KR20130142133A - 말초신경병증을 겪는 환자를 위한 정상 보행 회복용 비-침습성 진동촉감형 의료 장치 - Google Patents

말초신경병증을 겪는 환자를 위한 정상 보행 회복용 비-침습성 진동촉감형 의료 장치 Download PDF

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KR20130142133A
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블레인 톰린슨
데이비드 에크하우스
다니엘 비. 에드니
로이스 럼세이
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워크조이, 인코포레이티드
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Abstract

균형 및 보행 능력을 회복시키기 위해서 환자가 착용할 수 있는 편안하고 개별적인 의료 장치가 제공된다. 그 의료 장치는 환자의 뒷꿈치가 지면에 지금 막 부딪힌 환자를 경고하기 위해서 무릎 주위의 건강한 신경들에 대한 2차 신호를 환자에게 제공함으로써 감각운동 루프를 재건시키도록 구성된다. 이와 관련하여, 상기 장치는 환자의 뒷꿈치가 지면과 부딪친 때를 검출하고 뒷꿈치와 지면 부딪힘의 검출시 2차 신호, 즉 진동촉감 자극을 송신할 때를 검출하기 위해서 환자의 다리 운동을 감시한다. 중앙 신경 시스템은 새로운 신호를 합치며 모터 시스템은 발들에 감각의 손상이 없는 것처럼 반응하여 시스템의 정상 보행으로 복귀한다.

Description

말초신경병증을 겪는 환자를 위한 정상 보행 회복용 비-침습성 진동촉감형 의료 장치 {NON-INVASIVE VIBROTACTILE MEDICAL DEVICE TO RESTORE NORMAL GAIT FOR PATIENTS SUFFERING FROM PERIPHERAL NEUROPATHY}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2011년 4월 11일자로 출원된 미국 가출원 번호 61/474,215호의 이득을 주장한다.
정부 후원 연구/개발에 관한 진술 : 적용 안 됨
1. 발명의 분야
본 발명은 일반적으로 환자에 있어서 보행을 회복시키기 위한 의료 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는 보행과 균형을 회복시키기 위한 목적을 위해 환자에게 고유수용성 피드백(proprioceptive feedback)을 제공하도록 환자의 다리에 진동촉감력(vibrotactile force)을 부여하는 비-침습성 의료 장치(non-invasive medical device)에 관한 것이다.
2. 종래 기술의 설명
2천 백만명의 미국인들을 포함한 2억 2천만 명 이상이 전 세계적으로 말초신경병증을 겪고 있다. 말초신경병증은 정보를 뇌로부터 척수로 그리고 척수로부터 뇌로 전달하고 또한 척수로부터 신체의 나머지 부위로 전달하는 신경들에 영향을 끼친다. 천만 명 이상의 미국인들에서, 말초신경병증은 근육들을 제어하기 위한 감각의 손실 및 무능력을 초래하며, 이는 차례로 서툰 보행, 균형, 빈번한 넘어짐들 및 족부 궤양들을 일으킨다. 일반적으로, 말초신경병증을 겪고 있는 환자들의 1/3은 당뇨병 환자들이며, 1/3은 암 환자들, 자가면역질환 환자들, 척수 손상 환자들이며, 나머지 1/3은 원인이 알려지지 않았다. 통상적으로 백오십만 명 이상의 새로운 환자들이 매년 진단받고 있다.
말초신경병증 환자들은 낙상할 가능성이 23배 더 높으며 만성 낙상자(chronic faller)들이 될 가능성이 6배 더 높다. 낙상들은 매년 의료 비용의 약 260억 달러를 차지한다. 전반적으로, 말초신경병증은 미국 의료 체계에 매년 약 480억 달러의 비용을 지불하게 한다.
정상적인 인간 보행 중에, 발로부터 피부 피드백의 전달에는 통상적으로 정상적인 보행과 균형을 유지하는 것이 필연적이다. 발로부터 비-침해수용성 피부 피드백은 발바닥에서 기계적 자극 수용기(mechanoreceptor)들을 통해서 정상적으로 변환되어서 구심성 신경 섬유들(afferent nerve fibers)을 통해서 전달된다.
말초신경병증을 겪는 환자들에서 신경 섬유들의 기능적 손상이 있으며, 이는 보통 회복 불가능하며 보행과 균형 장애들을 초래한다. 말초신경병증과 흔히 관련된 다른 문제점은 족부 궤양들의 발전 위험을 증가시킨다는 점이다. 더 구체적으로, 말초신경병증 및 관련 보행 장애를 겪고 있는 당뇨병 환자들의 발로부터의 피부 피드백의 감소는 인간 보행 중에 비정상적인 평면 압력의 전개를 초래할 수 있다. 비정상적인 평면 압력은 발에 비정상적인 반복 응력을 초래하며 따라서 족부 궤양들의 발전 위험성을 증가시킨다.
전술한 설명으로부터 분명하듯이, 말초신경병증 및 말초신경 손상을 겪고 있는 환자들에서 보행 및 균형 능력을 향상시키기 위해서 이들 환자들로의 감각 피드백을 전달하기 위한 효과적인 치료가 본 기술 분야에 필요하다. 본 발명은 이후에 더욱 구체적으로 논의되는 바와 같이 이러한 특정 필요성에 대해 다룬다.
본 발명은 균형 및 보행 능력을 회복시키기 위해서 환자가 착용할 수 있는 편안하고 개별적인 의료 장치를 제공한다. 그 의료 장치는 환자의 뒷꿈치가 지면에 지금 막 부딪힌 환자를 경고하기 위해서 무릎 주위의 건강한 신경들에 대한 2차 신호를 환자에게 제공함으로써 감각운동 루프를 재건시키도록 구성된다. 이와 관련하여, 상기 장치는 환자의 뒷꿈치가 지면과 부딪친 때를 검출하고 뒷꿈치와 지면 부딪힘의 검출시 2차 신호, 즉 진동촉감 자극을 송신할 때를 검출하기 위해서 환자의 다리 운동을 감시한다. 중앙 신경 시스템은 새로운 신호를 병합하며 모터 시스템은 발들에 감각의 손상이 없는 것처럼 반응하여 시스템의 정상 보행으로 복귀한다. 이와 관련하여, 상기 장치는 모터 제어를 계속함이 없이 환자가 균형과 보행 능력을 회복할 수 있게 한다.
일 실시예에 따라서, 의료 장치는 환자의 다리에 착용할 수 있도록 구성된 하우징을 포함한다. 상기 장치는 하우징에 연결된 진동 요소를 더 포함하며, 진동 요소의 적어도 일부분은 하우징 개구를 통해서 이동할 수 있어서 환자의 다리에 진동력을 부여한다. 제어 유닛이 하우징에 연결되고 진동 요소와 작동가능하게 통신한다. 제어 유닛은 환자의 보행과 관련된 다리 운동들을 검출하며 진동 요소를 작동시키기 위한 발의 충돌의 검출에 반응하여 작동 신호를 발생시키도록 구성된다.
제어 유닛은 발의 충돌을 검출하기 위해서 환자의 보행 중에 환자의 다리의 회전을 측정할 수 있다. 제어 유닛은 또한, 발의 충돌을 검출하기 위해서 환자의 보행 중에 환자의 다리의 가속을 측정할 수 있다. 제어 유닛은 1 ~ 3 개의 축들에 따른 가속을 검출하도록 구성되는 가속도계를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 복수의 프로그램된 보행 세팅들 중에 하나에 따른 다리 운동들을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛은 복수의 프로그램된 보행 세팅들 사이에서 사용자가 선택적으로 스위칭할 수 있도록 구성될 수 있다.
하우징은 사용 중에 환자의 다리의 경골 결절(tibia tubercle) 근처에 위치될 수 있도록 구성될 수 있다.
진동 요소는 영구 자석 및 권선을 포함할 수 있다. 진동 요소는 약 250 ㎐에서 진동력을 부여할 수 있도록 구성될 수 있다. 진동 요소는 약 10 내지 200 ms 동안 진동력을 부여할 수 있다. 진동 요소는 약 10 내지 40 ms의 상승 시간(rise time)을 형성하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 첨부 도면들과 관련하여 읽을 때 다음의 상세한 설명을 참조로 가장 잘 이해된다.
본 명세서에 기재된 다양한 실시예들에 대한 이들 및 다른 특징들 및 장점들은 동일한 도면 부호들이 전반에 걸쳐서 동일 부품들을 지칭하는 다음의 설명 및 도면들에 관해서 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 환자의 다리가 이점 쇄선으로 도시된, 환자의 다리 상에 도시된 보행 회복 의료 장치의 실시예에 대한 상부 사시도이며,
도 2는 의료 장치의 분해 상부 사시도이며,
도 3은 의료 장치 내에 사용된 제어 유닛의 개략도이며,
도 4는 환자에게 진동 자극을 부여하도록 의료 장치 내에 사용되는 진동 요소의 실시예이며,
도 5는 의료 장치 내에 사용되는 진동 요소의 제 2 실시예이다.
이후에 제시되는 상세한 설명은 본 발명의 현재 바람직한 실시예에 대한 설명으로 의도된 것이며 단지 본 발명이 구성되거나 이용되는 형태만을 제시하려고 의도된 것이 아니다. 이후 설명은 본 발명을 구성하고 작동시키기 위한 단계들의 시퀀스 및 기능들을 제시한다. 그러나, 동일하거나 균등한 기능들 및 시퀀스들이 상이한 실시예들에 의해 달성될 수 있으며 또한 본 발명의 범주 내에 포함되도록 의도된 것임이 이해될 것이다.
이후 도면들을 참조하면, 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하기 위한 목적이며 이를 제한하기 위한 목적이 아니며, 도 1을 먼저 참조하면 말초신경병증을 겪는 환자들에서 정상 보행을 회복시키기 위한 비-침습성, 진동촉감 의료 장치(10)가 도시되어 있다. 일반적으로, 상기 장치(10)는 환자의 경골 결절 근처에 있는 환자의 다리에 진동촉감 자극을 부여하도록 구성된다. 진동촉감 자극은 감마 원심성 피드백 루프(gamma efferent feedback loop)를 재교육함으로써 고유수용감각(proprioception) 및 운동감각(kinesthesia)을 복원시키도록 의도된 것이며, 상기 피드백 루프는 말초신경병증 환자들뿐만 아니라 다른 신경 손상 증후군들(즉, PNS 및 CNS)을 겪는 환자들에서 통상적으로 약화된다. 상기 장치(10)는 또한, 환자의 보행과 관련된 다리 운동을 감시하고 검출된 뒷꿈치 충돌 동안과 같은 환자의 보행 사이클의 일정한 특정 지점에서 진동촉감 자극 펄스를 발생하도록 구성된다. 상기 자극은 환자의 발들에서의 느낌의 손실을 보상하고 고유수용감각을 복원하도록 의도된다.
명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "보행"은 인간의 수족을 사용하여 걸음걸이를 달성하는 방식을 지칭하는데 사용된다. 상이한 보행들은 수족 운동 패턴들, 전체 속도, 힘들, 운동 및 잠재 에너지 사이클들, 및 표면(즉, 지면, 바닥 등)과의 접촉시 변화들에 있어서의 차이들에 의해 특징지워진다.
용어 "고유수용감각"은 신체가 요구된 노력에 의해 이동되고 있는지 뿐만 아니라, 신체의 다양한 부위들이 서로에 대해 위치되어 있는지를 확인하기 위해서 신체의 이웃 부위들의 상대 위치에 대한 감각을 지칭하는데 본 명세서에서 사용된다.
또한, 용어 "운동감각"은 사람의 정지 균형(person stay balance)에 도움을 주고 그의 또는 그녀의 운동들을 조화시키는데 도움을 주는데 사용되는, 근육들 및 관절들 내의 감각 기관들[고유수용체(proprioceptors)]에 의해 신체의 부위들의 위치 및 운동에 대한 인식을 지칭한다.
일 실시예에 따라서, 상기 장치(10)는 제 1 몸체(14)(도 2 참조) 및 제 2 몸체(16)(도 2 참조)를 포함하는 하우징(12)을 포함한다. 제 1 및 제 2 몸체(14,16)들은 이들 간의 결합을 허용하는 상보적인 체결 부재들을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제 1 하우징 몸체(14)는 제 2 하우징 몸체(20) 상에 형성된 한 쌍의 결합 태브(20)들 중 각각 하나를 수용하는 크기의 한 쌍의 구멍(18)들을 포함한다. 본 기술 분야의 당업자들은 도면들에 도시된 제 1 및 제 2 몸체(14,16)들 간의 구멍-태브 결합이 단지 사실상의 예시적인 것이며 본 기술분야에 공지된 다른 결합 수단이 제 1 및 제 2 몸체(14,16) 간의 결합을 실행하는데 사용될 수 있다.
제 1 및 제 2 몸체(14,16)들은 사출 성형을 포함한 다양한 제작 방법들에 의해 형성될 수 있으며 다양한 플라스틱들(즉, Kydex, PVCA 등)을 포함한 생체 적합 재료 또는 본 기술 분야의 당업자들에게 공지된 다른 생체 적합 재료로부터 형성될 수 있다.
상기 장치(10)는 환자의 다리(24) 상의 적절한 위치에 상기 장치(10)를 부착하기 위해 하우징(12)에 연결되는 스트랩(22)을 더 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, 상기 장치(10)는 경골 결절 근처에 진동촉각 자극을 부여하도록 구성되며, 따라서 스트랩(22)은 경골 결절 근처의 환자 다리 상에 하우징(12)을 고정하는데 사용된다. 예시적인 실시예에서, 스트랩(22)은 하우징(12)의 반대쪽에 형성된 한 쌍의 슬롯(26,28)들을 포함하는 제 2 몸체(16)에 연결되며, 상기 슬롯을 통해서 스트랩(22)이 전진된다. 스트랩(22)은 스트랩(22)의 일단부에 인접한 슬롯(26,28)들 중 하나에 고정될 수 있으며 슬롯(26,28)들 중 다른 하나를 통해서 선택적으로 조정될 수 있어서 스트랩(22)이 착용자 다리의 특정 크기로 될 수 있게 한다. 특히, 조정가능한 단부는 상기 장치(10)를 환자에 적절히 연결하기 위해서 착용자 다리 상에 스트랩(22)을 죄는데 사용될 수 있다. 스트랩(22)은 환자의 다리에 스트랩(22)을 고정하기 위해서 후크와 루프 체결기들, 즉 VELCRO(등록상표), 또는 본 기술 분야의 당업자들에게 공지된 다른 기계식 체결기들을 사용할 수 있다. 스트랩(22)은 또한, 환자에 대한 부착뿐만 아니라 다양한 환자 크기들에 대한 사용을 촉진시키기 위한 용이한 조종성을 허용하도록 구성된다.
상기 장치(10)는 환자에게 진동촉각 자극을 부여하는 진동 요소(30)를 더 포함한다. 도 2에 도시된 예시적인 진동촉각 요소(30)는 제 2 몸체(16) 내에 형성된 오목부 내에 적어도 부분적으로 체류하는 원통형 형상의 요소이다. 이에 관하여, 제 2 몸체(16)는 기저부 벽(27)으로부터 연장하는 오목한 벽(25)을 포함하며, 여기서 오목한 벽(24)은 진동 요소(30)가 내부에 체류하는 오목부를 형성한다.
상기 장치(10)는 추가로, 장치(10)에 대한 전력과 제어를 제공하기 위한 배터리(32)와 제어 유닛(34)을 포함한다. 배터리(32)와 제어 유닛(34)은 제 1 및 제 2 몸체(14,16)들에 의해 공동으로 형성되는 외피 내부에 배치된다. 제어 유닛(34)은 제어 기저부 판(36) 및 그 제어 기저부 판(36)에 연결되는 유저 인터페이스를 포함한다. 유저 인터페이스는 제어 버튼(38) 및 표시등(40)을 포함한다. 제어 유닛(34)은 이후에 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 원격 데이터 전송 유닛 및 원격 전력 유닛과 같은 외부 리소스들과 통신하기 위한 데이터 및 전력 포트(42)를 더 포함한다. 제어 유닛(34)이 하우징(12) 내부에 놓일 때, 제어 버튼(38), 표시등(40), 그리고 데이터 및 전력 포트(42)가 제 1 몸체(14) 내부에 형성된 각각의 개구(39,41,43)들과 정렬된다.
이후 도 3을 참조하면, 감지 모듈(44), 데이터 저장 모듈(46), 프로세서(48), 및 제어 유닛 포트(45)를 포함하는 제어 유닛(34)의 개략도가 도시되어 있다. 감지 모듈(44)은 환자의 보행 중에 다리 운동을 검출하고 그 정보를 프로세서(48)와 통신하도록 구성된다. 프로세서(48)는 레그 운동 중 환자 보행에 대한 다양한 단계들을 확인하도록 상기 정보를 처리한다. 프로세서(48)는 환자를 자극시키기 위한 작동 신호를 발생하도록 구성된다. 작동 신호는 제어 유닛 포트(45)를 통해서 진동 유닛(30)과 통신된다.
다양한 실시예들에 따라서, 감지 모듈(44)은 보행 중 환자 다리의 가속/감속을 측정하기 위한 미세-전자-기계시스템(MEMS) 가속계를 포함한다. 예시적인 감지 모듈은 3개 축 상에서 ± 2g를 측정할 수 있다. 감지 모듈(44)은 환자 다리의 각운동을 측정하기 위한 자이로(gyro)를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 자이로는 무릎 축선을 중심으로 ± 300°/초를 측정하도록 구성된 MEMS 자이로이다.
본 기술 분야의 당업자들은 진동촉각 자극이 환자의 보행 사이클 전반의 다양한 지점들에서 환자에게 부여될 수 있음을 용이하게 이해할 것이다. 자극의 타이밍은 환자의 특정 보행 사이클에 의존할 것이다. 예를 들어, 자극은 발을 끌지 않는 환자에 비해서 발을 끄는 환자에 대해 다르다. 제어 유닛(34)은 환자의 특정 보행 사이클에 일치시키도록 장치(10)의 작동을 적응시키기 위한 여러 개의 미리-프로그램된 세팅들을 가질 수 있다.
일 실시예에 따라서, 진동촉각 자극은 보행 중의 뒤꿈치 충돌 부위가 검출될 때 발생된다. 따라서, 제어 유닛(34)은 뒤꿈치 충돌이 생길 때를 검출한다. 이들 방침들을 따라서, 프로세서(48)는 힐 충돌이 생길 때를 결정하는데 사용되는 알고리즘을 포함한다. 일반적으로, 알고리즘에 대한 입력 값들은 감지 모듈(44)에 의해 측정된 이동들뿐만 아니라 시간 입력 값이다. 출력 값은 진동 요소(30)가 생성해야 할 진동 세기에 대응하는 신호 값이다.
알고리즘의 핵심 특징은 환자의 발과 지면의 부딪힘에 반응하는 진동 출력의 단 펄스를 발생시킨다는 점이다. 이러한 충돌은 실질적으로 수직 가속계 출력인 변수를 임계값에 비교함으로써 일반적으로 검출된다. 다수의 실시예에서, 알고리즘은 발들의 충돌과 (상반된 발의 충돌들을 발생하는 것들뿐만 아니라 보행 사이클 중의 다른 단계들과 같은)다른 가속들 사이를 구별한다. 이러한 구별은 다리의 회전 속도 또는 회전량을 임계값에 비교한 후에 회전 임계값에 미리 도달된 이후에 발생하는 충돌에만 반응시킴으로써 달성될 수 있다.
일 구현예에서, 환자 다리의 중력 벡터가 두 개의 평면들 내에서 추적된다. 발들의 충돌은 두 평면들 내의 중력 벡터를 초과하는, 이러한 평면에서 0.5 g를 추가하는 것으로 검출된다. 뒤꿈치 가격은 무릎 축선에서 50°/초 초과의 후향 회전 이후에 발들의 충돌이 발생하는 경우에 검출된다.
장치(10)에 사용될 수 있는 알고리즘들의 특정 예들이 이후에 드러난다. 이후의 알고리즘들은 전적으로 단지 예시적인 것일 뿐이며 이에 본 발명이 한정되지 않음이 이해될 것이다.
공통 비트(common bit):
1. 샘플링 인터벌 동안 대기 후에 수직 방향의 가속계(AccY), 전방 방향 가속계(AccZ) 및 X 평면의 자이로(GyroX)로부터의 입력 값들을 판독 및 필터링하며;
2. CombinedAcc = sqrt( AccY* AccY + AccZ* AccZ) - GravityAmount;
3. 만일, GyroX > GXSwingThresh이면 CountDown = 인터벌로 설정;
4. 만일, SenseCountDown > 0 및 GyroX < GXSwingThresh이면 스윙 플래그(swing flag)로 설정되며, 그렇지 않으면 클리어(clear) 스윙 플래그로 설정되며;
5. 만일, SenseCountDown > 0이면 스윙 플래그로 설정된다.
GravityAmount는 일정한 값일 수 있거나, 스텝 주파수(step frequency) 보다 상당히 낮은 대역폭들, 예를 들어, 약 0.5 ㎐를 갖는 임의의 다양한 저역 통과 필터를 적용함으로써 CombinedAcc로부터 작동 중에 알려질 수 있다.
CombinedAcc는 정상 보행들에서 수직 충돌들 및 운동들이 전방의 충돌들 및 운동들보다 상당히 더 크기 때문에 수직 가속에 의해 실질적으로 결정된다.
알고리즘 1
6. 스윙 플래그가 설정되고 CombinedAcc > CombinedAccThreshold이면 진동촉감 작동기 시퀀스 및 클리어 스윙 플래그가 시작하며;
7. 상기 1로부터 반복된다.
일단 시작되면, 진동촉감 작동기 시퀀스가 80 ms(10 내지 200 ms의 감지 범위일 수 있는)의 기간 동안 250 ㎐ 출력을 생성한다. 명료함을 위해, 주파수를 발생하고 기간을 타이밍시키는 수단은 설명되지 않으나 본 기술분야의 당업자에게는 자명한 것이다.
알고리즘 2
6. CombinedAcc > AYImpactThresh이면 EngSum = EngSum + (CombinedAcc - AYImpactThresh)이며;
7. 스윙 플래그가 설정되고 EngSum > MinValBuzz이면, EngSum - MinValBuzz에 비례하도록 진동촉각 작동기 출력을 설정하며;
8. 상기 1로부터 반복된다.
진동촉각 작동기 출력 알고리즘은 80 ms의 기간 동안 가장 최근에 할당된 세기에서 출력한다. 스윙 플래그가 그 이후에 클리어된다.
알고리즘 3
6. 스윙 플래그가 설정되면 CombinedAcc - AYImpactThresh에 비례하도록 진동촉감 작동기 출력을 설정하며;
7. 상기 1로부터 반복된다.
진동촉각 작동기 출력은 임의의 다수의 방정식들을 사용하여 비례화될 수 있다. 예를 들어: PWMPercentage = 100*(X-MinValBuzz)/(MaxValBuzz - MinValBuzz)
뒤꿈치 가격을 검출하는 것 이외에도, 알고리즘의 다양한 실시예들은 또한, 다른 상황들을 검출할 수 있다. 예를 들어, 알고리즘은 환자에 대한 낙상들이나 다른 잠재적인 외상 상황(trauma event)들을 나타낼 수 있는 급작스런 충돌들을 검출하도록 작동될 수 있다. 이러한 검출은 가속계 신호들을 하나 이상의 임계값에 비교하고, 임계값을 초과하는 외상 상황을 검출함으로써 달성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 알고리즘은 가속계 신호들을 하나 이상의 임계값에 비교하고, 또한 장치의 방위가 실질적으로 변경되었는지를 결정하도록 2 축들로부터의 가속계 신호들을 비교한다. 예를 들어, 알고리즘은 환자의 다리가 실질적으로 수직 방위로부터 실질적으로 수평 방위로 변경되었는지를 검출할 수 있다. 낙상이나 다른 외상 상황이 검출되면, 장치(10)는 정상 작동을 중지할 것이며 비상 알람 신호(즉, 비프/버저와 같은 가청 신호 또는 비상 반응 팀에게로의 무선 통신 신호)를 통신할 수 있다.
위에 나타낸 바와 같이, 정상 작동 조건들 하에서의 바람직한 실시예에 있어서 뒤꿈치 가격이 검출된 때 프로세서(48)는 진동 요소(30)를 작동시키기 위한 작동 신호를 발생시키도록 구성된다. 이제, 도 4를 구체적으로 참조하면, 하우징 몸체(52) 및 하우징 몸체(52) 내에 배치되고 하우징 몸체에 대해 이동가능한 가동 요소(54)를 포함하는 진동 요소(30)의 일 실시예에 대한 횡단면도가 도시되어 있다. 가동 요소(54)는 1차 자석(56) 및 1차 자석(56)에 연결되는 플랜지 요소(58)를 포함한다. 1차 자석(56)은 말단부(60) 및 대향하는 기단부(62)를 포함하며, 플랜지 요소(58)는 기단부(62)에 연결된다. 플랜지 요소(58)는 하우징 몸체(52) 내에 위치된 플랜지 개구(65) 내에 배치된다.
진동 요소(30)는 보호 코일 커버링(66) 내에 위치되는 1차 코일(64)을 더 포함한다. 코일 커버링(66)은 내측 개구(68)를 포함하는 사다리꼴 형상을 형성한다. 2차 자석(70) 및 상호연결 판(72)은 내측 개구(68) 내에 배치된다. 2차 자석(70)은 제 1 단부 및 대향하는 제 2 단부(76)를 포함한다. 상호연결 판(72)은 제어 유닛(34)에 연결되는 와이어 리드(78)들 및 1차 코일(64)로 연장하는 와이어 리드(80)들을 포함한다. 그러므로, 전력은 제어 유닛(34)으로부터 상호연결 판(72)으로, 그 후에 1차 코일(64)로 통신될 수 있다.
진동 요소(30)는 2차 자석(70)에 대한 1차 자석의 자기 인력/척력의 결과로써 진동력을 발생한다. 이에 관하여, 2차 자석(70)의 극성은 1차 코일(64)을 통해 전류를 교류시킴으로써 스위칭될 수 있다. 따라서, 1차 코일(64)에 교류(AC)가 공급되면, 전류는 1차 코일(64) 내의 방향들을 일정하게 변경시키며, 그에 의해서 2차 자석(70)의 극성을 변경시킨다.
가동 요소(54)는 말단부(60)가 환자의 다리(24)에 결합하는 환자 결합 위치와 말단부(60)가 환자의 다리(24)로부터 이격되는 수축 위치 사이에서 하우징 몸체(52)에 대해 이동가능하다. 가동 요소(54)가 환자 결합 위치에 있을 때, 플랜지 요소(58)는 하우징 몸체(52)의 접촉 표면(67)과 결합할 수 있음으로써 2차 자석(70)으로부터 멀어지고 환자의 다리(24) 쪽으로 향하는 추가의 운동을 제한한다. 또한, 가동 요소(54)가 수축 위치에 있을 때, 플랜지 요소(58)는 코일 커버링(66)과 결합할 수 있음으로써 2차 자석(70) 쪽으로의 가동 요소(54)의 추가 운동을 정지시킨다.
일 실시예에 따라서, 1차 자석(56)은 자기 상호작용이 1차 자석(56)의 관성을 극복하기에 충분한 힘을 발생시켜서 환자의 피부를 자극하는 1차 자석의 충분한 운동을 생성하기에 충분히 낮은 집합체를 형성한다.
진동 요소(30)는 1차 자석(56)과 상호작용하는 스프링을 포함할 수 있다. 스프링은 1차 자석(56)의 집합체가 대략의 의도된 진동 주파수에서 자연스럽게 기계적으로 공명할 정도의 스프링 상수를 포함할 수 있다.
이제, 도 5를 참조하면 진동 요소(30)의 다른 실시예가 도시되어 있으며, 주된 차이점은 가동 요소와 관련이 있다. 특히, 도 5에 도시된 가동 요소(82)는 1차 자석(84)인데, 1차 자석이 그에 연결된 몰딩 층(86)을 갖는다는 점이다. 몰딩 층(86)은 1차 자석(84)을 적어도 부분적으로 둘러싸고 진동 요소 몸체 내에 형성된 포켓(90) 내에 체류하는 플랜지(88)를 형성한다. 플랜지(88)는 가동 요소(54)와 관련하여 전술한 플랜지 요소(58)와 동일한 기능을 수행한다.
진동 요소(30)에 의해 부여된 진동촉각 자극은 2차 신호를 환자에게 제공함으로써 감각운동기 루프를 무릎 주위의 건강한 신경들에 재설정시킨다. 신호는 환자의 뒤꿈치가 지면을 막 가격했음을 환자에게 경고한다. 진동촉각 자극은 바람직하게, 무릎 주위의 파시니 소체(pacinian corpuscle)들에 가한다. 이들 소체들은 통상적으로 말초신경병증에 영향을 주지 못하며 중앙 신경체계로의 전용 경로를 가진다. 환자의 중앙 신경 체계는 새로운 신호를 병합하며 환자의 모터 시스템는 발들에서 감각의 손상이 없는 것처럼 반응하며, 따라서 보행에 대한 환자의 정상 패턴으로 돌아온다.
위에서 나타낸 바와 같이, 장치(10)는 장치(10)의 사용과 관련된 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 모듈(46)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장 모듈(46)은 장치(10)에 의해 검출된 뒤꿈치 가격의 수를 기록하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 데이터 저장 모듈(46)은 예를 들어, 환자의 사용 시간, 사용 패턴들, 사용 기간들, 및 후 접근을 위한 사용 주파수를 나타내는 데이터를 기록할 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장 모듈(46)은 예정 시간 인터벌들에서 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 시간 인터벌들은 1분 미만으로부터 하루 초과까지의 범위일 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서 데이터 저장을 위한 시간 인터벌은 대약 10 내지 15분이다.
각각의 시간 인터벌의 끝에서 기록된 데이터는 장치(10)의 작동 상태뿐만 아니라 그러한 인터벌 내에서 검출된 단계들의 수를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기록된 데이터는 또한, 외상 상황이 그러한 인터벌 내에서 검출되었는지를 나타낼 수 있다. 작동 상황은 장치가 스탠바이(STANDBY) 모드에 있는지 그렇지 않은지, 또는 장치(10)가 배터리 충전 중에 있는지를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서 장치(10)는 저장 메모리 내에 각각의 단계와 관련된 시간 스탬프(time stamp)를 저장한다. 시간 스탬프는 20 밀리세컨드 미만의 해상도를 가질 수 있으며 랜덤 어세스 메모리에 회전 버퍼(rotating buffer)로 기록될 수 있다. 일 구현예에 따라서, 회전 버퍼는 256 타임스탬프들을 기록한다. 이러한 타이밍 데이터는 스트라이드 타임들(stride times)(예를 들어, 제어 환경)에서 변수들에 접근하는데 사용된다.
환자 또는 의료 전문가는 데이터 및 전력 포트(42)를 통해서 기록된 데이터를 다운로드할 수 있다. 예를 들어, 환자 또는 의료 전문가는 외부 컴퓨터 장치(즉, PC, 랩톱, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, PDA 등)를 사용할 수 있으며 USB 포트, 즉 데이터 및 전력 포트(42)를 사용하여 데이터를 요청할 수 있다. 데이터는 컴퓨터의 스크린 상에 사용자에게 제시될 수 있다. 컴퓨터는 또한, 데이터베이스 또는 다른 그와 같은 의료 기록 유지 시스템에 데이터를 전송하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터는 장치(10)에 의해서 기록된 데이터에 관한 추가 분석을 수행하도록 추가로 구성될 수 있다. 컴퓨터는 그래픽 방식으로 기록된 데이터의 추가 분석의 결과들 또는 데이터를 제시하도록 추가로 구성될 수 있다. 일단 데이터가 장치(10)로부터 다운로드되면, 뒤꿈치 카운트가 0으로 리셋될 수 있으며 임의의 다른 데이터가 삭제 또는 리셋될 수 있다.
전력은 배터리(32)로부터 장치(10)로 공급될 수 있다. 일 실시예에 따라서, 배터리(32)는 1.5 Whr 리튬 이온 폴리머 재충전가능한 배터리이다. 통상적인 배터리의 레이팅(rating)은 17000 단계들 또는 36 시간의 작동 시간에 대해 충분하다. 이는 적어도 6일의 사용 기간 동안 지속되리라 예상된다. 배터리(32)는 500 충전/방전 사이클들에 대해 30%의 최대 용량 손실을 가질 수 있으며, 따라서 5년 이상 동안 전술한 요건들을 만족시킬 수 있다.
충전 중에 장치(10)는 충전 중에 연결된 전력 소스로부터 100 mA까지 공급받도록 구성될 수 있다. 장치(10)는 배터리(32)가 풀 상태인 때 충전을 마치며 연속적으로 연결된 상태로 놔두어도 배터리(32)를 과충전시키지 않을 것이다. 배터리(32)는 10 시간 미만에서 완전 충전될 수 있다.
데이터 및 전력 포트(42)는 장치(10)와 원격 컴퓨터 장치 사이의 통신 경로를 설정하고 배터리를 재충전하기 위해 전력을 장치(10)에 전달하기 위한 플러그 연결가능한 케이블과 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 원격 컴퓨터 장치는 데스트톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, PDA, 스마트 폰 또는 본 기술 분야의 당업자들에게 공지된 다른 컴퓨터 장치를 포함할 수 있다. 플러그 연결가능한 케이블은 원격 컴퓨터 장치 상의 USB 포트에 연결하기 위한 USB 플러그를 포함할 수 있으나, 다른 구성들의 플러그들이 또한 사용될 수 있다.
또한, 장치(10)는 정보를 무선으로 통신하는 것을 또한 생각할 수 있다. 예를 들어, 장치(10)는 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 또는 다른 원격 컴퓨터 장치로 데이터를 업로드하도록 구성될 수 있다. 이들 방침들을 따라서, 블루투스(등록상표), 적외선, 와이파이, RF, 또는 다른 무선 통신 수단을 포함한, 본 기술 분야에 공지된 다양한 무선 통신 프로토콜들을 통해서 무선 통신이 발생할 수 있다.
제어 버튼(38)은 환자에 의해 착용될 때 접근이 쉽도록 장치(10) 상에 위치된 푸시 버튼이다. 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제어 버튼(38)은 하우징(12)의 상부로 향하는 표면을 통해 연장한다. 제어 버튼(38)은 오프 상태와 온 상태 사이에 장치(10)를 고정하는 푸시 버튼일 수 있다.
장치(10)의 다양한 실시예들이 스탠바이 상태를 포함할 수 있다고 또한 생각된다. 배터리 전력공급되는 장치에서, 전력을 사용하는 것은 불필요한 것으로 피하는 것이 바람직하다. 장치(10)는 통상적으로, 휴식 상태에서, 즉 걷지 않는 상태에서 그들 시간의 대부분을 소모하는 환자들에 사용된다. 환자가 걷고 있지 않을 때, 필요에 따라 장치(10)를 온 또는 오프로 스위칭할 것을 환자에게 요구하는 것은 귀찮은 일이다. 그러므로, 장치(10)는 환자가 걷고 있지 않을 때 전력을 절약하는 스탠바이 상태를 포함한다. 더 구체적으로, 장치(10)가 사용되지 않을 때, 제어 유닛(34)은 장치(10)가 저전력 모드로 들어가게 할 것이며, 몇몇 또는 모든 센서들은 전력이 꺼지거나 저전력 모드의 작동 상태에 놓이게 된다. 제어 유닛(34)은 나머지 센서들을 사용하거나 작동 샘플링 속도들보다 훨씬 더 긴 인터벌로 사용불가 센서들을 주기적으로 재사용가능하게 함으로써, 스탠바이 상태를 위한 조건들이 더 이상 존재하지 않고 충분한 전력이 회복되어야 할, 스탠바이 상태로부터 온 상태로 전이되어야 할 때를 결정한다. 예를 들어, 스탠바이 상태는 환자가 기울어질 때나 장치가 환자에 의해 착용되지 않았을 때와 같이, 가속계에 의해 측정된 중력 벡터의 방향이 정상 방향으로부터 임계값보다 더 멀리 나가는 동안에 유지될 수 있다. 또한, 몇몇 인터벌 동안에 발이 검출되지 않았다면, 스탠바이 상태는 환자가 움직이지 않을 때 또는 장치(10)가 환자에 의해 착용되지 않았을 때와 같이, 설정된 임계값을 초과하는 회전들이나 충돌들이 측정되지 않는 동안에 유지될 수 있다.
표시등(40)이 장치(10) 상에 위치될 수 있어서 장치(10)의 사용 중에 환자가 등(40)을 볼 수 있게 한다. 일 실시예에 따라서, 표시등은 하우징의 상부 표면을 통해 연장하는 2색 LED이다. LED는 장치(10)가 온 상태일 때 녹색을 깜박이며 배터리가 30% 미만의 잔류 용량일 때 적색을 천천히 깜박일 수 있다. LED는 배터리 용량이 너무 낮아서 장치(10)가 더 이상 기능을 하지 못할 때 적색을 빠르게 깜박일 수 있다. 속이 채워진 적색 LED는 장치(10)가 충전 중임을 나타내는 반면에, 속이 채워진 녹색 LED는 배터리가 완전히 충전된 것을 나타낸다.
장치(10)는 편안하게 착용될 수 있도록 구성될 수 있다. 이들 방침들을 따라서, 장치는 하우징(12)에 연결되는 패드 층(92)을 포함하며, 이 층은 장치(10)와의 편안한 인터페이스를 제공한다. 패드 층(92)은 적절한 다리 정렬 상태로 장치(10)를 고정하기 위해서 형성되고 환자 생리학을 억제할 수 있다. 또한, 장치(10)의 다양한 실시예들은 슬랙스(slacks) 및 스커트 아래에 쉽게 착용할 수 있도록 허용하는 소형이며 별개의 물리적 형성 요소를 한정한다. 하우징은 또한 인간공학적일 수 있으며 하우징의 부착 구역들이 환자의 생리학과 일치되고 윤곽을 따르도록 스트랩(22) 상으로 굽혀진다.
장치(10)는 환자의 보행을 개선하고, 이동성, 강도, 및 내구성을 증대시키며, 에너지 소비를 감소시키며, 근위축증의 예방, 지연 및/또는 역전시키며, 그리고 관절 운동 범위의 유지 또는 확대시키는 것을 포함하는 여러 이득들을 착용자에게 제공한다. 추가의 이득들은 부상 발생의 감소, 혈행 증대, 근재교육, 골밀도의 유지 또는 증대, 그리고 손상된 중앙 신경체계 경로 및 근/척수 회로들의 강화를 포함할 수 있다.
전술한 것 이외에도, 장치(10)의 다양한 구현예들은 운전 중의 사용을 위해 특별하게 개작될 수 있다. 신경장애는 고통, 마비 및 허약을 초래하며, 이는 차례로, 사람의 운전 능력에 영향을 미칠 수 있다. 신경장애 환자들은 높은 비율의 교통 사고들과 연루되어 있으며 그 환자들의 조건은 그들의 운전에 영향을 미치며 신경장애의 발전 이후에 그들의 운전 습관들을 종종 바꿔놓는다고 말한다. 무관하게, 상승된 수준들의 고통, 운동성 약화, 및 보행 장애는 증대된 MVA 빈도수에 대한 통계적 중요성을 만족시킨다.
장치(10)의 몇몇 실시예에서, 장치(10)는 자동차의 가스 및 브레이크 패달들의 센서들을 병합한다. 센서들은 페달들에 꼭 맞는 압력 센서들, 또는 페달들이 이동할 때 페달들의 위치를 측정하는 센서들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 차량의 기존 센서들이 사용된다. 장치(10)는 페달의 압력 양에 기초하여 증가된 세기의 진동을 생성할 것이다.
몇몇 실시예들에서, 장치(10)는 가스 및 브레이크 페달에 대해서 상이한 진동 주파수를 생성할 것이다. 몇몇 실시예들에서, 장치는 가스 및 브레이크 페달을 위한 환자의 상이한 위치들에 끼워 맞춰지는 별도의 작동기들을 사용하여 진동을 생성할 것이다. 다른 실시예들에서, 페달들로부터의 신호들은 페달과 관련된 전자장치들로부터 또는 차량의 내장 컴퓨터로부터 장치로 무선 전송된다.
본 발명의 추가의 변경 예들 및 개선 예들이 또한 본 기술 분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구성 요소들과 단계들의 특정 조합은 본 발명의 단지 특정 실시예들만을 나타내기 위한 것이며, 본 발명의 사상과 범주 내의 대체 장치들과 방법들을 한정하는 역할을 위한 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 환자를 위한 보행 회복용 의료 장치로서,
    환자의 다리에 착용가능하도록 구성된 하우징과,
    상기 하우징에 연결되고 상기 환자의 다리 상에 진동촉각력을 부여하도록 구성된 진동 요소, 및
    상기 하우징에 연결되고 상기 진동 요소와 작동가능하게 통신하는 제어 유닛을 포함하며,
    상기 진동 요소를 작동시키기 위해서 상기 제어 유닛은 환자의 보행과 관련된 다리 운동들을 검출하고 발 충돌의 검출에 반응하여 작동 신호를 발생시키도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 발 충돌을 검출하기 위해서 환자의 보행 중에 환자의 다리의 회전을 측정하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 발 충돌을 검출하기 위해서 환자의 보행 중에 환자의 다리의 가속을 측정하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 환자의 다리의 경골 결절에 인접하여 위치될 수 있도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 요소는 영구 자석 및 권선(winding)을 포함하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 요소는 대략 250 ㎐에서 진동력을 부여하도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 진동 요소는 대략 10 내지 200 ms 동안 진동력을 부여하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 진동 요소는 대략 80 ms 동안 진동력을 부여하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 요소는 대략 10 내지 40 ms의 상승 시간(rise time)을 형성하도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 1 내지 3 축들에 따른 가속을 검출하도록 구성되는 가속계를 포함하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 복수의 미리 프로그램된 보행 세팅들 중의 하나에 따른 다리 운동들을 검출하도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 복수의 미리 프로그램된 보행 세팅들 사이에서 사용자가 선택적으로 스위칭할 수 있도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징에 연결된 스트랩을 더 포함하며,
    상기 스트랩은 상기 하우징을 환자의 다리에 연결하도록 구성되는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛에 작동가능하게 통신하는 배터리를 더 포함하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 배터리는 재충전가능한,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
  16. 보행 주기를 갖는 환자의 보행 회복을 돕기 위한 의료 장치로서,
    경골 결절에 인접한 환자의 다리에 착용가능한 하우징과,
    상기 하우징에 연결되는 감지 모듈로서, 환자의 다리의 운동을 감지하고 환자의 다리가 자극 위치에 있을 때를 확인하도록 구성되며, 환자의 다리의 감지된 위치가 보행 주기의 자극 위치에 있을 때 자극 신호를 발생하도록 추가로 구성되는, 감지 모듈, 및
    상기 하우징에 연결되는 자극 장치로서, 자극 장치로부터의 자극 신호를 수신하도록 감지 모듈과 작동가능하게 통신하며, 상기 자극 신호의 수신에 반응하여 환자의 다리에 자극력을 부여하도록 구성되는, 자극 장치를 포함하는,
    보행 주기를 갖는 환자의 보행 회복을 돕기 위한 의료 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자극 장치는 상기 자극력을 환자의 다리에 부여하도록 하우징에 대해 진동하도록 구성되는,
    보행 주기를 갖는 환자의 보행 회복을 돕기 위한 의료 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 감지 모듈은 복수의 미리 프로그램된 보행 세팅들 중에 하나에 따른 다리 운동들을 검출하도록 구성되는,
    보행 주기를 갖는 환자의 보행 회복을 돕기 위한 의료 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 자극 위치를 검출하기 위해서 환자의 보행 중에 환자의 다리의 회전을 측정하는,
    보행 주기를 갖는 환자의 보행 회복을 돕기 위한 의료 장치.
  20. 환자를 위한 보행 회복용 의료 장치로서,
    경골 결절에 인접한 환자의 다리에 착용가능하도록 구성되는 하우징과,
    상기 하우징에 연결되고 경골 결절에 진동촉감력을 부여하도록 구성되는 진동 요소와,
    상기 하우징에 연결되고 상기 진동 요소와 작동가능하게 통신하는 제어 유닛, 및
    상기 진동 요소를 작동시키기 위해서 환자의 보행과 관련된 다리 운동들을 검출하고 발 충돌의 검출에 반응하여 작동 신호를 발생시키도록 구성되는 제어 유닛을 포함하는,
    환자를 위한 보행 회복용 의료 장치.
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