저주파 전기 자극 전기식온구기 시스템 설계에 관한 연구

Ⅰ. 서 론

한방에서 치료 방법으로 널리 사용 중인 침구(鍼灸)요법은 동양의학에서 가장 높은 평가를 받는 요법이다. 그중 구(灸)치료는 대표적으로 쑥에 불을 붙여 발생하는 열을 경혈에 인가하여 발생하는 생체반응을 통해 다양한 병증을 치료하는 방법이다. 현재는 연소체를 사용하지 않고 전기적 방법을 활용하여 발생하는 열을 이용, 제어하고 있다. 기존에 사용하는 연소체에서 발생하는 온도를 동일하게 재연하여 경혈에 열을 인가함으로써 연소체를 사용하였을 때와 같은 효과를 낼 수 있는 제품에 대한 연구 개발에 사용한다[1].

전기식온구기는 발생하는 열을 제어하여 경혈에 인가하는 방식과 고주파 펄스를 이용하여 심부에 열을 인가하는 방식을 통해 정량적으로 경혈에 인가 할 수 있는 방식이 있다. 이것은 연기, 부산물, 화상 등이 발생하지 않고 사용의 편의성을 제공하는 장점을 가지고 있다. 국내에서 판매되고 있는 제품은 전기식온구기는 온뜸, 새뜸이 있고 고주파 펄스온열기로는 Mabel-6, Thema-G 있다[2].

전기식온구기 및 고주파 펄스온열기에 대한 연구들은 경혈의 열적 자극에 관한 내용에 편중되어 대체의학으로 한방의료기기에 관한 관심이 증대하고 있는 시점에서 다양한 제품 요구를 맞추지 못하고 있는 실정이다. 따라서 온열과 동시에 경혈을 자극할 수 있는, 즉 뜸과 침을 동시에 시술할 수 있는 제품의 개발과 그에 대한 기초 연구가 필요하다. 저주파 전기 자극의 경우 다양한 의료분야에서 활용하고 있으며 대표적으로 재활의학 및 물리치료 분야에서 많이 활용되고 있다. 침과 유사하게 하나의 포인트에 에너지를 집중할 수 있는 저주파 전기 자극, 저출력 레이저, 초음파 등과 같이 양방에서 다양한 의료분야에 치료에 활용되고 있는 검증된 기술들을 한방에도 적용하여 활용할 필요성이 제기되고 있다[3].

그동안 저주파 전기 자극기와 전기식온구기에 대하여 개별 연구는 많이 진행되었으나 두 가지의 기능을 결합한 시스템의 고안이나 병행하여 치료한 것에 관한 연구는 매우 부족하다. 기존의 침구 치료가 하나의 경혈에 시술하지 못하는 한계점을 극복하고 뜸의 효능과 침의 효능을 동시에 유도할 수 있도록 보완한다면 한방치료에 있어 여러 병증에 다양한 치료 방향을 제시할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 전극패드의 모양, 크기, 간격, 전기 자극의 세기에 따라 피부 표면에서부터 심부의 근육까지 전기 자극을 할 수 있고 저주파 전기 자극을 좁은 경혈점에 집중하여 경혈의 심부를 자극함으로써 침의 효능까지 동시에 유도할 수 있는 전기식온구기 시스템에 관한 연구와 개발이 필요하다[3][4].

본 연구는 온열자극과 저주파 전기 자극을 결합하여 동시에 경혈에 인가함으로써, 뜸 치료와 동시에 침과 유사한 효과를 낼 수 있는 전기 자극을 통해 더 높은 효능을 유도할 수 있는 전기식온구기 시스템을 설계하는데 목적이 있다. 이 연구의 결과는 기존 개발 제품과 차별화된 성능과 효과로 향후 전기식온구기 제품개발에 필요한 유의미한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

Ⅱ. 관련 연구

저주파 전기 자극 및 전기식온구기 관련 연구의 고찰을 통해 각각의 효과와 효능을 살펴보고, 이를 통해 저주파 전기 자극 전기식온구기 시스템 설계에 이론적 준거로 활용하였다.

2.2 전기식온구기 관련 연구

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.

Table 1.

Types of low-frequency electrical stimulator

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].

Ⅲ. 저주파 전기 자극 전기식온구기 설계

3.1 개요

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

3.2 전기식온구기 구성

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

3.3 저주파 전기 자극 구성

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

Ⅳ. 저주파 전기 자극 전기식온구기 시스템 구현 및 측정

4.1 저주파 전기 자극 전기식온구기 시스템

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)

4.2 측정 결과

4.2.1 전기식온구기 온도측정

전기식온구기의 기본적인 동작으로 기본 설정 한 온도 40℃까지 상승과 유지에 대한 측정을 하기 위해 접속식 온도계를 사용하여 그림 16-18과 같이 측정하였다. 측정 시작 시 온도는 22.6℃에서 약 1분 동안 40.7℃까지 상승하여 약 10분간 온도를 유지한다.

Fig. 16.

Measurement start temperature

Fig. 17.

Temperature rise

Fig. 18.

Target temperature and maintenance

4.2.2 저주파 전기 자극 출력 측정

저주파 전기 자극 출력 측정은 출력부에 인체 임피던스와 유사한 500Ω을 사용하여 출력을 측정하였다. 엔코더를 이용하여 최소 출력과 최대 출력 전압을 그림 19, 20과 같이 측정하였으며, 최소 출력값은 3.6V 최대 출력값은 85.6V로 측정되었다.

Fig. 19.

Low-frequency electrical stimulation output (Minimum)

Fig. 20.

Low-frequency electrical stimulation output (Maximum)

저주파 전기 자극의 자극강도 조절은 그림 7의 듀티비와 같이 조절하기 위해 엔코더를 사용하였으며 엔코더는 20클릭으로 구성되어 있어 1클릭에 4V만큼 증가 또는 감소하게 프로그램 하였다.

엔코더의 1클릭당 측정 전압은 약 3.6V였으며 이는 프로그램된 동작의 오차 범위 이내에서 전압 변화를 확인하였다.

그림 21은 손에 있는 혈자리 중 합곡 부위에 피부 접촉 패드를 밀착시켜 저주파 전기 자극과 온열을 혈자리에 인가하는 예시 이다.

Fig. 21.

Example of use of electric heating system applying low-frequency electrical stimulation

Ⅴ. 결론 및 향후 과제

본 연구는 한방의 구 치료에 사용되는 전기식온구기에 피부 표면에서 심부 근육까지 자극할 수 있는 저주파 전기 자극을 적용하여 침의 효능까지 동시에 유도할 수 있는 저주파 전기 자극 전기식온구기 시스템을 설계하였다. 전기식온구기의 기본적 기능인 온열 기능의 회로와 저주파 전기 자극을 위한 회로를 구성하고 MCU을 사용하여 이를 제어할 수 있도록 개발하였다.

연구결과 얻어진 결론은 다음과 같다.

첫째, 최대 발열 온도는 초기 설정한 40℃(±1℃)이고, 발열 온도 상태는 1분간 상승하고 10분간 유지되는 것이 확인되었다.

둘째, 저주파 전기 자극은 엔코더를 조정하여 PWM duty cycle을 1%~100%로 조절하였을 때 1%일 때 3.3V, 100%일 때 90V까지 전기 자극이 출력된다는 것이 확인되었다. 단, 동작 시간과 온도는 프로그램의 조정을 통해 변경 가능하다.

셋째, 손등의 합곡 부위에 온열과 저주파 자극을 동시에 인가하였을 때 엔코더를 조정하여 전압을 상승시키면, 전압이 낮을 때는 피부의 표면에서 자극을 느끼지만 전압이 상승함에 따라 피부의 깊숙한 그곳까지 자극과 온열이 전달되는 것이 확인되었다.

이 연구는 기존의 침구 치료가 동시에 하나의 경혈에 시술하지 못한 한계점을 극복하고 온열자극과 동시에 저주파 전기 자극을 인가함으로써 경혈의 심부자극을 통해 뜸의 효능과 침의 효능을 동시에 유도가 가능한 시스템을 구현하였다는 데 의의가 있다. 이 연구의 결과는 한방치료에 있어 여러 병증에 다양한 치료 방향을 제시함으로써 한방 의료기기의 다양성 확보와 시장의 우선 선점을 위한 발판을 마련할 수 있는 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

후속 연구를 위한 제언으로는 첫째, 추후 인체와 유사한 모델을 이용하여 온열 자극 시 깊이에 따른 온도측정과 전기 자극 전압의 변화에 따른 피부에 유도되는 전압의 강도를 측정하여 전기 자극의 강도에 따른 심부 자극의 정도를 정량화하는 연구가 필요하다. 둘째, 다양한 임상을 통해 온열 자극과 저주파 전기 자극을 동시에 경혈점에 인가하였을 경우 인체에 미치는 영향과 효과에 대한 검증이 이루어져야 할 것이다.

Acknowledgments

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음

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