KR100661112B1 - 재활치료가 필요한 대상의 평형기능 측정, 진단 및 훈련시스템 - Google Patents
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Abstract
재활치료를 위한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템과 이를 구현하는 데이터 수집장치가 개시된다. 진단 대상자에게 소정의 시뮬레이션에 의한 액션이 인가되면, 자이로스코프 및 가속도계와 같은 관성센서로 시험체의 움직임을 감지하여 각속도 및 각도 등의 관성데이터를 수집하고, 이를 롤 각도(roll angle)/피치 각도(pitch angle)/이동궤적 등의 패턴데이터로 변환한 후 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교하여 진단 대상자의 이상여부를 분석한다. 관성데이터 수집을 위한 데이터 수집장치의 관성센서는 MEMS 소자로 구성되어 있으므로 제작 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 데이터 수집장치를 소형화할 수 있으므로 진단 대상자가 직접 착용하고 진단받을 수 있어 이를 위한 전용 공간이 필요없게 되는 장점이 있다. 또한, 진단 대상자의 패턴데이터 분석을 통해 잠재 질병을 예측함과 동시에 재활 훈련의 성취도를 정량적으로 산출할 수 있게 되는 장점이 있다.
재활, 균형 감각, 자이로, 가속도계, 관성센서, 모션베이스
Description
도 1은 종래의 평형기능 진단 및 훈련 장치의 구성도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템의 실시예를 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템을 구성하는 각 장치들의 내부 블럭도.
도 4는 본 발명에 의한 균형 측정 알고리즘의 블럭선도.
도 5는 미리 수집된 임상패턴데이터의 시간 영역 분석예.
도 6은 미리 수집된 임상패턴데이터의 주파수 영역 분석예.
도 7a 내지 도 7b는 정상범위 및 이상범위에서의 평형유지 궤적의 분석예.
도 8a 내지 도 8b는 정상범위 및 이상범위에서의 정량화된 평형유지 궤적의 분석예.
본 발명은 재활치료가 필요한 대상의 위한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 진단대상자에게 소정의 시뮬레이션에 의한 액션이 인가되면, 자이로스코프 및 가속도계와 같은 관성센서로 시험체의 움직임을 감지하여 각속도 및 각도 등의 관성데이터를 수집하고, 이를 롤 각도(roll angle)/피치 각도(pitch angle)/이동궤적 등의 패턴데이터로 변환한 후 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교하여 진단대상자의 이상여부를 분석하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템에 관한 것이다.
보행은 인간의 가장 일반적인 일상 활동중의 하나로서 질병이나 부상 등에 의해 발생하는 부적절한 보행은 일상 생활의 불편과 2차적인 장애를 초래하기도 한다. 따라서, 균형 지각 능력에 이상이 있어 부적절한 보행을 행하는 환자에 대하여 시간 또는 거리의 측면에서 그 회복 및 악화의 추이를 검사하는 것은 임상적으로 매우 중요한 의미를 가진다. 특히, 인공 고관절 및 슬관절 대체 시술 이후의 보행 분석, 대퇴 의지(義支) 착용 이후 보행 분석을 통한 정정한 재조정 또는 보정, 뇌졸증 환자 등 재활 훈련을 통한 개선 여부 평가, 노인의 낙상 위험 평가, 적당한 보조기의 선택 등 임상적 활용 범위가 넓어지고 있는 추세이다.
이러한 요구에 발맞추어 다수의 적외선 카메라(IR CCD camera) 및 모션 녹화용 카메라(CCD camera)와 EMG 장비를 구비하는 보행 분석 시스템(Gait Analysis System)이 개시된 바 있으며, 도 1은 이러한 보행 분석 시스템의 구성을 개략적으 로 나타내고 있다.
6개의 적외선 카메라(IR CCD camera)를 통해 시험체의 이동에 따른 각 관절의 공간상 위치 이동 및 이동 속도, 각속도를 측정하고, EMG(Electromyography; 근전력) 장비를 통해 근력의 시간에 따른 추이를 측정하며, 압력 센서를 통해 관절 하중의 변화를 측정한다. 이렇게 측정된 각각의 데이터는 다수의 통신 채널(도면에서는 64채널)을 구비하는 데이터 스테이션으로 전송되어 PC에 전달됨으로써, PC에 구비된 소정의 데이터 분석 프로그램에 의해 진단이 내려지게 된다. 또한, 2개의 모션 캡쳐 카메라(CCD camera)에 의해 촬영된 시험체의 움직임 추이는 비디오 레코더(VHS video recorder)에 녹화되어 차후 영상 진단 분석에 이용된다.
다만, 이러한 종래의 보행 분석 시스템에 의할 경우 시험을 하기 전 위의 각 장비들을 초기화하여 셋팅하는 과정이 복잡하고, 위의 분석 시스템을 구성하는 각 장비들의 부피가 큰 관계로 시스템의 이동 설치가 곤란하여 시험 대상자가 위의 시스템이 구비된 전용 공간을 방문해야만 하는 번거로움이 있으며, 시스템 구축 비용이 고가이므로 실질적인 임상 시험보다는 연구 목적으로 사용되는 경향이 있고, 시험체의 보행 측정에 있어 3~4 번의 걸음걸이 동안에 대한 정보만이 측정되어 측정 정보의 신뢰도에 한계를 가지는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 제안된 것으로서, MEMS 관성센서가 장착된 패턴데이터 수집장치와, 이로부터 패턴데이터를 전송받아 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교 분석하는 진단장치 및 시험체에 소정의 시뮬레이션에 의한 액션을 인가하는 모션베이스로 구성되는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 장치를 제공함으로써, 시스템의 구동을 간소화하고 설치 공간을 최소화하며 시스템 구축비용을 대폭 낮추는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 시험체로부터 수집된 패턴데이터를 분석하여 평형기능의 이상 여부 및 재활 성취도를 파악할 수 있도록 하는 진단장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템은, 전기 에너지를 직선운동의 기계적 에너지로 변환하는 액츄에이터와, 소정의 시뮬레이션 알고리즘에 따라 상기 액츄에이터를 작동시키는 제어부 및 상기 액츄에이터의 일측에 부착되어 시험체를 떠받치기 위한 발판을 포함하는 모션베이스와, 시험체의 임의 방향의 움직임을 감지하는 관성센서와, 상기 관성센서에서 측정된 소정의 관성데이터를 평형기능 진단을 위한 소정의 패턴데이터로 변환하는 DSP(Digital Signal Processor)와, 변환된 패턴데이터를 진단장치로 전송하기 위한 데이터 통신부 및 상기 관성센서, DSP 및 데이터 통신부에 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 데이터 수집장치와, 상기 데이터 수집장치와 데이터를 주고받기 위한 데이터 통신부와, 상기 데이터 전달장치로부터 전송받은 패턴데이터를 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교하여 소정의 진단 결과를 산출하는 데이터 분석부와, 산출된 진단 결과를 출력하는 데이터 출력부를 포함하는 진단장치을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 데이터 수집장치의 관성센서는, 3축 각속도 자이로스코프와 2축 또는 3축 가속도계를 포함하여 이루어지며, 상기 소정의 관성데이터는 상기 자이로스코프로부터의 각속도 데이터 및 상기 가속도계로부터의 각도 데이터를 포함하는 것임을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터 수집장치의 DSP는, 상기 각속도 데이터와 각도 데이터를 소정의 피드백(feedback) 알고리즘에 대입하여 패턴데이터를 산출하게 되며, 상기 패턴데이터는 롤 앵글(roll angle) 데이터와, 피치 앵글(pitch angle) 데이터를 포함하여 이루어지는 것일 수도 있고, 시험체의 평형유지 궤적 데이터일 수도 있다.
또한, 상기 모션베이스는 상기 진단장치와 데이터를 주고받기 위한 데이터 통신부를 더 구비할 수 있으며, 이 경우 상기 진단장치는 사용자의 조작에 따라 상기 모션베이스로 소정의 시뮬레이션 알고리즘 데이터를 전송하기 위한 조작부를 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 모션베이스는 시험체의 체중 이동을 감지하는 로드셀(load cell)을 더 포함할 수 있으며, 상기 로드셀에 의해 측정된 체중 이동 데이터는 상기 모션베이스의 데이터 통신부를 통해 상기 진단장치로 전송된다.
한편, 상기 균형측정, 진단 및 훈련 시스템은 시험체의 모션을 녹화하기 위한 카메라를 더 포함할 수 있으며, 상기 카메라는 상기 진단장치로 촬영된 영상 데이터를 전송하기 위한 데이터 통신부를 더 구비할 수 있다.
상기 진단장치의 임상패턴데이터는, 각기 다른 질환을 보유한 시험체들로부터 수집한 패턴데이터들의 집합이며, 상기 진단장치의 진단 결과는, 당해 시험체의 패턴데이터와 소정의 오차범위 내에서 유사한 패턴데이터를 임상패턴데이터로부터 검색하여 그에 따른 병명(病名)을 추출한 것일 수 있다.
또한, 상기 진단장치의 임상패턴데이터는, 해당 시험체에 대해 소정의 주기마다 수집한 패턴데이터들을 소정 단위의 수치로 정량화한 값들의 집합이며, 상기 진단 장치의 진단 결과는, 당해 시험에서 수집된 패턴데이터를 정량화한 값과 상기 임상패턴데이터 중 최근의 데이터와의 차이를 산출한 것일 수도 있다.
이하, 본 발명의 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 살펴보도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템의 실시예를 도시하는 개략도이다.
본 발명에 의한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템은 크게 데이터 수집장치(210a, 210b), 모션베이스(220a, 220b) 및 진단장치(230a, 230b)로 구성된다. 데이터 수집장치(210a, 210b)는 시험체(진단 대상자)의 무게중심(Center Gravity Point)에 가장 근접한 부분인 허리 부위, 평형감각기관이 모여있는 머리 부위 또는 신체의 중심축을 구성하는 부위 등에 장착되며, 용이한 장착을 위해 신축성 밴드 또는 행거와 같은 고정 수단을 구비하고 있다. 모션베이스(220a, 220b)는 내부에 소정 갯수의 액츄에이터를 구비한 발판 형상을 띄고 있으며, 소정의 시뮬레이션 알고리즘에 의해 다양한 액션을 시험체에 인가한다. 이러한 데이터 수집장치(210a, 210b) 및 모션베이스(220a, 220b)는 진단장치(230a, 230b)와 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 각종 데이터를 주고 받으며, 사용자는 진단장치를 통해 데이터 수집장치(210a, 210b) 및 모션베이스(220a, 220b)를 제어할 수도 있고, 데이터 수집장치(210a, 210b) 및 모션베이스(220a, 220b) 자체에 구동 및 제어를 위한 소정의 입력 수단을 구비할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 의한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템을 구성하는 각 장치들의 내부 블럭도를 도시하고 있다.
먼저, 데이터 수집장치(310)의 구성에 대해 상세하게 살펴보도록 한다.
데이터 수집장치(310)은 관성센서(311, 313)를 통해 시험자에 대한 관성데이터를 획득하게 되며, 이러한 관성센서는 자이로스코프 및 가속도계를 포함하는 개념이다. 본 실시예에서는 특히 3축 각속도 자이로스코프(311)를 이용하여 시험체의 이동 각속도를 측정하고, 2축 또는 3축 가속도계(313)을 이용하여 시험체의 이동 각도를 측정하게 된다. 여기서 사용되는 관성센서는 본 발명에 의한 시스템의 주요 목적 중 하나인 시스템의 경량화(또는 간소화)를 구현하기 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 초소형 정밀기계 시스템)에 의거해 제작된 소자를 이용하는 것이 바람직하다.
DSP(Digital Signal Processor, 디지털 신호 처리기)(315)는 디지털 신호를 고속으로 처리하기 위하여 덧셈·뺄셈·곱셈 등의 반복 연산을 고속으로 처리하기 위한 집적회로를 가리키며, 본 발명에서는 3축 각속도 자이로스코프(311) 및 3축 가속도계(313)를 통해 측정된 각속도 데이터 및 각도 데이터(이러한 두 가지 데이 터를 합하여 관성데이터라 지칭하기로 함)를 소정의 피드백 알고리즘에 따라 진단을 위한 패턴데이터로 변환해주는 역할을 특히 담당한다. 이때, 관성센서(311, 313)에 의해 측정된 각속도 데이터 및 각도 데이터는 아날로그 신호이므로, 이를 디지털 신호로 변환해주기 위한 ADC(Analogue-Digital Converter)(도면에 미도시)가 구비되어야 하며, 바람직하게는 DSP(315)에 내장될 수 있다.
여기서, 본 발명에서의 DSP(315)에 사용되는 소정의 피드백 알고리즘을 도 4를 참고하여 살펴보면 다음과 같다.
3축 자이로스코프(311)로부터 측정된 가속도 값을 각각 Vｘ, Vｙ, Vｚ라 하면, 이를 통해 시험체가 ｘ, ｙ, ｚ 축의 3차원 공간에서 어떤 방향으로 어떠한 속도로 회전했는지를 알 수 있다. 또한, 3축 가속도계(313)로부터 측정된 각도 값을 각각 Γ, Θ라 하면, 이를 통해 시험체가 움직인 정도를 알 수 있게 된다.
이제, 본 발명에 의한 피드백 알고리즘을 순차적으로 살펴보기로 한다.
최초에는, 3축 자이로스코프(311)로부터의 가속도값(Vｘ, Vｙ, Vｚ)(g1)과 3축 3축 가속도계(313)로부터의 각도값(Γ, Θ)(a)을 병합하여, 소정의 초기 패턴데이터(p1)를 생성한다(S400). 이러한 패턴데이터(p1)는 롤 각도(roll angle) 데이터 및 피치 각도(pitch angle) 데이터가 될 수도 있고, 시험체가 움직인 궤적을 소정의 주기마다 파악하여 평면상에 도식화한 이동궤적 데이터가 될 수도 있다.
이렇게 생성된 패턴데이터(p1)에 소정의 비례게인(K
p )을 곱하여 특정 수준으로 응답속도를 조절하는 한편(p2), 위 생성된 패턴데이터에 소정의 적분게인(K
i )을 곱하여 적분(401)함으로써 적분 오차를 줄인 후(p3), 이들 각각의 결과값(p2, p3)를 병합한다(p4)(S402).
이제, 이후부터 측정된 가속도값(Vｘ, Vｙ, Vｚ)(g1)에 위 최종 병합되어 산출된 값(p4)를 병합한 후(g2), 이를 다시 적분(403)하여 오차를 누적시킨 값과 이후 측정된 각도값(Γ, Θ)(a)에 대하여 S400 내지 S402 단계를 시험 종료시까지 반복한다(S404). 이와 같은 알고리즘에 의해 변환되어 산출된 패턴데이터의 양태에 대하여는 도 5 내지 도 8에서 확인할 수 있다.
데이터 수집장치(310)의 데이터 통신부(317)는 DSP(315)에서 산출된 패턴데이터를 진단장치(330)로 전송하는 역할을 담당한다. 이와 같은 데이터 통신부(317)는 적외선 통신을 포함하는 광통신 또는 블루투스 등과 같은 직렬무선통신을 이용하거나, USB 또는 UART 등과 같은 직렬유선통신을 이용하여 진단장치(330)와 데이터 통신을 수행할 수 있다.
한편, 데이터 수집장치(310)에는 소정의 제어신호에 따라 관성센서(311, 313), DSP(315) 및 데이터 통신부(317)을 구동시키기 위한 제어부(도면에 미도시)가 더 구비될 수 있으며, 위와 같은 제어신호는 데이터 수집장치(310)에 마련된 조작부(도면에 미도시)에 의해 생성될 수도 있고 데이터 통신부(317)를 통해 진단장치(330)로부터 원격으로 전송받을 수도 있다.
전원부(319)는 위와 같은 3축 각속도 자이로스코프(311), 2축 또는 3축 가속도계(313), DSP(315), 제어부 및 데이터 통신부(317)에 각각 소정의 직류 전원을 공급한다.
다음으로, 모션베이스(320)에 대해 살펴보기로 한다.
모션베이스(320)는 시험체에 소정의 시뮬레이션 알고리즘에 의한 액션을 인가하는 역할을 담당하며, 이와 같은 액션을 발생시키기 위한 수단으로 특히 액츄에이터(323)를 구비한다. 액츄에이터는 공기압, 유압 또는 전기에너지를 공급받아 직선운동이나 회전운동의 기계적 에너지로 변환해주는 기계 요소이며, 본 발명에서는 시험체에 롤링(rolling) 액션 및 피칭(pitching) 액션을 인가하기 위해 최소한 2개 이상의 액츄에이터가 구비될 수 있다.
이러한, 액츄에이터(323)는 제어부(325)의 제어에 의해 구동되며, 특히 소정의 시뮬레이션 알고리즘에 의해 롤링 및 피칭 액션을 교합함으로써 규칙적 또는 불규칙적인 액션 패턴을 연출한다. 이 경우, 롤링 및 피칭 액션에 의한 최대 기울기는 15°내외가 되는 것이 바람직하다.
액츄에이터(323)의 일 끝단에는 시험체의 발을 지탱하면서 액츄에이터의 기계 운동이 시험체에 원활하게 전달될 수 있도록 하는 발판(321)이 마련되어 있다.
한편, 모션베이스(320)에는 시험체의 전후좌우의 체중 이동을 감지하여 시험체의 평형상태를 판단하는 보조 센서로서 로드셀(load cell)(도면에 미도시)이 더 구비될 수 있다.
모션베이스(320)의 데이터 통신부(327)는 진단장치(330)로부터 모션베이스 (320)의 구동에 관련된 각종 제어신호 또는 소정의 시뮬레이션 알고리즘 데이터를 전송받기 위해 구비되며, 로드셀이 구비된 경우 로드셀에 의해 측정되는 체중 이동 데이터를 진단장치(330)로 전송하는 데에도 이용될 수 있다. 진단장치(330)로부터 새로운 시뮬레이션 알고리즘 데이터를 전송받은 경우 기존의 시뮬레이션 알고리즘은 이로 인해 갱신되며 이후로부터는 갱신된 알고리즘에 의해 액션이 전개된다. 이때, 새로운 시뮬레이션 알고리즘은 모션베이스(320)에 추가적으로 저장될 수도 있으며 이후로부터는 다수의 알고리즘 중에서 선택된 특정 알고리즘에 의해 액션이 전개된다. 이와 같은 데이터 통신부(327)는 적외선 통신을 포함하는 광통신 또는 블루투스 등과 같은 직렬무선통신을 이용하거나, USB 또는 UART 등과 같은 직렬유선통신을 이용하여 진단장치(330)와 데이터 통신을 수행할 수 있다.
마지막으로, 진단장치(330)에 대해 살펴보기로 한다.
진단장치(330)의 데이터 통신부(331)는 데이터 수집장치(310) 또는 모션베이스(320)와 유/무선 통신을 통해 데이터를 주고받는 역할을 담당함은 먼저 살펴본 바와 같다.
데이터 분석부(333)는 데이터 수집장치(310)로부터 전송받은 시험자의 패턴데이터를 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교하여 소정의 진단 결과를 산출하는 역할을 담당한다.
여기서, 임상패턴데이터가 각기 다른 질환을 보유한 시험체들로부터 수집한 패턴데이터들의 집합(제 1 데이터베이스)인 경우라면, 그에 대한 진단 결과는 당해 시험체의 패턴데이터와 소정의 오차범위 내에서 유사한 패턴데이터를 임상패턴데이터(제 1 데이터베이스)로부터 검색하여 그에 따른 병명(病名)을 추출한 것이 될 것이다. 이러한 경우의 임상패턴데이터에 대한 실시예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있 다.
도 5는 미리 수집된 임상패턴데이터의 시간 영역 분석예를 도시하고 있고, 도 6은 주파수 영역 분석예를 도시하고 있다. 여기서의 패턴데이터는 특히 관성데이터가 데이터 수집장치(310)의 DSP(315)를 통해 롤 각도 및 피치 각도로 변환된 경우를 상정한다.
먼저, 시간 영역(time domain)에서의 롤 각도(Roll Angle) 및 피치 각도(Pitch Angle)에 대한 임상패턴데이터를 살펴보면, 정상인의 롤 각도(501) 및 피치 각도(507)의 크기는 영점에서 크게 벗어나지 않음을 알 수 있고, 관절염 환자의 롤 각도(503) 및 피치 각도(509)는 영점에서 ±10°정도 벗어나 있고 주기가 0.3~0.4 정도임을 알 수 있으며, 의지 환자의 롤 각도(505) 및 피치 각도(511)는 영점에서 ±10°정도 벗어나 있다는 점에서는 관절염 환자와 유사하나 주기는 2.5~2.8 정도라는 점에서 관절염 환자와 상이함을 알 수 있다.
다음으로, 주파수 영역(frequency domain)에서의 롤 각도(Roll Angle) 및 피치 각도(Pitch Angle)에 대한 임상패턴데이터를 살펴보면, 정상인의 롤 각도(601) 및 피치 각도(607)의 크기는 영점에서 크게 벗어나지 않음을 알 수 있고, 관절염 환자의 롤 각도(603)의 크기는 약 500 dB 정도이고 1 Hz, 5 Hz , 5 Hz 영역에서 움직임이 있었음을 알 수 있으며, 관절염 환자의 피치 각도(609)는 2 Hz 영역에서 1500 dB의 큰 움직임이 있었다는 것을 알 수 있다. 또한, 의지 환자의 롤 각도(605) 및 피치 각도(611)는 1 Hz 영역에서 각각 15000 dB 및 5000 dB의 크기를 기록했다는 것을 알 수 있다.
이러한 환자의 질환은 비단 위의 2가지에 그치지 않으며 다양한 종류의 질환에 확장됨이 바람직할 것이고, 그에 따른 임상패턴데이터의 데이터 집합(제 1 데이터베이스)은 좀 더 충실한 대비 자료로 사용될 수 있을 것이다.
만약, 당해 시험에 의해 측정된 패턴데이터의 시각 영역 또는 주파수 영역에서의 롤 각도 또는 피치 각도 데이터를 알 수 있다면 이와 동일 또는 소정의 오차범위에서 유사한 패턴데이터를 위의 제 1 데이터베이스로부터 검색한 후 그에 따른 병명(病名)을 추출할 수 있다. 이로써, 진단 대상자(시험체)는 본인이 현재 어떤 질환을 앓고 있는지를 판별할 수 있으며, 이후로는 재활 치료에 임하여 현재 상태가 악화되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 임상패턴데이터가 해당 시험체에 대해 소정의 주기마다 수집한 패턴데이터들을 소정 단위의 수치로 정량화한 값들의 집합(제 2 데이터베이스)인 경우라면, 그에 대한 진단 결과는 당해 시험에서 수집된 패턴데이터를 정량화한 값과 상기 임상패턴데이터(제 2 데이터베이스) 중 최근의 데이터와의 차이를 산출한 것이 될 것이다. 이러한 경우의 임상패턴데이터 및 당해 시험에 의해 수집된 패턴데이터에 대한 실시예가 도 7a, 도 7b 및 도 8a, 도 8b에 도시되어 있다.
도 7a 및 도 7b는 각각 정상인 및 비정상인의 움직임에 대하여 미리 수집한 패턴데이터 및 당해 진단 대상자(시험체)가 각각 정상인 및 비정상인인 경우에 있어서 수집된 패턴데이터의 분석예를 도시하고 있고, 도 8a 및 도 8b는 각각 정상인 및 비정상인의 움직임에 대하여 미리 수집한 패턴데이터를 정량화한 임상패턴데이 터 및 당해 진단 대상자(시험체)가 각각 정상인 및 비정상인인 경우에 있어서 수집된 패턴데이터를 정량화한 경우의 분석예를 도시하고 있다. 여기서의 패턴데이터는 특히 관성데이터가 데이터 수집장치(310)의 DSP(315)를 통해 평형유지 궤적 데이터로 변환된 경우를 상정한다.
먼저, 정상인의 움직임에 대한 임상패턴데이터 및 당해 시험에 의한 패턴데이터를 살펴보면, 임상패턴데이터는 정상인에 대하여 미리 측정된 패턴데이터 즉, 평형유지 궤적 데이터를 평균화하는 등의 방법으로 정량화하여 산출된 소정의 수치값을 가리키며 그래프에는 그 수치(반지름)를 가지는 원(기준원)으로 표시된다. 당해 시험에 의해 측정된 패턴데이터 즉, 평형유지 궤적 데이터는 불규칙한 곡선으로 수 개의 찌그러진 원(701a) 또는 타원(703a)을 그리며 그래프의 기준원 내부에 표시되며, 설사 약간의 비대칭적인 움직임이 있더라도 그 이동의 범위가 기준원의 이내라면 이 역시 정상인으로 판정받을 수 있다.
또한, 비정상인의 움직임에 대한 임상패턴데이터 및 당해 시험에 의한 패턴데이터를 살펴보면, 임상패턴데이터가 소정의 기준원으로 표시되는 것과 당해 시험에 의해 측정된 패턴데이터 즉, 평형유지 궤적 데이터는 불규칙한 곡선으로 수 개의 찌그러진 원(701b) 또는 타원(703b)을 그리며 그래프에 표시되는 것은 위의 경우와 동일하다. 그러나, 그 원 또는 타원의 이동 범위가 기준원의 범위 밖이므로 이러한 경우에는 비정상인으로 판정받게 된다.
이로써, 도 5 또는 도 6에서와 유사하게 진단 대상자가 현재 앓고 있는 병명을 미리 알아냄으로써 재활 치료에 임할 수 있도록 하는 효과를 기대할 수 있게 된 다.
다음으로, 정상인의 움직임에 대한 임상패턴데이터 및 당해 시험에 의한 패턴데이터가 정량화된 경우를 살펴보면, 임상패턴데이터가 소정의 기준원으로 표시되는 것은 위의 경우와 동일하며, 다만 이 경우에는 임상패턴데이터와 마찬가지로 당해 시험에 의한 패턴 데이터 역시 그 평형유지 궤적 데이터를 평균화하는 등의 방법으로 정량화하여 산출된 소정의 수치값을 원(평균원) 또는 직선(비대칭량)으로 하여 그래프에 표시된다. 정상인의 경우 평균원(801a) 또는 비대칭량(803a)이 기준원의 내부 범위에 존재하는 것을 알 수 있다.
또한, 비정상인의 움직임에 대한 임상패턴데이터 및 당해 시험에 의한 패턴데이터가 정량화된 경우를 살펴보면, 임상패턴데이터가 소정의 기준원으로 표시되는 것과 당해 시험에 의한 패턴 데이터가 정량화되어 소정의 원(평균원) 또는 직선(비대칭량)으로 하여 그래프에 표시된다는 것은 위의 경우와 동일하다. 다만, 비정상인의 경우에 있어서 평균원(801b) 또는 비대칭량(803b)은 기준원의 범위를 벗어나게 됨을 알 수 있다. 또한, 이 경우에 있어 평균원(801b)의 면적을 계산하여 진단 대상자의 균형 능력을 수치화할 수 있고, 비대칭량(803b)의 길이 및 각도를 측정하여 비대칭 정도를 수치화할 수 있다.
이로써, 진단 대상자가 이미 자신의 병명을 알고 있는 상태이고 재활 치료를 받고 있는 상황이라면 주기적으로 본 발명에 의한 재활 치료 시스템을 이용하여 패턴데이터를 측정하여 수치화된 데이터를 비교 분석함으로써, 소정 기간동안의 회복 여부 또는 악화 여부의 추이를 알아낼 수 있게 된다.
한편, 진단장치(330)의 출력부(335)는 위와 같은 임상패턴데이터 및 당해 시험에 의한 패턴데이터를 비교한 진단 결과를 출력해 주는 역할을 담당하며, 콘솔 또는 프린터 등으로 구현될 수 있다.
또한, 진단장치(330)의 조작부(337)는 사용자의 조작에 따라 모션베이스 (320)로 소정의 시뮬레이션 알고리즘 데이터를 전송하거나, 데이터 수집장치(310) 또는 모션베이스(320)에 그 구동을 위한 소정의 제어신호를 전송하기 위해 키패드, 터치스크린, 소정의 메뉴 등의 입력 수단을 제공한다.
이러한 진단장치(330)는 PC로 구현될 수 있으며, 이 경우 데이터 분석부(333)는 소정의 진단 응용 프로그램으로 구현될 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템은 시험체의 움직임을 실시간으로 또는 녹화하여 모니터링하기 위한 카메라(도면에 미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 모니터상에 시험체의 화상을 출력하여 시험체가 스스로 자신의 모습을 보면서 시험에 임하거나 진단자가 화면을 분석하여 간과할 수 있는 정보들을 시각적으로 확인할 수 있게 된다. 이러한, 카메라에는 진단장치와 데이터를 주고받기 위한 데이터 통신부가 구비될 수 있으며, 유선 또는 무선 통신을 이용하여 화상 데이터를 전송할 수 있다.
이상 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
위와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 관성데이터 수집을 위한 데이터 수집장치의 관성센서를 MEMS 소자로 구성함으로써 제작 단가를 낮출 수 있을뿐만 아니라, 데이터 수집장치를 소형화하여 시험체가 직접 착용하고 진단 받도록 하고 시험체에 소정의 액션을 인가하는 모션베이스 또한 이동이 용이하므로 재활 치료를 위한 전용 공간을 요하지 않는다는 점에서 유용하다. 또한, 진단대상자의 패턴데이터 분석을 통해 잠재 질병을 예측함과 동시에 재활 훈련의 성취도를 정량화함으로써 좀 더 과학적인 재활훈련이 가능하도록 한다.
Claims (17)
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- 전기 에너지를 직선운동의 기계적 에너지로 변환하는 액츄에이터와, 소정의 시뮬레이션 알고리즘에 따라 상기 액츄에이터를 작동시키는 제어부 및 상기 액츄에이터의 일측에 부착되어 시험체를 떠받치기 위한 발판을 포함하는 모션베이스;3축 각속도 자이로스코프와 2축 또는 3축 가속도계를 포함하여 시험체의 임의 방향의 움직임을 감지하는 관성센서와, 상기 관성센서에서 측정된 상기 자이로스코프로부터의 각속도 데이터 및 상기 가속도계로부터의 각도 데이터를 포함하는 소정의 관성데이터를 소정의 피드백(feedback) 알고리즘에 대입하여 평형기능 진단을 위한 소정의 패턴데이터로 변환하는 DSP(Digital Signal Processor)와, 변환된 패턴데이터를 진단장치로 전송하기 위한 데이터 통신부 및 상기 관성센서, DSP 및 데이터 통신부에 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 데이터 수집장치;상기 데이터 수집장치와 데이터를 주고받기 위한 데이터 통신부와, 상기 데이터 전달장치로부터 전송받은 패턴데이터를 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교하여 소정의 진단 결과를 산출하는 데이터 분석부와, 산출된 진단 결과를 출력하는 데이터 출력부를 포함하는 진단장치;을 포함하여 구성되는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 패턴데이터는,롤 앵글(roll angle) 데이터와, 피치 앵글(pitch angle) 데이터를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 패턴데이터는,시험체의 평형유지 궤적 데이터임을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 모션베이스는,상기 진단장치와 데이터를 주고받기 위한 데이터 통신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 진단장치는,사용자의 조작에 따라 상기 모션베이스로 소정의 시뮬레이션 알고리즘 데이터를 전송하기 위한 조작부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 모션베이스는 시험체의 체중 이동을 감지하는 로드셀(load cell)을 더 포함하며, 상기 로드셀에 의해 측정된 체중 이동 데이터는 상기 모션베이스의 데이터 통신부를 통해 상기 진단장치로 전송되는 것을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 균형측정, 진단 및 훈련 시스템은,시험체의 모션을 녹화하기 위한 카메라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 9 항에 있어서,상기 카메라는, 상기 진단장치로 촬영된 영상 데이터를 전송하기 위한 데이터 통신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 4 항 내지 제 5 항 중 어느 일항에 있어서,상기 진단장치의 임상패턴데이터는, 각기 다른 질환을 보유한 시험체들로부터 수집한 패턴데이터들의 집합이며,상기 진단장치의 진단 결과는, 당해 시험체의 패턴데이터와 소정의 오차범위 내에서 유사한 패턴데이터를 임상패턴데이터로부터 검색하여 그에 따른 병명(病名)을 추출한 것임을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
- 제 4 항 내지 제 5 항 중 어느 일항에 있어서,상기 진단장치의 임상패턴데이터는, 해당 시험체에 대해 소정의 주기마다 수집한 패턴데이터들을 소정 단위의 수치로 정량화한 값들의 집합이며,상기 진단 장치의 진단 결과는, 당해 시험에서 수집된 패턴데이터를 정량화한 값과 상기 임상패턴데이터 중 최근의 데이터와의 차이를 산출한 것임을 특징으로 하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템.
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- 시험체에 소정 패턴의 액션을 인가하는 모션베이스와, 시험체의 패턴데이터를 미리 저장된 임상패턴데이터와 비교하여 시험체의 이상여부를 분석하는 진단장치를 포함하는 평형기능 측정, 진단 및 훈련 시스템에서 상기 진단장치에 시험체의 패턴데이터를 제공하기 위한 장치에 있어서,3축 각속도 자이로스코프와 2축 또는 3축 가속도계를 포함하여 시험체의 임의 방향의 움직임을 감지하는 관성센서;상기 관성센서에서 측정된 상기 자이로스코프로부터의 각속도 데이터 및 상기 가속도계로부터의 각도 데이터를 포함하는 소정의 관성데이터를 소정의 피드백(feedback) 알고리즘에 대입하여 평형기능 진단을 위한 소정의 패턴데이터로 변환하는 DSP(Digital Signal Processor);변환된 패턴데이터를 진단장치로 전송하기 위한 데이터 통신부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평형기능 측정 장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 패턴데이터는,롤 앵글(roll angle) 데이터와, 피치 앵글(pitch angle) 데이터를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 평형기능 측정 장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 패턴데이터는,시험체의 평형유지 궤적 데이터임을 특징으로 하는 평형기능 측정 장치.
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