EMG를 이용한 통증 증감 분석 매커니즘

개요

이전 연구

• 무릎 통증의 물리적 정량화
  • 무릎 근육의 수축 → 관절 하중의 60~100%에 기여 → 통증을 야기함
  • EMG를 이용해서 무릎 근육이 내는 힘을 증감을 계산할시, 통증의 증감여부를 확인할 수 있음

목표

• EMG 데이터로부터 근육의 힘으로 변환하는 방법을 상세하게 기재함

매커니즘

개요

• EMG -> 근활성화도 -> 근육의 힘 -> fine tuning

알고리즘

전기 신호를 근육 활성화도로 변경 (EMG → 근활성화도)

1. 밴드위스(버터워즈) 필터로 특정 Hz 범위의 데이터만 남김
   • 10~150Hz 사이의 신호만 남김
2. 음수 값을 양수로 모두 뒤집음 (rectify)
3. 6Hz 저역 통과 필터를 이용해 부드러운 곡선을 만듦

활성화도를 근육의 힘으로 변경 (근활성화도 → 근육의 힘)

• 똑같은 70% 활성화더라도, 근육이 늘어나 있을 때와 수축해 있을 때 내는 힘은 다름
• 근육의 실시간 길이와 수축 속도를 입력
• 근육의 실시간 길이와 속도는 OpenSim의 Hill-type 모델과 엔코더 각도를 이용 (API 이용)
  • 대퇴사두: 고관절과 무릎 각도 필요
  • 비복근(종아리) : 무릎과 발목 각도 필요

Fine tuning

• 지면반력기를 이용해 측정한 값과 예측값을 비교
• 맞게 될때까지 모델 내부 변수(근육길이, 근육 최대 강도 ... 등)를 fine tuning

실현 가능성 확인

데이터

• 조지아 테크의 activities data set 을 사용

  • 우리에게 맞는 평지 보행 데이터 사용

• 데이터 파일 설명

  데이터 종류	파일 확장자	샘플링 레이트	주요 내용
  EMG	_emg.csv	2000 Hz	대퇴직근(RF), 비복근(GAS) 등 16개 근육 활성도.
  Kinematics	_angle.csv	200 Hz	OpenSim 기반 관절 각도 (Degree).
  Kinetics	_moment.csv	200 Hz	관절 토크 (Nm), 파워 (W).
  IMU	_imu_real.csv	200 Hz	실제 부착된 가속도 및 자이로 데이터.
  GRF	_grf.csv	200 Hz	지면 반력 데이터 (y축이 수직 방향).

OpenSim GUI를 이용한 시뮬레이션

시뮬레이션 방법

• File > open model
  • 문서 > OpenSim > 4.5 > Models > Gait2392_Simbody > gait2392_simbody.osim
    • 가장 많이 사용되는 하체 모델
      
• 왼쪽 네비게이터 > 3DGaitModel2392 우클릭 > load motion > angle.mot 파일
  
• 왼쪽 네비게이터 > 3DGaitModel2392 > Motions > Coordinates 우클릭 > associate motion data > 근활성화.mot 파일
• 왼쪽 네비게이터 > 3DGaitModel2392 > Motions > Coordinates 우클릭 > color muscles from file > 근활성화.mot 파일
  • 재생 클릭시 걸음에 따른 어떤 근육이 가장 많이 활성화 되는지 시뮬레이션 가능
  • 빨간색일 수록 활성화, 보라색일 수록 비활성화
    

레퍼런스

• 무릎 근육에 의한 하중 증가에 관한 연구
  • Muscle and external load contribution to knee joint contact loads during normal gait

Appendix

• angle.mot 와 emg_processed.sto를 만들기 위해서는 헤더가 필요
• angle.mot

  Coordinates
  version=1
  nRows=4001
  nColumns=13
  inDegrees=yes
  endheader
  

• emg_processed.sto

  Processed_EMG_Data
  version=1
  nRows=40001
  nColumns=17
  inDegrees=no
  endheader