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Quantitative analysis of passive wrist tremor suppression method to minimize voluntary motion deterioration = 피동적 떨림 억제 장치의 자의적 움직임 저해 최소화 방법에 대한 정량적 분석
서명 / 저자 Quantitative analysis of passive wrist tremor suppression method to minimize voluntary motion deterioration = 피동적 떨림 억제 장치의 자의적 움직임 저해 최소화 방법에 대한 정량적 분석 / Yun-Joo Kim.
저자명 Kim, Yun-Joo ; 김연주
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

Tremor is rhythmic involuntary oscillation of a body part by quasi-sinusoidal contraction of muscle groups. Patients with tremor suffer from lack of independency in daily activities. Because of the high risk of side effects, medication or surgery is not a perfect solution of tremor suppression. Therefore, mechanical suppression devices became an effective alternative for tremor patients. So far, performance of tremor suppression mechanism or a suppression device has been evaluated only by tremor suppression rate. However, higher suppression with damping also deteriorates intended voluntary motion of the user. To design a favorable tremor suppression device, muscular effort increased to compensate the impeded voluntary motion should be considered in selection of damping parameter. In this research, voluntary motion deterioration during passive tremor suppression was quantitatively analyzed and a wearable tremor suppression device with variable hydraulic damper was designed for optimal suppression for wrist flexion/extension tremor. From kinematic data and electromyography achieved by voluntary tracking tasks with various suppression levels, quantitative relationship between the tremor reduction ratio and the amount of deterioration in voluntary motion was achieved. With a variable hydraulic damper, 4 damping ratios(0.070/0.14/0.19/ 0.37 [N/(rad/s)]) were applied to 4 voluntary motion frequencies(0.2/0.5/1.0/2.0 Hz). Nine healthy volunteers were participated to measure acceleration and sEMG signals during wrist flexion and extension motion. From the data, the power of sEMG, the power of tremor, tracking error, and translation of tremor frequency were computed for quantitative analysis. To simulate pathological tremor in normal person, extreme exercises were performed by 3 participants to induce fatigue-induced tremor. Despite further researches are required for more accurate selection of suppression conditions, this research have suggested an additional guide to consider the amount of deterioration in voluntary motion during passive tremor suppression.

의학적 증상으로써의 떨림(Tremor)은 신체의 일부에서 근육의 의도하지 않은 반복적인 반(半)주기적 수축으로 인한 진동이 나타나는 것을 의미한다. 이러한 떨림의 원인은 대체적으로 신경학적인 요인에 의해 발생하며, 정상적인 사람에게서도 미약한 떨림이 있으며 긴장, 스트레스, 피로 등에 의해서 심화되기도 한다. 이러한 떨림증상을 가지고 있는 환자의 경우는 먹거나 씻는 등 일상 생활에서 심각한 불편을 겪게 된다. 하지만 수술이나 약물로 증상이 완화되는 경우가 50% 미만이고, 이로 인한 부작용이 크기 때문에 대체할 수 있는 기술로써 기계적인 떨림 억제 기구들에 관련된 연구들이 주목받고 있다. 하지만 이러한 떨림 억제 기구들은 떨림을 억제하기 위해 적용된 댐핑이 사용자의 자의적인 움직임도 방해한다는 한계점이 있다. 이러한 현상은 많은 연구결과를 통해서 알려져 있으나 여전히 떨림 억제 장치의 성능은 떨림 억제 비율만 고려하는 경우가 많으며, 자의적 움직임의 저해 정도에 대해 정량적으로 분석할 수 있는 방법이 부재하였다. 떨림 환자가 사용하기에 용이한 떨림 억제 기구를 설계하기 위해서는 기구를 사용하는 데 필요한 근력 등을 이용하여 자의적 움직임 저해를 최소화 할 수 있는 적절한 파라미터 선정이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 댐핑 정도를 조절할 수 있는 수력 가변 댐퍼를 적용한 착용형 손목 떨림 억제 기구를 설계하고, 피동적 떨림 방법에서의 자의적 움직임 저해도를 정량적으로 제시할 수 있는 지표를 제시하고 이를 분석하였다. 손목의 자의적 움직임을 분석하기 위해서 네 가지의 속도(±20°, 0.2/0.5/1.0/2.0Hz)로 반복운동을 하는 지표를 따라서 움직이도록 추적 실험을 설계하였다. 각 속도 조건에 대해 최소 15회 이상의 주기를 반복하였으며, 가변 댐퍼의 가용 범위 내에서 4개의 댐핑 값(0.070/0.14/0.21/0.37 [N/(rad/s)])을 각각 적용하여 가속도와 근전도 신호를 측정하였다. 이러한 운동학적 신호와 근전도 신호로부터 서로 다른 억제 정도에 대한 떨림 억제 정도와 자의적 움직임 저해 정도에 대한 정량적인 관계를 계산하였다 총 9명의 정상인들이 실험에 참여하였고, 이 중 4명은 떨림 환자를 모사하기 위해 피로에 의한 떨림을 유도하여 같은 실험을 반복하였다. 실험 결과로 얻은 손등에서의 가속도 신호, 손목 신/굴근의 근전도 신호 등을 통해 자의적 움직임을 위해 사용된 근력, 떨림의 강도, 추적 오차, 떨림의 주(主)주파수 이동 등을 계산하였고 이를 통해 자의적 움직임의 저해도와 떨림의 억제 정도를 분석하였다. 이 연구에서는 자의적 움직임 정도를 정량적으로 표시하기 위해서 ME(Muscular Effort) 지표를 도입하였다. 자의적 움직임에 필요한 근력은 움직임 속도가 빨라질수록 증가하였다. 2Hz의 움직임은 사람이 움직이는 지표를 보면서 따라갈 수 있는 가장 빠른 속도이기 때문에 속도가 증가할수록 필요한 근력도 증가하는 형태를 보였으나 낮은 댐핑 값에서도 최대근력의 15% 이상의 값이 필요한 운동으로 나타났다. 대체적인 경향은 같은 속도의 움직임을 할 경우, 댐핑 값이 커질수록 필요한 근력이 증가하였으나 0.14Nm/(rad/s) 또는 0.21 Nm/(rad/s) 조건에서 경향보다 낮은 근력이 나타나기도 하였다. 이는 적절한 정도의 댐핑은 움직임을 부드럽게 하여 오히려 과도한 힘의 사용을 막아주기 때문으로 추정된다. 또한 사람이 목표물을 쉽게 따라가기 어려울 정도의 속도인 0.35Hz 이하의 속도 조건에서는 간혹 더 느린 움직임임에도 자세유지를 위해 더 많은 근력을 소비하는 것으로 나타났다. 이처럼 여러 속도 조건과 댐핑 조건을 변화시키면서 근력을 추정한 결과, 댐핑이 없는 조건에 비해 가장 심한 경우 최대근력의 15% 이상 더 힘을 사용하게 됨을 정량적으로 볼 수 있었다. 자의적 움직임 저해도와 함께 피로떨림의 억제 정도를 같은 조건의 데이터들을 통하여 분석하여 보았다. 하지만 근력이 증가할수록 떨림의 진폭이 증가하는 피로떨림의 특성 상 댐핑 값이 증가함에도 불구하고 0.07-0.21 Nm/(rad/s) 조건 내에서는 떨림이 감소하지 않고 오히려 증가하는 경향을 보였다. 하지만 이 떨림 증가 정도를 넘어설 수 있을 정도로 댐핑이 증가하면 0.37Nm/(rad/s) 조건에서는 급격하게 떨림이 억제되는 것을 볼 수 있었다. 실제 떨림 환자를 대상으로 하지 않아 떨림 억제에 대한 심도 있는 고찰이 이루어지지는 못했으나, 대체적으로 약 40% 정도의 떨림 억제 성능을 보였다. 이 연구 결과를 개선하고 제시된 지표의 신뢰도를 검증하기 위해서는 피로유도된 떨림 대신 실제 환자를 대상으로 실험을 진행해볼 필요가 있으며, 더 넓은 범위의 댐핑에 대한 검증도 이루어져야 할 것이다. 하지만 이러한 한계점에도 불구하고 떨림 억제 정도를 추정하였던 기존의 연구에도 적용할 수 있는 정량적인 자의적 움직임 저해도 지표를 제시하였으며 이에 대한 실험결과를 최초로 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다고 보인다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 14050
형태사항 vi, 54 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김연주
지도교수의 영문표기 : Jung Kim
지도교수의 한글표기 : 김정
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 47-50
주제 Wrist tremor
Passive suppression
Voluntary motion
Fatigue-induced tremor
손목 떨림
피동적 떨림 억제
자의적 움직임 저해
피로유도 떨림
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