KR20160019406A

KR20160019406A - 인간 몸체의 일부 또는 인체 관절을 지지하거나 또는 치료하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160019406A
Application number: KR1020157029057A
Authority: KR
Inventors: 스트루안 콜맨; 칼빈 도미니코; 에디슨 기스바인
Original assignee: 사이메디카 오쏘페딕스, 아이엔씨.
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-02-19
Also published as: KR102481600B1; EP2967442B1; US20140330181A1; CN110448797B; CA2904653A1; US20140276297A1; CN105263408B; KR102323059B1; WO2014153033A2; JP2016515887A; EP2967442A4; AU2014236364B2; CN110448797A; EP2967442A1; CA2904653C; JP6500008B2; KR20210134436A; US9700718B2; AU2014236364A1; AU2018286589B2

Abstract

환자의 인체 조직과 접촉하고, 인체 조직의 파워 손실(power dissipation)을 획득하는 센서를 포함하는 제품(good)을 포함하는 시스템이 개시된다. 또한, 제품은 프로세서에 의해 실행되기 위한 프로그램을 실재적으로 저장(tangibly storing)하기 위한 기록 매체를 포함한다. 또한, 시스템은 출력의 전기적 속성을 스스로 조정하기 위하여 폐쇄 루프 방식(closed loop manner)에서의 피드백을 사용하는 전자 근육 자극(EMS, electrical muscular stimulation) 시스템을 구성하기 위하여 제품과 통신하는 제어부를 포함한다. 제어부는 센서가 (a) 인체 조직에 센스 펄스(sense pulse)를 적용하고, (b) 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여, 프로그램 및 파워 손실에 기초하여 인체 조직에 자극 펄스(stimulation pulse)를 적용하고, (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복하도록 명령한다.

Description

인간 몸체의 일부 또는 인체 관절을 지지하거나 또는 치료하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR TREATING OR SUPPORTING HUMAN JOINTS OR A PORTION OF THE HUMAN BODY}

본 발명은 인간 몸체의 일부 또는 인체 관절을 지지하거나 또는 치료하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐쇄 루프 피드백 시스템(closed loop feedback system)과 함께 전자 근육 자극(electrical muscle stimulation) 및 지지대(support)의 결합으로 인간 몸체의 일부 또는 인체 관절을 지지하거나 또는 치료하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

정형외과용 브레이스들(Orthopedic braces)은 관절의 신체 역학적인 한계를 넘어서는 관절의 방향(orientations) 또는 움직임에 의해 유발되는 관절의 부상을 예방하기 위한 예방적인 보조물(preventative aids)로써 유용하다. 또한, 정형외과용 브레이스들은 관절의 부상 또는 수술에 뒤따르는 관절의 적절한 치료에 유용하다. 또한, 브레이스들은 통증을 완화함으로써, 관절염에 걸린 관절을 안정시키는 방법에 유용하다.

부상에 시달리거나, 수술중이거나, 또는 관절염으로 고통받는 것과 같은 근육 위축(muscle atrophy)이 일어날 수 있는 조건에서, 환자들은 보통 물리 치료사(physical therapist)가 환자의 근육(들)을 강화(strengthen)하는 것을 본다. 환자는 운동 또는 스트레칭이 시작되기 전에 그들의 근육을 완화하기 위한 물리 치료가 시작될 때에, 전자 근육 자극(EMS, electrical muscle stimulation)을 받을 수 있다. 또한, EMS는 위축된(atrophied) 근육을 강화하기 위하여 치료사(헬스 케어 제공자(health care provider)에게 처방된)에 의하여 사용될 수 있다. 하지만, 환자가 치료사와 함께할 때에만 수행될 수 있으므로, 근육 강화를 위한 EMS의 제공은 차선(sub-optimal)이다. 또한, 현재의 치료 구현들(therapy implementations)은 환자에게 고통스럽다.

따라서, 환자가 물리 치료를 받을 때, 보다 일상적인 기준에서 환자가 그 또는 그녀 자신을 치료하게 하는 보다 나은 적합한 자극(stimulation)에 대한 필요가 남는다.

일실시예에 따르면, 시스템 및 방법은 환자의 인체 조직(예를 들어, 피부)과 접촉하고, 환자의 인체 조직(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 근육(들), 피부, 조직, 지방 층(fatty layer) 등)의 파워 손실(power dissipation)을 획득하는 센서로 구성된 전극(electrode)를 포함하는 제품(good)을 포함한다. 또한, 상기 제품은 프로세서에 의해 실행되기 위한 프로그램에 관한 것(thereon a program)을 실재적으로 저장(tangibly storing)하기 위한 기록 매체(storage medium)를 포함한다. 비록 서술된 제품이 소프트 제품(soft good)(예를 들어, 유연한 무릎 브레이스(flexible knee brace))에 대해서만 서술되었지만, 대신에 제품은 하드 제품(hard good)(예를 들어, 리지드 캐스트(rigid cast))이 될 수 있다.

또한, 시스템 및 방법은 출력의 전기적 속성을 스스로 조정하기 위하여 폐쇄 루프 방식(closed loop manner)에서의 피드백을 사용하는 전자 근육 자극(EMS, electrical muscular stimulation) 시스템을 구성하기 위하여 소프트 제품과 통신하는 제어부를 포함한다. 제어부는 센서가 (a) 인체 조직에 센스 펄스(sense pulse)를 적용하고, (b) 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여, 프로그램 및 파워 손실에 기초하여 인체 조직에 자극 펄스(stimulation pulse)를 적용하고, (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복하도록 명령한다.

EMS 사이클 동안에 생성되는 센스 펄스는 의미있는 결과(meaningful results)를 생성하기 위하여 최소로 요구되는 파워(minimum required power)를 사용하게 하는 낮은 저항 경로(low resistance pathway)를 생성한다. 이는 상기 디바이스에 의해 생성되는 전자 근육 자극이 사용자에게 덜 고통스러움을 의미한다.

파워 손실은 소스 파워(source power)(예를 들어, 전압과 전류를 동시에 측정함으로써 와트 단위로 결정된) 및 리턴 파워(return power)(예를 들어, 전압과 전류를 동시에 측정함으로써 와트 단위로 결정된)간의 차이를 측정함으로써 계산된다.

일실시예에 따르면, 힌지(hinge)로 연결된 윗 부분(upper portion)과 아랫 부분(lower portion)으로 구성된 리지드 프레임(rigid frame)을 포함하는 무릎 브레이스가 제공된다. 복수의 전극이 브레이스의 윗 부분 및/또는 아랫 부분에 배치될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 무릎 브레이스는 환자의 무릎에 끼우기 위한(fit over) 유연한 슬리브(flexible sleeve)를 포함하는 무릎 브레이스가 제공된다. 예를 들어, 유연한 슬리브는 무릎 주변을 감싸기 위한 직물의 시트(sheet of fabric), 고무 또는 다른 소재를 포함할 수 있고, 지퍼, 단추, 스냅(snaps), 벨크로(Velcro)(예를 들어, 후크/루프 패스너(hook and loop fasteners))와 같은 잠금 수단(fastening means)에 의해 상기 슬리브와 같은 것들이 고정될 수 있다. 복수의 전극들이 유연한 슬리브에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 전극들은 하드 제품(예를 들어, 리지드 프레임) 및 소프트 제품(예를 들어, 유연한 슬리브) 전부에 배치될 수 있다. 모든 실시예에서, 전극들은 제품에 영구적으로 부착될 수 있다. 또는 전극들은 제품에서 위치가 바뀌거나 제거될 수 있도록, 제품에서 제거할 수 있게 부착될 수 있다. 일실시예에 따르면, 전극들이 제품에서 거꾸로 부착(reversibly affixed)될 수 있도록, 전극들은 후크/루프 패스너의 하나의 요소로 구성된 안감(backing)을 포함한다. 이 경우, 제품은 후크/루프 패스너의 다른 요소를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 소프트 제품은 환자에게 지지대(support)를 제공한다. 예를 들어, 소프트 제품은 브레이스, 슬리브(sleeve), 슬링(sling), 의복(garment), 랩(wrap), 캐스트(cast), 및/또는 스트랩(strap)일 수 있다. 제어부는 환자가 움직이는 동안에 센서가 인체 조직에 일정한 펄스(consistent pulses)를 적용하도록 명령할 수 있다. 이는 센서에서 사용자의 인체 조직의 파워 손실을 제어부로 피드백하기 때문에 가능하다. 일실시예에 따르면, 기록 매체는 소프트 제품이 무엇인지 식별할 수 있는 디지털 식별자(digital identifier)를 포함한다. 예를 들어, 이 식별자는 소프트 제품의 종류(type)를 나타내는 숫자 코드(numeric code)일 수 있다. 실행되기 위해 선택된 프로그램은 식별자에 기초할 수 있다. 프로그램은 소프트 제품의 종류 각각에 대한 특정한 파형 치료 프로토콜들(waveform treatment protocols)을 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 제어부는 소프트 제품에서의 기록 매체에 포함된 프로그램을 실행한다.

소프트 제품은 짧은 브레이스(short brace)일 수 있고, 짧은 브레이스는 슬리브를 일부로써 포함한다. 대체적으로 소프트 제품은 긴 브레이스(long brace)일 수 있고, 긴 브레이스는 힌지를 통해 긴 브레이스에 연결된 제거 가능한 슬리브를 포함한다.

일실시예에 따르면, 센서는 보습제(moisturizer) 또는 젤(gel)을 포함한다. 센서는 환자의 피부의 건조도(dryness)를 제어부에 전달할 수 있다.

일실시예에 따르면, 파워 손실의 측정이 프리셋 경계들(preset boundaries)을 초과하는 경우, 센서는 대응하는 자극 펄스를 적용하지 않는다. 센스 펄스 각각은 인체 조직의 항복 전압(breakdown voltage)을 초과하여 인체 조직을 통과하는 전도성 채널(conductive channel)을 유지하거나 또는 생성한다.

또한, 시스템은 자극 채널 마다 존재하는 전용 전압으로 제어되는 파워 서플라이(dedicated voltage controlled power supply)를 더 포함할 수 있고, 이로써 자극 신호의 생성의 파워 출력의 시간 분열(time division)을 제거한다. 다른 전압의 둘 또는 그 이상의 동시의 자극 펄스가 동일한 시간 영역에서 가능하다.

또한, 시스템은 최소 EM/RF를 발생하는 자극 펄스를 생성하는 광학으로 연결된 FET들을 포함함으로써, 시스템이 민감한 의료 기기 근처에서 사용될 수 있게 한다. 일실시예에 따르면, 유닛은 수술 환경에서 직접 배치될 수 있다. 디바이스의 일실시예는 다른 전자 기기의 방사성 커플링(radiative coupling)을 방지하기 위한 복수의 EM/RF 차폐 (EM/RF shields)를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 환자의 신체 부분 또는 신체 관절을 치료하는 브레이스를 제어하는 제어부는 프로세서 및 프로세서에 의해 실행되기 위한 프로그램 로직에 관한 것을 실재적으로 저장하고, 전기-자극 제어 프로그램(electro-stimulation control program)에 관한 것을 실재적으로 저장하는 기록 매체를 포함한다. 프로그램 로직은 환자의 인체 조직과 접촉한 센서로부터, 인체 조직의 파워 손실을 수신하기 위한 프로세서에 의해 실행되는 수신 로직(receiving logic), 및 스스로 조정하기 위해 피드백을 사용하는 전자 근육 자극 시스템을 구성하기 위하여 센서와 통신하는 프로세서에 의해 실행되는 커뮤니케이션 로직(communication logic)을 포함한다. 커뮤니케이션 로직은 센서가 (a) 인체 조직에 센스 펄스를 적용하고, (b) 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여 프로그램 및 파워 손실에 기초하여 인체 조직에 자극 펄스를 적용하고, (e) (a) 내지 (d)단계를 반복하도록 명령한다.

일실시예에 따르면, 커뮤니케이션 로직은 브레이스와 통신하는 프로세서에 의해 실행되는 브레이스 커뮤니케이션 로직(brace communication logic)을 포함한다. 브레이스는 지지대를 환자에게 제공하며, 브레이스는 브레이스, 슬리브, 슬링, 의복, 랩 및/또는 스트랩이다. 수신 로직은 제어 프로그램으로부터, 브레이스를 식별하는 식별자를 수신하는 프로세서에 의해 실행되는 식별자 수신 로직(identifier receiving logic)을 포함할 수 있다.

서술한 다양한 실시예 및 측면들은 첨부된 도면 및 이후의 상세한 설명에 의해 통상의 기술자에게 분명해질 것이다.

개시의 신규 특징들은 첨부된 청구항에서 특별히 제시된다. 본 개시의 특징 및 장점의 보다 나은 이해는 예시적인 실시예로 제시된 상세한 설명의 참조로써 획득될 것이다. 예시적인 실시예는 개시의 개념이 활용되었고, 다음의 도면을 동반한다:
도 1a는 일실시예에 따른 환자의 무릎에 고정된 무릎 브레이스의 부분적인 투시도(perspective view)이다.
도 1b는 무릎 관절의 투시도이다.
도 2는 일실시예에 따른 환자의 무릎에 고정된 무릎 브레이스의 보다 자세한 부분적인 투시도이다.
도 3은 일실시예에 따른 컴퓨팅 디바이스와 통신하는 도 1의 무릎 브레이스의 블록 다이어그램(block diagram)을 도시한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따라 수행되는 단계의 예시의 흐름도(flow diagram)이다.
도 5는 일실시예에 따른 무릎 브레이스의 투시도이다.
도 6은 일실시예에 따른 무릎 브레이스의 제어 전자 장비(control electronics)의 투시도이다.
도 7은 일실시예에 따른 무릎 브레이스의 센서의 투시도이다.
도 8은 일실시예에 따른 제어부와 연결된 소프트 제품의 투시도이다.
도 9는 일실시예에 따른 제어부와 연결된 소프트 제품의 투시도이다.
도 10a는 일실시예에 따른 전극/센서에 의해 인체 조직에 전송되는 신호의 신호 다이어그램(signal diagram)을 도시한 도면이다.
도 10b는 일실시예에 따른 제어 전자 장비에 따라 수행되는 단계를 도시한 흐름도(flowchart)이다.
도 11은 일실시예에 따른 전극/센서에 의해 수신되고 전송되는 자극 펄스 및 수신 펄스(receive pulse)간의 전달 지연(propagation delay)을 도시한 신호 다이어그램이다.
도 12는 일실시예에 따른 파워 서플라이에 의해 생성되는 파워 서플라이 신호를 도시한 신호 다이어그램이다.
도 13은 일실시예에 따른 채널에서의 전극의 동적 속성(dynamic properties)을 측정할 수 있는 회로의 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 14는 일실시예에 따른 소스 전압 및 소스 전류를 측정하기 위한 아날로그 센스 회로(analog sense circuit)를 도시한 도면이다.
도 15는 일실시예에 따른 자극 펄스를 생성하기 위한 회로의 회로 다이어그램(circuit diagram)이다.
도 16은 일실시예에 따른 입력 파형, 목표 출력 파형, 타겟 전압의 파형 다이어그램(waveform diagram)이다.

본 특허 출원은 2013년 9월 9일에 “인체 관절을 치료하는 시스템 및 방법(Systems and Methods for Treating Human Joints)”의 제목으로 출원된 미국 특허 출원 번호 14/021,387호 및 2013년 3월 14일에 “인체 관절을 치료하는 시스템 및 방법(Systems and Methods for Treating Human Joints)”의 제목으로 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 61/784,927호를 참조로써 포함하며, 본 특허 출원은 이들 출원의 이익을 주장한다.

실시예들이 본 출원에 동반되는 도면을 참조하여 보다 상세히 서술된다. 동반하는 도면에서, 대응하는 요소 및/또는 같은 요소는 같은 참조 번호에 의해 참조된다.

다양한 실시예가 서술된다. 하지만, 서술된 실시예들은 개시의 예시에 불과하며, 다양한 형태로 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 추가로, 다양한 실시예와 연결된 예시의 각각은 예시적인 의도로 주어지며, 제한하는 것이 아니다. 더 나아가서, 도면들은 반드시 스케일한 것은 아니며, 몇몇 특징은 특정 요소의 세부 사항을 도시하기 위해 과장되었다(그리고 도면에 도시된 크기, 재료 및 유사한 세부 사항들은 예시적인 의도이며, 제한하는 것이 아니다). 따라서, 서술된 특정한 구조 및 기능적인 세부 사항은 제한하는 것으로 해석되어선 안되며, 통상의 기술자가 서술된 실시예를 다양하게 이용하기 위한 대표적인 기준(representative basis)으로만 해석되어야 할 것이다.

동반하는 도면을 참조하여 개시된 주제(Subject matter)가 보다 완전히 서술된다. 동반하는 도면은 특정 실시예의 일부를 구성하고, 예시의 방식으로 특정 실시예를 도시한다. 하지만, 개시된 주제는 다른 형태로 다양하게 구현될 수 있으며, 따라서, 서술되거나 주장된 개시된 주제는 제시된 어떤 실시예에 의해 제한되지 않는 것으로 이해되는 의도이다. 예시적인 실시예는 단지 예시적으로 제공된다. 예를 들어, 다른 것들 사이에, 개시된 주제는 방법, 장치, 요소 또는 시스템으로 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 실시예는 하드웨어(예를 들어, 전자 하드웨어 및/또는 물리적인 기계 하드웨어), 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합(소프트웨어 그 자체가 아닌(other than software per se))의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 이후의 상세한 설명은 제한하는 의도로 해석되어선 안된다.

제시된 실시예가 디바이스 및 방법의 운영상의 예시 및 블록 다이어그램을 참조하여 이후 서술된다. 운영상의 예시 또는 블록 다이어그램의 각 블록, 및 운영상의 예시 또는 블록 다이어그램에서의 블록의 조합은 아날로그 또는 디지털 하드웨어 및 컴퓨터 프로그램 명령들(computer program instructions)로 구현될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램 명령들은 일반적인 목적의 컴퓨터(general purpose computer), 특수한 목적의 컴퓨터(special purpose computer), ASIC, FPGA, 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치(programmable data processing apparatus)의 프로세서에 제공될 수 있다. 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치를 통해 실행되는 명령들은 블록 또는 운영상의 블록 또는 블록 다이어그램에서의 특정한 기능/행동을 구현한다.

몇몇 대체적인 실시예에 따르면, 블록에서 기록된 기능/행동들은 운영상의 도면에서 기록된 순서와 다르게 발생할 수 있다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 두 개의 블록은 관련된 기능/행동에 따라, 실제로는 대체로 동시에 실행되거나 또는 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 더 나아가서, 흐름도로 도시된 방법의 실시예는 기술의 보다 완전한 이해를 제공하기 위하여 예시적인 방식으로 제공된다. 개시된 방법은 제시된 논리적인 흐름 및 작업들(operations)에 제한되지 않는다. 다양한 작업의 순서가 변경되거나, 대작업(larger operation)에 포함된 것으로 서술된 소작업(sub-operation)이 독립적으로 수행되는 대체적인 실시예가 예상된다.

상세한 설명 및 청구항에서, 용어는 분명히 정해진 의미를 넘어서 맥락(context)에서 암시되거나 또는 시사된 뉘앙스의 의미를 가질 수 있다. 비슷하게, “일실시예에 따르면”이란 문구는 동일한 실시예를 반드시 참조하지 않으며, “다른 실시예에 따르면”이란 문구는 다른 실시예를 반드시 참조하는 것이 아니다. 예를 들어, 이들은 개시된 주제가 전체에서의 또는 부분에서의 실시예의 조합을 포함하는 의도이다.

일반적으로, 전문 용어는 맥락에서의 용법(usage)으로부터 적어도 부분적으로는 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, “및”, “또는”, 또는 “및/또는”과 같은 용어는 이러한 용어들이 사용된 맥락에 적어도 부분적으로는 종속될 수 있는 다양한 의미를 포함할 수 있다. 일반적으로, A, B, 또는 C 처럼, “또는”이 목록과 연관되어 사용된 경우, “또는”은 A, B, 및 C를 의미하여 포괄적인 의도로 사용될 뿐만 아니라, A, B, 또는 C를 의미하여 배타적인 의도로 사용된다. 추가적으로, 맥락의 적어도 부분에 따라서, “하나 또는 그 이상의” 용어는 단수의 의미에서 어느 특징, 구조 또는 특성을 서술하기 위해 사용되거나 또는 복수의 의미에서 특징, 구조, 또는 특성의 조합을 서술하기 위해 사용될 수 있다. 비슷하게, 맥락의 적어도 부분에 따라서, “a,” “an,” 또는 “the,”도 하나의 용법 또는 복수의 용법을 전달하는 것으로 이해될 수 있다. 추가적으로, “~에 기초하여” 용어는 반드시 요소의 배타적인 집합을 전달하기 위한 의도로 이해되선 안되고, 대신에, 맥락의 적어도 부분에 따라서, 명확히 서술하지 않은 추가적인 요소의 존재를 참작하는 것으로 이해될 수 있다.

비록 환자의 무릎과 연관된 브레이스가 서술되었지만, 서술된 브레이스는 엉덩이, 어깨, 발목, 팔꿈치, 손목, 척추 및/또는 허리와 같은 다른 인체 관절에 사용될 수 있다. 더 나아가서, 브레이스는 관절염에 대한 수술 이후, 부상 이후 등의 관절을 치료하기 위하여 처방되거나 추천되거나 또는 치료하기 위하여 사용될 수 있다.

이후에 자세히 서술되는 바와 같이, 일반적으로 인체 무릎은 사람이 서있거나, 걷거나 또는 달리는 동안 인간 몸체의 체중을 지지하는 넓적다리 근육 및 종아리 근육(calf muscles)간의 연결된 관절(articulated joint)을 포함한다. 무릎 관절은 주로 네 개의 인대(ligaments)에 의해 함께 지탱된다. 네 개의 인대는 전방 십자형 인대(ACL, anterior cruciate ligament), 후방 십자형 인대(PCL, posterior cruciate ligament), 내측 측부 인대(MCL, medial collateral ligament), 및 외측 측부 인대(LCL, lateral collateral ligament)이다. 무릎 관절은 손상, 반복적인 스포츠 활동 또한 매우 공격적인 운동 또는 관절염과 함께 발생하는 생리적인 문제의 결과로 인한 인대 부종 및 연골 부상에 따른 상처에 의해 약화되거나 훼손될 수 있다. 특히, 인체 무릎은 달리거나 점프하는 도중에 다양한 해로운 긴장(stresses) 및 압박(strains)을 겪을 수 있다. 특히, 운동선수들은 무릎에 대한 타격 또는 무릎에 대한 비틀림에 따른 무릎 부상을 당하기 쉬운 경향이 있고, 이는 다양한 접촉 스포츠(contact sports) 또는 풋볼, 농구 또는 스키와 같은 고스트레스 스포츠(high stress sports)에서 주로 발생한다.

헬스 케어 제공자를 통하여 또는 시장에서 다양한 무릎 브레이스를 이용할 수 있다. 무릎 브레이스들의 범위는 무릎을 완전히 고정시키는 브레이스부터, 무릎을 지지하는 인대의 측면의 움직임(lateral movement)을 제거하면서 약간의 유연성을 제공하기 위한 목적의 유연한 탄성 붕대(flexible elastic bandages)처럼 간단한 기능성 브레이스(functional braces)에 이른다. 이들 제품 중 몇몇은 오랜 기간 착용하기 위한 상대적으로 영구적인 디바이스로써 착용되기 위한 목적이 있는 반면, 나머지는 격렬한 활동을 하는 동안 약화된 무릎을 지지하기 위하여 짧은 시간 동안 착용되기 위한 목적이 있다. 이러한 기능성 브레이스들은 무릎 인대를 약화시킬 수 있는 모든 부자연스러운 움직임을 방지하면서, 무릎을 굽힐 수 있게 하는 주된 목적(primary object)을 가진다. 몇몇 브레이스들은 골관절염(osteoarthritis)에 의해 발생되는 고통 등을 경감시키기 위하여, 지속적이고 또는 다양한 “언로딩” 힘("unloading" force)을 무릎 관절에 제공한다. 그와 동시에 기능성 브레이스들은 인간이 걷거나, 뛰거나, 점프하거나, 스케이트 등을 하는 동안 무릎 관절이 자연스럽게 움직이게 하는 목적이 있다. 또한 그들은 위쪽 다리 및 아래쪽 다리의 급격한 움직임의 방지, 수직 축에서의 위쪽 다리에 대한 상대적인 아래쪽 다리의 회전 또는 비틀림의 방지, 및/또는 관절에 통증을 완화하는 힘을 제공하는 목적이 있다.

도 1a는 인간/환자의 다리(110)에 고정된 무릎 브레이스(105)의 부분적인 투시도(fragmentary perspective)이다. 일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 과도한 회전 또는 연장(extension)으로부터 ACL을 보호하기 위하여 넓적다리의 움직임을 제어할 목적이 있다. 일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 브레이스(105)로부터 수신된 피드백에 기초하여 전자 근육 자극(EMS, electrical muscle stimulation)을 제공하는 폐쇄 루프 시스템(closed-loop system)이다. 피드백은 적용된 EMS 및 EMS에 따른 무릎의 응답에 기초할 수 있다. 피드백은 피드백의 종류의 어느 조합일 수 있다.

브레이스(105)는 전단부(proximal end)(120) 및 말단부(distal end)(125)를 포함한다. 일반적으로 전단부(120)는 인간의 대퇴골(femur)에 물리적으로 접촉한다. 일반적으로 말단부(125)는 인간의 정강이뼈(tibia)에 물리적으로 접촉한다. 브레이스(105)는 무릎(115)에서 열린 부분(opening)을 가진 것으로 도시되었다. 비록 열린 부분과 함께 도시되었지만, 대안으로 브레이스(105)는 무릎(115)에서 폐쇄될 수 있다.

일실시예에 따르면, 브레이스(105)의 전단부(120) 및 말단부(125)는 중심축이 되는 접합부(pivotal joint) 또는 힌지(hinge)(130)에 의해 연결될 수 있다. 인간이 그 또는 그녀의 무릎(115)를 구부리는 동안, 중심축이 되는 접합부(130)는 브레이스(105)가 접합부(130)에서 굽혀지게 한다. 이후 보다 자세히 서술되겠지만, 일실시예에 따른 중심축이 되는 접합부(130)는 무릎(115)의 절대적인 위치(absolute position)를 결정하는 디지털 위치 부호기(digital positional encoder)(135)를 포함한다. 브레이스(105)가 전송된 위치에 기초하여 위치를 기록(또는, 다른 실시예에 따르면, 위치를 조절)하기 위하여, 디지털 위치 부호기(135)는 무릎(115)의 이러한 위치를 디지털 방식으로 피드백의 일부로써 제공할 수 있다. 비록 브레이스(105)가 중심축이 되는 접합부(130)과 함께 도시되었지만, 또한 브레이스(105)는 반대쪽의 전단부(120)과 반대쪽의 말단부(125)를 연결하는 제2 중심축이 되는 접합부를 포함할 수 있다. 브레이스(105)는 금속, 발포제(foam), 플라스틱, 탄성 소재(elastic material), 복합재(composits), 및 스트랩(straps)의 조합과 같은 다양한 소재로부터 만들어질 수 있다.

브레이스(105)는 하나 또는 그 이상의 커넥터들(140, 150)을 통하여 인간의 몸체에 고정될 수 있다. 일실시예에 따르면, 커넥터들(140, 150)은 브레이스(105)와 연결되거나 또는 커넥터들(140, 150) 그 자체와 연결되는 스트랩이다. 비록 두 개의 커넥터들(140, 150)만이 도시되었지만, 다른 개수의 커넥터가 사용될 수 있다. 커넥터들(140, 150)은 볼트, 나사, 핀, 벨크로, 끈(strings), 클램프(clamps), 또는 다른 적절한 커넥터일 수 있다.

도 1b 는 무릎 관절(160)의 투시도이다. 대퇴골(165) 또는 허벅지 뼈(165)가 슬개골(167) 또는 종지뼈(kneecap)에 연결된다. 관절 연골(Articular cartilage)(170)이 뼈를 감싸며, 관절을 완충한다. 내측 측부 인대(MCL, medial collateral ligament)(172)는 무릎 관절의 안쪽을 가로지르며 대퇴골(165) 및 정강이뼈(tibia, shinbone)(175)를 연결한다. 내측 측부 인대(172)는 무릎의 측면 움직임(sideways motion)을 제한한다. 또한, 후방 십자형 인대(PCL, posterior cruciate ligament)(177)는 대퇴골(165) 및 정강이뼈(175)를 연결한다. 후방 십자형 인대(177)는 정강이뼈(175)의 뒷방향 움직임(backward motion)을 제한한다. 외측 측부 인대(LCL, lateral collateral ligament)(180)는 무릎의 바깥쪽을 가로지른다. 외측 측부 인대(180)는 측면 움직임을 제한한다. 전방 십자형 인대(ACL, anterior cruciate ligament)(182)는 무릎의 중심에서 대퇴골(165) 및 정강이뼈(175)를 연결한다. 전방 십자형 인대(182)는 정강이뼈(175)의 앞방향 움직임(forward motion) 및 회전을 제한한다. 반월판(meniscus)(185) 관절(160)에서의 충격을 흡수하는 연골(cartilage)이다.

또한 도 2를 참고하면, 브레이스(105)는 브레이스(105)에 부착되거나 또는 내장된 제어 전자 장비(210)를 포함한다. 비록 브레이스(105)의 전단부(120)에 배치된 것으로 도시되었지만, 제어 전자 장비(210)는 브레이스(105)의 말단부(125), 중심축이 되는 접합부(130), 및/또는 하나 또는 그 이상의 커넥터들(140,150)과 같은 브레이스(105)의 어느 위치에도 내장될 수 있다. 더 나아가서, 제어 전자 장비(210)는 하나 또는 그 이상의 케이블 또는 전선을 통해 브레이스(105)와 연결될 수 있다. 일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)의 하나 또는 그 이상의 요소는 브레이스(105)에서 제거가능(removable)하다.

일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)는 브레이스(105)와 접촉된 하나 또는 그 이상의 근육의 EMS를 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 브레이스(105)는 브레이스(105) 도처의 특정 위치에 배치된 하나 또는 그 이상의 센서(215, 220, 225, 230)/패드/전극을 포함한다. 비록 도 2에서의 브레이스(105)에 두 개의 센서(215, 220)가 브레이스(105)의 전단부(120)에 배치되고 두 개의 센서(225, 230)가 브레이스(105)의 말단부(125)에 배치되었지만, 센서들(215, 220, 225, 230)은 어느 다른 위치에서 구성될 수 있다. 더 나아가서, 브레이스(105)가 네 개의 센서들(215, 220, 225, 230)을 가진 것으로 도시되었지만, 다른 개수의 센서(예를 들어, 여섯 개의 센서)도 사용될 수 있다. 추가적으로, 센서들(215, 220, 225, 230)은 원형 또는 타원형과 같은 다른 형태 또는 크기를 가질 수 있다. 추가적으로, 센서들(215, 220, 225, 230)은 이동할 수 있다(예를 들어, 브레이스에 배치되지만, 환자 또는 의사에 의하여 움직일 수 있다). 예를 들어, 센서들(215, 220, 225, 230)은 3인치의 직경의 원형 범위 내에서 움직일 수 있다. 일실시예에 따르면, 센서들(215, 220, 225, 230)은 움직일 수 있지만 강한 벨크로 물질에 의해 고정될 수 있다. 일실시예에 따르면, 센서들은 전압, 전류 및/또는 전력에 응답하거나 및/또는 전달할 수 있는 전극 또는 전기 접점(electrical contacts)이다. 일실시예에 따르면, 센서들은 수동 소자이다(the sensors are passive). 이들은 증폭기(amplifier) 또는 다른 처리 수단을 포함하지 않는다.

일실시예에 따르면, 무릎 주변의 센서들은 1) 내측광근(vastus medialis oblique)의 운동점(motor point), 2) 외측광근(vastus lateralis)의 운동점, 및 3) 말단의 중심 햄스트링(distal central hamstring)의 운동점에 배치된다. 일실시예에 따르면, 종아리 근육에는 어떠한 센서 또는 전극도 배치되지 않는다.

일실시예에 따르면, 센서들(215, 220, 225, 230)이 인체의 피부에 접촉하기 위하여, 센서들(215, 220, 225, 230)은 브레이스(105)의 내벽(interior wall)에 배치된다. 센서들(215, 220, 225, 230) 각각은 제어 전자 장비(210)가 인간에게 어느 정도의 “충격”을 주는지 결정하기 위하여 인간의 인체 조직의 파워 손실 측정(power dissipation reading)을 받아들일 수 있다(예를 들어, 센서들(215, 220, 225, 230)이 인간의 인체 조직에 생성하거나/적용하는 전류 또는 전압 또는 파워가 어느 정도여야 하는지). 일실시예에 따르면, 전기 피부 반응(galvanic skin resistance)이 파워 손실 측정으로부터 결정될 수 있다. 인간 몸체의 저항의 대부분은 피부에 있다(표피(epidermis, 피부의 제일 바깥 층)의 죽고 건조한 세포들은 전도가 잘 안된다). 사람에 따라서, 건조한 피부의 저항은 보통 1,000 내지 100,000 옴이다. 피부의 저항은 전해질 용액(예를 들어, 땀 또는 습기)으로 젖은 경우 낮아진다. 종래의 센서들은 인체의 피부의 저항을 500옴이라 가정하고, 이에 기초하여 인체의 피부에 일정한 전류를 적용한다. 종래의 센서들과 달리, 브레이스(105)의 센서들(215, 220, 225, 230)은 인간의 인체 조직의 파워 손실을 측정하고, 이러한 측정에 기초하여 전류/전압/파워를 조절한다. 따라서, 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230)에 의해 출력되는 전기의 양은 인간의 인체 조직의 전기의 측정(electrical reading)에 기초한다. 일실시예에 따르면, 전기의 측정은 인체의 피부가 두 개의 센서(예를 들어, 센서들(215, 220) 또는 센서들 (225, 230))를 가로질러 폐회로(closed circuit)를 생성한 때에 발생된다. 예를 들어, 인간이 브레이스(105)를 착용할 때에, 그 또는 그녀의 다리에서의 인체의 피부가 센서(215) 및 센서 (220)간의 회로를 이음으로써(closes), 파워 요소 측정(power factor reading)이 발생하게 한다. 파워 요소 측정이 제어 전자 장비(210)으로 전송되면, 제어 전자 장비(210)은 인체의 다리에서의 근육을 자극하기 위하여 센서에서 생성되는 전류/전압/파워 출력을 조절한다.

일실시예에 따르면, 센서들(215, 220, 225, 230)은 미리 설정된 시간 주기가 지난 이후(예를 들어, 매 5ms 마다)에 주기적으로 환자의 파워 손실 요소(power dissipation factor)를 측정한다. 다른 실시예에 따르면, 의료 전문가(medical professional)는 제어 전자 장비(210)가 특정한 시간 또는 특정한 소요 시간 동안 파워 손실을 측정하도록 명령할 수 있다(예를 들어, 오후 6시에서 7시까지 매 5ms 마다 파워 손실을 측정). 또한, 의료 전문가 또는 브레이스(105) 그 자체가 특정 스케쥴 또는 미리 설정된 시간에 환자에게 “충격”을 주도록 프로그램 될 수 있다.

더 나아가서, 일반적으로 종래의 센서 또는 패드는 패드에 의한 전류/전압/파워 출력의 전도(conduction)를 활용하기 위하여 전해질 젤(electrolytic gel)의 사용이 요구되었다. 종래의 센서와 달리, 일실시예에 따른 센서들(215, 220, 225, 230)은 전해질 젤과 함께 사용되지 않는다. 대신에, 센서들(215, 220, 225, 230)은 인간의 인체 조직과 전기적 연결(예를 들어, 피부 그 자체 또는 땀, 습기를 통하여)을 생성하는 전도성 실리콘(conductive silicon)이다. 일실시예에 따르면, 센서들(215, 220, 225, 230)은 실리콘 니켈(silicon nickel)과 같은 실리콘에 침윤된(impregnated) 전도성 물질(예를 들어, 금속)이 포함된 실리콘이다. 알루미늄 및/또는 탄소 입자(carbon particles)와 같은 다른 전도성 물질이 사용될 수 있다. 일실시예에 따르면, 전극 패드는 스톡웰 탄성중합체(Stockwell elastomerics)의 실리콘 시트(silicone sheet)가 채워진 탄소이다(part No. SE 65-CON).

추가적으로, 많은 종래의 패드는 피부에 적절한 접촉을 만들기 위하여 환자의 피부에 달라붙는다. 이는 패드가 제거되거나 또는 이동되는 동안(예를 들어, 브레이스가 이동하거나 또는 휘어질때) 패드의 끈끈함(stickness)이 모발 또는 피부가 제거되는 것과 같은 문제를 유발한다. 이러한 종래의 센서들과 달리, 일실시예에 따른 센서들(215, 220, 225, 230)은 환자의 피부에 연결되는 끈끈한 물질(sticky substance)을 사용하지 않는다. 대신에, 센서들(215, 220, 225, 230)은 브레이스(105)에서의 센서들(215, 220, 225, 230)의 배치를 통하여 인체 조직(예를 들어, 피부)과 물리적인 접촉을 만들 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 센서들(215, 220, 225, 230)은 젤과 함께 사용된다. 일실시예에 따르면, 시스템은 두 종류의 패드(젤과 같이 사용되는 패드 및 젤이 사용되지 않는 패드) 모두를 운영할 수 있다.

제어 전자 장비(210)는 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230) 및/또는 디지털 위치 부호기(135)로부터 피드백을 수신함으로써, 폐쇄 루프 시스템을 형성한다. 보다 구체적으로, 브레이스(105)는 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230)을 통하여 근육에 EMS를 전달하고, 센서들(215, 220, 225, 230)에 의해 획득된 측정에 기초하여 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230)에 의해 전달되는 전류/전압/파워의 양을 조절하고, 제어 전자 장비(210)와 통신한다.

일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)는 하나 또는 그 이상의 배터리와 함께 마이크로프로세서(예를 들어, 산호세 캘리포니아에서 제작된 ARM® Ltd.의 ARM® CORTEX™ 마이크로 프로세서) 및 블루투스 트랜시버/모듈과 같은 커뮤니케이션 모듈을 포함한다. 제어 전자 장비(210)는 포물선 호(parabolic arc)(예를 들어, 부드럽게 시작하여 점차 증가하는), 사인파, 코사인파, 펄스 폭 변조(PWM, pulse width modulation), 펄스 밀도 변조(PDM, pulse density modulation), 사각파(square wave), 톱니파(sawtooth wave) 등의 다른 종류의 신호 또는 파형을 통하여 센서들(215, 220, 225, 230)을 통하여 자극을 제공할 수 있다. 더 나아가서, 제어 전자 장비(210)는 다른 펄스 지속 시간 및 펄스 폭의 파형을 제공할 수 있다.

일실시예에 따르면, 센서 및 전기적 자극 전극(electrical stimulation electrode)은 공통의 접점(contact point)을 공유한다. 일실시예에 따르면, MOSFET이 두 개의 위상간의 스위치를 생성하기 위하여 포함된다. 한 위상은 다른 위상으로부터 완전히 단절된다. 이러한 단절과 어느 정도의 에너지가 시스템에 투입되었는지 알아낸 것이 결합한 결과로써, 정확한 파워 손실의 측정이 획득될 수 있다. 언제 센싱 펄스(sensing pulse)를 입력하고 이와 대조적으로 언제 자극 펄스를 입력할지를 결정하기 위하여, 자극 펄스에서 무엇이 입력되었는지 알려진 다음, 제어 전자 장비(210)가 더 높은 전압으로 센스 펄스를 입력한다. 하지만, 더 높은 전압이 센스 펄스에 입력되었으므로, 자극 위상에서의 잔여 전압(residual voltage)은 전압이 센싱 펄스를 입력하기 위하여 새로운 레벨로 상승되었기 때문에 큰 문제가 안된다. 따라서, 파워 손실의 측정을 얻기 전에, 전압이 자동적으로 상승된다. 만약 전압이 상승되지 않았다면, 잔여 전압이 자극 펄스로부터 측정되거나 획득된다. 따라서 이는 잔여 전압을 다루는 것을 제거한다. 이로써 제어 전자 장비(210)가 조직에서 전압 및 용량(capacitance)을 해결한다. 제어 전자 장비(210)는 모든 영역의 전압을 높이고, 잔여 전압의 문제를 제거하여 파워 손실을 결정할 수 있다.

일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)는 디지털 위치 부호기(135) 및/또는 센서들(215, 220, 225, 230)로부터의 피드백에 기초하여, 센서들(215, 220, 225, 230)에 전달되는 전류/전압/파워를 조절한다. 일실시예에 따르면, 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230)이 무릎의 위치에 따라 다르게 행동한다. 추가적으로, 파워 손실은 모든 사람에게 다르고 작동의 과정 동안에 변하며, 제어 전자 장비(210)은 센서들(215, 220, 225, 230)을 통하여 환자의 파워 손실을 반복적으로 측정할 수 있고, 이 측정들에 기초하여 출력 전류/전압/파워를 반복적으로 조절할 수 있다. 따라서, 일실시예에 따르면, 인간 A는 민감한 피부를 가졌으므로, 의료 전문가는 인간 A에 대하여 브레이스를 3단계 자극으로 설정할 수 있고, 인간 B는 “두꺼운”피부를 가졌고 자극에 민감하지 않으므로, 의료 전문가는 인간 B에 대하여 6단계 자극으로 설정할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 자극 레벨은 피드백에 기초하여 자동적으로 설정된다. 또 다른 실시예에 따르면, 환자는 브레이스(105)에서의 제어 또는 손잡이(knob)를 통하여 자극 레벨을 설정한다.

일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)에 의하여 입력된 신호는 일정한 전류 신호이고 일정한 전력 출력을 시도하기 위하여 다양한 전압을 제공한다. 일실시예에 따르면, 전류 및/또는 전압은 일정한 파워를 전달하기 위하여 다양해진다. 일실시예에 따르면, 각각의 자극 신호를 입력하기 전에 인체 조직의 유전율(dielectric constant)을 무너뜨리기 위하여, 제어 전자 장비(210)는 먼저 테스트 신호(예를 들어, 200 볼트) (예를 들어, 앞서 식별한 센스 펄스)를 입력한다. 이 테스트 신호는 더 높은 전도의 채널 또는 이온화된 채널을 생성한다. 테스트 펄스가 인체 조직에 입력된 이후, 자극 펄스가 인체 조직에 입력된다. 이는 자극 펄스가 낮은 전압을 가지게 하고 따라서 전체 파워를 낮춘다. 자극 펄스는 테스트 펄스에서의 측정에 기초하여 조절된다. 따라서, 제어 전자 장비(210)는 파워 손실을 모든 자극 펄스 이전에 측정한다. 만약 개방 회로(open circuit)가 탐지되거나 또는 전기적인 단락(electrical short)이 탐지된 경우, 테스트 펄스 때문에 자극 펄스가 발화하지 않는다.

이후에 보다 자세히 서술되겠지만, 브레이스(105)는 제어 전자 장비(210)에 의해 생성된 데이터 및/또는 센서들(215, 220, 225, 230)에 의해 제공되는 피드백 및/또는 디지털 위치 부호기(135)에 의해 제공되는 피드백을 의료 전문가(예를 들어, 의사, 외과의 및/또는 물리 치료사)에게 전달할 수 있다. 의료 전문가는 이 데이터에 기초하여 브레이스(105)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 브레이스(105)는 EMS 및/또는 무릎(115)의 움직임의 범위(디지털 위치 부호기(135)를 통하여 획득된)에 기초하여 무릎(115)을 감싸는 근육이 얼마나 강한지 측정할 수 있다. 이후에 보다 자세히 서술되겠지만, 의료 전문가는 환자의 치료를 조절하기 위하여 이 피드백 및 데이터를 활용할 수 있다. 예를 들어, 의료 전문가는 측정에 기초하여 브레이스(105)를 조절할 수 있다. 따라서, 브레이스(105)는 관절 주변의 근육(들)을 동시에 자극하는 것과 관절을 보강하는 것(bracing a joint)의 조합을 제공한다.

추가적으로, 운동선수 또는 코치는 운동선수의 관절이 회복하는 동안 또는 부상 이후에 어느 정도 움직일 수 있는지 결정하는 것과 같이, 제어 전자 장비(210)에 의해 생성되는 통계에 관심을 가질 수 있다. 특정한 예로써, 야구 팀의 피칭 코치(pitching coach)는 투수의 피칭 팔(pitching arm)의 움직임과 연관된 통계에 관심을 가진다.

일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)는 의료 전문가 또는 환자가 선택 및/또는 프로그램할 수 있는 하나 또는 그 이상의 제어 프로그램을 포함한다. 제어 프로그램은 동적일 수 있고(예를 들어, 바뀔수 있거나 또는 가변적인, 고정된 주파수가 아니고, 고정된 타이밍이 아니고, 고정된 파형이 아닌 것 등), 환자의 몸의 다른 부분에서 다른 종류의 EMS를 유발할 수 있다. 예를 들어, 제어 전자 장비(210)로부터의 피드백이 환자의 말단의 중심 햄스트링(또는 다른 실시예에 따르면, 환자의 종아리 근육)이 강해지지 않은 반면에 환자의 내측광근 근육이 강해졌음을 보여주는 경우, 의료 전문가(예를 들어, 의사 또는 물리 치료사)는 하나 또는 그 이상의 프로그램을 통하여, 브레이스(105)가 미리 설정된 제어 프로그램을 실행하도록 명령할 수 있다. 미리 설정된 제어 프로그램은 센서들(215, 220)이 7 mA의 직류 전류를 30초 동안 출력한 다음 5 mA의 전류를 20초 동안 출력하게 만들 수 있다. 더 나아가서, 미리 설정된 제어 프로그램은 센서들(225, 230)이 1 mA의 전류를 50초 동안 출력하게 만듦으로써, 환자의 말단의 중심 햄스트링(또는 다른 실시예에 따르면, 환자의 종아리 근육)에 비교하여 환자의 내측광근 근육에 상당히 큰 자극을 제공한다. 일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 수술 이후 첫번째 주에 대한 특정한 프로그램, 수술 이후 첫번째 달에 대한 특정한 프로그램, 관절염에 대한 특정한 프로그램 등을 포함한다.

일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 인증 버튼(250)을 포함한다. 인증 버튼(250)은 프로그램을 실행하기 위하여 환자가 누르는 버튼이다. 따라서, 인증 버튼(250)은 브레이스(105)의 보안 특징이다. 브레이스(105)는 하나 또는 그 이상의 자극 프로그램 또는 활동을 브레이스의 착용자가 인증 버튼(250)을 누르기 전까지 양보(compromised)하거나 또는 실행할 수 없다. 예를 들어, 의료 전문가가 원격으로 제어 전자 장비(210)에 접속하여 브레이스(105)의 특정 근육에 대한 자극을 실행하거나 또는 환자에 대한 브레이스(105)의 움직임의 범위를 조절하려고 시도하는 경우, 브레이스(105)는 환자가 인증 버튼(250)을 누르기 전까지 자극의 실행 또는 움직임의 범위의 조절을 실행하지 않을 것이다.

또한, 제어 전자 장비(210)는 디스플레이(240)를 포함할 수 있다. 디스플레이(240)는 브레이스와 연관된 통계를 표시할 수 있다. 이러한 통계의 예는 센서들(215, 220, 225, 230)이 측정하는 파워 손실이 얼마나 되는지, 센서들(215, 220, 225, 230)이 전달하는 전류/전압/전력이 얼마나 되는지, 디지털 위치 부호기(135)의 각도가 얼마나 되는지, 얼마나 많은 프로그램이 실행 중이거나 또는 실행되었는지, 환자의 다음 약속(예를 들어, 의사 또는 물리 치료사와의 약속)의 날짜, 시간, 고정된 주기의 시간에서의 관절의 움직임의 평균 범위 및 브레이스(105)와 연관된 다른 정보 등을 포함한다. 일실시예에 따르면, 제어 전자 장비(210)는 사용자가 브레이스(105)에 입력을 제공하게 하는 키보드를 포함한다.

또한 브레이스(105)는 시각적인 피드백을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 LED들이 특정 상황(specific occurrence)을 환자에게 알리기 위하여 브레이스(105)에 배치될 수 있따. 예를 들어, 브레이스(105)가 환자의 인증 버튼(250)을 누르는 것을 기다리는 경우, LED가 켜질 수 있다.

추가적으로, 브레이스(105)는 생성된 데이터(피드백 데이터)를, 예를 들어 사용자 또는 의료 전문가와 연관된, 컴퓨팅 디바이스에 전송할 수 있다. 전기적 개방 회로가 탐지된 경우, 컴퓨팅 디바이스와 브레이스(105)의 통신 때문에, 의료 전문가는 환자가 브레이스를 착용하지 않은 것을 통지받거나 또는 볼 수 있다. 비슷하게, 환자가 웅덩이에 빠진 경우, 전기적 단락 회로가 탐지되므로 의료 전문가는 이를 알 것이다.

일실시예에 따르면, 의료 전문가 또는 브레이스(105)는 브레이스(105)에 의해 생성된 데이터를 보험 회사로 전송할 수 있다. 보험 회사는 전송된 데이터로부터, 환자가 그 또는 그녀의 운동을 수행하고 있는지, 브레이스를 하루 종일 착용하고 있는지 식별할 수 있다. 이는 보험 회사에 의해 제공되는 보험에 영향을 줄 수 있다(예를 들어, 환자가 브레이스를 하루 종일 착용하거나 운동을 하는 경우 보험료가 낮아진다). 일실시예에 따르면, 의사와 같은 의료 전문가는 브레이스를 처방할 때에 특정한 보험 환급(insurance reimbursement)을 획득하거나 또는 요구할 수 있다. 일실시예에 따르면, 특정한 보험 코드가 의료 전문가가 브레이스를 처방하기 위하여 이용 가능할 수 있다.

일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 언로더 브레이스(unloader brace)이다. 주로 언로더 브레이스는 내측(무릎 안쪽 부분) 객실 무릎 관절염(medial compartment knee osteoarthritis)을 가진 사람에게 처방된다. 이러한 무릎 브레이스는 넓적다리 뼈에 압력을 줌으로써 영향을 받은 관절으로부터 스트레스를 없앤다. 이 힘은 무릎을 고통스러운 영역에서 벗어나게 구부러지도록 한다. 따라서, 언로더 브레이스는 무릎의 한 부분보다 더 강하고 단단한 브레이스이다. 일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 무릎의 일 방향으로 힘을 가한다. 일실시예에 따르면, 어댑터 피스(adapter piece)가 힘을 가하기 위하여 브레이스(105)에 부착됨으로써, 언로더 브레이스를 형성한다.

또한, 브레이스(105)는 다른 근육의 그룹의 서로 연결된 수축(co-coupled contraction)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 네 개의 센서(예를 들어, 센서(215) 및 센서(220)을 포함하는)가 사두근(quadriceps)에 배치될 수 있고 두 개의 센서 (예를 들어, 센서(225) 및 센서(230))가 햄스트링 근육에 배치될 수 있다. 브레이스(105)는 근육들의 두 집합을 다른 시간 또는 동시에 동일하거나 또는 다른 파장, 패턴 및/또는 파형으로 자극할 수 있다. 예를 들어, 브레이스(105)가 센서들(215, 220)을 제1 속도로 활성화 또는 점화(fires)할때에, 브레이스(105)는 센서들(225, 230)을 제2 속도(더 느린 속도, 또는 다른 실시예에 따르면, 동일한 속도)로 활성화 또는 점화할 수 있다. 사두근 대비 다른(또는 같은) 주파수의 햄스트링의 점화(firing)는 서로 연결된 수축을 야기한다. 사두근과 함께 햄스트링(상극인 근육의 그룹(antagonistic muscle group))을 점화하는 것은 근육들의 두 집합 모두를 강화하는 것을 야기한다. 상극인 근육의 그룹의 자극은 근육의 두 집합 중 하나가 위축된(atrophied) 때에도 근육의 두 집합 전부를 강화한다. 일실시예에 따르면, 제1 근육 및 제2 근육이 서로 상극인 경우, 브레이스(105)는 제1 근육에 대한 제1 프로그램을 실행하고 제2 근육에 대한 제2 프로그램을 실행하도록 프로그램 될 수 있다. 일실시예에 따르면, 의사는 브레이스(105)에서 센서들(215, 220, 225, 230)을 이러한 서로 연결된 수축이 발생하도록 배치한다. 다른 실시예에 따르면, 센서들(215, 220, 225, 230)은 다른 근육의 그룹의 서로 연결된 수축을 유발시키기 위하여 브레이스(105)내에서 필수적으로 배치된다(integrally positioned).

일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 환자의 체온을 식별할 수 있고, 체온에 기초하여 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230)을 조절 및/또는 제어 전자 장비(210)를 제어할 수 있는 데이터를 수집하는 온도계(data gathering thermometer)를 포함한다.

도 3을 참고하면, 브레이스(105)(제어 전자 장비(210))는 컴퓨팅 디바이스(300)와 통신할 수 있다(예를 들어, 유선 연결 또는 무선으로). 컴퓨팅 디바이스(300)의 본 발명을 제한하지 않는 예시는, 퍼스널 컴퓨터, 디지털 어시스턴트(digital assistants), 퍼스널 디지털 어시스턴트(PDA, personal digital assistants), 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿, 또는 랩톱 컴퓨터를 포함한다. 컴퓨팅 디바이스(300)는 환자의 디바이스 또는 의료 전문가와 연관된 디바이스일 수 있다. 이는 의료 전문가가 브레이스(105)로부터 전송된 데이터를 검색 및 분석하게 할 수 있다. 일실시예에 따르면, 의료 전문가가 언제든지 브레이스(105)를 조절하거나 및/또는 데이터를 분석할 수 있도록, 이 데이터는 실시간으로 전송된다.

컴퓨팅 디바이스(300)는 미디어 및/또는 네트워크 포트로부터 명령어를 읽도록 조절 및 구성된 논리 장치(logic apparatus)이다. 컴퓨팅 디바이스(300)는 인터넷 또는 인트라넷에 연결될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(300)는 중앙 처리 장치(CPU, central processing unit)(302), 하나 또는 그 이상의 메모리(예를 들어, RAM(324) 및/또는 ROM(326)), 선택적인 입력 장치(키보드(318) 및/또는 마우스(320)로 도시됨) 및 선택적인 모니터(208)를 포함한다. 일실시예에 따르면, 컴퓨팅 디바이스(300)는 서버 컴퓨터이거나 또는 서버 컴퓨터와 통신한다. 컴퓨팅 디바이스(300)는 데이터를 송신 및/또는 수신하는 적절한 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(300)는 네트워크 연결, 무선 연결 또는 인터넷 연결을 가질 수 있다. 개시된 실시예와 연관된 데이터가 이러한 네트워크 또는 연결을 통하여 전송될 수 있음이 예상된다.

적어도 적용 가능한 몇몇 상황에서, 컴퓨팅 디바이스(300)는 다양한 컴퓨팅 애플리케이션(228)을 실행할 수 있다. 컴퓨팅 애플리케이션(338)은 컴퓨팅 애플리케이션, 컴퓨팅 애플릿(computing applet), 컴퓨터 프로그램 또는 적어도 하나의 함수, 연산, 및/또는 프로시져(procedure)를 수행하기 위하여 컴퓨팅 디바이스(300)에서 동작하는 다른 명령어를 포함한다. 컴퓨팅 디바이스(300)는 소프트웨어의 형태일 수 있는 컴퓨터가 읽을 수 있는 명령어를 실재적으로 저장한(tangibly storing) 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 의해 제어될 수 있다. 적어도 적용 가능한 몇몇 상황에서, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 저장된 명령어를 읽기 위하여 컴퓨팅 디바이스(300)가 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장 또는 접근하기 위한 명령어를 포함할 수 있는 컴퓨터가 읽을 수 있는 명령어를 실재적으로 저장할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(300)가 원하는 기능을 수행하기 위하여, 이러한 소프트웨어는 중앙 처리 장치(203)내에서 실행될 수 있다.

통상의 기술자가 인식할 수 있는 것처럼, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 데이터를 저장한다. 이 데이터는 기계가 읽을 수 있는 형태로 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 본 발명을 제한하지 않는 예시로써, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 데이터의 고정된 또는 실재의 저장소인 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 또는 코드가 포함된 신호의 순간적인 해석을 위한 통신 매체를 포함할 수 있다. 개시된 바와 같이, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 물리적 또는 실재하는 저장 매체(신호와 반대됨)를 의미하고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 다른 데이터와 같은 정보의 실재의 저장 매체에 대한 기술 또는 방법으로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 제거 가능 또는 제거 불가능한 기록 매체를 포함한다. 본 발명을 제한하지 않는 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 다른 솔리드 스테이트 메모리 기술(solid state memory technology), CD-ROM, DVD, 또는 다른 광학 저장 매체, 마그네틱 카세트(magnetic cassettes), 마그네틱 테이프, 마그네틱 디스크 저장 매체(magnetic disk storage) 또는 다른 마그네틱 저장 기기 또는 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 접근할 수 있는 원하는 명령어 또는 데이터 또는 정보를 실재적으로 저장할 수 있는 다른 물리적인 매체 또는 다른 소재의 매체를 포함한다.

작동 중에, 중앙 처리 장치(302)는 명령어를 불러오고, 해독하고, 실행하고, 다른 자원으로부터 정보를 시스템 버스(340)와 같은 컴퓨터의 주된 데이터 전송 경로를 통하여 주고 받는다. 이러한 시스템 버스는 컴퓨팅 디바이스(300)에서의 요소를 연결하고 데이터 교환을 위한 매체를 정의한다. RAM(324) 및/또는 ROM(326)으로 접근하는 것은 메모리 컨트롤러(322)에 의해 제어될 수 있다. 메모리 컨트롤러(322)는 명령어가 실행되면서 가상 주소를 물리 주소로 번역하는 주소 번역 기능을 제공할 수 있다.

추가적으로, 컴퓨팅 디바이스(300)는 중앙 처리 장치(302)에서 프린터(342), 키보드(318), 마우스(320) 및 데이터 저장 드라이브(343)와 같은 주변기기로 명령어를 전송하는 책임이 있는 주변 기기 컨트롤러(peripherals controller)(328)를 포함할 수 있다. 디스플레이 컨트롤러(334)에 의해 제어되는 디스플레이(308)는, 컴퓨팅 디바이스(300)에 의해 생성되는 시각적인 출력을 표시하기 위해 사용된다. 이러한 시각적인 출력은 텍스트, 그래픽, 동영상 그래픽 및 비디오를 포함할 수 있다. 디스플레이 컨트롤러(334)는 디스플레이(308)로 전송될 비디오 신호를 생성하기 위해 필요한 전자적 요소를 포함한다. 더 나아가서, 컴퓨팅 디바이스(300)는 컴퓨팅 디바이스(300)를 외부 통신 네트워크(332)와 연결하는데 사용될 수 있는 네트워크 어댑터(336)를 포함할 수 있다.

일례로써, 블루투스 장비(Bluetooth products)가 브레이스(105) 및 모바일 컴퓨터, 휴대 전화, 휴대 가능한 소형 디바이스(portable handheld devices), PDA, 태블릿 및 인터넷에 연결할 수 있는 다른 모바일 디바이스간의 링크를 제공하는데 사용될 수 있다. 블루투스는 근거리 무선 연결을 사용하여 비휴대 디바이스 및 모바일 디바이스가 서로 쉽게 서로 연결할 수 있는 컴퓨팅 및 전기 통신 산업 사양(computing and telecommunications industry specification)이다.

컴퓨팅 디바이스(300)는 브레이스(105)를 프로그램하거나 및/또는 브레이스(105)와 통신하는 특정 애플리케이션(338)(또한 “앱”이라 한다)을 활용할 수 있다. 일실시예에 따르면, 컴퓨팅 디바이스(300)는 앱(338)을 통신 네트워크(332)(예를 들어, 인터넷의 “앱 스토어에서)로부터 다운로드 한다. 앱(338)은 의료 전문가에게 통계, 그래픽, 정규화된 데이터, 로우 데이터(raw data), 평균(예를 들어, 평균 굽힘(average flexion) 및 평균 늘림(average extension)), 실시간 데이터 등을 제공할 수 있다. 일실시예에 따르면, 앱(338)은 사용자 또는 의료 전문가에 의해 주문 제작된 포맷의 출력 데이터를 제공한다. 일실시예에 따르면, 앱(338)은 병원 소프트웨어, 워드 프로세싱 소프트웨어(예를 들어, 마이크로소프트 워드®), 스프레드시트 소프트웨어(예를 들어, 마이크로소프트 엑셀®), 이메일 소프트웨어(예를 들어, 마이크로소프트 아웃룩®), 퍼블리싱 소프트웨어(예를 들어, 마이크로 소프트 파워포인트®), 데이터를 표시하거나 분석할 수 있는 기타 다른 프로그램과 통신할 수 있다. 앱(338)은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, graphical user interface) 또는 텍스트에 기초한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 앱(338)은 브레이스(105)(및/또는 의사)에 의해 생성된 데이터를 분석하거나 및 표시하기 위하여 브레이스(105) 및/또는 데이터베이스(이후 상세히 서술된다)와 통신한다. 일실시예에 따르면, 앱(338)은 브레이스(105)를 환자 또는 의사에 의해 프로그램할 수 있다. 앞서 서술한 바와 같이 일실시예에 따르면, 환자는 원격으로 설정된 프로그램을 브레이스(105)에서 실제로 실행하기 위해선 인증 버튼(250)을 눌러야 한다.

다른 실시예에 따르면, 컴퓨팅 디바이스(300)는 브레이스(105)와 특별히 연관된 휴대용 데이터 리더기(portable data reader)이다. 예를 들어, 의료 전문가가 환자에게 브레이스(105)를 제공할 때에, 의료 전문가는 환자의 브레이스(105)와 컴퓨팅 디바이스(300)를 동기화할 수 있다. 이후의 어느 시간에서(예를 들어, 이후의 방문에서), 의료 전문가는 브레이스(105)로부터 데이터를 캡쳐하기 위해 컴퓨팅 디바이스(300)를 사용할 수 있다. 그 다음 의료 전문가는 검색된 데이터를 보기 위하여 컴퓨팅 디바이스(300)를 사용할 수 있다(환자의 방문 및/또는 방문 전에).

적어도 몇몇 설정에서, 사용자는 디지털 컨텐트 아이템을 보기 위해 브라우저를 실행하고, 네트워크를 통하여 서버와 연결할 수 있다. 이러한 네트워크는 일반적으로 인터넷이지만, LAN, MAN, WAN, 휴대용 무선 또는 유선 네트워크, 사설 네트워크(private network), 또는 가상 사설 네트워크(virtual private network)의 어느 조합을 포함하는 다른 네트워크일 수 있다..

일실시예에 따르면, 컴퓨팅 디바이스(300)는 데이터베이스(350)와 통신한다. 컴퓨팅 디바이스(300)는 브레이스(105)에 의해 전송된 데이터를 데이터베이스(350)에 저장할 수 있다. 데이터베이스(350)은 컴퓨팅 디바이스(300)의 내부의 데이터베이스일 수 있다. 대체적으로, 데이터베이스(350)는 컴퓨팅 디바이스(300)와 통신하는 외부 데이터베이스일 수 있다.

환자의 비밀을 보호하고 데이터의 보안을 위하여, 디바이스로부터 전송된(블루투스, WiFi 또는 다른 수단을 통하여) 사용 데이터(usage data)가, 이 의료 정보에 오로지 환자 또는 환자의 의사만이 접근권을 획득할 수 있도록 보장하기 위하여, 암호화된다. 암호화는 데이터가 전송되기 전에 데이터를 처리하는 외부 하드웨어 또는 프로세서에서 실행되는 소프트웨어 중 어느 하나를 통하여 수행될 수 있다. 일실시예에 따르면, 기록의 집합 각각(each set of logs)이 그것을 생성한 디바이스에 특정한 형태로 연관된다. 이는 디바이스로부터 전송중인 데이터를 디바이스 그 자체와 연관된 특별한 식별자로 태깅하는 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 특별한 식별자는 시스템의 외부 요소에의해 또는 프로세서에 의해 설정된다 (예를 들어, UUID chip).

데이터베이스(350)는, 예를 들어 의사 또는 의료 전문가가, 브레이스(105)의 데이터를 검색, 리뷰 및/또는 분석하기 위해 사용될 수 있다. 의사는 브레이스(105)의 데이터를 의사의 분석에서 또는 환자에게 권고할 때에 활용할 수 있다. 더 나아가서, 의사는 특정 환자의 브레이스(105)의 데이터를 비슷한 조건 또는 부상을 가진 다른 환자에게 권고할 때에 활용할 수 있다. 예를 들어, 환자가 ACL 재건술(ACL reconstructive surgery)로부터 회복되는 환자에게 첫번째 주에 프로그램 1을 실행하고 두번째 주에 프로그램 2를 실행하도록 지시한 경우, 그리고 의사가 이러한 프로그램 때문에 환자의 무릎에서의 환자의 힘에서 상당한 개선을 본 경우, 의사는 동일한 수술로부터 회복되는 다른 환자에게 동일한 시간 주기로 동일한 프로그램을 실행하도록 지시할 것이다. 그 다음에 의사는 브레이스(105)에 의해 실행되는 프로그램 및 브레이스(105)에 대한 환자들의 반응을 보기 위하여, 두 환자로부터 데이터를 획득할 수 있다.

일실시예에 따르면, 브레이스(105)는 고통(distress) 버튼 또는 패닉 버튼을 포함한다. 이들이 눌린 경우, 고통/패닉 버튼은 의료 전문가(예를 들어, 의사) 또는 서비스에 환자가 도움이 필요함을 통지한다(예를 들어, 넘어지거나 스스로 다쳤음을). 그 다음 의료 전문가 또는 서비스는 무엇이 잘못되었는지 식별하기 위하여 환자에게 전화하거나 또는 환자를 돕기 위하여 환자의 위치로 이동할 수 있다. 일실시예에 따르면, 고통/패닉 버튼을 누르는 것은 데이터에서 주어진 시간 동안 플래그가 설정되는 것을 야기한다. 이 플래그는 EMS가 실행되었음 등을 표시할 수 있다. 또한, 이 플래그는 환자가 그 또는 그녀의 EMS 치료를 이전에 지정된 시간에 수행하지 않았음을 의료 전문가에게 표시할 수 있다.

도 4는 폐쇄 루프 피드백 브레이스 시스템(closed loop feedback bracing system)에서 수행되는 단계의 실시예를 도시한 흐름도이다. 브레이스가 환자의 인체 관절(예를 들어, 무릎, 팔꿈치, 허리, 척추, 손목 등)을 치료하기 위하여 제공된다(단계 405). 브레이스는 센서 및 제어 전자 장비를 포함한다. 하나 또는 그 이상의 센서들(215, 220, 225, 230)이 파워 손실 측정을 획득한다(단계 410). 앞서 서술한 바와 같이 일실시예에 따른 두 개의 센서는 두 개의 센서 간에 회로가 완성된 때에 파워 손실 측정을 획득한다. 그 다음 센서 또는 센서들(215, 220, 225, 230)은 파워 손실 측정을 제어 전자 장비(210)로 전송한다(단계 415). 제어 전자 장비는 센서들(215, 220, 225, 230)이 파워 손실 측정에 기초하여 인체 조직에 전류/전압/전력을 적용하도록 명령한다(단계 420). 이는 브레이스(105)의 출력이 파워 손실의 입력 측정(input readings)에 의존하는(예를 들어, 땀, 인체 조직 등의)폐쇄 루프 피드백 시스템을 야기한다. 일실시예에 따르면, 브레이스(105)의 출력은 센서들(215, 220, 225, 230)에서의 파워 손실의 입력 측정에 의존한다.

도 5는 제어 전자 장비(510) 및 중심축이 되는 접합부(520)를 포함하는 무릎 브레이스(505)의 실시예의 투시도이다. 도 6은 무릎 브레이스(505)의 제어 전자 장비(510)의 보다 상세한 투시도이다. 제어 전자 장비(510)는 서킷 보드(610)와 연결된 배터리(605)를 포함한다. 서킷 보드(610)는 브레이스(505)의 기능 및 프로그래밍을 위한 마이크로프로세서(620)를 포함한다. 도 7은 무릎 브레이스(720)의 두 센서들(705, 710)의 투시도이다. 센서들(705, 710)은 브레이스(720)의 내벽에 배치되어 브레이스의 착용자의 피부가 센서들(705, 710)과 물리적으로 접촉하도록 한다.

일실시예에 따르면, 환자가 브레이스를 착용하고 센서가 EMS를 제공하고 환자의 인체 조직의 파워 손실을 획득하는 동안, 브레이스는 환자가 관절(예를 들어, 무릎)을 움직이게 한다. 브레이스는 관절(예를 들어, 무릎)을 가로지를 수 있고, 센서가 끈끈한 접착제(sticky adhesive)를 사용하지 않기 때문에, 환자가 여전히 움직이게 할 수 있다. 따라서 일실시예에 따르면, 환자가 물리 치료 또는 운동을 하는 동안, 브레이스는 EMS를 제공하는 것을 가능하게 한다.

일실시예에 따르면, 제어부는 브레이스와 연결되고 브레이스를 제어 또는 프로그램한다. 일실시예에 따르면, 제어 전자 장비의 일부 또는 전부는 제어부에 배치되고 브레이스에 또는 브래에스 내에 배치되지 않는다. 예를 들어, 제어부는 센서와 연결(예를 들어, 무선 또는 하나 또는 그 이상의 전선을 통해)되고 통신할 수 있다. 제어부는 센서가 특정한 프로그램을 실행하게 프로그램할 수 있고, 센서로부터 파워 손실을 수신할 수 있고, 수신한 측정에 기초하여 EMS를 조절할 수 있다. 일실시예에 따르면, 브레이스는 특정 시간에 브레이스에 적용되는 파형과 같은 특정 브레이스와 연관된 프로그램을 저장한 메모리 칩을 포함한다. 제어부가 브레이스와 연결되는 때에, 제어부는 브레이스에서의 메모리 칩으로부터 프로그램(들)을 읽을 수 있고, 읽은 프로그램을 실행하기 위하여 센서와 통신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 제어부는 브레이스의 종류(예를 들어, 무릎 브레이스, 어깨 슬링(shoulder sling), 슬리브 등)을 식별하기 위하여 식별자를 읽는다. 따라서 일실시예에 따르면, 제어부는 슬리브, 랩(wrap), 의복(garment)(예를 들어, 반바지(shorts) 또는 컴프레션 반바지(compression shorts)(CAM)), 브레이스, 슬링(sling) 등과 같은 몇 개의 제품과 통신하는데 사용될 수 있다. 제품은 무릎, 발목, 손목, 어깨, 허리, 종아리, 엉덩이, 허벅지, 팔꿈치 등의 어느 신체 부위에 대한 것일 수 있다. 제품은 수술 이후, 운동하는 동안에, 관절염에 대해 또는 다른 어떠한 시간에 환자에 의해 착용될 수 있다. 일실시예에 따른 제품은 단단할 수 있거나 또는 유연할 수 있거나, 또는 관절을 가로질러 착용할 수 있다.

일실시예에 따르면, 제어부는 제품에 연결되거나 또는 제품에 배치된 포트 또는 플러그를 통하여 소프트 제품과 연결할 수 있다. 일실시예에 따른 제어부는 연결되면, 특정한 제품에 대해 실행되기 위한 프로그램(들)을 읽은 다음, 제품에서의 센서와 통신을 통하여 프로그램을 실행할 수 있다. 따라서, 하나의 제어부는 어느 구입한 소프트 제품(들)에서 사용될 수 있거나 또는 환자에 의해 활용될 수 있다. 일실시예에 따르면, 프로그램이 실행되는 때 또는 다른 시간에, 제어부는 의료 전문가(예를 들어, 의사)와 주기적으로(설정된 시간에) 통신할 수 있다(예를 들어, 무선으로). 일실시예에 따르면, 제어부는 물리적인 디바이스이다(예를 들어, 환자가 그들의 벨트에 고정할 수 있거나 또는 제품에서 주머니에 고정할 수 있거나). 다른 실시예에 따르면, 제어부는 컴퓨터 디바이스 또는 스마트 폰에 속한 “앱”이다. 일실시예에 따르면, 제어부는 데이터를 리뷰 및/또는 분석을 위해 컴퓨팅 디바이스에 다운로드 할 수 있다. 일실시예에 따르면, 제어부는 실행할 프로그램(예를 들어, 파형)을 선택하기 위하여, 지원되는 신체 부위를 선택하기 위하여, 제어부는 사용자(예를 들어, 의료 전문가 또는 환자)에게 옵션을 표시할 수 있는 디스플레이를 가진다. 일실시예에 따르면, 제어부는 저장 및 미래의 실행을 위해 소프트 제품에 새로운 프로그램을 다운로드함으로써, 소프트 제품에 저장된 정보를 업데이트하는 데 사용될 수 있다.

도 8은 제어부(810)와 연결된 제품의 실시예의 투시도이다. 일실시예에 따르면, 제품(805)은 제품(805)의 일부인 슬리브/랩(815)을 포함하는 “짧은 브레이스(short brace)”이다. 일실시예에 따르면, 슬리브/랩(815)은 제품(805)과 분리될 수 없다. 슬리브/랩(815)은 제1 상단 센서 쌍(820, 825) 및 제2 상단 센서 쌍(830, 835), 및 제1 하단 센서 쌍(840, 845) 및 제2 하단 센서 쌍(850, 855)과 같은 몇 개의 센서를 포함한다. 일실시예에 따르면, 전류가 센서 쌍의 두 개의 연결된 센서 간(예를 들어, 센서(820) 및 센서(825)간에)에 흐른다. 연결된 센서 쌍은 채널을 형성한다. 하나의 채널(예를 들어, 센서(820) 및 센서(825)간에)이 전류를 전도하는 동안, 다른 채널(예를 들어, 센서들(830, 835)간의 채널)이 유동(floating)하고, 따라서 이러한 다른 “유동” 채널간에 전류가 흐르지 않는다.

이후에 보다 자세히 서술되는 일실시예에 따르면, 포토셋(photosets)이 고주파 단절(high frequency isolation)을 위해 사용된다. 포토셋은 예를 들어 0.01 내지 0.1 밀리초간의 고주파 잡음을 최소화하는 흡수대(absorption band)를 가지고 있으므로 소음 단절(noise isolation)을 가능하게 한다. 그 이상의 어느 주파수(10kHz 이상)는 제거되고, 트랜지스터들(FETS)은 선형 전환 상태(linear transition states)를 넘어 잘 동작하기 때문에, 구동 신호(drive signals)는 출력 전극에서 왜곡(skew)이 적고 깨끗하며(clean) 어느 후방 산란(backscatter)도 드러내지 않는다. 따라서, 포토아이솔레이션(photoisolation)이 사용된다.

센서들(820, 825, 830, 835, 840, 845, 850, 855)이 전선들(860, 865)을 통하여 제어부(810)와 연결된다. 다른 실시예에 따르면, 센서들(820, 825, 830, 835, 840, 845, 850, 855)은 제어부와 무선으로 연결된다. 일실시예에 따르면, 제품(805)은 제어부(810)의 위치를 고정하기 위한 브래킷(870, 875)을 포함한다. 일실시예에 따르면, 제어부(810)는 포트(880)를 통하여 제품(805)에 연결된다. 제품(805)은 스테이스(stays)(885, 890)를 포함한다.

도 9는 제어부(910)와 연결된 제품(905)의 실시예의 투시도이다. 일실시예에 따르면, 제품(905)은 브레이스(915) 및 브레이스(915) 내부의 슬리브/랩(920)을 포함하는 “긴 브레이스(long brace)”이다. 일실시예에 따르면, 슬리브/랩(920)은 힌지들(925, 930)에서 브레이스(915)와 연결된다. 힌지들(925, 930)은 0°, 45°, 90°, 및 개방(open)간에 조절할 수 있는 힌지와 같은 조절 가능한 힌지일 수 있다. 일실시예에 따르면, 슬리브/랩(920)은 브레이스(915)와 분리될 수 있다. 슬리브/랩(920)은 제1 상단 센서 쌍(935, 940) 및 제2 상단 센서 쌍(945, 950), 및 제1 하단 센서 쌍(955, 960) 및 제2 하단 센서 쌍(965, 970)과 같은 몇 개의 센서들을 포함한다. 앞서 서술한 바와 같이, 일실시예에 따르면 전류가 센서(935)와 센서(940)같은 센서 쌍의 두 개의 연결된 센서 간에 흐를 수 있다. 연결된 센서 쌍은 채널을 형성한다. 하나의 채널(예를 들어, 센서(935) 및 센서(940)간에)이 전류를 전도하는 동안, 다른 채널(예를 들어, 센서들(945, 950)간의 채널)이 유동(floating)하고, 따라서 이러한 다른 “유동” 채널간에 전류가 흐르지 않는다. 브레이스(915)는 스테이스(975, 980)을 포함한다.

일실시예에 따르면, 긴 브레이스(905)는 관절(예를 들어, 무릎)을 지나 연장되는 슬리브/랩(920)을 가진 브레이스(915)이다. 따라서, 부착된 슬리브(815)를 가지는 짧은 브레이스(805)와 달리, 긴 브레이스(905)는 슬리브(920)로부터 브레이스(915)의 제거를 가능하게 하는 슬리브(920)를 가진다.

일실시예에 따르면, 센서 각각은 그것에 대해 적용된 보습제(예를 들어, 일반적인 핸드 크림)와 함께 포장된다. 보습제를 가진 센서 각각은 예를 들어 센서에 셀로판 커버를 가질 수 있고, 제품이 패키지에서 제거되는 때에, 환자 또는 의료 전문가는 셀로판 커버를 제거할 수 있다. 일실시예에 따르면, 센서는 환자의 피부가 얼마나 건조한지 탐지하고, 이 정보를 제어부에 전달한다. 그 다음 제어부는 환자의 피부가 수분을 제공받아야 한다는 알림을 환자 또는 의료 전문가에게 제공할 수 있다.

일실시예에 따르면, 슬리브, 브레이스 또는 제품은 환자의 종아리 근육에 지지대를 제공하고, EMS를 앞서 서술한 폐쇄 루프 방식에서 종아리 근육에 적용하는 전극/센서를 제공한다. 따라서, 일실시예에 따르면, 소프트 제품은 심부 정맥 혈전증(DVT, deep vein thrombosis)의 예방에 활용하기 위하여, 종아리를 자극한다.

일실시예에 따르면, 제품은 요추 지지대(lumbar support)를 제공하는 의복일 수 있다. 의복은 엉덩이 관절(hip joint)을 가로지를 수 있고, 허리 지지대를 제공하면서 엉덩이 관절의 하나 또는 그 이상의 방향에 전극을 가질 수 있다. 일실시예에 따르면, 전극들은 엉덩이, 허리 하단 및 다리의 주변에 하나 또는 그 이상 배치된다.

일반적으로 종아리 자극 및 쿼드 자극(quad stimulation)은 다른 진폭을 가진 EMS의 적용을 요구한다. 따라서, 폐쇄 루프 시스템이 진폭을 관찰하기 위하여 사용될 수 있다. 하나의 슬리브가 다른 근육의 그룹을 할 수 있고, 앞서 서술한 폐쇄 루프 시스템을 통하여 펄스의 진폭을 조절하고 자극할 근육의 반작용을 관찰하기 때문에, 하나의 제품(예를 들어, 슬리브)은 다른 근육의 그룹에 대한 실시예에 사용될 수 있다.

보다 상세하게는, 일실시예에서 짧은 “센스 펄스”의 파워 손실이 각각의 자극 펄스 전에 획득된다. 자극 펄스 각각은 각각의 펄스 마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여 하나 또는 그 이상의 파워 손실에 기초하여 조절된다. 전극 각각은 센서를 포함한 전기의 자극을 제공하여 파워 손실이 자극 지점(stimulation site)에서 식별되게 한다.

폐쇄 루프는 몇몇 이점을 제공한다. 예를 들어, 센싱 펄스로부터 측정된 파워 손실이 프리셋 경계들을 초과하는 경우, 디바이스는 자극 펄스를 방출하기 전에 그것의 자극 순서(stimulation sequence)를 종료한다. 다른 장점으로써, 센스 펄스 각각은 인체 조직의 항복 전압(breakdown voltage)을 초과하여 인체 조직을 통과하는 전도성 채널(conductive channel)을 유지하거나 또는 생성한다. 이러한 유전체의 브레이크다운(dielectric breakdown)의 생성은 주어진 자극 펄스로 원하는 근육에 접촉하기 위해 요구되는 파워를 줄임으로써, 효율성 및 안전성을 개선한다. 자극 펄스의 파워 요구 사항을 감소하고 모든 자극 펄스 마다 일정한 파워를 유지함으로써, 고통스러운 충격 및 피부 화상(skin burns)의 위험이 제거된다. 더 나아가서, 브레이스가 더 휴대 가능하게 만들고 더 쉽게 사용할 수 있게 만들고, 종래의 유닛과 비교하여 전기의 요소의 크기의 축소를 허용하여, 유닛의 전반적인 효율이 극적으로 개선된다.

일정한 출력의 적용의 한 장점은 세포 손상의 해로운 효과를 회피하는 것이다. 세포는 생존할 수 있는 최대 전력량(maximum wattage)을 가진다. 유전율을 극복한 이후, 종래의 유닛은 세포 손상을 시작할 수 있다. 유전율을 극복하면, 밀리와트의 출력이 필요하다. 따라서, 유전체의 붕괴가 발생하여 전류가 흐르면, 제어 전자 장비(210)는 파워를 고정된(일실시예에 따르면 사용자에 의해 조절될 수 있는) 낮은 파워로 줄인다.

파워 손실이 식별된 때에, 신체 조직에 투입되는 파워는 전도성 채널이 형성된 이후 식별될 수 있다. 채널은 유지되고, 채널의 특성(예를 들어, 수신된 파워 및 전송된 파워)이 식별된다. 따라서, 파워 손실이 식별될 수 있다.

디바이스는 그것의 전기적 출력을 원하는 출력 파워(예를 들어, 와트)로 유지하기 위하여, 그것의 전기적 출력을 HV 파워 서플라이의 구동 전압을 조절함으로써 스스로 조정한다. 요구되는 파워 출력은 전극 및 인체 조직에 의해 형성되는 전기의 회로의 파워 손실을 측정함으로써, 하나 또는 그 이상의 알고리즘을 원하는 파형 데이터 및 파워 손실 측정에 적용함으로써 계산된다.

이를 달성하기 위하여, 플라이백 모드(flyback mode)로 스위칭 되는 파워 서플라이의 출력이, 안정되고 정리된(regulated) 직류(DC)를 생성하기 위하여 조절된다. 변압기에 맞선 푸시-풀 드라이버(push-pull driver)의 접근법에 비해 이러한 접근법을 사용함으로써, 잠재적으로 높은 주파수의 A/C를 가지는 소음이 있는 신호 대신에, 우리는 깨끗한 DC 신호를 제공할 수 있다. 이는 정확한 측정 및 진정한 폐쇄 루프 작동에 필수적이다.

일실시예에 따르면, 파워 손실이 모든 자극 펄스 전에 측정되고, 자극 펄스가 펄스 각각의 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여 조절된다. 도 10a를 참고하면, DC 신호(1000)가 도시된 전극/센서에 의해 인체 조직으로 전송된다. DC 신호(1000)는 웜업 페이즈(warm up phase)(1005), 러닝 액티브 페이즈(running active phase)(1010), 러닝 레스트 페이즈(running rest phase)(1015), 및 쿨다운 페이즈(cool down phase)(1020)를 포함한다. 페이즈 각각은 센스 펄스(이하 센스 펄스(1025)를 나타냄)를 포함한다. 센스 펄스는 인체 조직의 유전율을 극복하기 위한 짧은 펄스이고(전류가 흐르게 하기 위하여 인체 조직에 이온 채널을 형성하기 위하여), 어느 정도의 자극 펄스가 적용될지 식별하기 위해 회로 에서 파워 손실을 탐지하기 위한 펄스이다(또한, 이하 상세히 서술하는 바와 같이, 자극 펄스를 전송하기에 안전한지 식별하기 위하여). 일실시예에 따른 센스 펄스(1025)는 대략 10 내지 180 V의 크기로 1 내지 3 μs 동안 지속된다. 센스 펄스가 전송된 이후, 일반적으로 센서는 자극 펄스를 전송한다(이하 자극 펄스(1030)). 일실시예에 따른 자극 펄스(1030)는 대략 18 내지 20V의 크기로 일반적으로 1 μs 내지 200 μs의 범위에서 지속된다. 따라서, 센스 펄스(1025)이후, 전압은 전류를 제한하기 위하여 상당히 감소된다. 그 다음 파워 손실이 다음 자극 펄스(1030)의 도입 전에 측정된다. 일실시예에 따르면, 전송된 파워는 신호의 극성(polarity)이 바뀌기 전에 소멸됨으로써, 제로 크로싱(zero crossing) 동안에 전하 이동(charge transfer)을 방지하고, 신호가 순수한 DC를 유지하게 보장한다.

일실시예에 따르면, 센스 펄스(1025)의 끝과 센스 펄스(1030)의 시작 사이에 시간에서의 간격이 있다. 그 다음 펄스는 극성을 바꾼다. 따라서, 센서는 모든 자극 펄스(1030) 이전에, 어느 정도의 파워가 손실되었고, 자극 펄스(1030)를 전달하기 안전한지 식별하기 위하여, 센스 펄스(1025)를 전송한다. 센스 펄스 이후에 생성되는 신호는 밀리 와트 단위의 매우 작은 파워 요소(power factor)를 도입한다.

도 10b는 제어 전자 장비에 따라 수행되는 단계의 실시예를 도시한 흐름도이다. 제어 전자 장비는 센서 쌍에서의 센서가 환자의 인체 조직에 센스 펄스(1025)를 적용하도록 명령한다(단계 1050). 센서(또는 센서 쌍에서의 다른 센서)는 인체 조직에서 센스 펄스(1025)의 파워 손실을 측정한다(단계 1055). 제어 전자 장비는 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스(1030)를 조절한다(단계 1060). 그 다음 제어 전자 장비는 각각의 펄스 마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여, 제어 전자 장비는 센서가 제품에서의 프로그램 및 파워 손실에 기초하여 인체 조직에 자극 펄스(1030)를 적용하도록 명령한다. 단계 1050 내지 1065는 반복된다 (단계 1070).

도 11을 참고하면, 센서 쌍에서의 다른 센서(센서 채널 마다) 자극 펄스(1030)의 전송으로부터 전기의 흐름에 대한 리턴 경로(return path)를 제공한다. 일실시예에 따르면, 센스 펄스(1025)는 수신 전극측에서 리턴 펄스(1105)를 수신하는데 어느 정도의 시간이 걸리는지 측정한다. 만약 센서가 전달한 펄스(예를 들어, 펄스(1025) 및 리턴 펄스(1105)간의 전달 지연을 식별한 경우, 센서(또는 제어 전자 장비(210))는 적용할 최대 자극 펄스(1030)를 식별할 수 있다. 일반적으로 리턴 펄스(1105)는 사각파이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 자극 펄스(1030) 및 수신 펄스(receive pulse)(1105)간의 전달 지연(1110)은 자극 펄스(1030)의 시작 시간과 수신 펄스(1105)의 시작 시간의 시간 차이이다. 왜곡에 따른 변화(change in distortion)(1120)는 두 펄스들(1030, 1105)의 펄스 폭간의 차이이다. 일실시예에 따르면, 왜곡에 따른 변화는 근육이 인덕터로써 충전되었는지 및 근육이 전력을 저장하였는지 식별하기 위해 사용되곤 한다. 일실시예에 따르면, 왜곡에 따른 변화는 알고리즘의 보정 및 피드백의 다른 포인트를 위한 것이다. 일실시예에 따르면, 센서와 함께 적용된 젤(예를 들어, 하이드로젤(hydrogel))이 전달 지연을 도입(또는 증가)한다.

도 12는 파워 서플라이(이후에 보다 상세히 설명된다)에 의해 생성되는 파워 서플라이 신호(1200)의 실시예를 도시한다. 파워 서플라이 신호(1200)은 일반적으로 5 μs동안 지속되는 램프 업 페이즈(1205)를 포함한다. 일실시예에 따르면, 전압은 60 V에서 최대가 되고, 그 다음 일정한 시간 이후에 40V로 떨어진다. 일실시예에 따르면, 전압 신호는 두번째 시간 간격 이후에 20 V로 떨어진다. 파워 서플라이는 전압에 의해 제어되는 파워 서플라이(voltage controlled power supply) 또는 전류에 의해 제어되는 파워 서플라이(current controlled power supply)일 수 있다. 전류(또는 전압)의 증가가 필요한 때에, 파워가 증가된다.

종래의 파워 서플라이는 일반적으로 복수의 펄스들(파워 생성 및 스위칭 기술)을 활용하는 웨어러블 컴포넌트(wearable components) 또는 브레이스에 대한 전기의 자극과 함께 사용되었다. 종종 그들은 24 V 서플라이를 생성한 다음, 변압기, H-bridge를 가지고, 그리고 펄스 트레인(물결 모양을 가지는)을 생성한다. 변압기는 출력 신호를 평균한다(예를 들어, 1:10 또는 1:20의 비율로). 이러한 종래의 시스템과 달리, 일실시예에 따른 파워 서플라이는 폐쇄 루프 시스템을 가능하게 하는 작은 램프 업 페이즈와 함께 안정된 신호를 제공한다.

우리의 출력은 전류가 고정된 아날로그 전압이다. 이 파워 서플라이는 정확함 및 정밀함을 가능하게 하고, 사실상 소음이 없는 측정을 가능하게 한다. 종래의 파워 서플라이는 PWM에 기초하여 전류를 유도한다. PWM 시스템은 PWM으로부터 생성된 노이즈 및 그들의 변압기(들)의 포화(saturation)때문에 정확하고 정밀한 측정이 불가능하다. 더 나아가서, 이 시스템에서의 파워 서플라이는 소프트 제품에 저장된 정보에 기초하여 실행될 프로토콜 및 파형의 넓은 범위를 가능하게 한다. 추가적으로, 프로토콜이 유해하고 실행될 수 없는 것으로 식별된 경우(예를 들어, FDA에 의해 식별된 경우), 이 파워 서플라이는 오로지 소프트 제품만 변경될 필요가 있기 때문에, 시스템을 보다 빨리 운영 가능하게 만든다.

일실시예에 따르면, 0 내지 3.3 V의 입력 전압이 파워 서플라이의 모든 목표 범위에 대한 출력을 제어한다. 따라서, 60 V 출력 최대 범위(output maximum range)를 생성하기 위하여, 3.3 V가 파워 서플라이에 기준 입력(reference input)으로써 제공된다. 일실시예에 따르면, 전용 전압으로 제어되는 파워 서플라이(dedicated voltage controlled power supply)가 채널마다 생긴다. 이는 시간 분열(time division)이 없음을 의미한다. 종래의 파워 서플라이는 복수의 전극에 파워를 공급하기 위하여 시간 분열을 사용한다. 일실시예에 따르면, 시간 분열은 존재하지 않는다.

도 13은 전류, 전압, 저항, 용량 및/또는 인덕턴스와 같은 채널에서 전극의 동적 속성을 측정할 수 있는 회로(1300)의 블록 다이어그램이다. 배터리(1305)는 저전압 서플라이(1310)(예를 들어, 5 V, 앞서 식별된 바와 같이 3.3 V를 공급함)와 연결되고, 저전압 서플라이(1310)는 고전압(HV, high voltage) 파워 서플라이(1315)에 연결된다. 고전압 파워 서플라이(1315)는 센스 펄스(1025)를 제공한다. 일실시예에 따르면, 또한 고전압 파워 서플라이(1315)는 자극 펄스(1030)를 제공한다. 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA, field-programmable gate array)(1325)가 디지털-아날로그 컨버터(DAC, digital-to-analog converter)에 연결되고, DAC는 고전압 파워 서플라이(1315)에 연결된다. FPGA(1325)는 프로그램이 합성된 프로그램 가능한 아날로그 칩인 거대한 병렬 마이크로 컨트롤러 컴퓨터(massively parallel microcontroller computer)이다. FPGA(1325)는 클록(clock)에 기초하고 완전히 아날로그이다. 따라서, 시간 분열 또는 멀티플렉싱이 존재하지 않는다. 비록 FPGA로 서술되었지만, 다른 프로그램 가능한 로직 디바이스(PLD, programmable logic device)가 사용될 수 있다. 또한 FPGA(1325)는 디지털 파워 서플라이 D3V3에 연결된다.

고전압 파워 서플라이(1315)는 블록(1330)에 도시된 것 처럼, 소스 측정(예를 들어, 전압 또는 전류)을 획득할 수 있다. 일실시예에 따르면, 소스 측정 블록(1330)은 소스 측정 회로이다. 펄스 생성기(1335)는 A 전극(1340)(일실시예에 따르면 전송 전극/센서)에 연결된다. 펄스 생성기(1335)는 FPGA(1325)에 연결된다.

B 전극(1345)(출력을 대표하는 리턴 전극/센서)은 리턴 측정 블록(또는 회로)(1350)에 연결되며, 또한, 리턴 측정 블록(1350)은 FPGA(1325) 및 HV 접지(1320)에 연결된다. 일실시예에 따르면, 리턴 측정 블록/회로(1350)는 소스 측정 블록/회로(1330)와 동일하다. 일실시예에 따르면, 또한 FPGA(1325)는 회로(1300)를 제어하기 위한 LCD 터치 컨트롤러와 연결된다.

도 14를 참고하면, 소스 전압 및 소스 전류를 측정하는 아날로그 센스 회로가 도시된다. HV 소스(1405)가 션트(1415)에 연결된 저항 네트워크(resistor network)(1410)에 적용된다. 일실시예에 따르면, 제1 저항(1420)은 10Ω 0.1% 저항이고, 일실시예에 따르면 1 MΩ 0.01% 저항인 제2 저항(1425) 및 제3 저항(1430)에 연결된다. 저항 네트워크(1410)은 A 전극(1340)에 연결된다. 션트(1415)는 풀-업 탭(pull-up tap)을 가진 파워에 대한 와이드 트레이스의 내부(wide trace in) 및 와이드 트레이스의 외부(wide trace out)에 연결된다. 저항들(1425, 1430)은 소스 전류를 측정하기 위하여 제1 연산 증폭기(op-amp, operational amplifier)(1440)에 연결된다. 저항(1430)은 소스 전압을 측정하기 위하여 제2 연산 증폭기(1445)에 연결된다. 회로(회로(1450))의 다른 한 쪽은 B 전극(1345)에 연결되고, 저항 네트워크(1410), 션트(1415) 및 연산 증폭기들(1440, 1445)를 가진 회로와 동일하다. 따라서, 이 회로들은 입력 파워 및 출력 파워의 측정을 가능하게 한다. 비록 저항들(1420, 1425, 1430)이 특정한 값을 가진 것으로 도시되었지만, 이 값들은 임의적이고 다른 대응하는 저항 값이 사용될 수 있다.

도 15는 자극 펄스(1030)를 생성하기 위한 회로(1550)의 실시예이다. 회로(1500)에 의해 생성된 낮은 전자기 간섭(EMI, low electromagnetic interference) 때문에, 회로(1500)는 광학으로 연결된 FET들(또한, 솔리드 스테이트 계전기(SSRs, solid state relays) 또는 optoFETs)을 사용한다. 이는 정밀 기구 및 의료 기기의 간섭을 방지함으로써, 이 회로(1500)(및, 그러므로, 이 회로를 사용하는 브레이스)가 수술실(operating room) 또는 민감한 의료 기기 근처에서 사용될 수 있게 한다.

앞서 서술한 바와 같이 일실시예에 따르면, 회로(1500)는 FPGA(1325)일 수 있는 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러(1325)는 출력 A(1505), 출력 B(1510), 출력 C(1515), 출력 D(1520), LOAD 출력(1525), CLAMP 출력(1530), 및 PULSE 출력(1535)을 포함한다. 이 출력들은 선택적으로 LED 드라이버(1540)에 제공된다. LED 드라이버의 출력 각각은 LED 저항(이후 LED 저항(1545)이라 함) 및 LED(이후 LED(1550)라 함)에 연결된다. LED(1550)은 선택적으로 SSR(이후 SSR(1555)이라 함)에 광학적으로 연결된다. 회로(1500)에서 도시된 바와 같이, 서로 다른 SSR들(1555)이 전극(들)(1340, 1345)에 연결된다. 또한, 회로(1500)는 두 개의 부하 저항(1560, 1565)을 포함한다.

LED들(1550)은 회로(1500)에서 켜지거나 꺼지고, 일실시예에 따른 LED들(1550) 및 SSR들(1555)은 회로(1500)의 요소들과 전기적으로 단절되기 위하여, 차폐된 내광성의 박스(shielded light proof box)(또는 집적 회로에서 매립된)내에 있다. SSR들(1555)은 전압 차이에서 작동하고, 게이트 전압로부터 소스 또는 드레인으로의 레퍼런스가 없다. 일실시예에 따르면, 하나의 SSR 칩은 두 개의 SSR 및 대응하는 LED들을 포함한다.

클램프(530)는 파워 서플라이를 고정함으로써, 파워 서플라이의 전압이 빠르게 감소해야할 필요가 있는 경우, 클램프가 작동하게 한다. 클램프는 회로(1550)를 구동하기 위하여 릴리즈된다. 따라서, 클램프(1530) 및 부하 저항(1560, 1565)이 맞물린 경우, 부하(load)가 전극(1340, 1345)을 가로질러 적용되고, 만약 시스템이 실패 또는 범위 밖의 값을 경험한 경우, 회로(1500)는 안전하게 탈락(fail)되고 환자에게 어떠한 유해한 일도 발생하지 않을 것이다. 이러한 안전 특징은 환자가 어디에 있는지에 대한 걱정 없이(예를 들어, 자동차의 운전자 또는 승객, 수영장 등), 브레이스가 항상 착용될 수 있게 한다. 회로(1500)는 적절한 그리고 적합한 활성화 없이 자극 펄스를 전송하거나 또는 켜지지 않는다. 만약 단락 회로가 있는 경우, 회로(1500)는 전극(1340, 1345)을 가로질러 부하를 적용한다. 환자가 회로(1500)를 활용하는 디바이스를 착용하고 웅덩이에 빠진 경우, 디바이스는 안전하게 탈락된다. 달리 말하면, 환자는 이러한 상황이 발생되어도 다치지 않는다 (또는 전극(1340, 1345)의 하나 또는 전부에 범위 밖의 입력이 제공된 경우). 따라서, 사용자가 일정한 시간 이후 인체 조직 또는 근육에 입력되는 파워를 증가하는 것이 종종 요구되었던 종래의 시스템과 달리, 일실시예에 따른 시스템은 때때로 저항의 감소(당신이 근육을 움직일 때, 근육을 통하는 이온 채널이 증가할 수 있음)로 이어지는 한계 밖의 신호를 인식하고, 초기의 센스 펄스 이후의 파워 손실에 따른 파워를 인식한다. 따라서, 시스템의 폐쇄 루프의 유형(closed loop nature) 및 각각의 펄스 이후의 의사 결정 프로세스 때문에, 시스템은 환자가 겪은 고통을 최소화한다.

신호가 적용되면, SSR들(1555)은 회로를 닫고 완성한다. 일반적으로 부하 저항들은 닫혀 있고 시스템이 켜질 때에만 개방된다. 일반적으로 LED 저항들(1545)은 개방된다. 부하 저항들(1560, 1565)이 그 사이를 가로지르고 고전압을 차단하기 때문에, 회로(1500)는 고전압 서플라이가 고전압에 이르지 못하게 한다. 이는 여러 고장의 싱글 포인트를 제거한다. 또한 고전압 파워 서플라이는 과전류를 탐지할 수 있다.

CLAMP(1530)가 높음(액티브)인 때에, 이는 회로로부터 부하 저항(1565)을 제거한다. LOAD(1525)가 높음(액티브)인 때에, 이는 회로로부터 부하 저항(1560)을 제거한다. 따라서, LOAD(1525)는 부하 저항(1560)을 전극들(1340, 1345)을 가로질러 적용한다. CLAMP(1530)는 그들을 고전압 파워 서플라이에 고정한다. 이러한 구성은 교정의 도움을 받을 수 있다. 일실시예에 따르면, 부하 저항들(1560, 1565)은 10Ω 파워 저항들(power resistors)이다.

선택적인 LED 드라이버(1540)는 소스 전류 I로 LED들(1550)을 구동하는 디지털 버퍼이다. 펄스(1535)는 액티브 로우(active low)이다. LED 드라이버(1540)는 펄스 신호(1535)를 조사한 다음, 디렉션 비트들을 설정한다. 자극 펄스(1030)를 생성하기 위하여, 한 방법은 A(1505)를 높게(전극 A(1340)에 고전압을 적용)하고 D(1520)를 높게한다. 이는 전류가 한 방향으로 흐르는 것을 초래한다(예를 들어, 전극 A (1340)에서 전극 B(1345)로). 만약 C(1515)가 높고 B(1510)가 높은 경우, 전류는 다른 방향으로 흐른다(예를 들어, 전극 B(1345) 에서 전극 A(1340)로).

도 16은 입력 파형(1605), 목표 출력 파형(1610), 및 타겟 전압(1615)의 일실시예이다. 파선(dashed lines)은 기준선(reference lines)이다. 입력 파형(1605)은 도 10a에서 도시된 파형과 동일하다(센스 펄스(1025) 및 자극 펄스(1030)도 같다). 목표 출력 파형(1610)은 각각의 센스 펄스(1025) 및 자극 펄스(1030)에 대한 펄스를 포함한다. 타겟 전압(1615)은 앞서 식별된 것과 같은 0-3.3. V / 5 V 기준 전압에 대한 전압이다. 이는 순수한 아날로그 신호로써 일반적인 PWM신호와 다르다.

통상의 기술자는 본 개시의 시스템 및 방법이 앞서 서술된 예시적인 실시예 및 예시에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 달리 말하면, 단수의 또는 복수의 요소에 의해 수행되는 기능적인 요소들은, 하드웨어 및 소프트웨어 및 펌웨어 그리고 개별적인 기능의 다양한 조합에서, 사용자 컴퓨팅 디바이스 또는 서버 중의 어느 하나 또는 전부에서 소프트웨어 애플리케이션으로 분산될 수 있다. 이러한 점과 관련하여, 서술된 다른 실시예의 몇 개의 특징들은 단수의 또는 복수의 실시예로 조합될 수 있고, 대체적인 실시예는 개시된 특징 전부보다 적거나 또는 많을 수 있다. 또한, 기능도, 부분 또는 전체에서, 현재 알려지거나 알려지게 될 방식으로 복수의 요소 가운데에 분산될 수 있다. 따라서, 무수히 많은 소프트웨어/하드웨어/펌웨어 조합이 개시된 기능, 특징, 인터페이스 및 선호되는 것(preferences)을 달성하기 위하여 가능하다. 더 나아가서, 본 개시의 범위는 종래에 서술된 특징 또는 인터페이스를 수행하기 위해 알려진 방식을 포함할 뿐만 아니라, 지금 그리고 이후의 통상의 기술자에게 이해될 것처럼 여기에 개시된 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 펌웨어 요소로 만들어질 수 있는 변형 및 변경을 포함한다.

하나 또는 그 이상의 용어로 시스템 및 방법이 서술되었지만, 개시된 실시예에 본 개시가 제한될 필요가 없음이 이해되어야 한다. 청구항의 진정한 의미 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 비슷한 배열을 포함하는 의도로 이해되어야 하고, 청구항의 범위는 이러한 모든 변형 및 비슷한 구조를 포함하기 위해 최광의의 해석에 따라야 한다. 본 개시는 이후 청구항의 어떤 그리고 모든 실시예를 포함한다.

805 : 제품(a good)
810 : 제어부
815 : 슬리브/랩(a sleeve/wrap)
820 : 제1 상단 센서 쌍(a first upper sensor pair)
825 : 제1 상단 센서 쌍
830 : 제2 상단 센서 쌍(a second upper sensor pair)
835 : 제2 상단 센서 쌍
840 : 제1 하단 센서 쌍(a first lower sensor pair)
845 : 제1 하단 센서 쌍
850 : 제2 하단 센서 쌍(a second lower sensor pair)
855 : 제2 하단 센서 쌍
860 : 전선
865 : 전선
870 : 브래킷(brackets)
875 : 브래킷
880 : 포트
885 : 스테이스(stays)
890 : 스테이스

Claims

환자의 인체 조직과 접촉하고, 상기 인체 조직의 파워 손실(power dissipation)을 획득하는 센서; 및
프로세서에 의해 실행되기 위한 프로그램을 실재적으로 저장(tangibly storing)하기 위한 기록 매체;
를 포함하는 제품(good); 및
출력의 전기적 속성을 스스로 조정하기 위하여 폐쇄 루프 방식(closed loop manner)에서의 피드백을 사용하는 전자 근육 자극(EMS, electrical muscular stimulation) 시스템을 구성하기 위하여 상기 제품과 통신하는 제어부-상기 제어부는 상기 센서가 (a) 상기 인체 조직에 센스 펄스(sense pulse)를 적용하고, (b) 상기 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 상기 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스(stimulation pulse)를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여, 상기 프로그램 및 상기 파워 손실에 기초하여 상기 인체 조직에 상기 자극 펄스를 적용하고, (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복하도록 명령함-
를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제품은 상기 환자에게 지지대(support)를 제공하고, 상기 제품은 브레이스(brace), 슬리브(sleeve), 슬링(sling), 의복(garment), 랩(wrap) 및 스트랩(strap) 으로 구성된 제품의 그룹에서 선택된 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 센서가 상기 환자가 움직이는 동안에 상기 인체 조직에 상기 펄스를 적용하도록 명령할 수 있는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 기록 매체는 상기 제품을 식별하는 식별자(identifier)를 더 포함하는 시스템.
제4항에 있어서,
상기 프로그램은 상기 식별자에 기초하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로그램은 상기 제품에 대한 특정한 파형 치료 프로토콜(waveform treatment protocol)을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 파워 손실의 상기 측정이 프리셋 경계들(preset boundaries)을 초과하는 경우, 상기 센서는 대응하는 상기 자극 펄스를 적용하지 않는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 센스 펄스 각각은 상기 인체 조직의 항복 전압(breakdown voltage)을 초과하여 상기 인체 조직을 통과하는 전도성 채널(conductive channel)을 유지하거나 또는 생성하는 시스템.
제1항에 있어서,
센서 채널마다 존재하는 전용 전압으로 제어되는 파워 서플라이(dedicated voltage controlled power supply)를 더 포함함으로써, 시간 분열(time division)을 제거하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광학으로 연결된 FET들은 자극 펄스를 생성하기 위해 사용됨으로써, 상기 시스템이 민감한 의료 기기 근처에서 사용될 수 있게 하는 시스템.
환자의 신체 부분 또는 인체 관절을 치료하는 시스템을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 시스템은,
환자의 인체 조직과 접촉하고, 인체 조직의 파워 손실을 획득하는 센서; 및
프로세서에 의해 실행되기 위한 프로그램을 실재적으로 저장하기 위한 기록 매체
로 구성된 제품; 및
출력의 전기적 속성을 스스로 조정하기 위하여 폐쇄 루프 방식에서의 피드백을 사용하는 전자 근육 자극 시스템을 구성하기 위하여 상기 제품과 통신하는 제어부-상기 센서가 (a) 상기 인체 조직에 센스 펄스를 적용하고, (b) 상기 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 상기 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여 상기 프로그램 및 상기 파워 손실에 기초하여 상기 인체 조직에 자극 펄스를 적용하고, (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복하도록 명령함-
를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 제품을 제공하는 단계는,
상기 환자에게 지지대를 제공하는 제품을 제공하는 단계
를 더 포함하고,
상기 제품은 브레이스(brace), 슬리브(sleeve), 슬링(sling), 의복(garment), 랩(wrap) 및 스트랩(strap) 으로 구성된 제품의 그룹에서 선택된 방법.
제11항에 있어서,
상기 제어부를 제공하는 단계는,
상기 환자가 움직이는 동안에, 상기 센서가 상기 펄스를 상기 신체 조직에 적용하도록 명령할 수 있는 제어부를 제공하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 기록 매체를 제공하는 단계는,
상기 제품을 식별하는 식별자를 더 포함하는 기록 매체를 제공하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 프로그램은 상기 식별자에 기초하는 방법.
제11항에 있어서,
상기의 프로그램을 실재적으로 저장한 기록 매체를 제공하는 단계는,
상기 제품에 대한 특정한 파형 치료 프로토콜을 포함하는 프로그램을 실재적으로 저장한 기록 매체를 제공하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 파워 손실의 측정이 프리셋 경계들을 초과하는 경우, 상기 센서는 대응하는 상기 자극 펄스를 적용하지 않는 방법.
제11항에 있어서,
각각의 상기 센스 펄스는 상기 인체 조직의 항복 전압을 초과함으로써, 상기 인체 조직을 통과하는 전도성 채널을 유지하거나 또는 생성하는 방법.
환자의 신체 부분 또는 신체 관절을 치료하는 브레이스를 제어하는 제어부로써,
프로세서;
상기 프로세서에 의해 실행되기 위한 프로그램 로직을 실재적으로 저장하고, 제어 프로그램을 실재적으로 저장하기 위한 기록 매체를 포함하고,
상기 프로그램 로직은,
상기 환자의 인체 조직과 접촉한 센서로부터, 상기 인체 조직의 파워 손실을 수신하기 위한 상기 프로세서에 의해 실행되는 수신 로직(receiving logic);
출력의 전기적 속성을 스스로 조정하기 위하여 폐쇄 루프 방식에서의 피드백을 사용하는 전자 근육 자극 시스템을 구성하기 위하여 상기 센서와 통신하는 프로세서에 의해 실행되는 커뮤니케이션 로직(communication logic)-상기 커뮤니케이션 로직은 상기 센서가 (a) 상기 인체 조직에 센스 펄스를 적용하고, (b) 상기 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 상기 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여 상기 프로그램 및 상기 파워 손실에 기초하여 상기 인체 조직에 상기 자극 펄스를 적용하고, (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복하도록 명령함-
을 포함하는 제어부.
제19항에 있어서,
상기 커뮤니케이션 로직은,
브레이스와 통신하는 상기 프로세서에 의해 실행될 수 있는 브레이스 커뮤니케이션 로직(brace communication logic)-상기 브레이스는 상기 환자에게 지지대를 제공하고, 상기 제품은 브레이스, 슬리브, 슬링, 의복, 랩 및 스트랩으로 구성된 제품의 그룹에서 선택됨-
을 더 포함하는 제어부.
제19항에 있어서,
상기 수신 로직은,
상기 제어 프로그램으로부터, 상기 브레이스를 식별하는 식별자를 수신하는 프로세서에 의해 실행되는 식별자 수신 로직
을 더 포함하는 제어부.
컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 명령어들(computer program instructions)을 실재적으로 저장하는 비일시적인 컴퓨터가 판독 가능한 기록 매체(non-transitory computer readable storage medium)로써, 상기 컴퓨터 프로그램 명령어들은,
제품을 사용하여 환자의 인체 조직에 접촉한 상기 제품에서의 상기 센서로부터, 상기 인체 조직에서 측정된 파워 손실을 수신하는 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 수신 로직;
출력의 전기적 속성을 스스로 조정하기 위하여 폐쇄 루프 방식에서의 피드백을 사용하는 전자 근육 자극 시스템을 구성하기 위하여 상기 센서와 통신하는 상기 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 커뮤니케이션 로직-상기 커뮤니케이션 로직은 상기 센서가 (a) 인체 조직을 통하여 상기 인체 조직에 센스 펄스를 적용하고, (b) 상기 센스 펄스의 파워 손실을 측정하고, (c) 상기 측정된 파워 손실에 기초하여 자극 펄스를 조절하고, (d) 각각의 펄스마다 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여, 상기 프로그램 및 상기 파워 손실에 기초하여 상기 인체 조직에 자극 펄스를 적용하고, (e) (a) 내지 (d) 단계를 반복함-
을 정의한 비일시적인 컴퓨터가 판독 가능한 기록 매체.