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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 IR센서 기반 보행보조기를 이용하여 보행 시 경사상태에 따라 슬관절 전방변위 측정과 하지의 근육활성도를 통해 보행의지 파악을 하고자 하였다.
- 본 연구는 IR센서 기반 보행보조기를 이용하여 보행 시 슬관절 전방변위 측정과 하지의 근육활성도를 통해 보행의지 파악을 하고자 하였다.
- 본 연구에서는 경사조건과 보행속도별 IR센서 값과 근육활성도 결과를 바탕으로 보행의지 파악에 대한 유효성을 검증하고자 하였다. 측정된 데이터들은 유의성 검증을 위해 SPSS 18.
- 본 연구에서는 보행보조기에 IR센서를 부착하여 슬관절 전방변위 측정과 근전도 측정을 통해 경사에 따른 보행의지 파악을 하고자 하였다.
제안 방법
- 전방변위의 경우 슬관절에 부착한 마크가 보행시 보행보조기 안으로 최대로 들어왔을 때 IR센서에 측정된 거리와 최대로 나갔을 때 측정되는 IR센서 거리 차를 보았다. IR센서 기반 보행보조기를 이용하여 보행 시 경사조건과 보행속도에 따른 결과와 생체신호를 비교 분석하기 위해 근육활성도를 평가하였다. 측정한 하지 근육은 대퇴이두근, 대퇴직근, 비복근, 전경골근이다.
- 보행자가 보행을 시작하면 보행자의 보행의지를 파악하기 위하여 사용자의 슬관절 전방변위(보행 시 무릎의 전진과 후진할 때 IR센서에 찍히는 피크 점의 차이 값)의 데이터를 저장 후 분석을 통해 보행의지를 파악할 수 있는 시스템을 설계하였다. IR센서 데이터는 보행 시 1분간 측정하였다.
- 그림 2는 보행의지 파악 알고리즘 흐름도를 나타내었다. IR센서를 통해 얻은 슬관절 전방변위 값과 근육 활성도 값을 분석하여 보행 속도와 경사상태에 따라 보행의지 파악을 할 수 있도록 하였다. 실험은 그림 3과 같이 매주 30분씩 총 3주간 진행하였고 피험자 간의 상이한 자세로 인한 오차를 없애기 위하여 일정한 자세를 유지하도록 하였다.
- 트레드밀을 이용하여 경사(전방, 후방)를 조절하였다. 경사는 전방경사, 후방경사, 비 경사로 구분하였으며 전∙후방 경사 10도 비 경사 0도로 설정하였다. 보행속도는 1km/h, 2km/h, 3km/h로 설정하였다.
- 그림 1과 같이 IR센서를 이용하여 슬관절 전방변위 및 근육활성도를 측정 하였으며 경사조건과 보행속도를 제어하기 위해 트레드밀(gait trainer, Biodex ltd., USA)에서 진행하였다. 트레드밀을 이용하여 경사(전방, 후방)를 조절하였다.
- 능동형 보행보조기의 테이블 중심부에 한 개의 IR센서(GP2Y0A02YK0F, SHARP Co., Japan)를 장착하여 슬관절의 전방변위를 측정할 수 있도록 하였다. 본 실험에 사용한 IR센서는 적외선 거리측정 센서로 20-150cm 거리측정이 가능하며 센서의 크기는 가로 29.
- 보행 보조기의 테이블 중심부에 부착한 IR센서를 이용하여 슬관절 전방변위를 측정하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다. 그림 4는 경사방향을 기준으로 보행 속도별 슬관절의 전방변위 결과를 나타낸 것이다.
- , USA) 시스템을 사용하여 소프트웨어를 설계하였다. 보행자가 보행을 시작하면 보행자의 보행의지를 파악하기 위하여 사용자의 슬관절 전방변위(보행 시 무릎의 전진과 후진할 때 IR센서에 찍히는 피크 점의 차이 값)의 데이터를 저장 후 분석을 통해 보행의지를 파악할 수 있는 시스템을 설계하였다. IR센서 데이터는 보행 시 1분간 측정하였다.
- 슬관절의 전방변위 측정을 위하여 양 무릎에 마커를 부착 후 IR센서 측정을 위한 베이스라인을 설정하였다. 실시간 데이터 전송을 위하여 보행보조기의 트레이 아래쪽에 DAQ보드(USB-6009, National Instruments Co.
- 슬관절의 전방변위 측정을 위하여 양 무릎에 마커를 부착 후 IR센서 측정을 위한 베이스라인을 설정하였다. 실시간 데이터 전송을 위하여 보행보조기의 트레이 아래쪽에 DAQ보드(USB-6009, National Instruments Co., USA)를 장착하여 컴퓨터와 연결할 수 있도록 하였다.
- IR센서를 통해 얻은 슬관절 전방변위 값과 근육 활성도 값을 분석하여 보행 속도와 경사상태에 따라 보행의지 파악을 할 수 있도록 하였다. 실험은 그림 3과 같이 매주 30분씩 총 3주간 진행하였고 피험자 간의 상이한 자세로 인한 오차를 없애기 위하여 일정한 자세를 유지하도록 하였다. 또한 실험 전 모든 피험자들에게 실험의 목적과 방법을 충분히 인지할 수 있도록 설명하였다.
- 전방변위의 경우 슬관절에 부착한 마크가 보행시 보행보조기 안으로 최대로 들어왔을 때 IR센서에 측정된 거리와 최대로 나갔을 때 측정되는 IR센서 거리 차를 보았다. IR센서 기반 보행보조기를 이용하여 보행 시 경사조건과 보행속도에 따른 결과와 생체신호를 비교 분석하기 위해 근육활성도를 평가하였다.
- , USA)에서 진행하였다. 트레드밀을 이용하여 경사(전방, 후방)를 조절하였다. 경사는 전방경사, 후방경사, 비 경사로 구분하였으며 전∙후방 경사 10도 비 경사 0도로 설정하였다.
대상 데이터
- , Japan)를 장착하여 슬관절의 전방변위를 측정할 수 있도록 하였다. 본 실험에 사용한 IR센서는 적외선 거리측정 센서로 20-150cm 거리측정이 가능하며 센서의 크기는 가로 29.5mm 세로 13mm 높이 21.6mm 이고 동작전압의 경우 아날로그 출력으로 4.5-5.5V이다.
- 본 연구에서는 20대 성인남성을 대상으로 최근 6개월 이내에 운동 상해에 대한 병력이 없고 최근 3개월 이내에 운동 경험이 없는 20대 성인 8명을 본 연구의 피험자로 설정하였다. 표 1은 실험에 참가한 8명 피험자의 신체적 특징을 나타내고 있다.
- IR센서 기반 보행보조기를 이용하여 보행 시 경사조건과 보행속도에 따른 결과와 생체신호를 비교 분석하기 위해 근육활성도를 평가하였다. 측정한 하지 근육은 대퇴이두근, 대퇴직근, 비복근, 전경골근이다. 동작에 따른 노이즈를 제거하기 위해 25-450Hz로 대역폭 필터를 사용하였다.
데이터처리
- 0 kor을 사용하여 IR센서 값과 근육활성도 데이터들을 분석하였다. 경사조건과 보행속도별 IR센서 값과 근육활성도 값에 대한 평균과 표준편차를 산출하였다. 또한 두 요인들에 대한 상호작용의 유무를 알아보기 위해 이원 분산분석을 실시하였고 자료 분석의 통계적 유의수준은 p<0.
- 또한 두 요인들에 대한 상호작용의 유무를 알아보기 위해 이원 분산분석을 실시하였고 자료 분석의 통계적 유의수준은 p<0.05이다.
- 본 연구에서는 경사조건과 보행속도별 IR센서 값과 근육활성도 결과를 바탕으로 보행의지 파악에 대한 유효성을 검증하고자 하였다. 측정된 데이터들은 유의성 검증을 위해 SPSS 18.0 kor을 사용하여 IR센서 값과 근육활성도 데이터들을 분석하였다. 경사조건과 보행속도별 IR센서 값과 근육활성도 값에 대한 평균과 표준편차를 산출하였다.
이론/모형
- 보행의지 파악을 위해 NI Labview 2011(National Instruments Co., USA) 시스템을 사용하여 소프트웨어를 설계하였다. 보행자가 보행을 시작하면 보행자의 보행의지를 파악하기 위하여 사용자의 슬관절 전방변위(보행 시 무릎의 전진과 후진할 때 IR센서에 찍히는 피크 점의 차이 값)의 데이터를 저장 후 분석을 통해 보행의지를 파악할 수 있는 시스템을 설계하였다.
성능/효과
- 경사 보행 시 IR센서를 통한 슬관절 전방변위 결과, 전방경사와 후방경사 시 속도에 따라 더 크게 증가되었고 또한 근육생리신호 결과도 이와 유사하게 유의한 결과를 보였다. 이는 기존 FSR센서를 이용하여 사용자의 보행 속도 및 보행 방향을 파악하고 이를 퍼지 알고리즘을 이용하여 사용자의 보행의도를 파악한 보행보조기[17]와 가변저항형 핸들바 및 힘 센서를 이용한 핸들바와 스트레치센서 모듈을 이용한 보행보조기[18] 보다 슬관절 전방변위 측정이 사용자의 보행의지 파악에 더 효율적이라는 결과를 나타내는 것이다.
- 경사별, 속도별 전경골근 이동거리 결과 전방경사시 3km/h 보행에서 39.9±0.9cm로 가장 크게 나타났으며 유의한 결과를 보였다. 전방경사 시 보행 속도 증가에 따라 근육활성도는 9% 정도 증가하는 경향을 보였고 경사에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가 하는 근육 활성도를 보였다.
- 경사별, 속도별 전경골근 이동거리 결과 전방경사시 3km/h 보행에서 39.9±0.9cm로 가장 크게 나타났으며 유의한 결과를 보였다. 전방경사 시 보행 속도 증가에 따라 근육활성도는 9% 정도 증가하는 경향을 보였고 경사에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가 하는 근육 활성도를 보였다.
- 전방경사 시 보행 속도 증가에 따라 근육활성도는 9% 정도 증가하는 경향을 보였다. 경사에 각도에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가하는 근육 활성도를 보였다. 후방경사 시 속도가 빠를수록 하지의 근육활성도 수준이 전체적으로 유의하게 증가하는 경향을 보이고 있으며 경사각도가 오를수록 하퇴부 근육이 대퇴부 보다 더 많은 근육활성이 보였다.
- 9cm로 가장 크게 나타났으며 유의한 결과를 보였다. 전방경사 시 보행 속도 증가에 따라 근육활성도는 9% 정도 증가하는 경향을 보였고 경사에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가 하는 근육 활성도를 보였다. 후방경사 시 속도가 빠를수록 하지의 근육활성도 수준이 전체적으로 유의하게 증가하는 경향을 보이고 있으며 경사각도가 오를수록 하퇴부 근육이 대퇴부 보다 더 많은 근육 활성을 보였다.
- 그림 9와 그림 10은 3km/h 보행 시 근육활성도 결과 이다. 전방경사 시 보행 속도 증가에 따라 근육활성도는 9% 정도 증가하는 경향을 보였다. 경사에 각도에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가하는 근육 활성도를 보였다.
- 이러한 결과는 근육활성도 결과에서도 유사하게 나타났다. 전방경사 시 보행 속도가 증가할수록 대퇴부 근육이 많이 활성화 되는 것을 보았다. 후방경사 시 근육활성도를 보면 속도에 따라서 하퇴부의 근육이 많이 활성 되는 것을 볼 수 있었다.
- 그림 7과 그림 8은 2km/h 보행 시 근육 활성도 결과를 나타낸 것 이다. 전방경사 시 하퇴부의 근육 활성 수준은 약 5% 이내로 유사한 경향을 보이고 대퇴부의 경우 22% 증가하는 근육 활성을 보였다. 후방경사 시 대퇴부 근육활성도는 전방경사 시 보다 15% 낮은 경향을 보였지만 하퇴부의 경우 전방 경사와 달리 하퇴부의 근육활성에 의존하는 유의한 결과를 보였다.
- 전방경사 시 하퇴부의 근육 활성 수준은 약 5% 이내로 유사한 경향을 보이고 대퇴부의 경우 22% 증가하는 근육 활성을 보였다. 후방경사 시 대퇴부 근육활성도는 전방경사 시 보다 15% 낮은 경향을 보였지만 하퇴부의 경우 전방 경사와 달리 하퇴부의 근육활성에 의존하는 유의한 결과를 보였다.
- 전방경사 시 보행 속도 증가에 따라 근육활성도는 9% 정도 증가하는 경향을 보였고 경사에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가 하는 근육 활성도를 보였다. 후방경사 시 속도가 빠를수록 하지의 근육활성도 수준이 전체적으로 유의하게 증가하는 경향을 보이고 있으며 경사각도가 오를수록 하퇴부 근육이 대퇴부 보다 더 많은 근육 활성을 보였다. 이는 경사보행 시 슬관절 변위 정도에 따른 보행의지 파악 위한 인체생리신호를 뒷받침하는 결과라고 사료된다.
- 경사에 각도에 따라 하퇴부의 근육활성은 3% 이내로 유사하지만 대퇴부의 경우 17% 유의하게 증가하는 근육 활성도를 보였다. 후방경사 시 속도가 빠를수록 하지의 근육활성도 수준이 전체적으로 유의하게 증가하는 경향을 보이고 있으며 경사각도가 오를수록 하퇴부 근육이 대퇴부 보다 더 많은 근육활성이 보였다. 대퇴부 근육보다 하퇴부의 근육을 더 많이 활성화 시켜 감속과 보행균형을 유지하는 경향을 보인다.
후속연구
- 이는 경사보행 시 슬관절 변위 정도에 따른 보행의지 파악 위한 인체생리신호를 뒷받침하는 결과라고 사료된다. 향후 슬관절의 경우 사용자에 따라 높이가 다르기 때문에 IR센서를 이용한 슬관절 측정이 유동적으로 가능 하도록 하는 시스템을 구축에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다.
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