[논문 리뷰] Wearable Embroidered Muscle Activity Sensing Device for the Human Upper Leg

R.B. Ribas Manero, Jessie Grewal외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 15.

Muscle activation and electromyography studies참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 조깅 레깅스에 장식된 전극을 내장한 착용 가능한 섬유 통합 표면EMG(sEMG) 센서 장치를 제안하며, 실제 달리기 환경에서 근육 활동을 모니터링한다. 이 장치는 자연 환경에서 장기간에 걸쳐 사용자 친화적인 sEMG 데이터 수집을 가능하게 하며, 결과적으로 자갈도로나 경기장과 같은 딱딱한 표면에 비해 모래 같은 부드러운 표면에서 뛰는 것은 근육 피로를 크게 유발하여 러닝 관련 부상의 위험을 증가시킨다.

ABSTRACT

Within the last decade, running has become one of the most popular physical activities in the world. Although the benefits of running are numerous, there is a risk of Running Related Injuries (RRI) of the lower extremities. Electromyography (EMG) techniques have previously been used to study causes of RRIs, but the complexity of this technology limits its use to a laboratory setting. As running is primarily an outdoors activity, this lack of technology acts as a barrier to the study of RRIs in natural environments. This study presents a minimally invasive wearable muscle sensing device consisting of jogging leggings with embroidered surface EMG (sEMG) electrodes capable of recording muscle activity data of the quadriceps group. To test the use of the device, a proof of concept study consisting of $N=2$ runners performing a set of $5km$ running trials is presented in which the effect of running surfaces on muscle fatigue, a potential cause of RRIs, is evaluated. Results show that muscle fatigue can be analysed from the sEMG data obtained through the wearable device, and that running on soft surfaces (such as sand) may increase the likelihood of suffering from RRIs.

연구 동기 및 목표

• 실험실 외부 환경에서 지속적인 근육 활동 모니터링을 위한 최소 침습적인 착용형 sEMG 장치를 개발하기 위해.
• 기존 EMG 기술이 실외 환경에서 제한을 받는 문제를 해결하기 위해, sEMG 전극을 기능성 의류에 직접 통합함으로써.
• 실제 외부 환경의 sEMG 데이터를 이용해 아스팔트, 모래, 경기장 등 다양한 러닝 표면이 근육 피로에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 내구성 있는 러닝에서 장기적이고 비침습적인 근육 피로 모니터링을 위한 저비용 착용형 sEMG 기술의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 장치는 표준 SENIAM에 따라 대퇴사두근(내측, 외측, 직근)에 정확한 위치를 확보하기 위해 도안된 전도성 실로 봉제된 표면EMG 전극를 내장한 조깅 레깅스를 사용한다.
• 의류에 통합된 고유의 PCB 기반 신호 캡처 시스템을 통해 전기근육신호를 측정하며, 신호 조정에는 증폭 및 전파정류 처리가 포함된다.
• 시간에 따른 sEMG 신호 진폭 추세를 분석함으로써 근육 피로를 정량화하기 위해 새로운 지표인 통합 진폭 비율 값(iARV)을 사용한다.
• 장치는 아스팔트, 모래, 경기장에서 각각 5km 달리기 시험을 수행한 두 명의 참가자를 대상으로 개념 검증 연구를 통해 테스트되었다.
• 외부 달리기 동안 지속적으로 신호 데이터를 캡처하였으며, iARV는 다양한 표면에서의 근육 피로 변화를 평가하기 위해 계산되었다.
• 사용이 용이하도록 설계되었으며, 특별한 해부학적 지식이 필요로 하지 않으며, 실용적인 구현을 위해 저비용이고 재사용 가능한 구성 요소로 제작되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 착용형 섬유 통합 sEMG 시스템은 실제 실외 달리기 환경에서 근육 활동 데이터를 신뢰성 있게 캡처할 수 있는가?
• RQ2 아스팔트, 모래, 경기장 등 다양한 표면에서 뛰는 것은 대퇴사두근의 근육 피로 수준에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 두 번째 숨결 효과와 땀 등 혼란 인자들이 실외 환경에서 sEMG 기반 피로 추정에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 착용형 sEMG 장치는 다양한 표면의 경도와 진동 흡수 성질의 차이를 감지하고 이를 피로 수준의 차이로 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 모래 위에서의 뛰기는 가장 높은 iARV 값으로 나타나 근육 피로가 가장 심하다는 것을 보여주며, 이는 연약하고 탄성 있는 표면에서 러닝 관련 부상(RRI)의 위험이 더 크다는 것을 시사한다.
• 경기장은 낮은 진동 흡수 성질을 지닌 딱딱한 표면로, 가장 낮은 근육 피로 수준을 보였으며, 생체역학 모델의 예측과 일치한다.
• 아스팔트에서의 러닝은 iARV 값 측면에서 모래와 경기장 사이의 중간 수준의 피로 수준을 보였다.
• 두 번째 숨결 효과는 각 러닝의 시작 단계에서 iARV의 일시적인 감소를 유도했으며, 이후 피로로 인한 점진적인 증가로 이어졌다.
• 땀은 피부의 도전도를 증가시키고 신호 오프셋을 변화시켰으며, 특히 마지막 시험(경기장)에서 두드러졌다. 그러나 표면 효과에 대한 피로 순위는 변화하지 않았다.
• 환경적 혼란 요인에도 불구하고 장치는 다양한 표면 간의 피로 수준을 성공적으로 구분하였으며, 장기적인 실외 sEMG 모니터링의 실현 가능성을 확인하였다.