KR102468031B1 - 자발 근활성 신호 검출 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능적 전기 자극 하의 근활성 신호에서 자발 근활성 신호를 검출하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템은 기능적 전기 자극 하에서 EMG 전극으로부터 데이터를 수신하는 수신부와, 데이터를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 프로그램이 저장된 메모리 및 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 기설정된 위치에 배치된 EMG 전극으로부터 수신된 데이터를 절단하고, 이전 자극 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터 간의 차이를 계산하고, 그 결과를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.

Description

자발 근활성 신호 검출 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR VOLITIONAL ELECTROMYOGRAPHY DETECTION}

본 발명은 기능적 전기 자극 하의 근활성 신호에서 자발 근활성 신호를 검출하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 자발 근활성 신호(vEMG, Volitional Electromyography) 검출은 기타 부대 장비로서 blanking 회로를 요구하며, 기능적 전기 자극((Functional Electrical Stimulation) 인가 하에서 근육의 활성 신호(EMG, Electromyography) 처리 기술에 한계가 있으며, 동적인 기능적 전기 자극 인가 상황에서 검출이 불안정한 문제점이 있다.
(특허문헌 1) KR 10-2017-0099030 A

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, blanking 회로 등 기타 부대 장비에 관계 없이 자발 근활성 신호 검출의 성능을 개선하는 것이 가능하고, 동적인 기능적 전기 자극 인가 상황에서도 강인하게 자발 근활성 신호 검출이 가능한 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템은 기능적 전기 자극 하에서 EMG 전극으로부터 데이터를 수신하는 수신부와, 데이터를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 프로그램이 저장된 메모리 및 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 기설정된 위치에 배치된 EMG 전극으로부터 수신된 데이터를 절단하고, 이전 자극 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터 간의 차이를 계산하고, 그 결과를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법은 기설정된 위치에 부착된 EMG 전극으로부터 데이터를 수신하는 단계와, 데이터를 일정 단위로 절단하고 버퍼에 저장시키는 단계와, 일정 단위로 절단된 데이터에 대해, 이전 자극에서 획득된 데이터와 현재 자극에서 획득된 데이터를 차연산하는 단계 및 획득된 차연산 결과 값을 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템은 기능적 전기 자극을 인가하는 FES 전극과, 기능적 전기 자극이 인가되는 특정 근육의 피부 표면에 부착되는 EMG 전극 및 EMG 전극의 부착 위치에서 수신된 데이터를 절단하고, 이전 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터 간의 차이를 계산하여, 자발 근활성 신호를 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술과 같이 blanking 회로와 같은 기타 부대 장비가 불필요하며, 자발 근활성 신호의 검출 성능을 개선하고, 기타 상용 FES와 EMG 장비에 적용되어 상용화가 가능한 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 자극 펄스의 진폭, 주파수, 유지 시간, 파형 등의 FES 자극 변수가 동적으로 변하는 상황에도 강인하게 자발 근활성 신호를 검출할 수 있어, EMG-controlled FES에 적용되어 FES를 통한 근육의 제어 성능을 극대화하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 EMG raw 데이터를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 과정을 도시하는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 콤필러 방식의 자발 근활성 신호 검출 실험 결과 및 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템의 검출 실험 결과를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

이하에서는, 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경에 대하여 먼저 서술하고, 본 발명의 실시예에 대하여 서술하기로 한다.

근육이 활성화될 때 근육 세포에서 발생하는 전위차를 측정함으로써 근육의 활성 정도를 측정하는 근활성 신호(EMG, Electromyography)는 의료 분야에서뿐만 아니라 바이오메카닉스 분야까지 널리 사용되는 기술이다.

EMG 기술은 활성화된 근육의 전위차를 측정하는 전극의 구성에 따라 발전되어 왔으며, 보편적으로 활용되는 형태는 피부 표면에 부착되는 전극 형태의 EMG 장비이다.

전기적 자극을 정전류 혹은 정전압의 형태로 근육에 인가하여 인위적으로 근육의 수축을 유발하는 전기자극(Electrical Stimulation) 기술은 1967년 그 기초가 되는 기술이 발명된 이래로, 1) 전기적 자극을 인가하는 방식과 2) 인가된 전극을 근육에 전달하는 전극의 형태/위치 분야로 발전되어 왔으며, 보편적으로 활용되는 형태는 피부 표면에 부착되는 피부 표면 전극 형태의 방식이다.

전기자극 기술은 주로 약화 또는 상실된 근육의 기능을 보완 및 대체하는 기능적 전기자극(FES, Functional Electrical Stimulation)으로 발전되어 왔으며, 특히 최근에는 이와 같은 재활 및 치료의 목적 외에 사용자가 의도적으로 운동을 하지 않아도 전기자극을 활용하여 운동 효과를 얻고자 하는 EMS(Electrical Muscle Stimulation) 헬스 트레이닝 장치들도 등장하고 있다.

일반적으로 FES 장비는 인가되는 전기적 자극의 여러 변수, 즉 자극 펄스의 진폭, 주파수, 유지 시간, 파형 등에 의해 그 세기를 조절할 수 있고, 이는 FES에 의해 유발되는 근육의 수축력을 결정한다.

이러한 자극 변수는 FES 장비의 사용자에 의해 미리 정해진 값으로 일정하게 인가되는 방식이 있는 반면, FES 장비의 사용자의 개입에 의해 실시간으로 변하여 근육의 수축을 유발하는 방식이 있다.

여기서 사용자의 개입이라 함은 사용자가 필요에 따라 입력을 인가하는 매뉴얼 스위치, 사용자의 움직임을 측정하는 위치 센서, 그리고 최근에는 사용자의 근육의 활성 정도를 측정하는 EMG 센서 등이 활용된다.

그 중 FES 장비와 EMG 장비를 융합하여 활용하는 EMG-FES 장비는 가장 높은 기술력이 요구되는 기술이다.

EMG-FES 장비는 1) FES 인가 전 EMG 신호가 일정 문턱값을 넘는 순간을 관측하여 미리 정해진 변수의 전기 자극을 인가하는 EMG-triggered FES 장비와, 2) 실시간으로 측정되는 EMG 신호를 반영하여 FES 장비의 자극 정도를 제어하는 EMG-controlled FES 장비로 구분된다.

1) EMG-triggered FES 장비는 FES 인가 전 사용자의 EMG 신호의 실효값(Root Mean Square, 이하 "RMS"라 칭함)을 측정하여 미리 설정된 문턱값과의 실시간 비교를 함으로써 구현될 수 있으므로, 비교적 수월히 상용화까지 성공하여 뇌졸중 환자의 재활치료, 족하수증 환자의 보행능력 개선에 활용되고 있다.

반면 2) EMG-controlled FES 장비는 FES 인가 하에서의 EMG 신호에 FES 신호 자체인 자극 아티팩트(stimulus artifact)와 FES에 의해 유발된 근활성 신호인 M-wave에 의해 사용자의 자발 근활성 신호(vEMG , Volitional Electromyography)가 왜곡되기 때문에, 선행 연구자들에 의해 전기자극 시에 EMG 센서의 입력을 차단하는 blanking 회로의 도입, 신호처리 알고리즘의 적용 등의 방식이 고려되고 있다.

자극에 의한 아티팩트는 FES 신호에 의해 근육에 인가되는 전류의 크기를 의미하는데, 이는 근육의 활성 전위 차보다 매우 크므로 통상적인 EMG의 수용 범위를 초과하여 EMG의 유의미한 정보를 왜곡한다.

또한 M-wave는 그것이 지속되는 수 ms 동안 vEMG의 유의미한 정보를 왜곡한다.

Blanking 회로는 근육의 미세한 활성 전위차를 측정 유효한 범위까지 증폭시키는 EMG의 증폭기를 FES 신호가 인가되는 주파수에 맞게 일시적으로 차단시킴으로써 자극 아티팩트를 제거하는 역할을 하는 장비이다.

FES 하의 EMG 신호에서 blanking 회로를 통해 자극 아티팩트가 제거된 EMG 신호는 M-wave와 vEMG가 합쳐진 값으로 해석될 수 있다.

일반적으로 EMG-controlled FES 장비를 구현하기 위한 vEMG 검출 알고리즘은 blanking 회로를 필수적으로 활용한다.

FES 하의 EMG 신호에서 vEMG를 검출하기 위한 종래 기술의 신호처리 알고리즘은 전술한 blanking 회로를 거쳐 자극 아티팩트가 제거된 신호에 적용되는 알고리즘이며, 효과적으로 M-wave을 제거하기 위하여, 콤필터(comb filter) 방식, 윈도우 블랭킹(window blanking) 방식, 그램-슈미트 필터(Gram-Schmidt filter) 방식 등의 알고리즘이 고려되고 있다.

콤필터 방식은 여러 차단 대역폭을 갖는 노치 필터(notch filter)를 조합한 형식의 필터를 통해 M-wave의 대역폭에 해당하는 EMG 신호를 제거함으로써 vEMG를 검출하는 방식이고, 윈도우 블랭킹 방식은 FES가 인가된 후 수 ms간 지속되는 M-wave 유지 기간 동안 데이터를 수신하지 않음으로써 M-wave에 의한 영향을 제거하는 방식이며, 그램-슈미트 필터 방식은 필터의 변수를 적응하여 조절할 수 있는 알고리즘을 통해 실시간으로 변하는 M-wave를 제거하는 방식이다.

전술한 blanking 회로를 활용하면 자극에 의한 아티팩트를 수신하지 않을 수 있으나, 이는 EMG 증폭기에 필수적인 수정을 요구하므로 상용 EMG 장비에 효율적으로 적용되기 힘든 문제점이 있으며, 필요 이상의 기타 부대 장비를 요구하는 문제점이 있다.

또한, 전술한 신호처리 알고리즘은 제한된 상황에서는 vEMG를 검출하는데 비교적 유용하지만, 콤필터 방식은 M-wave를 고정 변수로 가정하였기에 동적으로 FES 신호가 변하는 상황에 적응하기에 부족하다.

윈도우 블랭킹 방식은 FES 주파수가 고정되어 있어야 하며, M-wave를 제거하는 과정에서 vEMG도 함께 제거하기에 검출 해상도가 크게 떨어진다는 문제점이 있다.

그램-슈미트 필터 방식은 콤필터 방식과 마찬가지로 동적으로 FES 신호가 변하는 상황에 완벽히 적응하기에 부족함이 있다.

특히, M-wave는 FES 신호에 의해 결정되지만 서로 비선형 관계를 갖고 있고, 동적으로 FES 신호가 변화하는 상황에서는 비선형성이 극대화되는 문제가 있어 예측하기 매우 어려운 문제가 있고, 그로 인해 예측된 vEMG를 기반으로 FES를 제어하는 EMG-controlled FES의 근육 제어 성능을 국한시키는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 근육의 활성 신호로부터 자발적인 근수축 의도를 검출하되, 기능적 전기 자극 하에서 왜곡되어 측정되는 근활성 신호로부터 전기적 자극에 의해 유발되는 수축 정도와 자발적인 의도에 의한 수축 정도를 구별하는 것이 가능한 시스템 및 그 방법을 제안한다.

본 발명은 blanking 회로 등 기타 부대 장비에 관계 없이 자발 근활성 신호 검출의 성능을 개선하는 것이 가능하고, 동적인 기능적 전기 자극 인가 상황에서도 강인하게 자발 근활성 신호 검출이 가능한 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 과학기술정보통신부 및 정보통신기술진흥센터의 정보통신·방송연구개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출한 것이다(1711055381, 신체기능의 이상이나 저하를 극복하기 위한 휴먼 청각 및 근력 증강 원천기술개발).

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템은 기능적 전기 자극을 인가하는 FES 전극(100a, 100b)와, 기능적 전기 자극이 인가되는 특정 근육의 피부 표면에 부착되는 EMG 전극(210a, 210b, 220a, 220b) 및 EMG 전극의 부착 위치에서 수신된 데이터를 절단하고, 이전 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터 간의 차이를 계산하여, 자발 근활성 신호를 검출하는 검출부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 사용자의 임의의 신체(B) 부위의 임의의 근골격계를 구성하는 근육의 위치(M)의 피부 표면에는 FES 전극과 EMG 전극이 부착된다.

특정 근육의 위치(M)의 피부 표면에 부착되는 FES 전극(100a, 100b) 한 쌍은 근섬유의 방향과 평행한 방향으로 부착된다.

같은 근육의 EMG 신호를 측정하기 위한 EMG 전극은 2쌍, EMG 전극1(210a, 210b)와 EMG 전극2(220a, 220b)로 구성되며, FES 전극(100a, 100b)와 마찬가지로 근섬유의 방향과 평행한 방향으로 부착된다.

EMG 전극 1 및 EMG 전극 2의 기준 전극 역할을 하는 EMG 기준전극1(230a)와 EMG 기준전극2(230b)는 해당 근육과 무관한 위치에 부착된다.

본 발명의 실시예에 따른 검출부는 EMG 전극 1(210a, 210b)및 2(220a, 220b)로부터 수신한 데이터를 자극 주파수의 길이를 고려하여 절단하며, 이 때 데이터는 자극 아티팩트, M-wave 및 자발 근활성 신호의 합으로 이루어진다.

검출부는 이전 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터 간의 차이를 계산하여, 기능적 전기 자극의 인가에 따른 동기 수축에 의한 영향(자극 아티팩트, M-wave)을 제거한다.

본 발명의 실시예에 따른 FES 전극(100a, 100b)은 동적인 기능적 전기 자극을 인가하는 한 쌍의 전극이고, EMG 전극(210a, 210b, 220a, 220b)은 동적인 기능적 전기 자극 하에서 근육의 활성 신호를 측정하는 두 쌍의 전극이며, 검출부는 EMG 전극 1(210a, 210b)및 EMG 전극 2(220a, 220b)에서 각각 계산된, 이전 자극 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터의 차이값을 수신하고, 이를 차연산하여, 동적인 기능적 전기 자극에 의한 영향을 제거하고 자발 근활성 신호를 검출한다.

이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 EMG raw 데이터를 나타내는 도면으로서, FES 하의 EMG 신호의 구성을 도힌다.

도 2를 참조하면, FES 하의 EMG raw 데이터(21)는 자극 아티팩트(22), M-wave(23), vEMG(24)의 선형 합으로 이루어진 값이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 2에 도시한 선형 합의 관계는 외부 요인에 의한 노이즈의 영향을 무시한 것으로, 이에 대한 영향은 후술하는 본 발명의 실시예에 따라 무시해도 무관한 것이다.

자발적인 의도에 따라 근육이 활성화되는 경우, 또는 인위적인 FES에 의해 근육이 활성화되는 경우 모두에 있어서, EMG 장비로 측정할 수 있는 미세 활성 전위가 발생하는데, 인체의 생리에 의해 다른 특성을 갖는다.

자발적인 의도에 의해 근육이 활성화 될 때에는 근육의 효율성을 극대화하기 위해 근섬유는 임의의 순서로 각기 다른 동기로 수축하는 비동기 수축(asynchronous contraction)을 하게 된다.

반면, FES에 의해 인위적으로 근육의 수축을 유발할 경우에는, 피부 표면을 통해 전기 자극을 함으로써 근섬유 전체를 동시에 수축하는 동기 수축(synchronous contraction)을 하게 된다.

도 2를 참조하면, 자극 아티팩트(22)과 M-wave(23)는 동기 수축에 의한 결과이며, vEMG(24)은 비동기 수축에 의한 결과이다.

이러한 신호의 특성에 따라서, FES 하의 EMG 중 자극 아티팩트(22)과 M-wave(23)는 FES에 의해 활성화되는 근육의 위치에 관계없이 동일한 경향을 보인다.

반면, 자발적인 의도에 의한 비동기 수축의 결과인 vEMG(24)는 근육의 위치에 따라 달라지는 경향을 보인다.

특히 vEMG(24)는 이러한 특징에 의해, 가우시안 랜덤 신호(Gaussian random signal)로 가정되기에 충분하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 과정을 도시하는 도면이다.

FES가 인가되는 상황에서 vEMG를 검출하기 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이 FES가 인가되고 있는 근육의 범위 안에 EMG 전극1(210a, 210b)와 EMG 전극2(220a, 220b)와 같이 2 쌍의 EMG 전극이 부착되며, 이는 FES에 의한 근육의 생리를 충분히 활용하고자 하기 위함이다.

EMG 전극1(210a, 210b)에서 실시간으로 획득된 EMG raw 데이터(31)와, EMG 전극2(220a, 220b)에서 실시간으로 획득된 EMG raw 데이터(32)를 도시한다.

이 때, (i-1)번 째 자극 시 EMG 전극1의 EMG raw 데이터(31-1), (i)번 째 자극 시 EMG 전극1의 EMG raw 데이터(31-2), (i-1)번 째 자극 시 EMG 전극2의 EMG raw 데이터(32-1), (i)번 째 자극 시 EMG 전극2의 EMG raw 데이터(32-2)와 같이, 자극 주파수의 길이에 맞게 데이터를 버퍼에 저장한다.

이러한 버퍼의 길이는 특별한 제한 조건 없이 FES 주파수에 따라 결정된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 EMG(EMG 1, EMG 2) 별로 현재 자극 차례의 EMG raw 데이터에서 이전 자극 차례의 EMG raw 데이터의 차이를 계산하면, 그 결과로서 EMG 전극 1에서 계산한 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(33) 및 EMG 전극 2에서 계산한 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(34)가 획득되며, 이러한 과정만으로도 동기 수축에 의한 영향, 즉 자극 아티팩트와 M-wave의 영향을 제거할 수 있다.

반면, 해당 과정에서 vEMG는 가우시안 랜덤 신호 간의 차이를 계산하였기 때문에 그 경향은 일정하게 유지되므로, 정적인 FES가 인가되었을 때, 전술한 바와 같이 자극 아티팩트와 M-wave가 상당 부분 제거되어 자발 근활성 신호를 검출하는 것이 가능하다.

하지만 FES가 동적으로 변할 시, 현재 자극 차례와 이전 자극 차례의 자극 아티팩트와 M-wave가 변화하게 되어, 자발 근활성 신호를 왜곡하게 되므로, 본 발명의 실시예에 따르면 두 쌍의 EMG에서 동일한 과정을 거친 뒤 계산된 값의 차이를 계산함으로써, 자발 근활성 신호(35)를 검출하고, 동적인 FES에 의한 영향을 완벽히 제거하는 것이 가능하다.

FES에 의해 형성된 자극 아티팩트와 M-wave는 동일한 FES에 따라 동기 수축에 의한 결과이므로, 각 EMG에서도 동일한 경향의 변화폭을 가지며, 자발 근활성 신호는 전술한 바와 같이 가우시안 랜덤 신호이므로 차이를 계산하여도 경향성이 유지되기 때문이다.

도 4는 종래 기술에 따른 콤필러 방식의 자발 근활성 신호 검출 실험 결과 및 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템의 검출 실험 결과를 도시한다.

도 4를 참조하면, 실험은 처음 5초간 근육에 힘을 주지 않고 FES만 인가하여 자발 근활성 신호가 0으로 유지되는지 관찰하고, 그 다음 5초간 근육에 힘을 주어 자발 근활성 신호를 측정해본 결과를 도시한다.

도 4의 (a)는 각 EMG에서 측정된 raw 데이터 결과이고, 도 4의 (b)는 기존의 콤필터 방식을 적용한 결과와 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템을 적용한 실험 결과를 비교한 것이다.

도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 동적으로 FES가 변화하여 자극 아티팩트가 변하는 구간에서, 기존의 콤필터 방식은 그 변화에 의해 자발 근활성 신호의 왜곡이 발생되는 반면, 본 발명의 실시예에 따르면 FES의 변화에 관계 없이 자발 근활성 신호 값이 0으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 시스템을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기능적 전기 자극 하에서, EMG 전극으로부터 데이터를 수신하는 수신부(310)와, 데이터를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 프로그램이 저장된 메모리(320) 및 프로그램을 실행시키는 프로세서(330)를 포함하되, 프로세서(330)는 기설정된 위치에 배치된 EMG 전극으로부터 수신된 데이터를 절단하고, 이전 자극 차례의 데이터 및 현재 자극 차례의 데이터 간의 차이를 계산하고, 그 결과를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출한다.

도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, EMG 전극은 FES 전극에 의해 기능적 전기 자극이 인가되는 해당 근섬유의 방향과 평행한 방향으로 적어도 두 쌍이 부착되고, 수신부(310)는 자극 아티팩트, M-wave, 자발 근활성 신호의 선형 합으로 이루어지는 EMG raw 데이터를 수신한다.

본 발명의 실시예에 따른 프로세서(330)는 EMG raw 데이터를 자극 주파수의 길이에 맞게 절단하여 이를 버퍼에 저장하고, 이전 자극 차례의 EMG raw 데이터 및 현재 자극 차례의 EMG raw 데이터의 차이를 계산하여, 자극 아티팩트 및 M-wave의 영향을 제거시킨다.

프로세서(330)는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 제1 EMG 전극 에서 계산된 데이터의 차이값과, 제2 EMG 전극에서 계산된 데이터의 차이값을 차연산하여, 동적으로 변하는 기능적 전기 자극에 의한 영향을 제거하고 자발 근활성 신호를 검출한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법은 기설정된 위치에 부착된 EMG 전극으로부터 데이터를 수신하는 단계(S610)와, 데이터를 일정 단위로 절단하고 버퍼에 저장시키는 단계(S620)와, 일정 단위로 절단된 데이터에 대해, 이전 자극에서 획득된 데이터와 현재 자극에서 획득된 데이터를 차연산하는 단계(S630) 및 획득된 차연산 결과 값을 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 단계(S640)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

S610단계에서는, 기능적 전기 자극이 인가되는 해당 근육의 피부 표면에 부착되며, 근섬유의 방향과 평행한 방향으로 부착되는 EMG 전극으로부터 데이터를 수신한다.

S610 단계는 자극 아티팩트, M-wave, 자발 근활성 신호의 선형 합으로 이루어지는 EMG raw 데이터를 수신한다.

S620 단계는 자극 주파수를 고려하여 데이터를 일정 단위로 절단하고, S630 단계는 이전 차례 및 현재 차례의 자극에서 획득된 데이터를 차연산하여 동기 수축에 의한 결과를 제거한다.

S630 단계는 제1 EMG 및 제2 EMG전극으로부터 획득된 데이터에 대해, 이전 차례의 자극에서 획득된 데이터와 현재 차례의 자극에서 획득된 데이터의 차연산 결과 값을 각각 산출하고, S640 단계는 각각 산출된 차연산 결과값의 차이를 계산하여, 동적인 기능적 전기 자극에 의한 영향을 제거하고, 자발 근활성 신호를 검출한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법은 컴퓨터 시스템에서 구현되거나, 또는 기록매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 적어도 하나 이상의 프로세서와, 메모리와, 사용자 입력 장치와, 데이터 통신 버스와, 사용자 출력 장치와, 저장소를 포함할 수 있다. 전술한 각각의 구성 요소는 데이터 통신 버스를 통해 데이터 통신을 한다.

컴퓨터 시스템은 네트워크에 커플링된 네트워크 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 프로세서는 중앙처리 장치(central processing unit (CPU))이거나, 혹은 메모리 및/또는 저장소에 저장된 명령어를 처리하는 반도체 장치일 수 있다.

메모리 및 저장소는 다양한 형태의 휘발성 혹은 비휘발성 저장매체를 포함할 수 있다. 예컨대, 메모리는 ROM 및 RAM을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법은 컴퓨터에서 실행 가능한 방법으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법이 컴퓨터 장치에서 수행될 때, 컴퓨터로 판독 가능한 명령어들이 본 발명에 따른 검출 방법을 수행할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명에 따른 자발 근활성 신호 검출 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

B: 신체 M: 근육
100a, 100b: FES 전극 210a, 210b: 제1 EMG 전극
220a, 220b: 제2 EMG 전극 230a, 230b: EMG 기준 전극
310: 수신부 320: 메모리
330: 프로세서

Claims (16)

1. 동적으로 변하는 제1 기능적 전기 자극과 제2 기능적 전기 자극 하에서, 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b)으로부터 제1 EMG raw 데이터를 수신하고, 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)으로부터 제2 EMG raw 데이터를 수신하는 수신부;
   상기 제1 EMG raw 데이터와 제2 EMG raw 데이터를 이용하여 자발 근활성 신호를 검출하는 프로그램이 저장된 메모리; 및
   상기 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하되,
   상기 프로세서는,
   제1 기능적 전기 자극에 따라, 상기 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b)으로부터 획득된 제1-1 EMG raw 데이터(31-1) 및 상기 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)으로부터 획득된 제2-1 EMG raw 데이터(32-1)와,
   제2 기능적 전기 자극에 따라, 상기 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b)으로부터 획득된 제1-2 EMG raw 데이터(31-2) 및 상기 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)으로부터 획득된 제2-2 EMG raw 데이터(32-2)를 이용하되,
   상기 제1-1 EMG raw 데이터(31-1) 및 제2-1 EMG raw 데이터(32-1)는 상기 제1 기능적 전기 자극에 따른 자극 아티팩트, M-wave, 자발 근활성 신호(vEMG)의 선형 합이고, 상기 제1-2 EMG raw 데이터(31-2) 및 제2-2 EMG raw 데이터(32-2)는 상기 제2 기능적 전기 자극에 따른 자극 아티팩트, M-wave, 자발 근활성 신호(vEMG)의 선형 합이고,
   상기 제1-2 EMG raw 데이터(31-2)에서 상기 제1-1 EMG raw 데이터(31-1)를 차연산하여 상기 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b)의 상기 제1 기능적 전기 자극 및 상기 제2 기능적 전기 자극의 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(33)를 획득하고,
   상기 제2-2 EMG raw 데이터(32-2)에서 상기 제2-1 EMG raw 데이터(32-1)를 차연산하여 상기 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)의 상기 제1 기능적 전기 자극 및 상기 제2 기능적 전기 자극의 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(34)를 획득하고,
   상기 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b)의 상기 제1 기능적 전기 자극 및 상기 제2 기능적 전기 자극의 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(33) 및 상기 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)의 상기 제1 기능적 전기 자극 및 상기 제2 기능적 전기 자극의 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(34)에 포함되는, 동적으로 변하는 기능적 전기 자극에 의한 자발 근활성 신호의 왜곡을 제거하기 위하여, 즉 상기 동적으로 변하는 상기 제1 기능적 전기 자극에 따른 자극 아티팩트와 M-wave 및 상기 제2 기능적 전기 자극에 따른 자극 아티팩트와 M-wave를 제거하기 위하여, 상기 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)의 상기 제1 기능적 전기 자극 및 상기 제2 기능적 전기 자극의 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(34)와 상기 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b)의 상기 제1 기능적 전기 자극 및 상기 제2 기능적 전기 자극의 자극 차례 간 EMG raw 데이터 차이(33)를 차연산하여, 상기 동적으로 변하는 제1 기능적 전기 자극과 제2 기능적 전기 자극에 의해 변화되는, 상기 제1 기능적 전기 자극에 따른 자극 아티팩트와 M-wave 및 상기 제2 기능적 전기 자극에 따른 자극 아티팩트와 M-wave를 상기 제1 EMG raw 데이터 및 상기 제2 EMG raw 데이터로부터 제거하여 상기 자발 근활성 신호를 검출하는 것
   인 자발 근활성 신호 검출 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 EMG 전극 쌍(210a, 210b) 및 제2 EMG 전극 쌍(220a, 220b)은 FES 전극에 의해 기능적 전기 자극이 인가되는 해당 근섬유의 방향과 평행한 방향으로 부착되는 것
   인 자발 근활성 신호 검출 시스템.
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