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문제 정의
- 본 연구에서는 실내에서 이루어지는 근육 재활 훈련의 지루함과 단조로움을 극복하기 위하여 구속성이 없는 다채널의 무선 근전도 모듈을 제작하고, 대상자의 근 신호로 부터 의도를 인식하여 자체 제작된 환자 맞춤형 게임에 접목함으로써 효율적으로 재활을 유도하는 방법을 제안하고자 한다. 또한, 편마비 환자를 대상으로 하여 개발된 시스템을 일정 시간 동안 적용한 후, 설문 조사 방법을 통하여 만족도, 필요성, 안정성에 대한 부분을 평가하고, 앞으로의 연구에서 나아가야 할 방향을 수립하고자 한다.
- 본 연구에서는 편마비 환자들의 재활 훈련에서 게임을 통해 시각적인 피드백과 동기를 부여할 수 있는 무선 근전도 모듈과 게임 콘텐츠를 제안하였다. 제작된 모듈과 게임 콘텐츠는 환자들의 회복 상태에 따라 채널 수를 조정하여 단순한 게임에서부터 다소 복잡한 동작이 요구되는 게임까지 적용해 볼 수 있다.
- 앞으로의 연구에서는 편마비 환자들에게 광범위하고 장기간에 걸쳐 적용함으로써 게임 진행 방식과 속도 및 인터페이스 방법에서 개선과 검증이 이루어질 것이다. 본 연구에서는 편마비 환자의 운동 재활에 한해서만 고려하였지만, 편마비의 가장 큰 원인이 되는 뇌졸중은 인지장애와 운동장애가 동반되는 경우가 많으므로 인지 재활을 운동 재활과 동시에 수행할 수 있는 콘텐츠를 제작할 것이다. 또한, 편마비의 경우에만 국한되는 것이 아니라 일반 재활 및 운동이 요구되는 다른 경우에도 사용될 수 있도록 유연성을 확장해 나갈 것이다.
제안 방법
- [그림 1]은 본 논문에서 제안한 근육 재활 훈련장치 중 근전도 신호 획득 모듈에 해당하는 사진으로 제작된 하드웨어의 구성은 센서부, 증폭부, 필터부, A/D 변환부, 무선 통신부로 이루어지며, 4채널의 근전도 신호를 동시 획득 가능하도록 구성하였다. 본 장치에서는 반영구적으로 재사용이 가능한 건식 타입의 전극(KOREC EMG-02 2006, 재활공학연구소, 한국)이 사용되었으며, 이 센서 내에는 최대 88dB의 높은 이득을 가지는 차동 증폭부와 4Hz∼900Hz 대역의 대역 통과 필터부를 내장하고 있다[18,19].
- 운동이 요구되는 곳에 전극을 부착하고 근 활성화로 인한 키보드 이벤트가 발생하면 공이 목표지점을 향하여 조금씩 전진하게 된다. 게임 난이도는 공을 굴리는 언덕의 기울기 변화로 조절하도록 구성하였다. 1채널 게임은 상지와 하지에서 신전과 굴곡 운동 모두에서 이용할 수 있다.
- 근전도 신호의 획득부터 키보드 이벤트가 발생할 때까지 소요되는 시간을 결정하는 시간 창의 크기는 150∼300ms 정도의 범위가 적합하다는 보고가 있었으며[20], 본 연구에서는 시간 창을 150ms마다 설정하여 키보드 이벤트를 발생하도록 하였다.
- 대상자들에게 개발된 시스템의 이용 시 안정성 여부에 대해 질문하였으며, 오동작의 발생 여부에 대하여 답할 수 있도록 문항을 구성하였다. (문항번호: 8)
- 대상자들에게 개발된 시스템의 필요성에 대해 질문하였으며, 치료 효과에 대한 기대감과 게임 내용의 흥미성에 대하여 답할 수 있도록 문항을 구성하였다. (문항번호: 1∼3)
- 구현된 콘텐츠들의 동작 순서는 [그림 4]와 같은 구성을 한다. 또한, 개발된 게임 콘텐츠 외에도 상용화된 콘텐츠들과의 연동을 위해서 인터페이스 GUI에 게임 조작에 필요한 키보드의 버튼들을 선택할 수 있도록 제작하였다.
- 채널별로 게임을 선택할 수 있도록 구성하였으며, 환자의 상태에 따라 적절히 게임 속도와 난이도를 조절할 수 있게 구성하였다. 또한, 제작된 게임 콘텐츠는 사용자의 거부감이 없도록 보편화 되면서도 사용이 익숙한 게임들을 선택해 [표 2]와 같이 제작하였다.
- 1kHz의 샘플링 속도로 변환된 디지털 값은 ATmega 128과 Zigbee 무선 통신 모듈을 통해 GUI의 명령에 따라 근전도 신호로 발생한 이벤트를 송신한다. 또한, 제작된 근전도 모듈은 몸에 착용하였을 때 불편함을 줄여 주기 위해 배터리를 이용한 소형화 무선 시스템으로 제작하였다. (크기 : 8x6cm, 무게 : 220 g) [그림 2]는 제작된 모듈을 사용자가 상지 부위에 착용한 모습을 보여준다.
- 구현된 장치 제어용 프로그램은 Visual studio 2008의 Microsoft foundation class(MFC) 기반으로 제작되었다. 무선 근전도 모듈로부터 획득한 4채널의 A/D 변환 데이터로부터 사용자의 의도에 맞게 추출된 키보드 이벤트로 게임을 수행하기 위해서 [그림 3]과 같은 신호 처리 과정을 갖는 프로그램을 개발하였다. 게임에 필요한 키보드 이벤트를 발생시켜주기 위한 과정은 다음의 2단계로 이루어진다.
- 본 연구의 대상자는 모집단을 정의할 수 없으므로 본 연구와 설문에 동의한 환자들을 연구대상자로 선정하는 편의표본추출법을 이용하였다. 재활병원에 내원하여 물리치료를 받고 있는 편마비 환자 7명(남성 6명: 44.
- 설문조사는 근전도 기반 게임장치의 필요성(문항1∼3), 만족도(문항4∼7) 안정성(문항8)을 중심으로 총 8문항으로 작성된 설문지를 이용하여 실시하였다.
- 시스템의 전반적인 만족도에 대해 질문하였으며, 장치 부착과 사용의 불편함, 게임의 진행속도와 난이도에 대한 만족감을 측정할 수 있는 문항을 구성하였다. (문항번호: 4∼7)
- 일주일간 재활병원에 상주하며 선정된 대상자들로 하여금 개발된 모듈과 게임 콘텐츠를 적용하여 10∼20분 정도 실행한 뒤 설문조사 하였다.
- 0을 사용하여 개발되었다. 채널별로 게임을 선택할 수 있도록 구성하였으며, 환자의 상태에 따라 적절히 게임 속도와 난이도를 조절할 수 있게 구성하였다. 또한, 제작된 게임 콘텐츠는 사용자의 거부감이 없도록 보편화 되면서도 사용이 익숙한 게임들을 선택해 [표 2]와 같이 제작하였다.
대상 데이터
- 본 장치에서는 반영구적으로 재사용이 가능한 건식 타입의 전극(KOREC EMG-02 2006, 재활공학연구소, 한국)이 사용되었으며, 이 센서 내에는 최대 88dB의 높은 이득을 가지는 차동 증폭부와 4Hz∼900Hz 대역의 대역 통과 필터부를 내장하고 있다[18,19].
- 재활병원에 내원하여 물리치료를 받고 있는 편마비 환자 7명(남성 6명: 44.3±9.8세, 여성 1명: 58세)을 대상으로 하였으며, 선정기준은 게임을 자주 하지 않더라도 어느 정도 익숙해 있는 사람과 [표 1]에서 설명된 Brunnstrom 4단계 이상의 경직과 공동운동으로부터 호전이 있는 사람들을 대상으로 실시하였다.
데이터처리
- 설문의 구성에서 설문 내용과는 관계없이 동의하는 경향을 제한하기 위하여 설문 문항을 긍정과 부정으로 구성하여 균형을 이루도록 배열하였으며, 각각의 설문문항들은 5점 Likert 척도로 구성하여 ‘매우 그렇다’를 5점, ‘전혀 그렇지 않다’를 1점으로 계산하고 부정의 문항들에 대해서는 점수를 역 환산하여 평균±표준편차를 계산하였다.
이론/모형
- 구현된 장치 제어용 프로그램은 Visual studio 2008의 Microsoft foundation class(MFC) 기반으로 제작되었다. 무선 근전도 모듈로부터 획득한 4채널의 A/D 변환 데이터로부터 사용자의 의도에 맞게 추출된 키보드 이벤트로 게임을 수행하기 위해서 [그림 3]과 같은 신호 처리 과정을 갖는 프로그램을 개발하였다.
- 자신의 근육 활성화 정도를 피드백 받을 수 있으므로 앞으로의 연구에서는 이와 같은 방법을 추가할 수 있는 콘텐츠를 개발할 것이며 더 나아가 가상현실 게임에서의 적용도 가능할 것이다. 또한, 피로도가 증가함에 따라 근 활성화 정도의 크기가 감소하는 현상을 고려하는 적응 문턱 치(adaptive threshold) 알고리즘[21]을 적용하여 환자의 동작 여부를 오인식 없이 게임 콘텐츠에 반영하도록 할 것이다.
성능/효과
- 기존 재활 치료의 지루함을 묻는 문항의 점수(2.86±0.69)는 3점(보통이다)에 근접한 결과를 보여주어 기존에 행해지던 물리 치료의 과정이 지루하다고는 판단할 수는 없지만, 환자들이 느꼈을 때 만족할만한 수준은 아닌 것으로 나타났다.
- 마지막으로 시스템의 안정된 동작을 묻는 문항의 점수는 3.46±0.79로 나타났으며, 불안정하다고 대답한 이유로는 근육에 힘을 주었으나 게임에 결과가 반영 되지 않아 게임 진행에 지장이 있다는 의견이 있었다.
- 본 연구에서 개발된 무선 다채널 체감형 게임 장치는 근육의 재활 치료에서 시각적인 피드백 제공과 흥미 유발로 환자의 치료에 대한 동기부여에 기여할 수 있다는 것을 [표 3]의 결과로 확인할 수 있었다.
- 본 연구의 설문 조사 결과에서는 편마비 환자의 재활 운동을 위한 시스템 및 콘텐츠의 개발 필요성을 확인할 수 있었으며, 개발된 장치의 만족감을 확인하였다. 본 연구는 개발된 장치를 단시간 환자들에게 적용하여 설문결과를 수행하였으므로 효과적인 검증 효과를 관찰하기에는 어렵다는 한계가 있다.
- 시스템 장착 시 편리함을 묻는 문항의 점수(3.71±0.49)와 시스템 사용 후 만족감을 묻는 문항의 점수(3.71±0.95)에서는 4점(그렇다)에 가까운 결과를 보여주어 환자들은 개발된 장치에 대하여 전반적으로 만족한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 치료 효과의 기대감에 대한 점수(4.14±0.38)와 게임 장치 사용 후 느꼈던 흥미에 대한 점수(3.86±0.38)는 4점(그렇다)에 근접한 결과를 나타내어 편마비 환자들의 재활을 위한 장치와 콘텐츠의 개발이 요구되는 필요성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 개발된 시스템과 GUI 및 게임 콘텐츠는 근신호의 문턱 치를 설정하여 환자의 의사를 판단하게 되어 있지만, 운동의 효과 및 동기 부여에 더욱 도움이 되기 위해서는 근전도 신호의 크기를 정량적으로 측정하여 이를 콘텐츠 동작의 입력 수단으로 하는 방법도 요구된다. 자신의 근육 활성화 정도를 피드백 받을 수 있으므로 앞으로의 연구에서는 이와 같은 방법을 추가할 수 있는 콘텐츠를 개발할 것이며 더 나아가 가상현실 게임에서의 적용도 가능할 것이다.
- 본 연구에서는 실내에서 이루어지는 근육 재활 훈련의 지루함과 단조로움을 극복하기 위하여 구속성이 없는 다채널의 무선 근전도 모듈을 제작하고, 대상자의 근 신호로 부터 의도를 인식하여 자체 제작된 환자 맞춤형 게임에 접목함으로써 효율적으로 재활을 유도하는 방법을 제안하고자 한다. 또한, 편마비 환자를 대상으로 하여 개발된 시스템을 일정 시간 동안 적용한 후, 설문 조사 방법을 통하여 만족도, 필요성, 안정성에 대한 부분을 평가하고, 앞으로의 연구에서 나아가야 할 방향을 수립하고자 한다.
- 본 연구에서는 편마비 환자의 운동 재활에 한해서만 고려하였지만, 편마비의 가장 큰 원인이 되는 뇌졸중은 인지장애와 운동장애가 동반되는 경우가 많으므로 인지 재활을 운동 재활과 동시에 수행할 수 있는 콘텐츠를 제작할 것이다. 또한, 편마비의 경우에만 국한되는 것이 아니라 일반 재활 및 운동이 요구되는 다른 경우에도 사용될 수 있도록 유연성을 확장해 나갈 것이다.
- 본 연구의 설문 조사 결과에서는 편마비 환자의 재활 운동을 위한 시스템 및 콘텐츠의 개발 필요성을 확인할 수 있었으며, 개발된 장치의 만족감을 확인하였다. 본 연구는 개발된 장치를 단시간 환자들에게 적용하여 설문결과를 수행하였으므로 효과적인 검증 효과를 관찰하기에는 어렵다는 한계가 있다. 앞으로의 연구에서는 편마비 환자들에게 광범위하고 장기간에 걸쳐 적용함으로써 게임 진행 방식과 속도 및 인터페이스 방법에서 개선과 검증이 이루어질 것이다.
- 본 연구는 개발된 장치를 단시간 환자들에게 적용하여 설문결과를 수행하였으므로 효과적인 검증 효과를 관찰하기에는 어렵다는 한계가 있다. 앞으로의 연구에서는 편마비 환자들에게 광범위하고 장기간에 걸쳐 적용함으로써 게임 진행 방식과 속도 및 인터페이스 방법에서 개선과 검증이 이루어질 것이다. 본 연구에서는 편마비 환자의 운동 재활에 한해서만 고려하였지만, 편마비의 가장 큰 원인이 되는 뇌졸중은 인지장애와 운동장애가 동반되는 경우가 많으므로 인지 재활을 운동 재활과 동시에 수행할 수 있는 콘텐츠를 제작할 것이다.
- 개발된 시스템과 GUI 및 게임 콘텐츠는 근신호의 문턱 치를 설정하여 환자의 의사를 판단하게 되어 있지만, 운동의 효과 및 동기 부여에 더욱 도움이 되기 위해서는 근전도 신호의 크기를 정량적으로 측정하여 이를 콘텐츠 동작의 입력 수단으로 하는 방법도 요구된다. 자신의 근육 활성화 정도를 피드백 받을 수 있으므로 앞으로의 연구에서는 이와 같은 방법을 추가할 수 있는 콘텐츠를 개발할 것이며 더 나아가 가상현실 게임에서의 적용도 가능할 것이다. 또한, 피로도가 증가함에 따라 근 활성화 정도의 크기가 감소하는 현상을 고려하는 적응 문턱 치(adaptive threshold) 알고리즘[21]을 적용하여 환자의 동작 여부를 오인식 없이 게임 콘텐츠에 반영하도록 할 것이다.
- 하지만 게임의 진행 속도(3±0.58)와 난이도(3.14±0.38)에 대한 만족감을 묻는 문항에서는 3점(보통이다)에 근접한 결과를 보여주어 차후 연구에서 편마비 환자의 상태를 고려한 게임의 보완과 최적화 필요성에 대하여 확인할 수 있었다.
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