KR20170109894A - 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법 및 이를 이용하는 전력공급시스템 - Google Patents

이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법 및 이를 이용하는 전력공급시스템 Download PDF

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Abstract

이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법 및 전력공급시스템은, 무선전력송수신부 및 무선전력수신부에 적층된 압전센서부를 이용하여, 체내에 움직임이 있는 경우에도 이식형 의료장치에 일정한 전력을 공급한다.

Description

이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법 및 이를 이용하는 전력공급시스템 {METHOD FOR SUPPLYING POWER TO IMPLANTABLE MEDICAL DEVICE AND POWER SUPPLY SYSTEM THEREOF}
본 개시는 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법 및 이를 이용하는 전력공급시스템에 관한 것이다.
이식형 의료장치는 인체에 삽입되는 의료 장치를 의미하며, 최근 질병의 진단 및 치료를 위해 활용되고 있다. 예를 들어, 이식형 의료장치는 뇌 심부 자극술(Deep brain stimulation, DBS)에 이용되는 뇌 심부 자극계, 심박 조율기(Pacemaker), 삽입형 심실 제세동기(Implantable Cardioverter Defibrillator, ICD) 및 신경자극기(Neurostimulator)를 포함할 수 있다. 이러한 이식형 의료장치는 인체에 장기간 삽입되어 질병을 감지하거나, 병의 증상을 완화시킬 수 있다.
한편, 이식형 의료장치가 체내에서 작동하기 위해서는 이식형 의료장치에 지속적으로 전력을 제공해주어야 한다. 이에 따라, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템의 연구가 진행되고 있다.
이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법 및 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템을 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
일 측면에 따른, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템은, 신체의 외부에 위치하여, 제 1 교류 전류가 인가되면 자기장을 발생시키는, 무선전력송신부; 상기 신체의 내부에 위치하여, 상기 무선전력송신부에서 발생된 상기 자기장에 의해 제 2 교류 전류를 발생시키는, 무선전력수신부; 및 상기 무선전력수신부에 적층되어, 가해지는 압력에 따라 전압을 발생시키는, 압전센서부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부 및 상기 압전센서부의 형태는 변형 가능한(flexible) 것일 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부에 적층된 상기 압전센서부의 형태는, 상기 신체가 움직이면서 가해지는 압력으로 인해 상기 무선전력수신부의 형태가 변형됨에 따라 변형되고, 상기 압전센서부는 상기 변형으로 인해 전압을 발생시키는 것일 수 있다.
또한, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템은, 상기 무선전력수신부와 상기 압전센서부 사이에 위치하여, 상기 제 2 교류 전류를 차폐하는, 차폐부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부는, 상기 제 2 교류 전류를 발생시키는, 코일; 및 상기 코일을 고정하는, 자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전센서부는, 상기 코일과 상기 자석 사이에 위치하는 것일 수 있다.
또한, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템은, 상기 무선전력수신부에서 출력된 전압 및 상기 압전센서부에서 출력된 전압을 충전하는, 충전부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전부는, 상기 압전센서부에서 출력된 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는, 제 1 정류기; 상기 무선전력수신부에서 출력된 상기 제 2 교류 전류에 의한 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하는, 제 2 정류기; 및 상기 제 1 직류 전압 및 상기 제 2 직류 전압을 충전하는, 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전부는, 상기 이식형 의료장치에 일정한 전력을 전달하는 것일 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부는, 상기 신체의 피하 지방에 위치하는 것일 수 있다.
다른 일 측면에 따라, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법은 신체의 외부에 위치한 무선전력송신부에 제 1 교류 전류가 인가되면 자기장이 발생하는 단계; 상기 발생된 자기장에 의해, 상기 신체의 내부에 위치한 무선전력수신부에 제 2 교류 전류가 발생하는 단계; 및 상기 무선전력수신부에 적층된 압전센서부에서, 가해지는 압력에 기초하여 전압이 발생하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부 및 상기 압전센서부의 형태는 변형 가능한(flexible) 것일 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부에 적층된 상기 압전센서부의 형태는, 상기 신체가 움직이면서 가해지는 압력으로 인해 상기 무선전력수신부의 형태가 변형됨에 따라 변형되고, 상기 변형으로 인해 상기 압전센서부에서 전압이 발생하는 것일 수 있다.
또한, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법은 상기 제 2 교류 전류는 차폐부에 의해 차폐되는 것일 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부는, 상기 제 2 교류 전류를 발생시키는, 코일; 및 상기 코일을 고정하는, 자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전센서부는, 상기 코일과 상기 자석 사이에 위치하는 것일 수 있다.
또한, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법은 상기 무선전력수신부에서 출력된 전압 및 상기 압전센서부에서 출력된 전압을 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전하는 단계는, 상기 압전센서부에서 출력된 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는 단계; 및 상기 무선전력수신부에서 출력된 상기 제 2 교류 전류에 의한 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 직류 전압 및 상기 제 2 직류 전압을 충전하는 것일 수 있다.
또한, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법은 상기 충전된 전압을 이용하여, 상기 이식형 의료장치에 일정한 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력수신부는, 상기 신체의 피하 지방에 위치하는 것일 수 있다.
상기된 바에 따르면, 자기유도 방식에 의한 무선 전력 공급과 압전 효과에 의한 전력 공급이 가능하기 때문에, 신체 내부에 움직임이 있는 경우에도 이식형 의료장치에 일정한 전력을 공급할 수 있다.
도 1a는 뇌 심부 자극계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극계와 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 심박 조율기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 심박 조율기와 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전력공급시스템을 설명하기 위한 도시한 블록도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전력공급시스템을 설명하기 위한 도시한 상세 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전력공급시스템을 도시한 도면이다.
도 6a는 일 실시예에 따라 신체 내부에서 움직임이 없는 경우, 전력공급시스템을 도시한 도면이다.
도 6b는 일 실시예에 따라 신체 내부의 움직임이 없는 경우, 전력공급시스템의 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 전력공급시스템을 도시한 도면이다.
도 7b는 일 실시예에 따라 신체 내부의 움직임이 있는 경우, 전력공급시스템의 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 무선전력송신부 및 무선전력수신부를 포함한 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 일 실시예에 따라, 거리에 따른 제 2 코일의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8c는 일 실시예에 따라, 각도에 따른 제 2 코일의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 9a는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 무선전력송신부, 무선전력수신부 및 압전센서부를 포함한 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 없는 경우, 전력공급시스템에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 9c는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 전력공급시스템에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따라, 이식형 의료장치 전력을 공급하는 방법을 도시한 흐름도이다.
본 실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
실시예들에 대한 설명들에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시예들에 기재된 “...부”, “...모듈”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 이 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.
본 실시예들에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 이식형 의료장치와 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이식형 의료장치는 인체에 삽입되는 의료 장치를 의미한다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 뇌 심부 자극술에 이용되는 뇌 심부 자극계(110)는 환자(100)의 뇌에 삽입되어, 뇌의 특정부위에 전기적 자극을 전달하는 이식형 의료 장치이다. 뇌 심부 자극술은 만성 통증, 파키슨병, 근긴장이상증 등을 치료하기 위해 활용될 수 있다.
도 1a는 뇌 심부 자극계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 뇌 심부 자극계(110)는 전극선(Lead)(120), 연장선(Extension)(130) 및 자극 발생기(Implanted Pulse Generator, IPG)(140)를 포함할 수 있다.
전극선(120)은 가는 절연선으로 복수 개의 전극을 포함할 수 있다. 전극선(120)은 병소에 위치하며, 연장선(130)을 통해 자극 발생기(140)와 연결될 수 있다. 또한, 전극선(120)은 자극 발생기(140)에서 출력된 전기 자극을 신경활동을 방해 받는 뇌 부위에 전달할 수 있다.
자극 발생기(140)는 미세 전기 자극을 발생시켜 전극선(120)으로 전달할 수 있으며, 전기 자극을 발생시키기 위해 배터리를 포함할 수 있다. 배터리가 포함된 자극 발생기(140)는 안전성 및 부피 때문에 쇄골 피하 또는 복부에 삽입된다. 즉, 배터리가 포함된 자극 발생기(140)는 전극선(120)과 비교하여 부피가 크기 때문에, 병소 근처에 삽입될 수 없다. 한편 배터리가 포함된 자극 발생기(140)의 경우, 배터리 수명을 고려하여 주기적으로 배터리를 교체하는 시술이 필요할 수 있다. 일반적으로, 배터리가 포함된 자극 발생기(140)의 평균 교체 주기는 5년이다. 따라서, 배터리가 포함된 자극 발생기(140)는 부피가 크고 주기적으로 교체해야 하기 때문에, 환자 (100)의 부담이 가중될 수 있다.
도 1b는 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극계와 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b를 참조하면, 전력공급시스템(150)은 자극 발생기(140) 대신 전기 자극을 발생시켜 전극선(120)에 전달할 수 있다. 이때 전력공급시스템(150)은 전극선(120)에서 가까운 피하지방에 삽입되어, 외부전원(160)으로부터 전력을 전달받아 전극선(120)에 전력을 공급할 수 있다. 전력공급시스템(150)은 도 1a의 자극 발생기(140)에 포함된 배터리를 대체할 수 있기 때문에, 작은 크기를 유지할 수 있다. 또한 전력공급시스템(150)은 반 영구적으로 쓸 수 있기 때문에, 주기적으로 교체할 필요가 없다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시예에 따른 이식형 의료장치와 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
전력공급시스템은 모든 이식형 의료장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 심박 조율기에 전력을 공급하기 위해 활용될 수 있다.
도 2a는 심박 조율기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 심박 조율기(210)는 맥박이 느려서 발생하는 서맥성 부정맥 및 심부전증 치료에 사용되는 이식형 의료장치이다. 심박 조율기(210)는 전극(220), 연장선(230) 및 펄스 발생기(Pulse Generator)(240)를 포함할 수 있다.
전극(220)은 환자(200)의 심장 근육에 삽입되어, 심장으로부터 전기 신호를 감지하고, 맥박이 느릴 때 심장에 전기 자극을 전달할 수 있다. 또한, 전극(220)은 연장선(230)으로 펄스 발생기(240)와 연결될 수 있다.
펄스 발생기(240)는 전기 자극을 발생시켜, 전극(220)에 전달할 수 있다. 펄스 발생기(240)는 전기 자극을 발생시키기 위해 배터리를 포함할 수 있다. 이때, 펄스 발생기(240)는 배터리의 부피와 안정성의 문제로 인해, 쇄골 부위에 삽입될 수 있다. 또한, 펄스 발생기(240)는 배터리 수명이 제한적이기 때문에 주기적으로 교체되어야 한다.
도 2b는 일 실시예에 따른 심박 조율기와 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b를 참조하면, 전력공급시스템(250)은 펄스 발생기(240) 대신 심박 조율기(210)의 전극(220)에 전기 자극을 전달할 수 있다.
전력공급시스템(250)은 배터리와 비교하여 부피가 작기 때문에, 전극(220)과 가까운 피하지방에 삽입될 수 있다. 또한, 전력공급시스템(250)을 통해 전기 자극을 전달받는 이식형 의료장치의 경우, 반 영구적으로 사용될 수 있다.
한편, 전력공급시스템은 도 1b의 뇌 심부 자극계, 도 2b의 심박 조율기뿐만 아니라, 삽입형 심실 제세동기, 신경자극기, 식욕 억제 장치(Gastric Stimulator), 족하수 임플란트(Foot drop Implant)등을 포함하는 이식형 의료장치에 활용될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 전력공급시스템을 설명하기 위한 도시한 블록도이다.
전력공급시스템(300)은 무선전력송신부(310), 무선전력수신부(320) 및 압전센서부(330)를 포함할 수 있다.
전력공급시스템(300)은 일부가 신체에 삽입되어 이식형 의료장치에 전력을 공급할 수 있는 시스템으로 정의된다.
무선전력송신부(310)는 신체 외부에 위치하여, 제 1 교류 전류가 인가되면 자기장을 발생시킬 수 있다. 무선전력송신부(310)는 교류 전류가 흐를 수 있는 코일 및 코일을 고정할 수 있는 자석을 포함한다. 무선전력송신부(310)의 코일에 교류 전류가 흐르면 자기유도 원리에 의해 코일 주변에 자기장이 발생하게 된다. 이때 무선전력송신부(310)에서 발생된 자기장이 무선전력수신부(320)에 도달하면, 무선전력수신부(320)에서 자기장이 발생하고, 무선전력수신부(320)에서 발생된 자기장으로 인해 제 2 교류 전류가 발생되기 때문에 무선으로 전력 공급이 가능하다.
한편, 무선전력송신부(310)는 코일 및 자석을 포함한 원통형(cage) 형태로서, 신체 또는 신체의 일부가 원통형 안에 있을 때 전력을 공급받을 수 있는 형태일 수 있다. 또한, 무선전력송신부(310)는 코일 및 자석을 포함한 휴대용 장치로서, 무선전력수신부(320)가 삽입된 위치 근처에 가까이 대면 전력을 공급받을 수 있는 형태일 수 있다. 그러나 무선전력송신부(310)의 형태는 이에 제한되지 않는다.
무선전력수신부(320)는 신체 내부에 위치하여, 무선전력송신부(310)에서 발생된 자기장에 의해 제 2 교류 전류를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 무선전력수신부(320)는 신체의 피하 지방에 위치할 수 있으나, 무선전력송신부(310)의 자기장 영향이 미치는 영역 이내면, 무선전력수신부(320)의 위치는 제한되지 않는다. 또한, 무선전력수신부(320)는 제 2 교류 전류가 흐르는 코일 및 코일을 고정하기 위한 자석을 포함할 수 있다. 또한, 무선전력수신부(320)의 형태는 변형될 수 있다.
압전센서부(330)는 금속판 사이에 얇은 압전 소자를 끼워 넣은 센서로 압전 효과(Piezoelectric Effect)를 이용하여 전압을 발생시킬 수 있다.
한편 압전센서부(330)는 무선전력수신부(320)에 적층되어, 가해지는 압력에 따라 전압을 발생시킬 수 있다. 또한, 압전센서부(330)는 무선전력수신부(320)의 코일과 자석 사이에 위치할 수 있다.
또한, 압전센서부(330)의 형태는 변형될 수 있다. 압전센서부(330)의 형태는 신체가 움직이면서 가해지는 압력에 따라 변형되고, 압전센서부(330)는 형태가 변하면서 전압이 발생되는 것일 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전력공급시스템을 설명하기 위한 도시한 상세 블록도이다.
전력공급시스템(400)은 무선전력송신부(410), 무선전력수신부(420) 및 압전센서부(430)뿐만 아니라, 충전부(440) 및 차폐부(450)를 더 포함할 수 있다.
무선전력송신부(410), 무선전력수신부(420) 및 압전센서부(430)는 도 3의 무선전력송신부(310), 무선전력수신부(320) 및 압전센서부(330)와 대응되므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
충전부(440)는 압전센서부(430)에서 출력된 전압과 무선전력수신부(420)에서 출력된 제 2 교류 전류에 관한 교류 전압을 각각 제 1 직류 전압과 제 2 직류 전압으로 변환하고, 변환된 직류 전압들을 충전할 수 있다. 또한, 충전부(440)는 충전된 전압을 이용하여, 이식형 의료장치(460)에 일정한 전력을 전달할 수 있다.
차폐부(450)는 무선전력수신부(420)의 코일과 압전센서부(430) 사이에 적층되어, 압전센서부(430)에 대해 무선전력수신부(420)에서 발생된 제 2 교류 전류를 차폐할 수 있다. 또한, 압전센서부(430)에 발생된 전압이 무선전력수신부(420)에 영향을 미치지 않도록 전류를 차폐할 수 있다.
한편, 전력공급시스템(400)은 이식형 의료장치(460) 및 외부전원(470)과 연결될 수 있다.
이식형 의료장치(460)는 신체 내부에 삽입되어 질병을 감지하고 치료하는 장치로 정의될 수 있다. 예를 들어, 뇌 심부 자극계의 전극선 또는 심박 조율기의 전극일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이식형 의료장치(460)는 전력공급시스템(400)으로부터 전력 또는 전기 자극을 전달받을 수 있다.
외부전원(470)은 무선전력송신부(410)와 연결되어, 무선전력송신부(410)에 교류 전류를 전달할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 전력공급시스템을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전력공급시스템(500)은 신체의 피부(580)를 기준으로 신체 외부에는 무선전력송신부(510)가 위치하고, 신체 내부에는 무선전력수신부(520) 및 압전센서부(530)가 위치할 수 있다. 예를 들어, 무선전력수신부(520) 및 압전센서부(530)는 피하지방에 위치할 수 있으나, 무선전력송신부(510)의 자기장 영역 내에 무선전력수신부(520)가 위치한다면, 무선전력수신부(520)의 위치는 이에 제한되지 않는다.
한편, 무선전력송신부(510) 및 무선전력수신부(520)는 코일(511, 521) 및 자석(512, 522)을 각각 포함할 수 있다. 또한, 무선전력수신부(520)의 코일(521)과 자석(522) 사이에는 차폐부(550) 및 압전센서부(530)가 위치할 수 있다. 차폐부(550)는 압전센서부(530)가 무선전력수신부(520)의 코일(521)에서 발생된 전류의 영향을 받지 않게 하기 위해, 무선전력수신부(520) 의 코일(521)에서 발생된 전류를 차폐할 수 있다.
또한, 무선전력송신부(510)와 무선전력수신부(520)간 거리 및 각도가 변하면, 무선전력수신부(520)에서 발생되는 전력의 손실이 증가될 수 있다. 따라서, 압전센서부(530)는 체내에서 움직임으로 인한 무선 전력의 손실을 보상할 수 있도록, 무선전력수신부(520)에 적층될 수 있다.
이때 외부전원(570)로부터 무선전력송신부(510)의 코일(511)에 제 1 교류 전류가 인가되면, 무선전력송신부(510)에는 자기장이 발생된다. 자기장이 발생하면 자기유도 원리에 의해, 무선전력수신부(520)의 코일(521)에서도 제 2 교류 전류가 발생할 수 있다.
한편, 압전센서부(530)에서는 신체 내부에서 가해지는 압력, 예를 들어 신체 움직임으로 인해 압전센서부(530)에 가해지는 압력에 의해 전압이 발생될 수 있다.
또한, 무선전력수신부(520)에서 발생된 제 2 교류 전류에 관한 전압 및 압전센서부(530)에서 발생된 전압은 충전부(540)로 입력될 수 있다.
충전부(540)는 제 1 정류기(542), 제 2 정류기(541) 및 충전기(543)를 포함할 수 있다. 제 1 정류기(542)는 압전센서부(530)와 연결되어, 압전센서부(530)에서 발생된 전압을 제 1 직류 전압으로 변환할 수 있다. 제 2 정류기(541)는 무선전력수신부(520)의 코일(521)과 연결되어, 무선전력수신부(520)의 코일(521)에서 발생된 제 2 교류 전류에 관한 전압을 제 2 직류 전압으로 변환할 수 있다. 충전기(543)는 제 1 정류기(541) 및 제 2 정류기(542)에 연결되어, 제 1 정류기(542) 및 제 2 정류기(541)에서 출력되는 직류 전압을 충전할 수 있다. 또한, 충전기(543)는 충전된 직류 전압을 이식형 의료장치(560)에 전달할 수 있다. 이때 충전기(543)는 일정한 전력을 이식형 의료장치(560)에 전달할 수 있기 때문에, 이식형 의료장치(560)는 안정적으로 작동할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 일 실시예에 따라, 체내 움직임이 없는 경우 전력공급시스템의 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생된 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 일 실시예에 따라 신체 내부에서 움직임이 없는 경우, 전력공급시스템을 도시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 무선전력송신부(610)는 코일(611) 및 자석(612)을 포함할 수 있다. 무선전력수신부(620)는 피부(640) 안에 삽입되어 있으며, 코일(621) 및 자석(622)을 포함할 수 있다. 또한, 압전센서부(630)는 무선전력수신부(620)의 코일(621)에 적층되고, 코일(621)과 자석(622) 사이에 위치할 수 있다. 자석(622)은 코일(621) 및 압전센서부(630)를 고정할 수 있다.
도 6b는 일 실시예에 따라 신체 내부의 움직임이 없는 경우, 전력공급시스템의 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
신체 내부의 움직임이 없으면, 무선전력수신부(620)는 무선전력송신부(610)에 인가된 제 1 교류 전류와 유사한 진폭의 제 2 교류 전류를 발생시킬 수 있다. 즉, 무선전력수신부(620)의 코일(621)과 무선전력송신부(610)의 코일(611)간 거리가 짧고, 두 코일의 중심이 맞으면 무선전력수신부(620)는 높은 효율로 전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 무선전력수신부(620)에서 출력되는 교류 전류에 관한 전압(641)은 손실이 거의 없다. 또한, 전압(641)이 제 2 정류기에 입력되면, 제 2 정류기는 제 2 직류 전압(642)을 충전기에 전달할 수 있다.
한편, 신체 내부의 움직임이 없으면 압전 효과가 발생되기 어렵기 때문에, 압전센서부(630)에서 출력된 전압(651)은 작다. 이에 따라, 제 1 정류기의 출력 전압(652)도 낮다. 따라서, 충전기 출력 전압(660)은 무선전력수신부(620)와 연결된 제 2 정류기의 출력 전압(642)과 압전센서부(630)와 연결된 제 1 정류기의 출력 전압(652)의 합과 유사하며, 구체적으로 무선전력수신부(620)에서 발생된 전압의 영향이 크다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따라, 체내 움직임이 있는 경우 전력공급시스템의 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생된 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 전력공급시스템을 도시한 도면이다.
도 7a를 참조하면, 무선전력수신부(720)의 코일(721) 및 압전센서부(730)의 재질은 변형 가능(flexible)하기 때문에, 신체 내부의 움직임이 있는 경우, 무선전력수신부(720)의 코일(721) 및 압전센서부(730)의 형태는 변형될 수 있다. 또한, 피부(740) 안에서 자석(722)에 의해 고정된 무선전력수신부(720)의 코일(721) 및 압전센서부(730)는 휘어질 수 있다. 이러한 경우, 무선전력송신부(710)의 코일(711)과 무선전력수신부(720)의 코일(721)간 거리가 멀어지고, 코일들의 중심이 맞지 않게 되기 때문에, 자기 유도 방식에 따라 발생되는 전력의 손실이 클 수 있다.
도 7b는 일 실시예에 따라 신체 내부의 움직임이 있는 경우, 전력공급시스템의 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7b를 참조하면, 무선전력수신부(720)에서 출력된 전압(741)은 신체 내부의 움직임에 따라 진폭이 변하는 것을 알 수 있다. 즉, 무선전력수신부(720)에서는 신체 내부의 움직임에 의해 전력 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 무선전력수신부(720)와 연결된 제 2 정류기의 출력 전압(742)은 일정하지 않을 수 있다.
한편, 신체 내부의 움직임으로 인해 압전센서부(730)에 압력이 가해질 수 있으므로, 압전센서부(730)에서 출력된 전압(751)은 도 6b의 압전센서부(630)에서 출력된 전압(651)과 비교하여 큰 것을 알 수 있다. 이에 따라, 압전센서부(730)에 연결된 제 1 정류기의 출력 전압(752)도 증가될 수 있다.
따라서, 신체 내부의 움직임에 의해 무선전력수신부(720)에 연결된 제 2 정류기의 출력 전압(742)의 크기가 일정하지 않더라고, 압전센서부(730)에 연결된 제 1 정류기의 출력 전압(752)에 의해, 도 6b의 충전기 출력 전압(660)과 거의 유사한 충전기 출력 전압(760)을 획득할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 일 실시예에 따라, 체내 움직임이 있는 경우, 무선전력수신부에서 발생되는 전압 강하 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 무선전력송신부 및 무선전력수신부를 포함한 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 제 1 코일(810)과 제 2 코일(820)은 각각 무선전력송신부의 코일 및 무선전력수신부의 코일을 나타낸다. 또한, 제 1 코일(810) 및 제 2 코일(820)은 각각 보드(815, 825)로 고정되어 있다. 이때 자기 유도 원리에 의해 전력을 공급받는 경우, 코일간의 거리(840) 및 코일 간의 각도(830)에 따라 발생되는 전력의 효율이 크게 달라질 수 있다.
도 8b는 일 실시예에 따라, 거리에 따른 제 2 코일의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8b를 참조하면, 제 1 코일(810)과 제 2 코일(820)의 거리가 멀어질수록 제 2 코일(820)의 출력 전압이 낮아지는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 제 1 코일(810)과 제 2 코일(820)간 거리가 4mm에서 10mm로 멀어질 때, 제 2 코일(820)의 출력 전압은 5.02V(850)에서 2.51V(860)로 감소한다. 즉, 4mm 기준으로 거리 6mm 증가 시, 전력 전송 효율이 50% 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, 전력공급시스템에서 자기 유도 원리에 기초하여 전력을 발생시키는 경우, 무선전력송신부와 무선전력수신부간 거리가 멀어질수록 무선전력수신부의 코일의 출력 전압이 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
도 8c는 일 실시예에 따라, 각도에 따른 제 2 코일의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8c를 참조하면, 제 1 코일(810)과 제 2 코일(820)의 각도가 커질수록 제 2 코일(820)의 출력 전압이 낮아지는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 제 1 코일(810)과 제 2 코일(820)간 각도가 0도에서 20도로 증가할 때, 제 2 코일(820)의 출력 전압은 1.47V(870)에서 0.66V(870)로 감소한다. 즉, 각도 0도 기준으로 각도 20도 증가 시, 전력 전송 효율이 44% 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, 전력공급시스템의 무선전력송신부와 무선전력수신부간 각도가 커질수록 무선전력수신부의 코일의 출력 전압이 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
도 8b 및 도 8c를 종합하면, 무선전력수신부에서 발생하는 무선 전력의 경우, 체내 움직임으로 인해 무선전력송신부의 형태가 변형되어, 무선전력송신부와 거리가 멀어지거나 각도가 커지면, 전력 손실이 증가될 수 있다. 이러한 경우 전력공급시스템은 이식형 의료장치에 일정한 전력을 공급하는 것이 어려워질 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따라, 체내 움직임이 있는 경우, 무선전력수신부 및 압전센서부에서 발생되는 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 무선전력송신부, 무선전력수신부 및 압전센서부를 포함한 전력공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a를 참조하면, 제 1 코일(910)과 제 2 코일(920)은 각각 무선전력수신부의 코일 및 무선전력송신부의 코일을 나타낸다. 제 1 코일(910)과 제 2 코일(920)은 각각 보드(915, 925)로 고정되어 있다. 또한, 제 1 코일(910)이 고정된 보드(915)에 압전센서(930)가 적층될 수 있다. 압전센서(930)는 전력공급시스템의 압전센서부를 의미한다.
이러한 경우, 제 1 코일(910)이 고정된 보드(915)가 외부에서 가해지는 압력에 의해 움직이면, 압전센서(930)의 형태가 변형될 수 있다. 이때 압전센서(930)는 전압을 발생시킬 수 있다.
즉, 도 9a는 전력공급시스템에 포함된 무선전력수신부의 코일 및 압전센서부에서 발생되는 전압이 체내 움직임이 있을 때 어떻게 달라지는 지 알아보기 위한 실험의 구성을 나타낸 것이다.
도 9b는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 없는 경우, 전력공급시스템에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 9b의 전력공급시스템(950)의 구성은 도 6a의 전력공급시스템(600)과 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
체내 움직임이 없으면, 무선전력수신부는 무선전력송신부로부터 높은 효율로 무선 전력을 전달받을 수 있다. 따라서, 무선전력수신부의 출력 전압(951)은 거의 일정한 값을 유지할 수 있다. 한편, 움직임이 없으면 압전 효과를 기대하기 어려운 바, 압전센서부의 출력 전압(952)은 0V에 가깝다.
이때 충전부의 출력 전압(953)은 무선전력수신부의 출력 전압(951)과 압전센서부의 출력 전압(952)의 합으로 정의될 수 있다. 따라서, 압전센서부의 출력 전압(952)이 0V에 가깝기 때문에, 충전부의 출력 전압(953)은 무선전력수신부의 출력 전압(951)과 유사할 수 있다.
도 9c는 일 실시예에 따라 체내 움직임이 있는 경우, 전력공급시스템에서 발생된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 9c의 전력공급시스템(960)의 구성은 도 7a의 전력공급시스템(700)과 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
체내 움직임이 있으면, 무선전력수신부와 무선전력송신부간 거리 및 각도가 변할 수 있기 때문에, 자기유도 원리에 의해 발생되는 전력은 감소할 수 있다. 따라서, 무선전력수신부의 출력 전압(961)은 진폭이 클 수 있다. 한편, 체내 움직임으로 인해 압전센서부의 형태가 변형될 수 있기 때문에 압전 효과에 의해 전압이 발생될 수 있다. 따라서, 압전센서부의 출력 전압(962)은 시간에 따라 달라질 수 있지만 일정 전압을 유지할 수 있다.
이때 충전부의 출력 전압(963)은 무선전력수신부의 출력 전압(961)과 압전센서부의 출력 전압(962)의 합이므로, 충전부의 출력 전압(963)은 진폭이 크지만 일정 전압을 유지할 수 있다.
즉, 도 9c의 충전부의 출력 전압(963)은 도 9b의 충전부의 출력 전압(953)과 비교하여, 진폭은 크지만 도 9b의 충전부의 출력 전압(953)과 유사한 출력 전압을 유지할 수 있다. 따라서, 전력공급시스템은 체내 움직임으로 인해 무선전력수신부에서 발생되는 전력 손실이 크더라도 압전센서부에서 발생된 전압에 의해 이식형 의료장치에 일정한 전력을 공급할 수 있게 된다.
도 10은 일 실시예에 따라, 이식형 의료장치 전력을 공급하는 방법을 도시한 흐름도이다.
단계 1010에서, 신체의 외부에 위치한 무선전력송신부(410)에 제 1 교류 전류가 인가되면 자기장이 발생할 수 있다.
단계 1020에서, 발생된 자기장에 의해, 신체의 내부에 위치한 무선전력수신부(420)에 제 2 교류 전류가 발생할 수 있다. 구체적으로, 단계 1010에서 무선전력송신부(410)에 발생된 자기장으로 인해, 무선전력수신부(420)에 자기장이 발생하고, 무선전력수신부(420)에 제 2 교류 전류가 발생할 수 있다. 이때 무선전력송신부(410)와 무선전력수신부(420)간 거리가 멀어지고, 각도가 커질 수록, 무선전력수신부(420)에서 발생되는 제 2 교류 전류의 크기는 감소된다. 따라서, 신체 내부의 움직임이 있는 경우, 무선전력수신부(420)에서 발생되는 제 2 교류 전류의 크기는 감소할 수 있다.
단계 1030에서, 무선전력수신부(420)에 적층된 압전센서부(430)에서, 가해지는 압력에 기초하여 전압이 발생할 수 있다. 압전센서부(430)는 압전 효과로 인해 전압이 발생될 수 있으며, 신체 내부의 움직임으로 인해 무선전력수신부(420)에 발생되는 무선 전력의 크기가 감소할 때, 전력을 보상해 줄 수 있다.
이때, 제 2 교류 전류는 차폐부(450)에 의해 차폐될 수 있다.
또한, 전력공급시스템(400)은 무선전력수신부(420)에서 발생된 전압 및 압전센서부(430)에서 발생된 전압을 충전할 수 있다. 이때, 전압을 충전하는 단계는, 압전센서부(430)로부터 출력되는 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는 단계 및 무선전력수신부(420)로부터 출력되는 제 2 교류 전류에 의한 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하는 단계를 포함하고, 제 1 직류 전압 및 제 2 직류 전압을 충전하는 단계일 수 있다.
또한, 전력공급시스템(400)은 충전된 전압을 이용하여, 이식형 의료장치(460)에 일정한 전력을 공급할 수 있다.
본 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 신체의 외부에 위치하여, 제 1 교류 전류가 인가되면 자기장을 발생시키는, 무선전력송신부;
    상기 신체의 내부에 위치하여, 상기 무선전력송신부에서 발생된 상기 자기장에 의해 제 2 교류 전류를 발생시키는, 무선전력수신부; 및
    상기 무선전력수신부에 적층되어, 가해지는 압력에 따라 전압을 발생시키는, 압전센서부;
    를 포함하는, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부 및 상기 압전센서부의 형태는 변형 가능한(flexible) 것인, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부에 적층된 상기 압전센서부의 형태는, 상기 신체가 움직이면서 가해지는 압력으로 인해 상기 무선전력수신부의 형태가 변형됨에 따라 변형되고,
    상기 압전센서부는 상기 변형으로 인해 전압을 발생시키는 것인, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부와 상기 압전센서부 사이에 위치하여, 상기 제 2 교류 전류를 차폐하는, 차폐부;
    를 더 포함하는, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부는,
    상기 제 2 교류 전류를 발생시키는, 코일; 및
    상기 코일을 고정하는, 자석;
    을 포함하는, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전센서부는,
    상기 코일과 상기 자석 사이에 위치하는 것인, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부에서 출력된 전압 및 상기 압전센서부에서 출력된 전압을 충전하는, 충전부;
    를 더 포함하는, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 압전센서부에서 출력된 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는, 제 1 정류기; 및
    상기 무선전력수신부에서 출력된 상기 제 2 교류 전류에 의한 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하는, 제 2 정류기;
    상기 제 1 직류 전압 및 상기 제 2 직류 전압을 충전하는, 커패시터;
    를 포함하는, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 이식형 의료장치에 일정한 전력을 전달하는 것인, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부는,
    상기 신체의 피하 지방에 위치하는 것인, 이식형 의료장치를 위한 전력공급시스템.
  11. 신체의 외부에 위치한 무선전력송신부에 제 1 교류 전류가 인가되면 자기장이 발생하는 단계;
    상기 발생된 자기장에 의해, 상기 신체의 내부에 위치한 무선전력수신부에 제 2 교류 전류가 발생하는 단계; 및
    상기 무선전력수신부에 적층된 압전센서부에서, 가해지는 압력에 기초하여 전압이 발생하는 단계;
    를 포함하는, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부 및 상기 압전센서부의 형태는 변형 가능한(flexible) 것인, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부에 적층된 상기 압전센서부의 형태는, 상기 신체가 움직이면서 가해지는 압력으로 인해 상기 무선전력수신부의 형태가 변형됨에 따라 변형되고,
    상기 변형으로 인해 상기 압전센서부에서 전압이 발생하는 것인, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 교류 전류는 차폐부에 의해 차폐되는 것인, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부는,
    상기 제 2 교류 전류를 발생시키는, 코일; 및
    상기 코일을 고정하는, 자석;
    을 포함하는, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 압전센서부는,
    상기 코일과 상기 자석 사이에 위치하는 것인, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부에서 출력된 전압 및 상기 압전센서부에서 출력된 전압을 충전하는 단계;
    를 더 포함하는, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전하는 단계는,
    상기 압전센서부에서 출력된 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는 단계; 및
    상기 무선전력수신부에서 출력된 상기 제 2 교류 전류에 의한 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제 1 직류 전압 및 상기 제 2 직류 전압을 충전하는 것인, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전된 전압을 이용하여, 상기 이식형 의료장치에 일정한 전력을 공급하는 단계;
    를 더 포함하는, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선전력수신부는,
    상기 신체의 피하 지방에 위치하는 것인, 이식형 의료장치에 전력을 공급하는 방법.
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