[논문]손가락 하중과 신경명령 사이의 다중 관계에 관한 연구

김윤혁; 권영화; 김소연; 김경수

doi:10.5143/jesk.2006.25.1.035

문제 정의

또한 Danion의 모델에서는 손가락 하중의 크기를 계산하고 있는데, 이 경우 피실험자 개개인마다 힘(손가락 하중)의 차이에 따라 오차가 클 수 있다. 본 연구에서는 각 손가락 하중 사이의 상호 관계를 보다 정확한 수학적 모델로 표현하기 위하여 각 손가락 하중을 정규화하여 비율로 나타내었다.
본 연구에서는 다중 손가락 하중 발생시 손가락 사이의 상호작용에 대한 실험을 수행하였다. 본 실험에 들어가기에 앞서 성별의 차이를 알아보고자 예비 실험을 수행한 결과, 성별에 따른 편차가 크게 나타났다.
본 연구에서는 모든 손가락이 동일한 하중의 감소 효과를 가지고 있다고 가정한 Danion의 모델을 각각의 손가락 하중에 대하여 감소효과를 표현할 수 있도록 확장하였다. 이럴 경우 각각의 손가락에 대하여 독립적으로 하중의 감소 효과를 고려하여 손가락 하중을 예측할 수 있으며, 따라서 특정 손가락에 이상 현상이 발생하는 경우 등을 다루는 것이 가능하다.
본 연구에서는 신경명령과 손가락 하중 사이에 선형적인 관계가 있다는 Danion의 모델을 기초로, 해석모델을 확장하였다. 하중의 감소효과를 나타내는 인자인 G가 손가락 하중의 지배지의 수(N)에 의존한다고 가정하면, 신경명령과 손가락 사이의 관계식은 다음과 같이 구성된다.
본 연구에서는 정적 평형 상태에서 다중 손가락 하중 발생 시 신경명령의 누출효과와 하중의 감소효과를 측정하였다.
본 연구의 목적은 정적 평형 상태에서 다중 손가락 하중 발생 시 신경명령의 누출효과와 하중의 감소효과를 측정하여 정량적으로 표현하고, 두 효과에 대한 실험결과를 이용하여 다중 손가락 하중 발생시 인간 손의 제어를 위한 신경 명령과 손가락 하중 사이의 개선된 다중 관계 모델을 제시하는 것이다.

제안 방법

하중 값은 하나의 지배지 조합에서 네 손가락 각각의 하중과 네 손가락 하중의 총합 이렇게 5가지로 나타난다. 각 지배지 조합에서 총합이 최고일 때의 I, M, R, L 값과 손가락의 자중(압력센서 위에 힘을 주지 않고, 손을 올려놓은 상태에서의 값)을 기록했고, 기록된 각 조합의 값에서 손가락의 자중을 뺐다. 이 연구에서는 손가락 사이의 상대적인 하중 값이 필요하기 때문에 하중 값을 정규화 하였다.
다중 손가락 하중 측정 실험은 해부학 및 생체역학적인 측면에서 볼 때, 엄지의 움직임을 주관하는 근육이 다른 네 손가락의 움직임에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되므로, 엄지를 제외한 나머지 네 손가락에 대하여 수행하였다 (Buchholz et al., 1992; Moore and Dalley, 1999).
동적 압력측정 징貝인 I-scan®(Model 5101, Tekscan, Inc)을 이용하여 손가락 끝의 하중을 측정하였다. 압력 센서의 크기는 112mm * 112mm이고, 측정범위는 최소 0~5 PSI, 최대 0~25,000 PSI이다.
손의 자세를 고정하기 위하여 압력센서 위에 손가락 접촉 위치를 표시하고, 테니스공의 반구를 압력 센서에 부착하여 지지대로써 활용하였다. 또한, 실험 대상자들의 체중이 팔에 부과되지 않도록 실험 대상자들의 상체와 하체의 각도를 직각으로 유지하기 위하여, 압력센서와 실험 대상자가 앉는 의자의 위치를 고정시킨 후 상체가 의자 등받이에서 떨어지지 않도록 하였다. 실험이 진행되는 동안 실험대상자들의 상체와 오른팔의 각도는 변하지 않도록 하였다.
고안하였다. 손의 자세를 고정하기 위하여 압력센서 위에 손가락 접촉 위치를 표시하고, 테니스공의 반구를 압력 센서에 부착하여 지지대로써 활용하였다. 또한, 실험 대상자들의 체중이 팔에 부과되지 않도록 실험 대상자들의 상체와 하체의 각도를 직각으로 유지하기 위하여, 압력센서와 실험 대상자가 앉는 의자의 위치를 고정시킨 후 상체가 의자 등받이에서 떨어지지 않도록 하였다.
지배지의 수가 2일 때에는 20 ±3%, 지배지의 수가 3일 때에는 30±4% 그리고 지배지의수가 4일 때에는 35±3%의 감소를 보였다. 신경명령 누출 효과와 하중 감소효과는 지배지의 수와 연관되며, 신경명령 -손가락 하중에 관하여 제시된 다중 관계 모델은 실험을 통하여 확인하였다.
한 번의 실험이 실행된 후 실험 대상자는 손의 피로를 풀 수 있도록 충분한 휴식을 취하였다. 실험 대상자마다 5회의 실험을 실시하였다. 실험 대상자 한 명이 실험하는데 소요되는 시간은 약 1시간이다.
각 지배지 조합에서 총합이 최고일 때의 I, M, R, L 값과 손가락의 자중(압력센서 위에 힘을 주지 않고, 손을 올려놓은 상태에서의 값)을 기록했고, 기록된 각 조합의 값에서 손가락의 자중을 뺐다. 이 연구에서는 손가락 사이의 상대적인 하중 값이 필요하기 때문에 하중 값을 정규화 하였다. 정규화 방법은 지배지가 한 손가락일 때의 값을 기준으로 다른 지배지 조합의 하중 값들을 백분율로 환산하였다.
이 연구에서는 손가락 사이의 상대적인 하중 값이 필요하기 때문에 하중 값을 정규화 하였다. 정규화 방법은 지배지가 한 손가락일 때의 값을 기준으로 다른 지배지 조합의 하중 값들을 백분율로 환산하였다.

대상 데이터

본 실험에 들어가기에 앞서 성별의 차이를 알아보고자 예비 실험을 수행한 결과, 성별에 따른 편차가 크게 나타났다. 따라서 본 실험에서는 남자만 실험 대상자로 선정하였다. 실험 대상자는 신경계통과 팔 손에 질환이 없는 20대 남자 7명으로 키 1.
손가락 하중 실험 결과는 Tekscan사의 소프트웨어를 통하여 수집되었다. 하중 값은 하나의 지배지 조합에서 네 손가락 각각의 하중과 네 손가락 하중의 총합 이렇게 5가지로 나타난다.
따라서 본 실험에서는 남자만 실험 대상자로 선정하였다. 실험 대상자는 신경계통과 팔 손에 질환이 없는 20대 남자 7명으로 키 1.73±0.05 m, 몸무게 83.0±9.2kg이며, 오른손을 주로 사용한다. 실험대상자들의 손의 길이(오른 손 가운데 손가락 끝에서 손목까지의 길이)는 0.

데이터처리

정규화한 값들 사이의 평균 및 표준편차는 Micro- soft사의 Excel을 사용하여 계산하였다.

이론/모형

최근에 발표되기 시작하였다. Danione 신경망 모델을 구성하여, 손가락의 신경명령과 손가락 하중 사이의 관계 모델을 제시하였다(Danion, 2003). 이 모델은 크게 세 단계로 나누어져 있다.
, 1995). 두 번째는 Gelfand오牛 Tsetlin의 방법을 따른다(Gelfand and Tsetlin, 1966). 이것은 중추신경 계가 자유도를 제한하지 않고, 오히려 조작을 용이하게 하기 위한해를 구하기 위하여 이용할 수 있는 모든 자유도를 사용한다.

성능/효과

계산된 손가락의 하중 값의 오차는 지배지일 때의 오차가 피지 배지일 때의 오차보다 작았다. 이는 다른 지배지 조합에서도 마찬가지였다.
다중 손가락 하중 발생시 신경명령의 누출효과는 피지배 지가 지배지에 인접할수록 그 영향이 더 커지는 것으로 나타났다. 지배지에 인접한 피지배지의 하중은 25±4%로 측정됐고, 지배지와 떨어져 잇는 피지배지의 하중은 약 10±2% 로 측정됐다.
0N의 하중을 각각 가한다. 둘째, 신경명령의 누출 효과는 약지를 움직일 때 소지도 같이 움직이는 것처럼, 한 손가락이 움직일 때 다른 손가락이 함께 움직이는 현상이다. 셋째, 하중의 감소효과는 여러 손가락에 최대한으로 동시에 하중을 가하였을 때, 각 손가락의 하중은 그 손가락에만 최대한으로 하중을 가하였을 때의 하중보다 작게 나타나는 현상이다.
둘째, 신경명령의 누출 효과는 약지를 움직일 때 소지도 같이 움직이는 것처럼, 한 손가락이 움직일 때 다른 손가락이 함께 움직이는 현상이다. 셋째, 하중의 감소효과는 여러 손가락에 최대한으로 동시에 하중을 가하였을 때, 각 손가락의 하중은 그 손가락에만 최대한으로 하중을 가하였을 때의 하중보다 작게 나타나는 현상이다. 예를 들면, 검지에만 최대한의 하중을 가하였을 때 검지에 가한 하중이 10N이라 할 때, 검지와 중지에 동시에 최대하중을 부과하면 검지에 부가된 하중은 10N보다 작은 8.
표 1에서 지배지가 검지와 약지(IR) 일 때 각 손가락의 하중 값은 Fi=77, Fm=25, Fr=79, Fl= 22이다. 식4를 통하여 얻은 값과 실험에 의하여 얻은 표1 의 값과 비교하였을 때 검지 5%, 중지 16%, 약지 5%, 소지 18%의 오차를 가지며, 이 오차는 표1의 표준편차보다 작아 식이 비교적 정확함을 확인할 수 있다.
지배지가 검지, 중지, 약지, 소지(IMRL) 일 때 중지의 최대 하중은 62%이다. 지배지의 수가 1개에서 4개까지 증가할수록 중지가 부가한 최대 하중은 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 손가락 최대 하중은 지배지의 수에 의존한다고 볼 수 있다.
, 1998). 첫째, 하중의 분배효과는 손이 부가하는 하중은 각각의 손가락이 똑같은 하중을 가하는 것이 아니라 특정 비율에 의하여 가하는 효과이다. 즉, 손이 10N의 하중을 가할 때, 검지는 2.

후속연구

다른 열과 행도 마찬가지이다. 또한 본 연구에서 계산한 F 행렬의 값이 전반적으로 Danion 모델에서의 값보다 작은데, 이는 실험대상자들의 인종 또는 민족적 특성인 반영된 것으로 생각되며, 추후 인종, 성별, 직업 등의 영향에 대한 연구가 필요할 것이다.
앞으로 이러한 현상의 신경생리학적 원인에 대한 연구가 수행되고 그 원인이 밝혀진다면, 정상적인 사람의 손처럼 쉽고, 정밀하게 움직일 수 있는 인공지능 의수를 제작할 수 있을 것이다. 또한 신경장애로 인한 장애인들이나 노인의 재활훈련에 도움이 될 것이라 기대된다.
이러한 효과는 인간이 환경에 적응해오면서, 자신도 모르게 몸을 최적의 상태로 만들어온 결과라 예측된다. 앞으로 이러한 현상의 신경생리학적 원인에 대한 연구가 수행되고 그 원인이 밝혀진다면, 정상적인 사람의 손처럼 쉽고, 정밀하게 움직일 수 있는 인공지능 의수를 제작할 수 있을 것이다. 또한 신경장애로 인한 장애인들이나 노인의 재활훈련에 도움이 될 것이라 기대된다.

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