소개
위스콘신대학교 매디슨 의 신경근 생체 역학 연구실은 정형 외과 및 재활에 응용하여 생체 역학 및 인간 움직임의 신경근 조정에 대한 연구를 수행합니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 근건 역학을 특성화하고 내부 부하를 추정하며 운동 제어를 안내하는 원리를 테스트하는 데 사용됩니다. 연구의 전반적인 목표는 운동 능력을 제한하는 장애의 예방 및 임상 치료를 위한 과학적 근거를 확립하는 것입니다.

도전
전단파 장력측정법은 운동 중 근육-힘줄 부하 측정을 용이하게 하는 비침습적 기술입니다. 이는 전통적으로 실험실 환경으로 사용을 제한하는 벤치탑 시스템으로 수행되었습니다. Raspberry Pi 기반 솔루션을 사용하면 휴대용 패키지에서 데이터 수집을 수행할 수 있으므로 실험을 통해 실제 생체 역학 동작을 탐색할 수 있습니다.

해결책
전단파 장력계는 동적 활동(예: 걷기 및 달리기) 중에 신체 내부의 힘줄 힘을 비침습적으로 추적할 수 있는 최초의 센서입니다. 센서를 실험실이 아닌 환경에서 휴대하고 착용할 수 있도록 만들 수 있다면 장력계의 응용 프로그램이 엄청나게 확장될 수 있습니다. 안정적인 고속 데이터 수집은 웨어러블 장력계의 성공에 매우 중요합니다.

1개의 장력계에 대해 2개의 단일 축 가속도계가 51,000Hz에서 샘플링되며 이는 단일 MCC 172 IEPE 측정 HAT에서 수행됩니다. 다중 장력계 실험의 경우 두 개의 HAT를 사용하여 두 개의 힘줄에 대한 데이터를 동시에 수집합니다.

                                                          라즈베리 파이와 MCC 172의 작은 크기 덕분에 연구원들은 걷기와 달리기 중 동적 활동을 측정하기 위해 가볍고 웨어러블한 DAQ 솔루션을 만들 수 있었습니다.

시스템은 Raspberry Pi 4B, 2개의 MCC 172 HAT 및 2개의 단일 축 가속도계로 구성됩니다. 트리거링은 2.4GHz 라디오 및 USB 인터페이스를 특징으로 하는 범용 프로그래밍 가능 모듈인 Pololu Wixel에 의해 원격으로 지원됩니다.

시스템은 연속적인 다중 HAT 수집을 위해 Python™ 스크립트를 사용하여 프로그래밍되었습니다. 데이터 후처리는 MATLAB®에서 수행됩니다.

결과
완성된 시스템은 연구원들이 실제 환경에서 힘줄의 생체역학적 거동을 측정할 수 있게 해주는 작고 휴대 가능한 솔루션입니다.