KR102473277B1 - Functional Electrical Stimulation and Vibration Control System Based on User Fatigue - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템에 있어서, 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부; 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부; 및 상기 근육에 대하여 상기 전기자극부에 의한 전기자극과 상기 진동자극부에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method, and more particularly, to a system for controlling functional electrical stimulation to produce muscle movements and vibration stimulation to reduce muscle fatigue. , Electrical stimulation unit attached to the muscle side of the human body to generate torque by stimulating the muscle with an electrical signal to function as the muscle; a vibration stimulation unit attached to the muscle side to apply vibration to the muscle; And a control unit for controlling to alternately apply electrical stimulation by the electric stimulation unit and vibration stimulation by the vibration stimulation unit to the muscle; to a functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue, comprising: it's about
Description
본 발명은 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 대한 것이다. The present invention relates to a user fatigue based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method.
기능적 전기 자극기(Fuctional electrical stimulation)(이하 FES라 함)는 마비된 근육에 적절한 강도의 전기자극을 순차적으로 가하여 주어진 기능을 수행하도록 하는 치료기를 말한다. 다시 말해, FES는 근육을 움직이게 하는 전기 자극을 주어 근육이 제 기능을 할 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 근육이 상부운동신경계와 단절된 뒤 나타나는 근위축을 방지하거나 지연시켜 근육의 기능이 퇴화하는 것을 막고, 근육이 가지는 본래의 운동 기능을 지속할 수 있도록 재교육하는 효과를 가진다.Functional electrical stimulation (hereinafter referred to as FES) refers to a treatment device that sequentially applies electrical stimulation of an appropriate intensity to paralyzed muscles to perform a given function. In other words, FES not only helps muscles to function properly by providing electrical stimulation to move muscles, but also prevents or delays muscle atrophy that occurs after muscles are disconnected from the upper motor nervous system to prevent muscle function from deteriorating. However, it has the effect of re-educating the muscles so that they can continue their original motor function.
FES를 이용함에 있어서, 근수축의 조절은 상지 및 하지에 따라 다른 전기 자극 빈도로 조절한다. 일반적으로 저주파 자극이 이용되며 이는 근육의 피로를 최소화하고 지속적인 기능 수행을 가능하게 하기 때문이다. 자극 빈도 이외에도 자극의 진폭과 파동 지속시간으로 조절된다. 지속적인 전기 자극으로 조직 내로 이동하는 전하량이 증가하여 전기장이 넓어지고, 보다 많은 수의 운동 단위를 동원하여 근수축력을 강화할 수 있다.In using FES, muscle contraction is controlled with different electrical stimulation frequencies depending on the upper and lower limbs. In general, low-frequency stimulation is used because it minimizes muscle fatigue and enables continuous function performance. In addition to stimulation frequency, it is controlled by stimulation amplitude and wave duration. Continuous electrical stimulation increases the amount of electric charge moving into tissues, widens the electric field, and strengthens the muscle contraction force by mobilizing a larger number of motor units.
기존의 FES는 단상성 전류를 사용할 경우 반복적인 자극으로 세포와 조직의 손상될 가능성이 있으며(주진원 외 8명, "醫用電流가 人體에 미치는 影響에 대한 文獻 考察", 대한침구학회지 132 pp335~366, 199612 참조), 자극빈도를 높일 경우 강한 근수축을 얻을 수 있지만 쉽게 피로해질 수 있으므로 장시간 수축을 유지하기 어려운 단점이 있다(정호춘 외4명, "족하수 환자의 보행보조를 위한 피드백 제어형 전기자극기 개발", 의공학회지20(2), 183-190, 1999년 참조)Existing FES is likely to damage cells and tissues due to repetitive stimulation when monophasic current is used (Jin-Won Joo and 8 others, "A study on the effect of electric current on the human body", Journal of the Korean Acupuncture and Moxibustion Society 132 pp335~ 366, 199612), strong muscle contraction can be obtained if the frequency of stimulation is increased, but it can be easily fatigued, so it is difficult to maintain contraction for a long time (Jung Ho-chun et al. Development of stimulator", Journal of Biomedical Engineering 20(2), 183-190, refer to 1999)
또한 전기 치료시 통증이 동반될 수 있으며, FES 치료를 중단하면 없어지는 경우가 대부분이다. 하지만 이는 지속적인 치료를 이행하지 못하는 문제로 직면하게 되며, 또한 전기 자극에 의한 피부의 과민 반응이 유도되는 부작용을 발생한다,In addition, pain may accompany electrical treatment, and in most cases it disappears when FES treatment is stopped. However, this is faced with the problem of not being able to carry out continuous treatment, and also causes a side effect of inducing hypersensitivity of the skin by electrical stimulation.
현재시판 중인 마비 환자의 운동 기능 회복을 위한 제품 대부분은 FES 자극에 의한 근피로 회복에 대하여 고려되어 있지 않으며 일반적으로 사용하는 EMS 방식만이 적용되고 있다.Most of the products currently on the market for recovery of motor function of paralyzed patients do not consider the recovery of muscle fatigue by FES stimulation, and only the EMS method generally used is applied.
FES는 전기적 신호로 근육을 직접적으로 자극하여 적은 힘으로 높은 토크를 낼 수 있다는 점에 있어 이점을 가지지만, 근육에 피로도가 누적된다는 문제점이 있어 시간이 지남에 따라 효율이 떨어지는 모습을 보이게 된다. 즉, FES를 이용하여 근육을 자극할 경우 쉽게 관절을 움직일 만한 힘을 줄 수 있으나 근육에 FES에 의한 근육의 피로도가 누적되기 때문에 사용이 지속됨에 따라 근육이 원하는 힘을 낼 수 없게 된다. FES has an advantage in that it can generate high torque with little force by directly stimulating muscles with electrical signals, but it has a problem that fatigue accumulates in muscles, so the efficiency decreases over time. In other words, when stimulating muscles using FES, it is possible to easily give enough force to move a joint, but since muscle fatigue caused by FES is accumulated in the muscles, the muscles cannot produce the desired force as use continues.
따라서 FES와 함께 교차적으로 하지근육에 진동자극을 가해주어 근육에 쌓인 피로도를 줄여줄 수 있는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법의 개발이 요구되었다.Therefore, it was required to develop a user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method that can reduce muscle fatigue by applying vibration stimulation to the lower extremity muscles alternately with FES.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 사람의 보행을 전기적 신호를 이용해 사람의 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극(Functional Electrical System, FES)과 진동 자극으로 근육의 피로도를 줄여주는 통합 시스템을 제공하는데 목적이 있다. Therefore, the present invention has been made to solve the above conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, functional electrical stimulation (Functional Electrical System, The purpose is to provide an integrated system that reduces muscle fatigue through FES) and vibration stimulation.
본 발명의 실시예에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고 단계별로 FES와 진동 자극을 교차로 가해주며, 근전도(Electromyography, EMG)신호를 기반으로 근육의 실시간 피로도를 측정하고 이에 따라 동작에 요구되는 토크에 맞춘 각각 자극의 세기 조절이 이루어지고, 피드백 시스템은 중앙 컨트롤 PC에서 제어되며, 사용자의 목적에 따라 지속 보행 모드, 고강도 보행 모드의 두 가지 모드로 작동, 제어될 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, the gait cycle is divided into two phase-based phases, and FES and vibration stimulation are applied alternately in each phase, and real-time fatigue of muscles is measured based on electromyography (EMG) signals, and accordingly, The strength of each stimulus is adjusted according to the required torque, and the feedback system is controlled from the central control PC. According to the user's purpose, the user's fatigue can be operated and controlled in two modes: continuous walking mode and high-intensity walking mode. Its purpose is to provide a functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method based on the present invention.
본 발명의 실시예에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고, 단계에 따라서 FES와 진동 자극을 교차로 작동시켜 FES로 원하는 토크를 얻어냄과 동시에 진동 자극으로 피로도를 줄여주는 기능을 수행할 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, the gait cycle is divided into two phase-based phases, and FES and vibration stimulation are alternately operated according to the phase to obtain a desired torque with FES and at the same time perform a function of reducing fatigue with vibration stimulation. Its purpose is to provide a user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method.
현재 시중에 있는 여러 자극기들은 피드백이 없이 단순 몇 가지의 모드 선택으로 openloop 구동만 가능한 경우가 많으나 본 발명의 실시예에 따르면, 실시간의 피로도 데이터를 PC로 수신하여 그에 맞춰 FES와 진동 자극의 세기를 제어할 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Many stimulators currently on the market are capable of only open-loop operation by simply selecting a few modes without feedback. Its purpose is to provide a controllable, user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method.
본 발명의 실시예에 따르면, 뇌졸중이나 척수손상 환자의 재활에 사용할 수 있고, 초기 환자뿐만 아니라 만성 환자의 재활치료에도 적용 가능하며, 스스로 거동이 힘든 환자에게 착용시켜 일상생활에서의 직립 자세의 움직임을 보조해줄 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, it can be used for rehabilitation of patients with stroke or spinal cord injury, can be applied to rehabilitation treatment of not only initial patients but also chronic patients, and can be worn by patients who have difficulty moving by themselves to move in an upright posture in daily life. The purpose is to provide a user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method that can assist the user.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
본 발명의 제1목적은, 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템에 있어서, 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부; 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부; 및 상기 근육에 대하여 상기 전기자극부에 의한 전기자극과 상기 진동자극부에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템으로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is a system for controlling functional electrical stimulation that produces muscle movement and vibration stimulation that reduces muscle fatigue, which is attached to the muscle side of the human body and generates torque by stimulating the muscle with an electrical signal. an electrical stimulation unit to perform muscle functions; a vibration stimulation unit attached to the muscle side to apply vibration to the muscle; And a controller for controlling to alternately apply electrical stimulation by the electric stimulation unit and vibration stimulation by the vibration stimulation unit to the muscle; as a functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue, comprising: can be achieved
그리고 상기 진동자극부와, 상기 전기자극부는 복수의 근육 각각에 부착되며, 상기 제어부는 상기 근육의 긴장상태에서 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에서 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다. The vibration stimulation unit and the electrical stimulation unit are attached to each of a plurality of muscles, and the control unit generates muscle torque by operating the electrical stimulation unit in a tense state of the muscle, and operates the vibration stimulation unit in a relaxed state. It may be characterized in that it reduces muscle fatigue.
또한 운동패턴을 분석하는 패턴분석부를 더 포함하고, 패턴분석부는 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하고, 제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it further includes a pattern analysis unit for analyzing the movement pattern, the pattern analysis unit classifies the movement pattern into a first stage and a second stage based on the muscle tension and relaxation state, and the control unit determines the tension state in the first stage. The electrical stimulation unit is operated on the muscles in a relaxed state to generate muscle torque, the vibration stimulation unit is operated on the muscles in a relaxed state to reduce the fatigue of the muscles, and the vibration stimulation unit is operated on the muscles in a relaxed state in a second step. It may be characterized in that the muscle torque is generated by reducing the fatigue of the muscle and operating the electrical stimulation unit on the muscle in a tense state.
그리고 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 피로도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And it may be characterized in that it further comprises a fatigue measurement unit for measuring the fatigue of the muscle in real time in a state in which the electrical stimulation by the electrical stimulation unit is being applied.
또한 상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit controls the electrical stimulation unit based on the fatigue data measured by the fatigue measurement unit to adjust the intensity of the applied electrical stimulation, and controls the vibration stimulation unit to adjust the intensity of the applied vibration stimulation. can do.
그리고 상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the control unit may be characterized in that it controls the vibration stimulation unit so that the strength of the vibration stimulation applied when the fatigue data exceeds a set specific value.
또한 상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고, 고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, when the fatigue data exceeds a set specific value, the control unit controls the vibration stimulation unit to increase the intensity of the applied vibration stimulation in the normal mode, and increases the intensity of the applied electrical stimulation in the high-intensity mode. It may be characterized by controlling the vibration stimulation unit so that the strength of the applied vibration stimulation is increased.
그리고 상기 운동을 보행운동이고, 상기 전기자극부와 상기 진동자극부 각각은 앞정강근과 가재미근 각각에 부착되며, 상기 패턴분석부는 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the exercise is a gait motion, the electric stimulation unit and the vibration stimulation unit are attached to each of the tibialis anterior muscle and the clavicle muscle, and the pattern analysis unit determines the anterior tibialis anterior muscle in one cycle based on the tension and relaxation states of the tibialis anterior muscle and the crawfish muscle. It may be characterized in that the pattern is classified into a first step in which the tibialis anterior muscle is relaxed and the clavicle muscle is tensed and a second step in which the tibialis anterior muscle is tensed and the crotch muscle is relaxed.
또한 상기 피로도측정부는 EMG 측정부를 포함하며, 전기자극이 인가되는 상태에서 EMG m-wave 상에서의 최대피크값과 최소피크값의 진폭과, 그래프 넓이값을 기반으로 피로도데이터를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the fatigue measurement unit includes an EMG measurement unit, and calculates fatigue data based on the amplitude of the maximum peak value and the minimum peak value on the EMG m-wave in a state where electrical stimulation is applied, and the graph area value. can
본 발명의 제2목적은 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 방법에 있어서, 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 근육에 부착하는 단계; 및 사용자 운동시, 긴장상태의 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태의 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is a method for controlling functional electrical stimulation that produces muscle movement and vibration stimulation that reduces muscle fatigue, which stimulates muscles with electrical signals to generate torque to function as a muscle. Attaching each of the stimulation unit and the vibration stimulation unit for applying vibration to the muscle to the muscle; and generating muscle torque by operating the electric stimulation unit on muscles in a tense state during exercise of the user, and reducing fatigue of the muscles by operating the vibration stimulation unit on muscles in a relaxed state. It can be achieved as a fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control method.
그리고 패턴분석부가 운동패턴를 분석하여, 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하는 단계를 더 포함하고, 상기 감소시키는 단계에서, 제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다. And further comprising the step of analyzing the movement pattern by the pattern analyzer and classifying it into a first step and a second step based on the muscle tension and relaxation state in the movement pattern, and in the reducing step, the control unit performs the first step In the second step, the electrical stimulation unit operates the muscle torque to generate the muscle torque, and the vibration stimulation unit operates the muscle in the relaxed state to reduce the fatigue of the muscle. It may be characterized in that the fatigue of the muscle is reduced by operating the vibration stimulation unit, and the muscle torque is generated by operating the electrical stimulation unit on the muscle in a tense state.
또한 상기 감소시키는 단계는, 피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the reducing step may include: measuring fatigue of the muscle in real time in a state in which the electrical stimulation by the electrical stimulation unit is being applied by a fatigue measuring unit; and controlling, by the control unit, the strength of the electrical stimulation applied by controlling the electric stimulation unit based on the fatigue data measured by the fatigue measurement unit, and controlling the intensity of the applied vibration stimulation by controlling the vibration stimulation unit; It can be characterized by including.
본 발명의 제3목적은, 보행운동시 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 방법에 있어서, 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 앞정강근과 가재미근 각각에 부착하는 단계; 패턴분석부가 사용자의 보행패턴을 분석하여, 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 단계; 제어부가 제1단계에서 앞정강근에 진동자극을 부여하고 가재미근에 전기자극이 인가되도록 하고, 제2단계에서 가재미근에 진동자극을 부여하고 앞정강근에 전기자극이 인가되도록 전기자극부와 진동자극부를 제어하는 단계; 피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is to provide a method for controlling functional electrical stimulation to generate muscle movement during walking and vibration stimulation to reduce muscle fatigue by stimulating muscles with electrical signals to generate torque to function of the muscles. attaching an electric stimulation unit for performing a vibration and a vibration stimulation unit for applying vibration to the muscles, respectively, to the tibialis anterior muscle and the clavicle muscle; The pattern analysis unit analyzes the user's gait pattern, and based on the tension and relaxation of the anterior tibialis muscle and the claw muscle, in one cycle, the first step in which the tibialis anterior muscle is relaxed and the crotch muscle is tensed, and the tibialis anterior muscle is tensed and the crotch muscle is relaxed Classifying the pattern as a second step; In the first step, the controller applies vibration stimulation to the tibialis anterior muscle and applies electrical stimulation to the claw muscle, and in the second step, applies vibration stimulation to the crotch muscle and applies electrical stimulation to the tibialis anterior muscle. Electrical stimulation unit and vibration stimulation controlling wealth; measuring fatigue of the muscles in real time in a state in which electrical stimulation by the electrical stimulation unit is being applied by a fatigue measuring unit; and controlling, by the control unit, the strength of the electrical stimulation applied by controlling the electric stimulation unit based on the fatigue data measured by the fatigue measurement unit, and controlling the intensity of the applied vibration stimulation by controlling the vibration stimulation unit; It can be achieved as a functional electrical stimulation and vibration stimulation control method based on user fatigue, characterized in that it comprises.
그리고 상기 제어부가 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고, 고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. When the fatigue data exceeds a set specific value, the control unit controls the vibration stimulation unit to increase the strength of the applied vibration stimulation in the normal mode, and increases the strength of the applied electrical stimulation in the high-intensity mode. It may be characterized in that it further comprises the step of controlling the vibration stimulation unit so that the strength of the applied vibration stimulation is increased.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고 단계별로 FES와 진동 자극을 교차로 가해주며, 근전도(Electromyography, EMG)신호를 기반으로 근육의 실시간 피로도를 측정하고 이에 따라 동작에 요구되는 토크에 맞춘 각각 자극의 세기 조절이 이루어지고, 피드백 시스템은 중앙 컨트롤 PC에서 제어되며, 사용자의 목적에 따라 지속 보행 모드, 고강도 보행 모드의 두 가지 모드로 작동, 제어될 수 있는 효과를 갖는다. According to the functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method based on user fatigue according to an embodiment of the present invention, the gait cycle is divided into two phase-based phases, FES and vibration stimulation are applied alternately in each step, and electromyography (electromyography, EMG) signals, the real-time muscle fatigue is measured, and the strength of each stimulation is adjusted accordingly according to the torque required for motion, and the feedback system is controlled by the central control PC. It operates in two modes, the high-intensity walking mode, and has the effect of being able to be controlled.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고, 단계에 따라서 FES와 진동 자극을 교차로 작동시켜 FES로 원하는 토크를 얻어냄과 동시에 진동 자극으로 피로도를 줄여주는 기능을 수행할 수 있는 효과를 갖는다. According to the functional electric stimulation and vibration stimulation control system and control method based on user fatigue according to an embodiment of the present invention, the gait cycle is divided into two phase-based phases, and FES and vibration stimulation are alternately operated according to the phase to achieve desired FES It has the effect of obtaining torque and at the same time performing the function of reducing fatigue through vibration stimulation.
현재 시중에 있는 여러 자극기들은 피드백이 없이 단순 몇 가지의 모드 선택으로 openloop 구동만 가능한 경우가 많으나 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 실시간의 피로도 데이터를 PC로 수신하여 그에 맞춰 FES와 진동 자극의 세기를 제어할 수 있는 효과를 갖는다. Many stimulators currently on the market are capable of only open-loop operation by simply selecting a few modes without feedback, but according to the user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method according to the embodiment of the present invention, It has the effect of receiving the fatigue data of the PC and controlling the strength of the FES and vibration stimulation accordingly.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 뇌졸중이나 척수손상 환자의 재활에 사용할 수 있고, 초기 환자뿐만 아니라 만성 환자의 재활치료에도 적용 가능하며, 스스로 거동이 힘든 환자에게 착용시켜 일상생활에서의 직립 자세의 움직임을 보조해줄 수 있는 장점이 있다. According to the functional electrical stimulation and vibration stimulation control system and control method based on user fatigue according to an embodiment of the present invention, it can be used for rehabilitation of stroke or spinal cord injury patients, and can be applied to rehabilitation treatment of not only initial patients but also chronic patients, , It has the advantage of being able to assist the movement of upright posture in daily life by wearing it for patients who have difficulty moving on their own.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 인체 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)을 나타낸 모식도,
도 2는 ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어하는 제어부의 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 블록도,
도 4a 내지 도 4d는 보행단계를 한 발 기준으로 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff의 4단계로 분류한 각 단계별 측면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1단계와 제2단계에서의 가재미근(Soleus)과, 앞정강근(TIBA)각각에 대한 전기자극과 진동자극 세기 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 신호 흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 피로도가 증가한 경우, 단순보행모드와 고강도보행모드에서의 진동자극, 전기자극 세기 변화 그래프
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is limited only to those described in the drawings. and should not be interpreted.
1 is a schematic diagram showing Tibialis Anterior (TIBA) and Soleus, which are human lower limb muscles;
2 is a schematic diagram of a control unit controlled by a PWM signal through an ARDUINO 33 IOT board;
3 is a block diagram of a functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue according to an embodiment of the present invention;
4a to 4d are side views of each step in which the walking step is classified into four steps of Heelstrike, Footflat, Midstance, and Pushoff based on one foot;
5 is a graph of electrical stimulation and vibratory stimulation intensity for the Soleus muscle and the tibialis anterior muscle (TIBA), respectively, in the first and second stages according to an embodiment of the present invention;
6 is a block diagram showing the signal flow of a functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue according to an embodiment of the present invention;
7 is an EMG and M-wave graph in a state in which FES stimulation is applied according to an embodiment of the present invention;
8 is a graph of changes in intensity of vibration stimulation and electrical stimulation in a simple walking mode and a high-intensity walking mode when fatigue is increased according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart of a method for controlling functional electric stimulation and vibration stimulation based on user fatigue according to an embodiment of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective description of technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrated drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shape shown, but also include changes in the shape generated according to the manufacturing process. For example, a region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first and second are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprises' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing specific embodiments below, a number of specific details have been prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described in order to prevent confusion for no particular reason in explaining the present invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템은, 사람의 보행을 전기적 신호를 이용해 사람의 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극(Functional Electrical System, FES)과 진동 자극으로 근육의 피로도를 줄여주는 통합 시스템에 해당한다. Hereinafter, a user fatigue-based functional electrical stimulation and vibration stimulation control system according to an embodiment of the present invention will be described. Functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue according to an embodiment of the present invention are functional electrical stimulation (FES) and vibration stimulation that generate muscle movements of a person using electrical signals of a person's walking. It is an integrated system that reduces muscle fatigue.
도 1은 인체 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)을 나타낸 모식도를 도시한 것이고, 도 2는 ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어하는 제어부의 모식도를 도시한 것이다. 기능적 전기자극(FES)과 진동 자극은 도 1의 두 가지 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)에 가해지고, 도 2에 도시된 바와 같이, ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어한다. 보행 사이클을 두 가지 단계로 나누고 전기자극을 가해줄 때 반대편 근육에는 진동 자극을 가해주며 피로도를 줄여주는 작용을 하도록 한다.Figure 1 shows a schematic diagram showing Tibialis Anterior (TIBA) and Soleus, which are human lower limb muscles, and Figure 2 shows a schematic diagram of a control unit controlling with a PWM signal through an ARDUINO 33 IOT board. . Functional electrical stimulation (FES) and vibration stimulation are applied to the two lower extremity muscles, Tibialis Anterior (TIBA) and Soleus in Figure 1, and as shown in Figure 2, through the ARDUINO 33 IOT board Controlled by PWM signal. The gait cycle is divided into two steps, and when electrical stimulation is applied, vibration stimulation is applied to the muscles on the opposite side to reduce fatigue.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 블록도를 도시한 것이다. Figure 3 shows a block diagram of a functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템으로서, 전기자극부(10)와 진동자극부(20), 제어부(30), 피로도측정부(50), 패턴분석부(40) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 3, the present invention is a system for controlling functional electrical stimulation to produce muscle movement and vibration stimulation to reduce muscle fatigue, comprising an
전기자극부(10)는 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호(FES)로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 한다. 또한 진동자극부(20)는 근육 측에 부착되어 근육에 진동을 인가시키도록 구성된다. The
제어부(30)는 전기자극 컨트롤러(31)과 진동자극 컨트롤러(32)를 포함하며, 근육에 대하여 전기자극부(10)에 의한 전기자극과 진동자극부(20)에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어한다. The
이러한 진동자극부(20)와, 전기자극부(10)는 복수의 근육 각각에 부착되게 된다. 따라서 제어부(30)는 긴장상태의 근육에 전기자극부(10)를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 근육의 이완상태에서 진동자극부(20)를 작동시켜 근육의 피로도를 감소시키게 된다. The
패턴분석부(40)는 운동패턴을 분석하게 된다. 이러한 운동패턴은 1주기당 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하게 된다. The
제어부(30)는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 전기자극부(10)를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 진동자극부(20)를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키게 된다. 또한 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 진동자극부(20)를 작동시켜 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 전기자극부(10)를 작동시켜 근육 토크를 발생시키게 된다. In the first step, the
또한 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템(100)은 피로도 측정부(50)를 포함하여 구성된다. 이러한 피로도 측정부(50)는 전기자극부(10)에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 근육의 피로도를 실시간으로 측정하게 된다. In addition, the functional electric stimulation and vibration stimulation control system 100 based on user fatigue according to an embodiment of the present invention is configured to include a
그리고 제어부(30)는 피로도 측정부(50)에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 전기자극부(10)를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 진동자극부(20)를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하게 된다. In addition, the
구체적으로 제어부(30)는 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 진동자극부(20)를 제어하게 된다. Specifically, the
이하에서는 앞서 언급한 운동이 보행운동에 해당하는 경우를 예시로 하여 실시예를 설명하도록 한다. 먼저, 도 4a 내지 도 4d는 보행단계를 한 발 기준으로 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff의 4단계로 분류한 각 단계별 측면도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1단계와 제2단계에서의 가재미근(Soleus)과, 앞정강근(TIBA)각각에 대한 전기자극과 진동자극 세기 그래프를 도시한 것이다. Hereinafter, a case in which the above-mentioned exercise corresponds to walking exercise will be described as an example. First, FIGS. 4A to 4D show side views of each step in which walking steps are classified into four steps, Heelstrike, Footflat, Midstance, and Pushoff, based on one foot. And FIG. 5 shows graphs of electrical stimulation and vibratory stimulation intensity for each of the soleus and tibialis anterior muscles (TIBA) in the first and second stages according to an embodiment of the present invention.
또한 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 신호 흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 6 is a block diagram showing the signal flow of the functional electric stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue according to an embodiment of the present invention.
그리고 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프를 도시한 것이다. 또한 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 피로도가 증가한 경우, 단순보행모드와 고강도보행모드에서의 진동자극, 전기자극 세기 변화 그래프를 도시한 것이다. 7 shows EMG and M-wave graphs in a state in which FES stimulation is applied according to an embodiment of the present invention. In addition, FIG. 8 shows graphs of changes in intensity of vibration stimulation and electric stimulation in simple walking mode and high-intensity walking mode when fatigue increases according to an embodiment of the present invention.
또한 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. 9 is a flowchart of a method for controlling functional electric stimulation and vibration stimulation based on user fatigue according to an embodiment of the present invention.
먼저, 앞서 언급한 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부(10)와, 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부(20) 각각을 앞정강근(2)과 가재미근(3) 각각에 부착한다. First, the
그리고 패턴분석부(40)가 사용자의 보행패턴을 분석하게 된다(S1). 구체적으로 앞정강근(2)과 가재미근(3)의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근(2)이 이완되고 가재미근(3)이 긴장되는 제1단계와, 앞정강근(2)이 긴장되고 가재미근(3)이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하게 된다. Then, the
도 4a 내지 도 4d는 한 발 기준으로 위와 같이 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff로 분류될 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 근육의 긴장, 이완상태를 기반으로 Heelstrike, Footflat를 제1단계로 분류하고, Midstance, Pushoff를 제2단계로 분류하게 한다. 4a to 4d can be classified into Heelstrike, Footflat, Midstance, and Pushoff based on one foot, and in the embodiment of the present invention, Heelstrike and Footflat are classified as the first step based on muscle tension and relaxation state, , Midstance, and Pushoff are classified as the second stage.
즉, Heelstrike, Footflat(제1단계)에서는 앞정강근(2)이 이완되고 가재미근(3)이 긴장되고, Midstance, Pushoff(제2단계)에서는 앞정강근(2)이 긴장되고 가재미근(3)이 이완되게 된다.That is, in Heelstrike and Footflat (stage 1), the tibialis anterior muscle (2) is relaxed and the gluteus medius muscle (3) is tensed, and in the midstance and pushoff (stage 2), the tibialis anterior muscle (2) is tensed and the gluteus medius muscle (3) is tensed. this will relax
이러한 패턴분석부(40)는 FSR센서(41)를 족압센서 형태로 발바닥 측에 부착하여 압력분포 분석을 통해 측정될 수 있다. This
그리고 제어부(30)는 제1단계에서 앞정강근(2)에 진동자극을 부여하고 가재미근(3)에 전기자극이 인가되도록 하고, 제2단계에서 가재미근(3)에 진동자극을 부여하고 앞정강근(2)에 전기자극이 인가되도록 전기자극부(10)와 진동자극부(20)를 제어하게 된다(S3). In addition, the
그리고 피로도 측정부(50)는 전기자극부(10)에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 근육의 피로도를 실시간으로 측정하게 된다(S4). In addition, the
근육의 지속적인 운동에 의한 피로도 분석은 다양한 방법이 있지만 가장 실용적인 방법은 표면 근전도(Electromyogram, EMG)(51)을 분석하는 방법이다. 일반적으로 근육이 피로해지면 peak 분포가 커지며 주파수가 낮아지게 되는데 이러한 특징들을 EMG(51) 측정을 통해 확인할 수 있다. 주요 근육의 피로도 변화는 다음과 같다.There are various methods for analyzing fatigue due to continuous muscle exercise, but the most practical method is to analyze surface electromyogram (EMG) (51). In general, when muscles become fatigued, the peak distribution increases and the frequency decreases. These characteristics can be confirmed through EMG (51) measurement. Changes in fatigue of major muscles are as follows.
(1) PSD(power spectral density)가 낮은 주파수로 이동한다.(1) PSD (power spectral density) shifts to a lower frequency.
(2) MNF(mean frequency), MDF(median frequency)가 낮은 값으로 이동한다.(2) MNF (mean frequency) and MDF (median frequency) move to lower values.
(3) RMS 값이 증가한다.(3) RMS value increases.
(4) 높은 EMG 피크의 수가 증가한다.(4) The number of high EMG peaks increases.
본 발명의 실시예에서는 2번 및 4번의 방법을 이용하여 피로도를 측정하고 이를 전기자극 및 진동 자극 제어에 반영한다. In the embodiment of the present invention, fatigue is measured using
전기자극(FES)의 인가 시에도 피로도를 측정하는 것이 가능하다.It is possible to measure fatigue even when electrical stimulation (FES) is applied.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프를 나타낸 것으로, 전기자극(FES)을 사용할 경우에는 EMG data에 근육의 자극을 유발하기 위한 신호가 FES artifact 의 형태로 측정되게 되는데, 이것이 발생한 후 근육에 유도되는 M-wave 의 변화를 측정하여 피로도를 추정할 수 있다. 대표적으로 많이 사용되는 두가지 지표는 M-wave의 peak-to-peak amplitude(PtpA) 와 Area이다. 근육이 피로해지면 이 두가지 지표(peak-to-peak amplitude(PtpA), Area)가 상승하게 되고 운동 전후의 차이는 피로도의 값으로 사용 가능하다.7 shows EMG and M-wave graphs in a state in which FES stimulation is applied according to an embodiment of the present invention. In the case of using electrical stimulation (FES), the signal for inducing muscle stimulation is FES in EMG data It is measured in the form of an artifact, and after this occurs, the degree of fatigue can be estimated by measuring the change of the M-wave induced in the muscle. Two commonly used indicators are peak-to-peak amplitude (PtpA) and area of M-wave. When muscles become fatigued, these two indicators (peak-to-peak amplitude (PtpA), area) rise, and the difference before and after exercise can be used as a value of fatigue.
제어부(30)는 실시간으로 EMG 데이터를 수집하여 피로도를 계산하고 일정 수치가 넘어가면 진동 자극의 세기를 강하게 하여 피로도를 더 빠르게 줄여줄 수 있도록 진동자극부(20)를 제어하게 된다(S5). 또한 피로도가 늘어남에 따라 근육이 충분한 토크를 만들어낼 수 없게 될 수 있으므로 이에 따라 전기 자극의 세기를 더 강하게 할 수도 있다. The
도 8에 도시된 바와 같이, 제어부는 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 단순보행모드에서는 인가되는 진동자극의 세기만 증가되도록 진동자극부(20)를 제어하게 됨을 알 수 있다. 반면, 고강도 보행모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 전기자극부(10)를 제어하고 동시에, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 진동자극부(20)를 제어하게 됨을 알 수 있다. As shown in Figure 8, it can be seen that the control unit controls the
즉, 사용자의 목적에 따라 자극 조정의 방식을 단순 보행모드와 고강도 보행모드로 나눌 수 있으며, 단순 보행 모드의 경우 피로도가 늘어남에 따라 진동자극의 세기만 크게 하여 전기자극으로 유발된 피로도를 줄여주는 역할을 하게 한다. 반면 고중량을 들고 가는 등 지속적으로 큰 힘을 내야 하는 고강도 보행 모드의 경우 피로도가 늘어남에 따라 진동자극과 전기자극(FES) 두 가지의 세기를 모두 늘려 지속적으로 높은 힘을 낼 수 있게 한다.In other words, depending on the user's purpose, the stimulation adjustment method can be divided into simple walking mode and high-intensity walking mode. play a role On the other hand, in the case of high-intensity walking mode, in which high-intensity walking mode requires continuous exertion of force, such as carrying a heavy weight, the strength of both vibration stimulation and electric stimulation (FES) is increased as the degree of fatigue increases, so that high strength can be continuously generated.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the device and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made. may be configured.
1:하지
2:앞정강근
3:가재미근
10:전기자극부
20:진동자극부
30:제어부
31:전기자극컨트롤러
32:진동자극컨트롤러
40:패턴분석부
41:FSR
50:피로도측정부
51:EMG
100:사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템1: not
2: anterior tibialis muscle
3: Lobster muscle
10: electrical stimulation unit
20: vibration stimulation unit
30: control unit
31: electrical stimulation controller
32: vibration stimulation controller
40: pattern analysis unit
41:FSR
50: Fatigue measurement unit
51:EMG
100: Functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue
Claims (14)
인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부;
상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부; 및
상기 근육에 대하여 상기 전기자극부에 의한 전기자극과 상기 진동자극부에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어하는 제어부;
상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 피로도 측정부; 및
운동패턴을 분석하여 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하는 패턴분석부;를 포함하고,
상기 진동자극부와, 상기 전기자극부는 복수의 근육 각각에 부착되며, 상기 제어부는 상기 근육의 긴장상태에서 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에서 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키며,
제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
In a system for controlling functional electrical stimulation that produces muscle movement and vibration stimulation that reduces muscle fatigue,
An electrical stimulation unit attached to the muscle side of the human body to generate torque by stimulating the muscle with an electrical signal to function as the muscle;
a vibration stimulation unit attached to the muscle side to apply vibration to the muscle; and
a controller for controlling to alternately apply electrical stimulation by the electric stimulation unit and vibration stimulation by the vibration stimulation unit to the muscles;
a fatigue measurement unit for measuring fatigue of the muscles in real time in a state in which electrical stimulation is being applied by the electrical stimulation unit; and
A pattern analysis unit that analyzes the movement pattern and classifies it into a first step and a second step based on the muscle tension and relaxation state in the movement pattern;
The vibration stimulation unit and the electric stimulation unit are attached to each of a plurality of muscles, and the controller generates muscle torque by operating the electrical stimulation unit in a tense state of the muscle, and operates the vibration stimulation unit in a relaxed state to the muscle. reduces fatigue,
In the first step, the control unit operates the electrical stimulation unit to the muscle in a tense state to generate muscle torque, and operates the vibration stimulation unit to the muscle in a relaxed state to reduce fatigue of the muscle, and in the second stage to a relaxed state. Functional electrical stimulation and vibration stimulation control based on user fatigue, characterized in that by operating the vibration stimulation unit on the muscle in the muscle to reduce the fatigue of the muscle, and by operating the electrical stimulation unit on the muscle in a tense state to generate muscle torque system.
상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
According to claim 1,
The control unit controls the electrical stimulation unit based on the fatigue data measured by the fatigue measurement unit to adjust the intensity of the applied electrical stimulation, and controls the vibration stimulation unit to adjust the intensity of the applied vibration stimulation. Characterized in that Functional electric stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue.
상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
According to claim 5,
The control unit controls the vibration stimulation unit so that the intensity of the applied vibration stimulation is increased when the fatigue data exceeds a set specific value. Functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue.
상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우,
일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고,
고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
According to claim 6,
The control unit, when the fatigue data exceeds a set specific value,
In the normal mode, the vibrating stimulation unit is controlled so that the intensity of the applied vibration stimulation is increased,
Functional electrical stimulation and vibration stimulation control based on user fatigue, characterized in that in the high-intensity mode, the electrical stimulation unit is controlled to increase the intensity of the applied electrical stimulation and the vibration stimulation unit is controlled to increase the intensity of the applied vibration stimulation. system.
상기 운동을 보행운동이고,
상기 전기자극부와 상기 진동자극부 각각은 앞정강근과 가재미근 각각에 부착되며,
상기 패턴분석부는 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
According to claim 7,
The exercise is a walking exercise,
Each of the electric stimulation unit and the vibration stimulation unit is attached to the tibialis anterior muscle and the clavicle muscle, respectively,
The pattern analysis unit is based on the tension and relaxation of the tibialis anterior muscle and the claw muscle in one cycle, the first step in which the tibialis anterior muscle is relaxed and the crotch muscle is tensed, and the anterior tibialis muscle is tensed and the crotch muscle is relaxed. Pattern in step 2 Functional electrical stimulation and vibration stimulation control system based on user fatigue, characterized in that for classification.
상기 피로도측정부는 EMG 측정부를 포함하며,
전기자극이 인가되는 상태에서 EMG m-wave 상에서의 최대피크값과 최소피크값의 진폭과, 그래프 넓이값을 기반으로 피로도데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
According to claim 5,
The fatigue measurement unit includes an EMG measurement unit,
Functional electrical stimulation and vibration stimulation control based on user fatigue, characterized in that the fatigue data is calculated based on the amplitude of the maximum peak value and the minimum peak value on the EMG m-wave and the graph area value in the state where the electrical stimulation is applied system.
전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 근육에 부착하는 단계; 및
사용자 운동시, 긴장상태의 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태의 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 단계;를 포함하고,
패턴분석부가 운동패턴를 분석하여, 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하고,
상기 감소시키는 단계에서, 제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키며,
상기 감소시키는 단계는,
피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및
상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
A method for controlling functional electric stimulation for generating muscle movement and vibration stimulation for reducing muscle fatigue through the control system according to claim 1,
Attaching an electric stimulation unit for stimulating muscles with electrical signals to generate torque to function as muscles, and a vibration stimulation unit for applying vibration to the muscles, respectively; and
When the user exercises, generating muscle torque by operating the electrical stimulation unit on muscles in a tense state, and reducing fatigue of the muscles by operating the vibration stimulation unit on muscles in a relaxed state;
The pattern analysis unit analyzes the movement pattern and classifies it into a first step and a second step based on the muscle tension and relaxation state in the movement pattern,
In the reducing step, the control unit operates the electrical stimulation unit on the muscle in a tense state in the first step to generate muscle torque, and operates the vibration stimulation unit on the muscle in a relaxed state to reduce fatigue of the muscle, In the second step, the vibration stimulation unit is operated on the muscle in a relaxed state to reduce the fatigue of the muscle, and the electric stimulation unit is operated on the muscle in a tense state to generate muscle torque,
The step of reducing
measuring fatigue of the muscles in real time in a state in which electrical stimulation by the electrical stimulation unit is being applied by a fatigue measuring unit; and
The control unit controls the electrical stimulation unit based on the fatigue data measured by the fatigue measurement unit to adjust the intensity of the applied electrical stimulation, and controls the vibration stimulation unit to adjust the intensity of the applied vibration stimulation. Functional electrical stimulation and vibration stimulation control method based on user fatigue, characterized in that.
전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 앞정강근과 가재미근 각각에 부착하는 단계;
패턴분석부가 사용자의 보행패턴을 분석하여, 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 단계;
제어부가 제1단계에서 앞정강근에 진동자극을 부여하고 가재미근에 전기자극이 인가되도록 하고, 제2단계에서 가재미근에 진동자극을 부여하고 앞정강근에 전기자극이 인가되도록 전기자극부와 진동자극부를 제어하는 단계;
피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및
상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
A method for controlling functional electrical stimulation for generating muscle movement during walking and vibration stimulation for reducing muscle fatigue through the control system according to claim 1,
Attaching an electric stimulation unit for stimulating muscles with electrical signals to generate torque to function as muscles, and a vibration stimulation unit for applying vibration to the muscles, respectively, to tibialis anterior muscle and claw muscle;
The pattern analysis unit analyzes the user's gait pattern, and based on the tension and relaxation of the anterior tibialis muscle and the claw muscle, in one cycle, the first step in which the tibialis anterior muscle is relaxed and the crotch muscle is tensed, and the tibialis anterior muscle is tensed and the crotch muscle is relaxed Classifying the pattern as a second step;
In the first step, the controller applies vibration stimulation to the tibialis anterior muscle and applies electrical stimulation to the claw muscle, and in the second step, applies vibration stimulation to the crotch muscle and applies electrical stimulation to the tibialis anterior muscle. Electrical stimulation unit and vibration stimulation controlling wealth;
measuring fatigue of the muscles in real time in a state in which electrical stimulation by the electrical stimulation unit is being applied by a fatigue measuring unit; and
The control unit controls the electrical stimulation unit based on the fatigue data measured by the fatigue measurement unit to adjust the intensity of the applied electrical stimulation, and controls the vibration stimulation unit to adjust the intensity of the applied vibration stimulation. Functional electrical stimulation and vibration stimulation control method based on user fatigue, characterized in that.
상기 제어부가 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고, 고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
According to claim 13,
When the fatigue data exceeds a set specific value, the control unit controls the vibration stimulation unit to increase the intensity of the applied vibration stimulation in the normal mode, and increases the intensity of the applied electrical stimulation in the high intensity mode. Functional electrical stimulation and vibration stimulation control method based on user fatigue, characterized in that it further comprises the step of controlling and controlling the vibration stimulation unit so that the intensity of the applied vibration stimulation is increased.
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| JP2013094305A (en) | 2011-10-28 | 2013-05-20 | Kakei Gakuen | Functional electric stimulation system for walk assistance by driving foot joint |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220053746A (en) | 2022-05-02 |
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