[논문]셀프 피트니스 의류 개발을 위한 근전도 센싱 위치 연구

조하경; 조상우

doi:10.5805/sfti.2016.18.6.755

셀프 피트니스 의류 개발을 위한 근전도 센싱 위치 연구
A Study of Sensing Locations for Self-fitness Clothing base on EMG Measurement 원문보기

Fashion & textile research journal = 한국의류산업학회지, v.18 no.6, 2016년, pp.755 - 765

조하경 ((주)블랙야크 상품기획부) , 조상우 (호서대학교 스포츠과학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, interest in monitoring health and sports is growing because of the emphasis on wellness, which is accelerating the development and commercialization of smart clothing for biosignal monitoring. In addition to exerciseeffect monitoring clothing that tracks heart rate and respiration, recently developed clothing makes it possible to monitor muscle balance using electromyogram (EMG). The electrode for EMG have to attached to an accurate location in order to obtain high-quality signals in surface EMG measurement. Therefore, this study develops monitoring clothing suitable for different types of human bodies and aims to extract suitable range of EMG according to movements in order to develop self-fitness monitoring clothing based on EMG measurement. This study identified and attached electrodes on six upper muscles and two lower muscles of ten males in their 20s. After selecting six main motions that create a load on muscles, the 8-ch wireless EMG system was used to measure amplitude value, noise, SNR and SNR (dB) in each part and statistical analysis was conducted using SPSS 20.0. As a result, the suitable range for EMG measurement to apply to clothing was identified as four parts in musculus pectoralis major; three parts in muscle rectus abdominis, two parts each in shoulder muscles, backbone erector, biceps brachii, triceps brachii, and musculus biceps femoris; and four part in quadriceps muscle of thigh. This was depicted diagrammatically on clothing, and the EMG-monitoring sensing locations were presented for development of self-fitness monitoring.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

근전도 측정 부위의 한정은 다양한 인체 적용을 위한 의류 개발에 한계를 가져오게 되어 동작 시 근전도 측정의 유의한 값을 갖는 범위를 도출하여 다양한 인체에 적용 가능한 센서 부위에 대한 고려가 요구된다. 따라서 본 연구는 근전도 신호를 기반으로 근 활동량 측정용 스마트 의류 개발을 위하여 근육에 근전도 전극을 부착하고 실험 동작을 진행 근육별 근전도 신호(EMG amplitude value), 잡음, SNR 및 SNR(dB)를 분석하여, 의류에서의 근전도 신호 측정 가능 범위를 도출하고자 하였다.
본 연구는 근 활동량 측정용 스마트 의류 개발을 위한 기초연구로 근전도 측정 범위를 탐색하고 이를 제시하였다. 본 연구에서는 기초 연구로 의료용 전극을 사용하였으나, 추후 텍스타일 전극에 기반한 근전도 측정의 효용성을 측정하는 연구가 후속되어야 할 것이다.
그러나, 다양한 인체 및 체형으로 인해 근전도 기반의 생체 신호 모니터링을 위한 의류 개발을 위해서는 범용적으로 센싱이 가능한 범위를 파악하여야 하나 이에 대한 연구는 미비한 상태이다. 본 연구에서는 셀프 피트니스 스마트 의류 개발을 위하여 의복 내 근전도 측정 범위를 도출하기 위하여 동작별 근전도 신호의 효용성을 갖는 범위를 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 표면 근전도(sEMG) 신호에 기반하여 근육의 활동량을 측정하는 셀프 피트니스 의류를 개발하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다. 실험은 근전도 측정, 분석방법 및 측정 위치에 대한 이론적 내용을 고찰하고, 실험설계를 진행하였다.

제안 방법

실험은 근전도 측정, 분석방법 및 측정 위치에 대한 이론적 내용을 고찰하고, 실험설계를 진행하였다. 근전도의 표준 위치를 기반으로 근전도 센서를 부착하고, 선정된 근육별 대표 동작을 수행, 근전도 신호(sEMG amplitude value), 잡음(noise), SNR(Signal to Noise Ratio) 및 SNR(dB)를 도출하고 분석하여 근전도 측정 적용 범위를 도출하였다(Fig. 3).
따라서 본 연구에서는 근전도 측정의 정확성을 비교 분석하기 위하여, 근전도 신호(EMG amplitude value), 잡음(noise), SNR(Signal to Noise Ratio) 및 SNR(dB) 을 측정, 비교·분석하였다.
본 연구에서 사용된 대표 동작은 각 근육에 부하를 가할 수있는 동작으로 선정(Table 2), 정자세를 취한 후 동작을 실행, 다시 정자세를 취하는 과정을 각 5회씩 반복 측정하여 각 부위에서의 동작 시 발생하는 근전도 신호, 노이즈를 측정하였다(Fig. 5).
세부 측정 부위는 상체 전면부의 대흉근 8부위, 복직근 5부위 상체 후면부의 견갑근 4부위, 척추 기립근 4부위로 범주를 나누어 측정하였다. 상지부에서는 상완이두근과 상완삼두근 각 3부위, 하지부에서는 대퇴이두근과 대퇴사두근 각 6부위로 범위를 나누어 측정하였다(Fig. 4).
4와 같다. 세부 측정 부위는 상체 전면부의 대흉근 8부위, 복직근 5부위 상체 후면부의 견갑근 4부위, 척추 기립근 4부위로 범주를 나누어 측정하였다. 상지부에서는 상완이두근과 상완삼두근 각 3부위, 하지부에서는 대퇴이두근과 대퇴사두근 각 6부위로 범위를 나누어 측정하였다(Fig.
본 연구에서는 표면 근전도(sEMG) 신호에 기반하여 근육의 활동량을 측정하는 셀프 피트니스 의류를 개발하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다. 실험은 근전도 측정, 분석방법 및 측정 위치에 대한 이론적 내용을 고찰하고, 실험설계를 진행하였다. 근전도의 표준 위치를 기반으로 근전도 센서를 부착하고, 선정된 근육별 대표 동작을 수행, 근전도 신호(sEMG amplitude value), 잡음(noise), SNR(Signal to Noise Ratio) 및 SNR(dB)를 도출하고 분석하여 근전도 측정 적용 범위를 도출하였다(Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 무선 근전도 시스템은 WiFi 무선방식으로 최대 100m까지 측정이 가능하고, 무선 캡처 시스템과 근면적 계산, 구간설정과 근전도 비교 통계가 가능하며 데이터 측정 범위는 10Hz~500Hz로 모든 동작에서 적용이 가능한 Noraxon 무선 근전도 시스템 Tele DTS 8CH를 사용하였다(Fig. 6). 근전도는 활성전극과 기준 전극을 해당근육의 수축방향과 일치하도록 부착하여 측정하는 이극유도(bipolar lead)법을 적용하였으며(Lee, 2014), 근전도 측정 방법(Kang et al.
본 연구의 대상은 근 골격계 질환과 골 변형(deformity), 근위축(atrophy), 근육통(muscle soreness) 혹은 약물을 복용하지 않는 20대 남성 피험자 10명을 대상으로 하였다. 모든 피험자에게 본 연구의 목적, 내용, 수행 과제 및 실험에 대하여 설명하고 이해시킨 후 참여 동의를 얻어 실시하였으며, 피험자들의 신체적 특성은 Table 1과 같다.

데이터처리

따라서 본 연구에서는 근전도 측정의 정확성을 비교 분석하기 위하여, 근전도 신호(EMG amplitude value), 잡음(noise), SNR(Signal to Noise Ratio) 및 SNR(dB) 을 측정, 비교·분석하였다. 측정 신호간의 통계분석을 위하여 SPSS 통계 프로그램을 활용하여 Oneway ANOVA를 통해 분석, 사후 검정을 위하여 Duncan 분석을 수행하였으며, 그 결과를 제시하였다.

이론/모형

6). 근전도는 활성전극과 기준 전극을 해당근육의 수축방향과 일치하도록 부착하여 측정하는 이극유도(bipolar lead)법을 적용하였으며(Lee, 2014), 근전도 측정 방법(Kang et al., 2014)에 따라, 기준 전극(reference electrode)과 활성 전극(active electrode)은 근섬유 방향과 평행이 되도록 하였다.

성능/효과

SNR은 부위별로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났으나, SNR(dB)는 부위별로 유의한 차를 갖는 것으로 분석되었으며, 1(3.17±2.68), 2(2.89±0.29) 부위가 3(1.76±2.83), 4(1.62±0.95) 부위에 비해 큰 값을 보여(Table 5, Fig. 7), 1, 2부위에서의 근전도 측정에 효용성이 있는 것으로 분석되었다.
견갑근 측정결과 신호는 1(68.75±42.68), 2(62.34±12.24) 부위가 3(31.66±16.55), 4(42.12±42.12) 부위에 비해 큰 신호의 크기를 갖는 것으로 나타났으며, 잡음은 3(41.69±11.40), 4(51.12±12.16) 부위가 1(26.43±35.71), 2(24.56±32.12) 부위에 비해 잡음의 크기가 큰 것으로 나타났다(Table 5).
그러나 SNR(dB) 분석 결과, 1(1.93±5.98), 2(1.42±3.18)에 비해 3(8.86±6.67), 4(9.19±7.70), 5(8.30±9.14), 6(9.23±7.99) 부위에서의 유의한 차이를 갖는 것으로 나타나(Table 10), 3, 4, 5, 6부위에서의 근전도 측정의 효용성을 갖는 것으로 분석된다(Fig. 7).
대퇴 사두근의 근전도 신호 측정 결과, 1(34.22±14.03), 2(34.29±11.44), 3(36.28±12.47), 4(35.20±12.14) 부위가 5(30.12±12.31), 6(26.35±10.74) 부위에 비해 신호의 크기가 큰 것으로 분석되었다(Table 9).
반면, 동작에 따른 하지의 근전도 측정 결과, 대퇴 사두근에서 상중단부인 1, 2, 3, 4부위에서 신호 및 SNR(dB)의 유의한 값의 차이를 갖는 것으로 분석되어 근전도 측정에 적합한 범위로 분석되었다. 대퇴이두근에서는 신호, 잡음 및 SNR의 경우 부위별로 유의한 차이를 보이지 않았으나, SNR(dB) 측정 결과중하단부인 3, 4, 5, 6부위가 상단부(1, 2부위)에 비해 근전도 측정에 적합한 범위를 갖는 것으로 평가되었다(Fig. 7).
대퇴이두근의 근전도 신호, 잡음, SNR의 측정 결과, 각 부위별로 유의한 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 그러나 SNR(dB) 분석 결과, 1(1.
대흉근의 근전도 신호 분석 결과 1(18.98±6.99), 2(21.59±10.25), 7(20.44±16.08), 8(21.71±12.81) 부위에 비해 3(23.19±12.60), 4(25.63±7.97), 5(25.77±21.69), 6(24.68±9.32) 부위에서의 신호 크기가 큰 것으로 나타났으며, 각 부위별로 통계적인 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다(Table 3).
동작에 따른 상지의 근전도 신호 측정 결과, 상완이두근에서 상단부인 1부위에서 신호의 크기가 다른 부위의 신호에 비해 크게 나타난 것으로 분석되었으나, 잡음의 크기 또한 다른 부위에 비해서 큰 값을 갖는 것으로 분석되어 SNR(dB) 분석 결과, 중하단부인 2, 3부위가 상단부(1부위)에 비해 큰 값을 가져 근전도 측정에 효용성을 갖는 범위로 평가되었다. 상완삼두근 에서는 중하단부인 2, 3부위에서의 신호 및 잡음의 크기가 상단부인 1부위에 비해 큰 값을 갖는 것으로 분석되었으나, SNR(dB) 분석 결과, 중하단부인 2, 3부위가 상단부(1부위)에 비해 유의한 값을 가져 근전도 측정에 적합한 범위로 평가되 었다.
따라서 상완이두근의 SNR(dB) 분석 결과 2(3.61±5.16), 3(4.57±7.75) 부위에서 유의한 값을 보여 근전도 측정에 유효성을 갖는 것으로 나타났다(Table 7, Fig. 7).
반면, 동작에 따른 하지의 근전도 측정 결과, 대퇴 사두근에서 상중단부인 1, 2, 3, 4부위에서 신호 및 SNR(dB)의 유의한 값의 차이를 갖는 것으로 분석되어 근전도 측정에 적합한 범위로 분석되었다. 대퇴이두근에서는 신호, 잡음 및 SNR의 경우 부위별로 유의한 차이를 보이지 않았으나, SNR(dB) 측정 결과중하단부인 3, 4, 5, 6부위가 상단부(1, 2부위)에 비해 근전도 측정에 적합한 범위를 갖는 것으로 평가되었다(Fig.
복직근 5부위에서의 근전도 측정 결과, 근전도 신호는 1(52.43±21.59), 2(44.03±21.91), 3(40.88±27.07) 부위에서 4(24.33±14.39), 5(23.13±12.28) 부위에서 보다 큰 신호를 보이는 것으로 나타났으며, 통계적으로도 각 부위별 유의한 차이를 갖는 것으로 나타났다(Table 4).
동작에 따른 상지의 근전도 신호 측정 결과, 상완이두근에서 상단부인 1부위에서 신호의 크기가 다른 부위의 신호에 비해 크게 나타난 것으로 분석되었으나, 잡음의 크기 또한 다른 부위에 비해서 큰 값을 갖는 것으로 분석되어 SNR(dB) 분석 결과, 중하단부인 2, 3부위가 상단부(1부위)에 비해 큰 값을 가져 근전도 측정에 효용성을 갖는 범위로 평가되었다. 상완삼두근 에서는 중하단부인 2, 3부위에서의 신호 및 잡음의 크기가 상단부인 1부위에 비해 큰 값을 갖는 것으로 분석되었으나, SNR(dB) 분석 결과, 중하단부인 2, 3부위가 상단부(1부위)에 비해 유의한 값을 가져 근전도 측정에 적합한 범위로 평가되 었다.
상완삼두근에서의 근전도 측정 결과, 신호 및 잡음의 크기가 1부위에 비해 2, 3부위에서의 신호의 크기가 유의하게 큰 것으로 나타났다. 신호는 2(116.
상완이두근에서의 측정 결과, 신호의 크기가 1(43.44±24.06) 부위에서 가장 큰 것으로 나타났으나, 잡음의 크기 또한 1(37.12±19.22) 부위에서 가장 큰 값을 갖는 것으로 나타났다.
상체 전면의 주 근육인 대흉근 및 복직근의 근전도 측정 결과, 대흉근은 중단부인 3, 4, 5, 6부위에서의 신호크기 및 SNR(dB)에서 유의한 차이를 보여 근전도 측정의 효용성을 갖는 것으로 나타났으며, 복직근에서는 신호, SNR 및 SNR(dB) 에서 유의한 차이를 보이며, 중상단부인 1, 2, 3부위에서의 측정 효용성을 갖는 것으로 나타났다.
상체 후면에서는 견갑근과 척추 기립근의 근전도 측정 결과, 견갑근에서는 상단부인 1, 2부위에서 신호 및 SNR(dB)의 유의한 값을 보여 상단부(1, 2부위)에서의 근전도 측정의 효용성을 갖는 것으로 분석되었다. 척추 기립근에서는 하단부인 3, 4부위에서의 신호의 유의성을 갖는 것으로 나타났으며, 잡음의 크기는 상단부 1부위와 하단부 3, 4부위에서 크게 나타났다.
신호 크기 및 잡음을 동시 분석하는 SNR 및 SNR(dB)의 분석 결과, 2(SNR:82.98±28.40; SNR(dB):32.37±14.65), 3(SNR:88.84±30.82; SNR(dB):34.14±15.60) 부위가 1(SNR:70.49±56.29; SNR(dB):25.38±13.70), 4(SNR:59.85±56.56; SNR(dB):28.55±14.68) 부위에 비해 큰 값을 갖는 것으로 분석되어(Table 6) 2, 3부위가 1, 4부위에 비해 근전도 측정에 효용성을 갖는 것으로 사료된다(Fig. 7).
척추 기립근에서는 하단부인 3, 4부위에서의 신호의 유의성을 갖는 것으로 나타났으며, 잡음의 크기는 상단부 1부위와 하단부 3, 4부위에서 크게 나타났다. 신호와 잡음을 통합 분석한 SNR 및 SNR(dB)는 중단부위인 2, 3부위에서 유의한 값을 갖는 것으로 나타나 중단부(2, 3부위)가 근전도 측정의 효용 범위를 갖는 것으로 분석되었다.
12) 부위에서 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다(Table 4). 이는 1, 2, 3부위에서의 신호의 크기는 크게 나타났으나, 잡음의 크기는 비슷한 크기로 나타나 결과적으로 SNR 및 SNR(dB)의 크기 또한 1, 2, 3부위가 4, 5부위에 비해 크게 나타나 4, 5부위를 제외하고 1, 2, 3부위에서의 근전도 측정에 유의한 범위로 분석된다(Table 4, Fig. 7).
잡음 또한 2(50.73±11.10) 부위 및 3(49.30±14.69) 부위가 1(34.95±13.77) 부위에 비해 큰 잡음을 보여 SNR에서는 부위별로 유의한 차이를 보이지 않았으나, SNR(dB)에서는 2(7.14±2.47), 3(6.62±3.43) 부위가 1(5.08±2.97) 부위에 비해 유의한 차이를 보여 2, 3부위에서의 근전도 측정의 유효성을 갖는 것으로 분석되었다(Table 8, Fig. 7).
잡음 및 SNR 측정 결과는 모든 부위에서 서로 유의한 차이는 없는 것으로 나타났으며, SNR(dB) 분석 결과, 근전도 신호와 마찬가지로 1(7.68±6.23), 2(7.30±6.88), 7(6.55±2.26), 8(7.62±2.30) 부위에 비해 3(8.20±5.05), 4(8.84±5.15), 5(8.07±3.86), 6(9.26±4.96) 부위에서의 SNR(dB) 이 큰 값을 가져 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다(Table 3, Fig. 7).
잡음, SNR은 부위 간 유의한 차이가 없는 것으로 나타났으며, SNR(dB) 분석 결과 1(25.09±9.45), 2(25.79±9.87), 3(26.04±9.56), 4(26.33±7.45)에서 5(22.21±8.26), 6(19.08±7.66) 부위에 비해 큰 값을 가져 근전도 측정에 유의한 값을 갖는 것으로 나타났다(Table 9, Fig. 7).
잡음에서는 부위별로 유의한 차이는 보이지 않는 것으로 나타났으나, SNR 및 SNR(dB)에서 부위별로 유의한 차이를 보여 1(SNR:38.60±31.91; SNR(dB):29.03±7.29), 2(SNR:40.54±30.45; SNR(dB):29.26±8.23), 3(SNR:42.51±38.62; SNR(dB):28.45±10.11) 부위에 비해 4(SNR:28.63±23.79; SNR(dB):25.44±9.34), 5(SNR:25.42±21.62; SNR(dB):23.24±10.12) 부위에서 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다(Table 4).
척추 기립근에서의 근전도 측정 결과, 3(70.24±32.38), 4(68.99±35.97) 부위의 신호 크기가 1(46.85±12.83) 부위에 비해 크게 나타났으며, 잡음은 2(3.02±5.49) 부위가 가장 작은 크기를 갖는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구는 근 활동량 측정용 스마트 의류 개발을 위한 기초연구로 근전도 측정 범위를 탐색하고 이를 제시하였다. 본 연구에서는 기초 연구로 의료용 전극을 사용하였으나, 추후 텍스타일 전극에 기반한 근전도 측정의 효용성을 측정하는 연구가 후속되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생체 신호 측정 기술이 주로 측정하는 항목은 무엇인가?	, 2007). 생체 신호 측정 기술은 심박, 호흡, 체온 중심의 기술로 개발되고 있으며(Lee & Jeong, 2016), 사용자의 생체 반응을 측정, 분석하여 자신의 건강 상태 및 운동량을 모니터링하는 신체적 상호작용 스마트 의류 제품으로 연구·개발되고 있다(Suh & Roh, 2015).
	센서 및 기기가 스마트 의류에 적용되기 위해서 고려해야 할 것은 무엇인가?	, 2010). 스마트 의류에 적용되는 센서 및 기기는 착용 편리성, 비침습성, 심플한 디자인, 설치 및 적용의 간편성, 기기착용 및 배치의 범용성에 대한 고려가 필요하며 이를 위하여 공학적 측면에서의 무선통신의 정확성, 신호 수집, 전송 효율 및 전력 관리의 최적화 등의 연구가 이루어지고 있으며, 의류학적 측면에서는 인체 밀착성을 위한 소재연구 및 동작 노이즈를 최소화하기 위한 의류 디자인에 관한 연구 등 다양한 연구가 이루어지고 있다(Cho & Cho, 2015; Park, 2013; Song et al., 2010).
	표면 근전도 센서가 양질의 신호를 얻는 것을 방해하는 요소로 무엇이 있는가?	최근에는 심박, 호흡, 체온 등의 생체 신호 측정과 더불어 피트니스 및 근 발란스 측정을 위한 근전도 측정 의류 시스템에 대한 연구 개발이 이루어지고 있다(Suh & Roh, 2015). 근육의 활성화 측정을 위해서는 비침습적 용이성으로 인하여 재활 등의 다양한 분야에서 표면 근전도(sEMG: surface electromyography) 측정 방법을 사용하고 있으나, 피부의 높은 임피던스, 동작으로 인한 동적잡음(motion artifact), 실시간 처리에 의한 신호 왜곡 등으로 인하여 근전도 측정에 어려움을 겪는다 (Kundu et al., 2011).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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