대한의용생체공학회:의공학회지 (Journal of Biomedical Engineering Research)

  • 제24권6호
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  • Pages.523-531
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  • 2003
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  • 1229-0807(pISSN)
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  • 2288-9396(eISSN)
대한의용생체공학회 (The Korean Society of Medical and Biological Engineering)
권호 표지

표면 전극용 기능적 전기자극 시스템의 개발 및 하반신 마비환자의 보행

Development of a Transcutaneous FES System and Its Application to Paraplegic Walking

  • 송동진 (건국대학교 의학공학부) ;
  • 이정한 (건국대학교 의학공학부) ;
  • 강곤 (경희대학교 전자정보학부)
  • Song Tongjin (School of Biomedical Engineering, Konkuk University) ;
  • Yi Jeong Han (School of Biomedical Engineering, Konkuk University) ;
  • Khang Gon (School of Electronics and Information, Kyung Hee University)
  • 발행 : 2003.12.01
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초록

본 연구에서는 표면 전극을 사용하는 8채널 전기자극 시스템을 개발하였고. 이 시스템을 이용하여 하반신 마비한자의 근력강화를 위한 전기자극 엑서사이즈와 FES 보행을 하였다. 본 연구에서 개발한 전기자극 시스템은 컴퓨터 프로그램, 전기자극기, 그리고 컴퓨터 프로그램과 전기자극기를 연결하는 통신부분으로 구성되어 있다. 컴퓨터 프로그램에서는 마우스를 이용하여 임의의 자극 패턴을 손쉽게 구성하고 편집학 수 있으며 이렇게 구성/편집된 자극 패턴은 동원곡선(recruitment curve)을 통하여 자극 파라미터로 변환된다. 자극 파라미터는 직렬통신을 이용하여 전기자극기에 전달된다. 전기자극기는 주제어부에 1개, 각 채널에 1개씩 총 9개의 마이크로프로세서로 구성되어 있다. 주제어부의 마이크로프로세서가 컴퓨터 프로그램과 통신을 하고 각 채널의 마이크로프로세서를 제어한다. 본 연구에서 개발한 기능적 전기자극 시스템으로 하반신 마비환자에게 100주 동안 전기자극 엑서사이즈를 실시한 결과 근력, 다리둘레, 그리고 피로저항성의 증가를 볼 수 있었다. 전기자극 엑서사이즈로 무릎신근(knee extensor muscle)이 체중을 지지한 수 있을 정도로 증가한 후에 FES 보행을 시작하였고, 현재 2분 동안 50m 이상 보행할 수 있다.

We developed a PC-based 8-channel electrical stimulation system for transcutaneous functional electrical stimulation (FES), and applied it to FES exercise and paraplegic walking. The PC program consists of four parts: a database, a stimulation pattern generator, a stimulus parameter converter, and an exercise program. The stimulation pattern can be arbitrarily generated and edited by using the mouse on the PC screen, and the resulting stimulus parameters arc extracted from the recruitment curves, and transmitted to the 8-channel stimulator through the serial port. The stimulator has nine microprocessors: one master and eight slaves, Each channel is controlled by the slave microprocessor, and is operated independently. Clinical application of the system to a paraplegic patient showed significant increase in the knee extensor torque, the fatigue resistance, and the leg circumference, The patient can now walk about 50 meters for more than 2 minutes.

키워드

참고문헌

  1. T. Yamamoto and Y. Yamamoto, 'Electrical properties of the epidermal stratum corneum', Med. Biol. Eng., Vol. 14, pp. 151-158, 1976
  2. T. Yamamoto, Y. Yamamoto and T. Ozawa, 'Characteristics of skin admittance for dry electrodes and the measurement of skin moisturization', Med. Biol. Eng. Cornput., Vol. 24, pp. 71-77, 1986
  3. J. Rosell, J. Colominas, P. Riu, R. Pallas-Areny and J.G. Webster, 'Skin impedance from 1Hz to 1MHz', IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 35, pp. 649-651, 1988
  4. D. Panescu, K.P. Cohen, J.G. Webster and R.A. Stratbucker, 'The mosaic electrical characteristics of the skin', IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 40, pp. 434-439, 1993
  5. D. Panescu, J.C. Webster and R.A. Stratbucker, 'A nonlinear electrical-thermal model of the skin', IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 41, pp. 672-679, 1994
  6. S.J. Dorgan and R.B. Reilly, 'A model for human skin impedance during surface functional neuromuscular stimulation', IEEE Trans. Rehab. Eng., Vol. 7, pp. 341-348, 1999
  7. C.J. Poletto and C.L.Y. Doren, 'A high voltage, constant current stimulator for electrocutaneous stimulation through small electrodes', IEEE Trans. Biomed, Eng., Vol. 46, pp. 929-936, 1999
  8. P.T. Kolen, 'Transformer miniaturization for transcutaneous current/voltage pulse applications', IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 46, pp. 606-608, 1999
  9. A. Kantrowitz, Electronic physiologic aids: a report of the maimondes hospital, Brooklyn, New York, pp. 4-5, 1963
  10. R. Kobetic and E.B. Marsolais, 'Synthesis of paraplegic gait with multichannel functional neuromuscular stimulation', IEEE Trans. Rehab. Eng., Vol. 2, pp. 23-29, 1994
  11. R. Kobetic, R.J. Triolo and E.B. Marsolais, 'Muscle selection and walking performance of multichannel FES systems for ambulaiion in paraplegia', IEEE Trans. Rehab. Eng., Vol. 5, pp. 23-29, 1997
  12. E.B. Marsolais and R. Kobetic, 'Development of a practical electrical stimulation system for restoring gait in the paralyzed patient', Clin. Orthop. and Rel. Res., No. 233, pp. 64-74, 1988
  13. G. Khang, 'Functional neuromuscular stimulation for paraplegic standing', J. Biomed. Eng. Res., Vol. 11, No. 1, pp. 1-4, 1990
  14. S. Khang, G. Khang, H. Choi, J. Kim, S. Chong and J. Chung, 'FES exercise program for independent paraplegic walking', J. Biomed. Eng. Res., Vol. 19, No. 1, pp. 69-80, 1998
  15. S. Rebersek and L. Vodovnik, 'Proportionally controlled functional electrical stimulation(FES) system for the control of the paralyzed upper extremities', Automatica, Vol. 11, pp. 209-220, 1989
  16. P.H. Pecham, E.B. Masolais and J.T. Mortimer, 'Re-storation of key grip and release in the C6 tetraplegic patient through functional electrical stimulation', J. Hand Sur., Vol. 5, No. 5, pp. 462-469, 1980 https://doi.org/10.1016/S0363-5023(80)80076-1
  17. A.E. Hines, P.E. Crago and C. Billian, 'Functional electrical stimulation for the reduction of spasticity in the hemiplegic hand', Biomed. Sci. Instrument, Vol. 29, pp. 259-266, 1993
  18. J.P.A. Dewald, J.D. Given and W.G. Rymer, 'Long-lasting reductions of spasticity induced by skin electrical stimulation', IEEE Trans. Rehab. Eng., Vol. 4, No. 4, pp. 231-242, 1996 https://doi.org/10.1109/86.547923
  19. A. Trnkoczy, 'Variability of electrical evoked muscle contraction with special regard to closed-loop controlled orthosis', Ann. Biomed. Eng., Vol 2, pp. 226-238, 1974
  20. G.W. Sypert and J.B. Muson, 'Basis of segmental motor control: motoneuron size or motor unit type?', Neurosugery, Vol. 8, pp. 608 621, 1981
  21. L.L. Baker, B.R. Bowman and D.R. McNeal, 'Effects of waveform on comfort during neuromuscular electrical stimulation', Clin. Orthop. and ReI. Res., No. 233, pp. 75-85, 1988