[논문]Finger Tapping 기기를 활용한 콘텐츠의 sEMG 신호 분석

한상배; 변상규; 김재훈; 신성욱; 정성택

doi:10.7236/jiibc.2019.19.6.153

Finger Tapping 기기를 활용한 콘텐츠의 sEMG 신호 분석
Analysis on sEMG Signals of Contents Using Finger Tapping Device 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.19 no.6, 2019년, pp.153 - 160

한상배 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 변상규 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 김재훈 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 신성욱 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과) , 정성택 (한국산업기술대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 손가락의 운동능력을 개선시킬 수 있는 재활 기기와 콘텐츠를 구현함으로서 누구나 편리하고 재미있게 재활 훈련을 할 수 있도록 돕고자 한다. 그래서 손가락의 조절 능력, 정밀도, 민첩성을 측정할 수 있는 Finger Tapping Device를 제작하고, 이 기기를 사용할 수 있는 콘텐츠로 트래킹, 시각 반응, 손가락 조절을 구현하였다. 이에 대한 유용성 검증은 손가락 움직임에 가장 많이 관여하는 심지굴근에 sEMG를 부착한 후 3종류의 콘텐츠를 수행하는 동안 sEMG의 신호를 분석하여 확인하였다. 실험 결과로서 모든 콘텐츠 수행하는 동안 심지굴근의 근육 활성화가 이루어졌다. 또한 시각 반응에 따른 각 손가락 별 반응 시간을 측정하여 민첩성의 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we would like to support anyone who can rehabilitate conveniently and happily by implementing rehabilitation device and game contents that can improve the motor ability of fingers. So we developed a Finger Tapping Device that can measure finger-regulation ability, accuracy, and agility and implemented tracking, visual response, finger-regulation on game contents by utilizing this device. The verification of usability was confirmed by analyzing sEMG signals during the execution of three types of game contents after attaching sEMG to the flexor digitorum poundus, which is most involved in finger movement. As a result of the experiment, activation of the flexor digitorum poundus was performed during execution of every game contents. Furthermore, we confirmed that there is a difference in agility by measuring the reaction time for each finger according to the visual response.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. Finger Tapping Device 설계 Fig. 1. Design of Finger Tapping Device
그림 그림 2. 표면 근전도 전극 부착 위치(심지굴근) Fig. 2. Attachment of sEMG electrodes with Flexor digitourm profundus
그림 그림 3. 표면 근전도 신호 처리 (a) Raw (b) Rectified (c) Window averaging Fig. 3. Signal processing of sEMG (a) Raw (b) Rectified (c) Window Averaging
그림 그림 4. 구현된 게임 콘텐츠 (a)트래킹 (b)시각 반응 (c)손가락 조절 콘텐츠 Fig. 4. Implementation of game contents (a) Tracking (b) Visual reaction (c) Finger-regulation
그림 그림 5. 트래킹 콘텐츠 수행 시 표면 근전도 신호 변화 Fig. 5. sEMG signal changes during performing tracking contents
그림 그림 6. 시각 자극에 따른 sEMG 반응 시간 및 손가락 반응 시간 (1) 시각 자극 전 (2) 자극 후 sEMG 평균 반응 시간 (3) 자극 후 각 손가락의 평균 반응 시간 Fig. 6. Average response time of sEMG signal and each finger according to visual stimulus (1) Before visual stimulus (2) Average response time of sEMG after visual stimulus (3) Average response time of each finger after visual stimulus
표 표 1. FTD에 따른 Tracking Shape 및 표면 근전도 신호의 상관계수 Table 1. Correlation coefficient of Tracking Shape and sEMG signal according to FTD
표 표 2. 시각반응 콘텐츠 수행 시 FTD와 표면 근전도 신호에 대한 평균 반응 시간 Table 2. Average response time for FTD and sEMG signals during performing visual reaction contents

AI 본문요약
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문제 정의

위에서의 실험 결과들을 바탕으로 제작된 손가락 운동을 위한 콘텐츠로서, 단계별로 정해진 열쇠 모양이 아닌 임의의 열쇠 모양을 맞추는 과제이다. 그래서 수행시간과 근 활성도를 측정하는 것보다 손가락 운동 훈련을 위한 콘텐츠로 제안한다. 이 콘텐츠를 수행할 때 근 활성도도 마찬가지로 높게 나타났다는 것은 결과적으로 콘텐츠 수행이 손가락 운동에 관여한다고 할 수 있다.
가장 기본적인 생활의 모든 곳에 손의 활동이 들어가고 이러한 손의 정밀한 움직임이 가능한 것은 삶의 질 높여준다. 본 논문에서는 손가락의 조절능력의 중요성을 부각시키고, 손가락 기능 재활 훈련을 위한 FTD와 게임 콘텐츠를 개발하여 sEMG 신호 분석을 통해 재활 훈련 기기로서 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 손의 악력보다 손가락의 조절능력과 움직임에 대한 정밀도와 민첩성 등을 측정하고 재활 훈련하기 위한 Finger Tapping Device를 제작하였다. 이를 사용하여 손가락 운동 능력을 향상시키기 위한 훈련용 게임 콘텐츠 세 가지(트래킹, 시각 반응, 손가락 조절)를 구현하고, 손가락 재활 운동에 도움이 될 수 있는지를 표면 근전도(sEMG: surface electromyography) 신호 변화를 분석하여 검증하고자 하였다.

제안 방법

또한, 탄성 이 약한 스프링을 사용하여 미세한 손가락 움직임에도 측정될 수 있도록 하였다. FTD를 사용하는 데 손가락 움 직임이 자유롭고 편리하게 사용되기 위해서, 즉 주변 환 경의 방해를 최소화하기 위하여 블루투스 모듈 (Firmtech, FB155BC)을 이용한 무선 방식으로 데이터를 전송하였다.
FTD를 사용한 여러 가지 콘텐츠를 수행 시 손가락 움 직임에 따른 sEMG 신호는 1KHz ADC 샘플링하고 Serial 통신으로 PC 전송하여 분석할 수 있는 자체 보드 를 개발하여 사용하였다. 전송된 모든 sEMG 신호의 Raw 데이터는 양방향 성분으로 정류하고 계산량의 간략 화와 시간에 따라 변화하는 근육 사용량을 관찰하기 위 하여 Window averaging을 적용하였다^[13].
트래킹 콘텐츠에서는 손가락이 정밀하게 움직일 때, 이에 대한 근육 활성도의 증가가 심지굴근에서 뚜렷하게 발생하는 것으로 나타났고, 시각 반응 콘텐츠에서는 시각 자극에 따른 손가락 움직임이 있을 때 마다 근육 활성도가 나타났다. 두 번째, 민첩성 실험을 위한 시각 반응 콘텐츠에서는 시각 반응 후 손가락 움직임으로 인한 FTD 데이터가 획득되는 시간과 근육에서의 sEMG 신호가 발생하는 시간을 비교하였다. 여기서 두 측정 시간의 차이가 발생하였는데, 이것은 근육 활성화와 역학적인 힘의 발생에 대한 전기역학적 지연으로 발생한 것으로 보인다.
개발에 사용된 MCU는 소형 임베디드 제 작에 적합한 Cortex M3이고, 여기서 내장된 12bit ADC를 50Hz 샘플링하고 가변저항을 이용하여 0∼ 3,800의 Raw 값이 출력되도록 조절하였다. 또한, 탄성 이 약한 스프링을 사용하여 미세한 손가락 움직임에도 측정될 수 있도록 하였다. FTD를 사용하는 데 손가락 움 직임이 자유롭고 편리하게 사용되기 위해서, 즉 주변 환 경의 방해를 최소화하기 위하여 블루투스 모듈 (Firmtech, FB155BC)을 이용한 무선 방식으로 데이터를 전송하였다.
손가락 탭핑 훈련용 기능성 게임 콘텐츠는 손가락의 정밀한 움직임을 훈련하기 위한 트래킹 콘텐츠와 시각 반응에 따라 손가락을 얼마나 빨리 움직이는 지 알아보 는 민첩성 훈련용 시각 반응 콘텐츠, 마지막으로 손가락을 미세한 움직임을 조절 훈련을 위한 손가락 조절 콘텐 츠로 구성하였다. 모든 콘텐츠들은 Unity 3D 엔진을 이 용하여 제작하였으며, 재활이나 기능 개선 효과에 중요한 요인 중 하나인 자발적인 동기와 반복을 극대화하기 위 하여 흥미를 유발시키는 게임적인 요소를 가미한 기능성 게임으로 구성하고자 하였다.
본 논문에서 제작한 Finger Tapping Device(FTD) 는 한국인 인체치수조사에서 20∼30대 성인 남성의 평균적인 손 직선 길이 183.8mm 기준으로 둘레를 적용하고, 검지에서 소지까지의 너비 평균 80.1mm를 고려하여 폭을 정했다[11].
실험은 상지 근골격계에 병력이 없는 20대 성인 (남자 4, 여자 1) 5명을 정상인 대상으로 실험 목적과 방법을 충분히 설명한 후, 미국 수부치료사 협회(American Society of Hand Therapists)에서 권장하는 앉은 자세에서 어깨 각도 0°, 팔꿈치 각도 90°의 표준 자세로 측정 하였다. 손가락 움직임에 관한 게임 콘텐츠를 수행하는 동안의 근육 활성화 여부를 알아보기 위하여 sEMG 전극 을 부착하고 신호 변화를 분석하였다^[12].
손가락 탭핑 훈련용 기능성 게임 콘텐츠는 손가락의 정밀한 움직임을 훈련하기 위한 트래킹 콘텐츠와 시각 반응에 따라 손가락을 얼마나 빨리 움직이는 지 알아보 는 민첩성 훈련용 시각 반응 콘텐츠, 마지막으로 손가락을 미세한 움직임을 조절 훈련을 위한 손가락 조절 콘텐 츠로 구성하였다. 모든 콘텐츠들은 Unity 3D 엔진을 이 용하여 제작하였으며, 재활이나 기능 개선 효과에 중요한 요인 중 하나인 자발적인 동기와 반복을 극대화하기 위 하여 흥미를 유발시키는 게임적인 요소를 가미한 기능성 게임으로 구성하고자 하였다.
시각 반응 콘텐츠는 시각 자극이 일어났을 때부터 손가락 반응 시간과 sEMG 반응시간을 측정하여 분석하였다. 그림 6은 피험자들의 sEMG 신호와 FTD로부터 획득 한 값들을 평균하여 나타낸 것이다.
실험은 상지 근골격계에 병력이 없는 20대 성인 (남자 4, 여자 1) 5명을 정상인 대상으로 실험 목적과 방법을 충분히 설명한 후, 미국 수부치료사 협회(American Society of Hand Therapists)에서 권장하는 앉은 자세에서 어깨 각도 0°, 팔꿈치 각도 90°의 표준 자세로 측정 하였다.
위에서 언급한 콘텐츠들을 수행하는 동안 FTD의 Raw 데이터와 sEMG 신호를 동시에 획득하여 근육의 활성도와 각 손가락의 움직임과의 관계를 분석하였다.
본 논문에서는 손의 악력보다 손가락의 조절능력과 움직임에 대한 정밀도와 민첩성 등을 측정하고 재활 훈련하기 위한 Finger Tapping Device를 제작하였다. 이를 사용하여 손가락 운동 능력을 향상시키기 위한 훈련용 게임 콘텐츠 세 가지(트래킹, 시각 반응, 손가락 조절)를 구현하고, 손가락 재활 운동에 도움이 될 수 있는지를 표면 근전도(sEMG: surface electromyography) 신호 변화를 분석하여 검증하고자 하였다.
FTD를 사용한 여러 가지 콘텐츠를 수행 시 손가락 움 직임에 따른 sEMG 신호는 1KHz ADC 샘플링하고 Serial 통신으로 PC 전송하여 분석할 수 있는 자체 보드 를 개발하여 사용하였다. 전송된 모든 sEMG 신호의 Raw 데이터는 양방향 성분으로 정류하고 계산량의 간략 화와 시간에 따라 변화하는 근육 사용량을 관찰하기 위 하여 Window averaging을 적용하였다^[13]. 이에 대한 각각의 Raw, Rectified, Window averaging한 sEMG 신호 결과는 그림 3에서 보여 주고 있다.
첫 번째, 트래킹과 시각 반응 콘텐츠를 수행할 때 심지굴근의 근육 활성도를 분석하였다. 트래킹 콘텐츠에서는 손가락이 정밀하게 움직일 때, 이에 대한 근육 활성도의 증가가 심지굴근에서 뚜렷하게 발생하는 것으로 나타났고, 시각 반응 콘텐츠에서는 시각 자극에 따른 손가락 움직임이 있을 때 마다 근육 활성도가 나타났다.
트래킹 콘텐츠에서 주어지는 모양에 따라 손가락 움직임이 얼마나 정밀하게 트래킹 하는 지를 상관관계로 분 석하고, sEMG 신호 변화는 손가락 움직임과 관련한 근 육인 심지굴근에서 근 활성도를 확인하였다. 실험은 모든 손가락을 동시 탭핑할 때와 각 손가락 별로 탭핑할 때 콘 텐츠에서 주어지는 트래킹 모양을 잘 따라가는 지와 sEMG 신호 변화에 대한 결과들을 그림 5에 보여주고 있다.

대상 데이터

개발에 사용된 MCU는 소형 임베디드 제 작에 적합한 Cortex M3이고, 여기서 내장된 12bit ADC를 50Hz 샘플링하고 가변저항을 이용하여 0∼ 3,800의 Raw 값이 출력되도록 조절하였다.
sEMG 전극 위치는 그림 2와 같이 검지, 중지, 약지, 소지에서 손가락 끝 마디뼈의 굴곡에 가장 많이 관여하 는 심지굴근(Flexor Digitorum Profundus)에 부착하 였다. 센서는 Laxtha사의 Am530을 사용하였으며, 전극 은 미세한 sEMG 변화를 측정하는 데 높은 감도를 가지 는 Ag/AgCI(bipolar)으로 하였다.

성능/효과

트래킹을 하는 동안 손가락 움직임에 대한 근육의 활성화가 잘 이루어졌는지에 대한 상관 계수 결과들은 표 1에 나타냈다. 각 손가락 움직임과 심지굴근에서의 근 활성도가 높은 상관계수를 나타냈다. 이런 결과를 바탕으로 Tracking 콘텐츠로 손가락 움직임과 관련한 훈련이 이루어진다면 심지굴근의 활성화가 일어나기 때문에 반복 적인 훈련으로 손가락 움직임에 대한 조절능력을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.
모든 실험 결과는 손가락 움직임이 있을 때마다 심지굴근에서 근 활성도가 나타났다. 그래서 본 연구에서 제작된 FTD(Finger Tapping Device)는 손가락 움직임에 대한 정량적 측정이 가능한 재활 기기로 사용이 가능하고, 콘텐츠는 FTD를 이용한 재활 훈련용으로 사용이 가능할 것이다.
이것은 본 연구에 참여하는 피험자의 구성이 20대 정상인이므로 정밀하게 손 움직임이 가능한 결과로 보인다. 손가락을 동시 탭핑과 개별적 탭핑에 대한 평균 상관계수와 표준편차를 비교하였을 때, 모든 손가락을 동시에 사용하는 것보다 각 손가락만을 사용하는 것이 전체적으로 높게 나타났다. 이는 동시에 네 손가락을 정밀하게 움직이기 위한 집중력과 정밀함이 더 필요하다는 것을 의미한다
시각 반응 콘텐츠를 통한 시각 반응에 대한 FTD의 각 손가락별 반응 시간은 표 2와 같이 검지의 경우 평균 0.463초이고 중지는 0.470초, 약지는 0.480초, 소지는 0.485초로 나타났다. 피험자들의 평균 반응 시간은 검지, 중지, 약지, 소지 순으로 빠르게 측정되었고, FTD 반응 시간의 최대 차이는 검지와 소지에서 0.
336초로 측정되었다. 전체 적으로 시각반응에 따라 비슷한 시간 내에 손가락 움직임이 발생한 것을 알 수 있지만, sEMG 신호가 손가락 움직임보다 좀 더 빠른 반응 시간을 나타났다. 이것은 전기 역학적 지연으로 인한 결과로 판단된다^[14].
첫 번째, 트래킹과 시각 반응 콘텐츠를 수행할 때 심지굴근의 근육 활성도를 분석하였다. 트래킹 콘텐츠에서는 손가락이 정밀하게 움직일 때, 이에 대한 근육 활성도의 증가가 심지굴근에서 뚜렷하게 발생하는 것으로 나타났고, 시각 반응 콘텐츠에서는 시각 자극에 따른 손가락 움직임이 있을 때 마다 근육 활성도가 나타났다. 두 번째, 민첩성 실험을 위한 시각 반응 콘텐츠에서는 시각 반응 후 손가락 움직임으로 인한 FTD 데이터가 획득되는 시간과 근육에서의 sEMG 신호가 발생하는 시간을 비교하였다.
485초로 나타났다. 피험자들의 평균 반응 시간은 검지, 중지, 약지, 소지 순으로 빠르게 측정되었고, FTD 반응 시간의 최대 차이는 검지와 소지에서 0.022초의 시간 차 이가 나타났다. 이는 손가락 별로 민첩성에 대한 측정이 가능하며, 이를 통해 민첩성 훈련이 필요하거나 불편한 손가락을 확인하고 집중적으로 훈련을 할 수 있을 것이다.

후속연구

모든 실험 결과는 손가락 움직임이 있을 때마다 심지굴근에서 근 활성도가 나타났다. 그래서 본 연구에서 제작된 FTD(Finger Tapping Device)는 손가락 움직임에 대한 정량적 측정이 가능한 재활 기기로 사용이 가능하고, 콘텐츠는 FTD를 이용한 재활 훈련용으로 사용이 가능할 것이다.
따라서 손가락의 민첩성과 손놀림이 향상되면 뇌의 기능 향상으로 이어진다 ^[15]. 그래서 여러 가지 콘텐츠를 제작하여 FTD를 사용한 손가락 운동으로 유아의 뇌 기능 발달과 노인들의 뇌 기능 유지의 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
마지막으로 손가락 조절 콘텐츠는 각 손가락 조절능력을 위한 기능성 게임 콘텐츠로서 정량적인 분석은 이루어지지 않았지만, 피험자들의 심지굴근에 근 활성화가 있기 때문에 손가락 조절 능력이 필요한 재활 훈련에 사용이 가능할 것으로 보인다.
본 논문에서의 시험 방법이 적은 수의 피험자 대상이고, 노화, 성별, 병력의 유무에 따라 세분화 되지 않은 조건으로 진행한 한계점은 있었지만, 재활 환자를 대상으로 손가락 조절 능력, 정밀성, 민첩성의 향상 여부를 비교 실험한다면 정량적으로 손가락 훈련 결과를 평가 할 수 있을 것이다.
022초의 시간 차 이가 나타났다. 이는 손가락 별로 민첩성에 대한 측정이 가능하며, 이를 통해 민첩성 훈련이 필요하거나 불편한 손가락을 확인하고 집중적으로 훈련을 할 수 있을 것이다.
각 손가락 움직임과 심지굴근에서의 근 활성도가 높은 상관계수를 나타냈다. 이런 결과를 바탕으로 Tracking 콘텐츠로 손가락 움직임과 관련한 훈련이 이루어진다면 심지굴근의 활성화가 일어나기 때문에 반복 적인 훈련으로 손가락 움직임에 대한 조절능력을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재활 치료 기구의 문제를 제외한 재활 치료과정의 문제점은 무엇인가?	이와 같은 재활 치료과정은 대부분 병원에서 환자가 방문하여 이루어지기 때문에 시간과 비용 부담이 될 뿐 만 아니라 재활치료사와 환자가 일대일로 진행하므로 환 자의 능동적인 참여가 부족하여 재활 훈련에 대한 최대 효율을 기대할 수 없다[7]. 또한, 재활 치료의 효용성이 높 은 기구일수록 고가의 장비이고 설치를 위한 공간 확보 에 있어서 중요한 문제가 될 수 있다.
	일반적인 악력계를 사용한 재활도구의 특징은 무엇인가?	이런 연구들은 힘이 매우 약한 중증 손상 환자, 어린이, 노인들 은 힘이 부족하기 때문에 악력계를 사용하여 게임 콘텐 츠를 진행할 시 손가락 움직임의 한계를 겪을 수 있다. 또한, 대부분의 재활도구들은 각 손가락에 대한 움직임이 아닌 모든 손가락을 사용하여 움켜쥐었을 때의 악력을 측정하거나 훈련을 진행하기 때문에 손가락의 운동 능력 중 각 손가락의 정밀도와 조절능력에 제한이 있다.
	손의 운동 능력을 평가하고 정상 상태를 유지 또는 개선시키기 위한 방법에 대한 연 구의 결과 얻은 결론은 무엇인가?	그러므로 손의 운동 능력을 평가하고 정상 상태를 유지 또는 개선시키기 위한 방법에 대한 연 구가 필요하다[4]. 이에 대한 연구 결과들 중에 인간의 운 동계(Human motor system)는 상당한 가소성을 유지 하고 있기 때문에 집중적인 재활 운동을 통해 장애를 감 소시킬 수 있다고 하였다[5]. 그리고 노화 또는 질환으로 발병되는 수부의 운동능력 감소는 근력훈련으로 회복이 가능하다는 것을 편마비 환자를 대상으로 진행된 실험에 서 의식적인 손가락 움직임을 강화시키는 훈련 시 손가 락과 손의 기능이 증진되었다고 하였다[6].

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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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