KR101748032B1 - 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템 - Google Patents

집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 다중전극 신장신경절제 시스템은 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 파워생성기, 상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치되고, 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 카테터를 포함한다.

Description

집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템{Method and System for Renal Denervation using Integrated Circuit embedded multi electrode}
본 발명은 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전체 고혈압환자의 20~30%에 해당하는 저항성 고혈압은 이뇨제를 포함해서 혈압 강하제를 3가지 이상 복용해도 혈압이 목표치 이하로 조절되지 않는 질환을 말한다. 저항성 고혈압의 대표 치료법인 신경차단술은 혈압조절과 관련된 중요한 기전 중 하나인 레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템(RAAS: Renin Angiotensin Aldosterone System)에 신호를 전달하는 신장신경을 차단해 교감신경계 활성을 감소시켜 혈압을 낮추는 시술이다. 신장교감신경은 신장 동맥의 진피하층에 존재하며, 구심성 및 원심성 교감신경이 같이 지나가는 유일한 곳이 신장동맥이다.
도 1은 종래기술에 따른 신장신경차단술 장비의 예시를 나타내는 도면이다.
신경차단술장비는 크게 체외에서 고주파 에너지를 생성 및 제어하는 파워생성기(Power Generator)(110)와 신장(140) 동맥으로 들어가 동맥내벽에 에너지를 전달하는 카테터(Catheter)(120)로 구성된다. 카테터(120)는 사타구니를 절제하고 대동맥(130)을 따라 신장(140) 동맥까지 진입하기 위해 길고 가는 구조로 되어 있으며 카테터(120)의 끝은 고주파 에너지를 전달하는 전극과 온도 센서, 임피던스 센서 등이 위치한다. 파워생성기(110)에서 생성된 교류 고주파(350kHz~500kHz)는 카테터(120)를 통해 수 와트(W)의 에너지를 신장(140) 동맥의 내부로 전달되고 체외에 부착되어 있는 패치형태의 전극을 통해 다시 외부로 빠져 나온다. 카테터(120)의 전극과 맞닿는 신장동맥혈관벽은 전류밀도가 높아서 에너지가 집중되고, 패치형태의 전극과 맞닿는 체외피부는 에너지가 분산된다. 우리 몸 속의 세포는 50~60도의 온도에서는 6분 이내에 죽고, 60~90도의 온도에서는 즉시 파괴되기 때문에 집중된 고주파의 에너지는 신장동맥혈관벽의 온도를 상승시키고 교감신경세포를 파괴시킨다. 혈관벽의 온도는 실시간으로 모니터링되며 대략 65~70도를 유지하도록 다시 파워생성기(110)에 피드백정보를 전달한다.
한 번의 시술은 보통 동맥내벽을 따라 나선 형태로 6-7지점에 걸쳐 이루어지는 하나의 전극을 사용하는 단전극 시스템은 시술시간이 오래 걸리고 환자의 부작용과 합병증의 위험이 증가한다는 단점이 있다. 또한 하나의 전극을 사용하면 시술시 전극을 혈관벽의 적절한 위치에 유지시키는 것이 의사의 직접적인 제어에 의존하므로 전문적인 기술이 요구된다.
다수의 전극과 센서를 사용하는 다중전극 시스템은 시술시간을 단축시킬 수 있지만 외부의 제어장치와 연결되는 와이어의 수는 전극의 수에 비례하여 증가하게 된다. 다수의 와이어는 혈관을 통과해야 하는 카테터(120)의 직경을 증가시켜 효율적인 시술을 방해할 뿐만 아니라 장비제작과정에서 수율을 감소시켜 장비의 가격을 증가시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술에 따른 신장신경차단술 장비의 시술시간이 오래 걸리고 환자의 부작용과 합병증의 위험이 증가한다는 단점을 개선하고, 하나의 전극을 사용하여 시술할 경우 전극을 혈관벽의 적절한 위치에 유지시키는 것이 의사의 직접적인 제어에 의존하므로 전문적인 기술이 요구된다는 단점을 개선하기 위한 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. 또한, 종래기술에 따른 다수의 전극과 센서를 사용하는 다중전극 시스템은 시술시간을 단축시킬 수 있지만 외부의 제어장치와 연결되는 와이어의 수는 전극의 수에 비례하여 증가하므로 카테터의 직경을 증가시켜 효율적인 시술을 방해할 뿐만 아니라 장비제작과정에서 수율을 감소시켜 장비의 가격을 증가시킨다는 단점을 갖고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위한 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 다중전극 신장신경절제 시스템은 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 파워생성기, 상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치되고, 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 카테터를 포함한다.
상기 집적회로는 공급 전압을 공급하기 위한 VDD 선, GND 선 및 데이터통신을 위한 데이터 선을 이용하여 상기 파워생성기와 연결되고, 상기 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 상기 집적회로의 내부의 레귤레이터를 이용하여 상기 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급한다.
상기 데이터통신을 위한 데이터 선은 시분할 통신 방식을 이용하여 미리 정해진 시간 간격을 두고 순차적으로 상기 제어데이터를 전송함으로써 상기 파워생성기 및 복수의 집적회로들 간에 양방향 통신이 가능하도록 하는 단일전선이다.
상기 제어데이터는 상기 파워생성기 내부의 MCU에서 전송되는 패킷의 형태이고, 상기 패킷에는 미리 정해진 ID 데이터가 존재하며, 상기 ID는 상기 제어데이터가 상기 복수의 전극들에 내장된 집적회로들 중 상기 미리 정해진 ID에 상응하는 특정 집적회로로 전송되는 데이터임을 나타낸다.
상기 제어데이터를 수신한 특정 집적회로는 상기 제어데이터를 수신한 후, 다음 구간에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송한다.
상기 제어데이터를 전송하기 전, 상기 파워생성기 내부의 MCU와 상기 복수의 전극들에 내장된 집적회로들 간에 주파수 및 위상의 동기화를 수행한다.
상기 집적회로는 상기 파워생성기로부터 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 이용하여 상기 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급하는 레귤레이터, 상기 파워생성기로부터 상기 제어데이터를 수신 받고, 온도 센서 및 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 상기 파워생성기로 전송하는 통신부, 밴드갭 기준 회로 내부의 온도에 비례하여 증가하는 전류를 이용한 온도 센서, 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 임피던스 센서, 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 공유 ADC, 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 히터를 포함한다.
상기 히터는 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 PWM 펄스 생성회로를 통해 PWM 펄스로 변환하고, 드라이버회로를 통해 상기 PWM 펄스를 이용하여 복수의 MOSFET 스위치를 병렬로 제어함으로써 상기 히터의 저항의 소모전력을 제어하고, 상기 히터의 상기 저항의 소모전력을 제어함으로써 상기 전극을 통해 혈관벽에 직접 열을 전달하여 신경을 절제한다.
상기 온도 센서는 상기 측정된 온도가 목표 온도보다 낮을 경우 히터의 공급전류량을 증가시키고, 상기 측정된 온도가 목표 온도보다 높을 경우 히터의 공급전류량을 감소시키기 위해 활용된다.
상기 임피던스 센서는 DDS방식을 이용하여 사인파의 전압을 생성하는 디지털 사인파 생성기, 상기 생성된 사인파의 전압을 전류로 변환하여 상기 전극에 교류전류를 인가하는 교류전류 인가회로, 임피던스를 측정하기 위해 상기 전극에 인가된 교류전류에 의한 교류전압을 증폭하는 PGA, 상기 증폭된 교류전압의 피크 투 피크 정보를 검출하는 피크 검출기를 포함한다.
상기 공유 ADC는 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 통해 측정된 두 가지 정보를 실시간으로 변환하기 위해 하나의 공유 ADC를 이용한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 다중전극 신장신경절제 방법은 파워생성기가 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 하는 단계, 상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치된 카테터에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 단계를 포함한다.
상기 파워생성기가 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 하는 단계는 상기 제어데이터를 전송하기 전, 상기 파워생성기 내부의 MCU와 상기 복수의 전극들에 내장된 집적회로들 간에 주파수 및 위상의 동기화를 수행하고, 상기 제어데이터를 단일전선을 통해 시분할 통신 방식을 이용하여 미리 정해진 시간 간격을 두고 순차적으로 전송하고, 상기 제어데이터를 수신한 특정 집적회로는 상기 제어데이터를 수신한 후, 다음 구간에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송한다.
상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치된 카테터에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 단계는 상기 파워생성기로부터 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 이용하여 레귤레이터를 통해 상기 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급하는 단계, 밴드갭 기준 회로 내부의 온도 비례 전류를 센싱하여 온도를 측정하는 단계, 임피던스 센서를 통해 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 단계, 공유 ADC를 통해 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 단계, 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 상기 파워생성기로 전송하는 단계, 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보에 따라 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 히터의 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 단계를 포함한다.
상기 온도 센서의 밴드갭 기준 회로를 이용하여 온도를 측정하는 단계는 온도에 비례하여 증가하는 전류를 저항을 통해 센싱하여 온도 정보를 검출한다.
상기 임피던스 센서를 통해 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 단계는 DDS방식을 이용하여 사인파의 전압을 생성하고, 상기 생성된 사인파의 전압을 전류로 변환하여 상기 전극에 교류전류를 인가하고, 임피던스를 측정하기 위해 상기 전극에 인가된 교류전류에 의한 교류전압을 증폭하여 상기 증폭된 교류전압의 피크 투 피크 정보를 검출한다.
상기 공유 ADC를 통해 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 단계는 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 통해 측정된 두 가지 정보를 실시간으로 변환하기 위해 하나의 공유 ADC를 이용한다.
상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보에 따라 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 히터의 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 단계는 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 PWM 펄스 생성회로를 통해 PWM 펄스로 변환하고, 드라이버회로를 통해 상기 PWM 펄스를 이용하여 복수의 MOSFET 스위치를 병렬로 제어함으로써 상기 히터의 저항의 소모전력을 제어하고, 상기 저항의 소모전력을 제어함으로써 상기 전극을 통해 혈관벽에 직접 열을 전달하여 신경을 절제한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 카테터의 끝에 초소형 집적회로(IC: Integrated Circuit)를 기반으로 한 시스템이 위치하고, 이를 전극이 감싸는 형태의 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템을 제공한다. 집적회로(IC: Integrated Circuit) 내부에는 온도 센서와 임피던스 센서를 탑재함으로써 온도와 임피던스 정보를 칩 내부에서 디지털로 변환하여 체외의 디스플레이 장치로 전송한다. 따라서, 기존의 아날로그 신호가 긴 와이어를 통해 직접 전달되는 방식보다 신뢰성이 높아지므로 보다 정확하고 안전한 시술이 가능하며 다중전극을 이용함으로써 시술시간을 단축할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 신장신경차단술 장비의 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로(IC: Integrated Circuit)를 내장한 6전극 카테터를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RDN 집적회로(IC: Integrated Circuit) 시스템 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 통신 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 및 위상 동기화 확인과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 통신 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 클락과 데이터 복원 회로 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 카운터를 기반으로 한 주파수검파기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 유한 엘리먼트 솔버(3D finite elements solver) 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터회로의 구조를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어회로의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 밴드갭 기준 회로를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 센싱 과정을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전류 인가회로를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전류 인가회로의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 PGA 회로를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출기(Peak Detector)의 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출기(Peak Detector)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog to Digital Convertor)를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로(IC: Integrated Circuit)를 내장한 6전극 카테터를 나타내는 도면이다.
본 발명에서 카테터(210)의 끝은 기존의 전극과 온도센서를 위한 열전대를 대신하여 초소형 집적회로(IC: Integrated Circuit)(211)를 기반으로 한 시스템이 위치한다. IC(211)는 도 2와 같이 혈관벽 내부에서도 유연하게 움직일 수 있도록 플렉서블(Flexible) PCB 위에 탑재되고 이를 전극이 감싸는 형태이다. IC(211)내부에는 파워생성기에서 오는 에너지를 제어하는 스위치 회로, 신경차단 정도를 모니터링하기 위해 온칩 온도 센서(On-chip sensor)와 임피던스 측정 회로가 탑재된다. 온도와 임피던스 정보는 IC(211) 칩 내부에서 디지털로 변환하여 체외의 디스플레이 장치로 보냄으로써 기존의 아날로그 신호가 긴 와이어를 통해 직접 전달되는 방식보다 신뢰성이 높아진다. 따라서 보다 정확하고 안전한 시술이 가능하다.
예를 들어, 카테터(210)에는 시술시간을 단축하기 위해서 IC(211)를 내장한 6개의 전극들이 60도의 간격을 두고 원형으로 배치될 수 있다. 다중전극을 사용하였지만 전선의 수가 전극의 수에 비례하여 증가하는 문제를 해결하기 위해 멀티플렉싱 기법을 이용하여 전선의 수를 최소화할 수 있다. 멀티플렉싱 기법은 제한된 물리적 채널에서 효용을 극대화하기 위해 사용되는 회로기술로 하나의 파워생성기가 하나의 전선으로 다수개의 전극을 일정한 시간간격으로 순차적으로 제어하는 방식이다. 또한, 바스켓(basket) 형태의 카테터는 혈관 속에서 안정적으로 전극과 혈관벽을 접촉 시킬 수 있는 구조로 시술 시 제어가 용이하다.
제안하는 IC를 이용한 다중전극 신장신경절제 시스템은 도 1의 종래기술에 따른 신장신경차단술 장비의 예시와 같이 파워생성기(110) 및 카테터(120)를 포함한다.
하지만, 종래기술과는 달리 제안하는 IC를 이용한 다중전극 신장신경절제 시스템의 파워생성기는 단일전선을 통해 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 미리 정해진 시간 간격을 두고 순차적으로 전송하고, 카테터는 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터에 의해 제어되는 IC가 내장된 복수의 전극들이 배치되고, IC를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 파워생성기로 전송한다.
IC는 공급 전압을 공급하기 위한 VDD 선, GND 선 및 데이터통신을 위한 데이터 선을 이용하여 파워생성기와 연결된다. VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 IC의 내부의 레귤레이터를 이용하여 IC의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급한다.
여기에서 데이터통신을 위한 데이터 선은 시분할 통신 방식을 이용하여 파워생성기 및 복수의 IC들 간에 양방향 통신이 가능하도록 하는 단일전선이다.
그리고, 제어데이터는 파워생성기 내부의 MCU에서 전송되는 패킷의 형태이다. 패킷에는 미리 정해진 ID 데이터가 존재하며, ID는 제어데이터가 복수의 전극들에 내장된 IC들 중 미리 정해진 ID에 상응하는 특정 IC로 전송되는 데이터임을 나타낸다.
이러한 제어데이터를 전송하기 전, 파워생성기 내부의 MCU와 복수의 전극들에 내장된 IC들 간에 주파수 및 위상의 동기화를 수행한다. 그리고, 제어데이터를 수신한 특정 IC는 제어데이터를 수신한 후, 다음 구간에서 IC를 이용하여 측정된 정보를 파워생성기로 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 RDN 집적회로(IC: Integrated Circuit) 시스템 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
제안하는 IC(320)는 레귤레이터(Regulator)(321), 통신부(322), 온도 센서(Temperature Sensor)(323), 임피던스 센서(Impedance Sensor)(324), 공유 ADC(Shared Analog to Digital Conveter)(325), 히터(Heater)(326), 클락 및 데이터 복원(CDR: clock and data recovery)회로(327), PWM 펄스생성회로(328)를 포함한다.
레귤레이터(Regulator)(321)는 파워생성기(Power Generator)(310)로부터 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 이용하여 IC(320) 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급한다.
수신기(RX) 및 전송기(TX)를 포함하는 통신부(322)는 파워생성기(310)로부터 제어데이터를 수신 받고, 온도 센서(Temperature Sensor)(323) 및 임피던스 센서(Impedance Sensor)(324)를 이용하여 측정된 정보를 단일전선을 통해 파워생성기로 전송한다. ;
온도 센서(Temperature Sensor)(323)는 밴드갭 기준 회로 내부의 온도 비례 전류를 이용하여 온도를 측정한다. 온도 센서(Temperature Sensor)(323)는 측정된 온도가 목표 온도보다 낮을 경우 히터의 공급전류량을 증가시키고, 측정된 온도가 목표 온도보다 높을 경우 히터의 공급전류량을 감소시키기 위해 활용된다.
임피던스 센서(Impedance Sensor)(324)는 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정한다. 임피던스 센서(Impedance Sensor)(324)는 DDS방식을 이용하여 사인파의 전압을 생성하는 디지털 사인파 생성기, 생성된 사인파의 전압을 전류로 변환하여 전극에 교류전류를 인가하는 교류전류 인가회로, 임피던스를 측정하기 위해 전극에 인가된 교류전류에 의한 교류전압을 증폭하는 PGA, 증폭된 교류전압의 피크 투 피크 정보를 검출하는 피크 검출기를 포함한다.
공유 ADC(Shared Analog to Digital Conveter)(325)는 온도 센서(Temperature Sensor)(323) 및 임피던스 센서(Impedance Sensor)(324)에 의해 측정된 정보를 디지털화한다. 온도 센서(Temperature Sensor)(323) 및 임피던스 센서(Impedance Sensor)(324)를 통해 특정된 두 가지 정보를 실시간으로 변환하기위해 하나의 공유 ADC(Shared Analog to Digital Conveter)(325)를 이용한다.
히터(Heater)(326)는 파워생성기(Power Generator)(310)로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절한다. 히터(Heater)(326)는 파워생성기(Power Generator)(310)로부터 수신 받은 제어데이터를 PWM 펄스 생성회로를 통해 PWM 펄스로 변환하고, 드라이버회로를 통해 PWM 펄스를 이용하여 복수의 MOSFET 스위치를 병렬로 제어함으로써 히터의 저항의 소모전력을 제어한다. 그리고, 히터(Heater)(326)의 저항의 소모전력을 제어함으로써 전극을 통해 혈관벽에 직접 열을 전달하여 신경을 절제한다.
다시 말해, 외부의 파워생성기(310)와 전극에 내장된 IC(320)는 파워를 공급하기 위한 VDD선, GND선, 데이터통신을 위한 DATA선 총 3개의 전선으로 연결되어 있다. IC(320) 구동을 위해서는 복수개의 파워도메인이 필요하지만 전선의 수를 최소화하기 위해서 내부 레귤레이터를 이용하여 필요한 공급전압을 생성하여 각 블록으로 공급한다. 데이터 통신도 하나의 전선을 이용한 TDMA 방식으로 일대다의 양방향 통신이 가능하다.
파워생성기(310)는 전극의 온도를 조절하기 위해서 제어데이터를 보내는데 이는 외부 기준 클락(Reference Clock)없이 동작하는 클락 및 데이터 복원(CDR: clclo and data recovery)회로를 이용하여 복원된다. 해석된 데이터는 PWM펄스로 변환되어 히터(Heater)(326)를 제어하게 된다. 전극의 온도는 항상 IC(320) 내부의 온도 센서(Temperature Sensor)(323)에 의해서 모니터링 되며, 임피던스 정보와 함께 하나의 공유 ADC(Shared Analog to Digital Convertor)(325)로 디지털화되어 외부로 전송된다. 각 IC(320)에서 감지된 온도 및 임피던스 정보는 TDMA방식으로 시간에 따라 순차적으로 전송되므로, 서로간의 간섭이나 충돌이 없이 파워생성기(310)로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
제안하는 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법은 파워생성기가 단일전선을 통해 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 미리 정해진 시간 간격을 두고 순차적으로 전송하는 하는 단계(410), 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 복수의 전극들이 배치된 카테터에서 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 파워생성기로 전송하는 단계(420)를 포함한다.
단계(410)에서, 제어데이터를 전송하기 전, 파워생성기 내부의 MCU와 복수의 전극들에 내장된 집적회로들 간에 주파수 및 위상의 동기화를 수행한다. 그리고, 제어데이터를 수신한 특정 집적회로는 제어데이터를 수신한 후, 다음 구간에서 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 파워생성기로 전송한다.
단계(420)은 파워생성기로부터 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 이용하여 레귤레이터를 통해 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급하는 단계(421), 밴드갭 기준 회로 내부의 온도 비례 전류를 센싱하여 온도를 측정하는 단계(422), 임피던스 센서를 통해 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 단계(423), 공유 ADC를 통해 온도 센서 및 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 단계(424), 온도 센서 및 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 파워생성기로 전송하는 단계(425), 온도 센서 및 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보에 따라 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 히터의 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 단계(426)를 포함한다.
단계(422)에서 측정된 온도가 목표 온도보다 낮을 경우 히터의 공급전류량을 증가시키고, 측정된 온도가 목표 온도보다 높을 경우 히터의 공급전류량을 감소시키기 위해 활용된다.
단계(423)에서 DDS방식을 이용하여 사인파의 전압을 생성하고, 생성된 사인파의 전압을 전류로 변환하여 전극에 교류전류를 인가하고, 임피던스를 측정하기 위해 전극에 인가된 교류전류에 의한 교류전압을 증폭하여 증폭된 교류전압의 피크 투 피크 정보를 검출한다.
단계(424)에서 온도 센서 및 임피던스 센서를 통해 측정된 두 가지 정보를 실시간으로 변환하기 위해 하나의 공유 ADC를 이용한다.
단계(426)에서 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 PWM 펄스 생성회로를 통해 PWM 펄스로 변환하고, 드라이버회로를 통해 PWM 펄스를 이용하여 복수의 MOSFET 스위치를 병렬로 제어함으로써 히터의 저항의 소모전력을 제어한다. 그리고, 저항의 소모전력을 제어함으로써 전극을 통해 혈관벽에 직접 열을 전달하여 신경을 절제한다. 이하에서 도 5 내지 도 22를 참조하여 제안하는 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 방법 및 시스템에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시분할 통신 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5(a)는 종래기술에 따른 다수의 전극과 센서를 사용하는 다중전극 시스템을 나타내는 예시이다. 종래기술에 따른 다수의 전극과 센서를 사용하는 다중전극 시스템은 시술시간을 단축시킬 수 있지만 외부의 제어장치, 다시 말해 파워생성기의 MCU(Micro Controller Unit)(Master(TX))와 연결되는 와이어의 수는 전극(Electrode)의 수에 비례하여 증가하게 된다. 다수의 와이어(Multi-wire)는 혈관을 통과해야 하는 카테터의 직경을 증가시켜 효율적인 시술을 방해할 뿐만 아니라 장비제작과정에서 수율을 감소시켜 장비의 가격을 증가시킨다.
도 5(b)는 제안하는 방법의 집적회로를 이용한 다중전극 신장신경절제 시스템의 시분할 통신 방식을 나타낸 도면이다. 외부의 제어장치, 다시 말해 파워생성기의 MCU(Micro Controller Unit)(Master(TX))가 전극(Electrode)(Slave(RX))에 내장되어 있는 복수의 IC들(chip1, chip2, chip3)의 히터를 제어하고 체내에서 측정된 온도 및 임피던스 정보를 외부로 전달하기 위해서는 데이터 통신이 필요하다. 다수의 전극을 이용할 경우 통신을 위한 전선의 수 역시 전극과 비례하여 증가하게 된다. 하지만 제안하는 발명에서는 시분할 방식을 이용하여 하나의 전선으로 양 방향 통신을 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)는 파워생성기의 MCU(Micro Controller Unit)(Master(TX))에서 전극(Electrode)(Slave(RX))에 내장되어 있는 복수의 IC들(chip1, chip2, chip3)의 히터로 제어데이터를 전송하는 것을 나타내는 도면이다.
도 6(b)는 전극(Electrode)(Slave(RX))에 내장되어 있는 복수의 IC들(chip1, chip2, chip3)로부터 파워생성기의 MCU(Micro Controller Unit)(Master(TX))로 측정된 온도 및 임피던스 정보를 전송하는 것을 나타내는 도면이다.
파워생성기의 MCU(Micro Controller Unit)(Master(TX))에서 각 전극의 복수의 IC들(chip1, chip2, chip3)로 보내는 제어데이터는 패킷 형태(610)로 되어 있으며, 각 패킷들(611, 612, 613, 614, 615, 616)에는 특정 IC의 ID데이터가 존재한다. 따라서 복수개의 전극 중 특정 IC로 보내는 데이터임을 명시하고 있다. 도 6과 같이 모든 IC가 하나의 전선을 통해 동일한 데이터를 받지만 그 중 ID가 일치하는 하나의 IC만 데이터를 처리하게 된다. 데이터를 받은 IC는 바로 다음 구간에 패킷(614)를 통해 측정된 온도 및 임피던스 정보를 외부로 내보내게 된다. 따라서 MCU가 각 IC로 보내는 데이터와 각 IC가 MCU로 보내는 데이터는 오버랩이나 공백 없이 순차적으로 하나의 전선을 통해서 전송된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 및 위상 동기화 확인과정을 설명하기 위한 도면이다.
데이터 통신을 하기 위해서는 주고받는 데이터의 주파수와 위상정보가 일치해야 하기 때문에 클락 및 데이터 복원(CDR: clock and data recovery)회로가 필요하다. CDR 회로는 주파수 및 위상 동기화를 위해서 일정한 시간이 필요하고 내부에 포함되어 있는 LOL(loss of lock detector) 블록은 동기화 여부를 실시간으로 모니터링하기 때문에 데이터 통신을 시작하기 전에 LOL로부터 동기화 정보를 확인하는 과정이 필요하다. MCU는 순차적으로 각 IC로 동기화가 이루어졌는지 확인하는 데이터를 보내게 되고 IC는 이 데이터로부터 주파수와 위상정보를 추출한다. 동기화가 완료되면 각 IC는 MCU로 동기화가 완료되었음을 알려준다. IC 마다 동기화 완료 시기는 다를 수 있으며 MCU는 모든 IC가 동기화된 것을 확인한 시점 이후로 시술을 위한 데이터 통신을 시작한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 통신 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
MCU의 전송기(transmitter)(TX)에서 보내진 데이터는 IC1과 IC2의 수신기(receiver)(RX)에 공통적으로 전달된다. 하지만 각 IC는 ID 데이터를 먼저 분석하여 자신에게 보내진 데이터만 처리하게 된다. 각 IC의 TX에서 보내진 데이터는 순차적으로 MCU의 RX로 전송이 되고, 하나의 데이터 라인을 통해서 일대다의 양방향통신이 가능한 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 클락과 데이터 복원 회로 구조를 나타내는 도면이다.
일반적으로 CDR 회로는 외부 기준 클락(Reference Clock)이 필요하다. 하지만, 본 발명에서는 외부로부터 연결된 전선의 수를 최소화하기 위해서 기준 클락(Reference Clock)없이 주파수와 위상을 동기화하는 구조를 사용하였다. 위상검파기(BBPD: Bang-Bang type Phase Detector) 와 주파수검파기(FD: Frequency Detector)의 업데이트 정보는 디지털 루프필터(DLF: Digital Loop Filter)를 통해서 전압 조정 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)를 제어한다. 예를 들어, VCO는 3가지의 제어패스를 가질 수 있다. 그 중 가장 미세한 제어를 하는 패스는 해상도의 한계를 극복하기 위해서 (DSM: Delta-sigma modulation)을 하고 글리치(glitch)를 최소화하기 위해 써모미터 코드(thermometer code)로 변환된 뒤 아날로그 전압으로 전환된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 카운터를 기반으로 한 주파수검파기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로 기준 클락 없이 데이터로부터 주파수정보를 추출하기 위해서는 지속적으로 데이터를 입력 받아야 한다. 따라서 하나의 전선을 이용하여 양방향 통신을 하는 본 발명에서는 기존 방식을 그대로 사용하기 어렵다. 반면에 본 발명은 시분할 방식을 이용하여 데이터 통신을 하기 때문에 입력데이터를 받는 주기와 출력데이터를 내보내는 주기가 항상 일정하다. 따라서 입력 데이터의 시작 비트와 끝 비트를 1로 설정하고 출력 구간을 풀 다운(pull down) 저항을 이용하여 0으로 설정하면 도 10과 같이 항상 일정하게 0이 되는 연속구간을 형성할 수 있다. 주파수 분할된 VCO 클락을 이용하여 이 연속구간을 카운팅하고 이상적인 값과 비교하여, 현재 VCO 주파수가 입력데이터의 주파수보다 빠르지 느린지 판단할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 유한 엘리먼트 솔버(3D finite elements solver) 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
교류 고주파 에너지를 체내로 통과시켜 신경을 제거하는 RF(Radio frequency) 어블레이션(ablation) 방식은 전극의 면적에 따라 전류밀도와 에너지 집중도가 결정된다. 따라서 체외에 부착된 패치형태의 전극의 접촉 상태에 따라서 피부 화상을 입힐 수 있으며, 체내로 흐르는 교류 신호가 다른 모니터링 장비와 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 다중전극을 하나의 전선으로 제어하는 멀티플렉싱 방식을 사용하기 위해서는 교류 제어스위치를 IC 내부에 구현해야 한다. 하지만 고전압의 교류 스위치는 많은 면적을 차치하므로 IC로 구현하기 비효율적이다. 따라서 본 발명에서는 IC로 직접 열을 내서 전달하는 다이렉트 히팅(Direct heating) 방식을 사용하였다. IC의 온도는 소모하는 전력과 비례하여 증가한다. 따라서 IC 내부에 구현된 히터회로는 입력에 따라 소모전력이 조절된다.
도 11은 3D 유한 엘리먼트 솔버(3D finite elements solver)을 통해 IC 소모전력에 따른 온도변화를 시뮬레이션 한 결과이다. IC 내부의 히터회로가 일정한 전력을 소모하면 전극의 온도는 체온 36.5도에서 점차 증가하다가 흐르는 혈액의 쿨링(cooling) 작용에 의해서 더 이상 증가하지 못하고 수렴하게 된다. 시뮬레이션을 통해서 혈관벽을 원하는 온도로 가열하기 위해서 소모해야 하는 전력량을 예측할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터회로의 구조를 나타내는 도면이다.
제안하는 히터회로는 열을 낼 수 있는 복수의 저항과 이를 제어하기 위한 MOSFET 스위치들, PWM 펄스 생성회로(Heater_PWM Controller)를 포함한다. 예를 들어, 최대 5W의 전력을 소모하기 위해 최대 1.25W의 전력을 소모하는 4개의 히터회로가 IC 내부에 고르게 분포될 수 있다. MCU로부터 전송 받은 9비트의 데이터는 PWM 펄스로 변환되어 드라이버회로(DRV)를 통해 MOSFET 스위치를 병렬로 제어한다. 소모전력과 PWM 펄스의 듀티 싸이클의 관계는 다음과 같다.
Figure 112015085912522-pat00001

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어회로의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전송 받은 데이터의 마지막 비트의 하강 에지(falling edge)를 기준으로 PWM 펄스가 형성되며, 펄스의 주기는 data / (8 X 62.5kHz)인 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 밴드갭 기준 회로를 나타내는 도면이다.
전체 가열 메커니즘은 온도 정보를 이용한 피드백 시스템으로 이루어진다. 신장동맥벽의 신경을 차단하기 위해서는 적절한 온도를 일정 시간 동안 유지해야 한다. 일반적으로 약 60~70도에서 1분 정도 가열하면 원하는 정도의 손상(lesion)을 만들 수 있다. 너무 높은 온도는 동맥 내막 층의 탄화를 야기하고 너무 적은 온도는 신경의 절제를 이룰 수 없다. 일정한 온도를 유지하기 위해 피드백시스템은 일정한 기준온도와 온도센서를 통해 얻은 온도정보를 비교하여 혈관벽의 온도가 더 낮으면 파워를 증가시키고, 더 높으면 파워를 감소시켜 결국 원하는 기준온도에 수렴시킨다. 이러한 음성피드백 시스템을 위해서는 온도정보를 센싱하는 온도 센서가 필요하다.
제안하는 발명의 온칩 온도 센서는 온도에 따라 MOSFET이나 BJT의 다양한 파라미터들이 변하는 특성을 주로 이용한다. 온도정보를 센싱하기 위한 다양한 방식 중 그 절대값을 미리 예측할 수 있는 것은 밴드갭에서 만들어진 전압을 이용하는 것이 있다. 도 14는 밴드갭 기준전압을 생성하는 회로이다. 예를 들어, 온도에 따라 일정하게 증가하는 PTAT(Proportional to absolute temperature)(I3) 전류와, 일정하게 감소하는 CTAT(Complementary to absolute temperature)(I4) 전류의 기울기가 같도록 만든 후 그 두 전류를 저항에 흘려 온도에 따라 변화 없는 전압(I5)을 만든다. 이러한 밴드갭 회로를 기반으로 한 온도센서의 경우 보통 PTAT이나 CTAT의 온도에 따라 일정한 기울기를 가지고 변하는 특성을 이용하여 온도를 센싱한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 밴드갭 전압은 온도변화에 따라 대략 0.7mV의 미세한 전압변화를 나타내고 온도센서의 출력전압은 30~120도 사이에서 일정하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 센싱 과정을 나타내는 도면이다.
신경차단술에서 임피던스 정보는 전극과 혈관벽 조직의 접촉이 효과적으로 이루어졌는지 판단하는 기준으로 이용된다. 혈관벽 조직이 정상적으로 가열됨에 따라 전기 임피던스의 온도의존적인 감소가 나타나고 갑작스런 임피던스의 증가는 조직의 탄화나 응혈 형성의 징후가 된다. 따라서 조직표면의 임피던스를 관찰하는 것은 전극과 표면 사이의 시술 상태에 대한 정보를 얻는 과정이므로 필수적이다. 임피던스는 허벅지에 붙이는 패치와 혈관벽에 접촉하는 전극, 그리고 인체로 구성된 전류루프에 전압을 인가하고 전류를 읽거나 전류를 인가하고 전압변화를 읽는 방식으로 측정 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 알고 있는 임의의 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정한다.
인체에 측정 목적으로 인가할 수 있는 최대허용전류는 100uAp-p, 주파수는 1MHz로 의료 규정에 의해 제한된다(IEC60601-1). 따라서 500kHz의 100uAp-p의 사인파 전류를 인체에 흘려서 전압을 측정하기 위해 본 발명의 실시예에서는 사인 전압을 생성 후 전류로 변환한다. 500kHz의 낮은 주파수를 가지는 사인 전압은 수동소자로 생성할 때 많은 면적을 차지하므로 디지털 로직(Digital Logic), DAC 및 LPF를 이용한 DDS(Direct Digital Synthesizer)방식을 이용하여 사인파를 생성한다. DDS 방식은 룩업 테이블(Lookup Table)을 이용하므로 이미 디지털 필터링된 값이 DAC의 입력으로 들어간다고 볼 수 있다. 그러므로 디지털에서 아날로그 값으로 바뀔 때의 양자화 노이즈(Quantization Noise)만을 저역 통과(Low pass) 필터링하면 노이즈가 제거된 깔끔한 사인파를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 16MHz의 클락을 이용하여 샘플링하였고, 5bit 룩업 테이블(Lookup Table)과 5bit DAC을 이용하였다. 각 bit의 과도(transition) 시 생기는 글리치(Glitch)를 줄이기 위해 DAC은 이진 코드(Binary code)가 아닌 써모미터 코드(Thermometer code)를 이용한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전류 인가회로를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압-전류변환기를 이용하여 DDS에서 생성된 500KHz의 사인 전압을 전류로 변환한다. 인체에 인가되는 최대허용 직류전류는 10uA로 의료규정에 의해 정해져 있으므로(IEC60601-1) 이러한 규정을 만족시키기 위해 네거티브 서플라이(Negative supply)와 DC 서보 루프(DC servo loop)를 이용하여 교류 전류를 생성하였다. 인체에 DC 전류가 흐르지 않기 위해서는 그라운드에 해당하는 패치 전압과 전압-전류변환기의 출력전압이 같아야 한다. 따라서 0.9V와 -0.9V를 이용하여 회로를 구동하고 이들의 중간 값인 0V를 출력전압의 공통 전압(common voltage)으로 설계한다. 뿐만 아니라 미스매치(miss match), 공급전압의 변화, 패치 전압의 변화 등에 의해 DC전류가 인체로 흐를 수 있으므로 항상 출력 노드가 패치 전압을 따라갈 수 있는 DC 서보 루프(DC servo loop)가 필요하다. DC 서보 루프(DC servo loop)는 높은 DC 이득과 상대적으로 낮은 고주파 이득을 가진 Op-amp를 이용한 음성피드백루프로서 DC 전류는 필터링하고 500kHz의 사인 전류만 인체로 흘려 보낸다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류전류 인가회로의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 18(a)는 DC 서보 루프(DC servo loop)의 오픈 루프 AC 응답(open loop AC response)을 나타내고, 도 18(b)는 DC 서보 루프(DC servo loop)의 클로즈 루프 AC 응답(closed loop AC response)을 나타낸다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 PGA 회로를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 임피던스를 측정하기 위해 동맥혈관벽과 접촉된 전극에 전류를 흘려주는 전압값을 읽는다. 이때, 대략 접촉 임피던스 값은 300Ω에서 가열됨에 따라 100Ω~200Ω까지 감소한다. 의료규정에 따라 인체에 인가할 수 있는 교류 전류는 100uAp-p이므로 알려져 있는 접촉 임피던스에 의해 30mVp-p의 전압이 컨택(contact)에서 나타난다. 이러한 전압값은 풀 레인지(Full Range)가 1V인 ADC에서 처리하기에 매우 작은 값이므로 증폭이 필요하다. 따라서 최대이득이 29dB이고 6bit으로 디지털 컨트롤되는 C2C PGA(Cap to Cap Programmable Gain Amplifier)를 설계하였다. 입력신호가 대역폭을 갖지 않고 500kHz의 1톤(tone)이므로 500kHz에서의 이득만 보장하면 되므로 로우(Low) 3dB코너를 낮게 설정할 필요가 없다. 따라서 약 23kHz로 설정하였다. 또한, 하이(High) 3dB코너는 고주파 노이즈가 들어오지 않고, PVT 변화(variation)에도 500kHz에서 디자인된 이득을 보장하기 위해서 마진을 두어 1.23MHz로 설정하였다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출기(Peak Detector)의 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 20(a)는 피크 투 피크 검출기(Peak to Peak Detector)의 구조를 나타내는 도면이고, 도 20(b)는 피크 투 피크 검출기(Peak to Peak Detector)의 동작원리를 나타내는 도면이다.
임피던스는 크기와 위상으로 이루어진다. 신장동맥 신경절제술에서는 임피던스의 크기정보만 필요하므로 임피던스의 크기를 측정하기 위해서 교류 전압의 피크 투 피크(Peak to Peak) 정보만 필요하다. 따라서 C2C PGA의 출력에서 증폭된 교류 전압의 피크 투 피크(Peak to Peak) 정보를 ADC에서 읽기 위해서 피크 투 피크 검출기(Peak to Peak Detector)가 필요하다. 도 20은 피크 투 피크 검출기(Peak to Peak Detector)의 구조와 동작원리를 나타낸다. 입력 S/H(Sample and Hold) 회로가 한 클락 사이클마다 입력을 홀드하고 비교기가 입력과 홀드된 입력값을 비교한다. 비교기의 결과는 입력의 최대값과 최소값 다시 말해, 피크(peak)에서 반전되므로, 이때의 값을 샘플하여 피크(peak)값을 얻는다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출기(Peak Detector)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 샘플링 클락의 속도가 빠를수록 오차가 적은 피크(peak)값을 얻을 수 있으므로 칩에서 가장 빠른 클락인 16MHz를 이용하였다. 또한 이득 에러를 줄이기 위해 클락은 입력신호와 동기화되어 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog to Digital Convertor)를 나타내는 도면이다.
IC에서 센싱한 온도와 임피던스 정보를 노이즈에 강한 디지털 통신을 이용하여 외부의 파워 생성기로 전송하기 위해서는 아날로그 정보를 디지털로 변화하는 아날로그-디지털 변환기가 필요하다. 예를 들어, 대략 직경이 5mm인 신장동맥 속에 들어가는 IC 설계를 위해서는 ADC역시 최대한 사이즈가 작아야 하므로, 본 발명에서는 도 22와 같이 하나의 ADC를 공유하여 두 가지 정보를 실시간으로 변환하는 회로를 제안한다. 이러한 ADC의 공유가 가능한 이유는 온도와 임피던스의 변화가 ADC의 동작속도에 비해 매우 느리기 때문에 데이터 샘플링 속도가 느려도 잃는 정보가 적기 때문이다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 다중전극 신장신경절제 시스템에 있어서,
    복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 파워생성기; 및
    상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치되고, 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 카테터
    를 포함하고,
    상기 제어데이터는 단일전선을 통해 시분할 통신 방식을 이용하여 미리 정해진 시간 간격을 두고 순차적으로 전송되는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집적회로는,
    공급 전압을 공급하기 위한 VDD 선, GND 선 및 데이터통신을 위한 데이터 선을 이용하여 상기 파워생성기와 연결되고, 상기 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 상기 집적회로의 내부의 레귤레이터를 이용하여 상기 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어데이터는,
    상기 파워생성기 내부의 MCU에서 전송되는 패킷의 형태이고, 상기 패킷에는 미리 정해진 ID 데이터가 존재하며, 상기 ID는 상기 제어데이터가 상기 복수의 전극들에 내장된 집적회로들 중 상기 미리 정해진 ID에 상응하는 특정 집적회로로 전송되는 데이터임을 나타내는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어데이터를 수신한 특정 집적회로는 상기 제어데이터를 수신한 후, 다음 구간에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집적회로는,
    상기 파워생성기로부터 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 이용하여 상기 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급하는 레귤레이터;
    상기 파워생성기로부터 상기 제어데이터를 수신 받고, 온도 센서 및 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 상기 파워생성기로 전송하는 통신부;
    밴드갭 기준 회로 내부의 온도 비례 전류를 이용하여 온도를 측정하는 온도 센서; 및
    미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 임피던스 센서;
    상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 공유 ADC; 및
    상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 히터
    를 포함하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 히터는,
    상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 PWM 펄스 생성회로를 통해 PWM 펄스로 변환하고, 드라이버회로를 통해 상기 PWM 펄스를 이용하여 복수의 MOSFET 스위치를 병렬로 제어함으로써 상기 히터의 저항의 소모전력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 히터의 상기 저항의 소모전력을 제어함으로써 상기 전극을 통해 혈관벽에 직접 열을 전달하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 임피던스 센서는,
    DDS방식을 이용하여 사인파의 전압을 생성하는 디지털 사인파 생성기;
    상기 생성된 사인파의 전압을 전류로 변환하여 상기 전극에 교류전류를 인가하는 교류전류 인가회로;
    임피던스를 측정하기 위해 상기 전극에 인가된 교류전류에 의한 교류전압을 증폭하는 PGA; 및
    상기 증폭된 교류전압의 피크 투 피크 정보를 검출하는 피크 검출기
    를 포함하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 공유 ADC는,
    상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 통해 측정된 두 가지 정보를 실시간으로 변환하기 위해 하나의 공유 ADC를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템.
  11. 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법에 있어서,
    파워생성기가 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 하는 단계; 및
    상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치된 카테터에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제어데이터는 단일전선을 통해 시분할 통신 방식을 이용하여 미리 정해진 시간 간격을 두고 순차적으로 전송되는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파워생성기가 복수의 전극들의 온도를 조절하기 위한 제어데이터를 전송하는 하는 단계는,
    상기 제어데이터를 전송하기 전, 상기 파워생성기 내부의 MCU와 상기 복수의 전극들에 내장된 집적회로들 간에 주파수 및 위상의 동기화를 수행하고,
    상기 제어데이터를 수신한 특정 집적회로는 상기 제어데이터를 수신한 후, 다음 구간에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 파워생성기로부터 수신 받은 상기 제어데이터에 의해 제어되는 집적회로가 내장된 상기 복수의 전극들이 배치된 카테터에서 상기 집적회로를 이용하여 측정된 정보를 상기 파워생성기로 전송하는 단계는,
    상기 파워생성기로부터 VDD 선을 통해 공급된 공급 전압을 이용하여 레귤레이터를 통해 상기 집적회로의 내부의 각 블록들이 필요로 하는 복수의 전압들을 생성하여 공급하는 단계;
    온도 센서의 밴드갭 기준 회로 내부의 온도 비례 전류를 센싱하여 온도를 측정하는 단계;
    임피던스 센서를 통해 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 단계;
    공유 ADC를 통해 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 단계;
    상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보를 디지털화하여 단일전선을 통해 상기 파워생성기로 전송하는 단계; 및
    상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보에 따라 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 히터의 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 단계
    를 포함하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 온도 센서의 밴드갭 기준 회로 내부의 온도 비례 전류를 센싱하여 온도를 측정하는 단계는,
    상기 측정된 온도가 목표 온도보다 낮을 경우 히터의 공급전류량을 증가시키고, 측정된 온도가 목표 온도보다 높을 경우 히터의 공급전류량을 감소시키기 위해 활용되는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 임피던스 센서를 통해 미리 정해진 전류를 인가하고 전압변화의 절대값을 센싱하여 임피던스를 측정하는 단계는,
    DDS방식을 이용하여 사인파의 전압을 생성하고, 상기 생성된 사인파의 전압을 전류로 변환하여 상기 전극에 교류전류를 인가하고, 임피던스를 측정하기 위해 상기 전극에 인가된 교류전류에 의한 교류전압을 증폭하여 상기 증폭된 교류전압의 피크 투 피크 정보를 검출하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 공유 ADC를 통해 상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서에 의해 측정된 정보를 디지털화 하는 단계는,
    상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 통해 측정된 두 가지 정보를 실시간으로 변환하기 위해 하나의 공유 ADC를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 온도 센서 및 상기 임피던스 센서를 이용하여 측정된 정보에 따라 상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 이용하여 히터의 소모전력을 제어함으로써 온도를 조절하는 단계는,
    상기 파워생성기로부터 수신 받은 제어데이터를 PWM 펄스 생성회로를 통해 PWM 펄스로 변환하고, 드라이버회로를 통해 상기 PWM 펄스를 이용하여 복수의 MOSFET 스위치를 병렬로 제어함으로써 상기 히터의 저항의 소모전력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 저항의 소모전력을 제어함으로써 상기 전극을 통해 혈관벽에 직접 열을 전달하는 것
    을 특징으로 하는 다중전극 신장신경절제 시스템의 구동 방법.
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