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문제 정의
- 본 연구에서는 마비된 관절에 움직임을 만들어 내어 재활 훈련을 하도록 하기 위한 방식으로 가장 간단한 형태의 에어셀을 제작하여 손목의 굴곡, 신전 운동에 적용하는 손목 재활훈련 장치를 개발하였다. 실제로 환자 재활훈련에 적용하기 위해서는 앞아서 언급한 부분의 개선이 필요하다.
제안 방법
- 4. Scatter plot with regression line of the regression analysis of wrist bending angle against the sensor output.
- 에어셀은 폴리염화비닐(PVC)을 사용하여 사다리꼴 모양으로 손의 위와 아래에 대칭적으로 배치하였다(그림 1). 기구부의 위와 아래에 공간을 두어 에어셀 내 공기압을 측정하기 위한 공기압 센서(33A-015G-2210, 나도센텍, 한국)와 에어셀에 공기를 넣고 빼기 위한 공기압 밸브, 장치의 구동에 필요한 전자회로 및 공기배관을 설치하였다. 에어셀이 접히는 각도를 측정하기 위해 휨 센서(SEN-08606, Spectra symbol, 미국)를 에어셀에 부착하였다.
- 그림 4는 휨센서의 출력과 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도 간 산점도와 회귀선과 함께 회귀식, 결정계수를 나타내고 있다. 따라서 아래의 에어셀에 부착된 휨 센서의 출력을 회귀식에 적용하여 손목 구부림 각도를 측정하였다(Eq. (2)).
- 두 번째 그룹(홀수 번째 피험자)의 측정된 데이터는 장치로부터 측정된 손목 구부림 각도와 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도를 비교하여 장치의 성능을 평가하는 분석에 사용되었다. 분석에서는 회귀분석(regression analysis)의 결과에서 높은 결정계수를 보이는 회귀식과 해당 휨 센서의 출력을 사용하여 손목 구부림 각도를 측정하였다. 측정한 각도와 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도를 비교하여 차이(Root Mean Square Error, RMSE)를 계산하였다.
- 피험자가 재활훈련을 하는 동안 실험 진행자는 설치된 카메라를 사용하여 에어셀과 피험자의 손목이 나타나는 사진과 휨 센서의 출력을 동시에 수집하였다(그림 2). 사진으로부터 손목 구부림 각도를 구하기 위해 아래의 에어셀에 부착되어 있는 나무 판과 기구부의 팔 받침대가 이루는 각도를 PC 프로그램(Free Screenshot Capture, iWesoft, 미국)을 이용하여 구하였다.
- 자동 모드에서는 밸브의 개폐를 버튼이 아닌 센서의 출력을 기준으로 각도를 측정하여 미리 설정된 각도 범위에서 굴곡과 신전을 반복한다. 손목 재활훈련에 적용을 위하여 반복 횟수를 직접 입력 할 수 있도록 하였다.
- 수동 모드와 자동 모드를 구현하였다. 수동 모드에서는 밸브의 개폐를 모니터에 표시된 제어화면의 각각의 버튼으로 조절한다.
- 기구부는 사용자가 앉은 자세로 팔을 받침대에 올려놓고 손을 에어셀 사이에 넣을 수 있는 구조로 제작되었다(그림 2). 시제품의 주요 프레임(frame)은 나무로 제작하였고 한쪽 면은 손목 재활 과정을 보기 위해 투명한 아크릴로 제작하였다. 에어셀은 폴리염화비닐(PVC)을 사용하여 사다리꼴 모양으로 손의 위와 아래에 대칭적으로 배치하였다(그림 1).
- 피험자들에게 연구목적과 실험방법과 순서에 대해 설명을 하고 피험자의 손을 에어셀 사이에 넣도록 한 후, 피험자의 팔을 기구부의 팔 받침대에 고정시켰다. 실험 진행자는 자동모드를 선택하고 훈련의 반복 횟수를 2회로 입력하여 장치를 동작 시켰다. 피험자가 재활훈련을 하는 동안 실험 진행자는 설치된 카메라를 사용하여 에어셀과 피험자의 손목이 나타나는 사진과 휨 센서의 출력을 동시에 수집하였다(그림 2).
- 이를 위해 본 연구에서는 공압과 에어셀을 이용하여 환자의 손목 관절을 대상으로 재활훈련을 하는 장치를 제안한다. 위와 아래의 에어셀에 공기를 넣고 뺌을 조절하여 손목의 굴곡과 신전 운동을 일으키는 구동방식을 구현하고 손목의 굴곡과 신전 각도를 측정하는 시스템을 소개한다.
- 최근 자바라식 에어셀을 이용한 방식이 일부 소개되었으나[16] 초기 분야라 할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 공압과 에어셀을 이용하여 환자의 손목 관절을 대상으로 재활훈련을 하는 장치를 제안한다. 위와 아래의 에어셀에 공기를 넣고 뺌을 조절하여 손목의 굴곡과 신전 운동을 일으키는 구동방식을 구현하고 손목의 굴곡과 신전 각도를 측정하는 시스템을 소개한다.
- 제작된 장치를 이용하여 반복적인 테스트를 통해 사용자에게 손목 재활훈련을 제공할 수 있음을 확인하였다. 측정 된 손목 구부림 각도는 모니터의 제어 및 상태 표시화면에 실시간으로 나타났으며, 손목의 운동 방향을 바꾸기 위한 기준으로 설정한 손목 구부림 각도의 범위에서 손목 운동이 이루어졌다.
- 실험 진행자는 자동모드를 선택하고 훈련의 반복 횟수를 2회로 입력하여 장치를 동작 시켰다. 피험자가 재활훈련을 하는 동안 실험 진행자는 설치된 카메라를 사용하여 에어셀과 피험자의 손목이 나타나는 사진과 휨 센서의 출력을 동시에 수집하였다(그림 2). 사진으로부터 손목 구부림 각도를 구하기 위해 아래의 에어셀에 부착되어 있는 나무 판과 기구부의 팔 받침대가 이루는 각도를 PC 프로그램(Free Screenshot Capture, iWesoft, 미국)을 이용하여 구하였다.
- 피험자들을 두 그룹으로 나누어 분석하였다. 첫 번째 그룹(짝수 번째 피험자)에서 측정한 데이터는 휨 센서의 출력을 이용하여 손목 구부림 각도를 측정하기 위한 회귀식(regression equation)을 산출하는데에 사용하였다.
- 휨 센서의 출력을 사용하여 손목 구부림 각도를 측정하기 위한 회귀식을 구하고 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도와 비교하여 장치의 성능을 평가하였다. 피험자 남자 11명(연령 23.
- 센서의 출력은 신뢰성 있는 신호와 측정이 가능하여 밸브의 개폐를 조절하기 위한 신호로 사용하였다. 휨센서의 출력을 사용하여 손목 구부림 각도를 모니터 화면에 표시하고 밸브의 개폐를 조절함으로써 손목 운동을 제어하는 시스템을 구현하였다. 각도를 측정하기 위한 센서의 샘플링 주파수는 10Hz로 0.
대상 데이터
- 두 번째 그룹(홀수 번째 피험자)의 측정된 데이터는 장치로부터 측정된 손목 구부림 각도와 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도를 비교하여 장치의 성능을 평가하는 분석에 사용되었다. 분석에서는 회귀분석(regression analysis)의 결과에서 높은 결정계수를 보이는 회귀식과 해당 휨 센서의 출력을 사용하여 손목 구부림 각도를 측정하였다.
- 휨센서는 에어셀이 접히는 각도에 따라 비례/반비례하는 전압을 출력한다. 센서의 출력은 신뢰성 있는 신호와 측정이 가능하여 밸브의 개폐를 조절하기 위한 신호로 사용하였다. 휨센서의 출력을 사용하여 손목 구부림 각도를 모니터 화면에 표시하고 밸브의 개폐를 조절함으로써 손목 운동을 제어하는 시스템을 구현하였다.
- 시스템은 기구부, 입출력 인터페이스 장치(DAQ), PC와 모니터, 공기 압축기(air compressor), 전원공급장치(power supply)로 구성되어 있다.
- 피험자 남자 11명(연령 23.9 ± 2.1세, 손 길이 17.4 ± 2.1 cm, 손 두께 3.7 ± 0.4 cm), 여자 5명(연령 23.0 ± 1.6세, 손 길이 16.7 ± 0.5 cm, 손 두께 3.2 ± 0.1 cm) 총 16명이 실험에 참가하였다.
데이터처리
- 위와 아래의 에어셀에 부착된 각각의 휨 센서의 출력과 사진으로 구한 손목 구부림 각도(reference) 간 회귀분석을 하였다. 그 결과로 결정계수(coefficient of determination, R2)와 회귀식을 구하였다. 회귀분석을 하기 위해 통계 프로그램 SPSS(PASW Statistics 18, SPSS Inc, 미국)을 사용하였다.
- 첫 번째 그룹(짝수 번째 피험자)에서 측정한 데이터는 휨 센서의 출력을 이용하여 손목 구부림 각도를 측정하기 위한 회귀식(regression equation)을 산출하는데에 사용하였다. 위와 아래의 에어셀에 부착된 각각의 휨 센서의 출력과 사진으로 구한 손목 구부림 각도(reference) 간 회귀분석을 하였다. 그 결과로 결정계수(coefficient of determination, R2)와 회귀식을 구하였다.
- 피험자들을 두 그룹으로 나누어 분석하였다. 첫 번째 그룹(짝수 번째 피험자)에서 측정한 데이터는 휨 센서의 출력을 이용하여 손목 구부림 각도를 측정하기 위한 회귀식(regression equation)을 산출하는데에 사용하였다. 위와 아래의 에어셀에 부착된 각각의 휨 센서의 출력과 사진으로 구한 손목 구부림 각도(reference) 간 회귀분석을 하였다.
- 분석에서는 회귀분석(regression analysis)의 결과에서 높은 결정계수를 보이는 회귀식과 해당 휨 센서의 출력을 사용하여 손목 구부림 각도를 측정하였다. 측정한 각도와 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도를 비교하여 차이(Root Mean Square Error, RMSE)를 계산하였다. Equation(1)은 두 각도를 비교하여 차이를 구하는데 사용 되었다.
- 그 결과로 결정계수(coefficient of determination, R2)와 회귀식을 구하였다. 회귀분석을 하기 위해 통계 프로그램 SPSS(PASW Statistics 18, SPSS Inc, 미국)을 사용하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 제작한 손목 재활훈련장치에서는 두 개의 에어셀과 공압을 이용하여 반복적인 손목의 굴곡과 신전 운동이 가능함을 확인하였다. 휨 센서를 사용하여 재활훈련을 하는 동안 모니터에 손목 구부림 각도를 나타낼 수 있으며, 손목의 굴곡, 신전 운동이 자동으로 조절이 되고 훈련의 반복 횟수도 입력할 수 있었다.
- 재활훈련기기는 운동 기능 장애를 가진 환자를 대상으로 하기 때문에 위험을 최소화하고 방지할 수 있는 기능이 있어야 한다. 본 연구에서 제작한 장치는 유연한 재질의 에어셀이 손을 밀어주는 형식이므로 에어셀 모양 이상으로의 변형이 일어날 확률이 낮아 전동기를 사용하는 방식보다 안전에 대한 장점이 있을 것으로 생각된다. 화면에 비상 버튼을 구현해 놓았으나 있을지 모르는 비상 상황에 대비하기 위하여 물리적인 비상 버튼이 추가될 필요가 있다[17].
- 본 장치는 최대 7 bar까지 작동할 수 있도록 설계되었으나, 일반인의 경우 약 1 bar에서 작동함을 확인하였다. 손목에 구축이 발생한 환자를 대상으로 평가해 보지는 못하였으나 손목에 구축이 발생한 경우라도 공기압축기에서 제공하는 공압으로 재활 훈련이 가능할 것으로 생각된다.
- 장치로부터 측정된 손목 구부림 각도와 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도를 비교하는 분석을 한 결과 차이는 3.2 ± 3.2o를 보였다.
- 제작된 장치를 이용하여 반복적인 테스트를 통해 사용자에게 손목 재활훈련을 제공할 수 있음을 확인하였다. 측정 된 손목 구부림 각도는 모니터의 제어 및 상태 표시화면에 실시간으로 나타났으며, 손목의 운동 방향을 바꾸기 위한 기준으로 설정한 손목 구부림 각도의 범위에서 손목 운동이 이루어졌다.
- 회귀분석을 한 결과 아래의 에어셀에 부착된 휨 센서의 출력과 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도 간 결정계수가 높았다. 그림 4는 휨센서의 출력과 사진으로부터 구한 손목 구부림 각도 간 산점도와 회귀선과 함께 회귀식, 결정계수를 나타내고 있다.
- 본 연구에서 제작한 손목 재활훈련장치에서는 두 개의 에어셀과 공압을 이용하여 반복적인 손목의 굴곡과 신전 운동이 가능함을 확인하였다. 휨 센서를 사용하여 재활훈련을 하는 동안 모니터에 손목 구부림 각도를 나타낼 수 있으며, 손목의 굴곡, 신전 운동이 자동으로 조절이 되고 훈련의 반복 횟수도 입력할 수 있었다. 제작된 장치를 이용하여 반복적인 테스트를 통해 사용자에게 손목 재활훈련을 제공할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 이러한 개선과 함께 향후 다양한 동작을 구현할 수 있는 여러 개의 에어셀과 모양을 제작하여 손목의 굴곡과 신전 보다 복잡한 운동이 가능한 기기를 제작할 수 있을 것이다. 기기를 소형화하고 경량화하여 웨어러블이 가능한 형태로 제작할 수 있을 것이다. 환자가 운동 기능 장애를 회복하기까지는 오랜 기간이 걸리게 되기 때문에 재활훈련에 있어서 환자가 치료 기간 중에 그만두지 않기 위한 노력이 필요하다.
- 이는 구동기로 공압식 인공근육을 사용하는 것으로 손이나 손목에 닿는 기구 방식은 기존의 모터를 사용한 손목 재활 훈련기기와 마찬가지로 밴드로 압박을 하거나 삽입을 하는 방식으로 되어 있다. 손과 손목에 직접 유연한 재질의 에어셀이 맞닿아 밀어주어 재활훈련이 이루어진다면 기존의 공압을 사용한 손목 재활훈련기기보다 착용감을 높여주고 위험성을 감소시킬 수 있을 것이다. 에어셀을 이용할 경우 셀 모양과 제어 방식에 따라 다양한 동작을 간단하고 경제적으로 구현할 수 있다.
- 본 장치는 최대 7 bar까지 작동할 수 있도록 설계되었으나, 일반인의 경우 약 1 bar에서 작동함을 확인하였다. 손목에 구축이 발생한 환자를 대상으로 평가해 보지는 못하였으나 손목에 구축이 발생한 경우라도 공기압축기에서 제공하는 공압으로 재활 훈련이 가능할 것으로 생각된다.
- 실제로 환자 재활훈련에 적용하기 위해서는 앞아서 언급한 부분의 개선이 필요하다. 이러한 개선과 함께 향후 다양한 동작을 구현할 수 있는 여러 개의 에어셀과 모양을 제작하여 손목의 굴곡과 신전 보다 복잡한 운동이 가능한 기기를 제작할 수 있을 것이다. 기기를 소형화하고 경량화하여 웨어러블이 가능한 형태로 제작할 수 있을 것이다.
- 이 부분은 제작한 장치의 기구부와 에어셀의 크기로 인한 한계점이지만 제작한 장치로 환자에게 반복적인 손목의 굴곡과 신전 운동이 가능함을 확인하였기 때문에 기구부와 에어셀의 모양을 손목의 정상운동 범위 굴곡 60o, 신전 60o에 맞도록 변경할 필요가 있다. 추가적인 에어셀을 측면에 배치하여 에어셀 간의 팽창 타이밍을 조절하면 외전, 내전도 가능할 것으로 생각된다. 에어셀의 수축과 팽창시 일정한 모양으로 반복되지 않는 현상이 있었으며, 이는 자바라식과 같은 접힘 부분을 유도하는 형태로 제작하여 해결할 수 있을 것으로 생각된다.
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