KR20240024481A - 신체 부착형 근전도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근육의 신호를 감지하여 근육의 수축 및 이완 정도를 제공하는 근전도 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신체 부착하는 근전도 센서에 있어서, 특히 절단 환자의 로봇다리를 물리적으로 연결해주는 소켓에 있어서 소켓 내부에 보다 자연스럽게 부착되어 착용감을 향상할 수 있도록 매우 얇게 형성되고, 또한 근육의 움직임에 따라 자연스럽게 신축되도록 신축성이 있으면서, 땀과 같은 분비물을 효과적으로 배출할 수 있도록 통기성 있는 재질로 형성되어, 반복 착용과 장시간 부착이 가능한 신체 부착형 근전도 센서에 관한 것이다.

Description

신체 부착형 근전도 센서{Body-mounted EMG sensors}

본 발명은 근육의 신호를 감지하는 근전도 센서에 관한 것으로, 특히 절단환자가 사용하는 실리콘 소켓 내부에 부착하여 장시간 사용 가능한 신체 부착형 근전도 센서에 관한 것이다.

근전도 센서는 근육의 신호를 감지하여 근육의 수축이나 이완된 정도를 파악할 수 있는 장치이다. 근전도 센서를 통해 획득한 정보는 근육의 상태를 분석하는데 활용될 수 있으며, 또한 신체 절단 환자들의 근육 생체 신호를 기록하여 의도파악 분석에 활용됨으로써, 바이오닉 사지(Bionic Limbs)를 환자의 의도대로 제어하기 위한 기술에 활용될 수 있다.

일반적으로 사용되는 표면 근전도 전극은, 피부에 부착되어 주변 근육섬유에서 발생하는 운동 단위 활동 전위들의 합성된 신호를 측정하고, 이를 통해 근육의 활성화 정도를 파악할 수 있도록 구성된다. 종래의 상용화된 근전도 센서에 대해 일례를 들어 설명하면, 임상에서 사용되는 상용화된 근전도 센서는 Ag-Ag/Cl을 사용하여 전극을 구성하며, 스티커 형식의 일회용 형태로 구성되어, 부착이 용이하고 또한 쉽게 제거할 수 있도록 구성된다. 이때, 전극의 뒷부분에 금속 돌기가 돌출되어 형성되고, 금속 돌기에 스냅 전극을 전기적으로 연결하여 신호를 측정하도록 구성된다. 또한, 임상이나 연구에서 사용되는 근전도 센서들은 목표 근육의 축 방향으로 대략 2cm 정도 간격을 두고 피부에 부착하여, 근육의 활성화 정도를 측정하도록 권고된다.

다만, 종래의 근전도 센서는 일회용이기 때문에, 반복적으로 사용하기 부적합하게 형성되어 있으며, 단순 스티커 형식이기 때문에, 신축성 및 통기성이 없는 재료로 구성되어 있어, 근육의 수축과 이완에 의해 발생하는 피부 표면 변화에 대해서 전극과 피부의 이격으로 인해 노이즈 영향을 많이 받게 된다는 문제점이 있다. 또한, 피부에서 발생하는 땀과 같은 분비물에 대해서 근전도 센서의 부착 부분이 흡수하거나 이를 방출할 수 없는 구조로 구성되기 때문에, 장시간 사용 시 전극의 성능 저하와 피부 트러블을 야기할 수 있다.

더불어, 절단 환자가 로봇 다리를 사용하는 경우에 로봇 다리를 물리적으로 연결해주는 소켓과, 소켓과 피부의 흡착을 위한 실리콘 라이너의 착용이 필수적이다. 이때 상대적으로 무거운 로봇 다리를 고정하기 위해서는 피부와 실리콘 라이너 및 소켓이 매우 밀접하게 접촉을 유지하며 고정되어 있어야 하고, 이에 보행 시 연결 부분의 신체에 강한 압력이 가해지게 된다. 따라서, 절단 환자의 생체 근육 신호를 파악함으로써 환자의 의도대로 바이오닉 사지를 제어할 수 있는 기술에 적용하기 위해서, 절단 환자에게 기존의 상용화된 근전도 센서를 착용하는 것은 큰 불편함을 유발하며, 장기간 착용에도 어려움이 있어, 절단 환자의 생체 근육 신호를 파악하는 과정에 있어 종래의 근전도 센서로는 어려움과 한계가 있다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 신체에 부착하여 근육의 신호를 감지하는 근전도 센서를 제공하기 위한 것으로, 특히 절단 환자의 근육에 부착 후 소켓착용을 가능케 하거나 소켓 내부에 부착하여 사용할 수 있도록 전극의 두께를 최대로 얇게 형성하면서, 근육의 움직임에 의한 피부 표면 변화에 따라 소자가 늘어나도록 신축성이 있어야 하며, 장기간 신체에 부착할 수 있도록 점착성 및 통기성을 포함하는 신체 부착형 근전도 센서를 제공함에 있다.

특히, 로봇 다리를 착용한 절단 환자들의 보행 의지에 따른 생체 근육 신호를 파악하는데 효과적이며, 장기적으로 바이오닉 사지 분야에 적용 가능한 신체 부착형 근전도 센서를 제공함에 있다.

본 발명의 표면 근전도 전극을 포함하여 구성되는 신체 부착형 근전도 센서에 있어서, 상기 표면 근전도 전극은, 하면에 배치되는 필름의 제1전극층; 상기 제1전극층의 상면에 증착되는 금속층; 및 상기 금속층의 상면에 증착되는 제2전극층;를 포함하여 구성되고, 상기 표면 근전도 전극의 하면에, 적어도 다공성 실리콘층을 포함하는 기판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 기판은, 상기 제1전극층의 하면에 코팅되는 실리콘 점착제층; 및

상기 실리콘 점착제층의 하면에 코팅되는 상기 다공성 실리콘층;을 포함하여 구성되고, 상기 기판은 상기 표면 근전도 전극의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 표면 근전도 전극은 상기 기판 내에서, 적어도 한 쌍 이상으로 구성되어 서로 소정 간격 이격되어 배치되며, 각 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극 중 어느 하나는 음극이고, 다른 하나는 양극인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 표면 근전도 전극은, 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극을 연결하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 표면 근전도 전극은 Y축으로의 길이가 X축으로의 길이보다 더 길게 형성되고, 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극은, X축 방향으로 서로 이격되어 배치되며, 각 상기 표면 근전도 전극의 중앙으로부터 사이 거리가 18~20 mm 이내인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 커넥터에, 각 상기 표면 근전도 전극에 대한 전기 도선이 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다공성 실리콘층은, 폴리이미드(PI), 폴리우레탄(PU), 스티렌 부타디엔 스티렌(SBS), 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS), 폴리스티렌(PS), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타그릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 나일론(Nylon), 폴리디메틸실록산(PDMS), 형상기억폴리머(SMP) 및 에코플렉스(ecoflex)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 생성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 금속층은, 상기 제1전극층의 상면에 증착되는 접착층 필름의 제1금속층; 및 상기 제1금속층의 상면에 증착되는 전도층의 제2금속층;을 포함하고, 상기 제1금속층 및 상기 제2금속층은, 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 골드(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 몰리브데넘(Mo), 고전도성 고분자(PEDOT : PSS) 중 적어도 어느 하나 이상의 재료를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층은, 적어도 폴리이미드(polyimide), 폴리카프로락톤(PCL), 형상기억폴리머(SMP) 및 파릴렌(Parylene C)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 생성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 표면 근전도 전극은, 구불구불한 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신체 부착형 근전도 센서는, 상기 표면 근전도 전극 및 상기 기판을 포함하는 두께가 70 ~ 370 ㎛이내인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서는 최대한의 얇은 두께로 형성되어 피부와 밀착접촉이 가능하고, 신축성과 통기성을 포함하고 있어 신체에 부착이 용이하기 때문에 장시간 부착하여 사용하는데 적합하며, 특히 절단환자가 사용하는 소켓 내부에 부착하여 사용될 때, 거부감이 덜하게 부착될 수 있고, 또한 장시간 사용에 신체에서 발생되는 땀과 같은 분비물로부터 자유로워, 보다 안정적인 근육 신호를 수신할 수 있는 효과가 있다.

더불어, 주동근과 길항근에 각각 부착하고, 이를 동시에 기록할 수 있도록 구성됨으로써, 다중채널 동시기록이 가능하다. 또한, 종래의 상용화 제품과 비교하여 특정 움직임에서의 주동근 신호 대비 길항근 신호 비율이 낮아(주동근에 부착한 전극 기준), 신호 기록 간섭이 덜하므로, 보다 정확한 근육 신호 정보를 획득하여 로봇구동에 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 신체 부착형 근전도 센서의 단면도
도 2는 신체 부착형 근전도 센서의 정면도
도 3은 서로 다른 접촉 면적으로 형성되는 표면 근전도 전극의 일실시예
도 4는 도 3의 각 접촉 면적에 따라, X축 및 Y축으로의 인장력에 따른 저항변화 그래프
도 5는 제작된 신체 부착형 근전도 센서의 정면도
도 6은 기판의 기계적 특성의 그래프
도 7은 신체 부착형 근전도 센서의 구성도
도 8은 그라운드 전극의 일실시예
도 9는 주동근(Tibialis Anterior muscle, TA muscle) 및 길항근(Gastrocnemius muscle , GC muscle)에서의 신체 부착형 근전도 센서의 근육 신호 측정 그래프

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 근육의 생체 신호를 기록하여, 이를 임상학적 목적으로 사용할 수 있는 신체 부착형 근전도 센서(1000)로, 파악하고자 하는 근육에 부착될 때 근육의 움직임과 함께 이완되며 근육의 신호를 감지할 수 있도록 신축성이 있으며, 장기간 신체에 부착하여 사용하는데, 신체에서 발생하는 땀과 같은 분비물들을 방출할 수 있도록 통기성이 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는, 표면 근전도 전극(100)을 매우 얇게 형성하여서, 특히 절단 환자의 로봇 다리를 절단 부위에 연결하기 위해 착용하는 소켓과, 상기 소켓을 피부와 고정하기 위해 매우 밀접 접촉을 유지하며 착용하는 실리콘 라이너 사이에 부착하여 사용하는데 있어서 이물감을 최소로 할 수 있어, 소켓 내부에 보다 자연스럽게 부착되어 착용감을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

이에, 도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 표면 근전도 전극(100)을 포함하여 구성되는 신체 부착형 근전도 센서(1000)에 있어서, 상기 표면 근전도 전극(100)은, 하면에 배치되는 필름의 제1전극층(110), 상기 제1전극층(110)의 상면에 증착되는 금속층(120) 및 상기 금속층(120)의 상면에 증착되는 제2전극층(130)을 포함하여 구성되고, 상기 표면 근전도 전극(100)의 하면에, 적어도 다공성 실리콘층(220)을 포함하는 기판(200)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 표면 근전도 전극(100) 및 기판(200)으로 구성되며, 상기 기판(200) 부분을 신체에 부착하여 상기 표면 근전도 전극(100)을 통해 근육의 생체 신호를 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 기판(200) 부분은 적어도 다공성 실리콘층(220)을 포함하고 있어서, 신축성이 있으면서 신체 부착하여 장시간 사용될 때에 신체에서 발생하는 땀과 같은 불순물로부터 통기성을 가지는 것을 특징으로 한다.

보다 상세히 설명하면, 도 1 및 2를 참고하여 설명하면, 표면 근전도 전극(100)은 생체 근육 신호 획득을 위해 생체적합성이 뛰어나면서 안정적이고 미세 패턴이 가능한 전극으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 표면 근전도 전극(100)은 제1전극층(110), 금속층(120) 및 제2전극층(130)이 증착되어 생성되되, 피부 표면의 팽창과 수축에 안정적으로 변화할 수 있도록 소정의 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예로 상기 표면 근전도 전극(100)은 기계적인 응력을 효율적으로 분산시키기 위해 구불구불한 형태(serpentine)의 패턴으로 설계되는 것이 바람직하며, 패턴 밀도를 조정하는 것으로 성능 변화를 수행할 수 있다. 이때, 도 3 에 도시된 바와 같이, 패턴 밀도를 조절함으로써 전극의 접촉 면적을 결정할 수 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 각 X축 및 Y축에 대해서 서로 다른 각 접촉 면적이 형성된 표면 근전도 전극의 인장력에 따른 저항 변화가 발생되게 된다(그래프는, X축은 strain(%)의 정도이고, Y축은 R/R0의 정도를 나타냄). 도 3의 Ground L의 전극 접촉면적은 68.33 ㎟이고, Ground M의 전극 접촉면적은 63.88 ㎟이고, Ground S의 전극 접촉면적은 60.30 ㎟일 수 있다. 본 발명은 상기 표면 근전도 전극(100)이 구불구불한 형태의 패턴으로 형성됨으로써, 1.5배 이상의 변형이 있어도 저항의 변화율이 10% 이하를 유지할 수 있다.

또한, 도 1 및 2를 참고하여 설명하면, 본 발명의 표면 근전도 전극(100)은 제1전극층(110), 금속층(120) 및 제2전극충이 구불구불한 패턴으로 형성되면서, 최소한의 두께로 형성함으로써, 특히 절단 환자의 소켓 내부에 부착하여 사용될 때 신체와 소켓 사이에 보다 밀착되며 착용할 수 있는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 제1전극층(110) 및 상기 제2전극층(130)은 구불구불한 패턴을 형성하면서 안정적이고 미세 패턴이 가능한 재료인 것이 바람직하고, 본 발명의 일례로 상기 제1전극층(110) 및 제2전극층(130)은 폴리이미드(polyimide)를 포함한 유연하고 신축성이 있는 생체적합성 재료를 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속층(120)은 전기화학적으로 안전하고 수명이 길며 전해질의 구성 성분에 무관하여 땀과 같은 분비물들로 인한 신호의 오염을 예방할 수 있는 금속의 재료인 것이 바람직하다. 이때, 상기 금속층(120)은 상기 제1전극층(110)의 상면에 증착되는 필름의 제1금속층과, 상기 제1금속층의 상면에 증착되는 제2금속층을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1금속층은 접착층(Adhesion Layer)으로서, 제1전극층(110)과 상기 제2금속층 사이에 점착성을 늘리기 위한 박막(thin film)인 것으로, 본 발명의 일례로 상기 제1금속층은 타이타늄(Ti)을 포함한 재료일 수 있다. 또한, 상기 제2금속층은 전도층(Conduction Layer)으로서, 실제 근육신호를 기록하는 역할을 수행하며, 금(Au)을 포함한 재료일 수 있고, 상기 제2금속층은 50~1000 ㎚ 정도의 두께로 형성될 수 있다.

도 5를 참고하여 설명하면, 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 표면 근전도 전극(100)의 하면에 다공성 실리콘층(220)을 포함하는 기판(200)을 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 피부에 반복적인 부착과 장기간의 부착이 가능하도록, 근육 표면의 움직임에 따라 신축될 수 있도록 유연하면서 신축성이 있고, 통기성을 가지는 기판(200)을 통해 다층 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 기판(200)은 상기 제1전극층(110)의 하면에 코팅되며, 신축성이 있으면서 통기성을 가지는 실리콘 점착제층(210)과, 상기 실리콘 점착제층(210)의 하면에 코팅되며, 유연하면서 신축성이 있는 다공성 실리콘층(220)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 다공성 실리콘층(220)은 본 발명의 표면 근전도 전극(100)을 피부에 부착하기 위한 것으로, 구불구불한 패턴으로 형성되며 피부의 움직임에 따라 형상이 변형되는 상기 표면 근전도 전극(100)이 형태를 유지하며 피부에 부착되기 위해서 신축성이 있는 재질로 생성되는 것이 바람직하며, 적어도 PDMS의 재료를 포함할 수 있으며, 특히 다공성 기공을 보다 많이 형성할 수 있는 pPDMS(phosphorus PDMS)가 사용될 수 있다. 그러나, 상기 다공성 실리콘층(220)은 폴리이미드(PI), 폴리우레탄(PU), 스티렌 부타디엔 스티렌(SBS), 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS), 폴리스티렌(PS), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타그릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 나일론(Nylon), 폴리디메틸실록산(PDMS), 형상기억폴리머(SMP) 및 에코플렉스(ecoflex)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 대체하여 사용 가능하다. 상기 실리콘 점착제층(210)은 점착성이 있는 재료인 것을 이용하여 상기 제1전극층(110)과 상기 다공성 실리콘층(220)을 서로 연결하고, 또한 신축성이 있으면서도 땀과 같은 분비물에 있어서 통기성을 형성하기 위한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 일례로 Silbione가 사용될 수 있다. 이에, 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 로봇 다리를 신체에 고정하기 위한 소켓과 실리콘 라이너 사이에 이물감을 최소로 하며 부착될 수 있고, 점착성이 있어 반복적인 부착이 가능하며, 통기성이 있어 장시간 착용으로 인해 신체에서 생성될 수 있는 땀과 같은 불순물로부터 수분 투과도가 원활한 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는, 표면 근전도 전극(100)과 기판(200)을 포함하는 두께가 최소한의 두께로 형성됨으로써, 절단 환자의 로봇 다리를 연결하는 소켓 내부에 보다 자연스럽게 밀착되며 부착되어, 착용감을 향상시키기 위한 센서인 것을 특징으로 한다. 이에, 본 발명은 상기 표면 근전도 전극(100)과 기판(200)을 포함하는 두께가 220±150 ㎛ 이내로 형성되며, 특히 350 ㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 실리콘 점착제층(210)은 30~280 ㎛ 이내의 두께일 수 있으며, 보다 상세히 270 ㎛ 정도일 수 있고, 상기 다공성 실리콘층(220)은 40~80 ㎛ 이내의 두께일 수 있으며, 보다 상세히 70 ㎛ 정도일 수 있다. 따라서, 도 6을 참고하여 설명하면, 상기 기판(200)에 의해 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)의 Young's Modulus가, 문헌에서 제시하는 피부의 Young's Modulus인 140~600 kPa와 유사한 범위인 300 kPa 정도를 구현할 수 있게 되어, 다양한 근육 활용에도 밀접한 접촉이 가능하게 된다는 효과가 있다.

더불어, 본 발명은 필요에 따라, 기판(200) 내에서 적어도 하나 이상의 상기 표면 근전도 전극(100)을 배치하는 전극 어레이 형태로 신체 부착형 근전도 센서(1000)를 구성할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 표면 근전도 전극(100)은 크기와 구성이 SENIAM(Surface ElectroMyoGraphy for the Non-Invasive Assessment of Muscles)에서 권장하는 센서의 구성과 설계 지침에 따라 제작될 수 있다. 도 2 및 5를 참고하여 설명하면, 본 발명의 일실시예로 상기 표면 근전도 전극(100)은 신체 부착형 근전도 센서(1000)의 기판(200) 내에서, 한 쌍으로 형성되어 나란하게 배치되고, 한 쌍의 상기 전극이 커넥터(300)에 의해 연결되는 구조로 형성될 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 상기 기판(200)이 상기 표면 근전도 전극(100)의 크기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 기판(200)은 복수의 상기 표면 근전도 전극(100)을 수용할 수 있는 크기인 것이 적절하며, 상기 기판(200) 내에서 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100)이 서로 이격되어 배치되는 것일 수 있다. 상기 커넥터(300)는 구불구불한 형태를 가지며 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100)을 연결하는 형태일 수 있으며, 이때 상기 커넥터(300)의 구불거림의 밀도는 상기 표면 근전도 전극(100)의 구불거림의 밀도보다 큰 것이 바람직하다. 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100)은 어느 하나가 음극의 전극이고, 다른 하나가 양극의 전극으로 형성될 수 있다. 본 발명은 기판(200) 내에서 한 쌍으로 구성되는 표면 근전도 전극(100)이 각 음극과 양극으로 구성되고, 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100) 중 선택되는 어느 하나는 움직이는 근육의 신호를 센싱하고, 다른 하나는 레퍼런스(reference) 신호인 것으로 구성하여, 부착된 근육에 대해 각 신호를 차등으로 기록함으로써 차등 증폭기를 사용하여 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다. 이에, 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 두 전극을 모두 활용함으로써 외부 노이즈를 제거하는 차동 구성을 상정하여 외부 증폭기와 손쉽게 연동될 수 있는 효과가 있다. 또한, 각 음극 및 양극으로 형성되는 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100)을 상기 커넥터(300)가 서로 연결하고, 상기 커넥터(300)에 전기도선(310)을 배치하여, 생체 근육 신호를 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 전기도선(310)은 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)가 로봇 다리를 연결하는 실리콘 라이너 안에 삽입된 후에 환자가 느낄 수 있는 이물감을 최소로 하기 위해 매우 얇지만 신경 기록에 큰 영향을 주지 않는 전기도선(310)을 선정(예를 들어, 36AWG)하여 안정적으로 납땜하며 구비할 수 있고, 추가적인 상기 기판(200)의 다공성 실리콘층(220)의 코팅으로 인해 기계적 안정성과 전기적 절연성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100)은 Y축으로의 길이가 X축으로의 길이보다 더 길게 형성되는 직사각 형태일 수 있으며, 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극(100)은 X축 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 도 7을 참고하여 설명하면, 각 상기 표면 근전도 전극(100)은 대략 1 cm 정도의 크기로 구성될 수 있으며, 보다 상세히 X축으로의 길이는 8 mm, Y축으로의 길이는 11 mm일 수 있다. 또한, 한 쌍의 전극 사이는 18~20 mm 이내의 간격으로 배치될 수 있으며, 일례로 한 쌍의 전극 사이 간격은 각 전극의 중심으로부터의 거리가 2 cm인 것으로 배치될 수 있다. 한 쌍으로 나란하게 배치되는 상기 표면 근전도 전극(100)은 근육 섬유에 따라 횡적이나 종적으로 적용 가능하다.

또한, 상기 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 별도로 구분되어 형성되는 그라운드 전극(400)을 포함하여 구성할 수 있다. 도 8을 참고하여 설명하면, 상기 그라운드 전극(400)은 상기 표면 근전도 전극(100)과 유사하게 상기 제1전극층(110), 상기 금속층(120) 및 상기 제2전극층(130)을 포함할 수 있으며, 상기 제1전극층(110)의 하면에 기판(200)이 코팅되어 피부에 부착 사용하도록 구성될 수 있다. 상기 그라운드 전극(400)은 상기 표면 근전도 전극(100)과 마찬가지로 구불구불한 형상의 패턴으로 제작될 수 있고, 상기 표면 근전도 전극(100)과 유사한 크기로 형성될 수 있으나, 필요에 따라 다른 종래의 전극으로 대체하여 사용할 수 있다. 상기 그라운드 전극(400)은 센싱하기 위한 표면 근전도 전극(100)으로부터 일정 거리 떨어져 배치되는 것이 보다 효율적일 수 있다.

본 발명의 상기 신체 부착형 근전도 센서(1000)의 제조과정에 대해 간략하게 설면하면, 먼저 하면에서부터 상기 제1전극층(110), 상기 금속층(120) 및 상기 제2전극층(130)을 순서대로 증착하여 표면 근전도 전극(100)을 생성한다. 이때, 상기 표면 근전도 전극(100)은 구불구불 형상의 패턴을 형성하기 위해서, 패터닝 하고자 하는 제1전극층(110) 디자인이 그려진 필름 마스크를 사용하여 짧은 파장의 빛을 웨이퍼 위에 도포된 빛감광성 폴리머에 조사한 후 현상액을 통해 패터닝을 한다. 그리고, 그 위에 빛감광성 포토레지스트 도포한 후, 상기 금속층(120)이 그려진 필름 마스크를 통해 빛을 포토레지스트에 조사함으로써 포토레지스트를 원하는 패터닝으로 형성한다. 이후, 금속층의 접착층과 전도층 금속 필름을 그 위에 증착하고, 패턴된 포토레지스트를 제거함으로써 상기 표면 근전도 전극(100)은 구불구불한 형상의 원하는 전극 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2전극층(120) 또한 제 1전극층(110)과 같은 방식으로 패터닝을 하는 포토리소그래피 방식으로 표면 근전도 전극을 생성할 수 있다. 추가적으로, 상기 표면 근전도 전극(100)이 웨이퍼에서 분리된 이후에도 형상을 유지할 수 있도록 희생층(Sacrificail Layer)을 형성할 수 있으며, 상기 희생층은 빛감광성 포토레지트를 상기 표면 근전도 전극(100) 위에 도포 한 후 상기의 포토리소그래피 방식으로 생성한다. 상기 신체 부착형 근전도 센서(1000)를 제작하기 위해, 웨이퍼와 표면 근전도 전극을 분리한 후, 먼저 제조된 상기 표면 근전도 전극(100)을 실리콘 점착제층(210) 및 다공성 실리콘층 (220)으로 이루어진 기판(200)에 전이시킨 후 아세톤이나 또는 리무버를 사용하여 희생층을 제거한다. 그리고, 전도성 페이스트(예, Silver Paste) 또는 납을 사용하여 상기 커넥터(300)에 전기도선(310)을 고정시키고, 에폭시(예, UV Epoxy) 또는 신축성과 유연성을 지닌 생체적합성 소재를 사용하여 연결 부분을 봉지화(encapsulation)한다. 마지막으로, 필름지(예, PET)와 디바이스를 분리함으로써, 상기 신체 부착형 근전도 센서(1000)를 제작할 수 있다.

본 발명은 한 쌍의 표면 근전도 전극(100)을 포함하는 신체 부착형 근전도 센서(1000)를 복수개 구비하고, 적어도 하나 이상의 신체 부착형 근전도 센서(1000)에 대해 각 주동근(TA 또는 GC 근육)과 길항근(GC 또는 TA 근육)에 각각 부착하여 Ankle Flexion이나 Dorsiflexion과 같은 근육의 굽힘 동작에 따른 근육 신호를 동시에 기록하는 것을 특징으로 한다. 도 9는 본 발명의 상기 표면 근전도 전극(100)과 상용화 제품의 성능을 비교한 것으로, 도 9의 SNR에서 괄호 안에 기재된 수치는 상용화 제품의 성능에 대한 것이며, 이에, 전체적인 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)는 상용화 제품과 비슷하거나 약간 낮게 나왔지만, 주동근과 길항근의 동시 측정에 있어서 상용화 제품보다 신호 간섭이 덜한 것을 확인할 수 있다. 이는 어느 하나의 근육에 부착된 신체 부착형 근전도 센서(1000)가 활성화될 때, 다른 하나의 근육에 부착된 신체 부착형 근전도 센서(1000)에 감지되는 신호가 상대적으로 적은 강도의 신호를 감지할 수 있어, 각 근육에 부착된 센서에 감지되는 신호가 간섭이 적어, 각 근육의 움직임에 대해 신호를 서로 구분하여 수신할 수 있게 된다. 따라서, 상용화된 센서에 비해서, 본 발명의 신체 부착형 근전도 센서(1000)는 로봇 다리를 착용한 절단 환자들의 보행 의지에 따른 생체 근육 신호를 안정적이고 효과적으로 획득할 수 있으며, 신체에 장기간 부착하여 사용하는데 불편함을 최소화할 수 있어서, 이를 통해 장기적으로 바이오닉 사지 분야에 적용 가능할 것으로 예상된다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1000 : 신체 부착형 근전도 센서
100 : 표면 근전도 전극
110 : 제1전극층 120 : 금속층
130 : 제2전극층
200 : 기판 210 : 실리콘 점착제층
220 : 다공성 실리콘층
300 : 커넥터 310 : 전기도선
400 : 그라운드 전극

Claims (11)

1. 표면 근전도 전극을 포함하여 구성되는 신체 부착형 근전도 센서에 있어서,
   상기 표면 근전도 전극은,
   하면에 배치되는 필름의 제1전극층;
   상기 제1전극층의 상면에 증착되는 금속층; 및
   상기 금속층의 상면에 증착되는 제2전극층;를 포함하여 구성되고,
   상기 표면 근전도 전극의 하면에, 적어도 다공성 실리콘층을 포함하는 기판;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기판은,
   상기 제1전극층의 하면에 코팅되는 실리콘 점착제층; 및
   상기 실리콘 점착제층의 하면에 코팅되는 상기 다공성 실리콘층;을 포함하여 구성되고,
   상기 기판은 상기 표면 근전도 전극의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 표면 근전도 전극은
   상기 기판 내에서, 적어도 한 쌍 이상으로 구성되어 서로 소정 간격 이격되어 배치되며,
   각 한 쌍의 상기 표면 근전도 전극 중 어느 하나는 음극이고, 다른 하나는 양극인 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 표면 근전도 전극은,
   한 쌍의 상기 표면 근전도 전극을 연결하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 표면 근전도 전극은
   Y축으로의 길이가 X축으로의 길이보다 더 길게 형성되고,
   한 쌍의 상기 표면 근전도 전극은, X축 방향으로 서로 이격되어 배치되며,
   각 상기 표면 근전도 전극의 중앙으로부터 사이 거리가 18~20 mm 이내인 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 커넥터에, 각 상기 표면 근전도 전극에 대한 전기 도선이 연결되는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 다공성 실리콘층은,
   폴리이미드(PI), 폴리우레탄(PU), 스티렌 부타디엔 스티렌(SBS), 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS), 폴리스티렌(PS), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타그릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 나일론(Nylon), 폴리디메틸실록산(PDMS), 형상기억폴리머(SMP) 및 에코플렉스(ecoflex)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 생성되는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 금속층은,
   상기 제1전극층의 상면에 증착되는 접착층 필름의 제1금속층; 및
   상기 제1금속층의 상면에 증착되는 전도층의 제2금속층;을 포함하고,
   상기 제1금속층 및 상기 제2금속층은,
   타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 골드(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 몰리브데넘(Mo), 고전도성 고분자(PEDOT : PSS) 중 적어도 어느 하나 이상의 재료를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제1전극층 및 상기 제2전극층은,
   적어도 폴리이미드(polyimide), 폴리카프로락톤(PCL), 형상기억폴리머(SMP) 및 파릴렌(Parylene C)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 생성되는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
   
10. 제 8항 또는 9항에 있어서,
    상기 표면 근전도 전극은,
    구불구불한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.
    
11. 제 1항에 있어서
    상기 신체 부착형 근전도 센서는,
    상기 표면 근전도 전극 및 상기 기판을 포함하는 두께가 70 ~ 370 ㎛이내인 것을 특징으로 하는 신체 부착형 근전도 센서.