보행주기검출 및 자극 알고리즘을 적용한 보행보조 무선 FES 시스템 개발

Abstract

본 논문은 편마비 환자의 보행 중 발 끌림을 방지하기 위하여 보행주기 검출 과 자극 알고리즘을 적용한 보행보조 무선 FES 시스템 개발 및 유효성 평가에 관한 연구이다.보행주기 검출을 통한 전기 자극시점 검출은 병적보행을 가지는 환자들의 보행기능의 회복을 돕는 기능적 전기자극 보행보조 방법의 중요한 파라메터가 된다. 현재까지 알려진 FES 보행보조 시스템과 진행된 연구들은 보행 중 전기 자극 시점을 결정하기 위해 힐 센서(heel sensor) 또는 풋 스위치(foot switch)라고 알려진 힘 측정 센서(force-sensing-resistor, FSR)를 직접 이용하거나(ODFS, Ackofin Inc., UK) 기울기센서와 함께 보정단계에서 이용하고 있다(WalkAide2, Neuromotion, Canada). 그러나 힐 센서는 유선으로 제어 시스템과 연결되어 보행 시 선 처리의 불편함을 갖고 있으며, 맨발에는 적용이 어렵고 항상 신발이나 양발을 신어야 하며 또한, 접촉상태나 부착위치에 따라 출력신호가 다르기 때문에 센서 부착 위치에 유의하여야 하는 단점을 가지고 있다.본 연구에서는 상기의 단점들을 보완하기 위해 보행주기 검출용 모션 센서인 자이로센서, 가속도센서, 기울기센서로 복합 센서 시스템을 제작하여 20명의 정상인과 분속수가 약 30 steps/min, 약 70 steps/min 편마비환자 각 2명씩을 대상으로 보행실험을 실시하였다. 센서 출력곡선의 특징점을 이용하여 보행주기 검출 알고리즘을 적용한 검출된 보행주기를 FVA(foot velocity algorithm)를 이용하여 검출된 기준보행주기와 Bland- Altman plot으로 보행주기 검출법의 타당성을 평가하였다. 이를 기반으로 최적의 보행주기 검출

모션센서시스템을 선정하고, 선정된 모션센서의 신호를 통해 FES 전기 자극 알고리즘 개발과 메인 FES 시스템, 리모트컨트롤 시스템, 일체형전극 시스템으로 구성된 하드웨어와 보행주기 검출 알고리즘과 전기 자극 알고리즘으로 구성된 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 보행보조 무선 FES 시스템은 기존의 풋 스위치 기반의 FES 시스템인 ODFS와 WalkAide2 시스템과의 비교평가를 위해 편마비환자 4명을 대상으로 15m 평지 보행을 각 시스템 당 10회 실시하여 자극 시점 검출율과 삼차원 동작분석 시스템을 이용한 kinematic data를 비교 분석하였다. 정상보행과 편마비보행에서 모션센서를 이용한 보행주기 검출법은 FVA 기준보행주기 검출법과 비교하였을 때 모션센서의 보행주기 검출법은 신뢰구간내에 96.4% 이상이 분포하였고 보행주기 검출 알고리즘과 전기 자극 알고리즘이 탑재된 개발 시스템의 자극시점 검출율은 환자군 A는 89.2%, 환자군 B는 97.1%로 시스템 2보다 통계적으로 유의하게 높았다(p=0.049). Kinematic data 분석을 통한 FES 자극시 시상면에서의 발목관절 각도 비교 결과 각 시스템 간의 큰 차이는 보이지 않았으나 유각기 동안 발목관절이 약 10° 정도 적게 저굴된 상태로 유지됨으로써 편마비 환자의 병적보행이나 낙상 등의 원인이 되는 발끌림 현상을 방지할 수 있음을 확인하였다. 개발된 시스템은 가속도센서의 수직성분을 보행주기 검출 보정기준으로 사용함으로써 기존 시스템들이 가지고 있는 풋 스위치의 문제점을 개선하였고, 특히 메인 FES 시스템과 모션센서 시스템, 전극 시스템의 일체형을 통해 사용자 편의성을 현저히 높혔다. 향후, 센서 신호 수신, 자극 시점 결정 및 자극시점 정보의 송신기능이 PC가 아닌 리모트콘트롤 시스템에 탑재하여 무선화 하고 개발된 시스템에서 센서 및 자극 시스템의 하드웨어 부분은 소형화 및 경량화가 요구되며 사용자 인터페이스를 더 간편하게 수정, 보완할 뿐만 아니라 일반 사용자도 쉽게 사용할 수 있도록 지침서를 개발하고 추가적인 임상실험을 실시할 계획이다.