KR101933809B1

KR101933809B1 - 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법

Info

Publication number: KR101933809B1
Application number: KR1020170184117A
Authority: KR
Inventors: 박정회; 이병석; 박종서; 최무진
Original assignee: (주)나눔테크
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-12-28
Anticipated expiration: 2037-12-29

Abstract

본 발명은 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자에게 이상 파형의 고전압 전기 에너지를 제어하기 위해 사용되는 스위치를 하나의 스위치로 통합함으로써 자동심장충격기의 소형화가 가능해지고, 제어방법에 의해 정확하고 정밀하게 전기 충격 에너지를 제어할 수 있는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 고전압 커패시터와 연결되어 환자에게 이상 파형(Biphasic wave)의 고전압 전기에너지를 제어하여 제공하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈에 있어서, 고전압 전기 에너지를 제어하고 제1,2,3,4스위치부가 동일한 종류의 스위칭 소자로 구성되어 하나의 반도체에 적용된 통합스위치와; 상기 통합스위치에 연결되어 제1,2,3,4스위치부의 게이트를 각각 동작하는 제1,2,3,4드라이버;로 이루어지며, 상기 제1,3드라이버에는 전류 흐름을 차단하기 위한 트랜스포머가 더 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법{High-voltage control module of AED and Control method}

본 발명은 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자에게 이상 파형의 고전압 전기 에너지를 제어하기 위해 사용되는 스위치를 하나의 스위치로 통합함으로써 자동심장충격기의 소형화가 가능해지고, 제어방법에 의해 정확하고 정밀하게 전기 충격 에너지를 제어할 수 있는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동심장충격기(또는 자동제세동기 Automated External Defibrillator, AED)는 자동으로 심장세동을 제거하는 장치로서, 심장박동이 정지되어 각 조직으로 혈류가 중단되면서 생체활동에 필수적인 산소 등의 공급이 중단되는 현상인 급성심정지 (SCA: Sudden Cardiac Arrest) 현상이 발생할 때, 외부로부터 전기충격을 주어서 심장박동을 정상적으로 돌아오도록 하는 장치이다.

이러한 자동심장충격기의 고전압 전기 에너지는 4개의 스위치와 상기 스위치의 게이트를 동작시키는 4개의 드라이버로 제어가 이루어진다. 종래의 자동심장충격기는 도 1에 도시한 바와 4개의 드라이버를 각각의 스위치와 연결되어 있었다. 종래의 스위치 구성을 살펴보면, 4개의 실리콘 제어 정류기(SCR)와 2개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 구성되어 있다.

즉, 하이 사이드에 해당하는 스위치1과 스위치3은 실리콘 제어 정류기(SCR)로 구성되고, 로우 사이드에 해당하는 스위치2와 스위치4는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 구성되어 있어, 로우 사이드인 드라이버 2와 드라이버 4에서 전기 충격의 종료신호를 제어하게 된다.

이와 같이 서로 다른 종류의 스위치 소자를 사용하기 때문에 고전압 전기 에너지의 제어구성이 복잡해지고 많은 부품으로 인해 구조적으로 자동심장충격기의 크기를 줄이기 어려운 실정이다.

도 2는 종래의 드라이버 제어를 통해 고전압 전기에너지의 이상파형을 형성하는 것을 나타낸 것으로, 제어 순서는 1) 드라이버 2가 먼저 연속된 신호를 출력, 2)드라이버 1의 펄스 신호로 이상파형이 시작, 3)드라이버 2의 출력 신호가 끝나면 이상파형 종료, 4)드라이버 4의 연속된 신호를 출력, 5)드라이버 3의 펄스 신호로 이상파형 시작, 6)드라이버 4의 출력 신호가 끝나면 이상 파형 종료 순서로 이루어지게 된다. 이와 같이 종래의 드라이버 제어는 로우 사이드(드라이버 2, 4)의 신호가 하이 사이드(드라이버 1, 3)의 신호보다 100ms 먼저 동작하는 방식으로 제어가 이루어진다.

관련 선행기술로서, 등록특허 제10-1049172호(제세동기의 자동 위상변환 제어장치)에는 전원공급부로부터 공급되는 전력을 저장하며, 제어부의 방전개시 제어신호에 따라 전기충격파를 생성하여 출력하는 고압캐패시터와; 환자에게 전기충격파를 인가함에 따라 상기 고압캐패시터에 충전된 전원의 전압이 방전종료의 기준이 되는 전압(Vend) 보다 낮아지면 방전종료 제어신호를 출력하는 비교기2와; 상기 전극을 통해 환자의 몸에 공급되는 전류의 일부를 분기시키고, 분기된 전류를 시간에 따라 적분하여 환자에게 가해진 전원의 전압을 산출하는 적분기와; 상기 적분기가 적분 계산하여 산출한 전압의 크기가 위상전환의 기준이 되는 전압(Vphs) 보다 커지면 상기 전기충격파형의 위상을 반전시키는 위상전환 제어신호를 출력하는 비교기3과; 상기 비교기3으로부터 위상전환 제어신호가 입력되면 상기 전기충격파형의 위상을 반전시켜 역방향의 전기 충격파가 상기 환자의 몸에 인가되도록 하는 위상제어기;로 구성되는 기술이 개시되어 있다.

그러나 상기 선행기술 역시 스위치 1,2,3,4 가 드라이버 1,2,3,4에 각각 연결되어 있는 종래과 동일한 구성의 스위칭 방식으로 되어 있기 때문에 고전압 제어 회로의 구성이 복잡하고 제품소형화가 어려운 문제점이 있다.

등록특허 제10-1049172호 등록특허 제10-1690603호 등록특허 제10-0948671호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 같은 종류의 스위칭 소자를 하나의 반도체에 적용한 통합스위치를 통해 자동심장충격기에 필요한 고전압 제어 회로의 구성 및 부품수를 줄일 수 있어 자동심장충격기의 소형화가 이루어질 수 있고, 전기 충격시간을 연속된 펄스 신호로 제어가 이루어질 수 있도록 하여 종래의 제어방법에 비해 정확하고 정밀한 제어가 가능한 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법을 제공하는데에 목적이 있다.

본 발명은 고전압 커패시터와 연결되어 환자에게 이상 파형(Biphasic wave)의 고전압 전기에너지를 제어하여 제공하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈에 있어서, 고전압 전기 에너지를 제어하고 제1,2,3,4스위치부가 동일한 종류의 스위칭 소자로 구성되어 하나의 반도체에 적용된 통합스위치와; 상기 통합스위치에 연결되어 제1,2,3,4스위치부의 게이트를 각각 동작하는 제1,2,3,4드라이버;로 이루어지며, 상기 제1,3드라이버에는 전류 흐름을 차단하기 위한 트랜스포머가 더 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1,2,3,4스위치부는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 적용되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1,3드라이버는 각각 1개의 트랜스포머와 하프 브릿지 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1,3드라이버는 연속된 펄스신호로 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러 통합스위치와 이에 연결된 제1,2,3,4드라이버로 구성되는 고전압 제어모듈의 제어방법에 있어서, 상기 제1드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-1); 상기 제2드라이버에서 신호를 출력하면서 파형이 시작되는 단계(S-2); 상기 제1드라이버의 연속된 펄스 신호와 제2드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-3); 상기 제3드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-4); 상기 제4드라이버에서 신호를 출력하면서 파형이 시작되는 단계(S-5); 상기 제3드라이버의 연속된 펄스 신호와 제4드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-6);로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-1);는 그 다음 단계보다 10ms 먼저 동작하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제3드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-4);는 그 다음 단계보다 10ms 먼저 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기존에 개별구성으로 이루어져 있던 스위치를 하나의 통합스위치로 구성함에 따라, 고전압 제어 회로의 구성 및 부품수를 줄일 수 있어 종래에 비해 자동심장충격기의 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

또한 제1드라이버와 제3드라이버에서 연속된 펄스신호로 제어가 이루어지기 때문에 종래의 제어방법에 비해 정확하고 정밀한 제어가 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 자동심장충격기에 사용된 스위치와 드라이버의 구성을 나타낸 도면
도 2는 종래의 고전압 제어방법에 따른 에너지 파형을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 고전압 제어모듈이 적용된 작동심장충격기의 구성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 고전압 제어모듈을 구성하는 통합스위치와 드라이버의 구성을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제1드라이버와 제3드라이버의 구성을 나타낸 회로도
도 6은 본 발명의 제어방법을 나타낸 블록도
도 7은 본 발명의 제어방법에 따른 에너지 파형을 나타낸 도면

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

종래의 자동제세동기에 적용된 고전압 제어모듈은 도 1에 도시한 바와 같이 4개의 스위치와 상기 스위치 게이트를 동작시키는 4개의 드라이버로 제어가 이루어진다. 그러나 종래의 스위치는 4개의 실리콘 제어 정류기(SCR)와 2개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 구성되어 많은 부품으로 인해 구조적으로 자동심장충격기의 크기를 줄이기 어려운 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 각 스위치를 동일한 종류의 스위칭 소자로 구성한 통합스위치를 통해 구성을 단순화하고, 종래의 방식과 다른 방식으로 드라이빙 제어가 이루어지도록 한 자동심장충격기의 고전압 제어모듈 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 의한 자동심장충격기의 고전압 제어모듈은 고전압 커패시터(30)와 연결되어 환자에게 이상 파형(Biphasic wave)의 고전압 전기에너지를 제어하여 제공하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈에 있어서, 고전압 전기 에너지를 제어하고 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)가 동일한 종류의 스위칭 소자로 구성되어 하나의 반도체에 적용된 통합스위치(100)와, 상기 통합스위치(100)에 연결되어 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)의 게이트를 각각 동작하는 제1,2,3,4드라이버(210,220,230,240);로 이루어지며, 상기 제1,3드라이버(210),(230)에는 전류 흐름을 차단하기 위한 트랜스포머가 더 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명의 고전압 제어모듈이 적용된 자동심장충격기의 구성을 나타낸 도면으로서, 통합스위치(100)와 제1,2,3,4드라이버(210,220,230,240)를 설명하기에 앞서 이와 함께 작동하는 자동심장충격기의 각 구성들을 참조된 도면을 통해 간단히 설명하면 아래와 같다.

먼저, 고전압 충전장치(20)는 전원공급장치(10)로부터 공급받은 전기 에너지를 고전압 커패시터(30)에 저장 및 제어하는 구성이다. 이때 제어신호는 중앙제어장치(50)로부터 제공받으며 충전중에는 고전압 커패시터(30)의 전압을 측정한 다음 특정 전압을 초과하게 되면 과충전이 되지 않도록 제어된다.

상기 고전압 커패시터(30)는 환자에게 약 15,000 내지 20,000 V의 고전압을 가할 수 있도록 전기에너지를 일시적으로 저장하는 구성이다.

그리고 신호제어장치(40)는 환자에게 이상 파형의 전기 에너지를 생성하기 위해 제1드라이버(210)와 제2드라이버(220)의 시간을 제어하고, 제3드라이버(230)와 제4드라이버(240)의 시간을 제어하는 구성으로서, 제1드라이버(210)와 제3드라이버(230)가 동시에 동작하지 않도록 하고 제2드라이버(220)와 제4드라이버(240)가 동시에 동작하지 않도록 제어하는 기능을 수행한다. 상기 신호제어장치(40)의 제어시간은 중앙제어장치(50)로부터 제공받게 된다.

상기 중앙제어장치(50)는 고전압의 전기 충격 에너지를 제어하기 위한 장치로서 마이크로 컨트롤러 장치(MCU : Microcontroller Unit) 또는 시스템 온 칩(SoC : System on Chip)으로 구성되며 제어를 담당하는 소프트웨어가 내장된다.

그리고 전류측정장치(60)는 환자에게 전기 충격 후 고전압 커패시터(30)의 남은 전기 에너지를 방전하거나, 전기 충격기 필요 없어 전기 에너지를 강제로 방전할 때 남은 전류를 측정하기 위한 장치이다.

본 발명의 통합스위치(100)는 도 4에 도시한 바와 같이, 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)로 구성되며, 하나의 반도체에 각 스위치부가 적용될 수 있도록 동일한 종류의 스위칭소자로 이루어진다. 상기 통합스위치(100)의 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 적용된다.

본 발명의 제1,2,3,4드라이버(210,220,230,240)는 통합스위치(100)에 연결되어 각 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)의 게이트를 동작하는 구성이다. 하이 사이드에 해당하는 제1,3드라이버(210),(230)는 1개의 스위칭 전원(SMPS, Switching Mode Power Supply) 트랜스포머(Transformers)와 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 적용되며, 로우 사이드에 해당하는 제2,4드라이버는 트랜스포머의 구성없이 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 적용된다. 그리고 상기 제1,3드라이버(210),(230)는 도 5에 도시한 바와 같이 하프 브릿지 회로로 구성되어 전류 흐름을 차단하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 제1,3드라이버(210),(230)에 트랜스포머를 적용한 이유는, 종래에는 로우 사이드에서 전류차단이 이루어졌던 방식과 다르게 본 발명은 하이 사이드에서 전류 차단이 이루어져야 하며 구조적으로 고전압이 흐르는 상태에서 스위치를 차단하게 되는데, 이때 스위치를 차단하는 과정에서 고전압이 제1,3드라이버(210),(230) 회로측으로 넘어가기 때문에 트랜스포머와 같은 전기적인 절연구성이 필요한 것이다.

또한 상기 제1,3드라이버(210),(230)는 트랜스포머가 구성되어 특성상 DC전류의 전달이 어렵기 때문에 AC전류를 연속된 펄스신호로 제어가 되며, 상기 제1,3드라이버(210),(230)의 선단에 정류회로를 구성하여 스위칭이 이루어질 수 있도록 하는 것이다. 이와 같이 제1,3드라이버(210),(230)가 연속된 펄스신호로 제어되기 때문에 종래의 제어방법에 비해 정확하고 정밀한 제어가 가능한 이점을 갖는다.

도 6은 본 발명의 통합스위치와 이에 연결된 제1,2,3,4드라이버로 구성되는 고전압 제어모듈의 제어방법을 나타낸 것으로, 본 발명의 제어방법은 상기 제1드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-1);와, 상기 제2드라이버에서 신호를 출력하면서 파형이 시작되는 단계(S-2);와, 상기 제1드라이버의 연속된 펄스 신호와 제2드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-3);와, 상기 제3드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-4);와, 상기 제4드라이버에서 신호를 출력하면서 파형이 시작되는 단계(S-5);와, 상기 제3드라이버의 연속된 펄스 신호와 제4드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-6);로 이루어진다.

도 7은 본 발명의 전기충격의 에너지파형을 나타낸 것으로, 종래의 방식과 유사한 파형구조를 이루고 있지만 다른 제어방법으로 에너지 파형을 형성하고 있다. 본 발명의 제어방법에서 상기 제1드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-1);는 그 다음 단계보다 먼저 동작하게 되는데 그 시간은 10ms 가 바람직하다.

그리고 상기 제1드라이버의 연속된 펄스 신호와 제2드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-3);에서는 앞서 설명한 바와 같이 제1드라이버의 트랜스포머를 통해 전류차단을 하여 전기충격의 종료를 제어하게 된다.

또한 상기 제3드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-4); 역시 그 다음 단계보다 10ms 먼저 동작하는 것이 바람직하다.

그리고 제3드라이버의 연속된 펄스 신호와 제4드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-6);도 제3드라이버에서 전류차단을 통해 전기충격의 종료를 제어하게 된다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

10 : 전원공급장치 20 : 고전압 충전장치
30 : 고전압 커패시터 40 : 신호제어장치
50 : 중앙제어장치 60 : 전류측정장치
100 : 통합스위치 110 : 제1스위치부
120 : 제2스위치부 130 : 제3스위치부
140 : 제4스위치부
210 : 제1드라이버 220 : 제2드라이버
230 : 제3드라이버 240 : 제4드라이버
S-1 ~ S-6 : 고전압 제어모듈의 제어방법

Claims

고전압 커패시터(30)와 연결되어 환자에게 이상 파형(Biphasic wave)의 고전압 전기에너지를 제어하여 제공하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈에 있어서,
고전압 전기 에너지를 제어하고 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)가 동일한 종류의 스위칭 소자로 구성되어 하나의 반도체에 적용된 통합스위치(100)와;
상기 통합스위치(100)에 연결되어 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)의 게이트를 각각 동작하는 제1,2,3,4드라이버(210,220,230,240);로 이루어지며,
상기 제1,3드라이버(210),(230)에는 전류 흐름을 차단하기 위한 트랜스포머가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈
제 1항에 있어서,
상기 제1,2,3,4스위치부(110,120,130,140)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 적용되는 것을 특징으로 하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈
제 1항에 있어서,
상기 제1,3드라이버(210),(230)는 각각 1개의 트랜스포머와 하프 브릿지 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈
제 1항에 있어서,
상기 제1,3드라이버(210),(230)는 연속된 펄스신호로 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동심장충격기의 고전압 제어모듈
통합스위치와 이에 연결된 제1,2,3,4드라이버로 구성되는 고전압 제어모듈의 제어방법에 있어서,
상기 제1드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-1);
상기 제2드라이버에서 신호를 출력하면서 파형이 시작되는 단계(S-2);
상기 제1드라이버의 연속된 펄스 신호와 제2드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-3);
상기 제3드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-4);
상기 제4드라이버에서 신호를 출력하면서 파형이 시작되는 단계(S-5);
상기 제3드라이버의 연속된 펄스 신호와 제4드라이버의 신호가 동시에 종료되어 파형이 종료되는 단계(S-6);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 제어모듈의 제어방법
제 5항에 있어서,
상기 제1드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-1);는 그 다음 단계보다 10ms 먼저 동작하는 것을 특징으로 하는 고전압 제어모듈의 제어방법
제 5항에 있어서,
상기 제3드라이버에서 연속된 펄스 신호를 발생하는 단계(S-4);는 그 다음 단계보다 10ms 먼저 동작하는 것을 특징으로 하는 고전압 제어모듈의 제어방법