Design of Device for Rotator Cuff Training and Its Experimental Validation with sEMG

회전근개 훈련용 기기 설계와 sEMG를 활용한 실험적 검증

Abstract

The shoulder is less stable than other joints, making it easier to onset of various shoulder disorders. In addition, limited range of motion and pain in the shoulder due to shoulder disorders restricts daily life and social activities. The problem with exercise therapy can be reduced in exercise effect by causing boredom through simple repetition of motion, thus reducing the patient's willingness to participate. Therefore, this paper aims to provide a treatment method that can induce active participation of patients by developing devices capable of passive, active, and resistance exercise and serious game contents using them. Furthermore, sEMG was used to verify whether the rotational exercise in the horizontal and vertical using serious game contents helps the shoulder movement actually. The measured sEMG signal was classified as 5 phases according to the angle of rotation and calculated the mean integrated EMG. The mean integrated EMG for the experimental results was higher in all phases when rotational was performed compared to those when both horizontal and vertical rotational exercise remained initial posture, indicating an increase in muscle activity.

1. 서론

어깨는 체간에서 상지를 연결시키며, 공간에서 손을 사용하기 편한 위치로 움직일 수 있는 신체에서 가장 역동적이고 이동성 있는 관절로 구성되어 있다. 하지만 회전에 직접적인 영향을 미치는 구상관절의 응집력이 부족하고, 복잡한 구조를 가진 해부학적 특성으로 인해 취약성을 띄고 있어 다양한 질환이 발생하는 것으로 알려져 있다[1-2]. 이러한 어깨의 대표적인 질환은 충돌증후군, 회전근개 파열, 석회성 건염과 오십견으로 불리는 유착성 관절낭염 등으로 어깨의 관절가동범위를 제한하고, 통증을 유발하여 일상생활과 직장에서의 불편함을 야기할 수 있다. 질환의 치료 방법으로는 물리 치료, 약물 치료, 주사 치료, 운동 치료 등의 보존적 치료와 관절경 수술, 견봉 성형술, 관혈적 수술, 관절낭 절개술 등의 수술적 치료가 있다[3]. 이 중 보존적 치료는 대부분의 질환에서 우선 시행되며, 특히 수술적 치료를 받은 후에도 통증을 줄이고 어깨의 기능적인 수준을 향상시키기 위해 운동 치료를 적용하고 있다. 운동 치료에는 수동, 능동, 저항 운동 등으로 수행하는 방법에 따라 분류되며, 회복 수준에 따라 단계적으로 진행된다[4-5]. 외력에 의해 수행하는 수동 운동은 증상이 심각하여 어깨를 자발적으로 움직이기 힘든 경우에 적용하며, 관절가동범위를 회복하고 연조직의 손상을 방지한다. 능동 운동은 원활한 움직임이 불편할 경우 근육을 자발적으로 수축하여 근력을 증가시키고, 일상생활 활동을 위한 관절가동범위의 회복을 목표로 하고 있다.그리고 저항 운동은 근육을 수축시킨다는 점에서 능동 운동과 유사하지만 외부에서 가해지는 저항을 이용하여 어깨의 움직임과 연관된 근육들을 강화시킴으로써 견갑골을 안정화시킨다[6].

이와 같은 운동 치료 과정에는 치료 개선 정도나 효과를 확인하기 위하여 전문가가 굴곡·신전, 외전·내전, 외회전·내회전에 대한 어깨 관절가동범위를 측정하고 이에 대한 평가가 있어야 한다. 특히 운동 치료 결과에 대한 평가는 전문가들에 따라 측정 방법과 결과가 다를 수 있기 때문에 정확한 정량값을 기대하는 것이 어려우며, 단순하고 반복적인 동작의 운동으로 흥미가 떨어지기 때문에 운동 효과 감소로 이어질 수 있다[7]. 그래서 운동 전후에 대한 정량적 값을 측정하여 결과를 비교할 수 있으면서 반복 운동 시흥 미를 유발하여 자발적인 운동 치료가 가능한 보조기기 개발이 필요하다[8]. 즉 어깨 관절 가동범위의 정량적인 측정과 피드백이 가능하고, 어깨 상태에 따라 수동, 능동, 저항 운동으로 분류된 운동 방법으로 운동을 수행할 수 있으며, 사용자의 흥미를 유발하여 적극적으로 참여시킬 수 있는 요소들을 적용한 어깨 재활 콘텐츠를 의미한다.

본 논문에서는 모터와 앱솔루트 엔코더를 이용하여 정량적인 어깨의 굴곡·신전, 외전·내전, 외회전·내회전 관절가동범위 측정뿐만 아니라 수동, 능동, 저항 운동이 가능한 회전근개 훈련용 보조기기를 구현하였다. 또한 어깨 운동 치료 시 사용자가 자발적으로 흥미를 가지고 참여할 수 있는 기능성 게임 콘텐츠를 개발하였으며 이 콘텐츠에서는 그라마이저와숄더휠의 움직임을 참고한 수평 회전 운동, 수직 회전 운동을 통해 각각의 동작들과 연관될 수 있도록 하였다.기능성 게임 콘텐츠와 수평 회전 운동, 수직 회전 운동을 이용한 어깨 훈련의 적용 가능성을 실험적으로 검증하기 위하여 어깨 움직임에 도움을 주는 근육인 전면삼각근, 중간삼각근, 후면삼각근, 대흉근에 표면 근전도(surfaceEMG, sEMG)를 사용하여각 근육에서의 근전도 신호를 측정하고 분석하였다. 여기서 측정된 데이터들은 사용자들에 따라 회전 운동 시간이 다르기 때문에 직접적으로 근전도 신호를 비교하지 않고 전체 5가지 구간으로 분류하여 평균 적분 근전도(meanintegratedEMG, meaniEMG)를산출하고 분석하였다.

2. 본론

2.1 시스템 구현

본 논문에서 구현하는 회전근개 훈련용 보조기기는 어깨 관절가동범위를 측정할 수 있도록 굴곡·신전, 외전·내전, 외회전·내회전 동작이 가능하고, 수평면에서 원을 그리는 수평 회전 운동, 시상면에서 원을 그리는 수직 회전 운동을 통해 훈련할 수 있도록 Fig.1과 같이 구현하였다. 이것은 모터 힘을 외력으로 제공하여 사용자의 어깨 움직임을 도와주는 수동운동, 모터 구동 없이 사용자가 직접 어깨를 움직이는 능동 운동, 그리고 모터에 제공되는 전류를 통해 토크를 제어하여 환자가 외력에 저항하는 저항 운동을 수행할 수 있도록 하였다. 또한 이 기기는 어깨관절 가동범위를 정량적으로 측정하기 위하여 모터 축과 앱솔루트 엔코더를 타이밍벨트로 연결하여 모터가 회전할 때마다 엔코더의 회전각을 획득하도록 하였다.그리고 모터의 중심축부터 손잡이까지의 총길이는 한국인 남성 팔 길이의 최대값인 678mm를 참고하여 최대 678mm까지 조절이 가능하도록 하였다[9]. 3개의 샤프트를 포함하는 보조기기는 Fig.1에서 보여주는 것과 같이 고정된 샤프트 길이 L1(260 mm)과 길이 조정이 가능한 L2(200mm), L3(220mm) 로 구성되어 있으며, L2.와 L3가 탈부착이 가능하기 때문에 사용자에 따라 관절가동범위에 적합한 길이로 조절하여 회전 운동을 수행할 수 있다. 보조기기는 기능성 게임 콘텐츠가 구현된 PC와 블루투스를 이용하여 원격으로 통신하도록 구성하였으며, 과도한 움직임으로 어깨 통증이 발생하는 등의 긴급 상황을 대비한 비상 정지 기능을 구현하여 모터의 움직임을 정지시킬 수 있도록 하였다.

Fig. 1. Configuration of the developed device for rotator cuff training with adjustable shaft length.

2.2 소프트웨어 설계

Window10환경에서 개발된 소프트웨어의 전체적인 시스템 구성은 Fig.2와 같다.측정 콘텐츠와 기능성 게임 콘텐츠는 unity를 이용하여 구현하였으며, 사용자 정보와 측정 콘텐츠를 수행하는 과정에서 수집되는 관절가동범위, 기능성 게임 콘텐츠 결과 등의 정보들을 저장하기 위해 SQLite를 활용한 데이터베이스를 구축하였다. 저장된 정보들은 결과 화면을 통해 시각화하여 사용자에게 제공되도록 하였다. 관절가동범위를 측정하는 측정 콘텐츠는 사용자가 굴곡·신전, 외전·내전, 외회전·내회전을 선택적으로 수행하고 각 동작에 대한 측정이 가능하도록 하였으며, 기능성 게임 콘텐츠는 사용자의 어깨 상태와 목적에 따라 분류된 수동, 능동, 저항 운동의 방법으로 수평 회전 운동, 수직 회전 운동 중 선택하여 어깨의 기능향상을 위한 훈련을 진행할 수 있도록 하였다.

Fig. 2. The architecture of unity-based proposed software.

측정 콘텐츠는 Fig.3의 (a)와 같이 사용자의 관절 가동범위를 측정할 때 실시간으로 현재의 기록과 이전에 측정된 기록을 비교할 수 있도록 시각화하여 보여 준다.제안된 수동, 능동, 저항 운동의 기능성 게임 콘텐츠들을 수행하기 위한 아바타 움직임은 기기의 회전수 설정으로 결정되도록 하였다.예를 들어, 수평 회전 운동에서 입력한 회전수가 2바퀴인 경우 보조기기를 시계 방향으로 720°회전하면 중앙에서부터 우측 끝까지 움직이고, 다시 반시계 방향으로 1440°를 회전하면 좌측 끝으로 이동할 수 있다.Fig. 3의 (b)는 수평 회전 운동을 위한 활쏘기 콘텐츠를 보여주고 있다. 보조기기를 회전하여 활을 조준함으로써 상단에서 내려오는 허수아비를 화살로 맞추는 내용이다.Fig.3의 (c)는 수직 회전 운동을 위하여 구현된 새 피하기 콘텐츠이며, 보조기기를 회전하는 방향에 따라 새가 위와 아래로 이동함으로써 반대편에서 날아오는 새를 피하는 내용으로 구성되었다.

Fig. 3. The user interface of implemented contents. (a) Contents for measurement of shoulder range of motion, (b) Serious game contents for horizontal rotational exercise (Archery), (c) Serious game contents for vertical rotational exercise (Avoid birds), and (d) Result window.

측정 콘텐츠 혹은 기능성 게임 콘텐츠의 수행이 끝나면 이전 기록과 현재 수행 결과를 종합적으로 보여주는 결과 화면을 Fig.3의 (d)와 같이 시각화하여 쉽게 비교할 수 있도록 하였다. 측정 콘텐츠의 결과로는 굴곡·신전, 외전·내전, 외회전·내회전에 대한 어깨 관절가동범위의 기간별 추세 그래프가 나타나며, 기능성 게임 콘텐츠의 결과는 수평 회전 운동과 수직 회전 운동에 대한 총 회전 횟수와 일일 회전 횟수, 운동 수행 시간 등을 보여준다.

2.3 실험 대상 및 방법

실험은 상지 근골격계 병력이 없고 우세손이 오른쪽인 정상인 20대 남성 4명을 대상으로 서있는 자세에서 허리를 곧게 편 후 보조기기를 활용한 어깨의 수평 회전 운동, 수직 회전 운동을 기능성 게임 콘텐츠에 연동하여 수행하였다.

그리고 수동, 능동, 저항 운동의 방법으로 수행하는 것이 어깨 운동에 적합한지 확인하기 위하여 sEMG를 활용하여 신호의 변화를 분석하였다. 수평회전 운동은 관상면을 기준으로 상지를 정중선으로 가져오는 내전과 정중선으로부터 떨어뜨리는 외전이 Fig.4의 (a)와 같이 나타나고, 수직 회전 운동은 시상 면을 기준으로 상지가 이동하는 굴곡과 신전이 Fig.4의 (b)와 같이 일어난다[10]. 따라서 수평 회전운동을 수행하는 과정에서는 각각 외전과 내전을 담당하는 중간삼각근(MiddleDeltoid, M.D)과 대흉근 (PectoralisMajor, P.M)에 전극을 부착하였고, 수직 회전 운동의 경우에는 굴곡과 신전을 수행하는 데 도움을 주는 전면삼각근(Anterior Deltoid, A.D) 과후면삼각근(Posterior Deltoid, P.D)에 부착하였다 [10-11].전극을 부착한 근육들의 위치는 Fig.4의 (c) 와 같다[12].

Fig. 4. Shoulder movement and muscles related to rotational exercise. (a) shoulder movement in horizontal rotational exercise, (b) shoulder movement in vertical rotational exercise, and (c) muscles related to shoulder flexion, extension, abduction and adduction.

실험 방법은 피험자에게 충분히 설명한 후에 전체 40초 동안 수행하였다. 시작 후 5초까지 초기 자세를 유지한 후에 5초에서 20초 이내에 시계 방향으로 한 바퀴 회전하고, 20초부터 35초 이내에 반시계 방향으로 한 바퀴 회전하도록 하였다. 그리고 시계 방향 회전이 끝난 시점부터 20초까지와 반시계 방향 회전이 끝난 시점부터 40초까지는 초기 자세를 유지하도록 하였다.실험하는 동안 피험자 간에 동일한 움직임이 수행될 수 있도록 활쏘기 콘텐츠와 새 피하기 콘텐츠의 환경을 동일하게 하였다.

실험에서 사용한 근전도 모듈은 Laxtha사의 AM530 과 Ag/AgCl일회용 표면 전극을 사용하였다. 근전도신호는 1kHz로 샘플링하고 DCoffset을 제거한 후에 movementartifact와 같은 불필요한 잡음은 20Hz에서 500Hz까지의 대역 통과 필터로 제거하고 정류하였다[13]. 그리고 능동 운동과 저항 운동을 수행할 때 sEMG신호의 평균치를 산출하는 과정에서 피험자 간의 회전속도가 일정하지 않기 때문에, 구간을 설정하여 각도의 변화가 일어난 시간 동안에 평균적으로 활성화된 근육을 관찰할 수 있는 평균 적분 근전도를 이용하였다[14]. 구간에 대한 평균 적분 근전도는 식 (1)을 적용하여 산출하였으며, 각 구간은 초기 자세를 유지하는 ⓐ구간, 시계 방향으로 회전하는 ⓑ, ⓒ구간, 반시계 방향으로 회전하는 ⓓ, ⓔ구간으로 Fig.5와 같이 분류하였다. 그리고 수평 회전 운동은 보조기기의 길이를 조절하여 가슴 높이에서 팔을 앞으로 뻗은 상태로 샤프트와 정렬한 후, 모터 회전축을 180°돌린 자세를 초기 자세로 하였다.수직 회전 운동의 경우는 팔꿈치를 90°굴곡한 자세를 초기자세로 정하였다. 그리고 팔을 뻗었을 때 몸의 중심이 움직이지 않고 수행할 수 있도록 피험자마다 보조기기의 길이를 조절하였다.

\(\text { mean IEMG }=\frac{1}{\text { Sempling frequency } \times(b-a)} \int_{a}^{b} E M G_{t} d t\)       (1)

Fig. 5. Classification of 5 phases according to movement. (a) horizontal rotational exercise and (b) vertical rotational exercise.

3. 결과

3.1 회전 운동에서의 근전도 신호

예를 들어, 임의의 피험자가 수행한 수평 회전 운동 중 저항 운동에 대한 근전도 신호를 DCoffset, 대역통과 필터, 정류과정을 수행하고, 300ms이동 평균을 적용한 근전도 신호의 결과를 Fig.6과 같이 보여주고 있다. 여기서 ⓐ는 5초 동안의 운동 준비, ⓑ 와 ⓒ는 시계 방향으로 회전 운동한 구간이다. 시계방향 회전 운동이 끝난 후 20초까지는 휴식 구간, ⓓ 와 ⓔ는 반시계 방향으로 회전 운동한 구간이다. 회전 운동이 끝난 후 40초까지 초기 자세를 유지하는 상태로 휴식하도록 하였다. 여기서 근전도 신호는 구간별로 회전 속도가 일정하지 않기 때문에 ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ구간의 면적이 서로 다르게 나타났다.그리고 ⓑ와 ⓓ구간 내에 MusclesReaction으로 표현한 부분은 보조기기의 움직임은 변화가 없으나, 근육에서 활성화가 일어난 영역으로 움직이고자 하는 의지는 있으나 모터의 외력으로 인해 등척성 운동이 나타난 것으로 보인다.

Fig. 6. The sEMG signal in the process of performing resistance exercise in horizontal rotational exercise.

Fig.6에서 시계 방향으로 회전하는 수평 회전 운동 시 어깨 움직임은 관상면을 기준으로 ⓑ구간에서 내전-외전, ⓒ구간에서 외전-내전이 발생한다. 반면에 반시계 방향으로 회전할 경우 ⓓ구간에서 외전- 내전, ⓔ구간에서 내전-외전이 발생한다. 즉, 90° 단위로 분류하면 시계 방향으로의 회전은 내전-외전-외전-내전, 반시계 방향으로의 회전은 외전-내전- 내전-외전의 순으로 어깨가 움직이고 있는 것이다. 또한 중간삼각근과 대흉근의 근전도 신호가 각각 외전과 내전에 해당하는 구간에서 활성화되는 것을 알 수 있다.

3.2 수평 및 수직 회전 운동에 대한 평균 적분 근전도

수동, 능동, 저항 운동에 따른 수평 회전 운동 결과를 5가지 구간으로 분류하고 평균 적분 근전도를 산출하여 Fig.7의 (a)에 보여주고 있다. 중간삼각근과 대흉근은 수평 회전 운동 시 수동, 능동, 저항 운동 상관없이 회전 운동을 수행하는 모든 구간에서 근활성도가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 수동, 능동, 저항 운동 시 이에 대한 평균 적분 근전도 비교는 모든 구간에서 수동, 능동, 저항 운동 순으로 나타난 것을 볼 수 있다. 마찬가지로 수직 회전 운동의 평균 적분 근전도 산출 결과도 Fig.7의 (b)에서 보여주고 있다. 전면삼각근과 후면삼각근에서도 수동, 능동, 저항 운동 모두 회전 운동을 수행하는 모든 구간에서 근육의 활성화가 이루어지는 것을 나타났다.또한 전면삼각근과 후면삼각근의 평균 적분 근전도는 ⓐ구간을 제외한 모든 구간에서 저항, 능동, 수동 순서로 높게 나타났다. 따라서 각 운동 방법에 따라 수평 회전 운동과 수직 회전 운동을 수행하는 과정에서 동작이 일어나는 구간별로 근육이 활성화되는 것을 알 수 있으며, 환자의 어깨 상태와 목적에 알맞은 운동 방법으로 적용하는 것이 필요하다.

Fig. 7. The mean iEMG of passive, active and resistance exercise. (a) horizontal rotational exercise and (b) vertical rotational exercise.

4. 토의 및 결론

본 논문에서는 정량적인 관절가동범위 측정이 어렵고 단순한 동작을 반복하는 어깨 질환 운동 치료 방법을 개선하기 위한 기기와 이를 적용한 기능성 게임 콘텐츠를 제안하고자 하였다. 이 기기는 수동, 능동, 저항 운동에 대한 회전 운동과 정량적인 관절 가동범위 측정이 가능하도록 하였다. 기능성 게임 콘텐츠는 재활 운동에 대한 흥미를 유발하고 몰입감을 가지고 적극적으로 훈련에 참여할 수 있게 구현하고자 하였다. 또한 개발한 보조기기를 이용하여 수평 회전 운동과 수직 회전 운동을 수행하는 과정이 어깨 강화를 위한 운동에 적절한지에 대한 실험적 검증을 위하여 sEMG를 활용하여 전면삼각근, 중간삼각근, 후면삼각근, 대흉근에서 나타나는 근전도 신호를 분석하였다.

수평 회전 운동 시 저항 운동에 대한 실험 결과, 회전이 일어나기 전에 근활성도가 먼저 나타난 Muscle Reaction 영역에서 중간삼각근과 대흉근에서 평균 0.9초의 지연 시간을 보였다. 이것은 사용자가 가하는 힘이 모터의 토크보다 커질 때까지 회전이 일어나지 않지만 근육에는 힘이 전달되어 근전도 신호가 발생하기 때문으로 보인다. 그리고 본 논문의 실험 결과를 통해서 시계 방향으로 수평 회전 운동 시 내전-외전-외전-내전, 반시계 방향으로 운동 시 외전- 내전-내전-외전의 순으로 근전도 신호가 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 수평 회전 운동을 외전과 내전이 일어나는 구간으로 분류하고 근전도 신호를 관찰한 결과, 실제로 외전과 내전 운동을 수행할 시 나타나는 중간삼각근과 대흉근의 근전도 신호가 해당 구간에서 나타나는 것을 확인하였다.

또한 수평 회전 운동에 대한 평균 적분 근전도는 회전하는 동안 중간삼각근과 대흉근에서 높게 나타났으며, 수직 회전 운동의 경우에도 전면삼각근과 후면 삼각근이 모든 운동 구간에서 높게 나타났다. 즉본 연구에서 개발된 기기를 사용하여 수동, 능동, 저항의 방법으로 회전 운동을 수행하는 것은 어깨 움직임에 도움을 주는 전면삼각근, 중간삼각근, 후면 삼각근, 대흉근에서 근육 활성화가 이루어진다는 것을 알 수 있다. 그리고 수동, 능동, 저항 운동에 대한 각각의 평균 적분 근전도를 비교한 결과 수평 회전 운동과 수직 회전 운동 시 모든 운동 구간에서 저항, 능동, 수동 운동 순서대로 높게 나타났다.이것은 회전근개훈련용 보조기기를 활용한 수평 회전 운동과 수직 회전 운동에 대하여, 증상이 심한 환자를 대상으로연조직의 손상을 방지하고 관절가동범위를 회복하는 목적으로 수동 운동을 제안하고, 관절 가동범위를 회복한 이후 근력의 강화를 통해 견갑골의 안정화를 위한 목적으로는 능동 운동과 모터의 토크에 대한 저항 운동을 적용하면 회전근개 강화에 도움을 줄 수 있을 것이다.

본 연구에서 구현된 기능성 게임 콘텐츠는 개발된 회전근개 훈련용 보조기기를 사용하기 위하여 제작하였기 때문에 간단한 시나리오로 구성되었지만, 추가적으로 이를 보완한 시나리오를 바탕으로 어깨 재활 운동과 관련한 다양한 콘텐츠를 제작한다면 사용자가 좀 더 흥미를 갖고 몰입할 수 있을 뿐만 아니라 좀 더 높은 훈련 효과를 기대할 수 있을 것이다.