RANY
:Rehabilitation. Anyone, Anytime, Anypart, Anywhere

I. 서론

기존의 재활용 의료기기는 약 2천만원에서 6천만원에 달하는 비싼 가격과 어려운 작동방법으로 일반인이 접근하기 어려운 상태이다. 재활 기기에 휴대가 불가능하고, 사용하려는 공간에 제약이 크기 때문에 재활치료를 받으려면 무조건 병원에 가야 한다는 점은 재활이 필요한 환자들에게 큰 부담으로 다가오고 있다. 또한, 재활용 의료기기는 팔이나 다리 등 특정한 하나의 신체부위에만 치료가 가능하다는 불편함이 존재한다. 재활이 필요한 환자들의 부담을 줄이고 효율적인 재활 치료를 위해 제약을 최소화할 수 있는 연구가 필요하다고 판단했다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, EMG(근전도)를 핵심으로 프로젝트를 구성 및 진행하였다. EMG란 근육의 운동으로 인해 발생하는 전류 및 안정시의 이상 전류를 기록하는 것으로 근육의 구조적 특이성이 아닌 기능적 이상여부를 진단 가능하기 때문에 의학연구, 스포츠과학, 인간공학, 재활의학 등의 분야에서 사용되고 있다. 기존에 활용중인 EMG는 바늘을 이용해 침습적인 방법(그림1-(a). NEMG)과 단순히 피부에 전극을 붙이는 방법(그림1-(b). SEMG)이 있다. 그 중에서 전극을 이용한 EMG 신호 측정법은 고통과 거부감 없이 편안하게 EMG 신호를 검출할 수 있고, 접근성이 높아 특히 근골격계 질환관련 재활분야의 새로운 패러다임으로 부상하고 있다. 따라서, 표면 근전도를 측정하는 방식을 통해 저렴한 가격과 사용 범위 증진 효과를 얻을 수 있다.

한편, 게임을 통한 재활 운동은 관절 사용정도가 증가하고, 스트레스가 낮아지는 연구결과(그림 2)를 확인할 수 있다. 또한, 평소 재활 운동과 비교하였을 때 게임을 이용한 재활 운동이 효과적이라는 결론이 연구를 통해 확인되었다.

프로젝트의 제작 목적은 EMG 신호를 통한 재활 시스템을 제작하여 저렴한 가격으로 누구나 사용할 수 있게끔 하는 것이며, 재활 전용 게임 어플을 통해 재활 치료의 몰입과 동기부여를 고취시키고자 한다. 블루투스 모듈과 설계한 회로를 통해 근전도 데이터를 측정하고, 블루투스 통신으로 측정한 데이터를 전송하여 어플에서 게임을 구현할 것이다. 재활 게임을 통해 자신의 재활 점수를 표시하고, 변화 지향적 동기를 부여한다면, 혼자서도 효과적인 재활이 가능해 능동적인 재활을 기대할 수 있을 것이다.

II. 프로젝트 제안 방법

1. EMG 신호

여러 생체 신호 중 EMG 신호의 특징(그림 3)은 약 0.1 mV에서 30 mV의 크기를 갖고 약 10 Hz~10 kHz 주파수 대역에 분포하지만 전형적으로 대부분의 신호는 최대 약 5 mV의 크기를 갖고 20 Hz~1 kHz 주파수 대역에 대부분 분포하는 것으로 알려져 있다.

이러한 특성을 가지는 EMG 신호를 다룰 때에는 신호의 스펙트럼이 60 Hz 주파수 대역을 포함하고 있기 때문에 60 Hz 노이즈에 대한 대책방안이 마련되어야 하며 낮은 주파수 특성으로 인한 Flicker 노이즈도 고려되어야 할 것이다. 또 신호의 크기 자체가 크지 않기 때문에 전극의 offset과 전극의 임피던스 역시 충분히 고려하고자 한다.

2. 회로에 사용되는 부품

회로에 사용되는 부품으로는 ADC와 BLE 통신 기능을 포함한 Micro Controller인 Adafruit 3406과 Instrumentation Amplifier (IA: 계측증폭기)인 AD620, Operational Amplifier (OPAMP)인 TLV2761이 사용되며 기타 필터 및 Gain을 위한 저항과 커패시터가 사용된다.

Adafruit 3406을 사용한 이유는 ADC기능을 이용하여 전극으로부터 EMG데이터를 측정할 수 있고, 측정한 데이터를 BLE통신을 통한 무선으로 전송이 가능한 장점이 있기 때문이다. IC 제품인 AD620과 TLV2761은 3.3 V single supply 동작이 가능한 저전력 동작 증폭기이며 높은 CMRR, 낮은 input bias current, 충분한 대역폭을 가지고 있다. 증폭기의 성능 지표는 이것들 말고도 출력 임피던스, Gain 등이 있는데, 출력 임피던스는 어차피 각 증폭기의 출력은 전부 MOSFET이기 때문에 고려하지 않았다. 또한, Gain은 회로 신호 경로에 증폭기가 총 3개가 들어갈 것이기 때문에 크게 고려하지 않았다.

EMG 센서의 입력부를 담당하는 전극은 Ag/AgCl 전극을 사용한다. Ag/AgCl 전극은 높은 재현성과 간편한 사용, 산성용액 등 화학적 안정성에 대한 장점이 있으며 특히 내부에 수은이 포함되지 않아 신체에 대한 호환성이 높다. 전극의 센싱 메커니즘은 Ag/AgCl의 산화/환원 작용을 이용한다.

전극과 회로의 연결은 전극과 호환이 가능하게 제작된 전극 케이블을 이용할 것이다.

3. Schematic & Simulation

회로의 구성(그림 5)은 먼저 Single supply 구동을 위해 OPAMP 하나를 이용하여 reference 전압을 만들어 준다. 입력단엔 생체 신호 및 전극의 노이즈를 제거해 주며 쉽게 Gain을 변화시킬 수 있는 IA가 사용되며 이후 OPAMP를 이용해 구성한 Active High Pass Filter와 Active Low Pass Filter가 EMG 신호를 제외한 나머지 노이즈 성분 및 쓸모없는 신호를 제거한다. Reference부터 필터 까지의 아날로그 프론트-엔드를 지나 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되며 BLE TX를 통해 스마트폰과 연결된다.

Analog Device에서 무료로 제공하고 있는 LT spice를 사용하여 설계하고자 하는 아날로그 프론트-엔드 회로를 시뮬레이션 하였다. 회로의 경우 출력이 작은 부분보다 출력이 큰 경우가 문제가 되기 때문에 시뮬레이션에서 입력 신호의 크기는 일반적인 EMG 신호의 최대 크기인 5 mV로 설정하였으며 입력 신호의 주파수는 설계하고자 하는 회로의 Mid-Band로 설정했다. 입력부와 회로 사이에 5 의 저항을 위치시켜 전극의 임피던스도 충분히 고려하였다.

시뮬레이션 결과(그림 6)을 보면, Time domain에서 출력되는 신호는 0.2 V에서 3.1 V의 폭으로 스윙하며 3-dB 대역폭은 100 Hz 부터 1 kHz 까지로 설계되었다. 스윙폭을 0.2 V 여유를 두어 혹시 모를 스파이크에 대비하였으며, 60 Hz 노이즈를 충분히 차단할 수 있는 대역폭을 설정하였다.

4. APP

스마트폰으로 전송된 근전도 데이터를 이용하여 게임을 구현하고자 했다. 사용할 게임의 종류는 캐릭터가 랜덤하게 나오는 장애물을 점프하는 “장애물 넘기” 이다. 재활 동작에 따라 캐릭터가 장애물을 넘도록 만들어, 사용자에게 집중력과 변화 지향적인 동기가 부여될 수 있을 것이라 판단했다.

(그림7) 앱이 실행되면, 회로에서 EMG 데이터를 받기 위해 블루투스 연결이 이루어진다. 사용자에 따라 emg값이 다르기 때문에, “근전도 측정하기” 단계에서 사용자의 고유값인 기준값을 측정한다. 이를 실제 재활게임 중 측정되는 emg신호값과 비교하여 기준값보다 높거나 비슷한 경우 캐릭터의 점프가 이루어진다. 뛰어넘는 장애물의 수에 따라 점수가 올라가고 캐릭터가 장애물에 닿으면 게임이 종료된다. 게임이 모두 종료된 이후에는 사용자의 총 운동 횟수와 그에 따른 운동의 올바른 정도를 나타내는 그래프를 표시한다.

III. 결론 및 향후 계획

“RANY”의 최종 예상 모습(그림 8)은 신체 어느 곳에든 부착할 수 있는 밴드 주머니 형태에 회로와 전극이 내장되어 있고, 사용자는 원하는 부위에 착용하고 재활게임을 진행할 수 있을 것이다.

이처럼 “RANY”는 EMG 회로를 이용한 재활 치료기를 휴대가 가능한 고무 밴드 형식으로 만들어 장소에 제약 없이 재활 치료가 가능할 것으로 예상된다. 또한 측정 장비 간소화로 인한 접근성 증가, 치료 가능 부위의 확대는 재활 치료는 기존의 방식보다 활용도가 높을 것이다. 뿐만 아니라, 게임을 병합하여 재미와 집중력, 변화 지향적 동기가 부여될 수 있을 것이다.

향후 계획은 회로와 앱 테스트, 병합이 이루어질 것이다. 실제 브래드보드를 이용하여 회로 검증 후 60 Hz 노이즈가 클 경우 Notch filter 추가 혹은 회로의 pass band을 수정할 것이다. 검증 완료 후에는 만능 기판 및 절연 배선을 이용하여 회로 최대한 소형화가 이루어짐과 동시에 BLE 모듈 배송 후 EMG 측정 알고리즘 설계할 것이다.

회로 완성 이후 BLE 모듈과 융합 및 EMG 게임 테스트와 암 밴드와 결합이 이루어진다. 최종 통합 테스트를 한 후 디자인 논의 후 제품 완성할 예정이다.

IV. BOM list와 조원 별 역할

조원 각자의 역할

1) 최광민

근전도 측정 및 무선 데이터 전송 알고리즘 설계

재활 밴드의 구동원리를 파악하고, BLE모듈과 관련된 부분을 담당한다.

2) 이청민

근전도 측정 용 회로 제작

잡음 없이 깨끗한 근전도 신호를 측정할 수 있는 회로를 설계한다.

3) 김지윤

근전도를 활용한 재활 게임 어플리케이션 제작

재활 과정에서, 환자들이 쉽게 이용할 수 있는 게임 어플리케이션을 제작한다.

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Electromyography

[2] 임종헌, & 이준재. (2015). 근전도 및 자이로스코프 신호를 활용한 의료용 재활게임 개발과 재활치료 가능성. 한국통신학회논문지, 40(1), 171-182.

[3] Ito, K., Tani, T., Iwagami, T., Nishino, S., Kiyoyama, K., & Tanaka, T. (2017). Development of biosignal recording board system with agile control of circuit characteristics for various biosignals. IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems, 137(2), 348-353.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Reference_electrode