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저주파 전기 자극기는 U-health care에 대한 요구와 현재 코로나19로 인한 외부활동 감소 등 생활환경의 변화로 인해 수요가 점점 더 높아지고 있다. 개인용 마사지기, 물리치료, 재활치료, 요실금 치료 등 근육의 수축을 이용한 통증 완화와 치료의 목적에 맞는 전극 패드형, 전기침형, 웨어러블형 등의 다양한 형태로 판매되고 있다. 단, 임산부, 영·유아, 인체에 전자식 의료기기를 삽입하였을 경우 저주파 전기 자극에 의한 오작동 및 부작용이 있을 것을 예상하여 사용 시 의사와 상의 후 사용할 수 있게 되어 있다.

저주파 전기 자극의 인체에 미치는 영향과 효과에 대한 연구를 살펴보면, 저주파 전기 자극은 근육 위축을 예방하고 재활을 가속화하며 혈액 순환을 향상 시킬 수 있는 것으로 보고되고 있다[5][6].

“저주파 전기 자극에 따른 혈압 특성과 홀효과 센서를 이용한 맥진파형 특성에 관한 연구”에서는[7] 침 전기 자극기, 영구자석과 홀효과 센서가 갖춰진 맥진 기를 사용하여 전기 자극 전, 후 수축기 혈압, 이완기 혈압, 심박수 변화를 관찰하여 저주파 전기 자극을 경혈점에 인가하였을 때 인체의 혈압의 안정화와 혈류의 흐름이 상승함이 확인되었다.

“전기 자극 조건에 따른 근육 세포에 미치는 영향과 반응”연구에서는[8] 여성의 근육 세포를 활용한 전기 자극 세기에 따른 세포의 생존도 변화와 마이오 튜브의 두께 변화에 대한 관찰을 통해 전기 자극이 근육 수축을 유발하는 자극 플랫폼으로 활용 가능성이 보고되었다. “저주파 전기 자극의 주파수가 인체 대사에 미치는 영향” 연구에서는[9] 전기 자극으로 인한 근수축 유발 후 혈액검사와 소변검사를 통해 크레아틴, 미오글로빈, 젖산, 피루브산 변화에 유의한 증가 양상을 확인하였다. “전기 근육 자극요법을 통한 혈당조절 효과”연구는 당부하를 통해 전기 자극 강도의 차이에 의한 혈당치의 변화와 운동요법을 비교한 것으로 트레드밀에서 혈당조절 효과의 변화폭이 가장 높으며, 전기 자극을 이용한 근수축을 통해 혈당조절에 유의미한 결과가 도출되었다[10]. 여러 연구에서 저주파 전기 자극의 인체에 미치는 긍정적 영향과 실질적인 효과가 유의미하게 나타나고 있음이 확인되었다.

전기식온구기의 세계시장은 한국에서 주도적으로 제품을 생산 판매하고 있다. 한국은 국내에서 개발·생산되고 있는 온구기 사양을 중심으로 발열체 형태 및 전력 공급 방법의 국제 표준 제정을 이끌며, 2020년 7월 ISO21292 전기식온구기에 대한 국제 표준이 한국의 주도 아래 제정되었다[11].

표 1은 현재 미국에서 판매되고 있는 저주파 전기 자극기 제품 중 일부이다. 각각의 기능은 경피신경 전기 자극(TENS, Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), 저전압 전류를 피부의 감각신경 자극을 통해 다양한 통증을 치료하는 저주파치료), 간섭전류(IFC, Interferential Current), 2개의 교류 전류를 신체에서 각각 교차 통전시켜, 두 주파수 차이 만큼 발생하는 새로운 진폭변조 주파수를 이용하여 신경근육계를 자극하는 치료법), 근육전기자극(EMS, Electrical Muscle Stimulation) 또는 신경근전기자극(NMES, Neuromuscular Electrical Stimulation)은 신경지배근을 자극 근력 강화에 사용한다.

Product	Shape	Manufacturer and function
BioMed revived 2		⦁ Manufacturer : BioMedical life system(USA) ⦁ Function : TENS / EMS / massage
Omron max power relief TENS unit		⦁ Manufacturer : omron(Japan) ⦁ Function : TENS
NexWave		⦁ Manufacturer : zynex(USA) ⦁ Function : TENS / IFC / NMES ⦁ Distinct : prescription required

뜸의 경우 연소할 때 발생하는 열을 이용하여 경혈을 자극할 때 발생하는 기전을 통하여 면역반응과 염증 과정을 거치는 과정에서 혈관의 확장, 혈압의 상승과 하강을 유도하고 교감신경 자극으로 호르몬 분비를 촉진하고 열자극의 시간이 지남에 따라 백혈구가 증가하는 등의 유용한 효과로 병증을 치료한다[2]. 전기식온구기는 이것을 모사한 것으로 반도체에 전류를 인가하였을 때 발생하는 열을 온도센서를 이용하여 제어하여 연소뜸과 같은 효과를 가지는 전기식온구기를 개발에 관한 연구를 살펴보면 다음과 같다.

온열자극 특성을 프로그래밍을 통해 상황에 맞는 온도를 설정 치료 부위 및 시술 시간에 따라 특정 온도를 유지할 수 있는 “전자식 구 치료 시스템 개발 연구”[12]를 시작으로 연소식 뜸과 전자식 뜸을 이용하여 체표면의 온도를 비교 실험하여 전자식 뜸이 전통적인 뜸 치료로 인한 체온변화가 거의 유사함을 확인한 “연소식 뜸과 전자식 뜸치료 시스템에 의한 체표 온도변화 비교를 위한 사전연구”가 있다[13]. “전자뜸의 적정 시술 시간에 관한 연구”[14]에서는 전자뜸을 이용하여 특정 온도와 시술 시간에 따른 부작용 반응을 조사한 결과 45℃ 이내의 비교적 낮은 온도에는 전체 동작 시간(28분)에 대한 부작용은 없었으나 그 이상에서는 짧은 시간(3분 이내)에 이상 반응이 있어 온도에 따른 적절한 시술 시간을 요구하는 것으로 나타났다. “알파차단제를 복용 중인 중등도 전립선비대증 환자에 대한 전침 및 전자뜸 병행치료의 유효성 평가 임상연구”에서는 전립선비대증을 진단받고 알파차단제를 복용 중이나 중등도의 하부요로 증상을 호소하는 환자를 대상으로 전침 및 전자뜸 병행치료의 유효성과 안전성이 확인되었다[15]. “전자 쑥뜸기에 대한 연구”[16]는 전자쑥뜸기와 한의원이나 가정에서 사용되는 쑥뜸에 대한 비교 임상 실험으로 각각 시술 후 시간이 지남에 따라 몸의 열 변화를 관찰한 결 과 기존 쑥뜸에 비해 전자쑥뜸기의 경우 손바닥과 같은 말단까지 열이 전파되고 열이 더 오래 유지되는 것과 시간에 따라 침투 깊이도 비교적 더 깊이 침투하는 것이 확인되었다.

여러 연구에서 전기식온구기의 효능이 확인되었으며 이를 활용한 계속 적인 효과 연구가 이루어지고 있음을 알 수 있다[17]-[20].

저주파 전기 자극 전기식온구기의 구성도는 그림 1과 같다. ATmega1608 MCU(Micro-Controller Unit)를 이용하여 구성된 주변 회로를 제어하고 히터와 저주파 전기 자극 전극을 경혈에 접촉시켜 온열 작용과 저주파 전기 자극 작용을 동시에 인가하여 더 효과적인 뜸 치료가 가능하게 구성하였다.

Fig. 1. 
Composition of electric heating system applying low-frequency electrical stimulation

온열부는 발열을 하는 트랜지스터와 온도센서로 구성하였다. 온도 센서로부터 피드백되는 온도를 ΔT(℃) 값을 이용하여 MCU에서 PWM의 duty cycle 제어로 발열 반도체에 인가되는 전류를 제어함으로써 특정 온도까지 상승 및 유지 할 수 있도록 그림 2와 같이 설계하였다.

Fig. 2. 
Block diagram of a thermal system using semiconductors

온도제어 알고리즘은 그림 3과 같다. 시작과 동시에 타이머가 동작 하고 실시간으로 피드백 되는 ΔT(℃)로 목표 온도까지 상승과 유지를 하고 동작 시간이 끝남에 따라 종료되도록 알고리즘을 설계하였다.

Fig. 3. 
Temperature control algorithm

그림 4는 온도제어 알고리즘을 통해 프로그램 된 전기식온구기의 온도이다. 제어 이상으로 과열 시 화상의 우려가 있으므로 설정된 온도 이상 ΔT(℃) 변화량이 감지되면 종료되게 되어 있다.

Fig. 4. 
Electric heating system temperature program

저주파 전기 자극 자극은 전압의 변화를 이용하여 심부의 근육을 자극하는 것으로 높은 전압을 얻기 위하여 승압(Voltage boost) 즉, 코일의 역기전력을 이용하여 입력전압보다 높은 전압을 얻을 수 있었다. 이때 발생하는 역기전력의 전압 V = L × di/dt 이다. 역기전력을 만들기 위해 코일에 연결된 트랜지스터를 PWM으로 on/off 함으로 원하는 전압을 조절할 수 있도록 그림 5와 같이 구성하고 그림 6과 같이 회로를 구현하였다.

Fig. 5. 
Low-frequency electrical stimulation configuration

Fig. 6. 
Low-frequency electrical stimulation circuit

PWM duty cycle에 따른 전압 변화는 그림 7과 같다. 전압의 강도에 따른 근육의 반응은 개인별로 상이하므로 duty cycle 조절할 수 있도록 로터리엔코더[21]의 펄스를 이용하여 3.3V~90V까지 조절할 수 있도록 하였다.

Fig. 7. 
Low-frequency electrical stimulation output voltage according to duty cycle

저주파 전기 자극 제어 알고리즘은 그림 8과 같다. 시작과 동시에 인체 임피던스 측정을 통해 피부접촉 여부를 확인한 후 저주파 전기 자극과 타이머가 동작하며 동작 시간 이내에서 로터리엔코더를 사용하여 전압을 조절할 수 있다.

Fig. 8. 
Low-frequency electrical stimulation algorithm

전기식온구기와 저주파 전기 자극의 구성을 조합하여 그림 9와 같이 저주파 전기 자극 전기식온구기 시스템을 제작하였다.

Fig. 9. 
Electric heating system applying low-frequency electrical stimulation

메인보드는 그림 10과 같다. 저주파 전기 자극전기식온구기의 제어에 필요한 MCU, 저주파 전기 자극 출력 전압을 조절하는 encoder, 전압 레벨 및 히터 동작을 표시하는 LED display, voltage boost, 저주파 전기 자극 출력부로 구성하였다.

Fig. 10. 
Main board

그림 11은 발열 트렌지스터와 온도센서로 구성된 히터이다. 그림 12는 피부 접촉부로써 뒷면의 히터로부터 발열되는 온도를 전달하기 위한 히터패드와 저주파 전기 자극을 피부에 전달하기 위한 전극으로 구성되어 있다.

Fig. 11. 
Heater configuration

Fig. 12. 
Skin contact configuration

그림 13-15는 LED 디스플레이 동작에 대한 것으로 녹색 LED는 저주파 전기 자극 출력 전압의 크기(켜진 LED 수가 많을수록 전압 높음)를 나타내고 적색 LED는 히터의 동작 여부를 나타낸다.

Fig. 13. 
Low frequency electrical stimulation minimum output display

Fig. 14. 
Low-frequency electrical stimulation maximum output display

Fig. 15. 
Warm bulb operation indication(Red LED)