KR20130129637A - 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환자의 몸에서 나타나는 생체신호를 디지털화하여 근육의 움직임을 확인하면서 훈련을 하는 것에 의해 뇌의 가소성(plasticity)을 높여 효율적인 재활 훈련이 가능하도록 한 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법에 관한 것으로, 측정 대상자의 근전도를 측정하기 위한 근전도 감지 모듈을 갖는 측정부;상기 측정부에서 측정된 근전도 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 측정 상황을 판단하고 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 비교하여 분석하는 판단부;상기 판단부에서 분석된 결과를 무선 전송받아 측정 대상자가 근지구력 재활 치료 과정에서 모니터링할 수 있도록 하는 알람부;를 포함한다.

Description

근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법{A biofeedback system and method using ＥＭＧ for rehabilitation therapy system for muscle endurance}

본 발명은 바이오피드백 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 환자의 몸에서 나타나는 생체신호를 디지털화하여 근육의 움직임을 확인하면서 훈련을 하는 것에 의해 뇌의 가소성(plasticity)을 높여 효율적인 재활 훈련이 가능하도록 한 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법에 관한 것이다.

바이오피드백(Bio-Feedback)은 뇌파, 심전도, 근전도, 체온, 피부의 땀샘 활성도나 발한량, 호흡수 등과 같은 인체의 생체신호를 센서를 이용하여 측정하고, 상기 센서에 의해 측정된 인체의 생리활동 상태에 대한 변화정보를 컴퓨터와 같은 가시적인 장치를 통해 실시간으로 제공해 줌으로써, 일반적으로 자율신경계에 속함으로써 자각하기 어려운 생리활동에 대한 정보를 스스로 확인하며 의식적으로 자신의 생리활동을 조절하는 것을 말한다.

이와 같은 바이오피드백은 요실금, 변비, 천식, 두통, 부정맥, 고혈압, 주의력 결핍, 과잉행동 장애, 공황 장애와 같은 각종 육체적 또는 정신적 질환의 임상치료에 활용되고 있다.

또한, 보다 효과적으로 바이오피드백을 임상치료나 신체기능을 증진시키는데 활용하기 위하여 이러한 바이오피드백의 원리를 기초로 하여 자신의 생리적인 상태를 스스로 확인하는 바이오피드백 시스템이 개발중이다.

일반적으로 통증치료에 있어 근전도를 이용한 바이오피드백 시스템은 신체의 소정 부위에 대한 근전도 신호를 검출하고 검출된 생리신호인 근전도 데이터를 육안으로 정상 여부를 분석한 후, 육안으로 분석된 데이터 자료를 바탕으로 바이오피드백 변수인 자극 정도를 결정하며, 그 추출된 바이오피드백 변수를 시각적 바이오피드백과 청각적 바이오피드백에 적용하고 적용된 바이오피드백을 이용하여 신체의 소정의 부위에 자극을 가하는 것이다.

종래 기술의 바이오피드백 시스템을 이용한 근육재활치료에 있어서는 근전도 등의 생리신호를 검출하고 그 분석결과를 컴퓨터상에 디스플레이하며 의사가 이를 육안으로 정상 여부를 판단하여 자극의 정도를 결정하며 자극의 정도에 따라 경보음을 울리게 하여 자극의 정도를 조절한다.

그러나 이러한 종래 바이오피드백 시스템의 경우에 있어서, 근전도의 정상상태와 비정상상태를 비교할 뿐으로 통증은 고려하고 있지 않으므로, 좀더 환자의 상태에 적합한 근육의 전기자극이 어렵다.

또한, 종래의 바이오피드백 시스템은 스피커, 디스플레이, 컴퓨터, 근전도측정시스템 등으로 구성되어 공간적으로 제약을 받는다.

종래 기술의 바이오피드백 시스템은 그 구성 및 사용이 복잡하므로 사용자가 병원 등을 방문하여 치료받아야만 한다.

그러므로 종래의 바이오피드백 시스템은 일상에서 자유롭게 편의대로 작업을 하면서 속박을 느끼지 않으면서 자신이 통증이라고 느낀 상황에서 자극이 작동하지 못하므로 편리하게 통증을 완화시키는 것은 불가능하다.

특히, 일상 생활속에서 근전도를 기록하여 사용자의 상태를 따로 감시하는 것도 불가능하고, 일방적으로 설정된 자극을 일정하게 내보내어 통증의 여부에 상관없이 무조건적으로 작동하므로 일정 자극 후의 내성이 생겨 치료효과가 떨어지는 문제가 있다.

즉, 근지구력을 판단할 수 있는 EMG(근전도) 신호는 사람마다 많은 차이가 있고, 개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의해 많은 차이를 나타낸다.

따라서, 종래 기술에서와 같이 기준치를 일반화해서 제공할 경우 많은 오류를 범하게 된다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 바이오피드백 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 환자의 몸에서 나타나는 생체신호를 디지털화하여 근육의 움직임을 확인하면서 훈련을 하는 것에 의해 뇌의 가소성(plasticity)을 높여 효율적인 재활 훈련이 가능하도록 한 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 생체 신호가 개인마다 차이가 있는 문제를 해결하기 위하여 센싱된 생체 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 자이로 센서와 가속도 센서를 구비하여 측정 상황을 판단할 수 있도록 한 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 비교하여 정확한 상태 분석이 가능하도록 한 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 비교기를 통한 정상 근육 신호와의 비교결과를 과거에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)해 알려주어 효율적인 재활 훈련이 가능하도록 한 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템은 측정 대상자의 근전도를 측정하기 위한 근전도 감지 모듈을 갖는 측정부;상기 측정부에서 측정된 근전도 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 측정 상황을 판단하고 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 비교하여 분석하는 판단부;상기 판단부에서 분석된 결과를 무선 전송받아 측정 대상자가 근지구력 재활 치료 과정에서 모니터링할 수 있도록 하는 알람부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 판단부는, 개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의해 많은 차이를 갖는 근전도 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하는 개인화 처리부와,자이로 센서와 가속도 센서를 구비하고 측정 상황에 따라 달라지는 근전도값의 변화에 따른 오류를 제거하기 위하여 측정 상황을 인지하는 상황 인지부와,정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 구하여 결과 분석에 사용하도록 하는 비교부와,상기 비교부를 통한 정상 근육 신호와의 비교 결과를 이전에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)하는 프로그램 조정 및 예측부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 상황 인지부는, 자이로 센서는 측정 대상자가 눕거나 앉고, 일어설 때 동작하여 상황을 자동으로 인지하고, 가속도 센서는 측정 대상자가 걷거나 뛰거나 가만히 서있을 때의 상황을 자동으로 인지하는 것을 특징으로 한다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 방법은 근전도 바이오피드백 시스템을 이용한 재활 치료를 위하여, 개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의한 차이를 보정하기 위하여 측정된 근전도 신호를 개인화하여 처리 및 저장하는 단계;측정 상황에 따라 달라지는 근전도 값의 변화에 따른 오류를 제거하기 위하여 측정 상황을 판단하는 단계;정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 구하는 단계;정상 근육 신호와의 비교 결과를 이전에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절하고, 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 근지구력 재활 치료를 위한 근전도값을 이용한 분석 결과를 스마트 폰이나 PC등으로 송신하여 모니터링 할 수 있도록 하여 측정자의 효율적인 건강 관리를 가능하게 한다.

둘째, 센싱된 바이오 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 자이로 센서와 가속도 센서를 구비하여 측정 상황을 판단할 수 있다.

셋째, 환자의 몸에서 나타나는 생체신호를 디지털화하여 근육의 움직임을 확인하면서 훈련을 하는 것에 의해 뇌의 가소성(plasticity)을 높여 효율적인 재활 훈련이 가능하다.

넷째, 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 비교하여 정확한 상태 분석이 가능하다.

다섯째, 정상 근육 신호와의 비교결과를 과거에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)해 알려주어 효율적인 재활 훈련이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리 수단(Potable EMG)의 상세 구성도
도 3은 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 구성 블록도
도 4는 본 발명에 따른 판단부의 상세 구성도
도 5는 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 동작 과정을 나타낸 플로우 차트

이하, 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리 수단(Potable EMG)의 상세 구성도이다.

본 발명은 환자의 몸에서 나타나는 생체신호를 디지털화하여 근육의 움직임을 확인하면서 훈련을 하는 것에 의해 뇌의 가소성(plasticity)을 높여 효율적인 재활 훈련이 가능하도록 한 것이다.

이를 위하여, 센싱된 생체 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 측정 상황을 판단하고, 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 비교하여 분석하는 특징을 갖는다.

본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템은 도 1에서와 같이 크게 측정 수단과, 측정된 근전도값을 분석하여 재활 치료에 사용할 수 있도록 하는 신호 처리 수단(Potable EMG)과, 신호 처리 수단에 의해 분석된 결과를 모니터링 하기 위한 모니터링 수단(Monitoring Analyzing System)으로 구성된다.

도 2는 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 신호 처리 수단의 일 예를 나타낸 것이다.

본 발명에서 제안하는 특징 중 하나는 판단부에서 개개인이 가지는 근전도 값을 저장하고, 이를 바탕으로 상황에 맞는 근지구력의 상태를 읽어내는 것이다.

근지구력은 상황에 따라 수시로 변화하는 생체 신호이기 때문에 이를 일괄적인 기준치로 판단해서는 안 된다.

예를 들어 다리의 근육에서 발생하는 근전도 신호는 앉아 있을 때와 서있을 때가 크게 다르며 서있을 때와 걸을 때의 차이도 극명하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 상황인지(Context Awareness)가 반드시 필요하다.

도 2는 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 상세 구성은 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 구성 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 판단부의 상세 구성도이다.

본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템은 도 3에서와 같이 근전도 감지 모듈을 갖는 측정부(30)와, 측정부(30)에서 측정된 신호를 처리하여, 센싱된 생체 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 측정 상황을 판단하고, 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 비교하여 분석하는 판단부(40)와, 판단부(40)에서 분석된 결과를 무선 전송받아 사용자 및 원격 의료 종사자가 모니터링할 수 있도록 하는 알람부(50)를 포함한다.

여기서, 판단부(40)는 도 4에서와 같이, 개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의해 많은 차이를 갖는 근지구력을 판단할 수 있는 EMG(근전도) 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하는 개인화 처리부(41)와, 자이로 센서와 가속도 센서를 구비하고 측정 상황에 따라 달라지는 근전도값의 변화에 따른 오류를 제거하기 위하여 측정 상황을 인지하는 상황 인지부(42)와, 인체의 대부분의 근육은 쌍(pair)로 이루어져 있는 것을 이용하여 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 구하여 결과 분석에 사용하도록 하는 비교부(43)와, 비교부(43)를 통한 정상 근육 신호와의 비교결과를 과거에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)하는 프로그램 조정 및 예측부(44)를 포함한다.

여기서, 상황 인지부(42)는 자이로 센서와 가속도 센서를 통해서 측정 상황을 인지하는 것으로, 자이로 센서는 측정 대상자가 눕거나 앉고, 일어설 때 동작하여 상황을 자동으로 인지하고, 가속도 센서는 측정 대상자가 걷거나 뛰거나 가만히 서있을 때의 상황을 자동으로 인지한다.

그리고 근지구력 재활 치료가 필요한 경우는 운동선수의 부상으로 인한 재활 치료, 골절로 인한 장기간 고정 붕대(plaster of paris) 시술 후 실시하는 재활 치료, 뇌경색이나 뇌졸중으로 인한 후유증으로 특정 부위의 장애가 발생할 때의 재활 치료 등이 있다.

인체의 대부분의 근육은 쌍(pair)로 이루어져 있는데, 재활 치료의 대부분은 한 쪽 팔, 손 또는 다리의 재활을 목적으로 한다.

이를 이용하여 비교부(43)에서는 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 알려주는 것이다.

그리고 프로그램 조정 및 예측부(44)는 재활 치료 과정을 시뮬레이션할 수 있도록 하는 것으로, 비교부(43)를 통한 정상 근육 신호와의 비교결과를 과거에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)하는 것이다.

그리고 본 발명의 알람부(50)는 휴대용으로 설계되어 근거리 무선통신을 통해 스마트폰이나 테블릿, PC등으로 알람을 보내주는 것으로, 사용자는 상시 측정이 가능하기 때문에 자신의 근전도의 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 하여 장치가 위치한 병원이나 측정 기구가 위치한 곳에 가서 확인해야만 하는 문제를 해결한다.

이와 같은 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템을 이용한 근지구력 재활 치료 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템의 동작 과정을 나타낸 플로우 차트이다.

먼저, 근전도 감지 모듈을 갖는 측정부(30)를 통하여 생체 신호(근전도)를 측정한다.(S501)

이어, 개인화 처리부(41)에서 개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의해 많은 차이를 갖는 근지구력을 판단할 수 있는 EMG(근전도) 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리 및 저장을 한다.(S502)

그리고 상황 인지부(42)의 자이로 센서와 가속도 센서를 이용하여 측정 상황에 따라 달라지는 근전도값의 변화에 따른 오류를 제거하기 위하여 측정 상황을 판단한다.(S503)

이어, 비교부(43)에서 인체의 대부분의 근육은 쌍(pair)로 이루어져 있는 것을 이용하여 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 구하여 결과 분석에 사용하도록 한다.(S504)

그리고 프로그램 조정 및 예측부(44)에서 비교부를 통한 정상 근육 신호와의 비교결과를 과거에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)하여 알람을 한다.(S505)

본 발명은 환자의 몸에서 나타나는 생체신호를 디지털화하여 근육의 움직임을 확인하면서 훈련을 하는 것에 의해 뇌의 가소성(plasticity)을 높여 효율적인 재활 훈련이 가능하도록 한 것으로, 이를 위하여 센싱된 생체 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 측정 상황을 판단하고, 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 EMG 신호의 차이를 비교하여 분석하는 것이다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

30. 측정부 40. 판단부
50. 알람부

Claims (4)

1. 근전도 바이오피드백 시스템에 있어서,
   측정 대상자의 근전도를 측정하기 위한 근전도 감지 모듈을 갖는 측정부;
   상기 측정부에서 측정된 근전도 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하고, 측정 상황을 판단하고 정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 비교하여 분석하는 판단부;
   상기 판단부에서 분석된 결과를 무선 전송받아 측정 대상자가 근지구력 재활 치료 과정에서 모니터링할 수 있도록 하는 알람부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 판단부는,
   개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의해 많은 차이를 갖는 근전도 신호를 측정 대상자 개인별로 개인화하여 처리하는 개인화 처리부와,
   자이로 센서와 가속도 센서를 구비하고 측정 상황에 따라 달라지는 근전도값의 변화에 따른 오류를 제거하기 위하여 측정 상황을 인지하는 상황 인지부와,
   정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 구하여 결과 분석에 사용하도록 하는 비교부와,
   상기 비교부를 통한 정상 근육 신호와의 비교 결과를 이전에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절(Management)해주고 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측(Predictions)하는 프로그램 조정 및 예측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 상황 인지부는,
   자이로 센서는 측정 대상자가 눕거나 앉고, 일어설 때 동작하여 상황을 자동으로 인지하고, 가속도 센서는 측정 대상자가 걷거나 뛰거나 가만히 서있을 때의 상황을 자동으로 인지하는 것을 특징으로 하는 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 시스템.
4. 근전도 바이오피드백 시스템을 이용한 재활 치료를 위하여,
   개개인이 가지는 근육량과 근육 수축력에 의한 차이를 보정하기 위하여 측정된 근전도 신호를 개인화하여 처리 및 저장하는 단계;
   측정 상황에 따라 달라지는 근전도 값의 변화에 따른 오류를 제거하기 위하여 측정 상황을 판단하는 단계;
   정상적인 근육과 손상된 근육에서 발생하는 근전도 신호의 차이를 구하는 단계;
   정상 근육 신호와의 비교 결과를 이전에 저장된 기록을 기반으로 분석해서 훈련의 강도를 조절하고, 정상 범위까지 걸리는 시간을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근지구력 재활 치료를 위한 근전도 바이오피드백 방법.
   

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