KR930005052B1 - 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기 - Google Patents

선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기
제1도는 본 발명의 양호한 실시예에 대한 개략도.
제2도는 본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 대한 개략도.
제3도는 제2도의 개략도에 대한 진폭제어부의 또 다른 개략도.
제4도는 단극성출력을 공급하기 위한 또 다른 양호한 실시예의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전기 자극기
12 : 제어부 또는 마이크로프로세서
14 : 디지탈 출력워어드 16 : 선형전류출력회로
18 : 전극
24,56 : 디지탈대 아날로그 변환기
26,84,108 : 연산증폭기 28,30 : 제1트랜지스터
32,34 : 제2트랜지스터 38 : 변성기
40 : 기준저항 60 : 전압기준원
66,72 : 전류증폭기 100 : 부하
본 발명은 일반적으로 생체조직용 전기 자극기에 관한 것으로, 특히 생체조직의 전기 자극기에 대한 선형전류 출력회로에 관한 것이다.
전기 자극 신호를 공급하는 전기 자극기는 생체조직을 자극하기 위해 유용한 것이다. 이러한 유형의 전기 자극기에 대한 한 가지 중요한 이용은 적합한 전극에 의해 환자의 피부를 거쳐 피하 생체조직으로 전송되어서 조심스럽게 제어되는 전기 자극 신호들을 발생하는 피하관통 전기 신경자극에 대한 것이다. 상기 전기 자극 신호들은 신경계통 내의 고통신호, 예를 들어 외과수술 후 환자에게 느껴지는 통증을 방지하려는 목적을 의해 사용될 수 있다. 피하관통 전기 신경자극에 대한 환자의 반응은 매우 민감하기 때문에 광범위한 전기 자극 변수들이 공급되어야 한다. 전기 자극기의 두번째 이용은 환자의 근육운동을 개시하거나 혹은 제어하기 위해 신경근을 자극(NMS)하는 것이다. 이와 같이 근육운동의 다양한 변화를 이용할 수 있기 때문에 다양하게 변화하는 전기 자극 신호들이 공급될 수 있다.
최근에는 생체조직을 위한 전기 자극기가 디지탈 전자공학을 활용하고 있다. 그러한 디지탈 전기 자극기의 일례가 디지탈 출력워어드나 혹은 발생될 전기 자극 신호를 나타내는 일련의 디지탈 출력워어드들을 내면적으로 발생하거나 공급한다. 그러나, 상기 전기 자극기가 발생될 전기 자극 신호를 나타내는 디지탈 출력워어드들을 발생하는 반면 생체조직에 출력될 실제 전기 자극 신호는 본래 아날로그 신호이다. 그러므로, 이러한 디지탈 전기 자극기는 디지탈 출력워어드 혹은 일련의 디지탈 출력워어드들을 아날로그 전기 자극 신호로 변환해야 한다. 따라서, 상기 디지탈 전기 자극기가 출력단을 제공해야 하는데, 여기서 디지탈 출력워어드 혹은 일련의 디지탈 출력워어드들이 아날로그 전기신호로 변환된다.
비록 디지탈 출력워어드들의 정확도가 다수의 비트들 혹은 상기한 디지탈 출력워어드를 나타내도록 활용되는 디지트들에 의해 밀접하게 제어될 수 있지만, 그러한 정확도는 그 정확도가 디지탈 출력워어드에서 아날로그 전기 자극 신호까지의 변환과정 동안 유지될 수 없는 경우에는 상실하게 된다.
이러한 요구는 가능한한 가장 높은 능률을 성취하는데 관계되거나 혹은 선형성에 관계없이 일정한 전류출력을 유지하는데 관계되는 대부분의 디지탈대 아날로그 출력단들, 혹은 회로들과 두드러진 대조를 이룬다.
본 발명의 생체조직 전기 자극기는 고도의 정확성과 디지탈 출력워어드 혹은 일련의 디지탈 출력워어드들에서 아날로그 전기 자극 신호까지의 변환 선형성을 갖는다. 전기 자극기에 대한 이러한 출력회로는 소망의 전기자극 파형을 고도의 정확도로서 반복해야 한다.
본 발명은 디지탈 출력워어드에 의해 구동되는 출력회로를 가진 생체조직 자극기를 제공한다. 이러한 생체조직 자극기는 자극될 생체조직에 연결되며 전기 자극기에 부하로서 제공하는 전극 시스템을 갖는다. 선형 디지탈대 아날로그 변환기는 출력워어드에 동작적으로 연결된다. 그리고, 전류증폭기가 디지탈대 아날로그 변환기와 전극 시스템에 동작적으로 연결된다. 또, 전류증폭기는 부궤환을 이용한다. 양호한 실시예에 있어서, 본 발명은 상기와 같이 생체조직 자극기를 제공하는데, 그것의 전류증폭기는 디지탈대 아날로그 변환기에 연결되는 연산증폭기를 포함한다. 상기 연산증폭기는 비반전입력, 반전입력 및 출력을 갖는다. 연산증폭기의 반전 입력은 상기 디지탈대 아날로그 변환기에 동작적으로 연결된다. 또, 보상회로가 상기 연산증폭기에 동작적으로 연결된다. 이러한 보상회로는 연산증폭기의 고주파 안정도를 보장한다. 그리고, 트랜지스터 회로망은 연산증폭기의 출력에 동작적으로 연결되고, 전극 시스템에 연결되도록 적용된다. 또, 기준저항은 트랜지스터 회로망에 동작적으로 연결되어 그것의 양단전압이 그 트랜지스터 회로망에서 전극 시스템으로 공급되는 전류를 나타낸다. 그리고, 궤환 통로가 상기 기준저항에서 연산증폭기의 비반전입력으로 공급된다.
본 발명의 전술한 장점들과 구성 및 동작은 이하 첨부한 도면을 참조한 아래의 상세한 설명으로 부터 더욱 용이하게 이해될 것이다.
제1도는 전기 자극기(10)의 양호한 실시예를 도시하는 것이다. 이러한 전기 자극기(10)는 일련의 디지탈 출력워어드들(14)을 발생하는 제어부인 마이크로프로세서(12)를 포함한다. 상기 디지탈 출력워어드(14)는 선형전류 출력회로(16)에 의해 2개 혹은 2개 이상의 전극들(18)(이하 간단히 “전극”이라 약칭한다)로 아날로그 전기 자극 신호로 변환되는데, 여기서 상기 전극은 선형전류 출력회로(16) 및 전기 자극기(10)에 대한 부하로서 작용하는 생체조직에 연결되도록 적용된다.
디지탈 출력워어드(14)는 크기부(20) 및 신호부(22)에 의해 선형전류 출력회로에 제공된다. 양호한 실시예에서는 디지탈 출력워어드(14)가 N+2비트들로 이루어진다. 다음, 크기부(20)는 N+1비트들, 즉 비트들 0 내지 N으로 이루어지고, 신호부(22)는 비트N+1로 이루어진다.
디지탈 출력워어드(14)의 크기부(20)는 디지탈대 아날로그 변환기(24)의 데이타 입력들로 공급된다. 상기 디지탈대 아날로그 변환기(24)는 또한 전원과 전기 접지에 연결된다. 디지탈대 아날로그 변환기(24)의 출력은 연산증폭기(26)의 반전입력에 연결된다. 연산증폭기(26)의 출력은 제1트랜지스터 세트(28, 30) 및 제2트랜지스터 세트(32, 34)로 이루어진 2개의 전류증폭기들을 제어하도록 사용된다. 각각의 트랜지스터들 세트(즉, 트랜지스터(28, 30) 및 트랜지스터(32, 34)는 푸시풀 구성을 제공하는 변성기(38)의 1차 권선(36) 중 1/2로 작용한다. 상기 1차 권선(36)의 중심탭은 전원에 연결된다. 그리고, 기준저항(40)은 변성기(38)의 1차 권선(36)을 통해 흐르는 전류를 나타내는 기준 전압을 공급한다. 이러한 기준저항(40) 양단의 전압은 연산증폭기(26)의 비반전입력(42)으로 궤환된다. 트랜지스터들(28, 30) 및 (32, 34)로 이루어진 전류증폭기는 디지탈 출력워어드(14)의 신호부(22)를 활용한 트랜지스터들(4,4 46)을 통해 인에이블 및 디스에이블 된다. 그리고, 트랜지스터(44)는 디지탈 출력워어드의 신호부(22)에 직접적으로 연결되고, 반면에 트랜지스터(46)는 인버터(48)를 통해 디지탈 출력워어드(14)의 신호부(22)에 간접적으로 연결된다. 또, 변성기(38)의 2차 권선(50)은 선형전류 출력회로(16)로 부터 출력을 제공하기 위한 전극(18)에 연결된다.
본 발명의 전기 자극기(10)를 나타내는 또 다른 개략도는 제2도에 도시되어 있다. 다시, 마이크로프로세서(12)가 이러한 경우에 2개의 분리채널들로 이루어진 선형전류 출력회로(16)에 의해 변환될 디지탈 출력워어드(14) 혹은 일련의 디지탈 출력워어드들(14)을 제공하도록 활용된다. 또, 상기 디지탈 출력워어드(14)는 크기부(20) 및 신호부(22)로 분리된다. 아울러, 디지탈 출력워어드(14)가 채널선택라인(52)과 데이타제어라인(54)을 포함한다. 크기부(20), 채널선택라인(52) 및 데이타제어라인(54)은 디지탈대 아날로그 변환기(56)에 연결된다. 상기 채널선택라인(52)은 디지탈대 아날로그 변환기(56) 내에 포함된 2개의 다른 출력단들 사이를 절환하도록 활용된다. 그리고 상기 데이타제어라인(54)은 디지탈 출력워어드(14)의 크기부(20)의 래칭을 각각의 채널 또는 단과 연합된 디지탈대 아날로그 변환기(56) 내로 인에이블하기 위해 제공된다. 또, 디지탈대 아날로그 변환기(56) 내의 분리래치는 2개의 출력단들의 각각에 제공된다. 상기 디지탈대 아날로그 변환기(56)는 전원과 전기접지에 연결됨과 아울러 온도 보상된 전압기준부(60)에 연결된다. 상기 전압기준부(60)는 또한 전기접지에도 연결되고, 그리고 저항(58)을 통해 전원에도 연결된다. 디지탈대 아날로그 변환기(56)의 한단의 출력은 저항(62) 및 전위차계(64)를 통해 전류증폭기(66)에 연결된다. 유사하게, 디지탈대 아날로그 변환기(56)의 다른 단의 출력은 저항(68) 및 전위차계(70)를 통해 전류증폭기(72)에 연결된다. 상기 전위차계(64) 및 (70)은 디지탈대 아날로그 변환기(56)의 각각의 출력 채널들에 대한 진폭제어부들로서 작용한다. 상기 한 쌍의 저항(62) 및 전위차계(64)는 디지탈대 아날로그 변환기(56)의 최대 출력전압을 기준 저항(40) 양단에 요구되는 최대전압과 매칭하는 분압기로서 작용한다.
전류증폭기(66)는 제1도에 도시된 전류증폭기와 유사하지만 더욱 상세하게 도시되었다. 이러한 전류증폭기(66)는 상세히 도시되지 않은 전류증폭기(72)의 본보기이다. 디지탈 출력워어드(14)의 신호부(22)는 트랜지스터(74) 및 저항들(76), (78)로 이루어진 인버터에 의해 보충된다. 상기 저항(76)은 트랜지스터(74)의 베이스 전류를 제한하는 풀업(pull up) 저항으로 작용한다. 그리고, 트랜지스터(74) 및 저항들(76), (78)로 이루어진 인버터는 전류증폭기들(66) 및 (72)에 의해 예시된 바와 같은 경우에는 다중출력단들에 의해 공유된다. 또, 저항들(80), (82)은 전류증폭기들(66), (72)에 대한 베이스 구동을 제한한다.
전위차계(64)의 출력은 연산증폭기(84)의 반전 입력에 공급된다. 이 연산증폭기(84)는 고이득 연산증폭기인 것이 바람직하다. 또한, 상기 연산증폭기(84)는 매우 느린 속도를 가짐과 아울러 그것의 출력단이 출력전압들 근방의 접지나 혹은 출력전압들 근방의 전원 전위에 대해 깊이 포하되지 않는 것이 더욱 바람직하다. 캐패시터(86)는 연산증폭기(84)의 내부주파수보상을 행한다. 연산증폭기(84)의 비반전 입력에서의 전압상쇄는 저항들(88), (90)과 기준저항(40)으로 이루어진 분압기에 의해 제거될 수 있다. 저항(88) 값은 예컨대, 전위차계 혹은 트리밍에 의해 조정될 수 있거나 혹은 연산증폭기(84)에 대한 가장 나쁜 경우의 상쇄를 반영하는 상수값으로 될 수 있다. 연산증폭기(84)의 출력은 저항(92)을 통해 제1도에서와 같이 변성기(38)의 1차 권선(36)으로 동작하는 트랜지스터들(28), (30), (32) 및 (34)로 공급된다. 또, 제1도에서와 같이 트랜지스터들(44), (46)은 디지탈 출력워어드(14)의 신호부(22)의 상태에 의해 트랜지스터 쌍들(28, 30) 및 (32, 34)을 인에이블한다. 그리고, 전기전원에 연결된 다이오드들(94), (96) 및 (98)은 연산증폭기(84)의 출력을 트랜지스터들(30), (34)로 충분히 차단하도록 스윙(swing)할 수 있게 한다. 변성기(38)의 2차 권선(50)은 먼저 전극(18)에 연결되고, 다음 개략적으로 도시된 저항(102), 저항(104) 및 캐패시터(106)로 이루어진 부하(100)에 연결된다. 유사하게, 전류증폭기(72)의 출력은 부하 임피던스(107)로 공급된다.
트랜지스터 쌍들(28, 30) 및 (32, 34)에서 기준저항(40)까지의 통로와 저항(90)에서 연산증폭기(84)까지의 통로는 변성기(38)의 1차 권선(36)에 인가되는 전류에 대한 부궤환 통로를 제공한다.
디지탈대 아날로그 변환기(56) 및 연산증폭기(84) 사이의 또 다른 연결은 제3도에 예시된다. 연산증폭기(108)는 디지탈대 아날로그 변환기(56)의 출력에 연결되는 비반전 입력을 갖는다. 상기 연산증폭기(108)는 또한 저항들(110), (112)로서 바이어스된다. 그리고, 전위차계(114) 및 저항들(116, 118)은 연산증폭기(84)의 반전입력에 연결된 신호에 대한 진폭제어를 제공한다. 제3도에 예시된 또 다른 연결은 보다 높은 신호레벨들이 요구되는 위치에서 유리하게 사용될 수 있는데, 예를 들면 디지탈대 아날로그 변환기(56) 및 연산증폭기(84) 사이의 긴 물리적인 통로와 관련된 잡음 문제들을 극복하는데 유용하다. 이러한 회로에 있어서, 저항들(110), (112)은 다음과 같이, 즉
Figure kpo00001
선택되어야 하며, 저항들(116), (118)은 전위차계(114)의 값보다 훨씬 더 크게 되어야 한다.
제4도는 본 발명의 또 다른 실시예에 대한 개략도를 도시한 것이다. 제4도에 예시된 회로는 단극성 출력단이 단극성 전류증폭기(66)를 활용하도록 구성된 것을 제외하고는 제2도에 예시된 회로와 동일하다. 또한, 디지탈 출력워어드(14)는 신호부(22)를 가질 필요가 없다. 제4도의 전류증폭기(66)는 제2도의 전류증폭기와 매우 유사하지만, 트랜지스터 세트(32, 34)와 신호 선택 트랜지스터들(44, 46)과 그리고 변성기(38)의 1차 권선(36)의 1/2를 제거한 것이다.
변성기(38)는 적어도 100밀리암페의 전류가 적어도 4.5볼트의 직류전원 전압을 가정하는 적어도 500오옴의 부하 임피던스로 구동될 수 있도록 선택된다. 상기 변성기(38)는 또한 1차 전류가 350마이크로초 미만의 지속시간을 갖는 파형들에 대한 1차 전류를 충실하게 추적하도록 구성된다. 제1도 내지 제4도에서 이용되는 바람직한 값들과 보상들은 다음과 같은 표 1에서 특정화된다.
[표 1]
Figure kpo00002

Claims (6)

  1. 디지탈 출력워어드에 의해 구동되는 출력회로를 가진 생체조직 자극기에 있어서, 상기 자극기와 자극되어 상기 생체조직 자극기에 부하로서 작용하는 생체조직에 연결되는 전극과, 상기 출력워어드에 동작적으로 연결되는 선형 디지탈대 아날로그 변환기와, 상기 디지탈대 아날로그 변환기의 상기 전극에 동작적으로 연결되고 부의 전류 궤환을 활용하는 전류증폭기를 구비한 것을 특징으로 하는 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류증폭기가 상기 디지탈대 아날로그 변환기에 연결되고 비반전입력 및 상기 디지탈대 아날로그 변환기에 동작적으로 연결된 반전입력과 그리고 출력을 갖는 연산증폭기와, 상기 연산증폭기에 동작적으로 연결되고 상기 연산증폭기의 고주파 안정도를 제공하는 보상회로와, 상기 연산증폭기의 상기 출력에 동작적으로 연결되고 상기 전극에 연결되는 트랜지스터 회로망과, 상기 트랜지스터 회로망과 동작적으로 연결되고 이러한 트랜지스터 회로망의 양단전압이 상기 트랜지스터 회로망에서 상기 전극으로 공급되는 전류를 나타내게 하는 기준저항과, 상기 기준저항과, 상기 연산증폭기의 상기 비반전입력에 연결되는 궤환 통로를 구비한 것을 특징으로 하는 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연산증폭기의 입력 전압 상쇄에 대한 보상을 위해 상기 연산증폭기에 동작적으로 연결된 상쇄회로를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 디지탈대 아날로그 변환기에 동작적으로 연결된 정확한 전압기준원을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 선형전류 출력회로가 단극성출력을 상기 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 트랜지스터 회로망이 푸시풀 배열로 동작하는 한 쌍의 트랜지스터들을 구비하고, 상기 한 쌍의 트랜지스터들이 중심탭형 변압기를 통해 상기 부하에 연결되는 것을 특징으로 하는 선형전류 출력회로를 사용한 생체조직용 전기 자극기.
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