[논문]자가발전 심장박동기를 위한 에너지 수확 플랫폼 개발

박현문; 이정철; 김병수

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.3.619

[국내논문] 자가발전 심장박동기를 위한 에너지 수확 플랫폼 개발
Development of Energy Harvesting Technologies Platform for Self-Power Rechargeable Pacemaker Medical Device. 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.619 - 626

박현문 (전자부품 SoC 플랫폼 연구센터) , 이정철 (전자부품연구원, SoC 플랫폼연구센터) , 김병수 (전자부품 SoC 플랫폼 연구센터)

초록
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나노 공정기술을 이용한 반도체 및 회로기술의 발전은 의료용 삽입형 기기(MID)의 소형화, 감도, 수명, 신뢰성을 더욱 향상했지만, 최근 MID의 지속적인 동작을 위한 전원의 지속적인 제공 여부가 중요한 도전과제 중 하나이다. 이러한 이유로 신체 내에서 다양한 생체 역학 에너지를 활용하는 자체 전원 이식형 의료기기가 최근에 많이 연구되고 있다. 본 논문에서는 TENG를 이용한 자가발전을 통해 재충전이 가능한 심장박동기를 개발하였다. 그리고 우리는 대형동물의 동작에 따라 삽입된 심장박동기에 내장된 TENG의 발전을 검증하였다. 동물의 움직임으로부터 수집되는 전력은 2.47V로 심장박동기에 센싱을 위해 필요한 전압(1.35V)보다 높은 전원을 획득할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The advances of semiconductor and circuitry technology dovetailed with nano processing techniques have further enhanced micro-miniaturization, sensitivity, longevity and reliability in MID(Medical Implant Device). Nevertheless, one of the remaining challenges is whether power can sufficiently and continuously be supplied for the operation of the MID. Self-powered MID that harvest biomechanical energy from human motion, respiratory and muscle movement are part of a paradigm shift. In this paper, we developed a rechargeable pacemaker through self-power generation with the triboelectric nanogenerator. We demonstrate a fully implanted pacemaker based on an implantable triboelectric nanogenerator, which act as a storage as well as active movement on a large-animal(dog) scale. The self-power pacemaker harvested from animal motion is 2.47V, which is higher than the required pacemaker device sensing voltage(1.35V).

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 제안된 심장박동기의 전체시스템 구조도 Fig. 1 Overall system structure of the proposed pacemaker
그림 그림 2. 심장박동기 티타늄 시제품 및 내부에 사용되는 TENG 발전소자 Fig. 2 Built-in TENG generator source and titanium based prototype with the pacemaker
그림 그림 3. TENG의 전력 변환 및 발전구조 Fig. 3 Power conversion and power generation structure associated with the TNEG
그림 그림 4. 3~5Hz에서의 TENG 발전량 결과 (위, 전류/ 아래, 전압) Fig. 4 TENG power generation results at 3~5Hz (Top, Voltage/Bottom, Current)
그림 그림 5. 심장박동기 보드(왼쪽)과 TENG 하베스팅보드(오른쪽) Fig. 5 Pacemaker(Left) and TENG Harvesting Board(Right)
그림 그림 6. TENG 하베스팅보드의 출력 전력 검증 Fig. 6 Output voltage and current of the TENG Harvesting Board
그림 그림 7. 심장박동기 모니터링 인터페이스 Fig. 7 Pacemaker remote monitoring UI
그림 그림 8. 심장박동기 설정 인터페이스 Fig. 8 Pacemaker device remote control UI
그림 그림 9. 심장박동기의 전임상시험과 수술과정 Fig. 9 Preclinical study and animal operation of Pacemaker
그림 그림 10. 잡견 동작에 따른 자가발전 심장박동기 발전 전압 모니터링 Fig. 10 Generation voltage monitoring of the Self-powered pacemaker according by animal movement

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 신체움직임을 통해 반영구 발전이 가능한 나노발전소자를 이용해 MID의 지속적인 사용이가능한 자가발전 심장박동기(nano-Generator SelfPower Pacemaker, GSPP)를 개발하였다. 이를 2015년부터 시제품과 전임상시험을 통해 점차 고도화, 안정화, 소형화하면서 검증하였다.
본 연구는 신체움직임을 통해 반영구 발전이 가능한 자가발전 심장박동기(nano-Generator Self-Power Pacemaker, GSPP)를 개발하고, 전임상시험을 통해 일정 조기에 발전 전력을 확보하였다. 심장박동기 기기 통합이전의 오픈 필드 검증 환경과 비교하면 낮은 전력량이었지만, 신체움직임을 통한 반영구 발전 가능성을 임플란트 상황에서 국내 최초로 검증하였다.
본 제안 시스템은 티타늄 복합 합금의 외장으로 구성하고 내부 TENG(Tribo-electric Nanogenerator) 발전 소자를 통해 진동과 마찰에너지를 이용한 발전방안을 연구하고 제시하였다. [12]와 같이 이미 실리콘 기반에서 대동물 내부에서 발전할 수 있다는 것을 실시간으로 실험·검증하였다.

제안 방법

[12]와 같이 이미 실리콘 기반에서 대동물 내부에서 발전할 수 있다는 것을 실시간으로 실험·검증하였다.
본 제안된 충전 구조는 신체 동작을 기반을 둔 충전기술로 두 가지 장점을 지닐 수 있다. 첫째 수면을 제외하고는 지속적인 에너지 충전이 가능하며, 티타늄 구조체 안에서 발전하기 때문에 의료적으로 매우 안전하다는 것이다.
본 제안은 에너지수집 장치와 저장관리 장치, 심장박동기 그리고 무선 정보 전달 장치로 네 가지로 구성된다.
7V까지 설정한다. 본시스템에서 소자의 발전과 출력 전력을 관찰하기 위해서 블루투스 5.0의 Cortex M4F와 결합한 노르딕사의 nRF2840 SoC에 ADC 12bit를 이용하여 TENG의발전과 PMIC의 출력 전력을 측정하였다.
심장박동기의 기능 검증과 함께 본 논문에서 제안한 발전 소자의 발전에너지가 동물의 움직임과 어떤 연관 관계를 지니는지 발전 비교를 하였다.
본 연구는 신체움직임을 통해 반영구 발전이 가능한 나노발전소자를 이용해 MID의 지속적인 사용이가능한 자가발전 심장박동기(nano-Generator SelfPower Pacemaker, GSPP)를 개발하였다. 이를 2015년부터 시제품과 전임상시험을 통해 점차 고도화, 안정화, 소형화하면서 검증하였다. 결과적으로 신체움직임을 통한 에너지 발전과 이를 이용한 플랫폼의 동작가능성을 유의 의미한 수준에서 제시할 수 있었다.
첫째, 에너지수집 장치는 에너지 발전부로 사람의 동작으로부터 에너지를 획득할 수 있다. 자가발전(Self-Power Generator) 및 전력 변환 장치는 성균관대학교에서 개발된 복합 TENG의 AC 전원을 정류회로를 통해 DC로 변환 후 발전에너지를 커패시터에저장한다. 둘째, 전력 저장(Power Storage) 및 관리장치에서는 커패시터에 저장된 에너지를 효율적인 사용을 위해 PMIC가 요구되는 일정한 영역까지 저장이 필요하다.
저장된 전압(Voltage)을 관찰하여 일정한 전압 이상에서만 저장소에서 충전 가능한 전압과 전류로 변환하여 리튬폴리머 배터리로 저장한다.

대상 데이터

발전 소자의 크기는 4.42×45.82x42.10mm (높이x가로x세로)로 구성된다.

성능/효과

750～1mA로 약 7초간 출력한다. 3.3장에서 발전되는 소자 전력이 1초간 0.295mW일 때 44초는 12.98mW 발전되지만, PMIC의 지속적인 전력손실로 인해 실제 출력되는 전력은 약 2mW밖에 되지 않아 에너지효율은 15% 이내로 낮다. 변환시스템에 낮은 에너지효율 문제는 PMIC에서 기본적으로 사용되는 전력이다.
그림 2, 3과 같이 다층소자로 이루어져 있어 발전전류가 특정 주기로 증폭된다. 개발된 소자는 약 60uA의 전류를 보이며, 평균RMS는 48uA이다. 그리고 전압은 최대 8V로 RMS는약 6.
이를 2015년부터 시제품과 전임상시험을 통해 점차 고도화, 안정화, 소형화하면서 검증하였다. 결과적으로 신체움직임을 통한 에너지 발전과 이를 이용한 플랫폼의 동작가능성을 유의 의미한 수준에서 제시할 수 있었다.
저장된 전압(Voltage)을 관찰하여 일정한 전압 이상에서만 저장소에서 충전 가능한 전압과 전류로 변환하여 리튬폴리머 배터리로 저장한다. 셋째, 펄스측정(Pulse Sensing)과 자극(Pacing) 기능으로 심장박동기는 능동형 리드(Active Lead) 혹은 수동형리드(Passive)가 심방(Atrial)과 심실(Ventricle)에 삽입되며, 두 곳의 심근으로부터 ECG 신호를 수집하고 이상이 발생하면 유니 폴라 자극(Unipolar pacing)을 통해 안정시키는 역할을 하게 된다. 마지막으로 심장박동기 제어 UI SW(Pacemaker Controller UI SW)는 심장박동기에 심방과 심실의 정보를 수집하고 제어, 자극을 주는 사용자 인터페이스로 되어 있다.
본 연구는 신체움직임을 통해 반영구 발전이 가능한 자가발전 심장박동기(nano-Generator Self-Power Pacemaker, GSPP)를 개발하고, 전임상시험을 통해 일정 조기에 발전 전력을 확보하였다. 심장박동기 기기 통합이전의 오픈 필드 검증 환경과 비교하면 낮은 전력량이었지만, 신체움직임을 통한 반영구 발전 가능성을 임플란트 상황에서 국내 최초로 검증하였다. 발생하는 전압 또한 지속적 심장의 심실과 심방의 센싱에 필요한 전압인 1V를 넘어서 제공할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 MID의 무선충전연구에서는 자기공명식은 배제되고 있는 이유는?	수 MHz에서 수십 MHz 대역의 주파수를 사용하여 자기적 공명을 이루어 전력을 전송하는 기술로 인체유해성에 자유롭지 못하다. 이러한 이유로 최근 MID의 무선충전연구에서는 자기공명식은 배제되고 있다.
	신체움직임을 통해 반영구 발전이 가능한 나노발전소자를 이용해 MID의 지속적인 사용이 가능한 심장박동기는 무엇인가?	본 연구는 신체움직임을 통해 반영구 발전이 가능한 나노발전소자를 이용해 MID의 지속적인 사용이가능한 자가발전 심장박동기(nano-Generator SelfPower Pacemaker, GSPP)를 개발하였다. 이를 2015년부터 시제품과 전임상시험을 통해 점차 고도화, 안정화, 소형화하면서 검증하였다.
	마찰전기기반의 나노 발전은 무엇을 위한 에너지수확 장치로 제시되었는가?	마찰전기기반의 나노 발전은 MID를 위한 에너지수확 장치로 제시[3],[7]되었으며, 발전소자 크기의 유연성과 경량화에 이점을 갖는다. 선행연구에서 심장과 근육은 발전 측면에서 주기성과 지속인 장점이 있어유리하다.

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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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구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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