KR19990078462A - 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대 및 사용이 간편한 표면전극을 이용하여 교통사고, 산업재해, 뇌졸증 등으로 인하여 하지마비를 동반한 환자에게 마비된 하지근의 위축 및 괴사를 방지하고, 혈액순환을 촉진시키며, 족하수를 회복시키므로서 상실된 보행기능을 복원시키기 위한 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치에 관한 것이다.

본 발명은 표면전극 전기자극 시스템에 근피로를 최소화할수 있는 적합한 자극조건을 설정하여 센서에 의해 관절각을 측정하고, 관절의 굽힘정도를 인식하여 전기자극의 강도를 제어하므로서 언제나 관절각의 목표치가 달성되도록 하는 되먹임 제어방식의 표면전극 전기자극 장치이다.

Description

족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치

본 발명은 교통사고, 산업재해, 뇌졸증 등으로 인하여 하지마비를 동반한 환자에게 마비된 하지근의 위축 및 괴사를 방지하고, 혈액순환을 촉진시키며, 족하수를 회복시키므로서 상실된 보행기능을 복원시키기 위한 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 휴대 및 사용이 간편한 표면전극을 이용하여 족하수 환자의 마비된 하지근에 적합한 전기자극을 주므로서 마비근의 근피로를 최소화하면서 보행보조 기능을 수행할수 있도록 한 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 살아있는 조직에 전기를 가하면 신경세포에 활동전위(Action Potential)를 유발하는 등 다양한 효과를 나타낸다.

가령, 전기에 의해 유발된 자극은 신경시스템의 가지를 따라 퍼져나가는 방법을 사용하여 인체의 거의 대부분의 장기에 영향을 줄수 있다.

이와 같은 원리를 이용하여 더 이상 자발적으로 제어하지 못하게 된 근육에 전기자극을 가하므로서 근육수축을 유발하고, 기능적으로 유용한 움직임을 만들어 내는 작용을 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation)이라 한다.

종래부터 기능적 전기자극 시스템을 이용하여 교통사고나 산업재해, 중풍, 뇌졸증 등으로 하지근이 마비된 환자의 재활을 도와 왔는데, 이러한 기능적 전기자극 시스템은 크게 삽입전극 전기자극 시스템과 표면전극 전기자극 시스템으로 나뉘어 진다.

상기 삽입전극 전기자극 시스템은 해당하는 근육 또는 해당근육을 관장하는 신경을 직접 자극하기 때문에 원하는 근육만 골라서 자극시킬수 있고, 자극을 시작할 때마다 자극의 위치를 찾아야 하는 불편함이 없으며, 작은 용량의 전원으로도 필요한 근육의 수축을 유발할수 있다.

그러나, 전극삽입을 위한 수술과정이 필요하고, 피부로 노출된 전선부위의 피부가 세균에 감염될 염려가 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 위생에 각별히 신경써야 한다는 불편함이 있으며, 체내에서의 전선의 부식과 전극위치의 변화에 따른 재수술이 불가피 하다는 문제점도 가지고 있다.

이와 같은 삽입전극 전기자극 시스템에 관한 기존의 제품은 미세전극을 마비근의 운동점에 직접 연결하는 경피삽입술을 이용하여 각각의 근을 개별적으로 자극하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 이러한 방법은 정확한 동작을 수행할수 있지만 삽입된 전극이 마비근에 고정되기 때문에 수술하여야 하는 경제적, 정신적인 부담과 함께 전술한 바와 같이 삽입된 전극이 피부로 돌출되는 부위에서 세균감염의 우려가 있어 관리가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

상기한 삽입전극 전기자극 시스템의 단점 때문에 표면전극 전기자극 시스템이 개발되었다.

이 표면전극 전기자극 시스템은 삽입형과는 달리 피부의 표면에서 전기자극을 가하기 때문에 전극의 착용이 쉽고, 세균감염의 우려가 없으며, 시술에 소요되는 경비가 적다는 장점이 있다.

반면에, 단점으로는 근육 하나하나를 구분하여 자극할수 없기 때문에 미세동작을 제어할수 없고, 고전압으로 전극을 가하는 관계로 밧데리의 전력소모가 많다는 단점을 가지고 있다.

그러나, 다리마비 환자가 보행동작을 하고자 할 경우, 다리의 근육은 손의 근육보다 크고 복잡한 동작을 하지 않기 때문에 오히려 표피자극형 전극이 환자에게 심리적 또는 경제적인 부담이 적고, 원하는 치료 및 보행보조의 목적을 수행할수 있다.

이와 같은 표면전극 전기자극 시스템을 채용한 종래의 표면전극 전기자극기는 자극의 강도나 시간을 환자의 상태에 따라 바꾸게 하고, 정해진 순서에 따라 제어되는 열린루프 제어방식(Open Loop Feedback System)을 사용하였었다.

이 열린루프 제어방식의 가장 큰 문제점으로는 오랫동안 전기자극이 이루어질 때 근피로에 의해 근수축이 감소하게 되고, 이때 관절의 굽힘이 목표치에 도달하지 못한 상태에서 다음 자극이 이루어지는 문제점이 있었다.

왜냐하면, 전기자극은 마비근의 운동신경을 흥분시켜 신경전달 물질을 유리하므로서 근수축을 유도하기 때문에 근피로 현상이 쉽게 초래되기 때문이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 기술적인 과제는 표면전극 전기자극 시스템에 근피로를 최소화할수 있는 적합한 자극조건을 설정하여 센서에 의해 관절각을 측정하고, 관절의 굽힘정도를 인식하여 전기자극의 강도를 제어하므로서 언제나 관절각의 목표치가 달성되도록 하는 되먹임 제어방식의 표면전극 전기자극 장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 설치상태를 나타낸 측면도

도 2는 본 발명의 보조기구를 이용한 부착상태를 나타낸 측면도

도 3은 본 발명의 회로를 나타낸 블록도

도 4는 본 발명의 관절각센서를 나타낸 상세도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 표면전극 20 : 전기자극기

30 : 풋스위치 40 : 관절각센서

50 : 보조기구 60 : 회동판

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면에 의거 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 장치를 일측 마비환자의 다리에 부착한 상태를 나타낸 측면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 장치는 크게 마비된 환자의 다리에 부착되는 2개의 표면전극(10)과;

상기 표면전극에 일정한 자극주파수를 공급하는 전기자극기(20)로 구성된다.

상기 표면전극(10)은 일측 마비환자의 무릎 뒤 아래부분(슬와,Foss Poplitea)의 비골신경(Peroneal Nerve)에 부착되고, 전기자극을 가하여 발목을 굽힐수 있도록 하므로서 보행시 스윙단계에서 발끝이 지면에 끌리는 현상(족하수증,Foot Drop)을 막을수 있다.

상기 전기자극기(20)의 자극주파수는 20Hz∼80Hz의 펄스폭을 갖는 트리거펄스가 주로 사용되고 있는데, 본 발명은 환자와 정상인을 대상으로 실험한 결과 40Hz가 적당한 주파수 였고, 펄스폭은 0.3msec를 사용하였다.

상기 전기자극기(20)의 자극채널은 1∼4채널을 사용하였으며 자극방법은 종래와 동일하다.

도 2는 보조기구(50)를 이용하여 부착상태를 나타낸 측면도이다.

도시한 바와 같이 상기의 전기자극기(20)에는 2개의 표면전극(10)외에 풋스위치(30)와, 관절각센서(40)가 연결된다.

풋스위치(30)는 발 뒤꿈치에 부착되어 발 뒤꿈치가 지면에서 떨어질 때 전기자극기(20)를 작동시키게 된다.

관절각센서(40)는 발목에 부착되어 관절의 굽힘정도를 측정하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 서 있는 상태에서는 풋스위치(30)가 눌려져 있고 전기자극기(20)의 동작이 정지된다.

이와 같은 상태에서 보행을 하기 위하여 발 뒤꿈치가 지면에서 떨어지면 자극이 시작되어 다리의 마비근을 수축하게 되므로서 발목이 들려지게 된다.

다리가 들려지면 관절각센서(40)는 관절의 굽힘정도를 측정하여 충분한 위치에 올라갈 때 까지 자극을 가하게 된다.

종래의 표면자극형 전기자극기는 언제나 일정하게 자극이 주어지므로 전극의 위치가 틀어지거나 부착이 약하면 원하는 위치까지 근육을 수축시킬수 없었으나, 본 발명의 자극기는 발목에 부착된 관절각센서(40)에 의하여 목표된 위치까지 발목이 올라가지 않을 경우 자극의 세기를 높여 언제나 원하는 목표치까지 발목을 올릴수 있도록 하는 되먹임 제어식 전기자극기인 것이다.

상기 보조기구는 아대형으로서 그 하단에 회동 가능토록 연결된 회동판(60)을 사용하여 본 발명의 장치를 설치하게 된다.

이렇게 하면, 2개의 표면전극(10)이 보조기구(50)내에 매설되고, 풋스위치(30)는 회동판(60)의 하단에 부착되며, 관절각센서(40)가 보조기구와 회동판 사이에 설치되므로서 착용이 간편하고, 보행중 전선등이 걸릴 염려가 없다.

상기의 보조기구(50)는 유연한 프라스틱 재질로 만들어지고, 그 전면에 전기자극기(20)가 부착되므로서 표면전극과 전기자극기의 거리가 짧아지며, 별도의 부착물이 필요없게 된다.

도 4는 전기자극기의 블록도를 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이 전기자극기(20)의 마이크로프로세서는 프로그램에 의하여 40Hz의 자극주파수에 0.3msec의 자극펄스를 만들고, 풋스위치(30)의 입력에 따라 자극파형을 스위칭회로에 보내거나 현재의 자극상태를 표시하며, 스위치의 입력을 받아 자극모드(모드1:풋드롭모드, 모드2:TES모드)를 설정하였고, 자극의 시작과 멈춤을 조절하도록 하였다.

또한, 고전압 자극회로부는 전압조절기로 부터 들어온 신호에 따라 전압의 크기가 결정되고, 발진회로에서 들어온 펄스의 입력은 고전압 발생회로에서 저전압을 고전압으로 승압시킨다.

승압된 전류는 정류회로에서 고전압 직류전원으로 바뀌어지고, 스위칭회로는 프로세서에서 만들어진 40Hz의 0.3msec 펄스를 입력받아 고전압의 자극펄스파를 만들며, 표면전극(10)으로 자극전압을 출력한다.

위의 과정으로 인하여 근육이 수축하고, 이에 따라 들어온 신호에 발목이 올라가게 되면 관절각센서(40)에서 변화가 감지되며, 감지된 신호는 비교기를 거쳐 전압조절기로 들어가 자극전압의 크기를 결정하게 되는데, 자극에 의하여 발목이 목표하는 위치에 가까워지면 자극전압은 낮아지거나 현상태를 유지한다.

만약, 목표치 이하로 발목이 떨어지면 자극의 세기는 상승하는데, 이는 되먹임 제어방식의 자극방법을 사용하고 있기 때문이다.

도 5는 본 발명의 관절각센서(40)를 나타낸 상세도이다.

관절각센서(40)는 회동판(60)에 부착되며 적외선발광소자(42)를 구비하는 실린더형의 몸체(41)와, 상기 몸체내에서 승하강하는 광섬유(43)와, 상기 광섬유의 단부에 설치되어 발광소자와 마주보는 코어부재(44)로 구성되어 있다.

발광소자(42)에서 발광된 적외선 빛은 실린더형의 몸체(41)를 타고 광섬유(43)의 끝부분인 코어부재(44)에 입광되며, 입광된 빛은 자극기의 발광부의 반대쪽 끝부분에 설치된 수광소자까지 들어가 빛의 세기를 전기적인 신호로 변환한다.

이때, 광섬유(43)가 실린더형의 몸체(41)내에서 적외선 발광소자(적외선다이오드,42)에 가까워지면 강한빛이 광섬유내로 입광되고, 반대로 멀어지면 약한 빛이 광섬유내로 입광되므로서 광의 세기를 수광소자에 의하여 검출하면 관절의 굽힘정도를 측정할수 있다.

바이오피드백 회로는 환자가 자극기를 이용하여 보행연습을 하거나 TES모드에서 근력을 강화시키기 위한 훈련을 시행한후 스스로의 근력을 수치에 의한 레벨값으로 표시하므로서 근력의 향상 정도를 측정할수 있도록 구성된 장치이다.

이때, 레벨값은 수치와 더불어 소리의 높낮음으로 나타나기 때문에 보행 훈련중에도 소리를 듣고 근력을 스스로 확인할수 있다.

그리고, 전기자극 치료의 목적은 환자 스스로가 외부의 도움 없이도 보행하도록 하는 것이 목적이며, 따라서 전기의 힘을 빌리지 않고 스스로 다리를 올리려고 노력하는 것이 필요하다.

그렇기 때문에 자극을 가하지 않은 상태에서 환자가 다리를 올리게 되면 훈련 정도에 따라 근전도의 세기가 달라지고, 그것이 레벨값으로 나타나기 때문에 자신의 상태를 자각할수 있어 재활치료의 효과가 향상된다고 보고 있다.

자극모드는 풋드롭모드와 TES모드가 있는데, 풋드롭모드는 족하수 환자의 보행과 맞추어 자극이 들어가는 모드로 환자가 보행할 때 발끝이 바닥에 끌리지 않고 부드러우며 원할하게 걷고자 할 때 사용되는 모드이다.

TES모드는 오랫동안 걷지 않은 환자일 경우 일정기간 동안 근육을 단련시키는 훈련이 필요한데, 이때 일정시간 전기자극에 의하여 근육을 수축하여 발을 올리고 내리는 동작을 반복하므로서 근육을 단련하는데 사용된다.

일반적으로 족하수 환자는 일정기간의 TES훈련을 수행한 뒤 풋드롭 모드의 자극을 수행하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 표면전극 전기자극 시스템에 근피로를 최소화할수 있는 적합한 자극조건을 설정하여 센서에 의해 관절각을 측정하고, 관절의 굽힘정도를 인식하여 전기자극의 강도를 제어하므로서 되먹임 제어방식의 표면전극 전기자극 장치로서, 언제나 관절각의 목표치가 달성되도록 하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 마비된 환자의 다리에 부착되는 2개의 표면전극(10)과;

   상기 표면전극에 일정한 자극주파수를 공급하는 전기자극기(20)를 포함하는 전기자극 장치에 있어서,

   상기 표면전극(10)과 전기자극기(20)를 수용하며 관절각센서(40)와 풋스위치(30)가 설치되는 회동판(60)를 구비하는 보조기구(50)와;

   상기 풋스위치(30)와 관절각센서(40)를 통하여 전기자극기(20)를 작동시키는 구동회로; 를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 풋스위치(30)는 환자의 발 뒤꿈치에 부착되어 발 뒤꿈치가 지면에서 떨어질 때 전기자극기(20)를 작동시키는 것임을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 관절각센서(40)는 발목에 부착되어 관절의 굽힘정도를 측정하는 것임을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 구동회로는 프로그램에 의하여 40Hz의 자극주파수에 0.3msec의 자극펄스를 만들고, 풋스위치(30)의 입력에 따라 자극파형을 스위칭회로에 보내거나 현재의 자극상태를 표시하며, 스위치의 입력을 받아 자극모드(모드1:풋드롭모드, 모드2:TES모드)를 설정하고, 자극의 시작과 멈춤을 조절하는 마이크로프로세서와;

   상기 전압조절기로 부터 들어온 신호에 따라 전압의 크기를 결정하고, 발진회로에서 들어온 펄스의 입력은 고전압 발생회로에서 저전압을 고전압으로 승압시키는 고전압자극회로부와;

   상기 승압된 전류를 고전압 직류전원으로 바뀌어 주는 정류회로와;

   상기 프로세서에서 만들어진 40Hz의 0.3msec 펄스를 입력받아 고전압의 자극펄스파를 만들며, 표면전극(10)으로 자극전압을 출력하는 스위칭회로와;

   상기 환자가 자극기를 이용하여 보행연습을 하거나 TES모드에서 근력을 강화시키기 위한 훈련을 시행한후 스스로의 근력을 수치에 의한 레벨값으로 표시하므로서 근력의 향상 정도를 측정할수 있도록 하는 바이오피드백회로; 로 구성됨을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 구동회로는 족하수 환자의 보행과 맞추어 자극이 들어가는 풋드롭모드와, 오랫동안 걷지 않은 환자에게 일정기간 동안 근육을 단련시키기 위하여 일정시간 전기자극에 의하여 근육을 수축하여 발을 올리고 내리는 동작을 반복케 하는 TES모드, 로 나뉘어지는 자극모드를 포함함을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 관절각센서(40)는 회동판(60)에 부착되며 적외선발광소자(42)를 구비하는 몸체(41)와, 상기 몸체내에서 승하강하는 광섬유(43)와, 상기 광섬유의 단부에 설치되어 발광소자와 마주보는 코어부재(44)로 구성된 것을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 발광소자(42)에서 발광된 적외선 빛은 몸체(41)를 타고 광섬유(43)의 끝부분인 코어부재(44)에 입광되며, 입광된 빛은 자극기의 발광부의 반대쪽 끝부분에 설치된 수광소자까지 들어가 빛의 세기를 전기적인 신호로 변환하여 광섬유(43)가 몸체(41)내에서 적외선 발광소자(42)에 가까워지면 강한빛이 광섬유내로 입광되고, 멀어지면 약한 빛이 광섬유내로 입광되므로서 광의 세기를 수광소자로 검출하여 관절의 굽힘정도를 측정토록 구성된 것을 특징으로 하는 족하수 환자의 보행보조를 위한 전기자극 장치.