KR20180036379A

KR20180036379A - 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR20180036379A
Application number: KR1020160126918A
Authority: KR
Inventors: 김동욱; 곽기영; 김희균
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-09

Abstract

본 발명은 하지에 착용하여 하지 근육을 활성화시키기 위한 국소적인 진동 자극을 가함으로써, 하지 근육의 위축과 퇴화를 방지하고 하지 근육의 기능을 보조하며, 근기능을 향상시키기 위한 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전원을 인가받아 작동되고, 진동의 주파수, 자극 강도와 자극 방식을 설정하는 진동 자극 설정부(10)와; 상기 진동 자극 설정부(10)를 통해 설정된 진동의 주파수, 자극 강도와 자극 방식을 표시하는 디스플레이부(20)와; 진동 자극을 제공받기 위한 하지 분절의 움직임을 감지하기 위한 센서부(30)와; 상기 센서부(30)로부터 신호를 입력받아 처리하며, 하지 분절의 움직임 상태를 검출, 하지 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 인가할 진동자극 신호를 생성하는 제어부(40)와; 상기 제어부(40)의 제어를 받아 센서부(30)로부터 감지된 하지 분절의 움직임 상태 신호를 외부로 송신하고, 통신 설정 및 펌웨어 업데이트를 위한 신호를 수신할 수 있는 통신부(50)와; 상기 제어부(40)로부터 전달받은 진동자극 신호에 대응하여 하지 근육에 진동 자극을 가하는 가진부(60);로 이루어진다.

Description

하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법{LOWER LIMB WEARABLE PORTABLE LOCAL VIBRATORY STIMULATION DEVICE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 하지(下肢) 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하지에 착용하여 하지 근육을 활성화시키기 위한 국소적인 진동 자극을 가함으로써, 하지 근육의 위축과 퇴화를 방지하고 하지 근육의 기능을 보조하고, 근기능을 향상시키기 위한 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법에 관한 것이다.

신체 근육에서 다리 근육 즉, 하지근(下肢筋)은 하지를 구성하는 근육으로 체중을 유지하고 하지의 움직임을 가능하며, 부위에 따라 둔부·허벅지(대퇴)·종아리·장딴지 근육(하퇴) 및 족근으로 나눌 수 있다.

이와 같이 하지를 구성하는 근육에서 둔부의 근육은 주로 고관절의 신전과 외측 회전에 관여하고, 허벅지(대퇴) 근육은 엉덩관절과 무릎관절의 운동에 관여하며, 장딴지 근육(하퇴)은 주로 발목과 발가락 운동에 관여하고, 족근은 발등과 발바닥 운동에 관여하는 등 하지를 구성하는 각각의 근육들이 각기 다른 역할을 수행하게 된다.

이러한 하지 근육의 기능을 향상시키기 위한 훈련 프로그램에 접목하여, 하지 근육 기능의 향상을 더 빠르게 하고 그 효과를 더욱 증대시키며, 고령화 및 질환으로 인해 위축·퇴화·마비된 근육의 재활과 근육 기능을 보조하기 위한 목적으로 여러 자극 방법들이 제시되고 있다.

이를 위해 지금까지는 훈련 및 재활에 제3자가 참여하여 자신의 물리적 힘을 직간접적으로 행사하거나, 제3자의 직·간접적인 통제 또는 자신이 직접 통제하여 전기를 자극을 가하는 방법이 있다.

이외에도 진동을 자극으로 가하는 방법이 있는데, 예를 들어 진동 자극 장치와 같이 기계적으로 진동을 발생하는 장치를 이용하여 재활 및 운동 기구에 진동을 가함으로써 재활 및 훈련자에게 간접적으로 진동을 전달하는 방법, 제3자 또는 사용자가 직접 통제하여 진동을 직접 가하는 방법, 전신에 진동을 직접 전달하는 부피가 큰 전신진동장치를 이용한 방법 등이 있다.

그러나 이와 같은 지금까지의 물리적인 힘을 이용하거나, 전기 자극을 가하는 방법은 제3자의 개입을 필요로 한다거나 가하는 자극의 특성으로 인해 원치 않는 통증·화상·쇼크 등의 부작용이 유발될 수 있다는 단점이 있었다.

또 진동을 통한 자극 또는 전신진동장치를 이용한 자극은 진동을 발생하는 장치를 설치하기 위한 넓은 공간이 필요하고, 자극이 필요한 국소 부위에 대한 자극이 아닌 신체 전체에 자극을 가하게 되며, 신체가 감당할 수 있는 범위를 초과하는 진동이 전달되어 원치 않는 부작용이 유발될 수 있다는 단점이 있다.

또한 이러한 종래의 방식은 물리적인 힘을 이용하거나 전기적인 자극을 가하는 것 외에 제3자 또는 사용자가 직접 통제하여야 하므로 효율성 측면에서도 불편함이 있었다.

대한민국 등록특허공보 10-0787040호(2007. 12. 12. 등록)

이에 본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 주된 목적은 하지에 착용하여 하지 근육을 활성화시키기 위한 국소적인 진동 자극을 가함으로써, 하지 근육의 위축과 퇴화를 방지하고 근육의 기능을 보조하고, 근기능을 향상시키기 위한 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적으로는 하지에 착용하여 하지 근육을 활성화시키기 위한 국소적인 진동 자극을 가함으로써, 하지 근육의 위축과 퇴화를 방지하고 하지 근육의 기능을 보조하고, 근기능을 향상시키기 위한 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 크기가 작은 휴대용으로 형성함으로써, 간단한 조작만으로 타인의 도움 없이 사용자가 스스로 사용할 수 있도록 한 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법을 제공하는 데 있다.

마지막으로 본 발명은 하지 근육의 국소에 착용하여 간단한 스위치 조작을 통해 국소적인 진동자극을 근육이나 힘줄 부위에 가함으로써 넓은 설치 공간이 필요하지 않으며, 통증·화상·쇼크 등의 원치 않는 부작용이 유발될 위험성을 줄일 수 있도록 한 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 해결하기 위해 본 발명의 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치는

전원을 인가받아 작동되고, 진동의 주파수, 자극 강도와 자극 방식의 진동 자극 조건을 설정하는 진동 자극 설정부와;

상기 진동 자극 설정부를 통해 설정된 진동 주파수, 자극 강도와 자극 방식을 표시하는 디스플레이부와;

진동 자극을 제공받기 위한 하지 분절의 움직임을 감지하기 위한 센서부와;

상기 센서부로부터 신호를 입력받아 처리하며, 하지 분절의 움직임 상태를 검출하고, 근육이나 힘줄 부위와 같은 국소 부위에 인가할 진동자극 신호를 생성하는 제어부와;

상기 제어부로부터 제어를 받아 움직임 상태 신호를 송신하고 통신 설정 및 펌웨어 업데이트를 위한 신호를 수신할 수 있는 통신부와;

상기 제어부로부터 전달받은 진동자극 신호에 대응하여 하지 근육이나 힘줄에 진동 자극을 가하는 가진부;로 이루어진다.

이때 상기 전원으로는 휴대가 간편하도록 건전지 또는 충전식 배터리를 사용할 수도 있으며, 때에 따라 전기 사용도 가능하며, 진동 자극 설정부는 소형의 스위치로 구성된다. 또 상기 디스플레이부는 LED 또는 LCD로 구성할 수 있다.

상기 센서부는 하지 분절의 움직임을 감지하기 위해 고니어미터(Goniometer)·자이로스코프(Gyroscope)·가속도계(Accelerometer)·지자기계·관성 측정 유닛(Inertial Measurement Unit)를 포함한다.

상기 통신부는 센서부로부터 감지된 하지 분절의 움직임 상태 신호 송신 및 펌웨어 업데이트와 통신 설정을 위해 ISP(International Standardized Profile)와 블루투스(Bluetooth) 또는 근거리 무선통신의 지그비(ZigBee)·NFC·비콘·WPAN로 구성할 수 있다.

상기 제어부는 검출 및 특정된 하지 분절의 움직임 상태와 사용자가 조작하여 설정한 조건에 따라 하지 근육의 위축·퇴화·마비 방지 및 기능을 보조하기 위한 진동 주파수, 자극 강도와 자극 방식 신호와 같은 진동 자극 신호를 생성하게 된다.

상기 제어부는 Micro Controller Unit(MCU)을 포함하며, 센서부로부터 전달된 하지 분절의 움직임에 따른 신호를 처리하기 위해 밴드패스 필터(band-pass filter)를 포함할 수 있다.

또 하지 분절의 움직임에 따른 신호로부터 하지 분절의 움직임 상태를 검출하고 추정하기 위해 상보 필터·칼만 필터(Kalman Filter), 확장 칼만 필터를 포함하며 상기 필터들을 통과한 신호를 이용하여 하지 분절의 움직임 상태를 검출 및 특정하는 알고리즘을 포함할 수 있다.

또 상기 제어부는 사용자가 설정한 진동 조건을 디스플레이부에 표시할 수 있으며, 통신부를 제어하여 하지 분절의 움직임 상태 신호를 외부로 송신할 수 있다.

상기 가진부는 리니어 액추에이터 또는 피에조 액추에이터로 이루어져 전선을 통해 진동 자극 장치에 연결되며, 하지 근육 부위나 힘줄 부위와 같은 국소 부위에 장착되어 제어부에서 생성된 진동 자극 신호에 의해 진동을 발생하여 하지 근육에 진동 자극을 가할 수 있다.

또 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치의 자극 방법은,

전원을 인가하여 전원이 공급되면 진동 자극 설정부를 이용하여 사용자가 원하는 진동 주파수, 진동 강도 및 자극 방식을 설정하는 진동 자극 조건 설정 단계;

상기 진동 자극 설정부를 통해 진동 자극 조건이 설정되면, 센서부를 통해 하지 분절의 움직임을 감지하는 분절 움직임 감지 단계;

상기 센서부를 통해 분절의 움직임을 감지하면, 제어부를 통해 센서부에서의 움직임에 따른 신호를 입력받아 하지 분절의 움직임 상태를 검출하는 분절 움직임 검출 단계;

상기 분절 움직임 검출 단계를 통해 하지 분절의 움직임 상태가 검출되면, 진동 자극 설정부를 통해 사용자가 설정한 자극 조건에 대응하는 자극 신호를 생성하는 진동 자극 신호 생성 단계;

상기 진동 자극 신호 생성 단계를 통해 자극 신호가 생성되면, 제어부로부터 신호를 전달받아 가진부를 통해 하지 근육이나 힘줄의 국소 부위에 진동 자극을 가하는 진동 자극 단계;를 포함한다.

이상과 같은 본 발명을 적용하면 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 하지에 착용하여 근육을 활성화시키기 위한 국소적인 진동 자극을 가함으로써, 하지 근육의 위축과 퇴화를 방지하고 사지 근육의 기능을 보조하며, 근기능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

둘째, 휴대가 가능하도록 작은 크기로 형성함에 따라 간단한 조작만으로 타인의 도움 없이 사용자가 스스로 사용할 수 있는 장점이 있다.

셋째, 하지 근육의 국소에 착용하여 간단한 스위치 조작을 통해 국소적인 진동자극을 근육이나 힘줄 부위에 가함으로써 넓은 설치 공간이 필요하지 않으며, 통증·화상·쇼크 등의 원치 않는 부작용이 유발될 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.

넷째, 하지 근육의 위축과 퇴화를 방지하고 수행하는 움직임을 검출하여 근육의 기능을 보조하고 근기능을 향상시킬 수 있는 효과와 더불어 사전·사후에 수행하는 운동 및 재활 훈련의 시간과 자극 강도, 이에 따른 비용을 경감시킬 수 있는 장점이 있다.

다섯째, 하지 분절의 걷기·달리기·뛰기·앉기·서기·오르내리기 움직임의 속도와 힘 발현에 큰 도움을 줄 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 방법을 보인 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치의 작동을 보인 순서도.

본 발명의 바람직한 실시례를 첨부한 도면에 따라 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치는 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이, 진동 자극 설정부(10)·디스플레이부(20)·센서부(30)·제어부(40)·통신부(50) 및 가진부(60)로 이루어져 하지 분절의 국소 부위에 장착된다.

상기와 같은 구성으로 되는 진동 자극 장치(1)에서 먼저 진동 자극 설정부(10)는 진동의 주파수, 자극 강도와 자극 방식과 같은 진동 자극 조건을 설정하며, 전원을 인가받아 작동된다.

상기 진동 자극 설정부(10)를 통해 설정된 진동 주파수, 자극 강도와 자극 방식은 디스플레이부(20)를 통해 표시되며, 디스플레이부(20)는 LED 또는 LCD로 이루어진다.

상기 센서부(30)는 진동 자극을 제공받기 위하여 하지 분절의 움직임을 감지하기 위한 것으로, 고니어미터·자이로스코프·가속도계·지자기계·관성측정유닛을 포함하거나 이것을 통합한 센서로 구성될 수 있으며, 하지 분절의 움직임에 따른 신호를 제어부(40)로 전달한다.

상기 제어부(40)는 센서부(30)에서 감지된 하지 분절의 움직임 신호를 입력받아 하지 분절의 움직임 상태를 검출 및 특정된 하지 분절의 움직임 상태와 진동 자극 설정부(10)를 통해 사용자가 조작하여 설정한 조건에 따라 하지 근육의 위축·퇴화·마비 방지 및 기능을 보조할 수 있도록 하지의 근육이나 힘줄 부위와 같은 국소 부위에 인가할 진동 주파수, 자극 강도와 자극 방식과 같은 진동 자극 신호를 생성하기 위한 것으로 MCU(Micro Controller Unit)로 구성되며, 제어부(40)는 센서부(30)로부터 전달받은 하지 분절의 움직임에 따른 신호에서의 잡음을 제거하기 위해 밴드패스 필터(band-pass filter)를 포함한다.

또한 상기 제어부(40)는 잡음이 제거된 신호로부터 하지 분절의 움직임 상태를 검출하고 추정하기 위하여 상보 필터·칼만 필터, 확장 칼만필터 등을 포함하며, 상기 필터들을 통과한 신호를 이용하여 하지 분절의 움직임 상태를 검출 및 특정하기 위한 알고리즘을 포함한다.

또 상기 제어부(40)는 진동 자극 설정부(10)를 통해 사용자가 설정한 진동 자극 조건을 디스플레이부(20)에 표시하며, 설정된 진동 자극 조건에 맞는 신호를 생성하여 가진부(60)에 전달한다.

또한 통신부(50)를 제어하여 통신부(50)가 분절의 움직임 상태 신호를 외부로 송신할 수 있도록 한다.

상기 통신부(50)는 제어부(40)의 제어를 받아 센서부(30)로부터 감지된 하지 분절의 움직임 상태 신호를 외부로 송신하고, ISP(International Standardized Profile)와 블루투스(Bluetooth) 또는 근거리 무선통신의 지그비(ZigBee)·NFC·비콘·WPAN의 통신 설정을 위한 신호 및 MCU의 펌웨어 업데이트를 위한 신호를 수신한다.

상기 가진부(60)는 제어부(40)로부터 전달받은 진동 자극 신호에 따라 하지 근육이나 힘줄에 진동 자극을 가하기 위한 것으로 소형의 리니어 액추에이터 또는 피에조 액추에이터로 이루어지며, 하지 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 장착되어 제어부에서 생성된 진동 자극 신호에 따라 진동을 발생하여 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 진동 자극을 인가한다.

또 본 발명에 따른 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 방법은 도 2에 도시된 바와 같이,

전원을 인가하여 전원이 공급되면 진동 자극 설정부(10)를 이용하여 사용자가 원하는 진동 주파수, 자극 강도와 자극 방식을 설정하는 진동 자극 조건 설정 단계(S1);

상기 작동으로 진동 자극 설정부(10)를 통한 진동 자극 조건이 설정되면, 센서부(30)를 통해 하지 분절의 움직임을 감지하는 하지 분절 움직임 감지 단계(S2);

상기 작동으로 센서부(30)를 통해 하지 분절의 움직임이 감지되면, 제어부(40)를 통해 센서부(30)에서의 하지 분절의 움직임에 따른 신호를 입력받아 하지 분절의 움직임 상태를 검출하는 하지 분절 움직임 검출 단계(S3);

상기 작동으로 하지 분절의 움직임 상태가 검출되면, 진동 자극 설정부(10)를 통해 사용자가 설정한 자극 조건에 대응하는 자극 신호를 생성하는 진동 자극 신호 생성 단계(S4);

상기 작동으로 진동 자극 신호가 생성되면, 제어부(40)로부터 신호를 전달받아 가진부(60)를 통해 하지 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 진동 자극을 가하는 진동 자극 단계(S5);로 이루어진다.

이와 같은 구성의 본 발명에 따른 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치 및 자극 방법에 의하면,

사용자가 원하는 진동 주파수, 진동 강도 및 자극 방식에 따라 진동 자극 설정부(10)를 이용하여 진동 자극 조건을 설정토록 한다.

이어 상기 작동으로 진동 자극 설정부(10)를 통한 진동 자극 조건이 설정되면, 고니어미터·자이로스코프·가속도계·지자기계·관성측정유닛을 포함하거나 이것을 통합한 센서로 구성되는 센서부(30)를 통해 분절의 움직임을 감지토록 하며, 이때 감지된 하지 분절의 움직임에 따른 신호를 통신부(50)를 통해 제어부(40)로 전달토록 한다.

상기 작동으로 센서부(30)에서 감지된 하지 분절 움직임에 따른 신호가 제어부(40)로 전달되면, 제어부(40)에서는 하지 분절의 움직임 상태를 검출한다.

이때 제어부(40)를 구성하는 밴드패스 필터(band-pass filter)가 센서부(30)로부터 전달받은 하지 분절의 움직임에 따른 신호에서의 잡음을 제거하고, 상보 필터·칼만 필터, 확장 칼만필터가 잡음이 제거된 신호로부터 하지 분절의 움직임 상태를 검출하고 추정한다.

상기 작동으로 제어부(40)에서 하지 분절의 움직임 상태가 검출되면, 진동 자극 설정부(10)를 통해 사용자가 설정한 진동 자극 조건을 디스플레이부(20)에 표시하고, 그 디스플레이부(20)에 표시된 진동 자극 조건에 따라 근육이나 힘줄 부위와 같은 국소 부위에 인가할 진동 주파수, 진동 강도 및 자극 방식 신호와 같은 진동 자극 신호를 생성토록 한다.

상기 작동으로 진동 자극 신호가 생성되면, 생성된 진동 자극 신호는 제어부(40)를 통해 태퇴·하퇴·발등·발날 등 하지에 형성되는 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 장착되는 가진부(60)로 전달되고, 가진부(60)는 제어부(40)로부터 전달받은 신호에 따라 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 진동 자극을 인가하며, 사용자가 진동 자극을 종료하는지 여부를 결정하여 작동을 계속하는 경우 센서부(30)를 통한 하지 분절의 움직임을 감지하는 하지 분절 움직임 감지 단계부터 절차를 반복한다.

한편 하지에서 진동에 반응하는 체성감각 수용체(體性感覺受容體)는 40Hz이상의 진동을 느끼며, 100Hz~300Hz 범위의 진동에 예민하게 반응하는 것으로 알려져 있다. 100Hz~300Hz 범위에서 가장 민감하게 반응하는 진동 주파수를 찾기 위해, 100Hz~300Hz 범위에서의 진동지각역치를 측정하였다.

그 결과 160Hz~250Hz 범위의 진동 주파수에서 민감하였으며, 가장 민감한 진동주파수는 190Hz였다. 그 외의 진동 주파수는 진동을 느끼기 시작하는 강도가 더 높았으며, 표준편차가 큰 것으로 나타났다.

참고로 역치(threshold value)는 생물이 외부환경의 변화, 즉 자극에 대해 어떤 반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 자극의 세기를 뜻한다.

주파수	100	120	140	160	180	190	200	210	220	240	250	260	280	300
진동 지각 역치	1.066	1.114	1.062	1.018	1.007	1.006	1.014	1.015	1.016	1.030	1.059	1.073	1.112	1.134
표준 편차	0.023	0.081	0.038	0.011	0.002	0.002	0.007	0.005	0.005	0.017	0.058	0.041	0.070	0.080

따라서 160Hz~250Hz의 진동 주파수가 적은 전력으로 근육 기능 향상을 위한 체성감각 수용체의 반응을 유도하는 데 용이하다고 할 수 있다.

또한 표준편차가 작기 때문에 체성감각 수용체의 반응 유도 실패의 위험이 낮으며, 진동 지각 역치 이하 강도의 진동을 확실하게 유입시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고 고주파수인 250Hz에서 진동 지각 역치가 급격히 높아졌으며, 주파수가 높아질수록 진동지각역치 또한 높아졌다. 따라서 고주파수의 진동을 고려해야할 필요가 있으며, 고주파수 중 가장 민감하고 진동지각역치가 급격히 높아진 250Hz를 고려함이 바람직하다.

이러한 결과를 토대로 근육 기능 향상을 위한 국소 진동 자극의 진동 주파수를 160Hz~250Hz로 설정하였다.

또 국소에 가해지는 진동 자극 강도를 진동 자극 조건에 따른 체성감각유발전위(SEP)의 진폭 변화를 통해 살펴보면 아래와 같다.

전경골건과 아킬레스건을 통해 유입한 진동 자극 조건에 따른 체성감각유발전위(SEPs)가 P260 component(진동 자극이 유입된 시점으로부터 약200~350m/sec 사이) Cz 채널에서의 진폭 변화를 보게 되면, 표2와 같다.

* : p<0.05. Non-Stimulation versus Stimulation (70~100%).

전경골건에 진동 자극을 유입하였을 때, 180Hz 주파수의 경우 85~100% 강도에서 무자극의 진폭보다 유의미하게 증가하였고, 190Hz 주파수의 경우 85, 90, 100% 강도에서 무자극의 진폭보다 유의미하게 증가하였다.

아킬레스건에 진동 자극을 유입하였을 때, 180Hz 주파수의 경우 80~100% 강도에서 무자극의 진폭보다 유의미하게 증가하였고, 190Hz 주파수의 경우 80~100% 강도에서 무자극의 진폭보다 유의미하게 증가하였다.

즉 진동 조건(진동 강도·진동 주파수)에 따른 자극을 전경골건과 아킬레스건에 유입하였을 때, SEPs - P260 component (200~350ms의 Positive peak)의 진폭이 무자극(none)의 진폭보다 지각 역치 강도(100%)에 가까워질수록 증가하는 경향을 보였다.

이는 진동 자극이 체성감각 수용기를 자극하여 유발전위를 발생시킴을 의미한다. 또한 피험자가 진동을 느끼지 못하는 지각 역치하 강도 80% 이상의 진동 자극을 유입한 경우에도 무자극보다 체성감각유발전위의 진폭이 유의미하게 증가하였다. 이는 지각 역치하 강도의 자극이 유발전위를 발생시켜 인체에 진동의 효과를 줄 수 있음을 의미한다.

즉 아킬레스건 및 전경골건을 국소 진동으로 자극할 시, 체성감각유발전위의 P260 컴포넌트의 진폭 증가가 진동지각역치강도의 70% 수준의 강도에서부터 나타났으며, 통계적으로 유의미한 진폭 증가를 보이는 강도는 80% 강도부터 인 것으로 나타났다. 이를 통해 진동지각역치 이하의 국소 진동도 인체에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있으며, 지각역치 이상의 진동 또한 영향을 미칠 수 있음을 유추할 수 있다. 따라서 이러한 결과를 토대로 근육 기능 향상을 위한 국소 진동 자극의 진동의 강도는 진동지각역치의 75%~110%로 설정한다.

상기와 같은 진동 주파수와 진동 강도의 진동 자극 조건에 따른 국소 진동 자극 효과를 살펴보면 아래와 같다.

먼저 전경골건을 자극했을 때 진동 자극 유·무에 다른 근력의 변화를 살펴본다.

진동 주파수 180Hz에서 전경골건에 지각 역치(100%), 역치하(80%) 자극을 유입하였을 때의 근력 증가율을 보면,

180Hz에서 가자미근은 역치 7.1%, 역치하 9.1%이고, 외측비복근은 역치 12%, 역치하 9.9%이며, 내측비복근은 역치 12.2%, 역치하 11.1%이고, 전경골건은 역치 13.2%, 역치하 8.9%이다.

즉 진동 조건(진동 강도·진동 주파수)에 따른 역치 자극을 전경골건에 유입하였을 때, 무자극에 비해 하지 근력이 유의미하게 증가하였다. 피험자가 진동을 느끼지 못하는 지각 역치하 강도 80% 의 진동 자극을 유입한 경우에도 무자극 보다 하지 근력이 유의미하게 증가하였다.

지각 역치, 역치하 강도의 진동 자극에 따른 근력 증가율이 다르게 나타났으며 유의미한 차이는 없었다. 이는 지각 역치하 강도의 자극이 근력증가에 효과가 있음을 의미하며, 190Hz, 250Hz 진동 주파수에서도 같은 결과가 나타났다.

이 결과를 통해 전경골건을 통해 하지 근육에 지각 역치하 강도의 진동 자극을 유입하는 것은 근력증가에 영향을 미치며, 하지의 움직임(걷기·달리기·뛰기·앉기·서기·오르내리기 등)에 도움을 줄 수 있다.

또 아킬레스건을 자극했을 때 진동 자극 유·무에 다른 근력의 변화를 살펴본다. 진동 주파수 180Hz 에서 아킬레스건에 지각 역치(100%), 역치하(80%) 자극을 유입하였을 때의 근력 증가율을 보면,

180Hz에서 가자미근은 역치 16%, 역치하 6.6%이고, 외측비복근은 역치 15.4%, 역치하 13.1%이며, 내측비복근은 역치 16.3%, 역치하 10.4%이고, 전경골건은 역치 14.3%, 역치하 20.2%이다.

즉 진동 조건(진동 강도·진동 주파수)에 따른 역치 자극을 아킬레스건에 유입하였을 때, 무자극에 비해 하지 근력이 유의미하게 증가하였다. 피험자가 진동을 느끼지 못하는 지각 역치하 강도 80% 의 진동 자극을 유입한 경우에도 무자극 보다 하지 근력이 유의미하게 증가하였다.

이 결과를 통해 아킬레스건을 통해 하지 근육에 지각 역치하 강도의 진동 자극을 유입하는 것은 근력 증가에 영향을 미치며, 하지의 움직임(걷기·달리기·뛰기·앉기·서기·오르내리기 등)에 도움을 줄 수 있다.

이어 전경골건을 자극했을 때 진동 자극 유·무에 다른 근반응시간의 변화를 살펴본다.

즉 진동 조건(진동 강도·진동 주파수)에 따른 역치 자극을 전경골건에 유입하였을 때, 무자극에 비해 하지 근 반응시간이 감소하였으며 유의미한 차이를 보였다. 피험자가 진동을 느끼지 못하는 지각 역치하 강도 80% 의 진동 자극을 유입한 경우에도 무자극보다 하지의 근 반응시간이 유의미하게 감소하였다.

지각 역치, 역치하 강도의 진동 자극에 따른 근 반응시간이 다르게 나타났으며, 유의미한 차이는 없었다. 이는 지각 역치하 강도의 자극이 근 반응시간 감소에 효과가 있음을 의미하며, 190Hz, 250Hz 진동 주파수에서도 같은 결과가 나타났다.

이 결과를 통해 전경골건을 통해 하지 근육에 지각 역치하 강도의 진동 자극을 유입하는 것은 근 반응시간 감소에 영향을 미쳐 감각기관-중추신경-근육 기관의 루트를 통한 정보의 전달 및 처리 소요시간이 감소할 것으로 유추할 수 있다.

또 아킬레스건을 자극했을 때 진동 자극 유·무에 다른 근반응시간의 변화를 살펴본다.

즉 진동 조건(진동 강도·진동 주파수)에 따른 역치 자극을 아킬레스건에 유입하였을 때, 무자극에 비해 하지 근 반응시간이 감소하였으며 유의미한 차이를 보였다. 피험자가 진동을 느끼지 못하는 지각 역치하 강도 80% 의 진동 자극을 유입한 경우에도 무자극보다 하지의 근 반응시간이 유의미하게 감소하였다.

지각 역치, 역치하 강도의 진동 자극에 따른 근 반응시간이 다르게 나타났으며, 유의한 차이는 없었다. 이는 지각 역치하 강도의 자극이 근 반응시간 감소에 효과가 있음을 의미하며, 190Hz, 250Hz 진동 주파수에서도 같은 결과가 나타났다.

이 결과를 통해 아킬레스건을 통해 하지 근육에 지각 역치하 강도의 진동 자극을 유입하는 것은 근 반응시간 감소에 영향을 미쳐 감각기관-중추신경-근육 기관의 루트를 통한 정보의 전달 및 처리 소요시간이 감소할 것으로 유추할 수 있다.

이상에서와 같이 진동 주파수와 진동 강도의 진동 자극 조건에 따른 국소 진동 자극 효과를 살펴보면,

아킬레스건 및 전경골건을 국소 진동으로 자극하였을 시, 가자미근(Soleus), 외측 비복근(Lateral Gastrocnemius), 내측 비복근(Medial Gastrocnemius), 전경골건(Tibialis Anterior)의 근육 활성도가 진동역치강도자극(100%), 진동역치이하강도 자극(80%)에서 모두 무자극보다 증가하였고 통계적으로 유의한 차이를 나타내었으며, 80%, 100%의 두 강도 사이에 통계적 유의성 차이는 없었다. 이는 80%강도 자극과 100% 강도 자극은 모두 근육 활성도를 증가시키는 영향을 미치며, 두 강도 간에 근육 활성도 증가의 차이는 있으나 그 효과는 같다는 것을 의미한다. 즉 두 강도의 국소 진동 자극은 근육 활성도를 증가시킴으로써 결과적으로는 근육이 발휘하는 힘 근력을 증가시킨다는 것을 의미한다.

아킬레스건 및 전경골건을 국소 진동으로 자극하였을 시, 가자미근(Soleus)·외측 비복근(Lateral Gastrocnemius)·내측 비복근(Medial Gastrocnemius)·전경골건(Tibialis Anterior)의 근육 반응시간이 감소하였다. 이것은 감각기관-중추신경-근육기관 루트의 정보 전달 및 처리 소요시간이 감소된 것을 의미하고, 결과적으로는 어떠한 자극에 대한 움직임 반응을 빠르게 한다는 것을 의미한다.

위의 두 결과를 통해 지각 역치 강도 및 지각 역치하 강도의 국소 진동 자극은 근력과 근반응 시간에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 하지의 걷기·달리기·뛰기·앉기·서기·오르내리기·굴곡·신전·회전 등과 같은 움직임의 속도와 힘 발현에 큰 도움을 줄 수 있다.

1 : 진동 자극 장치 10 : 진동 자극 설정부
20 : 디스플레이부 30 : 센서부
40 : 제어부 50 : 통신부
60 : 가진부

Claims

전원을 인가받아 작동되고, 진동의 주파수, 자극 강도와 자극 방식을 설정하는 진동 자극 설정부(10)와;
상기 진동 자극 설정부(10)를 통해 설정된 진동의 주파수, 자극 강도와 자극 방식을 표시하는 디스플레이부(20)와;
진동 자극을 제공받기 위한 하지 분절의 움직임을 감지하기 위한 센서부(30)와;
상기 센서부(30)로부터 신호를 입력받아 처리하며, 하지 분절의 움직임 상태를 검출하고, 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 인가할 진동자극 신호를 생성하는 제어부(40)와;
상기 제어부(40)의 제어를 받아 센서부(30)로부터 감지된 하지 분절의 움직임 상태 신호를 외부로 송신하고, 통신 설정 및 펌웨어 업데이트를 위한 신호를 수신할 수 있는 통신부(50)와;
상기 제어부(40)로부터 전달받은 진동자극 신호에 대응하여 하지의 근육이나 힘줄에 진동 자극을 가하는 가진부(60);로 이루어진 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원은 휴대가 간편하도록 건전지 또는 충전식 배터리를 이용한 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 자극 설정부(10)를 통해 설정되는 진동 주파수는 160Hz~250Hz인 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 자극 설정부(10)를 통해 설정되는 진동의 강도는 진동지각역치의 75%~110%인 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서부(30)는 하지 분절의 움직임을 감지하기 위해 고니어미터, 자이로스코프, 가속도계, 지자기계, 관성측정유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부(40)는 검출 및 특정된 하지 분절의 움직임 상태와 사용자가 조작하여 설정한 조건에 따라 하지 근육의 위축·퇴화·마비 방지 및 기능을 보조하기 위한 진동 주파수, 진동 강도 및 자극 방식 신호와 같은 진동 자극 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 제어부(40)는 사용자가 설정한 진동 조건을 디스플레이부(20)에 표시하고, ISP(International Standardized Profile)와 블루투스 모듈(Bluetooth Module) 또는 근거리 무선통신의 지그비(ZigBee)·NFC·비콘·WPAN으로 이루어지는 통신부(50)를 제어하여 하지 분절의 움직임 상태 신호를 외부로 송신하는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 제어부(40)는 Micro Controller Unit(MCU)와, 센서부(30)로부터 전달된 하지 분절의 움직임에 따른 신호에서 잡음을 제거하기 위한 밴드패스 필터(band-pass filter)를 포함하고, 하지 분절의 움직임에 따른 신호로부터 하지 분절의 움직임 상태를 검출하고 추정하기 위해 상보 필터·칼만 필터(Kalman Filter)·확장 칼만 필터를 포함하며 상기 필터들을 통과한 신호를 이용하여 하지 분절의 움직임 상태를 검출 및 특정하는 알고리즘을 포함한 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
제1항에 있어서,
상기 가진부(60)는 리니어 액추에이터 또는 피에조 액추에이터로 이루어지며, 근육 또는 힘줄의 국소 부위에 장착되어 제어부(40)에서 생성된 진동 자극 신호에 의해 진동을 발생하여 하지 근육이나 힘줄에 진동 자극을 가하는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 장치.
전원을 인가하여 전원이 공급되면 진동 자극 설정부(10)를 이용하여 사용자가 원하는 진동 주파수, 진동 강도 및 자극 방식을 설정하는 진동 자극 조건 설정 단계(S1);
상기 진동 자극 설정부(10)를 통해 진동 자극 조건이 설정되면, 센서부(30)를 통해 하지 분절의 움직임을 감지하는 하지 분절 움직임 감지 단계(S2);
상기 센서부(30)를 통해 하지 분절의 움직임을 감지하면, 제어부(40)를 통해 센서부에서의 움직임에 따른 신호를 입력받아 하지 분절의 움직임 상태를 검출하는 하지 분절 움직임 검출 단계(S3);
상기 하지 분절 움직임 검출 단계를 통해 하지 분절의 움직임 상태가 검출되면, 진동 자극 설정부(10)를 통해 사용자가 설정한 자극 조건에 대응하는 자극 신호를 생성하는 진동 자극 신호 생성 단계(S4);
상기 진동 자극 신호 생성 단계를 통해 자극 신호가 생성되면, 제어부(40)로부터 신호를 전달받아 가진부(60)를 통해 하지 근육이나 힘줄의 국소 부위에 진동 자극을 가하는 진동 자극 단계(S5);로 이루어진 것을 특징으로 하는 하지 착용형 휴대용 국소 진동 자극 방법.