편마비 환자를 위한 근전도 유발 기능적 전기자극기의 개발과 이상적인 전극부착 위치 Development of EMG-Triggered FES System and Optimal Electrode Location for Chronic Hemiplegic Patients원문보기
편마비 환자에서 상지 기능을 효과적으로 회복시키기 위하여 근전도 유발 기능적 전기자극기 개발과 편마비 환자를 대상으로 손목, 수지신전 운동 시 가장 효과적으로 근수축을 감지 할 수 있는 위치와 전기 자극 시 가장 이상적인 손목, 수지 신전 운동이 일어나는 부위를 탐색하여 두 부과가 일치하는 이상적인 전극부착 위치를 설정하였다. 1) 전기자극 시스템으로 EMC 계측부, 정전류 회로부를 개발하고 프로그램으로는 근전도 유발 전기자극기와 Passive FES의 동작이 가능한 형태로 개발하였다 자극조건은 주파수 35 Hz, 펄스폭 150 ${\mu}\textrm{s}$, 비대칭적 이상성 파형을 선택하였다. 2) 상지 편마비 환자 15명을 대상으로 전완의 근위부 1/2부위를 12개의 영역으로 나눈 후 근위부의 외측으로부터 영역의 순서를 정하였다. 각 영역에서 환자의 손목을 신전 하였을 때 근전도 유발 자극기가 감지하는 활동전위의 진폭을 측정하였으며 가장 크게 감지된 영역은 4, 5 영역이었고, 전기자극을 시행하였을 때 손목과 수지부위가 신전 되는 모양이 이상적인 영역은 4, 5, 7, 8 영역이었다. 근전도 유발 전기자극을 시행하였을 때 근 수축을 감지하여 근전도 유발 전기자극이 일어나는 일련의 과정이 이상적인 영역은 해부학적으로 4, 5 영역이었다.
편마비 환자에서 상지 기능을 효과적으로 회복시키기 위하여 근전도 유발 기능적 전기자극기 개발과 편마비 환자를 대상으로 손목, 수지신전 운동 시 가장 효과적으로 근수축을 감지 할 수 있는 위치와 전기 자극 시 가장 이상적인 손목, 수지 신전 운동이 일어나는 부위를 탐색하여 두 부과가 일치하는 이상적인 전극부착 위치를 설정하였다. 1) 전기자극 시스템으로 EMC 계측부, 정전류 회로부를 개발하고 프로그램으로는 근전도 유발 전기자극기와 Passive FES의 동작이 가능한 형태로 개발하였다 자극조건은 주파수 35 Hz, 펄스폭 150 ${\mu}\textrm{s}$, 비대칭적 이상성 파형을 선택하였다. 2) 상지 편마비 환자 15명을 대상으로 전완의 근위부 1/2부위를 12개의 영역으로 나눈 후 근위부의 외측으로부터 영역의 순서를 정하였다. 각 영역에서 환자의 손목을 신전 하였을 때 근전도 유발 자극기가 감지하는 활동전위의 진폭을 측정하였으며 가장 크게 감지된 영역은 4, 5 영역이었고, 전기자극을 시행하였을 때 손목과 수지부위가 신전 되는 모양이 이상적인 영역은 4, 5, 7, 8 영역이었다. 근전도 유발 전기자극을 시행하였을 때 근 수축을 감지하여 근전도 유발 전기자극이 일어나는 일련의 과정이 이상적인 영역은 해부학적으로 4, 5 영역이었다.
The purpose of this study was to develop EMG triggered FES system for restoration of upper extremity function in chronic hemiplegic patients and to identify the optimal location of electrode application for the EMG triggered FES system which produces effective muscle contraction and detects EMG acti...
The purpose of this study was to develop EMG triggered FES system for restoration of upper extremity function in chronic hemiplegic patients and to identify the optimal location of electrode application for the EMG triggered FES system which produces effective muscle contraction and detects EMG activity for extension in the wrist and finger joints. The stimulus system was composed of EMG measuring component, constant current component and the program for muscle contraction by EMG triggered FES and passive FES. Parameter of electrical stimulation was 35 ㎐ in frequency, 150 ${\mu}\textrm{s}$ in pulse width and symmetric bi-phasic wave. In 15 hemiplegic patients, EMG triggered FES was applied to the proximal half of forearm which was divided into 12 areas. The most sensitive area for measuring EMG activities during extension of the wrist and fingers was area 4, 5 and the optimal location of electrical stimulation for producing extension of the wrist and fingers was area 4, 5, 7, 8. These results suggest that the area 4 and 5 was considered as the most optimal location of electrode application for measuring EMG activities as well as producing extension of the wrist and fingers by EMG triggered FES system.
The purpose of this study was to develop EMG triggered FES system for restoration of upper extremity function in chronic hemiplegic patients and to identify the optimal location of electrode application for the EMG triggered FES system which produces effective muscle contraction and detects EMG activity for extension in the wrist and finger joints. The stimulus system was composed of EMG measuring component, constant current component and the program for muscle contraction by EMG triggered FES and passive FES. Parameter of electrical stimulation was 35 ㎐ in frequency, 150 ${\mu}\textrm{s}$ in pulse width and symmetric bi-phasic wave. In 15 hemiplegic patients, EMG triggered FES was applied to the proximal half of forearm which was divided into 12 areas. The most sensitive area for measuring EMG activities during extension of the wrist and fingers was area 4, 5 and the optimal location of electrical stimulation for producing extension of the wrist and fingers was area 4, 5, 7, 8. These results suggest that the area 4 and 5 was considered as the most optimal location of electrode application for measuring EMG activities as well as producing extension of the wrist and fingers by EMG triggered FES system.
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문제 정의
단순한 전기자극의 경우에는 이러한 방법이 가장 이상적인 방법일 수 있으나 근전도 유발자극기와 같이 근수축의 감지와 자극이 동일한 전극에서 일어나는 경우에는 사용되어질수 없는 방법이다. 본 연구에서는 전기 자극을 주었을 때 수지, 손목의 신전이나름대로 만족할 수 있는 영역을 찾아 앞서 언급한 효과적인 감지 영역과 일치하는 지점을 찾고자 하였다. 본 연구에 의하면 영역4, 5 부위에서의 전기 자극이 나름대로 만족스러운 동작이유도되고 또한 효과적인 근수축의 감지 영역과 일치하는 부위이다.
또한 편마비 환자에게서 손목의 신전을 유발할 때 가장 많이 동원되는 세부적인 근육의 부위도 알려진 바 없어 근전도 유발 전기 자극 시 전극의 이상적인 부착위치에 대한 확립된 근거가 없는 실정이다. 본 연구에서는 편마비 환자에게서 손목을 신전할 때 동원되는 근육의 세부적인 해부학적 위치보다는 실질적으로 손목의 신전이 일어날 때 표면 전극으로 가장 효과적으로 감지할 수 있는 부위를 알아내고자 하였다. 본 연구에 따르면 영역4, 5 부위가 가장 민감하게 감지할 수 있었는데 이 부위는 해부학적으로 단무지신근과 장무지 신근이 가장 표층에 위치하는 부위에 해당한다.
있다. 전기자극치료는 편마비 환자의 마비된 근육에 전기자극을 가하여 인위적인 근수축을 유도하여 경직을 감소시키고, 관절가동범위를 증가시키고, 근력을 증가시 키는 목적으로 시행한다.[9][10][14]
제안 방법
15명의 환자군을 대상으로 환자의 손목을 최대한 신전하였을 때 근전도 유발 전기 자극기가 감지하는 활성전위의 진폭을 측정하였다. 표3은 환자 15명에서 area 1에서 area 12 영역의 활동 전위를 측정한 결과 area 1~ area 12중 가장 큰 값으로 표준화한 데이터 값이다.
개발하고, 2) 편 마비 환자를 대상으로 손목, 수지 신전 운동 시 가장 효과적으로 근수축을 감지할 수 있는 위치와 전기자극 시가장 이상적인 손목, 수지 신전 운동이 일어나는 부위를 찾아내어 근전도 유발 기능적 전기자극기를 이용할 때 가장 이상적인 전극 부착 위치를 추구하고자 하였다.
각 영역에서 환자로 하여금 최대한 손목을 신전하였을 때 근전도 유발 자극기가 감지하는 활성전위의 진폭을 측정하였다. 각 지점에서 전기자극을 가하였을 때 손목과 수지부위가 신전되는 모양을 보고 poor, well, good의 3가지 형태로 판단하였다.
각 지점에서 전기자극을 가하였을 때 손목과 수지부위가 신전되는 모양을 보고 poor, well, good의 3가지 형태로 판단하였다. 이후 각 지점에서 근전도 유발 전기자극을 시행하여 효과적으로 근수축의 감지와 자극이 일어나는지를 판단하여 poor(근수축의 감지가 어려워 근전도 유발 전기 자극이 불가능한 경우), well(근수축의 감지가 가능하여 근전도 유발 전기 자극이 가능은 하지만 근 수축의 감지가 일정하지 않거나, 자극 시 일어나는 모양이 이상적이지 않을 때), good(근수축의 감지도 수월하고 자극시 일어나는 모양도 이상적인 경우)으로 나누었다.
근전도 유발 전기 자극 방법은 먼저 대상자로 하여금 손목의 신전을 시킨 후 활성전위의 진폭을 측정하고, 이 진폭의 평균값을 역치로 설정하여 대상자의 능동적 신전으로 인한 전기적 신호가 설정된 역치를 넘었을 때 전기 자극이 가해지도록 하였다. 전기자극의 주파수는 35 Hz, 펄스폭는 150 μs에서 자극의 파형은 비대칭적 이상 성 파형(biphasic waveform)을 사용하였다.
프로그램의 전체적인 수행 과정은 전원이 인가되면 시스템이 초기화된 후시스템의 동작을 위한 초기 모드가 설정된다. 근전도 유발 전기자극 모드에서는 EMG 계측부에서 측정된 근전도 신호와 연계된 자극이 이루어져야 하며, 모드가 선택되면 근전도 신호를 A/D 변환기에서 입력하고 환자의 자발적인 근수축에 의해 기준치를 설정한 후 근전도 신호를 계속 검출하여 환자가 기준치 이상의 힘을 가할 때 설정된 자극 주파수, 펄스폭, 자극지속시간 (contraction time), 휴지시간(relaxation time) 등의 자극변수에 따라 출력되도록 프로그램 하였다. Passive FES 모드는 환자의 의지와 관계없이 근전도 신호를 입력받지 않고 프로그램 내에 설정된 자극변수에 따라 출력되도록 프로그램 되어 있다.
각 지점에서 전기자극을 가하였을 때 손목과 수지부위가 신전되는 모양을 보고 poor, well, good의 3가지 형태로 판단하였다. 이후 각 지점에서 근전도 유발 전기자극을 시행하여 효과적으로 근수축의 감지와 자극이 일어나는지를 판단하여 poor(근수축의 감지가 어려워 근전도 유발 전기 자극이 불가능한 경우), well(근수축의 감지가 가능하여 근전도 유발 전기 자극이 가능은 하지만 근 수축의 감지가 일정하지 않거나, 자극 시 일어나는 모양이 이상적이지 않을 때), good(근수축의 감지도 수월하고 자극시 일어나는 모양도 이상적인 경우)으로 나누었다.
하였다. 전기자극의 주파수는 35 Hz, 펄스폭는 150 μs에서 자극의 파형은 비대칭적 이상 성 파형(biphasic waveform)을 사용하였다.
먼저 대상자의 전완을 편안한 상태의 prone 상태로 둔 후표 2에서처럼 전완의 근위부 1/2를 편의상 12영역으로 나누었다 (그림 5(A)). 활성 전위의 감지와 근전도 유발 전기 자극을 담당하는 활성전극은 차례로 12 영역의 각 지점에 부착하고, 접지 전극은 손목 부위에 부착하였으며 기준 전극은 활성 전극과 접지 전극 사이에 부착하였다.
대상 데이터
근전도 유발 전기 자극 시스템의 구성도는 그림 2와 같이 마이크로 컨트롤러, EMG 계측부, 정전류 회로부, KEY 스위치, 디스플레이 장치 등으로 구성된다. 시스템 동작은 마비된 부위에 부착된 표면전극을 통해 자발적인 근수축을 EMG 계측부에서 전기적인 신호로 변환되며 마이크로컨트롤러에 내장된 A/D 변환부(analog to digital converter)에 입력되어 디지털 값으로 변환하게 된다.
상지 편마비 환자의 경우, 뇌출혈 3명과 뇌경색 12명 총합계 15명중에서 우측 편마비 8명, 좌측 편마비 7명으로 환자군을 선택하였으며 손목 신전근의 근력이 근전도 유발 전기 자극기가 근수축을 감지할 수 있는 정도가 되는 환자군을 선택하였다. 환자군은 간단한 명령을 이해하고 수행할 수 있으며 동반된 다른 신경학적 이상이 없고 근관절 및 위치감각이 유지되어 있으며 전기자극에 금기사항이 없는 환자를 대상으로 하였다.
1) 연구 대상
상지편마비 환자 15명을 대상으로 실험하였다. 상지 편마비 환자의 경우, 뇌출혈 3명과 뇌경색 12명 총합계 15명중에서 우측 편마비 8명, 좌측 편마비 7명으로 환자군을 선택하였으며 손목 신전근의 근력이 근전도 유발 전기 자극기가 근수축을 감지할 수 있는 정도가 되는 환자군을 선택하였다.
전기자극기는 본 연구에서 개발한 근전도 유발 전기자극기를 이용하여 환자의 근수축 감지 및 전기자극에 사용되는 표면전극(Medicotest, Denmark)은 32 mm로 사용하여 측정하였다. 먼저 대상자의 전완을 편안한 상태의 prone 상태로 둔 후표 2에서처럼 전완의 근위부 1/2를 편의상 12영역으로 나누었다 (그림 5(A)).
구성되어진다. 전치증폭기는 아날로그 디바이스사(Analog Device Co. Ltd, USA)의 AD620 차동증폭기를 사용하였으며, 이 증폭기는 동상 제거비(common mode reiection ratio, CMMR)가 100 dB이고 입력임피던스가 10GΩ으로 우수한 특성을 가지고 있다. 필터부는 1차 고역통과(highpass) 필터와 2차 저역 통과(lowpass) 필터, 6 0Hz 노치필터를 사용하였다.
필터부는 1차 고역통과(highpass) 필터와 2차 저역 통과(lowpass) 필터, 6 0Hz 노치필터를 사용하였다. 증폭단으로 증폭률을 마이크로컴퓨터가 1024 레벨을 자동으로 조절할 수 있는 자이코사(Xicor Co. Ltd, USA) X9U8TV14를 사용하였다. 증폭된 근전도 신호는 검파 및 1차 저역 통과 필터를 통과한 후 마이크로컨트롤러의 A/D 변환기에 입력된다.
상지 편마비 환자의 경우, 뇌출혈 3명과 뇌경색 12명 총합계 15명중에서 우측 편마비 8명, 좌측 편마비 7명으로 환자군을 선택하였으며 손목 신전근의 근력이 근전도 유발 전기 자극기가 근수축을 감지할 수 있는 정도가 되는 환자군을 선택하였다. 환자군은 간단한 명령을 이해하고 수행할 수 있으며 동반된 다른 신경학적 이상이 없고 근관절 및 위치감각이 유지되어 있으며 전기자극에 금기사항이 없는 환자를 대상으로 하였다.
성능/효과
실험 결과 1)과 2)의 결과로서 각 영역에서 근전 도 유발 전기자극을 시행하였을 때 근수축을 감지하여 근전 도 유발 전기 자극이 일어나는 이상적인 영역은 해부학적으로 4, 5영역 이었다.
후속연구
본 연구를 통해 찾아낸 이상적인 전극 부착 부위는 향후 근전도 유발 전기 자극을 시행할 때 전극의 부착 위치를 알려주는 지표로 사용되어질 수 있으며 또한 근전도 유발 전기자극기를 이용한 다양한 상지운동기구 개발에 있어 기초 자료로 이용될 수 있을 것으로 생각한다.
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