[논문]밸런스 핸들 장치를 이용한 상지 운동 기능의 근전도 신호 분석

이충근; 송기호; 안재용; 신성욱; 정성택

doi:10.21288/resko.2016.10.4.295

밸런스 핸들 장치를 이용한 상지 운동 기능의 근전도 신호 분석
EMG Signal Analysis of Upper Extremity Motor Function using Balance-handle Device 원문보기

재활복지공학회논문지 = Journal of rehabilitation welfare engineering & assistive technology, v.10 no.4, 2016년, pp.295 - 303

이충근 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 송기호 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 안재용 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 신성욱 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 정성택 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과)

초록
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편마비 환자의 상지 운동 기능 재활 치료에 대한 지속적인 관심과 훈련의 정량적인 평가를 위한 다양한 장치가 요구되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 거치대와 핸들, 밸런스 볼을 결합한 밸런스 핸들 장치를 개발하였다. 피험자 7명을 대상으로, 개발된 상지 훈련 장치를 기울일 때 주요 상지 근육에 대한 근전도 신호의 변화를 측정하여 재활 훈련 장치로 사용이 가능한지에 대한 유효성을 검토하였다. 밸런스 핸들 장치를 앞뒤로 기울였을 때의 상지 신전 굴곡 운동 동작과 좌우 기울임을 이용한 상지 운동 동작에서 근 수축과 이완이 기준이 되는 주동근과 길항근에서 근 활성화 신호를 분석하였다. 실험결과, Fugl-Meyer Assessment(FMA)의 신전 굴곡 운동 평가 항목에서 편마비 환자의 상지 운동 기능 평가에 이용되는 이두근, 삼두근, 삼각근에서 근 활성화 경향을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 개발된 장치를 활용하여 편마비 환자의 상지 재활 훈련에 도움이 될 수 있다고 볼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Rehabilitation of upper limb motor function of hemiplegic patient must maintain interest and demand a device for a quantitative evaluation of rehabilitation training. In this paper, we developed the device that is composed of arm cradle, handle, and balance ball for rehabilitation exercise. We have performed experiment for validity as to whether to use the rehabilitation device when tilting the upper extremity training device developed to measure changes in the EMG signal to the main upper limb muscles for 7 healthy volunteers. We have analyzed muscle activation signals on agonist and antagonist as a reference in the muscle contraction and relaxation in the upper limb extension and flexion when the balance-handle device is tilted to front-rear and left-right. The experimental results showed that a tendency of muscle activation of biceps, triceps, and deltoid used in upper limb motor function of hemiplegic patients from extension and flexion evaluation items of Fugl-Meyer Assessment(FMA). These results may be helpful for rehabilitation training for upper limb motor function of hemiplegic patients by utilizing a developed unit.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선행연구들의 결과를 바탕으로 편마비 환자의 상지 근 기능 강화 및 관절 가동 각도의 회복을 돕기 위하여 가속도 센서를 활용한 양측성 재활 운동 장치를 개발하고, 이를 이용하여 수행할 수 있는 기본 운동 동작에 대한 상지 재활 관련성과 편마비 환자를 위한 재활 장치로서 적합성을 파악하고자 하였다. 개발한 밸런스 핸들 장치의 타당성을 검토하기 위해서 FMA의 신전·굴곡 운동 평가 항목과 유사하게 기기의 앞, 뒤, 좌, 우 기울임 동작에 대해서 편마비 환자의 상지 기능에 관여하는 이두근, 삼두근, 삼각근 등의 근 활성도 측정 실험을 정상인 대상으로 실시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 선행연구들의 결과를 바탕으로 편마비 환자의 상지 근 기능 강화 및 관절 가동 각도의 회복을 돕기 위하여 가속도 센서를 활용한 양측성 재활 운동 장치를 개발하고, 이를 이용하여 수행할 수 있는 기본 운동 동작에 대한 상지 재활 관련성과 편마비 환자를 위한 재활 장치로서 적합성을 파악하고자 하였다. 개발한 밸런스 핸들 장치의 타당성을 검토하기 위해서 FMA의 신전·굴곡 운동 평가 항목과 유사하게 기기의 앞, 뒤, 좌, 우 기울임 동작에 대해서 편마비 환자의 상지 기능에 관여하는 이두근, 삼두근, 삼각근 등의 근 활성도 측정 실험을 정상인 대상으로 실시하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 표 1에서 나타낸 것처럼 전완부의 평균 길이가 약 32cm이며, 23~34세의 편마비 병력이 없는 정상인 성인 남자 7명을 대상으로 근전도 및 밸런스 핸들 장치 기울기 측정 실험을 수행하였다. 피험자에게는 실험의의에 대해 충분히 설명하고, 실험자가 밸런스 핸들 장치 위에 팔을 올리는데 어려움이 없도록 높낮이가 가능한 의자를 사용하여 가장 편안한 자세에서 실험을 진행할 수 있도록 하였다.

데이터처리

본 연구에서 상지 동작의 관절가동 범위를 이용한 동적 수축 운동은 빠른 속도를 가지고 진행되기 때문에 50ms의 윈도우 크기를 이용하여 데이터를 분석하였다. 또한 실험 동작에 따라 선정된 상지 근육들 간의 근 활성화 추세를 비교하기 쉽도록 10ms 간격으로 다운 샘플링 처리한 후, 추가적으로 300ms 크기의 Moving Average 필터를 사용하여 Smoothing 처리하였다.
본 실험에서 사용한 밸런스 핸들 장치는 FMA의 신전·굴곡 운동 평가 항목(가장 상지 동작의 기본이 되는 운동)을 이용하여, 사용자의 상지 동작 시 반응하는 활성화 근육과 편마비 환자가 상지 재활동작 시 재활정도를 평가하는 활성화 근육과의 관련성을 비교하였다[24]. FMA의 신전·굴곡 공동 운동 평가 항목은 편마비 환자의 상지 운동 기능에 대한 회복 정도를 확인할 수 있는 상지 재활 동작 평가 방법으로, 어깨, 팔꿈치, 전완부 등의 세부 관절을 이용하여 기초 상지 운동 동작들을 연속적으로 수행한 후에 각 운동 동작별 수행 성취도를 평가한다.
는 i 번째 샘플링 전압 값, N은 윈도우 크기에서의 샘플링 수(본 연구에서는 50개 선택)를 나타낸다. 실험에서 획득한 근전도 신호는 근 활성화 정도를 그래프로 나타내기 위하여, 수식 3과 같이 Muscle Energy를 정량화하기 위한 데이터 처리 방법으로 RMS(Root Mean Square)를 이용하였다. 일반적으로 RMS 처리를 위한 윈도우 크기는 측정 동작 속도에 따라 20ms~500ms까지 결정 가능 하지만, 대부분 50ms~100ms 사이에서 선택하여 사용하고 있다.

성능/효과

편마비 환자를 위한 FMA 상지 재활 평가 동작 사이의 연관성을 찾기 위하여 밸런스 핸들 장치의 앞뒤 기울기에 의한 상지 신전·굴곡 운동 동작과 좌우 기울기에 의한 상지 운동 동작에 따라 삼두근, 이두근, 삼각근의 수축 및 이완 시 발생하는 근 활성도를 정량적으로 측정하였다. 이에 대한 결과로는 FMA 상지 재활 평가 동작에서 편마비 환자의 근 기능회복 시 평가하는 삼두근, 이두근, 삼각근에서 밸런스 핸들 장치를 사용하여 신전·굴곡 운동 시에도 근 활성도가 발생함을 알 수 있었다. 이것은 개발된 밸런스 핸들 장치를 사용한 상지 재활 동작이 기존의 다른 장치를 사용한 편마비 환자의 상지 재활 훈련동작에서 근 활성화가 나타나는 삼두근, 이두근, 삼각근에서 비슷한 경향이 나타남을 확인할 수 있었다.
이것은 개발된 밸런스 핸들 장치를 사용한 상지 재활 동작이 기존의 다른 장치를 사용한 편마비 환자의 상지 재활 훈련동작에서 근 활성화가 나타나는 삼두근, 이두근, 삼각근에서 비슷한 경향이 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 개발된 밸런스 핸들 장치가 편마비 환자를 위한 상지 재활 훈련 장치로써 편마비 환자의 상지 근육을 자극할 수 있기 때문에 이를 활용하여 재활 훈련 장치로 충분히 역할을 할 수 있을 것이다.

후속연구

향후 본 연구를 바탕으로 편마비 환자를 대상으로 상지 재활 훈련에 적합한 다양한 기능성 콘텐츠를 개발하여 훈련 평가 장치로서의 가능성을 좀 더 확인해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상지 기능 장애 환자의 재활치료 방법에는 어떤 것들이 있는가?	상지 기능 장애 환자가 운동 기능을 빠른 시간 내에 회복하기 위해서는 경직이 나타나기 전, 편마비 증상이 발병 후 3~4일부터 7일 이내, 수행되는 조기 재활 운동이 가장 효과적이라고 알려져 있다 [9]. 일반적인 재활치료 방법으로는 재활 치료사의 주관 하에 기능적 손상의 최소화 및 손상된 뇌신경 회복을 위하여 정해진 각 항목마다 환자에게 정확 하고 반복적인 상지재활 동작을 수행시키고 그 상태를 진단하는 방법으로 Fugl-Meyer Assessment (FMA) 및 Motor Assessment Scale(MAS) 등이 가장 많이 알려져 있다[10-11]. 이와 달리 기존보다 빠르고 효과적인 상지 재활 치료를 위한 연구들로는 강제유도운동 치료(Constraint Induced Movement Therapy), 거울 치료(Mirror Therapy), 양측성 상지 훈련활동, 로봇 재활 등이 있다.
	상지기능 장애 환자들에게 지속적인 재활치료가 필요한 이유는 무엇인가?	뇌졸중의 후유증으로 발생하는 기능장애 환자들 대부분이 편마비 장애를 겪게 되고, 이들 중 69% 이상은 경증에서 중증까지의 상지기능 장애를 가지는 것으로 알려져 있다[6]. 상지기능 장애 환자들은 근육 마비, 근력약화, 운동조절 저하 등의 상지의 기능적 움직임 저하로 인해 양손의 협응 동작 수행이 어렵기 때문에 일상생활 능력이 정상적으로 수행할 수 없으므로 지속적인 재활치료가 필요하다[7-8].
	뇌졸중으로 인한 증상에는 어떤 것들이 있는가?	특히, 뇌졸중은 노인성 질환 중에서 우리나라 사망원인 1위 질환으로 환자의 10% 정도가 회복 가능, 15~20%는 사망, 그리고 나머지 70~75%는 뇌의 침범영역에 따른 만성적인 신체 기능장애를 일으키는 후유증으로 나타난다. 이것은 뇌혈관의 파열이나 폐쇄로 야기되는 신경계 손상에 의해 운동장애, 인지장애, 감각장애, 언어장애 등의 다양한 증상들을 발생시키는 것으로 알려져 있다[2-5].

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