그램에서, 전기 자극 장치의 메모리 내에 저장된 리더 채널은 그 결과로서 할당되며, 이는 근육들의 주 그룹으로 전기 자극을 처음으로 송신한다. 이 근육의 수축을 이용하여, 상기 그룹의 운동이 시작한다.

일 실시예에서, 상기 리더 채널은 상기 근육 그룹의 사이클의 시작과 함께 동시에 작동하는 사운드 및/또는 시각적 신호에 연결된다.

환자는 그 청각적 및/또는 시각적 신호와 동시에 상기 프로그램 상에서 움직이는 것을 시작한다. 사실상, 운동하는 주체의 뇌는 상기 리더 채널의 청각적 및/또는 시각적 신호와 인터페이스하여, 상기 프로그램에 따라 주 근육 그룹의 운동을 수행하며, 그래서 각 순환 사이클의 동기화를 보장한다.

그런 설비는, 대뇌 피질의 운동 조절 중추들의 활성화와 함께, 상기 전기 자극 프로그램에 따라 운동 동작의 협응된 실행을 허용하며, 운동 조절의 중앙 집중화된 최적화 그리고 뉴런 중재의 필수적인 생화학적인 프로세스들의 활성화를 제공한다.

이것은 신경 섬유들을 따른 자극 (excitation) 속도에서의 증가, 분절 레벨에서 중간 뉴런계의 조직화, 전체 중추 신경계를 수반하는 상기 프로그램에 따라 운동 동작의 반복을 구비한 효과들의 자율화 및 합산으로 인한 이 모든 접속들의 자율 신경 유지보수로 표현된다.

일 실시예에서, 청각적 및/또는 시각적 신호 방사가 연관된 상기 리더 채널은 복합 운동의 실행에 있어서 더욱 중요하게 고려된 또는 더 많은 자극을 필요로 하는 근육 그룹의 전기 자극 채널이며 그리고 전기 자극의 각 채널을 개시하는 채널과 반드시 일치할 필요는 없다.

그러므로, 바람직한 실시예에서, 운동의 유형에 관한 각 프로그램에 대해 리더 채널이 식별되며, 이는 운동 사이클 동안에 처음 활성화된 근육 그룹에 대한 (또는, 위에서 언급되었듯이, 가장 중요한 근육 그룹에 대한) 자극을 나타낸다. 리더 채널 활성화에 이어서, 전체 운동 사이클을 완료하기 위해서, 운동 동작을 수행하기 위해 채택된 나머지 근육 채널들/그룹들이 활성화된다. 다음의 사이클은 동일한 채널 활성화 시퀀스로 다시 시작한다.

전기 자극 채널들 각각에 대해 특정의 그리고 미리 정해진 근육 그룹이 할당된다. 예를 들면, 운동 프로그램 A가 오른쪽 대퇴 이두근의 활성화와 함께 시작하면, 그런 근육 그룹에 링크된 채널 번호 1이 리더 채널이 된다. 운동의 프로그램들/사이클들이 변하기 때문에, 상기 리더 채널의 개수는 그에 따라서 변할 것이다. 각 프로그램의 다양한 근육 그룹들을 각자의 전기 자극 채널들과 결합하는 이 설비는 상기 전기 자극 장치의 관리 소프트웨어의 수학적인 알고리즘들을 특히 조직하고 단순화하는 것을 허용한다. 이것은, 운동 리듬이 변할 때에 워크아웃 사이클에서 채택된 근육 그룹들의 전기 자극의 자동화된 동기화를 위해서 특별하게 중요하다.

바람직한 실시예에 따라, 운동 동안에 전기 자극을 실제의 근육 활동과 동기화하는 것을 보장하기 위해서, 센서-기반의 모니터링 시스템이 제공되어, 환자 또는 운동 선수에 의해 실행된 운동 사이클의 유효 지속 시간을 탐지한다.

예를 들면, 수족 또는 수족의 일부의 위치 변화를 표시하는 "ON-OFF" 신호를 제공하는 센서들이 사용된다. 그러면 그런 센서들은 위치 변화를 독출하기에 적합한 포인트들에, 예를 들면, 뒤꿈치 아래에, 팔꿈치 위에, 무릎 위에 배치된다.

예를 들면, 뒤꿈치 아래에 배치된 센서의 경우에, 사이클 타임 지속시간은 시작되어, 그 뒤꿈치가 처음으로 바닥을 터치하고 다음 번에 터치하여 사이클의 끝을 표시할 때까지가 기록된다.

일부 실시예들에서, 이중의 측정이 수행되어, 사이클 시간의 평균 값을 제공한다.

구부러진 각도의 변이를 측정하는, 팔꿈치 상에 배치된 척골 센서 또는 무릎 위에 배치된 센서는 반복하여 변경된다.

수동으로 세팅된 상기 전기 자극 프로그램의 미리-정해진 사이클 시간 그리고 하나 이상의 센서들에 의해 만들어진 상기 측정들에 의해 제공된 실제의 사이클 시간 사이에 부합되지 않는 경우에, 상기 전기 자극 방법은 모든 채널들 상에서 사이클 시간을 상기 측정된 사이클 시간으로 적응시키기 위해서, 그 모든 채널들 상에서의 상기 사이클 시간에 대한 조절을 제공한다.

예를 들면, 측정된 사이클 시간의 함수로서, 위에서 정의된 각 서브-인터벌 Si의 지속 시간이 재계산되어 리셋된다.

도 4 내지 도 6을 참조하여, 상기 전기 자극 프로그램의 예들이 이제 설명될 것이다.

도 4는 16개 채널들을 배치한 것을 보여주며, 그 채널들 각각은 환자의 신체 위에 전극들의 쌍 (30)을 포함한다. 위에서 설명되었듯이, 근육 그룹, 예를 들면, 굴근 그룹을 자극하는 각 채널은 기능적인 길항 근육 그룹, 예를 들면, 신근 그룹을 자극하는 대칭 채널에 대응하며, 이는 순환식 운동에 관하여 반대인 국면에서 상기 근육의 수축을 초래한다.

도 5에 예시된 기능적인 전기 자극의 워크아웃 프로그램은 걷기 운동에 관련된다.

기능적인 전기 자극 사이클의 완전한 주기는 걷기, 달리기 및 스쿼트 운동의 경우에 도 5, 도 5a 및 도 5b의 그래프들 상에 각각 제시된다. 도면들의 왼쪽 측면 위에 16개의 각자의 채널들에 의해 자극되는 16개 근육 그룹들이 표시된다. 두 개의 가운데 컬럼들은 완전한 운동 사이클 동안에 각 채널에 대해서 동작하는 도면을 보여준다. 오른쪽의 마지막 컬럼은 새로운 사이클의 처음 10개의 서브-인터벌들을 나타낸다.

한 사이클의 완전한 주기는 32개의 페이즈들로 분할된다. 상기 사이클의 페이즈들 각각은 상기 주기의 1/32이다.

상기 주기는 0.2초부터 10초까지 변할 수 있다. 각 반복 사이클은 동일한 그룹의 근육들에서 항상 시작한다. 전체 운동 사이클은 두 개의 부분들로 분할된다.

예를 들면, 걷는 경우에 (도 5), 청각적 또는 시각적 신호가 연관되는 리더 채널은 오른쪽 다리의 운동이 시작하는 것을 결정하는 채널이다. 연이어서, 왼쪽 다리의 운동에 의해 결정된 상기 사이클의 두 번째 반은 그것이 페이즈 (32)에 도달할 때까지 시작한다.

더 상세하게는, 각 운동 사이클은 간략함을 위해 특정 개수의 서브-인터벌들로 분할된다 (예를 들면, 32개). 각 프로그램에 대해, 상기 16개 전기 채널들 중 하나의 채널을 위에서 언급된 청각적 신호와 쌍을 이루는 것이 가능하다.

팔들은 적절한 상호적인 운동으로, 걷기의 역학을 따른다.

도 7 내지 도 10을 참조하여, 위에서 설명된 전기 자극 방법을 수행할 수 있는 장치 (50)가 이제 설명될 것이다.

상기 장치는 프레임 (100)을 포함하며, 이 프레임은 여덟 개의 2-채널 파워 보드들 (102), 파워 보드들 (102)을 연결하기 위한 백플레인 (104), 전자 프로세싱 유닛 (106) 및 사용자 인터페이스 (108)를 지지한다.

예를 들면, 상기 장치 (50)는 전기-의료 섹터 (IT & Medical Safety Approvals (Class I & II))에 의해 공인된 유니버셜 파워 서플라이 (85 - 264 Vac 입력)에 의해 전력을 공급받는다.

일 실시예에서, 각 채널의 전류는 제어되며 그리고 1 kOhm의 공칭 부하로 150 mA의 최대 전류를 인도할 수 있다 (그래서 각 채널에 대해 최대 전압은 150V이다).

일 실시예에서, 도 9에서 보이는 사용자 인터페이스 (108)는 8-색상 TFT 디스플레이 (110), 복수의 시그날링 LED들 (112) 및 복수의 버튼들 (114)을 포함하며, 이것들의 기능들은 이하에서 설명될 것이다.

상기 사용자 인터페이스의 관리는 전적으로 상기 전자 프로세싱 유닛 (16)이 담당한다.

상기 사용자 인터페이스 (108)는 사용자가 제1 프로그래밍 페이즈 그리고 제2 실행 페이즈를 수행하는 것을 허용한다. 상기 제1 프로그래밍 페이즈 동안에, 어느 프로그램들이 실행될 시퀀스 (제2 페이즈)의 일부일 것인가를 선택하고 그리고, 각 프로그램에 대해, 관련된 파라미터들을 선택하는 것이 가능하다. 상기 제2 페이즈 (실행 페이즈) 동안에, 상기 제1 페이즈 동안에 선택된 프로그램들은 하나씩 실행된다.

상기 버튼들은 다음의 기능들을 수행한다:

- START/STOP 버튼: 현재 프로그램 시퀀스가 시작되거나 중단되는 것을 허용한다;

- ENTER 버튼: 이 버튼은 다양한 기능들을 수행한다:

o 상기 프로그래밍 페이즈 동안에 2초 미만 누르면 상기 시퀀스 내 현재 프로그램이 저장되도록 강제한다 (그것을 실행을 위해 선택함);

o 프로그래밍 페이즈 동안에 그것을 2초 넘게 누르면 (양 또는 음의) 펄스들의 초기 방향, 즉, 구심성 또는 원심성 방향이 모든 채널들을 위해 선택되는 것을 허용한다;

o 프로그램이 동작하고 있는 동안에 그것을 누르는 것은 다음 프로그램으로의 즉각적인 통과를 강제한다 (현재 프로그램이 마지막이라면 그 시퀀스를 종료시킨다).

- PROGRAM +/- 버튼들: 라이브러리 내 프로그램들로부터 어떤 프로그램이 선택되는 것을 허용한다. 이 버튼들은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- CYCLE TIME +/- 버튼들: 사이클 시간이 200 ms 및 10 s 사이에서 200 ms 시간 스텝으로 변경되는 것을 허용한다. 이 버튼들은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- WORK TIME +/- 버튼들: 워크아웃 시간 (상기 프로그램의 지속 시간)이 변경되는 것을 허용한다. 시간 스텝은 1 분이다. 이 버튼들은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- CH.LEADER +/- 버튼들: 리더 채널이 선택되도록 허용한다. 이 버튼들은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- SOUND 버튼: 상기 리더 채널에 관한 사운드가 인에이블/디스에이블 될 것을 허용한다;

- SENSOR 버튼: 외부 센서가 사용될 것을 허용한다;

- INTENSITY +/- 버튼들: 상기 펄스들의 강도 (진폭)이 변경될 것을 허용한다. 이 버튼들은 실행 페이즈 동안에만 활성이다;

- PULSE TIME 버튼: 기본 펄스 지속 시간이 선택될 것을 허용한다. 이 버튼은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- FREQUENCY 버튼: 상기 펄스 패킷들의 반복 주파수가 선택될 것을 허용한다. 이 버튼은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- MONO 버튼: 리더 채널만에 대해, 단일극 또는 2극성 펄스들이 사용될 것을 허용한다. 이 버튼은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다;

- +/- 버튼: 리더 채널에 대해 단일극 펄스들의 경우에, 상기 펄스들이 양인가 또는 음인가의 여부를 규정하는 것을 허용한다. 이 버튼은 프로그래밍 페이즈 동안에만 활성이다.

적어도 하나의 외부 센서 (123)를 사용하는 것에 관하여 말하자면, 위에서 언급된 것처럼, 모든 순환식 운동들은 미리 정해진 빈도로 반복된다. 사이클 시간은 초 단위로 측정된다. 자연히, 사이클이 더 짧을수록 운동은 더 빠르며 그 반대도 마찬가지이다.

운동의 사이클 시간을 측정하기 위해, 운동과 연관된 센서를 사용하는 것이 편리할 수 있다. 예를 들면, 뒤꿈치 센서는 환자의 신발의 밑창 내에 배치되어 사용될 수 있다. 그런 센서는 어떤 걸음의 실행을 탐지한다.

다른 실시예에서, 각도 측정 센서가 사용될 수 있으며, 이는 관절에서의 최고 각도에서의 변화를 측정하며, 또는 위치 센서가 사용될 수 있다.

리듬에서의 변화 (피곤하여 느려지거나 가속)의 경우에, 즉, 환자의 움직임 리듬이 미리 정해진 전기 자극 빈도에 대해 변할 때에, 상기 센서 또는 센서들에 의해 제공된 실제 데이터에 기반하여 상기 자극의 사이클 시간을 자동적으로 교정하는 것이 작용하기 시작했다.

각 외부 센서는, 상기 전기 자극 프로그램의 사이클 시간을 다시 계산하고 리셋하기 위해 상기 전자 프로세싱 유닛에 의해 사용되는 전기 신호, 예를 들면, 디지털 ON/OFF를 적절한 전자 컨디셔닝 시스템을 통해서 전자 프로세싱 유닛 (106)에게 공급한다.

도 10은 전자 프로세싱 유닛 (106)의 블록도를 보여준다. 이 전자 프로세싱 유닛은 마이크로제어기 (120)를 이용하여 구현되며, 이 마이크로제어기는 다음의 것들을 관리한다:

- 외부 센서 (122)를 위한 입력;

- 원격 프로그램의 START/STOP를 위한 적외선 원격-제어 입력 (124) (디지털 입력);

- 리더 채널에 관한 사운드 (디지털 출력 PWM)를 관리하기 위한 부저 (buzzer) (126);

- (SPI 인터페이스를 경유한) 실시간 클록 (Real-time clock) (128);

- (SPI 인터페이스를 경유하여) 프로그램들 등을 저장하기 위한 외부 플래시 메모리 (130);

- 온도 프로브 (132) (아날로그 입력);

- 냉각 팬 (134) (디지털 출력);

- (상기 파워 보드들로의) 두 개의 디지털 출력들 (136);

- (UART를 경유한) LCD 디스플레이 (138);

- (UART를 경유한) 개인용 컴퓨터로의 접속을 위한 USB 인터페이스 (140);

- 버튼들을 위한 디지털 입력들 및 출력들 (142) (키 매트릭스);

- LED들을 위한 디지털 출력들 (144).

각 2-채널 파워 보드 (102)는 2개의 출력 채널들을 처리할 수 있다. 각 채널에 대해, 가변 주파수 및/또는 강도에서 펄스 시퀀스들이, 예를 들면, 추가로 설명되는 것처럼 생성된다.

상기 제안된 전기 자극 방법이 상호 작용하는 근육 그룹들을 채택하는 것에 기반하기 때문에, 각 파워 보드는 연속하여 동작하는 두 채널들을 제어한다.

이 설계 선택은 있을 수 있는 오퍼레이터 오류를 방지하기 위해, 특히 분절 레벨 (렌쇼 세포 (Renshaw cell))에서 중간 뉴런 유닛의 신경 회로 동작에서의 위배를 초래할 수 있는 길항 근육들에 자극 및 동시의 동작을 회피하기 위해 또한 유용하다는 것이 강조되어야 한다.

일 실시예에서, 단일의 펄스는 도 1에서 보이는 것처럼 2극성이고, 대칭적이며, 구형이다.

일 실시예에서, 최대 펄스 폭 Aimp은 150 V 이며 (그래서 피크-투-피크 300 V) 그리고 그것의 지속 시간 DTimp은 다음의 값들로부터 선택될 수 있다: 100 μs - 200 μs (디폴트) - 500 μs - 1000 μs.

한 동작 모드 (모드 1)에서, 상기 펄스들은 4개의 연속 펄스들의 패킷들로 그룹화된다; 다른 동작 모드 (모드 2)에서, 상기 펄스들은 16개의 연속하는 펄스들의 패킷들로 그룹화된다.

각 펄스가 200 μs (디폴트) 유지한다는 가정에서, 모드 1에서 각 패킷은 따라서 약 0.8 ms 유지하며, 모드 2에서 각 패킷은 약 3.2 ms 유지한다.

상기 패킷들은 다음의 값들 사이에서 선택 가능한 주파수로 반복된다: 50 Hz - 100 Hz - 150 Hz - 200 Hz (한 펄스 패킷 및 다음의 하나의 펄스 패킷 사이에 다음의 값들 사이에서 선택 가능한 시간 DTpacc이 존재한다: 5 ms - 6.67 ms - 10 ms - 20 ms).

자연히, 패킷들은 상이한 개수의 펄스들로, 예를 들면, 5개 또는 10개 펄스들로 구성될 수 있다.

펄스 패킷들의 시퀀스들은 인터벌들 DTseq에서, 200 ms 스텝으로 200 ms로부터 10 s까지 가변인 사이클 시간 DTseq으로 동일하게 반복된다. 각 인터벌 DTseq은, 예를 들면 도 3에서의 예에서 도시된 것처럼 동일한 지속 시간의 N = 20개의 서브-인터벌들 DTn 로 결국 분할된다.

더욱이, 각 인터벌 DTseq은 동일한 지속 시간의 두 개의 인터벌들 (TON 및 TOFF)로 분할된다; TON 동안에 펄스 패킷들이 존재하며, 반면에 TOFF 인터벌 동안에는 어떤 패킷도 존재하지 않는다. 예를 들면, 채널 n. 1에 대한 도 3에서, TON 시간은 서브-인터벌들 1 - 10을 포함하며, TOFF 시간은 서브-인터벌들 11 - 20을 포함한다. 반면에, 채널 n. 2에 대해, TON 시간은 서브-인터벌들 11 - 20을 포함하며, TOFF 시간은 서브-인터벌들 1 - 10을 포함한다.

각 서브-인터벌 DTn 내에서, (상기 시퀀스의 프로그램된 특성들에 종속하여) 다음의 것들을 구비할 수 있다:

- 어떤 패킷도 존재하지 않음, 또는

- 위에서 설명된 특성들을 가진, (도 3에서 '채워진' 사각형으로 표현된) 펄스 패킷들의 트레인.

일 실시예에서, 상기 패킷들의 특성들 (패킷 당 펄스들의 개수, 한 패킷 및 다음 패킷 사이의 시간 인터벌) 및 인터벌 DTseq은 모든 채널들에 대해 동일하며, 반면에 진폭은 채널마다 변할 수 있다.

예를 들면, DTseq = 1 s ⇒ DTn = 1000 ms / 20 = 50 ms. 각 펄스가 200 μs (디폴트) 유지하며, 모드 2가 사용되며 (n. 16 펄스들 ⇒ 3.2 ms) 그리고 DTpacc = 10 ms인 것을 가정하면, 펄스들이 존재하는 경우의 각 서브-인터벌 DTn은 네 개의 패킷들을 포함할 것이다.

어떤 패킷이 두 개의 연속 서브-인터벌들 DTk 및 DTk+1에 퍼져 있으며 상기 서브-인터벌 DTk+1이 패킷들을 포함하지 않는 경우에, 상기 패킷 그 자체는 DTk의 끝에서 잘려진다. 반면에 서브-인터벌 DTk+1가 또한 패킷들을 포함한다면, 그 패킷은 이 두 번째 서브-인터벌에서 계속한다.

각 프로그램은 다음의 파라미터들에 의해 충분하게 정의된다:

- 각 채널에 대해 서브-인터벌들은 상기 펄스 패킷들을 제시한다;

- 사이클 시간;

- 워크아웃 시간;

- 기본 (elementary) 펄스의 지속 시간;

- 패킷 당 펄스들의 개수;

- (존재한다면) 리더 채널 및 그런 채널의 펄스들의 특성들 (단일극 또는 2극성);

- 펄스들의 방향 (구심성 또는 원심성);

- 펄스 패킷들의 주파수.

프로그램이 실행되고 있을 때에, 사이클 시간 및 펄스 진폭 둘 모두가 변할 수 있다는 것에 유의해야 한다.

동작 시에, 상기 전기 자극 절차는 다음처럼 수행된다:

1. PROGRAM +/- 버튼들을 이용하여 프로그램 선택;

2. 그 선택된 프로그램을 위해 선정된 파라미터;

3. 확인하기 위해 ENTER 눌러짐; 선택된 프로그램이 실행될 프로그램들의 시퀀스에 추가된다 (대기열에 넣어진다);

4. 상기 시퀀스에 추가할 것을 바라는 각 프로그램에 대해 단계 1 내지 단계 3이 반복된다;

5. 선택된 프로그램들의 시퀀스는 START 버튼에 의해 또는 원격 제어에 의해 시작된다;

6. 전체 시퀀스를 조기에 종료하기를 원한다면, STOP 버튼이 눌러진다; 대신에 상기 시퀀스 실행 동안에 현재 프로그램이 다음 프로그램으로 가는 것의 실행을 중단하기를 원한다면, ENTER 버튼이 눌러진다.

요약하면, 상기 제안된 전자 자극 방법 및 장치는, 실행되고 있는 인간 운동의 생리학적 모델들에 관한 순환적 운동들, 즉, 반복된 운동들 동안의 신체의 주 근육 그룹들의 동기식 전기근육자극요법 (electromyostimulation)에 기반한다.

다른 말로 하면, 특정된 주파수에서 근육 그룹에 전해진 전기 자극의 활성화의 순간은 그 순간에 환자가 수행한 자발적인 물리적인 행동과 동시에 일어난다.

결과적으로, 근섬유들은 활성화되며, 척수 레벨에서 감각계의 기능을 지지하고 강화시키며, 각 운동 사이클의 실행을 모니터하고 그리고 필요한 운동 뉴런들을 활성화하는 것을 돕는다.

현재의 전기 자극 장치들에서 발생하는 것처럼, 근육들의 전기 자극이 운동과 동기화되지 않는 경우에, 반대로 부정적인 결과들이 발생하는 것이 가능하며, 이는 척수 레벨에서 감각계는 자신의 기능성에 대응하지 않는 동작의 모드를 강제적으로 부과하지 않을 것이기 때문이다.

민감도를 상실한 트라우마 및 병리학의 다양한 모습들인 회복 세션들 동안에 이것을 고려하는 것이 특히 중요하다.

결과적으로, 분절 레벨까지의 트래픽의 합리적인 조절에서 그리고 운동들의 교정에서 더욱 정밀하고 빠른 협응되며 동기화된 근육 수축을 담당하는 분절 척수 신경계 (segmental spinal system)의 워크아웃을 획득한다.

상기 제안된 전기 자극 방법 및 장치는 종래 기술의 자극 방법들로서는 달성될 수 없는 응답 속도 및 레벨을 획득하도록 하는 방식으로 신경-운동계를 훈련시킬 수 있다. 특히, 속도, 지구력, 및 운동 성취에서의 증가가 근육 손상을 줄이면서 획득되며, 이것이 더욱 예측 가능하며 조절 가능해진다.

인간 신경 운동계의 생리학적 모델들에 기반하는 상기 제안된 전기 자극 방법은 근육 수축의 프로세스가 최적화되도록 허용하며, 그리고 다음의 것들을 더 정밀하게 달성하는 것을 가능하게 한다:

- 높은-역치 운동 단위들의 전기적인 활성화로 인한 근육 수축의 폭발적인 강도를 증가시킨다. 사람 근육의 최대 근육 수축 동안에, 본 발명에 따른 전기 자극의 조합을 통해서 근육의 근섬유들 중 70% 이하가 활성화된다면, 동시에 활성화된 근섬유들의 개수는 100%에 접근할 것이다. 그런 활성화는 근육 파워를 크게 향상시킨다;

- 척수 레벨에서의 감각계의 동기화를 증가시키며, 이는 근육 수축의 조절을 관리한다. 기능 실행과 동기화된 (심박 조율기의 경우에서와 같은) 추가의 리드미컬한 전기적 활성화의 활동을 이용하여, 근육의 감각계는 그 운동의 리듬으로 조절되며, 이때에 공진 현상이 전개되고, 이 공진 현상을 통해서 동시 정보가 이용 가능한 신경 경로들을 통해 위에 놓여진 신경 중추들로 송신된다. 전기적 활성화 모드는 생리학적 특성들을 세포 레벨에서 고려하기 때문에, 신경근 연결의 그런 유형으로 순환적으로 기능하는 것은 신경들을 따른 자극 전달 및 근육 수축의 생화학적 프로세스들의 최적화로 이끌며 그리고 운동 뉴런들의 크기에서의 증가로 이끈다. 결과적으로, 세포 메모리 레벨에서 최적화된 동작 모드들의 각인으로 인한 시냅스 전달의 신뢰성에서의 결과적인 증가와 함께 시냅스들의 개수에서의 증가가 존재한다;

- 척수 보호를 방해하지 않으면서 상행 방향에서 피질 중추들에 도달하는 정보의 속도를 증가시키며, 이는 수행된 워크아웃 상에서의 정보가 이론들 및 생리학적 모델들에 호환하기 때문이다.

운동 선수들의 체력 품질을 훈련시키기 위해, 생리학적 최대의 레벨에 접근하는 속도를 가진 프로그램을 위해 전기적인 자극을 수행하는 것이 가능하다. 이것은 1초 내에 하나의 사지 (limb)를 위한 운동의 5개의 완전한 사이클들을 수행하는 것이 가능하다는 것을 의미한다 (차단 (cutoff) 페이즈를 위한 100 ms 그리고 이완 페이즈 동안의 100 ms). 자연히, 상호적 요법의 제2 분기는 제1 분기의 이완 페이즈 동안에 동일한 운동을 시작할 것이다.

전기 자극의 상기 제안된 방법을 통해, 양호한 자세를 위해 필수적인 근육 코르셋의 올바른 작동을 보장함으로써, "요통"의 격심하고 쇠약하게 하는 상태를 억제하고 향상시키는 것이 또한 가능하다

더욱이, 환자의 생활 기능들을 계속해서 모니터하는 것을 통해 스포츠 트레이닝의 다양한 페이즈들을 따른 것이 가능하며, 이는 따라야 하는 트레이닝의 유형 및 획득해야 하는 강도 (intensity)를 자극 동안에 정의하기 위해 매우 중요하다.

본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 부수적인 필요성을 충족하기 위해 다음의 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않으면서도 본 발명에 따른 전기 자극 방법 및 장치의 실시예들에 대한 수정, 적응 및 일부 요소들을 기능적으로 등가인 다른 것들과 교체할 수 있다. 가능한 실시예에 속한 것으로 설명된 상기 특징들 각각은 다른 설명된 실시예들과 독립적으로 구현될 수 있다.

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12. 복합 운동을 실행하는 것을 담당하는 적어도 하나의 근육 그룹을 자극하기 위한 전기 자극 장치로서, 상기 전기 자극 장치는:
    - 적어도 하나의 각자의 전극이 제공된 복수의 전기 자극 채널들로, 각 전기 자극 채널은 각자의 근육에게 2극성 전기 펄스들을 차례로 전달하기에 적합한, 복수의 전기 자극 채널들;
    - 전기 펄스들의 시퀀스들을 생성하기에 적합한 적어도 하나의 파워 보드;
    - 적어도 하나의 전기 자극 프로그램이 저장된 저장 수단;
    - 상기 저장 수단에 저장된 전기 자극 프로그램에 따라 상기 파워 보드들을 제어하기에 적합한 전자 제어 유닛을 포함하며,
    - 상기 전기 자극 프로그램은, 각 전기 자극 채널 상에서, 각 채널에 대해 정의된 자기 자신의 자극 시퀀스가 존재하는 각 자극 주기 내에서 동일한 사이클 시간을 가진 전기 자극 주기들이나 인터벌들의 반복에 의해 주어지며,
    - 각 자극 주기는 동일한 지속 시간의 두 개의 반-주기들로 분할되며,
    - 각 반-주기는 동일한 지속 시간의 복수의 서브-인터벌들로 분할되며,
    - 그런 서브-채널들 중 적어도 하나는 자극 서브-인터벌이며, 하나 이상의 펄스 패킷들을 포함하는 펄스들의 베이스 시퀀스가 실행되며,
    - 각 펄스 패킷은 개별 2극성 전기 펄스들의 미리 정해진 시퀀스에 의해 주어진, 전기 자극 장치.
13. 제12항에 있어서,
    각 파워 보드는 2극성 전기 펄스들의 대칭적인 구형 (squared) 시퀀스들을 생성하기에 적합하며,
    각 2극성 펄스는, 하나는 양의 진폭 그리고 다른 하나는 음의 진폭인 동일한 지속 시간을 가진 두 개의 반-주기들로 분할된 펄스 주기를 가지는 구형 파형으로 구성되는, 전기 자극 장치.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    펄스 패킷들의 개수 그리고 각 자극 서브-인터벌들 내 각 펄스 패킷의 펄스들의 개수는 모든 채널들에 대해 동일한, 전기 자극 장치.
15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    채널의 자극 주기 중의 자극 서브-인터벌들의 개수 및/또는 시간적인 분포는 적어도 하나의 다른 채널 중의 자극 서브-인터벌들의 개수 및/또는 시간적인 분포와 상이한, 전기 자극 장치.
16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    전기 자극 채널들 중 하나에 작동적으로 연결 가능한 청각적 및/또는 시각적 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하여, 상기 전기 자극 채널의 활성화 시에, 전기 자극 치료를 겪는 환자에게 지각 가능한 청각적 및/또는 시각적 신호가 생성 수단에 의해 생성되도록 하는, 전기 자극 장치.
17. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    적어도 하나의 상지 또는 상지 부분에 적용할 수 있으며 그리고 복합 전기 자극 운동의 실제의 지속 시간을 표시하는 신호를 생성하기에 적합한 적어도 하나의 센서를 포함하며,
    상기 전자 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 센서에 의해 생성된 신호를 수신하기에 적합하며 그리고:
    - 전기 자극 프로그램의 미리 정해진 사이클 시간을 상기 복합 운동의 실제의 지속 시간과 비교하며; 그리고, 부합하지 않는 경우에
    - 전기 자극 프로그램의 사이클 시간을 측정된 상기 복합 운동의 실제의 지속 시간에 적응시키기 위해 전기 자극 프로그램의 사이클 시간을 자동적으로 조절하도록 구성된, 전기 자극 장치.

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