KR20130034896A - 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 환자의 의지를 반영하여 운동기기를 구동시키는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 상완의 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련을 하게 하여, 편마비 환자의 재활훈련에 도움이되는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 이두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb 에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 이두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb 에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 환자의 의지를 반영하여 운동기기를 구동시키는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 상완의 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련을 하게 하여, 편마비 환자의 재활훈련에 도움이되는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 관한 것이다.
경직은 뇌졸중 등 심혈관계 질환으로 야기된 중추신경의 손상 후 발생되며, 경직은 치료 없이 방치할 경우 관절의 변형이 불가피하므로 규칙적이고 지속적인 운동이 필요하다. 특히, 경직은 규칙적인 스트레칭이나 관절가동범위(rangeof motion, RoM) 내의 수동운동(passive movement)을 통해 완화될 수 있다.
재활 스트레칭은 치료사가 환자의 관절을 수동적으로 움직여 관절의 변형을 방지하며, 이를 통하여 현재의 관절가동범위를 유지시켜주거나 제한된 관절가동범위(limited RoM)를 증진시킬 수 있다.
국내 재활병원의 물리치료는 1일 1회 1시간 내에서 제한적으로 진행되며, 1회 치료시 치료사와 환자 모두 경제적, 시간적, 체력적 부담이 크며, 치료 후에도 치료 시의 회복 상태를 유지 및 증진시키기 위해 지속적인 운동치료가 절실하다. 이를 위해 반복적 과제 중심 훈련(task-oriented repetitive training)을 목적으로 한 로봇 재활 훈련이 도입, 적용되고 있다.
대표적인 예로 컴퓨터 기반의 등속성 동력계(isokinetic dynamometer), 연속 수동 운동(continuous passive motion, CPM) , 생체 신호 피드백 기반의 스트레칭기기(feedback-controlled and programmed stretching) 등이 있다.
그러나 등속성 동력계는 높은 가격과 큰부피로 인해 특정 시설에만 구비되어 있어 현재 재활의 목적보다는 환자의 임상적 평가를 위해 주로 사용되고 있다.
연속 수동 운동 기기는 반복적 훈련 등이 어려우며, 환자의 기능 회복 면에서 큰 효과가 없다는 결과도 보고된 바 있다. 일반적으로, 로봇형 훈련시스템에 쓰이는 힘센서는 가해진 힘/토크와 모멘트의 성분을 측정하는 데에는 효과적이나, 기계적으로 미세한 근육의 움직임이나 환자의 의지를 직접적으로 관찰하거나 반영하기 어렵다는 단점이 있다.
최근 로봇형 훈련시스템에서 로봇을 이용한 운동치료의 효과를 증진시키기 위해 수동적 치료 방식을 벗어나 환자의 의지를 반영하여 기기를 구동시키는 능동형 훈련시스템, 즉 생체 신호 피드백 기반의 스트레칭기기이 연구되고 있다.
능동형 훈련시스템은 훈련시 본인의 의지가 크게 반영되므로 수동적 재활에 비해 훈련효과가 크고, 신경과 근육의 재교육(re-education)효과도 기대할 수 있다
본 발명은 근전도 신호를 이용하여 팔꿈치 관절의 능동적 훈련이 가능한 상지훈련시스템을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상완의 근전도 신호에 의해 제어되며 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 1 자유도, 0~120도 범위 내에서 운동 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비한 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 로보틱 외골격부의 회전축에 가변저항을 장착하여 팔꿈치 관절각도를 측정하도록 이루어지며, 근전도 신호와 각도 데이터를 동시에 검출하도록 이루어진 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 환자의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 추정된 팔꿈치 관절토크가 일정 수준 이상에 도달할 경우에만 등속 관절 운동이 가능하도록 이루어져, 운동 강도를 환자에 따라 임의로 설정할 수 있도록 이루어진 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 보다 효과적인 치료효과를 가져다 주는 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 이두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부;상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완의 삼두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부; 상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, -0.8 내지 -1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를 y=axb 에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 상완거치대와, 상기 상완거치대 좌우 양측에 장착되는 상완거치대 고정부를 포함하는 상완 외골격부; 하완거치대와, 상기 하완거치대 좌우 양측에 장착되는 하완거치대 조절부를 구비하되, 상기 하완거치대 조절부는 통공형태의 조절용 주로를 구비하며, 하안거치대의 외측에 위치된 하안거치대 고정자가 상기 조절용 주로를 따라 이동되어 고정됨에 의해, 길이 조정이 가능하도록 이루어진 하안 외골격부; 상완거치대 고정부와 하완거치대 조절부가 상완거치대의 좌우 양측에서 각각 힌지 결합되되, 일측의 힌지 결합부에는 모터가 장착되는 관절부; 상기 모터의 회전축에 장착되어 각도신호를 검출하는 회전각도 센서를 구비하는 센서회전각도 검출부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 근전도를 검출하는 근전도 검출부, 상기 근전도 검출부의 출력신호에 의해 모터제어신호를 생성하는 제어부, 상기 제어부로부터 수신된 모터제어신호에 의해 모터를 구동되시켜 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 있어서, 상기 제어부가, 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 상기 팔꿈치 관절 토크에 따라 운동강도를 차등 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 근전도 검출부는 2 또는 3개의 차동전극으로 이루어진다.
상기 모터는 25 Nm 이상의 토르크를 가지는 모터이다.
상기 모터는 감쇠비가 230:1인 기어헤드를 장착하고 있다.
상기 회전각도 측정센서는 가변저항(potentiometer)이다.
상기 하안 외골격부는 하안을 묶기 위한 벨트를 더 포함한다.
상기 관절부는 1 자유도(degrees of freedom),0도~120도범위 내에서 운동 가능도록 이루어진다.
또한, 본 발명의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법은, 환자의 최대 수의적 수축(maximalvoluntary contraction, MVC) 시의 근전도 신호를 검출하며, 검출된 근전도 신호를 통해 팔꿈치 관절 토크를 추정하여 관절가동범위(rangeof motion, RoM)가 설정되는 관절가동범위 설정단계; 환자에 의해 입력된 사용자 설정 운동강도 목표치(역치, threshold)를 읽어들이는 운동강도 목표치 설정단계; 관절가동범위 설정단계에서 설정된 관절가동범위가 기 설정된 등속관절운동 기준치보다 이상이고, 사용자 설정 운동강도 목표치가 설정된 관절가동범위 내이라면, 모터를 초기화하는 모터 여자여부 판단단계; 모터가 구동됨에 됨에 따라 운동을 하게 되는 환자의 근전도 신호를 검출하며, 모터의 회전축에 장착된 회전각도 측정센서에 의해 각도 신호를 검출하여, 근전도 신호와 각도 신호를 수신하여 저장 및 출력하는 운동중 신호검출단계; 운동중 신호검출단계에서 검출된 근전도 신호가, 운동강도 목표치보다 크거나 같다면, 근전도 신호에 따른 모터 토르크를 추정하여 모터 제어신호를 생성하여 모터로 전송하고 운동중 신호검출단계로 되돌아가는 모터 제어신호 갱신여부 판단단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 관절가동범위 설정단계에서 팔꿈치 관절 토크(y)는 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)에 대해 y=axb (단, 이두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)에 의해 구하여 진다.
모터 제어신호 갱신여부 판단단계에서, 근전도 신호(x)에 따른 모터 토르크(y)를 추정은 y=axb(단, 이두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)에 의해 구하여 진다.
상기 팔꿈치 관절토크가 기 설정된 등속관절운동 기준치 이상일 경우에 상기 로보틱 외골격부는 등속 관절 운동을 하도록 이루어진다.
본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 따르면, 상완의 근전도 신호에 의해 제어되며 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 1 자유도, 0~120도 범위 내에서 운동 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비한 능동형 상지 재활 훈련 시스템으로서, 저가이며, 시간의 제한 없이 운동이 가능하고, 부피도 작아, 경제적, 시간적, 공간적으로 부담이 적도록 이루어져 있다.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 로보틱 외골격부의 회전축에 가변저항을 장착하여 팔꿈치 관절각도를 측정하도록 이루어지며, 근전도 신호와 각도 데이터를 동시에 검출하도록 이루어져, 보다 정밀한 제어 및 검사가 가능하다.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 환자의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 추정된 팔꿈치 관절토크가 일정 수준 이상에 도달할 경우에만 등속 관절 운동이 가능하도록 이루어져, 운동 강도를 환자에 따라 임의로 설정할 수 있도록 이루어져, 맞춤형 제어 및 맞춤형 훈련이 가능하다.
또한, 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은, 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 보다 효과적인 치료효과를 가져다 준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 설명하기 설명도이다.
도 2는 도 1의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성을 설명하기 블럭도이다.
도 3은 도 1의 로보틱 외골격부의 사시도이다.
도 4는 도 1의 외골격부의 분해도이다.
도 5는 도 1의 제어부의 구동 흐름도의 일예이다.
도 6은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 정상인의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 7은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 편마비 환자의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 정상인에 적용한 결과의 일예이다.
도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용한 결과의 일예이다.
도 2는 도 1의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성을 설명하기 블럭도이다.
도 3은 도 1의 로보틱 외골격부의 사시도이다.
도 4는 도 1의 외골격부의 분해도이다.
도 5는 도 1의 제어부의 구동 흐름도의 일예이다.
도 6은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 정상인의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 7은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 편마비 환자의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 정상인에 적용한 결과의 일예이다.
도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용한 결과의 일예이다.
이하 본 발명의 일 실시예에 의한 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 개략적으로 설명하기 설명도이며, 도 2는 도 1의 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구성을 설명하기 블럭도로, 근전도 검출부(100), 회전각도 검출부(140), A/D변환부(180), 제어부(200), 모터(300), 로보틱 외골격부(400), 출력부(500), 메모리부(550)를 포함한다.
근전도 검출부(100)는 하나 이상의 근전도 전극(10), 근전도신호 전처리부(20)을 구비하여, 근전도를 검출하고 전처리를 하여 A/D변환부(180)으로 전송한다.
근전도 전극(10)은 상완의 근육으로부터 근전도를 검출하는 것으로 다수개의 전극을 사용할 수 있다. 근전도 전극(10)은 2 또는 3개의 차동전극이 사용될 수 있으며, 상완 이두근(BB) 또는 상완 삼두근(TB)의 근전도를 검출할 수 있다.
근전도신호 전처리부(20)는 근전도 전극(10)으로부터 검출된 근전도를 근전도신호 전처리부에서 증폭하고 잡음을 제거한다. 근전도신호 전처리부(20)는 근전도 전극(10)에서 검출된 근전도 신호를 1000배 증폭하고 전파 정류하여 2Hz 2차 버터워스 저역통과필터로 잡음 제거할 수 있다.
회전각도 검출부(140)는 모터(300)의 회전축에 장착된 회전각도 측정센서(150)가 관절각도를 검출하고, 각도신호전처리부(160)에서 관절각도 신호의 잡음을 제거하는 등 전처리하여, A/D변환부(180)으로 전송한다. 각도신호전처리부(160)는 5Hz 2차 버터워스 저역통과필터로 이루어질 수 있다.
제어부(200)는 근전도 검출부(100)로부터 수신된 신호로부터 연산처리하여 모터제어신호를 생성하여 모터(300)으로 전송한다. 모터제어신호는 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고, 상기 팔꿈치 관절 토크에 따라 운동강도를 차등 제어, 즉 모터를 차등 제어하도록 이루어진다. 또한 모터(300)에 장착된 회전각도 측정센서로 부터 검출된 관절각도를 수신하고, 상기 관절각도 및 근전도 검출부(100)로부터 검출된 근전도 신호를 출력부(500)로 송신하여 출력하게 하며, 메모리부(550)으로 전송하여 저장한다.
모터(300)는 로보틱 외골격부(400)의 관절부(440)의 일측에 회전축이 연결되어, 제어부(200)에서 수신되는 모터제어신호에 의해 구동된다. 본 발명에서는 모터 선정을 위해 정상인을 통한 예비실험을 행하였으며, 정상인 실험을 통해 얻은 최대 팔꿈치 토크는 25 Nm였고, 그 이상의 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 선정하였다. 본 발명에서 모터(300)는 감쇠비가 230:1인 기어헤드를 장착하여 토크 범위를 만족시키도록 이루어질 수 있다. 모터(300)는 모터 전압 24V, 속도 33rpm, 토르크 29Nm를 사용할 수 있다.
모터(300)의 회전축에는 팔꿈치 관절각도를 측정하기 위한 회전각도 측정센서가 장착되어 있으며, 경우에 따라서 상기 회전각도 측정센서는 가변저항(potentiometer)일 수 있다.
로보틱 외골격부(400)는 팔을 거치하여 관절을 움직이도록 보조하는 수단으로, 상완 외골격부(410), 관절부(440), 하안 외골격부(470)를 포함한다.
상완 외골격부(410)는 상완을 안정적으로 올려 놓기 위한 상완의 거치대로, 일측에는 관절부(440)가 위치된다. 상완 외골격부(410)는 테이블 위 등에 놓여진 상태에서 상완을 거치하도록 이루어질 수 있다.
관절부(440)는 상완 외골격부(410)와 하안 외골격부(470)의 사이에 위치되며, 적어도 일측에는 모터(300)의 회전축이 장착되고, 모터(300)의 구동에 의해 팔을 접고 피는 동작이 가능하도록 이루어진다. 상완 외골격부(410)와 하안 외골격부(470)는 힌지결합하되, 힌지결합된 부분의 일측에 모터(300)의 회전축이 장착되어, 모터에 의해 하안 외골격부(470)가 움직여 지도록 이루어질 수 있다.
하안 외골격부(470)는 하완의 거치대로, 관절부(440)의 일측에 장착된다. 하안 외골격부(470)는 하안을 묶기 위한 벨트를 더 포함한다.
출력부(500)는 제어부(200)에서 수신된 관절각도 및 근전도 신호를 출력한다.
도 3은 도 1의 로보틱 외골격부의 사시도이며, 도 4는 도 1의 외골격부의 분해도이다.
본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에서 팔꿈치 관절의 재활훈련을 위한 로보틱 외골격(400)은 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동을 구현하도록 1 자유도(degrees of freedom),0도~120도범위 내에서 운동 가능하도록 이루어져 있다.
로보틱 외골격부(400)는 상완 외골격부(410), 하안 외골격부(470)를 포함하며, 상완 외골격부(410)는 받침판(415), 상완거치대(420), 상완거치대 고정부(425)를 포함한다.
받침판(415)은 테이블 등의 상면에 로보틱 외골격부(400)를 위치시킬때, 테이블 등의 상면과 접촉되는 것이다.
상완거치대(420)는 상완을 거치하는 수단으로, 받침판(415)의 상면에 상완거치대(420)를 고정시킨다.
상완거치대 고정부(425)는 하안거치대 조절부(480)와 힌지결합되어 팔굽의 접었다 폈다 하는 등의 운동을 하도록 이루어진 것으로, 받침판(415)위에 상완거치대(420)가 위치되어 고정 장착되고, 좌우 상완거치대(420) 또는 받침판(415)의 좌우측에 고정 장착된다. 상완거치대 고정부(425) 좌우측 중의 하나의 일측에는 모터의 회전축이 삽입되어 장착되기위한 상완 회전축홀을 구비하며, 상기 상완 회전측홀의 외측에 모터 고정부(320)가 장착되고, 내측에는 하안 회전축홀을 가진 하안거치대 조절부(480)가 장착되되, 상완 회전축홀 및 하안 회전축홀에 모터의 회전축이 삽입되며, 모터 고정부(320)에 모터(300)가 고정 장착된다. 상완거치대 고정부(425) 좌우측 중의 다른 하나의 일측에는 상완 힌지봉홀을 구비하며, 상완 힌지봉홀의 내측에 하안 힌지봉홀 가진 하안거치대 조절부(480)가 장착되되, 상완 힌지봉홀 및 하안 힌지볼홀에 힌지봉(325)이 삽입되며, 상완 힌지봉홀의 외측에 부싱을 개제하여 나사로 조이도록 이루어져 있다.
하안 외골격부(470)는 하안거치대(475), 하안거치대 조절부(480)를 포함한다.
하안거치대(475)는 하완을 거치하는 수단으로, 2개의 하안거치대 조절부(480)의 사이에 장착되되, 하안거치대(475)의 외측 좌우측에 위치되는 하안거치대 고정자(482)가 하안거치대 조절부(480)의 조절용 주로(485) 상에 사용자의 하안 길이에 맞추어 조절하여 고정하도록 이루어진다. 경우에 따라서는 하안거치대 고정자(482)는 수나사형태로 이루어지고, 하안거치대(475)의 외측 좌우에는 다수의 홈이 구비되되, 상기의 홈은 암나사 형태로 이루어져 원하는 위치의 홈에 고정장착되도록 이루어질 수 있다. 또한 하안거치대(475)에 팔을 장착한 후, 하안거치대(475)와 팔을 묶는 벨트(484)를 더 구비 할 수 있다.
하안거치대 조절부(480)는 일단이 상완거치대 고정부(425)의 내측에 고정되되, 하안거치대 조절부(480) 중의 하나는 하안 회전축홀을 구비하여, 상완 회전축홀과 함께 모터(300)의 회전축이 삽입되며, 하안거치대 조절부(480) 중의 다른 하나는 하완 힌지봉홀을 구비하여, 상완 힌지봉홀과 함께 힌지봉(325)이 삽입된다.
상완거치대 고정부(425), 하안거치대 조절부(480), 모터(300), 힌지봉(325)은 관절부(440)를 형성한다.
도 5는 도 1의 제어부의 구동 흐름도의 일예이다.
관절가동범위 설정단계로, 사용자(훈련자, 환자)의 최대 수의적 수축(maximalvoluntary contraction, MVC) 시의 근전도 신호를 검출하며, 검출된 근전도 신호를 통해 팔꿈치 관절 토크를 추정하여 관절가동범위(rangeof motion, RoM)가 설정된다(S100).
이때 팔꿈치 관절 토크(y)는 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)에 대해 y=axb에 의해 추정된다.
여기서 이두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수이다. 또한 삼두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수이다.
운동강도 목표치 설정단계, 사용자(훈련자, 환자)에 의해 입력된 사용자 설정 운동강도 목표치(역치, threshold)를 읽어들인다(S110).
모터 여자여부 판단단계로, 관절가동범위 설정단계(S100)에서 설정된 관절가동범위가 기 설정된 등속관절운동 기준치(경우에 따라서 공장 출하전 저장되어 있움)보다 이상이고, 사용자 설정 운동강도 목표치가 설정된 관절가동범위 내인지를 판단하여(S120), 그렇다면 모터를 초기화하여 모터제어신호를 생성하여 모터(300)로 전송하여 모터를 구동시키며, 그렇지 않다면 관절가동범위 설정단계(S100)로 되돌아 간다.
운동중 신호검출단계로, 모터(300)가 여자됨에 따라 사용자는 운동을 하게 되며, 이때 검출되는 근전도 신호와 회전각도 신호를 수신하여(S130), 메모리부(550)에 저장 및 출력부(500)로 출력한다(S140).
모터 제어신호 갱신여부 판단단계로, 검출된 근전도 신호가 운동강도 목표치보다 크거나 같은지를 판단하여(S150), 그렇치 않다면 모터제어신호를 갱신할 필요없이 운동중 신호검출단계(S130)로 되돌아간다.
모터 제어신호 갱신단계로, 검출된 근전도 신호가 운동강도 목표치보다 크거나 같다면 입력된 근전도 신호(x)에 의한 모터 토르크(y)를 상술한 y=axb에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하여 모터(300)로 전송하고 운동중 신호검출단계(S130)로 되돌아간다(S160).
다음은 본 발명에서 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정하는 수식을 수립하기 위한 실험과 그 결과에 대해서 설명한다.
본 실험의 목적에 따라 정상인 5명과 편마비 환자 1명으로부터 획득한 이두근과 삼두근의 최대 수의적 수축 시의 근전도 신호와 토크 데이터를 바탕으로 멱함수(power function; y = axb)로 회귀분석을 통해 얻었다
도 6은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 정상인의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타내고, 도 7은 근전도 신호와 팔꿈치 관절 토크를 추정을 위한 실험결과로 편마비 환자의 근전도 신호와 토크값의 관계를 나타낸다.
도 6의 (a)는 정상인의 이두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=0.9789x0.5699 이며, 도 6의 (b)는 정상인의 삼두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=-1.0792x0.5873이다.
도 7의 (a)는 편마비환자의 이두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=1.034x0.9301 이며, 도 7의 (b)는 편마비환자의 삼두근의 근전도로부터 구하여진 멱함수로 y=-0.997x1.172이다.
다음은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 적용한 실험에 대해서 설명한다.
이 실험을 위해 정상인 피험자 5명(나이 24 ± 1세,키 171 ± 4 cm, 몸무게 67 ± 6 kg)과 편마비 환자 1명(나이19세, 키 172 cm, 몸무게 82 kg)에게 시스템을 적용하여 평가하였다. 실험에 참여한 환자는 임상 전문가의 근긴장도 평가(muscle tone assessment) 결과 근 긴장도가 두드러지게 증가하지만 사지는 쉽게 굴곡되는 경한 편마비 증상이 있었다. 역치값은 피험자가 발생시킬 수 있는 최대 토크의10%(0.1)와 50%(0.5)로 설정하였다. 관절가동범위는 0도~120도로 설정하였고, 착용자의 이두근 근전도 신호로부터예측된 팔꿈치 관절 토크가 미리 설정한 역치값에서 실험을 진행하였다.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 정상인에 적용한 결과의 일예이며, 도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용한 결과의 일예이다.
도 8은 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템이 정상인에 적용되었을 때의 팔꿈치 관절각도, 이두근, 삼두근의 근전도 신호, 그리고 설정된 운동강도 목표치(역치값)이다. x축은 훈련 시간(frame)이고, y축은 역치값 설정을 위해 0에서 1 사이로 정규화된 근전도 신호 값(value)이다.
도 8의 (a)는 피험자 최대 토크의 10%(0.1)를 역치값으로설정하였을 때의 시스템 작동 화면이다. 역치값 이상의 근전도 신호가 획득될 때 팔꿈치 관절각도가 상승(굽힘)하였다.
그림 8(b)는 역치값이 50%(0.5)일 때의 작동 화면이다. 이두근에서의 근전도 신호는 측정되나, 역치값 이하이므로 팔꿈치 관절각도의 변화를 관찰할 수 없었다. 근전도 신호가 역치값 이상으로 측정되는 범위에서 팔꿈치 관절각도가 잠시상승하였다.
도 9는 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템을 편마비 환자에 적용하였을 때의 팔꿈치 관절각도, 이두근, 삼두근에서의 근전도 신호, 그리고 설정된 운동강도 목표치(역치값)을 나타낸다. 환자에게도 정상인과 동일한 역치 범위를 설정하여 평가하였다.
도 9의 (a)는 역치값이 편마비 환자가 최대로 낼 수 있는 토크의 10%(0.1)로 설정되었을 때의 시스템 작동 화면이다. 이두근의 근전도 신호가 역치값 이상이 되는 시점부터 팔꿈치관절각도가 상승(굽힘)하는데, 이는 정상인과 동일하였다. 도 9의 (b)는 역치값이 50%(0.5)일 때의 화면이다. 정상인의 경우와 같이 이두근의 근전도 신호가 측정되지만 역치값을 넘기 전까지는 팔꿈치 관절의 각도에 변함이 없으며, 역치값 이상의 근전도 신호가 측정될 시에 팔꿈치 관절각도가 잠시 상승하는 것을 확인되었다.
따라서 본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은 경직 현상이 있는 편마비 환자의 능동적 훈련을 위한 능동형 상지훈련시스템으로, 상기 실험을 통해 정상인과 환자에게 적용가능함을 확인할 수 있었다.
팔꿈치 근육에서 실시간으로 측정된 근전도 신호의 크기가 미리 설정한 역치 수준을 초과할 때만 모터가 구동하여팔꿈치 등속운동을 가능하도록 하였다. 개발된 시스템이 환자의 의지를 반영한 능동적 훈련시스템의 역할을 수행함을확인하였다. 환자의 경직이 심해 미약한 근전도 신호가 획득되더라도 환자의 최저 능력치부터 역치값을 설정하여 훈련을 진행할 수 있다. 이는 환자의 의지를 반영하여 근력을조절할 수 있도록 함으로써 수동적 훈련보다 더 효과적으로환자의 회복을 도울 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 능동형 상지 재활 훈련 시스템은 근전도 신호에서 변환된 토크 정보로 피험자의 운동 범위를 지정하고, 환자에게 능력 이상의 무리한 운동을 요하지 않는다는 점에서 증상의 경중을 고려하지 않는 종래의 연속 수동 운동 치료 기기와 차이가 있다. 또한 운동 치료에지대한 영향을 끼치는 몸 상태나 기분 등이 피험자 자신의운동 의지로 반영되어 훈련의 강도를 조절할 수 있으므로 치료사의 임의적 치료 종료와 달리 성과 향상이 높다는 장점이 있다. 따라서, 환자의 의지를 반영한 능동적 운동을 유도함으로써 기존의 수동치료보다 더 효과적인 치료효과를 가져다 준다. 본 발명은 피험자의 근력으로 가동되므로 연속적인 훈련은 피험자에게 피로와 부담을 줄 수 있다. 따라서 휴식과 훈련을 적절히 조합하여 피험자의 흥미를 유발시킬 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것이 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.
10 : 근전도 전극 20 : 근전도신호 전처리부
100 : 근전도 검출부 140 : 회전각도 검출부
150 : 회전각도 측정센서 160 : 각도신호 전처리부
180 : A/D변환부 200 : 제어부
300 : 모터 320 : 모터 고정부
325 : 힌지봉 400 : 로보틱 외골격부
410 : 상완 외골격부 415 : 받침판
420 : 상완거치대 425 : 상완거치대 고정부
440 : 관절부 470 : 하안 외골격부
475 : 하안거치대 480 : 하안거치대 조절부
482 : 하안거치대 고정자 484 : 벨트
485 : 조절용 주로 500 : 출력부
550 : 메모리부
100 : 근전도 검출부 140 : 회전각도 검출부
150 : 회전각도 측정센서 160 : 각도신호 전처리부
180 : A/D변환부 200 : 제어부
300 : 모터 320 : 모터 고정부
325 : 힌지봉 400 : 로보틱 외골격부
410 : 상완 외골격부 415 : 받침판
420 : 상완거치대 425 : 상완거치대 고정부
440 : 관절부 470 : 하안 외골격부
475 : 하안거치대 480 : 하안거치대 조절부
482 : 하안거치대 고정자 484 : 벨트
485 : 조절용 주로 500 : 출력부
550 : 메모리부
Claims (15)
- 상완의 이두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부;
상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, a는 0.8 내지 1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를
y=axb
에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부;
상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 상완의 삼두근으로부터 근전도를 검출하는 근전도 검출부;
상기 검출된 근전도 신호(x)를 이용하되, -0.8 내지 -1.2의 실수이며, b는 0.4 내지 1.2의 실수로 하여, 모터 토르크(y)를
y=axb
에 의해 구하여 모터 제어신호를 생성하는 제어부;
상기 제어부의 모터 제어신호에 의해 구동되며, 상완을 거치하는 상완 외골격부와 하완을 거치하는 하완 외골격부의 사이에 힌지 결합된 부분에 장착되어, 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 모터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 상완거치대와, 상기 상완거치대 좌우 양측에 장착되는 상완거치대 고정부를 포함하는 상완 외골격부;
하완거치대와, 상기 하완거치대 좌우 양측에 장착되는 하완거치대 조절부를 구비하되, 상기 하완거치대 조절부는 통공형태의 조절용 주로를 구비하며, 하안거치대의 외측에 위치된 하안거치대 고정자가 상기 조절용 주로를 따라 이동되어 고정됨에 의해, 길이 조정이 가능하도록 이루어진 하안 외골격부;
상완거치대 고정부와 하완거치대 조절부가 상완거치대의 좌우 양측에서 각각
힌지 결합되되, 일측의 힌지 결합부에는 모터가 장착되는 관절부;
상기 모터의 회전축에 장착되어 각도신호를 검출하는 회전각도 센서를 구비하는 센서회전각도 검출부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제3항에 있어서,
상완의 근전도를 검출하는 근전도 검출부;
상기 검출된 근전도 신호를 이용하여 모터 제어신호를 생성하며, 상기 회전각도 검출부로부터 각도신호를 수신하는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 근전도를 검출하는 근전도 검출부, 상기 근전도 검출부의 출력신호에 의해 모터제어신호를 생성하는 제어부, 상기 제어부로부터 수신된 모터제어신호에 의해 모터를 구동되시켜 팔꿈치 관절의 굽힘/폄 운동이 가능하도록 이루어진 로보틱 외골격부를 구비하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템에 있어서,
상기 제어부는
최대 수의적 수축 시의 근전도 신호를 기반으로 하여 팔꿈치 관절 토크를 추정하고,
상기 팔꿈치 관절 토크에 따라 운동강도를 차등 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 근전도 검출부는 2 또는 3개의 차동전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터는 25 Nm 이상의 토르크를 가지는 모터인 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터는 감쇠비가 230:1인 기어헤드를 장착하고 있는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 회전각도 측정센서는 가변저항(potentiometer)인 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 하안 외골격부는 하안을 묶기 위한 벨트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 관절부는 1 자유도(degrees of freedom),0도~120도범위 내에서 운동 가능도록 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템. - 환자의 최대 수의적 수축(maximalvoluntary contraction, MVC) 시의 근전도 신호를 검출하며, 검출된 근전도 신호를 통해 팔꿈치 관절 토크를 추정하여 관절가동범위(rangeof motion, RoM)가 설정되는 관절가동범위 설정단계;
환자에 의해 입력된 사용자 설정 운동강도 목표치(역치, threshold)를 읽어들이는 운동강도 목표치 설정단계;
관절가동범위 설정단계에서 설정된 관절가동범위가 기 설정된 등속관절운동 기준치보다 이상이고, 사용자 설정 운동강도 목표치가 설정된 관절가동범위 내이라면, 모터를 초기화하는 모터 여자여부 판단단계;
모터가 구동됨에 됨에 따라 운동을 하게 되는 환자의 근전도 신호를 검출하며, 모터의 회전축에 장착된 회전각도 측정센서에 의해 각도 신호를 검출하여, 근전도 신호와 각도 신호를 수신하여 저장 및 출력하는 운동중 신호검출단계;
운동중 신호검출단계에서 검출된 근전도 신호가, 운동강도 목표치보다 크거나 같다면, 근전도 신호에 따른 모터 토르크를 추정하여 모터 제어신호를 생성하여 모터로 전송하고 운동중 신호검출단계로 되돌아가는 모터 제어신호 갱신여부 판단단계;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법. - 제12항에 있어서,
상기 관절가동범위 설정단계에서 팔꿈치 관절 토크(y)는 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)에 대해
y=axb
(단, 이두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 최대 수의적 수축시의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)
에 의해 구하여 지는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법. - 제12항에 있어서,
모터 제어신호 갱신여부 판단단계에서, 근전도 신호(x)에 따른 모터 토르크(y)를 추정은
y=axb
단, 이두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 0.8 내지 1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수이고, 삼두근의 근전도 신호(x)일 경우 a는 -0.8 내지 -1.2의 실수이며 b는 0.4 내지 1.2의 실수임)
에 의해 구하여 지는 것을 특징으로 하는 근전도 피드백 기반의 능동형 상지 재활 훈련 시스템의 구동방법. - 제5항에 있어서,
상기 팔꿈치 관절토크가 기 설정된 등속관절운동 기준치 이상일 경우에 상기 로보틱 외골격부는 등속 관절 운동을 하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 재활치료장치.
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