KR100456038B1 - 바이오피드백 시스템 - Google Patents

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KR100456038B1
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Abstract

본 발명은 바이오피드백 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 현재 진행되고 있는 근육의 재활 치료과정에서 환자의 생리신호를 측정하고 분석하여 필요한 정보를 환자에게 다시 되돌려주는 바이오피드백의 원리를 적용하여 전기자극, 온냉자극 및 압박자극 치료를 병행할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 사고나 기타 장애로 인한 환자의 근육재활 치료를 위한 바이오피드백 시스템에 있어서, 환자의 기능 장애 부위에 대한 각종 생리 신호를 측정하기 위한 생리신호측정부와; 상기 측정된 생리 신호들을 비교 분석하여 연산 처리 및 제어하는 마이크로프로세서부와; 상기 비교 분석된 생리 신호의 바이오피드백 변수를 환자에게 되돌려 주기 위한 바이오피드백부와; 상기 바이오피드백 변수에 의해 전기자극, 온냉자극, 압박자극의 조건을 제어하는 자극기제어부와; 상기 비교 분석된 생리신호 데이터 및 바이오피드백에 관련된 각종 정보데이터를 저장하는 데이터저장부와; 상기 측정된 생리 신호의 분석 정보 데이터를 표시하여 주는 표시부와; 상기 측정된 생리 신호 분석에 의한 이상 검출 결과에 대하여 경보를 발생하는 경보발생부; 및 사용 전원 및 비상 전원을 안정적으로 공급하는 주는 전원부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오피드백 시스템이 제시된다.
따라서, 본 발명에 의하면 근육의 재활이 필요한 환자에게 환자의 질환상태 및 치료진행 정도를 정량적으로 평가하여 환자에게 제공함으로써 환자의 질환정도에 따라 최적의 치료방법을 결정할 수 있으며, 객관적이고 신뢰성 있는 정보를 제공함으로써 환자의 재활의지를 도울 수 있다.

Description

바이오피드백 시스템{THE BIO-FEEDBACK SYSTEM}
본 발명은 바이오피드백 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 현재 진행되고 있는 근육의 재활 치료과정에서 환자의 생리신호를 측정하고 분석하여 필요한 정보를 환자에게 다시 되돌려주는 바이오피드백의 원리를 적용하여 전기자극, 온냉자극 및 압박자극 치료를 병행할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 바이오피드백(bio feedback)은 인간의 기본적인 생리기능을 활용하고 보완하여 치료에 이용하는 것으로써 정상적으로 조절되지 않는 신체 기능을 기구나 장비를 통해 치료하는 방법이다.
이는 심혈관 계통의 질환들이나 불면증, 신경성 두통 등의 심인성 질환에 주로 이용되고 있으며, 차츰 그 활용분야가 확대되고 있다.
최근 국내외적으로 재활치료 기술의 개발에 대한 연구가 활발하게 실시되고 있으나 재활치료 기기에 바이오피드백의 원리가 적용되지 않고 있는 실정이다.
따라서, 바이오피드백을 이용하여 기능 장애의 회복 촉진을 도울 수 있는 재활 및 치료장비를 개발하여 최적의 치료조건을 설정하고 환자의 능동적인 재활을 유도할 필요성이 제기되었다.
즉, 바이오피드백을 원리를 응용함으로서 재활 및 치료에 있어 가장 의미있는 생리신호를 측정하고 분석결과를 다시 환자에게 궤환시키면 환자는 자신의 상태를 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라 자신의 재활 정도를 확인할 수 있다.
또한 환자의 치료되는 과정을 정량화함으로써 임상의가 환자를 대상으로 효율적이고 적절한 치료를 할 수 있을 것이다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 근육의 재활이 필요한 환자에게 환자의 질환상태 및 치료진행 정도를 정량적으로 평가하여 환자에게 제공토록 하는 바이오피드백 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은사고나 기타 장애로 인한 환자의 근육재활 치료를 위한 바이오피드백 시스템에 있어서,환자의 기능 장애 부위에 대한 각종 생리 신호를 측정하기 위한 생리신호측정부와;상기 측정된 생리 신호들을 비교 분석하여 연산 처리 및 제어하는 마이크로프로세서부와;상기 비교 분석된 생리 신호의 바이오피드백 변수를 환자에게 되돌려 주기 위한 바이오피드백부와;상기 바이오피드백 변수에 의해 전기자극, 온냉자극, 압박자극의 조건을 제어하는 자극기제어부와;상기 비교 분석된 생리신호 데이터 및 바이오피드백에 관련된 각종 정보데이터를 저장하는 데이터저장부와;상기 측정된 생리 신호의 분석 정보 데이터를 표시하여 주는 표시부와;상기 측정된 생리 신호 분석에 의한 이상 검출 결과에 대하여 경보를 발생하는 경보발생부; 및
사용 전원 및 비상 전원을 안정적으로 공급하는 주는 전원부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오피드백 시스템을 제시한다.
도 1은 본 발명에 따라 바이오피드백을 이용한 근육 재활 치료 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 본 발명에 따라 바이오피드백의 변수 추출 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 바이오피드백 시스템을 나타낸 블럭 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 생리신호측정부 20 : 마이크로프로세서부
32 : 바이오피드백부 34 : 자극기제어부
36 : 데이터저장부 42 : 표시부
44 : 경보발생부 50 : 전원부
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 바이오피드백을 이용한 근육 재활 치료 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 1를 살펴보면, 사고나 기타 장애로 인한 환자의 상지 및 하지 근재활 과정에서 정상 상태와 비정상 상태의 근전도와 혈압, 혈류량, 피부온도 등의 생리신호를 검출한 후(S100) 상기 검출된 생리신호 데이터를 분석용 검퓨터로 심층분석한다.(S110)
상기 분석된 데이터 자료를 이용하여 환자의 재활치료 효과를 증진할 수 있는 바이오피드백 변수를 추출한다.(S120)
상기 추출된 바이오피드백 변수를 통하여 분석결과를 컴퓨터 화면상에 제시해주는 시각적 바이오피드백과 경보음을 이용한 청각적 바이오피드백을 적용한다.
이 때, 바이오피드백 시스템에는 환자의 정보를 입력하고 환자의 이상검출을 경보해 주며, 생리정보의 표시 및 검색이 가능하며 데이터의 저장기능이 포함되어 있다.
그리고, 전기자극 기능과 온냉자극, 압박자극 기능이 있어 환자의 치료효과를 증진시킬 수 있으며, 이러한 자극의 강도는 자동으로 조절된다.(S130)
또한, 현재 재활치료에 이용되어 지고 있는 전기자극, 온냉자극, 압박자극에 대한 평가를 실시함으로서(S140) 환자의 기능장애 정도에 따른 자극의 강도, 자극 부위, 자극 시간 등의 자극 조건을 정량화 하고, 이를 치료에 병행할 수 있도록 한다.(S150)
이어서, 도 2에 도시된 바이오피드백의 변수 추출 과정을 상세히 살펴보기로 한다.
먼저, 신체의 한쪽 부위에 기능적인 장애가 발생한 사람들에게서 근전도, 맥파, 피부온도 등의 생리신호를 측정한다.(S200)
상기 측정된 생리신호를 디지털신호처리(Digital Signal Process; DSP)기술을 이용한 분석을 통해 정상 부위와 장애 부위 사이에서 나타나는 생리신호 특성을 비교 분석한다.
이 때, 포락선 검파의 주파수 분석, 혈압 및 혈류량 변화, 장애부위의 피부 온도 변화를 각각 비교 분석하게 된다.
즉, 근전도 신호는 512Hz의 샘플링 주파수로 근육재활 중인 환자의 정상 부위와 마비 부위에서 표면전극을 이용하여 근전도 신호를 측정하고, 포락선 검파를 이용한 적분값 분석과 파워스펙트럼 분석을 실시하여 변수를 추출하고 바이오피드백에 적용한다.
또한, 상기 혈압과 혈류량은 맥파 센서를 이용하여 오른쪽 검지손가락에서 측정하여 혈압과 혈류량을 계산하고 이들의 변화값들을 환자에게 보여준다. 이를 통해 혈압과 혈류량의 변화를 관찰하면서 환자에게 무리가 되는 운동으로 인한 혈압 상승을 감지한다.
이 때, 혈압과 혈류량 분석시 문턱치를 설정하여 문턱치 이상의 값을 감지하였을 때 경보음을 제공하도록 하여 운동을 그만두게 한다.
또한, 상기 마비부위의 피부온도를 측정하여 근재활 운동 및 자극 치료시 피부온도의 변화와 정상부위 사이의 피부온도 차이를 환자에게 보여준다.(S210)
상기 분석 결과를 바탕으로 하여 운동시간, 수축 및 이완시 근력, 최대근력, 근지구력, 근피로도, 최대/최소 혈압, 혈류량, 피부온도, 재활호전정도 등의 바이오피드백에 활용될 변수를 추출한다.(S220)
그리고 전기자극, 온냉자극, 압박자극을 실시하여 정상부위를 기준으로 하는 자극강도, 자극 주파수, 펄스폭, 자극 부위, 자극 시간 등의 자극조건을 결정한다.(S230)
이어서, 도 3에 도시된 바이오피드백 시스템의 블럭 구성도에 대하여 설명하기로 한다.
도 3를 살펴보면, 환자의 기능 장애 부위에 대한 각종 생리 신호를 측정하는 생리신호측정부(10)와, 상기 측정된 생리 신호들을 비교 분석하여 연산 처리 및 제어하는 마이크로프로세서부(20)와, 상기 비교 분석된 생리 신호의 바이오피드백 변수를 환자에게 되돌려 주기 위한 바이오피드백부(32)와, 상기 바이오피드백 변수에 의해 전기 자극 및 온냉 자극의 조건을 제어하는 자극기제어부(34)와, 상기 비교 분석된 생리신호 데이터 및 바이오피드백에 관련된 각종 정보데이터를 저장하는 데이터저장부(36)와, 환자의 생리 신호에 대한 분석 정보 데이터를 표시하여 주는 표시부(42)와, 환자의 생리 신호 분석에 의한 이상 검출에 대하여 경보를 발생하는 경보발생부(44)와, 사용 전원 및 비상 전원을 안정적으로 공급하는 전원부(50)로 구성되어 있다.
이어서, 각 구성 요소의 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 자극기제어부(34)를 살펴보면, 전기자극은 마비된 근의 운동기능을 수동적으로 수행시키기 위하여 각 동작에 대한 외부의 명령을 마비근의 지배신경에 전달하여 근을 수축시키는 것으로서 프로그램이 내장된 자극기와 자극을 신경에 전달하는 전극으로 구성되어 있다.
또한, 상기 전기자극은 자극주파수와 펄스폭을 일정하게 고정하고 자극강도를 변화시켜 발생하는 자극강도 변조체제 방식을 이용한다. 그리고, 상기 전기자극의 주파수 범위는 10 ~ 30Hz, 펄스폭은 0.1 ~ 0.3ms를 이용하고, 자극 강도는 0 ~ 15V의 범위에서 16단계로 나누어진다.
상기 온냉자극은 마비된 부위에 혈액 순환을 촉진하고, 근수축을 예방하는 효과를 가지며, 온도상승을 위한 열선(heat coil)과 온도하강을 위한 냉각기로 구성되어진다.
이 때, 전체 마비근에 대한 온냉자극을 위해 인체에 부착되는 자극센서를 사용하며, 상기 온냉자극은 60 ~ 80℃, 냉자극은 0 ~ 10℃의 온도조절 범위를 가진다.
상기 압박자극은 마비근의 피로를 풀어주고, 혈액 순환 개선 및 지압 효과를 갖으며, 압박자극을 제공하기 위해 공기층을 가지는 커프와 상기 커프에 공기층을 제공하기 위한 에어 콤프레샤로 구성되어진다.
이 때, 상기 커프에 제공되는 압력의 크기는 60 ~ 180 mmHg의 범위내에서 동작하며, 60 ~ 120 mmHg의 범위내에서 압력의 크기가 순차적으로 변화하는 약한 모드와 120 ~ 180 mmHg의 범위내에서 순차적으로 변화하는 강한 모드를 갖게 된다.
또한, 전범위의 압력에서 자극이 규칙적인 변화를 갖으며 반복하거나 무작위로 반복하여 동작하는 모드를 갖게 된다.
상기 마이크로프로세서(20)에서는 환자의 치료 경과를 관찰한 후 전기자극, 온열자극 및 압박자극 그리고 바이오피드백에 대한 치료효과를 결정하고, 임상결과를 바탕으로 환자의 나이, 성별, 병인 등의 병력 사항과 마비부위, 마비정도 등의 증상 정보를 기준으로 데이터저장부(36)에 데이터베이스를 구축하도록 제어함과 더불어 자극 방법에 따른 치료 효과를 저장하도록 제어한다.
여기서, 상기 바이오피드백의 알고리즘은 환자의 장애 부위와 병력에 대한 정보를 입력하면 생리신호 분석결과와 임상실험을 통하여 축적된 데이터베이스를 활용하여 정상부위의 정보에 대한 장애정도를 객관적으로 제시한다.
또한, 상기 전기자극과 온냉자극 및 압박자극은 환자의 안정성을 고려하여 최저자극에서 시작하여 근전도 및 혈압, 혈류량, 체온 분석 결과와 비교하면서 환자에게 적절한 자극이 제시되도록 한다.
그리고, 각각의 알고리즘을 전체적으로 제어할 수 있는 근육재활 치료용 바이오피드백 알고리즘을 확정하고, 마이크로 프로세서부(20)를 이용하여 프로그래밍 한다.
상기 표시부(42)는 바이오피드백 모니터링 장치로서 LCD 모니터로 구성되며 2차원 그래프를 이용하여 측정된 근전도 신호를 실시간으로 표현하고 운동시간과 수축, 이완시 근력, 최대근력, 근지구력, 근피로도, 최대/최소혈압, 혈류량, 피부온도 등을 디지털로 표시하여 준다.
또한, 과도한 재활훈련 감지시에는 LED 점멸과 경보음발생부(44)의 경보음 발생을 통해 재활치료를 중단하게 하는 운동중단 경보기능과, 정상근육에 대한 장애근육의 재활호전 정도를 표시하는 기능을 포함하여 환자가 직접 자신의 재활정도를 파악할 수 있도록 한다.
마지막으로, 상기 전원부(50)는 9V의 리튬이온전지와, 110/220V 상용전원을 사용하여 시스템에 전원을 안정적으로 공급하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 바이오피드백 시스템에 따르면 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, 정상부위와 비정상 부위와의 비교분석을 통해 근육재활 치료에 바이오피드백과 전기자극, 온냉자극, 압박자극을 동시에 병행하여 치료효과에 대한 정량화와 최적의 재활치료를 개선할 수 있다.
둘째, 교통사고, 스포츠사고, 뇌혈관질환, 고령화 등으로 발생하는 근육손상 및 마비환자들의 재활치료에 있어 바이오피드백을 이용함으로써 환자의 능동적인 재활을 유도시키고, 전기자극과 온냉자극 및 압박자극을 이용한 치료를 병행함으로써 효과적인 재활치료 성과를 기대할 수 있다.
셋째, 자발적인 운동이 어려운 환자에게는 마비된 근육에 전기자극을 통해 비자발적인 운동을 시킬 수 있으며, 온냉자극을 이용하여 근수축을 방지하고 혈액순환을 촉진시킬 수 있다. 그리고, 압박자극을 이용하여 지압 효과 및 근육의 맛사지 효과를 줄 수 있다.
넷째, 생체신호의 피드백을 이용한 재활 및 치료시스템은 교통사고등으로 인한 근육손상 뿐만아니라 뇌졸중 환자의 재활, 요실금 및 변실금환자의 골반근육강화운동이나 일반적인 근손상환자들의 근육강화 운동에 효과적으로 적용할수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 사고나 기타 장애로 인한 환자의 근육재활 치료를 위한 바이오피드백 시스템에 있어서,
    환자의 기능 장애 부위에 대한 각종 생리 신호를 측정하기 위한 생리신호측정부와;
    상기 측정된 생리 신호들을 비교 분석하여 연산 처리 및 제어하는 마이크로프로세서부와;
    상기 비교 분석된 생리 신호의 바이오피드백 변수를 환자에게 되돌려 주기 위한 바이오피드백부와;
    상기 바이오피드백 변수에 의해 전기자극, 온냉자극, 압박자극의 조건을 제어하는 자극기제어부와;
    상기 비교 분석된 생리신호 데이터 및 바이오피드백에 관련된 각종 정보데이터를 저장하는 데이터저장부와;
    상기 측정된 생리 신호의 분석 정보 데이터를 표시하여 주는 표시부와;
    상기 측정된 생리 신호 분석에 의한 이상 검출 결과에 대하여 경보를 발생하는 경보발생부; 및
    사용 전원 및 비상 전원을 안정적으로 공급하는 주는 전원부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오피드백 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전기자극은 자극강도 변조방식을 이용하며, 전기자극의 주파수 범위는 10 ~ 30Hz, 펄스폭은 0.1 ~ 0.3ms, 자극 강도는 0 ~ 15V의 범위에서 16단계로 나누어 실시하는 것을 특징으로 하는 바이오피드백 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 온냉자극의 범위는 온냉자극이 60 ~ 80℃, 냉자극이 0 ~ 10℃의 온도 범위에서 실시하는 것을 특징으로 하는 바이오피드백 시스템.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 압박자극의 범위는 60 ~ 180 mmHg의 범위내에서 동작하며, 60 ~ 120 mmHg의 범위내에서 압력의 크기가 순차적으로 변화하는 약한 모드와 120 ~ 180 mmHg의 범위내에서 순차적으로 변화하는 강한 모드를 갖으며, 전범위의 압력에서 자극이 규칙적인 변화를 갖으며 반복하거나 무작위로 반복하여 동작하는 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오피드백 시스템.
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