이자형

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9650(2022) 이 기사 인용

2113 액세스

6 인용

측정항목 세부정보

우리는 신축성 있는 전도성 섬유를 전극으로 통합하고 운동용 압축 의류 내에서 상호 연결하는 e-섬유 기반 표면 근전도 검사(sEMG) 슈트의 새로운 디자인을 제시합니다. 제조 및 조립 접근 방식은 특수한 직물이나 의류 제조 장비가 필요 없이 일반적인 연구 환경에서 디자인의 신속한 프로토타이핑을 제공하는 레이저 절단과 열 프레스 적층의 손쉬운 조합입니다. 사용된 소재는 착용하기에 견고하고 의류에 발생하는 높은 변형에 대한 복원력이 있으며 기계 세탁이 가능합니다. 이 슈트는 기존 접착 전극에 필적하는 sEMG 신호 품질을 생성하지만 편안함, 수명 및 재사용성이 향상되었습니다. 내장된 전자 장치는 원시 EMG 신호를 팔꿈치와 무릎 관절의 굴곡 및 확장을 위한 노력 수준 추정으로 변환하기 위한 신호 조절, 증폭, 디지털화 및 처리 능력을 제공합니다. 여기서 자세히 설명하는 접근 방식은 다양한 다른 전기 생리학적 센서로도 확장될 수 있을 것으로 예상됩니다.

일반적으로 근전도검사(EMG)라고 하는 근육 발사의 생체 전위 신호 모니터링을 통해 인체의 움직임 위치와 강도를 역동적이고 신속하게 감지하고 보고할 수 있습니다. 이 강력한 기술은 의지 제어1,2,3, 건강 모니터링4,5,6 및 투명한 인간-기계 인터페이스7,8,9와 같은 애플리케이션에 사용되었습니다. EMG에는 침습적 형태도 있지만 비침습적 표면 근전도검사(sEMG)가 더 일반적이며 대부분의 응용 분야에서 허용됩니다. sEMG의 현재 표준에는 접착제를 사용하여 테더링된 임시 젤 전극을 피부에 수동으로 부착하는 것이 포함됩니다. 이 기술은 잘 확립되어 충실도가 높은 신호를 생성하지만 전도성 젤과 부피가 큰 데이터 수집 시스템에 의존하므로 종단 모니터링의 작동 수명, 편안함 및 실용성이 저하됩니다. 따라서 고성능 의류에 인체공학적으로 통합된 실험실 품질의 sEMG 센서를 개발할 필요가 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 전자 섬유(e-textiles)의 사용을 활용하는 웨어러블 의류의 디자인과 최적화에 상당한 연구 노력이 기울여졌습니다. 은-염화은(Ag-AgCl) 기반 시스템과 달리 이러한 웨어러블 sEMG 의류는 유연한 e-섬유 기반 전극과 상호 연결을 통합하는 하이브리드 회로입니다10,11,12,13,14. 전도성 섬유 자수15,16,17,18,19, 전도성 잉크 인쇄20,21,22,23,24,25, 접착제를 사용하여 전도성 직물을 직물에 부착하는 등 전도성 소재를 의류에 통합하는 다양한 기술이 존재합니다26. 이러한 잘 확립된 기술 중에서 자수와 인쇄가 가장 일반적으로 사용됩니다. 그러나 일반 연구 등급 실험실에서는 쉽게 접근할 수 없는 의류 산업에 특화된 복잡하고 변형을 완화하는 패턴과 도구를 생성하려면 전문 기술이 필요합니다. 품질과 제조 가능성을 위한 엔드투엔드 최적화를 갖춘 대규모 완전 통합 시스템을 제시하는 연구는 거의 없습니다. 이에 대한 주목할만한 예외는 비용이 많이 들고 처리되지 않은 원시 데이터에 대한 액세스를 차단하는 불투명하고 독립적인 시스템을 갖춘 대상 상용 플랫폼입니다. 대조적으로, 우리의 접착제 기반 접근 방식은 전도성 직물을 베이스 직물에 부착하기 위한 열적 적층에 중점을 두고 있으며, 이는 의류 제작에 대한 훨씬 간단한 접근 방식입니다. 또한 이 연구에서 입증된 것처럼 이 접근 방식은 온보드 전자 장치로 신호를 전송하기 위한 유연한 인쇄 회로 기판 탭을 사용하여 회로 기판 연결에 손쉬운 직물을 형성하도록 완벽하게 확장될 수 있습니다.

따라서 고품질의 대면적 sEMG 슈트를 대중화하기 위해 이 작업에서 우리는 쉽게 구할 수 있는 상용 재료로 만든 견고하고 확장 가능하며 완전히 통합된 e-textile 기반 모듈형 sEMG 의류를 제시합니다. 우리는 각 구성 요소에 대해 신중한 재료 및 디자인 최적화를 수행하고, 긴장 및 노출 중 전기적 성능을 특성화하고, 이두박근/삼두근, 대퇴사두근/슬건근 및 전경골근/비복근 근육에 대한 노력 측정 수준을 정량화합니다. 섬유 기반 sEMG에 대한 즉각적인 관심을 넘어, 우리의 접근 방식은 심전도(ECG), 뇌파검사(EEG) 및 갈바닉 피부 반응(GSR)을 포함한 다양한 생리학적 센서에 대한 충실도가 높은 피부 전극과 상호 연결을 통합하는 경로를 만듭니다.