KR100930274B1

KR100930274B1 - 연골재생치료를 위한 압전센서를 이용하는 전기자극 장치

Info

Publication number: KR100930274B1
Application number: KR1020080138047A
Authority: KR
Inventors: 김정일; 김학병
Original assignee: 주식회사 넷블루
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2009-12-09

Abstract

본 발명은 전기자극 장치에 관한 발명으로, 인체의 진동을 통해 미세전류를 생성하는 전원부; 상기 전원부와 연결되어 미리정해진 값의 전류로 조절되는 전류제어부; 상기 전류제어부와 연결되어 상기 미리정해진 값의 전류를 인가받아 치료부위에 전기자극을 가하는 전기자극부를 포함한다.

이와 같은 본 발명을 제공하면, 외부의 전원없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 특별한 변환장치 없이 미세전류를 용이하게 생성할 수 있으며, 인체에 장착이 용이하여 착용 후 사용자의 이동이 간편한 전기자극 장치를 제공할 수 있게 된다.

전기자극, ESTR, 미세전류, 압전소자, 조직치유

Description

연골재생치료를 위한 압전센서를 이용하는 전기자극 장치{STIMULATION DEVICE USING OF PIEZOELECTRIC ELEMENT FOR CARTILAGE REGROWTH }

본 발명은 전기자극 장치에 관한것으로, 보다 상세하게는 독립적인 외부전원 없이 반영구적으로 인체의 통점 또는 손상 부위를 전기적으로 자극할 수 있는 연골재생 치료를 위한 전기자극 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 한의학의 경혈 및 양 의학의 발통점(trigger point)이라 불리우는 인체 부위는 주위 조직에 비해 전기저항이 낮아 높은 전기전도성을 나타내는 곳으로, 예전부터 침을 이용한 치료가 이루어져 왔다. 최근에는, 전기침, 전자침,SSP(Silver Spike Point), 경피신경자극(TENS), 조직치유전기자극기(Electrical Stimulation for Tissue, EST) 등의 치료방법 및 치료기기 등이 개발되어 임상에서 활용되고 있다. 또한, 1995. 03. 07. 자로 공개된 일본특허 공개공보 특개평 7-59867호는 시트기재에 접착제 층을 도포하고, 전기화학적 포텐셜이 다른 2종의 물질을 분체 또는 입상 형태로 상기 접착제 층에 함유시킨 첩부시트를 개시하고 있다.

그러나 종래의 치료방법은 주로 mA 단위의 강한 전류를 기계장치로 발생시켜 치료를 하는 것이거나 전기화학적으로 전류를 발생시켜 전압 및 전류의 파형을 조절할 수 없는 것으로, 질병 치료에 가장 적합한 전기 자극을 발생하는 것은 아니어서 상기 방법을 이용한 치료효과가 우수한 것은 아니었다. 세계 각국의 선진적인 연구결과는 mA 이상의 강한 고전류는 생물체의 생리적 활성을 높이기보다는 오히려 약화시킬 수도 있음을 보여주고 있다.

또한, 세포 재생 등의 생리적 활성은 생물체내에서 발생하는 정도의 수준인 ㎂ 단위의 미세전류에서 높은 활성을 보여준다는 사실을 보여주고 있다[R. O. Becker &G. Seldon 공저, "생명과 전기"정신세계사 역, 1995; 정진우, "Electro-Acuscpe/Myopulse에 관한 미세전류 논문집", 진양메디칼상사, 1995 참조]. 또한, 인체를 흐르는 전류는 온도, 습도 등의 외부적 요인 및 심리상태, 몸상태와 같은 내부 요인에 따라 수시로 변하게 되며, 그 파형 또한 신체 각 부위마다 달라진다.

따라서, 전기를 이용하여 질병치료를 하기 위해서는, 인체 특히 환부근처에서 발생하는 전류에 가까운 파형과 세기를 가지고 있는 전류를 사용하는 것이 바람직하다.

그러나, 종래의 이러한 전기 장치들은 대부분 독립적으로 구성되어, 별개로 구입하여 사용하여야 하는 비용의 문제점이 있었고, 그 성능 면에서도 치유효과를 배가 시킬 수 있는 조건이 형성되지 않았으며, 장치의 규모로 인하여 편리하게 사용자의 이동과 장소에 따라 치료부위에 부착할 수 있는 장치가 없었다.

그리고, 종래에는 독립적인 외부전원이 있어야 전기자극부로 전원을 공급하 고 전기자극을 할 수 있는 구성이어서, 계속적이 전원공급이 필요하고, 전원으로 인한 전류조절장치 및 변압기 등의 독립적으로 보조 장치가 필수적으로 필요하다는 단점이 있었다.

상술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 독립적인 외부전원이 필요 없고, 반 영구적으로 사용할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 장치구성으로 이루어져 있어 단가가 저렴하며, 손상 또는 통증 부위의 알맞는 맞춤형 치료용 패드 장치를 제공하기 위함이다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 인체의 진동을 통해 미세전류를 생성하는 전원부; 상기 전원부와 연결되어 미리정해진 값의 전류로 조절되는 전류제어부; 상기 전류제어부와 연결되어 상기 미리정해진 값의 전류를 인가받아 치료부위에 전기자극을 가하는 전기자극부를 포함한다.

여기서, 상기 전원부는 상기 인체의 소정 부위를 둘러쌀 수 인는 밴드형 밸트 및 상기 밴드형 밸트 내측면에 상기 인체의 진동을 통해 전류를 생성하는 압전소자를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 압전소자는 PVDF를 재질로 하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 전원부, 전류제어부 및 전기자극부가 일체화되어 구성되는 것일 수 있고, 상기 전원부는 보조전원 배터리를 더 포함하는 것일 수 있으며, 상기 전류제어부는 상기 전원부에서 생성된 AC 전류를 DC 전류로 정류하는 정류부 및 상기 전기자극부에 인가되는 미세전류를 생성하는 미세전류출력부를 포함하는 것일 수 있다.

그리고, 상기 전기자극부는 금속침형전극 또는 금속패치전극인 것이 바람직하고, 상기 밴드형 밸트의 후면에 상기 전기자극부에 인가되는 전류량 또는 인가시간을 표시할 수 있는 표시부가 설치되는 것이 바람직하며, 상기 전원부에서 생성된 전류에 따라 상기 전류제어부에 의해 상기 전기자극부에 인가되는 전류값이 결정되는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명을 제공하면, 독립적인 전원장치와 미세전류생성기와 같은 보조장치를 사용하지 않고, 인체의 진동을 압전소자에 의해 전류를 생성하고 이 전류를 치료부위에 인가하게 하는 구성을 형성함으로써, 외부의 전원없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 특별한 변환장치 없이 미세전류를 용이하게 생성할 수 있으며, 인체에 장착이 용이하여 착용 후 사용자의 이동이 간편한 전기자극 장치를 제공할 수 있게 된다.

또한, ESTR에서 통상 사용하는 전류량의 범위와 일치해 종래의 외부전원에서 인가 될때의 치료부위에 인가되는 미세전류를 재 생성해야할 필요 없게 되는 효과를 얻을 수 있다.

더하여, 휴대성이 뛰어나 손쉽게 인체에 장착할 수 있을 뿐만 아니라, 치료부위에 인가되는 전류량을 표시하게 하여 예상치 못한 과도한 전류량이 인가되는 경우 사용자가 강제로 제거할 수 있도록 하고, 인가시간을 표시하여 사용자가 논문 등에서 발생된 전기자극 치료시간에 알맞게 사용할 있도록 하는 효과가 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 치료용 전기자극 장치의 구성을 예시한 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 전기자극 장치는 압전소자(150) 및 밴드형 밸트(110)로 구성되어, 인체의 진동으로부터 전류를 발생하는 전원부, 전원부로부터 발생된 전류를 치료부위에 적정한 전류값으로 생성하는 전류제어부(200), 미세전류를 치료부위에 인가하는 전기자극부(300)를 포함하여 구성한다.

본 발명은 조직치유전기자극(Electrical Stimulation for Tissu Repair, 이하 ESTR)을 이용하여 인체에 미세전기를 자극하게 되면 관절의 통증을 완화시키고 연골 및 뼈형성 촉진 등의 조직치유의 효과를 얻게 된다.

이러한 미세전류의 생성을 위해 종래의 방법처럼 독립적인 전원장치와 미세전류생성기와 같은 보조장치를 사용하지 않고, 인체의 진동을 압전소자(150)에 의해 전류를 생성하고 이 전류를 치료부위에 인가하게 하는 구성을 형성함으로써, 외부의 전원없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 특별한 변환장치 없이 미세전류를 용이하게 생성할 수 있으며, 인체에 장착이 용이하여 착용 후 사용자의 이동이 간편한 전기자극 장치를 제공할 수 있게 된다.

인체는 지구표면에 대하여 음전위로 대전되어 있는데, 뼈나 피하연부조직도 음대전되어 있다. 여기서 뼈나 피하연부조직이 손상 되면 세포대사의 증가로 인해 손상부위에서 음전기가 증가되는 것을 여러 연구자료 및 논문을 통해 알 수 있는 데, 이를 바탕으로 미세전류가 세포의 생리작용을 향상시켜 조직치유 및 회복을 촉진시키는 것으로 알려진 사실이다.

본 발명은, ESTR의 방법에는 저강도직류전류(LIDC), 미세전류신경근자극(MEMS), 맥동전자장자극(PEMF), 정전장자극, 고전압맥동전류자극(HVPC) 등이 있지만, 저강도 직류전류(또는 미세전류)(LIDC)를 이용하는 방법에 있어서 입력전원(AC 또는 DC)을 받아 출력 미세전류(DC)를 치료에 사용하는 종래의 방식과는 달리 압전센서를 사용하여 치료에 필요한 미세전류를 생성하여 지속적, 반 영구적으로 치료에 사용할 수 있도록 하고자 한다.

한편, 이러한 미세전류에 의한 치료 효과를 살펴보면, 크게는 생리학적 효과와 열 및 화학적 효과를 얻을 수 있는데, 생리학적 효과로 살균효과, 체액증진 효과 및 통증완화 효과가 있고, 열 및 화학적 효과로 신경자극 효과, 조직치유 효과, 부종흡수 효과가 있다.

살균효과(bacteriocidal effect)

Wheeler 등(1971)에 의해 보고되어진 것으로, 전기자극으로 세균의 성장속도가 저하되는데, 이는 미생물의 항상성이 깨져서 세균이 사멸하게 되고 세포막 수송 등의 조절기전 및 효소활성을 비가역적으로 파괴하여 세포내 활성이 억제된다

체액이동 증진 (fluid shift out of area)

정상 혈액의 pH에서 모든 혈구, 알부민, 등의 혈장 단백질은 음전하를 띠고 있으므로 음극을 활성전극으로 자극하면 부종부위에서 체액의 반발현상이 일어나고 이로 인한 체액의 이동으로 부종이 감소한다.

통증완화 (pain control)

전기자극에 따른 통증완화는 전기자극이 활동전위의 전파를 직접적으로 차단하여 신경이 차단된다는 신경차단설(nerve block), 관문조절설(gate control therapy), 전기자극에 따른 베타 엔돌핀(β-endorlphin), 세로토닌, 노르에피네프린, 도파민 등의 신경전달물질의 방출을 축진시켜 통증을 억제한다는 중추억제설(endogenous inhibition)로 설명된다.

신경근자극

전기자극은 독립적인 근수축을 유발시키고 반복적인 근수축에 의한 근력증가, 근섬유 직경 증가에 의한 근섬유 비후, 근육내 효소 활성 증진, 관절운동증진 등의 효과가 있다.

조직치유 촉진

전기자극으로 조직 손상부위와 정상조직 사이에 형성된 손상전위차가 회복되고, 손상 주위조직의 미세순환 증가, 림프순환 촉진에 따른 대사활동 증가, 상피세포 이동 촉진 등으로 치유 과정이 증진된다.

부종흡수촉진

전기자극으로 인한 근수축으로 근육의 펌프작용이 증가하여 정맥의 순환이 촉진되며 이러한 작용이 일어나지 않더라도 감각자극에 의해 부종 흡수를 현저하게 촉진시킨다.

이와같이, 본 발명에 따른 전기자극 장치를 이용하게 되면, 상술한 바와 같이 다양한 효과를 얻을 수 있다. 이하 구체적인 구성을 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 미세전류를 생성하는 전원부는 압전소자(150)와 인체의 소정 부위를 둘러쌀 수 있는 밸트(110)로 구성되는데, 밸트(110)의 내측면에 부착되어 인체의 진동에 의해 압전소자(150)를 가압하게 되고, 가압되어진 압전소자(150)는 전기에너지로 변환시켜 전류를 생성하게 되는 구성이다. 밸트(110)의 일측면에는 인체를 둘러싸고 고정시키기 위한 고정부재가 설치되는데, 벨크로 등을 사용하는 것이 바람직하다.

압전소자(150)(piezoelectric element)는 피에조전기소자라고도 한다. 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자(150)로서 이용되었으며, 근래에 개발된 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나다.

압전기란 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양 ·음의 전하(電荷)가 나타나는 현상인데 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie; 1859~1906) 형제가 처음 발견하였다. 이후 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우 그 양이 크게 증대된다는 것이 알려졌다. 또 결정판에는 고유의 진동이 있고 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전기와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다는 사실도 발견되었다.

즉, 전원부의 밸트(110)에의해 인체의 소정 부위를 감싸게 되면, 밸트(110)의 내측면에 부착된 압전소자(150)가 인체와 접촉되어 압력을 받게 되고, 이로 인하여 압전기에 의한 미세전류가 발생된다. 이러한 압전소자(150)에 의해 생성된 전 류의 크기는 수 nA ~ 수십 μA의 전류량을 생성하기 때문에 상술한 ESTR에서 통상 사용하는 전류량의 범위와 일치해 종래의 외부전원에서 인가 될 때의 치료부위에 인가되는 미세전류를 재 생성해야할 필요 없게 되는 효과를 얻을 수 있다. 왜냐하면, 일반적인 독립전원은 생성전압 및 전류가 크기 때문에 미세전류를 생성하는 생성기가 따로 필요 하다는 문제점이 있다.

그리고 압전소자(150)는 PVDF를 재질로 하는 것이 바람직한데, 이는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)가 압전 특성을 지닌 고분자로서, 불소 수지의 장점인 뛰어난 압전성 및 내약품성과 양호한 기계적·열적·전기적 특성을 겸비하고 있기 때문이다.

전류제어부(200)는 상기 전원부에서 생성된 AC 전류를 DC 전류로 정류하는 정류부 및 상기 전기자극부(300)에 인가되는 미세전류를 생성하는 미세전류출력부로 구성되어, 정류 및 임상 실험 등을 통해 얻어진 치료효과에 가장 잘 맞는 적정한 전류량으로 조절하는 역할을 하게 된다. 전류제어부(200)는 반도체 소자, 저항 등의 소자로 간략하게 구성하는 것이 바람직하고, 전원부와 독립된 구성일 수 있고, 전원부의 밸트(110)의 외측면에 장착되는 것도 역시 가능하다.

전기자극부(300)는 전류제어부(200)로부터 인가된 전류를 통해 치료부위에 전류를 주사하는 역할을 하게 되는 것으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속침형전극 또는 금속패치전극의 형태일 수 있다. 금속침형전극은 밴드에 금속침이 부착된 형태로 인체의 치료부위에 간단하게 부착할 수 있고, 금속침에 의해 미세전류를 주사하게 되고, 치료부위에 침에 의한 자극효과를 더할 수 있는 장점이 있다. 금속패 치전극은 금속을 재질로 하여 패치형태로 이루어지는 것으로, 부착형 파스와 같은 형태로서 인체의 어느 부위에나 손쉽게 부착할 수 있는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 실시예로서, 그 적용예를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 인체의 팔 등에 압전소자(150)가 부착된 밸트(110)를 둘러싸도록 하여 팔에서 맥박 등과 같은 인체의 진동으로 인해 압전소자(150)에 압력의 주기적으로 가해지게 되어 압전기를 발생하게 되고, 이 압전기에 의해 AC 특성의 미세전류(약 수 nA ~ 수십 μA)를 생성하게 된다. 생성된 미세전류는 전류제어부(200)에 의해 임상실험 등에 의해 미리 결정된 가장 적정한 크기의 미세전류를 전기자극부(300)로 전달하게 되고, 전기자극부(300)에서는 금속침형전극이나 금속패치전극에 의해 미세전류를 어깨와 같은 치료부위에 주사하게 된다.

이러한 본 발명의 구성은 종래의 각 독립적인 장치로 구성된 전기자극 장치에 비해 외부전원이 따로 필요 없게 되고, 휴대성이 뛰어나 손쉽게 인체에 장착할 수 있는 장점이 있을 뿐 아니라, 추가적인 장치 없이 미세전류를 쉽게 생성할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 밸트(110)의 외측면에는 LCD와 같은 표시부(120)를 설치하는 것이 바람직한데, 이는 치료부위에 인가되는 전류량을 표시하게 하여 예상치 못한 과도한 전류량이 인가되는 경우 사용자가 강제로 제거할 수 있도록 하고, 인가시간을 표시하여 사용자가 논문 등에서 발생된 전기자극 치료시간에 알맞게 사용하도록 하기 위해서이다.

도 3은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 일체형으로 구성된 전기자극 장 치의 구성을 예시한 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 인체의 치료부위에 둘러쌀 수 있도록 밸트(110)형으로서, 인체의 진동(맥박 등)에 의해 미세전류를 생성하는 압전소자(150)자, 압전소자(150)에서 생성된 전류를 치료부위에 인가하는 특정의 전류로 조절하여 생성하는 전류제어부(200) 및 전류제어부(200)에서 발생된 미세전류를 치료부위에 인가하는 전기자극부(300)가 상기 밸트(110)에 모두 장착되어 구성된다. 여기서 전류제어부(200)는 밸트(110)의 외측면에 소형으로 장착되는 것도 가능하고 얇은 기판 형태로 밸트(110)에 부착되는 것도 바람직하다.

인체의 진동에 의한 미세전류의 생성이 미약하거나 불규칙하여 치료부위에 인가되는 전류량이 부족한 경우에는 보조 전원장치인 배터리(250)를 밸트(110)에 장착하는 것도 바람직하다. 배터리(250)는 전류제어부(200)와 연결되어 치료부위에 인가되는 적정한 미세전류를 안정적으로 공급하는 보조 역할을 할 수 있음은 물론이다.

이와 같은 일체형의 구성은 치료부위에서 발생하는 진동에 의해 미세전류를 생성하고, 생성된 전류를 바로 치료부위에 인가하도록 하는 구조로서, 도선에 의해 전원부와 전기자극부(300)를 분리하여 연결하는 불편함을 제거할 뿐만 아니라, 정상부위와는 다른 치료부위에서만 발생되는 전류를 생성하여 그 전류를 바탕으로 치료부위에 인가할 수 있는 구조로 되어 있어서 보다 효과적인 치료를 진행할 수 있는 장점이 있다. 즉, 전원부에서 생성된 전류에 따라 상기 전류제어부(200)에 의해 상기 전기자극부(300)에 인가되는 전류값이 결정되는 구성이 가능하다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자극 장치의 구성을 예시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예로서, 그 적용예를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 일체형으로 구성된 전기자극 장치의 구성을 예시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100 : 전원부, 110 : 밸트, 115 : 벨크로, 압전소자: 150

200 : 전류제어부, 배터리 : 250, 전기자극부 : 300

Claims

인체의 자체 진동을 통해 전류를 생성하는 압전소자로 구성되는 전원부;

상기 전원부와 연결되어 미리 정해진 값의 전류로 조절되는 전류제어부;

상기 전류제어부와 연결되어 상기 미리정해진 값의 전류를 인가받아 치료부위에 전기자극을 가하는 전기자극부를 포함하는 전기자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 전원부, 상기 전류제어부 및 상기 전기자극부는 소정 부위의 인체 부분을 둘러싸는 적어도 하나의 밴드형 밸트에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 압전소자는 PVDF를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.
제1항에 있어서,

상기 전원부, 전류제어부 및 전기자극부가 일체화되어 구성되는 것을 특징으 로 하는 전기자극 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

보조전원 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전류제어부는 상기 전원부에서 생성된 AC 전류를 DC 전류로 정류하는 정류부 및 상기 전기자극부에 인가되는 미세전류를 생성하는 미세전류출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전기자극부는 금속침형전극 또는 금속패치전극인 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.
제2항에 있어서,

상기 밴드형 밸트의 후면에 상기 전기자극부에 인가되는 전류량 또는 인가시 간을 표시할 수 있는 표시부가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.
제4항에 있어서,

상기 전원부에서 생성된 전류에 따라 상기 전류제어부에 의해 상기 전기자극부에 인가되는 전류값이 결정되는 것을 특징으로 하는 전기자극 장치.