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문제 정의
- 검증되었다. 기존 연구결과를 근거로, 본 논문에서는 자기장을 이용하여 당뇨병, 고지혈증, 동맥경화, 수족냉증, 버거씨병, 손가락 관절염 등 인체의 말단부위에서 발생하는 혈액순환과 신경 및 통증문제를 해결하기 위한 알고리즘과 시스템을 설계하였다. 기존의 자기장을 이용한 치료기기와 다르게 손가락 전용의 솔레노이드형 자기 장 자극기를 설계하였으며, 자극강도를 주파수에 따라조절하고자극방식을3가지로 선택함에 따라 환자의 증상 및 질환 상태에 따라 맞춤형 치료가 가능하도록 하였다.
- 기존의 많은 연구에 의하여 골과 연골의 자극 및 염증성 관절 장애' 혈류 및 신경 개 선에 충분한 효과가 있다고 검증된 자기장 자극을 이용한다면 치료 효과에 충분한 가능성이 있을 것으로 판단하였다μ9卜[21]. 이 에본 연구에서는 수족냉증과 당뇨병으로 인해 유발된 인체 말초의 혈류와 신경장애 및 손가락 류마티스, 손가락 근육 강화의 치료 목적으로 비 침습적 미 약자기 장 자극 시스템을 설계하고자 한다. 설계한 시스템의 평가를 통해서, 손가락 표피부터 심부(골관절)까지 자기장 자극이 가능함을 확인하고, 이를 근거로, 특정 질환이나 신경 .
- 설계한 시스템의 평가를 통해서, 손가락 표피부터 심부(골관절)까지 자기장 자극이 가능함을 확인하고, 이를 근거로, 특정 질환이나 신경 . 혈류학적 문제로 통증유발 원인을 개선하는 새로운 치료 시스템 의의를 확보하고자 한다.
제안 방법
- H-Bridge에서의 자극전압이 인가되지 않을 시 릴레이(relay)를 통하여 인체와 완전히 단락을 시킴으로써 어떠한 자극도 인체에 인가되지 못하도록 설계하였다. 또한 그림 3과 같이, 자극 시 Relay의 On/OFF를 이용하여 N/S 모드에서 의 코일 에 가해 지 는 정 .
- N자극 후 주파수 설정 값에 따라 선택된 주파수의 Duty Time만큼 휴식 시간을 갖고 S자극을 하는 방식 을 반복하도록 하였다. 오랜 자극으로 인하여 코일에서의 누설전류로 인한 고열발생을 피하고 인체와 완전히 단락을 시 키 기 위해 자극을 하지 않을 시 와 Duty Time만큼의 무자극 시간에 Relay가 OFF를 하며 자극 할 시만 ON이 되도록 설계하였다.
- 오랜 자극으로 인하여 코일에서의 누설전류로 인한 고열발생을 피하고 인체와 완전히 단락을 시 키 기 위해 자극을 하지 않을 시 와 Duty Time만큼의 무자극 시간에 Relay가 OFF를 하며 자극 할 시만 ON이 되도록 설계하였다. N자극과 S자극 또한 고열 발생을 피하도록 N/S자극 모드와 동일한 방식으로 설계하였다.
- 기존 연구결과를 근거로, 본 논문에서는 자기장을 이용하여 당뇨병, 고지혈증, 동맥경화, 수족냉증, 버거씨병, 손가락 관절염 등 인체의 말단부위에서 발생하는 혈액순환과 신경 및 통증문제를 해결하기 위한 알고리즘과 시스템을 설계하였다. 기존의 자기장을 이용한 치료기기와 다르게 손가락 전용의 솔레노이드형 자기 장 자극기를 설계하였으며, 자극강도를 주파수에 따라조절하고자극방식을3가지로 선택함에 따라 환자의 증상 및 질환 상태에 따라 맞춤형 치료가 가능하도록 하였다.
- 당뇨병과수족냉증, 류마티스 외 여러 병증으로 인한 인체의 말단부위의 통증을 호소하는 환자에게 효과가 있을 것으로 사료되는바, 그림 1(우)과 같은 원리를 이용하여 자극원을 발생시키고, 시 변 미 약 자기 장 자극이 가능하도록 하였다.
- 자극 할 수 있도록 제작하였다. 또한 任 Bridge에서 생성된 역기전력과 역전류를 방지하기 위하여 다이오드와 커패시터를 사용하여 안전 방지 회로를 설계하였다.
- 본 연구에서는 손가락 말초 혈류와 신경을 개 선하고, 손가락 류마디스 및 근조직을 자극하는 것이므로 전체적인 근육을 자극하는 고자기장 방식은 적합하지 않다고 판단하였다. 또한 정상적 인 근조직과 신경을 포함하는 포괄적인 자극방식보다는 통증이 유발된 말단 부위에서 국소적으로 자극하는 것이 효율적 이라는 가정을 바탕으로 단일 24V를 이용하여 양 손 10개의 손가락을 자극할 수 있도록 솔레노이드형 코일을 제작하였다.
- Ltd, USA)을 이 용하였으며 자극할 채 널수와 자극모드 그리고 자극 주파수를 선택한 후 명령어를 인식하여 외부 하드웨어를 제어하도록 설계하였다. 또한, 파형 발생을 이용하여 아날로그스위치 (4066), 디지털 소자, Relay (TQ2-5V)를 제어 하였다.
- 마이 크로프로세서 로는 ATmegal28(ATmel co. Ltd, USA)을 이 용하였으며 자극할 채 널수와 자극모드 그리고 자극 주파수를 선택한 후 명령어를 인식하여 외부 하드웨어를 제어하도록 설계하였다. 또한, 파형 발생을 이용하여 아날로그스위치 (4066), 디지털 소자, Relay (TQ2-5V)를 제어 하였다.
- 손가락 길이와 굵기를 고려하여, 솔레노이드를 외경 23硼, 내경 20mi, 길이 60瞞로 제작하였다. 미 약 자기장 자극의 효과를 고려하여, 솔레노이드 중심 에서의 자속밀도가 200mT이상 발생하도록 하였으며, 인덕턴스(inductance)에 의한 열손실에 의한 열 발생을 최소화하기 위해서 코일 굵기와 권선수를 결정하였다.
- 말초혈관/혈류장애와 그로 인한신경 및 골관절염의 많은 생리 . 병 리 학적 질환을 치료하기 위하여 체외 자기 장을 자극원으로 설정하였다. 자기장은 매질의 저항율에 관계없이 자속이 투과하는성질을 갖으며, 그림 1(좌)과 같이인체 말단의 손가락에 시 변 펄스형의 자기 장을 투과 시키 면 Eddy Current?} 발생 한다.
- 본 논문에서는 다양한 패턴과 강도의 자기장을 이용하여 손가락 경피에서 골관절까지 자극할 수 있도록 설계하였으며, 실험을 통해 3축 자기장 측정 기 기를 사용하여 솔레노이드 내부에서 거리에 따라 자속밀도를 측정함에 따라 자기장 발생 및 자속밀도를 측정 함으로써 손가락 혈류와신경 및 근조직까지 영향을줄수 있음을 확인하였다.
- 본 시스템은 자극채널을 2, 4, 6, 8, 10채널로 선택함에 따라 H-Bridge에서 출력된24V의 전압이 인가되는 채널 방향을 Relay로 제어 하므로 2개의 H-Bridge로 총 10개 의채널을 자극 할 수 있도록 제작하였다. 또한 任 Bridge에서 생성된 역기전력과 역전류를 방지하기 위하여 다이오드와 커패시터를 사용하여 안전 방지 회로를 설계하였다.
- 본 연구에서 설계한 미 약 자기 장 자극시스템의 자기장 발생 및 세기(강도)를 측정하여 인체 자극을 통한 치료 효과 가능성을 확인하고자, 제작한 솔레노이 드 자속밀도를 측정, 평 가하기 위해서 그림 6과 같이 실험을 실시하였다’ 본 시스템은 손가락 표피층 아래에 존재하는 경피 신경, 말초혈관, 골관절, 근조직을 자극해야하므로거 리 에 따라 자속밀도를 측정하였다.
- 선택되지 않은 채널은 완전히 인가전압과 완전히 단락시킴에 따라 미세한 전류로 인한 자기장 생성까지 방지하였으므로 인가전압과 전류에 의한 순수 자기 장만을 생성 하도록 설계하였다. 또한 전류구동소자를 다수 사용함에 따라 순간적인 전류소모에 의하여 전압리플 생성으로 시스템의 불안정성을 해결하고자 사용하지 않는 채널은 완전히 오픈(。国1)시켰다.
- 이 에본 연구에서는 수족냉증과 당뇨병으로 인해 유발된 인체 말초의 혈류와 신경장애 및 손가락 류마티스, 손가락 근육 강화의 치료 목적으로 비 침습적 미 약자기 장 자극 시스템을 설계하고자 한다. 설계한 시스템의 평가를 통해서, 손가락 표피부터 심부(골관절)까지 자기장 자극이 가능함을 확인하고, 이를 근거로, 특정 질환이나 신경 . 혈류학적 문제로 통증유발 원인을 개선하는 새로운 치료 시스템 의의를 확보하고자 한다.
- 시 변 미 약 자기 장을 자극하여 다양한 혈류/신경 장애 문제를 개 선하기 위해서, 그림 3과 같이, 다양한 자극방식을 이용하여 자극패턴 및 자극강도를 치료목적에 맞추어 선택할 수 있도록 설정하였다.
- 실험에 사용된 자기장 측정기기는 Tesla meter((주)에스크상사)의 측정기기를 이용하였으며, 자속밀도가 X, Y, Z축에 대한 벡터형태로 발생함으로 3축에 대한 벡터의 합으로 환산된 자속밀도를 측정하여 분석하였다. 원통형 솔레노이드를 고정시키고, 자속밀도 측정 프로브를 솔레노이드의 중심에서부터 거리를0cm-3cm 단계로 자극방식과 주파수별로 자속밀도를 각각 10회 측정하여 평균값을환산하였다.
- 하였다. 오랜 자극으로 인하여 코일에서의 누설전류로 인한 고열발생을 피하고 인체와 완전히 단락을 시 키 기 위해 자극을 하지 않을 시 와 Duty Time만큼의 무자극 시간에 Relay가 OFF를 하며 자극 할 시만 ON이 되도록 설계하였다. N자극과 S자극 또한 고열 발생을 피하도록 N/S자극 모드와 동일한 방식으로 설계하였다.
- 원통형 솔레노이드를 고정시키고, 자속밀도 측정 프로브를 솔레노이드의 중심에서부터 거리를0cm-3cm 단계로 자극방식과 주파수별로 자속밀도를 각각 10회 측정하여 평균값을환산하였다.
- 이 때, 자극이 필요한 부위 만 자극하고, 정상적 인 근조직과 신경에 대한 자극영향을 최소화시키기 위하여 10채널 중 사용하고자하는 채널만 선택할 수 있도록 하였다.
- 이에 각 환자마다 질환에 대한 병증과 그에 따른 치료방식이 다르므로 다양한 자극방식과 주파수 가변에 따른 다양한 자속밀도를 발생시킬 수 있도록 자극방식 을 N자극, S자극, N/S자극의 세 가지 모드를 선 택할 수 있으며, 선택된 자극방식에 따라 1Hz, 0.5Hz, 0.25Hz까지 주파수 가변을 할 수 있도록 시스템을 설계 하였다.
대상 데이터
- 손가락 길이와 굵기를 고려하여, 솔레노이드를 외경 23硼, 내경 20mi, 길이 60瞞로 제작하였다. 미 약 자기장 자극의 효과를 고려하여, 솔레노이드 중심 에서의 자속밀도가 200mT이상 발생하도록 하였으며, 인덕턴스(inductance)에 의한 열손실에 의한 열 발생을 최소화하기 위해서 코일 굵기와 권선수를 결정하였다.
이론/모형
- 그림 2와 같이 양쪽 10개의 손가락에 체외 자기장으로 자극하기 위해서 솔레노이드형 코일 방식을 선택하였다. 손가락 길이와 굵기를 고려하여, 솔레노이드를 외경 23硼, 내경 20mi, 길이 60瞞로 제작하였다.
성능/효과
- 동일한 자극주파수에서 측정프로브와의 동일한 거리 조건에 대한 N자극과 S자극의 자속밀도는 미세한 차이를 확인하였다. 이는 두 자극은 서로 자극 전압과 인가된 전류의 방향이 반대지만 동일한 코일의 inductance가 같고 자속의 방향만 반대임으로 거의 동일 한 자속밀도가 발생 함을 확인하였다.
- 또한 Relay의 스위칭을 할 경우, 순간적인 서지전압이 발생하는 것을 고려하여 클리퍼(Clipper)를 이용하여 누설전류를 바이패스 시킴으로써 안전성을 높였다. 선택되지 않은 채널은 완전히 인가전압과 완전히 단락시킴에 따라 미세한 전류로 인한 자기장 생성까지 방지하였으므로 인가전압과 전류에 의한 순수 자기 장만을 생성 하도록 설계하였다.
- 이는 두 자극은 서로 자극 전압과 인가된 전류의 방향이 반대지만 동일한 코일의 inductance가 같고 자속의 방향만 반대임으로 거의 동일 한 자속밀도가 발생 함을 확인하였다. 또한, N/S 교 번 자극에 대한 자속밀도와도 큰 차이를 보이지 않았으며, N 혹은 S 자극보다 자속밀도가 낮게 측정되었다. 자속밀도는 측정거리 솔레노이드 중심부(Onun)에서, N 자극(294.
- 상태이다. 본 연구에서는 손가락 말초 혈류와 신경을 개 선하고, 손가락 류마디스 및 근조직을 자극하는 것이므로 전체적인 근육을 자극하는 고자기장 방식은 적합하지 않다고 판단하였다. 또한 정상적 인 근조직과 신경을 포함하는 포괄적인 자극방식보다는 통증이 유발된 말단 부위에서 국소적으로 자극하는 것이 효율적 이라는 가정을 바탕으로 단일 24V를 이용하여 양 손 10개의 손가락을 자극할 수 있도록 솔레노이드형 코일을 제작하였다.
- 솔레노이드 내부의 자속밀도는 중앙부위(0mm)에서 가장 높게 측정되었으며, 자기장이 매질의 저항률에 관계없이 투과하는 성질을 고려할 경우, 이는 손가락 표피에서 심부 골관절(골세포)까지 자기장 자극이 가능하다는 것을 의미함으로, 손가락의 경피부터 골관절까지 자기장 자극을 통해 다양한 질환을 치료할 수 있을 것으로 사료된다.
- 확인하였다. 이는 두 자극은 서로 자극 전압과 인가된 전류의 방향이 반대지만 동일한 코일의 inductance가 같고 자속의 방향만 반대임으로 거의 동일 한 자속밀도가 발생 함을 확인하였다. 또한, N/S 교 번 자극에 대한 자속밀도와도 큰 차이를 보이지 않았으며, N 혹은 S 자극보다 자속밀도가 낮게 측정되었다.
- 자기장 측정기기를 통해 자속밀도를 측정한 결과, 표 1과 같이 전체적으로 자극방식과 자극주파수에 관계없이 측정프로브가 솔레노이드의 중심(0cm)에 근접할수록 자속밀도가 급격히 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다.
후속연구
- 25Hz의 자극주파수에서 가장 높은 자 속 밀도가 측정되었다. 동일 거리에서 자극방식에 대한 자속밀도의 큰 차이는 나타나지 않았으나, 자극 패턴에 영향을 주어서 인체 내부에 발생하는 와전류 패턴을 다양하게 발생시킬 수 있으므로 다양한 치료목적에 사용될 수 있으며, 다양한 치료효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 추후 연구로, 말초혈류 및 신경장애로 인한 병변을 치료할 수 있는 시스템의 임상유효성을 검증하기 위해서 다양한 자극주파수에 따른 자극강도와 자극방식 에 따라 혈액순환계와 신경 계, 근육계를 대상으로 다양한 생체반응을 분석하여, 환자의 상태에 따라 최적의 자극 패턴을 찾는 연구가 진행되어야 할 것이다.
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