의료 시스템을 위한 PFA 전력 설계

(출처: Sunisa/stock.adobe.com; AI로 생성)

이 글은 슈라반 고빈다라즈(Shravan Govindaraj)와의 인터뷰를 기반으로 작성되었습니다.

오랫동안 펄스 전기장 절제술(PFA)은 실험적 시스템이나 제한적인 사용에 머물러 있었다. 그러나 이제 기술이 성숙하고 임상적 신뢰가 확보됨에 따라, 대형 주요 장비 제조업체(OEM)들이 PFA를 주류 절제 플랫폼에 통합하기 시작했다. 하지만 PFA 기술 채택이 늘면서 고전압 의료 시스템의 안정적 구동을 위한 새로운 과제가 제기되고 있다.

세계 최대의 의료 및 산업용 전원 공급 장치 제조업체 중 하나인 XP Power는 의료 OEM과 긴밀히 협력하여 차세대 절제 플랫폼을 개발하고 있다. PFA 시스템이 양산 단계로 진입하고 규제 심사가 강화됨에 따라, XP Power의 고전압 DC-DC 포트폴리오는 설계 논의의 핵심 요소가 되었다.

이 글은 PFA 전력 설계의 향후 전망을 심도 있게 설명하기 위해 XP Power의 제품 마케팅 매니저인 슈라반 고빈다라즈(Shravan Govindaraj)와 나눈 이야기를 바탕으로 작성되었으며, 이를 통해 의료용 전력 아키텍처가 PFA 기술 수요 증가에 대응하여 어떻게 IEC 60601 준수, 절연 및 고전압 제어의 균형을 맞추는지 살펴본다. 고빈다라즈는 "PFA는 불과 몇 년 전만 해도 생소한 치료법이었으나 이제는 주류가 되었다. 의료 산업의 모든 대형 기업들이 이미 이 분야에 뛰어들었거나, 인수합병 및 자체 개발을 통해 시장에 진입하고 있다"라고 설명했다.

슈라반 고빈다라즈는 전원 공급 장치, 전기 모터, HVAC를 포함한 여러 산업 분야에서 8년 이상의 기술 영업 및 제품 마케팅 경력을 쌓은 전문가다. 2022년에 XP Power에 합류하여 모든 XP Power 제품에 대한 시장 진입 전략을 수립하고 실행하고 있다. 이전에는 Regal Rexnord에서 기술 영업, 제품 마케팅 및 디지털 고객 경험 역할을 수행하며 시장 분석, 영업 활성화 및 성장 전략 이니셔티브를 주도했다. 또한 미국 에너지부(DOE) 인턴으로 에너지 평가를 수행했으며, 켄터키 대학교(University of Kentucky)에서 전기공학 학사 학위를 취득했다.

펄스 전기장 절제술(PFA)의 작동 원리

PFA는 열에 의존하는 기존의 절제 기술과 근본적으로 다르다. 라디오 주파수(RF) 에너지를 사용하여 조직에 열 손상을 입히는 대신, PFA는 표적 세포에 미세한 파괴를 일으키는 짧은 고전압 전기 펄스를 가한다.

고빈다라즈는 "사멸시키고자 하는 특정 세포에 높은 외부 전기장을 가하면 해당 세포에 작은 구멍이 생기며, 구멍이 충분히 많아지면 세포는 에너지를 잃고 사멸한다"라고 말한다.

'비가역적 전기천공법(Irreversible Electroporation)'이라 불리는 이 과정은 임상의가 주변 구조물에 대한 손상을 최소화하면서 표적 조직을 파괴할 수 있게 해준다. 심장 수술에서는 이러한 선택성이 매우 중요하다. 기존의 열 절제 기술은 식도나 혈관 구조와 같은 인접 조직에 영향을 미칠 수 있어 수술 위험과 회복 시간을 증가시킬 수 있다.

PFA는 정밀한 타겟팅이라는 장점이 있지만, 그 전기적 특성으로 인해 새로운 시스템 요구 사항과 과제를 안겨준다. 장비는 연속적인 전력을 공급하는 대신, 고주파수의 반복 가능하고 예측 가능한 킬로볼트(kV) 펄스를 생성해야 한다.

PFA의 전력 흐름

반복 가능하고 정밀한 킬로볼트 펄스를 구현하기 위해 PFA 시스템은 에너지가 시스템으로 들어오는 방식과 최종적으로 조직에 전달되는 방식을 의도적으로 분리한다. PFA 플랫폼은 교류(AC) 메인 전원에서 직접 고전압(HV)을 생성하는 대신, 주로 라인 전원을 저전압 DC 레일로 변환하는 의료 인증 AC-DC 전원 공급 장치에서 시작한다. 이 프런트엔드 단계는 환자 절연, 누설 전류 제한 및 안전 규정 준수와 관련된 제약 조건을 해결한다.

여기서 에너지는 고전압 DC-DC 컨버터로 이동한다. 이 두 번째 단계는 메인 전원과의 직접적인 전기적 연결 없이 저전압 DC 레일을 절제에 필요한 킬로볼트 범위로 승압한다. 중요한 점은 DC-DC 컨버터가 치료 펄스 자체를 생성하지 않는다는 것이다. 대신, 다운스트림 회로가 끌어다 쓸 수 있는 정밀하게 조절되고 프로그래밍 가능한 고전압 저장소 역할을 한다.

고빈다라즈는 이러한 전력 흐름의 이점을 다음과 같이 설명한다. "고전압 DC-DC가 정밀하게 모니터링되는 전압 및 전류 제어를 제공하면, 다운스트림 단계에서는 업스트림의 불확실성을 보상하는 대신 펄스 쉐이핑(Pulse Shaping)에만 집중할 수 있다."

펄스 형성은 스위칭 네트워크와 에너지 저장 소자가 저장된 고전압을 환자 인터페이스로 게이팅(Gating)하는 더 하단 단계에서 발생한다. 이러한 구성 요소들이 펄스 폭, 상승 시간(Rise time), 반복률 및 시퀀싱을 결정한다. 반면, DC-DC 단계는 정밀한 고전압 전달, 전류 제한 및 시스템 가시성에 집중한다.

고전압 DC-DC 모듈이 의료용 프런트엔드 뒤에 배치되는 이유

펄스 형성에서의 분업 구조는 왜 PFA 시스템에서 고전압 AC-DC 설계 대신 DC-DC 아키텍처가 주도적인지를 설명한다. 첫째, 킬로볼트 수준의 출력을 생성할 수 있는 AC-DC 공급 장치는 물리적으로 크기가 큰 경향이 있으며 규제 제약의 영향을 많이 받는다. 둘째, DC-DC 단계는 더 높은 전력 밀도, 쉬운 프로그래밍 능력, 그리고 안전 준수와 치료 전달 사이의 더 정밀한 분리를 제공한다.

따라서 DC-DC 컨버터는 의료 기기 설계자에게 더 모듈화된 접근 방식을 제공하여 개발을 단순화한다. 엔지니어는 AC-DC 프런트엔드에서 의료 안전 인증을 받고, 고전압 DC-DC 단계에서 제어, 모니터링 및 보호 기능을 검증한 뒤, 펄스 생성 하드웨어와 제어 알고리즘을 독립적으로 반복 개선할 수 있다.

고빈다라즈는 "고전압 DC-DC 컨버터는 일반적으로 단독 IEC 60601-1 인증 장치가 아닌 시스템 구성 요소로 취급된다. 컴플라이언스는 프런트엔드 전력 단계와 전체 아키텍처가 환자 절연, 누설 제한 및 고장 보호를 정의하는 시스템 수준에서 달성된다"라고 말한다.

환자 절연 및 보호 수단(MOP) 요구 사항을 AC-DC 단계에 할당함으로써, OEM은 고전압 컨버터 내부에서 안전 메커니즘을 중복 구축하는 것을 피할 수 있다. 대신 고전압 단계는 제어 가능성과 예측 가능한 동작에만 집중할 수 있다.

컴팩트한 고전압 모듈이 가져온 변화

이러한 프레임워크 내에서 초소형 고전압 DC-DC 모듈이 주목받고 있다. PFA를 위해 XP Power는 초소형 30W 정밀 제어 DC-DC 컨버터인 HRL30 시리즈를 제공한다. 76.2mm × 38.1mm × 18.6mm의 크기를 가진 이 시리즈는 24V 입력에서 최대 6kV를 생성할 수 있으며, 전압 및 전류 프로그래밍은 물론 통합 모니터링 및 보호 기능을 제공한다.

"우리의 가장 큰 경쟁 우위 중 하나는 크기다"라고 고빈다라즈는 강조한다. "전통적인 커패시터 충전기는 신발 상자 크기의 조립체였으나, HRL30은 매우 컴팩트하면서도 30W에서 6kV를 제공한다."

밀도가 중요한 이유는 기생 인덕턴스, 루프 면적 및 레이아웃 길이가 과도 현상(Transient behavior)과 반복성에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 작고 독립적인 고전압 모듈은 배선을 단순화하고, 추가 차폐나 이격 거리의 필요성을 줄여준다. 또한 컴팩트한 파워 스테이지는 영상 장치, 제어 전자 장치 및 열 관리 시스템을 위한 공간을 추가로 확보해 준다.

전력 아키텍처는 곧 경쟁 우위

PFA 기술이 성숙하고 채택이 확대됨에 따라, 전력 아키텍처는 시스템 성능과 궁극적으로 환자의 안전에 결정적인 역할을 미치게 될 것이다. XP Power의 HRL30 시리즈는 설계자에게 컴팩트하고 신뢰할 수 있는 고성능 전력 솔루션을 제공하여 차세대 PFA 애플리케이션의 구현을 가능하게 한다.