초록 ▼

제1세부과제 FES의 임상실험 및 컴퓨터모델 FES 일어서기의 균형제어와 보행에 관한 범용 컴퓨터 모델을 개발하기 위한 목적 의 일환으로 우선 현재 본 연구진이 사용하고 있는 일어서기 모델에 관절의 수동 힘, 즉 관 절의 골격구조와 인대 등으로 인한 토크를 관절각도에 대한 함수로 나타내어 첨가하였다. 관절의 수동 힘은 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작지만 관절의 각도가 운동범위의 경 계에 접근하면 급격히 커지는 특성을 가지고 있으므로 양쪽(굽힘과 펴짐) 경계 부근에서 각 도에 대한 지수함수로 나타내고, 토크의 증가율을 나타내는

제1세부과제 FES의 임상실험 및 컴퓨터모델 FES 일어서기의 균형제어와 보행에 관한 범용 컴퓨터 모델을 개발하기 위한 목적 의 일환으로 우선 현재 본 연구진이 사용하고 있는 일어서기 모델에 관절의 수동 힘, 즉 관 절의 골격구조와 인대 등으로 인한 토크를 관절각도에 대한 함수로 나타내어 첨가하였다. 관절의 수동 힘은 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작지만 관절의 각도가 운동범위의 경 계에 접근하면 급격히 커지는 특성을 가지고 있으므로 양쪽(굽힘과 펴짐) 경계 부근에서 각 도에 대한 지수함수로 나타내고, 토크의 증가율을 나타내는 상수를 각 관절에 따라 이미 발 표된 실험결과를 바탕으로 결정하였다. 하반신 마비환자가 FES에 의하여 일어서 있을 때 현재까지는 양 발을 나란히 한 상태를 기본적으로 가정하였으나 환자에 따라서 발을 앞뒤로 놓는 경우가 바람직할 수도 있 으며, 또 이러한 자세는 보행시 양 발이 모두 지면에 닿아 있는 구간, 즉 이중지지단계 (double support phase)에 해당되므로 이를 나타내기 위한 (평면)모델을 개발하고 있다. 인체의 하반신을 5개의 관절(양 발목, 양 무릎과 고관절)로 구성된 closed kinematic chain 으로 구현하였고, 즉 허리 아래 부분을 5-bar linkage 시스템으로 가정하였으며 이 모델을 바탕으로, 양 발목과 무릎에 작용하는 근육을 사용하여 신체의 위치를 조절하는 제어방식을 찾고 있다. FES 보행의 임상실험은 FES 엑서사이즈 시작 17개월 후, 일어서기 연습을 6개월 한 후 자유자재로 일어서고 균형을 잡을 수 있는 상태에서 시작하였다. 평행봉을 잡고 일 어선 자세를 안정시킨 후 한쪽 손을 앞으로 이동시키고 상체를 앞으로 기울이며 (앞으로 나간 손과는) 반대쪽 다리의 전기자극을 끄고 자의로 다리를 들어 앞으로 옮긴후 전기를 켜 앞으로 내딛을 수 있도록 하였다. 이동한 다리와 같은쪽 손을 다시 앞으로 옮겨준 뒤 (상체를 기울이며 반대쪽 다리의 전기를 끄고 자의로 무릎을 들어) 반대쪽 다리를 옮겨 전 기자극을 가해 발을 지면에 디디도록 하는데 이를 한 보행주기로 하여 몸을 안정시키며 보 행할 수 있을 때까지 계속하였다. 본 실험에 참가한 환자는 실험에 참가하기 시작한 때에 비하여 무릎신근의 근력이 약 13배 증가하였고, 현재 약 3분간 30m 정도를 걸을 수 있으 나 피로저항성은 그다지 증가하지 않았다. 평행봉에서의 보행에 익숙해진 뒤 워커를 사용한 보행을 시작하였다. 우선 워커에 익숙해지기 위해 양쪽 다리에 전기자극을 가한 상태에서 워커를 조금씩 민 후 양다리를 앞 으로 끌며 이동하도록 하였다. 이후 양다리에 전기 자극이 가해지는 상태에서 워커를 민 후 한쪽 다리씩 앞으로 옮겨 주는 연습을 하였다. 보행시 스윙단계에서 무릎을 들어올릴 때 발끝이 지면에 닿지 않고, 보다 자연스러운 보행모습과 보행속도를 갖기 위해 peroneus nerve(PN)을 자극하여 굴곡반사(flexion reflex)를 유발하였다. 본 연구에 참가한 환자는 오 랜 기간의 전기자극을 통하여 상당한 생리적 기능향상을 나타내고 있다. 즉, 양 발을 각각 지면으로부터 10cm이상 들어올릴 수 있게 되었기 때문에 PN을 사용하지 않고도 걸을 수 있으며 다리의 감각기능도 상당히 향상되었다. FES 보행시 고관절, 무릎관절, 발목관절의 각도를 측정하여 자극프로토콜에 따른 관절각도의 특징을 정상인, 타기관에서의 하반신 마비환자의 FES 보행과 비교하여 분석하 였다. 또 보행연습을 거듭함에 따라 보행모습이 어떻게 변화하는지, 어떤 자극방식이 환자 로 하여금 가장 정상인의 모습에 가깝게 보행하도록 하는지를 조사하고자 고니오미터를 사 용하였다. Programmable FES 시스템의 개발 FES시 효율적으로 근육자극을 수행하기 위하여 8-channel 자극 펄스생성시스템을 개발하였다. 이 때 사용자가 channel(ch)을 자유로이 독립적으로 선택할 수 있도록 개인 용 컴퓨터(PC)상에서 작성한 프로그램에 의해 ch별 출력파형의 규격을 결정한 후 이를 D/A-conversion하여 0∼5V 범위의 아날로그신호로 변환하였다. 변환된 신호를 30배 증폭 하는 buffer amp를 제작하여 최종적으로 0∼150V의 자극신호를 얻었다. 인터페이스 보드 는 pulse generation board(PGB)와 D/A-converter board(DAB)의 두 장으로 구성하였으며 80196KC를 마이크로 프로세서로 사용하였다. 전체 구성도는 그림과 같다.

Abstract ▼

Functional electrical simulation(FES) has become one of the major means to recover mobility to the plegic. The ultimate goal of this research was to provide a basic and thorough background for a generally acceptable multichannel FES system and its clinical application. For the past three years we ob

Functional electrical simulation(FES) has become one of the major means to recover mobility to the plegic. The ultimate goal of this research was to provide a basic and thorough background for a generally acceptable multichannel FES system and its clinical application. For the past three years we obtained the following results. First, we designed and fabricated an 8-channel surface electrode stimulation system for paraplegic standing and walking. This system is totally controlled by a PC; the stimulation pattern generated by the PC is transformed into pulse trains by microprocessors. We employed this system for FES walking of a 41-year-old male paraplegic patient. The patient can now walk up to 30 meters at the speed of about 10m/s. In addition to such functional benefits, the patient can voluntarily lift his legs by 10cm and the sensation is much better than 3 years ago due to the FES exercise and training. We therefore could reduce the number of channels, i.e., we do not have to stimulate the peroneal nerve to cause flexion reflex. We also investigated how the major joint angles change in the sagittal plane during the FES walking. The device we used consists of three one-turn goniometers, levers and Velcro straps. The experimental results were compared with normal walking and other paraplegic FES walking obtained at various research institutes. This enabled us to provide a criterion to modify the nominal stimulation pattern for a better paraplegic walking. The optimal stimulus parameters which can minimize muscle fatigue achieve effective muscle contraction were determined for atrophied muscles. The fatigue index was measured from 2 minute tetanic contraction in T6 spinal cord injured Sprague-Dawley rats. Optimal parameters we obtained for slow muscles were 20Hz frequency and 0.2ms pulse width. For fast muscles, 40 Hz and 0.3ms were optimal to reduce muscle fatigue. We also investigated effects of the electrical stimulation on functional recovery following spinal cord injury in Sprague-Dawley rats. We measured mechanical properties of muscle contraction including contraction time, half relaxation time, maximum twitch tension, maximum tetanic tension, and fatigue index in soleus and medical gastrocnemius, and the number of c-fos immunoreactive cells was counted in the upper lumbar cord. Maximum twitch tension, maximum tetanic tension, and fatigue index of both muscles following spinal cord injury significantly decreased compared to the control group (p<0.01). The number of c-fos immunoreactive cells increased remarkably at the upper lumbar cord in electrically stimulated rats. These results may suggest that electrical stimulation can not only prevent muscle atrophy through efferent nerve fibers, but also promote functional plasticity through afferent nerve fibers by activating silent synapses and regulation of receptors for neurotransmitters.

목차 Contents

• 목 차...11
• 제1장 서론...12
• 제2장 국내외 기술개발 현황...17
• 2.1 국외...17
• 2.2 국내(본인)...18
• 2.3 국내(본인 이외)...20
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...21
• 3.1 제1세부과제...21
• 3.1.1 FES의 임상실험 및 컴퓨터모델...21
• 3.2 제2세부과제...47
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대회기여도...81
• 4.1 제1세부과제...81
• 4.2 제2세부과제...82
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...83
• 5.1 FES 보행...83
• 5.2 FES 자극 시스템...83
• 제6장 참고문헌...83