KR20200136255A - 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증강현실(augmented reality: AR)을 기반으로 한 거울 운동을 통해 각성과 거울신경세포의 활성 효과를 증대시킬 수 있는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템에 관한 것이다.

Description

신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템 {Augmented Reality Based Mirror Exercise System for Exercise Rehabilitation of Patients with Nervous and Musculoskeletal system}

본 발명은 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활 기술에 관한 것으로, 자세하게는 증강현실(augmented reality: AR)을 기반으로 한 거울 운동을 통해 각성과 거울신경세포의 활성 효과를 증대시킬 수 있는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템에 관한 것이다.

뇌졸중(stroke)에 의한 뇌의 기질적 병변은 보행, 운동장애, 일상생활에 어려움을 끼친다. 이와 더불어 대부분의 뇌졸중 환자들은 체력 손실 및 감각 기능의 저하, 평형운동기능 장애 등이 발생하여 일상생활의 수행을 어렵게 만들게 된다.

이러한 환자들에게 손상된 운동기능을 회복시키기 위해 재활운동치료가 필요하다. 뇌졸중 환자들에게 주로 사용되는 방법 중 이론적 근거가 밝혀진 치료 방법에는 양측 상지 훈련(bilateral training), 운동 연상 훈련(mental practice), 반복적인 과제 수행 훈련(repeatitive task-oriented training), 전기자극치료(electrostimulation therapy), 거울치료(mirror therapy) 등이 있다.

이들 중 뇌신경 가소성(neural plasticity)의 원리를 이용한 방법의 하나인 거울운동치료는 거울을 이용하여 비마비측 사지를 움직여 관찰할 때 마비측 사지가 움직인 것으로 믿도록 시각적 정보를 제공하는 것으로써, 거울신경을 활성화시켜 마비측 사지의 기능을 향상시키는 치료방법이다. 이때 새로운 동작을 학습하기보다 이전에 학습한 운동 기술을 재획득하는 것이 재활치료의 목적이기 때문에, 정상측 움직임을 관찰하고 모방하여 실행하게 함으로써 뇌졸중의 치료적 효과를 얻을 수 있다.

뇌졸중 환자에 동작관찰을 통한 거울운동치료를 했을 때 거울신경세포가 활성화된다는 것이 다양한 연구 고찰을 통하여 증명되고 있으며, 거울신경시스템 이론을 토대로 한 동작관찰 훈련이 뇌의 인지과정을 촉진함으로써 훈련 효과를 극대화한다고 여겨지고 있다.

하지만, 현재 활용되는 거울운동치료는 병원에서 이루어질 때 장소의 제한을 비롯한 실재감의 부족 등이 발생하며, 집에서 할 때에는 재활운동에 대한 피드백의 부재 및 고도의 집중력을 갖기 어려운 환경 등의 제한이 있다.

거울신경세포는 동작을 관찰하거나 비슷하게 따라 할 때 활성화되는 뇌의 영역이기 때문에 집중할 수 있게 만드는 것이 중요한 요소가 됨에도, 앞서 언급된 제한점은 동기 부여나 흥미를 유발할 수 없는 단점으로 이어질 수 있는 문제가 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1923656호(2018.11.23.)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 증강현실(augmented reality: AR)을 기반으로 한 거울 운동을 통해 각성과 거울신경세포의 활성 효과와 더불어 동기 및 흥미를 증진시킬 수 있는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 편마비 환자의 대칭되는 신체부위의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템에 있어서, 사용자의 머리 부분에 착용되며 내측으로 사용자의 양측 눈에 각각 대응하여 영상을 출력하는 디스플레이가 구비된 HMD부; 상기 HMD부에 설치되어 사용자의 대칭되는 신체부위를 촬영하는 카메라부; 상기 카메라부를 통해 촬영된 신체부위 중 정상신체 부분에 대한 제1영상을 추출하고, 상기 제1영상에 대한 거울상의 제2영상을 생성하는 영상생성부; 모드선택에 따라 상기 제1영상 및 제2영상을 실시간으로 상기 디스플레이를 통해 출력시키는 영상처리부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 카메라부를 통해 촬영되는 신체부위에 대하여 동작지시를 위한 훈련정보가 저장되는 저장부와, 모드선택에 따라 상기 훈련정보를 제1영상과 함께 출력하는 가이드부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 카메라부를 통해 촬영된 신체부위 중 마비측 부분에 대한 제3영상을 추출하고, 상기 제2영상과 비교한 피드백정보를 생성하여 출력하는 피드백부; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 HMD부를 착용한 사용자의 머리에 부착되어 뇌파를 수집하는 뇌파수집부; 상기 피드백정보에 대응한 뇌파를 분석하여 상관관계에 따른 거울신경 활성화도 정보를 생성하여 저장하는 분석부; 를 더 포함할 수 있다.

본 발명을 통해 편마비 환자의 재활운동치료에 있어, 종래의 거울 없이하는 운동이나 거울을 이용한 운동과 비교하여 SMR로 해석되는 뇌파의 각성 정도와 뮤 파워 로그비로 해석되는 거울신경세포의 활성도를 높일 수 있으며, 증강현실을 이용함에 따라 흥미와 집중도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증강현실 모드를 나타낸 화면,
도 4는 종래의 운동방법과 본 발명의 실시예에 따른 운동모습을 나타낸 설명도,
도 5는 본 발명에 따른 손목 운동모습을 나타낸 예시도,
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 상태 SMR 그래프,
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 뮤 파워 로그비 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 개념도로서, 본 발명은 VR/AR 기술을 접목하여 애플리케이션 형태의 치료프로그램을 통해 재활운동을 수행함으로 치료사에게 기초적인 훈련을 받은 후, 환자가 저비용으로 집에서 혼자 훈련할 수 있게 돕고 뇌의 활성화를 높일 수 있도록 하고 있다.

또한, 본 발명에서는 이러한 운동효과를 검증하기 위한 방법으로 뇌파를 이용하여 거울신경세포의 활성도를 확인하기 위해 Sensorimotor rhythm(SMR)과 Mu powers(뮤 파워)와 같은 분석방법을 사용한다.

SMR 파는 12~15㎐를 가진 감각 운동파라고도 불리며 내적 지향적인 상태를 반영하여 대뇌 감각운동피질(C3, C4)에서 지배적인 뇌파이다. 뮤 파워(뮤 리듬)는 감각 운동 겉질 부위에서 수집된 8~13㎐의 뇌파 신호로써, 특정 행동을 하거나 특정 움직임을 관찰할 때 감소하는 경향성을 보인다. 보고에 따르면 낮은 SMR 파가 나타날 경우 attention deficit(ADD) 혹은 hyperactivity(ADHD)로 진단할 수 있다고 하였는데, 이를 통해 SMR파가 집중력과 연관된 뇌파라는 것을 시사하고 있다.

또한, 뮤 리듬이 감소되는 현상인 뮤 억제(Mu suppression)와 거울신경세포의 활성의 비례도에 대해 확인되었으며, 이에 따라 뮤 억제가 가장 많이 일어날 때 동작을 관찰하는 동안 좌뇌 반구와 우뇌 반구의 거울신경세포가 활성화된 것으로 볼 수 있는 근거가 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 편마비 환자의 대칭되는 신체부위의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템으로 HMD부(110)와, 카메라부(120)와, 영상생성부(130)와, 영상처리부(140)와, 가이드부(150)의 주요 구성을 비롯하여 개인별 훈련분석 및 효과향상을 위한 구성으로 피드백부(160)와, 뇌파수집부(170)와, 분석부(180)를 구비하게 된다.

상기 HMD부(110)는 내측으로 사용자의 양측 눈에 각각 대응하여 영상을 출력하는 디스플레이(111)가 구비되며, 사용자의 머리 부분에 착용되는 헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display)의 구성으로, 통상적으로 가상현실(VR) 환경 구축을 위한 필수구성이라 할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 편마비 환자의 치료훈련 목적으로 대칭되는 신체 중 정상부 영상을 바탕으로 한 거울치료에 기반을 두고 있으므로 가상현실이 아닌 증강현실(AR) 기술이 적용된다.

이러한 HMD부(110)에는 사용자 머리의 움직임 즉 시선을 반영하여 상기 디스플레이(111)를 통해 출력되는 영상을 변화시켜 디스플레이(111)가 아닌 실제로 보는 듯한 느낌이 들 수 있도록 사용자 머리 움직임을 감지하는 동작인식부(112)가 구비된다.

상기 동작인식부(112)는 가속센서, 관성센서, 자이로 센서 등 자세감지를 위한 다양한 센서를 적용하여 사용자 머리 움직임을 통한 시선 변화를 감지하게 되며 이러한 시선변화에 대응하여 상기 디스플레이(111)를 통해 출력되는 영상의 시점 및 구도를 변화시키게 된다.

상기 카메라부(120)는 상기 HMD부(110)의 전면이나 측면에 설치되어 사용자의 시선 방향을 촬영하는 구성으로, 본 발명에서는 치료훈련의 대상이 되는 신체부위 즉 사용자의 대칭되는 신체부위를 촬영하게 된다. 실질적으로 편마비 환자에게 있어 치료훈련 대상이 되는 신체부위는 대칭을 이루는 손이나 발이 되며, 손가락 및 손목 등 다양한 관절에 대한 재활치료가 필요한 손 부분이 주요 대상이 된다.

상기 영상생성부(130)는 상기 카메라부(120)를 통해 촬영된 신체부위 중 정상신체 부분에 대한 제1영상을 추출하고, 상기 제1영상에 대한 거울상의 제2영상을 생성하는 구성으로, 본 발명에서는 증강현실을 기초로 함에 따라 사용자의 손 부분을 촬영하되 기본적으로 정상측과 마비측을 모두 촬영하게 된다.

상기 제1영상은 상기 카메라부(120)를 통해 촬영된 영상 중 정상 부분, 즉 거울치료에서 기준이 되는 측의 영상을 추출하여 이를 복사 및 좌우 반전시켜 거울상과 같은 제2영상을 생성하게 된다.

상기 영상처리부(140)는 모드선택에 따라 상기 제1영상 및 제2영상을 실시간으로 상기 디스플레이(111)를 통해 출력한다.

본 발명은 증강현실 기반 거울운동 앱 형태로 만들어지며 기본적으로 두 가지 시각적 피드백 도구를 사용하여, 편마비 환자의 재활치료에서 두 가지 중요한 역할을 할 수 있다.

첫 번째 기능은 거울에서 보고 싶은 신체 부분의 기능과 움직임을 실시간으로 볼 수 있는 것으로 앞서 언급한 바와 같이 비마비측의 제1영상을 디스플레이를 통해 실시간으로 출력하는 것이다.

두 번째 기능은 이미지에 의한 관찰 동작과 마찬가지로 시각적 피드백의 다른 메커니즘을 사용함으로써, 환자가 연습해야 할 특정 동작의 여러 영상을 볼 수 있도록 하는 것으로 이는 후술하도록 한다.

이러한 증강현실의 구축을 위해 다양한 플랫폼과 언어를 사용할 수 있으며 본 발명의 실시예에서는 Unity C# 프로그램을 사용하여 앱을 제작하고 타깃 플랫폼은 Android를 활용하였다. 또한, 주요 구성 재원인 HMD 장비와 안드로이드 모바일 기기를 사용하였으며 장치에 연결된 카메라의 목록을 가져와 0번 장치의 화면을 Texture 형태의 객체로 가져와 사용하며 실시간 업데이트를 활성화시킨다.

그 후 가져온 텍스쳐 객체를 임의의 Object의 MeshRenderer를 maintexture와 동기화시키면 실시간 카메라화면이 Object Mesh에 Rendering 된다. 이것을 Fisheyed Rendering법을 사용하여 1차 왜곡시키고 HMD부(110)의 디스플레이(111) 전면에 구비된 렌즈를 통해 2차 왜곡시켜서 video see through 형태로 볼 수 있다. Fisheyed Rendering과 Audio를 위해 Google AR for Unity 에셋을 적용하였다.

모드에 따른 기능 선택이 가능하도록 AR 화면 모드와 평면 카메라 모드로 2가지를 구성할 수 있으며 외부의 UI를 통하여 모드선택이 가능하도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증강현실 모드를 나타낸 화면으로, 증강현실 화면모드의 경우 도 4(a)와 같이 원본 영상을 상술한 Fisheyed Rendering 등을 적용한 영상을 기본적으로 제공한다. 이때 양안에 같은 화면을 제공해야 하므로, 도 4(b)와 같이 제1영상을 반전된 영상을 복제하여 보여주는 제2영상 및 도 4(c)와 같이 이들을 조합한 영상을 제공한다.

평면 카메라모드에서는 도 4(d)와 같이 일반 카메라 화면과, 도 4(e)와 같이 이를 이분하여 복제 반전시켜 대칭 출력하는 2가지 영상을 제공할 수 있다.

상기 가이드부(150)는 상기 카메라부를 통해 촬영되는 신체부위에 대하여 동작지시를 위한 훈련정보가 저장되는 저장부(151)를 구비하고, 모드선택에 따라 상기 저장부(151)에 저장된 훈련정보를 제1영상과 함께 출력하는 구성이다.

이는 앞서 언급한 두 번째 기능으로 환자가 연습해야 할 특정 동작의 여러 영상을 볼 수 있도록 하는 것으로 정상측 손을 기준으로 어떤 방식으로 움직임을 주며 훈련을 할 것인지 영상을 비롯하여 자막이나 음성안내 등을 포함한 훈련정보로 제공하여 사용자가 따라하여 훈련할 수 있도록 한다.

상기 피드백부(160)는 상기 카메라부(120)를 통해 촬영된 신체부위 중 마비측 부분에 대한 제3영상을 추출하여 저장하는 것으로, 이를 상기 제2영상과 비교한 피드백정보를 생성하여 사용자나 치료사가 확인 가능하도록 출력한다.

즉 본 발명이 기반을 두고 있는 방법은 앞서 언급한 바와 같이 정상부를 거울 상으로 출력하는 것으로 사용자는 훈련 중 마비측이 실제로 어떻게 움직이는지 확인을 할 수 없으므로, 이를 제3영상으로 별도로 수집하여 비마비측 움직임을 반영한 제2영상과 비교함으로 마비측 움직임의 원활도를 피드백할 수 있다.

상기 뇌파수집부(170)는 상기 HMD부(110)를 착용한 사용자의 머리에 부착되어 뇌파를 수집하는 전극이다. 이는 후술되는 실험예와 같이 EEG로 상대 SMR파와 뮤 파워 로그비를 구하여, 각성 정도와 거울신경세포의 활성 정도를 분석하기 위한 수단이다.

상기 분석부(180)는 상기 피드백정보에 대응한 뇌파를 분석하여 상관관계에 따른 거울신경 활성화도 정보를 생성하여 저장하는 구성으로, 기본적으로 본 발명을 가정에서 전문가의 도움 없이 수행 후 활성화도 정보를 원격의 전문가에게 전송하는 방식으로 훈련의 효과분석과 더불어 추후 훈련계획 수립을 위한 기초자료로 활용할 수 있도록 지원한다.

이하, 본 발명이 종래 기술과 비교한 효과를 실험을 통해 확인한 결과를 기재한다.

[실험예]

1. 실험 대상자

본 발명의 실험은 건강한 20대 남녀 10명을 대상으로 진행되었으며 참여한 대상자의 특성은 [표 1]과 같다.

성별	남(n=2), 여(n=8)
나이(yr)	23.20±1.83
신장(㎝)	169.58±7.67
체중(㎏)	65.47±9.04

2. 실험 방법

실험은 거울 없이하는 전통적인 운동(TE: traditional exercise without a mirror)와 거울을 이용한 운동(ME: mirror exercise), 본 발명에 따른 시스템을 이용한 운동(ARE: exercise with augmented reality)의 세 가지 조건으로 구분되었다. 도 4는 종래의 운동방법과 본 발명의 실시예에 따른 운동모습을 나타낸 설명도로, 세 가지 실험 조건으로서 4(a)는 거울 없이하는 전통적인 운동(TE: traditional exercise with a mirror), 4(b)는 거울을 이용한 운동(ME: mirror exercise), 4(c) 본 발명에 따른 증강현실을 이용한 운동(ARE:　augmented reality exercise)을 각각 나타낸다.

10명의 연구 대상자는 세 가지 조건에 모두 참여하여 총 30번의 실험을 무작위로 수행하였다. 실험의 전이효과(carry-over effect)를 예방하기 위하여 각각 다른 날짜에 진행하였다.

편마비 환자와 유사한 운동 구속을 가정하기 위해 오른손에 손목보호대를 착용하여 움직임의 제한을 두었고, 손목의 굽힘과 폄(wrist flexion and extension), 자측과 노측의 편위(wrist ulnar and radial deviation) 운동을 각 10회씩 3회 반복하도록 하였다. 이때 시선은 오른손에 고정시키도록 하여 진행하였다.

도 5는 본 발명에 따른 손목 운동모습을 나타낸 예시도로, 5(a)는 손목 굽힘과 폄, 5(b)는 좌측과 노측 편위를 나타낸다.

뇌파는 PoloyG-A (LAXTHA Inc, Korea) 장비를 사용하였고, 256㎐ 샘플링 주파수로 처리하였다. 전극은 국제 10-20 전극 배치법에 따라 C3, C4와 GND, REF 전극을 부착하였다.

뇌파 측정을 위해 사용된 전극은 도금된 원형의 직경 1㎝ 크기로, 피부저항을 최소화하기 위해 알코올 솜으로 두피 표면의 이물질을 닦아낸 후 뇌파 전용 겔을 도포하고 종이 반창고를 덮어 머리 표면에 잘 고정하였다. 실험 진행은 소음이 차단된 장소에서 진행하였고, 잡음을 최소화하기 위해 머리의 움직임에 주의를 주었다.

3. EEG 자료 처리

3-1. 각성 정도 측정

사람마다 머리뼈의 차이와 두피의 상태, 실험 중 대상의 긴장에 따라 뇌파 측정에 영향을 끼칠 수 있다. 이와 같은 개인 차이를 줄이는 방법 중에 상대파워(relative band powers)를 분석하는 방법이 있다. SMR파(sensory-motor rhythm wave)은 동작관찰 시의 각성 수준을 알 수 있고 주의력 지표를 나타낸다. 감각운동겉질에서 EEG로 기록되는 12∼15㎐의 뇌파로써, C3와 C4에서 얻을 수 있다.

측정한 절대 SMR을 다음의 [수학식 1]에 의하여 상대 SMR로 변환한다. 상대 SMR의 증가는 증가된 각성상태를 의미한다.

3-2. 거울신경세포 활성 측정

거울신경세포의 활성은 C3와 C4 영역에서 측정할 수 있는데, 이 뇌파를 뮤 리듬(Mu rhythm) 이라고 한다. 이는 휴식 시에 나타나는 8~13㎐의 뇌파로써, 특정 움직임을 관찰하거나 수행 시 억제되는 특징이 있기 때문에 뮤 억제는 반대로 거울신경세포의 활성도로 해석할 수 있다.

대상의 차이에 따라 발생하는 뮤 리듬의 가변성을 산출하기 위해 뮤 파워 로그비(Mu power ratio) 수식을 적용하였다. 뮤 파워 로그비는 다음의 [수학식 2]에 의하여 구해진다. 구해진 값은 작고 정규적이지 못하기 때문에 로그변환을 해준다.

0보다 작은 뮤 파워 로그비(log ratio) 값은 뮤 억제를, 0보다 클 경우 뮤 증가를, 0일 경우에는 뮤 억제가 없음을 의미한다[17]. 결과적으로, 뮤 파워 로그비 값이 낮을수록 거울신경세포가 활성화 되었음을 의미한다.

4. 자료분석

뇌파는 휴식 및 운동구간을 나누어 측정되었으며, 발생하는 잡음을 제거하기 위해 처음과 마지막 부분을 제거하고 SMR파와 뮤 파워 비를 분석하는 데 적용하였다. 통계 프로그램은 SPSS 18.0 (IBM, USA)를 이용하였으며, 독립된 세 가지 조건에서의 뇌파 평균값을 비교하기 위해 ANOVA 검정을 시행하였다. 각 통계학적인 유의수준 p는 0.05로 설정하였다.

5. 실험결과

본 실험은 거울 없이하는 전통적인 운동(TE)과 거울을 이용한 운동(ME), 증강현실 앱을 이용한 운동(ARE)의 세 가지 조건으로 실험을 진행하여 뇌파의 결과에 따라 각성 정도와 거울신경세포 활성도를 관찰하였다.

5-1. 세 가지 조건에 따른 각성도

도 6은 본 발명의 실험예에 따른 상태 SMR 그래프로서, 도 6과 아래의 [표 2]에서와 같이 AR의 실험이 다른 두 가지 실험보다 상대 SMR파가 유의하게 높은 것을 볼 수 있었다(p<0.001). 상대 SMR파의 증가는 각성이 증가함을 의미한다. AR로 실험을 할 때 상대 SMR파가 높으므로 각성의 증가가 가장 높은 것이며, 집중력과 몰입감을 높여주는 효과가 있다는 것을 알 수 있었고 주의력이 높아짐이 각성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

	TE	ME	ARE
상대 SMR	7.38±1.33	8.18±2.15	9.11±2.19

5-2. 세 가지 조건에 따른 거울신경세포 활성도

도 7은 본 발명의 실험예에 따른 뮤 파워 로그비 그래프로서, 도 7과 아래의 [표 3과] 같이 뮤 파워 로그비는 다른 두 가지 실험에 비해 AR을 이용한 실험에서 뮤 파워 로그비가 유의하게 낮게 나타났으며 뮤 리듬이 가장 잘 억제됨을 알 수 있었다(p<0.001). 뮤 파워 비가 낮을수록 거울신경세포가 활성화되기에 AR을 이용한 실험이 다른 두 가지 실험보다 거울신경세포의 활성화가 높다는 것을 알 수 있었다.

	TE	ME	ARE
뮤 파워 로그비	-0.01±0.33	-0.10±0.18	-0.19±0.16

6, 결론

본 발명에 따른 실험에서는 20대 성인 남녀 10명이 각 세 가지 조건에 참여하여 손목 운동을 하는 동안 뇌파를 통해 SMR파와 뮤 파워 로그비를 분석하였다.

거울운동은 대상자에게 거울을 통해 보이는 신체부위에 집중할 때 거울운동세포의 활성도를 높여 치료를 더 효과적으로 만들 수 있다. 이는 거울운동세포의 활동이 재활치료에 긍정적 영향을 끼칠 수 있다는 것을 뒷받침하고 있다.

손목 운동은 모든 사람들이 과거에 경험하여 인지하고 있는 움직임으로 경험과 모방을 뇌에 입력하기 쉬운 간단한 운동으로 정하여 정상인을 대상으로 하였을 때도 환자와의 차이를 줄이고 거울신경세포의 활성화를 높일 수 있다.

뇌파 측정은 거울신경세포가 위치한 대뇌피질 전두엽 아래쪽(inferior frontal cortex)과 두정엽 위쪽(superior parietal lobe)에 뇌파를 측정함으로써 SMR파와 뮤 파워 로그비를 분석하였다.

그 결과 AR을 사용하는 재활운동에서 SMR파의 증가와 뮤 파워 비의 억제가 가장 잘 나타났다. 이는 재활운동 시 동작관찰을 실제 수행하는데 관여하는 거울운동시스템 회로를 강화시킴으로써 움직임을 보다 의미있게 한다.

본 발명의 실험결과, 3가지 조건에서 SMR파는 TE와 ME, ARE 순으로 수치의 증가를 보였다. SMR파는 간단한 문제를 해결할 때 나타나는 뇌파로써, 베타파와 같이 낮은 긴장 또는 스트레스 상태에서 학업이나 과제를 정확하게 수행할 때 나타난다. 또한, 베타파에 비해 낮은 에너지로 쉽게 과제를 수행할 때 나타난다. 즉, 완전주의집중한 상태의 뇌파라고 할 수 있다. SMR파의 증가로 실험을 통해 AR의 실험에서 가장 집중한 상태를 유지했다는 것과 긴장과 스트레스를 최소한으로 하였으며 정확하게 수행했다는 것을 설명할 수 있다. 이는 현재 병원에서 전통적으로 적용하는 운동과 거울치료에서 보다도 집중도가 높았고 동기부여가 더 잘될 수 있음을 확인할 수 있다.

AR을 통해 현실세계의 영상 위에 가상으로 만들어진 영상을 덧입히는 방식을 활용하는 것이 사람마다 집중 환경과 상태에 따른 차이가 발생할 수 있지만, 대부분의 입체감각을 가지고 있는 사람에게 AR의 실험에서 SMR파의 증가가 잘 나타나고, 주의 집중한 상태를 만들어준다는 것을 알 수 있다.

세 가지 조건의 실험에서 뮤 리듬의 가변성을 조절하기 위해 뮤 파워비 공식으로 계산하였을 때 TE과 ME 다음 ARE순으로 수치의 감소를 보였다. 뮤 리듬은 휴식 중에 8~13㎐를 보이지만 움직임을 실행할 때 또는 동작관찰 시에 억제되는 특징이 있다.

거울재활운동을 할 때에 가장 중요한 것은 거울신경세포의 활성화이다. 따라서 뮤 리듬의 억제는 역으로 거울신경세포의 활성을 의미하게 된다. AR 조건에서 측정 시 정상적으로 작동하는 왼손을 AR을 통해 오른손의 운동으로 현실적이고 입체적으로 직접 관찰하고 실시간으로 움직이면서 다른 조건에서 보다 뮤 파워 비의 억제가 잘 나타났고, 거울신경세포의 활성화가 잘 되었음을 의미한다.

이러한 실험을 통해 AR를 활용하여 거울운동의 단점을 보완할 수 있으며 안정성, 간편성 등의 장점을 가지고 있어 보다 효과적으로 활용할 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 자명한 변형할 수 있다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예를 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

110: HMD부 111: 디스플레이
112: 동작인식부 120: 카메라부
130: 영상생성부 140: 영상처리부
150: 가이드부 151: 저장부
160: 피드백부 170: 뇌파수집부
180: 분석부

Claims (4)

1. 편마비 환자의 대칭되는 신체부위의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템에 있어서,
   사용자의 머리 부분에 착용되며 내측으로 사용자의 양측 눈에 각각 대응하여 영상을 출력하는 디스플레이(111)가 구비된 HMD부(110);
   상기 HMD부(110)에 설치되어 사용자의 대칭되는 신체부위를 촬영하는 카메라부(120);
   상기 카메라부(120)를 통해 촬영된 신체부위 중 정상신체 부분에 대한 제1영상을 추출하고, 상기 제1영상에 대한 거울상의 제2영상을 생성하는 영상생성부(130);
   모드선택에 따라 상기 제1영상 및 제2영상을 실시간으로 상기 디스플레이(111)를 통해 출력시키는 영상처리부(140); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 카메라부(120)를 통해 촬영되는 신체부위에 대하여 동작지시를 위한 훈련정보가 저장되는 저장부(151)와, 모드선택에 따라 상기 훈련정보를 제1영상과 함께 출력하는 가이드부(150); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 카메라부(120)를 통해 촬영된 신체부위 중 마비측 부분에 대한 제3영상을 추출하고, 상기 제2영상과 비교한 피드백정보를 생성하여 출력하는 피드백부(160); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템.
   
4. 제3에 있어서,
   상기 HMD부(110)를 착용한 사용자의 머리에 부착되어 뇌파를 수집하는 뇌파수집부(170);
   상기 피드백정보에 대응한 뇌파를 분석하여 상관관계에 따른 거울신경 활성화도 정보를 생성하여 저장하는 분석부(180); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신경계 및 근골격계 환자의 운동재활을 위한 증강현실 기반 거울운동 시스템.

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