냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법

냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법 {Method for controlling the temperature of forehead massage apparatus}

도 1 은 종래의 국소 피부 냉각기에 관한 단면도.

도 2a 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기의 정면을 나타내는 실제 사진도.

도 2b 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기의 배면을 나타내는 실제 사진도.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 조립체에 관한 블럭도.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법에 관한 흐름도.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기를 thermometer에 의해 측정하는 실제 사진도.

도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기를 AD instrument thermistor Pod 에 의해 측정하는 실제 사진도.

도 7a 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 1차 냉자극 주관 감각 평가 프로토콜을 나타내는 도면.

도 7b 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 2차 냉자 극 주관 감각 평가 프로토콜을 나타내는 도면.

도 7c 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 3차 냉자극 주관 감각 평가 프로토콜을 나타내는 도면.

도 8a 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 4회 냉자극 실험 프로토콜 1 단계를 나타내는 도면.

도 8b 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 4회 냉자극 실험 프로토콜 2 단계를 나타내는 도면.

도 8c 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 2회 냉자극 실험 프로토콜 3 단계를 나타내는 도면.

도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에 의한 1차 실험을 수행하고 있는 실제 사진도.

도 10a 는 본 발명의 일실시예에 따라 thermometer로 6분간 측정한 냉온열 머리 마사지기의 외부온도 측정 그래프.

도 10b 는 본 발명의 일실시예에 따라 thermometer로 10분간 측정한 냉온열 머리 마사지기의 외부온도 측정 그래프.

도 11a 는 본 발명의 일실시예에 따라 thermistor로 25분간 측정한 냉온열 머리 마사지기의 외부온도 측정 그래프.

도 11b 는 본 발명의 일실시예에 따라 thermistor로 2시간 동안 측정한 냉온열 머리 마사지기의 외부온도 측정 그래프.

도 12a 는 본 발명의 일실시예에 따라 1차 냉자극 주관적 감각 평가의 온도- 곡선 그래프.

도 12b 는 본 발명의 일실시예에 따라 2차 냉자극 주관적 감각 평가의 온도-곡선 그래프.

도 12c 는 본 발명의 일실시예에 따라 3차 냉자극 주관적 감각 평가의 온도-곡선 그래프.

도 13a 는 본 발명의 일실시예에 따른 자극 전후 HRV의 LF와 HF의 변화 양상을 나타내는 그래프.

도 13b 는 본 발명의 일실시예에 따른 1, 2 단계 실험에서 냉자극 전후 HRV의 LF/HF의 변화 향상을 나타내는 그래프.

도 13c 는 본 발명의 일실시예에 따른 1차 실험 HRV 분석을 나타내는 그래프.

도 14 는 본 발명의 일실시예에 따른 1차 실험 재현성 실험 HRV 분석을 나타내는 그래프.

도 15 는 본 발명의 일실시예에 따른 한증 및 열증의 HRV 분석을 나타내는 그래프.

도 16 은 본 발명의 일실시예에 따른 냉자극의 한증 및 열증 비교에 관한 그래프.

도 17 은 본 발명의 일실시예에 따른 한증 온자극 실험 HRV 분석에 관한 그래프.

도 18 은 본 발명의 일실시예에 따른 냉자극에 있어 최적의 프로토콜을 나타 내는 도면.

본 발명은 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉온열 머리 마사지기의 온도를 적은 입력 전력으로 제어함으로써, 피부가 냉감을 더욱 효율적으로 느낄 수 있도록 한 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법에 관한 것이다.

종래 냉온열을 이용한 피부 자극 장치와 관련해서는 대한민국 특허출원 제1995-0020963호 '열전 반도체 소자를 이용한 피부국소 냉각장치'가 출원 및 등록된 상태이다.

상기 발명은 도 1 에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(2)를 포함하는 흡열 수단과, 상기 흡열 수단을 냉각 싸이클을 반복하도록 제어하는 제어 수단과, 상기 흡열 수단을 인체에 부착하기 위한 부착 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 국소 냉각장치열전 모듈(2)를 포함하는 흡열 수단과, 상기 흡열 수단을 냉각 싸이클을 반복하도록 제어하는 제어 수단과, 상기 흡열 수단을 인체에 부착하기 위한 부착 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그러나, 상기 발명은 피부를 냉각시키기 위하여 단순히 전원을 온/오프만 시킬 뿐 인체의 생리적 특성을 고려하여 온도를 제어하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상이한 주기로 상이한 전류를 열전소자에 인가함으로써 인체의 생리적 특성을 고려하여 피부에 냉온열 자극을 전달할 수 있고, 인가되는 전력도 최소화할 수 있는 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법에 관한 것으로서, (a) 제어부가 열전소자에 냉자극을 발생시키는 제 1 전류를 인가하는 단계; (b) 상기 제어부가 상기 제 1 전류가 인가된 시간을 측정하여 인가된 시간이 제 1 시간이 경과되었는지 여부를 판단하는 단계; (c) 상기 (b) 단계의 판단결과, 제 1 시간이 경과되지 아니한 경우, 상기 제어부가 상기 (a) 단계로 리턴하고, 제 1 시간이 경과된 경우, 상기 제어부가 상기 열전소자에 온자극을 발생시키는 제 2 전류를 인가하는 단계; (d) 상기 제어부가 상기 제 2 전류가 인가된 시간을 측정하여 인가된 시간이 제 2 시간이 경과되었는지 여부를 판단하는 단계; (e) 상기 (d) 단계의 판단결과, 제 2 시간이 경과되지 아니한 경우, 상기 제어부가 상기 (c) 단계로 리턴하고, 제 2 시간이 경과된 경우, 상기 제어부가 상기 열전소자에 다시 냉자극을 발생시키는 제 3 전류를 인가하는 단계; 및 (f) 상기 제어부가 상기 제 3 전류가 인가된 시간을 측정하여 인가된 시간이 제 3 시간이 경과되었는지 여부를 판단하여, 제 3 시간이 경과되지 아니한 경우, 상기 제어부가 상기 (e) 단계로 리턴하고, 제 3 시간이 경과된 경우, 상기 제어부가 온도 제어를 종료하는 단계; 를 포함한다.

바람직하게 상기 제 1 전류 및 제 3 전류는 상기 열전소자의 온도가 5℃ 내지 15℃가 되는데 필요한 전류이고,

상기 제 2 전류는 상기 열전소자의 온도가 20℃ 내지 35℃가 되는데 필요한 전류로서 기기 자체의 열로서도 상기 20℃ 내지 35℃가 유지되는 경우 제 2 시간동안 오프하며 기기자체의 열로서 상기 20℃ 내지 35℃가 유지되지 않는 경우 제 2 시간동안 반대 극성의 전류로 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게 상기 제 1 전류 및 제 1 시간, 그리고 제 3 전류 및 제 3 시간의 각각의 전류량과 시간의 증감은 서로 반대방향으로 제어되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제 1 시간 및 제 3 시간은 20분 이내이고, 상기 제 2 시간은 3초 이상인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기의 구조에 관하여 도 2a 내지 도 3 을 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2a 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기의 정면을 나타내는 실제 사진도이고, 도 2b 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기의 배면을 나타내는 실제 사진도이며, 도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 조립체에 관한 블럭도이다.

상기 도 2a 및 도 2b 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 머리 마사지기 구조는 케이스(100) 및 다수개로 분절된 열전소자 조립체(200)를 포함한 다.

상기 케이스(100)는 알루미늄과 같은 경량의 재질로서, 전체적으로 임의의 곡률을 가지는 반원형 형상이다.

그리고, 상기 다수개로 분절된 각각의 열전소자 조립체(200)는 상기 케이스(100)의 내측에 고정된 상태에서 사용자의 머리 크기에 따라 유동이 가능하여 사용자의 이마에 안착된 상태에서 냉온 찜질의 기능을 수행하는 바, 도 3 에 도시된 바와 같이 전원 공급부(210), 제어부(220), 열전소자(230), 냉온열판(240), 온도 감지부(250) 및 온도 조절부(260)를 포함한다.

상기 전원 공급부(210)는 교류 전류를 입력받아 직류 전류로 변환한 후 변환된 직류 전류를 공급하는 기능을 수행한다.

또한 상기 제어부(220)는 제어부(600)는 열전소자(230)에 인가되는 전류의 크기와 방향을 조절함으로써 온도조절부(260)에서 설정된 온도와 온도감지부(250)에서 감지된 냉온열판(240)의 온도의 차이를 비교하여 그 차이에 상응하게 전원공급부(210)에서 열전소자(230)로 인가되는 전류를 제어함으로써, 열전소자(230)가 수행하는 흡열과 발열의 양를 결정할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

또한 상기 열전소자(230)는 냉온열판(240)에 인접하게 형성되어, 상기 전원 공급부(210)에서 공급되는 전류를 이용하여 발열 및 흡열 기능을 동시에 수행하는 기능을 수행한다.

또한 상기 냉온열판(240)은 상기 열전소자(230)에 인접되어 상기 열전소자(230)로부터 냉기 및 온기를 전달받아 사용자의 피부에 상기 냉기 및 온기를 제공 하는 기능을 수행한다.

또한 상기 온도 감지부(250)는 상기 열전소자(230)에 연결된 상태에서 상기 열전소자(230)의 온도를 감지하여 감지된 온도 정보를 제어부(220)로 전송하는 기능을 수행한다.

그리고 상기 온도 조절부(260)는 상기 제어부(220)에 연결된 상태에서 상기 열전소자(230)의 온도를 사용자가 원하는 대로 설정할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

상술한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기의 온도 제어방법을 도 4 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법에 관한 흐름도이다.

제어부(220)는 열전소자(230)에 제 1 전류를 인가한다(S2).

본 실시예에서 상기 열전소자(220)에 인가되는 제 1 전류는 상기 열전소자(230)의 온도가 5℃ 내지 15℃가 되는데 필요한 전류로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제어부(220)는 상기 제 1 전류가 인가된 시간을 측정하여 인가된 시간이 제 1 시간이 경과되었는지 여부를 판단한다(S4).

본 실시예에서 상기 제 1 시간은 3분으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제 S4 단계의 판단결과, 제 1 시간이 경과되지 아니한 경우, 상기 제어 부(220)는 상기 제 S2 단계로 리턴하고, 제 1 시간이 경과된 경우, 상기 제어부(220)는 상기 열전소자(230)에 상기 제 1 전류와 반대 극성의 제 2 전류를 인가한다(S6).

본 실시예에서 상기 제 2 전류는 상기 열전소자(230)의 온도가 20℃ 내지 35℃가 되는데 필요한 전류로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제어부(220)는 상기 제 2 전류가 인가된 시간을 측정하여 인가된 시간이 제 2 시간이 경과되었는지 여부를 판단한다(S8).

본 실시예에서 상기 제 2 시간은 1분으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제 S8 단계의 판단결과, 제 2 시간이 경과되지 아니한 경우, 상기 제어부(220)는 상기 제 S6 단계로 리턴하고, 제 2 시간이 경과된 경우, 상기 제어부(220)는 상기 열전소자(230)에 제 3 전류를 인가한다(S10).

본 실시예에서 상기 열전소자(220)에 인가되는 제 3 전류는 상기 열전소자(230)의 온도가 5℃ 내지 15℃가 되는데 필요한 전류로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제어부(220)는 상기 제 3 전류가 인가된 시간을 측정하여 인가된 시간이 제 3 시간이 경과되었는지 여부를 판단하여(S12), 제 3 시간이 경과되지 아니한 경우, 상기 제어부(220)는 상기 제 S10 단계로 리턴하고, 제 3 시간이 경과된 경우, 상기 제어부(220)는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기 온도 제어를 종료한다.

본 실시예에서 상기 제 1 전류 및 제 3 전류 값은 동일하고, 제 2 전류 값은 상기 제 1 전류와는 반대 극성으로 설정되어, 하나의 동작 주기에 있어서 각 시간에 인가되는 전류의 극성이 계속해서 전환되도록 설정될 수 있는 바, 제 1 시간 및 제 3 시간은 동일하고, 제 2 시간은 상기 제 1 시간보다는 짧도록 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기에서 최적의 자극 프로토콜(냉각자극 시간, 자극의 강도 등)을 실제 실험 과정을 도 5 내지 도 18 을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1. 실험 방법 개요.

1.1 피험자 선정.

실험대상은 대학생 남자로 하고, 인원은 평균 15명으로 하되, 여러 실험 protocol에서 실험 인원을 조정하였다. 피험자가 과거 유사업체제품 사용여부를 확인, 또한, 사전 설문을 통해, 피험자가 느끼는 기계에 대한 민감도를 고려한 후, 과거병력(간질 및 발작 등)이 있는 경우, 피험자 대상에서 제외하였다. 또한, 피험자의 상태 제어가 무엇보다도 필요하기 때문에, 실험에 대한 정보를 차단하였다.

1.2 실험연구의 진행.

본 연구는 아래와 같은 4 단계의 진행 절차를 밟았다.

(1) 냉자극 기기 평가

(2) 냉자극에 대한 주관적 감각 평가

(3) 1차 실험

(4) 2차 실험

먼저, 이번 실험에 사용하는 본 발명의 일실시예에 따른 냉온열 머리 마사지기(이하, "냉자극기기"라 함.)에 대한 온도 특성 평가를 수행하였고, 두번째로 그 온도 변화에 대한 피험자의 주관적 감각 평가를 실시하였다. 그리고 이를 토대로, 가장 적절하고 효과적이라고 예측되는 냉자극 실험에 관한 프로토콜을 세웠다. 세 번째로는 1차 실험을 수행하였는데 여기서는 주로 다양하게 냉자극을 가하면서 인체의 생리적 변화 양상을 알아보았고, 가장 적절하다고 생각되는 프로토콜을 가지고 피험자 15 cases에 대해서 실험을 진행하였다. 마지막으로 1차 실험의 결과를 분석한 뒤 2차 실험을 계획하였는데, 그 내용은 광+청각자극과 광+청각+냉각자극에 대한 비교실험과 한증·열증을 구분하여 그룹간의 차이를 보는 것이었다. 이제, 각 단계의 실험연구의 진행과정을 살펴보기로 하자.

1.2.1 냉자극 기기 평가.

본 연구실험에 앞서서 냉자극 기기에 대한 특성에 대한 평가가 요구되었다. 먼저, 냉자극 기기가 작동하였을 때 그 온도 변화에 대해서 조사하였고, 그 후 냉자극 기기가 피부에 부착되었을 때의 온도 변화를 살펴보았다. 그리고 기기가 작동하는 동안에 진행되는 기기의 온도변화의 양상도 추가적으로 알아보았다. 냉자극 기기 온도 평가는 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같은 thermometer와 AD instrument사의 thermistor pod 전극을 이용하여 1차와 2차에 걸쳐서 실시하였다.

1.2.2 냉자극에 대한 주관적 감각 평가.

앞서서 조사했던 기기 평가를 통해서 냉자극 기기가 냉자극 시 온도가 어떻 게 변하며, 피부에 닿았을 경우에는 온도가 어떻게 바뀌는지에 대해서 알게 되었다. 그리고 이러한 온도 변화가 피험자에게 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해서 총 3 차례의 걸쳐서 주관적 감각 평가를 위한 설문조사를 실시하였다. 설문조사는 실험 후에 실시하였다.

단, 본 연구에서는 단기간(10～30분) 1회 사용을 통한 효과를 검증하는 실험이기 때문에 인지 능력의 향상을 평가하는 심리 실험은 배제한다. 설문조사 문항 내용은 붙임을 참고한다. 1차 평가에서는 6분, 2차 평가에서는 13분, 3차 평가에서는 11분을 측정하였다. 자세한 평가의 프로토콜은 도 7a 내지 도 7b와 같다.

설문지는 온도 감각의 크기를 -2부터 2까지 나눈 뒤 30초 시간 단위로 느낀 구간에 표시하도록 구성하였으며, 실험이 끝난 후에 자극동안의 심경의 변화나 집중감, 자극의 주관적 변화양상, 착용감, 쾌적감 등을 질문에 응답하도록 하였다.

1.2.3 1 차 실험.

선행연구인 냉자극기기 특성 평가가 냉자극에 대한 주관적 감각 평가를 통해서 몇 가지 사실을 알 수 있었다.

먼저, 냉자극 기기가 작동하여 냉자극을 주었을 때 유효한 냉자극 시간은 3분 이내였다는 사실과, 3분 이내 시간대에는 주관적으로 편안하거나 시원한 느낌을 받은 반면, 3분이 지난 시점에서는 불편함을 호소했다는 것이다. 따라서 1차 실험에는 총 3 단계의 실험 프로토콜을 수행하였다. 1단계와 2단계는 총 4차에 걸친 냉각 자극을 각각 6 명과 3명의 피험자에게 주어 실험을 수행하였고, 1,2 단계의 실 험결과가 대체적으로 일정하게 나오는 것을 확인한 뒤에 1, 2 단계의 실험시간의 길이를 조정하여 3단계에서는 2차 냉각 자극을 3명의 피험자에게 주어 실험을 수행하였다. 그리고 3단계의 프로토콜을 가장 효율적이고 적절한 냉자극 실험 프로토콜로 판단, 총 15 cases의 피험자에게 실험을 수행하며 HRV와 EEG를 측정하였다. 측정 장비는 AD instrument 사의 Powerlab 800의 심전도와 뇌파전극의 Bio amp를 이용하였다.

도 8a 내지 도 8c는 간단하게 1차의 1, 2, 3 단계의 수행된 실험의 프로토콜이며, 도 9 는 냉자극 기기를 이용하여 1차 실험을 수행하고 있는 실제 사진도이다.

1.2.4 2차 실험.

2차 실험은 1차 실험에서 나온 결과를 바탕으로 3가지의 추가 실험을 수행하였다.

1. 1차 실험의 재현성 실험 15 cases (광+청각+냉각자극 포함)

2. Case 1(광, 청각자극)과 Case 2(광, 청각, 냉자극)의 비교실험

3. 피험자 그룹(한증, 열증) 분류에 따른 차이 확인 실험

4. 한증인 대상 온각자극 실험

먼저, 2차 실험에서 첫 번째 실험은 1차 실험의 재현성을 알아보기 위해서 15 cases에 대해 동일한 프로토콜로 실험을 수행하였다. 다만, 1차 실험과 차이는 2차 실험에서는 광+청각자극이 포함되어서 냉각자극을 주었다는 점이다.

두 번째 실험은 빛자극과 청각자극만으로도 HRV의 HF의 변화를 유도할 수 있 는지에 대한 추가적인 실험이었다. 같은 실험 프로토콜에 1차 자극에는 빛+청각 자극만을 주었고, 2차 자극에서는 빛+청각+냉각자극을 주었다.

다음으로, 냉각자극이 온도 자극이므로 한의학적 변증이론인 한열변증으로 한증과 열증인 사람에 대해서 자극에 따른 변화 양상이 달라지는지 알아보기 위한 실험이었다. 이 실험을 수행하기 위해선 사전에 피험자에게 한열변증 설문지를 웹 메일을 통해서 조사하였고, 실험을 수행한 후 한증과 열증 두 그룹으로 나누어서 실험을 분석하기로 하였다.

마지막으로 한 실험은 온도자극이 한열변증에 영향을 미칠 경우 한증인 사람은 온각자극에 HF가 상승하는지에 대해 알아보기 위한 실험이었다. 2차 실험의 주요 분석 파라미터는 HRV이며 EEG는 측정 후 분석하여 참고하기로 하였다.

1.3 실험의 평가 파라미터.

1.3.1 HRV(Heart Rater Variability)

"Heart Rate Variability" 또는 "Heart Rhythm"의 우리말식 표기인 "심박수 미세 변화"는 매초 변하는 심박수를 측정하는 기술로써 현재 자율신경계의 기능과 심박의 상태를 평가하는 기준으로 인정받고 있다. 자율신경계(Autonomic Nerve System: ANS)는 인체의 심장을 포함한 각 장기의 기능을 제어하고, 내분비선과 소화계통의 움직임을 자율적으로 통제하는 신경조직이지만, 한편으로는 인간의 정신적 또는 감정상태에 직접적으로 영향을 받아 부교감 신경 (parasympathetic nerves) 및 교감신경(sympathetic nerves)의 상호작용에 영향을 미치는 것으로 널리 알려져 있다. 인체는 긴장 상태이거나 감정적 흥분 상태에 있는 경우, 심박수가 빨라지고, 동공이 확장되며, 소화계통의 분비가 억제되는 등, 인간의 의지와는 무관하게 조절되는 자율신경계 중 교감신경의 역할을 가속화하게 된다.

심박수 미세변화분석 방법에는 주파수영역분석법(Frequency Domain method)과 시간 영역분석법(Time Domain Method) 두 가지가 있다. 기록시간 측면에서 볼 때에는, 5분을 최소단위로 분석하는 "단시간분석"과 24시간 동안 측정 및 기록하여 종합적으로 분석하는 "장시간분석" 두 가지 분석법이 있다.

(1) 시간 영역분석(Time domain analysis)

둘 이상의 심박수 데이터가 입력되면 아래에 보인 표준편차수식을 이용하여 심박수 표준편차 값이 계산한다.

일반적인 학설은 표준편차의 수치가 클수록 신체의 상태가 비교적 건강한 것으로 인정되고 있다. 이전에는 휴식상태에 있는 인체의 심박 리듬은 단조롭고 규칙적일 것이라고 믿었지만 실제 관찰된 심박 리듬은 불규칙적으로 분포하며, 이것은 자율 신경계의 교감 및 부교감 신경의 길항작용이 활발하여 시간에 따른 심박수의 변화폭이 크고 불규칙적인 것이 바로 신체의 자율신경계가 정상적으로 활동한 결과로 나타나기 때문이다. 이와 같이 수식을 통해 계산된 심박수 표준편차 값은 이후에 계산될 스트레스지수 분석의 기초 데이터 로 이용된다.

(2) 주파수영역분석(Frequency domain analysis)

x 축을 주파수대역으로 표시하는 주파수영역상에서 분석하는 방법은 심박수변화(HRV)분석에 있어서 "단시간분석"을 사용하는 경우 가장 신뢰성이 높다고 알려진 방법으로 시간 영역분석법과 함께 보다 정확한 자율신경계의 길항작용을 설명하는 파라미터 로 인정받고 있다 .

이번 연구에서 파라미터로서 사용하는 HRV는 주파수영역분석을 하게 되는데, 아래 표와 같이 HF(High Frequency) 혹은 HF norm 과 LF(Low Frequency) 혹은 LF norm 그리고 ratio(LF/HF) 를 주로 관찰하게 된다. 예를 들어 냉자극이 주어졌을 때, HF norm이 증가, 혹은 ratio가 감소하게 되면 부교감신경이 활성화 되었다는 것을 말해주게 된다. 반대로 LF norm이 증가하거나 ratio가 증가하게 되면 교감신경이 활성화되었다는 것을 말해주게 되는 것이다.

1.3.2 EEG (Electro Encephalo Graphy)

□ 뇌파의 발생원리 및 뇌파 해석

(1) 뇌파

일반적으로 뇌파는 대뇌피질 내의 신경세포의 전기적 활동을 두피에 부착한 전극을 통하여 기록한 것이다. 뇌파는 1929년 독일의 정신과 의사 Hans Berger에 의해서 처음으로 발견되었다. 그는 1929-1938년 사이에 뇌파를 임상적 또는 실험적으로 응용하기 위한 기초적인 연구를 했다. 그 후, 간질의 발달과 함께 뇌파의 여러 가지 측정법과 해석 방법이 발달했다. 뇌파의 진폭은 수㎶-수백㎶ 정도이고, 주파수는 0.1 Hz - 수백 Hz 정도이다. 뇌파의 기본 요소로 활동(Activity)과 파(Wave), 율동(Rhythm)이 있는데 활동은 전위의 변동을 가리키며, 파는 활동의 개개 요소를 가리킨다. 율동은 거의 일정한 주기 및 파형을 가지고 반복되는 파로 이루어진 활동을 가리킨다. 진폭은 반드시 일정하지 않아도 되는데, 알파 파라는 것은 알파율동을 말한다.

(2) 뇌파의 분류

뇌파의 종류는 다음의 표2와 같다.

(3) 뇌파 해석.

alpha파는 8Hz에서 13Hz 사이의 주파수 성분을 가지고 있으며, 정상인이 휴식할 때나 문제를 해결하고 사고활동을 할 때 발생하고 규칙적인 파형을 보인다. 후두부 영역에서 뚜렷하게 나타나고, 시각적인 자극을 받았을 때 감소한다. beta는 13Hz에서 30Hz 사이의 주파수 성분을 가지고 있다. 정상 성인이 흥분하거나 불안, 긴장 시에 나타나고, 마취제 등의 약품들에 의해 유도 될 수도 있다. beta파가 지속되면 의사 결정 능력이 지연되거나 산만함을 유발한다. gamma파는 30Hz에서 50Hz 사이의 주파수 성분을 가지며, 각성과 흥분 시에 나타나고 전두엽과 두정엽에서 비교적 많이 발생한다.

delta파는 4Hz 미만의 주파수 성분을 가지고 있으며, 정상 성인의 수면 시 뇌의 여러 부위에서 발생한다. 뇌종양, 뇌염, 의식장애 등으로 인해 나타나기도 한다. theta파는 4Hz에서 8Hz 사이의 주파수 성분을 가지며, 서파이고, 서파가 우세하다는 것은 대뇌 피질의 다수의 신경세포가 동시에 활동하는 현상을 의미한다.

정상 성인의 경우 경계심이 감소되었을 때나 졸고 있는 상태에서 발생하고, 창조력과 학습 능력을 결정한다. 이번 연구에서 주로 관찰하게 될 영역은 위의 뇌파 해석에도 나와 있는 것과 같이 휴식을 취하거나 문제해결 및 사고활동을 할 때 발생하는 alpha파 다. 위의 각 시간대역에서 동일 시간(3분)의 데이터를 주파수 분석을 하여 alpha파의 total power를 비교하게 되는데, 자극 전 후의 alpha파의 양을 비교할 것이다.

1.3.3 한증·열증의 구분.

본 연구에서 주로 시행되는 자극이 온도(냉자극)이므로 피험자 군을 한의학적인 진단방법인 한열변증으로 나누어서 2차 실험을 진행하였다. 피험자 그룹을 한증 그룹과 열증 그룹으로 나누는 방법은 대한 한의학 진단학회 제 6권 2호에 실린 한열변증 설문지 개발을 위한 타당성 연구(Ⅰ) 이라는 논문을 참고하였다.

논문에서는 총 14문항으로 짜여진 한열에 관한 설문지를 만들었는데, 이는 각각의 문항을 한열변증을 포괄하는 팔강변증의 확립에 의사학적 기여도가 있는 의 가와 서적 5종을 참고하여 한열에 관련된 증후 중요도를 산출하여 만들었다.

2차 실험에서는 이 한열변증 설문지를 이용하여 설문조사를 실시하였고 수거된 설문지의 결과를 Z-score로 변환한 뒤, 각각의 유도 공식을 통해서 열증인자 (heat factor)와 한증인자(cold factor) 두 개의 값을 얻어냈다. 그리고 난 뒤, 열 증인자와 한증인자를 통해서 열증일 확률(P_heat)과 한증일 확률(P_cold)을 계산하여 그룹을 나누었다.

2. 실험 결과.

2.1 냉자극 기기 평가.

Thermometer와 AD instrument thermistor pod로 측정한 온도 곡선의 그래프는 도10a 및 도 10b 에 도시된 바와 같다.

thermometer로 측정한 그래프에서 6분의 그래프에서는 30초 뒤에 5분간 냉자극을 주었고, 20분의 그래프에서는 30초 뒤에 18분간 냉자극을 주었다.

상기 도 10a 및 도 10b 에 도시된 바와 같이, 냉각기는 보통 20～30℃의 온도를 5～15℃까지 떨어뜨린다. 이는 냉각기가 인체가 인내할 수 있는 한도 내에서 작동함을 말해주고 있다. 또한 6분의 그래프에서는 자극을 준 후 1분에서 1분 30초 동안은 온도가 떨어지다가 4분 이후에는 온도가 조금 상승하는 것을 알 수 있다. 보다 정확한 특성을 알기 위해서 20분으로 시간을 확장하여 실험하였고, 총 18분간의 냉자극 기간에서 볼 때 가장 낮은 온도와 높은 온도의 편차는 6～7℃까지 차이가 남을 알 수 있었다.

하지만, 이러한 온도 측정 작업이 수작업으로 수행하는 데에서 오는 오차를 줄이기 위해서 thermistor pod를 이용하여서 측정하였는데 온도 변화를 나타낸 그래프가 도 11a 및 도 11b 에 도시된 바와 같다.

이 실험을 통해서 냉자극 기기가 인체가 인내할 수 있는 한도 내에서 작동함을 말해주고 냉자극 기기 특성상 초반 2～3분이 지나서는 온도가 조금씩 상승한다는 것을 확인할 수 있었다.

2.2 냉자극에 대한 주관적 감각 평가.

설문지를 통한 주관적 감각 실험은 총 3차례에 걸쳐서 수행하였다. 도 12a 내지 도 12c는 3차례의 냉자극 프로토콜에 의해서 피험자들이 느끼는 온도를 주관적으로 표시한 것의 평균이다. 그래프에서 0점을 기준으로 위쪽은 냉감, 아래쪽은 온감을 나타내고 있으며, 상하축은 표준편차를 나타낸다.

냉각 자극 후의 설문 조사 결과, 적정한 정도의 냉각 자극을 가하기 위한 자극 강도와 자극 시간, 자극 간격을 추정할 수 있었는데, 유효한 냉각자극의 자극 시간은 10분 이내라는 결과를 얻어내었고, 자극의 간격은 1분이 적당하다고 결론 지을 수 있었다. 또한, 피험자들의 온도에 대한 주관적 감각이 불쾌감보다는 집중력 증강이나 쾌적감을 느끼는 경향이 있었음을 알 수 있었으나 통계적인 분석은 표본의 수가 적어서 행하지 않았다. 기기의 착용감에 있어서는 피험자 중 절반 이상이 밴드 조임이나 무게로 인해서 불편함을 느끼고 있었다.

2.3 1차 실험.

총 2단계의 실험 프로토콜을 찾는 실험 수행 9 cases의 경우에서 도 13a 및 도 13b 에 도시된 바와 같이 인체의 비교적 뚜렷한 결과를 얻었다. 실험 결과 적절한 냉각 자극에 의하여 부교감 신경이 활성화 되고 교감신경이 억제됨을 알게 되었다.

2단계의 실험 후에 최종적으로 결정된 실험 프로토콜에 의해서 수행한 실험의 결과는 도 13c 에 도시된 바와 같다.

상기 도 13c 에서 보는 바와 같이, 1차 냉자극에서 LF/HF를 나타내는 ratio의 값이 상당히 떨어진 것을 알 수 있다. 이러한 수치는 무자극 1분과 그 다음 2차 냉자극 3 분까지 유지된 후에 무자극 5분 기간에는 다시 상승하는 것을 알 수 있다. 이 실험을 통해서 냉자극이 부교감신경을 활성화시킨다는 사실을 확인했다. 하지만 15 cases 중에서 10 cases만이 뚜렷한 HF 상승을 보였고, 나머지 5 cases에서는 HF 증가가 나타나지 않았다. 또한, EEG의 측정 결과는 1차 실험에서 냉자극의 유무에 아무런 변화를 나타내지 않았다.

2.4 2차 실험.

1차 실험연구에서 알게 된 냉각자극이 부교감 신경을 활성화시켜 HRV의 파라미터 HF를 증가시킨다는 사실을 알았다. 이를 토대로 추가적으로 실험했던 2차 실험의 결과에 대해서 살펴보자.

먼저, 1차 실험 15 cases 중에서 10 cases가 HF 상승을 보인 것에 대해서 광+청각+냉각자극을 가하여 재현성을 보기 위한 실험은 마찬가지로 15 명을 실시하였다. 이 결과는 15 cases 전반에 걸쳐서 HF의 증가와 ratio의 감소를 보였다. 이러한 결과는 냉각자극이 부교감 신경을 활성화시키지만, 광+청각자극과 함께 냉자극이 주어지면 보다 확실하게 부교감 신경을 활성화시키고 있음을 어느 정도 말해 주고 있다. 이로써 실제 광+청각+냉각자극을 함께 사용하는 기기는 부교감 신경을 냉자극만을 하는 것보다 비교적 확실하게 활성화시키고 안정시킨다고 말할 수 있겠다. 이렇게 볼 때 2차 실험의 첫 번째 실험은 1차 실험의 재현성 실험으로 성공적인 결과를 얻은 셈이다. 도 14 는 15 cases에 대한 ratio의 평균을 나타낸 도면이다.

두 번째로 광+청각자극과 광+청각+냉자극의 비교실험의 경우에는 4명에 피험자에 대해 실험을 수행하였다. 4명의 피험자에게 있어서 4명 모두 광+청각+냉자극에서 뚜렷한 HF량의 증가를 보였고, 2명의 경우에 있어서는 광+청각자극에 있어서는 증가를 보이지 않았다. 나머지 2명에 대해서는 HF의 증가를 보이기는 하였으나, 1 case의 경우에는 냉각자극까지 추가하였을 때보다 변화의 폭이 크지는 않았다.

결과적으로 냉각자극을 추가 하였을 경우에는 HRV의 변화가 100% 나타난 반면, 광+청각자극에 있어서는 50%만이 변화가 있었다.

다음으로 피험자 그룹(한증, 열증) 분류에 따른 냉자극 실험은

1. 한증과 열증 각각 1 case에서 냉자극 실험을 3번 반복

2. 열증 10 cases, 한증 5 cases 대상으로 냉자극 실험

두 가지로 수행하였다. 먼저, 1 번째 실험에서 열증의 경우 3 번 모두 확실한 ratio의 감소를 보인 반면, 한증의 경우는 대체적으로 ratio의 감소가 있었지만 그 차이는 열증에 비해 변화폭은 크지 않았다. 하지만 예비실험이어서 case가 각각 1 case이기 때문에 통계적인 분석에는 한계가 있는 것으로 여겨진다. 2번째 실험 15 cases에 대한 결과는 아래 그래프 뒤에 다시 이야기하기로 한다. 총 3번의 실험결과의 평균에 대한 비교 그래프는 도 15 와 같다.

위의 반복실험을 기반으로 15 cases에 대해서 열증(10 cases)과 한증(5 cases)에 대해서 냉자극에 대해서 ratio를 분석하였다. 흥미로운 사실은 한증의 경우에는 1차 자극에 떨어졌던 ratio값은 2차 자극에서 올라가는 경향을 보였고, 열증의 경우는 2차 자극이 1차 자극에 비해 더 ratio값이 떨어지는 것을 확인하였다. 이는 열증인 경우 1차에 이어서 2차 냉자극에서 보다 HF norm 이 커진다는 것을 이야기하고, 대체적으로 이는 열증인 사람이 온도자극, 즉 냉각 자극에 대해 점차 긍정적(여기서는 ratio가 변화가 큰 것을 긍정적이라고 보자)으로 반응한다는 것을 말해주고 있다. 반면, 한증의 경우 1차 자극 후에 이어지는 2차 자극에 대해서는 HF norm가 감소한다는 것을 이야기하며, 대체적으로 한증인 사람은 냉각자극에 대해 점차 부정적으로 반응한다고 할 수 있다. 그래프는 도 16 에 도시된 바와 같다.

마지막으로 한증인 피험자 4 cases에 대해서 냉각자극 대신 온각자극을 주는 실험을 수행하였다. 결과 그래프는 도 17 에 도시된 바와 같다.

도 17 에 도시된 바와 같이, 피험자가 한증인 경우에 한해서 냉각자극에도 ratio(LF/HF)의 값이 떨어진다. 1차 자극에 비해서 2차 자극에 조금 더 떨어지고 있으며 자극이 끝난 뒤에는 다시 ratio가 올라가는 것을 알 수 있다. 이는 온도 자극이 사람의 한열변증 상태에 따라서 어느 정도 영향을 준다는 것을 뒷받침해 주고 있다. 하지만, 실험의 case가 4 cases로 작아 추가적으로 피험자 수를 늘려 실험을 해 볼 필요가 있다.

3. 고찰 및 결론.

이번 연구를 통해서 우리는 다음과 같은 사실을 얻었다.

(1) 적절한 정도 그리고 적절한 간격(3분 이상)의 냉각 자극은 주관 실험 및 기기 특성의 실험 결과, 인체에 별다른 부작용을 유발하지 않는 것으로 밝혀졌다. 이는 다른 여러 선행 연구들에 의해서도 밝혀진 바이다.

(2) 특정한 범위 내에서의 냉각 강도와 특정한 범위 내에서의 주기적인 냉각자극은 인체의 생리적 변화를 유발한다. 그러한 생리적 변화의 주된 양상은 HRV를 통해서 관찰하건데 부교감신경의 활성화와 교감신경의 억제를 가져오며, 이것은 인체를 relax시켜줌을 의미한다. 이러한 결과는 비교적 분명하였다. 총 2차 례의 자극실험의 결과가 이 사실을 뒷받침해주고 있다.

(3) 냉각자극에 대한 주관적 감각 검사를 실시한 결과, 가장 적절하고 효과가 있는 냉각 자극의 시간과 주파수는 도 18 에 도시된 바와 같은 최종 프로토콜인 17분 중 3분간의 2차례의 냉자극임을 확인할 수 있었다. 그리고 자극의 강도는 냉자극 기기의 온도 평가에서 외부 온도를 5～15℃까지 떨어뜨리는 정도가 이 프로토콜 내에서 피험자에게 가장 적당하다는 사실을 알 수 있었다. 또한, 확인된 흥미로운 사실은, 피험자의 한·열 상태에 따라 자극의 선호도와 함께 자극의 반응이 나타나는 경향을 보였다는 것이다.

4. 다만, HRV와 함께 파라미터로 관찰했던 뇌파(EEG)의 경우는 검사 결과가 분명하지 않고 별다른 큰 유의성을 보이지 않았다.

5. 본 연구를 진행하면서 관찰컨대, 이마 부위에 대한 적정한 정도의 냉각 자극은 인체에 긍정적인 영향을 줄 것으로 생각되며 추후에 좀 더 자세한 조사를 통해 여러 자극 양상에 대한 인체에 대한 효과의 차이점을 밝혀야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 상이한 주기로 상이한 전류를 열전소자에 인가함으로써 인체의 생리적 특성을 고려하여 피부에 냉온열 자극을 전달할 수 있고, 인가되는 전력도 최소화 할 수 있는 냉온열 머리 마사지기 온도 제어방법을 제공할 수 있다.