KR20230007713A - 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

직류 전원을 공급하고, 다수의 커패시터가 마련되며, 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하고, 충전 전압이 목표 전압보다 낮은 경우 커패시터 모듈에 공급되는 직류 전원이 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하며, 신체에 접촉되도록 전극이 마련되고, 출력 패턴에 기초하여 전극에 전류를 출력하는, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치를 제공한다.

Description

스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치 및 방법{SWITCHED CAPACITOR-BASED ELECTRICAL STIMULATION DEVICE AND METHOD}
본 발명은 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다수의 커패시터를 스위칭하며 전기 자극을 가하는 전기 자극 장치 및 방법에 관한 것이다.
사람의 뇌나 장기에 이식되어 신경 신호를 측정하고 자극을 가하는 이식형 의료기기는 뇌과학 연구와 질병 치료를 위한 중요한 기술이다. 이러한 이식형 의료기기는 집적회로 기술을 접목하여 초소형, 저전력, 고성능으로 구현된다. 이식형 의료기기에는 무선 전력 전송, 신경 신호 측정, 전기자극기 등이 포함된다. 이 중 전기자극기는 매우 큰 전력을 소모하고 오동작할 경우 세포 조직에 손상을 가할 수 있어 신중한 설계가 필요하다.
전기자극기는 전극을 통해 전하들을 신체 조직에 전달하여 신경을 자극한다. 이식형 신경 전기자극기는 심박 조율기, 인공 와우, 방광 자극기, 신경근 자극기, 심부 뇌 자극기, 인공 망막 등에 활용되고 있다. 낮은 전력 효율을 가진 전기자극기는 열을 많이 발생시켜 세포에 손상을 줄 수 있고, 에너지 소모가 많아서 배터리 지속시간이 줄어든다. 또한, 인체에 이식하기 위하여 그 크기가 작아야 하고 세포에 지속해서 전하가 쌓이지 않도록 안정성도 확보되어야 한다. 같은 에너지의 전기 자극에도 높은 치료 효능을 얻기 위해 적절한 자극 파형을 선택해야 한다. 여러 위치를 자극하기 위해 다채널 자극기가 선호된다. 전류 세기, 주파수, 펄스 폭 조절 해상도가 높아야 한다.
일반적인 전기자극기는 DC-DC 변환기로부터 일정한 공급전압을 만들어내고, 공급전압으로부터 정 전류원을 구동하여 전극에 전류를 공급한다. 다만, 전극과 조직에 전하가 쌓이면 전극과 조직이 손상될 우려가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다수의 커패시터에 전압을 충전하고, 신체에 부착된 전극을 통해 커패시터를 순차적으로 방전시켜 신체에 전기 자극을 가하는 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은, 직류 전원을 공급하는 전원 모듈; 상기 직류 전원에 의해 충전되도록 다수의 커패시터가 마련되는 커패시터 모듈; 상기 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하고, 상기 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은 경우 상기 커패시터 모듈에 공급되는 직류 전원이 미리 설정된 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 충전 모듈; 및 신체에 접촉되도록 전극이 마련되고, 상기 커패시터에 충전된 전원을 전달받으며, 미리 설정된 출력 패턴에 기초하여 상기 전극에 전류를 출력하는 출력 모듈;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은, 미리 설정된 초기 전압으로부터 상기 목표 전압까지 미리 설정된 기울기에 따라 상승하는 상승 전압을 생성하고, 상기 상승 전압과 상기 충전 전압이 동일한 시점에서 상기 커패시터 모듈의 충전을 수행할 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은, 상기 커패시터 모듈의 충전을 수행하는 경우 미리 설정된 시간 주기 내에서 상기 충전 레벨의 시간 간격이 최소 시간 간격으로부터 최대 시간 간격까지 순차적으로 증가하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 출력 모듈은, 상기 다수의 커패시터 중 임의의 제 1 커패시터로부터 전원을 전달받고, 미리 설정된 제 1 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 1 패턴이 종료되는 경우 상기 다수의 커패시터 중 상기 제 1 커패시터와는 다른 제 2 커패시터로부터 전원을 전달받고, 상기 제 1 패턴과 극성이 다른 제 2 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 2 패턴이 종료되는 경우 상기 전극을 접지시킬 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은, 미리 설정된 최대 목표 전압을 출력하는 전압원이 마련되고, 상기 전압원에 다수의 스위치의 일측이 연결되며, 서로 다른 인접한 스위치의 타측을 연결하는 저항과, 가장 말단의 배치된 스위치의 타측을 접지하는 저항이 마련되고, 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되는 스위치가 턴 온 되어 상기 설정 전압에 대응되는 목표 전압이 설정되도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치에서의 전기 자극 방법에 있어서, 전원 모듈이 직류 전원을 공급하는 단계; 커패시터 모듈에 다수의 커패시터가 마련되어 상기 직류 전원에 의해 충전되는 단계; 충전 모듈이 상기 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하고, 상기 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은 경우 상기 커패시터 모듈에 공급되는 직류 전원이 미리 설정된 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 단계; 및 출력 모듈에 신체에 접촉되도록 전극이 마련되고, 상기 커패시터에 충전된 전원을 전달받으며, 미리 설정된 출력 패턴에 기초하여 상기 전극에 전류를 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은, 미리 설정된 초기 전압으로부터 상기 목표 전압까지 미리 설정된 기울기에 따라 상승하는 상승 전압을 생성하고, 상기 상승 전압과 상기 충전 전압이 동일한 시점에서 상기 커패시터 모듈의 충전을 수행할 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은, 상기 커패시터 모듈의 충전을 수행하는 경우 미리 설정된 시간 주기 내에서 상기 충전 레벨의 시간 간격이 최소 시간 간격으로부터 최대 시간 간격까지 순차적으로 증가하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 출력 모듈은, 상기 다수의 커패시터 중 임의의 제 1 커패시터로부터 전원을 전달받고, 미리 설정된 제 1 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 1 패턴이 종료되는 경우 상기 다수의 커패시터 중 상기 제 1 커패시터와는 다른 제 2 커패시터로부터 전원을 전달받고, 상기 제 1 패턴과 극성이 다른 제 2 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 2 패턴이 종료되는 경우 상기 전극을 접지시킬 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은, 미리 설정된 최대 목표 전압을 출력하는 전압원이 마련되고, 상기 전압원에 다수의 스위치의 일측이 연결되며, 서로 다른 인접한 스위치의 타측을 연결하는 저항과, 가장 말단의 배치된 스위치의 타측을 접지하는 저항이 마련되고, 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되는 스위치가 턴 온 되어 상기 설정 전압에 대응되는 목표 전압이 설정되도록 마련될 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치 및 방법을 제공함으로써, 다수의 커패시터에 전압을 충전하고, 신체에 부착된 전극을 통해 커패시터를 순차적으로 방전시켜 신체에 전기 자극을 가할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치의 개략도이다.
도2는 도1의 전원 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도3은 도1의 커패시터 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도4 내지 도6은 도1의 충전 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도7은 도1의 출력 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도8은 도1의 전기 자극 장치의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법의 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치의 개략도이다.
스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치(1)(이하, 전기 자극 장치)는 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 따라 커패시터 모듈(20)에 충전되는 충전 전압의 목표 전압을 결정할 수 있다.
여기에서, 설정 전압은 사용자로부터 선택되는 디지털 입력인 것으로 이해할 수 있으며, 이에 따라, 전기 자극 장치(1)는 설정 전압에 대응되는 목표 전압을 생성할 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 커패시터 모듈(20)에 충전된 충전 전압이 목표 전압에 도달하도록 마련될 수 있다.
이때, 충전 전압은 커패시터 모듈(20)에 충전된 전압의 크기를 의미할 수 있으며, 목표 전압은 커패시터 모듈(20)에 충전시킬 전압의 크기를 의미할 수 있다. 또한, 커패시터 모듈(20)은 다수의 커패시터를 포함할 수 있다.
이에 따라, 전기 자극 장치(1)는 신체에 접촉되도록 전극이 마련되어, 커패시터에 충전된 전압을 전극을 통해 출력할 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 신체에 전기 자극을 가할 수 있다.
여기에서, 신체는 사람의 피부 외에도, 사람의 뇌 또는 장기 등을 의미할 수도 있으며, 이러한 경우에, 전기 자극 장치(1)는 사람의 신체 내부에 이식되도록 마련되어, 무선 전력 전송 기법 등을 통해 외부로부터 전원을 입력받을 수 있으며, 또한, 전기 자극 장치(1)는 사용자로부터 입력된 신체에 가할 전기 자극에 대한 설정 등을 무선 전력 전송 기법 등을 통해 전달받을 수 있다.
이를 위해, 전기 자극 장치(1)는 전원 모듈(10), 커패시터 모듈(20), 충전 모듈(30) 및 출력 모듈(40)을 포함할 수 있다.
또한, 전기 자극 장치(1)는 도 1에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 구현될 수 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해 구현될 수 있다. 또는, 전기 자극 장치(1)는 전기 자극 장치(1)에 마련되는 적어도 두 개의 구성요소가 하나의 구성요소로 통합되어 하나의 구성요소가 복합적인 기능을 수행할 수도 있다. 이하, 상술한 구성요소들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
전원 모듈(10)은 직류 전원을 공급할 수 있다. 이때, 전원 모듈(10)은 배터리에 의한 직류 전원을 공급하도록 마련될 수 있으며, 또한, 전원 모듈(10)은 외부로부터 무선으로 전원이 유도되도록 마련될 수도 있다.
이러한 경우에, 전원 모듈(10)은 외부로부터 전원이 유도되도록 LC 공진단이 마련될 수 있으며, 이때, LC 공진단은 외부에서의 자기장 변화에 따라 전원이 유도되도록 마련될 수 있다.
이에 따라, 전원 모듈(10)은 유도된 전원을 교류-직류 정류기를 이용하여 직류 전압으로 변환할 수 있다. 이를 통해, 전원 모듈(10)은 변환된 직류 전원을 공급할 수 있다.
이때, 전원 모듈(10)은 직류 전원이 전달되는 방향을 제어하는 다수의 트랜지스터(13, 15)를 포함할 수 있다.
여기에서, 트랜지스터(13, 15)는 베이스(Base)와 이미터(Emitter) 사이에 인가되는 전압에 기초하여 콜렉터(Collector)와 이미터 사이에 전류가 흐르게 되는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 등을 의미할 수 있다. 또는, 트랜지스터(13, 15)는 게이트(Gate)와 소스(Source) 사이에 인가되는 전압에 기초하여 드레인(Drain)과 소스 사이에 전류가 흐르게 되는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 소자 등을 의미할 수도 있다.
이에 따라, 전원 모듈(10)은 트랜지스터(13, 15)에 인가되는 전압에 따라 직류 전원의 크기가 제어되도록 마련될 수 있으며, 또한, 전원 모듈(10)은 트랜지스터(13, 15)에 인가되는 전압에 따라 직류 전원의 방향이 제어되도록 마련될 수 있다.
이를 위해, 전원 모듈(10)은 전원부(11), 제 1 트랜지스터(13), 제 2 트랜지스터(15) 및 인덕터(17)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 전원부(11)는 직류 전원을 생성할 수 있으며, 제 1 트랜지스터(13)는 전원부(11)와 인덕터(17)의 일측에 연결되어 커패시터 모듈(20)에 전달되는 직류 전원을 차단 또는 통전시킬 수 있다.
또한, 제 2 트랜지스터(15)는 인덕터(17)의 일측이 접지되도록 연결되어 커패시터 모듈(20)에 전달되는 직류 전원의 레벨을 제어할 수 있다.
이때, 직류 전원의 레벨은 충전 레벨과 휴지 레벨을 포함할 수 있으며, 이때, 충전 레벨은 전원부(11)에서 생성되는 직류 전원의 레벨을 의미할 수 있고, 휴지 레벨은 제 2 트랜지스터(15)에 의한 접지의 레벨을 의미할 수 있다.
예를 들어, 충전 레벨은 구형파로 나타나는 직류 전원의 하이(High) 레벨을 의미할 수 있고, 휴지 레벨은 구형파로 나타나는 직류 전원의 로우(Low) 레벨을 의미할 수 있다.
인덕터(17)는 커패시터 모듈(20)과 제 1 트랜지스터(13)를 연결할 수 있으며, 이에 따라, 인덕터(17)는 전원부(11)로부터 전달된 직류 전원을 커패시터 모듈(20)에 전달할 수 있다.
커패시터 모듈(20)은 직류 전원에 의해 충전되도록 다수의 커패시터가 마련될 수 있다.
충전 모듈(30)은 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지할 수 있고, 충전 모듈(30)은 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은 경우 커패시터 모듈(20)에 공급되는 직류 전원이 미리 설정된 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어할 수 있다.
여기에서, 미리 설정된 충전 패턴은 임의의 시간 주기 내에서 충전 레벨의 시간 간격이 최소 시간 간격으로부터 최대 시간 간격까지 순차적으로 증가하는 패턴을 의미할 수 있다.
이러한 경우에, 충전 패턴은 동일한 시간 주기 내에서 휴지 레벨의 시간 간격이 최대 시간 간격으로부터 최소 시간 간격까지 순차적으로 감소하는 패턴으로 이해할 수 있다.
이에 따라, 충전 모듈(30)은 커패시터 모듈(20)의 충전을 수행하는 경우 미리 설정된 시간 주기 내에서 충전 레벨의 시간 간격이 최소 시간 간격으로부터 최대 시간 간격까지 순차적으로 증가하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 충전 모듈(30)은 전원 모듈(10)의 제 1 트랜지스터(13)와 제 2 트랜지스터(15)를 제어하여 PWM(Pulse Width Modulation)을 수행할 수 있으며, 이러한 경우에, 충전 모듈(30)은 전원 모듈(10)에서 커패시터 모듈(20)로 전달되는 직류 전원을 PWM의 가장 낮은 Duty로부터 PWM의 가장 높은 Duty까지 순차적으로 나타나도록 제어할 수 있다.
이를 통해, 충전 모듈(30)은 커패시터 모듈(20)을 점진적으로 충전할 수 있으며, 다시 말해서, 충전 모듈(30)은 커패시터 모듈(20)의 충전 전압을 점진적으로 증가시킬 수 있다.
이와 관련하여, 충전 모듈(30)은 미리 설정된 초기 전압으로부터 목표 전압까지 미리 설정된 기울기에 따라 상승하는 상승 전압을 생성할 수 있고, 충전 모듈(30)은 상승 전압과 충전 전압이 동일한 시점에서 커패시터 모듈(20)의 충전을 수행할 수 있다.
여기에서, 미리 설정된 초기 전압은 커패시터 모듈(20)이 최대 방전된 상태에서의 전압으로 설정될 수 있고, 미리 설정된 기울기는 커패시터 모듈(20)이 충전되는 과정에서의 시간과 충전 전압에 대한 그래프와 동일한 기울기로 설정될 수 있다.
이를 통해, 충전 모듈(30)은 출력 모듈(40)에서 출력된 이후에 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 잔류하는 충전 전압을 감지할 수 있으며, 충전 모듈(30)은 잔류하는 충전 전압으로부터 목표 전압까지 해당 커패시터의 충전을 수행할 수 있다.
이때, 충전 모듈(30)은 출력 모듈(40)에서 전류를 출력하는데 이용된 커패시터와는 다른 커패시터의 충전 전압을 감지하도록 마련될 수 있다.
한편, 충전 모듈(30)은 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되도록 다수의 목표 전압이 설정될 수 있다. 이를 통해, 충전 모듈(30)은 설정 전압에 대응되는 목표 전압에 기초하여 커패시터 모듈(20)의 충전을 수행할 수 있다.
이를 위해, 충전 모듈(30)은 미리 설정된 최대 목표 전압을 출력하는 전압원이 마련될 수 있고, 충전 모듈(30)은 전압원에 다수의 스위치의 일측이 연결될 수 있으며, 충전 모듈(30)은 서로 다른 인접한 스위치의 타측을 연결하는 저항과, 가장 말단의 배치된 스위치의 타측을 접지하는 저항이 마련될 수 있다.
이에 따라, 충전 모듈(30)은 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되는 스위치가 턴 온 되어 설정 전압에 대응되는 목표 전압이 설정되도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 충전 모듈(30)은 1 V, 1.5 V, 2 V, 2.5 V 및 3 V의 목표 전압이 설정될 수 있으며, 이러한 경우에, 충전 모듈(30)은 3 V의 최대 목표 전압이 설정될 수 있다.
출력 모듈(40)은 신체에 접촉되도록 전극이 마련될 수 있고, 출력 모듈(40)은 커패시터에 충전된 전원을 전달받을 수 있으며, 출력 모듈(40)은 미리 설정된 출력 패턴에 기초하여 전극에 전류를 출력할 수 있다.
이를 통해, 출력 모듈(40)은 다수의 커패시터를 순차적으로 방전시켜 신체에 전기 자극을 가할 수 있다.
이때, 미리 설정된 출력 패턴은 전원 모듈(10)로부터 전달되는 직류 전원과 커패시터 모듈(20)에 충전된 충전 전압의 조합으로 설정될 수 있다.
예를 들어, 출력 모듈(40)은 전원 모듈(10)로부터 전달되는 직류 전원을 차단시키고, 커패시터에 충전된 충전 전압만을 이용하여 전극에 전류가 출력되도록 설정될 수 있으며, 이러한 경우에, 출력 패턴은 감쇠하는 지수 함수의 그래프와 유사하게 나타날 수 있다.
또한, 출력 모듈(40)은 전원 모듈(10)로부터 전달되는 직류 전원을 미리 설정된 시간 간격 동안 유지한 후 차단시키고, 커패시터에 충전된 충전 전압만을 이용하여 전극에 전류가 출력되도록 설정될 수 있으며, 이러한 경우에, 출력 패턴은 해당 시간 간격 동안 유지된 후 감쇠하는 지수 함수의 그래프와 유사하게 나타날 수 있다.
한편, 출력 모듈(40)은 다수의 커패시터 중 임의의 제 1 커패시터로부터 전원을 전달받을 수 있고, 출력 모듈(40)은 미리 설정된 제 1 패턴에 따라 전극에 전류를 출력할 수 있으며, 출력 모듈(40)은 제 1 패턴이 종료되는 경우 다수의 커패시터 중 제 1 커패시터와는 다른 제 2 커패시터로부터 전원을 전달받을 수 있고, 출력 모듈(40)은 제 1 패턴과 극성이 다른 제 2 패턴에 따라 전극에 전류를 출력할 수 있으며, 출력 모듈(40)은 제 2 패턴이 종료되는 경우 전극을 접지시킬 수 있다.
이때, 출력 모듈(40)은 각 패턴에 따라 전극에 전류를 출력하기 직전에 해당 패턴에 대응되는 커패시터를 충전 전압까지 충전하도록 제어할 수 있다.
한편, 제 1 패턴과 제 2 패턴은 동일한 출력 패턴을 의미할 수 있으며, 이때, 제 1 패턴과 제 2 패턴은 극성만이 반전되도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 출력 모듈(40)은 제 1 커패시터를 충전한 직후, 임의의 출력 패턴을 양의 전극을 통해 전류를 출력하도록 제어할 수 있으며, 이때, 출력 모듈(40)은 제 1 커패시터에 의한 전류의 출력이 종료된 후 제 2 커패시터의 충전을 수행할 수 있다. 이에 따라, 출력 모듈(40)은 제 2 커패시터를 충전한 직후 동일한 출력 패턴을 음의 전극을 통해 전류를 출력하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 출력 모듈(40)은 제 2 커패시터에 의한 전류의 출력이 종료된 후 전극을 접지시킬 수 있다. 이는, 출력 모듈(40)이 전극에 잔류하는 전하가 제거되도록 제어하는 것일 수 있다.
이때, 출력 모듈(40)은 제 1 커패시터에 의한 전류의 출력, 제 2 커패시터에 의한 전류의 출력 및 전극의 접지를 하나의 출력 주기로 설정할 수 있으며, 이러한 경우에, 출력 모듈(40)은 출력 주기를 반복할 수 있다.
이와 같이, 전기 자극 장치(1)는 커패시터의 잔류 전압을 감지하여 해당 잔류 전압으로부터 목표 전압까지의 충전을 수행할 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 비교적 높은 충전 효율이 발생할 수 있다.
이때, 전기 자극 장치(1)는 다수의 커패시터를 순차적으로 충전 및 방전시켜 전기 자극을 발생시킬 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 효율적인 전원 관리가 가능할 수 있다.
또한, 전기 자극 장치(1)는 커패시터 모듈(20)의 방전에 따라 감쇠하는 지수 함수의 그래프와 같은 형상으로 신체에 전기 자극을 가할 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 보다 높은 효능의 전기 자극을 수행할 수 있다.
도2는 도1의 전원 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도2를 참조하면, V_BAT는 전원부(11), M_P는 제 1 트랜지스터(13), M_N은 제 2 트랜지스터(15), L은 인덕터(17)를 의미할 수 있다.
이에 따라, 전원부(11)는 직류 전원을 생성할 수 있으며, 제 1 트랜지스터(13)는 전원부(11)와 인덕터(17)의 일측에 연결되어 커패시터 모듈(20)에 전달되는 직류 전원을 차단 또는 통전시킬 수 있다.
또한, 제 2 트랜지스터(15)는 인덕터(17)의 일측이 접지되도록 연결되어 커패시터 모듈(20)에 전달되는 직류 전원의 레벨을 제어할 수 있다.
또한, 인덕터(17)는 커패시터 모듈(20)과 제 1 트랜지스터(13)를 연결할 수 있으며, 이에 따라, 인덕터(17)는 전원부(11)로부터 전달된 직류 전원을 커패시터 모듈(20)에 전달할 수 있다.
도3은 도1의 커패시터 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도3을 참조하면, C_1 내지 C_4는 다수의 커패시터를 의미할 수 있으며, V_CAP은 충전 전압을 의미할 수 있다. 또한, MUX는 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터를 출력 모듈(40) 또는 충전 모듈(30)에 연결하도록 마련되는 것일 수 있다.
도4 내지 도6은 도1의 충전 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도4를 참조하면, V_P는 제 1 트랜지스터(13)에 입력되는 신호일 수 있고, V_N은 제 2 트랜지스터(15)에 입력되는 신호일 수 있다.
또한, Gate Driver는 제 1 트랜지스터(13)와 제 2 트랜지스터(15)가 통전 또는 차단되도록 신호를 생성하는 모듈일 수 있고, Nonoverlapping은 제 1 트랜지스터(13)와 제 2 트랜지스터(15)가 동일한 통전 또는 차단 상태로 설정되는 것을 방지하도록 Gate Driver를 제어하는 모듈일 수 있다. 또한, Digital PWM은 전원 모듈(10)의 충전 레벨과 휴지 레벨을 생성하는 모듈일 수 있다.
이때, Counter는 커패시터 모듈(20)의 충전을 수행하는 시점부터의 시간 간격을 측정하도록 마련될 수 있으며, 이에 따라, Digital PWM은 Counter의 시간 간격에 따라 충전 레벨이 최대 시간 간격으로부터 최소 시간 간격까지 순차적으로 감소하도록 제어할 수 있다.
또한, DAC는 사용자로부터의 설정 입력에 대응되는 목표 전압을 생성할 수 있으며, 이때, DAC에 입력되는 Target Voltage는 최대 목표 전압을 의미할 수 있다.
이와 관련하여, 도5를 참조하면, DAC의 일 실시예를 확인할 수 있으며, 이때, 일 실시예에서 이용되는 DAC는 RDAC(Resistive Digital-to-Analog Converter)일 수 있다.
이에 따라, RDAC는 다수의 스위치(S_0, S_1, ??, S_63)의 일측에 V_TARGET이 인가될 수 있으며, RDAC는 서로 다른 인접한 스위치의 타측을 연결하는 저항(R_1, R_2, ??, R_63)과, 가장 말단의 배치된 스위치(S_0)의 타측을 접지하는 저항(R_0)이 마련될 수 있다.
이에 따라, RDAC는 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되는 어느 하나의 스위치가 턴 온 되어 설정 전압에 대응되는 목표 전압이 설정될 수 있다.
한편, 도4에서, Cap Charging Controller는 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하여 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은지를 판단하는 모듈을 의미할 수 있다.
이때, Cap Charging Controller는 미리 설정된 초기 전압으로부터 목표 전압까지 미리 설정된 기울기에 따라 상승하는 상승 전압을 생성하여 상승 전압과 충전 전압이 동일한 시점을 판단할 수 있다.
이에 따라, Cap Charging Controller는 충전 전압, 목표 전압 및 상승 전압에 기초하여 커패시터 모듈(20)의 충전을 수행할 것인지를 판단할 수 있다.
이와 관련하여, 도6을 참조하면, V_TARGET은 목표 전압을 의미할 수 있고, V_CAP은 충전 전압을 의미할 수 있으며, V_SLOPE는 상승 전압을 의미할 수 있고, Charge는 커패시터 모듈(20)의 충전 상태를 의미할 수 있다.
이에 따라, Cap Charging Controller는 V_SLOPE가 V_CAP보다 작고, V_TARGET이 V_CAP보다 큰 경우에 커패시터 모듈(20)의 충전이 수행되도록 제어할 수 있다.
이때, Cap Charging Controller는 V_SLOPE이 V_CAP보다 크거나, V_TARGET이 V_CAP보다 작은 경우에 커패시터 모듈(20)의 충전이 중단되도록 제어할 수 있다.
도7은 도1의 출력 모듈의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도7을 참조하면, Select는 서로 다른 채널 중 커패시터 모듈(20)로부터 전압이 인가될 채널을 선택하는 모듈일 수 있다. 여기에서, 채널은 신체에 서로 다른 위치에 접촉된 전극 쌍을 의미할 수 있으며, 전극 쌍은 커패시터 모듈(20)에 연결된 전극과 접지된 전극의 쌍을 의미할 수 있다.
이때, Current Limiter는 전극에 출력되는 전류의 양을 제한하도록 마련될 수 있으며, 이를 통해, Current Limiter는 전기 자극 장치(1) 내의 각 모듈을 보호하거나, 신체에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, Stim. CTRL은 Select를 제어하거나, 전극에 전달될 전류의 출력 패턴을 제어하는 모듈일 수 있다.
이에 따라, Stim. CTRL은 다수의 커패시터 중 임의의 제 1 커패시터로부터 전원을 전달받고, 미리 설정된 제 1 패턴에 따라 전극에 전류를 출력하며, 제 1 패턴이 종료되는 경우 다수의 커패시터 중 제 1 커패시터와는 다른 제 2 커패시터로부터 전원을 전달받고, 제 1 패턴과 극성이 다른 제 2 패턴에 따라 전극에 전류를 출력하며, 제 2 패턴이 종료되는 경우 커패시터 모듈(20)에 연결된 Select와 접지된 Select를 연결하여 전극을 접지시킬 수 있다.
도8은 도1의 전기 자극 장치의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도8을 참조하면, 도2 내지 도7에 따른 일 실시예를 연결한 회로도를 확인할 수 있다.
이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 커패시터 모듈(20)의 잔류 전압을 감지하여 해당 잔류 전압으로부터 목표 전압까지의 충전을 수행할 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 비교적 높은 충전 효율이 발생할 수 있다.
또한, 전기 자극 장치(1)는 커패시터 모듈(20)의 방전에 따라 감쇠하는 지수 함수의 그래프와 같은 형상으로 신체에 전기 자극을 가할 수 있으며, 이를 통해, 전기 자극 장치(1)는 보다 높은 효능의 전기 자극을 수행할 수 있다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자극 방법은 도 1에 도시된 전기 자극 장치(1)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 1의 전기 자극 장치(1)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
전기 자극 장치(1)는 직류 전원을 공급하는 단계(600), 다수의 커패시터가 마련되어 직류 전원에 의해 충전되는 단계(610), 충전 전압을 감지하고, 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 단계(620) 및 커패시터 모듈에 충전된 전원을 전달받으며, 출력 패턴에 기초하여 전극에 전류를 출력하는 단계(630)를 포함할 수 있다.
직류 전원을 공급하는 단계(600)는 전원 모듈(10)이 직류 전원을 공급하는 단계일 수 있다.
다수의 커패시터가 마련되어 직류 전원에 의해 충전되는 단계(610)는 커패시터 모듈(20)에 다수의 커패시터가 마련되어 직류 전원에 의해 충전되는 단계일 수 있다.
충전 전압을 감지하고, 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 단계(620)는 충전 모듈(30)이 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하고, 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은 경우 커패시터 모듈(20)에 공급되는 직류 전원이 미리 설정된 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 단계일 수 있다.
커패시터 모듈에 충전된 전원을 전달받으며, 출력 패턴에 기초하여 전극에 전류를 출력하는 단계(630)는 출력 모듈(40)에 신체에 접촉되도록 전극이 마련되고, 커패시터에 충전된 전원을 전달받으며, 미리 설정된 출력 패턴에 기초하여 전극에 전류를 출력하는 단계일 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 전기 자극 장치
10: 전원 모듈
20: 커패시터 모듈
30: 충전 모듈
40: 출력 모듈

Claims (10)

  1. 직류 전원을 공급하는 전원 모듈;
    상기 직류 전원에 의해 충전되도록 다수의 커패시터가 마련되는 커패시터 모듈;
    상기 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하고, 상기 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은 경우 상기 커패시터 모듈에 공급되는 직류 전원이 미리 설정된 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 충전 모듈; 및
    신체에 접촉되도록 전극이 마련되고, 상기 커패시터에 충전된 전원을 전달받으며, 미리 설정된 출력 패턴에 기초하여 상기 전극에 전류를 출력하는 출력 모듈;를 포함하는, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전 모듈은,
    미리 설정된 초기 전압으로부터 상기 목표 전압까지 미리 설정된 기울기에 따라 상승하는 상승 전압을 생성하고, 상기 상승 전압과 상기 충전 전압이 동일한 시점에서 상기 커패시터 모듈의 충전을 수행하는, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전 모듈은,
    상기 커패시터 모듈의 충전을 수행하는 경우 미리 설정된 시간 주기 내에서 상기 충전 레벨의 시간 간격이 최소 시간 간격으로부터 최대 시간 간격까지 순차적으로 증가하도록 제어하는, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력 모듈은,
    상기 다수의 커패시터 중 임의의 제 1 커패시터로부터 전원을 전달받고, 미리 설정된 제 1 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 1 패턴이 종료되는 경우 상기 다수의 커패시터 중 상기 제 1 커패시터와는 다른 제 2 커패시터로부터 전원을 전달받고, 상기 제 1 패턴과 극성이 다른 제 2 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 2 패턴이 종료되는 경우 상기 전극을 접지시키는, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 충전 모듈은,
    미리 설정된 최대 목표 전압을 출력하는 전압원이 마련되고, 상기 전압원에 다수의 스위치의 일측이 연결되며, 서로 다른 인접한 스위치의 타측을 연결하는 저항과, 가장 말단의 배치된 스위치의 타측을 접지하는 저항이 마련되고, 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되는 스위치가 턴 온 되어 상기 설정 전압에 대응되는 목표 전압이 설정되도록 마련되는, 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치.
  6. 스위치드 커패시터 기반 전기 자극 장치에서의 전기 자극 방법에 있어서,
    전원 모듈이 직류 전원을 공급하는 단계;
    커패시터 모듈에 다수의 커패시터가 마련되어 상기 직류 전원에 의해 충전되는 단계;
    충전 모듈이 상기 다수의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터에 충전된 충전 전압을 감지하고, 상기 충전 전압이 미리 설정된 목표 전압보다 낮은 경우 상기 커패시터 모듈에 공급되는 직류 전원이 미리 설정된 충전 패턴에 따라 충전 레벨과 휴지 레벨을 반복하도록 제어하는 단계; 및
    출력 모듈에 신체에 접촉되도록 전극이 마련되고, 상기 커패시터에 충전된 전원을 전달받으며, 미리 설정된 출력 패턴에 기초하여 상기 전극에 전류를 출력하는 단계;를 포함하는, 전기 자극 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 충전 모듈은,
    미리 설정된 초기 전압으로부터 상기 목표 전압까지 미리 설정된 기울기에 따라 상승하는 상승 전압을 생성하고, 상기 상승 전압과 상기 충전 전압이 동일한 시점에서 상기 커패시터 모듈의 충전을 수행하는, 전기 자극 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 충전 모듈은,
    상기 커패시터 모듈의 충전을 수행하는 경우 미리 설정된 시간 주기 내에서 상기 충전 레벨의 시간 간격이 최소 시간 간격으로부터 최대 시간 간격까지 순차적으로 증가하도록 제어하는, 전기 자극 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 출력 모듈은,
    상기 다수의 커패시터 중 임의의 제 1 커패시터로부터 전원을 전달받고, 미리 설정된 제 1 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 1 패턴이 종료되는 경우 상기 다수의 커패시터 중 상기 제 1 커패시터와는 다른 제 2 커패시터로부터 전원을 전달받고, 상기 제 1 패턴과 극성이 다른 제 2 패턴에 따라 상기 전극에 전류를 출력하며, 상기 제 2 패턴이 종료되는 경우 상기 전극을 접지시키는, 전기 자극 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 충전 모듈은,
    미리 설정된 최대 목표 전압을 출력하는 전압원이 마련되고, 상기 전압원에 다수의 스위치의 일측이 연결되며, 서로 다른 인접한 스위치의 타측을 연결하는 저항과, 가장 말단의 배치된 스위치의 타측을 접지하는 저항이 마련되고, 사용자로부터 입력되는 설정 전압에 대응되는 스위치가 턴 온 되어 상기 설정 전압에 대응되는 목표 전압이 설정되도록 마련되는, 전기 자극 방법.

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