무릎 각도 측정을 위한 광섬유 기반 측각도계 센서의 개발 :Development of the Fiber-Optic Goniometer for Measuring the Knee Joint Angle

김선근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김선근 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 이봉수

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

무릎 각도 측정을 위한 광섬유 기반 측각도계 센서의 개발

김선근 의학공학과(GLOCAL) 2015.01 학위논문

2013

보행장애 진단을 위한 무릎관절 각도 측정용 광섬유 각도센서

김선근 , 신상훈 , 전다영 외 5명 전기학회논문지 2013.07 학술저널

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지난 수 세기 동안 과학 및 의학의 눈부신 발전으로 인간의 수명은 점차 높아졌지만, 현대사회의 자동화와 고령화가 점점 급속화됨에 따라 알츠하이머병, 파킨슨병, 근 위축성 측삭경화증 등 퇴행성 뇌 질환과 같은 노인병 및 근육 손실에 따른 낙상사고 환자의 수도 급격히 증가하고 있다. 현재 이러한 퇴행성 뇌 질환에 대한 원인과 근본적인 치료는 불가능하고 진행속도를 늦추는 치료제만이 개발된 상태이기 때문에 이러한 퇴행성 뇌 질환의 조기진단은 매우 중요하다. 또한, 질병 및 사고에 의한 보행 장애 및 하지관절 재건술의 재활치료에서 인체의 움직임, 특히 무릎 각도의 움직임은 환자의 보행 패턴을 평가하고 치료에 적용하는 데 중요한 지표가 된다. 보행 장애 진단 및 무릎 각도 측정을 위한 연구는 이전부터 의료용 측각도계, 스트레인 게이지, 3-D 적외선 모션 카메라 시스템 등을 이용하여 활발히 진행됐으나 주관적인 측정, 공간적 제약, 높은 비용 등의 단점이 존재해왔다. 가장 정확도가 높다고 평가되고 있는 3-D 적외선 모션 카메라 시스템의 경우 상당한 공간과 비용이 필요할 뿐만 아니라 측정 후에 추가적인 데이터 보정 작업이 필요하므로 실시간 측정이 어렵다. 이러한 단점을 보완하기 광섬유 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광섬유 센서는 플라스틱 광섬유로 센서를 구성하고 있어 매우 유연하고 구성이 간단하며 전자기장의 영향을 받지 않으면서 실시간 측정이 가능한 장점이 있다.
본 연구에서는 기존의 광섬유 측각도계 센서에 사용되었던 단일모드 광섬유와 레이저 다이오드 대신 다중모드 플라스틱 광섬유와 광섬유용 LED, 포토다이오드를 사용하여 기존에 연구되었던 센서보다 구성이 간단하고 저렴한 광섬유 측각도계 센서를 제작하였다. 먼저 실험을 통하여 여러 종류의 LED 파장을 이용하여 센서에 적합한 광원을 선별하였고, 광섬유의 굽힘에 따른 빛의 손실효율을 증가시키기 위해 일정한 간격으로 클래딩을 제거하였다. 그 후 제작된 광섬유 측각도계 센서의 구부러지는 각도에 따른 포토다이오드 측정값이 선형적으로 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 제작된 광섬유 측각도계 센서를 이용하여 3-D 적외선 모션 카메라 시스템과의 보행 패턴을 동시측정 후 비교 분석하여 성능을 평가한 결과, 광섬유 측각도계 센서를 이용한 보 행패턴이 3-D 적외선 모션 카메라 시스템을 통해 측정한 결과와 일치하게 나타나는 것을 확인하였고 샘플링 속도의 경우 1 kHz로 적외선 모션 카메라의 125 Hz보다 뛰어난 분해능을 가지는 것을 확인하였다. 다음으로 광섬유 측각도계 센서를 이용한 보행 패턴 분석을 위해 무릎장애 병력이 있는 실험자의 보행 패턴을 측정하여 무릎장애가 없는 건강한 실험자의 보행 패턴보다 발뒤꿈치 닿기에서 무릎 각도가 약 15-20% 낮게 측정되는 것으로 보행 센서로서의 가능성을 확인하였다.

Over the past decades, human life was gradually increased by the development of science and medicine. By aging of modern society have accelerated, however, number of degenerative cerebropathia such as Alzheimer''s disease, Parkinson''s disease and amyotrophic lateral sclerosis has increases too. Early diagnosis of degenerative cerebrophtahia is very important because it is impossible to treat completely. Typical symptoms of degenerative cerebropathia include memory impairment, language disorder, delusion, gait disturbance, sleep disturbance and etc. Although research studies for measuring gait patterns have been conducted actively, existing gait analysis methods using a medical goniometer, a strain gauge, and a three-dimensional infrared camera gait analysis system have several drawbacks including subjective analysis, space constraint and high-cost. Meanwhile, fiber-optic sensors have various advantages such as high flexibility, and immunities for pressure, humidity and electromagnetic field. Till now, many kinds of optical fiber-based sensors have been developed in physics, chemistry and radiology.
To overcome these problems of existing gait analysis devices, we developed a fiber-optic goniometer for measuring knee angle and gait patterns using a plastic optical fiber, light-emitting diode and photodiode and evaluated the performance of the fiber-optic goniometer compared with three-dimensional infrared motion camera gait analysis system. First, four types of light-emitted diodes which having an wavelength of 470, 530, 660 and 870 nm were tested to select proper light source. As an light source of the fiber-optic goniometer, a blue LED which is 470 nm of wavelength was employed due to its high linearity and stability. And the fiber-optic goniometer has high bending loss efficiency in ranges of knee angle during walking by eliminating cladding of the fiber-optic goniometer with 1 mm intervals. Then, we performed experiments for measuring gait patterns using the fiber-optic goniometer and evaluating performance compared with three-dimensional infrared motion camera gait analysis system. As a experimental results, the gait patterns that measured using the fiber-optic goniometer were almost coincidence with those of the three-dimensional infrared motion camera gait analysis system. In addition, we confirmed that gait patterns of a subject which have a medical history of anterior cruciate ligament rupture lower than healthy people in heel contact range of gait cycle.

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제1장 서론 1
제2장 이론적 배경 3
제1절 퇴행성 뇌 질환 3
1. 퇴행성 뇌 질환의 증상 3
2. 조기진단 및 치료의 중요성 4
제2절 재활평가 5
제3절 보행 인자 및 분석 기술 6
1. 보행 인자 6
2. 보행 분석 기술 7
제4절 광섬유 이론 8
1. 빛의 전달 8
2. 굽힘 손실 11
제3장 광섬유 측각도계 센서 13
제1절 측각도계 센서의 제작 13
1. 센서의 구성 13
2. 선원의 선별 15
3. 클래딩 제거 간격 17
제4장 광섬유 측각도계 센서의 성능 평가 21
제1절 3-D 적외선 모션 카메라와의 성능 비교 21
제2절 광섬유 측각도계 센서를 이용한 보행 패턴 분석 27
제5장 결론 및 고찰 33
참고문헌 35
ABSTRACT 37

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