KR20190100765A - Implantable medical device - Google Patents

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KR20190100765A
KR20190100765A KR1020180020731A KR20180020731A KR20190100765A KR 20190100765 A KR20190100765 A KR 20190100765A KR 1020180020731 A KR1020180020731 A KR 1020180020731A KR 20180020731 A KR20180020731 A KR 20180020731A KR 20190100765 A KR20190100765 A KR 20190100765A
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Abstract

The present invention relates to an in vivo implantation type medical device comprising: a power reception unit receiving power transmitted from an in vitro power transmitter in a wireless power transmission type using ultrasonic wave; a battery storing the power received through the power reception unit; a case formed in a box shape with an opened upper surface and forming appearance; and a matching layer packaging the upper surface of the case and matching acoustic impedance of an ultrasonic signal transferred from the power transmitter through a medium layer. The power reception unit is formed with an ultrasonic transducer converting the ultrasonic signal transferred from the power transmitter into electric energy and the matching layer is coupled to the power reception unit to form a piezoelectric complex body. Accordingly, the power can be transmitted to a medical device implanted in a human body in the wireless power transmission type using the ultrasonic wave. Moreover, the matching layer matching the acoustic impedance is formed in a space between piezoelectric elements forming an array-structure transducer and an upper part thereof to minimize reflective loss of the transmitted power, thereby increasing wireless power transmission efficiency.

Description

체내 이식형 의료기기{IMPLANTABLE MEDICAL DEVICE}Implantable medical device {IMPLANTABLE MEDICAL DEVICE}

본 발명은 체내 이식형 의료기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 체내에 이식되는 의료기기의 체내 장치에 무선으로 전력을 전송하는 체내 이식형 의료기기에 관한 것이다. The present invention relates to an implantable medical device, and more particularly, to an implantable medical device for wirelessly transmitting power to an internal device of a medical device to be implanted in the body.

최근에는 다양한 질병의 증상을 완화시키거나 치료하기 위해 심장박동기 등의 인공장기나 인공와우, 위자극기, 척수자극기, 심장제세동기, 심장 맥박 조정기, 인슐린 펌프, 하수족(foot drop implants), 심부 뇌 자극장치(Deep Brain Stimulation, DBS) 등 다양한 체내 이식형 의료기기가 개발되고 있다. Recently, artificial organs such as pacemakers, cochlear implants, gastric stimulators, spinal cord stimulators, cardiac defibrillators, cardiac pacemakers, insulin pumps, foot drop implants, and deep brains are used to alleviate or treat symptoms of various diseases. Various implantable medical devices such as deep brain stimulation (DBS) have been developed.

그 중에서 심부 뇌 자극장치는 뇌의 특정 부위에 전기 자극을 가해 파킨슨병과 같은 뇌질환의 증상을 완화시키는 체내 이식형 의료기기이다.Among them, the deep brain stimulator is an implantable medical device that applies electrical stimulation to specific areas of the brain to alleviate the symptoms of brain diseases such as Parkinson's disease.

종래기술에 따른 심부 뇌 자극 장치는 뇌에 이식되는 전극, 가슴 부위에 이식되어 전기자극신호를 발생시키는 제어장치 및 전극과 제어장치를 연결하는 연결선으로 이루어진다.The deep brain stimulation device according to the prior art is composed of an electrode implanted in the brain, a control device implanted in the chest area to generate an electrical stimulation signal, and a connecting line connecting the electrode and the control device.

상기 구성들 중에서 제어장치는 마이크로프로세서 기반의 복잡한 전자회로와 5년 정도의 구동을 위한 배터리, 외부와의 통신을 위한 RF 송수신장치 등으로 구성되고, 생체 내에서의 장기간 동안의 안정된 작동을 위해 특별히 제조된 티타늄(Titanium) 케이스에 수용되어 레이저 용접(Laser welding) 방식으로 봉합되는 인공 심장 박동기(Cardiac Pacemaker)의 기본 구조를 그대로 사용하고 있다.Among the above components, the control unit is composed of a microprocessor-based complex electronic circuit, a battery for five years of driving, an RF transceiver for communication with the outside, and the like, and is specifically designed for long-term stable operation in vivo. The basic structure of an artificial heart pacemaker (Cardiac Pacemaker), which is housed in a manufactured titanium case and sealed by laser welding, is used.

따라서 종래기술에 따른 심부 뇌 자극 장치는 제어장치의 제조원가가 비싸지고, 크기도 커져서 이식부위가 가슴까지 내려올 수밖에 없으며, 특히 5년 이내에 배터리의 수명이 다하게 되면 수술을 통해 새로운 제어장치로 교체해야만 하는 문제점이 있었다.Therefore, the deep brain stimulation apparatus according to the prior art is expensive manufacturing cost of the control device, the size is too large, the transplant site is forced to descend to the chest, especially when the battery life is reached within five years must be replaced by a new control device through surgery There was a problem.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 무선 전력 전송기술을 적용한 심부 뇌 자극 장치 기술이 개시되어 있다. In order to solve this problem, Patent Document 1 and Patent Document 2 below disclose a deep brain stimulation device technology to which a wireless power transmission technology is applied.

특허문헌 1에는 환자가 착용하는 모자 내부에 구비된 회전자기장원반에 의해 회전 자기장을 형성하고, 형성된 회전 자기장과 결합하도록 환자의 두피 하부에 고정되는 유도코일판에 의해 유도 전력을 생성하여 환자의 뇌에 이식된 전극을 구동시키도록 구성되어, 인체의 외부로부터 무선으로 공급되는 전력을 이용하여 비정상적인 운동 및 감각 기능을 교정시킬 수 있는 심부 뇌 자극 장치 구성이 기재되어 있다. Patent Literature 1 forms a rotating magnetic field by a rotating magnetic disk provided inside a hat worn by a patient, and generates induced power by an induction coil plate fixed to the lower part of the patient's scalp so as to be combined with the formed rotating magnetic field. A deep brain stimulation device configuration is described that is configured to drive an electrode implanted in a body, and that can correct abnormal motor and sensory functions using power wirelessly supplied from the outside of the human body.

특허문헌 2에는 두피에 이식되는 체내장치와 무선전력 전송 방식에 의해 상기 체내장치로 전력을 공급하는 체외장치를 포함하고, 체외장치의 무선전력 송신부는 배터리에서 공급된 전력에 의해 자장이 유도되는 외부코일과 외부코일이 감기는 외부자석을 포함하고, 체내장치의 무선전력 수신부는 외부코일에 유도된 자장에 의해 교류 전력이 형성되도록 상기 외부코일에 정렬하는 내부코일, 내부코일이 감기는 내부자석을 포함하고, 외부자석이 내부자석에 부착됨에 따라 외부코일과 내부코일이 정렬된 상태로 체내장치에 체외 장치를 결합함으로써, 무선전력 전송 기능을 결합하여 배터리 소모에 따른 재수술이 불필요한 반영구적인 초소형 심부 뇌자극 시스템 구성이 기재되어 있다. Patent Literature 2 includes an internal device implanted in the scalp and an external device for supplying power to the internal device by a wireless power transmission method, wherein the wireless power transmitter of the external device is externally induced with a magnetic field by the power supplied from the battery. A coil and an external coil include an external magnet wound around, and the wireless power receiver of the internal device includes an internal coil aligned with the external coil so that AC power is formed by a magnetic field induced by the external coil, and an internal magnet wound inside the coil. By combining the external device to the internal device with the external coil and the internal coil aligned as the external magnet is attached to the internal magnet, by combining the wireless power transfer function, semi-permanent ultra-deep brain that does not require reoperation due to battery consumption The stimulation system configuration is described.

대한민국 특허 등록번호 제10-0877228호(2008년 12월 26일 공고)Republic of Korea Patent Registration No. 10-0877228 (August 26, 2008) 대한민국 특허 등록번호 제10-1662594호(2016년 10월 6일 공고)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1662594 (October 6, 2016 announcement)

상기한 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함한 종래기술에 따른 무선 전력 전송 기술이 적용된 심부 뇌 자극 장치는 체외 장치와 체내 장치에 마련된 회전자기장 원반과 유도코일판의 사이에서 자기유도 방식으로 유도전력을 생성하여 체내 장치에 전력을 전송한다. The deep brain stimulation device to which the wireless power transmission technology according to the prior art including Patent Documents 1 and 2 described above is applied, induces induced power in a magnetically induced manner between the rotating magnetic field disk and the induction coil plate provided in the in vitro device and the device. Generate and send power to your device.

인체 내부로 전력을 무선으로 전송하는 기술로 현재까지 여러 가지 방식이 시도되고 있으며, 크게 전자기파를 이용하는 전자기(Electromagnetic) 유도 방식 및 전자기 공명 방식과 전자기파 방식, 무선 주파수(Radio Frequency)를 이용하는 RF 방식, 그리고 초음파를 이용하는 초음파 방식이 있다.As a technology for transmitting power to the inside of the human body wirelessly, various methods have been tried to date, and electromagnetic induction and electromagnetic resonance methods and electromagnetic resonance methods and radio frequency (RF) methods using radio frequency, There is an ultrasonic method using ultrasonic waves.

상기 전자기 유도를 이용한 전력 전송 장치는 외부 전원을 이용하여 충전 전력을 발생시키는 충전 모체와, 충전 모체로부터 전자기 유도 현상을 통해 충전 전력을 공급받는 전력 수신 모듈로 구성되고, 효율성에 있어서 장점이 커 상용화에 가장 근접한 기술이다. The electric power transmission device using electromagnetic induction is composed of a charging matrix for generating charging power using an external power source, and a power receiving module receiving charging power through electromagnetic induction from the charging matrix. Is the closest technique to.

그러나 전자기파는 공기 중에서 거리에 따라 전달 에너지가 거리제곱에 반비례하는 정도로 급격히 줄어듦에 따라, 전자기 유도를 이용한 전력 전송 장치는 충전 모체 및 전력 수신 모듈이 서로 수 cm 이내의 가까운 거리에서 사용하는 것으로서 제한된다.However, as electromagnetic waves are rapidly reduced in the air with distance inversely proportional to the distance squared, power transmission devices using electromagnetic induction are limited to the charging matrix and the power receiving module being used at close distances within a few cm of each other. .

이로 인해, 종래기술에 따른 전자기 유도방식을 이용한 무선 전력 전송 기술이 적용된 심부 뇌 자극 장치는 체내 장치에서의 부하 변동과 무관하게, 체외 장치에서 지속적으로 전력을 전송함에 따라, 체외 장치에 마련된 배터리의 전력이 소모되기 때문에, 전력 효율이 저하되는 문제점이 있었다. For this reason, the deep brain stimulation device to which the wireless power transmission technology using the electromagnetic induction method according to the prior art is applied continuously as the power is transmitted from the in vitro device, regardless of the load fluctuations in the in-vivo device. Since power is consumed, there is a problem that power efficiency is lowered.

또, 인체에 내장되는 전자기파 방식의 전력 수신기를 적용하는 경우, 특정 주파수 대역에 대한 안테나로 작용함에 따라, 해당 대역의 주파수를 이용하는 외부 전자기파 잡음이 존재할 경우 EMI(Electromagnetic Interface) 간섭에 의한 오작동이 발생하는 문제점이 있었다. In addition, when applying a power receiver of the electromagnetic wave type embedded in the human body, as an antenna for a specific frequency band, malfunction occurs due to EMI (Electromagnetic Interface) interference when there is external electromagnetic noise using the frequency of the band. There was a problem.

또한, 전자기파 방식은 송신부에서 전자기파를 발생시키면 수신부에서 안테나와 정류기를 조합한 복수의 렉테나를 이용해서 전자기파를 수신하여 전력으로 변환함에 따라, 먼 거리까지 전력을 전송할 수 있으나, 수율이 낮고 전자기파 자체가 인체에 유해하다는 문제점이 있었다. In addition, in the electromagnetic wave method, when the transmitting unit generates electromagnetic waves, the receiving unit converts the electromagnetic waves into electric power by using a plurality of rectennas combining an antenna and a rectifier, and transmits the power to a long distance. There was a problem that is harmful to the human body.

그리고 상기 무선 주파수를 이용한 전력 전송 장치는 전파거리가 매우 긴 RF의 에너지를 모아, 전자장치 또는 센서 등에 전력을 공급한다. RF는 공기 중에도 많이 존재하며, 그 전파거리가 매우 넓은 장점을 가진다. 그러나, RF는 에너지 밀도 자체나 낮아 에너지 변환 후, 에너지량이 작은 문제점을 가진다.In addition, the power transmission apparatus using the radio frequency collects energy of RF having a long propagation distance and supplies power to an electronic device or a sensor. RF exists in air a lot, and its propagation distance has a very wide advantage. However, RF has a problem of low energy density itself or low energy amount after energy conversion.

상기 초음파 무선 전력 전송 방식은 강유전체의 압전효과를 이용한다. The ultrasonic wireless power transmission method uses the piezoelectric effect of the ferroelectric.

즉, 압전체의 양단에 기계적인 외력인 압축력이나 인장력을 가하면 전기가 생성되며, 반대로 전기장을 가하면 수축이나 이완의 변위가 발생하는데, 후자를 이용하면 초음파를 발생 시킬수 있고, 전자를 사용하면 발생된 초음파 압력에 의해서 전기를 발생할 수 있다. In other words, when mechanical force or compressive force is applied to both ends of the piezoelectric body, electricity is generated. On the contrary, when the electric field is applied, the displacement of contraction or relaxation occurs. The latter can generate ultrasonic waves, and the former generates ultrasonic waves. Electricity can be generated by pressure.

따라서 초음파 무선 전력 전송 방식은 이러한 압전현상을 이용해서 외부에서 초음파를 생성하여 인체 내부로 전송한 후, 내부의 압전체로 구성된 초음파 수신기가 음향에너지(초음파)를 전기에너지로 만들어 전력을 전송하는 방식이다. Therefore, the ultrasonic wireless power transmission method uses the piezoelectric phenomenon to generate the ultrasonic wave from the outside and transmit it to the human body, and then the ultrasonic receiver composed of the piezoelectric body transmits power by making acoustic energy (ultrasound) into electrical energy. .

초음파는 음파(sound wave)이기 때문에, 빛과 달리 전파되기 위해서는 매질이 필요하며 매질층의 특성에 따라 전달 속도에 차이가 난다. Ultrasound is a sound wave, so unlike light, a medium is required to propagate and the transfer speed varies depending on the characteristics of the medium layer.

인체 조직은 70%가 수분이므로, 신체 내에서 초음파의 전달 속도는 물에서의 전달 속도와 유사한 값을 갖는다. Since human tissue is 70% water, the rate of ultrasound delivery in the body has a value similar to that of water.

이와 같은 이유로 초음파는 의료 분야에서 안전성이 입증되어 환자 진료 및 의료기기에 적용되어 사용하고 있다.For this reason, ultrasound has been proved to be safe in the medical field and has been applied to patient care and medical devices.

이러한 초음파는 초음파 장치로부터 발생되는 음향 진동이 매질과의 송신 매칭층을 진동시키고, 진동을 수진하는 매칭층을 통해서 압전 기계 에너지가 수신 장치로 전달되면 무선 전력을 사용이 가능하다. The ultrasonic wave may use wireless power when the acoustic vibration generated from the ultrasonic device vibrates the transmission matching layer with the medium, and the piezoelectric mechanical energy is transmitted to the receiving device through the matching layer for oscillating the vibration.

이와 같은 특징을 갖는 초음파를 이용한 전력 전송 장치는 초음파를 발생하는 송신장치와, 발생된 초음파를 수신하는 수신장치로 구성된다. The power transmission apparatus using the ultrasonic wave having such a feature is composed of a transmitting device for generating ultrasonic waves, and a receiving device for receiving the generated ultrasonic waves.

상기 초음파를 이용한 전력 전송 장치는 물속 또는 인체 피부 등 다양한 매질에서 사용될 수 있으나, 물속 또는 인체 피부와 같은 매질에 의해 송신 장치 및 수신 장치가 서로 떨어져 있는 경우, 초음파 송신 및 수신 장치간의 전력 전송 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. The ultrasonic wave power transmission device may be used in various media such as water or human skin. However, when the transmission device and the reception device are separated from each other by a medium such as water or human skin, the power transmission efficiency between the ultrasonic transmission and reception devices may be increased. There was a problem falling.

따라서 초음파를 이용해서 무선으로 체내 장치에 전력을 공급하고, 전력 전송 효율의 저하를 방지할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다. Accordingly, there is a demand for the development of a technology capable of supplying power to the internal apparatus wirelessly using ultrasonic waves and preventing a decrease in power transmission efficiency.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 체외에서 초음파를 이용해서 체내에 이식된 체내 장치에 무선으로 전력을 전송할 수 있는 체내 이식형 의료기기를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems as described above, and to provide an implantable medical device in the body capable of wirelessly transmitting power to a device implanted in the body using ultrasound in vitro.

본 발명의 다른 목적은 체내 장치에 전송되는 전력의 전송 효율을 향상시킬 수 있는 체내 이식형 의료기기를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an implantable medical device in the body which can improve the transmission efficiency of power transmitted to the device.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 체내 이식형 의료기기는 체외의 전력 전송기에서 초음파를 이용한 무선 전력 전송 방식으로 전송된 전력을 수신하는 전력 수신부, 상기 전력 수신부를 통해 수신된 전력을 충전하는 배터리, 상면이 개구된 통체 형상으로 형성되고 외형을 형성하는 케이스 및 상기 케이스의 상면을 패키징하고, 상기 전력 전송기에서 매질층을 통해 전달되는 초음파 신호의 음향 임피던스를 매칭하는 매칭층을 포함하고, 상기 전력 수신부는 상기 전력 전송기에서 전송된 초음파 신호를 전기 에너지로 변환시키는 초음파 트랜스듀서로 마련되며, 상기 매칭층은 상기 상기 전력 수신부와 결합되어 압전 복합체를 형성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the implantable medical device according to the present invention is a power receiver for receiving the power transmitted by the wireless power transmission method using the ultrasonic wave in the power transmitter outside the body, the power received through the power receiver A battery for charging the battery, a case formed in a cylindrical shape having an open top surface, and a case forming an external shape, and a matching layer for packaging an upper surface of the case and matching an acoustic impedance of an ultrasonic signal transmitted through a medium layer from the power transmitter. The power receiver is provided as an ultrasonic transducer for converting an ultrasonic signal transmitted from the power transmitter into electrical energy, and the matching layer is combined with the power receiver to form a piezoelectric composite.

상기 초음파 트랜스듀서는 다수의 압전소자를 상기 복수의 열과 행으로 배열해서 전력을 수신하는 배열 구조 트랜스듀서로 마련되고, 상기 압전소자의 가로 및 세로 길이와 높이, 각 압전소자 간의 간격은 상기 배열 구조 트랜스듀서의 특성에 기초해서 설정되는 것을 특징으로 한다.The ultrasonic transducer is provided as an array structure transducer for receiving a power by arranging a plurality of piezoelectric elements in the plurality of columns and rows, the horizontal and vertical length and height of the piezoelectric element, the spacing between each piezoelectric element is the arrangement structure It is characterized in that it is set based on the characteristics of the transducer.

상기 매칭층은 상기 매질층을 형성하는 인체의 피부나 혈액의 음향 임피던스에 대응되는 음향 임피던스를 갖는 생체적합성 재질의 재료를 이용해서 각 압전소자의 사이 공간과 상기 압전소자의 상부에 미리 설정된 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다. The matching layer has a predetermined thickness on the space between each piezoelectric element and the upper portion of the piezoelectric element using a material of a biocompatible material having an acoustic impedance corresponding to the acoustic impedance of skin or blood of the human body forming the medium layer. It is characterized by being formed.

본 발명은 상기 배터리로부터 공급되는 전력을 이용하여 신경을 자극하는 자극부, 신경을 자극하는 과정에서 전력 부하의 변동이나 생체정보를 감지하는 감지부, 관리단말과 무선 통신 방식으로 통신하는 통신부 및 상기 체내 이식형 의료기기에 마련된 각 장치의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 통신부를 통해 상기 감지부에서 감지된 부하정보와 생체정보를 상기 관리단말로 전송하도록 제어하며, 상기 자극부와 감지부는 동시에 마련되거나, 또는 어느 하나만 마련되는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a stimulation unit for stimulating a nerve using the power supplied from the battery, a sensing unit for detecting a change in power load or biometric information in the process of stimulating the nerve, a communication unit for communicating with a management terminal in a wireless communication method and the And a control unit for controlling the operation of each device provided in the implantable medical device, wherein the control unit transmits the load information and the biometric information detected by the detection unit to the management terminal through the communication unit, and the stimulus The unit and the sensing unit may be provided at the same time, or only one of them.

상기 전력 전송기는 전기 에너지를 초음파 신호로 변환해서 초음파 신호를 발생하고, 발생한 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 구동 제어부 및 상기 전력 수신부와 음향 임피던스를 매칭하는 매칭층을 포함하는 것을 특징으로 한다.The power transmitter may include a driving controller which converts electrical energy into an ultrasonic signal to generate an ultrasonic signal, and controls to transmit the generated ultrasonic signal, and a matching layer that matches an acoustic impedance with the power receiver.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 체내 이식형 의료기기에 의하면, 체내 이식된 의료기기에 초음파를 이용한 무선 전력 전송 방식으로 전력을 전송할 수 있다는 효과가 얻어진다. As described above, according to the implantable medical device according to the present invention, the effect that the power can be transmitted to the implanted medical device by a wireless power transmission method using ultrasonic waves.

그리고 본 발명에 의하면, 배열 구조 트랜스듀서를 구성하는 다수의 압전소자 사이 공간 및 상부에 음향 임피던스를 매칭하는 매칭층을 형성함으로써, 전송되는 전력의 반사손실을 최소화하여 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다. And according to the present invention, by forming a matching layer for matching the acoustic impedance in the space and the space between the plurality of piezoelectric elements constituting the array structure transducer, it is possible to minimize the return loss of the transmitted power to improve the wireless power transmission efficiency. Effect is obtained.

또한, 본 발명에 의하면, 초음파 신호를 전달하는 매질층을 형성하는 인체의 피부나 혈액과 유사한 음향 임피던스를 갖는 생체적합성 재질의 재료를 이용하거나, 인체의 피부나 혈액보다 높은 음향 임피던스를 갖는 생체적합성 재질의 재료를 이용해서 매칭층을 형성하고, 매칭층의 상부에 음향 임피던스를 연속적으로 변화시키는 구조를 마련해서 초음파 신호의 반사를 방지하고, 초음파 신호를 매칭층의 하부에 마련되는 전력 수신부로 전달하도록 투과시킴으로써, 초음파를 이용한 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.In addition, according to the present invention, using a material of a biocompatible material having a sound impedance similar to the skin or blood of the human body forming a medium layer for transmitting the ultrasonic signal, or biocompatible having a higher acoustic impedance than the skin or blood of the human body A matching layer is formed using a material of a material, and a structure for continuously changing the acoustic impedance on the matching layer is provided to prevent reflection of the ultrasonic signal, and the ultrasonic signal is transmitted to a power receiver provided below the matching layer. By transmitting so as to obtain the effect, the wireless power transmission efficiency using ultrasonic waves can be improved.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 심부 뇌 자극장치의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 심부 뇌 자극장치의 분해도,
도 3은 인체 조직, 뇌 조직 및 물과 각 재료별 음향 임피던스 테이블,
도 4는 전력 수신부와 매칭층의 구조를 보인 도면,
도 5는 도 4에 도시된 압전소자와 매칭층의 구조를 보인 단면도,
도 6은 본 발명에 다른 실시 예에 따른 전력 수신부와 매칭층의 구조를 보인 단면도,
도 7은 도 6에 도시된 전력 수신부와 매칭층의 구조를 보인 부분 확대도.
1 is a block diagram of a deep brain stimulation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention,
2 is an exploded view of the deep brain stimulation apparatus shown in FIG.
3 is a table of human body tissue, brain tissue and water and acoustic impedance of each material;
4 is a view illustrating a structure of a power receiver and a matching layer;
5 is a cross-sectional view showing the structure of the piezoelectric element and the matching layer shown in FIG.
6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a power receiver and a matching layer according to another embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a partially enlarged view illustrating a structure of a power receiver and a matching layer shown in FIG. 6.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 체내 이식형 의료기기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, an implantable medical device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 실시 예에서는 체내 이식형 의료기기 중에서 심부 뇌 자극장치를 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In the present embodiment, the deep brain stimulation apparatus in the implantable medical device in the body, but the present invention is not necessarily limited thereto.

즉, 본 발명은 체내 장치를 이식해서 신경을 자극하고 신경전달물질을 공급해서 다양한 질병의 증상을 완화시키거나 치료하기 위해 사용되는 심장박동기 등의 인공장기나 인공와우, 위자극기, 척수자극기, 심장제세동기, 심장 맥박 조정기, 인슐린 펌프, 하수족(foot drop implants) 등 다양한 체내 이식형 의료기기에 적용될 수도 있음에 유의하여야 한다.That is, the present invention implants a device in the body to stimulate the nerves and supply the neurotransmitter artificial organs such as pacemakers or cochlear implants, gastric stimulator, spinal cord stimulator, heart used to alleviate or treat symptoms of various diseases It should be noted that it may be applied to a variety of implantable medical devices such as defibrillators, cardiac pacemakers, insulin pumps, foot drop implants.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 심부 뇌 자극장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 심부 뇌 자극장치의 분해도이다. 1 is a block diagram of a deep brain stimulation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded view of the deep brain stimulation apparatus shown in FIG.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 심부 뇌 자극장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 두피 내부에 이식되고, 체외의 전력 전송기(12)로부터 초음파를 이용한 무선 전력 전송 방식으로 공급된 전력을 이용해서 뇌신경을 자극한다. Deep brain stimulation apparatus 10 according to a preferred embodiment of the present invention is implanted into the scalp, as shown in Figure 1, and the power supplied by the wireless power transmission method using ultrasonic waves from the power transmitter 12 in vitro To stimulate the cranial nerves.

그리고 심부 뇌 자극장치(10)는 뇌신경을 자극하는 과정에서 피부의 두께, 머리카락의 자란 정도, 혈류의 변화 등 다양한 요인에 의한 전력 부하의 변동을 감지해서 감지된 부하 정보를 관리단말(11)로 송신할 수 있다. In addition, the deep brain stimulation apparatus 10 detects a change in power load due to various factors such as skin thickness, hair growth rate, and blood flow change in the process of stimulating the cranial nerve, and transmits the detected load information to the management terminal 11. I can send it.

이를 위해, 심부 뇌 자극장치(10)는 전력 전송기(12)에서 전송된 전력을 수신하는 전력 수신부(20), 전력 수신부(20)를 통해 수신된 전력을 충전하는 배터리(30) 및 배터리(30)로부터 공급되는 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하는 자극부(40)를 포함한다. To this end, the deep brain stimulator 10 includes a power receiver 20 for receiving power transmitted from the power transmitter 12, a battery 30 for charging power received through the power receiver 20, and a battery 30. It includes a stimulator 40 for stimulating the cranial nerve using the power supplied from.

그리고 심부 뇌 자극장치(10)는 심부 뇌 자극장치(10)에 마련된 각 장치의 구동을 제어하는 제어부(50) 및 관리단말(11)과 무선 통신 방식으로 통신하는 통신부(60)를 더 포함할 수 있다. The deep brain stimulation apparatus 10 may further include a control unit 50 for controlling the driving of each device provided in the deep brain stimulation apparatus 10 and a communication unit 60 communicating with the management terminal 11 in a wireless communication manner. Can be.

관리단말(11)은 심부 뇌 자극장치(10)와의 통신을 통해 심부 뇌 자극장치(10)의 동작 상태 정보 및 심부 뇌 자극장치(10)에서 감지된 정보를 수신하고, 심부 뇌 자극장치(10)를 동작시키기 위한 제어명령을 전송하고 심부 뇌 자극장치(10)의 프로그램을 변경하거나 업데이트할 수 있다. The management terminal 11 receives the operation state information of the deep brain stimulation apparatus 10 and the information detected by the deep brain stimulation apparatus 10 through communication with the deep brain stimulation apparatus 10, the deep brain stimulation apparatus 10 Transmit a control command for operating the) and change or update the program of the deep brain stimulation apparatus 10.

전력 전송기(12)는 상용전원을 공급받아 전기 에너지를 미리 설정된 주파수의 초음파 신호로 변환하고, 변환된 초음파 신호를 심부 뇌 자극장치(10)로 전송하는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)로 마련될 수 있다. The power transmitter 12 may be provided as an ultrasonic transducer that receives commercial power, converts electrical energy into an ultrasonic signal having a predetermined frequency, and transmits the converted ultrasonic signal to the deep brain stimulator 10. have.

전력 전송기(12)는 전기 에너지를 초음파 신호로 변환해서 초음파 신호를 발생하고, 발생한 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 구동 제어부(13)를 포함할 수 있다.The power transmitter 12 may include a driving control unit 13 that converts electrical energy into an ultrasonic signal to generate an ultrasonic signal and transmit the generated ultrasonic signal.

이러한 전력 전송기(12)는 아래에서 설명할 심부 뇌 자극장치(10)의 전력 수신부(20)와 매칭하기 위한 매칭층(14)을 포함할 수 있다.The power transmitter 12 may include a matching layer 14 for matching with the power receiver 20 of the deep brain stimulation apparatus 10 to be described below.

전력 수신부(20)는 전력 전송기(12)에서 전송된 초음파 신호를 전기 에너지로 변환해서 전력을 수신하는 초음파 트랜스듀서로 마련될 수 있다. The power receiver 20 may be provided as an ultrasonic transducer that converts an ultrasonic signal transmitted from the power transmitter 12 into electrical energy and receives power.

이를 위해, 전력 수신부(20)는 초음파 신호에 의한 압력을 전기 에너지의 전압을 변화시키는 다수의 압전소자(21)를 포함할 수 있다(도 3 참조). To this end, the power receiver 20 may include a plurality of piezoelectric elements 21 for changing the voltage of the electric energy by the pressure of the ultrasonic signal (see FIG. 3).

압전소자(21)는 압전ㆍ초전성을 갖는 세라믹 재질인 지르콘산염(PbZrO3)과 티탄산염(PbTiO3)의 고용체인 타이타늄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate)을 이용해서 제조될 수 있다. The piezoelectric element 21 may be manufactured using lead zirconate titanate (PZT), which is a solid solution of zirconate (PbZrO3) and titanate (PbTiO3), a ceramic material having piezoelectric and superconducting properties.

여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 수신부(20)와 제어부(50) 및 통신부(60), 배터리(30)는 케이스(80) 내부에 상하 방향을 따라 순차적으로 적층되고, 전력 수신부(20)의 상부에는 케이스(80)의 상면을 패키징하고, 전력 전송기(12)와 매칭하기 위한 매칭층(70)이 마련된다. Here, as shown in FIG. 2, the power receiver 20, the controller 50, the communicator 60, and the battery 30 are sequentially stacked in the case 80 along the vertical direction, and the power receiver 20 is provided. The upper side of the) is provided with a matching layer 70 for packaging the upper surface of the case 80, and matching with the power transmitter 12.

즉, 전력 전송기(12)에서 전송된 초음파 신호는 인체의 피부나 혈액 등의 매질층을 통해 전력 수신부(20)로 전송된다. That is, the ultrasonic signal transmitted from the power transmitter 12 is transmitted to the power receiver 20 through a medium layer such as skin or blood of the human body.

전력 전송기(12)와 전력 수신부(20) 사이에서 무선 전송되는 전력의 전송 효율은 매질층의 특성, 즉 매질층의 재료(material), 기하학적 구조(geometry), 변환 매체(transmission medium), 감쇠(attenuation) 및 전력 전송기(12)와 전력 수신부(20) 사이의 거리에 따라 변화될 수 있다. The transmission efficiency of the power wirelessly transmitted between the power transmitter 12 and the power receiver 20 is characterized by the characteristics of the media layer, that is, the material, geometry, transmission medium and attenuation of the media layer. attenuation) and the distance between the power transmitter 12 and the power receiver 20.

따라서, 본 발명은 전력 전송기(12)와 전력 수신부(20)에 각각 마련되는 매칭층(14,70)의 재료와 기하학적 구조를 이용해서 전력 수신부(20)로 전송되는 전력의 반사 손실을 최소화함으로써, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the present invention minimizes the reflection loss of power transmitted to the power receiver 20 by using the materials and geometry of the matching layers 14 and 70 provided in the power transmitter 12 and the power receiver 20, respectively. The wireless power transmission efficiency can be improved.

전력 수신부(20) 및 매칭층(14,70)의 구성은 아래에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. The configuration of the power receiver 20 and the matching layers 14 and 70 will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5 below.

다시 도 1 및 도 2에서, 배터리(30)는 충전 가능한 2차 전지로 마련될 수 있다. 1 and 2, the battery 30 may be provided as a rechargeable secondary battery.

자극부(40)는 배터리(30)에서 공급된 직류 전력을 이용하여 뇌신경을 자극하기 위한 특정 자극 파형을 생성하는 내부 마이크로 콘트롤러(도면 미도시)와 자극회로(도면 미도시) 및 상기 자극회로에서 생성된 자극 파형에 따라 뇌신경을 자극하는 자극용 전극을 포함할 수 있다.The stimulator 40 may include an internal microcontroller (not shown), a stimulation circuit (not shown), and a stimulation circuit for generating a specific stimulus waveform for stimulating the cranial nerve using DC power supplied from the battery 30. It may include a stimulation electrode for stimulating the cranial nerve in accordance with the generated stimulation waveform.

제어부(50)는 심부 뇌 자극장치(10)에 마련된 각 장치의 구동을 제어하는 메인제어장치로 마련될 수 있다.The controller 50 may be provided as a main control device for controlling the driving of each device provided in the deep brain stimulation device 10.

이러한 제어부(50)는 메모리(도면 미도시)에 저장된 구동 프로그램에 따라 뇌 심부에 가해지는 자극을 조절하도록 자극부(40)의 구동을 제어할 수 있다. The controller 50 may control the driving of the stimulator 40 to adjust the stimulus applied to the core of the brain according to a driving program stored in a memory (not shown).

그리고 제어부(50)는 통신부(60)를 통해 뇌신경을 자극하는 과정에서 피부의 두께, 머리카락의 자란 정도, 혈류의 변화 등 다양한 요인에 의한 전력 부하의 변동을 감지한 부하 정보를 관리단말로 전송하도록 제어할 수 있다.In addition, the control unit 50 transmits load information that detects a change in power load due to various factors, such as skin thickness, hair growth rate, and blood flow change, to the management terminal in the process of stimulating the cranial nerve through the communication unit 60. Can be controlled.

이를 위해, 심부 뇌 자극장치(10)는 상기한 부하 정보를 감지할 수 있는 감지수단(도면 미도시)을 더 포함하고, 상기 감지수단에서 출력되는 감지신호는 제어부(50)로 전달될 수 있다. To this end, the deep brain stimulation apparatus 10 further includes a sensing means (not shown) capable of sensing the load information, and the sensing signal output from the sensing means may be transmitted to the controller 50. .

상기 감지수단은 상기한 부하 정보 이외에도, 인체의 체온, 혈압, 호흡량, 배터리(30)의 온도 등 다양한 생체 정보를 감지하는 복수의 감지센서를 더 포함할 수 있다. In addition to the load information, the sensing means may further include a plurality of sensing sensors for sensing various biometric information such as body temperature, blood pressure, respiratory rate, and temperature of the battery 30.

또한, 제어부(50)는 통신부(60)를 통해 관리단말(11)로부터 수신되는 제어신호에 따라, 자극부(40)를 구동하는 프로그램을 변경하거나 업데이트하도록 제어할 수 있다. In addition, the controller 50 may control to change or update a program driving the stimulator 40 according to a control signal received from the management terminal 11 through the communication unit 60.

한편, 도 2에서 케이스(80) 및 케이스(80) 내부에 수용되는 각 장치(20,30,50,60,70)는 원통 형상과 원판 형상으로 도시되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 케이스(80)를 사각 통체 등 다각 통체 형상으로 형성하고, 케이스(80) 내부에 수용되는 각 장치(20,30,50,60,70)를 다각 판 형상으로 형성하도록 변경될 수도 있다. Meanwhile, in FIG. 2, the devices 80 and the devices 20, 30, 50, 60, and 70 accommodated inside the case 80 are illustrated in a cylindrical shape and a disc shape, but the present invention is not limited thereto. In some embodiments, the case 80 may be formed in a polygonal cylindrical shape such as a rectangular cylinder, and each device 20, 30, 50, 60, 70 accommodated in the case 80 may be modified in a polygonal plate shape.

다음, 도 3 내지 도 5를 참조하여 매칭층과 전력 수신부의 구성을 상세하게 설명한다. Next, the configuration of the matching layer and the power receiver will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5.

본 실시 예에서는 체내에 이식된 심부 뇌 자극장치(10)에 적용되는 매칭층(70)의 구성을 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전력 전송기(12)에 마련되는 매칭층(14)에도 동일하게 적용할 수 있음에 유의하여야 한다. In the present embodiment, a configuration of the matching layer 70 applied to the deep brain stimulation apparatus 10 implanted in the body will be described, but the present invention is not limited thereto, and the matching layer provided in the power transmitter 12 ( It should be noted that the same applies to 14).

매칭층(70)은 체내에 이식됨에 따라, 매질층을 형성하는 인체의 피부와 혈액과 유사한 음향 임피던스(acoustic impedance)를 갖고, 인체 안전성 규격을 만족하는 생체적합성(biocompatibility) 재질의 재료를 이용해서 제조될 수 있다. As the matching layer 70 is implanted in the body, the matching layer 70 has an acoustic impedance similar to the skin and blood of the human body forming the medium layer, and uses a material of biocompatibility that satisfies human safety standards. Can be prepared.

상기 생체적합성은 양방향 반응, 즉 물질에 대한 신체의 반응 및 물질들의 신체 환경에 대한 반응을 정의한다. The biocompatibility defines a bidirectional reaction, that is, the body's response to a substance and the response of the substances to the body environment.

특히, 의료기기의 생체적합성은 기기가 호스트에서 원하지 않은 지역적 또는 시스템적 효과들을 끌어내지 않으면서 호스트 내에서 결합의 원하는 정도를 갖고 의도된 기능을 수행하는 능력을 나타낸다. In particular, the biocompatibility of a medical device represents the ability of the device to perform its intended function with the desired degree of binding in the host without eliciting unwanted local or systemic effects at the host.

본 실시 예에서 생체적합성 재질은 의료용(medical grade) 또는 삽입용(implant grade) 물질이다.In this embodiment, the biocompatible material is a medical grade or an implant grade material.

따라서 본 실시 예에서 심부 뇌 자극장치(10)의 외형을 형성하는 케이스(80) 및 케이스(80)의 상면을 패키징하는 매칭층(70)은 생체적합성 재질의 재료를 이용해서 제조된다. Therefore, in the present embodiment, the case 80 forming the outer shape of the deep brain stimulation apparatus 10 and the matching layer 70 packaging the upper surface of the case 80 are manufactured using a material of biocompatible material.

예를 들어, 케이스(80)는 티타늄과 같이 생체적합성이 인증된 금속 재질의 재료를 이용해서 제조될 수 있다.For example, the case 80 may be manufactured using a material made of a biocompatible metal such as titanium.

한편, 피부의 음향 임피던스는 약 1.5Mrayl이고, 혈액, 즉 물의 음향 임피던스는 약 1.48Mrayl이다. On the other hand, the acoustic impedance of skin is about 1.5 Mrayl, and the acoustic impedance of blood, ie, water, is about 1.48 Mrayl.

음향 임피던스(Z)는 음파가 전달되는 파면에 평행인 면에 작용하는 음압(P)을 그 면을 통과하는 파동의 부피속도(uS)로 나눈 양이다(Z=P/uS). The acoustic impedance Z is the amount of sound pressure P acting on a plane parallel to the wavefront through which sound waves are transmitted divided by the volumetric velocity uS of the wave passing through the plane (Z = P / uS).

따라서 매칭층(70)은 매질층을 이루는 인체의 피부나 혈액과 유사한 음향 임피던스, 즉 약 1.48 내지 1.6Mrayl의 음향 임피던스를 갖는 실리콘 고무(silicon rubber)와 같은 실리콘 계열 재질의 재료, 에폭시(epoxy)나 폴리우레탄(polyurethane) 등의 폴리머(polymer)와 같은 고분자 화합물을 이용해서 제조될 수 있다. Therefore, the matching layer 70 is made of a silicon-based material, such as silicone rubber, which has a sound impedance similar to that of the human skin or blood constituting the medium layer, that is, about 1.48 to 1.6 Mrayl, and epoxy. Or a polymer compound such as a polymer such as polyurethane.

예를 들어, 도 3은 인체 조직, 뇌 조직 및 물과 각 재료별 음향 임피던스 테이블이다. For example, FIG. 3 is a table of human tissue, brain tissue and water, and acoustic impedance for each material.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 러버의 음향 임피던스는 약 1.44 내지 1.46Mrayl이고, 에폭시의 음향 임피던스는 약 1.52Mrayl이며, 폴리우레탄의 음향 임피던스는 약 1.55 내지 1.56Mrayl이다. As shown in FIG. 3, the acoustic impedance of the silicon rubber is about 1.44 to 1.46 Mrayl, the acoustic impedance of the epoxy is about 1.52 Mrayl, and the acoustic impedance of the polyurethane is about 1.55 to 1.56 Mrayl.

물론, 본 발명은 매칭층 제조시 상기한 재료와 첨가제 또는 기능성 재료를 추가해서 인체의 피부나 혈액과 유사한 음향 임피던스를 갖는 매칭층을 제조할 수 있다.Of course, according to the present invention, a matching layer having an acoustic impedance similar to the skin or blood of the human body may be manufactured by adding the above-described material and additives or functional materials when manufacturing the matching layer.

도 4는 전력 수신부와 매칭층의 구조를 보인 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 압전소자와 매칭층의 구조를 보인 단면도이다. 4 is a diagram illustrating a structure of a power receiver and a matching layer, and FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a structure of a piezoelectric element and a matching layer shown in FIG. 4.

전력 수신부(20)의 압전소자(21)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 열과 행을 이루도록 배열되고, 매칭층(70)은 각 압전소자(21) 사이의 공간과 압전소자(21)의 상부에 미리 설정된 두께로 형성되어 케이스(80)의 상면을 패키징한다. The piezoelectric elements 21 of the power receiver 20 are arranged to form a plurality of columns and rows, as shown in FIGS. 4 and 5, and the matching layer 70 is a space between the piezoelectric elements 21 and the piezoelectric elements. The upper surface of the case 80 is formed to have a predetermined thickness on the upper portion 21.

매칭층(70)의 두께는 초음파 신호의 구동 주파수 파장보다 낮은 두께, 예컨대 구동 주파수 파장의 1/4 이하로 설정될 수 있다.The thickness of the matching layer 70 may be set to a thickness lower than the driving frequency wavelength of the ultrasonic signal, for example, 1/4 or less of the driving frequency wavelength.

이와 같이, 본 발명은 매질층을 이루는 인체의 피부나 혈액과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 전력 수신부에 마련된 각 압전소자 사이에 충진시켜 매칭층을 형성함에 따라, 심부 뇌 자극장치로 전송되는 전력의 반사 손실을 최소화함으로써, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention fills a material having a sound impedance similar to the skin or blood of the human body constituting the medium layer between the piezoelectric elements provided in the power receiver to form a matching layer. By minimizing return loss, wireless power transmission efficiency can be improved.

한편, 압전소자(21)는 단면이 대략 사각 형상인 직육면체 형상으로 형성되고, 각 압전소자(21) 사이의 공간에는 아래에서 설명할 매칭층(70)을 형성하는 재료가 충진됨에 따라, 압전소자(21)와 매칭층(70)이 서로 결합된다. On the other hand, the piezoelectric element 21 is formed in a rectangular parallelepiped shape having a substantially rectangular cross section, and the space between each piezoelectric element 21 is filled with a material for forming the matching layer 70 to be described below, so that the piezoelectric element 21 and the matching layer 70 are bonded to each other.

이에 따라, 전력 수신부(20)와 매칭층(70)은 일체화된 압전복합체를 형성할 수 있다.Accordingly, the power receiver 20 and the matching layer 70 may form an integrated piezoelectric composite.

이와 같이, 전력 수신부(20)는 다수의 압전소자(21)가 복수의 열과 행을 이루도록 배열된 구조를 갖는 트랜스듀서(이하 '배열 구조 트랜스듀서'라 함)로 구성될 수 있다. As such, the power receiver 20 may be configured as a transducer having a structure in which a plurality of piezoelectric elements 21 are arranged to form a plurality of columns and rows (hereinafter, referred to as an “array structure transducer”).

일반적으로, 초음파를 이용한 의료기기에서 초음파 영상의 품질은 축분해능(axial resolution) 및 측분해능(lateral resolution)에 좌우된다.In general, the quality of an ultrasound image in a medical device using ultrasound depends on axial resolution and lateral resolution.

상기 축분해능은 트랜스듀서로부터 방사된 음파의 길이가 짧을수록 높아지고, 음파의 길이는 주파수가 높아지면 파장이 짧아져 줄어든다. The axial resolution increases as the length of the sound wave emitted from the transducer becomes shorter, and the length of the sound wave decreases as the wavelength becomes shorter as the frequency increases.

그러나 주파수가 높아질수록 감쇠가 커져 음파가 도달할 수 있는 거리가 짧아지며, 이로 인해 초음파가 인체 깊은 곳으로 전파되기 어려워져서 영상화 가능한 영역이 줄어들고, 압전소자의 두께가 얇아져 트랜스듀서의 제조작업이 어려워진다. However, the higher the frequency, the greater the attenuation, the shorter the distance that sound waves can reach, which makes it difficult for ultrasound to propagate deep into the human body, reducing the imageable area and making the transducers thinner, making it difficult to manufacture transducers. Lose.

상기 측분해능은 음향 빔의 폭이 좁을수록 높아지고, 음향 빔은 파장 대비 음원의 유효길이 및 기하학적 형상에 의해 결정된다.The side resolution increases as the width of the acoustic beam is narrower, and the acoustic beam is determined by the effective length and geometrical shape of the sound source relative to the wavelength.

상기 배열 구조 트랜스듀서는 축분해능을 향상시키기 위해 주파수를 높이는 경우, 파장이 짧아져 각 압전소자(21)의 수광각이 좁아짐에 따라, 음향 빔 형성이 제대로 이루어지지 않는 것을 방지하고자 각 압전소자(21) 간 간격을 줄이게 된다.When the array structure transducer increases the frequency in order to improve the axial resolution, the wavelength is shortened, so that the light receiving angle of each piezoelectric element 21 is narrowed, so as to prevent the acoustic beam formation from being performed properly. 21) to reduce the gap between them.

이로 인해, 트랜스듀서의 제조작업이 어려워지고, 영상영역의 폭이 좁아지는 문제점이 발생할 수 있다. As a result, the manufacturing work of the transducer may be difficult, and the width of the image area may be narrowed.

이와 같은 초음파 영상의 특성으로 인해, 초음파를 이용한 의료기기의 적용대상에 따라 영상영역과 분해능이 결정된다. Due to the characteristics of the ultrasound image, the image area and the resolution are determined according to the application target of the ultrasound-based medical device.

예를 들어, 인체 내부 장기나 태아 등을 검사하는 의료기기는 분해능은 낮으나 넓은 영상영역을 볼 수 있어야 하고, 인대나 각막 등을 검사하는 의료기기는 크기가 작고 피부에 인접한 좁은 영상영역을 대상으로 함에 따라 높은 분해능의 영상을 가져야 한다.For example, medical devices that inspect internal organs or fetuses have a low resolution but should be able to see a wide image area. Medical devices that test ligaments and corneas are small and have a narrow image area adjacent to the skin. As a result, it should have a high resolution image.

여기서, 초음파 트랜스듀서가 짧은 파장과 좁은 음향 빔을 생성하기 위해서는 트랜스듀서의 각 압전소자(21) 두께가 얇아야하며 각 압전소자(21) 간 간격을 좁게 만들어야 한다.Here, in order for the ultrasonic transducer to generate a short wavelength and a narrow acoustic beam, the thickness of each piezoelectric element 21 of the transducer should be thin and the interval between each piezoelectric element 21 should be narrowed.

그러나 능동소자로 주로 사용되는 압전소자(21)는 취성이 높아 얇게 가공하고 절단하는 것이 어렵다.However, the piezoelectric element 21 mainly used as an active element has a high brittleness, making it difficult to process and cut thinly.

또한, 많은 수의 압전소자(21)가 하나의 구조체 내에 설치된 상기 배열 구조 트랜스듀서는 임상적으로 영상정보를 보다 용이하게 획득할 수는 있으나, 각 압전소자(21)의 분리와 전기적 결선이 어렵다. In addition, although the array transducer having a large number of piezoelectric elements 21 installed in one structure can clinically obtain image information more easily, separation and electrical connection of each piezoelectric element 21 is difficult. .

여기서, 각 압전소자(21)의 분리는 일반적으로 정밀연삭 공정을 이용하는데, 각 압전소자(21) 간 간격이 좁아서 구성소자가 쉽게 부서진다.Here, the separation of each piezoelectric element 21 generally uses a precision grinding process, and the spacing between each piezoelectric element 21 is narrow, so that the component is easily broken.

그리고 다수의 압전소자(21) 각각에 균일한 전기결선을 위하여 주로 연성인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)과 접지시트(GRound Sheet: GRS)를 사용하는데, 신호선 간격에 제한 조건이 있기 때문에 미세한 간격에는 사용이 어렵다.In addition, a flexible printed circuit board (FPCB) and a ground sheet (GRRS) are mainly used for uniform electrical connection to each of the plurality of piezoelectric elements 21. Since there are limitations in signal line spacing, It is difficult to use at minute intervals.

또한, 상기 접지시트와 연성인쇄회로기판의 음향 임피던스와 그 두께에 의하여 초음파의 전파효율이 저하될 수도 있다. In addition, the propagation efficiency of the ultrasonic wave may be reduced by the acoustic impedance and the thickness of the ground sheet and the flexible printed circuit board.

따라서 본 실시 예에서 배열 구조 트랜스듀서로 마련되는 전력 수신부(20)는 도 4에 도시된 구성으로 한정되는 것은 아니며, 상기한 배열 구조 트랜스듀서의 특성에 기초해서 무선 전송되는 전력량, 배터리(30)의 용량, 전력 전송기(12) 및 전력 수신부(20)의 간격 및 규격 등 다양한 조건에 따라 다양하게 구성될 수 있다. Therefore, in the present embodiment, the power receiver 20 provided as the array structure transducer is not limited to the configuration shown in FIG. 4, and the amount of power wirelessly transmitted and the battery 30 based on the characteristics of the array structure transducer described above. The capacity of the power transmitter 12 and the power receiving unit 20 may be configured in various ways depending on various conditions such as intervals and specifications.

예를 들어, 압전소자(21)는 단면이 삼각 형상이나 사각 형상 등의 다각 기둥 형상으로 형성되거나, 또는 단면이 원 형상인 원 기둥 형상으로 형성될 수 있다. For example, the piezoelectric element 21 may be formed in a polygonal column shape such as a triangular shape or a square shape, or may be formed in a circular column shape having a circular cross section.

그리고 압전소자(21)의 가로 및 세로 길이와 높이, 각 압전소자(21) 간의 간격은 상기한 배열 구조 트랜스듀서의 특성에 기반한 실제 무선 전력 전송 실험 결과를 이용해서 최적의 전송율을 갖도록 다양하게 변경 설정될 수 있다. The width and length of the piezoelectric element 21 and the height and spacing between the piezoelectric elements 21 are variously changed to have an optimal transmission rate by using the actual wireless power transmission experiment results based on the characteristics of the array transducers described above. Can be set.

상기한 바와 같이, 본 발명은 배열 구조 트랜스듀서를 구성하는 다수의 압전소자 사이 공간 및 상부에 음향 임피던스를 매칭하는 매칭층을 형성함으로써, 전송되는 전력의 반사손실을 최소화하여 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention forms a matching layer for matching acoustic impedances in the space between and the plurality of piezoelectric elements constituting the array structure transducer, thereby minimizing the return loss of the transmitted power to improve wireless power transmission efficiency. You can.

한편, 본 실시 예에서는 매질층을 이루는 인체의 피부나 혈액과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재질의 재료를 이용해서 매칭층(14,70)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. Meanwhile, in the present exemplary embodiment, the matching layers 14 and 70 are formed by using a material made of a material having a sound impedance similar to the skin or blood of the human body constituting the medium layer, but the present invention is not necessarily limited thereto. .

도 6은 본 발명에 다른 실시 예에 따른 전력 수신부와 매칭층의 구조를 보인 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 전력 수신부와 매칭층의 구조를 보인 부분 확대도이다. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a power receiver and a matching layer according to another embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an enlarged view illustrating a structure of the power receiver and a matching layer shown in FIG. 6.

초음파는 빛처럼 파장의 성질을 가지므로, 본 발명은 초음파를 반사하는 원인인 매질의 음향 임피던스를 연속적으로 변화시켜 초음파 신호의 반사를 방지함으로써, 에너지 손실을 최소화할 수 있다. Since the ultrasonic wave has the properties of the wavelength as the light, the present invention can minimize the energy loss by continuously changing the acoustic impedance of the medium that causes the ultrasonic wave to be reflected to prevent the reflection of the ultrasonic signal.

따라서 본 발명의 다른 실시 예에 적용되는 매칭층(70)은 매질층을 이루는 인체의 피부나 혈액의 음향 임피던스보다 높은 음향 임피던스를 갖는 재질의 재료로 제조될 수 있다. Therefore, the matching layer 70 applied to another embodiment of the present invention may be made of a material having a higher acoustic impedance than the acoustic impedance of skin or blood of the human body constituting the medium layer.

예를 들어, 매칭층(70)은 피부나 혈액의 음향 임피던스보다 높은 약 1.5 내지 약 3Mrayl의 음향 임피던스를 갖는 폴리에틸렌(polyethylene)이나 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에스터(polyester)와 같은 고분자 화합물을 이용해서 제조될 수 있다. For example, the matching layer 70 uses a polymer compound such as polyethylene, polypropylene, or polyester having an acoustic impedance of about 1.5 to about 3 Mrayl higher than that of skin or blood. Can be prepared.

상기 폴리에틸렌의 음향 임피던스는 약 1.78Mrayl이고, 폴리프로필렌의 음향 임피던스는 약 2.24Mrayl이며, 폴리에스터의 음향 임피던스는 약 2.86Mrayl이다.The acoustic impedance of the polyethylene is about 1.78 Mrayl, the acoustic impedance of polypropylene is about 2.24 Mrayl, and the acoustic impedance of polyester is about 2.86 Mrayl.

그리고 매칭층(70)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 매질층의 음향 임피던스를 연속적으로 변화시킬 수 있도록, 다수의 원뿔형 또는 반구형 돌기(71) 구조를 가질 수 있다. 5 and 6, the matching layer 70 may have a plurality of conical or hemispherical protrusions 71 so as to continuously change the acoustic impedance of the medium layer.

여기서, 각 돌기(71) 사이의 거리(d), 각 돌기(71)의 폭(w) 및 높이(h)은 아래의 수학식 1을 이용해서 구동 주파수에 따른 파장을 산출하고, 산출된 파장보다 작은 거리, 폭 및 높이로 설정될 수 있다.Here, the distance (d) between the protrusions 71, the width (w) and the height (h) of each of the protrusions 71 calculates the wavelength according to the driving frequency by using Equation 1 below, and the calculated wavelength It can be set to smaller distances, widths, and heights.

Figure pat00001
Figure pat00001

각 돌기(71)가 원뿔 형상 또는 반원 형상으로 형성됨에 따라, 초음파 신호를 수신하는 매칭층(70)의 음향 임피던스는 하방으로 갈수록 점차적으로 커진다. As each protrusion 71 is formed in a conical shape or a semi-circular shape, the acoustic impedance of the matching layer 70 receiving the ultrasonic signal gradually increases downward.

즉, 매칭층(70)은 각 돌기(71)의 상단부분에 음향 임피던스가 약 0.000409Mrayl인 공기가 충진된 상태이고, 각 돌기(71)의 하단부로 갈수록 각 돌기(71)의 단면적이 증가함에 따라 음향 임피던스가 점차적으로 커지면서, 매칭층(70)의 전체 음향 임피던스는 인체의 피부 및 혈액의 임피던스로 근사화될 수 있다. That is, the matching layer 70 is filled with air having an acoustic impedance of about 0.000409Mrayl at the upper end of each protrusion 71, and the cross-sectional area of each protrusion 71 increases as it goes to the lower end of each protrusion 71. Accordingly, as the acoustic impedance gradually increases, the overall acoustic impedance of the matching layer 70 may be approximated to the impedance of the skin and blood of the human body.

따라서 매칭층(70)에 마련된 돌기(71) 구조는 초음파 신호의 반사를 방지하고, 초음파 신호를 전력 수신부(20)의 각 압전소자(21)로 투과시킬 수 있다. Therefore, the structure of the protrusion 71 provided in the matching layer 70 may prevent reflection of the ultrasonic signal and transmit the ultrasonic signal to each piezoelectric element 21 of the power receiver 20.

이와 같이, 본 발명은 매질층의 음향 임피던스보다 높은 음향 임피던스를 갖는 재질의 재료를 이용해서 매칭층을 형성하고, 매칭층에 형성된 각 돌기 사이의 길이와 돌기의 폭 및 높이를 산출된 파장보다 작은 거리, 폭 및 높이로 설정할 수 있다.As described above, the present invention forms a matching layer using a material of a material having a higher acoustic impedance than the acoustic impedance of the medium layer, and the length and width and height between the protrusions formed on the matching layer are smaller than the calculated wavelength. Can be set to distance, width and height.

이에 따라, 본 발명은 초음파 신호의 반사를 방지하고, 초음파 신호를 매칭층의 하부에 마련되는 전력 수신부, 즉 압전소자 배열로 전달하도록 투과시킴으로써, 초음파를 이용한 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다. Accordingly, the present invention prevents the reflection of the ultrasonic signal and transmits the ultrasonic signal to the power receiving unit provided under the matching layer, that is, the piezoelectric element array, thereby improving wireless power transmission efficiency using ultrasonic waves.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by the present inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.

상기의 실시들 예에서는 체내 이식형 의료기기 중에서 심부 뇌 자극장치의 구성을 설명하였으나, 본 발명은 체내 장치를 이식해서 신경을 자극하여 증상을 완화시키거나 치료하기 위해 사용되는 심장박동기 등의 인공장기나 인공와우, 위자극기, 척수자극기, 심장제세동기, 심장 맥박 조정기, 인슐린 펌프, 하수족 등 다양한 체내 이식형 의료기기에 적용 가능하도록 변경될 수 있다. In the above embodiments, the configuration of the deep brain stimulation device in the implantable medical device has been described, but the present invention implants the device to stimulate the nerves to stimulate or reduce the symptoms of artificial pacemakers, such as artificial pacemakers It may be modified to be applicable to various implantable medical devices such as cochlear implant, gastric stimulator, spinal cord stimulator, cardiac defibrillator, cardiac pacemaker, insulin pump, and limb.

그리고 상기의 실시 예들에서는 자극부와 감지부가 동시에 마련되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 자극부만을 마련해서 신경을 자극하는 신경자극기 및 BMI(Brain Machine Interface)와 같이 감지부만을 마련해서 자극없이 부하정보나 생체정보만 감지하는 의료기기에도 적용 가능하도록 변경될 수 있다. In the above embodiments, the stimulation unit and the sensing unit are described as being provided at the same time. However, the present invention provides only the stimulation unit to stimulate the nerves by providing only the stimulation unit and the sensor such as a BMI (Brain Machine Interface) to provide load information without stimulation. It may be changed to be applicable to medical devices that detect only biometric information.

본 발명은 체내에 이식된 의료기기에 초음파를 이용한 무선 전력 전송 방식으로 전력을 전송하는 체내 이식형 의료기기 기술에 적용된다.The present invention is applied to the implantable medical device technology for transmitting power to the medical device implanted in the body by a wireless power transmission method using ultrasound.

10: 심부 뇌 자극장치
11: 관리단말 12: 전력 전송기
13: 구동 제어부 14: 매칭층
20: 전력 수신부 21: 압전소자
30: 배터리 40: 자극부
50: 제어부 60: 통신부
70: 매칭층 71: 돌기
80: 케이스
10: Deep Brain Stimulator
11: management terminal 12: power transmitter
13: drive control unit 14: matching layer
20: power receiver 21: piezoelectric element
30: battery 40: magnetic pole
50: control unit 60: communication unit
70: matching layer 71: protrusion
80: case

Claims (5)

체외의 전력 전송기에서 초음파를 이용한 무선 전력 전송 방식으로 전송된 전력을 수신하는 전력 수신부,
상기 전력 수신부를 통해 수신된 전력을 충전하는 배터리,
상면이 개구된 통체 형상으로 형성되고 외형을 형성하는 케이스 및
상기 케이스의 상면을 패키징하고, 상기 전력 전송기에서 매질층을 통해 전달되는 초음파 신호의 음향 임피던스를 매칭하는 매칭층을 포함하고,
상기 전력 수신부는 상기 전력 전송기에서 전송된 초음파 신호를 전기 에너지로 변환시키는 초음파 트랜스듀서로 마련되며,
상기 매칭층은 상기 상기 전력 수신부와 결합되어 압전 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 의료기기.
A power receiver configured to receive power transmitted from an external power transmitter by a wireless power transmission method using ultrasonic waves;
A battery for charging power received through the power receiver;
A case formed in a cylindrical shape with an upper surface opened and forming an outer shape;
A matching layer for packaging an upper surface of the case and matching an acoustic impedance of an ultrasonic signal transmitted through a medium layer in the power transmitter,
The power receiver is provided as an ultrasonic transducer for converting the ultrasonic signal transmitted from the power transmitter into electrical energy,
And the matching layer is combined with the power receiver to form a piezoelectric composite.
제1항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는 다수의 압전소자를 상기 복수의 열과 행으로 배열해서 전력을 수신하는 배열 구조 트랜스듀서로 마련되고,
상기 압전소자의 가로 및 세로 길이와 높이, 각 압전소자 간의 간격은 상기 배열 구조 트랜스듀서의 특성에 기초해서 설정되는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 의료기기.
The method of claim 1,
The ultrasonic transducer is provided as an array structure transducer for receiving a power by arranging a plurality of piezoelectric elements in the plurality of columns and rows,
The horizontal and vertical lengths and heights of the piezoelectric elements, and the spacing between the piezoelectric elements are set based on the characteristics of the array structure transducer.
제2항에 있어서,
상기 매칭층은 상기 매질층을 형성하는 인체의 피부나 혈액의 음향 임피던스에 대응되는 음향 임피던스를 갖는 생체적합성 재질의 재료를 이용해서 각 압전소자의 사이 공간과 상기 압전소자의 상부에 미리 설정된 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 의료기기.
The method of claim 2,
The matching layer has a predetermined thickness on the space between each piezoelectric element and the upper portion of the piezoelectric element by using a material of a biocompatible material having an acoustic impedance corresponding to the acoustic impedance of skin or blood of the human body forming the medium layer. Intra-body implantable medical device, characterized in that it is formed.
제1항에 있어서,
상기 배터리로부터 공급되는 전력을 이용하여 신경을 자극하는 자극부,
신경을 자극하는 과정에서 전력 부하의 변동이나 생체정보를 감지하는 감지부,
관리단말과 무선 통신 방식으로 통신하는 통신부 및
상기 체내 이식형 의료기기에 마련된 각 장치의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 통신부를 통해 상기 감지부에서 감지된 부하정보와 생체정보를 상기 관리단말로 전송하도록 제어하며,
상기 자극부와 감지부는 동시에 마련되거나, 또는 어느 하나만 마련되는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 의료기기.
The method of claim 1,
Stimulator for stimulating the nerve using the power supplied from the battery,
Sensing unit for detecting fluctuations in power load or biometric information in the process of stimulating nerves,
Communication unit for communicating with the management terminal in a wireless communication method and
Further comprising a control unit for controlling the driving of each device provided in the implantable medical device,
The control unit controls to transmit the load information and the biometric information detected by the detection unit through the communication unit,
The implantable medical device, characterized in that the stimulation unit and the sensing unit is provided at the same time, or only one.
제1항에 있어서,
상기 전력 전송기는 전기 에너지를 초음파 신호로 변환해서 초음파 신호를 발생하고, 발생한 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 구동 제어부 및
상기 전력 수신부와 음향 임피던스를 매칭하는 매칭층을 포함하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 의료기기.
The method of claim 1,
The power transmitter generates a ultrasonic signal by converting electrical energy into an ultrasonic signal, and a driving control unit for controlling to transmit the generated ultrasonic signal;
Intra-body implantable medical device comprising a matching layer for matching the acoustic impedance with the power receiver.
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