KR200428468Y1

KR200428468Y1 - 교차 증폭형 자기신경 치료기

Info

Publication number: KR200428468Y1
Application number: KR2020060019546U
Authority: KR
Inventors: 김휘영; 김성삼; 강재홍; 김혜미; 김현지; 김수진; 김태경; 도영인; 박세운; 임민수; 이상두; 정종진; 정경옥
Original assignee: 동주대학 산학협력단; 김휘영
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2006-10-11

Abstract

본 고안은 직렬공진컨버터에 의하여 직류가 입력되는 브릿지 회로를 구성하는 4개의 다이오드와 상기 브릿지 회로의 일측 가지의 다이오드에 각각 병렬연결된 2개의 캐패시터와 상기 브릿지 회로의 타측 가지의 다이오드에 각각 역병렬 연결된 2개의 스위칭 소자와 상기 브릿지 회로의 중성점을 병렬 연결시키되, 상기 병렬연결된 가지에는 자기신경 치료기의 코일프로브와 다이오드가 각각 형성되며, 상기 다이오드의 방향은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 교차 증폭형 자기신경 치료기에 관한 것이다.

본 고안에 의하여 커패시터에 전하를 충, 방전 제어하기 용이하며 전압과 전류펄스 포밍이 자유로운 영전압 하프 브리지 방식의 스위칭기법을 도입하여 고반복, 고효율, 시스템의 크기, 무게, 전력효율을 제공하는 교차 증폭형 자기신경 치료기가 제공되는 이점이 있다.

직렬공진 컨버터, 브릿지회로, 다이오드, 스위칭소자, 중성점

Description

교차 증폭형 자기신경 치료기{Crossing High-Amplitude Magneto-Therapy device}

도 1은 본 고안에 의한 브릿지 회로의 회로도

도 2 내지 도 9는 도 1의 구동상태를 설명하는 회로도

도 10은 입력에 대한 커패시터 출력의 그래프

도 11은 브릿지 회로의 각 가지 출력의 그래프

자기신경 자극시스템은 1980년대 Barker 등에 의해 개발된 후 많은 개선이 되어왔는데, 자기신경 자극 시스템은 시간적으로 변화하는 자계를 인체내부에 전계를 유도하는 방식으로서, 특히, 무접촉성, 무침습적 으로 깊고 넓은 부위의 자극이 가능한 이점으로 뇌질환, 신경, 근력, 요실금 등 재활치료까지 근래에 와서 활발하게 연구가 활발히 진행 중이다.

상기 자기신경 자극시스템은 인체내에서 전계유도를 이용 하는데 전계크기는 전기자극에서 사용되는 전계의 크기, 수십 V/m 정도가 되어야 하기 때문에 생체에 인가 해야 할 펄스형 시변자계의 크기는 수telsa 정도가 되어야 하며 시변자계의 스위칭시간도 수백msec이하 여야 한다.　

이와 같이, 강한자계를 짧은시간 내에 스위칭해야 하는 기술적인 제약 때문에 초기단계 자기신경 자극 시스템의 자계펄스 발생주파수는 수Hz미만 이었다.

따라서, 자기신경자극시스템은 치료목적보다 신경계통의 기능을 측정하는 진단으로 많이 사용하였다. 자기신경 자극시스템을 다목적 치료목적으로 사용할 경우 자극 주파수가 가변적이어야 함으로 자극코일의 용량이 크다. 또한, 자극코일에 발생하는 열량도 주파수에 비례하여 증가하기 때문에 자극코일 온도상승에도 주의해야 한다.

자기신경 자극시스템은 자기자극이 가능하기 위해서는 전계의 크기가 수십 V/m 이상이 되어야 하며 수KV의 고압을 필요한 에너지를 저장하는 커패시터와 이를 방전 하여 자계를 형성시키는 코어, 코일선으로 구성되어 있다. 특히, 커패시터에 충, 방전하여 수백sec이내에 짧은시간 안에 코일프로브(자극코일)로 방전시켜 수kA의 전류를 발생시킨다. 이로인해 펄스형태의 자계가 형성되며 인체 내 와전류를 유발시켜 자극하게 된다. 이와같은 신경자극 할 정도의 와전류를 발생시키기 위해서는 다양한 펄스포밍 형태로 발생시켜야 한다. 이러한 성능을 구현하기 위해서는 대용량 전원장치와 고내압과 고반복, 고스위칭 소자, 다양한 제어기법 등이 요구된다.

일반적인 자기신경 자극시스템은 커패시터에 전하를 고전압으로 충전하기 위해서는 60hz정현파 전원을 승압 시켜 이를 정류하는 방식을 사용하고 있고 승압에 따른 변압기의 권선비, 전력손실, 크기, 시스템의 복잡성, 고전압, 고전류 제어등의 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 고안은 커패시터에 전하를 충, 방전 제어하기 용이하며 전압과 전류펄스 포밍이 자유로운 영전압 하프 브리지 방식의 스위칭기법을 도입하여 고반복, 고효율, 시스템의 크기, 무게, 전력효율을 제공하는 교차 증폭형 자기신경 치료기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 직류가 입력되는 브릿지 회로를 구성하는 4개의 다이오드와 상기 브릿지 회로의 일측 가지의 다이오드에 각각 병렬연결된 2개의 캐패시터와 상기 브릿지 회로의 타측 가지의 다이오드에 각각 역병렬 연결된 2개의 스위칭 소자와 상기 브릿지 회로의 중성점을 병렬 연결시키되, 상기 병렬연결된 가지에는 자기신경 치료기의 코일 프로브와 다이오드가 각각 형성되며, 상기 다이오드의 방향은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 교차 증폭형 자기신 경 치료기를 기술적 요지로 한다.

이하 도면과 함께 본 고안에 관하여 살펴보기로 하며, 본 고안을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 고안을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 고안에 의한 브릿지 회로의 회로도이며, 도 2 내지 도 9는 도 1의 구동상태를 설명하는 회로도이며, 도 10은 입력에 대한 커패시터 출력의 그래프이며, 도 11은 브릿지 회로의 각 가지 출력의 그래프이다.

신체 모든기능을 활성화, 협동, 조절하는 구조들의 광범위하게 얽힌 연결망으로 뇌, 척수의 중추신경계, 뇌신경, 척수신경의 말초신경계로 나눌수 있는데, 이러한 형태학적 하위영역은 원심성, 구심성 신경섬유와 신체의 체성, 내장성 부분과 서로 결합한다.

구심성 섬유는 감각 자극을 중추신경계로 전달하고 원심성 섬유는 중추신경계에서의 운동신경 흥분파를 근육과 다른기관으로 전달한다.

체성섬유는 뼈, 근육, 피부와 관련하고 내장성 섬유는 내부장기, 혈관, 점막, 근조직 활동에 주요한 역할을 하는 데 이를 계측하고 치료하기 위하여 중요한 기술인 시스템의 특성을 높이기 위한 Crossing High-Amplitude Magneto-Therapy의 도입을 위한 펄스포밍 회로를 설계하고 코일 프로브의 효율을 한 단계 올리기 위한 설계와 제작을 통해 특성을 구하고자 한다.

본 고안은 반브리지 방식으로 구성되는데, 같은 용량의 커패시터 두개가 직류입력전압 다이오드 브릿지 회로의 일측 가지에 상기 다이오드에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 이때, 두 커패시터의 접합점은 중성점이 되어 각 커패시터에 Vd/2의 전압이 걸린다.

커패시터는 전위가 음의 직류에 대해 항상 일정하게 유지될 만큼의 용량이면 족하다.

반브리지 방식에서의 스위치들의 첨두전압 및 전류정격은 아래와 같다.

Vt= Vd

It = Io, peak

또한, 상기 브릿지 회로의 타측 가지의 다이오드에는 각각 역병렬 연결된 2개의 스위칭 소자를 가지며, 상기 스위칭 소자는 부하전류I_o보다 Vd/Z_o만큼 더 높은 첨두전류를 도통시킬 수가 있다. 영전류에서 스위치를 자연스럽게 꺼지게 하기 위해서는 부하전류Io가 vd/Zo를 초과하지 않으면 된다.

스위치와 역병렬로 다이오우드를 연결함으로서 출력전압의 변동에 민감하지 않도록 만들 수가 있다.

영전류 직렬공진 컨버터적용 펄스포밍 네트워크는 도 1과 같이 스위칭 소자(IGBT1, 2 ), 공진용 커패시터 (C1, C2)로 구성하고, 스위칭소자 및 코일프로브 에 흐르는 전류를 정현파형으로 하여 영전류에서 스위칭 소자의 온,오프를 행하기 때문에 원리적으로는 스위칭 손실이 없고 고주파화에 적합하다.

또한, 회로에 흐르는 전류가 정현파이므로 코일프로브에 급격한 펄스가 가해지는 것을 막을 수가 있으며, 컨버터에서 발생하는 잡음을 저감하는 등의 특징을 가진다.

상기 브릿지 회로의 입력특성은 직렬공진컨버터를 이용하며 출력밀도 제어는 일정 펄스폭 및 주파수에서 공진형 컨버터의 입력전압을 가변시켜 제어하는 방식과 공진형 컨버터의 스위칭주파수를 저주파에서 고주파로 가변시켜 제어하는 방식이 있다.

주파수제어의 경우 경부하에 따라 낮은 주파수로 이동하여 동작시, 저주파 스위칭 동작에 따른 동작 불안정과 acoustic 노이즈가 발생하는 단점이 있으므로 본 고안에서는 도 1에 도시된 바와 같이 공진형 컨버터 입력전압을 가변시켜 제어하는 방식을 채택하였다.

본 고안의 회로 동작순서를 간략하게 설명하면 다음과 같다.

초기상태에서 공진커패시터 c2가 공진형 컨버터 입력전압 Vin으로 충전되고 공진커패시터 c1에는 영전압으로 되어 있고, 스위칭소자 Q1, Q2 는 off 상태로 코일 프로브(coil probe)에 전류가 흐르지 않고 시머 트리거된 도 2의 상태에 있다고 가정한다.

스위칭소자 Q1을 온(on)시키면 도 3과 같이 c2-Q1-Lr-coil probe 1-C2의 루프와 도 4에 도시된 바와 같이 Vin-Q1-Lr-D3-코일 프로브(coil probe) 1-c1의 루프 를 통해 공진전류가 흐르고 에너지를 코일 프로브(coil probe) 1에 공급한다.

또한, c2가 도 10의 t1시점에서 방전된 후는 공진인덕터 Lr에 흐르는 전류는 도 5와 같이 Lr-D3- 코일 프로브(coil probe) 1-D1-Q1-Lr의 루프로 전류가 흘러 공진커패시터 c2 의 전압Vc2를 영으로 공진 커패시터c1의 전압 Vc1을 입력전압으로 한다.

공진전류가 0으로 된후 스위칭소자Q1이 오프되면 좋지만 코일 프로브(coil probe)의 tailing current가 계속해서 흐르므로 계산된 온 time후 강제적으로 오프시키면 이때의 공진전류는 도 6과 같이 Lr-D3- 코일 프로브(coil probe) 1-D1-Vin-D6-Lr로 흐르면서 공진전류를 영으로 저감시킨다.

이에 대한 파형이 도 11에 도시되어 있으며, 이때의 코일 프로브(coil probe) 2는 D4에 의해 블록킹 되어 있으므로 전류를 흐르지 않고 코일 프로브(coil probe) 1에만 에너지를 공급하게 된다.

일정시간 후에 Q2가 온 되면 도 7과 같이 C1- coil probe 2-D4-Lr-Q2-C1의 루프와 도 8과 같이 Vin-C2- coil probe 2-D4-Q2-Vin 의 루프로 공진전류가 흐르고 공진인덕터Lr에는 전과는 반대방향의 공진전류가 흘러 coil probe 2에 에너지를 공급한다.

또한, 공진커패시터 c1이 방전된후 Lr의 공진전류는 도 9과 같이 Lr-Q2-D2- coil probe 2-D4-Lr의 루프로 흐르면서 코일 프로브(coil probe)에 에너지를 방출하면서 전류는 영이 된다.

공진커페시터 c2의 양단전압은 Vc2는 D2 때문에 클램프되고 이후 동작은 반 복된다. 이에 대한 직렬공진컨버터의 시뮬레이션 파형은 도 10에 나타냈다.

본 고안의 제어회로 블록도는 전원회로와 구동회로에 의한 로직게이트, PWM제어, 톱니파발생, 정현파발생, 정지명령, 보호회로 기능, 카운터, 제한회로, 보호회로 등으로 구성할 수가 있다.

이상 본 고안과 같이 일반적으로 의료기기 및 통신기기를 비롯한 정밀전자 장비의 직류안정화 전원을 이용함으로서 전력 흐름의 제어를 펄스폭 변조방법 등을 적용할 수가 있고 리니어방식에 비해 안정된 장치 구현이 가능하다. 특히, 하프브리지 방식은 스위치전압 스트레스가 입력전압에 2배인 포워드, 푸시풀 방식과는 달리 스위치소자에 가해지는 전압스트레스가 입력전압의 크기와 같다는 특징을 가지고 있으며, 각각의 스위치구동 파형이 반파대칭인 형태를 띄고 있기 때문에 주로 대용량컨버터에 적합한 구조를 폭넓게 활용이 될 수가 있다. 특히, 본 연구에서 제안한 방식은 기존의 펄스를 코일프로브(자극코일)로 한번만 출력시키는 방식에서 역방향 회로를 부가하여 코일프로브를 한번 더 출력시키는 효과를 가진다. 이로인해, 고반복, 고출력, 고효율의 출력을 얻을 수가 있다.

이하의 도면에 도시된 실시예는 본 고안이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 고안의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 도면에 제시된 것은 본 고안을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 실용신안청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 분 야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 고안의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

이상 설명한 본 고안에 의하여 커패시터에 전하를 충, 방전 제어하기 용이하며 전압과 전류펄스 포밍이 자유로운 영전압 하프 브리지 방식의 스위칭기법을 도입하여 고반복, 고효율, 시스템의 크기, 무게, 전력효율을 제공하는 교차 증폭형 자기신경 치료기가 제공되는 이점이 있다.

Claims

직렬공진컨버터에 의하여 직류가 입력되는 브릿지 회로를 구성하는 4개의 다이오드와;

상기 브릿지 회로의 일측 가지의 다이오드에 각각 병렬연결된 2개의 캐패시터와;

상기 브릿지 회로의 타측 가지의 다이오드에 각각 역병렬 연결된 2개의 스위칭 소자와;

상기 브릿지 회로의 중성점을 병렬 연결시키되, 상기 병렬연결된 가지에는 자기신경 치료기의 코일 프로브와 다이오드가 각각 형성되며, 상기 다이오드의 방향은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 교차 증폭형 자기신경 치료기.
제1항에 있어서 상기 브릿지 회로의 중성점에 병렬연결된 가지에는

공진 코일이 더 추가되는 것을 특징으로 하는 교차 증폭형 자기신경 치료기.