삽질 기반의 공학/ELECTRONIC

004. 근전도 센서를 통한 근육의 움직임 살펴보기!

서론

 

시험 준비 때문에 한동안 활동을 하지 못했지만 드디어 시험이 끝났고 다시금 활동을 시작하게 되었습니다.

진행할 첫 번째 프로젝트는 의공학과 관련된 프로젝트였습니다.

개인적으로 의공학에서 중요한 부분은 '센서'라고 생각합니다.

센서와 신체의 유기적 결합은 의공학에서 빠져선 안될 분야라고 생각하기 때문입니다.

그렇기에 의공학에 입문하기 위하여 다양한 센서들에 대한 연구를 시작했습니다.

의공학 프로젝트의 서막, 오늘의 연구 대상은 근전도 센서입니다.

 


​근전도라뇨?

 

근전도(Electromyography)전기(Electro)근운동 기록 법인 미오그래프(Myography)의 합성어로써, 전기적인 방식의 근운동 기록 법을 뜻합니다.

근육의 운동을 어떻게 전기적인 특성을 이용해 감지를 하냐고 의문이 들 수도 있겠습니다만은 우리 몸의 근육들은 움직일 때마다 전기를 발생시키는 근육 전기(Myoelectic) 특성을 가지고 있습니다. (자세하게 들어가면, 운동 신경 뉴런의 축삭 말단으로 활동 전압이 전달됩니다. 우리 몸은 활동 전압을 통해 근육을 움직이는 것이죠)

근전도 센서는 바로 근전기 특성을 이용하여 근육의 운동을 감지하는 것입니다.

특정된 부위에 전극을 설치하고 근육 내부에서 일어나는 전기적 활동을 양단 전극의 전위 차이를 감지하여 기록하는 원리로 동작하는 것입니다. (전위차를 감지하면 운동량을, 속도를 감지하면 신경 전도 속도를 측정합니다)

근전도 센서를 이용해 근육의 상태를 진단하여 이상 패턴이 감지되는지를 통해 질병을 앓고 있는지 판단하거나 의수를 움직이기 위한 신호로도 사용됩니다.


근전도 센서?

 

 

이것이 근전도 센서입니다.

일반적으로 근전도를 측정하는 방식은 바늘과 표면 전극 법이 있습니다.

바늘을 삽입하기에는 무리가 있으니 패드를 이용하는 표면 전극 법을 이용한 센서를 사용합니다.

일단 PCB에 실장 되어 있는 전극 2개와 따로 케이블로 빠져있는 전극 1개를 볼 수 있습니다.

실장 된 전극 2개는 측정하고자 하는 근육의 부착하여 전위차를 구하기 위해 있는 전극이고 나머지 전극 1개는 Reference 전극입니다.

(Reference 전극은 기준 전극으로서 변동 없이 일정하여 양단 전극의 전위차를 구할 때 기준이 되어주어 보다 정밀한 감지를 도와줄 수 있는 전극을 말합니다.)

그리고 PCB 양단에 핀헤더 홀 3개가 있습니다.

이 둘은 서로 다른 신호를 관장하기 때문에 잘 보고 사용해야 합니다.

RAW - SHID - GND 로 이루어진 핀헤더에선 RAW EMG Signal이 감지됩니다.

RAW EMG Signal 이란 날 것의(아무 보정도 거치지 않은) 근전도 신호입니다.

아무런 보정이 되지 않아서 +와 - 신호를 넘나들기 때문에 이 상태로 사용하기에는 어느 정도 무리가 따릅니다.

중간에 있는 Rectified EMG Signal- 신호 및 기타 신호들의 수정 작업만을 거친 신호로써, RAW EMG Signal에서 Rectified & Integrated EMG Signal로 변환하는 중간 단계 정도로 해석하면 됩니다.

+ - ― - SIG 로 이루어진 핀헤더에선 Rectified & Integrated EMG Signal이 감지됩니다.

이 신호는 어느 정도 수정 및 보완, 통합 작업이 거쳐진 신호이기 때문에 그대로 사용해도 무리가 없습니다.

간단한 실험을 위해 Rectified & Integrated EMG Signal을 이용하도록 하겠습니다.

 

사용하기 전에 핀 헤더를 납땜해 준 후, 사진에 보이는 패드를 전극에 꽂아주어야 합니다.

이 패드는 일렉트로드(Electrode)(말만 그렇지 한글로는 전극입니다)라고 불리는 패드입니다.

주로 생체 전위를 측정하는데 쓰이며 파란색 젤은 하이드로 젤로 부착성이 있어 피부에 접착하기 좋습니다.

또한, 하이드로 젤은 전기전도성이 있어 근육에서 발생하는 전기를 그대로 전극에 전달하기에 매우 적합합니다.

일렉트로드 장착이 끝나면 이제 근육에 부착해 주어야 합니다.

데이터시트에 친절하게 부착에 대한 매뉴얼이 있습니다.

부착이 잘못되면 이상한 값이 검출되기 때문에 지시에 잘 따라서 진행해 주어야 합니다.

파란색은 신경 분포 구역(Innervation Zone)입니다. 다양한 신경이 분포되는 곳입니다.

초록색이 바로 우리의 주인공 올바른 배치(Correct Placement) 구역입니다. 이곳에 전극 2개를 부착합니다.

이곳에 붙이는 이유는 신경 분포 구역과 근선 근선 교차지점 사이이면서 근육의 중심부이기 때문입니다.

보통 활동 전기는 신경 분포 구역과 근선 교차지점 사이에서 이동합니다. 사이에 두 접점을 부착하게 되면 활동 전기의 이동으로 인한 전위차를 잡을 수 있게 됩니다.

보라색은 중간선 기준(Midline offset)입니다. 근육을 전체적으로 보았을 때 중간이 되는 기준입니다.

주황색은 근선(힘줄) 교차지점(myotendinous junction)입니다. 힘줄과 근육 사이가 연결되는 위치입니다.

나머지 Reference 전극은 최대한 주변이면서도 움직임이 없는 근육이나 뼈와 가까운 쪽에 부착합니다.

 


실험 개시!

저는 위의 사진과 같이 부착해두었습니다.

그 후에 케이블을 연결하여 전원을 공급하고 MCU의 Analog 핀에 연결해둡니다.

사용한 MCU는 Arduino입니다.

/*
 * EMG Sensor TEST - by jihoonkimtech(Hanul)
 */
void setup {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    int EMG = analogRead(A0);
    Serial.println(EMG);
} 

 

Serial 통신과 AnalogRead 함수를 이용해 코드를 구성해 주었습니다.

센서가 감지하는 값을 직접 확인하기 위함입니다.

하지만 이번엔 시리얼 플로터를 이용해서 확인하겠습니다.

시리얼 모니터로도 확인이 가능하지만 숫자로 표현하기 때문에 변화 정도를 직관적으로 보기엔 어렵습니다.

반면 시리얼 플로터는 선 그래프로 표현해 주기 때문에 관찰하기 더 편합니다.

 

 

근전도 센서의 실험 영상입니다.

근육에 힘을 주었을 때 그래프가 상승하고 힘을 풀게 될 시 다시 하강하는 것을 보면 실험에 성공한 것 같습니다.

(앞으로 근전도 센서를 이용해 만들 프로젝트가 기대가 되는 순간이었습니다.)

 

공학뿐만이 아닌 의학 관련해서 접점이 많아 원리를 이해하는데 많은 시간이 걸렸던 것 같습니다.

새로운 분야에 빠져든 만큼 연구에 더욱 공을 들였던 것 같고 그 때문에 게시글의 길이도 길어진 것 같네요.

저는 이만 글을 마치고 다음 게시글에서 돌아오겠습니다.

 

감사합니다.