KR100639530B1 - 하지 재활훈련 장치 및 훈련방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 편마비가 있는 환자의 하지 재활 훈련 장치에 관련된 것으로, 상기 하지 재활 훈련 장치는 양측 하지의 하중이 한쪽으로 치우치는 것에 관한 사항만을 측정하던 종래의 균형훈련기와는 달리, 하중측정부 뿐만 아니라 무릎이 굽히는 정도를 측정하는 부분을 포함하여, 편마비 상태를 좀더 정확히 측정하고, 사실상 정상인과 비슷한 모습으로 균형을 잡고, 보행을 할 수 있도록 재활 훈련을 할 수 있도록 돕는 장치를 제안한다.

또한 좀더 간단한 방법으로 환자가 대퇴사두근 근육을 쓰고 있는지를 판단하고, 훈련메시지를 생성하고 디스플레이하여 환자와의 피드백이 이루어질 수 있도록 하여, 환자의 재활 훈련을 돕는다.

재활 훈련, 하지 편마비

Description

하지 재활훈련 장치 및 훈련방법.{Apparatus for Rehabilitation Training and Method of the Rehabilitation Training}

도 1은 종래의 균형훈련기를 이용하여 훈련하는 환자의 모습을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명인 하지 재활 훈련 장치를 장착하여 균형훈련 하는 모습을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 장치 구성도를 도시한 것이다.

도 4는 하중측정부로서 포스플레이트를 사용하는 모습을 도시한 것이다.

도 5는 하중측정부로서 저울을 사용하는 모습을 도시한 것이다.

도 6은 슬관절의 각도에 따른 대퇴사두근의 힘의 변화에 대한 그래프이다.

도 7은 슬관절 각도측정부로서 전기측각계를 사용하는 모습을 도시한 것이다.

도 8은 슬관절 각도측정부로서 가변저항을 사용하는 모습을 도시한 것이다.

도 9은 슬관절 각도측정부로서 모션캡쳐를 사용하는 모습을 도시한 것이다.

도 10a 내지 도 10c는 슬관절 각도측정부로 사용할 수 있는 경사판측각계 및 상기 경사판측각계를 사용하는 모습을 도시한 것이다.

도 11은 제어부의 예시 동작에 대한 순서도이다.

도 12는 디스플레이부의 일 예시를 도시한 것이다.

도 13은 본 발명의 장치를 이용하여 동시에 무릎을 굽혀서 균형훈련을 하는 모습을 도시한 것이다.

도 14는 본 발명의 장치를 이용하여 보행훈련을 하는 모습을 도시한 것이다.

*도면의 주요부분의 설명*

100 하중측정부

110 포스플레이트

120 저울

200 슬관절 각도측정부

210 전기측각계

221 가변저항

230 모션캡쳐

240 경사판측각계

300 디스플레이부

본 발명은 하지 편마비 환자들이 활용할 수 있는 하지 재활 훈련 장치에 관한 것으로, 재활 훈련뿐만 아니라 편마비의 상태를 측정하고, 환자와의 피드백을 위한 결과데이터 및 훈련데이터를 생성하는 하지 재활 훈련 장치이다. 상기 하지 재활 훈련 장치는 대퇴사두근을 집중적으로 훈련하기 위하여 하중과 슬관절의 각도를 측정한 후, 상기 측정된 데이터를 통해 대퇴사두근의 마비상태 및 대퇴사두근의 균형적인 활용을 위한 훈련 장치이다.

뇌졸중, 외상성 뇌손상 등으로 인한 편마비가 생기면 마비된 근육은 필요한 순간에 필요한 힘을 내지 못하고, 필요한 크기의 힘을 생성하지 못하게 된다. 또한 양측 하지 근육을 이용하여 균형을 유지하는 능력이 떨어지게 된다. 이것은 편마비가 발생한 환자들은 마비된 부분을 사용하지 않으려는 경향으로 인한 것이며, 상기와 같이 편마비가 발생한 일측 하지를 사용하지 않음으로서, 하지 편마비 환자는 균형을 잡지 못하고, 보행에 있어서도 이상보행을 하게 된다.

이러한 편마비 환자들에 대한 마비된 상지를 강제적으로 사용하게 하는 치료는 지난 30년 동안의 재활 치료 방법 중 가장 성공적인 치료법으로 인정받고 있다. 최근 하지의 강제적 사용을 치료법으로 활용하려는 시도들이 나타나고 있다.

이 중에는 특허출원번호 1997-028382호의 "자세균형재활훈련방법(균형훈련기)"이 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 균형훈련기는 왼발과 오른발의 하중을 측정하여 측정에 따른 왼발과 오른발의 하중치를 그래프로 나타내어 상호 대비 가능토록하며, 이를 실시간 디스플레이하여 환자가 보면서 훈련할 수 있도록 하는 것이다. 상기 발명은 균형 또는 보행훈련에 있어 중심이동만을 변수로 하였기 때문에, 편마비로 인하여 무릎을 굽히지 않으려는 환자들이 또 다른 이상보행을 할 수 있다는 문제점이 있었다.

상기 하지 편마비 환자들은 무릎을 굽히기가 힘이 들기 때문에, 일반적으로 무릎을 굽히지 않고 보행을 하려는 경향이 있다. 그러나 일상생활에서의 보행은 중심이동만으로 이루어지지 않는다. 정상보행에서는 한쪽 다리에 체중이 주어질 때 무릎은 15° 정도 굴곡이 일어나며, 이때 대퇴사두근이 적절한 힘으로 수축하여 무릎이 지나치게 굽어지는 것을 막게 된다. 만약 대퇴사두근을 적절히 조절하여 필요한 순간에 필요한 크기의 수축을 만들어내지 못하면 바닥에 쓰러지거나, 바닥에 쓰러지는 것을 피하기 위한 이상 보행을 하게 된다. 따라서 보행훈련에 있어 중심이동만을 변수로 하게 되면, 무릎을 굽히는 것에 대한 여부를 알 수 없어 다른 이상보행을 유발할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하지 편마비 환자들이 양측 하지를 이용하여 몸의 균형을 이루고, 정상 보행할 수 있도록 훈련할 수 있는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.

또한 본 발명은 정상보행에 있어 중요한 역할을 하는 대퇴사두근이 받는 힘을 좀더 간단한 방법으로 예측할 수 있도록 하여, 상기의 방법으로 얻어진 대퇴사두근이 받는 힘을 비교해 보행에 있어 마비가 있는 하지의 대퇴사두근을 활용할 수 있도록 하는 훈련 장치 및 방법을 제안하는 데에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 대퇴사두근이 받는 힘을 통해 환자의 편마비 상태를 좀더 간단한 방법으로 진단하고, 균형 훈련 및 보행훈련에 있어 대퇴사두근을 활용하여 정상 보행과의 차이를 환자에게 정보를 보여주어, 훈련에 있어서 환자와의 피드백 이 이루어질 수 있도록 하는 훈련 장치 및 방법을 제안하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 하지에 실리는 하중을 측정하기 위하여 상기 하지의 하부에 위치한 하중측정부; 상기 하지의 슬관절의 각도를 측정하는 슬관절 각도측정부; 상기 하중측정부 및 슬관절 각도측정부에서 측정된 데이터를 이용하여 대퇴사두근데이터를 구하여, 마비 측정 데이터 또는 훈련 데이터를 생성하는 제어부; 및 상기 제어부에서 보내온 대퇴사두근데이터, 마비 측정 데이터, 훈련 데이터중 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 보여주는 디스플레이부;를 포함하는 하지 재활 훈련 장치를 제안한다.

상기 하중측정부는, 측정할 하지의 발바닥에 접촉하도록 위치하며, 압력센서를 포함하여, 하지에 걸리는 몸의 하중을 측정하도록 하는 포스 플레이트(force plate)이거나, 또는 측정할 하지의 발바닥에 접촉하도록 위치하며, 하지가 굽혀지기 위하여 하지에 가한 힘이 스프링에 전달되어 상기 힘을 측정할 수 있고, 상기 측정된 힘을 상기 제어부로 전송할 수 있는 저울인 것이 바람직하다.

상기 슬관절 각도측정부는, 하지에 부착할 수 있는 부착지지체 및 플렉시블바를 포함하고, 상기 부착지지체를 무릎의 상하부에 위치시킨 후, 상기 플렉시블바의 절곡 정도에 따라 슬관절의 각도를 구하도록 하는 전기측각계이거나, 또는 부착지지대와 가변저항을 포함하며, 상기 하지의 무릎의 상하부에 각각 부착지지대를 부착하고, 상기 부착지지대 사이를 연결하는 가변저항을 부착하여 상기 부착지지대 사이의 각을 측정하여, 슬관절의 각도를 측정할 수 있도록 하는 가변저항 측각계인 것이 바람직하다. 또는 상기 슬관절 각도 측정부는, 상기 하중 측정부가 있는 하지의 무릎의 각도를 측정하기 위하여 무릎 및 무릎의 상하부에 마커를 붙여 카메라를 통해 그 움직임을 관찰하는 모션캡쳐를 이용하여 하지의 무릎의 각도를 측정하도록 하는 모션캡쳐측각계인 것일 수 있으며, 또는 환자를 상체가 높고 하체가 낮은 자세를 취하도록 경사가 있는 경사지지판, 상기의 자세를 취하기 위하여 하부를 지지할 수 있도록 하부의 아래쪽에 접촉되는 하지지지판 및 무릎이 굽혀짐에 따라 상체의 움직임을 식별할 수 있도록 상체의 상부에 접촉되는 인식판 및 상기 인식판의 움직인 거리를 인식하는 센서를 포함하고, 상기의 인식판이 아래쪽으로 내려오는 길이를 인식하여 상기 길이로부터 무릎이 굽혀진 각도를 구하도록 하는 경사판측각계일 수도 있다.

상기 하중측정부 및 슬관절 각도 측정부는, 측정된 값을 전기적인 데이터로 변환할 수 있는 신호처리부를 각각 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는, 슬관절 각도 측정부에서 보내온 하지의 슬관절이 각각 구부러진 정도를 측정한 슬관절 각도 및 상기 각도를 통해 얻는 슬관절 각속도, 각가속도 중 어느 하나와 하중데이터를 곱하여 대퇴사두근데이터를 구하는 것이 바람직하다. 또한 상기 제어부는 같은 시간에 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 대퇴사두근데이터를 생성하며, 상기 대퇴사두근데이터, 하중데이터, 슬관절 각도데이터를 포함하는 비교치 데이터를 생성하고, 환자의 기초정보를 통해 구해지는 하중데이터, 슬관절 각도데이터 및 대퇴사두근데이터를 포함하는 기준치 데이터를 생성하여, 상기 비교치 데이터와 상기 기준치 데이터를 비교하는 과정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한 상기 제어부는, 양측 하지에 대한 같은 시간 간격 동안의 변화를 측정하여, 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 상기 일측 하지의 대퇴사두근데이터를 구하고, 다른 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절각도데이터를 통해 상기 하지의 대퇴사두근데이터를 구하여, 이후 일측 하지의 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 기준치 데이터를 생성하고 다른 일측 하지의 하중데이터, 슬관절각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 비교치데이타를 생성하여, 상기 기준치데이터와 비교치 데이터를 비교하는 과정을 수행하는 것일 수 있으며 이때, 상기 제어부는 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터와 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터의 비율을 구하여 마비측정데이터를 생성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 마비측정데이터의 값이 1에 근접하지 않을 때, 비교치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도데이터를 상기 기준치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도데이터와 비교하여, 상기 비교치 데이터의 하중데이터, 슬관절 각도 데이터중 적어도 어느 하나에 대한 불일치 정도값을 훈련데이터로서 구하는 것이 더욱 바람직하다.

또한 본 발명은 a. 환자가 움직일 때, 환자의 움직임에 의한 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 측정하는 단계; b. 상기 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 이용하여 대퇴사두근데이터를 구하는 단계; c. 상기 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 값을 비교데이터 로 하여 마비 측정 데이터 또는 훈련 데이터를 구하는 단계; 및 d. 상기 대퇴사두근데이터, 마비 측정 데이터, 훈련 데이터 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 디스플레이하는 단계;를 포함하는 하지 재활 훈련 방법을 제안한다.

상기 a 단계에서의 하중데이터는 하지의 하부에 위치한 하중측정부에서 측정된 것이며, 슬관절 각도데이터는 슬관절의 각도를 측정한 것으로 슬관절 각도측정부에서 측정되어 상기 하중데이터 및 슬관절 각도데이터는 같은 시간 간격으로 추출된 것이 바람직하며, 상기 b 단계에서의 대퇴사두근데이터는, 같은 시간에 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 얻어지며, 슬관절 각도측정부에서 측정된 하지의 슬관절이 구부러진 정도를 측정한 슬관절 각도를 통해 슬관절 각속도 및 각가속도를 구하고, 상기 슬관절 각도, 각속도 및 각가속도 중 어느 하나 이상을 포함하는 슬관절 각도데이터와 하중데이터를 곱하여 구해지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 a 단계 이전에 환자에 대한 기초정보를 받는 단계를 추가적으로 포함하며, 상기 신상정보를 통해 정상적인 경우의 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터 등을 포함하는 기준치데이터를 생성하는 것일 수 있다.

상기 a 단계에서, 상기 하중데이터 및 슬관절 각도데이터는 양측 하지에 대한 변화를 측정하여, 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 상기 일측 하지의 대퇴사두근데이터를 구하고, 다른 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 상기 하지의 대퇴사두근 데이터를 구하여, 이후 일측 하지의 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 기준치 데이터를 생성하고, 다른 일측 하지의 하중데이터, 슬관절각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 비교치데이타를 생성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 c 단계에서의 마비 측정 데이터는, 상기 기준치 데이터와 비교치 데이터를 비교하여 상기 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터와 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터의 비율인 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 c 단계에서의 훈련 데이터는 상기 마비 측정 데이타의 값이 1에 근접하지 않을 때, 기준치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도데이터를 상기 비교치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도 데이터와 비교하여, 상기 비교치 데이터의 하중데이터 및 슬관절 각도 데이터가 상기 기준치 데이터의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터와 불일치하는 정도를 나타내는 데이터인 것이 더욱 바람직하다. 상기 d 단계에서의 디스플레이는 상기의 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터, 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터, 마비측정데이터, 훈련 데이터 중 어느 하나 이상을 포함한 내용인 것이 더욱 바람직하다.

도 2는 본 발명인 하지 재활 훈련 장치를 장착하여 재활훈련 하는 모습을 도시한 것이다. 상기 하지 재활 훈련 장치는 일측 하지 각각에 실리는 하중을 측정하는 하중측정부(100), 하지의 슬관절의 각도를 측정하는 슬관절 각도측정부(200), 상기 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200)에서 측정된 데이터를 이용하여 데퇴사두근데이터를 구하여 상기의 데이터들을 비교하여 마비 측정 데이터 또는 훈련 데이터를 생성하는 제어부 및 상기 제어부에서 생성된 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.

도 3은 본 발명의 장치 구성도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하지 재활 훈련 장치는 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200)에서 하중 및 슬관절의 각도를 측정한 데이터를 제어부에서 사용할 수 있는 전기적인 신호로 바꾸어 제어부로 전송하면, 제어부에서는 상기 신호를 통해 대퇴사두근데이터, 마비측정데이터, 훈련데이터 등을 생성하고, 상기 제어부에서 생성된 데이터 및 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200)에서 측정된 데이터 중 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 디스플레이부에 전송한다. 상기 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200)에서 측정된 데이터를 전기적인 신호로 바꾸는 것은 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200) 또는, 제어부에서 할 수 있다. 상기 제어부는 일반 컴퓨터 또는 하지 재활 훈련 장치를 위한 컴퓨터이거나, 디스플레이부 등 다른 장치에 포함된 프로세서인 것도 가능하다. 상기 제어부에서 전송된 데이터는 디스플레이부에서 디스플레이된다. 디스플레이부에서 디스플레이되는 데이터는 숫자, 문자, 그래프등의 형태일 수 있다. 상기는 예시일 뿐 본 발명의 목적을 달성하기 위한 것으로, 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 장치가 가능하다는 것은 자명하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 각 구성요소 및 그 실시예를 각각 살펴보기로 한다.

(1)하중측정부(100)

본 발명인 하지 재활 훈련 장치는 균형 훈련 또는 보행훈련 등을 할 수 있도록 하는 장치이다. 상기의 균형 훈련 및 보행훈련은 양측 하지에 사실상 동일하게 하중이 실리는 것을 그 일부분으로 한다. 이에 일측 하지에 하중이 실려 있는 정도 를 측정하여, 하중이 어느 일측 하지에 치우쳐 있지 않은가를 판단하는 것은 균형훈련 및 보행훈련 장치에 있어서 중요한 부분이다. 따라서 하중측정부(100)는 하지의 아랫부분 즉, 발바닥에 직접 또는 간접적으로 접촉하여 하중이 일측 하지에 실리는 정도를 측정하기 위한 부분으로서, 상기 하지 재활 훈련 장치의 중요한 기술적 특징 중 하나이다.

상기 하중측정부(100)는 포스 플레이트(110) 또는 저울(120)로 사용되어질 수 있다. 그러나 상기는 예시일 뿐, 포스 플레이트 또는 저울에 국한되지 않으며, 본 발명에 있어 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 일측 하중을 측정할 수 있는 장치라면 사용 가능하다.

포스플레이트

도 4는 하중측정부(100)로 사용가능한 포스 플레이트(110)를 도시한 것이다. 상기 포스 플레이트(110)는 하지의 하부에 직접 또는 간접적으로 접촉하는 부분에 압력 센서를 하나 이상 구비하여 상기 포스 플레이트(110)의 압력센서가 부착된 부분은 발바닥 아래에 위치하도록 배치한다. 상기 압력센서는 적어도 한 개 이상 포함되며, 발바닥의 각 부분에 닿는 하중의 유무 및 그 정도를 각각 측정할 수도 있다. 상기 하중측정부(100)는 상기 압력센서로부터 읽은 데이터를 전기적인 신호로 처리할 수 있는 신호처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.

저울

도 5는 하중측정부(100)로 사용가능한 저울(120)을 도시한 것이다. 상기 저울(120)은 하지의 하부에 직접 또는 간접적으로 접촉하는 부분에 탄성기구를 구비 하여 하중에 따라 탄성기구가 변화하도록 하여 탄성기구의 변화에 의해 하중의 크기를 측정할 수 있도록 한다. 상기 탄성기구의 변화는 부피 또는 길이의 변화가 있으나, 상기 예시에 국한되지 않는다. 상기 저울(120)은 탄성기구의 변화에 대한 데이터를 전기적인 신호로 처리할 수 있는 신호처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.

(2) 슬관절 각도측정부(200)

상기 슬관절 각도측정부(200)에서 측정한 슬관절의 각도 데이터는 대퇴사두근이 받는 힘을 예측하기 위한 변수이다. 도 6은 슬관절의 각도에 따른 대퇴사두근이 받는 힘에 대한 관계를 나타낸 예시적 그래프이다. 상기 도 6에 도시된 바와 같이, 슬관절의 각도가 커질수록 대퇴사두근이 받는 힘의 크기가 증가한다. 상기 그래프를 살펴보았을 때, 슬관절의 각도의 변화에 따라 대퇴사두근에 힘을 주었는지의 여부를 살펴볼 수 있다. 정상보행은 대퇴사두근을 이용하여 무릎을 양쪽 하지를 번갈아 굽혔다 폈다를 반복하여 수행되므로, 슬관절 각도의 변화를 통해 대퇴사두근을 활용하여 균형을 잡거나 보행을 하는지를 확인할 수 있다. 따라서 슬관절의 각도를 측정하는 것은 상기 하지 재활 훈련 장치에 있어서 중요한 기술적 특징이 다. 슬관절의 각도를 측정하기 위한 장치로서, 전기측각계(210), 가변저항(221), 모션캡쳐(230), 경사판측각계(240)를 예시로 들수 있으나, 상기는 예시일 뿐이며, 본 발명은 상기 예시에 국한되지 않는다. 본 발명에 있어서 슬관절의 각도를 측정하기 위한 장치로 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 장치라면 슬관절 각도측정부로 사용될 수 있음은 자명하다.

전기측각계(210)

도 7은 슬관절 각도측정부(200)로 사용할 수 있는 전기측각계(210)를 도시한 것이다. 상기 전기측각계(210)는 부착지지체(212) 및 플렉시블바(211)를 포함한다. 상기 전기측각계(210)의 플렉시블바(211)는 고정된 길이를 가지면 잘 구부러지는 재질로 구성되어, 무릎이 굽혀질 때에 같이 구부러지면서 상기 구부러진 정도를 통해 슬관절의 각도를 측정할 수 있다. 상기 플렉시블바(211)는 부착지지체(212)를 통해 측정될 환자의 하부에 부착되는데, 무릎의 상하부분에 부착하여 무릎부분에 플렉시블바(211)가 위치하도록 한다. 예를 들어, 부착지지체(212)가 부착될 무릎의 상부는 허벅지의 옆부분, 뒷부분 또는 골반뼈부분이 될 수 있으며, 무릎의 하부는 종아리의 옆부분, 뒷부분 또는 복숭아뼈부분이 될 수 있다. 상기 예시한 것 이외에도 무릎의 굽혀지는 정도를 측정할 수 있도록 플렉시블바(211)를 고정할 수 있는 부분이라면 부착지지체(212)를 부착할 수 있다. 상기 플렉시블바(211)는 슬관절이 각도가 커지면 상기 플렉시블바(211)가 구부러지면서 플렉시블바(211)의 각도가 커져서, 전기측각계(210)에서는 슬관절의 각도를 측정한다. 상기 전기측각계(210)는 측정된 값을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있는 신호처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.

가변저항(221)

도 8은 슬관절 각도측정부(200)로 사용할 수 있는 가변저항(221)을 도시한 것이다. 상기 가변저항(221)은 슬관절의 각도가 변화함에 따라 저항값이 변화하는 특성을 이용하여 슬관절의 각도를 측정한다. 슬관절의 각도가 커질수록 혹은 작아 질수록 가변저항(221)의 값이 커지거나 혹은 작아져서 상기 가변저항(221)의 값을 통해 슬관절의 각도를 측정한다. 상기 가변저항(221)은 상기 전기측각계(210)의 플렉시블바(211)와 마찬가지로 가변저항(221)을 무릎부분에 고정시키기 위하여 부착지지체(222)를 추가적으로 포함하며, 상기 가변저항(221)의 부착지지체(222)의 위치는 상기 전기측각계(210)의 부착지지체(212)에 관해 설명한 바와 같다. 상기 가변저항(221)은 무릎의 상하부에 부착된 가변저항(221)의 두 개의 부착지지체(222)의 사이에 위치하여 두 개의 부착지지체(222)를 연결한다. 이에 상기 가변저항(221)은 부착지지체(222)의 위치변화에 따른 저항값의 변화를 측정한다. 상기 가변저항(221)은 슬관절의 각도를 측정한 값을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있는 신호처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.

모션캡쳐(230)

도 9는 슬관절 각도측정부(200)로 사용가능한 모션캡쳐(230)를 도시한 것이다. 상기의 슬관절 각도측정부(200)는 무릎 및 무릎의 상하부에 마커(231)를 붙여 그 움직임을 카메라로 관찰하는 모션캡쳐(230) 방식을 이용하여 슬관절의 각도를 측정할 수 있다. 상기 모션캡쳐(230)은 무릎 및 무릎의 상하부의 측면에 적외선 카메라 등의 카메라(232)에 인식 가능한 마커(231)를 붙인 후, 카메라(232)로 마커(231)의 위치를 확인하여 카메라를 통해 확인된 마커의 위치를 통해 슬관절의 각도를 측정한다.

상기의 모션캡쳐(230)는 상기의 슬관절 각도를 측정한 값을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있는 신호처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.

경사판측각계(240)

도 10a 내지 도 10c는 슬관절 각도측정부(200)로 사용가능한 경사판측각계(240) 및 상기 경사판측각계(240)를 사용하는 모습을 도시한 것이다. 상기 경사판측각계(240)는 환자를 상체가 높고 하체가 낮게 위치하도록 경사가 있는 경사지지판(243), 상기의 자세를 취하기 위하여 하부를 지지할 수 있도록 하부의 아래쪽에 접촉되는 하지지지판(244) 및 무릎이 굽혀짐에 따라 상체의 움직임을 식별할 수 있도록 상체의 상부에 접촉되는 인식판(242) 및 상기 인식판(242)의 움직인 거리를 인식하는 센서(241)를 포함하고, 상기 센서(241)는 인식판(242)이 움직인 거리를 측정하여 상기 길이로부터 무릎이 굽혀진 각도를 예상하여 구할 수 있다.

도 10a는 경사판측각계(240)에 무릎를 피고 누워있는 모습을 도시한 것이며, 도 10b는 경사판측각계(240)위에 누워 무릎을 구부림으로 인해 상체가 움직여 인식판(242)이 움직인 모습을 도시한 것이다. 도 10c는 도 10a 및 도 10b의 연속동작모습을 도시한 것이다.

상기 경사지지판(243)은 심한 마비로 인하여 서서 중심을 잡을 수 없는 환자들을 위하여, 누워서 대퇴다두근의 힘을 측정할 수 있도록 환자가 누울 수 있는 지지체이다. 상기 경사지지판(243)은 상부가 높고 하부가 낮은 경사가 있어 무릎이 굽혀짐에 따라 상체가 아래쪽으로 움직일 수 있도록 한다. 상기와 같이 무릎이 굽혀짐에 따라 상체가 아래쪽으로 이동하도록 하고, 무릎이 굽혀질 때 인식판이 움직인 거리의 기준이 될 수 있도록, 하지의 발바닥에 접촉하여 하중을 지지할 수 있는 하지지지판(244)을 포함한다. 또한 경사판측각계(240)는 상체의 상부에 접촉하도록 하여 상체의 상부의 움직임에 따라 위치가 변하는 인식판(242) 및 상기 인식판이 움직이는 것을 인식하는 센서(241)를 포함한다. 상기 센서(241)는 일정 간격으로 배열된 다수 개의 적외선 센서로서 인식판(242)과의 거리를 측정하여 인식판(242)과의 거리가 측정되는 센서(241)의 위치를 읽어 상체의 움직인 거리를 측정할 수 있도록 하거나, 일정 간격으로 배열된 다수 개의 접촉센서로서 인식판(242)과의 접촉한 것으로 인식한 센서(241)의 위치를 읽어 상체의 움직인 거리를 측정할 수 있다. 상기 예시한 센서 이외에도, 인식판의 움직임을 인식할 수 있는 센서로서 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 센서라면 경사판측각계(240)의 센서로 사용할 수 있다는 것은 자명하다. 상기 경사판측각계(240)는 센서(241) 및 인식판(242)으로부터 상체의 움직인 거리를 측정하여 상기 거리값을 통해 슬관절의 각도를 예측한다. 또한 상기 경사판측각계(240)는 슬관절의 각도를 측정한 값을 전기적인 신호로 변환 시킬 수 있는 신호처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.

(3) 제어부

상기 제어부는 기준치데이터, 비교치데이터의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 기준치데이터 및 비교치데이터의 대퇴사두근데이터를 생성하고, 이 두 개의 대퇴사두근데이터를 비교하여 얻어지는 마비측정데이터 및 훈련데이터를 생성한다.

상기 비교치데이터와 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터를 비교하는 방법으 로는, 양측 하지에서 측정된 값을 비교치 데이터와 기준치데이터로 생성한 후, 상기 비교치데이터의 대퇴사두근데이터와 기준치데이터의 대퇴사두근데이터의 비율을 구하여, 상기 비율을 통해 환자의 편마비 상태를 측정 및 훈련하는 방법이 있을 수 있다. 또 다른 방법은 정상인이 가지는 하중데이터, 슬관절 각도데이터 및 대퇴사두근데이터를 기준치데이터로 생성하고, 환자가 측정한 값을 기준치데이터로 생성한 후, 상기 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터의 최대값과 비교치데이터의 대퇴사두근데이터의 최대값을 비교하여, 마비가 없는 사람이 만들 수 있는 최대 대퇴사두근 데이터와 환자가 만들어내는 최대 대퇴 사두근 데이터를 비교해서 환자의 상태을 평가하고 훈련을 진행할 수도 있다. 또한 순간순간 변하는 목표 대퇴사두근 데이터를 기준치데이터로서 제공하고 환자에게 그와 같은 대퇴사두근 데이터를 만들게 함으로써 훈련을 시행하고 평가를 할 수도 있다.

도 11은 제어부의 동작예시를 순차적으로 도시한 순서도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 환자가 움직일 때, 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200)에서 이를 측정한다. 상기 측정값은 같은 시간에, 같은 시간간격으로 이루어진 측정에 의해 얻어진 값이며, 상기 같은 시간간격의 제어는 제어부에 포함되는 타이머를 통해 할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어진 측정값은 각각 하중데이터, 슬관절 각도데이터로 받아들인다. 상기 측정값은 양 측 하지에서 측정된 값일 수 있고, 또는 마비가 있는 일측 하지에서만 측정된 값일 수 있다.

측정을 시작하기 전에 일측 하지에서만 측정할 것인지, 양측 하지 모두 측정할 것인지를 선택하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있으며, 또한 환자의 기초정보 를 입력받는 단계를 추가적으로 포함할 수도 있다. 상기 환자의 기초정보는 환자의 신장, 체중, 나이, 이름 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 환자의 기초정보를 통해 제어부는 정상 보행에 대한 데이터를 검색하여 상기 검색된 정상 보행 데이터를 측정된 값과 비교할 수 있고, 또는 정상 보행 데이터를 생성하여 측정값과 비교할 수 있다. 상기 측정값은 비교치데이터에 포함되며, 제어부에서 생성하거나 검색된 정상보행 데이터는 기준치데이터에 포함되어 상기 비교치데이터와 비교한다. 양측 하지에서 측정할 때에는 양측 하지의 측정값을 서로 비교할 수 있으며, 마비가 있는 일측 하지에서 측정된 값을 비교치데이터에 포함하고, 마비가 없는 일측 하지에서 측정된 값을 기준치데이터에 포함하여 상기 비교치데이터와 기준치데이터를 비교한다.

상기 제어부는 슬관절 각도측정부(200)에서 측정한 슬관절 각도를 미분하여 얻어지는 슬관절 각속도 또는 상기 슬관절 각속도를 미분하여 얻을 수 있는 슬관절 각가속도를 생성할 수 있다. 상기 슬관절 각도, 각속도, 각가속도 중 어느 하나 이상을 포함하는 슬관절 각도데이터를 생성한다. 또한 제어부는 상기 슬관절 각도데이터와 하중측정부(100)에서 측정하여 얻어진 하중데이터를 연산하여 대퇴사두근데이터를 생성한다. 상기 연산으로서 예를 들면, 슬관절의 각속도 또는 각가속도는 상기 하중에서 발생한 것으로 가정하고, 하중데이터는 중력가속도를 무시한 값인 질량으로 가정한 후 상기 슬관절의 각속도, 각가속도 중 어느 하나와 하중데이터를 곱하여 발생한 값을 대퇴사두근데이터로 예측할 수 있다.

이후 제어부는 상기와 같이 얻어진 비교치 데이터 및 기준치 데이터 각각의 대퇴사두근데이터의 비율을 구하여 상기의 비율을 마비측정데이터로서 생성시킨다. 또한 상기 마비측정데이터가 1에 근접하지 않을 때에는, 비교치 데이터의 하중데이터와 기준치 데이터의 하중데이터를 비교하여 상기 두 하중데이터의 비율이 1에 근접하지 않을 때, 상기 두 하중데이터의 비율을 1에 근접시키기 위하여 상기 비교치 데이터의 하중데이터가 가져야 할 값을 훈련데이터로서 생성시킨다. 상기 하중데이터에 관한 훈련데이터는 비교치 데이터의 하중데이터가 가져야 할 값을 가지기 위하여 환자가 해야 할 일을 알려주는 것에 관련된 데이터일 수 있다. 만일 상기 마비측정데이터가 1에 근접하지 않지만, 비교치 데이터의 하중데이터와 기준치데이터의 하중데이터의 비율이 1에 근접할 때에는, 비교치 데이터의 슬관절 각도데이터와 기준치 데이터의 슬관절 각도데이터를 비교하여, 상기 마비측정데이터가 1에 근접하기 위하여 즉, 비교치 데이터의 슬관절 각도데이터와 기준치 데이터의 슬관절 각도데이터의 비율이 1에 근접하기 위하여 비교치 데이터의 각도데이터가 가져야할 값을 훈련데이터로 생성시킨다. 상기 각도 데이터에 관련된 훈련데이터는 슬관절의 각도를 굽히거나 펴는 환자에게 주는 충고를 포함하는 내용일 수 있다.

또한 제어부는 상기와 같이 마비측정데이터를 생성한 후 훈련데이터를 생성하는 방법 외에도 기준치데이터의 대퇴사두근데이터-시간 그래프와 실시간으로 측정되는 비교치데이터의 대퇴사두근데이터-시간 그래프를 생성할 수 있다.

제어부는 기준치 데이터, 비교치 데이터, 마비측정데이터, 훈련데이터 또는 상기 데이터들를 통해 생성된 그래프데이터를 생성한 후, 상기 제어부에서 생성된 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터, 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터, 마비측정 데이터, 훈련데이터, 그래프데이터 중 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 디스플레이부에 전송한다.

상기 제어부의 예시적 동작은 후술할 훈련방법에 서술한다.

(4)디스플레이부(300)

상기 디스플레이부(300)는 환자의 마비 측정 및 훈련을 위한 피드백(feed back)을 위한 부분으로서, 컴퓨터의 모니터이거나 하지재활훈련장치에 전용으로 사용되는 모니터일 수 있다. 이는 예시일 뿐, 본 발명은 상기 예시에 국한되지는 않는다. 도 12는 디스플레이부에서 디스플레이하는 모습에 대한 하나의 예시를 도시한 것이다.

환자는 마비측정데이터, 훈련데이터, 대퇴사두근데이터 또는 상기 데이터의 그래프등을 디스플레이부를 통해 확인할 수 있다. 확인된 데이터를 통해 반복 훈련이 가능하다.

또한 상기 디스플레이부에 디스플레이되는 내용은 환자의 기초정보등을 포함한 데이터와 함께 저장될 수 있다. 상기와 같이 저장된 내용을 통해 이후 진행할 환자의 훈련등에 참고하며, 환자의 마비의 상태 등을 진단하는 데에도 사용될 수 있다.

이후 하지 편마비 환자의 마비 측정 및 재활 훈련을 위한 방법을 예시를 통해 설명한다.

본 발명은 하지 편마비 환자의 마비 측정 및 재활훈련을 위한 장치 및 방법에 관련된 것으로서, 하지 편마비 환자의 양측 하지의 대퇴사두근이 사실상 동일하게 사용되는지의 여부를 판단하여 편마비의 상태를 진단할 수 있고, 양측 하지를 균형적으로 이용할 수 있도록 훈련 메시지를 보내 환자가 피드백할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 관련된 것이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상기의 과정을 포함하는 단계를 가지는 하지 재활 훈련 장치를 통해 환자의 편마비 측정 및 훈련이 이루어진다.

슬관절 각도측정부(200)를 장착한 환자는 하중측정부(100)에 접촉하여 슬관절 및 하중이 측정될 수 있도록 한다. 측정은 양측 하지에서 할 수 있고, 또는 마비가 있는 일측 하지에서만 할 수도 있다. 측정을 시작하기 전에 일측 하지에서만 측정할 것인지, 양측 하지 모두 측정할 것인지를 선택하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있으며, 또한 환자의 기초정보를 입력받는 단계를 추가적으로 포함할 수도 있다. 상기 환자의 기초정보는 환자의 신장, 체중, 나이, 이름 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 환자의 기초정보를 통해 제어부는 정상 보행에 대한 데이터를 검색하여 상기 검색된 정상 보행 데이터를 측정된 값과 비교할 수 있고, 또는 정상 보행 데이터를 생성하여 측정값과 비교할 수 있다. 상기 측정값은 비교치데이터에 포함되며, 제어부에서 생성하거나 검색된 정상보행 데이터는 기준치데이터에 포함되어 상기 비교치데이터와 비교한다. 양측 하지에서 측정할 때에는 양측 하지의 측정값을 서로 비교할 수 있으며, 마비가 있는 일측 하지에서 측정된 값을 비교 치데이터에 포함하고, 마비가 없는 일측 하지에서 측정된 값을 기준치데이터에 포함하여 상기 비교치데이터와 기준치데이터를 비교한다.

상기와 같이 슬관절 각도측정부(200)와 하중측정부(100)를 장착한 후, 환자가 양측 무릎을 동시에 구부려 균형을 잡거나 일측 무릎만을 구부리고 균형을 잡는 등의 움직임을 타이머를 통해 시간을 재면서 같은 시간 간격으로 데이터를 체크하는 방법으로, 상기 시간에 대한 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 생성시킨다. 이후 상기 생성된 슬관절 각도데이터를 미분하여 슬관절 각속도를 생성할 수 있고, 또는 상기 생성된 슬관절 각속도를 또다시 미분하여 슬관절 각가속도로 생성할 수 있다. 상기 슬관절 각도, 슬관절 각속도, 슬관절 각가속도 중 어느 하나와 하중데이터를 통하여 상기 측정시간에 대한 대퇴사두근데이터를 생성한다.

이후 상기와 같이 얻어진 비교치 데이터 및 기준치 데이터 각각의 대퇴사두근데이터의 비율을 구하여 상기의 비율을 마비측정데이터를 생성한다. 상기 마비측정데이터가 1에 근접하지 않을 때, 비교치 데이터의 하중데이터와 기준치 데이터의 하중데이터를 비교하여 상기 두 하중데이터의 비율이 1에 근접하지 않을 때, 상기 두 하중데이터의 비율을 1에 근접시키기 위하여 상기 비교치 데이터의 하중데이터가 가져야 할 값을 훈련데이터로서 생성시킨다. 상기 하중데이터에 관한 훈련데이터는 비교치 데이터의 하중데이터가 가져야 할 값을 가지기 위하여 환자가 해야할 일을 알려주는 것에 관련된 데이터일 수 있다. 만일 상기 마비측정데이터가 1에 근접하지 않지만, 비교치 데이터의 하중데이터와 기준치데이터의 하중데이터의 비율 이 1에 근접할 때에는, 비교치 데이터의 슬관절 각도데이터와 기준치 데이터의 슬관절 각도데이터를 비교하여, 상기 마비측정데이터가 1에 근접하기 위하여 즉, 비교치 데이터의 슬관절 각도데이터와 기준치 데이터의 슬관절 각도데이터의 비율이 1에 근접하기 위하여 비교치 데이터의 각도데이터가 가져야할 값을 훈련데이터로 생성시킨다. 상기 각도 데이터에 관련된 훈련데이터는 슬관절의 각도를 굽히거나 펴는 환자에게 주는 충고를 포함하는 내용일 수 있다.

또한 상기와 같이 마비측정데이터를 생성한 후 훈련데이터를 생성하는 방법 외에도 기준치데이터의 대퇴사두근데이터-시간 그래프와 실시간으로 측정되는 비교치데이터의 대퇴사두근데이터-시간 그래프를 생성할 수 있다.

기준치 데이터, 비교치 데이터, 마비측정데이터, 훈련데이터 또는 상기 데이터를 통해 생성된 그래프데이터를 생성한 후에는, 상기 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터, 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터, 마비측정데이터, 훈련데이터, 그래프데이터 중 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 디스플레이한다.

균형 훈련

도 13는 하지 재활 훈련 장치를 사용하여 균형훈련을 하는 모습 중 어느 한 예시를 도시한 것이다.

마비된 다리의 무릎을 구부리려 하지 않는 것은 하지 편마비 환자의 특징 중 하나이다. 상기와 같이 다리의 무릎을 굽히지 않으면 서서 또는 걸으면서 양측 하지에 적당히 힘을 분배하여 균형을 잡는 능력이 떨어지게 된다. 이에 본 발명에서는 하지 편마비 환자가 균형을 잡는 훈련을 할 수 있는 과정을 제안한다.

도 13에 도시된 바와 같이, 상기의 하지 재활 훈련 재활 장치를 장착한 후에 환자가 양쪽 무릎을 동시에 굽혔다 폈다 하면서 양쪽 하지에 힘을 분배하고 있는지, 특히 하지의 대퇴사두근에 힘을 균형적으로 분배하고 있는지를 측정하고, 훈련한다.

예를 들면 만약 오른쪽 편마비가 있는 환자의 균형 훈련을 하고자 할 때, 상기 환자의 오른쪽 무릎은 10°이상 구부러지지 않는다고 가정한다. 상기 예시의 환자에게 하지재활훈련장치의 하지측정부 및 슬관절 각도측정부를 장착한다. 이때, 양측 하지를 모두 측정한다고 가정한다. 환자가 무릎을 동시에 구부리는 것을 반복할 때에, 환자의 양 측 하지에 실리는 하중을 각각 측정하고, 상기 하중을 측정함과 동시에 슬관절의 각도를 측정한다.

만약 환자의 전체 하중이 80kg이라고 가정한 후, 환자의 오른쪽 하중데이터가 80에서 50으로 변화하며, 왼쪽 하중데이터가 80에서 30으로 변화되는 것으로 측정되고, 환자의 오른쪽 슬관절 각도데이터가 0°~1°, 왼쪽 슬관절 각도데이터가 0°~15°의 변화를 가지는 것으로 나타난다고 가정할 때의 동작은 다음과 같다.

오른쪽 대퇴사두근데이터를 생성하기 위하여 오른쪽 슬관절 각도데이터의 변화량인 1을 일정 시간동안 변화한 각으로서 슬관절 각속도라 가정한다. 또한, 상기 하중데이터는 중력가속도를 무시한 질량이라 가정한 후 상기 하중데이터의 변화량과 상기 슬관절 각속도를 곱한 값인 30을 오른쪽 대퇴사두근데이터로 생성한다. 왼쪽 대퇴사두근데이터도 오른쪽대퇴사두근데이터를 생성하는 방법과 같은 방법으로 생성하여 750을 왼쪽 대퇴사두근데이터로 생성한다. 편마비가 있는 쪽인 오른쪽에 대한 데이터를 비교치데이터, 정상 하지인 왼쪽에 대한 데이터를 기준치데이터로 설정한 후, 상기 비교치데이터와 기준치데이터의 대퇴사두근데이터의 비율을 구한다. 상기 비율은 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터에 대한 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터의 비율이며, 상기 비율은 마비측정데이터로 생성된다. 본 예시에서 마비측정데이터는 0.04이다.

상기 마비측정데이터가 1보다 작은 값이므로, 기준치 데이터(왼쪽하지)의 하중데이터의 변화량에 대한 비교치 데이터(오른쪽 하지)의 하중데이터의 변화량의 비율을 구한다. 이때에도 마비측정데이터를 구할 때와 마찬가지로, 기준치 데이터의 하중데이터의 변화량으로 비교치 데이터의 하중데이터의 변화량을 나누어 비율을 구한다. 상기 예시에서, 상기와 같은 방법으로 구하면, 두 하중데이터 변화량의 비율은 약 0.6이 된다. 상기 두 하중데이터의 비율이 1보다 작으므로 비교치 데이터의 하중데이터의 값을 더 높이라는 내용의 메시지를 훈련데이터로 생성한다. 훈련데이터의 예시로는 "오른쪽 하중을 더 높이세요." 또는 "오른쪽 발에 힘을 더 주세요."등등이 있을 수 있다.

이후 만약 환자가 오른쪽 하중만을 더 높여서, 오른쪽 및 왼쪽 하중데이터의 변화량의 비율이 1에 근접하게 되고, 슬관절 각도데이터는 양측 모두 위의 예시와 같다고 가정한다. 위와 같은 방법으로 대퇴사두근데이터를 구하면 오른쪽 대퇴사두근데이터는 40, 왼쪽 대퇴사두근데이터는 600로 얻어지며, 두 대퇴사두근데이터의 비율인 마비측정데이터는 약 0.067로 구해진다. 상기 마비측정데이터가 1보다 작고, 비교치 데이터의 하중데이터와 기준치 데이터의 하중데이터의 비율은 1에 근접 하므로 기준치 슬관절 각속도에 대한 비교치 슬관절 각속도의 비율을 구한다. 이때 두 각도데이터의 비율은 약0.067로 얻어지며, 상기 비율은 1보다 작으므로, 비교치 데이터의 슬관절 각도데이터의 값을 높이라는 메시지를 훈련데이터로 생성한다. 이때 훈련데이터의 예시로는 "오른쪽 다리를 더 올리세요." 또는 "마비된 쪽 무릎을 좀더 굽혀보세요."등등이 있을 수 있다.

상기의 예시는 균형 훈련에 대한 하나의 예시로서, 본 발명의 목적에 따라 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 방법 및 단계라면 본 발명에 포함된다는 것은 자명하다.

보행훈련

정상인의 보행은 한 하지의 무릎이 약 15도 정도 굽혀져서 앞으로 나가게 되며, 다른 쪽 하지에서 힘을 주어 바닥을 박차면 상기 무릎이 굽혀진 하지가 무릎을 피면서 발뒤꿈치를 땅으로 향하게 하여 발을 앞으로 뻗게 된다. 정상보행은 상기의 동작을 반복하여 수행된다. 그러나 편마비 환자의 경우에는 마비가 없는 쪽의 하지에 좀더 하중을 싣는 경향이 있으며 또한 위의 균형 훈련에서 설명한 것처럼, 하중을 양 쪽 하지에 고루 분배하였다 할지라도 편마비가 있는 쪽의 하지의 무릎을 굽히지 않아 마비가 있는 대퇴사두근을 활용하지 못하는 결과를 낳게 된다.

상기와 같은 경우를 개선하고자, 본 발명에서는 슬관절의 각도를 측정하여, 무릎이 굽혀지는 것을 판단하여 정상적인 보행에 좀더 비슷하게 훈련할 수 있도록 한다. 이때 무릎이 너무 굽혀지는 것 또한 예방하여야 한다. 무릎이 너무 굽혀지게 되면 중심을 잡는데 무리가 생기기 때문이다.

보행훈련을 하기위하여. 환자의 슬관절에 슬관절 각도측정부(200)를 장착하고, 하중측정부(100)에 접촉하도록 한다. 상기와 같이 장착한 후에는 환자가 걸을 때의 데이터를 측정한다. 하중측정부(100) 및 슬관절 각도측정부(200)에서 읽은 데이터를 이용한 비교치 데이터와 상기 측정한 하지의 반대편 하지에 관한 데이터를 이용한 기준치 데이터 또는 환자의 기초정보를 이용한 기준치 데이터와 비교할 수 있다. 상기 반대편 하지에 관한 데이터를 이용한 기준치데이터를 활용할 경우에는, 비교치 데이터와 기준치 데이터를 비교시 같은 시간동안 측정된 데이터로는 무릎이 굽혀진 각도와 하중데이터를 정확히 비교하기 어렵다. 이에 비교치 데이터, 기준치 데이터 중 하나의 데이터의 값을 선택한 후 상기 선택된 데이터가 아닌 반주기 이전의 데이터는 상기 선택된 데이터와 같은 동작을 유지할 때의 모습이므로 선택된 데이터와 선택되지 않은 데이터의 반주기 이전의 데이터와 비교한다. 또는 한주기 동안의 최대값을 비교하는 방법으로 수행될 수도 있다.

보행훈련을 할 때에는 한쪽 하지의 발뒤꿈치와 발 중심부를 하중측정부(100)에서 떼어 하중이 다른 한쪽 하지에 치우치도록 한다. 이때 상기 발뒤꿈치부분을 들어올리는 하지는 무릎을 굽혀서 발뒤꿈치를 들도록 한다.

만약 환자의 전체 하중이 80kg이며, 오른쪽 하지가 마비가 있는 하지라고 가정한 후, 환자의 오른쪽 하중데이터가 80에서 50으로 변화하지만, 정상적인 하중데이터는 80에서 40으로 변화되는 것으로 생성되고, 환자의 오른쪽 슬관절 각도데이터가 0°~1°이지만 정상적인 슬관절 각도데이터가 0°~15°의 변화를 가지는 것으 로 나타난다고 가정할 때의 동작은 다음과 같다.

오른쪽 대퇴사두근데이터를 생성하기 위하여 오른쪽 슬관절 각도데이터의 변화량인 1을 일정 시간동안 변화한 각으로서 슬관절 각속도라 가정한다. 또한, 상기 하중데이터는 중력가속도를 무시한 질량이라 가정한 후 상기 하중데이터의 변화량과 상기 슬관절 각속도를 곱한 값인 30을 오른쪽 대퇴사두근데이터로 생성한다. 정상치 대퇴사두근데이터도 오른쪽대퇴사두근데이터를 생성하는 방법과 같은 방법으로 생성하여 600을 정상치 대퇴사두근데이터로 생성한다. 편마비가 있는 쪽인 오른쪽에 대한 데이터를 비교치데이터, 정상 하지에 대한 데이터를 기준치데이터로 설정한 후, 상기 비교치데이터와 기준치데이터의 대퇴사두근데이터의 비율을 구한다. 상기 비율은 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터에 대한 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터의 비율이며, 상기 비율은 마비측정데이터로 생성된다. 본 예시에서 마비측정데이터는 0.05이다.

상기 마비측정데이터가 1보다 작은 값이므로, 기준치 데이터(왼쪽하지)의 하중데이터의 변화량에 대한 비교치 데이터(오른쪽 하지)의 하중데이터의 변화량의 비율을 구한다. 이때에도 마비측정데이터를 구할 때와 마찬가지로, 기준치 데이터의 하중데이터의 변화량으로 비교치 데이터의 하중데이터의 변화량을 나누어 비율을 구한다. 상기 예시에서, 상기와 같은 방법으로 구하면, 두 하중데이터 변화량의 비율은 약 0.75가 된다. 상기 두 하중데이터의 비율이 1보다 작으므로 비교치 데이터의 하중데이터의 값을 더 높이라는 내용의 메시지를 훈련데이터로 생성한다. 훈련데이터의 예시로는 "오른쪽 하중을 더 높이세요." 또는 "오른쪽 발에 힘을 더 주 세요."등등이 있을 수 있다.

이후 만약 환자가 오른쪽 하중만을 더 높여서, 오른쪽 및 왼쪽 하중데이터의 변화량의 비율이 1에 근접하게 되고, 슬관절 각도데이터는 양측 모두 위의 예시와 같다고 가정한다. 위와 같은 방법으로 대퇴사두근데이터를 구하면 오른쪽 대퇴사두근데이터는 40, 정상치 대퇴사두근데이터는 600로 얻어지며, 두 대퇴사두근데이터의 비율인 마비측정데이터는 약 0.067로 구해진다. 상기 마비측정데이터가 1보다 작고, 비교치 데이터의 하중데이터와 기준치 데이터의 하중데이터의 비율은 1에 근접하므로 기준치 슬관절 각속도에 대한 비교치 슬관절 각속도의 비율을 구한다. 이때 두 각도데이터의 비율은 약0.067로 얻어지며, 상기 비율은 1보다 작으므로, 비교치 데이터의 슬관절 각도데이터의 값을 높이라는 메시지를 훈련데이터로 생성한다. 이때 훈련데이터의 예시로는 "오른쪽 다리를 더 올리세요." 또는 "마비된 쪽 무릎을 좀더 굽혀보세요."등등이 있을 수 있다.

상기의 예시는 보행 훈련에 대한 하나의 예시로서, 본 발명의 목적에 따라 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 방법 및 단계라면 본 발명에 포함된다는 것은 자명하다.

균형 훈련 및 보행훈련은 본 발명인 하지 재활 훈련 장치의 하나의 예시일 뿐이며, 상기 하지 재활 훈련 장치가 대퇴사두근데이터를 생성하는 방법 및 마비측정데이터, 훈련데이터를 생성하는 방법은 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 범위내라면 본 발명내에 포함된다는 것은 자명하다.

반복훈련

마비측정데이터나 훈련데이터를 생성하지 않고, 일측 또는 양측 하지에서 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 얻어지는 대퇴사두근데이터와 시간을 변수로 하는 그래프로 나타낼 수 있다. 상기 그래프는 정상적인 균형 또는 보행에 대한 대퇴사두근데이터를 나타내는 그래프와 동시에 디스플레이되어 정상적인 대퇴사두근데이터 그래프와 비교할 수 있다.

상기 두 그래프를 구분할수 있도록 색이나 모양을 달리하여 디스플레이되며, 환자가 그래프를 보면서 하중이나 슬관절데이터에 따라 대퇴사두근데이터가 얻어지고, 상기 얻어지는 대퇴사두근데이터에 의해 그래프의 모양이 실시간으로 변화한다.

상기 반복훈련은 상기 두 그래프의 차이를 비교하여 둘 사이의 차이를 연산하여 숫자로 표시하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명은 편마비가 있는 환자의 하지 재활 훈련 장치에 관련된 것으로, 상기 하지 재활 훈련 장치는 편마비가 있는 환자들이 양 하지를 고루 이용하여 균형을 맞추고, 균형을 이룬 보행을 할 수 있도록 재활훈련을 하는 데에 도움을 준다. 특히, 상기 하지 재활 훈련 장치는 하지의 각 부분 중 대퇴사두근을 활용하여 균형을 이루고 보행을 하는지를 확인하기 위하여 슬관절의 각도를 측정하여, 상기 대퇴사두근이 받는 힘을 예측하여 구하여, 정확히 일을 하고 있는지를 판단할 수 있어, 중심이동만으로 환자의 재활훈련을 하는 것이 아닌 정상인과 사실상 동일한 방법으로 중심을 잡고, 중심이동을 할 수 있도록 훈련할 수 있게하는 장점이 있다. 또한 상기 장치의 제어부에서 판단한 내용을 디스플레이부를 통해 환자에게 알려주면, 이를 환자가 인지하여 환자의 피드백이 이루어질 수 있는 장점이 있다.

Claims (21)

1. 하지에 실리는 하중을 측정하기 위하여 상기 하지의 하부에 위치한 하중측정부;

   상기 하지의 슬관절의 각도를 측정하는 슬관절 각도측정부;

   상기 하중측정부 및 슬관절 각도측정부에서 측정된 데이터를 이용하여 대퇴사두근데이터를 구하여, 마비 측정 데이터 또는 훈련 데이터를 생성하는 제어부;및

   상기 제어부에서 보내온 대퇴사두근데이터, 마비 측정 데이터, 훈련 데이터중 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 보여주는 디스플레이부;를 포함하는 하지 재활 훈련 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하중측정부는,

   측정할 하지의 발바닥에 접촉하도록 위치하며, 압력센서를 포함하여, 하지에 걸리는 몸의 하중을 측정하도록 하는 포스 플레이트(force plate)인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하중측정부는,

   측정할 하지의 발바닥에 접촉하도록 위치하며, 하지가 굽혀지기 위하여 하지에 가한 힘이 스프링에 전달되어 상기 힘을 측정할 수 있고, 상기 측정된 힘을 상기 제어부로 전송할 수 있는 저울인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 슬관절 각도측정부는,

   하지에 부착할 수 있는 부착지지체 및 플렉시블바를 포함하고, 상기 부착지지체를 무릎의 상하부에 위치시킨 후, 상기 플렉시블바의 절곡 정도에 따라 슬관절의 각도를 구하도록 하는 전기측각계인 것을 특징으로 하는 재활 훈련 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 슬관절 각도 측정부는,

   부착지지대와 가변저항을 포함하며, 상기 하지의 무릎의 상하부에 각각 부착지지대를 부착하고, 상기 부착지지대 사이를 연결하는 가변저항을 부착하여 상기 부착지지대 사이의 각을 측정하여, 슬관절의 각도를 측정할 수 있도록 하는 가변저항 측각계인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 슬관절 각도 측정부는,

   상기 하중 측정부가 있는 하지의 무릎의 각도를 측정하기 위하여 무릎 및 무릎의 상하부에 마커를 붙여 카메라를 통해 그 움직임을 관찰하는 모션캡쳐를 이용하여 하지의 무릎의 각도를 측정하도록 하는 모션캡쳐인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 슬관절 각도 측정부는,

   환자를 상체가 높고 하체가 낮은 자세를 취하도록 경사가 있는 경사지지판, 상기의 자세를 취하기 위하여 하부를 지지할 수 있도록 하부의 아래쪽에 접촉되는 하지지지판 및 무릎이 굽혀짐에 따라 상체의 움직임을 식별할 수 있도록 상체의 상부에 접촉되는 인식판 및 상기 인식판의 움직인 거리를 인식하는 센서를 포함하고, 상기의 인식판이 아래쪽으로 내려오는 길이를 인식하여 상기 길이로부터 무릎이 굽혀진 각도를 구하도록 하는 경사판측각계인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 하중측정부 및 슬관절 각도 측정부는,

   측정된 값을 전기적인 데이터로 변환할 수 있는 신호처리부를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
9. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,

   슬관절 각도 측정부에서 보내온 하지의 슬관절이 각각 구부러진 정도를 측정한 슬관절 각도 및 상기 각도를 통해 얻는 슬관절 각속도, 각가속도 중 어느 하나와 하중데이터를 곱하여 대퇴사두근데이터를 구하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 제어부는,

    같은 시간에 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 대퇴사두근데이터를 생성하며, 상기 대퇴사두근데이터, 하중데이터, 슬관절 각도데이터를 포함 하는 비교치 데이터를 생성하고, 환자의 기초정보를 통해 구해지는 하중데이터, 슬관절 각도데이터 및 대퇴사두근데이터를 포함하는 기준치 데이터를 생성하여, 상기 비교치 데이터와 상기 기준치 데이터를 비교하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
11. 제 9항에 있어서, 상기 제어부는,

    양측 하지에 대한 같은 시간 간격 동안의 변화를 측정하여, 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 상기 일측 하지의 대퇴사두근데이터를 구하고, 다른 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절각도데이터를 통해 상기 하지의 대퇴사두근데이터를 구하여, 이후 일측 하지의 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 기준치 데이터를 생성하고 다른 일측 하지의 하중데이터, 슬관절각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 비교치데이타를 생성하여, 상기 기준치데이터와 비교치 데이터를 비교하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
12. 제 10항 및 제 11항에 있어서, 상기 제어부는,

    기준치 데이터의 대퇴사두근데이터와 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터의 비율을 구하여 마비측정데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
13. 제 12항에 있어서, 상기 제어부는,

    상기 마비측정데이터의 값이 1에 근접하지 않을 때, 비교치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도데이터를 상기 기준치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도데이터와 비교하여, 상기 비교치 데이터의 하중데이터, 슬관절 각도 데이터중 적어도 어느 하나에 대한 불일치 정도값을 훈련데이터로서 구하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 장치.
14. a. 환자가 움직일 때, 환자의 움직임에 의한 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 측정하는 단계;

    b. 상기 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 이용하여 대퇴사두근데이터를 구하는 단계;

    c. 상기 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 값을 비교데이터로 하여 마비 측정 데이터 또는 훈련 데이터를 구하는 단계; 및

    d. 상기 대퇴사두근데이터, 마비 측정 데이터, 훈련 데이터 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 데이터를 디스플레이하는 단계;를 포함하는 하지 재활 훈련 방법.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 a 단계에서의 하중데이터는 하지의 하부에 위치한 하중측정부에서 측정 된 것이며, 슬관절 각도데이터는 슬관절의 각도를 측정한 것으로 슬관절 각도측정부에서 측정되어 상기 하중데이터 및 슬관절 각도데이터는 같은 시간 간격으로 추출된 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.
16. 제 14항에 있어서,

    상기 b 단계에서의 대퇴사두근데이터는, 같은 시간에 측정된 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 얻어지며, 슬관절 각도측정부에서 측정된 하지의 슬관절이 구부러진 정도를 측정한 슬관절 각도를 통해 슬관절 각속도 및 각가속도를 구하고, 상기 슬관절 각도, 각속도 및 각가속도 중 어느 하나 이상을 포함하는 슬관절 각도데이터와 하중데이터를 곱하여 구해지는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.
17. 제 14항에 있어서,

    상기 a 단계 이전에 환자에 대한 기초정보를 받는 단계를 추가적으로 포함하며, 상기 신상정보를 통해 정상적인 경우의 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터 등을 포함하는 기준치데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.
18. 제 14항에 있어서,

    상기 a 단계에서, 상기 하중데이터 및 슬관절 각도데이터는 양측 하지에 대 한 변화를 측정하여, 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 상기 일측 하지의 대퇴사두근데이터를 구하고, 다른 일측 하지의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터를 통해 상기 하지의 대퇴사두근 데이터를 구하여, 이후 일측 하지의 하중데이터, 슬관절 각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 기준치 데이터를 생성하고, 다른 일측 하지의 하중데이터, 슬관절각도데이터, 대퇴사두근데이터를 포함하는 비교치데이타를 생성하는 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.
19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서,

    상기 c 단계에서의 마비 측정 데이터는, 상기 기준치 데이터와 비교치 데이터를 비교하여 상기 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터와 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터의 비율인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.
20. 제 19항에 있어서, 상기 c 단계에서의 훈련 데이터는

    상기 마비 측정 데이타의 값이 1에 근접하지 않을 때, 기준치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도데이터를 상기 비교치 데이터의 하중데이터와 슬관절 각도 데이터와 비교하여, 상기 비교치 데이터의 하중데이터 및 슬관절 각도 데이터가 상기 기준치 데이터의 하중데이터 및 슬관절 각도데이터와 불일치하는 정도를 나타내는 데이터인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.
21. 제 20항에 있어서,

    상기 d 단계에서의 디스플레이는 상기의 기준치 데이터의 대퇴사두근데이터, 비교치 데이터의 대퇴사두근데이터, 마비측정데이터, 훈련 데이터 중 어느 하나 이상을 포함한 내용인 것을 특징으로 하는 하지 재활 훈련 방법.

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