[논문]편마비 환자의 재활운동치료를 위한 능동형 상지훈련시스템 개발

이민현; 손종상; 김정윤; 김영호

doi:10.9718/jber.2011.32.1.001

[국내논문] 편마비 환자의 재활운동치료를 위한 능동형 상지훈련시스템 개발
Development of an Active Training System for Rehabilitation Exercise of Hemiplegic Patients 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.32 no.1, 2011년, pp.1 - 6

이민현 (연세대학교 대학원 의공학과, 연세의료공학연구원) , 손종상 (연세대학교 대학원 의공학과, 연세의료공학연구원) , 김정윤 (연세대학교 대학원 의공학과, 연세의료공학연구원) , 김영호 (연세대학교 대학원 의공학과, 연세의료공학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

An active training system has been developed to assist the upper extremity function in patients with spasticity. We also evaluated the performance of the developed assistive system in five normal subjects and one hemiplegic patient. The maximum voluntary contraction (MVC) tests for biceps brachii and triceps brachii were performed and the relationship between linear enveloped EMG signal and the elbow joint torque was found. In order to implement an active training, our system was designed to allow isokinetic movement only when the subject generates elbow joint motion larger than the pre-fixed threshold level. The proposed EMG-feedback control method could provide active exercises, resulting in better rehabilitation protocol for spastic patients.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 경직 현상이 있는 편마비 환자의 능동적 훈련을 위해 능동형 상지훈련시스템을 개발하였고, 핵심적 동작 원리를 정싱-인과 환자에게 적용하여 활용 가능성을 획-인하였다.
본 연구에서는 경직이 있는 편마비 환자의 빠른 회복을 위해 능동적 재활이 가능한 근전도 신호 기반의 재활 훈련시스템을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 상지 외골격 시스템은 정상인과 편마비 환자의 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크의 관계를 이용하여 팔꿈치 관절의 운동을 제어하였다.
본 연구에서는 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련이 가능한 상지훈련시스템을 개발하고 정상인과 편마비 환자를 대상으로 시스템의 동작 성능을 평가하였다.

제안 방법

5)로 설정하였다[24]. 관절가동범위는 0°~120°로 설정하였고, 착용자의 이두근 근전도 신호로부터 예측된 팔꿈치 관절 토크가 미리 설정한 역치값에서 실험을 진행하였다.
등속성 동력계 (Biodex Medical Systems, USA)와 근전도 측정 시스템 (MyoSystem 1200, Noraxon Inc., USA)을 연동하여 팔꿈치 관절 운동 시 발생되는 토크와 근전도 신호를 1000Hz로 측정하였다. 근전도 신호는 팔꿈치 관절의 굽힘과 폄을 제어하는 주요 근육인 이두근(biceps brachii)과 삼두근(triceps brachii)에서 획득하였다.
모터 선정을 위해 팔꿈치 관절의 굽힘/폄(mexion/extension) 토크를 측정하였다. 실험을 위해 평소 특별한 근력운동을 하지 않고, 근골격계 질환이 없는 건강한 남성 5명을 선정하였다(나이 24±1세, 키 171 ± 4 cm, 몸무게 67 ±6 kg).
개발하였다. 본 연구에서 개발된 상지 외골격 시스템은 정상인과 편마비 환자의 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크의 관계를 이용하여 팔꿈치 관절의 운동을 제어하였다. 특히, 피험자가 역치값 이상의 운동력을 발생시킬 때만 관절 운동이 가능하게 설계한 훈련 알고리즘이 정상인과 환자에서 정상적으로 구현됨을 확인하였다.
제어 알고리즘은 환자의 최대 수의적 수축(m&ximal voluntary contraction, MVC) 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 추정된 팔꿈치 관절 토크가 일정 수준 이상에 도달할 경우에만 등속 관절 운동이 가능하도록 구현되었다. 따라서 역치값이 크다면 운동 시 그만큼 많은 힘을 발생시켜야 하며, 이는 운동 강도를 임의로 설정할 수 있음을 의미한다.
1). 팔꿈치 관절각도를 측정하기 위해 외골격의 회전축에 가변저항(potentiometer)을 장착하였다. 근전도 신호와 각도 데이터는 데이터 수집 장비(NI USB-6008, National Instruments, USA)를 통해 획득하였다.
팔꿈치 관절의 재활훈련을 위한 외골격은 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 구현하도록 1 자유도(degrees of freedom), 0 °~120 °범위 내에서 운동 가능하도록 제작, 설정되었다(그림 1). 팔꿈치 관절각도를 측정하기 위해 외골격의 회전축에 가변저항(potentiometer)을 장착하였다.
팔꿈치 근육에서 실시간으로 측정된 근전도 신호의 크기가 미리 설정한 역치 수준을 초과할 때만 모터가 구동하여 팔꿈치 등속운동을 가능하도록 하였다. 개발된 시스템이 환자의 의지를 반영한 능동적 훈련시스템의 역할을 수행함을 확인하였다.

대상 데이터

, USA)을 연동하여 팔꿈치 관절 운동 시 발생되는 토크와 근전도 신호를 1000Hz로 측정하였다. 근전도 신호는 팔꿈치 관절의 굽힘과 폄을 제어하는 주요 근육인 이두근(biceps brachii)과 삼두근(triceps brachii)에서 획득하였다.[18] 피험자는 0~120 °의 운동범위 내에서 10%의 등속으로 굽힘/폄 운동을 3회씩 총 3번 반복하였다.
팔꿈치 관절각도를 측정하기 위해 외골격의 회전축에 가변저항(potentiometer)을 장착하였다. 근전도 신호와 각도 데이터는 데이터 수집 장비(NI USB-6008, National Instruments, USA)를 통해 획득하였다. 근전도 신호는 전파 정류하여 2 Hz 2차 버터워스 저역통과필터로 잡음 제거맟 선형 포락선(linear envelope)^]- 하였고[19], 각도 데이터는 5 Hz 2차 버터워스 저역통과필터를 취하여 잡음을 제거하였다.
본 연구의 목적에 따라 정상인 피험자 5명(나이 24±1세, 키 171 ± 4 cm, 몸무게 67 ±6 kg)과 편마비 환자 1명 (나이 19세, 키 172 cm, 몸무게 82 kg)에게 시스템을 적용하여 평가하였다. 실험에 참여한 환자는 임상 전문가의 근긴장도 평가(muscle tone assessment) 결과 근 긴장도가 두드러지게 증가하지만 사지는 쉽게 굴곡되는 경한 편마비 증상이 있었다.
1). 선정된 모터는 RE 40(Maxon, Switzerland)으로 감쇠비가 230:1인 기어헤드 GP42C(Maxon, Switzerland)를 장착하여 토크 범위를 만족시키도록 하였다.
실험에 참여한 환자는 임상 전문가의 근긴장도 평가(muscle tone assessment) 결과 근 긴장도가 두드러지게 증가하지만 사지는 쉽게 굴곡되는 경한 편마비 증상이 있었다. 역치값은 피험자가 발생시킬 수 있는 최대 토크의 10%(0.
측정하였다. 실험을 위해 평소 특별한 근력운동을 하지 않고, 근골격계 질환이 없는 건강한 남성 5명을 선정하였다(나이 24±1세, 키 171 ± 4 cm, 몸무게 67 ±6 kg).
정상인 실험을 통해 얻은 최대 팔꿈치 토크는 25 Nm였고, 그 이상의 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 선정하였다(표 1). 선정된 모터는 RE 40(Maxon, Switzerland)으로 감쇠비가 230:1인 기어헤드 GP42C(Maxon, Switzerland)를 장착하여 토크 범위를 만족시키도록 하였다.

데이터처리

근전도-토크 관계식은 모터 선정 시 참여했던 정상인 5명과 편마비 환자 1명으로부터 획득한 이두근과 삼두근의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호와 토크 데이터를 바탕으로 멱함수(power function; y = ax1*)로 회귀분석을 통해 얻었다 (그림 2, 3).

성능/효과

등속운동을 가능하도록 하였다. 개발된 시스템이 환자의 의지를 반영한 능동적 훈련시스템의 역할을 수행함을 확인하였다. 환자의 경직이 심해 미약한 근전도 신호가 획득되더라도 환자의 최저 능력치부터 역치값을 설정하여 훈련을 진행할 수 있다.
5)일 때의 화면이다. 정상인의 경우와 같이 이두근의 근전도 신호가 측정되지만 역치값을 넘기 전까지는 팔꿈치 관절의 각도에 변함이 없으며 , 역치값 이상의 근전도 신호가 측정될 시에 팔꿈치 관절각도가 잠시 상승하는 것을 확인하였다.
본 연구에서 개발된 상지 외골격 시스템은 정상인과 편마비 환자의 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크의 관계를 이용하여 팔꿈치 관절의 운동을 제어하였다. 특히, 피험자가 역치값 이상의 운동력을 발생시킬 때만 관절 운동이 가능하게 설계한 훈련 알고리즘이 정상인과 환자에서 정상적으로 구현됨을 확인하였다. 차후 연구로 편마비 환자를 대상으로 한 시스템의 정량적, 임상적 평가를 진행하고, 시스템을 보완하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

또한 운동 치료에 지대한 영향을 끼치는 몸 상태나 기분 등이 피험자 자신의 운동 의지로 반영되어 훈련의 강도를 조절할 수 있으므로 치료사의 임의적 치료 종료[21]와 달리 성과 향상이 높다는 장점이 있다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 시스템은 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 기존의 수동치료보다 더 효과적인 치료효과를 가져다 줄 것으로 기대된다.
본 연구를 통해 개발된 상지 훈련시스템은 운동효과를 증진시킬 수 있는 다양한 운동치료 프로그램과 결합하는 것이 필요하다. Baltzopoulos 등[22]과 Hald 등[23]은 등속성운동 시 시각적 되먹임이 긍정적인 역할을 한다고 하였다.
환자의 경직이 심해 미약한 근전도 신호가 획득되더라도 환자의 최저 능력치부터 역치값을 설정하여 훈련을 진행할 수 있다. 이는 환자의 의지를 반영하여 근력을 조절할 수 있도록 함으로써 수동적 훈련보다 더 효과적으로 환자의 회복을 도울 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 피험자가 역치값 이상의 운동력을 발생시킬 때만 관절 운동이 가능하게 설계한 훈련 알고리즘이 정상인과 환자에서 정상적으로 구현됨을 확인하였다. 차후 연구로 편마비 환자를 대상으로 한 시스템의 정량적, 임상적 평가를 진행하고, 시스템을 보완하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (24)

A. D. Pandyan, H. Hermens, and G. R. Johnson, "Spasticity," Encyclopedia of Neuroscience, pp. 153-163, 2009.
J. K. Lee and J. W. Lee, "Development of Rehabilitation Robot for Patients with Elbow Spasticity," The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 14-19, 2006.
C. Butefisch, H. Hummelsheim, P. Denzler, and K. H. Mauritz., "Repetitive Training of Isolated Movements Improves the Outcome of Motor Rehabilitation of the Centrally Paretic Hand," Journal of Neurological Sciences, vol. 130, No. 1, pp. 59-68, 1995.

상세보기
C. L. Wu, M. H. Huang, C. L. Lee, C. W. Liu, L. J. Lin, and C. H. Chen, "Effect on Spasticity After Performance of Dynamic-Repeated-Passive Ankle Joint Motion Exercise in Chronic Stroke Patients," The Kaohsiung Journal of Medical Sciences, vol. 22, No. 12, pp. 610-617, 2006.

상세보기
S. R. Pierce, R. T. Lauer, P. A. Shewokis, J. A. Rubertone, and M. N. Orlin, "Test-Retest Reliability of Isokinetic Dynamometry for the Assessment of Spasticity of the Knee Flexors and Knee Extensors in Children With Cerebral Palsy," Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, vol. 87, No. 5, pp. 697-702, 2006.

상세보기
A. Nordez, P. Casari, and C. Cornu, "Accuracy of Biodex System 3 Pro Computerized Dynamometer in Passive Mode," Medical Engineering & Physics, vol. 30, No. 7, pp. 880-887, 2008.

상세보기
T. J. Bovend'Eerdt, M. Newman, K. Barker, H. Dawes, C. Minelli, and D. T. Wade, "The Effects of Stretching in Spasticity: A Systematic Review," Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, vol. 89, No. 7, pp. 1395-1406, 2008.

상세보기
J. R. Engsberg, K. S. Olree, S. A. Ross, and T. S. Park, "Quantitative Clinical Measure of Spasticity in Children with Ccerebral Palsy," Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, vol. 77, No. 6, pp. 594-599, 1996.

상세보기
D. J. Clark, E. G. Condliffe, and C. Patten, "Reliability of Concentric and Eccentric Torque during Isokinetic Knee Extension in Post-Stroke Hemiparesis," Clinical Biomechanics, vol. 21, No. 4, pp. 395-404, 2006.

상세보기
B. J. Singer, J. W. Dunne, K. P. Singer, "The Short Term Effect of Cyclic Passive Stretching on Plantarflexor Resistive Torque after Acquired Brain Injury," Clinical Biomechanics, vol. 23, No. 9, pp. 1178-1182, 2008.

상세보기
R. W. Selles, X. Li, F. Lin, S. G. Chung, E. J. Roth, and L. Q. Zhang, "Feedback-Controlled and Programmed Stretching of the Ankle Plantarflexors and Dorsiflexors in Stroke: Effects of a 4-Week Intervention Program," Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, vol. 86, No. 12, pp. 2330-2336, 2005.

상세보기
B. T. vol.pe, M. Ferraro, D. Lynch, P. Christos, J. Krol, C. Trudell, H. I. Krebs, and N. Hogan, "Robotics and Other Devices in the Treatment of Patients Recovering from Stroke," Current Neurology and Neuroscience Reports, vol. 5, No. 6, pp. 465-470, 2005.

상세보기
M. E. Baar, J. Dekker, R. Oostendorp, D. Bijl, T. Voorn, and J. Bijlsma, "Effectiveness of Exercise in Patients with Osteoarthritis of Hip or Knee: Nine Months' Follow Up," Annals of the Rheumatic Diseases, vol. 60, No. 12, pp. 1123-1130, 2001.

상세보기
J. Stein, H. I. Krebs, W. R. Frontera, S. E. Fasoli, R. Hughes, and N. Hogan, "Comparison of Two Techniques of Robot-Aided Upper Limb Exercise Training After Stroke," American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, vol. 83, No. 9, pp. 720-728, 2004.

상세보기
C. Burgar, P. Lum, P. Shor, and H. Van der Loos, "Development of Robots for Rehabilitation Therapy: The Palo Alto VA/Stanford Experience," Journal of Rehabilitation Research and Development, vol. 37, No. 6, pp. 663-673, 2000.

상세보기
B. T. vol.pe, H. I. Krebs, N. Hogan, L. Edelstein, C. Diels, and M. Aisen, "A Novel Approach to Stroke Rehabilitation: Robot-Aided Sensorimotor Stimulation," Neurology, vol. 54, No. 10, pp. 1938-1944, 2000.

상세보기
S. L. Wolf, M. Nacht, and J. L. Kelly, "EMG Feedback Training during Dynamic Movement for Low Back Pain Patients," Behavior Therapy, vol. 13, No. 4, pp. 395-406, 1982.

상세보기
L. Weiss, J. Silver, and J. Weiss, "Easy EMG - A Guide to Performing Nerve Conduction Studies and Electromyography," Butterworth-Heinemann Medical, pp. 228-230, 2004.
J. R. Potvin and S. H. Brown, "Less Is More: High Pass Filtering, to Remove up to 99% of the Surface EMG Signal Power, Improves EMG-Based Biceps Brachii Muscle Force Estimates," Journal of Electromyography and Kinesiology, vol. 14, No. 3, pp. 389-399, 2004.

상세보기
A. Bruulsema, B. Maxwell, T. Black, B. Harding, and P. W. Stratford, "The Effect of Inter-Trial Rest Interval on the Assessment of Isokinetic Thigh Muscle Torque," Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy, vol. 11, No. 8, pp. 362-366, 1990.

상세보기
K. H. Tsai, C. Y. Yeh, H. Y. Chang, and J. J. Chen, "Effects of a Single Session of Prolonged Muscle Stretch on Spastic Muscle of Stroke Patients," Proceedings of the National Science Council Republic of China, Part. B, vol. 25, No. 2, pp. 76-81, 2001.
V. Baltzopoulos, J. G. Williams, and D. A. Brodie, "Sources of Error in Isokinetic dynamometry: Effects of Visual Feedback on Maximum Torque Measurements," Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy, vol. 13, pp. 138-141, 1991.

상세보기
R. D. Hald and E. J. Bottjen, "Effect of Visual Feedback on Maximal and Submaximal Isokinetic Test Measurements of Normal Quadriceps and Hamstrings," Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy, vol. 9, No. 3, pp. 86-93, 1987.

상세보기
D. M. Connelly, C. L. Rice, M. R. Roos, and A. A. Vandervoort, "Motor Unit Firing Rates and Contractile Properties in Tibialis Anterior of Young and Old Man," Journal of Applied Physiology, vol. 87, No. 2, pp. 843-852, 1999.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증