3차원 가상현실의 촉각 기능을 위한 획기적인 기술 개발
[출처 : EE Times : 1997년 05월 26일]
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3차원 가상현실에서의 촉각 기능을 위한 획기적인 기술이 개발되었다.
3차원 가상현실에서의 촉각기술은 전자기기 설계에서부터 자동차 및
의료시스템에 이르기까지 광범위한 분야에 응용될 수 있는데 가상 전기회로
보드에 설계자들이 직접 접촉하는 느낌을 줄 수 있게 하며, 의사들이
수술할 때 느끼는 감각으로 가상세계를 통하여 기관을 절개하지 않고
느끼게 해준다. 이러한 가상 촉각기술의 핵심은 "힘 피이드백"이라고
알려진 것으로 엔지니어들과 과학자들이 원격으로 작업을 수행할 때,
로보트의 매니퓰레이터에 가해진 힘을 오퍼레이터에 피이드백 시켜서 그
힘을 느낄 수 있게 하는 것이다.
이와 같은 힘 피이드백을 이제는 인터넷을 통하여 3차원 가상현실에
적용하고자 하는 기술이 개발되었는데, 고속 팬티엄 프로세서를 이용하여
직접 물체와 접촉되는 센서들에서 전달된 신호를 이용하여 구동 장치에
내려야할 명령을 결정하고 다시 원하는 이동을 직접 모터에 지시하게 된다.
"팬텀"이라 불리는 이 시스템에서는 디지털 릴레이가 초당 1000씩 반복해서
명령을 주고받으므로 손의 미묘한 움직임에 따르게 명령이 각 모터로
전송되게 되어있다. 3차원 촉각이라 불리는 이유는 마우스 대신에 직접
손가락을 이용하여 물체를 이동시키는 것과 같은 행동을 할 수 있는, 즉
실제 생활에서의 손으로 물건을 잡고, 움직이는 감각 그대로를 실현시켜
주기 때문이다.
이러한 기술은 가상현실 연구에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 보인다.
왜냐하면 지금까지의 머리에 부착된 디스플레이나 가상현실용 장갑을
이용한 인터페이스들 보다 훨씬 분명하게 감각을 하게 해주기 때문이다. 한
에로는 복강경 수술과 같이 직접 보고 수술하기 위하여 복벽으로 삽입하는
광학기계에 의존하는 수술의 훈련 등에 매우 유용하게 사용할 수 있다.
의사가 수술을 할 때는 보는 것 이상으로 촉감이 중요한 요소이다. 뇌의
종양은 시각으로는 잘 구분이 되지 않지만 만져보면 구분이 되게 되어
있다. 따라서 촉감을 제공해 줄 수 있다면 이러한 수술에 큰 도움이 되는
것이다. _______________________________________________________
미소 힘측정 방법을 응용한 촉감센서
권영하
경희대학교
섬유공학과교수
공학박사
1. 머 리 말
힘 측정의 원리 및 방법은 다양한 연구분야와 산업의 전반에 걸쳐서
응용되고 있다. 특히 현대산업의 첨단화, 소형/대형화, 자동화되는 현재의
상황에서는 미소 힘 측정에 관한 연구가 활발하게 진행되며 응용분야도
확대되고 있다. 미소 힘 측정 응용분야 중에서 촉감을 객관화시켜서
산업제품의 디자인에 활용하는 연구분야와 의공학에 대한 연구활동은
계속될 것으로 판단된다. 기존의 단순 로봇으로부터 발달된 인체내부에
투입되는 초소형 팔과 손을 갖는 의료기구의 개발에 걸쳐 촉감센서는
응용되고 있으며 전자산업의 발달과 함께 대용량의 자료를 실시간 처리가
가능하게 되어 더욱 센서의 개발에 기틀을 마련하고 있다. 그러므로
촉감센서의 기본적인 원리를 이해하고 응용가능 범위에 대해서 설명할
것이다.
2. 인간의 촉감
인간이 외부로부터 신체에 주는 감각은 촉각, 시각, 청각, 후각, 미각의
5가지 감각을 통해서 느끼게 된다. 그 중에서 촉각은 다른 감각기관이
발달되기 이전의 가장 원시적인 감각기관으로 시작하여 인간의 중요한
감각으로 여겨지고 있다. 피부자극에 의한 촉각을 감각기관으로부터 인간이
정신적으로 해석하여 느끼는 감정을 촉감이라고 생각할 수 있다. 손으로
물건을 쥐거나 문지를 때 손바닥과 물체표면 사이의 물리적인 현상에 의해
자극이 손바닥에 전달되어 뇌에서 반응하여 느끼는 기본적인 과정을 그림
1에 나타내고 있다.
외수용기경로(exterioceptive pathways)와 내수용기경로(proprioceptive
pathways)를 통해 자극이 뇌와 척추에 전달되어 느끼게 되고 이에 따른
운동반응이 운동경로(motor pathways)에 의해 근육에 전달되는 과정을
설명하고 있다. 인간의 피부로 안쪽에는 여러 가지 센서에 해당되는
기관들이 그림 2와 같이 존재하여 외부로부터 힘, 진동, 압력, 온도 등을
감지하여 촉감을 느끼게 된다. 손바닥과 같이 털이 존재하지 않는 피부는
표피(epidermis), 진피(dermis), 피하조직 (subcutaneous fat)으로 층을
이루고 있으며 내부에는 마이너스 소체(missner corpuscle), 촉반(merkel's
disk), 파치니 소체(pacinian corpuscle), 루피니소체(ruffini corpuscle)
등의 센서가 자유신경종말(free nerve ending)에 연결되어 외부적인 자극을
감지하고 있다. 외부적인 자극은 대부분 역학적인 성질을 갖는 진동, 압력,
힘, 온도 등으로 표 1과 표 2에 범위와 자극의 내용에 대해서 요약되어
있다. 감지가능한 힘의 크기는 수 mN으로 대단히 작은 크기의 값을
측정하는 능력을 인간이 보유하고 있음을 알 수 있다. 특히 손을 움직일 때
느끼는 촉감은 압력과 더불어 움직이는 힘(진동)이 중요한 감지요소가
된다. 더욱이 털(hair) 또는 동물에서의 더듬이가 나와있는 피부에서는
지극히 미소한 힘의 변화도 느끼게 된다. 이와같은 여러 가지 역학적인
자극과 온도의 변화와 더불어 눈으로 보고 느끼며 과거의 경험과 문화적,
사회적 요소가 결합된 감정 즉, 질감을 창출하게 한다.
3. 촉감센서
인간 손끝의 자극에 의해서 느끼는 촉감은 피부 아래에 분포되어 있는
감각기관으로부터 느끼게 된다. 이와같은 감각소체에 해당되는 촉감센서의
개발은 1960년대부터 시작되어 최근에는 질감을 느끼고 해석하는 다양한
센서의 개발로 이어지고 있다. 촉감센서로서 기본적으로 갖추어야 할
조건은 다음과 같다.
①센서의 간격이 1∼2 mm 이내로서 손끝의 넓이에 10×20점 정도 array
형태로 설치되어야 된다. 인간의 손끝에는 10×15개의 접촉감지점이
존재한다.
②하나의 센서가 감지하는 힘의 크기는 0.5∼10 gf 이내로서 1/1000 의
감응도를 가져야 한다.
③하중이력과 반복도가 좋고 안정성이 있어야 된다.
④신호의 수집속도는 1 kHz의 동적인 측정이 되어야 속도의 변화에 따르는
촉감의 재현이 가능하다.
⑤표면은 가능한 지문이 있는 약간 거친 인간의 피부와 비슷해야 된다.
⑥촉감센서에서 감지되는 수직힘(normal force),압력(pressure),
전단힘(shear force)이 주로 힘의 분포, 접촉면적, 굴곡의 정도, 마찰계수
등을 측정 분석하여 촉감을 인식하는 해석을 해야 한다.
4. 센서의 원리 및 응용
촉감센서의 원리는 기본적으로 미소힘을 측정하는 개념을 가지며 손끝과
같이 압력에 따른 형태의 변화와 힘의 분포 및 움직일 때 나타나는 진동을
종합적으로 감지하여야 된다.
(1)공기압 이용한 센서(pneumatic sensor)
컴퓨터의 키보드를 손끝으로 누를 때 촉감의 차이를 느낄 수 있으며 이때,
누르는 힘에 대한 저항힘의 크기는 미소한 차이에도 불구하고 촉감을
달리하는 것을 알 수 있다. 이와같은 힘의 측정은 그림 3에서와 같이
압축된 공기를 돔 형태의 금속판에 넣어 반지름의 변화로 미소 힘dl
측정되는 원리를 설명하고 있다.
(2)압전체를 이용한 센서(piezoelectric sensor)
힘을 가하면 전하가 발생되는 성질을 압전성이라 하며 이와같은 성질을
이용한 힘센서는 여러 분야에서 응용되고 있다. 특히 동적인 힘(dynamic
force)과 미소 힘의 변화측정에 효과적으로 사용되고 있다. 손끝이 움직일
때에는 진동이 발생되어 표 2와 같이 동적인 힘의 측정이 필요하게 된다.
그러므로 압전체는 촉각센서에 많이 응용되고 있다. 압전성 고분자의
개발은 다양한 형태로 많은 접촉점을 가지는 촉감센서 array의 구성을
가능하게 하였다. 그림 4은 PVF2(polyvinylidene fluoride) 필름형태의
압전성 고분자를 이용한 센서로서 5×7개의 접촉점을 가지고 있으며 동적인
힘의 크기 및 분포에 응용이 가능하도록 설계되어졌다.
(3)광학을 이용한 센서
빛의 굴절각의 변화를 측정하여 접촉되는 힘의 크기 및 방향을 계산하는
방법이 기본적인 원리가 된다. 그림 5와 같이 반사되는 표면을 갖는 고무가
임의 표면에 눌리게 되면 변형되어 빛의 반사각이 변화되며 그림 6은
고무를 이용 다양한 형태의 표면을 피부와 같은 재료와 전단힘을 받아
변형을 일으킬 수 있는 레버를 설계하여 접촉면을 변화시키는 방법을
이용한 것이다. 이 방법은 힘의 분포를 측정하기 보다는 물건을 잡고
움직일 때 나타나는 힘의 변화 및 미끄러지는 전단힘을 빠르게 인식하는데
유용한 센서이다. 그림 7은 탄성체를 U자형태로 구부린 상태에서 힘을
가하여 변형되는 정도를 측정하여 힘의 크기로 환산하는 방법이다.
발광부에서 일정한 양의 빛이 방출되고 탄성체의 처짐에 따른 빛의 손실을
측정 미소 힘의 크기를 환산하는 원리이다. 크기가 4 mm×6 mm× 3 mm로서
비교적 크지만 낮은 하중이력과 좋은 반복성과 선형성을 유지하므로 미소
힘의 측정에 유용하게 사용된다. 특히 로봇이 작고 예민한 물건을 집어
움직이는 경우에 응용되여 사용되고 있다.
(4)VLSI 기술을 이용한 센서
전자산업 발달과 함께 VLSI 기술을 응용한 촉각센서의 개발이 미국의
스탠포드대학을 중심으로 연구되고 있다. 그림 8은 300 μm×300 μm크기를
갖는 미소 힘 측정센서의 현미경 사진이다. CMOS(complimentary
metal-oxide-silicon)제조 공법을 이용하여 silicon자체가 감지부 역할을
하고 있으며 수직응력 뿐 만 아니라 전단응력을 동시에 측정할 수 있는
구조를 가지고 있다. 그림 9는 구조 및 전기적인 구성의 개략도로서 4개의
감지부 탄성체에서 발생되는 전압의 변화를 측정하여 힘의 크기로 환산하는
방법이다. 측정된 감응도는 수직방향으로 51 mVkPa-1이며 전단방향으로는
12 mVkPa-1 이며 64×64 array센서의 제작이 가능하므로 접촉되는 각 점의
힘의 크기와 방향을 종합적으로 측정하는 힘센서로서 촉감을 측정하는
고정밀 감지부로 응용될 것이다.
(5)기타방법
힘을 측정하는 대부분의 방법이 촉감센서의 원리로서 응용이 가능하다.
가장 일반적으로 많이 응용되는 스트레인 게이지 방법은 작은 힘의 크기를
측정하는 로드셀의 제작에 사용되며 로봇의 팔에 장착되여 여러 방향의
힘을 동시에 측정하는데 응용된다. 그 외에도 그림 10과 같이 두 개의
구리띠 사이에 고무를 넣어 두판사이에서 발생되는 전기용량을 측정하여
접촉압력의 분포를 측정하는 촉감센서가 있다. 한편 CCD 카메라를 사용하여
접촉면의 모양을 영상처리 방법으로 분석함으로서 미소변형에 따른 힘의
크기와 방향을 측정하는 촉감센서의 개발에도 응용되고 있다.
5 응용예
촉감센서의 개발은 그림 11과 같이 로봇의 손이 물건을 잡을 때 가해지는
힘의 크기와 방향을 측정하기 위해서 시작되었다. 최근에는 전자산업의
발달과 계측장치의 고도화와 더불어 측정범위도 0.1 gf 이내의 미소힘
측정도 가능해지고 동적인 측정이 가능하며 능동적인 시스템이 구축되여
다양한 응용범위도 확대되고 있다. 의학분야에서는 인체 내부에 작은
크기의 촉각센서를 투입시켜 만져지는 형태를 파악하는 진단기구의 개발
실용단계에 있다. 한편, 감성공학분야에서는 인간의 촉감을 구현하기 위한
노력도 계속되고 있다. 손끝이 물체의 표면을 문지를 때의 현상을
촉감센서가 미소힘을 측정하여 분석하므로서 인간이 느끼는 감정을
예측하는 시스템을 구축하는 분야이다. 피부에 접촉되며 일어나는 현상을
미소힘의 크기와 방향, 진동, 압력, 온도등의 여러 가지 물리적, 역학적
특성으로 구분할 수 있다. 이와 같은 물리적, 역학적 특성을 촉감센서로
측정하고 인간의 감성적인 표현과 인체의 생리적인 현상과의 상관관계
분석은 의식주의 모든 신체 접촉과 관계되는 산업제품의 설계에 유용하게
사용될 것으로 판단된다.
6 맺는말
촉각의 개념을 이래하고 원리를 파악하여 센서를 개발하고 응용하는 연구는
여러 첨단분야에서 계속되고 있다. 특히 연구의 범위가 넓기 때문에 다양한
분야의 종합적이고 체계적인 분위기에서 만 연구 가능한 분야라고
생각된다. 최근 국내에서 감성공학의 연구가 활발하게 진행되어 촉감에
대한 관심도 상당히 증대되여지고 있다. 지금까지 미소 힘 센서의 개발은
힘 측정의 원리를 응용한 범위 이내에서 이루어 졌으나 최근
한국표준과학연구원을 중심으로 촉간의 개관적인 평가를 위한 연구가
진행되고 있다. 촉감센서의 개발과 응용은 산업의 발달과 인간생활의
풍요로움과 더불어 수요가 계속 증대될 것으로 판단된다. 관련분야의
다양화와 산업제품의 직접적인 생산과 관련되지 않은 분야 이므로 국가적인
차원에서 지속적인 투자가 이루어지면 기반기술로서 산업전반에 영향을 줄
수 있는 연구개발 과제라고 판단된다.
[참고문헌]
[1]R. Andrew Russel, Robot Tactile Sensing, Prentice Hall, 1990
[2]Bart J. Kane, Mark R.Cutkosky, Gregory T.A. Kovacs,
"CMOS-compatible traction stress sensor for use in high-resolution
tactile imaging" Sensors and Actuator A 54, p 511-516, 1996
[3]R.S. Fearing, G. Moy and E. Tan, " Some Basic Issues in
Teletaction" International Conference on Robotics and Automation
Albuerque, New Mexico - April 1997
[4]Dianne Pawluk, "A Viscoelastic Model of the Human Fingerpad and a
Holistic Model of Human Touch" PhD thesis in Harvard University 1997
[5]Howard R. Nicholls, Advanced Tactile Sensing for Robotics, World
Scientific, 1992
[6]Jae S. Son, Integration of tactile Sensing and Robot Hand Control,
PhD thesis in Harvard University, 1996
일반지각전도로(somatic sensory tracts)
주로 피부와 점막에서의 자극(통각, 온각, 냉각, 촉각, 압각) 과 근 건 관절 등에서의
심부감각을 대뇌피질에 전도한다. 주의할 것은 이들 기본감각은 전도되는 신경섬유가
각각 결정되어 있고, 동일한 섬유 내를 여러 가지 자극이 지나지 않는 점이다. 말초에
있는 각기 다른 감수기를 통해서 받은 자극은 척수신경절세포로 들어와 후근으로서
척수에 들어가며, 크고 유수섬유로 된 내측속과 작고 얇은 수초를 가진 섬유로 된
외측속으로 나누어진다.
a) 고유감각 및 식별력 있는 압각 및 촉각
제 1차신경원: 후근의 내측속으로 척수에 들어와 T자 상으로 상, 하로 분지되며,
하행하는 것은 다발로서 후삭으로 내려가 후주에서 끝나며, 반사운동을 일으킨다.
상행하는 것은 후삭(하반신의 것은 박속, 상반신의 것은 설상속)을 지나 각각 연수의
박속핵(Nucleus gracilis)과 설상속핵(Nucleus cuneatus)에서 끝난다. 식별 있는 압각
및 촉각은 척수후각세포에 종지한다.
제 2차신경원: 이들 핵에서 시작하여 연수 내에서 내궁상섬유(Fibrae arcuatae
internae, internal arcuate fibers)가 되어 정중부로 가서 교차한
후(모대교차[Decussatio lemniscorum, lemniscal or sensory decussation]),
중뇌수도의 외복부에 내측모대(Lemniscus medialis, medial lemniscus)로서 시상의
후외측복측핵(Nucleus ventralis posterolateralis)에 종지한다. 식별력이 있는 촉각과
압각의 제 2차신경원은 척수 내에서 교차하며, 전척수시상로(Tractus spinothalamicus
anterior)로서 상행하여 내측모대에 합쳐진다.
제 3차신경원: 시상에서 일어나 내포후각(Crus posterius capsulae internae)을 지나
대뇌피질의 체지각영역에 투사된다.
b) 통각(pain sensation) 및 온도각(temperature sensation)
제 1 신경원: 척수신경후근의 외측속으로 들어와 후각과 척수 표면 사이의
후외측로(Tractus dorsolateralis, dorsolateral tract or Lissauer's tract)를 지나
교양질(Substantia gelatinosa, gelatinous substance of Rolando)에 종지한다.
제 2차신경원: 교양질세포에서 일어나 곧 교차하여 반대측의
외측척수시상로(Tractus spinothalamicus lateralis)로서 척수측삭, 연수, 교배부복측을
지나 중뇌피개에서는 척수모대(Lemniscus spinalis; P.N.A.)로서 내측모대의 내배측을
따라 상행하여 시상의 후외측복측핵에 종지한다.
제 3차신경원: 내포후각을 지나 중심후회에 투사되며, 투사부위는 이미 말한 대로
신체부위에 따라 순서적 배열을 한다.
c) 안, 두부의 체지각전도로
척수신경과 거의 같은 경과를 취한다.
제 1차신경원: 말초에서 오는 지각섬유는 주로 삼차신경이며, 삼차신경절의 중심지는
뇌간으로 들어와 T자형으로 분지되고, 다수의 측부지를 내면서 상, 하행한다.
통각 및 온도각은 삼차신경척수로(Tractus spinalis nervi trigemini)로서 척수후각의
교양질의 계속인 삼차신경척수로핵(Nucleus tractus spinalis nervi trigemini)에
종지한다.
촉각 및 압각은 상행하여 삼차신경주지각핵(Nucleus sensorius principalis n.
trigemini)에 종지한다.
고유감각은 중뇌에 있는 삼차신경중뇌로핵(Nucleus tractus mesen-cephalicus n.
trigemini)으로서 감수된다.
뇌척수신경의 지각신경절은 뇌, 척수 밖에 있다는 사실로 보아 예외적인 것이다.
저작근, 안근, 안면근들의 고유감각도 이 핵에서 나가는 신경섬유로서 지배된다.
제 2차신경원: 이들 여러 감각의 제 2차신경원은 곧 교차하여 반대측으로 가서,
삼차신경모대(Lemniscus trigeminalis; P.N.A.)가 되어 척수에서 올라오는
척수모대(Lemniscus spinalis) 및 내측모대(Lemniscus medialis)에 합쳐져서 시상의
후내측복측핵(Nucleus ventralis posteromedialis)에 종지한다.
제 3차신경원: 시상의 후내측복측핵에서 나와 내포후각의 앞 부분을 상행하며,
중심후회의 하부에 투사된다.
삼차신경 이외에 체 지각섬유를 가진 안면신경의 슬신경절(Ganglion geniculi),
설인신경 및 미주신경의 상 하신경절(Ganglion superius et inferius)도
삼차신경척수로핵에 종지하는데, 그 후의 경과는 같다.
이상과 같이 체지각전도로는 대뇌피질에 투사될 때까지 3개의 신경원으로 되어
있고, 척수 또는 뇌간에서 반드시 교차하며, 내포를 지나서 중심후회에 투사될
때까지의 경로 중 신체부위에 따르는 층판배열을 볼 수 있다는 점을 주의하여야 한다.
또한 이들 지각핵 또는 축삭은 다수의 측부지로서 내장지각섬유들의 종지핵인
고속핵(Nucleus tractus solitarii)과 복잡미묘한 연결로서 반사궁을 형성한다.
b) 소뇌에 투사되는 고유감각
의식하지 못하는 고유감각으로서 몇 가지 투사로를 볼 수 있다.
(1) 부설상핵을 거치는 전도로: 후삭을 통해 상행한 제 1차신경원은
부설상속핵(Nucleus cuneatus accessorius, nucleus of Manacow)에 정지하고,
부설상속핵에서 나온 외궁상섬유(Fibrae arcuatae externae)로서 같은 쪽 또는
반대쪽의 하소내각을 거쳐 소뇌로 간다.
(2) 척수후각세포를 거치는 전도로: 후근을 통해 들어온 제 1차신경원이 후각세포에
종지한다. 제 2차신경원은 몇 가지 경로로서 소뇌에 투사된다.
흉수핵(Nucleus thoracicus; 일명 배핵)에서
나온 제 2차신경원은 후척수소뇌로(Tractus spinocerebellaris posterior)로서 상행하며,
하소내각을 거쳐 소뇌에 투사된다.
흉수핵 부근의 핵에서 일어난 제 2차신경은 같은 쪽 또는 반대쪽의
전척수소뇌로(Tractus spinocerebellaris anterior)가 되어 연수 및 교배부를 상행하여
상소뇌각을 지나 소뇌전엽 및 충부에 투사된다.
후각세포에서 나온 제 2차신경원은 같은 쪽을 척수올리브로(Tractus
spinoolivaris)로서 상행하며, 올리브핵(Nucleus olivaris)에 종지한다. 제 3차신경원은
대체로 내궁상섬유(Fibrae arcuatae internae)로서 교차하며, 하소뇌각으로 소뇌에
들어간다.
척수소뇌로는 2개의 신경원으로 되어 있고, 일부는 교차하나 대부분은 같은 쪽의
소뇌에 투사된다. 소뇌피질로부터의 연결은 소뇌, 적핵, 망상핵, 척수전각세포를
연결하는 추체외로로서 이루어지고 있으며, 이 경로를 지나는 자극은 의식하지 못한다.
따라서 척수소뇌로는 일종의 광범위한 반사로의 일부라고 할 수 있다.
감각영역(감각중추) : 두정엽에서 중심후회전의 부위로 피부감각(촉각, 압각, 냉각, 온각, 통각 등)과 심부감각(운동감각) 및 미각의 구심성 흥분을 시상으로부터 받아서 감지한다. 특히 피부감각과 심부감각을 합쳐서 체성감각이라고도 한다. 이 체성감각 영역이 손상되면 물체를 만져 보아도 그 형태나 표면의 상태를 알 수 없다. 체성감각의 영역에서도 운동영역과 비슷한 배열을 하고 있는 국재성이 있으며, 이 영역 역시 반대쪽에 있는 말초 수용기들의 감각을 담당한다.
구심성 전도로
구심성 전도로는 피부감각이나 근육, 건, 관절 등의 심부감각 및 감각기관 등의 말초 조직에서 오는 자극이 대뇌피질중추까지 전달되는 경로이다.
피부 지각로 : 피부 감각 즉 촉각, 압각, 통각, 온도각 등은 소뇌를 거치지 않고 대뇌피질에 전달되는 전도로로, 척수신경에 이어지는 것과 뇌신경에 이어지는 것이 있다. 이 전도로는 원칙적으로 3개의 신경세포로 구성되어 있다.
제1신경세포는 전신 피부에 분포하는 지각성 뇌신경에 속한 신경절 및 척수신경에 속하는 신경절(척수신경절)의 지각성 신경세포와 그 돌기로서 각각 뇌나 척수내의 일정 부위에 있는 지각핵에, 그리고 제2신경세포는 올라가다가 교차하여 반대쪽의 시상에 이르며 제3신경세포는 시상에서 시작하여 내포를 지나 대뇌피질에 있는 중추에 도달한다.
투사 : 신체에 가해진 자극은 결과적으로 대뇌피질에서 감지하는데, 우리는 대뇌피질에서의 반응으로 느끼지 않고 자극이 가해진 신체의 부위에서 느끼게 된다. 이를 투사라 하는데 대뇌의 오묘한 기능이라고 할 수 있다. 긴 막대기로 좁고 어두운 구멍을 더듬을 때에 그 막대기의 끝에 토끼가 닿는지돌이 닿는지를 알아낼 수 있다. 즉 단단한 것 또는 부드러운 감각이 막대기 끝에 투사된 것으로서 결코 손가락 피부의 감각에 의해 느끼는 것이 아니다.
⑧ 액와신경은 상완후상부의 피부와 삼각근, 소원근 등에 분포한다.
쇄골하부신경총은 제8경신경과 제1 흉신경 전지로 구성되는 것으로 주로 상지에 분포하며 여기에서 나오는 분지와 그 분포 구역은 다음과 같다.
① 근피신경은 상완의 전측근과 외측 피부에 분포한다.
② 내측상완피신경은 액와와 상완의 내측 피부에 분포한다.
③ 내측전완피신경은 전완의 내측 피부에 분포한다.
④ 정중신경은 상완내측의 결절간구를 하행하여 주와에 이르고, 다시 천지굴근과 심지굴근의 사이(전완 전측의 중앙)로 내려가 수장에 도달한다. 그 분포 구역은,
A) 척측수근굴근과 심지굴근의 일부를 제외한 모든 전완 전측근과
B) 모지내전근을 제외한 모지측근과 제1, 2충양근 및
C) 수장의 요측과 모지, 시지, 중지의 장면, 약지 장면의 요측 피부 등이다.
⑤ 척골신경은 정중신경과 같이 상완 내측의 결절간구를 하행하여 척골신경구를 지나 척측수근굴근과 천지굴근의 사이로 내려가 수부의 척측에 도달한다. 그 분포 구역은,
A) 척측수근굴근과 심지굴근의 일부
B) 모지내전근, 골간근, 제3, 4충양근 및 소지측근
C) 수장의 척측, 소지 장면과 약지 장면의 내측 피부 및
D) 수배의 척측, 소지, 약지의 배면과 중지의 배면 척측 피부 등이다.
⑥ 요골신경은 상완 외측의 요골신경구를 지나 주와 외측에서 천, 심 2지로 나누어진다. 천지는 완요골근을 따라 내려가다가 전완 하1/3부에서 완요골근의 하부를 지나 후측으로 가서 수배까지 내려가 모지와 시지의 배면 및 중지 배면의 요측에 분포하고 심지는 전완 후측의 하부에 이르는데, 그 분포 구역은 전완의 외측근과 상완 및 전완의 후측근과 피부, 그리고 수배의 요측, 모지와 시지의 배면, 중지 배면의 요측 피부 등이다.
피부
우리의 몸은 피부로 표면을 덮어 보호하며 피부 밑의 피하 지방, 그리고 그 밑의 근육과 골격으로 구성되어 있다. 주위 환경에서 일어나는 유해한 외부 영향으로부터 인체를 보호하고 외부에서 일어나는 현상을 감각 자극으로 받아들이며 몸에서 생기는 필요 없는 물질을 물과 함께 내보내며 체온 조절을 돕고 있다. 피부의 부속 기관으로 모발, 손톱, 땀샘, 피지선 등을 갖고 있으며 피부는 성인의 경우 약 2만㎠이고 부위에 따라 피부의 두께는 다르나 평균 2.5㎜이고 우리의 몸에서 가장 큰 기관이다.
1) 피부의 구조
피부는 두 개의 층으로 구성되어 있다. 그것은 외부의 표피와 내부의 진피이며 피부의 평균 두께는 2.5㎜이나 안검(눈꺼풀)은 약 0.5㎜로 가장 엷은 부위이며 손바닥이나 발바닥은 약 6㎜로 가장 두꺼운 부위이다.
(1) 표피
표피는 다시 5개의 층으로 나누어지며 표면으로 갈수록 평평하게 되고 표면 쪽의 각질화 된 각질층과 진피 쪽의 각질화 되지 않은 세포 층으로 되어 있으며 대부분의 표피의 두께는 0.07∼0.12㎜로 되어 있다.
① 각질층
피부의 가장 표면에 있고 세포는 핵이 없으며 각질로 변해 있고 수분은 10∼20%만 함유하고 있다.
② 투명층
각질층 바로 밑에 있는 얇고 투명한 층으로 각질화의 중간 과정이며 이곳에서 수분이나 핵을 잃게 되면 생명력을 상실하게 된다.
③ 과립층
세포가 편평하게 되기 시작하는 곳으로 각질화에 관여하는 과립을 포함하고 있다.
④ 극세포층
과립층 밑에 있으며 핵이 있고 생명이 확실히 있는 세포로 구성되어 있다.
⑤ 종자층
표피 중 가장 깊이 위치한 원주형의 단일 세포 층으로 새로운 표피세포를 만들어내는 세포이며 기저층이라 부르기도 하고 멜라닌(melanin)색소를 포함하고 있어 피부의 색깔을 나타낸다.
(2) 진피
진피는 표피의 내측에 위치하며 많은 섬유성 결합 조직을 포함하고 있다. 피부의 부속 기관인 땀샘, 피지선, 그리고 모낭 등이 있고 혈관, 임파관, 그리고 신경이 풍부하며 다시 2개의 층으로 나누어지는데 이 두 개 층의 경계는 명확하지 않다.
① 유두층
표피의 밑에 있으며 섬유성 결합 조직이 섬세하게 나타나고 많은 유두가 돌출하여 있다.
② 망상층
섬유성 결합 조직이 서로 얽혀 있고 섬유는 굵다.
2) 피부의 기능
(1) 신체 보호
피부는 유연성, 내구성, 그리고 탄력성에 의해 외부 자극으로부터 신체를 보호하고 세균이나 곰팡이의 침투를 막으며 또한 각질층의 역할을 한다. 또한 땀샘 내의 젖산으로 세균을 막으며 방수성에 의해 체외의 수분을 흡수하지 못하게 할 뿐 아니라 조직액의 유출도 막는다.
(2) 체온 조절
말초 혈관이나 땀샘의 협조로 체온을 조절한다. 체온이 상승하면 말초 혈관이 확장하고 땀을 내게 하여 체온을 내리고 체온의 보존을 위해서는 말초 혈관을 수축시키고 땀을 내지 않으므로 몸의 열을 밖으로 내보내지 않는다.
(3) 배설 및 분비
땀을 통해 액체화된 노폐물을 체외로 배설한다.
(4) 감각기
촉각, 온도 감각, 통각 등 많은 감각을 느끼게 하는 감수기가 분포되어 있다.
(5) 비타민 D 합성
자외선 복사를 받아 피부내의 스테롤(sterol)을 비타민 D로 합성한다.
전기 생리
전기에 대한 인체의 생리적 반응은 전류의 종류, 전류의 강도, 시간 또는 파형에 따라 각기 다른 반응이 나타나지만, 대체로 신경과 근육의 자극에 따른 생리 반응과 전류의 통전에 따른 열의 발생과 같은 생물학적 반응 등을 들 수 있다.
1) 신경과 근육의 구조와 형태
(1) 신경세포
신경세포의 기능은 척수에서의 정보를 중계하고 전도하며 또한 전파하는 역할을 한다. 그 세 가지 기능은,
① 자극에 반응하는 특수한 능력이 있고,
② 자극에 따른 흥분을 즉시 매우 빠르게 다른 세포에게 전달하는 기능이 있으며,
③ 다른 신경세포나 근육세포 또는 선세포 등에 영향을 준다.
신경세포는 세포체와 축삭, 수상돌기라고 불리는 돌기로 이루어져 있다.
(2) 신경근 접합부
축삭 돌기의 작은 가지들이 근육섬유와 접합되는 부위를 신경근 접합부라고 한다. 운동신경의 축삭돌기가 근육섬유에 가까워 질 때, 수초는 소실되고, 몇 개의 작은 가지로 나누어진다. 이 작은 가지들은 근육섬유 표면 위의 움푹 패인 곳에 위치하게 되나 이와 같은 신경의 작은 가지 아래 있는 근섬유를 운동종판이라 한다. 신경 축삭의 끝을 싸는 막은 근형질(근육세포의 원형질)에서 떨어져 있고, 그 사이에 접합부열이라고 불리우는 간격이 있다.
운동 종판은 신경섬유에서 오는 자극을 근육섬유로 전달할 수 있는 매우 특이한 기능적 특성을 가진 장치인데, 자극을 전달하는데는 화학 물질인 아세틸콜린(acetylecholine)이라는 연결 작용을 하는 물질에 의해서 이루어진다. 이 때, 아세틸콜린은 칼슘 이온(Ca2+)이 있어야만 작용한다. 단지 근육의 운동 종판만이 아세틸콜린에 민감하고 나머지 근막은 민감하지 않다. 근육섬유의 수축은 신경세포를 통해 전달된 자극의 흥분이 전파되어 수축되며 신경 끝은 운동 종판을 통해 근육과 연결되어 끝나게 된다. 신경섬유는 축삭돌기라 하는 원형질의 섬유가 중심에 있고 그 둘레를 슈반세포(Schwann cell)가 둘러싸서 신경초를 만들고 있다.
나중에 축삭과 신경초 사이에 수초가 생기게 된다. 그러나, 모든 신경섬유가 반드시 수초를 가지는 것은 아니므로 수초가 있는 것은 유수신경섬유라 하고 수초가 없는 것을 무수신경섬유라 한다.
유수신경 섬유의 수초는 신경섬유를 감싸고 있는 껍질과 같은 것인데, 맨 처음에는 슈반 세포막이 푹 들어가 함몰되어 생기고, 얼마 후에는 축삭 형질을 계속 둘러싸게 된다. 수초는 단백질층이 두 줄로 되어 있는 사이에 지방으로 된 층이 있어 전기 저항이 매우 높고, 이온이 투과할 수 없다. 유수신경 섬유에서는 수초가 약 2㎜ 간격으로 군데군데 잘려져 빈 곳이 있는데, 이것을 렌비어(Ranvier)의 마디라고 하며, 이온의 투과가 이 곳에서 잘 되고 흥분의 파급이 이 마디를 뛰어넘어 전달되므로 유수신경 섬유의 전달 속도는 무수신경 섬유보다 훨씬 빠르다.
신경섬유가 모여 한 다발을 이룬 것을 신경내막이라고 하는 결합조직 껍질이 싸고, 이런 것들이 모인 다발을 한 묶음으로 하여 신경주막이라는 결합조직 껍질이 다시 싸고, 또 이런 것들의 묶음이 신경을 만들고 있는 것을 신경외막이 둘러싸 신경간을 만들고 있다. 이런 결합조직은, 신경섬유를 받들어 주고, 여기를 지나가는 혈관을 통해 신경 조직에 영양을 공급하고, 또한 결합조직은 전해질이므로 신경섬유의 전도 활동을 돕는다.
축삭의 기능은 척수와 근육 사이를 연결하는 도로와 같은 역할을 한다. 다시 말하면, 신호를 전달하는데, 늦은 신호는 신경세포측과 신경이 지배하는 근육섬유측인 양측으로 메세지를 전달하기도 하고 필요할 때는 말초로 빨리 신호를 전달하는 두 가지 형태로 흥분을 전달한다. 신경 자극은 유수신경 섬유로 렌비어의 마디(nodes of Ranvier)를 따라 다음 마디로 뛰어넘어 전달하는 도약 전도를 한다. 이 때, 수초는 상당한 전기 저항을 가지고 절연체 작용을 하므로 렌비어의 마디에서 전류 활동이 생기며, 렌비어의 마디가 멀리 떨어져 있으면 있을수록 전도 속도는 더 빠르다.
(3) 신경섬유의 형태
신경은 모든 자극에 즉각 반응하는데, 그 직경과 그 밖의 요인에 따라 자극을 전달하는 속도가 다르다. 신경섬유는 섬유의 굵기와 흥분 전달 속도에 따라 다음과 같이 세 가지 형으로 나누어진다.
① 그룹 A섬유
이것은 유수신경이며, 크고 전도가 빠르고 운동섬유와 감각성 섬유이다. A섬유는 다시 네 가지로 나누어진다.
가. 알파(α)섬유 : 직경은 12∼22㎛이고, 전도 속도는 1초당 70∼125m이다.
나. 베타(β)섬유 : 직경은 5∼12㎛이고, 전도 속도는 1초당 30∼70m이다.
다. 감마(γ)섬유 : 근방추에서 구심성으로 가는 신경섬유이다.
라. 델타(δ)섬유 : 통각과 온도 감각, 촉각을 전달하는 구심성 신경섬유이며, 직경은 2.5㎛이고, 전도 속도는 1초당 12∼30m이다.
② 그룹 B섬유
이것은 유수신경이며, 교감신경의 신경절전섬유이고, 직경은 3㎛보다 적으며, 전도 속도는 1초당 3∼15m이다.
③ 그룹 C섬유
수초가 없는 무수신경이며, 교감신경의 신경절후신경과 말초신경의 구심성 섬유와 유리말단신경섬유들이 이에 해당한다. 직경은 0.3∼1.3㎛이고, 전도 속도는 1초당 0.5∼2.3m이다.
(4) 운동 단위
신경세포와 근육세포는 각기 다른 개개의 세포 조직이나, 그 기능에서는 신경섬유와 이의 지배를 받는 근섬유와 동일 기능을 가지게 되며, 이것이 하나로 묶여 기능적 운동 단위의 작용을 한다.
운동 단위는 척수에 있는 전각세포와 이로부터 나오는 신경섬유(축삭)와 신경세포의 작용을 받는 근육섬유를 말하며, 근육 기능을 관리하는 기능 단위를 말한다. 운동신경의 지배를 받는 골격근은 그 기능에 따라 여러 개의 운동 단위로 구성되어 있다. 하나의 축삭에 연결되는 근육섬유의 수는 다양해서 안구를 움직이는 외안구근은 약 30개, 손가락을 움직이는 제1충양근은 108개, 발끝으로 서서 몸을 들어올리는 작용을 하는 비복근은 1934개의 근육섬유가 하나의 축삭에 연결되어 있다고 한다.
(5) 골격근
골격근은 구조로 보아 횡문근이며, 의지에 의해 움직이므로 수의근이라고 한다. 골격근의 표면을 싸고 있는 막을 근초라고 하는데, 그 안에는 근원섬유가 세로로 꿰뚫고 있으며, 근원섬유들의 사이를 근형질이 채우고 있다. 근원섬유는 다시 가느다란 근필라멘트(filament)로 되어 있고, 각 필라멘트는 길다란 단백질의 사슬 분자의 묶음이다. 골격근섬유의 굵기는 약 50∼100㎛이고, 길이는 근육에 따라 다르며, 손가락의 근에는 수㎜의 것도 있고, 대퇴부의 근육에서는 20∼30㎝나 된다. 광학 현미경으로 보면, 근섬유에는 밝은 띠와 가로무늬로 보이는 어두운 띠가 보인다. 밝은 띠를 등방대(Isotrophic band), 또는 I띠, 어두운 띠를 부등방대(Anisotro -phic band), 또는 A띠라 부른다. 더 자세히 보면, A띠의 중앙부에는 약간 밝은 부분이 있어 H띠라 부른다. I띠의 중앙부에서도 섬유를 횡단하는 엷은 막이 보이는데, 이것을 Z막이라 부른다. Z막에 의해 근섬유가 나누어지며, Z막에서 이웃의 Z막까지를 근절이라고 한다. 골격근은 연축하는 속도가 각각 다르다. 이런 근육섬유들은 화학적 성질도 각각 다르며, 호기성 또는 혐기성 대사 작용에 따라 나누어지기도 한다. 많은 근육들이 가자미근과 같이 연축이 느린 적색을 가진 섬유를 많이 가진다. 비복근과 같이 빨리 연축하는 색깔이 옅은 섬유를 가진 근육들로 구성된다. 각 운동 단위들은 그 크기와 수축 속도, 생화학적 요소 등이 다르므로 수의적 수축, 전기적 자극 또는 반사적 수축에 따른 운동 단위의 집약은 이들 운동 단위의 구조와 근육이 해야 할 과제에 따른다.
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