핵심연구 4년 로드맵
무릎 연골의 생체전기 신호 분석을 통한 하중 감시 기술 개발
Development of Load Monitoring Technology Using Bioelectric Signal Analysis of Knee Cartilage
연구책임자(PI): 이재현 (부산대학교병원 재활의학과) 참여연구원: 한승헌 (부산대학교병원 재활의학과) 외부자문: 장원두 교수님 (부경대학교 AI융합학과) — 3-4차년도 ML 모델 자문 사업유형: 과학기술정보통신부 기초연구사업 - 핵심연구 연구기간: 2026.03 ~ 2030.02 (4년) 연간 예산: 최대 1억원 이내 (직접비 0.8억원 이내) 작성일: 2026-03-14
1. 연구 배경 및 현황
1.1 선행 연구 성과
- 2024.10 대한재활의학회 우수포스터상 수상 (일반연제 부문)
- "The cartilage-generated electric potentials induced by dynamic joint movement; an explorative study"
- 제52회 대한재활의학회 추계국제학술대회
- EAGstatic 분석 파이프라인 구축 완료
- 8채널 EAG 신호 수집 (OpenBCI Cyton)
- GRF 동시 기록 (Kinvent K-Plate)
- 2-Stage 동기화 알고리즘 (Event-based + Cross-correlation fallback)
1.2 현재 기술 수준 (TRL 2)
| 항목 | 현재 상태 |
|---|---|
| 신호 수집 | OpenBCI 8ch EAG + Kinvent GRF 동시 기록 가능 |
| 신호 처리 | LP 필터(5Hz), drift 보정, mirror padding 구현 |
| 동기화 | 2-stage sync (94% event-based + 6% xcorr fallback), 100% 성공률 |
| 이벤트 검출 | GRF weight-shift event 자동 검출, EAG inflection 자동 매칭 |
| 데이터 | 건강한 성인 44명 모집 중, 편측 기립 과제 |
2. 연구 목표 및 핵심 질문
2.1 최종 목표
무릎 연골에서 발생하는 생체전기 신호(EAG)를 실시간으로 분석하여 관절 하중 상태를 모니터링하는 비침습적 하중 감시 기술을 개발하고, 근골격계 재활 임상에 적용 가능성을 검증한다.
2.2 핵심 연구 질문
- EAG 신호는 관절 하중 변화에 대해 재현 가능한(reproducible) 반응을 보이는가?
- EAG 신호로부터 하중의 크기와 방향을 정량적으로 추정할 수 있는가?
- 골관절염 등 연골 병변이 EAG 신호 패턴에 영향을 미치는가?
- EAG 기반 하중 감시가 재활 치료 프로토콜에 실용적으로 적용 가능한가?
3. 4년 로드맵 총괄
Year 1 (2026.03~2027.02) ── 기반 확립 & 재현성 검증
Year 2 (2027.03~2028.02) ── 정량 모델 & 대규모 데이터
Year 3 (2028.03~2029.02) ── 임상 적용 & 병적 연골 분석
Year 4 (2029.03~2030.02) ── 통합 시스템 & 기술 이전연차별 핵심 성과 요약
| 연차 | 핵심 목표 | 주요 산출물 | KPI |
|---|---|---|---|
| 1차년도 | 신호 재현성 검증 & 프로토콜 표준화 | SCI 논문 1편, 학회발표 2건 | 피험자 20명, test-retest ICC ≥ 0.7 |
| 2차년도 | EAG-하중 정량 모델 개발 | SCI 논문 1-2편, 특허출원 1건 | 하중 추정 R² ≥ 0.6, 피험자 50명 |
| 3차년도 | 임상 적용 연구 (OA 환자) | SCI 논문 1-2편, 학회발표 2건 | OA vs 정상 분류 AUC ≥ 0.75 |
| 4차년도 | 통합 시스템 검증 & 기술이전 | SCI 논문 1편, 특허등록 1건 | 실시간 모니터링 프로토타입 완성 |
4. 연차별 상세 계획
Year 1 (2026.03 ~ 2027.02): 기반 확립 & 재현성 검증
Q1 (2026.03 ~ 2026.05): 킥오프 & 인프라 구축
킥오프 미팅 (2026년 3월, 연구 개시 후 2주 이내)
참석자: 연구책임자(이재현), 연구원(한승헌)
미팅 어젠다:
| 시간 | 주제 | 내용 |
|---|---|---|
| 10:00-10:30 | 연구 비전 공유 | 연구 배경, 핵심 질문, 4년 로드맵 발표 (PI) |
| 10:30-11:00 | 기존 성과 리뷰 | EAGstatic 파이프라인, 포스터상 수상 데이터, 예비 결과 공유 |
| 11:00-11:30 | 역할 분담 | 연구원별 담당 영역 확정 (아래 표 참조) |
| 11:30-12:00 | 1차년도 마일스톤 | 분기별 목표, 성과지표 합의 |
| 13:00-13:30 | 실험 프로토콜 논의 | 전극 배치, 과제 디자인, 데이터 수집 SOP |
| 13:30-14:00 | 장비/예산 계획 | 장비 구매/업그레이드, 예산 집행 계획 |
| 14:00-14:30 | 연구윤리/IRB | IRB 프로토콜 준비 일정, 동의서 양식 |
| 14:30-15:00 | 커뮤니케이션 체계 | 정기 미팅(격주), 데이터 관리, 공유 플랫폼(Git, 클라우드) |
역할 분담(안):
| 구성원 | 주 담당 영역 | 부 담당 |
|---|---|---|
| 이재현 (PI) | 연구 총괄, 임상 디자인, 논문 작성, 신호처리 알고리즘 | IRB, 피험자 모집, 특허 전략 |
| 한승헌 (연구원) | 데이터 수집 & 전처리, 동기화, 분석 파이프라인 | 통계 분석, 시각화, 문헌 리뷰 |
| 전공의 (매년/격년 참여) | 데이터 수집 보조, 학회 초록 발표 | 문헌 리뷰, 임상 프로토콜 보조 |
| 장원두 교수님 (외부자문, 3-4차년도) | ML 모델 자문 및 질관리 | AI 모델 검증 자문 |
킥오프 미팅 후 즉시 액션 아이템:
- IRB 프로토콜 초안 작성 (담당: PI, 기한: 3월 말)
- 장비 구매 목록 확정 및 발주 (담당: 한승헌, 기한: 3월 말)
- 기존 데이터 정리 및 Git 저장소 정비 (담당: 한승헌, 기한: 4월 초)
- 문헌 리뷰 보고서 작성 (담당: PI + 한승헌, 기한: 4월 중)
- 전공의 연구 참여 안내 및 모집 (담당: PI, 기한: 4월 초)
인프라 구축 세부
| 항목 | 내용 | 예상 비용 |
|---|---|---|
| 장비 업그레이드 | OpenBCI 추가 보드, 전극 세트 | 500만원 |
| 소프트웨어 | MATLAB Signal Processing Toolbox, Python 환경 | 200만원 |
| 피험자 사례비 | 1차년도 20명 × 5만원 × 3회 | 300만원 |
| 연구원 인건비 | 한승헌 (연구원 인건비) | 1,800만원 |
| 소모품 | 전극 패드, 전도성 젤, 기록지 등 | 200만원 |
| IRB 수수료 및 보험 | 임상연구 보험, 심의비 | 100만원 |
Q2 (2026.06 ~ 2026.08): 프로토콜 표준화 & 예비 실험
핵심 과제:
- IRB 승인 완료
- 표준 실험 프로토콜(SOP) 확정
- 전극 배치: 8ch 최적 위치 매핑 (내/외측 관절선, 슬개골 주변)
- 과제 프로토콜: 편측 기립, 스쿼트, 계단 오르내리기, 보행
- 데이터 수집 체크리스트
- Test-Retest 신뢰도 연구 설계
- 10명 건강 성인, 1주 간격 3회 반복 측정
- ICC(Intraclass Correlation Coefficient) 산출
Q3 (2026.09 ~ 2026.11): 본격 데이터 수집 & 분석
핵심 과제:
- 건강 성인 20명 데이터 수집 (다양한 과제)
- Test-retest 신뢰도 분석
- EAG 신호 특성 정량화
- 채널별 amplitude, latency, frequency characteristics
- 과제별 신호 패턴 차이 분석
- 분석 파이프라인 고도화
- 자동화된 batch 분석 스크립트
- 품질 관리(QC) 지표 도입
- 결과 리포트 자동 생성
Q4 (2026.12 ~ 2027.02): 1차년도 정리 & 논문 준비
핵심 과제:
- Test-retest 신뢰도 논문 초고 작성
- 학회 발표 (대한재활의학회 춘계 또는 추계학술대회)
- 국제 학회 초록 투고 (ISPRM, ACRM 등)
- 1차년도 연구성과 보고서 작성
- 2차년도 계획 수정 및 보완
1차년도 산출물 목표:
| 구분 | 목표 | 세부 |
|---|---|---|
| SCI 논문 | 1편 | EAG test-retest reliability study |
| 학회 발표 | 2건 | 국내 1건 + 국제 1건 |
| 데이터셋 | 20명 | 건강 성인, 다중 과제, 반복 측정 |
| 소프트웨어 | v2.0 | 자동화 분석 파이프라인 |
Year 2 (2027.03 ~ 2028.02): 정량 모델 & 대규모 데이터
Q1 (2027.03 ~ 2027.05): 모델 개발 착수
핵심 과제:
- EAG → 하중 추정 모델 설계 (PI + 한승헌 주도)
- Feature extraction: time-domain (amplitude, RMS, zero-crossing), frequency-domain (PSD, dominant frequency)
- Machine Learning 접근: Random Forest, Gradient Boosting, LSTM
- 입력: 8ch EAG features → 출력: 하중 크기 (% body weight)
- 하중 조건 다양화 (체중의 25%, 50%, 75%, 100% 하중)
- 추가 피험자 모집 시작 (목표: 누적 50명)
Q2 (2027.06 ~ 2027.08): 대규모 데이터 수집
핵심 과제:
- 피험자 30명 추가 데이터 수집
- 다양한 인구통계학적 특성 포함 (연령, 성별, BMI)
- 다양한 하중 과제 프로토콜
- 정적 하중: 편측 기립 (25/50/75/100%)
- 동적 하중: 보행, 계단, 스쿼트
- 충격 하중: 점프 착지
- 실시간 하중 피드백 시스템 예비 개발
- Force plate 실시간 연동
- 목표 하중 달성 시 시각/청각 피드백
Q3 (2027.09 ~ 2027.11): 모델 학습 & 검증
핵심 과제:
- 하중 추정 모델 학습 및 교차 검증
- Leave-one-subject-out cross-validation
- 하중 추정 정확도: R² ≥ 0.6, RMSE ≤ 15% BW
- 하중 방향(내/외측) 분류 모델
- 다채널 EAG 패턴 분석
- 내측 vs 외측 하중 편향 분류
- 특허 출원 준비
- EAG 기반 하중 추정 방법 및 장치
Q4 (2027.12 ~ 2028.02): 2차년도 정리
핵심 과제:
- 하중 추정 모델 논문 투고
- 특허 출원 (국내)
- 중간 성과 발표 (학회 2건)
- 2차년도 연구성과 보고서 작성
- 3차년도 임상 적용 연구 IRB 준비
2차년도 산출물 목표:
| 구분 | 목표 | 세부 |
|---|---|---|
| SCI 논문 | 1-2편 | 하중 추정 모델 + 신호 특성 분석 |
| 특허 | 1건 출원 | EAG 기반 하중 추정 방법 |
| 학회 발표 | 2건 | 국내/국제 |
| 데이터셋 | 50명 | 건강 성인, 다양한 인구통계 |
| AI 모델 | v1.0 | 하중 추정 모델 (R² ≥ 0.6) |
Year 3 (2028.03 ~ 2029.02): 임상 적용 & 병적 연골 분석
Q1 (2028.03 ~ 2028.05): 임상 연구 설계 + 외부자문 시작
핵심 과제:
- 장원두 교수님 외부자문 개시 — ML 모델 질관리 및 알고리즘 자문 (분기 1회 미팅)
- 골관절염(OA) 환자 대상 연구 IRB 승인
- OA 환자 모집 기준 확정
- KL grade 2-3 무릎 골관절염
- 연령 50-70세
- 대조군: 연령/성별 매칭 건강 성인
- EAG 신호 바이오마커 후보 정의
- OA 연골과 정상 연골의 EAG 차이 가설 설정
- 연골 두께, 수분 함량과 EAG 진폭의 상관관계
Q2 (2028.06 ~ 2028.08): OA 환자 데이터 수집
핵심 과제:
- OA 환자 20명 + 대조군 20명 데이터 수집
- 영상 데이터 병합
- X-ray (KL grade 확인)
- MRI (연골 두께 정량화, 선택적)
- EAG 신호 vs 연골 상태 상관분석
Q3 (2028.09 ~ 2028.11): 임상 분석 & 재활 적용
핵심 과제:
- OA vs 정상 EAG 패턴 비교 분석 (장원두 교수님 ML 모델 자문 참여)
- 진폭, 잠복기, 주파수 특성 비교
- 다변량 분류 모델 (AUC ≥ 0.75)
- 재활 프로그램 적용 가능성 연구
- 하중 모니터링 기반 재활 프로토콜 설계
- 파일럿 사례 연구 (5명)
- 재활 전/후 EAG 변화 추적
Q4 (2028.12 ~ 2029.02): 3차년도 정리
핵심 과제:
- OA 관련 논문 투고 (SCI)
- 재활 적용 사례 보고 논문
- 3차년도 연구성과 보고서 작성
- 4차년도 시스템 통합 계획 확정
3차년도 산출물 목표:
| 구분 | 목표 | 세부 |
|---|---|---|
| SCI 논문 | 1-2편 | OA EAG 특성 + 재활 적용 |
| 학회 발표 | 2건 | 국내/국제 |
| 임상 데이터 | 40명 | OA 20명 + 대조군 20명 |
| 바이오마커 | 후보 2-3개 | EAG 기반 연골 상태 지표 |
Year 4 (2029.03 ~ 2030.02): 통합 시스템 & 기술 이전
Q1 (2029.03 ~ 2029.05): 실시간 모니터링 시스템 개발
핵심 과제:
- 장원두 교수님 자문 계속 — 실시간 추론 모델 최적화, 질관리
- 실시간 EAG 모니터링 프로토타입 개발
- 실시간 신호 수집 → 전처리 → 하중 추정 파이프라인
- 태블릿/모니터 기반 시각적 피드백 UI
- 환자/치료사용 대시보드
- 소형화/웨어러블화 가능성 검토
- Flexible electrode 적용 가능성
- 무선 전송 모듈 (BLE)
Q2 (2029.06 ~ 2029.08): 시스템 검증
핵심 과제:
- 프로토타입 사용성 평가
- 건강 성인 10명 + OA 환자 10명
- Gold standard (force plate) 대비 정확도 평가
- 사용자 만족도 설문 (SUS score)
- 재활 치료 효과 예비 연구
- EAG 피드백 기반 재활 vs 기존 재활 비교 (파일럿 RCT)
Q3 (2029.09 ~ 2029.11): 기술이전 준비
핵심 과제:
- 특허 등록 (국내, 국제 PCT 검토)
- 기술이전 가능성 탐색
- 의료기기 기업 접촉
- 기술가치 평가
- 연구 성과 종합 논문 (Review or Full paper)
Q4 (2029.12 ~ 2030.02): 최종 정리 & 후속 과제 준비
핵심 과제:
- 최종 연구성과 보고서 작성
- 후속 과제 신청 준비 (핵심연구 유형B 또는 유형C 도약)
- 연구 데이터 공개 (Open Data Repository)
- 분석 소프트웨어 오픈소스 공개
4차년도 산출물 목표:
| 구분 | 목표 | 세부 |
|---|---|---|
| SCI 논문 | 1편 | 통합 시스템 검증 또는 리뷰 논문 |
| 특허 | 1건 등록 | 하중 모니터링 장치 및 방법 |
| 프로토타입 | 1대 | 실시간 EAG 모니터링 시스템 |
| 후속 과제 | 신청 1건 | 핵심연구 상위 유형 또는 산학 과제 |
5. 연구 성과 관리 전략
5.1 논문 출판 전략
| 연차 | 논문 주제 | 타겟 저널 (IF 범위) | 시기 |
|---|---|---|---|
| 1차 | EAG test-retest reliability | Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation (IF 3-5) | 2026 Q4 |
| 2차 | EAG-based load estimation model | Sensors (IF 3-4) 또는 IEEE TBME (IF 4-5) | 2027 Q3 |
| 2차 | EAG signal characteristics during dynamic tasks | Annals of Biomedical Engineering (IF 3-4) | 2027 Q4 |
| 3차 | EAG in knee osteoarthritis | Osteoarthritis and Cartilage (IF 6-8) | 2028 Q4 |
| 3차 | EAG-guided rehabilitation: pilot study | Archives of PM&R (IF 3-4) | 2029 Q1 |
| 4차 | Real-time EAG monitoring system validation | Biosensors and Bioelectronics (IF 10+) | 2029 Q3 |
5.2 학회 발표 전략
| 학회 | 시기 | 유형 | 발표자 |
|---|---|---|---|
| 대한재활의학회 춘계/추계 학술대회 | 매년 | 구연/포스터 | PI 또는 전공의 |
| ISPRM (International Society of PM&R) | 격년 | 구연 | PI |
| ACRM (American Congress of Rehabilitation Medicine) | 격년 | 포스터 | PI 또는 한승헌 |
| IEEE EMBC (Engineering in Medicine and Biology Conference) | 격년 | 구연 | PI |
| 대한의용생체공학회 | 매년 | 구연/포스터 | 한승헌 또는 전공의 |
전공의 학회 참여 방침: 매년 또는 격년으로 전공의 1명이 대한재활의학회 또는 대한의용생체공학회에서 초록을 발표할 수 있도록 데이터 수집 및 분석 활동에 참여시킴. 전공의는 특정인을 지정하지 않고 해당 시기 연구 참여 가능한 전공의가 담당.
5.3 특허 전략
| 시기 | 특허 내용 | 유형 |
|---|---|---|
| 2차년도 | EAG 신호 기반 관절 하중 추정 방법 및 장치 | 국내 출원 |
| 3차년도 | EAG 기반 연골 건강 상태 평가 방법 | 국내 출원 |
| 4차년도 | 실시간 EAG 모니터링 시스템 | 국내 등록 + PCT 검토 |
6. 정기 미팅 및 커뮤니케이션 체계
6.1 정기 미팅 구조
| 미팅 유형 | 빈도 | 참석자 | 내용 |
|---|---|---|---|
| Lab Meeting | 격주 (월) | PI + 한승헌 (+ 전공의) | 진행 상황 공유, 데이터 리뷰, 문제 해결 |
| Data Review | 월 1회 | PI + 한승헌 | 데이터 품질, 분석 결과 검토 |
| 논문 Writing Session | 주 1회 (논문 시즌) | 논문 저자 | 논문 초고 작성 및 리뷰 |
| 외부자문 미팅 | 분기 1회 (3-4차년도) | PI + 장원두 교수님 | ML 모델 자문, 질관리, 알고리즘 검토 |
| 연차 보고 준비 | 연 1회 (1-2월) | 전체 | 연차 보고서 작성, 다음 연도 계획 |
6.2 연구 데이터 관리
| 항목 | 도구/플랫폼 |
|---|---|
| 코드 관리 | GitHub (EAGstatic repository) |
| 데이터 저장 | 기관 NAS + 클라우드 백업 |
| 문서 공유 | 공유 폴더 + Obsidian 노트 |
| 참고문헌 | Zotero (공유 라이브러리) |
| 프로젝트 관리 | Notion 또는 GitHub Projects |
7. 리스크 관리
| 리스크 | 영향 | 대응 전략 |
|---|---|---|
| EAG 신호 재현성 불충분 | 높음 | 전극 배치 표준화, 환경 통제 강화, 피부 전처리 프로토콜 |
| 피험자 모집 어려움 | 중간 | 사례비 적정화, 병원 외래 연계, SNS 모집 |
| OA 환자 데이터 불균일 | 중간 | 엄격한 포함/배제 기준, KL grade 제한 |
| 하중 추정 모델 정확도 부족 | 높음 | 다양한 ML 모델 시도, feature engineering 고도화 |
| 연구원 이탈/전공의 교체 | 중간 | 업무 문서화, 코드 리뷰 체계, 전공의 인수인계 프로토콜 마련 |
| 장비 고장/노후화 | 낮음 | 예비 장비 확보, 정기 점검 |
| 예산 삭감 | 중간 | 핵심 항목 우선순위화, 외부 추가 재원 탐색 |
8. 예산 계획 (연간, 개략)
직접비 배분 (연간 약 8,000만원 기준)
| 항목 | 1차년도 | 2차년도 | 3차년도 | 4차년도 |
|---|---|---|---|---|
| 인건비 (한승헌 연구원) | 2,500 | 2,800 | 2,700 | 2,500 |
| 외부자문료 (장원두 교수님) | - | - | 300 | 300 |
| 장비/재료비 | 1,500 | 1,000 | 800 | 1,200 |
| 피험자 사례비 | 300 | 750 | 1,000 | 500 |
| 국내외 출장 (학회) | 500 | 600 | 700 | 700 |
| 논문 게재료/영문교정 | 200 | 400 | 400 | 300 |
| 특허 비용 | 0 | 300 | 200 | 300 |
| 전산처리/소프트웨어 | 300 | 200 | 200 | 200 |
| 기타 | 700 | 950 | 700 | 1,000 |
| 합계 (만원) | 6,000 | 7,000 | 7,000 | 7,000 |
(단위: 만원, 간접비 별도)
9. 기대 효과 및 활용 방안
학술적 기대효과
- EAG(전기관절조영술) 분야의 세계 최초 체계적 연구 성과 축적
- 연골 생체전기 신호의 기초 특성 규명
- 비침습적 관절 하중 모니터링의 새로운 패러다임 제시
임상적 기대효과
- 골관절염 조기 진단 보조 도구 가능성
- 근골격계 재활 치료의 정량적 모니터링
- 수술 후 재활에서의 하중 점진적 증가 가이드
산업적 기대효과
- 웨어러블 관절 모니터링 기기 개발 기반
- 디지털 헬스케어 분야 기술이전 가능성
- 스포츠 의학/재활 분야 신제품 개발
10. 연구 마일스톤 타임라인
2026 ──────────────────────────────────────────────
03 킥오프 미팅 ★
04 IRB 승인
06 SOP 확정, 예비 실험 시작
09 본격 데이터 수집 (20명)
12 test-retest 분석 완료
2027 ──────────────────────────────────────────────
02 SCI 논문 #1 투고 (reliability)
03 2차년도 시작, 모델 개발 착수
06 대규모 데이터 수집 (50명)
09 하중 추정 모델 v1.0
11 특허 출원 #1
12 SCI 논문 #2 투고 (load estimation)
2028 ──────────────────────────────────────────────
03 3차년도 시작, OA 연구 IRB
06 OA 환자 데이터 수집 시작
09 OA vs 정상 비교 분석
11 재활 적용 파일럿 완료
12 SCI 논문 #3 투고 (OA)
2029 ──────────────────────────────────────────────
03 4차년도 시작, 프로토타입 개발
06 실시간 모니터링 시스템 검증
09 특허 등록, 기술이전 탐색
12 최종 보고서, 후속 과제 신청
2030 ──────────────────────────────────────────────
02 과제 종료 ★11. 핵심 성과 지표 (KPI) 종합
| KPI | 4년 누적 목표 |
|---|---|
| SCI 논문 | 5-7편 |
| 국내외 학회 발표 | 8-10건 |
| 특허 | 출원 2-3건, 등록 1건 이상 |
| 피험자 데이터 | 건강인 50명 + OA 환자 20명 |
| 하중 추정 정확도 | R² ≥ 0.6 |
| OA 분류 성능 | AUC ≥ 0.75 |
| 프로토타입 | 실시간 모니터링 시스템 1대 |
| 인력 양성 | 전공의 학회발표 참여 4-5회 |
이 로드맵은 연구 진행 상황에 따라 유연하게 조정될 수 있으며, 매 분기 Lab Meeting에서 검토하고 업데이트합니다.
Last updated: 2026-03-14