[논문]단계별 무릎 재활을 위한 근전도 및 관성센서 피드백 기반 외골격 시스템 개발

김종운; 김가을; 지영범; 이아람; 이현주; 태기식

doi:10.9718/jber.2019.40.6.223

[국내논문] 단계별 무릎 재활을 위한 근전도 및 관성센서 피드백 기반 외골격 시스템 개발
Development of a Knee Exoskeleton for Rehabilitation Based EMG and IMU Sensor Feedback 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.40 no.6, 2019년, pp.223 - 229

김종운 (건양대학교 의공학부) , 김가을 (건양대학교 의공학부) , 지영범 (건양대학교 의공학부) , 이아람 (건양대학교 의공학부) , 이현주 (건양대학교 물리치료학과) , 태기식 (건양대학교 의공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The number of knee-related disease patients and knee joint surgeries is steadily increasing every year, and for knee rehabilitation training for these knee joint patients, it is necessary to strengthen the muscle of vastus medialis and quadriceps femoris. However, because of the cost and time-consuming difficulties of receiving regular hospital treatment in the course of knee rehabilitation, we developed knee exoskeleton using rapid prototype for knee rehabilitation with feedback from the electromyogram (EMG) and inertia motion unit (IMU) sensor. The modules was built on the basis of EMG and an IMU sensor applied complementary filter, measuring muscle activity in the vastus medialis and the range of joint operation of the knee, and then performing the game based on this measurement. The IMU sensor performed up to 97.2% accuracy in experiments with ten subjects. The functional game contents consisted of an exergaming platform based on EMG and IMU for the real-time monitoring and performance assessment of personalized isometric and isotonic exercises. This study combined EMG and IMU-based functional game with knee rehabilitation training to enable voluntary rehabilitation training by providing immediate feedback to patients through biometric information, thereby enhancing muscle strength efficiency of rehabilitation.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. (a) 가속도, (b) 각속도, (c) 상보 필터 파형 Fig. 1. (a) Acceleration, (b) gyroscope (b) and (c) complementary filter waveforms
표 표 1. 상보필터를 적용한 관성측정 센서의 정확도 평가 Table 1. System evaluation of IMU using complementary filter
그림 그림 2. 무릎 재활 외골격 시스템 (a) 착용 전, (b) 후, (c) 운동게임 장면 Fig. 2. (a) Before, (b) after and (c) exergaming state wearing knee exoskeleton
그림 그림 3. 무릎 재활 외골격 시스템 구성도 Fig. 3. Configuration of knee exoskeleton system for rehabilitation
그림 그림 4. 게임 초기 화면 Fig. 4. Initial screen of game
표 표 2. Bluetooth Basic과 BLE의 소비 전력 Table 2. Consumption power of bluetooth basic and BLE
그림 그림 5. 게임 내 3 가지 위치 Fig. 5. Three positions in game
그림 그림 6. 게임 모드: (a) IMU 게임화면, (b) EMG 게임 초기 화면(초기 EMG 값 측정), (c) 운동 중EMG 게임 화면 Fig. 6. Exergame modes: (a) IMU game, (b) EMG game (Initial EMG value measurement) and (c) EMG game during exercise
그림 그림 7. (a) 등장성 및 (b) 등척성 운동게임 Fig. 7. (a) Isotonic and (b) isometric exercise in game

AI 본문요약
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문제 정의

기능성 게임에서 근전도를 시각적 피드백 요소로 사용할 뿐만 아니라 게임의 제어 요소로도 사용한다면 환자의 자발적이고 적극적인 참여를 유도하여 근력 향상에 도움이 될 것으로 보이지만, 아직 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 환자의 무릎관절가동범위와 근력 향상을 위해 관성 측정 센서(IMU), 근전도(EMG)를 기반으로 한 무릎 외골격 시스템을 개발하고 시각적 피드백이 가능한 기능성 게임과 이와 연동하여 실제 단계별 재활에 이용할 수 있는 홈 케어 시스템을 개발하고자 하였다.
따라서 안쪽빗넓은근에 대한 체계적이고 집중적인 강화 운동이 요구된다. 무릎의 근력강화 운동은 무릎관절의 안정성 확보와 무릎뼈의 이동경로 이탈 방지, 관절각도에 따라 외적 토크에 따른 근육의 내적 토크 활성화를 목적으로 한다. 이는 환자의 통증 및 염증을 감소시키고, 일상생활 동작을 통해 삶의 질을 증가시키는데 중요하다.
본 연구에서는 개발된 무릎 재활 외골격 시스템을 활용해 재활치료를 위한 게임 콘텐츠를 개발하였다.
본 연구에서는 무릎 재활훈련을 위한 홈 케어용 외골격형 재활 훈련기기 및 이와 연동하여 시행할 수 있는 EMG와 IMU를 기반 기능성 게임을 개발하였다. 하드웨어 인터페이스는 Arduino Nano, IMU 센서와 EMG, 저전력 블루투스 통신을 이용해 구성하였으며, 이를 무릎 보조기기에 부착하여 웨어러블 무릎 재활 외골격 시스템을 제작함으로써 무릎관절의 재활이 필요한 환자에게 무릎 손상 없이 단계별 관절 안정성 근력운동이 가능하도록 하였다.
상보필터가 적용된 센서에 대한 성능평가를 진행하기 위해 시스템의 주요 기능으로 각도의 정확도를 측정하기 위한 실험을 진행하였다. 대상자는 과거 무릎 관절 질환 병력이 없는 정상 성인 10명을 대상으로 하였으며, 측정 방법은 초기 각도(initial Angle) 값을 130°로 설정한 후 피실험자의 무릎에서 측정된 각도(measurement angle) 값과 비교를 식 (2)와 같이 오차율을 백분율로 변환하여 표기하였다.

제안 방법

캐릭터의 위치는 무릎을 완전히 폈을 때의 기준을 180°라고 할 때, 180°~150°면 높은 위치로 올라가고, 무릎의 각도가 150~100°일 때는 중간 위치로, 무릎의 각도가 100°~80°면 낮은 위치로 움직여서 캐릭터의 위치에 따라 보석을 얻는 게임으로 설계하였다. 각 각도 범위는 무릎을 구부린 상태에서 펼 때 넙다리 네 갈래근의 내적인 토크가 증가, 유지, 감소됨에 따라 초기, 중간, 끝 범위로 나누었다. 그리고 환자의 무릎 각도를 실시간으로 알려주기 위해 게임 화면 좌측 상단에 표시하였다.
개발한 기능성 게임은 안쪽빗넓은근의 근력 강화 및 무릎관절의 안정성에 중요한 등척성 운동과 등장성 운동을 반복 진행하도록 하여 환자의 수준별, 단계별 무릎관절의 폄과 굽힘을 유도하였고, 환자가 그 동작을 집중적으로 몰입할 수 있도록 게임요소를 삽입하였다.
그림 5는 게임 내 3가지 위치를 보여준다. 게임에서 등장하는 보석의 위치는 무작위로 나오는 것이 아니라 등장성, 등척성 두가지 운동을 위해 설정된 목표에 도달하기 위한 동기부여가 될 수 있도록 단계별 재활에 따라 난이도가 조절되도록 설정하였다.
게임의 두 모드의 진행방식은 등장성 운동과 등척성 운동의 반복으로 동일하다. 게임에서 이 운동들은 보석의 생성 방식으로 각각 구현하였다. 먼저 등장성 운동을 진행하기 위하여 보석을 지그재그 형태로 배치되어 나오게 한다.
그리고 무릎 재활운동을 위한 등장성 운동과 등척성 운동을 번갈아서 시행할 수 있도록 게임 콘텐츠를 설계하였다. 게임은 2가지 모드로 나누어 구성하였는데 근력이 거의 없는 무릎 재활 초기 환자에게는 IMU 기반의 게임을, 무릎 재활을 통해 근력이 어느 정도 돌아온 환자에게는 EMG 기반의 게임을 선택할 수 있게 하였다. 그림 4는 게임의 모드를 선택할 수 있는 초기 화면이다.
본 연구에서는 개발된 무릎 재활 외골격 시스템을 활용해 재활치료를 위한 게임 콘텐츠를 개발하였다. 게임은 UNITY 프로그램(Ver. 2018.3.0f2, Unity Technologies, USA)을 통해 개발하였고 게임은 안드로이드 OS를 기반 App으로 제작하여 휴대기기로 다운받아 게임을 할 수 있도록 하였다.
게임은 기본적으로 2D running game 형태로, 게임 오브젝트(여우 캐릭터)가 왼쪽에서 오른쪽으로 전진해 나아가는 형태로 제작하였고 오른쪽에서 자동으로 등장하는 보상 오브젝트(보석)를 획득하여 점수를 올리는 방식으로 두 모드 동일하게 게임이 진행되게 하였다. 이때 등장하는 보석들은 개발자가 임의로 설정한 위치인 높은 위치, 중간 위치, 낮은 위치로 3가지 높이에 맞춰 등장한다.
게임은 기본적으로 무릎 재활 환자를 위한 운동 중 ‘앉아서 무릎 굽혔다 펴기’ 운동을 통해 얻어지는 무릎 각도와 사용하는 근육의 활성도를 각각 측정한 센서값들을 게임 요소로 사용하였다.
0 mm이며 전원 차단 모드/저전력 모드가 가능하다. 관성 계측장치에는 3축 가속도계와 3축 각 속도계가 내장되어 있어 진행 방향, 횡방향, 높이 방향의 가속도와 롤링(roll), 피칭(pitch), 요(yaw) 각속도의 측정이 가능하며, 관성 센서로부터 얻어지는 가속도와 각속도를 적분하여 이동 자세에 따른 데이터를 산출하여 무릎의 관절가동범위를 측정하였다.
이는 제작한 무릎 재활 외골격 시스템의 IMU와 EMG 센서로 각각 측정하였고 이를 통해 얻어진 데이터들은 블루투스를 사용하여 실시간으로 게임과 연동되도록 제작하였다. 그리고 무릎 재활운동을 위한 등장성 운동과 등척성 운동을 번갈아서 시행할 수 있도록 게임 콘텐츠를 설계하였다. 게임은 2가지 모드로 나누어 구성하였는데 근력이 거의 없는 무릎 재활 초기 환자에게는 IMU 기반의 게임을, 무릎 재활을 통해 근력이 어느 정도 돌아온 환자에게는 EMG 기반의 게임을 선택할 수 있게 하였다.
이 게임을 실행하면 ‘등장성 운동 3번 실행 후 등척성 운동 1번 실행’, 그리고 이것이 반복되는 식으로 게임이 진행되며 사용자에 따라 자체적으로 설정할 수 있다. 두 모드는 캐릭터가 일정 이상의 보석을 획득하면 게임이 종료될 수 있도록 설계하였다. 얻을 수 있는 보석을 조절하여 개발한 무릎재활 프로그램의 진행 시간을 조절할 수 있으며, 이는 사용자가 개인에 맞춰서 단계별로 조절할 수 있도록 설계하였다.
개발한 기능성 게임은 안쪽빗넓은근의 근력 강화 및 무릎관절의 안정성에 중요한 등척성 운동과 등장성 운동을 반복 진행하도록 하여 환자의 수준별, 단계별 무릎관절의 폄과 굽힘을 유도하였고, 환자가 그 동작을 집중적으로 몰입할 수 있도록 게임요소를 삽입하였다. 또한 그래프로 시각화 하여 근활성도를 피드백 함으로써 재활의 효율을 높이고, 얻은 보석의 개수를 통해 흥미를 느낌으로써 동기부여가 될 수 있도록 구성하였다. 재활의 경과에 따라 IMU 모드와 EMG 모드 중 하나를 선택하여 환자가 단계별로 무릎관절 재활을 진행할 수 있도록 하였다.
하드웨어 인터페이스는 Arduino Nano, IMU 센서와 EMG, 저전력 블루투스 통신을 이용해 구성하였으며, 이를 무릎 보조기기에 부착하여 웨어러블 무릎 재활 외골격 시스템을 제작함으로써 무릎관절의 재활이 필요한 환자에게 무릎 손상 없이 단계별 관절 안정성 근력운동이 가능하도록 하였다. 또한 하드웨어 인터페이스와 기능성 게임을 저전력 블루투스 통신과 Plug In을 구성하여 연결함으로써 근활성도와 무릎의 각도를 이용해 게임을 진행할 수 있도록 하였다. 이때 무릎각도의 정확성을 위해 상보필터를 적용하였으며 오차율에 따른 시스템 성능을 통해 외골격 시스템의 정확성은 97.
또한 무릎의 각도를 제한시킬 수 있는 잠금 장치가 내장되어있기 때문에 무릎관절의 운동 범위를 제한시켜 단계별로 재활이 가능하고, 무릎관절면 안정성을 유지시켜 이탈을 방지하며, 올바른 자세를 유지할 수 있는 보조기기로 사용 가능하다. 무릎의 각도와 안쪽빗넓은근의 근활성도를 측정하기 위해 본 연구에서는 무릎 보조기기와 IMU 2개, EMG 1개를 사용하여 게임을 통한 무릎 재활훈련이 가능한 외골격 시스템을 제작하였다(그림 2).
본 연구에서 자료의 기록은 안쪽넓은근에서의 표면 근전도를 이용하고 처리는 Arduino Nano를 이용하여 근활성도를 측정하였다. 디지털 신호처리부로 신호를 전달하기 전에 아날로그 형태의 생체신호를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 ADC가 필수적이므로 이를 통해 0~1023까지의 수치로 변환하였다.
본 연구에서는 IMU 모듈과 EMG sensor의 신호를 SPI 통신으로 전송하기 위해 Arduino Nano와 HM-10 모듈을 사용해 통신 하드웨어를 구성하였다. 데이터 자료를 수집한 하드웨어는 구현을 위해 모바일 기기와의 통신이 가능해야 한다.
두 모드는 캐릭터가 일정 이상의 보석을 획득하면 게임이 종료될 수 있도록 설계하였다. 얻을 수 있는 보석을 조절하여 개발한 무릎재활 프로그램의 진행 시간을 조절할 수 있으며, 이는 사용자가 개인에 맞춰서 단계별로 조절할 수 있도록 설계하였다.
게임은 기본적으로 무릎 재활 환자를 위한 운동 중 ‘앉아서 무릎 굽혔다 펴기’ 운동을 통해 얻어지는 무릎 각도와 사용하는 근육의 활성도를 각각 측정한 센서값들을 게임 요소로 사용하였다. 이는 제작한 무릎 재활 외골격 시스템의 IMU와 EMG 센서로 각각 측정하였고 이를 통해 얻어진 데이터들은 블루투스를 사용하여 실시간으로 게임과 연동되도록 제작하였다. 그리고 무릎 재활운동을 위한 등장성 운동과 등척성 운동을 번갈아서 시행할 수 있도록 게임 콘텐츠를 설계하였다.
이렇게 측정된 EMG값을 최소값과 최대값으로 분류하고 여기서 분류한 최대, 최소 EMG 값은 캐릭터 동작을 위한 기준 근활성도로 사용되며 두 값 사이의 범위를 Mapping 하여 캐릭터가 상하로 움직일 때의 범위가 나누어지도록 값을 지정하였다. 이를 통해 개인마다 다른 근활성도의 범위가 나타나도 각 환자에게 알맞은 EMG 범위를 기준 근활성도로 설정하여 진행할 수 있도록 하였다. 그림 6(c)는 ‘EMG 모드 게임’ 에서의 운동 중 EMG 모드의 화면을 보여준다.
이때 등장하는 보석들은 개발자가 임의로 설정한 위치인 높은 위치, 중간 위치, 낮은 위치로 3가지 높이에 맞춰 등장한다. 이에 따라 사용자는 IMU 혹은 EMG 센서가 부착된 무릎 재활 외골격 시스템을 착용하고 움직임으로부터 얻어지는 각 센서값들을 사용하여 여우 캐릭터를 상하로 이동할 수 있도록 게임을 설계하였다. 그림 5는 게임 내 3가지 위치를 보여준다.
또한 그래프로 시각화 하여 근활성도를 피드백 함으로써 재활의 효율을 높이고, 얻은 보석의 개수를 통해 흥미를 느낌으로써 동기부여가 될 수 있도록 구성하였다. 재활의 경과에 따라 IMU 모드와 EMG 모드 중 하나를 선택하여 환자가 단계별로 무릎관절 재활을 진행할 수 있도록 하였다.
그림 6(c)는 ‘EMG 모드 게임’ 에서의 운동 중 EMG 모드의 화면을 보여준다. 초기 EMG 측정이 끝나고 게임이 시작되면 게임 화면 왼쪽 하단에 사용자의 최대 EMG값과 최소 EMG을 표시하여 사용자는 재활이 진행됨에 따라 최대 EMG 값이 변화함을 직관적인 수치로 확인 할 수 있도록 하였다. 게임 진행 시 실시간으로 측정되는 근활성도가 기준 근활성도 최대 EMG 값의 70% 이상인 경우에는 캐릭터가 높은 위치로 올라가고 기준 근활성도 최소 EMG 값의 140% 이하인 경우에는 캐릭터가 낮은 위치로 내려가며, 이 두 값의 중간범위 값일 때에는 중간 위치로 이동하게 하였다.
캐릭터의 위치는 무릎을 완전히 폈을 때의 기준을 180°라고 할 때, 180°~150°면 높은 위치로 올라가고, 무릎의 각도가 150~100°일 때는 중간 위치로, 무릎의 각도가 100°~80°면 낮은 위치로 움직여서 캐릭터의 위치에 따라 보석을 얻는 게임으로 설계하였다.
데이터 자료를 수집한 하드웨어는 구현을 위해 모바일 기기와의 통신이 가능해야 한다. 통신과정에서 BLE를 이용한 통신을 실시함으로써 기존 Bluetooth Basic보다 저전력 방식 시스템을 구축하였다. 표 2는 Bluetooth 모듈의 소비 전력을 나타낸다.
본 연구에서는 무릎 재활훈련을 위한 홈 케어용 외골격형 재활 훈련기기 및 이와 연동하여 시행할 수 있는 EMG와 IMU를 기반 기능성 게임을 개발하였다. 하드웨어 인터페이스는 Arduino Nano, IMU 센서와 EMG, 저전력 블루투스 통신을 이용해 구성하였으며, 이를 무릎 보조기기에 부착하여 웨어러블 무릎 재활 외골격 시스템을 제작함으로써 무릎관절의 재활이 필요한 환자에게 무릎 손상 없이 단계별 관절 안정성 근력운동이 가능하도록 하였다. 또한 하드웨어 인터페이스와 기능성 게임을 저전력 블루투스 통신과 Plug In을 구성하여 연결함으로써 근활성도와 무릎의 각도를 이용해 게임을 진행할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

대상자는 과거 무릎 관절 질환 병력이 없는 정상 성인 10명을 대상으로 하였으며, 측정 방법은 초기 각도(initial Angle) 값을 130°로 설정한 후 피실험자의 무릎에서 측정된 각도(measurement angle) 값과 비교를 식 (2)와 같이 오차율을 백분율로 변환하여 표기하였다.

이론/모형

그림 1의 b를 나타내는 각속도는 고주파 영역에서 응답 특성이 좋지만 오랜 시간에 걸친 측정에서는 오차들이 쌓여 정확한 데이터를 측정할 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 센서들의 단점을 보완하기 위해 서로의 부족한 부분을 보충하여 값을 추출해 내는 방법인 상보 필터(complementary filter)를 이용하여 식 (1)과 같이 angle 값을 조정해 주었다. 그림 1의 c는 상보필터 신호를 나타낸다[17].

성능/효과

본 연구에서 기기 개발에 사용된 관성 측정 센서(LSM9DS0, STMicroelectronics, Switzerland)는 4×4×1.0 mm이며 전원 차단 모드/저전력 모드가 가능하다.
대상자는 과거 무릎 관절 질환 병력이 없는 정상 성인 10명을 대상으로 하였으며, 측정 방법은 초기 각도(initial Angle) 값을 130°로 설정한 후 피실험자의 무릎에서 측정된 각도(measurement angle) 값과 비교를 식 (2)와 같이 오차율을 백분율로 변환하여 표기하였다. 오차율에 따른 시스템 성능(system performance)을 통해 외골격 시스템의 정확성은 약 97.2%를 나타냄을 확인할 수 있었다. 표 1은 실험 대상자의 신체 정보 및 실험 결과를 나타낸다.
또한 하드웨어 인터페이스와 기능성 게임을 저전력 블루투스 통신과 Plug In을 구성하여 연결함으로써 근활성도와 무릎의 각도를 이용해 게임을 진행할 수 있도록 하였다. 이때 무릎각도의 정확성을 위해 상보필터를 적용하였으며 오차율에 따른 시스템 성능을 통해 외골격 시스템의 정확성은 97.2%를 나타냄을 확인하였다.

후속연구

근전도와 관성센서 피드백 기반 무릎 재활 외골격 시스템은 근전도를 통해 시각 피드백이 가능한 기능성 게임으로써 무릎 질환 환자들의 재활운동 효율을 높이고, 관성 센서를 통해 각도에 따른 정확한 운동을 제시함으로써 가정에서도 단계별 재활운동이 가능하도록 환경을 제공이 가능할 것으로 사료되며 차후 임상에 활용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근전도(electromyogram: EMG)란 무엇인가?	최근 근활성도를 측정하고 이를 통해 피드백 훈련을 함으로써 근력을 강화하는 방법으로써 근전도(electromyogram: EMG)가 추천된다. 이때 얻어지는 근활성도를 이용하면 훈련의 강도와 시간, 반복횟수 등을 조절하여 효과적인 근력 강화 운동을 시행할 수 있다.
	수술 전후 무릎 재활의 중요성이 커지고 있는 이유는?	무릎 질환자 수와 함께 무릎관절 수술 건수가 2011년 44,385건에서 2017년 66,588건으로 증가하면서[1], 수술 전후 무릎 재활의 중요성이 강조되고 있다. 무릎관절 수술 환자의 일반적인 재활훈련은 초기에 관절가동범위(ROM: range of movement)를 확보한 후 등척성, 등장성, 등속성 운동을 이용한 무릎관절 주위 근력강화 훈련 중심으로 진행된다[2].
	근력 강화 방법으로 근전도(electromyogram: EMG)가 추천되는 이유는?	최근 근활성도를 측정하고 이를 통해 피드백 훈련을 함으로써 근력을 강화하는 방법으로써 근전도(electromyogram: EMG)가 추천된다. 이때 얻어지는 근활성도를 이용하면 훈련의 강도와 시간, 반복횟수 등을 조절하여 효과적인 근력 강화 운동을 시행할 수 있다. Dursun 등의 연구에서는 근전도를 활용한 재활훈련에 시각적 피드백으로써 접목하면 무릎관절의 기능이 향상되고 통증 강도도 낮아진다고 하였다[8].

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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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