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광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 근육 상태 감시 시스템
Muscular Condition Monitoring System Using Fiber Bragg Grating Sensors 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.34 no.5, 2014년, pp.362 - 368  

김헌영 (서울과학기술대학원 기계공학과) ,  이진혁 (서울과 학기술대학교 에너지환경대학원) ,  김대현 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
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광섬유센서는 전자파 무간섭, 부식 방지, 다중화 등의 장점들을 갖고 있어 다양한 상태 감시 시스템을 위한 연구에 많이 활용되고 있다. 본 논문에서는 광섬유센서 기반의 인체 근육 상태 감시 시스템을 제안한다. 상용화되어 있는 인체 상태 감시 센서는 전자기 기반의 센서가 대부분이다. 이는 전자기 간섭 및 왜곡의 우려가 있어, 이를 보완하고 장치의 간소화 및 사용자 편의성을 위해 광섬유 브래그 격자센서를 사용하였다. 근육 상태의 지표가 되는 근육 수축 및 이완을 측정하기 위해 원주방향으로의 운동 감시가 가능한 밴드형태의 광섬유 브래그 격자센서 모듈을 제작하였다. 그리고 광섬유 브래그 격자센서 모듈의 적용성 평가를 위해 단축 인장시험을 수행하였다. 실험 결과 인장 크기에 따른 브래그 파장 변화가 상호 연관성을 보였으며, 이를 통해 브래그 격자센서 기반의 근육 상태 감시 시스템 개발의 가능성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Fiber optic sensors (FOS) have advantages such as electromagnetic interference (EMI) immunity, corrosion resistance and multiplexing capability. For these reasons, they are widely used in various condition monitoring systems (CMS). This study investigated a muscular condition monitoring system using...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 만능 재료시험기에서 밴드에 인가되는 균일한 인장 길이에 따른 변형률과 브래그 파장 값을 비교하여 FBG 센서 신호의 신뢰성을 평가하였다. 그리고, 향후 실용화를 위한 목적으로 전용 프로그램 개발을 병행하여 진행하였다.
  • 따라서, 본 연구에서는 이러한 여러 장점을 가진 FBG 센서를 이용하여 인체 상태 감시를 위한 센서 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 근육의 수축과 이완에 따른 동적 감시를 통해 환자의 재활 치료 및 근육 활성 정도를 파악하기 위한 기초 연구이다.
  • 따라서, 본 연구에서는 이러한 여러 장점을 가진 FBG 센서를 이용하여 인체 상태 감시를 위한 센서 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 근육의 수축과 이완에 따른 동적 감시를 통해 환자의 재활 치료 및 근육 활성 정도를 파악하기 위한 기초 연구이다.
  • 반면, 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하고 시스템의 간소화의 위해 FBG 센서를 이용한 새로운 인체 감시 방법을 개발하였다. 구체적으로, 근육의 수축과 이완을 감지하여 인체운동 상황을 실시간으로 감시가 가능함을 실험적으로 확인하였고, 상용화 제품 개발 가능성에 대한 평가를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 다중화가 가능한 센서를 이용하여 근육 상태 감시하는 기법에 대해 제안하였다. 특히, 변형률 측정이 용이한 FBG 센서를 적용하여 신체 여러 부위의 근육을 모니터링하는 것으로, 의료용 센서 시스템 개발의 가능성을 확인하는 연구를 수행하였다.
  • FBG 센서 모듈을 실제 인체에 착용하여 근육 모니터링뿐만 아니라 LabVIEW를 이용하여 재활 및 물리치료에 도움이 되는 오락 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램은 사용자가 FBG 센서 모듈을 착용하고, 소프트웨어에서의 그림이 일정 위치에 내려오면 근육을 이완시켜 센서의 신호 변화를 통해 점수를 쌓아가는 원리이다. 그리고, 사용자의 근육 팽창이 커짐에 따라 난이도를 조절하는 부가 기능을 가지고 있다.
  • 본 연구에서는 다중화가 가능한 센서를 이용하여 근육 상태 감시하는 기법에 대해 제안하였다. 특히, 변형률 측정이 용이한 FBG 센서를 적용하여 신체 여러 부위의 근육을 모니터링하는 것으로, 의료용 센서 시스템 개발의 가능성을 확인하는 연구를 수행하였다. 수행 결과, 근육의 수축과 이완에 대해 신호 민감도가 우수하였고, 신호 처리 및 오락 프로그램을 개발하여 재활 및 물리치료 시뮬레이션을 통해 환자들의 의료 보조장치 적용이 가능함을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광섬유 브래그 격자 센서는 타 센서에 비해 어떠한 장점을 가지고 있는가? 특히, 광섬유센서 중 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG) 센서는 타 센서에 비해 다중 화(multiplexing)가 용이해 여러 지점의 다양한 물리량 측정을 보다 쉽게 할 수 있다. 그 이유로, FBG 센서를 이용한 열 특성 연구, 구조물 감시기법 연구 등 다양한 연구가 진행 중이다[12-14].
전자기 기반의 인체 상태 감시 센서에서 우려되는 사항은 무엇인가? 상용화되어 있는 인체 상태 감시 센서는 전자기 기반의 센서가 대부분이다. 이는 전자기 간섭 및 왜곡의 우려가 있어, 이를 보완하고 장치의 간소화 및 사용자 편의성을 위해 광섬유 브래그 격자센서를 사용하였다. 근육 상태의 지표가 되는 근육 수축 및 이완을 측정하기 위해 원주방향으로의 운동 감시가 가능한 밴드형태의 광섬유 브래그 격자센서 모듈을 제작하였다.
광섬유센서는 어떠한 장점들 떄문에 다양한 상태 감시 시스템을 위한 연구에 많이 활용되고 있는가? 광섬유센서는 전자파 무간섭, 부식 방지, 다중화 등의 장점들을 갖고 있어 다양한 상태 감시 시스템을 위한 연구에 많이 활용되고 있다. 본 논문에서는 광섬유센서 기반의 인체 근육 상태 감시 시스템을 제안한다.
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참고문헌 (17)

  1. V. Giurgiutiu, A. Zagrai and J. J. Bao, "Piezoelectric wafer embedded active sensors for aging aircraft structural health monitoring," Structural Health Monitoring, Vol. 1, No. 1, pp. 41-61 (2002) 

  2. W. Chung and D. Kang, "Full-scale test of a concrete box girder using FBG sensing system," Engineering Structures, Vol. 30, No. 3, pp. 643-652 (2008) 

  3. D. Kang and W. Chung, "Integrated monitoring scheme for a maglev guideway using multiplexed FBG sensor arrays," NDT&E International, Vol. 42, No. 4, pp. 260-266 (2009) 

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  5. B. Yoo, A. S. Purekar, Y. Zhang and D. J. Pines, "Piezoelectric-paint-based two-dimensional phased sensor arrays for structural health monitoring of thin panels," Smart Materials and Structures, Vol. 19, No. 7 (2010) 

  6. S. Kavithaa, R. J. Daniela and K. Sumangalab, "A simple analytical design approach based on computer aided analysis of bulk micromachined piezoresistive MEMS accelerometer for concrete SHM applications," Measurement, Vol. 46, No. 9, pp. 3372-3388 (2013) 

  7. V. Mishra, N. Singh, U. Tiwari and P. Kapur, "Fiber grating sensors in medicine: Current and emerging applications," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 167, No. 2, pp. 279-290 (2011) 

  8. D. H. Kim and M. Q. Feng, "Real-time structural health monitoring using a novel fiber-optic accelerometer system," IEEE Sensors Journal, Vol. 7, No 4, pp. 536-543 (2007) 

  9. R. C. Tennyson, A. A. Mufti, S. Rizkalla, G. Tadros and B. Benmokrane, "Structural health monitoring of innovative bridges in Canada with fiber optic sensors," Smart Materials and Structures, Vol. 10, No. 3, pp. 560-573 (2001) 

  10. Y. J. Rao, D. J. Webb, D. A. Jackson, L. Zhang, and I. Bennion, "In-fiber Bragg-grating temperature sensor system for medical applications," Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 5, pp. 779-785 (1997) 

  11. A. Grillet, D. Kinet, J. Witt, M. Schukar, K. Krebber, F. Pirotte, and A. Depre, "Optical fiber sensors embedded into medical textiles for healthcare monitoring," IEEE Sensors Journal, Vol. 8, No. 7, pp. 1215-1222 (2008) 

  12. T. H. T. Chan, L. Yu, H. Y. Tamb, Y. Q. Ni, S. Y. Liu, W. H. Chung and L. K. Cheng, "Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge: Background and experimental observation," Engineering Sructures, Vol. 28, No. 5, pp. 648-659 (2006) 

  13. K. H. Lee and D. H. Kim. "Shape monitoring of composite cantilever beam by using fiber Bragg grating sensors," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 7, pp. 833-839 (2013) 

  14. H. Y. Kim, D. Kang, J. H. Lee and D. H. Kim, "Characteristics of thermal coefficient of fiber Bragg grating for temperature measurement," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 8, pp. 999-1005 (2013) 

  15. P. Moyoa, J. M. W. Brownjohnb, R. Sureshc and S. C. Tjinc, "Development of fiber Bragg grating sensors for monitoring civil infrastructure," Engineering Structures, Vol. 27, No. 12, pp. 1828-1834 (2005) 

  16. A. Fender, E. J. Rigg, R. R. J. Maier, W. N. MacPherson, J. S. Barton, A. J. Moore, J. D. C. Jones, D. Zhao, L. Zhang, I. Bennion, S. McCulloch and B. J. S. Jones, "Dynamic twoaxis curvature measurement using multicore fiber Bragg gratings interrogated by arrayed waveguide gratings," Applied Optics, Vol. 45, No. 36, pp. 9041-9048 (2006) 

  17. E. Udd, "Fiber Optic Smart Structures," John Wiley and Sons, New York, pp. 271-285 (1995) 

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