KR20030083990A - A stimulation coil using magnetic mirror and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 인체에 시변자계(time varying magnetic field)를 인가하여 인체 내에 전계(electric field)를 유도하고, 이 유도 전계로 인체 내의 신경이나 근육을 자극(stimulation)함으로써, 인체의 질병을 진단하거나 치료하고, 혹은 인체의 기능을 향상시킬 수 있는 기기에 사용되는 자극 코일에 관한 것이다.The present invention induces an electric field in the human body by applying a time varying magnetic field to the human body, and by stimulating nerves or muscles in the human body with the induced electric field, diagnosing or treating a human disease. The present invention relates to a stimulation coil used in a device capable of improving or improving the function of a human body.
종래부터, 인체의 신경이나 근육을 시변자계로 자극하는 방법이 다수 제안되어 있다. 그 일례로서, 영국의 A. Barker에 의해 발표되어 1985년 Journal of Physiology 369권, 3쪽에 게재된 "Magnetic stimulation of the human brain"이라는 논문을 들 수 있는데, 이 논문에서는 자극 코일을 이용하여 인체의 뇌를 성공적으로 자극한 사례가 발표되어 있다.Background Art Conventionally, a number of methods for stimulating a nerve or muscle of a human body with a time-varying magnetic field have been proposed. An example is the paper “Magnetic stimulation of the human brain” published by A. Barker of the United Kingdom in 1985, published in Journal of Physiology 369, page 3. Successful stimulation of the brain is reported.
기존에는 인체의 뇌를 자극하기 위해서는 인체의 두개골에 구멍을 뚫고 금속으로 만들어진 전극을 뇌에 삽입하여 전류를 인가하는 전기자극법(Electrical stimulation method)이 사용되었는데, 그 절차가 매우 위험하기 때문에 전기자극법은 뇌와 같이 중요한 장기의 자극에는 별로 사용되지 못했다.In order to stimulate the brain of the human body, an electrical stimulation method is applied, in which a hole is made in the human skull and a metal electrode is inserted into the brain to apply an electric current. Since the procedure is very dangerous, the electrical stimulation method is used. It was not used for stimulation of important organs such as the brain.
그러나, 시변자계로 인체를 자극하는 자기자극법(Magnetic stimulationmethod)이 발표된 이후 자기자극법을 이용하여 인체의 신경 및 근육을 자극하는 방법에 대한 연구가 광범위하게 진행되어 왔다. 1991년 영국의 R. Jalinous는 Journal of Clinical Neurophysiology 제8권 제1호 10쪽∼25쪽에 게재된 "Technical and practical aspects of magnetic nerve stimulation"이라는 논문에서 자기자극법의 원리와 응용에 대해 제안하였다. 이 논문에서는, 인체 내의 신경이나 근육을 자극하기 위해서는 자극 코일에 수천 A 정도의 전류를 1msec 이내의 짧은 시간에 흘려 주어야만 한다는 것을 실험결과에 의거하여 보고하고 있다. 이 정도 크기의 전류를 자극 코일에 인가하면, 자극 코일 주위에 형성되는 자계의 강도는 1.0Tesla 이상으로 될 수 있다. 인체를 자기적으로 자극하는 경우, 이렇게 막대한 전류가 순시적으로 자극 코일에 인가되기 때문에, 한 번 자극할 때마다 자극 코일에 전달되는 에너지의 양은 약 500주울(Joule) 정도에까지 이르게 될 것이며, 이를 전력으로 환산하면 5MW에까지 이르게 될 것이다.However, since the publication of magnetic stimulation method (Magnetic stimulation method) to stimulate the human body with time-varying magnetic field has been extensively studied how to stimulate the nerves and muscles of the human body using the magnetic stimulation method. In 1991, R. Jalinous of the United Kingdom proposed the principle and application of magnetic stimulation in a paper entitled "Technical and practical aspects of magnetic nerve stimulation," published in Journal of Clinical Neurophysiology, Vol. 8, No. 1, pages 10-25. In this paper, based on the experimental results, in order to stimulate nerves and muscles in the human body, thousands of ampere of current should be supplied to the stimulation coil within a short time of 1 msec. When a current of this magnitude is applied to the magnetic pole coil, the strength of the magnetic field formed around the magnetic pole coil can be 1.0 Tesla or more. In the case of magnetically stimulating the human body, such a huge current is instantaneously applied to the stimulation coil, so the amount of energy delivered to the stimulation coil at each stimulation will reach about 500 Joules. In terms of power, it will reach 5MW.
이와 같이 자극 코일로 인체를 자극하는 경우, 상기한 바와 같이 막대한 에너지가 소모되기 때문에, 자기자극을 연속적인 형태로 행하는 것은 기술적으로 불가능하고, 다만 1초에 1번 내지 2번 정도 자극하는 것이 보통이었다. 따라서, 자기자극의 응용은 신경계통 질환의 부위를 진단하는 목적으로만 제한적으로 사용되고 있었다.In the case of stimulating the human body with the stimulation coil as described above, since enormous energy is consumed as described above, it is technically impossible to perform the magnetic stimulation in a continuous form, but it is usually stimulating once or twice a second. It was. Therefore, the application of magnetic stimulation has been limited to the purpose of diagnosing the site of the nervous system disease.
그러나, 자기자극 기술로 인체의 다양한 질병을 치료할 수 있다는 연구결과가 잇따라 발표되면서 자기자극 기술은 발전을 거듭하게 되었다. 예를 들면, 일본의 N. Ishikawa 등에 의해, 1997년 10월 19th Int. Conference IEEE / EMBS 시카고학회 2096쪽∼2099쪽에 게재된 "Non-invasive treatment system for urinary incontinence using a continuous magnetic stimulation"이라는 논문이 발표되었다. 이 논문에서는, 5∼30Hz의 주파수로 인체의 골반 근육 및 신경을 자기자극하면, 요실금치료에 효과가 있다고 제안하고 있다. 이 외에도, 수십 Hz의 주파수로 뇌를 자기자극하면, 우울증 치료에 효과가 있다는 논문이 발표되기도 하였다. 자기자극을 치료 목적에 활용하는 경우, 자기자극은 수십 Hz의 주파수로 행하는 것이 보통이다. 이와 같이 수십 Hz의 주파수로 자기자극을 하려고 하면, 자극 코일에 전류를 인가하는 전력공급기의 규모가 매우 커지고, 자극 코일에 발생하는 열량도 매우 커지게 되는 문제가 있다.However, as the results of research showing that the magnetic stimulation technology can cure various diseases of the human body have been published, the magnetic stimulation technology has evolved. For example, N. Ishikawa et al., Oct. 1997, 19th Int. A paper entitled "Non-invasive treatment system for urinary incontinence using a continuous magnetic stimulation", published in Conference IEEE / EMBS Chicago Society, pp. 2096-2099. This paper suggests that magnetic stimulation of the pelvic muscles and nerves in the human body at a frequency of 5-30 Hz is effective in treating urinary incontinence. In addition, a paper has been published that magnetic stimulation of the brain at frequencies of several tens of Hz is effective in treating depression. When magnetic stimulation is used for therapeutic purposes, magnetic stimulation is usually performed at a frequency of several tens of Hz. As described above, when the magnetic stimulation is attempted at a frequency of several tens of Hz, the size of the power supply that applies the current to the stimulation coil becomes very large, and the amount of heat generated in the stimulation coil becomes very large.
또한, 자극 코일에 대용량의 전류를 공급하는 방법도 많이 발표되었는데, 예를 들면 미국 특허 제5,766,124호와 미국 특허 제5,769,778호 등이 있다. 자극 코일이 발생하는 열 문제를 해결하기 위해서는, 자극 코일이 발생하는 열을 원천적으로 줄이거나, 혹은 발생된 열을 효율적으로 냉각하지 않으면 안되었다. 발생된 열을 효율적으로 냉각하는 것은 부차적인 방법이고, 자극 코일이 발생하는 열을 원천적으로 줄이는 것이 보다 근원적인 방법이라 할 수 있다.In addition, many methods for supplying a large amount of current to the stimulation coil have been published, for example, US Patent No. 5,766,124 and US Patent No. 5,769,778. In order to solve the heat problem generated by the magnetic pole coils, it is necessary to reduce the heat generated by the magnetic pole coils or to cool the generated heat efficiently. Cooling the generated heat efficiently is a secondary method, and more fundamentally reducing the heat generated by the stimulation coil.
또, 자극 코일의 형상을 최적화하여 자극 코일의 효율을 증대하는 방법도 다수 발표되었다. 예를 들면, 미국 특허 제6,179,769호와 미국 특허 제5,725,471호에는 요실금 치료에 적합한 자극 코일의 형상이 개시되어 있고, 1977년 미국 특허 제4,056,0974호와 1991년 미국 특허 제4,994,015호에는 자극 코일과 코아를 사용하여 뇌 및 말초신경을 자극하는데 적합한 자극 코일의 형상이 개시되어 있다. 즉,치료를 위하여 수십 Hz로 자기 자극을 하기 위해서는, 자극 코일의 효율이 높아야 하고, 코일에서 발생하는 열을 효율적으로 제거해 주는 방법이 반드시 필요하게 된다.In addition, a number of methods for optimizing the shape of the magnetic pole coil to increase the efficiency of the magnetic pole coil have been published. For example, US Pat. No. 6,179,769 and US Pat. No. 5,725,471 disclose the shape of a stimulation coil suitable for treating incontinence, and US Patent 4,056,0974 in 1977 and US Pat. No. 4,994,015 in 1991 disclose Shapes of stimulation coils suitable for stimulating the brain and peripheral nerves using cores are disclosed. In other words, for magnetic stimulation at tens of Hz for treatment, the efficiency of the stimulation coil must be high, and a method of efficiently removing heat generated from the coil is necessary.
본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 단위전류당 자극 코일이 만드는 자계 강도를 증대시키면서도 자극 코일이 발생하는 열량을 줄일 수 있는 자극 코일을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and its object is to provide a magnetic pole coil which can reduce the amount of heat generated by the magnetic pole coil while increasing the magnetic field strength generated by the magnetic pole coil per unit current.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 자기 거울을 이용한 자극 코일의 구성을 나타낸 도면,1 is a view showing the configuration of a magnetic pole coil using a magnetic mirror according to an embodiment of the present invention,
도 2는 도 1에 나타낸 자기 거울의 원리를 설명하기 위한 도면,2 is a view for explaining the principle of the magnetic mirror shown in FIG.
도 3은 도 1에 나타낸 자기 거울의 원리를 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining the principle of the magnetic mirror shown in FIG.
도 4는 와전류 발생을 억제하기 위해 적층에 의해 만든 자기 거울을 나타낸 도면,4 shows a magnetic mirror made by lamination to suppress eddy current generation;
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 자기 거울을 이용한 자극 코일의 성능을 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining the performance of the magnetic pole coil using a magnetic mirror according to an embodiment of the present invention,
도 6은 도 5에 나타낸 자극 코일의 성능을 기존 방법으로 설계한 자극 코일의 성능과 비교하여 나타낸 도면,6 is a view showing the performance of the magnetic pole coil shown in Figure 5 compared with the performance of the magnetic pole coil designed by the existing method,
도 7은 8자형 자극 코일에 사용될 수 있는 자기 거울을 나타낸 도면,7 shows a magnetic mirror that can be used in an eight-shaped magnetic pole coil,
도 8은 곡면형 자극 코일에 사용될 수 있는 자기 거울을 나타낸 도면,8 shows a magnetic mirror that can be used in a curved magnetic pole coil,
도 9는 자기 거울에 발생한 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방법을 설명하기 위한 도면,9 is a view for explaining a method that can efficiently cool the heat generated in the magnetic mirror,
도 10은 요실금치료기에 적용될 수 있는 자기 거울 및 자극 코일을 나타낸도면,10 is a view showing a magnetic mirror and a stimulation coil that can be applied to the incontinence treatment device,
도 11은 물리치료기에 적용될 수 있는 자기 거울 및 자극 코일을 나타낸 도면이다.11 is a view showing a magnetic mirror and a stimulation coil that can be applied to the physical therapy device.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
1 : 자극 코일 2 : 자기 거울1: magnetic pole coil 2: magnetic mirror
3 : 무한히 긴 권선 4 : 무한히 넓은 자성체3: infinitely long winding 4: infinitely wide magnetic material
5 : 자기 거울 효과를 나타내는 가상의 권선5: imaginary winding showing magnetic mirror effect
6 : 권선과 자기 거울이 형성하는 자속선(magnetic flux line)6: magnetic flux line formed by winding and magnetic mirror
7 : 권선과 가상의 권선이 형성하는 자속선7: magnetic flux lines formed by windings and imaginary windings
10 : 자극 코일 11: 원판형 자성체10: magnetic pole coil 11: disc magnetic material
12 : 자기 거울이 있는 자극 코일이 형성하는 자속밀도12: magnetic flux density formed by magnetic coil with magnetic mirror
13 : 자기 거울이 없는 자극 코일이 형성하는 자속밀도13: magnetic flux density formed by magnetic coil without magnetic mirror
12 :y방향 안테나 배열 14 : 8자형 자극 코일12: y- direction antenna array 14: 8-shaped magnetic pole coil
15 : 8자형 자극 코일에 적용될 수 있는 자기 거울15: magnetic mirror that can be applied to 8-type magnetic pole coil
16 : 곡면형 자극 코일16: curved magnetic pole coil
17 : 곡면형 자극 코일에 적용될 수 있는 자기 거울17: magnetic mirror that can be applied to curved magnetic pole coil
18 : 자기 거울 적층판중 날개 높이가 높은 판18: high wing height of magnetic mirror laminate
19 : 자기 거울 적층판중 날개 높이가 낮은 판19: low wing height of the magnetic mirror laminate
20 : 자기 거울의 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 요철형 자기 거울 구조20: Uneven magnetic mirror structure that can efficiently cool the heat of the magnetic mirror
21 : 자극 코일 22 : 자기 거울21: magnetic pole coil 22: magnetic mirror
23 : 요실금치료기에 사용되는 의자23: chair used for incontinence therapy
24 : 물리치료기에 사용되는 인공팔24: artificial arm used for physiotherapy
25 : 자극 코일 26 : 자기 거울25: magnetic pole coil 26: magnetic mirror
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 자기 거울을 이용한 자극 코일은,Magnetic pole using the magnetic mirror according to the present invention to achieve the above object,
(a) 금속성 전기 도전체로 만들어진 코일과,(a) a coil made of a metallic electrical conductor,
(b) 높은 자기투자율(magnetic permeability)을 갖는 자기 거울(magnetic mirror)을 갖추어 구성된 것을 특징으로 한다.(b) characterized by a magnetic mirror having high magnetic permeability.
(발명의 실시형태)Embodiment of the Invention
이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 요지는, 인체의 신경, 근육, 뼈 등을 자기적으로 자극하는데 필요한 자극 코일의 성능을 개선하는데 있다.The gist of the present invention is to improve the performance of the stimulation coil required to magnetically stimulate the nerves, muscles, bones and the like of the human body.
도 1에 본 발명에서 제안하는 자극 코일의 형태를 나타냈다. 자극 코일은 금속성 전기 도전체로 만들어진 코일부(1)와, 높은 자기투자율을 갖는 물질로 만들어진 자기 거울(2)로 이루어져 있다.The form of the magnetic pole coil proposed by this invention in FIG. 1 was shown. The magnetic pole coil consists of a coil part 1 made of a metallic electrical conductor and a magnetic mirror 2 made of a material having a high magnetic permeability.
도 1에서, 자기 거울의 형상은 자극 코일과 같은 원판형이지만, 후술하는 원리에 의해 그 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 자기 코일(1)과 자기 거울(2)은 서로 밀착되어 있는 것이 바람직하다. 후술하는 원리에 의해, 자극 코일(1)과 자기 거울(2)이 밀착될수록 자기 거울의 효과가 증대되고, 부수적으로 자극 코일에 발생하는 열을 자기 거울이 냉각시키는 효과도 얻을 수 있다. 종래의 방법에서는 자기 거울 없이 코일부로만 이루어진 자극 코일이 사용되어 왔다.In Fig. 1, the shape of the magnetic mirror is a disk like a magnetic pole coil, but the shape can be variously modified by the principle described below. The magnetic coil 1 and the magnetic mirror 2 are preferably in close contact with each other. According to the principle described later, the effect of the magnetic mirror is increased as the magnetic pole coil 1 and the magnetic mirror 2 are in close contact with each other, and the effect that the magnetic mirror cools heat generated in the magnetic pole coil can be obtained. In the conventional method, a magnetic pole coil consisting of only a coil portion without a magnetic mirror has been used.
코일부에는 전류(I)가 외부의 전력공급기로부터 공급된다. 자극 코일로 자극을 하는 경우, 코일부에 공급되는 전류 첨두치의 크기는 일반적으로 수백 내지 수천 A에 이르기 때문에, 고압 캐패시터에 전하를 저장한 뒤 이를 코일부로 일시적으로 방전하는 방법을 사용하고 있다. 이 경우, 캐패시터와 코일부는 LC 공진회로를 이루고, 인체를 자극하는 자극 코일의 경우 그 공진주파수는 수 KHz 정도의 값을 갖는다. 코일부에 전류가 흐르면 코일부 주위에 자계가 형성되는데, 이 자계는 인체에 쉽게 투과된다. 자극 코일로 인체의 특정 부위를 자극하는 경우, 자극 코일의 형상은 여러 가지 모양을 가질 수 있다. 도 1에서는 가장 보편적으로 사용되는 원형 자극 코일을 나타냈지만, 본 발명에서 이루고자 하는 바는 코일부의 형상에 관계없이 임의의 형태의 코일부에 대해서도 적용할 수 있도록 하는 것이다.The current I is supplied to the coil part from an external power supply. In the case of stimulation with a magnetic pole coil, the current peak value supplied to the coil portion generally ranges from several hundreds to thousands of amperes. Thus, a charge is stored in the high voltage capacitor and then temporarily discharged into the coil portion. In this case, the capacitor and the coil part form an LC resonant circuit, and in the case of the magnetic pole coil for stimulating the human body, the resonance frequency has a value of about several KHz. When a current flows in the coil part, a magnetic field is formed around the coil part, and the magnetic field is easily transmitted to the human body. When stimulating a specific part of the human body with a stimulation coil, the shape of the stimulation coil may have a variety of shapes. Although the most commonly used circular magnetic pole coil is shown in FIG. 1, the present invention is intended to be applicable to any type of coil unit regardless of the shape of the coil unit.
도 2에서는 본 발명의 기본 원리를 설명하고 있다. 설명의 편의상, 코일부는 무한히 긴 원형 권선(3)으로 이루어져 있다고 가정한다. 도 2에서, 권선은 지면과 수직한 방향으로 놓여 있다. 권선 주위에는 권선으로부터 거리 d의 위치에 권선과 평행하게 자성체(4)가 놓여 있다. 자성체는 무한히 넓은 반 무한면(semi-infinite) 형태로 되어 있다고 가정한다. 본 발명에서 자성체라 함은 자기투자율이 매우 높은 물질로 이루어진 것을 일컫는 것으로 한다. 즉, 외부에서 자계가 인가되면, 물질의 특성상 물질 내부에 강한 자화 벡터(magnetization vector)가 유도되어 물질 내부의 자속(magnetic flux)이 크게 형성되는 물질로 이루어진 것을 일컫는다. 자성체로는 많은 물질이 있을 수 있다. 예를 들면, 페라이트나 규소강, 퍼말로이, 퍼멘듀어, 메탈유리, 분말철 등 기존에 상용화된 재료를 들 수 있다. 공기의 자기투자율은 4×3.14×10-7정도이다. 반면에, 페라이트는 공기의 자기투자율에 비해 수백배 정도 큰 자기투자율을, 그리고 규소강은 수천배 내지 수만배 정도 큰 자기투자율을 갖는다.2 illustrates the basic principle of the present invention. For convenience of explanation, it is assumed that the coil section consists of an infinitely long circular winding 3. In Figure 2, the winding lies in a direction perpendicular to the ground. Around the windings a magnetic body 4 lies parallel to the windings at a position d from the windings. The magnetic material is assumed to be infinitely wide in semi-infinite form. In the present invention, the magnetic material is to refer to made of a material having a very high magnetic permeability. That is, when the magnetic field is applied from the outside, a strong magnetization vector (magnetization vector) is induced inside the material due to the nature of the material refers to a material made of a large magnetic flux (magnetic flux) inside the material. There may be many substances as magnetic materials. For example, materials conventionally commercialized, such as ferrite, silicon steel, permalloy, permandue, metal glass, and powdered iron, are mentioned. The magnetic permeability of air is about 4x3.14x10 -7 . Ferrite, on the other hand, has a self-permeability that is several hundred times greater than that of air, while silicon steel has a self-permeability that is thousands to tens of thousands of times greater.
도 2에서와 같이 자기투자율이 매우 큰 물체 주위에 권선(3)이 있을 때 권선 주위에 형성되는 자계는 권선 자체에 의해 생기는 성분뿐만 아니라 자성체에 유도된 자화 벡터에 의해 발생되는 성분도 함께 고려해야만 한다. 자성체의 크기가 무한대이고, 자성체의 투자율이 공기에 비해 상대적으로 매우 크면, 도 2에서 나타낸 바와 같이 자성체가 만드는 자계는 자성체 면 뒤로 같은 거리에 또 하나의 가상 권선(5)이 있는 것으로 생각하여 구한 자계와 같아지게 된다. 이와 같은 방법으로 권선과 자성체가 만드는 자계를 구하는 방법을, 영상법(image method) 혹은 거울법(mirror method)이라 하며, 이러한 방법은 일반적인 전자기학 관련 전문서적 등에서 많이 취급되고 있다.As shown in FIG. 2, when there is a winding 3 around an object having a very high magnetic permeability, the magnetic field formed around the winding must consider not only the component generated by the winding itself but also the component generated by the magnetization vector induced in the magnetic body. . If the size of the magnetic body is infinite and the magnetic permeability is very large relative to air, as shown in FIG. 2, the magnetic field produced by the magnetic body is determined by considering that there is another virtual winding 5 at the same distance behind the magnetic surface. It becomes like a magnetic field. In this way, the method of obtaining the magnetic field produced by the winding and the magnetic material is called an image method or a mirror method, and this method is commonly dealt with in general electromagnetic literature.
도 3에 거울법의 원리를 도식적으로 나타냈다. 자기투자율이 매우 큰 자성체의 표면에서는 자계의 수직 성분만이 존재한다. 즉, 자속 벡터가 자성체 면에 수직으로 입사하는 모양을 갖는다. 이와 같은 상황을 도 3의 좌측 도면에 자속선(6)으로 나타내고 있다. 자성체 내에서의 자계 분포는 구하지 않고 자성체 밖에서의 자계 분포만을 구하는 경우, 권선 주위에 형성되는 자속 벡터의 모양은 자성체가 없고 권선으로부터 자성체 내부 방향으로 2d 만큼 떨어진 곳에 또 하나의 가상 권선이 있으며, 이 가상 권선에도 원래의 권선에 흐르는 전류와 같은 크기와 방향을 가진 전류가 흐른다고 가정하여 구한 자속 벡터(7)의 모양과 같아지게 된다. 이러한 상황을 도 3의 우측 도면에 나타냈다. 자성체의 자기투자율이 무한대가 아닌 경우에는, 가상 권선의 모양과 위치가 변화하게 된다. 그러나, 페라이트나 규소강의 자기투자율은 공기에 비해 적어도 수백배 이상 크기 때문에, 자기투자율이 무한대라고 가정한 경우와 비교하여 그 오차는 무시할 수 있다. 도 2와 도 3에서의 권선을 자극 코일의 권선이라고 하면, 자성체 내에 가상의 자극 코일이 또 하나 있는 것으로 간주할 수 있다. 만일 자성체와 권선 사이의 거리 d가 0이라면, 자극 코일과 가상의 권선 코일은 겹치게 되고, 이론적으로는 자극 코일이 형성하는 자계와 같은 형태의 자계가 또 하나 형성되는 효과가 나타난다. 즉, 하나의 자극 코일로 2개의 자극 코일이 동시에 존재하는 효과를 얻을 수 있는 것이다.The principle of the mirror method is shown schematically in FIG. On the surface of a magnetic body with a very high magnetic permeability, only the vertical component of the magnetic field exists. That is, the magnetic flux vector has a shape in which the magnetic flux vector is perpendicular to the magnetic plane. Such a situation is shown by the magnetic flux lines 6 in the left figure of FIG. If you do not find the magnetic field distribution inside the magnetic body but only the magnetic field distribution outside the magnetic body, the shape of the magnetic flux vector formed around the winding is not magnetic and there is another virtual winding 2d away from the winding in the direction of the magnetic body. The virtual winding has the same shape as the magnetic flux vector 7 obtained assuming that a current having the same magnitude and direction as the current flowing in the original winding flows. This situation is shown in the right figure of FIG. If the magnetic permeability of the magnetic material is not infinity, the shape and position of the virtual winding change. However, since the magnetic permeability of ferrite or silicon steel is at least several hundred times larger than that of air, the error can be ignored as compared with the case where the magnetic permeability is assumed to be infinite. If the windings in Figs. 2 and 3 are the windings of the magnetic pole coil, it can be considered that there is another virtual magnetic pole coil in the magnetic body. If the distance d between the magnetic body and the winding is 0, the magnetic pole coil and the virtual winding coil overlap, and in theory, another magnetic field having the same shape as the magnetic field formed by the magnetic pole coil is formed. That is, the effect that two magnetic pole coils exist simultaneously with one magnetic pole coil can be obtained.
자기 거울의 재료를 선정할 때 고려해야 할 사항은 높은 투자율과 와전류를 어떻게 억제하는가 하는 것이다. 학술적으로 자성체 내에 가상의 권선이 형성된다고 가정할 수 있는 것은, 자성체의 전기전도도가 0인 경우이거나, 혹은 권선에 직류전류가 흐르는 경우이다. 인체를 자극하는 용도의 자극 코일에는 일반적으로 펄스 폭이 수백 usec 정도의 펄스형 전류가 인가된다. 이 때문에, 자성체의 전기전도도가 0이 아닌 경우에는, 자성체에 와전류(eddy current)가 형성된다. 이 와전류는 권선에 흐르는 전류와 반대 방향으로 형성되기 때문에, 가상의 권선이 만드는 자계를 감소시키는 역할을 한다. 페라이트는 전기전도도가 매우 낮은 특성을 가지고 있으나, 포화자속밀도가 높지 않은 문제가 있다. 일반적인 페라이트의 경우는 0.4∼0.5Tesla의 포화자속밀도를 갖는데 반해, 인체 자극용 자극 코일의 경우는 1∼2Tesla 정도의 자속밀도를 형성하기 때문에, 페라이트는 이 용도에 효과는 있으나 그다지 높지는 않다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 페라이트를 사용하지 않고 규소강을 사용했다. 규소강은 여타의 자성체에 비해 가격이 저렴하고, 포화자속밀도도 2.0Tesla 이상이 되는 등, 좋은 특성을 가지고 있다.When choosing a material for the magnetic mirror, one thing to consider is how to suppress high permeability and eddy currents. It can be assumed that a virtual winding is formed in a magnetic body when the electrical conductivity of the magnetic body is zero or when a DC current flows through the winding. Generally, a pulse type current having a pulse width of several hundred usec is applied to a stimulation coil for stimulating a human body. For this reason, when the electrical conductivity of the magnetic body is not zero, an eddy current is formed in the magnetic body. Since this eddy current is formed in the opposite direction to the current flowing in the winding, it serves to reduce the magnetic field produced by the virtual winding. Ferrite has a very low electrical conductivity, but there is a problem that the saturation magnetic flux density is not high. In general, ferrite has a saturation magnetic flux density of 0.4 to 0.5 Tesla, whereas a magnetic stimulation coil forms magnetic flux density of about 1 to 2 Tesla, so ferrite is effective for this purpose but not very high. Therefore, in the embodiment of the present invention, silicon steel was used without using ferrite. Silicon steel has good properties, such as being cheaper than other magnetic materials and having a saturated magnetic flux density of 2.0 Tesla or more.
그러나, 규소강은 높은 전기전도도를 가지고 있기 때문에, 덩어리 형태로 사용할 경우 와전류 발생이 많아진다. 따라서, 본 발명에서는 도 4에서와 같이 얇은 규소 강판(8)을 수직 방향으로 적층한 형태로 하여 사용했다. 규소 강판의 표면은 절연체로 코팅이 되어 있기 때문에, 규소 강판 사이를 관통하는 와전류는 발생하지 않고 규소 강판 내에서만 맴도는 와전류만 발생한다. 따라서, 와전류의 발생이 매우 제한되어 가상의 권선이 형성하는 자계를 감소시키는 정도가 매우 약해지게 된다.However, since silicon steel has high electrical conductivity, eddy currents are more generated when used in the form of agglomerates. Therefore, in the present invention, as shown in Fig. 4, the thin silicon steel sheet 8 was used in the form of being laminated in the vertical direction. Since the surface of the silicon steel sheet is coated with an insulator, no eddy current penetrating between the silicon steel sheets is generated, but only an eddy current hovering only in the silicon steel sheet. Therefore, the generation of the eddy current is very limited, and the degree of reducing the magnetic field formed by the virtual winding is very weak.
도 2 및 도 3에서는 자성체의 크기가 무한대라고 가정했다. 유한한 크기의 자성체로 만들어진 자기 거울의 영향을 분석하기 위해, 도 5와 같은 모형을 만들었다. 도 5에서, 도면의 참조부호 10은 원형 코일을 나타내고, 11은 자기 거울인 원판형 자성체를 나타낸다. 자성체의 크기는 원형 코일보다 약간 큰 것이 바람직하다. 원형 코일은 에나멜 권선 등을 사용하여 제작할 수 있다. 도 5의 모형에 대해 유한요소법을 이용하여 자속 벡터를 구하는 모의실험을 해 보았다. 유한요소법에 의한 전자기 해석을 위해, 벡터 필드사(Vector field Corporation)의 시뮬레이션 프로그램을 사용했다.2 and 3 it is assumed that the size of the magnetic material is infinite. In order to analyze the influence of the magnetic mirror made of a magnetic body of a finite size, a model as shown in FIG. In Fig. 5, reference numeral 10 in the drawing denotes a circular coil, and 11 denotes a disk-shaped magnetic body that is a magnetic mirror. The size of the magnetic body is preferably slightly larger than the circular coil. Circular coils can be produced using enameled windings or the like. We simulated the flux vector using the finite element method for the model of FIG. For the electromagnetic analysis by the finite element method, a simulation program of Vector field Corporation was used.
도 6에는 이 모의 실험의 결과를 나타냈다. 도 6에서, 실선은 자기 거울을 사용한 경우의 자속밀도의 크기, 점선은 자기 거울을 사용하지 않은 경우의 자속밀도의 크기를 나타낸다. 도 6의 결과는, 도 5에서 코일 권선의 폭 W1=5mm, 자기 거울의 두께 W2=15mm, 코일의 내측 반경 R1=10mm, 코일의 외측 반경 R2=55mm, 자기 거울의 외측 반경 R3=75mm로 하여 얻은 것이다. 전술한 바와 같이, 자성체는 규소강으로 만들어진 것이다. 이 경우, 자극 코일의 인덕턴스 값은 50μH로 계산했다. 자극 코일의 성능 비교는 인덕턴스 값이 같은 상황에서 이루어져야 한다. 자극 코일에 흐르는 전류는 감쇄 정현파 모양이 되고, 감쇄 정현파의 주파수는 코일의 인덕턴스 값에 따라 변화한다. 자기 거울이 없는 경우, 자극 코일의 인덕턴스는 최대 2배까지 줄어들게 된다. 따라서, 자기 거울이 없는 경우 자극 코일의 인덕턴스가 같은 값인 50μH로 되도록 설계하여 모의실험을 행했다. 코일 권선에 흐르는 전류의 크기는 2,000A로 했다.6 shows the results of this simulation. 6, the solid line shows the magnitude of the magnetic flux density when the magnetic mirror is used, and the dotted line shows the magnitude of the magnetic flux density when the magnetic mirror is not used. The result of FIG. 6 shows that in FIG. 5 the width W 1 = 5 mm of the coil winding, the thickness W 2 = 15 mm of the magnetic mirror, the inner radius of the coil R 1 = 10 mm, the outer radius of the coil R 2 = 55 mm, the outer radius of the magnetic mirror It was obtained by setting R 3 = 75 mm. As mentioned above, the magnetic body is made of silicon steel. In this case, the inductance value of the magnetic pole coil was calculated to be 50 µH. The performance comparison of the stimulation coils should be made under the same inductance value. The current flowing through the magnetic pole coil becomes attenuated sine wave shape, and the frequency of the attenuated sine wave changes according to the inductance value of the coil. In the absence of a magnetic mirror, the inductance of the magnetic pole coil is reduced by up to two times. Therefore, in the absence of a magnetic mirror, simulations were conducted in which the inductance of the magnetic pole coil was set to 50 μH, which is the same value. The magnitude | size of the electric current which flows through a coil winding was 2,000 amperes.
도 6의 결과는, 코일 하측 면으로부터 5mm 떨어진 평행면 위의 중심축 상의 값을 나타낸 것이다. 이 결과는 코일 중심부에서의 자속밀도가 자기 거울이 없는경우에서의 0.92Telsa로부터 자기 거울이 있는 경우에서의 1.36Tesla로 상승한 것을 보여주고 있다. 이 경우, 자계의 상승률은 약 48%에 이른다.The results in FIG. 6 show the values on the central axis on the parallel plane 5 mm away from the coil bottom face. The results show that the magnetic flux density at the center of the coil rose from 0.92Telsa in the absence of a magnetic mirror to 1.36Tesla in the presence of a magnetic mirror. In this case, the rate of increase of the magnetic field reaches about 48%.
다른 한편으로, 전술한 모의 실험의 내용을 실제 실험을 통해 검증해 보았다. 사용된 자극 코일의 인덕턴스는 모두 50μH로 맞추었다. 코일의 내측 반경은 10mm이고, 외측반경은 약 60mm 정도이다. 그리고, 자기 거울의 두께는 15mm이고, 반경은 75mm이다. 자기 거울의 재료로는 규소 강판을 사용했다. 규소 강판의 두께는 1mm로 했고, 이를 절단하고 적층하여 자기 거울을 만들었다. 자극 코일에 2,000A의 전류를 인가하고 자극 코일의 중심부에서 자속밀도 값을 측정한 결과, 자속밀도는 자기 거울이 있는 경우에 자기 거울이 없는 경우보다 약 33% 증가했다. 모의실험에서는 약 48% 증가하였으나 실험적으로는 33%밖에 증가하지 않은 이유는, 자기 거울 내에 형성되는 와전류의 영향 때문이라고 생각된다. 자기 거울의 전기전도도는 0인 것이 이상적이지만, 규소강판의 전기전도도는 매우 크다. 따라서, 박판을 적층하여 자기 거울을 만들더라도, 박판 내에 형성되는 와전류를 완전히 억제할 수는 없다. 다만, 이 와전류의 영향을 줄이기 위해서는, 박판의 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다.On the other hand, the contents of the simulations described above were verified through actual experiments. The inductance of the pole coils used was all set to 50 μH. The inner radius of the coil is 10 mm and the outer radius is about 60 mm. The magnetic mirror has a thickness of 15 mm and a radius of 75 mm. A silicon steel plate was used as a material of the magnetic mirror. The thickness of the silicon steel sheet was 1 mm, which was cut and laminated to make a magnetic mirror. As a result of applying a current of 2,000 A to the magnetic pole coil and measuring the magnetic flux density value at the center of the magnetic pole coil, the magnetic flux density increased by about 33% with and without the magnetic mirror. The reason why the simulation increased about 48% but increased only 33% experimentally is considered to be due to the influence of eddy currents formed in the magnetic mirror. Ideally, the electrical conductivity of the magnetic mirror is zero, but the electrical conductivity of the silicon steel sheet is very large. Therefore, even when lamination is made of thin plates, the eddy currents formed in the thin plates cannot be completely suppressed. However, in order to reduce the influence of this eddy current, it is preferable to make the thickness of thin plate thin.
또 다른 모의 실험을 통하여 자기 거울의 두께에 따른 영향을 분석했다. 실험 결과, 자기 거울의 두께를 15mm에서 20mm, 25mm로 증가시키더라도 자기 거울의 효과는 거의 같았다. 이는, 자기 거울을 만들기 위한 자성체의 두께가 일정치 이상으로 되면 그 효과가 포화되는 것을 의미한다. 반대로, 일정두께 이하로 되면 자기 거울 내에서 자속밀도의 포화가 발생할 수 있고, 그 결과 자기 거울의 효과가감소한다. 그러나, 응용예에 따라서 자기 거울의 두께를 얇게 하지 않으면 안되는 경우에는, 자기 거울의 효과감소를 감수하고 사용할 수 밖에 없다.In another simulation, the effect of the thickness of the magnetic mirror was analyzed. As a result, the effect of the magnetic mirror was almost the same even if the thickness of the magnetic mirror was increased from 15 mm to 20 mm and 25 mm. This means that the effect is saturated when the thickness of the magnetic body for making the magnetic mirror becomes a predetermined value or more. On the contrary, when the thickness is less than a certain thickness, saturation of the magnetic flux density may occur in the magnetic mirror, and as a result, the effect of the magnetic mirror is reduced. However, in the case where the thickness of the magnetic mirror must be made thin according to the application example, it is inevitable to reduce the effect of the magnetic mirror.
자기 거울을 사용하여 얻을 수 있는 또 하나의 장점은 자극 코일에서 발생하는 열량을 줄일 수 있다는 것이다. 자극 코일의 권선수가 증가하면 자극 코일의 저항값도 증가하는데, 자기 거울을 사용하면 권선수를 줄일 수 있고, 이에 따라 저항값도 비례하여 줄어든다. 따라서, 자극 코일에서 발생하는 열량도 줄어 든다. 전술한 실험에서 사용한 자극 코일에 50Hz의 주파수로 약 500μsec의 펄스 폭을 갖는 2,000A 바이폴라 펄스(bipolar pulse) 전류를 인가할 때, 자극 코일 표면의 온도를 측정한 결과를 다음의 표 1에 나타냈다.Another advantage of using a magnetic mirror is that it reduces the amount of heat generated by the stimulation coil. As the number of turns of the magnetic pole coil increases, the resistance value of the magnetic pole coil also increases. The use of a magnetic mirror reduces the number of turns, and thus the resistance value also decreases proportionally. Therefore, the amount of heat generated in the magnetic pole coil is also reduced. Table 1 shows the results of measuring the temperature of the magnetic pole coil surface when applying a 2,000 A bipolar pulse current having a pulse width of about 500 μsec at a frequency of 50 Hz to the magnetic pole coil used in the above experiment.
실험 결과, 자기 거울을 사용하면 자극 코일의 표면 온도가 대폭 하강함을 알 수 있다. 자극 코일의 온도 상승이 줄어 들면, 자극 코일을 보다 높은 주파수로 자극할 수 있게 되며, 자극 코일을 냉각시키기 위한 냉각 장치의 용량도 줄일 수 있다.As a result of the experiment, it can be seen that the surface temperature of the magnetic pole coil is drastically reduced by using the magnetic mirror. When the temperature rise of the magnetic pole coil is reduced, the magnetic pole coil can be stimulated at a higher frequency, and the capacity of the cooling device for cooling the magnetic pole coil can be reduced.
자극 코일의 형상은 꼭 원판형일 필요는 없다.The shape of the pole coil does not have to be discoid.
도 7에는 자기자극에서 많이 사용되는 8자형 코일(14)을 나타냈다. 이 8자형 코일은 두 개의 원판형 코일로 만들어지며, 두 원판이 만나는 지점에서 자속이 집속되는 효과가 있어 인체의 특정 부위만을 선택적으로 자극하고자 할 때 널리 사용되는 자극 코일이다. 이 자극 코일의 형상에 대해서도 자극 코일이 형성되는 면과 평행하게 자기 거울(15)을 놓으면 전술한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 자기 거울의 모양은 반드시 원판형일 필요는 없고, 8자형 코일보다 약간 크게 만들면 좋다. 자기 거울의 형상은 자극 코일의 형상에 따라 얼마든지 달라질 수 있다. 원판형 자극 코일의 경우는, 원판형 자기 거울을 사용하는 것이 가장 바람직하지만, 가공상의 문제를 고려하여 원판형 코일보다는 외형이 큰 사각형 등, 다각형의 형상을 갖게 할 수도 있다. 또한, 자극 코일의 형상이 평면이 아니라 곡면인 경우에도, 자기 거울을 사용할 수 있다. 이 경우, 자기 거울의 형상은 자극 코일이 만드는 곡면과 평행한 곡면의 형태로 하는 것이 이상적이다.FIG. 7 shows an eight-shaped coil 14 which is frequently used in magnetic stimulation. This 8-shaped coil is made of two disk-shaped coils, and the magnetic flux is focused at the point where the two disks meet, which is widely used to selectively stimulate only a specific part of the human body. Also with respect to the shape of the magnetic pole coil, if the magnetic mirror 15 is placed in parallel with the surface on which the magnetic pole coil is formed, the above-described effects can be obtained. In this case, the shape of the magnetic mirror does not necessarily have to be disk-shaped, but may be made slightly larger than the eight-shaped coil. The shape of the magnetic mirror may vary depending on the shape of the magnetic pole coil. In the case of a disc-shaped magnetic pole coil, it is most preferable to use a disc-shaped magnetic mirror, but in consideration of processing problems, it is possible to have a polygonal shape such as a square having a larger appearance than a disc-shaped coil. In addition, even when the shape of the magnetic pole coil is not flat but curved, a magnetic mirror can be used. In this case, the shape of the magnetic mirror should ideally be in the form of a curved surface parallel to the curved surface made by the magnetic pole coil.
도 8에는 인체의 뇌를 자극하기에 적합한 형상을 가진 곡면형 자극 코일(16)에 대한 곡면형 자기 거울(17)의 형상을 나타냈다.FIG. 8 shows the shape of the curved magnetic mirror 17 for the curved stimulation coil 16 having a shape suitable for stimulating the human brain.
또한, 자극 코일과 자기 거울에 발생하는 열을 효과적으로 냉각시키기 위해, 자극 코일이 부착되는 반대쪽의 자기 거울면을 요철 형태로 할 수도 있다. 도 9에는 서로 다른 폭을 가진 자성체 박판(18, 19)을 적층하여 만든 요철형 자기 거울(20)의 형상을 나타냈다. 이는 자기 거울을 효과적으로 방열시키기 위한 구조이다.Further, in order to effectively cool the heat generated in the magnetic pole coil and the magnetic mirror, the magnetic mirror surface on the opposite side to which the magnetic pole coil is attached may be in the form of irregularities. 9 shows the shape of the concave-convex magnetic mirror 20 made by laminating magnetic thin plates 18 and 19 having different widths. This is a structure for effectively radiating the magnetic mirror.
도 10에는 요실금 치료장치에 적용될 수 있는 자극 코일 및 자기 거울의 형상을 나타냈다. 자기자극을 이용한 요실금치료는, 대부분 의자에 앉아서 진행되기 때문에, 자극 코일(21)과 자기 거울(22)이 의자(23) 내에 함몰되어 설치되는 것이 일반적이다.Figure 10 shows the shape of the magnetic pole and the magnetic coil can be applied to the incontinence treatment device. Since urinary incontinence treatment using magnetic stimulation is most often performed by sitting in a chair, the stimulation coil 21 and the magnetic mirror 22 are generally recessed and installed in the chair 23.
도 11에는 물리치료장치에 적용될 수 있는 자극 코일 및 자기 거울의 형상을 나타냈다. 자기자극을 이용한 물리치료장치에서는 자극 코일이 인공팔과 같은 구조물에 부착되어 있는 것이 일반적이기 때문에, 자극 코일(25)과 자기 거울(26)이 인공팔(24)에 함께 부착되는 것이 바람직하다.Figure 11 shows the shape of the magnetic pole and the magnetic mirror that can be applied to the physical therapy apparatus. In the physical therapy apparatus using magnetic stimulation, since the stimulation coil is generally attached to a structure such as an artificial arm, the stimulation coil 25 and the magnetic mirror 26 are preferably attached together to the artificial arm 24.
자극 코일과 자기 거울의 밀착고정은, 전기적 비전도성 접착제나 실 또는 리본 등을 이용하여 갖가지 방법으로 행할 수 있다. 또한, 자극 코일에서 발생하는 열을 자기 거울을 통하여 냉각시키기 위해 자극 코일과 자기 거울 사이에 열전도성이 높은 물질을 삽입하는 것도 가능하다.The close fixing of the magnetic pole coil and the magnetic mirror can be performed by various methods using an electrically nonconductive adhesive, a thread, a ribbon, or the like. It is also possible to insert a material with high thermal conductivity between the magnetic coil and the magnetic mirror to cool the heat generated by the magnetic coil through the magnetic mirror.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 인체를 자기적으로 자극하여 신경이나 근육의 기능 진단, 요실금치료, 물리치료, 통증 완화 등 각종 질환의 치료, 그리고 비만 관리 등 인체 기능의 향상을 목적으로 사용되는 자극 코일의 효율을 향상시킴으로써, 사용되는 전력을 감소시키고, 발생하는 열량을 줄일 수 있는 자기 거울을 이용한 자극 코일을 제공할 수 있다.As described above in detail, the present invention is used for the purpose of magnetically stimulating the human body to diagnose the function of nerves or muscles, incontinence treatment, physical therapy, treatment of various diseases such as pain relief, and the improvement of human function such as obesity By improving the efficiency of the magnetic pole coil, it is possible to provide a magnetic pole coil using a magnetic mirror capable of reducing the power used and the amount of heat generated.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 여러 가지로 변형이 가능하다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the spirit and scope of the present invention described in the claims below.
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