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문제 정의
- 본 연구에서는 근전도 트리거 신호를 시스템의 제어 신호로 사용함으로써 제한된 관절가동범위를 가지는 피험자 일지라도 자발적으로 관절가동범위 외에서도 재활 훈련을 수행할 수 있는 시스템인 근전도 트리거 재활 훈련 시스템(EMG triggered training system, ETTS)를 개발하였다. 개발 된 ETTS를 정상인의 손목의 회내/회외 운동에 적용시켜봄으로써 ETTS의 성능평가 결과를 보고한다.
- 본 논문에서는 근전도 트리거 재활 훈련 시스템(ETTS)을 개발하고, 이를 네 명의 정상인을 대상으로 손목의 운동 기능인 회내와 회외 동작에 적용해 봄으로써 성능 평가를 하였다. 성능의 결과로 모든 피험자가 회내 동작 수행의 경우 ETTS는 100%의 동작의도를 반영하였고, 회외 동작은 97.
- 하지만 손목의 회내와 회외 운동 또한 일상생활에서 중요한 관절이지만 실용화 되어 임상 현장에서 사용되는 재활 훈련용 로봇 시스템의 개발은 아직 초기단계이다. 본 연구에서는 근전도 트리거 신호를 시스템의 제어 신호로 사용함으로써 제한된 관절가동범위를 가지는 피험자 일지라도 자발적으로 관절가동범위 외에서도 재활 훈련을 수행할 수 있는 시스템인 근전도 트리거 재활 훈련 시스템(EMG triggered training system, ETTS)를 개발하였다. 개발 된 ETTS를 정상인의 손목의 회내/회외 운동에 적용시켜봄으로써 ETTS의 성능평가 결과를 보고한다.
- 은 요측수근굴군과 요측수근신근을 이용하여 손목의 굴곡과 신전의 훈련 시스템을 보고하였다[9]. 이러한 기존 연구는 모두 뇌졸중 이후 마비된 상지의 재활 훈련을 위하여 EMG를 사용하고 있으나, 본 연구에서 관심의 대상으로 하고 있는 손목의 회내/회외(pronation/supination) 운동을 대상으로 하는 연구는 아직 진행된 바가 없으며, 특히 환자의 MVC(maximal voluntary contraction)를 기반으로 능동적 노력 여부의 역치를 잡아 훈련을 돕는 기능의 로봇 시스템을 개발한 것이 본 연구의 특징이라 할 수 있다.
제안 방법
- 0° 위치에서 시작하여 Pronation하여 위치가 −80°에 이르면 신호음을 멈추었고, 10초간 쉬었다가 다시 소리를 발생시켜 −80° ~ +80° 구간을 반복하도록 하였다.
- 제작된 로봇의 크기는 440 × 100 × 220 mm(길이, 폭, 높이)이고 피험자마다 다른 팔 길이를 고려해 고정 나사(fixing screw)를 이용하여 최대 470 mm까지 길이 조절이 가능하도록 하였다. 그리고 손목의 굴곡/신전, 내전/외전 운동시 팔꿈치를 고정하기 위해서 스트랩 홀더를 이용하였다.
- 그림 3은 정상인 피험자에 대해 ETTS를 손목의 회내/회외 운동에 적용한 모습을 보여준다. 근전도 측정을 위해 손목의 회내의 주요근인 원회내근(pronator teres muscle)과 회외의 주요근인 팔이두근(biceps brachii muscle)에 전극을 부착 하였다[8]. 선정된 근육은 각 운동시 근육의 활성화 정도가 크고, 각 동작간 간섭이 적은 근육을 선정하였다.
- 능동 모드에서는 부하의 크기의 조절하여 부하를 이겨내는 근력강화 운동을 할 수 있다. 능동 보조 모드는 피험자의 관절가동 범위 내에서 능동 모드로 운동을 하고, 피험자의 한계 관절가동범위까지 도달하게 되면 수동적 관절 운동 모드로 변환되어 수동적 스트레칭을 수행할 수 있도록 하였다. 마지막으로 근전도 트리거 모드는 각 동작에 최대 근 수축을 측정할 수 있는 MVC측정모드와 재활 모드로 구성되어 있고, 근전도의 증폭률, 역치, 근전도 트리거 발생시 모터의 회전 각도(0.
- 모터의 회전 위치를 피드백 받기 위해 포텐시오미터의 두 개의 채널을 데이터 수집 보드에 연결하였다. 두 개의 채널은 각각 전위차계에 공급되는 전압과 현재 모터의 회전 위치에서의 전압을 측정하였다. 측정되는 두 채널의 전압의 비율을 측정함으로써 모터의 회전 위치를 피드백 받았다.
- 선정된 시제품 디지털 서보 모터는 모터의 회전 각도를 피드백 할 수 있는 별도의 신호 선이 없기 때문에 모터의 회전 위치를 피드백 받을 수 없다. 모터의 회전 위치를 피드백 받기 위해 포텐시오미터의 두 개의 채널을 데이터 수집 보드에 연결하였다. 두 개의 채널은 각각 전위차계에 공급되는 전압과 현재 모터의 회전 위치에서의 전압을 측정하였다.
- 이러한 모터의 회전에 의해 피험자의 손목 관절 또한 움직이게 된다. 모터의 회전 토크는 PC와 전원공급기(OPE-303Q, ODA Technologies Co., Korea)에 RS-232C 통신을 이용하여 모터의 공급되는 허용 전류를 제어함으로써 조절하였다.
- 설계된 손목 재활 훈련 구동부는 손목의 3가지운동이 가능하도록 설계되었다. 그림 2에서 모터 M1에 연결된 회전축을 통해 손목의 굴곡/신전(flexion/extension) 운동과 내전/외전(adduction/abduction) 운동이 가능하고 모터 M2에 연결된 회전축을 통해 손목의 회내/회외 운동이 가능하도록 설계되었다.
- 성능평가에 앞서 기준 역치를 정하기 위한 실험을 진행하였다. 각 피험자들은 손목의 회전 위치에 따라 자발적 의도가 없더라도 MVC의 3~5% 정도의 수준의 잡음을 보이고다.
- 스피커를 통해 10~12초 지속되는 신호음을 발생시켰고, 신호음이 들릴 때에만 피험자는 피험자는 손목의 회내 동작(+80° ~ −80°)과 회외 동작(−80° ~ +80°)을 교대로 각각 5회 수행하도록 지시하였다.
- 피험자의 자발적 의도만을 판단하기 위한 기준 역치는 10%정도가 적당한 수준으로 보이나, 각 피험자에게 MVC의 10%, 30%, 50%를 역치로 적용하였을 때 30%의 역치 수준이 적절한 운동의 강도라고 응답하였다. 이를 통해 측정된 각 동작의 MVC의 30%를 ETTS의 기준 역치로 설정하였다. 추후 환자를 대상으로 임상시험을 진행하면 이 값은 다시 변경되어야 하며, 훈련 보조자가 이를 조절할 수 있는 기능을 프로그램하여 포함시켰다.
- 근전도는 같은 피험자에게서 측정하더라도 근육의 종류, 근육의 발달 정도, 피로도, 전극 부착 위치 등에 의해 진폭이 상이하게 나타난다. 이를 표준화하기 위해서 ETTS는 %MVC (percent of maximum voluntary contraction)를 사용하였다. MVC는 사용자(환자)가 특정 근육을 최대한 수축시켜 발생하는 근전도 신호의 최대치로서, 이를 100% 기준으로 하여 %MVC를 사용한다.
- 실시간으로 측정되는 각 채널의 %MVC와 MVC기준으로 설정된 역치를 비교하여 한 채널이라도 %MVC가 역치 값보다 클 경우 피험자의 자발적 의지가 있다고 판별하게 된다. 자발적 의지가 있다고 판단된 경우 두 채널의 %MVC의 크기를 비교하여 %MVC가 큰 채널에 해당하는 근육을 사용한 것으로 판별하여 동작 방향 의도를 결정하였다. 두 채널 모두 역치를 넘지 못할 경우 자발적 의지가 없다고 판별하게 된다.
- 제작된 로봇의 크기는 440 × 100 × 220 mm(길이, 폭, 높이)이고 피험자마다 다른 팔 길이를 고려해 고정 나사(fixing screw)를 이용하여 최대 470 mm까지 길이 조절이 가능하도록 하였다.
- 샘플링 주파수는 2 kHz로 설정하였고, 16 Hz 부터 511 Hz 까지를 통과대역으로 하는 대역통과 필터를 사용하였으며, 전원 노이즈 제거를 위해 60 Hz의 노치필터를 사용하였다. 측정 된 근전도 신호는 근전도 트리거 알고리즘을 적용하여 근전도 트리거 신호로 나타나고, 이 신호를 모터의 제어 신호로 사용하여 모터를 동작시킨다. 모터의 동작에 의해 피험자의 관절이 움직여짐으로써 회내/회외 운동을 수행 하게 되는 방식이다.
- 환자를 대상으로 한 추가적인 임상시험이 필요하다. 특히 %MVC의 역치로 사용한 30%는 본 실험에 참여한 정상인의 데이터를 기준으로 실험적으로 결정한 것이며, 환자의 증상과 중증도에 따라 조절할 수 있도록 프로그램화 하였다. 손목의 한 축을 대상으로 수행하는 운동에서는 높은 의도 반영률을 보였으나 복합적인 운동을 수행할 경우에는 다른 양상을 보일 수 있다.
- 피험자의 안전을 위해 디지털 서보용 프로그램(HPP-21 Plus, Hitec Co., Korea)을 이용하여 ETTS의 가동범위를 ± 80°로 설정하였고, 기구적으로는 ± 90° 지점에 안정장치를 부착하였다.
- 근전도 트리거에 의한 모터의 작동방식은 다음과 같다. 회내와 회외 동작의 주요 활성근인 원회내근과 팔이두근에서 측정되는 근전도로부터 자발적 의지와 동작 방향 의도를 분석한다. 근전도 신호의 측정을 위해 2500배 증폭한 신호를 사용하였다.
- 훈련모드는 피험자의 손목 운동 능력을 고려하여 총 네가지의 모드로 구성하였다. 수동적 관절 운동 모드(continues passive motion mode, CPM mode)는 피험자가 수의적 움직임이 가능하지 않을 경우 로봇에 의해 수동적 스트레칭을 수행하기 위한 훈련 모드이고,능동 모드(active mode)는 수의적 움직임은 가능하지만 손목의 근력이 부족한 피험자가 근력 강화 운동을 수행하기 위한 훈련 모드이다.
대상 데이터
- 회내와 회외 동작의 주요 활성근인 원회내근과 팔이두근에서 측정되는 근전도로부터 자발적 의지와 동작 방향 의도를 분석한다. 근전도 신호의 측정을 위해 2500배 증폭한 신호를 사용하였다. 샘플링 주파수는 2 kHz로 설정하였고, 16 Hz 부터 511 Hz 까지를 통과대역으로 하는 대역통과 필터를 사용하였으며, 전원 노이즈 제거를 위해 60 Hz의 노치필터를 사용하였다.
- 근전도 측정을 위해 손목의 회내의 주요근인 원회내근(pronator teres muscle)과 회외의 주요근인 팔이두근(biceps brachii muscle)에 전극을 부착 하였다[8]. 선정된 근육은 각 운동시 근육의 활성화 정도가 크고, 각 동작간 간섭이 적은 근육을 선정하였다. 정상인의 경우 회내/회외의 생물학적 관절가동범위는 ± 90°이고[10], 일상생활에서 주로 쓰이는 관절가동 범위는 ± 50°이다[11].
- 성능을 평가하기 위해 손목의 질환이 없는 정상인의 남자 3명 (평균 연령 29세, 평균 신장 172 ± 4 cm, 평균체중 57.7 ± 4.5 kg) 여자1명 (연령 23세, 신장 160 cm, 체중 47 kg)의 피험자가 참여하였다.
데이터처리
- LabVIEW에서 측정 된 데이터를 MATLAB(Mathwork Co., USA)을 이용하여 분석하였다. 그림5(e)에서 신호음의 시작과 첫번째 근전도 트리거 사이의 시간은 시작지연을 의미하고, 신호음의 끝과 마지막 근전도 트리거 사이의 시간은 종료 지연을 의미한다.
- , USA)를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 PC로 전달된다. 측정 된 근전도 신호를 모터의 제어 신호로 사용하기 위해 그래픽 기반의 프로그래밍 언어(LabVIEW, National Instruments Co., USA)를 이용하여 신호처리해주었다. 신호 처리 후 디지털 서보 모터(HS-7980TH, Hitec Co.
이론/모형
- 모터의 회전 위치 제어는 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 방식을 사용한다. 주기가 20 ms인 신호의 펄스 폭(pulse width: 0.
성능/효과
- 마지막으로 근전도 트리거 모드는 각 동작에 최대 근 수축을 측정할 수 있는 MVC측정모드와 재활 모드로 구성되어 있고, 근전도의 증폭률, 역치, 근전도 트리거 발생시 모터의 회전 각도(0.4° , 0.8°, 1.6°)를 설정할 수 있도록 구현되었다.
- 본 연구에서 개발된 ETTS를 정상인을 대상으로 실시한 성능평가를 통해 일상생활에서 잘 활용되지 않는 관절가동범위에서도 기능적으로 작동되는 것을 확인 하였다. 이를 실제 환자에게 적용하기 위해서는 환자를 대상으로 한 임상시험이 필요하며 임상시험 후에는 ETTS를 이용하여 환자가 물리적으로 제한된 관절가동범위를 가지더라도 관절가동범위 외에서도 자발적 훈련에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.
- 본 논문에서는 근전도 트리거 재활 훈련 시스템(ETTS)을 개발하고, 이를 네 명의 정상인을 대상으로 손목의 운동 기능인 회내와 회외 동작에 적용해 봄으로써 성능 평가를 하였다. 성능의 결과로 모든 피험자가 회내 동작 수행의 경우 ETTS는 100%의 동작의도를 반영하였고, 회외 동작은 97.51%에 대하여 정확히 동작을 반영하였다. 회외 동작 의도시 피험자 3,4는 총 회외 동작 수행 시간 중 5.
- 표 1은 4명의 피험자에게 5번의 회내/회외/중립 동작을 지시하였을 때, 각 동작의 지시 시간 동안 ETTS에 의해 판단된 동작 의도 판단 결과를 나타낸 것이다. 피험자들에게 회내동작을 지시한 총시간 220.15초 동안 ETTS는 100% 회내 동작의도를 반영하였고, 회외 동작을 지시한 총 222.65초 동안 97.51%인 217.1초 동안 회외 동작의도를 반영하였다.
- 각 피험자들은 손목의 회전 위치에 따라 자발적 의도가 없더라도 MVC의 3~5% 정도의 수준의 잡음을 보이고다. 피험자의 자발적 의도만을 판단하기 위한 기준 역치는 10%정도가 적당한 수준으로 보이나, 각 피험자에게 MVC의 10%, 30%, 50%를 역치로 적용하였을 때 30%의 역치 수준이 적절한 운동의 강도라고 응답하였다. 이를 통해 측정된 각 동작의 MVC의 30%를 ETTS의 기준 역치로 설정하였다.
후속연구
- 본 실험은 정상인으로만 이루어진 실험데이터와 손목의 회내/회외 동작에만 적용하였다는 한계를 갖고 있다. 환자의 경우 근전도의 발생 양상이 정상인과 많이 다를 수 있어 적용 가능한 환자가 제한적일 것이라 예상된다.
- ETTS는 부피나 제작 비용적인 측면으로 봤을 때 소형 훈련 로봇이다. 이러한 점을 미루어 볼 때 ETTS에 통신 기능을 추가한다면 통근 치료가 어려운 환자는 가정에서 재활 훈련을 실시 할 수 있을 것이다. 현재의 시스템에서는 간단한 애니매이션을 통해 시각적 피드백을 해주었지만 게임화를 통해 피드백 해준다면 보다 나은 치료 효과가 기대된다.
- 본 연구에서 개발된 ETTS를 정상인을 대상으로 실시한 성능평가를 통해 일상생활에서 잘 활용되지 않는 관절가동범위에서도 기능적으로 작동되는 것을 확인 하였다. 이를 실제 환자에게 적용하기 위해서는 환자를 대상으로 한 임상시험이 필요하며 임상시험 후에는 ETTS를 이용하여 환자가 물리적으로 제한된 관절가동범위를 가지더라도 관절가동범위 외에서도 자발적 훈련에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.
- 이를 통해 측정된 각 동작의 MVC의 30%를 ETTS의 기준 역치로 설정하였다. 추후 환자를 대상으로 임상시험을 진행하면 이 값은 다시 변경되어야 하며, 훈련 보조자가 이를 조절할 수 있는 기능을 프로그램하여 포함시켰다.
- 이러한 점을 미루어 볼 때 ETTS에 통신 기능을 추가한다면 통근 치료가 어려운 환자는 가정에서 재활 훈련을 실시 할 수 있을 것이다. 현재의 시스템에서는 간단한 애니매이션을 통해 시각적 피드백을 해주었지만 게임화를 통해 피드백 해준다면 보다 나은 치료 효과가 기대된다.
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