KR20150013074A - 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치 - Google Patents

강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치에 있어서,
세포의 활성화를 위해 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있도록 하는 저주파 전기자극장치(10)와;
상기 저주파 전기자극장치(10)와 위상이 고정(Phase-Locked)되고, 강한 자기장을 발생시켜서 전기자극으로 인한 통증을 완화시켜주는 자기장 발생장치(20);를 포함하여 구성되는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치를 제공하는 것에 있다.

Description

강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치 { Magnetic field application device using strong magnetic field to relieve pain aroused by electrostimulation }
본 발명은 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 인체 표피와 지방층에 자기장을 걸어주어 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있도록 하는 자기장을 이용한 체외 비 침습적 근육 자극장치를 이용하는 경우, 이로인해 충분한 근육수축운동을 얻기위해 과도한 전류를 사용하는 경우 다량의 전류가 표피층에 흐르게 되어 피부에 통증을 유발하게 된다.
저주파 전기자극과 강한 자기장을 병행하는 경우 통증완화방법 중 최소한의 전류사용과 유도전류 발생을 기대할 수 있고, 강한 자기장을 사용함으로써 전기자극을 사용한 수동근육수축시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 것과 동시에 자기장에 의한 세포의 자극과 활성이 기대되는 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치에 관한 것이다.
대한민국 등록실용신안공보 등록번호 제20-0347198호 "저주파 자극 치료용 패드"는 패드 몸체의 대판 위에 도포된 패드액 도포층에 저주파 자극 치료기와 연결되는 짹의 도선이 매입된 것에 있어서, 상기한 패드액 도포층에는 일정 간격으로 다수의 지지판이 부착되고 이 지지판의 중심 통공에는 엔디자석이 끼움 부착되고, 지지판의 주면에는 일정간격을 두고 다수의 지압침이 형성되어짐을 특징으로 한 저주파 자극 치료용 패드를 제안하고 있다.
한국 공개특허공보 공개번호 제2003-0016417호 "말초 신경들을 자극하기 위한 자기 신경 자극기"는 자기 신경 자극기(magnetic nerve stimulator) 시스템은 코일 권선으로 높은 필드 포화도(high field saturation)를 갖는 재료로부터 구성된 코어를 포함한다. 사이리스터(thyrister) 용량성 방전 회로는 디바이스를 펄스화한다. 신속하게 충전되는 자기장은 코어, 바람직하게 바나듐 펄멘듀어(vanadium permendur)에 의해 유도된다. 다양한 신경 그룹들의 특정 자극을 할당하기(task) 위해, 특수하게 구성된 코어들은 에어 코어 자극기(air core stimulator)들로 가능한 것 보다 더 높은 효율성으로 더 깊은 레벨들에서의 신경의 자극을 허용한다.
공개특허공보 공개번호 제10-2011-0082060호 "표적 근육이 적합한 활성 상태일 때 뇌에 비침습적 자극을 주기 위한 방법, 장치 및 컴퓨터 프로그램"은 하나 이상의 표적에 대한 원하는 바이오신호 값 또는 범위가 지정되는 자기 자극 방법으로, 자극이 있은 후, 단기 자기장 펄스가 뇌에 인가되고, 각각의 표적, 가령, 근육의 바이오신호, 가령, EMG 값(S)이, 각각의 TMS 펄스 전에 측정된다. 해당 측정 바이오신호 값(S)이 지정 한계치 밖에 있는 경우, TMS 펄스의 파이어링이 자동으로 방지되도록 한다.
그러나, 이와 같은 종래기술은 자장을 인가하지 않는 경우로서 전류는 거의 표피에만 흐르는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 플레밍의 법칙 활용을 활용하여 인체 표피와 지방층에 자기장을 걸어주어 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있는 새로운 형태의 자기장을 이용한 체외 비 침습적 근육 자극장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 생체조직의 등가회로에서 지방층을 분포용량(Cf)을 지닌 콘덴서로 이용하여 근육에 흐르는 전류가 이 지방층의 충방전 전류 생성시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 충방전 전류는 펄스 전압으로 인가하게 되는데, 이때 흐르는 펄스성 전류의 평균치가 소정의 치료 전류 발생하는데, 임상을 통하여 최적 전압, 펄스 주기 등을 산출하고 치료 프로그램 개발하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치에 있어서, 세포의 활성화를 위해 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있도록 하는 저주파 전기자극장치(10)와; 상기 저주파 전기자극장치(10)와 위상이 고정(Phase-Locked)되고, 강한 자기장을 발생시켜서 전기자극으로 인한 통증을 완화시켜주는 자기장 발생장치(20);를 포함하여 구성되는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치에 관한 것이다.
한편, 자기장 발생장치(20)는,
직류전원을 공급하는 전원부(210)와; 순간 대전류 방전에 필요한 전하저장을 위한 커패시터부(220)와; 자기장을 발생시키는 마그네틱 코일부(230)와; 위상동기 입력부(240)와; 입력된 전원의 위상을 변환시키는 전자식 위상전환 스위치(250);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자기장 발생장치(20)는, 순간 최대 1T(tesla)의 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저주파 전기자극장치(10)는, 바이패이식(Bipasic)과 모노패이식(Monophasic)의 파형의 조합으로 구성되고, 펄스폭은 10us 내지 1ms이고, 주파수는 1 내지 500hz의 구형파를 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 커패시터부(220)는, 이에스알(ESR, Equivalent serial resistance)이 낮은 알루미늄 커패시터를 병렬연결하여 방전용량을 확보하고, 병렬연결로 인한 낮은 이에스알을 획득하여 순간방전전류를 확보하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치에 의할 때, 자장을 인가하지 않는 종래기술은 전류가 거의 표피에만 흐르지만, 자장을 인가하는 본 발명은 전류의 경로가 굽어서 근육에까지 도달할 수 있게 된다.
또한, 저주파 전기자극과 강한 자기장을 병행하는 경우, 충분한 근육수축 운동을 얻기위해 과도한 전류를 사용하는 경우 다량의 전류가 표피층에 흐르게 되어 발생되는 피부통증을 완화시킬 수 있으며, 최소한의 전류 사용 및 유도전류 발생을 등을 통한 효율적인 에너지 사용에 따른 효과를 기대할 수 있다.
그리고, 이와같이 강한 자기장을 사용함으로써 전기자극을 사용한 수동근육 수축시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 것과 동시에 자기장에 의한 세포의 자극의 활성 또한 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 전체구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 회로구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 회로구성의 실제 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 저주파 전기자극장치(10)에 사용되는 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 저주파 전기자극장치(10)에 사용되는 전원의 조합형태를 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.
본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 전체구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 회로구성을 설명하기 위한 도면이다.도 4는, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 회로구성의 실제 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 의한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치에 있어서, 세포의 활성화를 위해 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있도록 하는 저주파 전기자극장치(10)와; 상기 저주파 전기자극장치(10)와 위상이 고정(Phase-Locked)되고, 강한 자기장을 발생시켜서 전기자극으로 인한 통증을 완화시켜주는 자기장 발생장치(20);를 포함하여 구성된다.
살펴보면, 전기자극을 사용한 수동 근육수축방법에서, 전류의 흐름은 근육층 심부까지 충분히 도달하지 않고 일반적으로 대부분의 경우 근육층을 우회하거나 표피층게 가까운 곳으로 전류가 흐르게 된다.
이로 인해, 충분한 근육수축 운동을 얻기위해 과도한 전류를 사용하는 경우 다량의 전류가 표피층에 흐르게 되어 피부에 통증을 유발하게 된다.
따라서, 과도한 전기자극으로 인한 피부의 통증을 완화시키는 방법으로는 최소한의 전류를 효과적으로 근육측까지 전달하는 방법과, 표피층보다 상대적으로 저항이 낮은 근육측에 직접 유도전류를 흘리는 방법 또는 약물이나 마사지 온냉각 등의 방법이 있다.
한편, 저주파의 전기자극과 강한 자기장의 인가를 병행하는 경우에는 통증을 완화하는 방법 중 최소한의 전류사용과 유도전류의 발생을 기대할 수 있다. 또한, 정신건강의학과에서는 세포의 활성화를 위해 직접적인 전기자극 또는 전기충격술을 오래전부터 사용해 왔으나, 전기자극으로 인한 부작용으로 인하여 근래에는 강한 반복적인 자기장을 이용한 자기 자극술이 사용된다.
자기장을 이용한 비침습적 방법으로 현재 최대 3T(Tesla)급 자기장을 사용하는 '경두개자기자극술 rTMS(repetitive Transcranial Magnetic Stimulation)'이 있다. 이와 같이 강한 자기장을 사용함으로서 전기 자극을 사용한 수동 근육 수축시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 것과 동시에 자기장에 의한 세포의 자극과 활성을 기대할 수 있다.
자기장의 단위로는 가우스(GAUSS) 또는 T(Tesla)를 사용하며 1GAUSS의 크기는 도선에 5A의 전류가 흐를 때 도선으로부터 1Cm의 거리에 나타나는 자기장의 크기이며 1T = 10000GAUSS 의 관계를 가진다. 지구자기장의 크기는 0.2 ~ 0.7GAUSS 이며 MRI의 경우 1.5~3T의 자기장을 사용하고 TMS에는 현재 3T 정도의 자기장을 사용하고 있는데 1T 이상의 자기장을 연속으로 발생시키기 위해서는 메가와트 급의 전원장치와 특수한 코어 재료와 형상 그리고 냉각 장치가 필요하다.
본 발명의 실시 예에서의 자기장 발생 장치의 경우 저주파 전기자극장치(10)(FES)의 전기 자극 신호와 연동시키는 이유로 100us 가량의 Turn on 시간과 수백 Hz 정도의 반복 동작을 만족하며 순간 최대 1T의 자기장 발생하는 장치이다.
도 5는, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 저주파 전기자극장치(10)에 사용되는 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 저주파 전기자극장치(10)에 사용되는 전원의 조합형태를 설명하기 위한 도면이다.
상기 저주파 전기자극장치(10)(FES)의 전기자극신호의 형태는 크게 바이패이식(Biphasic)과 모노패이식(Monophasic)으로 나누어지며, 펄스폭은 10us 내지 1ms이고, 주파수는 1 내지 500hz의 구형파를 사용한다.
도 6에서는, 상기 두가지 대표적인 신호에 전류제어를 조합해서 만들어낸 전기자극신호의 형태를 설명하고 있다.
도 1을 참조하면, 상기 저주파 전기자극장치(10)(FES)의 전기 자극에서 전류의 흐름은 인가되는 신호의 위상에 대응해 한쪽 방향 또는 순차적으로 정방향 역방향으로 흐르므로 자기장을 인가해 항상 근육 층을 향한 전류의 흐름을 유도하기 위해서는 FES의 전기 자극 위상과 자기장을 이용한 근육 자극 장치의 자계 발생 극성을 동기화하는 것이 바람직하다.
도 3과 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치의 구성은, 세포의 활성화를 위해 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있도록 하는 저주파 전기자극장치(10)와; 상기 저주파 전기자극장치(10)와 위상이 고정(Phase-Locked)되고, 강한 자기장을 발생시켜서 전기자극으로 인한 통증을 완화시켜주는 자기장 발생장치(20);를 포함하여 구성된다.
그리고, 자기장 발생장치(20)는, 직류전원을 공급하는 전원부(210)와; 순간 대전류 방전에 필요한 전하저장을 위한 커패시터부(220)와; 자기장을 발생시키는 마그네틱 코일부(230)와; 위상동기 입력부(240)와; 입력된 전원의 위상을 변환시키는 전자식 위상전환 스위치(250);를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 자기장 발생장치(20)는, 순간 최대 1T(tesla)의 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 저주파 전기자극장치(10)는, 바이패이식(Bipasic)과 모노패이식(Monophasic)의 파형의 조합으로 구성되고, 펄스폭은 10us 내지 1ms이고, 주파수는 1 내지 500hz의 구형파를 사용한다.
한편, 상기 커패시터부(220)는, 이에스알(ESR, Equivalent serial resistance)이 낮은 알루미늄 커패시터를 병렬연결하여 방전용량을 확보하고, 병렬연결로 인한 낮은 이에스알을 획득하여 순간방전전류를 확보하도록 하는 것이 바람직하다.
도 3과 4를 참조하면, 대전류 스위칭소자인 IGBT G80N60을 다수 병렬 연결하여 순간 최대 전류 1000A를 스위칭하여 상기 마그네틱 코일부(230)에 공급한다.
한편, 전원공급장치로는 연속 공급 전류 60A급의 24V 전원 공급기를 사용하여 순간 대 전류 방전에 필요한 전하 저장 장치인 커패시터에 연속 전원을 공급하며 순간 방전 전류와 방전 후 회복 시간을 고려해 커패시터의 용량은 282000uF을 사용한다.
실제 테스트를 통해서 300F이상의 대용량의 울트라 커패시터 확보하여 충방전 테스트를 실시하였으나, 상대적으로 높은 ESR(Equivalent Serial Resistance)로 인해 충분한 순간 방전 전류를 얻기가 곤란함을 확인하고, ESR이 낮은 Large Aluminum Capacitor를 다수 병렬 연결하여 방전 용량을 확보하고 병렬연결을 통해서 낮은 ESR을 얻을 수 있음을 확인하였다.
상기 마그네틱 코일부(230)에 전력을 공급하는 스위칭 소자인 IGBT의 제어는 상기 저주파 전기자극장치(10)의 DC 펄스 출력과 연동하여 인체 표면으로 흐르는 펄스 전류를 근육층까지 효과적으로 도달하도록 전류 흐름 방향에 대해 수직으로 로렌츠 힘을 작용시킨다.
상기 저주파 전기자극장치(10)의 전류 방향이 지속적으로 동일한 연속 펄스의 경우 근육에 동일한 자극이 누적되므로 자극에 대한 내성이 생겨 근육의 움직임이 점차적으로 둔해진다.
상기와 같은 이유로 상기 저주파 전기자극장치(10)의 출력 전류 방향은 동작시 적절히 전환이 되며, 이에 따라 상기 마그네틱 코일부(230)에서 공급되는 자기장의 방향도 상기 저주파 전기자극장치(10) 출력과 동기 시켜 항상 피부 면에서 근육층 방향으로 로렌츠 힘을 작용 시킨다.
1. 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치
10. 저주파 전기자극장치 20. 자기장 발생장치
210. 전원부 220. 커패시터부
230. 마그네틱 코일부 240. 위상동기 입력부
250. 전자식 위상전환 스위치

Claims (5)

  1. 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치에 있어서,
    세포의 활성화를 위해 근육까지 전류가 깊이 흘러 자극할 수 있도록 하는 저주파 전기자극장치(10)와;
    상기 저주파 전기자극장치(10)와 위상이 고정(Phase-Locked)되고, 강한 자기장을 발생시켜서 전기자극으로 인한 통증을 완화시켜주는 자기장 발생장치(20);를 포함하여 구성되는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치.
  2. 제1항에 있어서,
    자기장 발생장치(20)는,
    직류전원을 공급하는 전원부(210)와;
    순간 대전류 방전에 필요한 전하저장을 위한 커패시터부(220)와;
    자기장을 발생시키는 마그네틱 코일부(230)와;
    위상동기 입력부(240)와;
    입력된 전원의 위상을 변환시키는 전자식 위상전환 스위치(250);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자기장 발생장치(20)는,
    순간 최대 1T(tesla)의 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저주파 전기자극장치(10)는,
    바이패이식(Bipasic)과 모노패이식(Monophasic)의 파형의 조합으로 구성되고, 펄스폭은 10us 내지 1ms이고, 주파수는 1 내지 500hz의 구형파를 사용하는 것을 특징으로 하는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 커패시터부(220)는,
    이에스알(ESR, Equivalent serial resistance)이 낮은 알루미늄 커패시터를 병렬연결하여 방전용량을 확보하고, 병렬연결로 인한 낮은 이에스알을 획득하여 순간방전전류를 확보하는 것을 특징으로 하는 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증완화를 위한 자기장 인가장치.
KR1020140094785A 2013-07-26 2014-07-25 강한 자기장을 이용한 저주파 전기자극시 발생되는 피부의 통증을 완화시키는 자기장 인가장치 KR101755657B1 (ko)

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