KR20060036965A

KR20060036965A - 생체 임피던스를 이용한 무선 동작 분석기

Info

Publication number: KR20060036965A
Application number: KR1020040086038A
Authority: KR
Inventors: 김덕원; 남기창
Original assignee: 김덕원
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-03

Abstract

본 발명은 생체 임피던스 측정을 이용하여 무선 동작 분석기에 관한 것으로, 무선화된 장치 구성으로 인체 상지 및 하지 운동 시 관절의 각도 변화를 자유롭게 측정하는 동작 분석기에 관한 것이다.

본 발명에 의한 장치 구성과 측정법의 장점은 생체 임피던스 측정 시 전극의 최적 위치를 적용함으로써 다른 관절의 운동에 의한 간섭 없이 측정하고자 하는 관절의 변화만 측정이 가능한 것과 데이터 측정 시 무선화를 하여 임피던스 측정 시 채널 수가 증가할 때 마다 전극 선의 수가 증가하고 넓은 공간일수록 전극 선의 길이가 길어져야 한다는 단점을 보완하는데 있다.

생체 임피던스, 동작분석, 무선

Description

생체 임피던스를 이용한 무선 동작 분석기 {Wireless motion analyser using bio-impedance}

도 1은 본 발명에 의한 생체 임피던스를 이용한 무선 동작 분석기의 구성도이다.

도 2는 일반적인 생체 임피던스 측정 구성도이다.

도 3은 생체 임피던스 측정 장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 의한 무선 동작 분석기를 이용하여 팔꿈치와 무릎의 동작을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 무선 동작 분석기를 이용하여 보행 측정을 한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명은 인체의 동작 분석을 위한 측정기로서 생체 임피던스를 위한 무선 동작 분석기의 구성에 있어서 피검자의 공간상 제약을 줄여 활동을 자유롭게 하며, 측정하고자 하는 전극 케이블의 불편함을 줄이기 위해 데이터 수집을 무선화하기 위한 장치에 관한 것이다.

인간의 동작분석에 대한 연구는 다양하게 진행되어 왔으며, 이를 위해서 근전계(EMG, electromyograph), 각도계 (goniometer), 영상분석기, 포스플레이트 (force plate) 등을 이용해 왔다 (M.J. Adrian, and J.M. Cooper, Biomechanics of Human Movement, 2nd edn. Mcgraw-Hill, 1994). 각도계의 경우는 관절에 부착하여 직접적인 관절의 동작을 분석하므로 가장 정확하고 간편한 방법이다. 그러나 각도계를 신체에 부착하는 어려움 때문에 연속적인 측정이 어렵고, 움직임에 있어 제한을 받는다는 단점이 있으며, 이에 따라 재현성에 문제가 있을 수 있다 (P. Johnson, P. Jonsson, M. Hagberg, "Comparison of measurement accuracy between two wrist goniometer systems during pronation and supination", J. Electromyogr Kinesiol., vol. 12(5), pp. 413, 2002). 생체 신호를 이용한 근전계는 관절의 각도 변화에 대한 직접적인 정보보다는 그 움직임의 원천이 되는 근육의 상태 즉 근의 활동성을 관찰할 수 있다 (J. Van Bogart, "Motion analysis technologies", Pediatric Gait, 2000. A new Millennium in Clinical Care and Motion Analysis Technology, pp. 166-172, 2000) (M. Ferdjallah, K. Myers, A. Starsky, G. F. Harris, "Dynamic electromyography", Pediatric Gait, 2000. A new Millennium in Clinical Care and Motion Analysis Technology, pp. 99-108, 2000). 따라서 각도계와 영상 분석기처럼 관절의 변화를 정확하게 지속적으로 측정하기에 부적합하다. 또한 유용한 정보를 얻기 위해서 수학적 계산을 필요로 한다 (D. Farina, R. Merletti, M. Nazzaro, I. Caruso, "Effect of joint angle on EMG variables in leg and thigh muscles", IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 20, pp. 62-71, 2001). 영상분석기는 장비가 고가이며 장비 설치를 위한 공간이 크게 필요할 뿐만 아니라 장비가 설치된 장소에서만 활용이 가능하기 때문에 장소의 제약이 따른다. 또한, 획득한 영상신호로부터 동작분석 데이터를 산출하기 위한 많은 수학적 계산을 필요로 한다 (J.Van Bogart, "Motion analysis technologies", Pediatric Gait, 2000. A new Millennium in Clinical Care and Motion Analysis Technology, pp. 166-172, 2000). . 포스플레이트나 압력센서를 신발형으로 제작하여 보행시 압력분포를 측정하는 방법은 보행 시 발바닥의 압력변화나 보행주기 만을 측정할 뿐 상지 운동이나 다른 인체 동작에 관련된 정보를 얻을 수 없다.

생체 임피던스는 외부에서 비관혈적인 방법으로 관찰하기 어려운 생체 내부 환경이나, 생체의 특정 부위의 내부 변화 움직임에 관한 임피던스 변화를 추출하여 유용한 생체 정보를 얻는데 활용되고 있다 (L.E. Baker, "Principles of the impedance techniques", IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 8(1), pp. 11-15, 1989) (J. Nyboer, “Non-invasive sensing of cardiac, vascular and pulmonary volume dynamics”, Bibliotheca Cardiologica, vol. 31, pp. 42-51, 1973) (D.W. Kim, "Detection of physiological events by impedance", Yonsei Medical Journal, vol. 30(1), pp. 1-11, 1989) (M. Fogelholm, L. W. van Marken, "Comparison of body composition methods: a literature analysis", Eur. J Clin. Nutr., vol. 51(8), pp. 495-503, Review, 1997) (B. Rigaud, J. P. Morucci, N. Chauveau, "Bioelectrical impedance techniques in medicine. Part I: bioimpedance measurement. Second section: impedance spectrometry", Crit. Rev. Biomed. Eng., vol. 24(4-6), pp. 257-351. 1996) (L. A. Geddes: Principles of Applied Biomedical Instrumentation, 3rd ed., 1989). 이러한 이유에서 오래 전부터 임상에 널리 활용되어 왔으나, 생체 역학 분야에서는 크게 활용되지 않았다. 그러나, 최근에 들어 생체 임피던스 변화를 근전도와 비교하는 연구를 통해 스포츠 트레이닝과 운동 역학 분야에 대한 응용이 시도되어 왔다.

1992년 Nakamura 등이 EMG 측정 신호대신 임피던스를 이용하여 테니스 선수의 운동 중의 움직임을 분석하는데 있어서 EMG 측정 신호보다 관절의 운동을 관찰하는데는 임피던스가 적합하다는 결과를 보였다 (T. Nakamura, Y. Yamamoto, and H. Tsuji, "Fundamental characteristics of human limb electrical impedance for biodynamic analysis", Med. Biol. Eng. Comput., vol. 30, pp. 465-473, 1992). Nakamura의 연구에서는 관절 각도의 변화 속도와 임피던스 변화 속도에 관한 움직임의 상대적 변화를 주로 이용하였으며, 관절의 각도 변화와 임피던스 변화와의 관계에 대해서는 중점을 두지 않았다. Valentinuzzi 등은 임상에서의 생체 임피던스를 이용한 운동분석에 대한 가설을 세우고 이에 대한 기초적인 연구 결과를 발표하였으며(M. E. Valentinuzzi, "Bioelectrical impedance techniques in medicine. part I: bioimpedance measurement. first section: general concepts", Crit Rev Biomed Eng. vol. 24(4-6), pp. 223-55, Review, 1996), Risacher 등은 관절의 동작 속도 평가를 위하여 임피던스 방법에 대한 효용성에 대한 실험 결과를 보고하였다 (F. Risacher, J. Jossinet, E. T. McAdams, J. McLaughlin, Y. Mann, M. Schmitt, A. Matias, R. Jarry, "Impedance plethysmography for the evaluation of pulse-wave velocity in limbs", Med. Biol. Eng. Comput., vol. 31(3), pp. 318-22, 1993). Seo 등은 임피던스 방법을 이용한 하지의 자세분석에 대한 기초 연구로서 임피던스 측정을 위한 교류 신호의 최적 주파수에 대한 결과를 보고하였다 (A. Seo, M. Rys, S. Konz, "Measuring lower leg swelling: optimum frequency for impedance method", Med. Biol. Eng. Comput., vol. 39(2), pp. 185-89, 2001). 또한, 山本尙武 등은 보행 분석을 위한 하지의 임피던스 변화 메커니즘에 대한 검토를 통해 임피던스 측정 방법을 이용한 하지 운동 분석의 응용 가능성을 보여 주었다 (山本尙武, 山本辰馬, 岡本草雨, 軸屋和明, 平上二九三, 明石謙, “步行分析のための下腿部電氣インピ?ダンスの檢討”, ?用電子と生?工學, vol. 22, no. 6, pp. 433-438, 1984).

김수찬 등은 상지(upper arm)를 대상으로 여러 동작(motion)에 대한 임피던스 변화를 관찰하여 관절의 움직임을 분석하였으며 (J.C. Kim, S.C. Kim, K.C. Nam, S.H. Ahn, M. Park and D.W. Kim, "Evaluation of impedance method for measuring human arm movement", Yonsei Medical Journal, vol. 43(5), pp. 637-643, 2002), 관절의 각도 변화를 측정하기 위한 최적의 전극 조건에 대해 발표한 바 있다 (S.C. Kim, K.C. Nam, D.W. Kim, C.Y. Ryu, Y.H. Kim, and J.C. Kim, Optimal electrode configuration for detection of arm movement using bio-impedance, Med. Biol. Eng. Comput., 41, pp. 141-145, 2003). 그러나 임피던스 측정법은 각 채널마다 전압 감지 전극으로부터 전극 케이블을 연결해야하며, 데이 터 수집 장치 데이터 수집 케이블을 연장하여야 하므로, 분석하고자 하는 채널이 많거나 활동 범위가 큰 경우에 전극 케이블에 의한 불편함이 따른다.

따라서 본 발명에서는 이러한 전극 케이블에 의한 불편함을 줄이고자 무선 데이터 송수신모듈을 이용한 무선 측정 시스템을 구현하고자 하였다.

본 발명의 목적은 생체 임피던스 측정을 이용한 동작분석에 있어서 동작 분석을 위해 부착하는 전극 케이블의 불편함과 공간상의 활동 제약을 제거하기 위한 무선 동작 분석기를 제공하는 것이다.

본 발명은 생체 임피던스를 위한 무선 동작 분석기의 구성에 있어서 피검자의 공간상 제약을 줄여 활동을 자유롭게 하며, 측정하고자 하는 전극 케이블의 불편함을 줄이기 위해 데이터 수집을 무선화하기 위한 장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명에 의한 2채널 생체 임피던스 측정을 이용한 무선 동작 분석기의 구성이다. 구체적으로 본 발명은 생체 임피던스 측정을 위한 정전류원이 전류 자극 전극 (1a, 1b)를 통해 흐르게 되며, 이 경로(3)의 사이에서 측정하고자 하는 인체의 동작 부분에 해당되는 관절 부근의 전압 감지 전극(2a, 2b, 2c, 2d)과 차동 증폭기(5a, 5b)에 의해 측정된 전압을 마이크로 컨트롤러(6)가 아날로그-디지탈 변환하여 무선 송수신기(7,9)를 통해 컴퓨터(8)로 전송한다.

임피던스 측정법은 Nyboer가 혈류량 측정법에 적용시킨 공식이 이용되어온 이후로, 이를 수학적으로 간략화 시킨 Swanson의 공식이 많이 사용되고 있다. 도 2 와 같이 전압 감지 전극의 거리(15)가 일정할 경우, 정전류원(10)을 흘린 뒤 그 경로의 사이에서 측정된 전압(11)은 비저항과 측정 부위의 거리(15)에 비례하고, 혈관과 근육의 단면적(13,14)에 반비례한다 (J. Nyboer, “Non-invasive sensing of cardiac, vascular and pulmonary volume dynamics”, Bibliotheca Cardiologica, vol. 31, pp. 42-51, 1973)(L.E.Baker, "Principles of the impedance techniques", IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 8(1), pp. 11-15, 1989) (L.A.Geddes, Principles of Applied Biomedical Instrumentation, 3rd ed., 1989). 옴의 법칙(Ohm's law)에 의해 전압은 임피던스와 전류의 곱으로 계산 되므로 전류가 일정할 때, 전압의 변화를 측정하여 임피던스 변화를 얻어낼 수 있다.

근육이 수축 혹은 이완하게 될 경우 근육의 단면적과 혈관의 단면적 변화로 인해 생체 임피던스가 변화하게 된다. 생체 임피던스 변화 요인을 혈관(Av)(13)과 근육(Am)(14)의 변화로 가정하면 정전류를 흘러 주고, 전압 감지 전극(12b, 12c) 양단의 전압을 측정할 수 있다. .생체 임피던스 변화 요인을 근육과 혈관의 단면적 변화로 특정 짓는 이유는 뼈나 지방 등 다른 조직보다 비저항이 낮은 성분이며, 전류가 대부분 근육과 혈관을 통해 흐르기 때문이다.

도 3은 동작 분석을 위한 임피던스 측정 장치의 구성도 이다. 발진부(16)를 통해 50 kHz의 정현파 자극 신호가 발생되며 이를 정전류원(17) 회로를 통해 300 uA의 정전류가 측정 부위에 인가되게 한다. 4전극 시스템에 따라서 전압 감지 전극에 의해 두 전극 간의 전압차이가 차동 증폭기(19)를 통해 얻어진다. 정현파 신호 를 전류원으로 사용하였기 때문에 측정된 전압 파형을 대역필터(20,) 전파정류기(21), 포락선 검출기(22)를 통하여 임피던스 변화에 따른 전압 변화를 감지한다. 표면 전극은 직경 10mm인 Ag-AgCl(RedDot, 3M) 전극을 사용하였다.

2 채널 임피던스 측정을 위해 도 3의 발진부(16)와 정전류원(17)은 하나로 구성되어 2채널에 공통적으로 사용한다. 그러나 2 채널 전압감지를 위해 전류통로의 중간에 2쌍의 전압감지전극을 부착하여 2 채널로 전압을 측정하여야 하므로 도 3의 차동증폭기(19)에서 임피던스 변화(24)까지 독립적인 증폭기를 필요로 한다.

2 채널 임피던스 변화 값은 도1과 같이 마이크로 컨트롤러(6)를 통해 50 Sample/sec 의 속도로 10bit 아날로그-디지탈 변환된 후, 무선 시리얼 통신 송신기(7)을 통해 19,200 보레이트로 무선 수신기(9)에 전송된다. 무선으로 전송된 신호는 무선 수신기(9)를 통해 컴퓨터로 저장된다. 시리얼 통신을 통한 데이터 저장을 위해 LabVIEW 6i (National Instrument, USA)를 이용하였다. 저장된 임피던스 변화 값은 실제 각도와 대응하여 각도로 환산되어 표시한다. 도 1에 도시된 바와 같이 구성된 전류통로와 전압감지전극의 구성은 팔꿈치와 무릎관절의 각도를 측정하기 위한 2 채널 무선 동작 분석기의 사용 예시이다.

도 4는 도 1과 같이 부착된 전류자극전극과 전압감지전극에 의해 팔꿈치와 무릎 관절의 각도 변화를 피검자에 부착된 데이터 송신 모듈과 PC에 장착된 데이터 수신 모듈의 거리가 10 m 일 때 공간에서 측정한 결과이다. 팔꿈치와 무릎의 관절의 신전상태(extension)로 서 있는 자세에서 다음의 세 가지 동작을 연속으로 측정하였다.

① 무릎 관절을 편 상태(신전: extension)에서 팔꿈치 관절만 굽히는(굴전: flexion) 동작

② 팔꿈치 관절을 편 상태(신전: extension)에서 무릎 관절만 굽히는(굴전: flexion) 동작

측정결과 무릎 관절의 신전 상태에서 팔꿈치 관절만 운동하였을 때, 무릎 관절 각도의 변화는 영향을 받지 않았다. 또한, 팔꿈치 관절의 신전 상태에서 무릎 관절만 운동하였을 때, 팔꿈치 관절 각도의 변화는 영향을 받지 않았다.

도 5는 도 1과 같이 부착된 전류자극전극과 전압감지전극에 의해 팔꿈치와 무릎 관절의 각도 변화를 팔꿈치와 무릎 관절을 최대한 움직이면서 열린 공간에서 자유로운 보행을 하였을 때 측정한 결과이다. 피검자에 부착된 데이터 송신 모듈과 PC에 장착된 데이터 수신 모듈의 거리는 10 m - 20 m 이다. 보행 시 팔과 다리의 운동이 교대로 일어나므로, 도 5의 팔꿈치 관절각도(27)와 무릎 관절각도(28) 변화가 교대로 나타남을 확인할 수 있다. 또한 무릎 관절각도(28) 변화 주기로써 보행주기를 산출할 수 있다. 무릎관절의 각도변화에서 보행주기의 입각기(stance phase)와 유각기(swing phase)를 구분 할 수 있다. 입각기에는 무릎관절이 펴진 상태이므로 무릎 관절의 각도 값이 0° 부근에서 평탄한 시점을 입각기로 볼 수 있다.

상기한 바와 같이, 생체 임피던스를 이용하여 동작의 변화를 측정하는 경우 측정하고자 하는 관절이 수가 많아질 수록 임피던스 측정을 위한 전극의 수도 증가하며, 동작 범위가 넓어질 수록 전극과 측정 시스템 간 케이블의 길이도 길어져야 하는 불편함이 있다.

임피던스 동작 분석의 소형과 및 무선화로 피검자가 동작이나 공간에 제약을 받지 않으며, 피검자 관절의 운동 변화를 측정할 수 있다.

Claims

생체 임피던스 측정을 이용한 관절의 운동 변화를 마이크로 컨트롤러로 수집하고, 무선 데이터 송수신 모듈을 이용하여 수집된 데이터를 컴퓨터로 전송하여 분석하는 장치.