KR101032798B1 - 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템 - Google Patents
근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템에 관한 것으로, 상기 척추 정위 교정 시스템은, 환자의 척추질환과 관련된 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 근전도 신호처리 모듈; 상기 근전도 신호처리 모듈로부터 수신한 정보를 기초로 척추 정위 교정 모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 척추 정위 교정 모듈로 전달하는 HCI 제어 모듈; 상기 제어 신호에 따라 환자의 부정렬된 척추를 정위로 교정하기 위한 척추정위 교정 모듈; 및 상기 근전도 신호처리 모듈로부터 실시간으로 정보를 수신하여 디스플레이 하고, 사용자로부터 입력받은 정보를 상기 HCI 제어 모듈로 전달하는 정보 디스플레이 및 피드백 모듈을 포함하여 구성됨으로써, 척추 질환을 유발시키는데 핵심이 되는 근육의 생체전기 신호 분석을 통해 척추 질환의 진단 및 치료가 자동으로 판단되어 수행될 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하여 근육의 상태와 기능을 파악하고 그 결과를 정량적 수치로 제공함으로써, 치료자가 척추 정위 교정 치료에 따른 환자의 근육 상태를 실시간으로 모니터링하면서 이를 기초로 척추 정위 교정을 수행할 수 있도록 하여 척추 디스크, 척추 측만증 등의 척추 부정렬 치료의 성공률을 높일 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
예전부터 근골격계 질환 중 가장 많은 부분을 차지하고 있는 척추질환은 인류가 기립자세로 생활하는 동안은 누구나 한번쯤 이로 인해 가벼운 통증을 경험한 적이 있을 정도로 흔한 질병이며, 추간판 탈출증 등에 의한 심각한 통증으로 일상생활을 영위하는 데 상당한 장애를 호소하는 사람도 늘고 있다.
이와 같은 척추질환은, 체중부하, 지상 반응력, 척추관절의 배열, 근력, 근발란스 등과 같이 척추의 정상적인 정렬상태를 유지해주는 요소들이 잘못된 습관이나 자세, 운동 등에 의해 척추의 부정렬 상태를 초래하여 발생하게 되는 것으로, 추간판 탈출증, 퇴행성 디스크, 척추회전이상, 측두하악관절 기능부전, 척추 측만증, 근육 통증 등과 같은 부정렬 증후군(The Malalignment Syndrome)을 포함하여 다양한 척추질환이 존재한다.
이러한 부정렬 증후군으로 인한 질환과 통증을 완화하고 척추관절 기능부전(spine joint disfunction)을 해결하기 위해, 즉 척추관절을 정상적인 배열 상태로 만들기 위해, 가장 중요한 것은, 각 척추의 배열을 담당하는 역할, 즉 중력에 대항하여 자세를 유지할 수 있도록 하는 근육, 척추의 움직임을 담당하는 근육 등과 같은 골격근을 치료하는 것이다.
종래 기술에 의하면, 이와 같은 골격근 치료를 위해, 치료자가 주관적인 의학적 판단만을 기초로 척추 교정술(Chiropractic Technique) 등의 도수치료 (Manual Therapy)를 행하였으며, 견인, 신연, 감압을 수행하는 장치와 척추 ROM(range of motion)의 움직임을 구현하는 장치를 이용하여 기계적인 동작 데이터만을 모니터링 하면서 피드백하는 방법을 제공하는데 그쳤다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하여 근육의 상태와 기능을 파악하고 그 결과를 정량적 수치로 제공함으로써, 치료자가 척추 정위 교정 치료에 따른 환자의 근육 상태를 실시간으로 모니터링하면서 이를 기초로 척추 정위 교정을 수행할 수 있도록 하여 척추 부정렬 치료의 성공률을 높일 수 있도록 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템은, 환자의 척추질환과 관련된 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 근전도 신호처리 모듈; 상기 근전도 신호처리 모듈로부터 수신한 정보를 기초로 척추 정위 교정 모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 척추 정위 교정 모듈로 전달하는 HCI 제어 모듈; 상기 제어 신호에 따라 환자의 부정렬된 척추를 정위로 교정하기 위한 척추정위 교정 모듈; 및 상기 근전도 신호처리 모듈로부터 실시간으로 정보를 수신하여 디스플레이 하고, 사용자로부터 입력받은 정보를 상기 HCI 제어 모듈로 전달하는 정보 디스플레이 및 피드백 모듈을 포함하여 구성된다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 방법을 수행하는 시스템은, 환자의 척추질환과 관련된 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하는 단계; 상기 생체전기 신호의 분석 결과에 따라 척추 정위 교정 기기를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 척추 정위 교정 기기에 의해 환자의 부정렬된 척추를 정위로 교정하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 치료자가 환자의 척추 부정렬을 치료하는 동안 환자의 근육의 전기적 신호를 분석한 데이터를 모니터링할 수 있도록 하여, 치료자가 분석 데이터를 피드백하여 환자의 상태를 파악하고 척추 정위 교정 장치가 수행하는 각 기능이 인체에 가하는 힘(Load)이 근육에 미치는 영향을 분석하여 그 힘의 양과 시간 등을 적절하게 제어할 수 있게 된다.
이에 따라 척추 교정 치료를 행하는 동안 환자가 편안함을 느낄 수 있고, 보다 정확하게 척추 부정렬을 치료하여 치료의 성공률을 높일 수 있게 된다.
도 1은 근육의 활동에 의해 발생되는 생체전기를 측정한 근전도 신호의 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 생체정보 분석 처리부의 상세 구성도,
도 4는 도 3에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 SEF 분석을 설명하기 위한 그래프,
도 5는 도 3에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 MEF 분석을 설명하기 위한 그래프,
도 6은 도 3에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 상관분석을 설명하기 위한 그래프,
도 7은 도 3에 도시된 근육 경직도 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 8 및 도 9는 도 3에 도시된 MVIC 정규화 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프, 그리고
도 10은 본 발명에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템에 의한 치료 과정의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템의 구성도,
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도 7은 도 3에 도시된 근육 경직도 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 8 및 도 9는 도 3에 도시된 MVIC 정규화 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프, 그리고
도 10은 본 발명에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템에 의한 치료 과정의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, '모듈'이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 수행하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 근육의 활동에 의해 발생되는 생체전기를 측정한 근전도 신호의 구성을 도시하는 도면이다.
근전도(electromyography; EMG) 신호는 몸을 지탱하고 움직임을 실행하는 신체 골격을 감싸고 있는 근육의 활동에 의해 발생되는 생체전기(bio-electricity)를 측정한 것으로, 신경섬유를 통해 근육의 기본 구성요소인 근섬유로 전달된 대뇌의 제어신호에서 발생되는 운동단위활동전위(motor unit action potential; MUAP)의 조합으로 구성된다. 즉, EMG 신호는 하나의 근육을 구성하는 복수의 운동단위들의 활동전위들을 합한 결과이다.
이러한 근전도 신호 속에는 대뇌에 의한 신경계통의 근섬유 제어 메커니즘에 대한 정보와 각 근섬유의 성질에 따른 활동전위 발생 및 전도 특성에 대한 정보 등이 포함되어 있다. 따라서, 이러한 근전도 신호를 적절한 방법을 통해 해석하면 그 속에 포함된 각종 정보를 파악할 수 있고, 이로써 근-신경계(neuro-muscular system)의 상태를 진단하여 이를 치료 정보로 활용할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템의 구성도로, 상기 시스템은 크게 근전도 신호처리 모듈(110), 3차원 각도 검출 모듈(120), HCI 제어 모듈(130), 척추정위 교정 모듈(140), 그리고 정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)을 포함하여 구성된다.
근전도 신호처리 모듈(110)은 환자의 척추질환과 관련된 근육의 생체전기 신호를 측정하고 분석하기 위한 것으로, 근전도 측정부(111), 근전도 수신 처리부(112), A/D 변환부(113), DMA 제어부(114), 생체정보 분석 처리부(115) 및 I/O 인터페이스(116)를 포함하여 구성된다.
근전도 측정부(111)는 척추질환에 관한 정보를 획득하기 위하여 관련된 근육에 표면유도전극 또는 정적 EMG 스캐너 도자 등을 사용하여 근육의 생체전기 신호를 검출한다.
근전도 수신 처리부(112)는 근전도 측정부(111)에 의해 검출된 신호를 수신하여 전처리를 수행하는 것으로, 근전도 측정부(111)로부터 수신한 미세신호를 예를 들어 50mV 이상의 전압 레벨로 증폭시키기 위한 증폭부와 잡음 제거를 위한 아날로그 필터부로 구성될 수 있다. 구체적으로, 수신한 마이크로 볼트(uV) 단위의 미세신호는 일단 저잡음 프리 앰프(low noise pre-amp)에 의해 미리 볼트(mV) 단위로 증폭되어 메인 앰프(main-amp)로 보내지고, 이 신호는 다시 메인 앰프에 의해 -2.5V 내지 2.5V 정도로 증폭되며, 증폭된 신호는 아날로그 필터부를 통과하면서 고주파 잡음이 제거되도록 구현될 수 있다. 이때, 아날로그 필터부의 차단 주파수는 저항 값과 캐패시터 값으로 조절될 수 있다.
A/D 변환부(113)는 근전도 수신 처리부(112)에 의해 전처리된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이때, 근전도 수신 처리부(112)에 의해 전처리된 아날로그 신호는 DC 오프셋 값을 예를 들어 2.5V 상향시켜 5V 사이로 변환된 후 A/D 변환기(113)로 입력되도록 하는 것이 바람직하다.
DMA(Digital Media Adapter) 제어부(114)는 A/D 변환부(113)에 의해 변환된 디지털 신호를 각 채널로 DMA 방식을 통해 정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)로 전송해 준다. 다른 방법으로는, DMA 제어부(114)는 후술하는 생체정보 분석 처리부(115)에 의해 분석된 결과를 정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)로 전송하도록 구현될 수도 있다. 이처럼 근전도 신호 처리 모듈 (110)에 의해 측정된 생체전기 신호 또는 분석 결과를 DMA 통신 방식을 통해 실시간으로 정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)로 전송함으로써, 측정된 신호의 실시간 모니터링을 가능하도록 한다.
생체정보 분석 처리부(115)는 근전도 측정부(111)에 의해 검출된 후 전처리 및 아날로그-디지털 변환을 거친 신호를 분석하여 척추 정위 교정을 위해 활용 가능한 의미있는 값을 도출하기 위한 것이다. 생체정보 분석 처리부(115)에 대한 상세 구성 및 기능은 도 3을 참조하여 후술한다.
I/O 인터페이스(116)는 근전도 신호 처리 모듈(110)과 HCI 제어 모듈 (130) 간의 데이터 송수신을 담당하는 것으로, 주로 생체정보 분석 처리부 (115)에 의해 분석된 결과를 HCI 제어 모듈(130)로 전송하는 기능을 수행한다.
3차원 각도 검출 모듈(120)은 환자의 각 척추에 대한 척추 교정 장치의 동작에 필요한 각도 정보를 검출하여 이를 HCI 제어 모듈(130)로 제공하는 것으로, MRI, CT, X-ray등으로 구현될 수 있다.
HCI 제어 모듈(130)은 근전도 신호 처리 모듈(110) 및 3차원 각도 검출 모듈(12)로부터 수신한 정보를 기초로 척추 정위 교정 모듈(140)을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 척추 정위 교정 모듈(140)로 전달하는 것으로, 입력부(131), 설정부(132), 제어부(133) 및 출력부(134)를 포함하여 구성된다.
입력부(131)는 근전도 신호 처리 모듈(110) 및 3차원 각도 검출 모듈(12)로부터 정보를 수신하기 위한 것이다.
설정부(132)는 척추 정위 교정 모듈(140)의 제어를 위해 필요한 실행 조건 또는 수행 기능 등을 설정하기 위한 것으로, 정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)을 통해 사용자에 의해 입력된 정보에 따라 설정될 수 있다.
제어부(133)는 입력부(131)로부터 수신한 정보를 이용하여 설정부(132)에 의해 기 설정된 실행 조건 또는 수행 기능에 따라 척추 정위 교정 모듈(140)을 제어하기 위한 신호를 생성한다.
출력부(134)는 제어부(133)에 의해 생성된 제어신호를 척추 정위 교정 모듈(140)로 전달한다.
이와 같은 HCI 제어 모듈(130)의 구체적인 동작예는 도 10을 참조하여 후술한다.
척추정위 교정 모듈(140)은 환자의 부정렬된 척추를 정위로 교정하기 위한 것으로, 척추 교정 장치 제어부(141)와 척추 교정 장치 구동부(412)를 포함하여 구성된다.
척추 교정 장치 제어부(141)는 HCI 제어 모듈(130)로부터 전달받은 제어 신호에 따라 척추 교정 장치 구동부(412)를 제어하여 척추 교정 치료를 수행하도록 한다.
척추 교정 장치 구동부(412)는 척추 교정 장치 제어부(141)의 제어에 따라 척추 교정 장치를 실제로 구동하여 환자에 대한 척추 교정 치료를 수행하기 위한 것으로, 척추 교정 장치 구동부(412)는 구체적인 치료 대상 부위에 따라 경부 구동부, 상흉부 구동부, 하흉부 구동부, 요부 구동부, 골반부 구동부, 하지 구동부 등을 포함하여 구현될 수 있다. 척추 교정 장치 구동부(412)는 예를 들어, 두 구동부가 서로 거리가 멀어지는 동작, 구동부의 한 부분이 위로 오르거나 내리는 동작, 구동부의 전체가 위로 오르거나 내리는 동작 또는 구동부가 좌우로 비트는 동작을 수행하거나, 하나의 구동부가 위 동작 중 두 가지 이상을 동시에 수행하거나 두 개 이상의 구동부가 서로 다른 동작을 동시에 유기적으로 수행하도록 제어될 수 있다. 또한, 척추 교정 장치 구동부(412)는 기존의 척추 교정을 위한 장치를 이용하여 구현 가능하다.
정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)은 근전도 신호 처리 모듈(110)에 의해 검출 또는 분석된 정보를 실시간으로 수신하여 디스플레이 함으로써 치료자가 척추 교정 치료를 수행하는 동안 환자의 근육 상태에 대한 정보를 모니터링할 수 있도록 한다. 또한, 정보 디스플레이 및 피드백 모듈(150)은 사용자로부터 척추 정위 교정 모듈(140)의 제어를 위해 필요한 실행 조건 또는 수행 기능 등의 정보를 입력받아 HCI 제어 모듈(130)로 전달한다.
도 3은 도 2에 도시된 생체정보 분석 처리부의 상세 구성도로서, 생체정보 분석 처리부(115)는 크게 생체전기 신호 분석부(210)와 근육 상태 분석부(220)로 구성된다.
생체전기 신호 분석부(210)는 수신한 미가공 근전도 신호를 표준화된 분석기법을 통해 분석하여 근육 상태 분석을 위해 사용되는 각종 수치를 도출하기 위한 것으로, 시간 영역 분석부(211)와 주파수 영역 분석부(212)를 포함하여 구성된다.
시간 영역 분석부(211)는 수신한 미가공 근전도 신호에 대해 시간 영역에서 분석을 수행하는 것으로, 구체적으로 Integral Average, RMS(Root Mean Square), PTP(Post-Tetanic Potential), MEF(Median Edge Frequency) 및 MDF(medial frequency) 값을 도출한다.
여기서, Integral Average(VI .A)와 RMS(VRMS)는 근전도 신호 파형의 진폭정보(uV)와 근활성도를 나타내는 것으로, Integral Average는 수학식 1과 같이 N 개의 미가공 근전도 신호에 절대값을 취한 후 이들을 평균하여 구해지며, RMS는 수학식 2와 같이 N개의 미가공 근전도 신호의 제곱을 취한 후 평균을 계산하고 다시 이의 제곱근을 취해 구해진다. 이때, N은 미가공 근전도 신호의 개수를 의미하고, v(t)는 시간 t에서의 근전도 신호 값을 의미한다.
PTP(VPTP)는 M-wave의 진폭을 나타내는 것으로, 수학식 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 한번의 자극이 가해지고 다음 자극이 가해지기 전까지 측정된 M-wave 값들 중 최대값과 최소값의 차이를 의미한다. 이때, Vmax는 M-wave의 최대값을 의미하고, Vmin는 M-wave의 최소값을 의미한다.
MEF(fMEF)는 근전도 신호의 파워 스펙트럼을 구했을 때, 파워 스펙트럼의 적분 값이 정확하게 반으로 나누어지는 부분의 주파수를 의미한다. 즉, 수학식 4와 같이 MEF를 기준으로 하여 파워 스펙트럼을 적분하면 양 측의 값이 같게 된다. MEF는 자극이 한번 가해진 후 다음 자극이 가해지기 전까지의 데이터를 이용하여 계산되며, S(f)는 v(t)의 파워 스펙트럼 밀도를 의미한다.
MDF(fMDF)는 근전도 신호의 파워 스펙트럼을 구했을 때, 각 주파수의 파워 스펙트럼 값에 그 주파수 값 자체를 곱하여 적분한 총량을 파워 스펙트럼의 적분 값으로 나누어서 산출된 주파수를 의미하는 것으로, 수학식 5와 같다. MDF는 자극이 한번 가해진 후 다음 자극이 가해지기 전까지의 데이터를 이용하여 계산되며, S(f)는 v(t)의 파워 스펙트럼 밀도를 의미한다.
주파수 영역 분석부(212)는 수신한 미가공 근전도 신호에 대해 주파수 영역에서 분석, 즉 파워 스펙트럼의 특성 분석을 수행하는 것으로, 구체적으로 SEF(Spectral Edge Frequency), MEF(Median Edge Frequency), 통계적 분석, 상관분석 (Correlation Analysis) 및 필터링을 수행한다.
SEF 분석은 SEF-95%, SEF-90%, SEF-50%(MEF), SEF-25% 등과 같이 파워 스펙트럼에서 Low-Edge(주파수축의 왼쪽)부터 특정 주파수 값까지의 면적이 '전체 주파수영역에 대한 면적의 각 %'를 차지하는 해당 특정 주파수 값(단위: Hz)을 의미한다.
도 4는 도 3에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 SEF 분석을 설명하기 위한 그래프로서, 도 4의 (a)에 도시된 파워 스펙트럼으로부터 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 0~100% 사이로 정규화한 누적파워분포를 구한 후, y축에서 해당 누적 파워 값이 소정 %에 해당하는 x축의 주파수 값을 확인하여 구할 수 있다.
또한, MEF 분석을 통해 근 피로도를 알 수 있는데, MEF는 근 피로도와 반비례 관계, 즉 근 피로도가 높아지면 MEF가 낮아진다. 이는, 근육이 피로해지면 근육 세포의 전기적 불응기간이 길어져서 근 피로도가 높아지면 고주파가 줄어들고 저주파 성분이 우세해 지기 때문이다. 또한, MEF 값은 SEF-50%과 동일하므로, 근 피로도는 SEF 분석을 통해서도 알 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 MEF 분석을 설명하기 위한 그래프로서, 도 5의 (a)는 정상상태의 근 수축시 미가공 근전도 신호를 도시하고, 도 5의 (b)는 근 피로도가 높은 상태의 근 수축시 미가공 근전도 신호를 도시하고, 도 5의 (c)는 정상상태의 근 수축시 파워 스펙트럼을 도시하고, 도 5의 (d)는 근 피로도가 높은 상태의 근 수축시 파워 스펙트럼을 도시한다.
통계적 분석은 도 6에 도시된 확률분포 그래프로부터 Mean, Standard Deviation, Skewness 및 Kurtosis를 구함으로써 수행된다.
Mean(평균)은 수학식 6과 같이 확률분포 그래프상의 측정값들의 평균값으로 오프셋 정보를 포함한다.
Standard Deviation(표준편차)은 확률분포의 퍼진 정도를 의미하는 것으로 진폭 정보를 포함하며, 수학식 7 및 수학식 8에 따라 구해진다.
Skewness는 확률분포의 비대칭 정도(+: 우측방향, -: 좌측방향)를 의미하는 것으로, 수학식 9에 따라 구해진다.
Kurtosis는 확률분포의 뾰족한 정도를 의미하는 것으로, 수학식 10에 따라 구해진다.
상관 분석은 두 종류의 계열 데이터간의 상관성을 나타내는 것으로, 수학식 11과 같이 동일하게 N개의 데이터를 갖는 두 종류의 계열 데이터들의 공분산을 구하고 이를 각 계열 데이터의 편차로 나누어 줌으로써 구할 수 있다.
필터링은 주변 환경에 의한 잡음을 제거하는 전처리 과정 시, 특정 대역의 파형만을 관찰하고자 할 때, 또는 특정 대역의 파형에 대해서만 분석법을 적용하고자 할 때, 특정 대역의 파형만을 걸러내기 위해 사용한다. 필터(Filter)는 FFT, IIR, FIR 등의 수학적 알고리즘을 활용하여 구현될 수 있으며, 그 필터링 특성에 따라 로우 패스 필터(Low Pass Filter; LPF), 하이 패스 필터(High Pass Filter; HPF), 밴드 패스 필터(Band Pass Filter; BPF), 밴드 스톱 필터(Band Stop Filter; BSF) 및 노치 필터(Notch Filter) 등으로 구현될 수 있다.
한편, 근육 상태 분석부(220)는 생체전기 신호 분석부(210)에 의해 도출된 각종 수치들을 이용하여 근육의 상태를 분석하기 위한 것으로, 근 활성도 분석부(221), 근 피로도 분석부(222), 근 타이밍 분석부(223), 상호상관관계 분석부(224), 좌우 골격근 대칭도 분석부(225), 근육 통증 분석부(226), 근육 경직도 분석부(227), MVIC 정규화 분석부(228) 및 RVC 정규화 분석부(229)를 포함하여 구성된다.
근 활성도 분석부(221)는 시간 영역 분석부(211)에 의해 도출된 Integral Average 및 RMS 값으로 근 활성도를 나타낸다.
근 피로도 분석부(222)는 적분 근전도(IEMG)와 중간 주파수(Median Frequency; MEF) 분석법에 의해 도출된 값으로 근 피로도를 나타낸다.
이때, 적분 근전도는 근전도 신호를 전파정류(Full-wave rectification) 하여 근육의 활동량의 지표인 운동단위의 동원수와 발화빈도의 변화를 반영한다. 운동단위의 동원수와 발화빈도는 수학식 12에 의해 산출한다. 이때, E(t)는 근전도를 의미하고, T는 수축시간을 의미한다.
참고로, 각 척추 주위 근육이 기능을 행하는데 전체 근력에 어느 정도 기여하고 있는가를 파악하기 위해 적분 근전도를 정규화하여 수학식 13에 의해 각 척추 주위 근육의 기여도를 산출할 수 있다. 이때, Mx는 x=1,3,5(척추부)의 근육을 의미한다.
중간 주파수(Median frequency; MEF)는 근 피로의 정량화를 위해 수학식 14에 의해 산출되는 것으로, S(f)는 파워 스펙트럼 밀도를 의미한다.
이와 같은 중간주파수의 감소율은 근육의 피로도를 의미하므로, 수학식 15에 따라 중간주파수를 정량화한다. 이때, i=1,3,5(척추부)이고, j=1,2,···,13이며, IMED는 초기 중간주파수를 의미한다.
근 타이밍 분석부(223)는 근육의 수축반응이 일어나기 시작한 시점을 계산하는 것으로, 각 구간대별 RMS 값을 구하고 표준편차를 취한 값으로 산출한다.
상호상관관계 분석부(224)는 서로 다른 부위에서 측정한 근전도 신호간의 관련성을 정량화하는 것으로, 두 근육 부위 간의 근수축 타이밍, 즉 해당 동작 시에 두 근육의 수축 패턴이 유사한 정도를 파악할 수 있으며, 수학식 16와 같은 Pearson 알고리즘에 의해 산출한다.
좌우 골격근 대칭도 분석부(225)는 좌우 척추 근육의 발란스(대칭도)를 분석하는 것으로, 이는 자세의 나쁜 정도를 판단하는 척도가 되며, 좌우 상호 대칭인 각 척추 레벨의 척추 기립근과 심부근의 RMS 값을 비교하여 산출한다.
근육 통증 분석부(226)는 척추부 근육의 민감도를 분석하여 통증 정도를 유추하는 것으로, 시간의 흐름에 따라 주파수 변화를 비교하여 통증의 정도를 유추 분석한다. 예를 들어, 치료 전과 치료 후, 또는 전날과 다음날 치료 주파수 시그널(진폭의 정도, 시그널의 양상)을 비교하여 통증의 정도를 유추 분석할 수 있다.
근육 경직도 분석부(227)는 확률분포를 통해 근육의 경직 상태를 분석하는 것으로, 근육의 경직도를 확률분포 그래프(그래프의 분포, 기울기, 퍼짐 정도 등)로 나타낸다.
도 7은 도 3에 도시된 근육 경직도 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프로, 예를 들어 왼쪽 어깨에 통증을 느끼는 사람이 일정시간 타이핑을 한 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 그래프에 도시한 왼쪽 어깨 근육 근전도의 확률분포가 하부 그래프에 도시한 오른쪽 어깨 근육 근전도에 비해 오른쪽으로 편향되어 나타나게 된다.
MVIC(Maximum Voluntary Isomeric Contraction) 정규화 분석부(228)는 MVIC(최대근수축력) 값을 산출하는데 있어 불필요한 영향을 최대한 배제하여 정규화하는 것으로, 임의의 기준값을 정하고 측정값이 기준값의 몇 % 수준에 해당하는지를 나타내며, 구체적인 산출 방법은 다음과 같다.
도 8 및 도 9는 도 3에 도시된 MVIC 정규화 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프로서, 우선 도 8에 도시된 바와 같이, 피험자가 해당 근육에 최대 등척성 수축을 가했을 때의 RMS 값을 기준값으로 정하고, 신뢰도를 위해 예를 들어 3번 반복 측정 및 평균하여 MVIC를 결정한 후, 도 9에 도시된 바와 같이, 수학식 17에 따라 검사 동작시의 RMS 값을 MVIC로 나누고 100을 곱함으로써 %MVIC 단위로 산출한다.
RVC(Reference Voluntary Contraction) 정규화 분석부(229)는 MVIC 정규화 분석부(228)에서 해당 근육에 원하는 기준으로 정한 수축을 가했을 때의 RMS 값을 기준값으로 정하는 것을 제외하면 MVIC 정규화 분석부(228)와 동일하다.
도 10은 본 발명에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템에 의한 치료 과정의 흐름도로서, 구체적으로 근전도 신호 처리 모듈 (110)에 의해 상술한 바와 같이 도출된 근육 활성도 및 근육 피로도 정보를 이용하여 HCI 제어 모듈(130)에서 척추 정위 교정 모듈(140)을 제어하여 환자 상태에 맞는 치료 프로토콜을 수행하도록 하는 과정을 도시한다.
일단, 근육 활성도(RMS) 값이 기 설정된 소정 값 이하이고(S10), 근육 피로도(MEF) 값이 기 설정된 소정 값 이상이면(S20), 이와 같은 상황에 적합한 치료 동작들로 구성된 제1 치료 프로토콜을 선택하여(S30) 이에 따라 척추 교정 장치를 구동한다(S40).
반면, 근육 활성도 또는 근육 피로도 중 어느 하나라도 기 설정된 조건을 만족하지 않고 또한 허용 범위를 벗어나는 경우(S50, S60), 이와 같은 상황에 적합하도록 구성된 제2 치료 프로토콜을 선택하여(S70) 이에 따라 척추 교정 장치를 구동한다(S80). 이 경우에는 근육 활성도와 근육 피로도가 모두 허용 범위를 만족할 때까지 제2 치료 프로토콜에 의한 척추 교정을 반복 수행하고, 그 결과 모두 만족하게 되면 제1 치료 프로토콜에 따른 척추 교정을 수행하게 된다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
110: 근전도 신호 처리 모듈
120: 3차원 각도 검출 모듈
130: HCI 제어 모듈
140: 척추 정위 교정 모듈
150: 정보 디스플레이 및 피드백 모듈
120: 3차원 각도 검출 모듈
130: HCI 제어 모듈
140: 척추 정위 교정 모듈
150: 정보 디스플레이 및 피드백 모듈
Claims (15)
- 환자의 척추질환과 관련된 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 근전도 신호처리 모듈;
상기 근전도 신호처리 모듈로부터 수신한 정보를 기초로 척추 정위 교정 모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 척추 정위 교정 모듈로 전달하는 HCI 제어 모듈;
상기 제어 신호에 따라 환자의 부정렬된 척추를 정위로 교정하기 위한 척추정위 교정 모듈; 및
상기 근전도 신호처리 모듈로부터 실시간으로 정보를 수신하여 디스플레이 하고, 사용자로부터 입력받은 정보를 상기 HCI 제어 모듈로 전달하는 정보 디스플레이 및 피드백 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 척추정위 교정 모듈의 제어에 필요한 환자의 척추 각도 정보를 검출하여 상기 HCI 제어 모듈로 제공하는 3차원 각도 검출 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 근전도 신호처리 모듈은,
표면유도전극 또는 정적 EMG 스캐너 도자를 통해 상기 근육의 생체전기 신호를 검출하는 근전도 측정부;
상기 근전도 측정부로부터 수신한 신호에 대한 전처리를 수행하는 근전도 수신 처리부;
상기 근전도 수신 처리부에 의해 전처리된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부;
상기 변환된 디지털 신호를 분석하여 환자의 근육 상태를 나타내는 임상적 수치를 산출하는 생체정보 분석 처리부;
상기 A/D 변환부에 의해 변환된 디지털 신호 또는 상기 생체정보 분석 처리부에 의해 분석된 결과를 DMA(Digital Media Adapter) 방식을 통해 상기 정보 디스플레이 및 피드백 모듈로 전송하는 DMA 제어부; 및
상기 근전도 신호 처리 모듈과 상기 HCI 제어 모듈 간의 데이터 송수신을 위한 I/O 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 HCI 제어 모듈은,
상기 근전도 신호 처리 모듈로부터 정보를 수신하는 입력부;
상기 척추 정위 교정 모듈의 제어를 위해 필요한 실행 조건 또는 수행 기능 정보를 설정하기 위한 설정부;
상기 입력부로부터 수신한 정보를 이용하여 상기 설정부에 의해 기 설정된 실행 조건 또는 수행 기능 정보에 따라 상기 척추 정위 교정 모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어부; 및
상기 제어부에 의해 생성된 제어신호를 상기 척추 정위 교정 모듈로 전달하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 척추정위 교정 모듈은,
상기 HCI 제어 모듈로부터 전달받은 제어 신호에 따라 척추 교정 장치 구동부를 제어하는 척추 교정 장치 제어부; 및
척추 교정 장치를 구동하여 환자에 대한 척추 교정 치료를 수행하는 척추 교정 장치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 3 항에 있어서, 상기 생체정보 분석 처리부는,
상기 디지털 신호로 변환된 근전도 신호를 분석하여 환자의 근육 상태 분석을 위한 임상 수치들을 도출하는 생체전기 신호 분석부; 및
상기 생체전기 신호 분석부에 의해 도출된 임상 수치들을 이용하여 근육 상태를 분석하는 근육 상태 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 생체정보 신호 분석부는,
상기 근전도 신호에 대해 시간 영역에서 분석을 수행하여 Integral Average, RMS(Root Mean Square), PTP(Post-Tetanic Potential), MEF(Median Edge Frequency) 및 MDF(medial frequency) 값을 도출하는 시간 영역 분석부; 및
상기 근전도 신호에 대해 주파수 영역에서 분석을 수행하여 SEF(Spectral Edge Frequency) 분석, MEF(Median Edge Frequency) 분석, 통계적 분석, 상관분석 (Correlation Analysis) 및 필터링을 수행하는 주파수 영역 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 상기 근육 상태 분석부는,
상기 시간 영역 분석부에 의해 도출된 Integral Average 및 RMS 값으로 근 활성도를 나타내는 근 활성도 분석부;
적분 근전도(IEMG)와 중간 주파수(Median Frequency; MEF) 분석법에 의해 도출된 값으로 근 피로도를 나타내는 근 피로도 분석부;
근육의 수축반응이 일어나기 시작한 시점을 계산하는 근 타이밍 분석부;
서로 다른 부위에서 측정한 근전도 신호 간의 관련성을 정량화하는 상호상관관계 분석부;
좌우 척추 근육의 발란스를 분석하는 좌우 골격근 대칭도 분석부;
척추부 근육의 민감도를 분석하여 통증 정도를 유추 분석하는 근육 통증 분석부;
근전도 신호의 확률분포를 통해 근육의 경직 상태를 분석하는 근육 경직도 분석부;
MVIC 값을 정규화하여 산출하는 MVIC 정규화 분석부; 및
RVC 값을 정규화하여 산출하는 RVC 정규화 분석부 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 HCI 제어 모듈은,
근육 활성도 및 근육 피로도 값이 기 설정된 조건을 만족하는 경우 제1 치료 프로토콜에 따라 척추 교정 장치를 구동하고, 근육 활성도 또는 근육 피로도 중 어느 하나가 기 설정된 조건을 만족하지 않으면서 허용 범위를 벗어나는 경우 근육 활성도와 근육 피로도가 모두 허용 범위를 만족할 때까지 제2 치료 프로토콜에 따라 척추 교정 장치를 반복하여 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 척추 정위 교정 시스템.
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