[논문]인체 수관절 운동과 근전도의 상관관계

전한용; 김진오; 박광훈

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.10.1393

인체 수관절 운동과 근전도의 상관관계
Correlation of Human Carpal Motion and Electromyogram 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.10, 2010년, pp.1393 - 1401

전한용 (숭실대학교 기계공학과) , 김진오 (숭실대학교 기계공학과) , 박광훈 ((주)피앤에스미캐닉스)

초록
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본 논문은 인체 수관절 운동과 표면 근전도의 상관관계를 실험적으로 다룬다. 수관절의 해부학적 구조를 분석하여, 수관절 운동 형상을 파악하고 운동을 발생시키는 주요 근육을 선정하였다. 수관절 재활 훈련 장치를 이용하여 수관절 운동에 저항하는 토크를 가하고, 이 때 주요 근육에서 토크에 따른 표면 근전도 신호를 측정하였다. 측정된 표면 근전도 신호의 크기를 계산하여 수관절 운동과의 연관성 분석에 사용하였다. 실험 결과로부터 수관절 토크와 표면 근전도 신호의 크기가 토크 $0.1\;N{\cdot}m$ 이하의 수관절 운동에서는 선형적으로 비례함을 밝혔고, 수관절 근육의 단면적에 따라 표면 근전도 신호의 크기도 선형적으로 비례함을 확인하였다. 또한 수관절 운동에 관여하는 각 근육의 기여도를 분석한 결과, 각 운동을 발생시키는 가장 주도적인 2개의 근육 중에서 한 근육의 기여도가 약 60 %로서 일관성 있게 나타났다. 이러한 세 가지 실험 결과로 좀 더 정교한 수관절 재활 훈련 장치나 로봇 등을 제작하는데 응용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this experimental study, we have examined the correlation between a human carpal motion and a surface electromyogram. The carpal motion patterns have been identified and the main muscles involved in the carpal motion have been determined by investigating the anatomical structure of a carpal. The torque acting against the carpal motion has been applied by using a device for carpal rehabilitation training, and the surface electromyogram signal corresponding to the torque at the main muscles has been measured. The root-mean-square (RMS) magnitude of the surface electromyogram signal has been calculated and used to analyze the correlation between the surface electromyogram signal and carpal motion. The experimental results have proved that for carpal torque values below $0.1\;N{\cdot}m$, the RMS magnitude of the surface electromyogram signal is linearly proportional to the carpal torque magnitude and that the carpal torque magnitude is linearly proportional to the cross-sectional area of the carpal muscles. Further, the analysis of the contribution of each muscle to the carpal motion has shown that the contribution of the most dominant muscle is consistently 60%. These three results can be applied to develop more sophisticated devices or robots for carpal rehabilitation training.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 실제적으로 그 범위에서 실험하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 본 논문에서는 선형 영역에서 실험한 결과로써, 수관절 토크와 표면 근전도 신호 크기와의 관계를 밝혔다.
수관절 재활 훈련 장치로 여러 단계의 토크(τ)를 설정하고 수관절 운동을 실시하여, 수관절 토크와 표면 근전도의 상관관계를 밝힌다. 또한, 수관절 근육의 단면적 및 운동 형상과 표면 근전도와의 연관성에 관하여 고찰한다.
본 논문은 인체 수관절 운동과 표면 근전도의 상관관계에 관한 연구이다. 수관절 재활 훈련 장치로 여러 단계의 토크(τ)를 설정하고 수관절 운동을 실시하여, 수관절 토크와 표면 근전도의 상관관계를 밝힌다.

가설 설정

신호가 전달되면, 신경으로부터 화학 물질이 방출되고 근섬유에 전기적인 흥분이 발생하여 근육이 수축한다.⁽¹⁾ 이러한 전기 적인 흥분이 근전도이다. 수관절 운동을 가능하게 하는 근전도를 측정하기 위해서는 우선 수관절 운동을 발생시키는 근육을 알아야 한다.

제안 방법

본 논문에서 피실험자의 성별은 남자이며, 신체조건은 나이 35세, 신장 172 cm, 체중 68 kg이다. 각 근육에 대하여 정의된 두 방향의 운동을 수행하여 표면 근전도 신호를 측정하였다. 재활 훈련 장치의 토크를 각 운동 성분별로 6단계인 0.
2절에서 언급한 네 가지 근육을 선정하였다. 또한 각 운동을 수행할 때 표면 근전도 신호가 가장 크게 발생하는 지점을 파악하였다. 이 위치에서 피부 표면을 깨끗이 닦은 후 양면테이프를 이용하여 표면 근전도 센서를 부착하였고, 전기적으로 중성인 뼈 부분에 기준 전극을 부착하였다.
⁽⁷⁾ 단면적 넓이에 따라 근육이 발생시킬 수 있는 힘의 크기가 다른데, 그에 따라 표면 근전도 신호 크기도 달라진다. 비교를 위하여 단면적이 가장 큰 척측수근신근을 기준으로 수관절의 각 근육 단면적을 정규화(a) 하였고, 표면 근전도 신호 크기도 척측수근신근의 결과를 기준으로 정규화(v) 하였다. 또한 같은 운동 형상에서 토크에 따른 신호 크기의 변화량도 근육마다 다르다.
수관절 재활 훈련 장치로 여러 단계의 토크(τ)를 설정하고 수관절 운동을 실시하여, 수관절 토크와 표면 근전도의 상관관계를 밝힌다.
앞 절에서 계산한 실험 결과를 통하여 수관절 토크와 근전도 신호 크기의 관계를 살펴보고, 수관절 근육의 단면적과 근전도 신호 크기의 관계 및 운동 형상과 근전도 신호 크기의 관계를 고찰한다.
그 방법으로 토크에 따른 신호 크기의 변화량인 기울기(V_s)를 사용하였다. 앞 절에서 보인 바와 같이 표면 근전도 신호 크기는 근육의 단면적과 관계되므로 단면적으로 나누어 기여도를 계산하였다. 그 결과 한 근육이 약 60 % ~ 65 %의 일관성 있는 기여도를 갖고 있음을 확인할 수 있다.
인체 수관절의 구조를 해부학적으로 분석하여, 네 가지 운동 형상을 정의하였다. 이 운동들을 발생시키는 주요 근육을 파악하고, 표면 근전도 측정 실험을 통하여 수관절 운동과의 상관관계를 밝혔다.
인체 수관절의 구조를 해부학적으로 분석하여, 네 가지 운동 형상을 정의하였다. 이 운동들을 발생시키는 주요 근육을 파악하고, 표면 근전도 측정 실험을 통하여 수관절 운동과의 상관관계를 밝혔다.
재활 훈련 장치의 토크를 각 운동 성분별로 6단계인 0.005, 0.010, 0.020, 0.055, 0.070, 0.100 N·m로 설정하고, 각 토크에서 운동을 10회씩 반복 실시하였다.

대상 데이터

표면 근전도를 측정하기 위해서는 우선 측정 대상 근육을 선정하고 위치를 파악해야 한다. 2.2절에서 언급한 네 가지 근육을 선정하였다. 또한 각 운동을 수행할 때 표면 근전도 신호가 가장 크게 발생하는 지점을 파악하였다.
본 논문에서 피실험자의 성별은 남자이며, 신체조건은 나이 35세, 신장 172 cm, 체중 68 kg이다. 각 근육에 대하여 정의된 두 방향의 운동을 수행하여 표면 근전도 신호를 측정하였다.
이 장치는 다양한 수관절 운동 패턴에 대하여 설정한 토크로 저항을 주도록 제작된 제품으로, 사용자의 전완을 전완 고정부에 고정시킨 후, 손잡이 부분을 잡고 각 방향의 수관절 운동을 수행할 수 있도록 되어있다. 이 장치에는 전류 제어 방식의 히스테리시스 브레이크(Mitsubishi, ZHA-1.2A1)가 사용되었으며, 브레이크의 전류에 따른 토크 특성은 Fig. 8에 보인 바와 같다.⁽⁸⁾표면 근전도 측정 장치는 Biometrics사제품으로 표면 근전도 센서(SX230FW)와 기준 전극(R206), 컨트롤러(W4X8)로 구성된다.

데이터처리

측정한 신호의 sampling rate는 1,000 Hz이다. 이러한 신호에서 0.001 s의 단위시간간격으로 제곱 평균제곱근(RMS, root mean square)을 취하여 신호의 크기로 삼았다. 토크에 따라 반복 측정된 표면 근전도 신호 크기의 평균과 표준편차를 수관절 근육별로 Table 1에 나타내었다.
수관절의 운동 형상은 굴곡, 신전, 요측 편위, 척측 편위로 구분되며, 각 운동을 발생시키는 주요 근육은 장요측수근신근, 척측수근신근, 요측수근굴근, 척측수근굴근이다. 주요 근육들로부터 토크에 따른 표면 근전도 신호를 측정하였고, 제곱 평균제곱근으로 신호 크기를 계산하여 수관절 운동과 상관관계를 분석하였다. 그 결과 수관절 토크와 표면 근전도 신호 크기는 선형적으로 비례함을 확인하였다.

이론/모형

근전도 신호의 크기를 나타내는 방법으로는 제곱평균제곱근(RMS, root mean square), 적분근전도(IEMG, integrated EMG), 정류평균값(ARV, average rectified value) 등이 있는데, 본 논문에서는 제곱평균제곱근(V_RMS)을 사용하였다.
인체의 운동에 대한 연구는 오래전부터 진행되어 왔으며, 연구 방법으로 인체에서 발생하는 신호인 근전도(EMG, electromyogram), 뇌전도(EEG, electroencephalogram) 및 심전도(ECG, electorcardiogram) 등이 이용되었다. 근전도 중 표면 근전도(surface EMG)는 측정 장비가 간단하고, 측정 방법이 비교적 쉽기 때문에 인체의 운동 분석에 많이 이용되고 있다.

성능/효과

그 원인은 각 근육의 생리학적 단면적이 다르기 때문이다.⁽⁷⁾ 단면적 넓이에 따라 근육이 발생시킬 수 있는 힘의 크기가 다른데, 그에 따라 표면 근전도 신호 크기도 달라진다. 비교를 위하여 단면적이 가장 큰 척측수근신근을 기준으로 수관절의 각 근육 단면적을 정규화(a) 하였고, 표면 근전도 신호 크기도 척측수근신근의 결과를 기준으로 정규화(v) 하였다.
주요 근육들로부터 토크에 따른 표면 근전도 신호를 측정하였고, 제곱 평균제곱근으로 신호 크기를 계산하여 수관절 운동과 상관관계를 분석하였다. 그 결과 수관절 토크와 표면 근전도 신호 크기는 선형적으로 비례함을 확인하였다. 수관절 근육의 단면적과 표면 근전도 신호 크기를 정규화 하여 비교한 결과, 선형적으로 비례함을 확인하였다.
앞 절에서 보인 바와 같이 표면 근전도 신호 크기는 근육의 단면적과 관계되므로 단면적으로 나누어 기여도를 계산하였다. 그 결과 한 근육이 약 60 % ~ 65 %의 일관성 있는 기여도를 갖고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 항상 큰 기여도를 갖는 근육이 일정한 것은 아니며, 운동 방향에 따라 달라질 수 있다.
수관절 근육의 단면적과 표면 근전도 신호 크기를 정규화 하여 비교한 결과, 선형적으로 비례함을 확인하였다. 또한 운동 형상에 따른 근육의 운동 기여도는 각 운동을 발생시키는 가장 주도적인 2개의 근육 중에서 한 근육이 약 60 %를 담당하는 것으로 분석되어 일관성 있는 결론을 얻었다.
네 가지의 수관절 근육 단면적과 표면 근전도 신호 크기를 비교한 결과를 Table 2에 나타내었다. 비교 결과 수관절 근육의 단면적과 표면 근전도 신호 크기가 선형적으로 비례하는 것을 확인하였다.
그 결과 수관절 토크와 표면 근전도 신호 크기는 선형적으로 비례함을 확인하였다. 수관절 근육의 단면적과 표면 근전도 신호 크기를 정규화 하여 비교한 결과, 선형적으로 비례함을 확인하였다. 또한 운동 형상에 따른 근육의 운동 기여도는 각 운동을 발생시키는 가장 주도적인 2개의 근육 중에서 한 근육이 약 60 %를 담당하는 것으로 분석되어 일관성 있는 결론을 얻었다.
토크에 따라 반복 측정된 표면 근전도 신호 크기의 평균과 표준편차를 수관절 근육별로 Table 1에 나타내었다. 이 결과로 부터, 수관절 토크가 증가함에 따라 표면 근전도 신호 크기가 증가함을 확인할 수 있다. 그러나 토크가 작은 영역에서는 신호 크기가 토크에 비례하지 않는 경우가 간혹 발생하는데, 이 영역에서는 피실험자가 토크의 증가를 거의 느끼지 못한다.

후속연구

또한 재활 치료사를 통한 훈련은 효과는 높지만 시간과 비용이 많이 드는 단점이 있다. 따라서 환자들의 수관절 기능 회복을 위하여 환자 본인에 의하여 훈련이 가능한 재활 훈련 장치의 개발이 필요하며, 이에 따른 수관절에 대한 연구가 진행되어야 한다.
이러한 분석 결과로부터, 표면 근전도 신호를 측정하여 인체 수관절의 움직임을 정확하게 반영하는 재활 훈련 장치나 로봇 등의 제작에 활용할 수 있다. 수관절의 근력을 추정하기 위하여 수관절 근육모델을 연구할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수관절 운동에서 수관절과 표면 근전도 신호의 상관관계는?	주요 근육들로부터 토크에 따른 표면 근전도 신호를 측정하였고, 제곱 평균제곱근으로 신호 크기를 계산하여 수관절 운동과 상관관계를 분석하였다. 그 결과 수관절 토크와 표면 근전도 신호 크기는 선형적으로 비례함을 확인하였다. 수관절 근육의 단면적과 표면 근전도 신호 크기를 정규화 하여 비교한 결과, 선형적으로 비례함을 확인하였다. 또한 운동 형상에 따른 근육의 운동 기여도는 각 운동을 발생시키는 가장 주도적인 2개의 근육 중에서 한 근육이 약 60 %를 담당하는 것으로 분석되어 일관성 있는 결론을 얻었다.
	인체 상지 중 수관절은 무엇인가?	인체 상지 중 수관절(carpal)은 손과 팔을 연결 하는 부분으로서 상지 운동에서 중요한 역할을 한다. 손은 물건을 다루는 세부적인 운동을 하는데, 수관절은 이러한 손의 운동을 가능하게 해준다.
	인체의 운동에 대한 연구방법으로 무엇이 이용되었는가?	인체의 운동에 대한 연구는 오래전부터 진행되어 왔으며, 연구 방법으로 인체에서 발생하는 신호인 근전도(EMG, electromyogram), 뇌전도(EEG, electroencephalogram) 및 심전도(ECG, electorcardiogram) 등이 이용되었다. 근전도 중 표면 근전도(surface EMG)는 측정 장비가 간단하고, 측정 방법이 비교적 쉽기 때문에 인체의 운동 분석에 많이 이용되고 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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