KR101558990B1 - Activation analysis method for stretch reflex - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 신장반사로 인한 근육의 활성도를 예측하기 위하여 힐 타입 모델 해석을 위해 입력되는 값을 근전도 실험에 의한 근전도 신호 대신 수식에 의한 값으로 입력할 수 있는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of analyzing muscle activity for elongation reflection, and more particularly, to estimate muscle activity due to kidney reflex, a value inputted for a heel-type model analysis is calculated by substituting EMG signals by EMG The present invention relates to a method for analyzing muscle activity for elongation reflection,
현대 문명의 발달이 근본적으로 인간을 위한 것이기 때문에 문명의 발달을 주도했던 과학기술과 학문 역시 인간과 관련된 것이 많으며 인체의 움직임에 관심을 갖는 학문 분야도 매우 다양하다.Since the development of modern civilization is fundamentally for human beings, science and technology, which led to the development of civilization, are also related to human beings.
또한, 현시대는 생활수준의 향상, 건강에 대한 관심고조, 인간중심의 고품질 제품의 요구 등으로 생체역학의 연구분야는 점차 넓어지고 세분화 되어가고 있다.In addition, research fields of biomechanics are becoming more and more widespread due to improvement of living standards, heightened interest in health, and demand for high quality human-centered products.
특히 생체역학적 연구에서 근 골격 시스템의 수학적 모델 개발은 지난 몇 년 동안 크게 신뢰할 수 있는 단계로 발전하였으며 지금까지도 활발한 연구가 진행되고 있다.In particular, the development of a mathematical model of a skeletal system in biomechanical research has developed into a highly reliable stage in the last few years and active research is still under way.
그리고 신장반사는 뇌의 명령 없이 발생하는 척수 반사의 일종으로서, 인체에서 중요한 역할을 수행하며, 이 현상은 신장자극을 받은 골격근이 해당근육을 보호하기 위해 뇌의 명령 없이 수축하는 반응이다.And kidney reflexes are a type of spinal reflex that occurs without the brain's commands and plays an important role in the human body. This phenomenon is the reaction of the kidney-stimulated skeletal muscles to shrink without brain commands to protect the muscles.
신장반사는 근육의 수축과 이완을 반복하여 근육의 긴장도를 유지시켜주기 때문에 직립자세에서 중요한 역할을 하며, 생명유지에 관련된 기능을 담당하기도 하고, 신경계 질환의 판단에 활용되며, 스포츠 분야에서 활용되기도 한다.Kidney reflexes play an important role in upright posture because it maintains muscular tension by repeating muscle contraction and relaxation. It plays a role in the maintenance of life, is used in the judgment of neurological diseases, do.
하지만, 대부분의 인체 해석 모델은 신장반사의 효과를 고려하지 않았으며, 또한, 인체 해석 모델의 전반적인 수준에 비해 신장반사를 고려한 해석 모델에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.However, most human models do not take into consideration the effect of the height reflex. In addition, there are relatively few researches on analytical models considering the elongation reflectance compared with the general human model.
그리고 신장반사 관련 실험 연구는 대부분 경직환자를 치료하기 위한 목적으로 실시되었기 때문에, 건강한 성인을 대상으로 한 신장반사에 따른 근 활성도 모델의 개발이 필요한 실정이다.Since most experimental studies on kidney reflex were performed for the purpose of treating patients with rigidity, it is necessary to develop a muscle activity model based on kidney reflexes for healthy adults.
또한, 기존의 근 활성도를 예측하는 방법은 실험을 통해 얻은 데이터로 오프라인상에서 근력을 해석해야 하기 때문에 비교적 긴 시간을 필요로 하며, 또한, 기존의 근력 해석 방법은 반드시 실험이 선행되어야 한다는 전제조건이 필요하므로, 비용적으로나 시간적으로 많은 제약이 뒤따르게 된다.In addition, the method of predicting the existing muscle activity requires a comparatively long time since the muscle strength is to be interpreted on the off-line with the data obtained through the experiment, and the existing muscle strength analysis method must be preceded by the experiment Therefore, there are many limitations in terms of cost and time.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 신장반사에 따른 근 활성도를 예측할 수 있도록 근육의 길이와 속도를 고려하고 이들을 무차원화한 수식을 제공하여 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method for estimating muscle activity according to extension reflection, And to provide a method for analyzing muscle activity.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법은 신장반사에 영향을 받는 근육의 길이 및 수축속도를 구하는 근육의 길이 및 수축속도 산출 단계(S10); 상기 근육의 길이 및 수축속도 산출 단계(S10)에서 구해진 근육의 길이 및 근육의 수축속도를 무차원화하는 무차원화 단계(S20); 신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 파악하여 길이 가중치를 구하고, 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 파악하여 속도 가중치를 구하는 가중치 산출 단계(S30); 및 상기 무차원화 단계(S20)에서 도출된 무차원화된 근육의 길이 및 무차원화된 근육의 수축속도와 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 길이 가중치 및 속도 가중치를 이용하여 신장반사에 따른 근육의 근 활성도를 산출하는 근 활성도 산출단계(S40);를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method of analyzing muscular activity for elongation reflection includes calculating a muscle length and a contraction rate (SlO) for obtaining a length and a contraction rate of a muscle affected by stretch reflexes; A step (S20) of non-dimensionizing the muscle length and the contraction speed of the muscle obtained in the calculating step (S10) of the muscle length; A weight calculating step (S30) of obtaining a weight weight by determining the ratio of the nearest muscle in the muscle affected by the kidney reflex, determining the weight weight by grasping the ratio of the muscle in the muscle affected by the stretch reflex; And the length of the non-dimensionalized muscle derived from the non-dimensionalization step (S20) and the contraction rate of the non-dimensionalized muscle, and the length weight and the velocity weight calculated in the weight calculation step (S30) And a muscle activity calculating step (S40) for calculating muscle activity.
상기 무차원화 단계(S20)는 근육의 길이에 대한 한계 값 및 근육의 수축속도에 대한 한계 값을 산출하는 한계 값 산출단계(S21); 상기 근육의 길이에 대한 한계 값으로 상기 근육의 길이를 나누는 근육길이 무차원화 단계(S22); 및 상기 근육의 수축속도에 대한 한계 값으로 상기 근육의 수축속도를 나누는 근육 속도 무차원화 단계(S23);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The non-dimensioning step S20 includes a threshold value calculation step S21 for calculating a threshold value for the muscle length and a threshold value for the muscle contraction rate; Dividing the length of the muscle into a limit value for the length of the muscle (S22); And dividing the muscle contraction rate into a threshold value for the muscle contraction rate (S23).
상기 한계 값 산출단계(S21)는 하기의 수식에 의해 근육의 길이에 대한 한계 값 및 근육의 수축속도에 대한 한계 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.The threshold value calculation step S21 is characterized by calculating a threshold value for the muscle length and a threshold value for the muscle contraction rate by the following equation.
여기서, 은 근육의 길이에 대한 한계 값이고, 는 근육의 수축속도에 대한 한계 값이고, 및 는 실험 대상에 따라 가변되는 변수이고, 은 근육이 최대 힘을 낼 수 있는 최대 근력길이이며, 는 근육의 최대 수축속도이다.here, Is the limit value for the length of the muscle, Is the limit value for the contraction rate of the muscle, And Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum muscle strength at which the muscle can exert maximum force, Is the maximum contraction rate of the muscle.
상기 및 는 실험대상의 성별, 나이 또는 질환의 유무에 따라 달라지는 것을 특징으로 한다.remind And Is characterized by being varied depending on the sex, age, or absence of the disease.
상기 근 활성도 산출단계(S40)는 상기 무차원화 단계(S20)에서 무차원화된 근육의 길이 값과 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 길이 가중치를 연산하여 지근의 근 활성도를 산출하는 제1계산단계(S41); 상기 무차원화 단계(S20)에서 무차원화된 근육의 수축속도 값과 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 속도 가중치를 연산하여 속근의 근 활성도를 산출하는 제2계산단계(S42); 및 상기 제1계산단계와 제2계산단계에 산출된 값을 더하여 근 활성도를 산출하는 제3계산단계(S43);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The muscle activity calculating step S40 may be performed by calculating a length value of the non-dimensionalized muscle in the non-dimensioning step S20 and a length calculation value calculated in the weight calculating step S30 to calculate the muscle activity of the near side Step S41; A second calculation step (S42) of calculating the muscle activity of the fasted muscle by calculating the shrinkage rate value of the non-dimensionalized muscle in the non-dimensionalization step (S20) and the speed weight calculated in the weight calculation step (S30); And a third calculation step (S43) of calculating a muscle activity by adding the calculated values to the first calculation step and the second calculation step.
상기 근 활성도 산출단계(S40)는 하기의 수식에 의해 근 활성도를 산출하는 것을 특징으로 한다.The muscle activity calculating step S40 is characterized in that the muscle activity is calculated by the following formula.
여기서, 는 근 활성도이고, 은 길이 가중치이고, 는 속도 가중치이고, 는 근육의 길이이고, 는 근육의 수축속도이고, 은 근육의 길이에 대한 한계 값이고, 는 근육의 수축속도에 대한 한계 값이며, 및 는 실험 대상에 따라 가변 되는 변수이고, 은 근육이 최대 힘을 낼 수 있는 최대 근력길이며, 는 근육의 최대 수축속도이다.here, Is a muscle activity, Is a length weight, Is a speed weight, Is the length of the muscle, Is the contraction rate of the muscle, Is the limit value for the length of the muscle, Is the limiting value for the rate of muscle contraction, And Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum muscle strength that the muscle can exert the maximum force, Is the maximum contraction rate of the muscle.
상기 길이 가중치()는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 보정상수()로 나눈 값이고, 상기 속도 가중치()는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 보정상수()로 나눈 값인 것을 특징으로 한다.The length weight ( ) Is the ratio of the nearest muscle to the corrected constant ( ), And the velocity weight value ( ) Is the ratio of the muscle to the muscle that is affected by the kidney reflex ). ≪ / RTI >
상기 보정상수 는 상기 근 활성도 가 0 이상이고, 1 이하의 값을 가지게 하는 값인 것을 특징으로 한다.The correction constant The muscle activity Is 0 or more and 1 or less.
상기 및 상기 는 상기 수학 식에 의해 산출된 근 활성도 를 이용하여 산출된 무릎의 각도변화와 실험을 통해 측정된 무릎의 각도변화가 같아지는 값인 것을 특징으로 한다.remind And Is the muscle activity calculated by the above equation And the angle of the knee measured through the experiment is equal to the change of the angle of the knee.
본 발명에 따르면, 신장반사로 인한 근육의 활성도 및 근력의 해석적 예측이 가능토록 할 수 있고, 근 활성도를 산출하는 데 있어서 근육의 길이와 속도를 무차원화하여 근육의 길이와 속도를 고려하기 때문에, 신장반사에 따른 근 활성도 해석의 오류를 줄일 수 있다.According to the present invention, it is possible to make analytical prediction of muscular activity and muscle strength due to stretch reflexes, and to calculate the muscle activity, the muscle length and speed are made non-dimensional, , And error in the analysis of muscle activity due to elongation reflection can be reduced.
또한, 실험에 의한 근전도 신호를 이용하지 않아도 신장반사에 따른 근 활성도 해석 예측이 가능하기 때문에, 근 활성도 예측에 필요한 시간을 단축시킬 수 있고, 건강한 성인을 대상으로 신장반사에 따른 근 활성도 해석 예측이 가능토록 한다.In addition, since it is possible to predict and analyze the muscle activity according to the elongation reflection without using the EMG signal by the experiment, it is possible to shorten the time required to predict the muscle activity, It is possible.
도 1 은 본 발명의 실시 예를 위한 근골격계 모델을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무차원화 단계의 세부 순서도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 근 활성도를 구하는 단계의 세부 순서도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수학식 3을 이용하여 예측된 무릎의 각도 변화와 진자 실험을 통해 측정된 무릎의 각도 변화를 비교한 도면.
도 6은, 도 5에 도시된 무릎의 각도 변화를 일으키는 근 활성도의 예측 값을 나타낸 도면.
도 7 는, 도 6 에 도시된 근 활성도 예측 결과를 검증하기 위해 실험을 통해 측정된 EMG 신호와 측정된 다리의 각속도를 나타내는 도면.1 shows a musculoskeletal model for an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a method of analyzing muscle activity for elongation reflection according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a detailed flowchart of the dimensionless step according to an embodiment of the present invention.
4 is a detailed flowchart of a step of obtaining muscle activity according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram comparing an angle change of a knee predicted using
Fig. 6 is a diagram showing a predicted value of muscle activity causing the angle change of the knee shown in Fig. 5; Fig.
FIG. 7 is a view showing the angular velocity of the measured leg and the EMG signal measured through an experiment to verify the result of the muscle activity prediction shown in FIG. 6; FIG.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.It is to be understood that the words or words used in the present specification and claims are not to be construed in a conventional or dictionary sense and that the inventor can properly define the concept of a term to describe its invention in the best way And should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
일반적으로 인체의 동작해석 시, 힐 타입(Hill type) 근육 모델의 입력으로 사용되는 근 활성도는 최적화 과정이나 실험을 통해 측정된 EMG(Electromyogram: 근전도) 신호의 후처리 과정을 통해 결정된다.Generally, when analyzing the motion of a human body, the muscle activity used as the input of the Hill type muscle model is determined through the optimization process or post-processing of EMG (Electromyogram) signal measured through the experiment.
그러나 본 발명의 실시 예에서는, 신장반사가 인체에 미치는 영향을 예측하기 위해 근 활성도를 예측할 수 있는 수식을 도출하여 근전도 실험을 통하지 않고도 근 활성도를 예측할 수 있는 방법을 제시한다.However, in the embodiment of the present invention, a method capable of predicting the muscle activity without deriving the EMG experiment by deriving a formula for predicting the muscle activity in order to predict the effect of the extension reflection on the human body.
본 발명의 실시 예에서는, 도 1에서와 같이 신장반사의 대표적인 예인 슬개건 반사에 대하여 근 활성도 모델을 이용한 근력 및 근 활성도 예측을 수행하였다.In the embodiment of the present invention, muscular strength and muscle activity were predicted using the muscle activity model for the patellar tendon reflex, which is a typical example of the elongation reflection as shown in FIG.
본 발명의 실시 예에 따른 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 신장반사에 영향을 받는 근육의 길이 및 수축속도를 구하는 근육의 길이 및 수축속도 산출 단계(S10); 상기 근육의 길이 및 수축속도 산출 단계(S10)에서 구해진 근육의 길이 및 근육의 수축속도를 무차원화하는 무차원화 단계(S20); 신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 파악하여 길이 가중치를 구하고, 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 파악하여 속도 가중치를 구하는 가중치 산출 단계(S30); 및 상기 무차원화 단계(S20)에서 도출된 무차원화된 근육의 길이 및 무차원화된 근육의 수축속도와 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 길이 가중치 및 속도 가중치를 이용하여 신장반사에 따른 근육의 근 활성도를 산출하는 근 활성도 산출단계(S40);를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the method for analyzing muscular activity for elongation reflection according to an embodiment of the present invention includes calculating a muscle length and a contraction rate (S10) for obtaining a muscle length and a contraction rate, ; A step (S20) of non-dimensionizing the muscle length and the contraction speed of the muscle obtained in the calculating step (S10) of the muscle length; A weight calculating step (S30) of obtaining a weight weight by determining the ratio of the nearest muscle in the muscle affected by the kidney reflex, determining the weight weight by grasping the ratio of the muscle in the muscle affected by the stretch reflex; And the length of the non-dimensionalized muscle derived from the non-dimensionalization step (S20) and the contraction rate of the non-dimensionalized muscle, and the length weight and the velocity weight calculated in the weight calculation step (S30) And a muscle activity calculating step (S40) for calculating muscle activity.
근육은 지근과 속근으로 구성되며, 여기서 상기 지근은 근육의 정적 상태에 해당하는 근육의 길이와 밀접한 관계가 있다.Muscles consist of a root and a right leg, where the near side is closely related to the muscle length corresponding to the static state of the muscle.
그리고 상기 속근은 순간적으로 큰 힘을 내는 운동에 주로 사용되고, 신장반사 역시 반사적으로 근육을 수축하여 의식적인 운동보다 빠른 속도로 큰 근력을 발생시키기 때문에, 상기 속근은 신장반사에 따른 근육의 수축속도와 밀접한 관계가 있다.Since the abdominal muscles are mainly used for a momentary exercise with great moment and the kidney reflexes also reflexively contract muscles to generate large muscular force at a faster speed than conscious exercise, There is a close relationship.
따라서, 근육의 길이 및 수축속도 산출 단계(S10)는 근육의 길이와 근육의 수축속도를 구하는 단계이며, 본 발명의 실시 예에서는 근육의 길이를 , 근육의 수축속도는 로 나타낸다.Accordingly, the muscle length and contraction speed calculation step S10 is a step of obtaining the muscle length and the contraction speed of the muscle, and in the embodiment of the present invention, , Muscle contraction rate Respectively.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 무차원화 단계(S20)는 상기 무차원화 단계(S20)는 근육의 길이에 대한 한계 값 및 근육의 수축속도에 대한 한계 값을 산출하는 한계 값 산출단계(S21); 상기 근육의 길이에 대한 한계 값으로 상기 근육의 길이를 나누는 근육길이 무차원화 단계(S22); 및 상기 근육의 수축속도에 대한 한계 값으로 상기 근육의 수축속도를 나누는 근육 속도 무차원화 단계(S23);를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, in the dimensionless step S20, the dimensionless step S20 includes a threshold value calculation step S21 for calculating a threshold value for the muscle length and a threshold value for the muscle contraction rate ); Dividing the length of the muscle into a limit value for the length of the muscle (S22); And a muscle velocity non-dimensionalization step (S23) of dividing the muscle contraction rate to a threshold value for the muscle contraction rate.
여기서, 상기 근육의 길이에 대한 한계 값은, 다음의 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.Here, the threshold value for the muscle length can be calculated by the following equation (1).
여기서, 은 근육의 길이에 대한 한계 값이고, 는 실험 대상에 따라 가변 되는 변수이고, 은 근육이 최대 힘을 낼 수 있는 최대근력길이이다.here, Is the limit value for the length of the muscle, Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum muscle strength at which the muscle can exert maximum force.
상기 근육의 수축속도에 대한 한계 값은 다음의 [수학식 2]에 의해 산출될 수 있다.The threshold value for the contraction rate of the muscle can be calculated by the following equation (2).
여기서, 는 근육의 수축속도에 대한 한계 값이고, 는 실험 대상에 따라 가변 되는 변수이고, 는 근육의 최대수축속도이다.here, Is the limit value for the contraction rate of the muscle, Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum contraction rate of the muscle.
따라서, 상기 근육의 길이 ()를 상기 근육의 길이에 대한 한계 값 ()로 나누고, 상기 근육의 수축속도 ()를 상기 근육의 수축속도에 대한 한계 값 ()로 나누면 상기 근육의 길이 및 근육의 수축속도가 무차원화 될 수 있다.Therefore, the length of the muscle ( ) To the limit value of the muscle length ( ), And the contraction rate of the muscle ) To the limit value for the contraction rate of the muscle ), The length of the muscle and the rate of contraction of the muscle may become non-dimensional.
여기서 상기 및 는 실험 대상의 연령, 성별 또는 질환의 유무 등으로 달라질 수 있다.Here, And May vary depending on the age, sex, or absence of the disease or the like.
신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 파악하여 길이 가중치를 구하고, 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 파악하여 속도 가중치를 구하는 가중치 산출 단계(S30)는, 근육 내의 지근 및 속근의 비율을 파악하는 단계이며, 상기 길이 가중치는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율로부터 산출될 수 있고, 상기 속도 가중치는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율로부터 산출될 수 있다.The weight calculation step S30 for calculating the weight weight by determining the ratio of the nearest point among the muscles affected by the kidney reflex and determining the weight weight by determining the ratio of the right atrium among the muscles affected by the kidney reflection, Wherein the length weight can be calculated from the ratio of the nearest in the muscle affected by the stretch reflex and the speed weight can be calculated from the ratio of the muscle fasting affected by the stretch reflex.
본 발명의 실시 예에서는 상기 길이 가중치를 , 상기 속도 가중치를 로 나타낼 수 있다.In the embodiment of the present invention, , The speed weight .
그리고 상기 근 활성도 산출단계(S40)는 상기 무차원화 단계(S20)에서 무차원화된 근육의 길이 값과 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 길이 가중치를 연산하여 지근의 근 활성도를 산출하는 제1계산단계(S41); 상기 무차원화 단계(S20)에서 무차원화된 근육의 수축속도 값과 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 속도 가중치를 연산하여 속근의 근 활성도를 산출하는 제2계산단계(S42); 및 상기 제1계산단계와 제2계산단계에 산출된 값을 더하여 근 활성도를 산출하는 제3계산단계(S43);를 포함할 수 있다.The muscle activity calculating step S40 is a step of calculating the muscle activity of the near side in the non-dimensionalizing step S20 by calculating the length value of the non-dimensionalized muscle and the length weight calculated in the weight calculating step S30 Calculation step S41; A second calculation step (S42) of calculating the muscle activity of the fasted muscle by calculating the shrinkage rate value of the non-dimensionalized muscle in the non-dimensionalization step (S20) and the speed weight calculated in the weight calculation step (S30); And a third calculation step (S43) of calculating a muscle activity by adding the calculated values to the first calculation step and the second calculation step.
이에 따라, 신장반사에 따른 근 활성도를 해석 방법에는 다음과 같은 [수학식 3]이 사용된다.Accordingly, the following equation (3) is used to analyze the muscle activity due to the elongation reflection.
여기서, 는 근 활성도 또는 근 활성도의 이득(gain)이다.here, Is the gain of muscle activity or muscle activity.
은 길이 가중치이고, 는 속도 가중치이고, 는 근육의 길이이고, 는 근육의 수축속도이고, 은 근육의 길이에 대한 한계 값이고, 는 근육의 수축속도에 대한 한계 값이며, 및 는 실험 대상에 따라 가변 되는 변수이고, 은 최대근력길이이고, 는 최대수축속도이다. Is a length weight, Is a speed weight, Is the length of the muscle, Is the contraction rate of the muscle, Is the limit value for the length of the muscle, Is the limiting value for the rate of muscle contraction, And Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum muscle strength length, Is the maximum contraction rate.
참고로, 상기 근육의 길이 , 근육의 수축속도 , 최대근력길이 , 최대수축속도 는 근육마다 달라지는 값이다. For reference, the length of the muscle , Muscle contraction rate , Maximum muscle strength , Maximum contraction rate Is a value that varies from muscle to muscle.
상기 길이 가중치()는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 보정상수()로 나눈 값이고, 상기 속도 가중치()는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 보정상수()로 나눈 값이다.The length weight ( ) Is the ratio of the nearest muscle to the corrected constant ( ), And the velocity weight value ( ) Is the ratio of the muscle to the muscle that is affected by the kidney reflex ).
여기서, 상기 보정상수()는 [수학식 3]에 따른 근 활성도()가 0 이상이고, 1 이하인 값을 가지게 하는 값이다.Here, the correction constant ( ) Is the muscle activity according to Equation (3) ) Is 0 or more and has a value of 1 or less.
또한, 상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]에서 상기 , 는 [수학식 3]에 따른 근 활성도를 이용하여 구한 무릎의 각도와 실험을 통해 측정한 무릎의 각도가 같아지는 값으로 결정될 수 있다.In the above equations (1) and (2) , Can be determined as a value at which the angle of the knee obtained by using the muscle activity according to Equation (3) is equal to the angle of the knee measured through the experiment.
아래의 [표 1]에는 신장반사 중 슬개건 반사로 인해 영향을 받는 근육들과 그 근육의 지근과 속근의 비율, 최대근력길이, 최대수축속도 및 실험대상에 따른 변수가 예시적으로 제시되어 있다.Table 1 below provides an illustration of the ratio of muscles affected by the patellar tendon reflex during renal reflexes, the ratio of muscle to muscle nearest muscle, maximum muscle length, maximum rate of contraction, and variables depending on the subject .
상기 표 1에 기재된 각 근육의 고유 정보를 본 발명의 실시 예에 따른 수학 식에 대입하여 신장반사에 따른 근 활성도를 산출할 수 있다.The muscle activity according to the elongation reflection can be calculated by substituting the unique information of each muscle described in Table 1 into the equation according to the embodiment of the present invention.
따라서, 상기 [수학식 1]에서 산출된 근 활성도()을 다음 [수학식 4]와 같이 표현되는 힐 타입(Hill type) 운동방정식에 EMG신호 대신 입력하여 신장반사에 따른 무릎의 각도 및 정강이뼈의 각가속도 등을 예측할 수 있다.Therefore, the muscle activity calculated in the above-mentioned formula (1) ) Can be inputted instead of the EMG signal in the Hill type motion equation expressed by the following equation (4), so that the angle of the knee and the angular velocity of the shin bone according to the extension reflection can be predicted.
상기 [수학식 4]에서 는 무릎중심점에 대한 종아리와 발로 구성된 강체의 관성모멘트, 는 종아리와 발로 구성된 강체의 각가속도, 은 종아리와 발의 무게, 은 무릎에서 종아리와 발의 무게중심까지의 거리, 은 중력가속도, 은 무릎의 각도, 는 종아리의 도선과 종아리와 발의 무게중심 사이의 각도, 는 본 발명의 실시 예의 수학 식에서 산출된 근 활성도인 근육(슬개건)의 수축력이며, 는 슬개건에 걸리는 힘의 모멘트 팔길이이다.In Equation (4) Is the moment of inertia of the body composed of the calf and feet with respect to the center of knee, The angular acceleration of the body composed of the calf and the foot, The calf and the weight of the foot, The distance from the calf to the center of gravity in the knee, Is the gravitational acceleration, The angle of the knee, Is the angle between the line of the calf and the center of gravity of the calf and the foot, Is the contraction force of the muscle (patellar tendon), which is the muscle activity calculated in the equation of the embodiment of the present invention, Is the moment arm length of the force applied to the patellar tendon.
그리고 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수학식 3을 이용하여 예측된 무릎의 각도 변화와 진자 실험을 통해 측정된 무릎의 각도 변화를 비교한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 무릎의 각도 변화에 따른 근 활성도를 수학식 3을 이용하여 계산한 결과를 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a graph comparing an angle change of a knee predicted using
도 7은 해석을 통해 예측한 근 활성도와 운동학 정보를 검증하기 위한 진자 실험 결과를 보여주는 도면으로써, 진자 실험에 따른 대퇴부 근육의 EMG 신호 측정 결과와 종아리의 각속도를 나타낸다.FIG. 7 is a graph showing pendulum test results for verifying muscle activity and kinematics information predicted through analysis. FIG. 7 shows results of measurement of EMG signals of femur muscles according to a pendulum test and angular velocity of calf.
따라서 도 5, 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 해석을 통해 예측한 무릎의 각도가 진자 실험을 통해 측정된 무릎의 각도와 서로 일치한 것을 확인할 수 있고 또한, 해석을 통해 예측한 근육이 활성화되는 시점이 진자 실험을 통해 측정된 EMG 신호의 활성화 시점과 유사한 것을 확인할 수 있다.Therefore, as shown in FIGS. 5, 6, and 7, it can be seen that the angle of the knee predicted through the analysis coincides with the angle of the knee measured through the pendulum test. Further, Of the EMG signal measured by the pendulum experiment is similar to that of the EMG signal measured by the pendulum experiment.
특히, 도 7에 따른 결과와 관련해서 논문 He, Stretch Reflex Sensitivity: Effects of Postural and Muscle Length Changes, IEEE TRANSACTIONS ON REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 6, NO. 2, JUNE 1998에서도 유사한 결과를 보여 준다.In particular, with respect to the results according to FIG. 7, the paper He, Stretch Reflex Sensitivity: Effects of Postural and Muscle Length Changes, IEEE TRANSACTIONS ON REHABILITATION ENGINEERING, Vol. 6, NO. 2 and JUNE 1998 show similar results.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법은, 신장반사로 인한 근육의 활성도 및 근력의 해석적 예측이 가능토록 할 수 있다.Accordingly, the method of analyzing muscle activity for elongation reflection according to an embodiment of the present invention can enable analytical prediction of muscular activity and muscle strength due to stretch reflex.
그리고 근활성값을 산출하는 데 있어서, 근육의 길이와 속도를 무차원화하여 근육의 길이와 속도를 고려하기 때문에, 근 활성도 해석의 오류를 줄일 수 있다.In calculating the muscle activity value, since the length and the velocity of the muscle are made non-dimensional by considering the length and the speed of the muscle, the error of the muscle activity analysis can be reduced.
또한, 실험에 의한 근전도 신호를 이용하지 않아도 신장반사에 따른 근 활성도 해석 예측이 가능하기 때문에, 근 활성도 예측에 필요한 시간을 단축시킬 수 있다.In addition, since it is possible to predict and analyze the muscle activity according to the elongation reflection without using the EMG signal by the experiment, the time required for estimating the muscle activity can be shortened.
또한, 건강한 성인을 대상으로 신장반사에 따른 근 활성도 해석 예측이 가능토록 한다.In addition, it is possible to predict and analyze the activity of muscles in healthy adults.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention, as claimed, and will be fully understood by those of ordinary skill in the art. The present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various substitutions, modifications and variations are possible within the scope of the present invention, and it is obvious that those parts easily changeable by those skilled in the art are included in the scope of the present invention .
S10 : 근육의 길이 및 수축속도 산출단계
S20 : 무차원화 단계
S30 : 가중치 산출단계
S40 : 근활성값 산출단계S10: Muscle length and contraction rate calculation step
S20: No dimensioning step
S30: Weight calculation step
S40: muscle active value calculating step
Claims (9)
상기 근육의 길이 및 수축속도 산출 단계(S10)에서 구해진 근육의 길이 및 근육의 수축속도를 무차원화하는 무차원화 단계(S20);
신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 파악하여 길이 가중치를 구하고, 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 파악하여 속도 가중치를 구하는 가중치 산출 단계(S30); 및
상기 무차원화 단계(S20)에서 도출된 무차원화된 근육의 길이 및 무차원화된 근육의 수축속도와 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 길이 가중치 및 속도 가중치를 이용하여 신장반사에 따른 근육의 근 활성도를 산출하는 근 활성도 산출단계(S40);
를 포함하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.A muscle length and a contraction speed calculating step (SlO) for obtaining the length and contraction speed of the muscle affected by the elongation reflection;
A step (S20) of non-dimensionizing the muscle length and the contraction speed of the muscle obtained in the calculating step (S10) of the muscle length;
A weight calculating step (S30) of obtaining a weight weight by determining the ratio of the nearest muscle in the muscle affected by the kidney reflex, determining the weight weight by grasping the ratio of the muscle in the muscle affected by the stretch reflex; And
The length of the non-dimensionalized muscle derived from the non-dimensionalization step (S20), the contraction rate of the non-dimensionalized muscle, and the length weight and speed weight calculated in the weight calculation step (S30) A muscle activity calculating step (S40) for calculating an activity;
/ RTI > and a method for analyzing muscle activity for elongation reflection.
상기 무차원화 단계(S20)는 근육의 길이에 대한 한계 값 및 근육의 수축속도에 대한 한계 값을 산출하는 한계 값 산출단계(S21);
상기 근육의 길이에 대한 한계 값으로 상기 근육의 길이를 나누는 근육길이 무차원화 단계(S22); 및
상기 근육의 수축속도에 대한 한계 값으로 상기 근육의 수축속도를 나누는 근육 속도 무차원화 단계(S23);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.The method according to claim 1,
The non-dimensioning step S20 includes a threshold value calculation step S21 for calculating a threshold value for the muscle length and a threshold value for the muscle contraction rate;
Dividing the length of the muscle into a limit value for the length of the muscle (S22); And
Dividing the muscle contraction rate into a threshold value for the muscle contraction rate (S23);
Wherein the method comprises the steps of:
상기 한계 값 산출단계(S21)는 하기의 수식에 의해 근육의 길이에 대한 한계 값 및 근육의 수축속도에 대한 한계 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.
여기서, 은 근육의 길이에 대한 한계 값이고, 는 근육의 수축속도에 대한 한계 값이고, 및 는 실험 대상에 따라 가변되는 변수이고, 은 근육이 최대 힘을 낼 수 있는 최대 근력길이며, 는 근육의 최대 수축속도이다.3. The method of claim 2,
Wherein the threshold value calculation step S21 calculates a threshold value for the muscle length and a threshold value for the contraction rate of the muscle by the following equation.
here, Is the limit value for the length of the muscle, Is the limit value for the contraction rate of the muscle, And Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum muscle strength that the muscle can exert the maximum force, Is the maximum contraction rate of the muscle.
상기 및 는 실험대상의 성별, 나이 또는 질환의 유무에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.The method of claim 3,
remind And Characterized in that the test subject is different depending on the sex, age, or absence of the subject of the test subject.
상기 근 활성도 산출단계(S40)는 상기 무차원화 단계(S20)에서 무차원화된 근육의 길이 값과 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 길이 가중치를 연산하여 지근의 근 활성도를 산출하는 제1계산단계(S41);
상기 무차원화 단계(S20)에서 무차원화된 근육의 수축속도 값과 상기 가중치 산출 단계(S30)에서 산출된 속도 가중치를 연산하여 속근의 근 활성도를 산출하는 제2계산단계(S42); 및
상기 제1계산단계와 제2계산단계에 산출된 값을 더하여 근 활성도를 산출하는 제3계산단계(S43);를 포함하는 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.The method according to claim 1,
The muscle activity calculating step S40 may be performed by calculating a length value of the non-dimensionalized muscle in the non-dimensioning step S20 and a length calculation value calculated in the weight calculating step S30 to calculate the muscle activity of the near side Step S41;
A second calculation step (S42) of calculating the muscle activity of the fasted muscle by calculating the shrinkage rate value of the non-dimensionalized muscle in the non-dimensionalization step (S20) and the speed weight calculated in the weight calculation step (S30); And
And calculating a muscle activity by adding the calculated values to the first calculation step and the second calculation step (S43).
상기 근 활성도 산출단계(S40)는 하기의 수식에 의해 근 활성도를 산출하는 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.
여기서, 는 근 활성도이고, 은 길이 가중치이고, 는 속도 가중치이고, 는 근육의 길이이고, 는 근육의 수축속도이고, 은 근육의 길이에 대한 한계 값이고, 는 근육의 수축속도에 대한 한계 값이며, 및 는 실험 대상에 따라 가변 되는 변수이고, 은 근육이 최대 힘을 낼 수 있는 최대 근력길이며, 는 근육의 최대 수축속도이다.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the muscle activity calculating step (S40) calculates the muscle activity by the following equation.
here, Is a muscle activity, Is a length weight, Is a speed weight, Is the length of the muscle, Is the contraction rate of the muscle, Is the limit value for the length of the muscle, Is the limiting value for the rate of muscle contraction, And Is a variable that varies according to the subject of the experiment, Is the maximum muscle strength that the muscle can exert the maximum force, Is the maximum contraction rate of the muscle.
상기 길이 가중치()는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 지근의 비율을 보정상수()로 나눈 값이고, 상기 속도 가중치()는 신장반사에 영향을 받는 근육 중 속근의 비율을 보정상수()로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.The method according to claim 6,
The length weight ( ) Is the ratio of the nearest muscle to the corrected constant ( ), And the velocity weight value ( ) Is the ratio of the muscle to the muscle that is affected by the kidney reflex ). ≪ / RTI >
상기 보정상수 는 상기 근 활성도 가 0 이상이고, 1 이하의 값을 가지게 하는 값인 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.8. The method of claim 7,
The correction constant The muscle activity Is a value that is 0 or more and has a value of 1 or less.
상기 및 상기 는 상기 수학 식에 의해 산출된 근 활성도 를 이용하여 산출된 무릎의 각도변화와 실험을 통해 측정된 무릎의 각도변화가 같아지는 값인 것을 특징으로 하는 신장반사를 위한 근 활성도 해석 방법.The method according to claim 6,
remind And Is the muscle activity calculated by the above equation Wherein the angle change of the knee measured through the experiment is equal to the angle change of the knee measured by the experiment.
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KR101114138B1 (en) | 2009-05-13 | 2012-02-20 | 연세대학교 산학협력단 | System and method for estimating muscle force using joint angles in real-time |
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