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문제 정의
- 하지만 관절각도 및 보행 측정장비로 사용되는 기존의 의료용 측각도계(goniometer) 및 스트레인게이지(strain gauge), 3D-적외선 카메라 보행분석 시스템을 비롯한 보행 분석용 장치들의 경우, 측정자의 주관성, 한정된 측정공간과 같은 여러 단점을 가진다[7],[8]. 본 연구에서는 기존 측정장비의 단점을 보완하기 위하여, 높은 정확도를 가지고 실시간 모니터링이 가능한 광섬유(optical fiber) 기반의 무릎관절 각도센서를 제작한 뒤 성능평가를 수행하였다.
제안 방법
- 그림 3은 제작된 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서의 구조를 보여준다. 광섬유 각도센서는 플라스틱 광섬유가 무릎관절의 움직임과 동시에 굽혀질 수 있도록 무릎밴드를 사용하여 설계 및 제작하였고, 광원부와 광 계측부가 되는 LED와 PD의 위치는 변하지 않도록 무릎밴드의 양단에 고정시켰다. 특히 PD에는 SMA(subminiature type A) 마운트를 부착시켜 SMA 905 커넥터로 처리된 플라스틱 광섬유의 끝단과 결합이 용이하도록 하였으며, 접합부에서의 광 손실 및 외부 가시광의 간섭을 최소화시켰다.
- 따라서 본 연구에서는 광섬유 각도센서의 광원으로서 미세한 각도변화에도 출력전압의 변화가 큰 청색 LED와 소형 PD를 이용하여 광섬유 각도센서를 제작하였다. 두번째로, 제작된 광섬유 각도센서를 이용하여 무릎관절의 각도의 변화에 따른 PD의 출력전압 변화를 측정하였다. 실험 결과, 0∼110°의 각도범위에서 출력전압이 선형성을 가지고 변하는 것을 확인하였다.
- 실험결과, 470 nm의 파장을 갖는 청색 LED를 사용하였을 때 광섬유 각도센서가 LED의 광 출력 변화에 따라 가장 넓은 출력전압 범위와 선형성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 광섬유 각도센서의 광원으로서 미세한 각도변화에도 출력전압의 변화가 큰 청색 LED와 소형 PD를 이용하여 광섬유 각도센서를 제작하였다. 두번째로, 제작된 광섬유 각도센서를 이용하여 무릎관절의 각도의 변화에 따른 PD의 출력전압 변화를 측정하였다.
- 본 연구에서는 관절의 움직임에 따른 각도 변화에 의해 광섬유 내부에서 발생하는 벤딩 손실의 효율을 높이기 위하여 감지부가 되는 플라스틱 광섬유의 클래딩을 일정한 간격으로 제거하였다. 그림 2는 플라스틱 광섬유의 클래딩을 1 mm 간격으로 제거하여 제작한 광섬유 각도센서의 감지부의 구조를 보여준다.
- 본 연구에서는 광섬유 각도센서의 광원으로 사용하기에 적합한 LED를 선별하기 위해 470, 530, 660, 870 nm의 중심 파장(center wavelength)을 가지는 4종류의 광섬유용 LED를 이용하여 그 특성을 비교하였다. 그림 5는 각 LED의 광출력(optical power) 변화에 따른 광섬유 각도센서의 출력전압을 비교한 그래프를 보여준다.
- 그림 8은 본 연구에서 제작한 광섬유 각도센서를 이용하여 실시간으로 측정한 무릎관절의 신전운동에 따른 출력전압 변화를 보여준다. 본 연구에서는 보행장애 진단을 위한 실험을 수행하기에 앞서 광섬유 각도센서의 정상작동에 대한 기초성능을 평가하기 위하여 실험 피검자로 20대 중반의 무릎에 질환을 갖지 않은 남성을 선택하였고, 의자에 앉은 상태에서 무릎 관절의 지속적인 신전운동에 따른 광섬유 각도센서의 실시간 응답신호를 측정하였다. 실험결과, 무릎관절의 굽힘 운동(flexion)과 폄 운동(extension)에 따라 출력전압이 3.
- 본 연구에서는 플라스틱 광섬유의 클래딩을 일정한 간격으로 제거하여 벤딩 손실의 효율을 높인 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서를 개발하였다. 첫 번째로, 광섬유 각도센서에 적합한 광원을 선별하기 위해 파장이 다른 4종류의 광섬유용 LED를 이용하여 광섬유 각도센서의 출력특성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 플라스틱 광섬유의 클래딩을 일정한 간격으로 제거하여 벤딩 손실의 효율을 높인 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서를 개발하였다. 첫 번째로, 광섬유 각도센서에 적합한 광원을 선별하기 위해 파장이 다른 4종류의 광섬유용 LED를 이용하여 광섬유 각도센서의 출력특성을 비교하였다. 실험결과, 470 nm의 파장을 갖는 청색 LED를 사용하였을 때 광섬유 각도센서가 LED의 광 출력 변화에 따라 가장 넓은 출력전압 범위와 선형성을 갖는 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 그림 2는 플라스틱 광섬유의 클래딩을 1 mm 간격으로 제거하여 제작한 광섬유 각도센서의 감지부의 구조를 보여준다. 광섬유 각도센서에 사용된 플라스틱 광섬유의 전체길이는 30 cm이고, 클래딩이 제거된 감지부의 길이는 15 cm이다. 클래딩이 제거되어 코어가 노출된 부분에서는 전반사가 발생되지 않으므로 감쇄율이 높아지게 되고, 광섬유의 구부림에 따른 벤딩 손실 역시 커지게 된다.
- 일반적으로 플라스틱 광섬유는 유리 광섬유보다 내구성이 강하고, 유연하다는 장점을 가진다. 따라서 LED로부터 발생한 빛의 전송 및 감지부로서의 역할을 동시에 수행하는 광섬유로는 계단형 굴절률(step-index)을 가지는 1 mm 직경의 멀티모드(multi-mode) 플라스틱 광섬유(GH4001, Mitsubishi Rayon)를 사용하였다. 플라스틱 광섬유의 코어 직경은 0.
- 본 연구에서 사용한 PMMA 재질의 코어로 구성된 플라스틱 광섬유의 경우에는 470 nm의 빛이 전송될 때, 광 강도의 변화에 따른 감쇄율이 큰 것을 알 수 있다. 따라서 추후의 실험에서는470 nm의 중심파장을 갖는 청색 LED를 이용하여 실험을 수행하였다.
- 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서(fiber-optic goniometer)는 플라스틱 광섬유, 발광다이오드(light-emitting diode, LED), 포토다이오드(photodiode, PD), 신호수집장치(data acquisition board, DAQ board) 및 컴퓨터 디스플레이 장치로 구성된다. 먼저 광섬유 각도센서의 광원으로 사용하기에 적합한 LED를 선별하기 위하여 470, 530, 660, 870 nm의 파장을 가지는 4종류의 광섬유용 LED(IF-series, Industrial Fiber Optics)를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 광섬유용 LED는 광섬유와의 결합이 용이하도록 커넥터 처리가 되어있고, 내부에 위치한 플라스틱 렌즈를 통해 광원부로부터 발생된 빛을 광섬유 내로 효율적으로 전달할 수 있다는 장점을 가진다.
- 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서(fiber-optic goniometer)는 플라스틱 광섬유, 발광다이오드(light-emitting diode, LED), 포토다이오드(photodiode, PD), 신호수집장치(data acquisition board, DAQ board) 및 컴퓨터 디스플레이 장치로 구성된다. 먼저 광섬유 각도센서의 광원으로 사용하기에 적합한 LED를 선별하기 위하여 470, 530, 660, 870 nm의 파장을 가지는 4종류의 광섬유용 LED(IF-series, Industrial Fiber Optics)를 사용하였다.
- 0 mm이며 최소 곡률반경(bending radius)은 25 mm이다. 본 연구에서 사용한 광섬유의 코어는 1.490의 굴절률을 가지는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl-methacrylate, PMMA)이고, 클래딩은 1.402의 굴절률을 가지는 불소중합체(fluorinated polymer)로 구성되므로 광섬유의 개구수(numerical aperture, NA)는 0.504이다.
성능/효과
- 실험 결과, 0∼110°의 각도범위에서 출력전압이 선형성을 가지고 변하는 것을 확인하였다. 또한 무릎관절의 신전운동 시 광섬유 각도센서의 출력 전압이 실시간으로 측정되는 것을 확인하였다.
- 두번째로, 제작된 광섬유 각도센서를 이용하여 무릎관절의 각도의 변화에 따른 PD의 출력전압 변화를 측정하였다. 실험 결과, 0∼110°의 각도범위에서 출력전압이 선형성을 가지고 변하는 것을 확인하였다. 또한 무릎관절의 신전운동 시 광섬유 각도센서의 출력 전압이 실시간으로 측정되는 것을 확인하였다.
- 첫 번째로, 광섬유 각도센서에 적합한 광원을 선별하기 위해 파장이 다른 4종류의 광섬유용 LED를 이용하여 광섬유 각도센서의 출력특성을 비교하였다. 실험결과, 470 nm의 파장을 갖는 청색 LED를 사용하였을 때 광섬유 각도센서가 LED의 광 출력 변화에 따라 가장 넓은 출력전압 범위와 선형성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 광섬유 각도센서의 광원으로서 미세한 각도변화에도 출력전압의 변화가 큰 청색 LED와 소형 PD를 이용하여 광섬유 각도센서를 제작하였다.
- 기존에 개발되거나 연구되었던 의료용 측각도계 및 보행측정 시스템은 특정 구간에서 측정 불가능한 제한적인 각도, 측정자의 주관적인 측정방식, 측정공간의 제약 등 여러 단점들이 존재해왔다. 하지만 본 연구에서 제작한 무릎관절의 굽힘에 따른 벤딩 손실을 이용한 광섬유 각도센서는 구성이 매우 간단하고 무릎부위에 착용이 가능함에 따라 공간적인 제약을 받지 않으며, 전용 프로그램을 통해 객관적인 측정값을 획득할 수 있으므로 측정자의 주관성을 최소화할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 실시간 측정과 기록이 가능하므로 보행장애의 진단 및 재활치료 시 회복 정도를 판단할 수 있는 모니터링 시스템에 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 9 V까지 실시간으로 변하는 것을 확인할 수 있다. 또한 무릎관절의 최소 또는 최대 각도에서 광섬유 각도센서의 출력전압이 안정화되었을 때 비교적 유사한 전압값을 보이므로 본 연구에서 제작한 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서가 가역성(reversibility)을 가지므로, 피검자의 보행패턴 및 신전운동 능력을 측정하는데 충분이 적용 가능할 것으로 보인다.
- 하지만 본 연구에서 제작한 무릎관절의 굽힘에 따른 벤딩 손실을 이용한 광섬유 각도센서는 구성이 매우 간단하고 무릎부위에 착용이 가능함에 따라 공간적인 제약을 받지 않으며, 전용 프로그램을 통해 객관적인 측정값을 획득할 수 있으므로 측정자의 주관성을 최소화할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 실시간 측정과 기록이 가능하므로 보행장애의 진단 및 재활치료 시 회복 정도를 판단할 수 있는 모니터링 시스템에 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로의 연구방향은 광섬유 각도센서의 측정 분해능 향상과 피검자의 보행패턴 분석 시스템을 개발하는 것이며, 이를 이용해 일반인과 보행장애를 갖는 환자의 보행패턴을 비교 분석하는 것이다.
- 또한 실시간 측정과 기록이 가능하므로 보행장애의 진단 및 재활치료 시 회복 정도를 판단할 수 있는 모니터링 시스템에 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로의 연구방향은 광섬유 각도센서의 측정 분해능 향상과 피검자의 보행패턴 분석 시스템을 개발하는 것이며, 이를 이용해 일반인과 보행장애를 갖는 환자의 보행패턴을 비교 분석하는 것이다.
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