[논문]개인용 고주파 전기자극기의 주파수 가변 설계 및 출력 특성의 분석

장경욱; 임지현; 백승명; 손진근

doi:10.5370/kieep.2016.65.1.025

개인용 고주파 전기자극기의 주파수 가변 설계 및 출력 특성의 분석
Analysis of Output Characteristics and Frequency Variation Design for Personal High Frequency Electrical Stimulation Medical Devices 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.65 no.1, 2016년, pp.25 - 30

장경욱 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University) , 임지현 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University) , 백승명 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University) , 손진근 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, personal electrical stimulation medcial devices using bioelectrical stimulating was developed. Therapy effect of RET(resistive electric transfer) was more effective than CET(capacitive electric transfer), but CET was adopted because of safety issue. Then, the optimum parameters that may be effective in thin skin or facial wrinkles was set. For example, the frequency of the pulse voltage for stimulation is 1.8[MHz], burst frequency is 7[kHz] or 400[Hz], the development of devices was to have ON/OFF control and frequency control. When burst frequency was adjusted 7[kHz], heat was generated in the electrode. The case of 400[Hz] the heat was little generated. The microcontroller ATmega128-based experimental results show that the proposed personal high frequency electrical stimulation devices can be applied to medical equipment using therapy effect successfully.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

출력의 고주파는 +극 출력의 프로브(도자)와 접지 패드를 이용한 모노폴라 방식을 이용하여 최대전압으로 출력하였으며, 출력측정은 5[kΩ]/10[W]용량의 시멘트저항 5개를 병렬로 연결한 부하를 기준으로 하였다. ON/OFF 비율은 1:10의 비율에 맞추어 급격한 근수축 현상을 방지하고자 하였다.
본 논문에서는 개인용 고주파 전기자극기의 설계 제작을 위하여 가정용으로 사용하기에 적합한 CET 자극 방식을 채택하였다. 이의 고주파 전기자극기의 설계 주요변수는 전기 치료학에서 대두되는 것과 같이 자극의 변수가 많고, 전극의 위치 등과 같은 요인도 고려되기 때문에 다양한 검증을 통해 근육 및 피부 등 신체조직을 효과적으로 자극할 수 있는 출력변수를 찾는 것이 매우 중요하다.
본 논문에서는 열감이나 효과적인 측면보다는 가정용으로 사용하기에 안전상의 문제에 적절한 용량성 통전방식인 CET방식을 채용하여 전압가변 정전류형의 개인용 고주파 전기자극기를 개발하였다. 전기자극기의 고주파발진과 전압 가변을 위한 하드웨어와 출력 파형의 가변에 안전성 기능을 프로그래밍 하였다.
의료기기들은 하드웨어와 소프트웨어의 복합적인 상호작용으로 구동되고 있으며, 인체에 직접적으로 자극을 주는 경우가 많기 때문에 유해성 및 생체적합성 특히나 전기자극기 같은 경우에는 출력의 안전성을 충분히 고려해야한다. 이의 목적에 부합하기 위하여 본 논문에서는 다양한 조건으로 실험을 수행하였다.

제안 방법

고주파 자극기의 회로에 사용된 컨트롤러 MCU는 저전력 8비트 CMOS 마이크로 컨트롤러인 ATmel사의 ATmega128 모델을 사용하였고 CPU의 프로그램은 AVR Studio v.4.18 컴파일러를 사용하여 소프트웨어를 개발하였다. 그림 4는 본 논문에서 개발된 고주파 전기자극기의 구성 블록도를 나타낸 것이다.
그 조절 값들을 사용자가 쉽게 알아볼 수 있도록 상태표시장치에 FND를 이용하여 출력의 강도를 1∼100 사이의 숫자 값으로 강과 약을 표현하도록 하였다.
따라서 본 논문에서는 위의 변수 및 파라미터, 출력주파수 가변에 따른 특성 분석을 수행하였다. 전기자극기의 고주파발진과 전압가변을 위한 출력을 얻기 위하여 마이크로 컨트롤러 ATmega128기반의 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하였다.
본 논문에서 제작된 전기자극기의 출력 실험은 7[kHz]와 400[Hz]의 돌발주파수를 변수로 하여 각각 실험을 진행하였다. 출력의 고주파는 +극 출력의 프로브(도자)와 접지 패드를 이용한 모노폴라 방식을 이용하여 최대전압으로 출력하였으며, 출력측정은 5[kΩ]/10[W]용량의 시멘트저항 5개를 병렬로 연결한 부하를 기준으로 하였다.
일반적으로 전기자극 치료를 처음 수행할 경우에는 작동시간을 적게 하고, 중지시간을 길게 하다가 서서히 근수축 반응을 관찰하면서 작동시간을 늘려 치료하는 것이 바람직하다[3]. 본 논문에서는 그림 3과 같은 T1 = 0.2[s], T2 = 2[s], T3 = 3[s] 비율의 출력파형으로 동작 설계하였으며, ON/OFF의 시간에 따라 출력의 크기가 달라진다.
본 논문에서는 반송파 주파수에 다양한 펄스모드를 인가한 그림 2와 같은 형태의 시간변조 교류를 출력파형으로 제작하여 조직에 강한 운동자극을 줄 수 있도록 시스템을 구성하였다.
가령 지방분해의 목적을 가지는 경우에는 다소 낮은 주파수 대역을 사용하며, 상대적으로 높은 주파수 대역의 전류는 진피까지 열을 발생시키기 어려움이 있어 얼굴이나 눈가 주름 같은 얇은 피부에 사용한다. 본 논문에서는 피부미용의 목적으로 설계하기 위하여 인가 주파수를 약 1.8[MHz]로 설정하였다.
이의 예시에 따라 본 논문에서는 미용효과를 얻기 위한 열효과가 필요하기 때문에 열감을 느낄 수 있도록 25[W] 이상의 출력이 나올 수 있게끔 돌발주파수를 약 7[kHz]로 설정하였다.
그림 7은 제작된 고주파 전기자극기의 MCU 및 주변회로(우)와 승압된 고전압회로와 고속 스위칭소자 신호처리의 출력부를 취부한 사진이다. 저전력 ATmega128의 컨트롤러 모델과 AVR Studio 컴파일러가 결합되어 소프트웨어를 프로그램이 가동되며, 승압된 고전압 고속 스위칭소자인 MOSFET를 통하여 고주파파형 및 안전 동작기능의 스탑패달 기능을 수행하게 하였다.
본 논문에서는 열감이나 효과적인 측면보다는 가정용으로 사용하기에 안전상의 문제에 적절한 용량성 통전방식인 CET방식을 채용하여 전압가변 정전류형의 개인용 고주파 전기자극기를 개발하였다. 전기자극기의 고주파발진과 전압 가변을 위한 하드웨어와 출력 파형의 가변에 안전성 기능을 프로그래밍 하였다. 제작된 기기의 출력파형이 설계한 변수들과 일치하는지 부하에 출력을 가하여 주파수, ON/OFF 시간, 전압진폭 등의 안전성 실험을 수행하였다.
따라서 본 논문에서는 위의 변수 및 파라미터, 출력주파수 가변에 따른 특성 분석을 수행하였다. 전기자극기의 고주파발진과 전압가변을 위한 출력을 얻기 위하여 마이크로 컨트롤러 ATmega128기반의 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 기기의 출력파형이 설계한 변수들과 일치하는지 부하에 출력을 가하여 주파수, ON/OFF 시간, 전압 진폭 등 안전성을 검증하였으며, 피부의 치료 목적에 따라 전극도자에서 약한 열감 및 돌발 주파수의 변화에 따라 그 열감의 세기가 변하는 것을 확인하였으며, 듀티비 가변에 따른 출력의 세기를 증감시키면서 안면 부 미용 뿐 아니라 더 다양한 의료 목적으로 사용 가능함을 확인 할 수 있었다.
전기자극기의 고주파발진과 전압 가변을 위한 하드웨어와 출력 파형의 가변에 안전성 기능을 프로그래밍 하였다. 제작된 기기의 출력파형이 설계한 변수들과 일치하는지 부하에 출력을 가하여 주파수, ON/OFF 시간, 전압진폭 등의 안전성 실험을 수행하였다.
주파수가변 기능은 사용자의 조작에 따라 입력을 받으며 그 입력을 받게 되면 스탑버튼 정지패달의 알고리즘을 다시 거치게 된다. 최종적으로는 타이머에 따라서 기기의 동작이 제어가 되도록 프로그래밍 하였다.
본 논문에서 제작된 전기자극기의 출력 실험은 7[kHz]와 400[Hz]의 돌발주파수를 변수로 하여 각각 실험을 진행하였다. 출력의 고주파는 +극 출력의 프로브(도자)와 접지 패드를 이용한 모노폴라 방식을 이용하여 최대전압으로 출력하였으며, 출력측정은 5[kΩ]/10[W]용량의 시멘트저항 5개를 병렬로 연결한 부하를 기준으로 하였다. ON/OFF 비율은 1:10의 비율에 맞추어 급격한 근수축 현상을 방지하고자 하였다.

성능/효과

7[kHz]의 경우 최대 출력은 약 30[W]로 도자에 약간의 열감을 느낄 수 있었고, 400[Hz]의 경우 출력이 약하여 열감을 느끼기에는 다소 어려움이 있었다. ON/OFF비율을 조정하여 더 강한 출력을 낼 수 있을 것으로 예상하였으며 본 논문에서 설계한 전기자극기는 안면 주름개선 등의 용도이므로 다소 약한 출력을 유지하였다.
전기자극기의 고주파발진과 전압가변을 위한 출력을 얻기 위하여 마이크로 컨트롤러 ATmega128기반의 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 기기의 출력파형이 설계한 변수들과 일치하는지 부하에 출력을 가하여 주파수, ON/OFF 시간, 전압 진폭 등 안전성을 검증하였으며, 피부의 치료 목적에 따라 전극도자에서 약한 열감 및 돌발 주파수의 변화에 따라 그 열감의 세기가 변하는 것을 확인하였으며, 듀티비 가변에 따른 출력의 세기를 증감시키면서 안면 부 미용 뿐 아니라 더 다양한 의료 목적으로 사용 가능함을 확인 할 수 있었다.
그림 8은 시간축을 1[s]로 조정한 상태이다. 동작시간(ON)이 약 0.2[s], 중지시간(OFF)이 약 2[s]임을 확인하여 ON/OFF 비율이 1:10로 작동함을 확인하였으며, 또한 그 파형을 확대한 결과 시간변조 교류전류 형태의 모습임을 확인 할 수 있었다. 그림 9에서는 시간 축을 조정하여 ON 시간시 돌발주파수가 7[kHz]임을 더욱 확연하게 볼 수 있다.
실험의 결과로는 얇은 피부의 치료를 목적수행에 따라 전극도자에서 약한 열감을 느낄 수 있었으며, 돌발 주파수의 변화에 따라 그 열감의 세기가 변하는 것을 확인하였다. ON/OFF시간 및 듀티비 가변에 따른 출력의 세기를 증감시켜 사용하게 된다면 안면부 미용 뿐 아니라 더 다양한 목적으로 사용할 것이라 기대되며, 향후 고전압의 자극에 따른 감전이나 누설전류 쇼크 등 인증기관의 시험검사를 통하여 상용화 할 예정이다.
뿐만 아니라 마이크로컨트롤러와 비교기에 의해 생성되어 MOSFET으로 인가되는 주파수 제어신호를 확인할 수 있다. 이의 돌발주파수와 듀티제어 신호에 출력이 정확히 추종함을 확인하여 제어의 안전성을 확인하였다.

후속연구

실험의 결과로는 얇은 피부의 치료를 목적수행에 따라 전극도자에서 약한 열감을 느낄 수 있었으며, 돌발 주파수의 변화에 따라 그 열감의 세기가 변하는 것을 확인하였다. ON/OFF시간 및 듀티비 가변에 따른 출력의 세기를 증감시켜 사용하게 된다면 안면부 미용 뿐 아니라 더 다양한 목적으로 사용할 것이라 기대되며, 향후 고전압의 자극에 따른 감전이나 누설전류 쇼크 등 인증기관의 시험검사를 통하여 상용화 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자극기는 어디에 사용되는가?	또한 교류자극의 경우에는 저주파 및 중주파 자극에서는 신체의 역학적 효과가 나타나고 고주파 자극에서는 열효과(therapy effect)를 얻을 수 있다. 이러한 효과를 이용한 전기자극기는 미용목적, 통증완화 등에 사용되어 의료기기의 형태로 개발되어 꾸준하게 사용되고 있다[1, 2].
	전기자극기의 종류는?	이러한 전기자극기의 종류에는 직류전기자극기, 저주파 및 고주파 전기자극기가 있다. 직류전기자극기는 오늘날 맥동전류의 광범위한 이용으로 탈신경근육의 전기자극과 전기진단을 제외하고는 많이 사용되지 않고 있다.
	고주파 전기자극기 방식 중 RET 방식과 CET 방식의 각각의 특징은?	RET방식의 고주파치료기는 CET에 비하여 열 효과가 뛰어나 비만치료, 통증치료 등 의료용으로 많이 이용되고 있다. 그러나 RET 방식의 도자와 플레이트는 절연이 되어 있지 않으므로 스파크(spark)가 발생할 수 있다. 따라서 안전상의 이유로 가정용으로 사용하기에 다소 무리가 있다. 반면 CET방식은 도자와 플레이트는 절연되어 있으며 출력이 아주 높아질 경우에는 스파크가 발생할 수 있으나 가정용으로는 적합하며 안면 피부 주름개선 및 근육치료에 적합하여 널리 사용된다.

참고문헌 (7)

T. Yamanishi, K. Yasuda, "Electrical Stimulation for Stress Incontinence", International Urogy necology Journal, 9, pp. 281-290, 1998.

상세보기
T. Yamanishi, K. Yasuda, "Randomized Double-blind Study of Electrical Stimulation for Urinary incontinence due to Detrusor Overactivity", Urology, 55, pp. 353-357, 2000.

상세보기
Liberson Wt, Holmquest Hj, Scott D, Dow A, "Functional Electrotherapy: Stimulation of The Peronial Nerve Synchronized with The Swing Phase of The Gate of Hemiplegic Patients," Arch Phys Med Rehabi,l 42, pp. 101-105, 1961.
Soeng-Goel Wi, "A Study on Design of High-Frequency Resistive Electric Transfer medical Theraphy Apparatus", Dept. of Computer Enginnering, Graduate School of Industrial Technology, Dong-eui University, Thesis for a degree
San Kim, Moo-Young Jang, Yoon Su Hwang, Ki-Hun Lee, Chan-Hoi Hur, Choonman Hong, "A Study on Evaluation Methods for Safety and Performance of Electrical Stimulations for Home Use", Jounal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 50, NO. 3, March 2013
Jae-Yong Lee, Chang-Doo Lee, Ki-jin Kwon, "The Development of Neuromuscular Electrical Stimulation Medical Devices for The Treatment of Non-implantable Urinary Incontinence", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64p, No. 3, pp. 175-181, 2015

원문보기 상세보기
Rae-Joon Park, "A Study on Treatment Effect of Electrical Stimulation", Journal of Rehabilitation Science, VoL11, 67-77, 1993

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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