KR20110047634A - 족하수 환자의 보행 보조를 위한 전기 자극장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교통사고, 산업재해, 뇌졸중으로 인하여 하지마비를 동반한 환자에게 일측 마비된 하지근의 위축을 방지하고 혈액순환을 촉진시키며, 상실된 족하수 기능을 회복시키는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치에 관한 것으로서, 전극고정벨크로를 매개로 고정된 전기자극기와, 상기 전기자극기를 제어하는 전기자극회로로 구성되고; 상기 전기자극회로는, 3축 가속도 센서와; 시스템 초기화시 상기 3축 가속도 센서의 초기 설정부분을 보정하고 수신 데이터를 분석하여 모드 상태를 파악하며, 입출력 포트를 통해 정전류 출력 및 자극 주파수, 펄스폭, 자극 시간 등을 조절하며, 각종 Key S/W, 알람(Alarm), 타이머 등을 통해 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU)와; 각 모드별 자극 패턴에 따라 마이크로프로세서에서 설정된 출력전류와 패턴으로 인체에 전기 자극을 가하는 정전류 회로부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 3축 가속센서를 사용하여 발 뒤꿈치가 지면에 떨어질 때와 지면에 닿을 때의 보행패턴을 감지하여 일측마비 환자의 보행시 발목을 위로 올려주는 비골신경에 전기자극 방법과 대퇴사두근에 전기자극의 시점을 인식하여 자극하는 방법으로 일측 마비 환자의 보행을 보조하기 위한 일체형 전기 자극장치로, 종래 발 뒤꿈치에 풋 스위치를 이용하여 발이 떨어지는 시간을 검출하고 풋 스위치의 마모에 따른 오작동과 자극케이블을 연결해야하는 불편함을 해소하는 효과를 가지고 있다.

족하수 환자, 전기 자극장치

Description

족하수 환자의 보행 보조를 위한 전기 자극장치{ELECTRICAL SRIMULATION APPRATUS FOR WORKING EXERCISE}

본 발명은 교통사고, 산업재해, 뇌졸중으로 인하여 하지마비를 동반한 환자에게 일측 마비된 하지근의 위축을 방지하고 혈액순환을 촉진시키며, 상실된 족하수 기능을 회복시키는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치에 관한 것이다.

일반적으로, 살아있는 조직에 전기를 가하면 신경세포에 활동전위(Action Potential)를 유발하는 등 다양한 효과를 나타낸다.

가령, 전기에 의해 유발된 자극은 신경시스템의 가지를 따라 퍼져나가는 방법을 사용하여 인체의 거의 대부분의 장기에 영향을 줄 수 있다.

이와 같은 원리를 이용하여 더 이상 자발적으로 제어하지 못하게 된 근육에 전기자극을 가함으로써 근육 수축을 유발하고, 기능적으로 유용한 움직임을 만들어 내는 작용을 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation)이라 한다.

종래부터 기능적 전기자극 시스템을 이용하여 교통사고나 산업재해, 중풍, 뇌졸증 등으로 하지근이 마비된 환자의 재활을 도와 왔는데, 이러한 기능적 전기자 극 시스템은 크게 삽입전극 전기자극 시스템과 표면전극 전기자극 시스템으로 나뉘어 진다.

상기 삽입전극 전기자극 시스템은 해당하는 근육 또는 해당근육을 관장하는 신경을 직접 자극하기 때문에 원하는 근육만 골라서 자극시킬 수 있고, 자극을 시작할 때마다 자극의 위치를 찾아야 하는 불편함이 없으며, 작은 용량의 전원으로도 필요한 근육의 수축을 유발할 수 있다.

그러나, 전극삽입을 위한 수술과정이 필요하고, 피부로 노출된 전선부위의 피부가 세균에 감염될 염려가 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 위생에 각별히 신경을 써야 한다는 불편함이 있으며, 체내에서의 전선의 부식과 전극위치의 변화에 따른 재수술이 불가피 하다는 문제점도 가지고 있다.

이와 같은 삽입전극 전기자극 시스템에 관한 기존의 제품은 미세전극을 마비근의 운동점에 직접 연결하는 경피 삽입술을 이용하여 각각의 근을 개별적으로 자극하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 이러한 방법은 정확한 동작을 수행할 수 있지만 삽입된 전극이 마비근에 고정되기 때문에 수술하여야 하는 경제적, 정신적인 부담과 함께 전술한 바와 같이 삽입된 전극이 피부로 돌출되는 부위에서 세균 감염의 우려가 있어 관리가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

상기한 삽입전극 전기자극 시스템의 단점 때문에 표면전극 전기자극 시스템이 개발되었다.

이 표면전극 전기자극 시스템은 삽입형과는 달리 피부의 표면에서 전기자극 을 가하기 때문에 전극의 착용이 쉽고, 세균감염의 우려가 없으며, 시술에 소요되는 경비가 적다는 장점이 있다.

반면에, 단점으로는 근육 하나하나를 구분하여 자극할 수 없기 때문에 미세동작을 제어할 수 없고, 고전압으로 전극을 가하는 관계로 배터리의 전력소모가 많다는 단점을 가지고 있다.

그러나, 다리마비 환자가 보행동작을 하고자 할 경우, 다리의 근육은 손의 근육보다 크고 복잡한 동작을 하지 않기 때문에 오히려 표피 자극형 전극이 환자에게 심리적 또는 경제적인 부담이 적고, 원하는 치료 및 보행보조의 목적을 수행할 수 있다.

이와 같은 표면전극 전기자극 시스템을 채용한 종래의 표면전극 전기자극기는 자극의 강도나 시간을 환자의 상태에 따라 바꾸게 하고, 정해진 순서에 따라 제어되는 열린 루프 제어방식(Open Loop Feedback System)을 사용하여 왔다.

이 열린 루프 제어방식의 가장 큰 문제점으로는 오랫동안 전기자극이 이루어질 때 근피로에 의해 근수축이 감소하게 되고, 이때 관절의 굽힘이 목표치에 도달하지 못한 상태에서 다음 자극이 이루어지는 문제점이 있었다.

왜냐하면, 전기자극은 마비근의 운동신경을 흥분시켜 신경전달 물질을 유리함으로써 근수축을 유도하기 때문에 근피로 현상이 쉽게 초래되기 때문이다.

종래의 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치는 발뒤꿈치에 풋 스위치 또는 풋 압력센서를 본체와 연결하여 보행할 때 발뒤꿈치가 떨어질 때 전경골근에 전기자극을 하여 발목을 위쪽으로 들어 올라가도록 하고 있다.

그러나 이러한 전기 자극장치는 풋 스위치를 발뒤꿈치에 부착해야 하는 불편함과 전경골근에 표면 전극을 부착하여 전기자극 케이블을 통해 본체 자극기 까지 연결해야 하고, 자극기 본체와 풋 스위치, 자극 케이블이 일체형이 아니므로 환자가 본체 자극기를 들고 다녀야하는 불편함과 자극 케이블이 노출됨에 따른 환자의 불편함 등이 문제시 되고 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 교통사고, 산업재해, 뇌졸중으로 인하여 하지마비를 동반한 환자에게 일측 마비된 하지근의 위축을 방지하고 혈액순환을 촉진시키며, 상실된 족하수 기능을 회복시키는 족하수 환자의 보행을 보조하기 위해 전기자극 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치는, 전극고정벨크로를 매개로 고정된 전기자극기와, 상기 전기자극기를 제어하는 전기자극회로로 구성되고; 상기 전기자극회로는, 3축 가속도 센서와; 시스템 초기화시 상기 3축 가속도 센서의 초기 설정부분을 보정하고 수신 데이터를 분석하여 모드 상태를 파악하며, 입출력 포트를 통해 정전류 출력 및 자극 주파수, 펄스폭, 자극 시간 등을 조절하며, 각종 Key S/W, 알람(Alarm), 타이머 등을 통해 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU)와; 각 모드별 자극 패턴에 따라 마이크로프로세서에서 설정된 출력전류와 패턴으로 인체에 전기 자극을 가하는 정전류 회로부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치의 상기 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 상의 변화를 정전용량의 변화로 감지하여 각 축 상의 속도변화를 SPI 통신을 통하여 마이크로컨트롤러로 전달하고, 상기 마이크로 컨트롤러는 프로그램화된 동작분석 프로그램을 통하여 각 모드별 특징을 파악하며 보행에 따른 X, Y, Z축 상의 속도변화를 분석하여 보행의 토우 온(toe on), 스윙 페이즈(swing phase), 토우 오프(toe off)와 같은 보행패턴을 인식하며, 해당 모드의 상승시점, 하강시점, 보행시작, 보행 끝의 보행 이벤트를 검출하고, 자동으로 자극패턴을 설정하여 전기자극을 가하는 시점을 결정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 정전류 회로부는 전원이 인가되면 인체에 전기자극을 주기 위해 고압을 D.C 로 만드는 승압회로와; 출력 전류를 조절하기 위한 정전류 조절부와; 자극 전류를 측정하기 위한 전류감지회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 3축 가속센서를 이용하여 우측접지기일 때 좌측유각기, 양하지 접지기, 우측 유각기일 때 좌측접지기, 양하지 접지기일 때 보행패턴을 분석하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 3축 가속센서를 사용하여 발 뒤꿈치가 지면에 떨어질 때와 지면에 닿을 때의 보행패턴을 감지하여 일측마비 환자의 보행시 발목을 위로 올려주는 비골신경에 전기자극 방법과 대퇴사두근에 전기자극의 시점을 인식하여 자극하는 방법으로 일측 마비 환자의 보행을 보조하기 위한 일체형 전기 자극장치로, 종래 발 뒤꿈치에 풋 스위치를 이용하여 발이 떨어지는 시간을 검출하고 풋 스위치의 마모에 따른 오작동과 자극케이블을 연결해야하는 불편함을 해소하는 효과를 가지고 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a 및 도 2b는 본 발명에 따른 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치를 부착한 상태를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명이 적용되는 보행패턴을 인식하기 위한 3축 가속센서부와 고주파 출력모듈 전기 자극장치를 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전극 고정 벨크로 및 전극 고정링을 도시한 사진이고, 도 4는 본 발명의 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치를 부착한 환자의 보행 패턴을 도시한 그래프이다.

상기 도 2에 도시된 전기 자극장치의 블록도에서 보는 바와 같이, 전기 자극장치는 크게 정전류 회로부와, 동작 분석부, 패턴 생성부로 나누어진다.

전기 자극장치의 전체적인 기능을 제어하는 장치는, ATMEL사의 8비트 원칩 마이크로 컨트롤러인 ATmega128에 의해 제어되며, 마이크로컨트롤러(MCU)는 시스템 초기화시 3축 가속도 센서의 초기 설정부분을 보정하고 수신 데이터를 분석하여 모드 상태를 파악하며, 입출력 포트를 통해 정전류 출력 및 자극 주파수, 펄스폭, 자 극 시간 등을 조절하며, 각종 Key S/W, 알람(Alarm), 타이머 등을 통해 시스템의 전반적인 동작을 제어한다.

여기서, 상기 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 상의 변화를 정전용량의 변화로 감지하여 각 축 상의 속도변화를 SPI 통신을 통하여 마이크로컨트롤러로 전달하며, 마이크로 컨트롤러는 프로그램화된 동작분석 프로그램을 통하여 각 모드별 특징을 파악하며 보행에 따른 X, Y, Z축 상의 속도변화를 분석하여 보행의 토우 온(toe on), 스윙 페이즈(swing phase), 토우 오프(toe off)와 같은 보행패턴을 인식하게 된다. 해당 모드의 각 시점 즉, 상승시점, 하강시점, 보행시작, 보행 끝의 보행 이벤트를 검출하고, 자동으로 자극패턴을 설정하여 전기자극을 가하는 시점을 결정한다.

상기 정전류 회로부는 전원이 인가되면 인체에 전기자극을 주기 위해 고압을 D.C 로 만드는 승압회로와, 출력 전류를 조절하기 위한 정전류 조절부, 자극 전류를 측정하기 위한 전류감지회로로 구성되며, 각 모드별 자극 패턴에 따라 마이크로프로세서에서 설정된 출력전류와 패턴으로 인체에 전기 자극을 가한다.

도 3은 본 발명에 구성되는 표면전극 및 본체 자극기를 부착하기 위한 구조물과 전기자극기와 연결되는 커넥터 구조물이며, 도 4에서는 3축 가속센서를 이용하여 우측접지기일 때 좌측유각기, 양하지 접지기, 우측 유각기일 때 좌측접지기, 양하지 접지기일 때 보행패턴을 분석할 수 있다.

상기 도 3의 표면전극 및 본체 자극기를 부착하기 위한 구조물과 전기자극기와 연결되는 커넥터 구조는 스트랩바 내부에 비골신경을 자극하기 위해 표면전극을 부착하고 자극케이블을 통해 원형 스트랩 밖으로 케이블을 뺀 후 원형 스트랩을 벌려 무릎에 밑 비골신경 부위에 끼워 넣은 후 스트랩으로 구조물을 고정한다.

외부에 부착된 벨크로를 통해 본체 뒷면에 벨크로를 부착하여 본체와 원형 스트랩 구조물과 쉽게 부착될 수 있도록 구성되어 있다. 대퇴사두근에 전기자극을 가하기 위해 벨크로 내부에 표면전극을 부착하고 벨크로 구조물로 대퇴사두근을 감아 쉽게 전극을 부착할 수 있는 구조물로 되어 있다.

상기 도 4는 3축 가속센서를 이용하여 우측접지기, 좌측유각기, 양하지 접지기, 우측 유각기 등의 보행패턴을 측정할 수 있다. 이때 피크와 피크 지점을 검출하여 1주의 보행패턴 시간을 계산하게 되며, 한 주기 보행패턴을 1/4의 시간을 분할하여 좌측유각기, 양하지 접지기, 우측 유각기, 양하지 접지기의 지점을 검출하게 된다.

이때 전기자극은 우측접지기를 지나 양하지 접지기가 시작될 때, 즉 풋 스위치로 비유하면 스위치가 OFF될 때 비골신경에 전기자극을 가해 발목을 들어올리며, 대퇴사두근에는 전기자극을 가하지 않는다.

양하지 접지기일 때 비골신경의 전기자극을 OFF하며, 대퇴사두근에는 전기자극을 가해 무릎을 펴는 역할을 하여 일측마비 환자가 무릎으로 지탱하기 힘든 상황에서도 적용가능하다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치를 부착한 상태를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명이 적용되는 보행패턴을 인식하기 위한 3축 가속센서부와 고주파 출력모듈 전기 자극장치를 도시한 블록도이고,

도 3은 본 발명에 따른 전극 고정 벨크로 및 전극 고정링을 도시한 사진이고,

도 4는 본 발명의 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치를 부착한 환자의 보행 패턴을 도시한 그래프이다.

Claims (4)

1. 전극고정벨크로를 매개로 고정된 전기자극기와,

   상기 전기자극기를 제어하는 전기자극회로로 구성되고;

   상기 전기자극회로는,

   3축 가속도 센서와;

   시스템 초기화시 상기 3축 가속도 센서의 초기 설정부분을 보정하고 수신 데이터를 분석하여 모드 상태를 파악하며, 입출력 포트를 통해 정전류 출력 및 자극 주파수, 펄스폭, 자극 시간 등을 조절하며, 각종 Key S/W, 알람(Alarm), 타이머 등을 통해 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU)와;

   각 모드별 자극 패턴에 따라 마이크로프로세서에서 설정된 출력전류와 패턴으로 인체에 전기 자극을 가하는 정전류 회로부로 이루어진 것을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 상의 변화를 정전용량의 변화로 감지하여 각 축 상의 속도변화를 SPI 통신을 통하여 마이크로컨트롤러로 전달하고, 상기 마이크로 컨트롤러는 프로그램화된 동작분석 프로그램을 통하여 각 모드별 특징을 파악하며 보행에 따른 X, Y, Z축 상의 속도변화를 분석하여 보행의 토우 온(toe on), 스윙 페이즈(swing phase), 토우 오프(toe off)와 같은 보행패턴을 인식하며, 해당 모드의 상승시점, 하강시점, 보행시작, 보행 끝의 보행 이벤트를 검출하고, 자동으로 자극패턴을 설정하여 전기자극을 가하는 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 정전류 회로부는 전원이 인가되면 인체에 전기자극을 주기 위해 고압을 D.C 로 만드는 승압회로와;

   출력 전류를 조절하기 위한 정전류 조절부와;

   자극 전류를 측정하기 위한 전류감지회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 3축 가속센서를 이용하여 우측접지기일 때 좌측유각기, 양하지 접지기, 우측 유각기일 때 좌측접지기, 양하지 접지기일 때 보행패턴을 분석하는 것을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기 자극장치.

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