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.
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.
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...
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 fiber optic sensors (FOS). Generally, sensors for monitoring the condition of the human body are based on electro-magnetic devices. However, such an electrical system has several weaknesses, including the potential for electro-magnetic interference and distortion. Fiber Bragg grating (FBG) sensors overcome these weaknesses, along with simplifying the devices and increasing user convenience. To measure the level of muscle contraction and relaxation, which indicates the musle condition, a belt-shaped FBG sensor module that makes it possible to monitor the movement of muscles in the radial and circumferential directions was fabricated in this study. In addition, a uniaxial tensile test was carried out in order to evaluate the applicability of this FBG sensor module. Based on the experimental results, a relationship was observed between the tensile stress and Bragg wavelength of the FBG sensors, which revealed the possibility of fabricating a muscular condition monitoring system based on FBG sensors.
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 fiber optic sensors (FOS). Generally, sensors for monitoring the condition of the human body are based on electro-magnetic devices. However, such an electrical system has several weaknesses, including the potential for electro-magnetic interference and distortion. Fiber Bragg grating (FBG) sensors overcome these weaknesses, along with simplifying the devices and increasing user convenience. To measure the level of muscle contraction and relaxation, which indicates the musle condition, a belt-shaped FBG sensor module that makes it possible to monitor the movement of muscles in the radial and circumferential directions was fabricated in this study. In addition, a uniaxial tensile test was carried out in order to evaluate the applicability of this FBG sensor module. Based on the experimental results, a relationship was observed between the tensile stress and Bragg wavelength of the FBG sensors, which revealed the possibility of fabricating a muscular condition monitoring system based on FBG sensors.
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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.
제안 방법
이를 이용하여 실용화를 위한 전용 하드웨어 및 프로그램 개발을 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.
FBG 센서의 이론을 이용하여 원주 방향 변형에서의 브래그 파장과 축 방향 변형에서의 파장값은 변형률에 따라 결정되므로 실험의 정확도를 위해 단축 인장시험을 통해 센서 모듈의 적용성 평가를 수행하였다. 만능 재료시험기에서 밴드에 인가되는 균일한 인장 길이에 따른 변형률과 브래그 파장 값을 비교하여 FBG 센서 신호의 신뢰성을 평가하였다.
6은 검증시험을 위한 장치 구성도를 나타낸다. 만능 재료시험기(4467, Instron Co.)를 이용하여 밴드형 FBG 센서 모듈을 2 mm/min의 속도로 1 mm 스텝으로 인장시험을 수행하여 각각의 상황에서 FBG 센서 신호를 측정하였다. Fig.
FBG 센서의 이론을 이용하여 원주 방향 변형에서의 브래그 파장과 축 방향 변형에서의 파장값은 변형률에 따라 결정되므로 실험의 정확도를 위해 단축 인장시험을 통해 센서 모듈의 적용성 평가를 수행하였다. 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.
5 mm인 아크릴(acrylic) 평판을 벨트에 적층하였다. 아크릴 평판에 센서를 부착 ㄱ하기 위해 에폭시(84101 PermaPoxy, Permatex Co.)를 사용하여 전달 손실을 최소화 하였다.
이러한 원리를 이용하여 실험적 검증을 통해 센서 모듈의 적용성 평가를 수행하였다.
10과 같이 상용화되어 있는 FBG 광 인테로 게이터(FBG interrogator)를 활용하면 단일 컴퓨터의 프로그램으로 여러 지점의 물리량을 동시에 측정이 가능하다. 이를 이용하여 실용화를 위한 전용 하드웨어 및 프로그램 개발을 수행하였다. FBG 센서 모듈을 실제 인체에 착용하여 근육 모니터링뿐만 아니라 LabVIEW를 이용하여 재활 및 물리치료에 도움이 되는 오락 프로그램을 개발하였다.
인장시험은 밴드의 양쪽을 고정하여 순차적으로 하중을 가하여 실험을 수행하였고, 밴드의 변형률과 FBG 센서의 브래그 파장은 선형적인 경향으로 증가하여야 한다.
인체 근육의 상태를 감시하기 위해 착용감이 우수하고 근육의 수축과 이완 전달을 용이하게 하기 위해 Fig. 3과 같이 밴드 형식의 모듈을 제작하였다. 밴드에 FBG 센서가 부착되는 위치에는 평판을 부착하여 변형의 전달률과 센서의 안전성을 높였다.
밴드에 FBG 센서가 부착되는 위치에는 평판을 부착하여 변형의 전달률과 센서의 안전성을 높였다. 특히, FBG 센서의 특성상 곡률(curvature)이 커짐에 따라 브래그 파장 측정이 불안정하게 될 수 있어 아크릴 평판을 이용하여 근육의 이완에 대해 최소의 곡률이 형성되도록 설계하였다.
대상 데이터
)를 사용하였다. 그리고 센서의 민감도를 높이고 부착의 용이성을 위해 폭 40 mm, 길이 40 mm, 두께 1.5 mm인 아크릴(acrylic) 평판을 벨트에 적층하였다. 아크릴 평판에 센서를 부착 ㄱ하기 위해 에폭시(84101 PermaPoxy, Permatex Co.
5와 같이 구성하였다. 벨트로 된 밴드는 사용자가 착용하였을 경우 불편함을 줄이고, 근육의 팽창 및 수축에 대한 전달률을 높이기 위해 폭 50 mm, 길이 300 mm, 두께1 mm인 폴리에스터(polyyester) 재료를 사용하였다. 그리고, 재현성과 안정성을 높이는 부가 효과가 있다.
그리고, 재현성과 안정성을 높이는 부가 효과가 있다. 센서는 Table 1와 같은 광섬유 브래그 격자센서(FBGTECH Co.)를 사용하였다. 그리고 센서의 민감도를 높이고 부착의 용이성을 위해 폭 40 mm, 길이 40 mm, 두께 1.
인장시험을 위한 장치 구성으로는 FBG 센서에 광대역 파장의 광을 전송하는 광원(83437A, Agilent Co.)과 반사되는 브래그 파장 데이터를 출력하는 광 스펙트럼 분석기(MS9710C, Anritsu Co.)로 구성하였다. Fig.
성능/효과
결론적으로, 시험을 통해 밴드형 FBG 센서 모듈을 이용하여 밴드의 변형을 측정할 수 있어 근육 상태 감시 시스템의 가능성을 확인하였다.
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.
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. 그리고, 간소화된 시스템 구성으로 근육의 상태를 감시할 수 있어 의료 장치 개발에 대한 기초 자료가 될 것으로 사료된다.
12와 같이 사람이 착용하여 실제 재활 치료 시연을 보여준다. 시뮬레이션을 통해 실시간으로 근육 모니터링과 재활 치료까지 가능함을 확인하였다.
총 3회 반복에 의해 측정된 브래그 파장과 시험편의 변형률을 비교한 결과, 밴드의 초기 길이(300 mm) 대비 만능 재료시험기의 스트로크에 의한 연신율(elongation)이 약 0.33ε 증가함에 따라 브래그 파장은 0.003 nm 증가하여 Fig. 8과 같이 선형적으로 정비례함(R2=1.0)을 확인하였다.
후속연구
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. 그리고, 간소화된 시스템 구성으로 근육의 상태를 감시할 수 있어 의료 장치 개발에 대한 기초 자료가 될 것으로 사료된다.
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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