심부투열용 고주파 치료기의 제작과 RET 전극조건에 따른 온도 분포 특성
정 재 원*, 김 병 주**, 김 기 선*†
*†경인엔지니어링(주) 부설연구소
**유원대학교 반도체디스플레이학과
Fabrication of high-frequency therapy device for deep part and temperature distribution characteristic according to electrode condition of RET
Jae-Won Jung
*, Beong-Ju Kim
**, Ki-Seon Kim
*†*†
Kyoungin Engineering Co., Ltd., Gunpo, Kyeonggi-do, Korea
**Department of semiconductor and display, U1 university, Asan, Chungchungnam-do, Korea (Received : Sep. 13, 2018, Revised : Nov. 20, 2018, Accepted : Dec. 20, 2018)
Abstract : A high-frequency therapy device with improved output by modifying a high-frequency stimulator was fabricated. The details of the design include generating part design, high-frequency transformer design, large output FET installation, DC voltage input part design and gate input driver design. Based on the real test using the pork meat, the temperature distributions according to the current electric transfer method, penetration depth, electrode diameter size were measured. In the CET method, the penetration depth was 0.5 cm and in the RET method, the penetration depth was 20 cm or more. In addition, it was confirmed that the temperature rise according to the penetration depth in the RET system was substantially constant, and the temperature rise was remarkable as the electrode diameter was small. As a result, it has been confirmed that the high frequency therapy device is highly affected by various conditions of the electrode.
Keywords : High-frequency therapy device, Capacitive electric transfer, Resistive electric transfer, CET, RET
1. 서 론
1)
100kHz 이상의 교류 전류를 고주파 전류라 하고 고주파 전류가 인체에 통전되면 조직에서 열이 발생하 고 이를 심부열이라 한다. 이는 고주파 전기에너지가 가해지면 전류의 방향이 바뀔 때마다 조직을 구성하는 분자들이 진동하면서 서로 마찰하게 되어 회전운동, 뒤틀림, 충돌운동에 의해 생체 열을 발생시키기 때문
†Corresponding Author 성 명 : 김기선
소 속 : 경인엔지니어링(주) 부설연구소
주 소 : 충남 아산시 온천동 149-4 온천수타워 804호 전 화 : 031-689-3098
E-mail : [email protected]
이다.이처럼 고주파 전류를 이용해 심부열을 일으키고 이 것은 생체에 온열 효과를 줄 수 있는데 일반적으로 알 려진 조직의 기능 회복온도는 40~45℃로 조직의 온 도가 40℃이상으로 온도가 올라가면 직접효과에 의해 동맥 및 모세혈관 확장이 일어나고 혈류량이 증가하여 혈액순환 촉진 및 신진대사가 증진된다.
이러한 고주파 자극기를 이용한 치료요법으로는 피 부관리, 비만관리, 두피관리, 근육관리, 통증완화 등이 있다[1]. 얼굴 피부관리[2]로는 주름 및 재생, 기미와 미백, 여드름, 예민 피부관리 등이 있으며 등, 가슴, 복부, 하체 등의 비만관리[3]에도 적용되고 통증관리 [4]에도 응용된다. 그렇지만, 경우에 따라서는 경미한 부작용의 발생이 보고되고 있다.
최근 제작되고 있는 고주파 자극기는 전류통전방식 에 따라 용량성 통전방식(Capacitive Electric
적용되고 있는 방식으로 피부에 접촉시키는 도자에 열 을 발생시켜 피부표면에 열 효과를 얻는 방식이다. 하 지만, 신체에 이로운 열 효과를 얻기 위해서는 치료시 간이 길어지며 그 효과가 RET 방식에 비하여 떨어지 므로 사용자에게 치료적인 만족감을 줄 수 없는 경우 가 많다. RET 방식은 신체내부에 직접 전류를 통전시 켜 도자와 접지 역할을 하는 프레이트 판 사이의 신체 내부에 열을 발생시켜 열 효과를 얻는 방식이다[5].
RET 방식의 열 효과는 CET 방식에 비해 열 발생 효 과가 탁월하다. 그러나, 직접적으로 전류를 몸에 통전 시키는 방법이기에 개인사용자가 사용하기에 안전에 문제가 있을 수 있다.
이러한 고주파 치료기는 고주파를 발산시키는 전극 도자의 영향을 많이 받아 전극의 전류통전방식, 침투 깊이, 전극 직경 크기 등에 따라서 온도 분포가 결정 된다는 것이 알려져 있다.
본 연구에서는 범용 CET 방식의 고주파 자극기를 개조하여 RET 방식의 고주파 치료기를 제작하여 출 력을 발산시키는 전극도자의 다양한 조건에 따른 온도 분포를 측정하여 고주파 치료기에 전극도자가 미치는 영향을 조사하였다.
2. 심부투열용 고주파 치료기의 제작 본 연구에서는 300W급 고주파 자극기의 성능향상 을 위해, 즉 출력증가를 위해 고주파 자극기 개조를 시도 하였다. 첫째, CET용 도자를 RET용 도자로 사 용하기 위하여 Fig. 1에서와 같이 도자의 고주파 조사 면의 코팅면을 벗겨 냈고 이는 고주파 자극기의 전류 통전방식을 CET방식에서 RET방식으로 전환하는 것 을 가능하게 한다.
둘째, FET를 작동시킬 때 나는 열을 방출하기 위 해서 기존의 방열판을 10배 이상의 대형 방열판으로 바꾸었으며 팬과 더불어 이는 FET를 작동시킬 때 방 출되는 열에서 자유롭게 한다. Fig. 2는 교체된 대형 방열판을 보여준다.
(a) (b)
Fig. 1. (a) The CET electrodes and (b) the RET electrodes according to the current electric
transfer method
(a) (b)
Fig. 2. (a) The heat sink of the previous circuit and (b) the large heat sink used in this study 본 고주파 자극기의 회로 구성은 발진부, 게이트 입 력 드라이버, FET, DC 전압 입력부, 고주파 트랜스 등으로 크게 나누어진다. 본 연구에서는 발진부에서 발진해 나오는 0.5MHz 고주파 신호의 전류, 전압을 증폭시키는 출력 드라이버 FET와 고주파 전압을 증가 시키는 고주파 트랜스의 교체를 통해서 출력 값을 증 가시키기 위한 시도를 하였다.
우선, 고주파 트랜스에 관심을 두고 고주파 인덕턴 스 및 권선수를 조절하거나 고주파 트랜스 코어의 크 기를 조절하여 출력을 조절할 수 있는 방안을 강구하 였다. Fig. 3은 원래 고주파 자극기에서 사용되고 있 는 고주파 트랜스와 새로 고안한 고주파 트랜스를 보 여 준다. 원래의 고주파 자극기는 1차 측 권선수가 4 회전 이고 2차 측 권선수는 26회전 인데 이것을 새로 고안한 고주파 트랜스에서는 1차 측 인덕턴스가 22H 와 55H로 하고 2차 측 권선수를 1차측 권선수의 6배 또는 10배로 각각 하였다. 이때 출력이 384W를 넘지 못하였다. 이것은 고주파 트랜스의 1차 측 권선수에 대해 2차 측 권선수를 증가시켜도 출력이 증가하지 않 음을 보여주며 고주파 트랜스의 효율적 사용은 기본 회로와의 매칭 여부에 달려 있음을 알 수 있다.
다음은 고주파 트랜스의 1차 측 DC 입력 전압의 증가 방안에 대해 알아본다. 원래의 회로에서는 VDD 전압을 20V에서 70V까지만 올릴 수 있도록 설계되었 다. 본 실험에서는 슬라이닥스를 이용해서 고주파 트 랜스의 1차 측 입력전압인 VDD전압을 100V까지 올 렸을 때 출력이 400W까지 증가 되었고 4개의 FET 중에서 1개가 파열되었다. 또한, 슬라이닥스와 외부 DC회로를 동시에 사용하면 VDD 전압을 150V까지 올릴 수 있음을 확인하였다. 이것은 VDD전압을 증가 시키면서 FET의 용량을 증가시키면 출력을 증가시킬 수 있음을 의미하며 고주파 자극기 개조에 있어서 하 나의 가능성을 제공한다.
(a)
(b)
Fig. 3. (a) The high-frequency transformer of the previous circuit and (b) the high-frequency transformer
used in this study
동시에 사용하면 VDD 전압을 150V까지 올릴 수 있음을 확인하였다. 이것은 VDD전압을 증가시키면서 FET의 용량을 증가시키면 출력을 증가시킬 수 있음을 의미하며 고주파 자극기 개조에 있어서 하나의 가능성 을 제공한다.
다음은 FET의 용량을 증가시키는 방안에 대해 생 각해 본다. 원래의 고주파 자극기는 14A 500V의 정 격용량을 가진 것을 4개 병렬로 연결해 사용해 왔는데 이때 출력을 증가시키면 열이 많이 나거나 파열되는 불안전한 면을 보여준다. 본 연구에서는 이러한 FET 대신에 0.5MHz 주파수 대역에서 사용할 수 있는 대 출력 MOSFET를 구입하여 실험을 진행하였다. 대출 력 MOSFET로는 75A 650V와 100A 500V의 정격 용량을 갖는 것을 각각 4개씩 준비하였다. 우선, 75A 650V의 정격용량을 갖는 MOSFET 3개를 장착하고 VDD전압을 슬라이닥스와 외부 DC회로를 이용하 여 135V까지 올렸고 이때 출력은 1023W이었다. 또 한 대출력 MOSFET(100A 500V)에서도 500W이상 의 출력을 무난히 낼 수 있음을 확인하였다.
대출력 MOSFET(100A 500V)의 게이트 입력 드 라이버의 교체도 출력 증가 방안의 하나가 될 수 있 다. 기존의 게이트 입력 드라이버를 대출력 게이트 입 력 드라이버로 교체하여 MOSFET를 구동시켰더니 대출력 게이트 입력 드라이버 회로의 메인소자인 MC33153에서 열이 많이 나서 교체를 중지하였다.
또, 소자 MC33153을 소자 FAN3181로 교체하여 구동을 시도하였으나 100kHz이상의 주파수 대역에서 마찬가지로 소자에 열이 많이 나서 중지하였다. 이로 써, MOSFET를 구동할 수 있는 새로운 대출력 게이 트 입력 드라이버의 필요성이 대두되었다. 본 연구에 서는 새로운 게이트 입력 드라이버의 하나로 FAN3122를 사용하고 동방열판을 장착하였는데 로드 (부하저항)테스트 또는 실물(돼지고기)테스트에서 무 난히 500W이상의 출력을 낼 수 있음을 확인하였다.
Fig. 4는 본 연구에서 개발한 게이트 입력 드라이버를 보여준다. Fig. 5는 본 연구에서 개발한 500W급 고 주파 발생장치의 간략 회로도를 보여준다.
Fig. 4. The gate input driver developed in this study
Fig. 5. A simplified circuit diagram of a 500W class high frequency generator developed in this study
3. 전극조건에 따른 온도 분포 3.1 전류통전방식(RET)에 따른 온도 변화
Fig. 6은 고주파 치료기의 전류통전방식의 하나인 RET방식을 보여준다. 저항성 전류 통전인 RET는 절 연되지 않은 도자 전극과 접지인 플레이트 사이에서 일어나는 전자 활동으로 인해 중앙 조직으로 부터 심 부열이 발생한다[6].
Fig. 6. A schematic diagram of RET method Fig. 7은 주파수 0.5MHz 일 때, 시간 1분 30초 동안, intensity 10에서 RET방식의 도자로 각각 고 주파를 실물(돼지고기 두께 5cm)에 조사한 경우의 온 도변화를 나타낸다. 우선, CET방식에서는 침투깊이가 0.5cm 이었다. 반면, 그림에서 보는 것처럼, RET 방 식에서는 3cm이상 침투하였음을 알 수 있다. RET 방식에서는 도자직경 30mm에서 침투깊이 0.5cm에
22℃까지 올랐고 침투깊이 3cm에서는 20℃에서 2 4℃까지 올랐다. 그러므로, RET 방식이 CET 방식보 다 침투깊이가 큼을 알 수 있다. 피부에 접촉된 도자 를 중심으로 활발한 전자 활동이 일어나 심부열이 발 생되는 CET 방식보다는, 절연되지 않은 도자 전극과 접지인 통전판 사이에서 일어나는 전자 활동으로 인해 중앙 조직으로 부터 심부열이 발생되는 RET 방식에 서 침투깊이가 큼을 알 수 있다. 유사하게 고주파 온 열치료기를 이용한 한천 팬텀의 온도분포 특성이 보고 되고 있다[7].
Fig. 7. Temperature change depending on infiltration depth and electrode diameter according to RET method
3.2 침투 깊이에 다른 온도 변화
Fig. 7은 주파수 0.5MHz 일 때, 시간 1분 30초 동안, intensity 10에서 RET 방식의 도자로 고주파 를 실물(돼지고기 두께 5cm)에 조사한 경우의 침투깊 이에 따른 온도변화를 나타낸다. 그림에서 보여주는 것처럼, RET 방식에서 도자직경 30mm에서는 침투 깊이 0.5cm에서 20℃에서 30℃까지 온도가 올랐고 침투깊이 3cm에서 20℃에서 26℃까지 올랐다. 도자 직경 80cm에서는 침투깊이 0.5cm에서 20℃에서 2 2℃까지 올랐고 침투깊이 3cm에서 20℃에서 24℃까 지 올랐다. 결과적으로, RET 도자직경이 작을수록 침 투깊이가 크며 온도상승폭도 크다.
Fig. 8은 주파수 0.5MHz 일 때, 시간 10분 동안, 출력 306W에서 RET 방식의 도자로 고주파를 실물 (돼지고기 두께 20cm)에 조사한 경우의 침투깊이에 따른 온도변화를 나타낸다. 도자직경 80cm의 경우 침 투깊이 5cm에서 23℃에서 43℃까지 올랐고, 침투깊 이 10cm에서 23℃에서 43℃까지 올랐고, 침투깊이 15cm에서 25℃에서 45℃까지 올랐다. 이 결과는 침 투깊이와 상관없이 온도가 일정하게 올랐다는 것을 보 여준다.
Fig. 8. Temperature change depending on infiltration depth and electrode diameter according to the RET
method
3.3 전극 직경 크기에 따른 온도 변화
Fig. 7에서 보여주는 것처럼, RET 방식에서 도자 직경 30mm에서는 침투깊이 0.5cm에서 20℃에서 30℃까지 온도가 올랐고 침투깊이 3cm에서 20℃에서 26℃까지 올랐다. 도자직경 80cm에서는 침투깊이 0.5cm에서는 20℃에서 22℃까지 올랐고 침투깊이 3cm에서 20℃에서 24℃까지 올랐다. 그림에서 보여 주는 것처럼, RET 도자직경이 작을수록 침투깊이가 크며 온도상승폭도 크다. 이것은 도자직경이 작을수록 고주파가 실물에서 받는 임피던스 값이 크기 때문이라 고 생각된다. 즉, 도자직경이 작을수록 고주파 플럭스 가 더 조밀하기 때문이라고 생각된다.
4. 결론
본 연구에서는 고주파 자극기를 개조하여 출력이 증 가되도록 하였고 그 구체적 내용은 고주파 트랜스 설 계, 대출력 FET 장착, DC 전압 입력부 설계, 게이트 입력 드라이버 설계 등을 포함한다. 이러한 고주파 자 극기를 실물(돼지고기) 테스트에 기초하여 전류통전방 식, 침투깊이, 전극직경크기 등에 따르는 온도 분포를 측정하여 고주파 자극기는 전극도자의 다양한 조건에 영향을 많이 받는다는 것을 확인하였다. 즉, CET 방 식에서는 침투깊이가 0.5cm 이고 RET 방식에서는 침투깊이가 20cm 이상임을 확인하였다. 또한, RET 방식에서 침투깊이에 따르는 온도상승폭은 대체로 일 정함을 확인하였고 전극직경이 작을수록 온도상승이 현저함을 확인하였다.
참고문헌
1. Wi Seong-geol, M.D. dissertation, A study on design of high frequency resistive electric transfer medical therapy apparatus, Dong-eui university, Pusan Korea (2010).
2. Korea pain society, Textbook of pain medicine, Koon-ja press, Gyeonggi-do Korea (2000).
3. Kim Moon-ju, Kim Ewun-jung, Kim Jung-sook, Ewun Dong-wha, Lee Yeong-suk, Eye Choon-jung, Choi
Sung-im, Hwang Goom-soon, Obesity management, Chung-gu Moonwha-sa, Seoul (2008).
4. Lee Jae-heung, Electrical Therapy, Dai-Hak Seorim, Seoul (2015).
5. Kim Kang-won, Deep heart fever treatment, Top-Med, Seoul (2006).
6. http://bybtylp.tistory.com/1358
7. Jeong Dong-kyong, Ph.D. dissertation, Characteristics of temperature distribution in agar phantom by radio frequency hyperthermia, Yeung-nam University, Daegu Korea (2017).