KR20220053746A - 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템에 있어서, 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부; 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부; 및 상기 근육에 대하여 상기 전기자극부에 의한 전기자극과 상기 진동자극부에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 대한 것이다.
기능적 전기 자극기(Fuctional electrical stimulation)(이하 FES라 함)는 마비된 근육에 적절한 강도의 전기자극을 순차적으로 가하여 주어진 기능을 수행하도록 하는 치료기를 말한다. 다시 말해, FES는 근육을 움직이게 하는 전기 자극을 주어 근육이 제 기능을 할 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 근육이 상부운동신경계와 단절된 뒤 나타나는 근위축을 방지하거나 지연시켜 근육의 기능이 퇴화하는 것을 막고, 근육이 가지는 본래의 운동 기능을 지속할 수 있도록 재교육하는 효과를 가진다.
FES를 이용함에 있어서, 근수축의 조절은 상지 및 하지에 따라 다른 전기 자극 빈도로 조절한다. 일반적으로 저주파 자극이 이용되며 이는 근육의 피로를 최소화하고 지속적인 기능 수행을 가능하게 하기 때문이다. 자극 빈도 이외에도 자극의 진폭과 파동 지속시간으로 조절된다. 지속적인 전기 자극으로 조직 내로 이동하는 전하량이 증가하여 전기장이 넓어지고, 보다 많은 수의 운동 단위를 동원하여 근수축력을 강화할 수 있다.
기존의 FES는 단상성 전류를 사용할 경우 반복적인 자극으로 세포와 조직의 손상될 가능성이 있으며(주진원 외 8명, "醫用電流가 人體에 미치는 影響에 대한 文獻 考察", 대한침구학회지 132 pp335~366, 199612 참조), 자극빈도를 높일 경우 강한 근수축을 얻을 수 있지만 쉽게 피로해질 수 있으므로 장시간 수축을 유지하기 어려운 단점이 있다(정호춘 외4명, "족하수 환자의 보행보조를 위한 피드백 제어형 전기자극기 개발", 의공학회지20(2), 183-190, 1999년 참조)
또한 전기 치료시 통증이 동반될 수 있으며, FES 치료를 중단하면 없어지는 경우가 대부분이다. 하지만 이는 지속적인 치료를 이행하지 못하는 문제로 직면하게 되며, 또한 전기 자극에 의한 피부의 과민 반응이 유도되는 부작용을 발생한다,
현재시판 중인 마비 환자의 운동 기능 회복을 위한 제품 대부분은 FES 자극에 의한 근피로 회복에 대하여 고려되어 있지 않으며 일반적으로 사용하는 EMS 방식만이 적용되고 있다.
FES는 전기적 신호로 근육을 직접적으로 자극하여 적은 힘으로 높은 토크를 낼 수 있다는 점에 있어 이점을 가지지만, 근육에 피로도가 누적된다는 문제점이 있어 시간이 지남에 따라 효율이 떨어지는 모습을 보이게 된다. 즉, FES를 이용하여 근육을 자극할 경우 쉽게 관절을 움직일 만한 힘을 줄 수 있으나 근육에 FES에 의한 근육의 피로도가 누적되기 때문에 사용이 지속됨에 따라 근육이 원하는 힘을 낼 수 없게 된다.
따라서 FES와 함께 교차적으로 하지근육에 진동자극을 가해주어 근육에 쌓인 피로도를 줄여줄 수 있는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법의 개발이 요구되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 사람의 보행을 전기적 신호를 이용해 사람의 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극(Functional Electrical System, FES)과 진동 자극으로 근육의 피로도를 줄여주는 통합 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고 단계별로 FES와 진동 자극을 교차로 가해주며, 근전도(Electromyography, EMG)신호를 기반으로 근육의 실시간 피로도를 측정하고 이에 따라 동작에 요구되는 토크에 맞춘 각각 자극의 세기 조절이 이루어지고, 피드백 시스템은 중앙 컨트롤 PC에서 제어되며, 사용자의 목적에 따라 지속 보행 모드, 고강도 보행 모드의 두 가지 모드로 작동, 제어될 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고, 단계에 따라서 FES와 진동 자극을 교차로 작동시켜 FES로 원하는 토크를 얻어냄과 동시에 진동 자극으로 피로도를 줄여주는 기능을 수행할 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
현재 시중에 있는 여러 자극기들은 피드백이 없이 단순 몇 가지의 모드 선택으로 openloop 구동만 가능한 경우가 많으나 본 발명의 실시예에 따르면, 실시간의 피로도 데이터를 PC로 수신하여 그에 맞춰 FES와 진동 자극의 세기를 제어할 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 뇌졸중이나 척수손상 환자의 재활에 사용할 수 있고, 초기 환자뿐만 아니라 만성 환자의 재활치료에도 적용 가능하며, 스스로 거동이 힘든 환자에게 착용시켜 일상생활에서의 직립 자세의 움직임을 보조해줄 수 있는, 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템에 있어서, 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부; 상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부; 및 상기 근육에 대하여 상기 전기자극부에 의한 전기자극과 상기 진동자극부에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 진동자극부와, 상기 전기자극부는 복수의 근육 각각에 부착되며, 상기 제어부는 상기 근육의 긴장상태에서 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에서 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 운동패턴을 분석하는 패턴분석부를 더 포함하고, 패턴분석부는 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하고, 제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 피로도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고, 고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 운동을 보행운동이고, 상기 전기자극부와 상기 진동자극부 각각은 앞정강근과 가재미근 각각에 부착되며, 상기 패턴분석부는 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 피로도측정부는 EMG 측정부를 포함하며, 전기자극이 인가되는 상태에서 EMG m-wave 상에서의 최대피크값과 최소피크값의 진폭과, 그래프 넓이값을 기반으로 피로도데이터를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 방법에 있어서, 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 근육에 부착하는 단계; 및 사용자 운동시, 긴장상태의 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태의 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 패턴분석부가 운동패턴를 분석하여, 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하는 단계를 더 포함하고, 상기 감소시키는 단계에서, 제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 감소시키는 단계는, 피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 보행운동시 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 방법에 있어서, 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 앞정강근과 가재미근 각각에 부착하는 단계; 패턴분석부가 사용자의 보행패턴을 분석하여, 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 단계; 제어부가 제1단계에서 앞정강근에 진동자극을 부여하고 가재미근에 전기자극이 인가되도록 하고, 제2단계에서 가재미근에 진동자극을 부여하고 앞정강근에 전기자극이 인가되도록 전기자극부와 진동자극부를 제어하는 단계; 피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 제어부가 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고, 고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고 단계별로 FES와 진동 자극을 교차로 가해주며, 근전도(Electromyography, EMG)신호를 기반으로 근육의 실시간 피로도를 측정하고 이에 따라 동작에 요구되는 토크에 맞춘 각각 자극의 세기 조절이 이루어지고, 피드백 시스템은 중앙 컨트롤 PC에서 제어되며, 사용자의 목적에 따라 지속 보행 모드, 고강도 보행 모드의 두 가지 모드로 작동, 제어될 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 보행주기를 phase 기반의 두 단계로 나누고, 단계에 따라서 FES와 진동 자극을 교차로 작동시켜 FES로 원하는 토크를 얻어냄과 동시에 진동 자극으로 피로도를 줄여주는 기능을 수행할 수 있는 효과를 갖는다.
현재 시중에 있는 여러 자극기들은 피드백이 없이 단순 몇 가지의 모드 선택으로 openloop 구동만 가능한 경우가 많으나 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 실시간의 피로도 데이터를 PC로 수신하여 그에 맞춰 FES와 진동 자극의 세기를 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 뇌졸중이나 척수손상 환자의 재활에 사용할 수 있고, 초기 환자뿐만 아니라 만성 환자의 재활치료에도 적용 가능하며, 스스로 거동이 힘든 환자에게 착용시켜 일상생활에서의 직립 자세의 움직임을 보조해줄 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 인체 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)을 나타낸 모식도,
도 2는 ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어하는 제어부의 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 블록도,
도 4a 내지 도 4d는 보행단계를 한 발 기준으로 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff의 4단계로 분류한 각 단계별 측면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1단계와 제2단계에서의 가재미근(Soleus)과, 앞정강근(TIBA)각각에 대한 전기자극과 진동자극 세기 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 신호 흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 피로도가 증가한 경우, 단순보행모드와 고강도보행모드에서의 진동자극, 전기자극 세기 변화 그래프
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1은 인체 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)을 나타낸 모식도,
도 2는 ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어하는 제어부의 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 블록도,
도 4a 내지 도 4d는 보행단계를 한 발 기준으로 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff의 4단계로 분류한 각 단계별 측면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1단계와 제2단계에서의 가재미근(Soleus)과, 앞정강근(TIBA)각각에 대한 전기자극과 진동자극 세기 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 신호 흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 피로도가 증가한 경우, 단순보행모드와 고강도보행모드에서의 진동자극, 전기자극 세기 변화 그래프
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템은, 사람의 보행을 전기적 신호를 이용해 사람의 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극(Functional Electrical System, FES)과 진동 자극으로 근육의 피로도를 줄여주는 통합 시스템에 해당한다.
도 1은 인체 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)을 나타낸 모식도를 도시한 것이고, 도 2는 ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어하는 제어부의 모식도를 도시한 것이다. 기능적 전기자극(FES)과 진동 자극은 도 1의 두 가지 하지근육인 앞정강근(Tibialis Anterior, TIBA)과 가재미근(Soleus)에 가해지고, 도 2에 도시된 바와 같이, ARDUINO 33 IOT 보드를 통해 PWM 신호로 제어한다. 보행 사이클을 두 가지 단계로 나누고 전기자극을 가해줄 때 반대편 근육에는 진동 자극을 가해주며 피로도를 줄여주는 작용을 하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템으로서, 전기자극부(10)와 진동자극부(20), 제어부(30), 피로도측정부(50), 패턴분석부(40) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
전기자극부(10)는 인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호(FES)로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 한다. 또한 진동자극부(20)는 근육 측에 부착되어 근육에 진동을 인가시키도록 구성된다.
제어부(30)는 전기자극 컨트롤러(31)과 진동자극 컨트롤러(32)를 포함하며, 근육에 대하여 전기자극부(10)에 의한 전기자극과 진동자극부(20)에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어한다.
이러한 진동자극부(20)와, 전기자극부(10)는 복수의 근육 각각에 부착되게 된다. 따라서 제어부(30)는 긴장상태의 근육에 전기자극부(10)를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 근육의 이완상태에서 진동자극부(20)를 작동시켜 근육의 피로도를 감소시키게 된다.
패턴분석부(40)는 운동패턴을 분석하게 된다. 이러한 운동패턴은 1주기당 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하게 된다.
제어부(30)는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 전기자극부(10)를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 진동자극부(20)를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키게 된다. 또한 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 진동자극부(20)를 작동시켜 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 전기자극부(10)를 작동시켜 근육 토크를 발생시키게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템(100)은 피로도 측정부(50)를 포함하여 구성된다. 이러한 피로도 측정부(50)는 전기자극부(10)에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 근육의 피로도를 실시간으로 측정하게 된다.
그리고 제어부(30)는 피로도 측정부(50)에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 전기자극부(10)를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 진동자극부(20)를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하게 된다.
구체적으로 제어부(30)는 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 진동자극부(20)를 제어하게 된다.
이하에서는 앞서 언급한 운동이 보행운동에 해당하는 경우를 예시로 하여 실시예를 설명하도록 한다. 먼저, 도 4a 내지 도 4d는 보행단계를 한 발 기준으로 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff의 4단계로 분류한 각 단계별 측면도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1단계와 제2단계에서의 가재미근(Soleus)과, 앞정강근(TIBA)각각에 대한 전기자극과 진동자극 세기 그래프를 도시한 것이다.
또한 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템의 신호 흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
그리고 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프를 도시한 것이다. 또한 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 피로도가 증가한 경우, 단순보행모드와 고강도보행모드에서의 진동자극, 전기자극 세기 변화 그래프를 도시한 것이다.
또한 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 앞서 언급한 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부(10)와, 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부(20) 각각을 앞정강근(2)과 가재미근(3) 각각에 부착한다.
그리고 패턴분석부(40)가 사용자의 보행패턴을 분석하게 된다(S1). 구체적으로 앞정강근(2)과 가재미근(3)의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근(2)이 이완되고 가재미근(3)이 긴장되는 제1단계와, 앞정강근(2)이 긴장되고 가재미근(3)이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하게 된다.
도 4a 내지 도 4d는 한 발 기준으로 위와 같이 Heelstrike, Footflat, Midstance, Pushoff로 분류될 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 근육의 긴장, 이완상태를 기반으로 Heelstrike, Footflat를 제1단계로 분류하고, Midstance, Pushoff를 제2단계로 분류하게 한다.
즉, Heelstrike, Footflat(제1단계)에서는 앞정강근(2)이 이완되고 가재미근(3)이 긴장되고, Midstance, Pushoff(제2단계)에서는 앞정강근(2)이 긴장되고 가재미근(3)이 이완되게 된다.
이러한 패턴분석부(40)는 FSR센서(41)를 족압센서 형태로 발바닥 측에 부착하여 압력분포 분석을 통해 측정될 수 있다.
그리고 제어부(30)는 제1단계에서 앞정강근(2)에 진동자극을 부여하고 가재미근(3)에 전기자극이 인가되도록 하고, 제2단계에서 가재미근(3)에 진동자극을 부여하고 앞정강근(2)에 전기자극이 인가되도록 전기자극부(10)와 진동자극부(20)를 제어하게 된다(S3).
그리고 피로도 측정부(50)는 전기자극부(10)에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 근육의 피로도를 실시간으로 측정하게 된다(S4).
근육의 지속적인 운동에 의한 피로도 분석은 다양한 방법이 있지만 가장 실용적인 방법은 표면 근전도(Electromyogram, EMG)(51)을 분석하는 방법이다. 일반적으로 근육이 피로해지면 peak 분포가 커지며 주파수가 낮아지게 되는데 이러한 특징들을 EMG(51) 측정을 통해 확인할 수 있다. 주요 근육의 피로도 변화는 다음과 같다.
(1) PSD(power spectral density)가 낮은 주파수로 이동한다.
(2) MNF(mean frequency), MDF(median frequency)가 낮은 값으로 이동한다.
(3) RMS 값이 증가한다.
(4) 높은 EMG 피크의 수가 증가한다.
본 발명의 실시예에서는 2번 및 4번의 방법을 이용하여 피로도를 측정하고 이를 전기자극 및 진동 자극 제어에 반영한다.
전기자극(FES)의 인가 시에도 피로도를 측정하는 것이 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 FES 자극이 인가되는 상태에서의 EMG, M-wave 그래프를 나타낸 것으로, 전기자극(FES)을 사용할 경우에는 EMG data에 근육의 자극을 유발하기 위한 신호가 FES artifact 의 형태로 측정되게 되는데, 이것이 발생한 후 근육에 유도되는 M-wave 의 변화를 측정하여 피로도를 추정할 수 있다. 대표적으로 많이 사용되는 두가지 지표는 M-wave의 peak-to-peak amplitude(PtpA) 와 Area이다. 근육이 피로해지면 이 두가지 지표(peak-to-peak amplitude(PtpA), Area)가 상승하게 되고 운동 전후의 차이는 피로도의 값으로 사용 가능하다.
제어부(30)는 실시간으로 EMG 데이터를 수집하여 피로도를 계산하고 일정 수치가 넘어가면 진동 자극의 세기를 강하게 하여 피로도를 더 빠르게 줄여줄 수 있도록 진동자극부(20)를 제어하게 된다(S5). 또한 피로도가 늘어남에 따라 근육이 충분한 토크를 만들어낼 수 없게 될 수 있으므로 이에 따라 전기 자극의 세기를 더 강하게 할 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어부는 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 단순보행모드에서는 인가되는 진동자극의 세기만 증가되도록 진동자극부(20)를 제어하게 됨을 알 수 있다. 반면, 고강도 보행모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 전기자극부(10)를 제어하고 동시에, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 진동자극부(20)를 제어하게 됨을 알 수 있다.
즉, 사용자의 목적에 따라 자극 조정의 방식을 단순 보행모드와 고강도 보행모드로 나눌 수 있으며, 단순 보행 모드의 경우 피로도가 늘어남에 따라 진동자극의 세기만 크게 하여 전기자극으로 유발된 피로도를 줄여주는 역할을 하게 한다. 반면 고중량을 들고 가는 등 지속적으로 큰 힘을 내야 하는 고강도 보행 모드의 경우 피로도가 늘어남에 따라 진동자극과 전기자극(FES) 두 가지의 세기를 모두 늘려 지속적으로 높은 힘을 낼 수 있게 한다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:하지
2:앞정강근
3:가재미근
10:전기자극부
20:진동자극부
30:제어부
31:전기자극컨트롤러
32:진동자극컨트롤러
40:패턴분석부
41:FSR
50:피로도측정부
51:EMG
100:사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템
2:앞정강근
3:가재미근
10:전기자극부
20:진동자극부
30:제어부
31:전기자극컨트롤러
32:진동자극컨트롤러
40:패턴분석부
41:FSR
50:피로도측정부
51:EMG
100:사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템
Claims (14)
- 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 시스템에 있어서,
인체의 근육 측에 부착되어 전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부;
상기 근육 측에 부착되어 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부; 및
상기 근육에 대하여 상기 전기자극부에 의한 전기자극과 상기 진동자극부에 의한 진동자극을 교차로 인가하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 진동자극부와, 상기 전기자극부는 복수의 근육 각각에 부착되며,
상기 제어부는 상기 근육의 긴장상태에서 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에서 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 2항에 있어서,
운동패턴을 분석하는 패턴분석부를 더 포함하고,
패턴분석부는 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하고,
제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 피로도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 4항에 있어서,
상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우,
일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고,
고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 7항에 있어서,
상기 운동을 보행운동이고,
상기 전기자극부와 상기 진동자극부 각각은 앞정강근과 가재미근 각각에 부착되며,
상기 패턴분석부는 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 제 5항에 있어서,
상기 피로도측정부는 EMG 측정부를 포함하며,
전기자극이 인가되는 상태에서 EMG m-wave 상에서의 최대피크값과 최소피크값의 진폭과, 그래프 넓이값을 기반으로 피로도데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어시스템.
- 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 방법에 있어서,
전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 근육에 부착하는 단계; 및
사용자 운동시, 긴장상태의 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태의 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
- 제 10항에 있어서,
패턴분석부가 운동패턴를 분석하여, 상기 운동패턴에서 근육의 긴장상태와 이완상태에 기반하여 제1단계와 제2단계로 분류하는 단계를 더 포함하고,
상기 감소시키는 단계에서, 제어부는 제1단계에서 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키고, 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 제2단계에서 이완상태에 있는 근육에 상기 진동자극부를 작동시켜 상기 근육의 피로도를 감소시키고, 긴장상태에 있는 근육에 상기 전기자극부를 작동시켜 근육 토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 감소시키는 단계는,
피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및
상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
- 보행운동시 근육의 움직임을 만들어내는 기능적 전기자극과 근육의 피로를 감소시키는 진동자극을 제어하는 방법에 있어서,
전기적 신호로 근육을 자극하여 토크를 발생시켜 근육의 기능을 하도록 하는 전기자극부와, 상기 근육에 진동을 인가시키는 진동자극부 각각을 앞정강근과 가재미근 각각에 부착하는 단계;
패턴분석부가 사용자의 보행패턴을 분석하여, 앞정강근과 가재미근의 긴장, 이완 상태를 기반으로 1싸이클에서 앞정강근이 이완되고 가재미근이 긴장되는 제1단계와 앞정강근이 긴장되고 가재미근이 이완되는 제2단계로 패턴을 분류하는 단계;
제어부가 제1단계에서 앞정강근에 진동자극을 부여하고 가재미근에 전기자극이 인가되도록 하고, 제2단계에서 가재미근에 진동자극을 부여하고 앞정강근에 전기자극이 인가되도록 전기자극부와 진동자극부를 제어하는 단계;
피로도 측정부가 상기 전기자극부에 의한 전기자극이 인가되고 있는 상태에서 상기 근육의 피로도를 실시간으로 측정하는 단계; 및
상기 제어부는 상기 피로도 측정부에서 측정된 피로도데이터를 기반으로 상기 전기자극부를 제어하여 인가되는 전기자극의 세기를 조절하고, 상기 진동자극부를 제어하여 인가되는 진동자극의 세기를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
- 제 13항에 있어서,
상기 제어부가 상기 피로도데이터가 설정된 특정값을 초과하는 경우, 일반모드에서는 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하고, 고강도 모드에서는 인가되는 전기자극의 세기가 증가되도록 상기 전기자극부를 제어하고 또한, 인가되는 진동자극의 세기가 증가되도록 상기 진동자극부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 피로도 기반의 기능적 전기자극과 진동자극 제어방법.
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