KR101501415B1 - System for monitoring muscular condition using Fiber Bragg Grating sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 근육 재활 치료 및 상태 모니터링을 위한 스마트 센서 시스템에 관한 것으로, 근육의 수축 및 이완을 감지하여 상태를 확인할 수 있는 센서 시스템 모듈에 대한 것이다.
The present invention relates to a smart sensor system for performing muscle rehabilitation and condition monitoring using an optical fiber Bragg grating sensor, and more particularly, to a sensor system module capable of detecting the state of muscle contraction and relaxation and confirming the state thereof.
세계적으로 경제활동이 가능한 인구보다 노인 인구가 더 증가하는 현상이 발생하고 있다. 특히, 우리나라의 경우 OECD 국가 중 출산율이 가장 낮으며(2010년 한 가구당 출산하는 아이의 수는 1.226명), 이로 인해 인구 노령화가 가속화되고 있다. 또한 고령사회연구소에 따르면, 2026년이면 65세 이상 노인 인구 비율이 20%를 넘어 초 고령 사회로 접어든다고 예측하고 있다. 노인의 경우 근력이 부족하여 무거운 물건을 들거나 옮기는 경우에도 원하는 정도의 힘을 제어하지 못하여 사고가 발생하기 쉽다. 그래서 노인을 보호할 수 있는 시설과 장비가 필요하다. 그리고 최근 활동량과 운동부족으로 인해 건강 악화를 야기하며, ‘건강 적신호’, ‘직장인 번아웃 신드롬(Burnout Syndrom)’이라 불리는 등 노인뿐만이 아니라 젊은 청년들에게도 건강은 중요한 문제로 대두되고 있다.The number of elderly people is increasing more than the number of economically active people in the world. In particular, Korea has the lowest fertility rate among OECD countries (the number of children born per household in 2010 is 1.226), which aggravates the aging of the population. According to the Institute for Aging Society, it is predicted that in 2026, the proportion of the elderly people aged 65 or older would exceed 20%, turning into a super-aged society. In the case of an elderly person, it is difficult to control a desired force even when lifting or moving a heavy object due to insufficient strength. So we need facilities and equipment to protect the elderly. In addition, health has become an important issue not only for the elderly but also for the young people, such as 'health alert' and 'burnout syndrome', which cause health deterioration due to recent activity and lack of exercise.
특히, 사고를 겪거나 거동이 불편한 환자와 같이 수술이나 골절 등으로 인해 장시간 활동이 부족할 경우 갑작스런 움직임을 주어서는 근육의 파열 및 괴사와 같은 2차질환을 유발한다. 이를 위한 다양한 물리치료법 개발이 지속적으로 진행되고 있다.Especially, when there is insufficient activity for a long time due to surgery or fracture such as an accident or an inconvenient patient, sudden movement causes secondary diseases such as muscle rupture and necrosis. Various physical therapies are being developed for this purpose.
현재, 광섬유 센서(Optical Fiber Sensor)로 응응하여 활발한 연구가 진행되고 있는 광섬유 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)은 광섬유 레이저 및 필터, 펄스압축 등에 이용되고 있으며, 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 장점은 단일 센서를 이용한 측정뿐만 아니라 단일 광섬유 안에 여러 개의 센서를 삽입하여 여러 지점의 물리적 변화량을 측정할 수 있고, 센서에서 반사되어 돌아온 파장을 측정하기가 용이하다는 것이다.Fiber Bragg Grating (FBG), which has been actively researched in response to optical fiber sensors, is currently being used for fiber laser, filter, and pulse compression. Advantages of fiber Bragg Grating (FBG) sensors It is possible to measure the amount of physical change at various points by inserting several sensors in a single optical fiber as well as measurement using a single sensor and it is easy to measure the wavelength reflected from the sensor.
FBG 광섬유센서는 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장이 달라지기 때문에, 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 인장-압축 또는 온도로 환산함으로써 센서로서 활용하는 것으로, 하나의 케이블에 파장이 다른 여러 개의 센서를 동시에 설치할 수 있어 멀티플레싱이 가능하고, 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않으며, 수십 km까지 증폭기 없이 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자기파에 영향이 거의 없으며, 유리재질이기 때문에 습기 등에 의한 부식의 영향이 거의 없어 장기적인 내구성이 매우 뛰어난 센서이다.The FBG optical fiber sensor generates a Bragg grating that reflects a specific wavelength in the optical cable and changes the wavelength reflected by the tensile-compression or temperature change. Therefore, by converting the change amount of the reflected wavelength at the initial wavelength into tensile- , It is possible to install multiple sensors with different wavelengths on one cable at the same time so that it can be multiplexed and the noise is not generated in the signal even if the cable length is long because the light is a source, It has the advantage of transmitting signals without amplifiers. In addition, it has almost no influence on electromagnetic waves, and it is a sensor which is excellent in long-term durability because it is made of glass and hardly affected by corrosion due to moisture or the like.
광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 광섬유 코어 안에 주기적인 굴절률을 만들어 구성하며, 외부의 물리적 변화에 의해 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서에 의해 반사된 광신호의 중심 파장이 물리적 변화량만큼 변화한다. 따라서, 파장 변화량을 검출한다면 물리적 변화량을 계산할 수 있는 것이다.
A fiber Bragg grating (FBG) sensor generates a periodic refractive index in an optical fiber core. The center wavelength of an optical signal reflected by a fiber Bragg grating (FBG) sensor changes by a physical change due to an external physical change. Therefore, if the wavelength change amount is detected, the physical change amount can be calculated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 근육 재활 치료 및 상태 모니터링을 위한 스마트 센서 시스템에 관한 것으로, 근육의 수축 및 이완을 감지하여 상태를 확인할 수 있는 센서 시스템 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention relates to a smart sensor system for performing muscle rehabilitation and condition monitoring using an optical fiber Bragg grating sensor. The present invention relates to a smart sensor system for detecting muscle contraction and relaxation, The present invention relates to a sensor system module.
또한 본 발명은 흥미를 유발할 수 있게 오락적으로 소프트웨어를 구성하여 사용자가 지루하지 않고 근육 재활 운동을 할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다. Another object of the present invention is to provide a system in which software can be configured to be interesting for entertainment so that a user can perform a muscle rehabilitation exercise without being bored.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, 이하 'FBG'라 함) 센서를 이용한 근육 상태 모니터링 시스템에 있어서, 피검체인 신체에 부착하여 근육의 수축 및 이완에 따른 변화량을 FBG 센서를 이용하여 측정하기 위한 밴드 형태의 FBG 센서 모듈, 상기 FBG 센서 모듈에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, 상기 FBG 센서 모듈에서 반사되는 광 신호를 수신하기 위한 광원 송수신 장치 및 상기 광원 송수신 장치에서 수신한 광 신호를 분석하여 근육의 수축 및 이완 상태 및 변화량을 모니터링하는 컴퓨터를 포함한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a system for monitoring a muscle condition using a fiber Bragg grating (FBG) sensor, the system comprising: A FBG sensor module in the form of a band for measuring using an FBG sensor, a light source transceiver for transmitting optical signals of two or more frequency bands to the FBG sensor module, receiving an optical signal reflected from the FBG sensor module, And a computer for analyzing the optical signal received at the transceiver to monitor the contraction and relaxation state and the amount of change of the muscle.
상기 FBG 센서 모듈은, 피검체인 신체에 결속하는 방식으로 장착하기 위한 벨트, 상기 벨트의 일부분 상에 부착된 평면 형태의 평면 부재 및 상기 평면 부재 상에 부착된 FBG 센서를 포함하여 이루어질 수 있다. The FBG sensor module may include a belt for mounting in a manner binding to the body of the inspected object, a planar flat member attached on a part of the belt, and an FBG sensor attached on the flat member.
상기 FBG 센서를 직렬로 연결하는 방식으로 둘 이상의 FBG 센서 모듈을 하나의 선으로 연결할 수 있다.The FBG sensors may be connected in series to connect two or more FBG sensor modules with one line.
본 발명의 일 실시예에서 둘 이상의 FBG 센서 모듈을 신체의 다른 지점에 부착하고, 상기 컴퓨터는 둘 이상의 지점에서의 근육 상태 및 변화량을 모니터링할 수 있다. In one embodiment of the present invention, two or more FBG sensor modules are attached to different points of the body, and the computer can monitor the muscle condition and the amount of change at two or more points.
상기 광원 송수신 장치는 FBG 인테로게이터(Interrogator)일 수 있다.
The light source transceiver may be an FBG interrogator.
본 발명에 의하면 밴드 형태의 FBG 센서 모듈을 신체에 부착함으로써, 보다 용이하고 정확하게 근육의 이완 및 수축 상태를 모니터링할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to more easily and accurately monitor the relaxation and contraction of muscles by attaching a band-shaped FBG sensor module to the body.
또한, 본 발명에 의하면 FBG 센서를 이용하여 근육 재활치료 및 상태 모니터링을 위한 스마트 센서 시스템 분야에서 유용할 것으로 기대된다. 예를 들어, 본 발명의 FBG 센서 모듈을 이용한 근육 상태 모니터링 시스템을 오락성 소프트웨어를 구성하여 적용하면, 사용자의 흥미를 유발할 수 있으며 지루하지 않게 근육 재활 운동을 수행할 수 있다. In addition, the present invention is expected to be useful in the field of smart sensor systems for muscle rehabilitation and condition monitoring using FBG sensors. For example, when a muscle condition monitoring system using the FBG sensor module of the present invention is applied to entertainment software, it can induce the user's interest and can perform the muscle rehabilitation exercise without being bored.
또한, 본 발명에 의하면 다수의 FBG 센서 모듈을 하나의 라인으로 직렬로 연결하는 것이 가능하기 때문에, 여러 개 센서 모듈을 제작할 수 있고, 두 팔과 두 다리의 여러 부위의 근육 상태를 모니터링할 수 있으며, 복잡한 형상의 신체 부위에도 근육 상태를 모니터링할 수 있고, 시스템의 간소화와 함께 단일 케이블을 이용하기에 사용자의 편의성까지 제공할 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, since it is possible to connect a plurality of FBG sensor modules in one line in series, it is possible to manufacture a plurality of sensor modules and monitor the muscular condition of various parts of two arms and two legs , It is possible to monitor the state of the muscles even in a body part of a complicated shape, and it is possible to provide a convenience of the user by using a single cable together with the simplification of the system.
도 1은 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber bragg grating sensor, FBG sensor)의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링을 위한 FBG 센서 모듈의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 모듈을 착용한 상태의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 모듈을 연결한 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 모듈의 적층 구조를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링 시스템을 활용한 근육 재활 소프트웨어의 화면예이다. 1 is a view for explaining the structure and principle of a fiber bragg grating sensor (FBG sensor).
FIG. 2 is a block diagram of a FBG sensor module for monitoring muscle condition according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3 is a cross-sectional view of the FBG sensor module according to an embodiment of the present invention.
4 is a configuration diagram of a muscle condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view illustrating a connection of an FBG sensor module according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view illustrating a laminated structure of an FBG sensor module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an example of a screen of a muscle rehabilitation software that utilizes a muscle condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined in the present application Do not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명은 사용자의 단순한 의사 표시를 쉽게 인식할 수 있는 시스템이다. 이러한 시스템은 기본적으로 사용자의 의사를 민감도 높게 인식하여 이를 기반으로 근육의 상태를 나타내어야 한다. 일반적으로 사람이 물체를 들거나 동작을 수행할 때는 근육의 움직임이 발생하게 된다. 즉 사람의 근육 움직임을 감지하여 이를 신호로 인식하고, 근육의 상태를 수치적으로 나타내어 재활 능력 정도를 알 수 있다.The present invention is a system capable of easily recognizing a user's simple intention display. Such a system should basically recognize the user's sensitivity with high sensitivity and indicate the state of muscles based on this. Typically, when a person lifts an object or performs an action, the muscles move. In other words, it detects the motion of a person's muscles, recognizes it as a signal, and shows the state of the muscles numerically, so that the degree of rehabilitation ability can be known.
본 발명에서는 근육의 움직임이나 형상을 측정하기 위해 기존에 많이 개발된 전자기 기반 센서가 아닌 광학 센서를 이용하여 근육 상태를 나타내는 시스템을 구성한다. 광학 센서 중 광섬유 센서는 기본적으로 광 신호를 사용하기 때문에 전자기적 간섭(electromagnetic interference)이 일어나지 않는다. 또한 광 신호를 사용하므로 높은 민감도와 빠른 응답 속도를 갖기 때문에 실시간 측정에 매우 유용하다. 그리고 광섬유 센서에 사용되는 광섬유는 직경이 매우 작고(250μm) 실과 같이 원형으로 되어 있어 사람의 옷에도 넣을 수 있는 크기이기 때문에 눈에 잘 보이지 않게 구성할 수 있다. 따라서 사용자의 불편함을 줄이고, 재활에 도움이 되는 시스템 구성이 가능하다.In the present invention, a system for indicating muscle state is constructed using an optical sensor, rather than an electromagnetic-based sensor, which has been developed in the past to measure the motion or shape of a muscle. Among the optical sensors, the optical fiber sensor basically uses the optical signal, so that electromagnetic interference does not occur. Since it uses optical signals, it has high sensitivity and fast response speed, which is very useful for real-time measurement. The optical fiber used in the optical fiber sensor is very small in diameter (250 μm) and has a circular shape like a thread so that it can be put on human clothes, so that it can be configured to be invisible to the eye. Therefore, it is possible to reduce the inconvenience of the user and configure the system to help rehabilitation.
도 1은 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber bragg grating sensor, FBG sensor)의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the structure and principle of a fiber bragg grating sensor (FBG sensor).
도 1을 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서는 광섬유의 코어(Core)에 주기적인 격자을 만들고, 이에 따른 빛의 굴절률 변화를 이용한다. 즉, 브래그 격자에 광대역 광을 입사시키면 굴절률이 변하는 경계면에서 빛을 반사시키게 되는데, 브래그 조건(Bragg condition)에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외 다른 파장의 빛은 브래그 격자를 통과하게 된다. 브래그 조건은 다음 수학식과 같다.Referring to FIG. 1, an optical fiber Bragg grating sensor forms a periodic lattice on a core of an optical fiber, and thereby utilizes a refractive index change of light. That is, when a broadband light is incident on the Bragg grating, the light is reflected at the interface where the refractive index changes. The Bragg wavelength λ b corresponding to the Bragg condition is reflected without passing through the Bragg grating, The light of the light passes through the Bragg grating. The Bragg condition is expressed by the following equation.
여기서, ne는 광섬유 격자의 유효 굴절률(effective refractive index)로서 빛이 광섬유 브래그 격자의 한 주기를 진행할 때의 평균 굴절률을 나타내며, Λ는 광섬유 코어에 새겨진 격자의 간격(grating period)을 의미한다.Here, n e is an effective refractive index of the optical fiber grating, which represents the average refractive index when light propagates through one period of the fiber Bragg grating, and A represents a grating period engraved in the optical fiber core.
즉, 수학식 1과 같은 브래그 조건(Bragg Condition)에 해당하는 브래그 파장 의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외에 다른 파장의 빛은 통과하게 되는 것이다.That is, the Bragg wavelength corresponding to the Bragg Condition as shown in Equation (1) is reflected without passing through the Bragg grating, and the light of other wavelengths passes through the Bragg Condition.
수학식 1로 나타낼 수 있는 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서, 광섬유 브래그 격자에 단거리 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우, 이들 값에 의하여 브래그 파장이 달라진다. 이 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정함으로써, 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량이 구해질 수 있다.The Bragg wavelength reflected from the optical fiber Bragg grating represented by Equation (1) is a function of the effective refractive index and the lattice spacing. When an external physical quantity such as a short distance strain is applied to the optical fiber Bragg grating, Bragg wavelength is changed by these values. By precisely measuring the change of the Bragg wavelength, an unknown physical quantity applied to the optical fiber grating can be obtained.
광섬유 브래그 격자 센서는 측정량이 브래그 반사 파장의 변화량이므로 측정이 간편하며, 광섬유 브래그 격자의 반사 파장의 선폭이 좁기 때문에 분해능이 높은 센서를 구성할 수 있다. 또한, 브래그 반사 파장이 서로 다른 광섬유들은 서로 영향을 받지 않으므로 하나의 광섬유를 이용한 다중점 측정이 가능하다.The fiber Bragg grating sensor is easy to measure because the amount of change of the Bragg reflection wavelength is measured, and the line width of the reflection wavelength of the fiber Bragg grating is narrow. In addition, since the optical fibers having different Bragg reflection wavelengths are not influenced by each other, multi-point measurement using one optical fiber is possible.
광섬유 브래그 격자 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장 분할 방식이라 한다.In the fiber Bragg grating sensor, a plurality of gratings are used for a single optical fiber. In this case, by making all the reflection wavelengths of the gratings different, it is possible to easily distinguish physical quantities experienced by a specific grating from the spectrum of the reflected light source. This method is called wavelength division method.
격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유 브래그 격자 센서에 외부 물리량을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 광섬유 브래그 격자 센서에 인가된 물리량을 구할 수 있다.The Bragg wavelength reflected by the grating is a function of the effective refractive index and the lattice spacing. When an external physical quantity is applied to the optical fiber Bragg grating sensor, the Bragg wavelength is changed. Therefore, if the Bragg wavelength is measured, Can be obtained.
본 발명에서는 이러한 광섬유 브래그 격자 센서를 통해 파장값을 측정함으로써, 근육의 수축 및 이완에 대한 수치를 알 수 있고, 이를 이용하여 재활 치료 및 근육 상태 모니터링에 활용 가능하다. In the present invention, by measuring the wavelength value through the optical fiber Bragg grating sensor, the numerical values for the contraction and relaxation of the muscles can be known and utilized for rehabilitation therapy and muscle condition monitoring.
본 발명에서 근육이 이완하여 볼륨이 증가하게 되면 Λ값이 증가하여 브래그 파장값이 증가하게 된다. 반대로 근육이 수축하면 Λ값이 감소하게 되므로 브래그 파장값이 감소하게 된다.In the present invention, as the muscle relaxes and the volume increases, the Λ value increases and the Bragg wavelength increases. On the contrary, when the muscle contracts, the Λ value decreases and the Bragg wavelength decreases.
변화된 브래그 파장 ΔλB를 측정함으로써, 광섬유 격자 센서에 가해진 변형률을 다음 수학식 2와 같이 계산할 수 있다. By measuring the changed Bragg wavelength? B , the strain applied to the optical fiber grating sensor can be calculated by the following equation (2).
수학식 1을 이용하여 수학식 2를 정리하면 다음 수학식 3과 같이 표현된다. Equation (2) can be summarized as Equation (3) using Equation (1).
수학식 3에서 굴절률의 변화는 변형률 광학 텐서의 성분을 이용하여 다음 수학식 4와 같이 표현된다. The change of the refractive index in the equation (3) is expressed by the following equation (4) using the component of the strain optical tensor.
여기서, ρ11과 ρ12는 변형률 광학 텐서(strain-optic constant)의 성분이고, υ는 광섬유의 프와송의 비(Poisson’s ratio)이며, ρe는 광탄성 상수(Photoelectric Constant)로서 emanosilicate glass의 경우 대략 0.22의 값을 가진다.Where ρ 11 and ρ 12 are the components of the strain-optic constant, υ is the Poisson's ratio of the optical fiber, ρ e is the photoelastic constant, 0.22.
수학식 6을 수학식 3에 대입하면, 브래그 파장 변화에 따른 변형률인 수학식 7을 도출할 수 있다. By substituting the equation (6) into the equation (3), it is possible to derive the equation 7, which is the strain according to the Bragg wavelength change.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링을 위한 FBG 센서 모듈의 구성을 보여주는 도면이다. FIG. 2 is a block diagram of a FBG sensor module for monitoring muscle condition according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링을 위한 FBG 센서 모듈(100)은 근육의 수축과 이완을 용이하게 전달하기 위하여 밴드 형식으로 구현된다. Referring to FIG. 2, the
FBG 센서 모듈(100)은 신체에 장착하기 위한 벨트(110), 벨트(110) 상에 부착된 평면 부재(120), 평면 부재(120) 상에 부착된 FBG 센서(130)를 포함하여 이루어진다. The
벨트(110)는 피검체인 신체에 결속하는 방식으로 장착하기 위한 부분이다. 본 발명에서 벨트(110)는 신체의 근육 상태를 모니터링하기 위하여 착용감이 우수한 재질을 사용하는 것이 바람직하다. The
평면 부재(120)는 벨트(110)의 일부분 상에 부착된 평면 형태의 부재이다. The
본 발명의 일 실시예에서 변형의 전달률을 높이기 위하여, 에폭시를 사용하여 벨트(110) 상에 평면 부재(120)를 부착할 수 있다. 마찬가지로, 에폭시를 사용하여 평면 부재(120) 상에 FBG 센서(130)를 부착할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the
본 발명에서 FBG 센서를 직렬로 연결하는 방식으로 둘 이상의 FBG 센서 모듈을 하나의 선으로 연결할 수 있다.
In the present invention, two or more FBG sensor modules may be connected by a single line by connecting FBG sensors in series.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 모듈을 착용한 상태의 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of the FBG sensor module according to an embodiment of the present invention.
도 3은 FBG 센서 모듈을 신체의 팔 또는 다리 등의 측정 대상의 근육부위에 근접시켜 착용한 모습의 단면도이다. Fig. 3 is a cross-sectional view of the FBG sensor module worn close to the muscular part of the subject such as the arm or leg of the body.
도 3에서 보는 바와 같이, 벨트(110)의 임의의 지점에 평면 부재(120)와 FBG 센서(130)를 부착시키고, 이를 피검체의 둘레 방향으로 감싸게 되면 일부분의 근육 수축 및 이완에 대한 모니터링이 가능하다.As shown in FIG. 3, when the
도 3을 참조하면, FBG 센서 모듈(100)이 신체에 착용된 모습은 원주를 이루는 기하학적인 형상이 된다. 따라서, FBG 센서(130)의 측정 수식은 다음 수학식들을 통해 유도할 수 있다.Referring to FIG. 3, the shape of the
수학식 8을 수학식 3에 대입하여 정리하면, 다음 수학식 9와 같이 표현된다. Equation (8) is substituted into Equation (3) and expressed as Equation (9).
그리고, 근육의 팽창 및 수축에 의한 원주 방향의 변수를 적용하게 되면, 다음 수학식 10과 같이 표현된다. Then, when the circumferential direction variable due to the expansion and contraction of the muscle is applied, it is expressed as the following equation (10).
이상에서 설명한 바와 같은 수식의 정리로부터 축 방향으로의 변형이 있을 경우와 원주 방향으로의 변형이 있을 경우, 수학식 7과 수학식 10을 비교한 결과 기하학적 차이만 존재하고, 도출되는 값은 변형률에 따라 브래그 파장이 변함을 알 수 있다.
When there is deformation in the axial direction and deformation in the circumferential direction from the theorem as described above, there is only a geometrical difference between the equations (7) and (10) It can be seen that the Bragg wavelength is changed.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링 시스템의 구성도이다. 4 is a configuration diagram of a muscle condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, 이하 'FBG'라 함) 센서를 이용한 근육 상태 모니터링 시스템은 FBG 센서 모듈(100), FBG 인테로게이터(Interrogator)(200), 컴퓨터(300)를 포함한다. 4, a muscle condition monitoring system using an optical fiber Bragg grating (FBG) sensor includes an
FBG 센서 모듈(100)은 피검체인 신체에 부착하여 근육의 수축 및 이완에 따른 변화량을 FBG 센서를 이용하여 측정하기 위한 밴드 형태의 모듈이다. The
FBG 인테로게이터(200)는 FBG 센서 모듈(100)에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, FBG 센서 모듈(100)에서 반사되는 광 신호를 수신하는 역할을 한다. 본 발명에서 FBG 인테로게이터(200)는 일 실시예에 불과하며, 광원 송수신 장치로서의 동일한 기능을 수행하는 다른 장치가 사용될 수 있음은 당연하다. The
컴퓨터(300)는 FBG 인테로게이터(200)에서 수신한 광 신호를 분석하여 근육의 수축 및 이완 상태 및 변화량을 모니터링한다. The
본 발명의 일 실시예에서 둘 이상의 FBG 센서 모듈(100)을 신체의 다른 지점에 부착하고, 컴퓨터(300)는 둘 이상의 지점에서의 근육 상태 및 변화량을 모니터링할 수 있다. In one embodiment of the present invention, two or more
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 FBG 센서를 이용하여 근육의 상태를 확인하기 위한 FBG 센서 모듈(100)은 팔이나 다리에 접합시켜 근육의 수축과 이완을 측정할 수 있는 밴드 타입의 센서 모듈이다. 즉, 힘을 주어 근육이 이완되면 볼륨이 증가하게 되고, 이를 측정하는 FBG 센서는 브래그 파장 값이 증가하게 된다. 반대로 근육이 수축되면, FBG 센서(130)의 브래그 파장 값이 감소하게 된다. 이를 활용하면 근육의 수축 및 이완에 대한 형태를 FBG 센서(130)를 통해 모니터링할 수 있다.As shown in FIG. 4, the
본 발명에서는 사용자의 팔이나 다리의 부동자세에서의 특정 값을 기준으로 근육의 움직임을 감지하여 재활치료가 수행되고 있는지에 대한 상태 모니터링을 수행할 수 있다.In the present invention, it is possible to perform state monitoring as to whether or not the rehabilitation treatment is being performed by detecting the movement of the muscles based on a specific value in a floating position of the user's arms or legs.
본 발명의 근육 상태 모니터링 시스템의 제작 과정은 다음과 같다.The process of manufacturing the muscle condition monitoring system of the present invention is as follows.
먼저, 벨트(110)의 임의의 지점에 평면 부재(120)와 FBG 센서(130)를 부착하여 FBT 센서 모듈(100)을 제작한다. 그리고, 이 벨트를 측정을 원하는 피검체에 결속을 시키고, 광섬유 케이블을 FBG 인테로게이터(Interrogator)(200)에 연결한다.First, the
FBG 인테로게이터(200)는 여러 영역의 대역의 빛을 출력하고, FBG 센서(130)에서 반사되는 특정 파장을 수신하고, 이 데이터를 컴퓨터(300)로 전송하는 장치이다. The
본 발명에서 FBG 센서(130)의 특성상 연속적(직렬)으로 연결하여 여러 개의 FBG 센서 모듈(100)을 하나의 라인으로 구성할 수 있다. The plurality of
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 모듈을 연결한 모습을 도시한 도면이다. FIG. 5 is a view illustrating a connection of an FBG sensor module according to an embodiment of the present invention.
도 5에서 보는 바와 같이, FBG 센서(130)는 다중화 기법이 가능하기 때문에, 한 라인으로 연속적(직렬)으로 연결이 가능하여 여러 개의 센서 제작이 가능하며, 두 팔과 두 다리의 원하는 여러 부위의 근육 상태를 모니터링할 수 있다. 따라서 여러 FBG 센서 모듈(100)을 쉽게 연결하여 복잡한 형상의 피검체에 부착할 수 있으며, 여러 지점에서 동시에 근육 상태를 측정하는 것이 가능하다. 결국, 본 발명에서는 시스템의 간소화와 함께 단일 케이블을 이용하기에 사용자의 편의성까지 제공할 수 있다.As shown in FIG. 5, since the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 모듈의 적층 구조를 보여주는 단면도이다. 6 is a cross-sectional view illustrating a laminated structure of an FBG sensor module according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 벨트(110)에 접착제(140)를 이용하여 평면 부재(120)를 부착하고, 평면 부재(120)에 FBG 센서(130)를 부착한다. 이와 같은 구성은 원주 방향으로의 힘을 길이 방향으로 힘을 전달하는 원리를 가지고 있어서, FBG 센서(130)의 적용을 용이하게 한다. 그리고, FBG 센서(130)의 특성상 곡률반경이 작아지게 되면 파손의 우려가 있으므로 센서의 보호 기능 또한 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에서 접착제(140)로는 에폭시를 사용할 수 있다.Referring to FIG. 6, the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 근육 상태 모니터링 시스템을 활용한 근육 재활 소프트웨어의 화면예이다. FIG. 7 is an example of a screen of a muscle rehabilitation software that utilizes a muscle condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 근육 상태 모니터링 시스템을 활용하여 재활 치료를 하면서 흥미를 유발할 수 있는 오락성 근육 재활 소프트웨어를 개발할 수 있다.
Referring to FIG. 7, it is possible to develop an amusement muscle rehabilitation software that can induce interest while rehabilitating by utilizing the muscle condition monitoring system of the present invention.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.
100 FBG 센서 모듈 110 벨트
120 평면 부재 130 FBG 센서
200 FBG 인테로게이터 300 컴퓨터100
120
200
Claims (5)
피검체인 신체에 부착하여 근육의 수축 및 이완에 따른 변화량을 FBG 센서를 이용하여 측정하기 위한 밴드 형태의 FBG 센서 모듈;
상기 FBG 센서 모듈에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, 상기 FBG 센서 모듈에서 반사되는 광 신호를 수신하기 위한 광원 송수신 장치; 및
상기 광원 송수신 장치에서 수신한 광 신호를 분석하여 근육의 수축 및 이완 상태 및 변화량을 모니터링하는 컴퓨터를 포함하되,
상기 FBG 센서 모듈은,
피검체인 신체에 결속하는 방식으로 장착하기 위한 벨트;
상기 벨트의 일부분 상에 부착된 평면 형태의 평면 부재; 및
상기 평면 부재 상에 부착된 FBG 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 근육 상태 모니터링 시스템.
In a muscle condition monitoring system using a fiber Bragg grating (FBG) sensor,
A FBG sensor module in the form of a band for measuring the amount of change due to contraction and relaxation of muscle attached to the body of the examinee using a FBG sensor;
A light source transceiver for transmitting optical signals of two or more frequency bands to the FBG sensor module and receiving optical signals reflected from the FBG sensor module; And
And a computer for analyzing the optical signal received by the light source transmission / reception device and monitoring the contraction and relaxation state and the amount of change of the muscle,
The FBG sensor module includes:
A belt for mounting in such a manner as to be attached to a body of a person to be inspected;
A planar member of planar shape attached on a portion of said belt; And
And an FBG sensor attached to the flat member.
상기 FBG 센서를 직렬로 연결하는 방식으로 둘 이상의 FBG 센서 모듈을 하나의 선으로 연결할 수 있는 것을 특징으로 하는 근육 상태 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the FBG sensors are connected in series to connect two or more FBG sensor modules with one line.
둘 이상의 FBG 센서 모듈을 신체의 다른 지점에 부착하고,
상기 컴퓨터는 둘 이상의 지점에서의 근육 상태 및 변화량을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 근육 상태 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
Attach two or more FBG sensor modules to different points of the body,
Wherein the computer monitors the muscle condition and the amount of change at two or more points.
상기 광원 송수신 장치는 FBG 인테로게이터(Interrogator)인 것임을 특징으로 하는 근육 상태 모니터링 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the light source transceiver is an FBG interrogator.
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| KR20140125987A KR101501415B1 (en) | 2014-09-22 | 2014-09-22 | System for monitoring muscular condition using Fiber Bragg Grating sensor |
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| KR (1) | KR101501415B1 (en) |
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