KR20240019571A - 초음파 구동 장치 - Google Patents
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Abstract
초음파를 발생시키는 진동자; 상기 진동자와 전기적으로 연결되는 연성회로기판; 및 상기 연성회로기판에 연결되어 상기 진동자에 전류를 공급하며, 상기 진동자의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 50 ~ 200 mW/cm²세기의 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스를 생성하고, 상기 제1 파형의 초음파 펄스의 듀티비(duty ratio)를 가변하여 상기 진동자의 구동을 제어하는 초음파 구동 장치는, 50 ~ 200 mW/cm²범위의 저강도 초음파 펄스를 생성하여 진동자의 구동에 의한 발열을 낮추어, 초음파 치료 시 사용자의 신체에 저온 화상이 유발되는 것을 방지하고, 치료 주파수 범위의 초음파 펄스의 듀티비를 가변하여 다양한 파형의 초음파 펄스를 생성하여 사용자의 신체 부위에 초음파가 보다 효율적으로 전달되도록 하여 초음파의 세기를 낮추면서도 치료 효과를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 저강도의 초음파 펄스의 듀티비를 가변하여 다양한 파형의 초음파 펄스를 생성하는 초음파 구동 장치에 관한 것이다.
초음파는 생체 조직을 통하여 전달되는 기계적 에너지의 한 형태이며 치료, 진단, 수술용 도구로서 의학 분야에서 널리 이용되고 있다. 치료용 초음파는 1000 W/cm²이상의 고강도 치료용 초음파와 10 mW/cm²~ 50 W/cm²범위의 저강도 치료용 초음파로 나눌 수 있다.
그 중 저강도 치료용 초음파는 집속형 초음파와 펄스형 초음파로 구분할 수 있고, 집속형 초음파는 피하 조직을 가열하여 괴사를 유발하는 방식으로 주로 피부 리프팅에 이용되며, 펄스형 초음파는 스포츠 의학과 근골격 계통의 치료에서 관절 강직과 근경련을 줄이고, 골절 치유 및 연골세포 재생을 위해서 이용되고 있다.
이러한 치료용 초음파를 신체 부위 내로 전달하기 위해서는 초음파를 발생시키는 진동자와 신체 부위에 접촉되는 부재가 필요한데, 진동자의 구동에 의해 발생하는 열이 신체 부위에 직접 가해져 사용자의 신체에 저온 화상을 입을 수 있는 문제가 있다.
또한 진동자의 발열에 의해 진동자에서 발생하는 초음파의 특성이 변하여 연골조직의 형성에 오히려 해로운 효과가 발생할 수 있다.
뿐만 아니라, 초음파는 공기와 맞닿을 때 반사 또는 소멸되는 특성이 있어 진동자에서 발생한 초음파가 사용자의 신체 부위 내로 전달되면서 초음파의 손실이 발생하여 치료 효과가 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제로 저강도 펄스형 초음파를 이용하는 초음파 치료의 경우 초음파의 세기를 낮추면서 동시에 치료 효과를 높이는 데에는 한계가 있다.
본 발명은 초음파 구동 장치를 제공하는 것으로, 보다 구체적으로 50 ~ 200 mW/cm²범위의 저강도 초음파 펄스를 생성하여 진동자의 구동에 의한 발열을 낮추어, 초음파 치료 시 사용자의 신체에 저온 화상이 유발되는 것을 방지하고, 치료 주파수 범위의 초음파 펄스의 듀티비를 가변하여 다양한 파형의 초음파 펄스를 생성하여 사용자의 신체 부위에 초음파가 보다 효율적으로 전달되도록 하여 초음파의 세기를 낮추면서도 치료 효과를 향상시킬 수 있는 초음파 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
초음파를 발생시키는 진동자; 상기 진동자와 전기적으로 연결되는 연성회로기판; 및 상기 연성회로기판에 연결되어 상기 진동자에 전류를 공급하며, 상기 진동자의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 50 ~ 200 mW/cm²세기의 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스를 생성하고, 상기 제1 파형의 초음파 펄스의 듀티비(duty ratio)를 가변하여 상기 진동자의 구동을 제어하는 초음파 구동 장치를 제공한다.
상기 제1 펄스 반복 주파수는 1 ~ 3 MHz이고, 상기 듀티비는, 20 ~ 80%일 수 있다.
상기 제어부는, 10 ~ 100 Hz의 제2 펄스 반복 주파수를 갖는 제2 파형의 초음파 펄스를 생성하도록 상기 진동자의 구동을 제어하고, 상기 제1 파형의 초음파 펄스는, 상기 제2 파형의 초음파 펄스에 포함될 수 있다.
상기 제어부는, 0.2 ~ 1 Hz의 제3 펄스 반복 주파수를 갖는 제3 파형의 초음파 펄스를 생성하도록 상기 진동자의 구동을 제어하고, 상기 제2 파형의 초음파 펄스는, 상기 제3 파형의 초음파 펄스에 포함될 수 있다.
상기 진동자는, 복수개가 상기 연성회로기판과 전기적으로 연결되며, 상기 제어부는, 상기 복수개의 진동자의 구동을 제어할 수 있다.
상기 복수개의 진동자는, 다각형 형상으로 배치될 수 있다.
상기 복수개의 진동자는, 상기 제어부의 양쪽에 각각 삼각형 형상으로 배치될 수 있다.
상기 복수개의 진동자는, 서로 이격되어 상기 연성회로기판의 길이 방향으로 일렬로 배치될 수 있다.
상기 복수개의 진동자가 서로 이격되는 거리를 달리할 수 있다.
본 발명은 초음파 구동 장치를 제공하는 것으로, 보다 구체적으로 50 ~ 200 mW/cm²범위의 저강도 초음파 펄스를 생성하여 진동자의 구동에 의한 발열을 낮추어, 초음파 치료 시 사용자의 신체에 저온 화상이 유발되는 것을 방지하고, 진동자의 발열에 의해 진동자에서 발생하는 초음파의 특성이 변하여 발생할 수 있는 부작용을 방지할 수 있다.
또한, 치료 주파수 범위의 초음파 펄스의 듀티비를 가변하여 다양한 파형의 초음파 펄스를 생성하여 사용자의 신체 부위에 치료 주파수 범위의 초음파가 보다 효율적으로 전달되도록 하여 초음파의 세기를 낮추면서도 치료 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 신체 접촉부위에 따라 복수개의 진동자의 배치 형상을 달리하여 치료 부위에 초음파가 집중되도록 하여 초음파에 의한 치료 효과를 높일 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기를 측면에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 실리콘 커버의 이중 인서트 성형을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기의 실리콘 커버의 배면이 고광도 연마처리된 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기의 하이드로겔에 벤딩 슬릿이 형성된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 진동자의 상면을 커버하는 SUS 캡에 관한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자의 배치 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자의 배치 형상에 관한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자 간의 이격거리에 따라 중첩된 초음파를 측정한 데이터이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자가 일렬로 배치되는 형상을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 초음파 구동 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치에서 제1 파형의 초음파 펄스의 듀티비를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치의 초음파 펄스에 관한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치의 구동 시간에 따른 진동자의 표면 온도 변화에 관한 데이터이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기를 부착한 토끼 뒷다리의 한 쪽 무릎의 시간에 따른 표면 온도 변화에 관한 데이터이다.
도 17 내지 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치의 치료 효과를 설명하기 위한 데이터이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기를 측면에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 실리콘 커버의 이중 인서트 성형을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기의 실리콘 커버의 배면이 고광도 연마처리된 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기의 하이드로겔에 벤딩 슬릿이 형성된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 진동자의 상면을 커버하는 SUS 캡에 관한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자의 배치 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자의 배치 형상에 관한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자 간의 이격거리에 따라 중첩된 초음파를 측정한 데이터이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기에서 복수개의 진동자가 일렬로 배치되는 형상을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 초음파 구동 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치에서 제1 파형의 초음파 펄스의 듀티비를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치의 초음파 펄스에 관한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치의 구동 시간에 따른 진동자의 표면 온도 변화에 관한 데이터이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치가 구비된 물리치료 기기를 부착한 토끼 뒷다리의 한 쪽 무릎의 시간에 따른 표면 온도 변화에 관한 데이터이다.
도 17 내지 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치의 치료 효과를 설명하기 위한 데이터이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)를 측면에서 바라본 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)의 분해 사시도이다.
본 발명의 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)는 연성회로기판(110), 복수개의 진동자(120), SUS 캡(130), 실리콘 커버(140), 하이드로겔(150) 및 제어부(160) 를 포함한다.
복수개의 진동자(120)는 연성회로기판(110)과 전기적으로 연결되며, SUS 캡(130)은 복수개의 진동자(120) 각각의 상면을 커버한다. 실리콘 커버(140)는 연성회로기판(110), 복수개의 진동자(120) 및 SUS 캡(130)을 감싼다.
하이드로겔(150)은 복수개의 진동자(120)에서 발생한 초음파를 신체 접촉부위로 침투되도록 하는 역할을 하며, 실리콘 커버(140)의 배면에 탈착된다. 제어부(160)는 연성회로기판(110)에 연결되어 복수개의 진동자(120)에 전류를 공급한다. 특히, 하이드로겔(150)이 탈착되는 실리콘 커버(140)의 배면은 고광도 연마처리된다.
또한, 실리콘 커버(140)는 내구성과 초음파 전달의 효율성을 고려하여, 두께가 0.1mm 이상 2mm 이하가 되도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)에서 실리콘 커버(140)의 이중 인서트 성형을 설명하기 위한 도면이다.
실리콘 커버(140)는 금형을 이용한 열 압착 공정이 수행되어 성형되며, 이중 인서트 성형을 통해 실리콘 커버(140)는 연성회로기판(110), 복수개의 진동자(120) 및 SUS 캡(130)을 감싼다. 이 때, 실리콘 커버(140)와 연성회로기판(110), 복수개의 진동자(120) 및 SUS 캡(130)과의 접착은 프라이머를 이용하여 접착시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)의 실리콘 커버(140)의 배면이 고광도 연마처리된 도면이다.
도 5의 (a)는 고광도 연마처리 된 실리콘 커버(140)의 배면을 하부에서 바라본 도면이고, 도 5의 (b)는 고광도 연마처리 된 실리콘 커버(140)의 배면에 하이드로겔(150)이 부착된 도면이다.
일반적으로 초음파를 신체 접촉부위에 침투시키기 위해 초음파 투입용 젤을 사용한다. 그러나, 초음파 투입용 젤은 신체에 고정되지 못하고 흘러내리는 현상이 발생하고, 이러한 현상은 초음파가 신체 접촉부위에 침투되는 과정에서 초음파 투입용 젤이 잔존하는 부위를 통해서만 초음파가 침투되어 초음파를 이용한 치료효과가 저하되는 문제가 있다. 아울러, 초음파 투입용 젤을 사용시 사용 후에 세정이 필요하다는 불편함이 있다.
이에 본 발명에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)는, 초음파 투입용 젤을 사용하지 않고 실리콘 커버(140)의 배면에 하이드로겔(150)이 탈착되는 구조이다. 초음파는 공기와 맞닿을 때 반사되거나 소멸되는 특성이 있으므로, 초음파를 이용한 치료효과를 높이기 위해서는 실리콘 커버(140)의 배면과 하이드로겔(150) 사이에 공기층이 없도록 실리콘 커버(140)의 배면과 하이드로겔(150)의 밀착력을 높여야 한다.
하이드로겔(150)과의 밀착력을 높이기 위해서는, 실리콘 커버(140)의 배면이 평탄한 것 보다는 일정한 거칠기를 갖도록 할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)는 하이드로겔(150)과의 밀착력을 높이기 위해서 표면처리용 코팅제를 고광도 연마하여 실리콘 커버(140)의 배면에 코팅되도록 처리할 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 고광도 연마처리된 실리콘 커버(140)의 배면은 미세한 돌기부가 형성되어 일정한 거칠기를 갖게 된다. 이를 통해, 실리콘 커버(140)의 배면과 하이드로겔(150)의 밀착력을 높일 수 있어 초음파가 공기와 맞닿지 않고 신체 접촉부위로 전달되게 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)의 하이드로겔(150)에 벤딩 슬릿(151)이 형성된 도면이다.
종래에는 초음파를 신체 접촉부위에 침투시키기 위해 초음파 투입용 젤을 사용하였으나, 이러한 초음파 투입용 젤은 신체에 고정되지 못하고 흘러내리는 현상이 발생하고, 따라서 초음파 투입용 젤이 잔존하는 부위에만 초음파가 침투되어 치료효과가 저하되는 문제가 발생했다.
이에 본 발명에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)는, 초음파 투입용 젤을 사용하지 않고서도 사용자의 신체에 부착되는 하이드로겔(150)을 통해 초음파를 침투시킬 수 있다. 또한, 하이드로겔(150)에는 외곽에서 연장된 적어도 하나의 벤딩 슬릿(151)이 형성되어, 하이드로겔(150)의 유연성을 향상시킬 수 있다.
이로써, 무릎 등 굴곡진 신체 접촉부위에 부착하더라도 점착성을 높여 초음파가 균일하게 전달되도록 할 수 있으며, 사용자가 본 발명에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)를 부착한 상태에서도 움직임의 제한을 최소화 할 수 있다. 아울러, 초음파 투입용 젤을 사용하지 않기 때문에 치료 후 별도의 세정이 필요하지도 않은 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)에서 진동자(120)의 상면을 커버하는 SUS 캡(130)에 관한 도면이다.
도 7의 (a)는 SUS 캡(130)이 진동자(120)의 상면을 커버하는 형태를 하부에서 바라본 도면이고, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)의 A-A` 단면도이다.
SUS 캡(130)은 진동자(120)의 상면과 접하는 접합층(170)을 구비하고, 진동자(120)의 측면과는 이격된다. 그리고 실리콘 커버(140)는 연성회로기판(110), 진동자(120) 및 SUS 캡(130)을 감싼다.
도 7의 (b)를 참조하면, SUS 캡(130)은 진동자(120)의 측면과는 이격되며, 진동자(120)의 상면과 접하는 접합층(170)을 구비한다.
초음파를 이용한 치료 효과를 향상시키기 위해서는 진동자(120)에서 발생한 초음파가 신체 접촉부위로 집중되어야 한다. 이를 위해, SUS 캡(130)에 진동자(120)의 상면과 접하는 접합층(170)을 구비하여, 진동자(120)에서 발생하는 초음파 중 신체 접촉부위의 반대측으로 향하는 초음파를 신체 접촉부위로 반사시킬 수 있다. 그리고 접합층(170)은 두께가 얇은 실리콘으로 이루어질 수 있다.
아울러, SUS 캡(130)은 복수개의 진동자(120)가 진동하면서 발생하는 열이 외부로 방출되지 않도록 방열 역할도 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)에서 복수개의 진동자(120)의 배치 형상을 도시한 도면이다.
도 8의 (a)는 복수개의 진동자(120)가 정삼각형 형상으로 배치되는 형상을 도시한 도면이고, 도 8의 (b)는 사각형 형상으로 배치되는 형상을 도시한 도면이다. 이는 등이나 허리 등의 근육통증을 완화하기 위한 복수개의 진동자(120)의 배치 형상이다.
근육통증을 완화하기 위해서 본 발명의 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)가 이용될 경우, 복수개의 진동자(120)에서 발생하는 초음파가 넓은 치료 부위 전반에 골고루 전달될 수 있도록 할 필요가 있다.
도 8의 (a)를 참조하면, 사용자의 사용 편의성을 고려하여 원형의 실린더 커버(140)의 직경(d1)을 85mm로 할 수 있다. 그리고 원형의 실린더 커버(140)의 중앙에는 1개의 진동자(120)가 배치되고, 이를 중심으로 이격거리(d2)를 30mm로 하여 3개의 진동자(120)가 정삼각형 형상으로 배치될 수 있다.
도 9는 본 발명의 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)에서 복수개의 진동자(120)의 배치 형상에 관한 다른 실시예를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)에서 복수개의 진동자(120) 간의 이격거리에 따라 중첩된 초음파를 측정한 데이터이다.
도 9의 (a)는 복수개의 진동자(120)가 제어부(160)의 양쪽에 각각 삼각형 형상으로 배치되는 형상을 도시한 도면이다. 이 경우, 무릎에 본 발명의 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)를 부착하여 관절염 치료에 이용될 수 있다. 제어부(160)가 무릎의 정면에 위치하고, 제어부(160)의 양쪽에 각각 삼각형 형상으로 배치되는 복수개의 진동자(120)가 무릎의 양측면에 위치하게 된다. 도 9의 (b)는 무릎의 일측면에 삼각형 형상으로 위치하는 복수개의 진동자(120)를 도시한 도면이다.
초음파에 의한 치료효과를 높이기 위해서는, 복수개의 진동자(120)에서 발생하는 초음파가 무릎 내의 연골에 집중적으로 전달될 수 있도록 하여야 한다. 복수개의 진동자(120)가 너무 큰 간격으로 배치되거나, 반대로 너무 작은 간격으로 배치되면, 연골에 초음파가 집중적으로 전달되지 않게 된다.
이를 설명하기 위한 도 10을 참조하면, 복수개의 진동자(120)의 직경이 9mm 이상 20mm 이하일 경우, 복수개의 진동자(120) 간에 이격거리가 9mm 이상 20mm 이하에서 초음파의 중첩이 가장 많이 일어나는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 9에서와 같이 무릎의 관절염을 치료하기 위한 복수개의 진동자(120)를 배치함에 있어서, 복수개의 진동자(120)의 직경(d3)을 9mm 이상 20mm 이하로 하고, 복수개의 진동자(120) 간의 이격거리(d4, d5)를 9mm 이상 20mm 이하로 하여 삼각형 형상으로 배치할 수 있다. 이 경우 복수개의 진동자(120)에서 발생한 초음파를 무릎 내의 연골에 집중적으로 전달시켜 초음파에 의한 무릎 관절염 치료효과를 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)에서 복수개의 진동자(120)가 일렬로 배치되는 형상을 도시한 도면이다.
도 11의 (a)는 손목의 관절염 치료에 이용하기 위하여 복수개의 진동자(120)가 서로 이격되어 일렬로 배치되는 형상을 도시한 도면이고, 도 11의 (b)는 발목의 관절염 치료에 이용하기 위하여 복수개의 진동자(120)가 서로 이격되어 일렬로 배치되는 형상을 도시한 도면이다.
손목의 두께보다는 발목의 두께가 더 두껍고 이에 따라 연골의 위치도 다르다. 이를 고려하여 손목과 발목의 관절염 치료를 위한 복수개의 진동자(120) 간에 이격되는 거리를 달리하여 배치할 필요가 있다.
예를 들어, 도 11의 (a)의 경우에는 내측에 위치한 2개의 진동자(120) 간의 이격거리(d6)는 50mm, 외측에 위치한 2개의 진동자(120) 간의 이격거리(d7)는 120mm로 배치하여 손목의 관절염 치료에 이용할 수 있다.
또한, 도 11의 (b)의 경우는 내측에 위치한 2개의 진동자(120) 간의 이격거리(d8)는 50mm, 외측에 위치한 2개의 진동자(120) 간의 이격거리(d9)는 210mm로 배치하여 발목의 관절염 치료에 이용할 수 있다.
도 12는 본 발명의 초음파 구동 장치(300)의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 진동자(310), 인쇄회로기판(320) 및 제어부(330)를 포함한다. 초음파를 발생시키는 진동자(310)는 인쇄회로기판(320)과 전기적으로 연결되고, 제어부(330)는 인쇄회로기판(320)과 전기적으로 연결되어 진동자(310)에 전류를 공급하며, 진동자(310)의 구동을 제어한다. 여기서, 제어부(330)는 전원부(331), 스위칭 소자(333) 및 구동부(335)를 포함한다.
전원부(331)는 초음파 구동 장치(300)의 전원을 키고 끄는 역할을 한다. 즉, 사용자가 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 구비한 물리치료 기기(100)를 사용하고자 할 경우, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 구비한 물리치료 기기(100)를 신체와 접촉시킨 상태에서 전원을 켜서 초음파 구동 장치(300)를 작동 시킬 수 있으며, 사용자가 사용을 종료하고자 할 경우에는 전원을 임의로 끌 수 있다.
또한, 전원부(331)는 본 발명의 초음파 구동 장치(300)에 미리 설정된 치료 시간이 끝나면 자동으로 전원을 끄는 타이머 역할을 수행할 수 있다. 이를 통해, 초음파 구동 장치(300)를 구비한 물리치료 기기(100)의 사용의 안정성을 높일 수 있고, 사용자의 신체 부위의 저온 화상 등의 위험을 방지할 수 있다.
스위칭 소자(333)는 치료 주파수 범위인 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 듀티비를 가변하는 역할을 한다. 이는 구동부(335)에 의해 스위칭 소자(333)를 온(on), 오프(off) 시켜 제어함으로써 결국 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 듀티비가 가변될 수 있도록 할 수 있다. 이와 같이 스위칭 소자(333) 및 구동부(335)에 의해 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 듀티비를 가변할 수 있고, 제어부(330)에서 진동자(310)의 구동을 제어함으로써 치료 주파수 범위에서 다양한 파형의 초음파 펄스를 생성하여 사용자의 신체에 전달되도록 할 수 있다.
또한, 듀티비의 가변을 통해 초음파 구동 장치(300)의 초음파 출력 범위 내에서 출력 전압을 제어하고, 소비전력을 절감할 수도 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)에서 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 듀티비를 설명하기 위한 도면이다.
듀티비 혹은 듀티사이클은 펄스 신호의 한 주기에서 펄스 신호가 켜져 있는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 수치이다. 여기서 주기는 펄스 신호가 on and off 사이클을 한번 온전히 거치는데 소요되는 시간을 말한다.
도 13의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)에서 듀티비가 50%인 제1 파형의 초음파 펄스(341)를 설명하기 위한 도면이다. 이 경우 t1(on):t1(off)가 1:1의 비율이므로, 펄스 신호의 한 주기에서 펄스 신호가 켜져 있는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 듀티비는 50%이다.
도 13의 (b)에서는 t2(on):t2(off)가 1:3의 비율로 듀티비가 25%인 제1 파형의 초음파 펄스(343)를 도시하고 있다. 또한 도 13의 (c)에서는 t3(on):t3(off)가 3:1의 비율로 듀티비가 75%인 제1 파형의 초음파 펄스(345)를 도시하고 있다.
도 13에서는 본 발명의 초음파 구동 장치(300)에서 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 주기가 동일하고 듀티비가 다른 파형의 일 예를 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 펄스 신호가 켜져 있는 시간과 꺼져 있는 시간을 제어하여 동일한 듀티비에서 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 주기를 달리할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 치료 주파수 범위인 1 ~ 3 MHz의 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 듀티비를 20 ~ 80%로 가변하여 다양한 파형의 초음파 펄스를 생성할 수 있다. 그리고 이는 상술한 구동부(335)에 의해 스위칭 소자(333)의 온(on), 오프(off)를 제어함으로써 구현할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)의 초음파 펄스에 관한 도면이다.
본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 치료 주파수 범위인 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스(340)를 생성하고, 제1 파형의 초음파 펄스(340)의 듀티비를 가변할 수 있다. 여기서, 치료 주파수 범위인 제1 펄스 반복 주파수는 1 ~ 3 MHz이고, 듀티비는 20 ~ 80%로 가변할 수 있다.
제2 파형의 초음파 펄스(350)는 10 ~ 100 Hz의 제2 펄스 반복 주파수를 갖는다. 그리고 제3 파형의 초음파 펄스(360)는 0.2 ~ 1 Hz의 제3 펄스 반복 주파수를 갖는다. 여기서, 제2 펄스 반복 주파수를 갖는 제2 파형의 초음파 펄스(350)와 제3 펄스 반복 주파수를 갖는 제3 파형의 초음파 펄스(360)는, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)에서 진동자(310)의 발열을 낮추기 위한 중간 역할을 할 수 있다.
치료 주파수 범위인 1 ~ 3 MHz의 제1 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스(340)를 치료 시간 동안 지속적으로 생성하게 되면 상술한 진동자의 발열 문제가 발생할 수 있다. 또한, 진동자의 발열에 의해 진동자에서 발생하는 초음파의 특성이 변하여 연골조직의 형성에 오히려 해로운 효과가 발생할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 진동자의 발열 문제를 해결하기 위하여 제1 파형의 초음파 펄스(340)는 10 ~ 100 Hz의 제2 펄스 반복 주파수를 갖는 제2 파형의 초음파 펄스(350)에 포함되어 펄스 반복 주파수를 달리할 수 있다. 또한, 제2 파형의 초음파 펄스(350)는 0.2 ~ 1 Hz의 제3 펄스 반복 주파수를 갖는 제3 파형의 초음파 펄스(360)에 포함될 수 있다.
즉, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 펄스 반복 주파수를 달리하는 제1, 제2, 제3 파형의 초음파 펄스(340, 350, 360)를 모두 포함하는 초음파를 생성하여 사용자의 신체에 전달할 수 있다. 이를 통해, 50 ~ 200 mW/cm²세기로 초음파의 세기를 낮추었음에도 치료 주파수 범위의 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스(310)의 듀티비를 가변하여 다양한 파형의 초음파 펄스를 사용자의 신체에 보다 효율적으로 전달하여 초음파에 의한 치료 효과를 높임과 동시에, 제2, 제3 파형의 초음파 펄스(350, 360)를 통해 진동자(310)의 발열을 낮출 수 있다.
그리고, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 상술한 다양한 파형의 초음파 펄스를 통해 사용자의 신체에 전달되는 초음파의 효율을 높임으로써 1회 최대 치료 시간을 20분으로 단축하여 설정할 수 있다. 이는 식품의약품안전처 및 식품의약품안전평가원의 저강도 펄스형 초음파 치료기기 안전성 가이드 라인에 따른 1회 최대 치료 시간인 30분내에서 유의미하게 단축된 시간으로, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)가 사용자의 신체에 접촉하는 시간을 줄임으로써 사용자의 저온 화상 등의 위험을 방지하고, 신체 내부 조직의 안정성을 확보할 수 있다.
또한 본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 복수개의 진동자(310)를 포함할 수 있고, 제어부(330)를 통해 복수개의 진동자(310)의 구동을 제어할 수 있다. 그리고 복수개의 진동자(310)를 신체 접촉부위에 따라 배치 형상을 달리할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 치료 부위에 초음파가 집중되도록 하여 초음파에 의한 치료 효과를 높일 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)의 구동 시간에 따른 진동자(310)의 표면 온도 변화에 관한 데이터이다.
식품의약품안전처 및 식품의약품안전평가원의 저강도 펄스형 초음파치료기기 안전성 가이드라인에 의하면, 신체와 접촉 가능한 모든 장착부의 온도는 43℃를 초과하지 않아야 한다. 이는 사용자의 신체에 지속적인 열이 가해져 저온화상을 입는 것을 방지하기 위함이다.
본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 치료 시간이 20분을 초과하지 않도록 설정되며, 치료 시간을 경과하게 되면 상술한 전원부(331)에 의해 자동으로 초음파 구동 장치(300)의 전원이 꺼지게 된다. 따라서 도 15에 도시된 바와 같이 본 발명의 초음파 구동 장치(300)의 진동자(310) 표면에 초음파 젤을 바른 상태에서 구동하여 20분 간의 진동자(310)의 온도 변화를 측정하였다.
도 15의 (a)는 초음파 구동 장치(300)를 구동하여 열화상 카메라로 촬영하여 11초, 599초, 1200초에서 진동자(310)의 표면 온도를 나타낸 데이터이고, 도 15의 (b)는 이를 그래프로 나타낸 데이터이다. 진동자(310) 표면의 초기 온도는 27.4℃이며, 초음파 구동 장치(300)를 20분간 구동한 후의 진동자(310) 표면의 온도는 39.9℃임을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)는 20분간의 구동에도 진동자(310)의 표면 온도가 43℃를 초과하지 않으므로, 식품의약품안전처 및 식품의약품안전평가원의 저강도 펄스형 초음파치료기기 안전성 기준을 만족함을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)가 구비된 물리치료 기기(100)를 부착한 토끼 뒷다리의 한 쪽 무릎의 시간에 따른 표면 온도 변화에 관한 데이터이다.
식품의약품안전처 및 식품의약품안전평가원의 저강도 펄스형 초음파치료기기 안전성 가이드라인에 의하면, 사람 체온과 유사한 시험 대상을 기반으로 하여 시험 대상 표면의 초기 온도는 33℃ 정도는 되어야 하고, 주위 온도는 (23±3)℃로 하며, 표면 온도 상승은 10℃를 초과하지 않아야 한다.
따라서 실험대상은 사람의 신체 온도와 유사한 토끼(약 38℃)를 대상으로 주위 온도를 약 23℃로 하여 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 구비한 물리치료 기기(100)를 토끼의 뒷다리 오른쪽 무릎에 부착하여 20분 간 구동하였다. 도 16의 (a)는 초음파 구동 장치(300)를 구동하기 전에 열화상 카메라로 토끼의 뒷다리 무릎의 표면 온도를 촬영한 데이터이고, 도 16의 (b)는 초음파 구동 장치(300)를 20분 간 구동한 후에 열화상 카메라로 촬영한 데이터이다. 상술한 조건에서 토끼의 뒷다리 오른쪽 무릎의 표면 온도가 38.7℃에서 39.4℃로 0.7℃ 상승하였음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 초음파 구동장치를 20분간 구동하였음에도 사람의 신체 온도와 유사한 토끼의 표면 온도 상승은 10℃를 초과하지 않으므로, 식품의약품안전처 및 식품의약품안전평가원의 저강도 펄스형 초음파치료기기 안전성 기준을 만족함을 알 수 있다.
도 17 내지 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 구동 장치(300)의 치료 효과를 설명하기 위한 데이터이다.
본 발명에 따른 초음파 구동 장치(300)의 효과를 알아보기 위하여, 무릎 관절염을 유발한 동물 모델을 이용하여 염증 매개물인 PGE2, IL-1β, CRP(IL-6), MMP-13, TNF-α 의 농도 변화를 측정하여 실험하였다.
퇴행성관절염은 골 관절염이라고도 하는 가장 흔한 관절염의 유형으로 주로 관절을 보호하는 연골의 퇴행성 손상으로 인해 염증과 통증이 유발되는 질병이다. 염증은 외부자극물질에 대해서 반응하는 면역학적 현상으로, 염증세포에서 생산된 프로스타글란딘 E2(prostaglandin E2, PGE2), 인터류킨-1β(interleukin-1β, IL-1β), IL-6, Matrix Metalloproteinase-13(MMP-13), 종양괴사인자-α(tumor necrosis-α, TNF-α)는 염증반응을 촉진시킨다. 여기서, TNF-α는 면역반응 초기에 분비되어 초기염증과 더불어 관절 연골기질의 프로테오글리칸 감소 촉진 및 재합성을 억제하여 골관절염을 진행 시키며, IL-1β는 골관절염에서 연골 기질파괴를 증가시키고, PGE2의 생성을 촉진하여 프로테오글리칸을 소실시키고 재합성을 억제한다.
그러므로 본 발명의 초음파 구동 장치(300)에서 50 ~ 200 mW/cm²세기로 초음파의 세기를 낮추었음에도 다양한 파형의 초음파 펄스를 가하여 초음파에 의한 치료 효과를 확인하기 위해, 상술한 PGE2 등 염증 매개물의 농도 변화를 측정하여 염증 매개물의 생성이 억제되는지를 확인하였다.
본 실험을 위해 먼저, 정상 토끼 3마리의 뒷다리 오른쪽 무릎 관절에서 활액(관절액)을 뽑아내어 상술한 염증매개물 각각의 농도를 측정하였다. 그리고 3마리의 토끼를 뒷다리 오른쪽 무릎을 절개하여 관절 부위를 손상시키는 수술을 진행하고, 수술 후 2주가 경과한 시점(OA)에 활액을 뽑아내어 염증 매개물의 농도를 측정하였다. 이 후 아무런 초음파 치료를 하지 않은 토끼를 대조군으로 하여, 수술을 진행한 무릎 부위에 매일 1회 20분씩, 4주 동안 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 통해 50 ~ 90 mW/cm²세기의 초음파 펄스를 가한 토끼와, 상술한 조건으로 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 통해 90 ~ 200 mW/cm²세기의 초음파 펄스를 가한 토끼의 뒷다리 오른쪽 무릎 관절에서 활액을 뽑아내어 염증 매개물의 농도를 측정하였다.
실험결과, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 통해 50 ~ 200 mW/cm²세기의 초음파 펄스를 가하여 초음파 치료를 하였을 경우, 대조군과 대비하여 상술한 PGE2 등 염증 매개물의 농도가 모두 감소하는 것을 확인하였다. 특히, 초음파 치료를 시작하고 2 ~ 3주가 지난 시점부터는 대조군과 대비하여 상술한 염증 매개물의 농도가 유의하게 낮아짐을 확인하였다.
상기의 결과로부터, 본 발명의 초음파 구동 장치(300)를 통해 50 ~ 200 mW/cm²세기로 초음파의 세기를 낮추어 초음파 펄스를 가하더라도, PGE2 등 염증 매개물의 생성을 억제시켜 관절염 치료에 효과적임을 확인할 수 있었다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 물리치료 기기
300 : 초음파 구동 장치
310 : 진동자
320 : 인쇄회로기판
330 : 제어부
331 : 전원부
333 : 스위칭 소자
335 : 구동부
340 : 제1 파형의 초음파 펄스
350 : 제2 파형의 초음파 펄스
360 : 제3 파형의 초음파 펄스
300 : 초음파 구동 장치
310 : 진동자
320 : 인쇄회로기판
330 : 제어부
331 : 전원부
333 : 스위칭 소자
335 : 구동부
340 : 제1 파형의 초음파 펄스
350 : 제2 파형의 초음파 펄스
360 : 제3 파형의 초음파 펄스
Claims (9)
- 초음파를 발생시키는 진동자;
상기 진동자와 전기적으로 연결되는 연성회로기판; 및
상기 연성회로기판에 연결되어 상기 진동자에 전류를 공급하며, 상기 진동자의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
50 ~ 200 mW/cm²세기의 제1 펄스 반복 주파수를 갖는 제1 파형의 초음파 펄스를 생성하고, 상기 제1 파형의 초음파 펄스의 듀티비(duty ratio)를 가변하여 상기 진동자의 구동을 제어하는 초음파 구동 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 펄스 반복 주파수는 1 ~ 3 MHz이고,
상기 듀티비는,
20 ~ 80%인 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어부는,
10 ~ 100 Hz의 제2 펄스 반복 주파수를 갖는 제2 파형의 초음파 펄스를 생성하도록 상기 진동자의 구동을 제어하고,
상기 제1 파형의 초음파 펄스는,
상기 제2 파형의 초음파 펄스에 포함되는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제3항에 있어서,
상기 제어부는,
0.2 ~ 1 Hz의 제3 펄스 반복 주파수를 갖는 제3 파형의 초음파 펄스를 생성하도록 상기 진동자의 구동을 제어하고,
상기 제2 파형의 초음파 펄스는,
상기 제3 파형의 초음파 펄스에 포함되는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제1항에 있어서,
상기 진동자는,
복수개가 상기 연성회로기판과 전기적으로 연결되며,
상기 제어부는,
상기 복수개의 진동자의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제5항에 있어서,
상기 복수개의 진동자는,
다각형 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제6항에 있어서,
상기 복수개의 진동자는,
상기 제어부의 양쪽에 각각 삼각형 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제5항에 있어서,
상기 복수개의 진동자는,
서로 이격되어 상기 연성회로기판의 길이 방향으로 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치. - 제8항에 있어서,
상기 복수개의 진동자가 서로 이격되는 거리를 달리하는 것을 특징으로 하는 초음파 구동 장치.
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240019571A true KR20240019571A (ko) | 2024-02-14 |
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Family Applications (1)
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| KR1020220097411A KR20240019571A (ko) | 2022-08-04 | 2022-08-04 | 초음파 구동 장치 |
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