KR20150041830A - Integrated evaluating system for muscle fatigue and muscle force - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인체의 반복 운동 시, 근전도(EMG, electromyography) 신호분석을 통해 반복 부하 하중에 의한 인체 근육의 피로도와 근력을 동시에 평가할 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a system and method for evaluating muscle fatigue and muscle strength, and more particularly, to a system and method for evaluating muscular fatigue and muscle strength in a human body by repeatedly performing EMG (electromyography) To a system and method thereof that can be evaluated.
운동 기능을 평가하는 시스템과 관련해서는, 한국공개특허 10-2008-0008823호(이하, '선행문헌') 외에 다수 출원 및 공개되어 있다. Regarding the system for evaluating the exercise function, many applications and disclosures have been made in addition to Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0008823 (hereinafter referred to as "prior literature").
상기한 선행문헌은, 사용자가 기 설정된 만큼의 운동량에 따라 운동을 실시하도록 하는 운동기구; 상기 사용자가 상기 운동기구를 이용하여 운동하는 동안과 운동하기 전 후를 포함하는 지정된 시기에 심박수를 측정하는 심박수 측정 모듈; 상기 사용자가 상기 운동기구를 이용하여 운동하는 동안과 운동하기 전 후를 포함하는 지정된 시기에 상기 사용자의 혈압을 측정하기 위한 혈압 측정 모듈; 피실험자들의 정보와, 상기 피실험자들이 상기 운동기구로 운동을 실시하고, 상기 심박수 측정 모듈, 상기 혈압 측정 모듈을 이용하여 상기 피실험자들의 심박수와 혈압수치, 심폐지구력, 근력 중 적어도 하나를 포함하는 운동기능을 측정한 결과값을 서로 매치시켜 저장한 데이터 베이스; 및 상기 데이터 베이스를 포함하며, 상기 운동기구의 운동량을 제어하고, 상기 사용자의 상기 심박수 및 상기 혈압으로부터 상기 사용자의 운동기능을 계산하고, 상기 데이터 베이스 저장된 상기 실험군들의 운동기능과 비교하여 상기 사용자의 운동기능을 상대평가하는 메인 컴퓨터; 를 포함한다. The above-mentioned prior art document discloses a exercise device that allows a user to exercise according to a predetermined amount of exercise; A heart rate measuring module for measuring a heart rate at a designated time including the time during which the user exercises using the exercise device and before and after the exercise; A blood pressure measuring module for measuring the blood pressure of the user at a designated time including the time during which the user performs the exercise using the exercise device and before and after the exercise; A subject exercising exercise with the exercising device and performing at least one exercise function including at least one of heart rate, blood pressure value, cardiopulmonary endurance, and strength of the subject using the heart rate measuring module and the blood pressure measuring module A database in which measured values are matched and stored; And a control unit for controlling the motion of the user by comparing the exercise function of the user with the exercise function of the exercise groups stored in the database, controlling the exercise amount of the exercise apparatus, calculating the exercise function of the user from the heart rate and the blood pressure of the user, A main computer for relative evaluation of exercise functions; .
현재 인체 근육의 생리학적 평가방법에는 상기한 선행문헌을 포함한 방법과 같이, 작업자에게 주어지는 작업량에 따른 작업 부하를 심박수(heart rate), 산소 소모량(oxygen consumption), 근전도 등과 같은 생리적 반응을 측정하여 평가하는 방법이 있다. Currently, physiological evaluation methods of human muscles include measuring the physiological response such as heart rate, oxygen consumption, and EMG, etc. according to the amount of work given to the worker, There is a way.
심박수와 산소 소모량은 근육의 에너지 대사에 관여하기 때문에, 작업 중에 소비되는 에너지의 양을 추정할 수 있다. 이때, 심박수와 산소 소모량은 전신 작업을 평가하기에는 매우 유용하지만, 국소 근육(local muscle)의 부하를 평가하는 상황에는 적합하지 않기 때문에 이러한 경우에는 근전도를 이용하여 작업 부하를 평가한다. Because heart rate and oxygen consumption are involved in energy metabolism of muscles, the amount of energy consumed during work can be estimated. At this time, heart rate and oxygen consumption are very useful for evaluating the whole body work, but because it is not suitable for the situation of evaluating the load of the local muscle, the EMG is used to evaluate the workload.
근전도 신호는 시간 영역(time domain)과 주파수 영역(frequency domain)에서 분석될 수 있으며, 시간 영역에서는 근육의 사용 여부와 힘과 관련된 정보, 주파수 영역에서는 근육의 피로 정보를 제공한다. EMG signals can be analyzed in time domain and frequency domain. In the time domain, information on muscle use, force information, and frequency fatigue information are provided in the frequency domain.
시간 영역에서 근전도 분석을 위해 주로 사용되는 변수는 적분근전도(IEMG, integrated EMG)와 실효치(RMS, root mean square)이고, 시간 영역의 근전도 신호에 푸리에 변환(Fourier transfom)을 적용하면 주파수 영역의 신호로 변환할 수 있고, 이로부터 근전도 신호의 피로 정보를 추출할 수 있다. The main parameters used for EMG analysis in the time domain are the integrated EMG and the root mean square (RMS), and applying the Fourier transform (Fourier transform) to the EMG signal in the time domain, And the fatigue information of the EMG signal can be extracted therefrom.
피로의 평가 척도로 널리 사용되는 변수는 파워 중심 주파수(MPF, mean power frequency) 또는 중심 주파수(mean frequency)와 중앙 주파수(MDF, median frequency)이다. 하지만, 힘과 피로 정보를 모두 제공 할 수 있는 척도는 현재까지 전무한 상태이며, 또한 근 피로의 정량적 평가척도가 제시되지 않아 근 피로도 예측에 큰 어려움이 있다.The most commonly used variables to measure fatigue are mean power frequency (MPF) or mean frequency (MDF) and median frequency (MDF). However, the scale to provide both strength and fatigue information has not existed until now, and there is a great difficulty in estimating fatigue because the quantitative evaluation scale of fatigue is not presented.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 인체의 반복 운동 시, 근전도 신호분석을 통해 반복 부하 하중에 의한 인체 근육의 피로도와 근력을 동시에 평가하고, 이를 이용하여 평가 지표를 도출하도록 함에 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in view of the above problems, and it is an object of the present invention to simultaneously evaluate the fatigue and muscle strength of the human body muscles caused by repeated load application through the analysis of the EMG signal during repetitive motion of the human body, It has its purpose.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템에 관한 것으로서, 근육의 표면 근전도(Surface EMG) 신호를 측정하여 저장하는 측정부; 상기 근전도 측정부를 통해 측정된 근전도 신호의 면적을 바탕으로 각 사이클의 적분근전도 값, 각 사이클의 수행시간으로 나누어 정규화(normalization)된 평균 적분근전도 값 및 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 시간 영역 분석부; 상기 근전도 측정부를 통해 측정된 근전도 신호를 이용하여 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하고, 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하며, 계산된 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 주파수 영역 분석부; 및 상기 시간 영역 분석부 및 주파수 영역 분석부를 통해 각각 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율 및 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 바탕으로, 근 피로도 및 근력을 평가하고, 평가된 정보를 이용하여 평가 지표로서 도출하는 평가부; 를 포함한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a muscle fatigue and muscle integration evaluation system comprising: a measurement unit for measuring and storing a surface EMG signal of a muscle; A time domain analysis for calculating an average integrated electromyogram value normalized and an average integrated electromyogram value divided by the integrated electromyogram value of each cycle and the execution time of each cycle based on the area of the electromyogram signal measured by the electromyogram measuring unit part; A frequency domain analyzer for generating a frequency spectrum of each cycle by using the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit, calculating a center frequency value of the generated frequency spectrum, and calculating a reduction rate of the calculated center frequency value; And evaluating the muscle fatigue and strength based on the increase rate of the average integrated electromyogram value and the reduction rate of the center frequency value of the frequency spectrum calculated through the time domain analyzer and the frequency domain analyzer, An evaluation unit for deriving the evaluation value; .
또한 상기 시간 영역 분석부는, 상기 근전도 측정부를 통해 측정된 근전도 신호를 전파정류(full wave rectification)하는 정류모듈; 상기 정류모듈을 통해 정류된 신호의 면적을 계산하여, 각 사이클의 적분근전도 값을 계산하고, 각 사이클의 적분근전도 값을 각 사이클 수행시간으로 나누어 정규화하여 평균 적분근전도 값을 계산하는 근전도 계산모듈; 및 상기 근전도 계산모듈을 통해 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 증가율 계산모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.The time domain analyzer may further include: a rectifier module for performing full wave rectification of the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit; An EMG calculation module for calculating an integral EMG value of each cycle by calculating an area of a signal rectified through the rectification module, normalizing the integral EMG value of each cycle by dividing the integrated EMG value by each cycle execution time, and calculating an average integrated EMG value; And an increasing rate calculating module for calculating an increasing rate of an average integrated electromyogram calculated by the electromyography calculating module; And a control unit.
또한 상기 주파수 영역 분석부는, 상기 근전도 측정부를 통해 측정된 근전도 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform : FFT)을 수행하여, 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하는 변환모듈; 상기 변환모듈을 통해 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하는 중심 주파수값 계산모듈; 및 상기 중심 주파수값 계산모듈을 통해 계산된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 감소율 계산모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다. The frequency domain analyzer may further include a transform module for performing fast Fourier transform (FFT) on the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit to generate a frequency spectrum of each cycle; A center frequency value calculation module for calculating a center frequency value of the frequency spectrum generated through the conversion module; And a reduction rate calculation module for calculating a reduction rate of the center frequency value of the frequency spectrum calculated through the center frequency value calculation module; And a control unit.
또한 상기 평가부는, 근 피로도 평가에 있어, 부하 하중에 관계없이 평균 적분근전도 값이 일정한 값으로 수렴할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적된 것으로 평가하는 것을 특징으로 한다.The evaluating unit is characterized in that, in the evaluation of muscle fatigue, when the average integrated electromyogram value converges to a constant value regardless of the load load, it is evaluated that muscle fatigue due to repeated load is accumulated.
또한 상기 평가부는, 근 피로도 평가에 있어, 부하 하중에 관계없이 중심 주파수 값이 감소할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적된 것으로 평가하는 것을 특징으로 한다.The evaluating section is characterized in that, in the evaluation of muscle fatigue, when the center frequency value decreases regardless of the load load, it is evaluated that muscle fatigue due to the repeated load is accumulated.
그리고, 상기 평가부는, 근력 평가에 있어, 평균 적분근전도의 초기 값이 증가하며, 증가율이 감소할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 힘이 감소하는 근 피로도가 축적된 시점인 것으로 평가하는 것을 특징으로 한다.The evaluating unit is characterized in that, in the muscle strength evaluation, when the initial value of the mean integrated EMG is increased and the rate of increase is decreased, the evaluation unit evaluates that the muscle fatigue reducing the strength due to the repeated load is accumulated .
한편, 본 발명은 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법에 관한 것으로서, (a) 근전도 측정부가 근육의 표면 근전도 신호를 측정하는 과정; (b) 상기 근전도 측정부를 통해 측정된 근전도 신호의 면적을 바탕으로 각 사이클의 적분근전도 값, 각 사이클의 수행시간으로 나누어 정규화된 평균 적분근전도 값 및 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 과정; (c) 상기 근전도 측정부를 통해 측정된 근전도 신호를 이용하여 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하고, 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하며, 계산된 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 과정; 및 (d) 상기 시간 영역 분석부 및 주파수 영역 분석부를 통해 각각 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율 및 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 바탕으로, 근 피로도 및 근력을 평가하고, 평가된 정보를 이용하여 평가 지표로서 도출하는 과정; 을 포함한다.The present invention relates to a muscle fatigue and muscle integration evaluation method, and more particularly, to (a) a process of measuring a surface EMG signal of a muscle of an EMG measuring unit; (b) calculating an increase rate of an average integrated electromyogram value and an average integrated electromyography value normalized by dividing the integrated electromyogram value of each cycle, the execution time of each cycle, based on the area of the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit; (c) generating a frequency spectrum of each cycle by using the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit, calculating a center frequency value of the generated frequency spectrum, and calculating a reduction rate of the calculated center frequency value; And (d) evaluating muscle fatigue and muscle strength based on the rate of increase of the mean integrated EMG value and the frequency of the frequency spectrum calculated through the time domain analyzer and the frequency domain analyzer, As an evaluation index; .
또한 상기 (b) 과정은, (b-1) 상기 시간 영역 분석부가 상기 (a) 과정을 통해 측정된 근전도 신호를 전파정류하는 단계; (b-2) 상기 시간 영역 분석부가 (b-1) 단계를 통해 정류된 신호의 면적을 계산하여, 각 사이클의 적분근전도 값을 계산하는 단계; (b-3) 상기 시간 영역 분석부가 각 사이클의 적분근전도 값을 각 사이클 수행시간으로 나누어 정규화하여 평균 적분근전도 값을 계산하는 단계; 및 (b-4) 상기 시간 영역 분석부가 (b-3) 단계를 통해 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step (b) further includes: (b-1) full-wave rectifying the electromyogram signal measured by the time domain analyzing step (a); (b-2) calculating an integrated electromyogram value of each cycle by calculating an area of a signal rectified through the time domain analysis step (b-1); (b-3) calculating the average integrated EMG value by normalizing the integral EMG value of each cycle by dividing the integrated EMG value by each cycle execution time; And (b-4) calculating an increase rate of an average integrated EMG value calculated through the time domain analyzing step (b-3); And a control unit.
또한 상기 (c) 과정은, (c-1) 상기 주파수 영역 분석부가 (a) 과정을 통해 측정된 근전도 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여, 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하는 단계; (c-2) 상기 주파수 영역 분석부가 (c-1) 단계를 통해 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하는 단계; 및 (c-3) 상기 주파수 영역 분석부가 계산된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. The step (c) includes the steps of: (c-1) performing a fast Fourier transform on the electromyogram signal measured through the frequency domain analyzing step (a) to generate a frequency spectrum of each cycle; (c-2) calculating a center frequency value of the frequency spectrum generated through the frequency domain analyzing step (c-1); And (c-3) calculating a reduction rate of a center frequency value of the frequency spectrum in which the frequency domain analysis unit is calculated; And a control unit.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 근전도 신호분석을 통해 국소 근육의 피로도와 근력을 동시에 평가할 수 있으며, 나아가 피로수명 예측이 가능하여 피로 골절 및 인대 손상을 비롯한 인체상해를 예방할 수 있으며, 작업자의 근 피로도를 최소화 할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, the fatigue and muscle strength of the local muscles can be evaluated at the same time through the EMG signal analysis. Furthermore, fatigue life prediction can be performed to prevent human injury including fatigue fractures and ligament injuries, Can be minimized.
도 1 은 본 발명에 따른 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템을 개념적으로 도시한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법에 관한 전체 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근(bicep)의 근 피로도 축적에 따른 근전도 신호, 적분근전도 분석 결과 및 각 사이클 시간을 도시한 그래프.
도 4 는 본 발명에 따른 각 사이클의 동작수행 시간의 영향을 무시하기 위해 적분근전도 값을 정규화한 평균 적분근전도 분석 결과 값을 보이는 그래프.
도 5 는 본 발명에 따른 덤벨 컬 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근의 주파수 영역의 고속 푸리에 변환 분석 결과를 보이는 그래프.
도 6 은 본 발명에 따른 덤벨 컬 반복 부하 하중에 따른 상완 이두근의 중심 주파수 분석 결과를 보이는 일예시도로서, 반복 부하 하중에 따른 주파수 영역의 신호(도 5)로부터 근 피로의 평가 척도로 사용되는 중심 주파수를 보이는 그래프.
도 7 은 본 발명에 따른 덤벨 컬 반복 부하 하중으로 인한 상완 이두근의 근 피로도 및 근력 평가 통합 지표에 관한 일예시도. Brief Description of the Drawings Fig. 1 is an overall view conceptually showing an integrated muscle fatigue and muscle strength evaluation system according to the present invention. Fig.
2 is an overall flow diagram of an integrated muscle fatigue and muscle strength assessment method in accordance with the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the results of EMG signals, integral EMG analysis, and cycle times according to fatigue accumulation of the bicep of the upper arm caused by cyclic loading of the dumbbell curl according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing an average integrated EMG analysis result obtained by normalizing integral EMG values to neglect the influence of the operation time of each cycle according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the result of fast Fourier transform analysis of the biceps biceps frequency region according to the dumbbell curl cyclic loading load according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing an analysis result of the center frequency of biceps biceps according to the dumbbell curl cyclic load according to the present invention, and is used as an evaluation measure of muscle fatigue from the frequency domain signal (FIG. 5) Graph showing center frequency.
Fig. 7 is an example of an integrated index of muscular fatigue and strength evaluation of biceps brachiocephalic due to repeated load of dumbbell curl according to the present invention. Fig.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템 및 그 방법에 관하여 도 1 내지 도 7 을 참조하여 설명하면 다음과 같다. The system and method for evaluating muscle fatigue and muscle strength according to the present invention will now be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG.
도 1 은 본 발명에 따른 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 근전도 측정부(100), 시간 영역 분석부(200), 주파수 영역 분석부(300) 및 평가부(400)를 포함하여 이루어진다. FIG. 1 is an overall diagram conceptually showing an integrated muscle fatigue and muscle strength evaluation system S according to the present invention. As shown in FIG. 1, the EMG measuring
근전도 측정부(100)는 근육의 표면 근전도 신호를 측정하여 저장한다. 구체적으로, 근전도 측정부(100)는 근전도 센서 및 전극 등을 포함하는 장치로서, 피검자의 반복 부하 하중에 따른 근전도 신호의 변화를 측정할 수 있다.
The EMG measuring
시간 영역 분석부(200)는 근력 정보를 분석하기 위하여, 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호의 면적을 바탕으로 각 사이클의 적분근전도 값, 각 사이클의 수행시간으로 나누어 정규화된 평균 적분근전도 값 및 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 정류모듈(210), 근전도 계산모듈(220) 및 증가율 계산모듈(230)을 포함한다.In order to analyze muscle strength information, the
구체적으로, 정류모듈(210)은 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 전파정류한다. Specifically, the rectification module 210 performs full-wave rectification of the electromyogram signal measured through the
근전도 계산모듈(220)은 정류모듈(210)을 통해 정류된 신호의 면적을 계산하여, 각 사이클의 적분근전도 값을 계산하고, 각 사이클의 적분근전도 값을 각 사이클 수행시간으로 나누어 정규화하여 평균 적분근전도 값을 계산한다. The
증가율 계산모듈(230)은 근전도 계산모듈(220)을 통해 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산한다.
The increasing
주파수 영역 분석부(300)는 근육의 피로정보를 확인하기 위하여, 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 이용하여 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하고, 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하며, 계산된 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 변환모듈(310), 중심 주파수값 계산모듈(320) 및 감소율 계산모듈(330)을 포함한다. The frequency
구체적으로, 변환모듈(310)은 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여, 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성한다. Specifically, the conversion module 310 performs fast Fourier transform on the electromyogram signal measured through the
중심 주파수값 계산모듈(320)은 변환모듈(310)을 통해 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하여, 주파수 천이(Frequency Shift) 정도를 관찰한다. 이러한 주파수 천이 현상은 근 피로도 축적에 따라 저주파수 대역에서 진폭이 크게 증가하는 등으로 나타날 수 있다. The center frequency value calculation module 320 calculates the center frequency value of the frequency spectrum generated through the conversion module 310 and observes the frequency shift degree. This frequency transition phenomenon can be caused by a large amplitude increase in the low frequency band due to the accumulation of fatigue.
감소율 계산모듈(330)은 중심 주파수값 계산모듈(320)을 통해 계산된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 계산한다.
The reduction
평가부(400)는 시간 영역 분석부(200) 및 주파수 영역 분석부(300)를 통해 각각 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율 및 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 바탕으로, 근 피로도 및 근력을 평가하고, 평가된 정보를 이용하여 도 7 에 도시된 바와 같이 평가 지표로서 도출하며, 도출된 평가 지표를 통해, 근 피로도 및 근력을 확인할 수 있다. The
이때, 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따라, 평균 적분근전도값이 증가하고, 중심 주파수 값이 감소한다. At this time, as muscle fatigue due to cyclic loading is accumulated, the mean integral electromyogram value increases and the center frequency value decreases.
한편, 평가부(400)는 평균 적분근전도 값의 증가율의 차이를 통해 부하 하중의 크기를 예측할 수 있다.Meanwhile, the evaluating
구체적으로, 근 피로도 평가에 있어, 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도 축적 시, 부하 하중에 관계없이 평균 적분근전도 값이 일정한 값으로 수렴하게 되며, 부하 하중에 관계없이 중심 주파수 값이 일정하게 초기값의 40%가 감소하게 된다. 여기서, 초기 중심 주파수 값의 약 60%까지 감소하는 시점이, 근 피로도의 축적으로 인해 파워가 감소하기 시작하는 시점이다. 이는 근 피로도 축적으로 인해 힘(power)이 감소한다는 것을 의미한다. 또한, 근력 평가에 있어, 부하 하중에 따라 평균 적분근전도의 초기값이 증가하고, 증가율이 감소하게 된다. 즉, 평균 적분근전도의 초기값이 증가하며, 증가율이 감소할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 힘이 감소하는 근 피로도가 축적된 시점인 것으로 평가한다. Specifically, in the evaluation of muscle fatigue, the mean integral electromyogram converges to a constant value regardless of the load, when the muscle fatigue accumulates due to cyclic loading, and the center frequency value is constant regardless of the load load. 40% decrease. Here, the time point at which the initial center frequency value decreases to about 60% is the point at which the power begins to decrease due to accumulation of muscle fatigue. This means that power is reduced due to fatigue accumulation. Also, in the evaluation of muscle strength, the initial value of the mean integral electromyogram increases according to the load load, and the rate of increase decreases. That is, the initial value of the mean integral EMG increases, and when the rate of increase decreases, it is estimated that the muscle fatigue, which is caused by the decrease in the force due to the repeated load, is accumulated.
그리고, 평가부(400)는 평가 정보 및 지표 등에 관하여 실시간으로 시청각적으로 출력하고, 알람을 발생시킬 수 있다.
Then, the
이하에서는, 상술한 시스템을 이용한 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법에 관하여 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the method of evaluating muscle fatigue and muscle strength integrated using the system will be described with reference to FIG.
도 2 는 본 발명에 따른 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 근전도 측정부(100)는 근육의 표면 근전도 신호를 측정하여 저장한다(S10). FIG. 2 is an overall flowchart of an integrated muscle fatigue and muscle strength evaluation method according to the present invention. As shown in FIG. 2, the
시간 영역 분석부(200)의 정류모듈(210)은 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 전파정류하며(S20), 근전도 계산모듈(220)은 정류모듈(210)을 통해 정류된 신호의 면적을 계산하여, 각 사이클의 적분근전도 값을 계산하고(S30), 각 사이클의 적분근전도값을 각 사이클 수행시간으로 나누어 정규화하여 평균 적분근전도 값을 계산한다(S40). The rectification module 210 of the time
이후, 시간 영역 분석부(200)의 증가율 계산모듈(230)은 근전도 계산모듈(220)을 통해 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산한다(S50). Then, the increase
한편, 주파수 영역 분석부(300)의 변환모듈(310)은 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여, 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성한다(S60).Meanwhile, the transform module 310 of the
이후, 중심 주파수값 계산모듈(320)은 변환모듈(310)을 통해 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하여(S70), 주파수 천이 정도를 관찰한다. Then, the center frequency value calculation module 320 calculates the center frequency value of the frequency spectrum generated through the conversion module 310 (S70), and observes the frequency transition degree.
또한, 감소율 계산모듈(330)은 중심 주파수값 계산모듈(320)을 통해 계산된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 계산한다(S80). In addition, the reduction
여기서, 시간 영역 분석부(200)를 통한 제S20 단계 내지 제S50 단계는, 주파수 영역 분석부(300)를 통한 제S60 단계 내지 제S80 단계와 동시에 수행되는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.It is to be understood that steps S20 through S50 through the time
뒤이어, 평가부(400)는 시간 영역 분석부(200) 및 주파수 영역 분석부(300)를 통해 각각 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율 및 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 바탕으로, 근 피로도 및 근력을 평가하며(S90), 평가된 정보를 이용하여 평가 지표로서 도출한다(S100).
Based on the rate of increase of the average integrated electromyogram value and the rate of decrease of the center frequency value of the frequency spectrum calculated through the
본 발명에 의하면, 근육의 피로는 근육의 파워 감소를 야기하기 때문에 주어진 반복동작에 대해서 제시된 속도를 더 이상 따라가지 못하는 시점을 근 피로도 축적의 판단기준으로 하였다. According to the present invention, since fatigue of a muscle causes a decrease in power of the muscle, a time point at which a given speed can not be followed for a given repetitive motion is determined as a criterion of muscle fatigue accumulation.
피험자는 20%, 35%, 50%, 75% 최대 수의 수축(MVC, Maximum voluntary contraction) 부하조건에 대하여 3sec/cycle의 속도로 덤벨 컬동작을 수행하였으며, 이때의 상완 이두근(biceps brachii)의 근전도 신호를 기록하였다. The subject performed a dumbbell curl operation at a rate of 3 sec / cycle for 20%, 35%, 50%, and 75% MVC (Maximum voluntary contraction) loading conditions. At this time, the biceps brachii EMG signals were recorded.
기록된 근전도 신호는 각 사이클에 대해 시간영역에서 적분근전도 값을 구하고, 주파수 영역에서 푸리에 변환하여 중심 주파수 값을 계산하였다. 상기한 단계에서 계산된 적분근전도 값들은 동작수행시간의 영향을 무시하기 위해 각 동작수행시간으로 나누어 주어 정규화된 평균 적분근전도 값을 얻었다.The recorded electromyogram signal is obtained by finding the integral EMG value in the time domain for each cycle and calculating the center frequency value by Fourier transform in the frequency domain. In order to ignore the influence of the operation time, the integrated EMG values calculated in the above step were divided by the respective operation execution times to obtain a normalized mean integral EMG value.
또한, 도 3 은 본 발명에 따른 덤벨 컬 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근의 근 피로도 축적에 따른 근전도 신호, 적분근전도 분석 결과 및 각 사이클 시간을 도시한 그래프로서, 도 3 의 (a) 는 반복 부하 하중(20% MVC)으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따른 변화를 보여주고 있는, 상완 이두근의 근전도 신호이다.FIG. 3 is a graph showing the results of EMG signals, integral EMG analysis, and respective cycle times according to fatigue accumulation of the biceps brachium according to the dumbbell curl cyclic load according to the present invention. FIG. 3 (a) This is the EMG signal of the biceps biceps, showing the change as muscle fatigue due to load (20% MVC) accumulates.
덤벨의 무게가 증가함에 따라, 상완 이두근의 근전도 신호의 진폭(Amplitude)이 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 진폭의 증가는 더 큰 부하 하중에 대해 더 많은 근육이 사용되면서 근섬유의 활동전위가 증가하였기 때문이다. As the weight of the dumbbell increases, the amplitudes of the EMG signals of the biceps brachii increases. This increase in amplitude is due to the increased activity of muscle fibers as more muscle is used for larger load loads.
또한, 반복동작에 따른 근 피로도가 축적됨에 따라 근전도 신호의 진폭이 점점 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 근육이 피로해지면서 근섬유의 수축 능력이 감소함에 따라 운동단위의 동시화(synchronization)와 점증(recruitment)의 결과이다.Also, it can be confirmed that the amplitude of the EMG signal gradually increases as the muscle fatigue due to the repetitive motion accumulates. This is the result of synchronization and recruitment of the exercise units as the muscles become tired and the contraction capacity of the muscle fibers decreases.
도 3 의 (b) 는 도 3 의 (a) 의 근전도 신호로부터 부하 하중의 반복횟수에 따른 상완 이두근의 사용 여부와 근육이 발휘하는 힘을 추정하기 위해 추출된 신호의 면적을 계산한 적분근전도(IEMG) 값 이다. FIG. 3 (b) is a graph showing the relationship between the use of biceps according to the repetition frequency of the load and the integral EMG calculated from the area of the extracted signal to estimate the force exerted by the muscles from the EMG signal of FIG. IEMG).
이러한 적분근전도 값은 각 운동 주기(cycle)의 총 운동량을 나타낸다. 이 그래프를 통해 부하 하중이 증가함에 따라 근섬유 활동전위의 증가로 적분근전도 값이 증가함을 확인할 수 있는데, 이러한 결과는 도 3 의 (a) 에서 확인한 결과와 일치함을 알 수 있다. This integrated EMG value represents the total momentum of each exercise cycle. It can be seen from this graph that as the load load increases, the integrated EMG value increases due to an increase in the muscle fiber activity potential. This result is consistent with the result shown in FIG. 3 (a).
또한, 반복 부하하중으로 인해 근 피로도가 축적됨에 따라 적분근전도 값이 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 적분근전도 값의 증가는 도 3 의 (a) 의 근전도 변화에서도 확인하였듯이 근 피로도가 축적됨에 따라 운동단위의 동시화와 점증의 결과로 인해 근전도의 진폭이 증가하기 때문이다. In addition, it can be seen that the integrated EMG value increases as the muscle fatigue accumulates due to the cyclic loading. Such an increase in the integrated EMG value results from the fact that as the muscle fatigue accumulates as shown in FIG. 3 (a) This is because the amplitude of the EMG increases due to the synchronization and increment of units.
한편, 도 3 의 (c) 는 각 사이클의 동작수행시간(cycle time)을 보여주고 있다. 이 그래프에서 보여주듯이 약 70번째 사이클 이후로는 제시된 동작수행시간을 지키지 못하였음을 확인할 수 있다. Meanwhile, FIG. 3 (c) shows the cycle time of each cycle. As shown in the graph, it can be confirmed that the proposed operation time was not maintained after about the 70th cycle.
이러한 수축속도(shortening velocity)의 감소는 근 피로도 축적에 따른 근육의 파워가 감소하였기 때문이다. 따라서, 이 피험자의 경우, 20% MVC 부하하중에 대해 피로수명(Nf,20%)은 70사이클로 보여진다. 다른 부하 하중(35%, 50%, 75% MVC) 조건에서도 비슷한 적분근전도의 경향성이 확인되었으며, 각 부하하중 조건에 대해서 22사이클, 10사이클, 6사이클의 피로수명을 가졌다. This decrease in shortening velocity is due to the decrease in muscular power with muscle fat accumulation. Therefore, for this subject, the fatigue life (N f, 20% ) is shown to be 70 cycles for a 20% MVC load. Similar tendency of the integrated EMG was confirmed under different load (35%, 50%, 75% MVC) conditions and the fatigue life was 22 cycles, 10 cycles, and 6 cycles for each load load condition.
한편, 75% MVC의 경우에는, 첫 사이클부터 제시된 동작수행시간(3sec)을 초과하였는데, 이는 75% MVC 조건이 이 피험자에게 과부하 조건이었기 때문이다.
On the other hand, in the case of the 75% MVC, the motion execution time (3 sec) shown from the first cycle was exceeded because the 75% MVC condition was the overload condition for the subject.
도 4 는 본 발명에 따른 각 사이클의 동작수행 시간의 영향을 무시하기 위해 적분근전도(IEMG) 값을 정규화한 평균 적분근전도(Mean IEMG) 분석 결과 값을 보여주고 있다. FIG. 4 shows mean IEMG analysis results obtained by normalizing the integral electromyogram (IEMG) value to neglect the influence of the operation execution time of each cycle according to the present invention.
도 4 를 통해 확인할 수 있듯이, 각 사이클 시간의 영향을 무시하였음에도 근 피로도가 축적됨에 따라 평균 적분근전도 값이 증가함을 확인할 수 있었으며, 부하 하중이 증가함에 따라 초기 값이 증가하고 평균 적분근전도의 증가율은 감소함을 확인할 수 있었다. 또한, 75% MVC 하중조건을 제외하고는, 근 피로도가 축적된 마지막 값은 모든 부하 하중에 대해서 비슷한 값을 가지는 것이 확인되었다. 따라서, 근 피로도가 축적되었을 때 부하 하중 조건에 관계없이 동일한 평균 적분근전도 값을 가진다고 할 수 있었다.
As can be seen from FIG. 4, although the influence of each cycle time was neglected, it was confirmed that the mean integral EMG value increased as the muscle fatigue accumulates. As the load load increased, the initial value increased and the increase in the mean integral EMG Was decreased. Also, except for the 75% MVC load condition, it was confirmed that the final value of fatigue accumulation had similar values for all load loads. Therefore, it can be said that when the muscle fatigue is accumulated, the same mean integrated EMG value is obtained regardless of the load load condition.
한편, 도 5 는 본 발명에 따른 덤벨 컬 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근 의 주파수 영역의 고속 푸리에 변환 분석 결과를 보이는 그래프로서, 근육의 피로정보를 얻기 위해 근전도 신호를 푸리에 변환한 결과가 도시되어 있다. Meanwhile, FIG. 5 is a graph showing the results of fast Fourier transform analysis in the frequency domain of the biceps brachium by the dumbbell curl cyclic loading load according to the present invention, and shows a result of Fourier transform of the EMG signal to obtain muscle fatigue information .
부하 하중이 증가할수록 파워 스펙트럼의 진폭이 증가하고, 근 피로도가 증가함에 따라 진폭이 증가하는 결과가 시간 영역에서의 분석결과와 동일한 것을 확인하였다. 특히, 근 피로도가 축적되었을 때 저주파수 대역(15~45 Hz)에서 진폭이 크게 증가하는 것으로 보이는데, 이러한 주파수 천이현상은 활동전위(action potential) 의 전도속도(propagation velocity)와 연관이 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 이러한 활동전위 전도속도의 감소는 근 피로로 인한 대사물질의 축적과 관련이 있다.
It was confirmed that the amplitude of the power spectrum increases as the load load increases and the amplitude increases as the muscle fatigue increases. In particular, when the muscle fatigue accumulates, the amplitude increases significantly in the low frequency band (15 to 45 Hz), and this frequency transition phenomenon is known to be related to the propagation velocity of the action potential . In addition, this decrease in the action potential transfer rate is related to accumulation of metabolites due to muscle fatigue.
도 6 은 본 발명에 따른 덤벨 컬 반복 부하 하중에 따른 상완 이두근의 중심 주파수(Mean frequency) 분석 결과를 보이는 일예시도로서, 반복 부하 하중에 따른 주파수 영역의 신호(도 5)로부터 근 피로의 평가 척도로 사용되는 중심 주파수를 나타내고 있다. FIG. 6 is a graph showing the results of analysis of the mean frequency of the biceps brachypis according to the dumbbell curl cyclic load according to the present invention. From the frequency domain signal (FIG. 5) It represents the center frequency used as a measure.
도 6 에 따르면, 근 피로도가 축적됨에 따라 중심 주파수가 감소하였으며, 모든 부하하중 조건에 있어서 초기 값의 약 40%가 감소하였음을 확인할 수 있었다. 따라서, 근 피로도가 축적되는 시점은 부하 하중에 관계없이 중심 주파수가 40% 감소된 시점으로 볼 수 있다.
According to FIG. 6, as the fatigue accumulates, the center frequency decreases and it is confirmed that about 40% of the initial value is reduced in all the load load conditions. Therefore, the point at which muscle fatigue accumulates can be seen when the center frequency is reduced by 40% regardless of load load.
본 발명은 근 피로도 축적에 따른 평균 적분근전도(Mean IEMG)와 중심 주파수의 경향성을 통해 인체 근육의 피로도와 근력을 동시에 평가할 수 있다. The present invention can simultaneously evaluate fatigue and muscle strength of human body muscles through mean integrated EMG (mean IEMG) and central frequency tendency according to the accumulation of muscle fatigue.
상기 도 7 에 도시된 것과 같이, 근 피로도가 축적됨에 따라 근 피로도 지표는 피로 포인트(fatigue point)로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 초기 중심주파수 값의 60%으로 감소하는 지점에서 발생한다. As shown in FIG. 7, as the muscle fatigue accumulates, it is confirmed that the fatigue index converges to a fatigue point and occurs at a point where the fatigue index decreases to 60% of the initial center frequency value.
한편, 평균 적분근전도(Mean IEMG)의 증가율의 차이를 통해 부하 하중의 크기를 예측할 수 있다. 따라서, 이러한 변수들은 근 피로도와 근력을 동시에 평가할 수 있는 통합 지표로서 적용이 가능하다. 이러한 근 피로도 및 근력 평가를 위한 통합지표는 모든 피험자들에게도 유효함을 확인하였다.
On the other hand, the magnitude of the load load can be predicted by the difference in the rate of increase of the mean integral EMG (Mean IEMG). Therefore, these parameters can be applied as an integrated index that can simultaneously evaluate muscle fatigue and muscle strength. It was confirmed that this integrated index for muscle fatigue and muscle strength evaluation was valid for all subjects.
이하에서는, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, the following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited thereby.
[실시예 1][Example 1]
만 26세 남성 1명을 덤벨컬 동작 시 반복 부하 하중에 따른 대상자의 상완 이두근의 활성화 정도인 근전도 신호를 측정하였으며 20%, 35%, 50%, 75% MVC 부하하중 조건에 대하여 측정하였다. 근전도를 측정할 때 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.One 26 - year - old man measured the EMG signal, which is the activation level of the biceps biceps according to the cyclic load during dumbbell curl operation, and measured 20%, 35%, 50% and 75% MVC load conditions. When measuring the EMG, the distance between the electrodes was set to 2 cm in the direction of the muscle fiber, and the ground electrode was placed outside or inside.
전극의 부착위치는 근육 수축에 따른 근복의 위치변화에 따라서 전극이 탈착될 수도 있기 때문에 근육이 최대 수축되었을 시 촉진되는 이두근 근복의 아래 1/3지점에 장착되었으며 피부의 오물을 제거하기 위해 전극을 부착하기 전 반드시 알코올 솜으로 소독 하였다.The electrodes were attached to the lower one third of the biceps femoris muscle, which was accelerated when the muscles were contracted, because the electrode could be detached depending on the position of the muscle due to muscle contraction. To remove dirt from the skin, It was sterilized with alcohol cotton before attachment.
근전도 센서는 근전도 모듈에 연결하여 사용하였으며, 샘플링 주파수 1500Hz, 저역 통과 필터(low pass filter) 500Hz, 고역 통과 필터(high pass filter) 10Hz로 1개 채널의 근전도 신호를 수집하였다. The EMG sensor was connected to the EMG module, and one channel EMG signal was collected at a sampling frequency of 1500 Hz, a low pass filter of 500 Hz, and a high pass filter of 10 Hz.
피검자는 어깨 넓이로 다리를 벌리고 기립 자세를 유지한 채로 우측 팔만으로 덤벨컬 동작을 수행하였다. 각 부하 하중마다 덤벨을 일정한 속도로 들다가 피검자가 더 이상 제시된 동작수행시간(3초)을 지키지 못하는 시점까지의 근전도 신호를 측정하였다.The subject performed the dumbbell curl operation with only the right arm while keeping the standing posture with the leg open at the shoulder width. The dumbbell was lifted at a constant speed for each load, and the EMG signal was measured until the time when the subject could no longer observe the proposed action time (3 seconds).
상기와 같이 측정된 근전도 신호를 저장한 후, 저장된 신호로부터 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 적분근전도와 고속 푸리에 변환을 통해 신호 처리 및 분석을 하였다. After storing the measured EMG signals, signal processing and analysis were performed through the integrated EMF and fast Fourier transforms in the time domain and the frequency domain, respectively, from the stored signals.
반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따라, 평균 적분근전도(Mean IEMG)가 증가하고, 중심 주파수가 감소하였음을 확인하였으며, 초기 중심 주파수의 약 60%까지 감소하였을 때 근 피로도 축적으로 인해 파워가 감소하기 시작하는 것을 확인하였다.
As the muscle fatigue due to cyclic loading increased, mean IEMG increased and the center frequency decreased. When the initial center frequency decreased to about 60% of the initial center frequency, And it began to decrease.
[실시예 2][Example 2]
만 26세 남성 1명을 사이드 레터럴(side lateral) 동작 시 반복 부하 하중에 따른 대상자의 삼각근(deltoid)의 활성화 정도인 근전도 신호를 측정하였으며 10%, 30%, 50%, 70% MVC 부하하중 조건에 대하여 측정하였다.A 26-year-old male was measured for electromyogram signaling, which is the activation of the deltoid of the subject according to the cyclic load during side lateral operation, and the 10%, 30%, 50%, and 70% MVC load Conditions.
근전도를 측정할 때의 전극은 노락손 듀얼 전극(미국 노락손사 제품(Noraxon, USA)를 이용하였으며, 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.Electromyography was performed using a Noraxon dual electrode (Noraxon, USA). The distance between the electrodes was 2 cm in the direction of the myofiber, and the ground electrode was placed on the outside or inside.
근전도를 측정할 때 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.When measuring the EMG, the distance between the electrodes was set to 2 cm in the direction of the muscle fiber, and the ground electrode was placed outside or inside.
전극의 부착위치는 근육 수축에 따른 근복의 위치변화에 따라서 전극이 탈착될 수도 있기 때문에 근육이 최대 수축되었을 시 촉진되는 삼각근 근복의 아래 1/3지점에 장착되었으며 피부의 오물을 제거하기 위해 전극을 부착하기 전 반드시 알코올 솜으로 소독 하였다.Since the electrode may be detached according to the change of the position of the muscle due to the muscle contraction, the attachment position of the electrode is mounted at the lower third of the triceps muscle facilitated when the muscle is contracted to the maximum. In order to remove the dirt from the skin, It was sterilized with alcohol cotton before attachment.
근전도 센서는 근전도 모듈에 연결하여 사용하였으며, 샘플링 주파수 1500Hz, 저역 통과 필터 500Hz, 고역 통과 필터 10Hz로 1개 채널의 근전도 신호를 수집하였다. The EMG sensor was connected to the EMG module and the EMG signals of one channel were collected at a sampling frequency of 1500 Hz, a low pass filter of 500 Hz, and a high pass filter of 10 Hz.
피검자는 어깨 넓이로 다리를 벌리고 기립 자세를 유지한 채로 우측 팔만으로 사이드 레터럴(side lateral) 동작을 수행하였다. 각 부하 하중마다 덤벨을 일정한 속도로 들다가 피검자가 더 이상 제시된 동작수행시간(5초)을 지키지 못하는 시점까지의 근전도 신호를 측정하였다.The subject performed a lateral lateral movement with only his right arm while keeping his legs wide open and standing posture. The dumbbell was lifted at a constant speed for each load, and the EMG signal was measured until the point at which the subject could no longer observe the proposed action time (5 seconds).
상기와 같이 측정된 근전도 신호를 저장한 후, 저장된 신호로부터 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 적분근전도와 고속 푸리에 변환을 통해 신호 처리 및 분석을 하였다.After storing the measured EMG signals, signal processing and analysis were performed through the integrated EMF and fast Fourier transforms in the time domain and the frequency domain, respectively, from the stored signals.
반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따라, 평균 적분근전도(mean IEMG)가 증가하고, 중심 주파수가 감소하였음을 확인하였으며, 초기 중심 주파수의 약 60%까지 감소하였을 때 근 피로도 축적으로 인해 파워가 감소하기 시작하는 것을 확인하였다.
As the muscle fatigue due to cyclic loading increased, mean IEMG increased and center frequency decreased, and when the initial center frequency decreased to about 60% of the initial center frequency, And it began to decrease.
[실시예 3][Example 3]
만 25세 남성 1명을 펠빅 림브(pelvic limb) 동작 시 반복 부하 하중에 따른 대상자의 대퇴직근(rectus femoris)의 활성화 정도인 근전도 신호를 측정하였으며 20%, 40%, 60%, 80% MVC 부하하중 조건에 대하여 측정하였다.One 25-year-old male measured the EMG signal, which is the activation level of the rectus femoris, in response to repetitive load during pelvic limb operation. The EMG signal was measured at 20%, 40%, 60%, and 80% MVC load The load conditions were measured.
근전도를 측정할 때 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.When measuring the EMG, the distance between the electrodes was set to 2 cm in the direction of the muscle fiber, and the ground electrode was placed outside or inside.
전극의 부착위치는 근육 수축에 따른 근복의 위치변화에 따라서 전극이 탈착될 수도 있기 때문에 근육이 최대 수축되었을 시 촉진되는 대퇴직근근복의 아래 1/3지점에 장착되었으며 피부의 오물을 제거하기 위해 전극을 부착하기 전 반드시 알코올 솜으로 소독 하였다.Since the electrode may be detached depending on the position of the muscle due to the contraction of the muscle due to the contraction of the muscle, the electrode is mounted at the lower third of the muscle of the femoral rectus, which is promoted when the muscle is contracted to the maximum. Was sterilized with alcohol.
근전도 센서는 근전도 모듈에 연결하여 사용하였으며, 주파수 1500Hz, 저역 통과 필터 500Hz, 고역 통과 필터 10Hz로 1개 채널의 근전도 신호를 수집하였다. The EMG sensor was connected to the EMG module, and EMG signals of one channel were collected at 1500 Hz frequency, 500 Hz low pass filter, and 10 Hz high pass filter.
각 부하 하중마다 덤벨을 일정한 속도로 들다가 피검자가 더 이상 제시된 동작수행시간(4초)을 지키지 못하는 시점까지의 근전도 신호를 측정하였다.The dumbbell was lifted at a constant speed for each load, and the EMG signal was measured until the time when the subject could no longer observe the prescribed action time (4 seconds).
상기와 같이 측정된 근전도 신호를 저장한 후, 저장된 신호로부터 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 적분근전도와 고속 푸리에 변환을 통해 신호 처리 및 분석을 하였다.After storing the measured EMG signals, signal processing and analysis were performed through the integrated EMF and fast Fourier transforms in the time domain and the frequency domain, respectively, from the stored signals.
반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따라, 평균 적분근전도(Mean IEMG)가 증가하고, 중심 주파수가 감소하였음을 확인하였으며, 초기 중심 주파수의 약 60%까지 감소하였을 때 근 피로도 축적으로 인해 파워가 감소하기 시작하는 것을 확인하였다.
As the muscle fatigue due to cyclic loading increased, mean IEMG increased and the center frequency decreased. When the initial center frequency decreased to about 60% of the initial center frequency, And it began to decrease.
지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템 및 그 방법은, 기존에는 전무했던 근 피로도와 근력의 정도를 동시에 평가할 수 있으며 통합 평가 지표를 제시함으로써, 피로 골절 및 인대 손상을 비롯한 인체 상해를 예방하고 작업효율을 증대시킬 수 있으며, 측정된 근전도 신호 및 평과 결과 등을 저장함으로써 근 피로도 및 근력을 평가하기 위한 데이터베이스를 구축할 수 있는 특징적인 장점을 갖는다.
As described above, the system and method for evaluating muscle fatigue and muscle strength according to the present invention can simultaneously evaluate the degree of muscle fatigue and muscle strength that have not existed before, and by presenting an integrated evaluation index, the fatigue fracture and ligament injury And can increase the work efficiency and has a characteristic advantage that a database for evaluating muscle fatigue and muscle strength can be constructed by storing measured EMG signals and evaluation results.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be appreciated by those skilled in the art that numerous changes and modifications may be made without departing from the invention. Accordingly, all such appropriate modifications and changes, and equivalents thereof, should be regarded as within the scope of the present invention.
S: 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템
100: 근전도 측정부 200: 시간 영역 분석부
300: 주파수 영역 분석부 400: 평가부
210: 정류모듈 220: 근전도 계산모듈 230: 증가율 계산모듈 310: 변환모듈 320: 중심 주파수값 계산모듈 330: 감소율 계산모듈
S: Integrated fatigue and muscle strength assessment system
100: EMG measurement unit 200: Time domain analysis unit
300: frequency domain analyzing unit 400:
210: rectification module 220: electromyography calculation module 230: increase rate calculation module 310: conversion module 320: center frequency value calculation module 330: reduction rate calculation module
Claims (9)
상기 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호의 면적을 바탕으로 각 사이클의 적분근전도(Integrated EMG: IEMG) 값, 각 사이클의 수행시간으로 나누어 정규화(normalization)된 평균 적분근전도(Mean IEMG) 값 및 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 시간 영역 분석부(200);
상기 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 이용하여 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하고, 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하며, 계산된 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 주파수 영역 분석부(300); 및
상기 시간 영역 분석부(200) 및 주파수 영역 분석부(300)를 통해 각각 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율 및 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 바탕으로, 근 피로도 및 근력을 평가하고, 평가된 정보를 이용하여 평가 지표로서 도출하는 평가부(400); 를 포함하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템.
A measuring unit 100 for measuring and storing a surface EMG signal of a muscle;
(Mean IEMG) normalized by dividing the total EMG (Integrated EMG) value of each cycle and the execution time of each cycle based on the area of the EMG signal measured by the EMG measuring unit 100, A time domain analyzer 200 for calculating a value and an increasing rate of an average integrated electromyogram value;
A frequency spectrum analyzing unit for generating a frequency spectrum of each cycle by using the electromyogram signal measured by the electromyography measuring unit 100, calculating a center frequency value of the generated frequency spectrum, and calculating a reduction rate of the calculated center frequency value (300); And
The muscle fatigue and muscle strength are evaluated based on the increase rate of the average integrated electromyogram value and the reduction rate of the center frequency value of the frequency spectrum calculated through the time domain analyzer 200 and the frequency domain analyzer 300, An evaluation unit (400) for deriving the information as an evaluation index using information; An integrated muscle fatigue and muscle strength assessment system.
상기 시간 영역 분석부(200)는,
상기 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호(raw signal)를 전파정류(full wave rectification)하는 정류모듈(210);
상기 정류모듈(210)을 통해 정류된 신호의 면적을 계산하여, 각 사이클의 적분근전도 값을 계산하고, 각 사이클의 적분근전도 값을 각 사이클 수행시간으로 나누어 정규화하여 평균 적분근전도 값을 계산하는 근전도 계산모듈(220); 및
상기 근전도 계산모듈(220)을 통해 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 증가율 계산모듈(230); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템.
The method according to claim 1,
The time domain analyzer 200 may include:
A rectifying module 210 for performing full wave rectification of an EMG signal measured through the EMG measuring unit 100;
An area of a signal rectified through the rectifier module 210 is calculated to calculate an integral electromyogram value of each cycle, an integral electromyogram value of each cycle is divided by each cycle execution time, and an average electromyography value Calculation module 220; And
An increasing rate calculating module 230 for calculating an increasing rate of the average integrated electromyogram calculated through the electromyography calculating module 220; And an integrated muscle fatigue and muscle strength evaluation system.
상기 주파수 영역 분석부(300)는,
상기 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform : FFT)을 수행하여, 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하는 변환모듈(310);
상기 변환모듈(310)을 통해 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수값을 계산하는 중심 주파수값 계산모듈(320); 및
상기 중심 주파수값 계산모듈(320)을 통해 계산된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 감소율 계산모듈(330); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템.
The method according to claim 1,
The frequency domain analyzer (300)
A transform module 310 for performing fast Fourier transform (FFT) on the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit 100 to generate a frequency spectrum of each cycle;
A center frequency value calculation module 320 for calculating a center frequency value of a frequency spectrum generated through the conversion module 310; And
A reduction rate calculation module 330 for calculating a reduction rate of the center frequency value of the frequency spectrum calculated through the center frequency value calculation module 320; And an integrated muscle fatigue and muscle strength evaluation system.
상기 평가부(400)는,
근 피로도 평가에 있어, 부하 하중에 관계없이 평균 적분근전도 값이 일정한 값으로 수렴할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적된 것으로 평가하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템.
The method according to claim 1,
The evaluation unit (400)
Wherein the muscle fatigue evaluation system evaluates that the muscle fatigue due to the repeated load is accumulated when the mean integral electromyogram value converges to a constant value regardless of the load load.
상기 평가부(400)는,
근 피로도 평가에 있어, 부하 하중에 관계없이 중심 주파수 값이 감소할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적된 것으로 평가하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템.
The method according to claim 1 or 4,
The evaluation unit (400)
The evaluation system of muscle fatigue and muscle strength evaluation system according to claim 1, wherein the evaluation of muscle fatigue is based on accumulation of muscle fatigue due to repeated load when the center frequency value decreases regardless of the load.
상기 평가부(400)는,
근력 평가에 있어, 평균 적분근전도의 초기 값이 증가하며, 증가율이 감소할 경우, 반복 부하 하중으로 인한 힘이 감소하는 근 피로도가 축적된 시점인 것으로 평가하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 시스템.
The method according to claim 1,
The evaluation unit (400)
The muscle fatigue evaluation method according to claim 1, wherein, in the evaluation of muscle strength, the initial value of the mean integral electromyogram is increased, and when the increase rate is decreased, evaluation is made that the muscle fatigue, system.
(b) 상기 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호의 면적을 바탕으로 각 사이클의 적분근전도 값, 각 사이클의 수행시간으로 나누어 정규화된 평균 적분근전도 및 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 과정;
(c) 상기 근전도 측정부(100)를 통해 측정된 근전도 신호를 이용하여 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하고, 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하며, 계산된 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 과정; 및
(d) 상기 시간 영역 분석부(200) 및 주파수 영역 분석부(300)를 통해 각각 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율 및 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 바탕으로, 근 피로도 및 근력을 평가하고, 평가된 정보를 이용하여 평가 지표로서 도출하는 과정; 을 포함하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법.
(a) a process in which the EMG measuring unit 100 measures a surface EMG signal of a muscle;
(b) calculating an increase rate of an average integrated electromyogram and an average integrated electromyography value normalized by dividing the integrated electromyogram value of each cycle and the execution time of each cycle based on the area of the electromyogram signal measured through the electromyogram measuring unit 100 process;
(c) generating a frequency spectrum of each cycle by using the electromyogram signal measured by the electromyography measuring unit 100, calculating a center frequency value of the generated frequency spectrum, and calculating a reduction rate of the calculated center frequency value process; And
(d) The muscle fatigue and muscle strength are evaluated based on the rate of increase of the average integrated electromyogram value and the reduction rate of the center frequency value of the frequency spectrum calculated through the time domain analyzer 200 and the frequency domain analyzer 300, respectively , And deriving the information as an evaluation index using the evaluated information; ≪ / RTI >
상기 (b) 과정은,
(b-1) 상기 시간 영역 분석부(200)가 상기 (a) 과정을 통해 측정된 근전도 신호를 전파정류하는 단계;
(b-2) 상기 시간 영역 분석부(200)가 (b-1) 단계를 통해 정류된 신호의 면적을 계산하여, 각 사이클의 적분근전도 값을 계산하는 단계;
(b-3) 상기 시간 영역 분석부(200)가 각 사이클의 적분근전도 값을 각 사이클 수행시간으로 나누어 정규화하여 평균 적분근전도 값을 계산하는 단계; 및
(b-4) 상기 시간 영역 분석부(200)가 (b-3) 단계를 통해 계산된 평균 적분근전도 값의 증가율을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법.
8. The method of claim 7,
The step (b)
(b-1) full-wave rectifying the electromyogram signal measured in the step (a) by the time domain analyzer 200;
(b-2) calculating the integral EMG value of each cycle by calculating the area of the signal rectified through the step (b-1);
(b-3) calculating the average integrated EMG value by normalizing the integral EMG value of each cycle by dividing the integrated EMG value by each cycle execution time; And
(b-4) calculating the rate of increase in the average integrated electromyogram calculated in the step (b-3) by the time domain analyzer 200; And an integrated muscle strength evaluation method.
상기 (c) 과정은,
(c-1) 상기 주파수 영역 분석부(300)가 (a) 과정을 통해 측정된 근전도 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여, 각 사이클의 주파수 스펙트럼을 생성하는 단계;
(c-2) 상기 주파수 영역 분석부(300)가 (c-1) 단계를 통해 생성된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값을 계산하는 단계; 및
(c-3) 상기 주파수 영역 분석부(300)가 계산된 주파수 스펙트럼의 중심 주파수 값의 감소율을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 근 피로도 및 근력 통합 평가 방법.
8. The method of claim 7,
The step (c)
(c-1) generating a frequency spectrum of each cycle by performing fast Fourier transform on the electromyogram signal measured through the frequency domain analyzing unit 300;
(c-2) calculating the center frequency value of the frequency spectrum generated in step (c-1) by the frequency domain analyzer 300; And
(c-3) calculating the reduction rate of the center frequency value of the calculated frequency spectrum by the frequency domain analyzer 300; And an integrated muscle strength evaluation method.
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