KR20180059200A - System for estimating joint angle based on neural signals - Google Patents

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Abstract

In a living body where a joint angle is determined by the movement of muscles connected to a plurality of distal nerves branched from a proximal nerve, a joint angle detection system for detecting the angle of a joint comprises a collecting electrode body installed on the proximal nerve and collecting the nerve signal of the proximal nerve (proximal nerve signal), and an angle estimator for estimating the angle of the joint by analyzing the proximal nerve signal. It is possible to estimate an exact joint angle.

Description

신경 신호를 기반으로 한 관절의 각도 검출 시스템{System for estimating joint angle based on neural signals} [0001] The present invention relates to a system for estimating joint angles based on neural signals,

본 발명은 관절의 각도 검출 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신경 신호를 기반으로 관절의 각도를 추정하고 이를 관절의 각도 제어에 이용할 수 있는 각도 검출 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an angle detection system of a joint, and more particularly, to an angle detection system capable of estimating an angle of a joint based on a nerve signal and using it for angle control of a joint.

기능적 신경근육 자극(Functional neuromuscular stimulation; FNS)은 약해지거나 소실된 근육의 기능을 재활하는데 효과적인 방법이다. 온전한 말초 신경 또는 근육에 자극이 가해지면, 신경 손상을 입은 환자가 기능적인 움직임을 수행할 수 있게 해준다. 재활 영역에서 가장 널리 이용되는 FNS 시스템은 기설정된 자극 파라미터를 통해 자극의 강도를 변화시켜 목표한 움직임을 조절할 수 있도록 하고 있다. 하지만, 이러한 전통적인 접근법은 연속적이거나 반복적인 자극을 필요로 하므로, 근육의 피로나 조직의 손상을 유발할 수 있다. Functional neuromuscular stimulation (FNS) is an effective way to rehabilitate the function of weakened or missing muscles. Stimulation of the intact peripheral nerves or muscles allows patients with nerve damage to perform functional movements. The most widely used FNS system in the rehabilitation area is to change the intensity of the stimulus through a predetermined stimulation parameter so that the desired movement can be controlled. However, this traditional approach requires continuous or repetitive stimulation, which can lead to muscle fatigue or tissue damage.

따라서, 최근에는 인공 센서 또는 자연 센서를 이용해 수집한 신호를 피드백 신호로 이용하는 FNS 시스템에 제안되고 있다. 폐루프 제어로 얘기되는 강인성 피드백 신호는 자극이 가해지는 정확한 타이밍에 제공될 것이 필요하다. Accordingly, recently, an FNS system using a signal collected using an artificial sensor or a natural sensor as a feedback signal has been proposed. The robustness feedback signal, which is said to be closed loop control, needs to be provided at the precise timing at which the stimulus is applied.

고니오미터(goniometer) 및 다리 스위치(foot switch)와 같은 인공 센서가 폐루프 FNS 시스템에 널리 이용되고 있다. 하지만, 이러한 인공 센서는 미용적 측면에서 한계를 가지며 환경적 교란에 따른 보정의 필요성이 있다는 한계가 있다. Artificial sensors such as goniometer and foot switches are widely used in closed-loop FNS systems. However, such an artificial sensor has limitations in terms of cosmetics, and there is a limitation in that there is a need for correction due to environmental disturbance.

이러한 인공 센서를 이용하는 대신에, 특정 타겟 감각 또는 모터 조직에 대한 유용한 정보를 제공하는 자연 센서가 이용되고 있다. 예를 들어, 피부 속의 외수용성의 센서에 의해 생성되는 피부의 구심성 활동이 손을 오므리거나 풋 드롭(foot drop)을 고치는데 이용된 사례가 있으며, 근방추체 안의 자기수용성 센서에 의해 생성되는 근육 구심성 활동이 발목 각도를 제어하는데 이용된 사례가 있다. Instead of using such an artificial sensor, a natural sensor has been used which provides useful information about a particular target sensory or motor organization. For example, there has been a case in which an afferent activity of the skin generated by an external water-soluble sensor in the skin has been used to shake hands or repair a foot drop, and a muscle sphere generated by a self- There is a case in which mental activity is used to control ankle angle.

커프형 전극에 의한 신경 신호의 수집은 FNS 시스템에서 필요한 정보의 제공 및 피드백 제어를 가능하게 하는 효과적인 접근 방법으로 알려져 있다. The collection of neural signals by the cuff-shaped electrodes is known to be an effective approach to enable the provision of the necessary information and feedback control in the FNS system.

예를 들어, 모터 기능 장래를 가지는 환자의 발목 각도를 제어하는 경우, 커프형 전극 기록에 의해 추출된 감각 정보를 이용하는 몇몇의 방법이 제안된바 있다. For example, in the case of controlling the ankle angle of a patient having a motor function in the future, several methods of using the sensory information extracted by the cuff-type electrode recording have been proposed.

일 예에 따르면, 피드백 신호로서 근육 구심성 신호를 이용하는 폐루프 FNS 시스템이 제안된 바 있다. 이러한 시스템에서는 발목 각도를 추정하기 위해, 경골 신경(tibial nerve)과 비골 신경(peroneal nerve)에 각각 전극을 이식하고, 독립된 두 신경 신호로부터 발목 각도를 추정하기 위한 시도를 하고 있다. According to one example, a closed loop FNS system using a muscle afferent signal as a feedback signal has been proposed. In order to estimate the ankle angle in these systems, electrodes are implanted in the tibial nerve and the peroneal nerve, respectively, and an attempt is made to estimate ankle angle from two independent nerve signals.

하지만, 이러한 종래기술에 따르면, 목표하는 근육으로부터 구심성 신호를 측정하기 위해 커프형 전극을 다중 섬유성 신경의 원위측 가지에 이식하여야 하지만, 해당 신경의 가지가 항상 너무 짧고 얇아서 커프형 신경 전극체를 이식 위치에 위치시키는 것이 너무 어렵다는 공간적인 문제에 부딪친다. However, according to this conventional technique, in order to measure an afferent signal from a desired muscle, a cuff-shaped electrode should be implanted in the distal branch of the multifibular nerve, but the branch of the nerve is always too short and thin, To the implantation site is too difficult.

한국 특허등록 제10-1418057호Korea Patent No. 10-1418057

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비교적 공간 확보가 유리한 원위 신경에 전극체를 설치하고, 원위 신경으로부터 측정되는 신경 신호를 이용해 정확한 관절 각도를 추정할 수 있으며 나아가 관절 각도를 제어할 수 있는 관절 각도 검출 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the conventional art, and it is an object of the present invention to provide an electrode body on a distal nerve having a relatively large space and to accurately estimate a joint angle using a nerve signal measured from the distal nerve, And an object of the present invention is to provide a joint angle detection system capable of controlling a joint angle.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 근위 신경으로부터 분기되는 복수의 원위 신경에 연결된 근육들의 움직임으로 관절의 각도가 결정되는 생체에서, 상기 관절의 각도를 검출하기 위한 관절 각도 검출 시스템으로서, 상기 근위 신경에 설치되어 근위 신경의 신경 신호("근위 신경 신호")를 수집하는 수집 전극체와, 상기 근위 신경 신호를 분석하여 상기 관절의 각도를 추정하는 각도 추정기를 포함하는 관절 각도 검출 시스템에 제공된다.In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, in a living body in which an angle of a joint is determined by a movement of muscles connected to a plurality of distal nerves branched from the proximal nerve, A detection system comprising: a collection electrode body disposed on the proximal nerve and collecting neural signals of a proximal nerve (" proximal nerve signal "); and an angle estimator for estimating an angle of the joint by analyzing the proximal nerve signal Angle detection system.

일 실시예에 따르면, 상기 각도 추정기는, 상기 근위 신경 신호에서 각각의 원위 신경들로부터 상기 근위 신경으로 전달되는 구심성 신경 신호("원위 신경 신호")들을 분리 추출하고, 기학습된 원위 신경 신호들과 관절의 각도의 상관 관계를 이용해, 추출된 원위 신경 신호들로부터 관절의 각도를 추정한다. According to one embodiment, the angle estimator separately extracts afferent nerve signals (" distal nerve signals ") from each of the distal nerves to the proximal nerve in the proximal nerve signal, Using the correlation of the angles of the joints and the angle of the joint, we estimate the angle of the joint from the extracted distal nerve signals.

일 실시예에 따르면, 상기 수집 전극체는 n개(n은 2보다 큰 자연수)의 채널을 구비는 다채널 전극체이고, 상기 근위 신경 신호는 n개의 채널 신경 신호로 수집된다. According to one embodiment, the collecting electrode body is a multi-channel electrode body having n channels (n is a natural number larger than 2), and the proximal nerve signal is collected into n channel nerve signals.

일 실시예에 따르면, 상기 관절의 움직임에는 m개(m은 1보다 큰 자연수)의 원위 신경이 관여하고, 상기 각도 추정기는, 고차의 신호를 저차의 신호로 투영하는 투영 추적(PP; projection pursuit) 기법과, 복수의 신호의 직교하는 로테이션(orthogonal rotation)을 찾아내는 빠른 독립 성분 분석(FastICA; fast independent component analysis) 기법을 함께 적용하여, 각 원위 신경으로부터 유발된 m개의 독립된 원위 신경 신호를 추출한다. According to one embodiment, the motion of the joint involves m (m is a natural number greater than 1) distant nerve, and the angle estimator includes a projection pursuit (PP) for projecting a higher order signal to a lower order signal ) Technique and a Fast ICA (Fast Independent Component Analysis) technique to find orthogonal rotations of multiple signals are used to extract m independent independent nerve signals from each distal nerve .

일 실시예에 따르면, 상기 각도 추정기는, 추출된 원위 신경 신호들과 기추정된 관절의 각도를 입력 값으로 하는 인공 신경 네트워크를 통해 현재의 관절의 각도를 추정한다. According to one embodiment, the angle estimator estimates an angle of a current joint through an artificial neural network having input values of extracted extrinsic nerve signals and an estimated joint angle.

일 실시예에 따르면, 상기 인공 신경 네트워크는, 현재 추정된 관절의 각도 값을 피드백하여 입력값으로 이용하는 순환 신경 네트워크이다. According to one embodiment, the artificial neural network is a circular neural network that uses an estimated angle value of a currently jointed joint as an input value.

일 실시예에 따르면, 상기 각도 추정기는, 상기 근위 신경 신호를 독립된 원위 신경 신호들로 분리하는 신경 신호 분리 모듈과, 상기 원위 신경 신호들로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈과, 노이즈가 제거된 원위 신경 신호들로부터 상기 관절의 각도를 추정하는 각도 추정 모듈을 포함한다. According to one embodiment, the angle estimator comprises a neural signal separation module for separating the proximal nerve signals into independent distal nerve signals, a noise removal module for removing noise from the distal nerve signals, And an angle estimation module for estimating the angle of the joint from the nerve signals.

일 실시예에 따르면, 관절 각도 검출 시스템은, 추정된 관절의 각도 값을 피드백 신호로 하여, 기설정된 목표 각도 값을 추종하는 관절의 각도를 만들어내기 위한 관절 각도 제어 신호를 생성하는 각도 제어기를 포함한다.According to one embodiment, the joint angle detection system includes an angle controller for generating a joint angle control signal for generating an angle of the joint that follows the predetermined target angle value, using the estimated joint angle value as a feedback signal do.

일 실시예에 따르면, 관절 각도 검출 시스템은, 상기 관절 각도 제어 신호를 기반으로, 각 원위 신경을 자극하여 그에 연결된 근육의 활동을 유발하기 위한 자극 펄스를 생성하는 자극 펄스 생성기와, 상기 자극 펄스에 대응하는 전기 자극을 원위 신경 각각에 설치되는 자극 전극체을 통해 원위 신경에 가하도록 하는 전기 자극기를 포함한다. According to one embodiment, a joint angle detection system comprises: a stimulation pulse generator for generating a stimulation pulse for stimulating each distal nerve to cause activity of muscles connected thereto based on the joint angle control signal; And an electrical stimulator for causing the corresponding electrical stimulation to be applied to the distal nerve through the stimulating electrode body provided on each of the distal nerves.

일 실시예에 따르면, 관절 각도 검출 시스템은, 근위 신경 신호를 전처리하여 상기 각도 추정기로 전달하는 신호 처리기를 포함하고, 상기 자극 펄스 생성기는, 상기 자극 펄스의 주기에 대응하는 소거 신호(blanking signal)를 생성하여 상기 신호 처리기에 전달하고, 상기 신호 처리기는 상기 소거 신호를 상기 근위 신경 신호에 중첩하여, 전기 자극에 의해 발생하는 교란 신경 신호를 제거한다. According to one embodiment, a joint angle detection system includes a signal processor for pre-processing and transmitting a proximal nerve signal to the angular estimator, wherein the stimulus pulse generator includes a blanking signal corresponding to the period of the stimulation pulse, To the signal processor and the signal processor superimposes the erase signal on the proximal nerve signal to remove the disturbing nerve signal generated by the electrical stimulus.

일 실시예에 따르면, 상기 근위 신경은 좌골 신경이고, 상기 원위 신경들은 상기 좌골 신경으로부터 분기되는 경골 신경과 비골 신경이며, 다리의 발목 관절의 각도를 추정하여 생체의 보행 및 균형 유지를 제어하는데 이용한다. According to one embodiment, the proximal nerve is a sciatic nerve, the distal nerve is a tibial nerve and a peroneal nerve that diverge from the sciatic nerve, and is used to control the walking and balance of the living body by estimating the angle of the ankle joint of the leg .

일 실시예에 따르면, 상기 수집 전극체는, 복수의 전극이 복수의 채널을 형성하고, 상기 원위 신경의 외주를 말아 연결되는 커프형 전극체이다. According to one embodiment, the collecting electrode body is a cuff-shaped electrode body in which a plurality of electrodes form a plurality of channels, and the outer periphery of the distal nerve is curled.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 각도 검출 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1의 관절 각도 검출 시스템에 이용되는 수집 전극체를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 관절 각도 검출 시스템의 동작 로직을 구성하기 위한 일 예에 따른 데이터 획득 시스템의 개념도이다.
도 4는 도 3의 데이터 획득 시스템을 통해 수집된 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 관절 각도 검출 시스템의 각도 추정기의 기능 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 신경 신호 분리에 이용되는 PP/FastICA 기법의 전체 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 각도 추정기에 의해 분리된 신경 신호 및 그를 통해 추정된 발목 관절 각도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 관절 각도 추정을 이용되는 인공 신경 네트워크의 개념도이다.
도 9는 여러 신호 분리 방법에 따라 분리된 신경 신호를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1의 관절 각도 검출 시스템의 자극 펄스 생성기에서 생성되는 자극 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 1의 관절 각도 검출 시스템의 타당성을 검증하기 위한 검증 시스템의 개념도이다.
도 12는 도 11의 검증 시스템에서 전기 자극에 따라 실측되는 발목 각도와, 이때 수집되는 5-채널 신경 신호를 나타낸 그래프이다.
도 13은 5-채널 소거 신경 신호로부터 분리된 경골 신경 신호 및 비골 신경 신호와, 해당 두 신경 신호로부터 추정된 발목 각도를 나타낸 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of a joint angle detection system according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows a collecting electrode body used in the joint angle detecting system of Fig. 1. Fig.
3 is a conceptual diagram of a data acquisition system according to an example for configuring the motion logic of the joint angle detection system of FIG.
Figure 4 is a graph showing data collected through the data acquisition system of Figure 3;
5 is a functional block diagram of an angle estimator of the joint angle detection system of FIG.
FIG. 6 is a flowchart for explaining the entire process of the PP / Fast ICA technique used in the neural signal separation according to an embodiment.
7 is a graph showing the nerve signals separated by the angle estimator and the ankle joint angle estimated therefrom.
8 is a conceptual diagram of an artificial neural network using joint angle estimation according to an embodiment.
9 is a graph showing the neural signals separated according to various signal separation methods.
10 is a graph showing a stimulus pulse generated in the stimulus pulse generator of the joint angle detection system of FIG.
11 is a conceptual diagram of a verification system for verifying the validity of the joint angle detection system of FIG.
FIG. 12 is a graph showing an ankle angle measured in accordance with an electric stimulus in the verification system of FIG. 11, and a 5-channel neural signal collected at this time.
13 is a graph showing tibial nerve signals and peroneal nerve signals separated from the 5-channel eraser nerve signals and ankle angles estimated from the corresponding nerve signals.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that the technical idea of the present invention and its essential structure and operation are not limited by the embodiments.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 각도 검출 시스템(1)의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a joint angle detection system 1 according to an embodiment of the present invention.

관절 각도 검출 시스템(1)은 근위 신경으로부터 분기되는 복수의 원위 신경에 연결된 근육들의 움직임으로 관절의 각도가 결정되는 생체에서, 근위 신경으로부터 측정되는 신경 신호("근위 신경 신호")를 수집하고 분석하여 관절의 각도를 추정하며, 나아가 추정된 관절의 각도를 피드백 신호로 적절한 전기 자극을 가하여 목표하는 관절의 각도를 만들어내는 폐루프 FNS 시스템으로 구성된다.The joint angle detection system (1) collects and analyzes neural signals ("proximal nerve signals") measured from the proximal nerve in living bodies whose joint angles are determined by the movement of muscles connected to a plurality of distal nerve branches branching from the proximal nerve And a closed loop FNS system that estimates the angle of the joint, and further generates an angle of the desired joint by applying an appropriate electric stimulus to the estimated joint angle as a feedback signal.

본 실시예에 따르면, 관절 각도 검출 시스템(1)은 뉴질랜드 백색 토끼(Rabbit)의 다리(8)에 적용되어, 발목 관절(7)의 각도(θ)를 추정한다. According to this embodiment, the joint angle detection system 1 is applied to the legs 8 of New Zealand white rabbits to estimate the angle? Of the ankle joint 7.

도 1에 도시된 바와 같이, 다리(8)는 허벅지를 따라 내려오는 원위 신경인 좌골 신경(sciatic nerve)(2)과 상기 좌골 신경(2)으로부터 대략 무릎 위치에서 두 갈래로 분기하는 근위 신경인 경골 신경(tibial nerve)(3)과 비골 신경(peroneal nerve)(4)을 포함한다. 경골 신경(3)과 비골 신경(4)은 각각 수축에 의해 발등 굽힘을 유발하는 발등 굽힘근(dorsi-flexor muscle)(5)과 발바닥 굽힘을 유발하는 발바닥 굽힘근(plantar-flexor muscle)(6)에 연결된다. As shown in Fig. 1, the legs 8 include a sciatic nerve 2, which is a distal nerve that descends along the thigh, and a proximal nerve branching from the sciatic nerve 2, It includes the tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4). The tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4) are composed of a dorsi-flexor muscle (5) causing plantar flexion and a plantar-flexor muscle (6) causing plantar flexion .

발등 굽힘근(5)과 발바닥 굽힘근(6)의 수축 또는 이완의 움직임을 통해 발목 관절(7)의 각도(θ)가 결정된다. 발등 굽힘근(5)과 발바닥 굽힘근(6)이 움직이게 되면, 근육 구심성 신호가 유발되며 각 근육에 의해 생성된 근육 구심성 신호는 경골 신경(3)과 비골 신경(4)으로 전달된다. The angle? Of the ankle joint 7 is determined by the contraction or relaxation movement of the footbath root 5 and the sole bending root 6. Muscle afferent signals are generated when the instep bend muscle (5) and foot bend muscle (6) move, and muscle afferent signals generated by each muscle are transmitted to the tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4).

본 명세서에서는 근위 신경인 경골 신경(3)과 비골 신경(4)을 타고 원위 신경인 좌골 신경(2)으로 전달되는 구심성 신경 신호를 "원위 신경 신호"로 칭한다. In the present specification, an afferent nerve signal transmitted to the sciatic nerve (2), which is a proximal nerve via the tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4), is referred to as a " distal nerve signal ".

본 실시예에 따르면, 발목 관절(7)의 각도(θ)를 추정하고 이를 바탕으로 발목 관절의 각도를 제어하기 위하여, 근위 신경인 좌골 신경(2)의 근위 신경 신호를 수집하기 위한 수집 전극체(10)를 좌골 신경(2)에 이식하여 설치한다. According to the present embodiment, in order to estimate the angle? Of the ankle joint 7 and to control the angle of the ankle joint based on the angle?, A collecting electrode body for collecting the proximal nerve signal of the sciatic nerve 2, (10) is transplanted to the sciatic nerve (2).

나아가, 관절 각도 검출 시스템(1)은 수집 전극체(10)에서 수집된 근위 신경 신호를 처리하여 관절의 각도를 추정하고 관절의 각도를 제어하기 위한 구성으로서, 신호 처리기(100), 각도 추정기(angle estimator)(200), 각도 제어기(angle controller)(300), 자극 펄스 생성기(stimulation pulse generator)(400) 및 전기 자극기(electrical stimulator)(500)를 포함한다. The joint angle detection system 1 further includes a signal processor 100, an angular estimator (not shown) for estimating the angles of the joints and controlling the angles of the joints by processing the proximal nerve signals collected by the collecting electrode body 10 an angle estimator 200, an angle controller 300, a stimulation pulse generator 400 and an electrical stimulator 500.

본 실시예에 따르면, 발목 관절의 각도 제어를 위해 전기 자극을 가할 수 있는 자극 전극체(21, 22)를 원위 신경인 경골 신경(3)과 비골 신경(4)에 각각 설치한다. According to this embodiment, the magnetic pole electrode bodies 21 and 22 capable of applying electrical stimulation for the angle control of the ankle joint are provided on the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4, respectively, which are the distal nerves.

신호 처리기(100)는 수집 전극체(10)로부터 수집되는 근위 신경 신호를 증폭 및 수정하는 전처리 과정을 수행한다. 각도 추정기(200)는 신호 처리기(100)에서 처리된 근위 신경 신호를 분석하여 관절(7)의 각도를 추정한다. 각도 제어기(300)는 각도 추정기(200)에서 추정된 관절의 각도 값을 피드백 신호로 하여, 기설정된 목표 각도 값을 추종하는 관절의 각도를 만들어내기 위한 관절 각도 제어 신호를 생성한다. 자극 펄스 생성기(400)는 상기 관절 각도 제어 신호를 기반으로, 각 원위 신경(3, 4)을 자극하여 그에 연결된 근육(5, 6)의 활동을 유발하기 위한 자극 펄스를 생성한다. 전기 자극기(500)는 원위 신경(3, 4) 각각에 설치되는 자극 전극체(21, 22)를 통해 자극 펄스에 대응하는 전기 자극을 원위 신경(3, 4)에 가하도록 한다. The signal processor 100 performs a preprocessing process of amplifying and correcting the proximal nerve signals collected from the collecting electrode unit 10. [ The angle estimator 200 analyzes the proximal nerve signal processed in the signal processor 100 to estimate the angle of the joint 7. The angle controller 300 generates a joint angle control signal for generating an angle of the joint following the predetermined target angle value by using the angle value of the joint estimated by the angle estimator 200 as a feedback signal. The stimulus pulse generator 400 generates a stimulus pulse for stimulating each distal nerve 3, 4 and causing the activity of the muscles 5, 6 connected thereto, based on the joint angle control signal. The electric stimulator 500 allows the electric stimulation corresponding to the stimulation pulse to be applied to the distal nerve 3, 4 via the stimulating electrodes 21, 22 provided on the respective distal nerves 3, 4.

도 2는 일 실시예에 따른 수집 전극체(10)를 도시한 것이다. 2 shows the collecting electrode unit 10 according to one embodiment.

본 실시예에 따른 수집 전극체(10)는 폴리이미드(polyimide) 재질의 기판(11)과 상기 기판(11) 상에 10개의 플라티늄(platinum) 재질의 전극(12)이 형성된 커프(cuff)형 전극체이다. The collecting electrode unit 10 according to the present embodiment includes a substrate 11 made of polyimide and a cuff-type electrode 10 having ten electrodes 12 made of platinum on the substrate 11. It is an electrode body.

기판(11)은 내부 직경을 가지도록 말릴 수 있도록 자기 바이어스(self-bias)되어 있어, 좌골 신경(2)의 외주를 감싸도록 형성되어 있다. 본 실시예에 따른 수집 전극체(10)는 양측으로 나란하게 배치되는 한 쌍의 전극(12)이 하나의 채널을 형성하여, 총 5개의 채널(ch 1 ~ ch 5)을 형성하는 다채널 전극체이다. The substrate 11 is self-biased so as to be curled so as to have an inner diameter, and is formed so as to surround the outer periphery of the sciatic nerve 2. The collecting electrode unit 10 according to the present embodiment includes a pair of electrodes 12 arranged in parallel on both sides of the collecting electrode unit 10 to form a single channel to form a total of five channels (ch 1 to ch 5) It is a sieve.

각 전극(12)은 1 mm의 폭과 0.5 mm의 길이를 가진다. 말렸을 때 기판(11)의 직경은 1.8 mm이고, 채널을 형성하는 한 쌍의 전극(12) 간의 거리는 9.25 mm이다. Each electrode 12 has a width of 1 mm and a length of 0.5 mm. When dried, the diameter of the substrate 11 is 1.8 mm, and the distance between the pair of electrodes 12 forming the channel is 9.25 mm.

수집 전극체(10)는 경골 신경(3)과 비골 신경(4)으로 분기되는 좌골 신경(2)의 분기점에서 대략 1 cm 위쪽에 위치하는 지점에 위치하여, 좌골 신경(2)으로부터 신경 신호(근위 신경 신호)를 수집한다. 이때, 근위 신경 신호는 5개의 채널 신경 신호로 수집된다(도 3 참조).The collecting electrode body 10 is located at a position approximately 1 cm above the tibial nerve 3 and the branch point of the sciatic nerve 2 branching to the peroneal nerve 4, Proximal nerve signals) are collected. At this time, the proximal nerve signal is collected into five channel nerve signals (see FIG. 3).

본 실시예에 따른 각도 추정기(200)는 5- 채널 신경 신호로 수집된 좌골 신경(2)의 신경 신호(근위 신경 신호)에서 원위 신경인 경골 신경(3)과 비골 신경(4)들로부터 좌골 신경(2)으로 전달되는 구심성 신경 신호(원위 신경 신호)들을 분리 추출한다. 나아가, 각도 추정기(200)는 기학습된 원위 신경 신호들과 관절의 각도의 상관 관계를 이용해, 추출된 원위 신경 신호들로부터 관절의 각도를 추정하게 된다. The angle estimator 200 according to the present embodiment calculates the angular position of the sciatic nerve (3) and the peroneal nerve (4), which are the distal nerves in the nerve signal (proximal nerve signal) of the sciatic nerve (2) And extracts an afferent nerve signal (distant nerve signal) transmitted to the nerve 2. Further, the angular estimator 200 estimates the angle of the joint from the extracted distal nerve signals using the correlation of the angles of the joint with the learned nerve signals.

위와 같은 각도 추정기(200)의 각도 추정 알고리즘을 구축하기 위해, 먼저 데이터 획득 시스템을 구축하여 데이터를 수집한다. In order to construct the angle estimation algorithm of the angle estimator 200, first, a data acquisition system is constructed to collect data.

도 3은 일 예에 따른 데이터 획득 시스템의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of a data acquisition system according to an example.

도 3에 도시된 바와 같이, 관절 각도 검출 시스템(1)에 이용되는 동일 종의 토끼의 다리(8)의 좌골 신경(2)에 수집 전극체(10)를 이식한다. 경골 신경(3)과 비골 신경(4)에는 각각 커프형 전극체(미도시)를 이식한다. 3, the collecting electrode body 10 is implanted into the sciatic nerve 2 of the leg 8 of the same kind of rabbit used in the joint angle detecting system 1. [ A cuff-shaped electrode body (not shown) is implanted into the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4, respectively.

수집 전극체(10)는 좌골 신경(2)의 신경 신호를 수집하게 되고, 경골 신경(3)과 비골 신경(4)에 이식된 커프형 전극체들은 각각 경골 신경(3)과 비골 신경(4)의 신경 신호들을 수집하도록 구성한다. The collecting electrode body 10 collects the nerve signals of the sciatic nerve 2 and the cuff-shaped electrode bodies implanted in the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4 receive the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4 To collect neural signals.

수집 전극체(10)에는 신호 처리기(100)가 연결된다. 데이터 획득 시스템에서 신호 처리기(100)는 이식형 증폭기 모듈 및 외장형 증폭기 모듈과 컨버터로 구성되어 수집 전극체(10)에서 수집된 좌골 신경 신호(근위 신경 신호)를 증폭하고 디지털화한다. 각 증폭기 모듈은 39601의 게인(gain), 425에서 5500 Hz인 -3 dB의 밴드폭을 가진다. 이식형 증폭기 모듈은 토끼의 엉덩이에 있는 피하 공간에 이식될 수 있으며, 경피성의 커텍터가 엉덩뼈능선을 걸쳐 설치된다. A signal processor (100) is connected to the collecting electrode body (10). In the data acquisition system, the signal processor 100 comprises an implantable amplifier module, an external amplifier module, and a converter to amplify and digitize the sciatic nerve signal (proximal nerve signal) collected at the collecting electrode unit 10. Each amplifier module has a gain of 39601 and a -3 dB bandwidth of 425 to 5500 Hz. The implantable amplifier module can be implanted in the subcutaneous space in the hips of the rabbit, and a percutaneous connector is installed across the buttock ridge.

정강이 뼈와 발의 측방에 위치하는 전자 고니오미터(SG 65, Bi ometrics)(각도계)(32)를 이용해 발목 관절의 각도(θ)를 실측하였다. 외장 증폭 모듈의 최종 출력 값인 5-채널의 좌골 신경 신호와 발목 관절의 각도는 16 비트의 레졸루션(resolution)과 25 kHz의 샘플링 주기를 가지는 AD 컨버터를 이용해 디지털화된다. The angle (θ) of the ankle joint was measured using an electronic goniometer (SG 65, Biometrics) (goniometer) 32 located on the lateral side of the shin bone and foot. The final output of the external amplification module, the 5-channel sciatic nerve signal and the angle of the ankle joint, is digitized using an AD converter with a resolution of 16 bits and a sampling period of 25 kHz.

경골 신경(3)과 비골 신경(4)에 이식된 커프형 전극체들은 단채널 커프형 전극체이다. 수동적인 발목 관절의 움직임이 이루어지는 동안에 커프형 전극체들 각각에 의해 경골 신경 신호와 비골 신경 신호를 측정하였다. 이들 근위 신경 신호들은 좌골 신경으로부터 수집되는 다채널 신호에 대한 처리 알고리즘을 구축하는데 이용된다. The cuff-shaped electrode bodies implanted in the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4 are short-channel cuff-shaped electrode bodies. During passive ankle joint movement, tibial nerve signals and peroneal nerve signals were measured by each of the cuffed electrode bodies. These proximal nerve signals are used to construct a processing algorithm for multi-channel signals collected from the sciatic nerve.

수동적인 발목 관절의 움직임을 만들어 내기 위해, 컴퓨터 제어되는 위치 제어 시스템이 이용된다. 토끼의 발에는 신발(31)이 끼워지며, 서보 모터(미도시)를 이용해 신발을 움직임으로서 발목 관절의 움직임을 유발하였다. 서보 모터의 모터축은 신발(31)이 씌워진 발목 축으로 정렬된다. 이때, 무릎이 함께 움직이는 것을 방지하기 위한 무릎 고정구(30)가 무릎에 고정된다. To create a passive motion of the ankle joint, a computer controlled position control system is used. The shoe (31) was inserted into the foot of the rabbit, and the movement of the ankle joint was caused by moving the shoe using a servo motor (not shown). The motor shaft of the servomotor is aligned with the ankle axis covered with the shoe 31. At this time, the knee fastener 30 for preventing the knee from moving together is fixed to the knee.

위치 제어 시스템은 새지털 평면(sagittal plane) 상에서 사인파 궤적을 따르도록 발목을 회전시킨다. The position control system rotates the ankle along the sine wave trajectory on the sagittal plane.

발목 관절의 각도(θ)는 도 3에 도시된 좌표계 시스템을 이용해 정강이 뼈와 발 사이의 내측 각도로 정의된다. 중립 위치에서 발목 관절의 각도는 100°로 정의되고, 최대 굽힘(발등굽힘)과 최대 펼침(발바닥 굽힘) 시 각도는 각각 70° 및 130°로 정의된다. The angle? Of the ankle joint is defined as the inner angle between the shin bone and the foot using the coordinate system shown in Fig. In the neutral position, the angle of the ankle joint is defined as 100 °, and the angles at maximum bending (foot bending) and maximum spreading (sole bending) are defined as 70 ° and 130 °, respectively.

본 명세서에 제시된 발목 관절의 각도 추정 알고리즘의 다양한 관절 각도 주파수에 대한 적용 가능성을 검증하도록, 발목 관절은 서로 다른 주파수(0.3 Hz, 0.5 Hz)에서 사인파 궤적을 따라 동작하도록 제어하였다. 이러한 데이터 획득 시스템은 5 마리의 평균적인 토끼에 적용되어 데이터가 수집되었다. 각 토끼마다 각 주파수 별 10 세션(session)의 실험이 이루어졌고, 각 세션은 20초 동안 지속되었다. To validate the applicability of the ankle joint angle estimation algorithm presented herein to various joint angle frequencies, the ankle joints were controlled to operate along sinusoidal trajectories at different frequencies (0.3 Hz, 0.5 Hz). These data acquisition systems were applied to 5 average rabbits and data were collected. Each rabbit experimented with 10 sessions at each frequency, and each session lasted 20 seconds.

도 4는 도 3의 데이터 획득 시스템을 통해 수집된 데이터를 나타내는 그래프이다. Figure 4 is a graph showing data collected through the data acquisition system of Figure 3;

도 4에 도시된 바와 같이, 좌골 신경(2)으로부터 5-채널의 다채널 신경 신호가 수집되었으며(다채널 커프 기록), 경골 신경(3)과 비골 신경(4) 각각으로부터 신경 신호가 수집되었다(단채널 커프 기록). 도 4는 5 마리의 토끼 중 토끼 A에 대한 결과 그래프이다. As shown in FIG. 4, 5-channel multi-channel neural signals were collected from the sciatic nerve 2 (multi-channel cuff recording) and nerve signals were collected from the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4, respectively (Short channel cuff recording). FIG. 4 is a graph showing the results for rabbit A among 5 rabbits.

제일 위쪽의 발목 각도 플롯(plot)은, 60° 범위에서 0.5 Hz의 주파수를 가지고 사인파 궤적을 가지도록 발목의 굽힘과 펼침을 수행한 발목의 수동적인 움직임이 수행되는 동안, 나타나는 발목의 각도의 궤적을 나타낸다. The ankle angle plot at the top of the ankle shows the trajectory of the ankle's ankle appearing during passive movement of the ankle where bending and unfolding of the ankle has a sine wave trajectory with a frequency of 0.5 Hz at a range of 60 degrees. .

단채널 커프 기록 플롯은 경골 신경(3)과 비골 신경(4) 각각으로부터 수집된 신경 신호를 나타낸다. 경골 신경 신호와 비골 신경 신호가 발목 관절 각도가 사인파로 변화하는 동안 대략 90°의 위상 지연을 가진다는 것을 알 수 있다. The short channel cuff recording plot shows the neural signals collected from the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4, respectively. It can be seen that the tibial nerve and peroneal nerve signals have a phase delay of about 90 ° during an ankle joint angle change to a sine wave.

다채널 커프 기록 플롯은 5채널 신경 신호로 수집된 좌골 신경 신호를 나타내는 것이다. 경골 신경(3)과 비골 신경(4)에는 아무런 외부 자극이 가해지지 않았으므로, 좌골 신경 신호는 경골 신경 신호와 비골 신경 신호가 중첩(superposition)된 신호로 취급할 수 있다. The multi-channel cuff recording plot shows the sciatic nerve signals collected by the 5-channel neural signal. Since no external stimulus is applied to the tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4), the sciatic nerve signal can be treated as a superposition of the tibial nerve signal and the peroneal nerve signal.

본 실시예에 따른 각도 추정기(200)는 도 4의 각 채널로부터 수집된 5-채널 신경 신호를 블라인드 소스 분리(blind source separation) 과정을 거쳐 실측된 원위 신경 신호들(단채널 커프 기록)에 최대한 근사하는 경골 신경 신호 및 비골 신경 신호로 분리 추출하고, 추출된 경골 신경 신호 및 비골 신경 신호를 통해 도 4의 실측된 발목 각도와 최대한 근사하는 발목 관절의 각도를 추정해내도록 구성된다. The angle estimator 200 according to the present embodiment estimates the 5-channel neural signal collected from each channel of FIG. 4 to a maximum of the measured distant neural signals (short channel cuff recording) through a blind source separation process The tibial nerve signal and the peroneal nerve signal, and the extracted tibial nerve signal and the peroneal nerve signal are configured to estimate the angle of the ankle joint as closely as possible to the measured ankle angle shown in Fig.

도 5는 각도 추정기(200)의 기능 블록도이다. FIG. 5 is a functional block diagram of the angle estimator 200. FIG.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 각도 추정기(200)는 5-채널이 좌골 신경신호(근위 신경 신호)를 독립된 경골 신경 신호 및 비골 신호(원위 신경 신호들)로 분리하는 신경 신호 분리 모듈(210)과, 원위 신경들로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈(220), 및 노이즈가 제거된 원위 신경 신호들로부터 관절의 각도를 추정하는 각도 추정 모듈(230)을 포함한다. 5, the angular estimator 200 according to the present embodiment may include a neural network that separates the sciatic nerve signals (proximal nerve signals) into independent tibial nerve signals and fibula signals (distal nerve signals) A separation module 210, a noise removal module 220 for removing noise from the distal nerves, and an angle estimation module 230 for estimating the angle of the joint from the noise-canceled distal nerve signals.

본 실시예에 따르면, 각도 추정기(200)의 신경 신호 분리 모듈(210)은, 고차원(high dimensional)의 신호를 저차원(low dimensional)의 신호로 투영하는 투영 추적(PP; projection pursuit) 기법과, 복수의 신호의 직교하는 로테이션(orthogonal rotation)을 찾아내는 빠른 독립 성분 분석(FastICA; fast independent component analysis) 기법을 함께 적용하는 블라인드 소스 분리 기법("PP/FastICA")을 수행하는 비지도식 선형 분리 알고리즘을 통해 신호를 분리한다. According to the present embodiment, the neural signal separation module 210 of the angle estimator 200 includes a projection pursuit (PP) technique for projecting a high dimensional signal into a low dimensional signal, , A non-illustrated linear separation algorithm that performs a blind source separation technique (" PP / Fast ICA ") that applies a fast independent component analysis (Fast ICA) technique to find orthogonal rotations of multiple signals Lt; / RTI >

PP 기법은 고차원에서 분산된 분산의 근본적인 형상(underlying shape)을 보존하고 추정된 소스 신호들에서 상호 독립적인 차수를 최대화하는 프로젝션(projection)을 결정할 수 있는 선형 변환 기법이다. The PP scheme is a linear transformation technique that can preserve the underlying shape of high-order scattered variance and determine projections that maximize mutually independent orders in the estimated source signals.

좌골 신경(2)은 신경의 몸통 안에 경골 신경과 비골 신경과 같은 독립적인 신경 소스를 가진다. The sciatic nerve (2) has independent nerve sources such as the tibial nerve and peroneal nerve in the body of the nerve.

이러한 신경 신호들은 좌골 신경(2)의 몸통의 표면 영역에 투영된다. 따라서, 수집 전극체(10)의 각 전극에서 수집되는 다채널 신호들은 아래 [수학식 1]과 같이 모든 신호 소스로부터 투영된 신호들의 선형 혼합으로 모델링될 수 있다. These nerve signals are projected onto the surface area of the torso of the sciatic nerve (2). Therefore, the multi-channel signals collected at each electrode of the collecting electrode unit 10 can be modeled as a linear mixture of signals projected from all the signal sources as shown in Equation (1) below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, X는 다채널 커프형 전극체로부터 수집된 n차(n은 2보다 큰 자연수)의 측정 신호이고, S는 m차(m은 1보다 큰 자연수)의 소스 신호이며, A는 m×n 분리 행렬(demixing matrix)이다. Here, X is a n-th (n is a natural number greater than 2) measurement signal collected from the multi-channel cuff-shaped electrode unit, S is a m-th source signal (m is a natural number greater than 1) It is a demixing matrix.

만약, 추정된 소스 신호들의 상호 독립성을 최대화할 수 있는 m×n 분리 행렬(W)을 찾을 수 있다면, 추정된 소스 신호(S)는 아래 [수학식 2]와 같이 얻어질 수 있다. If an mxn separation matrix W capable of maximizing the mutual independence of the estimated source signals can be found, the estimated source signal S can be obtained as shown in the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

본 실시예에 따르면, 분리 행렬(W)을 찾아내기 위하여 PP 기법을 이용한 소스 신호의 상호 독립성을 측정하는 목적 함수가 변수의 음 엔트로피(negentropy)를 측정하는 목적함수와 균등(equivalent)하다는 사실을 이용하였다. PP 기법에 Fast ICA 기법을 함께 적용함으로써, 프로세싱에 필요한 시간을 단축시키는 문제를 해결하였다. 더 구체적으로, 소스 신호(S)를 추정하기 위해, 음 엔트로피

Figure pat00003
를 근사화하는 목적 함수가 독립 성분 분석을 위한 빠르고 강인한(fast and robust) 알고리즘으로 개발되었으며, 이를 소위 "FastICA"라고 칭한다. According to the present embodiment, in order to find the separation matrix W, the fact that the objective function measuring the mutual independence of the source signals using the PP technique is equivalent to the objective function for measuring the negative entropy of the variable Respectively. By applying the Fast ICA technique to the PP technique, the problem of shortening the processing time is solved. More specifically, in order to estimate the source signal S,
Figure pat00003
Is developed as a fast and robust algorithm for independent component analysis and is called the so-called " Fast ICA ".

Figure pat00004
Figure pat00005
로 정의된다. 여기서, H(S)는 논-가우시어니티(non-Gaussianity)의 척도를 직접 나타내며, 가우시안 랜덤 벡터(Gaussian random vector)에 대해 0으로 설정되는 소스 신호(S)의 엔트로피이다. 또한, SG는 소스 신호(S)와 동일한 평균과 분산을 가지는 가우시안 랜덤 벡터이다.
Figure pat00006
를 최대화하는 디믹싱 행렬(W)의 값을 계산하기 위해, 회분식(batch-type) 학습 알고리즘을 이용하였다.
Figure pat00004
The
Figure pat00005
. Where H (S) is the entropy of the source signal S, which directly represents a measure of non-Gaussianity and is set to zero for a Gaussian random vector. Also, S G is a Gaussian random vector having the same mean and variance as the source signal S.
Figure pat00006
A batch-type learning algorithm was used to calculate the value of the demixing matrix W to maximize the sum of the sum of squares.

도 6은 위에서 설명한 PP/FastICA 기법의 전체 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 6 is a flowchart for explaining the entire process of the PP / Fast ICA technique described above.

(1) 먼저, 행렬

Figure pat00007
형태로 주어지는 혼합 신호 데이터를 입력값으로서 수집한다. 본 실시예에서 혼합 신호는 수집 전극체(10)를 통해 수집되는 5-채널 신경 신호이며, N과 n은 5가 된다. (1) First,
Figure pat00007
And collects the mixed signal data given as a form as an input value. In this embodiment, the mixed signal is a 5-channel neural signal collected through the collecting electrode body 10, and N and n are 5.

(2) 다음으로,

Figure pat00008
의 관계에 의해 데이터를 센터링(centering)하고,
Figure pat00009
의 관계에 의해 데이터를 백색화(whiten)한다. 여기서, M은 백색화 행렬로
Figure pat00010
이고, E는 고유 벡터(eigen vector)의 행렬이며, V는 고유 값(eigen value)들의 대각 행렬이다. (2) Next,
Figure pat00008
The data is centered by the relationship of "
Figure pat00009
Quot; whiten " the data. Here, M is a whitening matrix
Figure pat00010
E is a matrix of eigenvectors, and V is a diagonal matrix of eigenvalues.

(3) 다음으로, 투영 추적 방향(ICs)의 수를 m으로 설정하고, n×m 사이즈의 랜덤한 최초 전달 매트릭스(W)를 선택한다. (3) Next, the number of projection tracking directions ICs is set to m, and a random initial transmission matrix W of nxm size is selected.

(4) 다음으로,

Figure pat00011
의 관계를 이용해 최적화된 투영 방향을 계산해 행렬 W를 업데이트한다. 여기서, G는
Figure pat00012
으로 가정하며, U는
Figure pat00013
로 주어진다. (4) Next,
Figure pat00011
And updates the matrix W by calculating the optimized projection direction. Here, G
Figure pat00012
, And U is
Figure pat00013
.

(5) 다음으로,

Figure pat00014
의 관계에 의해 행렬 W를 직교화한다(orthogonalize).(5) Next,
Figure pat00014
The matrix W is orthogonalized.

(6) 다음으로, 이전의 행렬 W(Wpre)와 업데이트된 현재의 행렬 W의 유사도를 비교하여, 행렬 W가 수렴하는지 여부를 판단한다. (6) Next, the degree of similarity between the previous matrix W (W pre ) and the updated current matrix W is compared to determine whether or not the matrix W converges.

(7) 만약 수렴하지 않는다면, (4)의 과정부터 다시 반복한다. (7) If it does not converge, repeat from (4).

(8) 수렴이 이루어지면,

Figure pat00015
에 의해 m×n 사이즈의 디믹싱 행렬(W)을 형성한다. (8) If convergence is achieved,
Figure pat00015
To form a demixing matrix W of size m × n.

(9) 이후,

Figure pat00016
에 의해 수집된 신경 신호(혼합 신호 데이터)가 저차인 m차의 독립된 신호로 나타낸다. (9) Thereafter,
Figure pat00016
(Mixed signal data) collected by the n-th order differential signal is an m-order independent signal of lower order.

도 7은 분리된 신경 신호 및 그를 통해 추정된 발목 관절 각도를 나타내는 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing the separated nerve signals and the ankle joint angle estimated therefrom.

위에서 설명한 PP/FastICA 기법에서 m 값을 2로 선정하면, 5-채널 신경 신호를 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 독립한 신경 신호로 분리 추출할 수 있다. 이러한 5-채널 신경 신호는 경골 신경 신호와 비골 신경 신호의 중첩으로 이루어진 신호로 취급할 수 있으므로, 여기서 2 개의 독립한 신호는 각각 경골 신경 신호와 비골 신경 신호로 취급될 수 있음을 알 수 있다. In the PP / Fast ICA technique described above, when the value m is set to 2, the 5-channel neural signal can be separated into two independent neural signals as shown in FIG. This 5-channel neural signal can be treated as a signal consisting of a superposition of the tibial nerve signal and the peroneal nerve signal, so that two independent signals can be treated as tibial nerve signals and peroneal nerve signals, respectively.

본 실시예에 따르면, 각도 추정기(200)의 노이즈 제거 모듈(220)은 추출된 두 개의 분리된 신호의 RBI(rectified bin integration)을 출력하는 전처리 과정을 수행한다. According to the present embodiment, the noise elimination module 220 of the angle estimator 200 performs a preprocessing process of outputting RBI (rectified bin integration) of the extracted two separated signals.

추출된 두 신경 신호의 RBI는 쉽게 추출 가능하고, 높은 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise; SNR) 조절 방법으로 적절하며, 그 처리 과정은 다음과 같다:The RBI of the extracted two neuronal signals is easily extractable and is suitable as a high signal-to-noise (SNR) control method, and the processing is as follows:

먼저, 파형요소 잡음제거(wavelet denoising) 과정이 잡음에 깔려 있는 액션 포텐셜을 찾아내고 SNR을 개선하기 위해 수행된다. 파형요소 잡음제거 과정은 분산된 가우시안 랜덤 소스로서 근사화될 수 있는 배경 노이즈를 감소시키는데 될 수 있는 방법이다. 본 실시예에서는 5-레벨의 시불변성 파형요소 분할 방법이 적용되었다. 다음으로, RBI가 수행된다. 데이터 창(window)은 20 ms 주기를 가지도록 정의된다. 노이즈 제거 모듈(220)을 통해 위와 같은 과정을 거치면 최종적으로 노이즈가 제거되어 관절 각도 추정의 입력 값으로 입력될 수 있는 경골 신경 신호와 비골 신경 신호의 RBI 값을 찾아낼 수 있다. 도 7을 참조하면, 두 분리된 신경 신호와 겹쳐진 회색 파형이 각 신경 신호의 RBI 값으로 이루어진 신호 값이다. First, the wavelet denoising process is performed to find the noise-induced action potential and improve the SNR. The waveform element noise removal process is a method that can be used to reduce background noise that can be approximated as a distributed Gaussian random source. In this embodiment, a 5-level non-invariant waveform element division method is applied. Next, the RBI is performed. The data window is defined to have a 20 ms period. Through the noise elimination module 220, the noise can be removed, and the RBI value of the tibial nerve signal and the peroneal nerve signal, which can be inputted as the input value of the joint angle estimation, can be found. Referring to FIG. 7, two separated neural signals and a gray waveform overlapped with each other are signal values of RBI values of respective neural signals.

본 실시예에 따르면, 각도 추정기(200)의 각도 추정 모듈(230)은 노이즈가 제거되어 RBI 값이 정해진 경골 신경 신호와 비골 신경 신호를 이용해 도 7의 하단의 그래프와 같이 발목 관절의 각도의 추정 값을 산출한다. According to the present embodiment, the angle estimation module 230 of the angle estimator 200 estimates the angle of the ankle joint as shown in the lower graph of FIG. 7 by using the tibial nerve signal and the peroneal nerve signal for which the noise is removed and the RBI value is determined Lt; / RTI >

각도 추정 모듈(230)은 추출된 원위 신경 신호들(경골 신경 신호와 비골 신경 신호)들과 기추정된 관절의 각도를 입력 값으로 하는 인공 신경 네트워크(Artificial Neural Network)를 통해 현재의 관절의 각도를 추정한다. 본 실시예에서, 인공 신경 네트워크는, 현재 추정된 관절의 각도 값을 피드백하여 입력 값으로 이용하는 역학적으로 구동되는 순환 신경 네트워크(dynamically driven recurrent neural networ; DDRNN)이다. The angle estimation module 230 determines the angle of the current joint through the artificial neural network using the extracted distant nerve signals (tibial nerve signal and peroneal nerve signals) and the estimated joint angle as an input value, . In this embodiment, the artificial neural network is a dynamically driven recurrent neural network (DDRNN) that uses the currently estimated joint angle values as feedback values.

도 8은 관절 각도 추정을 위한 DDRNN의 개념도이다. 8 is a conceptual diagram of DDRNN for joint angle estimation.

DDRNN은 하기 [수학식 3]과 같이 구성되어 관절의 각도를 출력한다. DDRNN is configured as shown in Equation (3) to output the angle of the joint.

[수학식 3] &Quot; (3) "

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서, F는 신경 네트워크에 의한 비선형 매핑이고, 현재의 출력값

Figure pat00018
는 과거 출력값들(
Figure pat00019
)과, 현재 및 과거의 입력값(
Figure pat00020
)들에 의해 도출된다. 본 실시예에 따른 DDRNN의 출력 값은 관절의 각도 값이다. Here, F is a nonlinear mapping by the neural network, and the current output value
Figure pat00018
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure pat00019
), Current and past input values (
Figure pat00020
Lt; / RTI > The output value of the DDRNN according to the present embodiment is an angle value of the joint.

본 실시예에 따르면, DDRNN은 200 ms의 입력 지연을 가지는 경골 신경 신호와 비골 신경 신호의 RBI 값에 대응하여(RBI 값이 20 ms 주기로 추출되므로, 200 ms가 지나면 각 10개씩의 경골 신경 신호와 비골 신경 신호 값이 모인다. 즉, p = 10), 입력 값이 입력되는 입력 레이어(input layer)는 20개의 뉴런으로 구성된다. 또한, 50개의 히든 뉴런(hidden neuran)으로 구성되는 한 층의 히든 레이어가 존재하고, 출력 레이어는 관절의 각도이 추정 값을 출력하는 하나의 뉴런으로 이루어지도록 구성하였다. 이러한 레이어 구조는 예시한 것으로 한정되지 않으며, 복층의 히든 레이어를 구성하거나, 입력 뉴런 및 히든 뉴런의 수를 조정 가능하다. According to the present embodiment, DDRNN corresponds to the RBI value of the tibial nerve signal and the peroneal nerve signal having the input delay of 200 ms (since the RBI value is extracted at a cycle of 20 ms, each of the 10 tibial nerve signals The neural signal values are collected, ie, p = 10), and the input layer into which the input values are input is composed of 20 neurons. In addition, there is a hidden layer of one layer consisting of 50 hidden neurons, and the output layer is composed of one neuron outputting the estimated value of the joint angle. Such a layer structure is not limited to the illustrated example, and it is possible to construct a hidden layer of multiple layers, or to adjust the number of input neurons and hidden neurons.

DDRNN을 구성하는 각 뉴런에 부여되는 웨이트는 데이터 획득 시스템(도 3)을 통해 도 4와 같이 실측된 측정 각도와 비골 및 경골 신경 신호의 관계를 분석하여, 설계된다. The weight given to each neuron constituting the DDRNN is designed by analyzing the relationship between the measured angle measured with the data acquisition system (FIG. 3) and the fibular and tibial nerve signals as shown in FIG.

출력 신호는 200 ms의 출력 지연(q = 10)을 가지고 입력 레이어로 피드백된다. 즉, 입력 뉴런에는 먼저

Figure pat00021
의 신경 신호 값이 입력되고, 시간 지연를 가지고 관절 각도 값이 입력된다. The output signal is fed back to the input layer with an output delay (q = 10) of 200 ms. That is, input neurons
Figure pat00021
And a joint angle value is input with a time delay.

각 입력 뉴런에서 신경 신호 값과 관절 각도 값을 주어진 웨이트를 통해 조합해 소정의 결과를 추출하고, 20개의 결과는 다시 50개의 히든 뉴런으로 입력되어 각 히든 뉴런에 주어진 웨이트에 의해 처리된다. 히든 뉴런에서 출력되는 50개의 결과 값은 하나의 출력 뉴런으로 입력되고 최종적으로 관절 각도의 추정 값을 출력하게 된다. In each input neuron, the neural signal value and the joint angle value are combined through a given weight to extract a predetermined result, and 20 results are input to 50 hidden neurons again and processed by the weight given to each hidden neuron. The 50 resultant values output from the hidden neuron are input to one output neuron and finally output an estimated value of the joint angle.

출력된 현재의 관절 각도의 추정 값은 다시 입력 뉴런으로 피드백되고, 이로서 신경 신호의 검출에 대응하여 실시간으로 관절의 각도를 추정해낼 수 있게 된다. The output value of the current joint angle is fed back to the input neuron so that the angle of the joint can be estimated in real time in response to the detection of the nerve signal.

다시 도 7을 참조하면, 입력 뉴런에 입력되는 입력 값과 출력 뉴런에서 출력되는 출력 값이 완전한 순환을 이루기까지의 소정의 딜리에 시간(본 실시예에서는 400 ms)이 경과한 후에는 DDRNN을 통해 추정한 관절의 각도 값이 실측한 관절의 각도 값을 상당히 근사하여 추종하고 있는 것을 알 수 있다. Referring again to FIG. 7, after a predetermined delay (400 ms in this embodiment) has elapsed until an input value input to the input neuron and an output value output from the output neuron are completely circulated, DDRNN It can be seen that the angle value of the estimated joint follows the measured angle value of the joint considerably.

5-채널 신경 신호에 PP/FastICA 기법을 적용하여 분리 추출한 경골 신경 신호 및 비골 신경 신호와, 추출된 두 신경 신호로부터 DDRNN을 통해 추정한 관절의 각도 값의 정확도를 확인하기 위해, 정확도가 상관 계수(correlation coefficeints; CCs)에 의해 평가되었다. To confirm the accuracy of angular values of joints estimated by DDRNN from tibial nerve signals and peroneal nerve signals extracted from extracted 5-channel nerve signals by using PP / FastICA technique and extracted nerve signals, and correlation coeffi- cients (CCs).

도 3의 데이터 획득 시스템에서 수집 전극체(10)로부터 수집된 5-채널 신경 신호를 본 실시예에 따른 각도 추정기(200)를 통해 두 신경 신호로 분리 추출하고, 해당 신경 신호들부터 관절의 각도를 추정하여 도 7과 같은 결과를 얻는다. In the data acquisition system of FIG. 3, the 5-channel neural signal collected from the collection electrode unit 10 is separated and extracted into two neural signals through the angle estimator 200 according to the present embodiment, And the result as shown in FIG. 7 is obtained.

동시에, 경골 신경과 비골 신경에 설치된 단채널 커프 전극체로부터 도 4에 도시된 바와 같은 비골 신경 신호와 경골 신호를 실측하고, 각도계를 통해 발목 관절의 각도를 실측한다. At the same time, the peroneal nerve signal and the tibia signal as shown in Fig. 4 are measured from the short channel cuff electrode body provided on the tibial nerve and the peroneal nerve, and the angle of the ankle joint is measured through a goniometer.

신호 분리 정확도를 확인하기 위해, 도 7과 같이 분리 추출된 두 신경 신호와 도 4의 실측된 비골 신경신호와 경골 신경 신호와의 유사도를 결정하기 위한 CCs가 수행되었다. 아울러, 관절 각도 추정의 정확도를 확인하기 위해, 도 7과 같이 추정된 관절 각도와 도 4의 실측된 관절의 각도를 비골 신경신호와 경골 신경신호와의 유사도를 결정하기 위한 CCs가 수행되었다.In order to confirm the signal separation accuracy, CCs for determining the similarity between the two extracted neural signals as shown in FIG. 7 and the measured peroneal nerve signals and the tibial nerve signals shown in FIG. 4 were performed. In order to confirm the accuracy of the joint angle estimation, CCs for determining the degree of similarity between the peroneal nerve signal and the tibial nerve signal were performed on the joint angle estimated as shown in FIG. 7 and the measured joint angle shown in FIG.

CCs는 하기 [수학식 4]를 이용해 계산된다. The CCs are calculated using the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00022
Figure pat00022

신호 분리의 정확도를 계산할 때는, x는 실측된 신경 신호를 나타내고, y는 5-채널 신경 신호로부터 분리 추출된 신경 신호를 나타낸다. 유사하게, 관절 각도 추정의 정확도를 계산할 때는, x는 실측된 관절 각도를 나타내고, y는 각도 추정기에서 추정된 관절 각도를 나타낸다. When calculating the accuracy of signal separation, x represents the measured neural signal and y represents the neural signal separated from the 5-channel neural signal. Similarly, when calculating the accuracy of the joint angle estimation, x represents the measured joint angle and y represents the joint angle estimated by the angle estimator.

아래 [표 1] 및 [표 2]는 신호 분리의 정확도 결과를 나타낸 것이다. 표에서 각 숫자의 값은 R2의 수치를 의미한다. Table 1 and Table 2 below show the accuracy results of signal separation. In the table, the value of each number means the value of R 2 .

[표 1][Table 1]

Figure pat00023
Figure pat00023

[표 2][Table 2]

Figure pat00024
Figure pat00024

본 실시예에 따른 신호 분리를 위한 PP/FastICA 기법의 우수성을 확인하기 위하여, 다른 비지도식 차수 감소 방법인 요소 분석(factor analysis; FA) 기법과 기본 요소 분석(principal component analysis; PCA) 기법을 통해 5-채널 신경 신호를 두 개의 독립된 신경 신호로 분리하였다. 도 9는 본 실시예에 따른 PP/FastICA 방법, FA 방법 및 PCA 방법을 통해 5-채널 신경 신호를 두 개의 독립된 신호로 분리한 결과를 나타낸 것이다. In order to confirm the superiority of the PP / Fast ICA technique for signal separation according to the present embodiment, a method of factor analysis (FA) and principal component analysis (PCA) We separated the 5-channel neural signal into two independent neural signals. FIG. 9 shows a result of separating a 5-channel neural signal into two independent signals through the PP / Fast ICA method, the FA method, and the PCA method according to the present embodiment.

이와 같이 분리된 신경 신호들을 도 4의 실측 신경 신호와 비교하여 CCs 값을 산출하였다. 상기 [표 1] 및 [표 2]에는 위 다른 방법에 따른 신호 분리 정확도도 함께 나타나 있다. The separated neuronal signals were compared with the measured neural signals in FIG. 4 to calculate the CCs value. Table 1 and Table 2 also show signal separation accuracy according to the above method.

FA와 PCA는 소스 데이터가 제로 평균으로 노멀라이즈(normalized)되어 있으며, 가우시안 분산을 가지는 것으로 가정한다. 나아가, 관측된 변수들 사이의 공분산만이 추정에 이용된다. FA and PCA assume that the source data is normalized to zero mean and has Gaussian variance. Furthermore, only the covariance between the observed variables is used for estimation.

FA는 요소(factor)라고 불리는 몇몇의 관측될 수 없는 랜덤 요소들에 의한 변수 사이의 공분산 관계를 기술하기 위해 시도된 것이다. 요소들은 서로 연관성이 없다고 가정하여, 가우시안 데이터의 경우에 독립성을 암시하게 된다. PCA는 직교하는 방향을 따라 최대 변화 방향을 결정한다. PCA는 데이터 공분산 행렬의 고유값을 이용해 수행된다. 가우시안 데이터를 가질 때, 독립된 요소를 결정하는 것은 연관되지 않은 요소들은 언제나 독립이기 때문에 간단하다. FA와 PCA는 단지 소스 데이터가 가우시안 데이터를 가질 때만 타당성을 가진다. FA is an attempt to describe the covariance relationship between variables by some unobservable random elements called factors. Assuming that the elements are not related, they imply independence in the case of Gaussian data. The PCA determines the direction of maximum change along the orthogonal direction. The PCA is performed using the eigenvalues of the data covariance matrix. When having Gaussian data, determining independent elements is straightforward because unrelated elements are always independent. FA and PCA are valid only when the source data has Gaussian data.

이에 반하여, 본 실시예에서 적용되는 PP 기법은 관측 값으로부터 잠재한 논-가우시안 구조를 찾아내고 고차원의 원래 데이터의 특징이 보존되는 이점을 가진다. 이러한 PP 기법은 추출되는 신호가 논-가우시안할 수록 일 시점에서 하나의 프로젝션을 찾아낸다. On the other hand, the PP technique applied in this embodiment finds potential non-Gaussian structures from the observations and has the advantage of preserving the characteristics of the original data of the higher dimension. This PP technique finds one projection at one point as the extracted signal becomes non-Gaussian.

다시 말해서, FA와 PCA는 가우시안 데이터에 기초하여 독립된 요소를 찾아내므로, PP 기법에 비해 경골 신경 신호와 비골 신경 신호를 온전히 분리하는 정확성이 떨어지게 된다. In other words, since FA and PCA find independent elements based on Gaussian data, the accuracy of separating the tibial nerve signals from the peroneal nerve signals is less than that of PP techniques.

실제로, 상기 [표 1] 및 [표 2]에 나타난 바와 같이, FA와 PCA 방법에 의한 신호 분리 정확도는 평균 0.3 ~ 0.4 수준으로, 0.8 이상인 PP/FastICA 방법에 비해 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 도 4 및 도 9의 신호 패턴을 육안 비교하여도 알 수 있는 사항이다. Actually, as shown in [Table 1] and [Table 2], the accuracy of signal separation by the FA and PCA methods is 0.3 ~ 0.4 on average, which is lower than that of the PP / Fast ICA method of 0.8 or more. This can be seen even when the signal patterns of FIGS. 4 and 9 are visually compared.

한편, 아래 [표 3] 및 [표 4]는 관절 각도 추정의 정확도 결과를 나타낸 것이다. [Table 3] and [Table 4] show the accuracy results of the joint angle estimation.

[표 3][Table 3]

Figure pat00025
Figure pat00025

[표 4][Table 4]

Figure pat00026
Figure pat00026

본 실시예에 따른 신호 분리를 위한 DDRNN을 이용한 관절 각도 추정의 우수성을 확인하기 위하여, 잘 알려진 다른 인공 신경 네트워크인 RBN(radial basis network)와 TDNN(time-delayed neural network)를 통한 관절 각도 추정의 정확도와 비교하였다. 상기 [표 3] 및 [표 4]에는 위 다른 신경망을 통한 관절 각도 추정의 정확도도 함께 나타나 있다. In order to confirm the superiority of the joint angle estimation using DDRNN for signal separation according to the present embodiment, a joint artificial neural network RBN (radial basis network) and TDNN (time-delayed neural network) And compared with accuracy. [Table 3] and [Table 4] also show the accuracy of joint angle estimation through other neural networks.

[표 3]에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 DDRNN을 이용한 관절 각도 추정 결과가 다른 개념의 인공 신경 네트워크를 적용한 경우에 비해 가장 높다는 것을 알 수 있다. 한편, [표 4]에 비교된 바와 같이, 본 실시예와 같이, PP/FastICA를 통해 신호를 분리하고, DDRNN을 통해 관절 각도를 추정하였을 때, 관절 각도 추정의 정확성이 R2 = 0.995 수준으로 실측 값에 거의 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 PP/FastICA 방법과 DDRNN의 콤비네이션을 통해 관절 각도 계산에 엄청난 시너지가 발생한다는 사실을 확인한다고 할 수 있다. As shown in Table 3, it can be seen that the joint angle estimation result using the DDRNN according to the present embodiment is the highest as compared with the artificial neural network using the other concept. On the other hand, as shown in Table 4, when the signal is separated through PP / Fast ICA and the joint angle is estimated through DDRNN as in the present embodiment, the accuracy of the joint angle estimation is at the level of R 2 = 0.995 It was confirmed that the measured value reached almost. This confirms that the combination of the PP / FastICA method and the DDRNN results in a tremendous synergy in the calculation of joint angles.

다시 도 1을 참조하면, 각도 추정기(200)에 추정 계산된 관절(7)의 각도(θ) 값은 각도 제어기(300)로 제공되고 각도 제어기(300)는 해당 각도 추정 값을 피드백 신호로 하여, 기설정된 목표 관절 각도 값을 추종하는 관절의 각도를 만들어 내기 위한 관절 각도 제어 신호를 생성한다. 예를 들어, 관절 각도 제어 신호는 자극 펄스의 크기 및 주기 등을 결정하기 위한 신호일 수 있으며, 관절 각도 제어 신호 생성을 위한 정보는 기구축된 근육이나 신경에 대한 전기 자극 크기에 따른 각도의 관계에 대한 데이터 베이스로부터 도출된다. 1, the angle? Of the joint 7 estimated and calculated in the angle estimator 200 is provided to the angle controller 300, and the angle controller 300 uses the estimated angle value as a feedback signal And a joint angle control signal for generating an angle of the joint following the predetermined target joint angle value. For example, the joint angle control signal may be a signal for determining the magnitude and period of the stimulus pulse, and the information for generating the joint angle control signal may be related to the relationship between the angle of the electrical stimulation to the pre- Is derived from the database.

자극 펄스 생성기(400)는 상기 관절 각도 제어 신호를 기반으로, 각 원위 신경(3, 4)을 자극하여 그에 연결된 근육(5, 6)의 활동을 유발하기 위한 자극 펄스를 생성한다. The stimulus pulse generator 400 generates a stimulus pulse for stimulating each distal nerve 3, 4 and causing the activity of the muscles 5, 6 connected thereto, based on the joint angle control signal.

도 10은 자극 펄스 생성기(400)에서 생성되는 자극 펄스를 나타내는 그래프이다. 도 10의 제일 위에 위치한 플롯이 자극 펄스를 나타낸다. 10 is a graph showing a stimulus pulse generated in the stimulus pulse generator 400. FIG. The plot located at the top of FIG. 10 represents the stimulation pulse.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 자극 펄스는 50 Hz의 반복 주기와 0.4ms의 펄스 폭을 가지며, 100 ㎂의 범위에서 조절되는 사다리꼴 형상(상승 시간: 0.5 s, 지속 시간: 0.2 s, 하락 시간: 0.5 s)의 펄스이다. 펄스는 경골 신경과 비골 신경에 20 s 이상 자극이 가해지도록 제공된다. 10, the stimulation pulses have a repetition period of 50 Hz and a pulse width of 0.4 ms, and a trapezoidal shape (rise time: 0.5 s, duration: 0.2 s, drop time: 0.5 s). Pulses are provided to stimulate the tibial and peroneal nerves over 20 s.

다시 도 1을 참조하면, 전기 자극기(500)는 원위 신경(3, 4) 각각에 설치되는 자극 전극체(21, 22)를 통해 자극 펄스에 대응하는 전기 자극을 원위 신경(3, 4)에 가한다. 이러한, 전기 자극이 가해지면, 경골 신경(3)과 비골 신경(4)으로부터 좌골 신경(2)으로 전달되는 경골 신경 신호와 비골 신경 신호에는 근육의 움직임에 의해 발생하는 것이 아닌 전기 자극에 의한 일종의 교란 신경 신호가 섞이게 된다. 5-채널 신경 신호에는 이러한 교란 신경 신호가 포함되게 되고, 교란 신경 신호는 관절 각도 추정의 정확도를 떨어뜨리는 요소가 된다. Referring again to FIG. 1, the electrical stimulator 500 receives electric stimuli corresponding to the stimulation pulses through the stimulating electrodes 21, 22 provided on each of the distal nerves 3, 4 to the distal nerves 3, 4 . When electrical stimulation is applied, tibial nerve signals and peroneal nerve signals transmitted from the tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4) to the sciatic nerve (2) are transmitted through a kind of electrical stimulation Disturbing nerve signals are mixed. The 5-channel neuron signal contains this disturbed nerve signal, and the disturbed nerve signal is a factor that reduces the accuracy of the joint angle estimation.

따라서, 본 실시예에 따르면, 자극 펄스 생성기(400)는 자극 펄스의 주기에 대응하는 소거 신호(blanking signal)를 생성하여 신호 처리기(100)에 전달하고, 신호 처리기(100)는 상기 소거 신호를 근위 신경 신호에 중첩하여, 전기 자극에 의해 발생하는 교란 신경 신호를 제거한다. Accordingly, according to the present embodiment, the stimulus pulse generator 400 generates and transmits a blanking signal corresponding to the period of the stimulation pulse to the signal processor 100, and the signal processor 100 generates the erase signal Overlapping the proximal nerve signal removes disturbing nerve signals caused by electrical stimulation.

도 10을 참조하면, 소거 신호는 6 ms의 기간 동안 신경 신호를 그라운드(ground) 상태로 만들어 각각의 자극에 대한 영향을 제거한다. 따라서, 도 10의 가장 아래 도시된 바와 같이, 14 ms 동안의 교란이 제거된 다채널의 소거 신경 신호가 얻어진다. Referring to FIG. 10, the erase signal turns the nerve signal to a ground state for a period of 6 ms, thereby eliminating the influence on each stimulus. Thus, as shown at the bottom of FIG. 10, a multi-channel eraser nerve signal with 14 millisecond disturbances removed is obtained.

이러한 소거 신경 신호에 상술한 각도 추정 방법을 적용하여 관절의 각도를 추정하는 타당성을 검증하기 위하여, 검증 시스템을 구성하였다. To verify the validity of estimating the angles of the joints by applying the angular estimation method described above to such erase nerve signals, a verification system was constructed.

도 11은 일 예에 따른 검증 시스템의 개념도이다. 11 is a conceptual diagram of a verification system according to an example.

도 11에 도시된 바와 같이, 도 1의 관절 각도 검출 시스템에 더하여, 고니오미터(32)를 이용한 각도계를 사용하여, 경골 신경(3)과 비골 신경(4)에 전기 자극을 가하면서 나타나는 관절 각도를 실측하였다. As shown in Fig. 11, in addition to the articulation angle detection system of Fig. 1, joints appearing by applying electric stimulation to the tibial nerve 3 and the peroneal nerve 4, using a goniometer 32, The angle was measured.

도 12는 전기 자극에 따라 실측되는 발목 각도와, 이때 수집되는 5-채널 신경 신호(다채널 커프 기록)를 나타낸 그래프이다. 12 is a graph showing an ankle angle measured according to an electric stimulus and a 5-channel neural signal (multi-channel cuff recording) collected at this time.

경골 신경(3)과 비골 신경(4) 각각에 사다리꼴 파형의 전기 자극을 가하였으며, 발목 각도는 60° 범위에서 변화하도록 제어하였다. 신경근육 시스템의 비선형 특성으로 인해 실측되는 발목 각도는 대칭성이 없는 형태가 나타나는 것을 알 수 있다. Trapezoidal electrical stimulation was applied to the tibial nerve (3) and the peroneal nerve (4), respectively, and the ankle angle was controlled to vary in the range of 60 °. It can be seen that the ankle angle measured by the nonlinear characteristic of the neuromuscular system shows a shape without symmetry.

상술한 바와 같이, 소거 신호를 이용해 교란 신호를 제거하여 5-채널 신경 신호는 교란 신호가 제거된 소거 신경 신호로 얻어졌다. 이러한 5-채널 신경 신호에 앞서 설명한 PP/FastICA 방법과 DDRNN을 이용해 관절 각도를 추정하고 실측된 발목 각도와 비교하였다. As described above, the erase signal was used to remove the disturbance signal, and the 5-channel neural signal was obtained as the eraser nerve signal from which the disturbance signal was removed. The joint angles were estimated using the PP / FastICA method and DDRNN described above for these 5-channel neural signals and compared with the measured ankle angles.

도 13은 5-채널 소거 신경 신호로부터 분리된 경골 신경 신호 및 비골 신경 신호와, 해당 두 신경 신호로부터 추정된 발목 각도를 나타낸 그래프이다. 도 13에서 회색 선은 RBI 값을 나타낸다. 실측된 발목 각도와 추정된 발목 각도의 유사도를 비교하였을 때, R2 = 0.981로 매우 높은 유사도를 보이는 것으로 나타났다. 이는, FNS 시스템을 구성하여, 전기 자극을 수행하는 시스템에서도 본 실시예에 따른 관절 추정 방법이 유효하게 적용될 수 있음을 검증하는 것이다. 13 is a graph showing tibial nerve signals and peroneal nerve signals separated from the 5-channel eraser nerve signals and ankle angles estimated from the corresponding nerve signals. In Fig. 13, the gray line indicates the RBI value. When the measured ankle angle is compared with the estimated ankle angle, R 2 = 0.981, indicating a very high degree of similarity. This is to verify that the joint estimation method according to the present embodiment can be effectively applied to a system that constitutes the FNS system and performs electrical stimulation.

본 실시예에 따른 관절 각도 검출 시스템(1)은 좌골 신경과 같은 원위 신경에 이식되는 다채널 전극체를 이용해 신경 신호를 수집하고, 이를 분리하여 관절 각도를 검출하여 제어하므로, 전극체 이식을 위한 공간 확보에 매우 유리하다.The joint angle detection system 1 according to the present embodiment collects nerve signals using a multi-channel electrode body that is implanted in a distal nerve such as a sciatic nerve, separates the nerve signals, and detects and controls joint angles. It is very advantageous in securing space.

이식형 다채널 전극체를 이용해 관절 각도를 예측하므로, 고니오미터와 같은 미용을 크게 해칠 수 있는 장치를 구비하지 않고도 FNS 시스템을 구축할 수 있게 된다. Since the articulated angle is predicted using the implantable multi-channel electrode body, it is possible to construct the FNS system without a device that can seriously harm beauty such as a goniometer.

또한, PP/FastICA 기법과 DDRNN을 혼합해 이용하면 매우 높은 정확도를 가지고 관절 각도를 추정할 수 있다는 점을 밝혔다. PP/FastICA 기법과 DDRNN는 전기 자극이 실시간으로 이루어지는 FNS 시스템에서도 유용하게 이용될 수 있다는 점 역시 검증하였다. In addition, we found that using a combination of PP / FastICA and DDRNN can estimate joint angles with very high accuracy. The PP / FastICA technique and DDRNN have also proven to be useful in FNS systems where electrical stimulation is real-time.

본 실시예와 같이, 관절 각도 검출 시스템(1)을 다리의 발목 관절의 각도를 추정하여 발목 관절의 각도를 제어하는데 적용하면, 생체의 보행 및 균형을 효과적으로 유지할 수 있게 해준다. As in the present embodiment, when the joint angle detection system 1 is used to control the angle of the ankle joint by estimating the angle of the ankle joint of the leg, the walking and balance of the living body can be effectively maintained.

다만, 관절 각도 검출 시스템(1)은 다리에 적용되는 것으로 한정되지 않으며, 좌골 신경과 경골 신경 및 비골 신경과 같이 근위 신경으로부터 분기되는 복수의 원위 신경에 연결된 근육들의 움직임으로 관절의 각도가 결정되는 다양한 생체 기관에 적용되어 해당 관절의 각도를 검출하고 제어하도록 함으로써, 신체 활동에 도움을 줄 수 있다. However, the articulation angle detection system (1) is not limited to being applied to the legs, and the angle of the joint is determined by movement of muscles connected to a plurality of distal nerves that branch from the proximal nerve, such as the sciatic nerve, the tibial nerve, and the peroneal nerve By applying to various bio-organs to detect and control the angle of the joint, it can help with physical activity.

아울러, 분리되는 신호는 2개로 한정되지 않으며, n개 채널을 통해 수집되는 근위 신경 신호로부터 m개(m은 1보다 큰 자연수)의 신경 신호를 분리 추출함으로써, m개의 독립된 원위 신경에 의해 작동하는 관절의 각도를 추정할 수 있을 것이다. In addition, the separated signals are not limited to two, and m separate signals (m is a natural number greater than 1) are extracted from the proximal nerve signals collected over n channels, so that they are operated by m independent distal nerves The angle of the joint will be estimated.

Claims (12)

근위 신경으로부터 분기되는 복수의 원위 신경에 연결된 근육들의 움직임으로 관절의 각도가 결정되는 생체에서, 상기 관절의 각도를 검출하기 위한 관절 각도 검출 시스템으로서,
상기 근위 신경에 설치되어 근위 신경의 신경 신호("근위 신경 신호")를 수집하는 수집 전극체;
상기 근위 신경 신호를 분석하여 상기 관절의 각도를 추정하는 각도 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
A joint angle detection system for detecting an angle of a joint in a living body in which an angle of a joint is determined by movement of muscles connected to a plurality of distal nerves branched from the proximal nerve,
A collecting electrode body installed on the proximal nerve to collect nerve signals of the proximal nerve (" proximal nerve signal ");
And an angle estimator for analyzing the proximal nerve signal to estimate an angle of the joint.
제1항에 있어서,
상기 각도 추정기는,
상기 근위 신경 신호에서 각각의 원위 신경들로부터 상기 근위 신경으로 전달되는 구심성 신경 신호("원위 신경 신호")들을 분리 추출하고,
기학습된 원위 신경 신호들과 관절의 각도의 상관 관계를 이용해, 추출된 원위 신경 신호들로부터 관절의 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the angle estimator comprises:
(&Quot; distal nerve signals ") from each of the distal nerves in the proximal nerve signal to the proximal nerve,
Wherein the angle of the joint is estimated from the extracted distant nerve signals using the correlation between the learned nerve signals and the angles of the joints.
제2항에 있어서,
상기 수집 전극체는 n개(n은 2보다 큰 자연수)의 채널을 구비는 다채널 전극체이고,
상기 근위 신경 신호는 n개의 채널 신경 신호로 수집되는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the collecting electrode body is a multi-channel electrode body having n channels (n is a natural number greater than 2)
Wherein the proximal nerve signal is collected into n channel neural signals.
제3항에 있어서,
상기 관절의 움직임에는 m개(m은 1보다 큰 자연수)의 원위 신경이 관여하고,
상기 각도 추정기는,
고차의 신호를 저차의 신호로 투영하는 투영 추적(PP; projection pursuit) 기법과, 복수의 신호의 직교하는 로테이션(orthogonal rotation)을 찾아내는 빠른 독립 성분 분석(FastICA; fast independent component analysis) 기법을 함께 적용하여, 각 원위 신경으로부터 유발된 m개의 독립된 원위 신경 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
The method of claim 3,
The movement of the joint involves m (n is a natural number greater than 1) distal nerves,
Wherein the angle estimator comprises:
Projection tracking (PP) technique for projecting higher order signals to lower order signals and Fast Independent Component Analysis (Fast ICA) for finding orthogonal rotations of multiple signals are applied together. And extracting m independent independent nerve signals induced from each distal nerve.
제2항에 있어서,
상기 각도 추정기는,
추출된 원위 신경 신호들과 기추정된 관절의 각도를 입력 값으로 하는 인공 신경 네트워크를 통해 현재의 관절의 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the angle estimator comprises:
Wherein the angle of the current joint is estimated through the artificial neural network having the extracted distant nerve signals and the estimated joint angle as the input values.
제5항에 있어서,
상기 인공 신경 네트워크는, 현재 추정된 관절의 각도 값을 피드백하여 입력값으로 이용하는 순환 신경 네트워크인 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the artificial neural network is a circular neural network that feeds back an estimated angle value of a joint and uses the angle as an input value.
제2항에 있어서,
상기 각도 추정기는,
상기 근위 신경 신호를 독립된 원위 신경 신호들로 분리하는 신경 신호 분리 모듈;
상기 원위 신경 신호들로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈;
노이즈가 제거된 원위 신경 신호들로부터 상기 관절의 각도를 추정하는 각도 추정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the angle estimator comprises:
A neural signal separation module for separating the proximal nerve signal into independent distal nerve signals;
A noise removal module for removing noise from the distal nerve signals;
And an angle estimation module for estimating an angle of the joint from the noise-removed distal nerve signals.
제1항에 있어서,
추정된 관절의 각도 값을 피드백 신호로 하여, 기설정된 목표 각도 값을 추종하는 관절의 각도를 만들어내기 위한 관절 각도 제어 신호를 생성하는 각도 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
The method according to claim 1,
And an angle controller for generating a joint angle control signal for generating an angle of the joint following the predetermined target angle value by using the estimated joint angle value as a feedback signal.
제8항에 있어서,
상기 관절 각도 제어 신호를 기반으로, 각 원위 신경을 자극하여 그에 연결된 근육의 활동을 유발하기 위한 자극 펄스를 생성하는 자극 펄스 생성기;
상기 자극 펄스에 대응하는 전기 자극을 원위 신경 각각에 설치되는 자극 전극체을 통해 원위 신경에 가하도록 하는 전기 자극기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
9. The method of claim 8,
A stimulation pulse generator for generating a stimulation pulse for stimulating each distal nerve based on the joint angle control signal to induce activity of muscles connected thereto;
Further comprising an electric stimulator for applying an electric stimulus corresponding to the stimulation pulse to the distal nerve through a stimulating electrode body provided on each of the distal nerves.
제9항에 있어서,
근위 신경 신호를 전처리하여 상기 각도 추정기로 전달하는 신호 처리기를 더 포함하고,
상기 자극 펄스 생성기는, 상기 자극 펄스의 주기에 대응하는 소거 신호(blanking signal)를 생성하여 상기 신호 처리기에 전달하고,
상기 신호 처리기는 상기 소거 신호를 상기 근위 신경 신호에 중첩하여, 전기 자극에 의해 발생하는 교란 신경 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
10. The method of claim 9,
Further comprising: a signal processor for preprocessing the proximal nerve signal and delivering it to the angular estimator,
Wherein the stimulus pulse generator generates a blanking signal corresponding to the period of the stimulation pulse and transmits the blanking signal to the signal processor,
Wherein the signal processor superimposes the erase signal on the proximal nerve signal to remove the disturbing nerve signal generated by the electrical stimulation.
제1항에 있어서,
상기 근위 신경은 좌골 신경이고,
상기 원위 신경들은 상기 좌골 신경으로부터 분기되는 경골 신경과 비골 신경이며,
다리의 발목 관절의 각도를 추정하여 생체의 보행 및 균형 유지를 제어하는데 이용하는 것을 특징으로 하는 관절 각도 검출 시스템.
The method according to claim 1,
The proximal nerve is the sciatic nerve,
The distal nerves are tibial nerve and peroneal nerve branching from the sciatic nerve,
And the angle of the ankle joint of the leg is estimated to control the walking and balancing of the living body.
제1항에 있어서,
상기 수집 전극체는, 복수의 전극이 복수의 채널을 형성하고, 상기 원위 신경의 외주를 말아 연결되는 커프형 전극체인 것을 특징으로 하는 관절 검출 제어 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the collecting electrode body is a cuff-shaped electrode in which a plurality of electrodes form a plurality of channels, and the outer periphery of the distal nerve is curled.
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