KR102232855B1

KR102232855B1 - 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템

Info

Publication number: KR102232855B1
Application number: KR1020190019640A
Authority: KR
Inventors: 김진희; 권혁준; 정도운; 남호수; 방용혁
Original assignee: 동서대학교 산학협력단
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2021-03-29
Also published as: KR20200101604A

Abstract

본 발명은, 근전도 센서 측정값의 중간주파수를 이용해 근육의 피로도를 모니터링할 수 있고, 근전도 센서 측정값의 감소율을 토대로 근피로도의 판별이 가능한 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템에 관한 것으로서, 재활 부위에 접촉되어 재활 부위의 근섬유에서 일어나는 탈분극에 의한 전기 신호를 측정하는 근전도 센서; 상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 재활 운동 정보를 생성하는 제어 모듈; 상기 제어 모듈로부터 재활 운동 정보를 전송받아 가시적으로 표출하는 모니터링 모듈;을 포함하되, 상기 제어 모듈은, 상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 중간주파수를 산출하며, 상기 중간주파수의 산출값을 토대로 재활 운동 정보를 생성한다.

Description

근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템{Muscle fatigue measurement system using median frequency in EMG}

본 발명은, 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 근전도 센서 측정값의 중간주파수를 이용해 근육의 피로도를 모니터링할 수 있고, 근전도 센서 측정값의 감소율을 토대로 근피로도의 판별이 가능한 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템에 관한 것이다.

의료 기술의 발달로 인하여 평균 수명이 연장함에 따라 인구 고령화와 의료비 증가 등 다양한 사회적 문제가 야기되었다. 이를 해결하기 위하여 의료 기술과 ICT 기술의 접목을 통해 최소한의 비용으로 다양한 의료 서비스를 제공할 수 있는 스마트 헬스케어 기술이 부각되고 있다.

오늘날 현대 사회의 업무 형태는 급속한 컴퓨터의 보급으로 획일화된 업무형태가 나타남으로 인해 근골격계 질환이 증가하고 있다. 20대의 발병률은 최근 4년 사이 환자 수가 약 35% 증가하였으며, 40대에서 50대의 환자 수는 약 십만 명에 이르는 것으로 나타났다. 이러한 근골격계 질환은 통증 호소율이 낮으며, 통증 자체를 안일하게 생각하는 경우가 많다. 근골격 질환을 예방하고 치료하기 위해서 반복적 작업 행동 사이에 휴식을 취하여 근육을 쉬게 해주는 것이 최선이다. 그럼에도 불구하고 환자 스스로 근육의 피로도를 판단하기에는 어려움이 있다. 따라서 근육의 전기적 신호를 진단 분석하여 근육의 피로함에 비례한 피로의 정도를 알려주는 모니터링 시스템이 요구된다.

기존 연구 대부분은 근전도를 활용하여 근력 분석, 재활 치료를 위한 근육의 움직임 파악, 그리고 근육의 움직임을 이용한 하드웨어 제어를 연구하였다. 하지만 근육의 피로도는 사람마다 느끼는 정도가 다르고, 재활 치료에 초점을 맞추어 진행된 연구들이 많기 때문에 일상생활에서 사용자의 근육의 피로도에 대한 연구는 아직까지 많이 부족한 실정이다. 실제 생체신호를 측정하는 과정에서 재활치료 등 사용자에게 도움이 된다 하여도 무리한 근육의 움직임일 경우 역효과를 불러오는 등 고려해야 할 상황이 많다. 따라서 본 발명에서는 근전도(EMG)신호를 분석하는 것을 기반으로 사용자의 근육의 피로도를 애플리케이션을 통해 실시간으로 모니터링 가능하고 환자에게 알림을 통해 적절한 휴식을 가질 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.

KR10-2016-0100699(공개번호) 2016.08.24.

본 발명은, 근전도 센서 측정값의 중간주파수를 이용해 근육의 피로도를 모니터링할 수 있는 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 근전도 센서 측정값의 감소율을 토대로 근피로도의 판별이 가능한 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 반력 제공 장치가 구비되고 근전도 센서 측정값의 중간주파수 비율로부터 반력 제공 장치의 반력을 가변할 수 있으므로, 정확한 재활 운동의 강도를 제공할 수 있는 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 재활 부위에 접촉되어 재활 부위의 근섬유에서 일어나는 탈분극에 의한 전기 신호를 측정하는 근전도 센서; 상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 재활 운동 정보를 생성하는 제어 모듈; 상기 제어 모듈로부터 재활 운동 정보를 전송받아 가시적으로 표출하는 모니터링 모듈;을 포함하되, 상기 제어 모듈은, 상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 중간주파수를 산출하며, 상기 중간주파수의 산출값을 토대로 재활 운동 정보를 생성한다.

또한, 본 발명의 상기 제어 모듈은, 상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 차동증폭기를 통해 증폭시키고, 고역통과필터 및 저역통과필터를 이용하여 흔들림과 잡음을 감소시킨 후, 패스트 푸리에 변환(FFT)을 거쳐 주파수 스펙트럼 분석 파형(PSA)을 얻고, 상기 PSA를 토대로 중간주파수를 산출한다.

또한, 본 발명의 상기 제어 모듈은, 운동 초기에 산출된 중간주파수 대비 실시간으로 측정되어 산출되는 중간주파수의 비율이 어느 구간에 속하는지의 여부를 토대로 재활 운동 정보를 생성한다.

본 발명은, 근전도 센서 측정값의 중간주파수를 이용해 근육의 피로도를 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 근전도 센서 측정값의 감소율을 토대로 근피로도의 판별이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 반력 제공 장치가 구비되고 근전도 센서 측정값의 중간주파수 비율로부터 반력 제공 장치의 반력을 가변할 수 있으므로, 정확한 재활 운동의 강도를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템의 사용 상태도.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템의 사시도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템의 사시도.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템의 내부 사시도.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정시스템의 근피로도 비교 평가를 위한 실험 예시도.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정시스템의 중간주파수 추출 과정의 예시도.

이하에서, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은, 재활 부위의 근전도를 측정하는 근전도 센서(100)와, 근전도 센서(100)의 측정값을 입력받아 재활 운동 정보를 생성하는 제어 모듈(200)과, 제어 모듈(200)로부터 재활 운동 정보를 전송받아 가시적으로 표출하는 모니터링 모듈(300)을 포함하여 구성된다.

근전도 센서(100)는 재활 부위의 근섬유에서 일어나는 탈분극에 의한 전기 신호를 측정함으로써 근육의 운동 강도 또는 근육의 피로도를 측정하는 역할을 한다. 근전도는 근육을 수축시키기 위해 근섬유에서 일어나는 탈분극에 의한 전압차로 발생하는 전류가 근육 및 피부 표면에서 발생하는 전기적 신호를 의미한다. 이때 발생되는 전압은 50uV 내지 5mV, 주파수는 10Hz 내지 500Hz의 대역을 가지고 있다. 근전도 센서(100)에서 측정된 측정값은 제어 모듈(200)에 의해 차동증폭기(INA)를 이용해 신호를 증폭 및 동시에 증폭된 노이즈 및 흔들림을 제거하기 위한 저주파 통과 필터(LPF), 고주파 통과 필터(HPF)를 거친다.

근전도 센서(100)는, Ag/AgCl 전극이 활용될 수 있고, 또는 전도성 천을 금속판으로 형성된 착용구(110)에 장착하여 활용할 수 있다.

제어 모듈(200)은, 근전도 센서(100)의 측정값을 입력받아 재활 운동 정보를 생성하는 역할을 한다. 이러한 제어 모듈(200)은 근전도 센서(100)와 유선상으로 연결되어 측정값을 전송받는 것으로 도시하였으나 무선 통신 역시 가능함은 물론이다.

제어 모듈(200)은 근전도 센서(100)의 측정값을 토대로 사용자의 근피로도를 산출하며, 이를 통해 재활 운동 정보를 생성하여 모니터링 모듈(300)에 전송하여 모니터링 모듈(300)로 하여금 사용자에게 재활 운동 정보를 표출할 수 있도록 한다. 따라서, 사용자는 모니터링 모듈(300)의 정보를 보고 현재의 근피로도 상태를 감안하여 재활 운동을 실시할 수 있게 된다.

근육에 강한 부하가 오랫동안 지속되면 신경 세포에 피로 물질이 쌓여 세포의 탈분극이 일어나는 주기가 시간이 지날 수록 길어짐에 따라 근전도 신호의 파장 또한 길어지게 된다. 이 경우, 시간축 파형의 그래프는 파장이 길어졌는지 판단하기가 어렵기 때문에 시간축 그래프를 주파수축 그래프로 재구성하기 위하여 패스트 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)을 실시하며, 아래에 FFT 산출 수식을 나타내었다.

근육의 피로도 비교평가를 위하여 신체 질병이 없는 20대 5명을 대상으로 근력 운동 기간에 따른 근육의 피로도를 측정하였다. 근력 운동은 스쿼트 자세로 설정하고, 측정 횟수는 총 100개로 근력 운동을 진행하였다. 도 5 는 근육의 피로도 비교 평가를 위한 실험 일례이다.

근력 운동 기간에 따른 근육의 피로도를 비교하기 위하여 전체 측정 기간의 초기 20초 근전도 센서(100)의 측정값과 마지막 20초 근전도 센서(100)의 측정값의 중간주파수를 비교 분석하였다. 측정된 근전도 센서 측정값(100)의 정확한 분석을 위하여 FFT를 거쳐 중간주파수를 산출하였다.

실험 결과, 실험자의 스쿼트 자세에 따른 근육의 피로도 감소율은 개인차가 있지만 실험자 모두 근력 운동 시작 구간과 마지막 부분의 전체적인 스펙트럼의 크기가 줄어들었으며, 중간주파수의 수치 또한 감소하였다.

아래 표에는 실험자 5명의 근육의 피로도에 따른 중간주파수 감소율이 기재되어 있다.

subject	Before Exercise	After Exercise	Reduction rate
subject 1	30.363Hz	29.564Hz	2.7%
subject 2	90.973Hz	26.827Hz	13.3%
subject 3	29.270Hz	27.434Hz	6.2%
subject 4	22.365Hz	20.805Hz	6.9%
subject 5	28.700Hz	26.691Hz	7%

도 6 은 중간주파수 추출 과정의 일례이다.

이때, 중간주파수는 근전도 센서(100)의 측정값을 FFT한 결과에 다음의 수식을 사용하여 산출한다.

위 실험 결과, 모든 케이스에 있어서 운동 시작 초기로부터 운동을 진행할수록 근전도 센서(100)의 측정값의 중간주파수가 감소된 것을 확인할 수 있다.

따라서, 제어 모듈(200)은, 근전도 센서(100)의 측정값에 대하여 중간주파수를 산출한 결과, 운동 초기에 산출된 중간주파수 대비 실시간으로 측정되어 산출되는 중간주파수의 비율이 어느 구간에 속하는지의 여부를 토대로 재활 운동 정보를 생성한다. 그리고, 생성된 재활 운동 정보는 모니터링 모듈(300)에 전송되어 사용자가 확인할 수 있도록 한다.

예를 들어, 운동 초기 중간주파수 대비 운동을 진행하며 실시간으로 산출된 중간주파수의 비율이 95% 이상 100% 미만인 경우는 저피로도, 90% 이상 95% 미만인 경우는 고피로도, 90% 미만은 위험 피로도인 상태로 재활 운동 정보를 생성하게 되는 것이다.

모니터링 모듈(300)은, 제어 모듈(200)로부터 재활 운동 정보 또는 근피로도 정보를 전송받아 이를 가시적으로 표출하는 역할을 한다. 이러한 모니터링 모듈(300)은 무선 통신이 가능하고 디스플레이 창을 갖춘 일반적인 스마트폰이 그 대상이 될 수 있으나 이를 한정하는 것은 아니다.

한편, 제어 모듈(200)의 판별 결과 운동 시간 대비 중간주파수의 감소 비율이 너무 높은 고부하 운동 상태인 경우, 또는 재활 운동은 실시하고 있으나 운동 시간 대비 중간주파수의 감소 비율이 너무 낮은 저부하 운동 상태인 경우에, 사용자가 모니터링 모듈(300)을 보면서 즉각즉각 재활 운동에 사용되는 운동 기구의 중량을 가변하기에는 무리가 있다.

따라서, 본 발명에서는 제어 모듈(200)의 판별 결과에 따라 재활 운동의 강도를 적절히 조절하여 현재 사용자의 몸 상태에 맞는 재활 운동이 이루어질 수 있도록 반력 제공 장치(400)가 구비된다.

반력 제공 장치(400)는, 와이어(411)가 권취된 릴(410)과, 파지 가능한 형태 또는 신체 부위에 착용 가능한 형태로 형성되어 와이어(411)의 끝단에 결합되는 홀더(412)와, 회전축에 수직하게 회전암(421)이 구비되고 회전축이 지면에 수직하게 형성되는 액츄에이터(420)와, 회전암(421)에 일단이 회동 가능하게 측방향으로 결합되는 링크샤프트, 링크 샤프트(431)의 타단에 일단이 회동 가능하게 측방향으로 결합되는 수평 샤프트(432), 지면에 수직하게 구비되어 하단이 지면에 회동 가능하게 결합되고 일측면에 수평 샤프트(432)의 타단이 고정 결합되는 수직 샤프트(433)로 구성되어서, 수직 샤프트(433)의 상단에 릴(410)의 중심축이 동심으로 결합되는 링키지 시스템(430)을 포함하여 구성된다.

액츄에이터(420)는 메인 하우징(401)의 내부에 구비되어서 링키지 시스템(430)에 동력을 제공하거나 또는 링키지 시스템(430)으로부터 전달되는 동력에 대하여 반력을 제공하는 역할을 한다.

이러한 액츄에이터(420)는 제어 모듈(200)로부터 구동 신호를 받아 회전되며, 회전축에 수직하게 결합되어 회전되는 회전암(421)을 포함하여 구성된다. 이때, 액츄에이터(420)의 회전축은 지면에 수직한 방향으로 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 회전암(421)은 지면에 수평하게 회전된다. 그리고, 액츄에이터(420)의 상면에는 스토퍼가 회전암(421)의 양 측면과 이격되게 구비되어서, 회전암(421)이 설정 각도 이상 회동되는 것을 방지할 수 있도록 구성된다.

한편, 액츄에이터(420)에는 엔코더(미도시)가 더 구비되어 회전암(421)의 회전량을 측정할 수 있도록 하며, 측정된 결과는 제어 모듈(200)로 전송되어 제어 모듈(200)로 하여금 와이어(411)의 권취 정도를 조절할 수 있도록 한다.

링키지 시스템(430)은 액츄에이터(420)의 회전력을 릴(410)에 전달하는 역할을 하며, 이를 위하여 지면, 즉, 메인 하우징(401)의 바닥면에 회동 가능하게 결합되어 지면에 수직하게 구비되는 수직 샤프트(433)와, 이러한 수직 샤프트(433)에 액츄에이터(420)의 회전력을 전달하는 링크 샤프트(431) 및 수평 샤프트(432)로 구성된다.

우선, 링크 샤프트(431)는 회전암(421)의 끝단에 회동 가능하게 측방향으로 결합된다. 이로서 액츄에이터(420)의 회전력이 측방향 직선 운동으로 변환된다. 그러나 링크 샤프트(431) 단독으로는 수직 샤프트(433)에 회전력을 제공할 수 없게 된다. 따라서, 링크 샤프트(431)의 타단에 회동 가능하게 측방향으로 결합되는 수평 샤프트(432)가 더 구비된다. 이로서 링크 샤프트(431)의 일단 및 타단이 모두 회동 가능하게 결합된 형태로서 액츄에이터(420)의 회전 운동이 수평 샤프트(432)가 고정된 수직 샤프트(433)에 전달되어 수직 샤프트(433)가 회동할 수 있게 된다. 그리고 수직 샤프트(433)의 상단에는 릴(410)의 중심축이 동심으로 결합됨으로써, 결국 액츄에이터(420)의 회전력이 릴(410)에 전달되는 구조가 된다.

이때, 액츄에이터(420)의 회전축에 바로 수직 샤프트(433)를 연결하여 회전력을 직접 전달하지 않는 이유는, 수직 샤프트(433)와 와이어(411)가 권취된 릴(410)의 무게에 의해 액츄에이터(420)에 무리를 주지 않기 위함이며, 또한, 사용자가 와이어(411)를 당겨가며 재활 운동을 실시할 때에 와이어(411)의 장력에 의해 수직 샤프트(433)에 측방향의 외력이 작용될 때 이러한 측방향의 외력이 액츄에이터(420)의 회전축에 직접 전달되어 액츄에이터(420)가 파손되는 것을 방지하기 위함이다.

이러한 반력 제공 장치(400)는 사용자가 홀더(412)를 당겨 와이어(411)가 릴(410)로부터 권취될 때 릴(410)이 회전되는 회전력에 제동을 걸어 사용자가 마치 중량체를 당기는듯한 효과를 가질 수 있도록 한다. 이를 위하여 반력 제공 장치(400)는 제어 모듈(200)의 제어 신호를 수신하여 액츄에이터(420)의 회전 반력이 가변되며, 제어 모듈(200)은, 운동 초기 산출된 중간주파수 대비 운동을 진행하며 실시간으로 산출되는 중간주파수의 비율이 설정 시간 경과 시점에 설정 비율 이상, 즉, 운동 강도가 낮아 운동 효과가 적은 경우에는 액츄에이터(420)의 반력을 증가시킨다. 반대로 제어 모듈(200)은, 운동 초기 산출된 중간주파수 대비 운동을 진행하며 실시간으로 산출되는 중간주파수의 비율이 설정 시간 경과 시점에 설정 비율 미만, 즉, 오버트레이닝 상태인 경우에는 액츄에이터(420)의 반력을 감소시켜 적절한 재활 운동이 이루어질 수 있도록 한다.

상술한 구성으로 이루어진 본 발명은, 근전도 센서(100) 측정값의 중간주파수를 이용해 근육의 피로도를 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 근전도 센서(100) 측정값의 감소율을 토대로 근피로도의 판별이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 반력 제공 장치(400)가 구비되고 근전도 센서(100) 측정값의 중간주파수 비율로부터 반력 제공 장치(400)의 반력을 가변할 수 있으므로, 정확한 재활 운동의 강도를 제공할 수 있는 효과가 있다.

100 : 근전도 센서 110 : 착용구
200 : 제어 모듈
300 : 모니터링 모듈
400 : 반력 제공 장치 401 : 메인 하우징
410 : 릴 411 : 와이어
412 : 홀더 420 : 액츄에이터
421 : 회전암 430 : 링키지 시스템
431 : 링크 샤프트 432 : 수평 샤프트
433 : 수직 샤프트

Claims

재활 부위에 접촉되어 재활 부위의 근섬유에서 일어나는 탈분극에 의한 전기 신호를 측정하는 근전도 센서;
상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 재활 운동 정보를 생성하는 제어 모듈;
상기 제어 모듈로부터 재활 운동 정보를 전송받아 가시적으로 표출하는 모니터링 모듈;
을 포함하되,
상기 제어 모듈은, 상기 근전도 센서의 측정값을 입력받아 차동증폭기를 통해 증폭시키고, 고역통과필터 및 저역통과필터를 이용하여 흔들림과 잡음을 감소시킨 후, 패스트 푸리에 변환(FFT)을 거쳐 주파수 스펙트럼 분석 파형(PSA)을 얻고, 상기 PSA를 토대로 중간주파수를 산출하되,
상기 PSA가 S_m(f)라 할 때,

인 중간주파수 f_med를 산출하고,
또한, 상기 제어 모듈은, 운동 초기에 산출된 중간주파수 대비 실시간으로 측정되어 산출되는 중간주파수의 비율이 어느 구간에 속하는지의 여부를 토대로 재활 운동 정보를 생성하며,
와이어가 권취된 릴과, 파지 가능한 형태 또는 신체 부위에 착용 가능한 형태로 형성되어 상기 와이어의 끝단에 결합되는 홀더와, 회전축에 수직하게 회전암이 구비되고, 회전축이 지면에 수직하게 형성되는 액츄에이터와, 상기 회전암에 일단이 회동 가능하게 측방향으로 결합되는 링크 샤프트와 상기 링크 샤프트의 타단에 일단이 회동 가능하게 측방향으로 결합되는 수평 샤프트와, 지면에 수직하게 구비되어 하단이 지면에 회동 가능하게 결합되고 일측면에 상기 수평 샤프트의 타단이 고정 결합되는 수직 샤프트로 구성되어서, 상기 수직 샤프트의 상단에 상기 릴의 중심축이 동심으로 결합되는 링키지 시스템을 포함하는 반력 제공 장치;
를 더 포함하고,
상기 제어 모듈은,
초기 중간주파수 대비 실시간으로 측정되어 산출된 중간주파수의 비율이 설정 시간 경과 시점에 설정 비율 이상이면 상기 액츄에이터의 반력을 증가시키고, 초기 중간주파수 대비 실시간으로 측정되어 산출된 중간주파수의 비율이 설정 시간 경과 시점에 설정 비율 미만이면 상기 액츄에이터의 반력을 감소시키는 근전도 신호의 중간주파수를 이용한 근피로도 측정 시스템.
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