KR100705753B1 - An apparatus for predicting operation results of equinus gait - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치에 관한 것으로서, 첨족보행 환자의 보행 1주기를 추적하여 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 측정하고, 동작 분석기로 측정한 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 토대로 관절 및 근·건의 역학정보와 지표정보를 분석하고, 분석된 관절 및 근·건의 역학정보와 지표정보의 분석 데이터를 토대로 근·건 수술을 가상으로 수행한 후 근·건 수술 전후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행하고, 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보를 비교 분석하며, 시뮬레이션 결과와 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보가 일치하면 해당 근·건 가상 수술에 사용된 데이터를 토대로 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 생성한다.Disclosed information relates to a device for predicting surgical outcomes of acute pedestrian patients, and tracks one cycle of pedestrian walking patients to measure joint position and muscle and tendon position information and ground reaction information, and to measure joint, muscle, and suggestion by motion analyzer. Analyze the dynamics and index information of joints, muscles and tendons based on the positional information and ground reaction information, and perform the muscle and tendon surgery virtually based on the analyzed data of the joints and muscles and tendons. Perform pedestrian prediction simulation for pre and post-operative evaluation, compare and analyze the results of pedestrian prediction simulation with joint and muscle and tendon information of normal people, and the simulation results and joint and muscle information of normal person If the data and the indicator information match, the prescribing data about the patient's symptoms and the actual surgery are based on the data used for the virtual muscle tendon surgery. Create data to be applied.
따라서, 본 발명은 첨족보행 환자의 정량적 진단 및 재활 과정 평가를 수행할 수 있고, 예측 시뮬레이션을 통해 수술 전·후를 예측하여 최적화된 수술을 시행할 수 있으며, 임상 전문가들이 손쉽게 접근할 수 있으므로 시간, 비용, 인력의 절감을 이룰 수 있다.Therefore, the present invention can perform the quantitative diagnosis and rehabilitation process evaluation of the pedestrian walking patient, predict the pre- and post-operative surgery through predictive simulation to perform the optimized surgery, easy access by clinical professionals time This can lead to cost savings and manpower.
첨족보행, 보행분석, 근·건, 관절, 진단 지표, 예측 시뮬레이션 Peak walking, gait analysis, muscle and tendon, joint, diagnostic index, prediction simulation
Description
도 1은 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도,1 is a block diagram schematically showing the configuration of a surgical result predicting device of the spiree walking patient according to the present invention,
도 2는 본 발명에 사용되는 첨족보행 환자의 보행 분석 과정을 설명하기 위한 도면,Figure 2 is a view for explaining a gait analysis process of the cusp walking patient used in the present invention,
도 3은 본 발명의 보행 분석에 사용되는 광학 마커가 부착되는 하지의 해부학적 위치 및 첨족보행 환자의 질환이 발생하는 근·건의 모식도,Figure 3 is a schematic diagram of the muscles and tendon in which the anatomical position of the lower limb to which the optical marker used in the gait analysis of the present invention is attached and the disease of the acute pedestrian patient occurs;
도 4는 첨족보행 환자의 관절역학 분석을 위한 관절모델의 개요도,4 is a schematic diagram of a joint model for the analysis of joint dynamics of the spiree walking patient,
도 5는 근·건의 수학적 모델을 위한 무릎과 발목의 해부학적 모식도,5 is an anatomical schematic of the knee and ankle for the mathematical model of muscles and tendons,
도 6은 첨족보행 환자의 족부 움직임 특성을 평가하여 증상 정도를 수치로 지표화하기 위한 모델의 개요도,FIG. 6 is a schematic diagram of a model for evaluating foot movement characteristics of a cusp walking patient and numerically indicating a symptom degree; FIG.
도 7은 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.Figure 7 is a flow chart illustrating in detail the operation of the surgical result predicting device of the spiky walking patient according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 동작 분석기100: motion analyzer
200 : 데이터 분석부200: data analysis unit
300 : 데이터베이스300: database
400 : 시뮬레이션 모듈부400: simulation module
500 : 비교 분석부500: comparative analysis unit
600 : 디스플레이부600: display unit
본 발명은 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for predicting the surgical outcome of a cusp walking patient.
보다 상세하게는 첨족보행 환자의 근(근육)·건(힘줄) 및 관절의 운동학적, 운동역학적 정보를 측정하여 정상인 정보와 비교, 분석함으로써, 근·건의 경직 및 단축정도를 정량적으로 판단하고, 근·건 수술의 예측 시뮬레이션을 통해 수술결과를 예측하여 정확한 수술을 시행할 수 있도록 하는 첨족보행 환자의 진단과 수술결과 예측장치 및 그 방법에 관한 것이다.More specifically, by measuring and analyzing the kinematic and kinematic information of the muscles (muscles), tendons, and joints of the scapular pedestrians and comparing them with the normal information, quantitatively determining the stiffness and shortening of the muscles and tendons, The present invention relates to a diagnosis of acute pedestrian patients, a surgical result predictive device, and a method for predicting a surgical result by performing a simulation of muscle and tendon surgery.
일반적으로 근·건에 대한 수술로, 근육의 경직성을 줄이고 근육의 단축을 교정하기 위하여 건 절단술(Tenotomy), 건 연장술(Tendon lengthening), 근 절개술(Myotomy), 근막 연장술(Aponeurotic lengthening), 근 후퇴술(Muscle recession) 등이 사용되며, 근육의 불균형을 교정하기 위하여 건 이전술(Tendon transfer), 근 이전술(Muscle transfer) 등이 사용된다.In general, surgery on the muscles and tendons, in order to reduce muscle stiffness and correct muscle shortening, Tenotomy, Tendon lengthening, Myotomy, Aponeurotic lengthening, Muscle retraction Muscle recession is used, and tendon transfer and muscle transfer are used to correct muscle imbalance.
그러나, 근·골격계에 이상이 있는 환자를 진단할 경우, 보편적으로 X-ray, 자기공명장치(Magnetic Resonance Imaging, MRI), 컴퓨터 단층 촬영장치(Computer Tomography, CT)와 같은 영상장비를 이용하였기 때문에 환자가 앉아 있거나 누워있는 정적상태에 대하여 측정이 가능할 뿐, 환자가 보행하거나 일상생활을 하는 동적상태를 측정하여 진단에 이용할 수 없는 문제점이 있었다.However, when diagnosing a patient with abnormalities in the musculoskeletal system, imaging equipment such as X-rays, magnetic resonance imaging (MRI), and computer tomography (CT) are commonly used. It is possible to measure the static state of the patient sitting or lying down, there was a problem that can not be used for diagnosis by measuring the dynamic state of the patient walking or daily life.
이에 따라 최근에는 환자의 운동상태를 분석하는 보행분석장치가 개발되어 진단에 활용하고 있지만, 이러한 보행분석장치를 사용하여 운동분석을 실시할 경우에도 관절의 상대각, 모멘트, 파워 등에 대한 육안평가가 이루어질 뿐, 수술 및 처방은 분석 전문가의 임상적인 경험이나 주관적인 판단에 의존해 온 실정이다. 따라서, 기존의 보행분석방법으로 근·골격계 환자를 진단 및 평가하는 것은 근·건의 역학적 정보를 측정할 수 없을 뿐만 아니라, 정보의 수집, 처리, 분석, 정상인 정보와의 비교 등 여러 단계를 거쳐야 하기 때문에 환자들이 많은 시간을 낭비하게 되었으며, 각 단계마다 분석 전문가나 임상 전문가가 필요하기 때문에 인력 낭비로 인한 진료비 상승 등의 문제점이 발생하였다.Recently, a gait analysis device for analyzing a patient's motion state has been developed and utilized for diagnosis. However, even when performing a motion analysis using such a gait analysis device, a visual evaluation of a joint's relative angle, moment, and power is performed. Surgery and prescription has only been based on the clinical experience or subjective judgment of the analytical expert. Therefore, diagnosing and evaluating musculoskeletal patients with conventional pedestrian analysis method cannot not only measure the epidemiological information of muscle and tendon but also have to go through various steps such as collecting, processing, analyzing, and comparing with normal information. As a result, patients waste a lot of time, and each step requires an analytical expert or a clinical expert.
그러므로 첨족보행 환자들의 증상 정도에 적합한 진단 및 처방을 위하여 근·건의 운동학적, 운동역학적 모델을 통해 정량적인 지표를 제시하고, 근·건의 모델을 이용하여 수술 전·후의 환자 상태를 자동으로 예측할 수 있는 통합 솔루션 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, quantitative indicators can be presented through kinematic and kinematic models of muscle and tendon for diagnosis and prescription according to the symptom level of the patients with acute gait walking, and the patient's model can be automatically predicted before and after surgery. Development of integrated solutions is urgently needed.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 보행 동작 중 발생하는 근·골격계 환자의 운동학적 정보를 정상인의 정보와 비교, 분석하여 질환을 정량적으로 진단하고, 재활 과정을 평가할 수 있도록 하는 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention to solve the above-mentioned problems, by comparing and analyzing the kinematic information of the musculoskeletal patients during the walking operation with the information of the normal person to quantitatively diagnose the disease and to evaluate the rehabilitation process The present invention provides a device for predicting surgical outcome of walking patients.
본 발명의 다른 목적은, 근·골격계 환자의 운동학적 정보를 토대로 근·건의 수술전 예비 평가를 위한 시뮬레이션을 수행할 수 있는 모델을 제시함으로써, 최적화된 수술이 이루어질 수 있도록 하는 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention, by presenting a model that can perform a simulation for preoperative preoperative evaluation of the muscle and tendon based on the kinematic information of the musculoskeletal patients, the operation of the pedestrian walking patient to achieve the optimized surgery The present invention provides a prediction apparatus.
본 발명의 또 다른 목적은, 근·골격계 환자의 보행 분석시 수행되는 정보의 수집, 처리, 분석, 비교 등의 여러 단계의 작업을 통합적인 솔루션으로 수행함으로써, 시간과 인력의 제약으로부터 벗어나고, 임상 전문가들이 쉽고 간편하게 이용할 수 있도록 하는 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to remove the limitations of time and manpower by performing an integrated solution of various steps of collecting, processing, analyzing, and comparing information performed during gait analysis of musculoskeletal patients. The present invention provides a device for predicting the surgical outcome of a pedestrian patient that can be easily and conveniently used by experts.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치는, 첨족보행 환자의 보행 1주기를 추적하여 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 측정하는 동작 분석기와, 동작 분석기에서 측정된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 분석하여 해당 환자의 동적상태에서의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 질환 정도에 따른 지표정보를 정량화하는 데이터 분석부와, 기존 환자 및 정상인의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 저장하고 있으며, 데이터 분석부에서 분석된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 저장하는 데이터베이스와, 시술자의 조작에 따라 데이터베이스에 저장된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 토대로 근·건 수술을 가상으로 수행하며, 가상으로 수행된 근·건 수술 후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행하는 시뮬레이션 모듈부와, 시뮬레이션 모듈부에서 수행된 근·건 수술 후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션 결과와 데이터베이스에 저장된 정상인의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 비교 분석하고, 비교 결과 해당 첨족보행 환자의 시뮬레이션 결과가 정상인의 정보와 일치하면 해당 근·건 가상 수술에 사용된 데이터를 토대로 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 생성하는 비교 분석부와, 데이터 분석부에서 수행된 첨족보행 환자의 동적상태에서의 분석 결과를 디스플레이하고, 시뮬레이션 모듈부에서 수행된 가상의 수술 및 수술 후의 보행예측 시뮬레이션 결과를 디스플레이하며, 비교 분석부에서 생성된 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Surgery result predicting device of the spiking pedestrian patient according to the present invention for achieving this object, the motion analyzer to measure the position information and ground reaction information of the joint and muscle and tendon by tracking one cycle of the spiking pedestrian patient, motion analyzer A data analysis unit for analyzing the position information and ground reaction information of the joint, muscle and tendon of the cusp walking patient, and quantifying the mechanical information of the joint and muscle and tendon in the patient's dynamic state and the indicator information according to the degree of disease, It stores the mechanical and index information of the joints, muscles, and muscles of existing patients and normal people, and the database that stores the mechanical and index information of the joints, muscles, and muscles of the patients who have been analyzed by the data analysis unit. Therefore, muscle and tendon surgery was performed based on the mechanical and index information of joints, muscles, and tendons of the pedestrians walking in the database. Simulation module for performing walking prediction simulation for postoperative muscle and tendon surgery performed virtually, and pedestrian prediction simulation results for muscle and tendon surgery performed in the simulation module and stored in the database. Analyze the mechanical and index information of the joints, muscles and tendon of normal people and compare the results.If the simulation results of the acute walking patient match the information of normal people, the patient's symptoms are based on the data used in the virtual surgery of the muscle and tendon. Comparative analysis unit for generating prescription data and data to be applied to the actual operation, and display the analysis results in the dynamic state of the peak walking patient performed in the data analysis unit, and simulated surgery and postoperative walking performed in the simulation module unit Display predictive simulation results, generated by comparative analysis It characterized in that it comprises a display for displaying the data to be applied to the prescription data and the actual operation of the symptom of the patient.
또한, 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 진단과 수술결과 예측방법은, 기존 환자 및 정상인의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보, 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 질환 정도에 따른 지표정보를 정량화하기 위한 모듈을 데이터 베이스로 구축하는 단계와, 동작 분석기를 사용하여 첨족보행 환자의 보행 1주기를 추적하여 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 측정하는 단계와, 데이터 분석부에서 동작 분석기로 측정한 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 토대로 관절 및 근·건의 역학정보와 질환 정도에 따른 지표정보를 분석하는 단계와, 시뮬레이션 모듈부에서 데이터 분석부에서 분석한 관절 및 근·건의 역학정보와 지표정보의 분석 데이터를 참조하는 시술자의 조작에 따라 근·건 수술을 가상으로 수행하는 단계와, 시뮬레이션 모듈부에서 가상으로 수행된 근·건 수술 결과 데이터를 토대로 근·건 수술 전후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행하는 단계와, 비교 분석부에서 근·건 수술 전후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 데이터베이스에 저장된 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보를 비교 분석하는 단계와, 비교 분석부의 비교 결과 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보가 일치하는지를 판단하는 단계와, 판단 결과 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보가 일치하면, 비교 분석부에서 해당 근·건 가상 수술에 사용된 데이터를 토대로 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 생성하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the method of diagnosing acute pedestrians and predicting the outcome of surgery may be performed according to the mechanical and index information of the joints, muscles, and tendons of the existing patients and normal people, and the mechanical information and the degree of disease of the joints, muscles, and tendons of the pleural patients. Building a module to quantify the indicator information as a database, measuring the joint and muscle and tendon position information and ground reaction information by tracking one cycle of the pedestrian walking using a motion analyzer, and analyzing the data Analyze joint and muscle and tendon dynamics information and index information according to disease level based on joint position and muscle and tendon position information measured by motion analyzer in the unit, and analyze by data analysis unit in simulation module Performing muscle and tendon surgery virtually according to the operator's manipulation referencing the analytic data of joint and muscle and tendon and index information Performing gait prediction simulation for pre and post muscle and tendon surgery evaluation based on the virtual and tendon surgery result data virtually performed in the simulation module unit; Comparing and analyzing the results of the pedestrian prediction simulation, joint and muscle and tendon information and indicator information of the normal person stored in the database, and the result of performing the pedestrian prediction simulation and the joint and muscle and tendon information of the normal person And the step of judging whether the indicator information matches, and if the result of the gait prediction simulation and the joint and muscle and tendon information and indicator information of the normal person match, the data used for the corresponding muscle and tendon surgery in the comparison analysis unit. To generate prescription data about the patient's symptoms and data to be applied to the actual surgery. The following is characterized by including the step.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the surgical result predicting device of the spiky walking patient of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.Figure 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the surgical results predicting device of the pointed foot walking patient according to the present invention.
도시된 바와 같이, 동작 분석기(100)는 첨족보행 환자의 보행 1주기를 추적하여 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 측정하고, 측정된 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 데이터 분석부(200)로 출력한다.As shown in the figure, the
상술한 동작 분석기(100)는, 동적상태 궤적의 측정대상인 첨족보행 환자 하지의 주요 해부학적 위치에 부착되는 복수의 광학 마커(Reflective marker; 도시 생략))와, 근전도 측정 대상인 첨족보행 환자 하지의 주요 해부학적 위치에 부착되는 복수의 근전도(EMG; Electroromyogram) 전극(도시 생략)과, 복수의 광학 마커를 부착한 첨족보행 환자의 보행 1주기 동안의 위치정보를 촬영하는 복수의 적외선 카메라(130)와, 첨족보행 환자가 직선 보행을 하는 일정 공간상에 설치되며, 해당 첨족보행 환자가 지면을 지지할 때 발생하는 지면반력을 측정하는 복수의 지면 반력기(140)와, 복수의 광학 마커를 부착한 첨족보행 환자를 촬영한 복수의 적외선 카메라(130)로부터 입력되는 3차원 좌표값을 토대로 3차원 영상을 구성하여 해당 환자의 관절 및 근·건의 위치정보를 도출하는 모션 캡쳐기(150)로 구성된다.(도 2 참조)The
이때, 광학 마커는 16개, 근전도 전극은 2개, 적외선 카메라는 6개, 지면 반력기는 2개를 사용하는 것이 바람직하며, 첨족보행 환자가 지면 반력기가 부착된 10미터 구간을 직선보행하는 것을 보행 1주기로 하여 측정한다.At this time, it is preferable to use 16 optical markers, 2 EMG electrodes, 6 infrared cameras, and 2 ground reaction devices. Measure with 1 cycle.
데이터 분석부(200)는 동작 분석기(100)에서 측정된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 분석하여 해당 환자의 동적상태에서의 관 절 및 근·건의 역학적 정보와 질환 정도에 따른 지표정보를 정량화하여 데이터베이스(300)에 저장한다.The
상술한 데이터 분석부(200)는, 첨족보행 환자의 질환 정도에 따른 정보를 정량화하는 지표분석(SIEG: Severity Index of Equinus Gait) 모듈(210)과, 첨족보행 환자의 동적상태에서의 근·건 운동 정보를 분석하는 근·건 운동분석 모듈(220)과, 첨족보행 환자의 동적상태에서의 관절 운동 정보를 분석하는 관절 운동분석 모듈(230)과, 첨족보행 환자의 동적상태에서의 관절 운동역학 정보를 분석하는 관절 역학분석 모듈(240)로 구성된다.The above-described
데이터베이스(300)는 기존 환자 및 정상인의 마커궤적 정보, 지면 반력정보, 지표분석 정보, 근·건 운동분석 정보, 관절 운동분석 정보, 관절 역학분석 정보 등을 데이터베이스로 구축하고 있으며, 데이터 분석부(200)에서 분석된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 저장한다.The
시뮬레이션 모듈부(400)는 시술자의 조작에 따라 데이터베이스(300)에 저장된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 토대로 근·건 수술을 가상으로 수행하며, 가상으로 수행된 근·건 수술 후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행한다.The
상술한 시뮬레이션 모듈부(400)는, 시술자가 데이터베이스(300)에 저장된 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 토대로 수치를 입력하고, 3차원 그래픽 환경에서 컨트롤하여 가상으로 근·건 수술을 수행하도록 지원하는 근·건 수술 모듈(410)과, 근·건 수술 모듈(410)을 통해 가상으로 수행된 근· 건 수술 대상 환자의 보행 상태를 예측하여 3차원 그래픽으로 생성하는 보행 시뮬레이션 모듈(420)로 구성된다.In the above-described
비교 분석부(500)는 신경망 알고리즘을 기반으로 구현되어 있으며, 시뮬레이션 모듈부(400)에서 수행된 근·건 수술 후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션 결과와 데이터베이스(300)에 저장된 정상인의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보를 비교 분석하고, 비교 결과 해당 첨족보행 환자의 시뮬레이션 결과가 정상인의 정보와 일치하면 해당 근·건 가상 수술에 사용된 데이터를 토대로 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 생성한다. 즉, 첨족보행 환자의 시뮬레이션 결과가 정상인의 정보와 일치한다는 것은, 실제 수술을 시행한 후 환자의 치료 부위가 정상적으로 작용한다는 것으로서, 환자의 증상에 따른 가장 알맞고 적당한 치료 및 수술을 시행할 수 있다는 것을 의미한다.
디스플레이부(600)는 시술자, 임상학자 등이 첨족보행 환자의 각종 상태 및 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 부분으로서, 데이터 분석부(200)에서 수행된 첨족보행 환자의 동적상태에서의 분석 결과를 디스플레이하고, 시뮬레이션 모듈부(400)에서 수행된 가상의 수술 및 수술 후의 보행예측 시뮬레이션 결과를 디스플레이하며, 비교 분석부(500)에서 생성된 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 디스플레이한다.The
도 2는 본 발명에 사용되는 첨족보행 환자의 보행 분석 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 정적 및 동적 캘리브레이션 단계를 거쳐 전역좌표계(Global reference frame)와 분석공간을 확보하고, 보행하는 첨족보행 환자에 부착한 광학 마커의 위치정보를 6대의 적외선 카메라(130)가 3차원 좌표값으로 획득한다. 이렇게 획득된 3차원 좌표값은 모션 캡쳐(motion capture)기(150)에서 보행 1주기 동안의 동적 시뮬레이션을 수행하기 위한 기본 정보로 사용된다. 또한, 2대의 지면 반력기(140)를 통해 추출된 지면반력을 보행 1주기 동안 추적하여 위치정보와 지면반력 정보를 동일한 시간으로 동기화하고, 인체계측 정보를 추가하여 관절 및 근·건의 역학적 분석을 실시하도록 한다.FIG. 2 is a view for explaining a gait analysis process of a culprit walking patient used in the present invention, and secures a global reference frame and an analysis space through static and dynamic calibration steps, and attaches to a cub walking patient walking. The location information of one optical marker is acquired by six
도 3은 본 발명의 보행 분석에 사용되는 광학 마커가 부착되는 하지의 해부학적 위치 및 첨족보행 환자의 질환이 발생하는 근·건의 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram of the muscles and tendon in which the anatomical position of the lower limb to which the optical marker used in the gait analysis of the present invention is attached and the disease of acute gait patients occur.
도시된 바와 같이, 광학 마커는 첨족보행 환자의 골반(pelvis), 대퇴(thigh), 하퇴(shank), 발(foot) 등의 해부학적 위치에 부착한다. 예를 들어, 골반의 양쪽 앞, 뒤 장골(iliac)에 4개(112a∼112d)를 부착하고, 양쪽 대퇴와 하퇴에 4개(114a∼114d)를 부착하고, 양쪽 발뒤꿈치(heel)와 척골(metatarsal)에 4개(116a∼116d)를 부착하며, 양쪽 대퇴 융기부(femoral epicondyle)와 복사뼈(malleolus)에 4개(118a∼118d)를 부착한다.As shown, the optical markers attach to anatomical locations of the pelvis, thigh, shank, foot, etc. of the pleural patient. For example, four (112a to 112d) are attached to both front and rear iliacs of the pelvis, four (114a to 114d) are attached to both thighs and lower thighs, and both heel and ulna Four (116a-116d) are attached to the metatarsal, and four (118a-118d) are attached to both femoral epicondyles and the malleolus.
도 4는 첨족보행 환자의 관절역학 분석을 위한 관절모델의 개요도로서, 하지 관절에서 발생하는 상대각, 모멘트, 파워를 추출해 내기 위한 관절 모델의 개요도이다.FIG. 4 is a schematic diagram of a joint model for arthrodynamic analysis of a sharp-footed patient, and is a schematic diagram of a joint model for extracting a relative angle, moment, and power generated in the lower extremity joint.
도시된 바와 같이, 발목관절의 상대각은 하퇴분절과 발목분절 간에 발생하는 상대적인 위치를 나타내며, 저측굴곡/배측굴곡(Flexion/Extension), 내반/외반(Inversion/Eversion), 내측회전/외측회전(Internal/External rotation)의 형태를 지닌다.As shown, the relative angle of the ankle joint indicates the relative position that occurs between the lower leg and the ankle segment, and includes the flexion / extension, inversion / version, and medial / external rotation. Internal / external rotation).
또한, 모멘트와 파워를 추출해내기 위해서 지면 반력기를 이용한 운동역학적 분석을 실시하며, FBD를 기반으로 Fankle과 Mankle을 구하기 위한 식은 다음과 같다.In addition, the kinematic analysis using the ground reaction force is performed to extract the moment and power, and the equation for obtaining the ankle and mankle based on the FBD is as follows.
Fankle + Wfoot + Fr = massfoot * afoot at CG F ankle + W foot + F r = mass foot * a foot at CG
모멘트 = Mankle + Tz + Fankle에 상응하는 모멘트 + Fr에 상응하는 모멘트Moment = M ankle + T z + Moment corresponding to F ankle + Moment corresponding to F r
위의 수식에서 구하려는 값은 Fankle과 Mankle이고, 나머지 변수들은 적외선 카메라(130)와 지면 반력기(140)로부터 추출해낼 수 있는 값이다. Fr은 지면반력이고, Wfoot은 발목분절의 무게, afoot at CG는 발목분절의 무게중심에서 가속도, Tz는 지면반력토크이다.In the above equation, the values to be obtained are F ankle and M ankle , and the remaining variables are values that can be extracted from the
도 5는 근·건의 수학적 모델을 위한 무릎과 발목의 해부학적 모식도로서, 이러한 수학적 모델을 이용하여 근·건 복합체의 동적 움직임을 평가할 수 있다. 즉, 근육의 3차원적 움직임을 위한 해부학적 경계표에 부착된 광학 마커를 기반으로 근·건 복합체의 해부학적 기시점(origin)과 삽입(insertion) 부분을 측정한 후, 보행중의 길이 변화를 추정할 수 있다. 여기서, L1은 무릎의 과(顆, condyle)를 둘러싸고 있는 둘레의 길이를 나타내며, L2는 과를 둘러싼 부분을 제외한 아킬레스건까지의 전체 길이를 나타낸다. 따라서 무릎관절과 발목관절 사이에서 주요 신전근으로 작용하는 가자미근 복합체의 길이는 L1과 L2의 합으로 표현할 수 있다.FIG. 5 is an anatomical schematic diagram of a knee and ankle for a mathematical model of muscles and tendons, which can be used to evaluate dynamic movements of the muscle and tendon complexes. In other words, based on the optical markers attached to the anatomical landmarks for the three-dimensional movement of the muscle, the anatomical origin and insertion of the muscle and tendon complex were measured, and then the length change during walking was measured. It can be estimated. Here, L 1 represents the length of the circumference surrounding the condyle of the knee, and L 2 represents the total length up to the Achilles tendon except the portion surrounding the family. Therefore, the length of the soleus muscle complex acting as the main extensor muscle between the knee joint and the ankle joint can be expressed as the sum of L 1 and L 2 .
도 6은 첨족보행 환자의 족부 움직임 특성을 평가하여 증상 정도를 수치로 지표화하기 위한 모델의 개요도이다.FIG. 6 is a schematic diagram of a model for evaluating foot movement characteristics of a cusp walking patient and numerically indicating a symptom degree.
도시된 바와 같이, 첨족보행은 뇌성마비와 같은 신경계 이상과 근이영향증에 의한 마비성 근육이상, 특발성 요인에 의해 발생하는 질환이다. 첨족보행 환자는 보행 중에 후족부를 이용한 구름운동을 하지 않으며, 전족부의 구름운동만을 이용하여 보행하는 특징을 나타낸다. 그러므로 첨족보행 환자는 발목의 상대각과 모멘트 및 파워의 변화가 과도해지고, 이러한 특성에 의하여 후족부를 들어올리는 경향을 보이며, 증상의 정도가 심각해짐에 따라 과도한 리프팅(Lifting)현상을 나타내게 된다. As shown, scapular gait is a disease caused by neurological abnormalities such as cerebral palsy and paralytic muscular dysfunction due to muscular dystrophy, idiopathic factors. Peak-pedestrian patients do not perform cloud movements using the forefoot while walking, and exhibit walking characteristics using only the cloud movements of the forefoot. Therefore, the peak walking patient has excessive changes in the relative angle, moment and power of the ankle, and tends to lift the posterior part by this characteristic, and excessive lifting phenomenon occurs as the severity of symptoms increases.
따라서, 첨족보행의 증상 정도를 평가하기 위해 후족부에 부착되는 광학 마커의 위치를 캘리브레이션(Calibration) 과정을 통해 영점조정하고 환자의 족부길이(Foot length)를 이용하여 정량화(Normalization)한다. 마지막으로 보행중 입각기(Stance phase) 구간을 기준으로 그 높이 변화를 적분한다.Therefore, in order to evaluate the symptom of the cusp, the position of the optical marker attached to the posterior part is zeroed through a calibration process and quantified using the foot length of the patient. Finally, the height change is integrated based on the stance phase section during walking.
1) 캘리브레이션(Calibration) 단계1) Calibration Step
정적서기 상태에서의 후족부 마커(Rearfoot marker)의 위치를 초기화하는 단계는, 로 정의된다.Initializing the position of the rearfoot marker in the static standing state, Is defined as
여기서, : 보행중(D) 발생하는 후족부 마커의 위치 변화here, : Change of position of posterior foot marker that occurs during walking (D)
: 정적서기 상태(S)에서 후족부 마커의 위치이다. : The position of the posterior foot marker in the static standing state (S).
2) 정량화(Normalization) 단계2) Normalization Step
실험자들간의 정량적 비교 평가를 위해 족부의 길이로 후족부 광학 마커의 위치변화를 정량화하는 단계는 로 정의된다.Quantifying the positional change of the posterior foot optical marker by the length of the foot for quantitative comparison between the experimenters Is defined as
여기서, : 보행중(D) 발생하는 후족부 마커의 위치 변화here, : Change of position of posterior foot marker that occurs during walking (D)
: 정적서기 상태(S)에서 후족부 마커의 위치 : Position of the posterior foot marker in the static standing state (S)
: 실험자의 족부길이이다. : Foot length of experimenter.
위의 2단계를 통해 정량화된 후족부의 패턴변화는 입각기 동안의 총 변화량으로 표현하기 위하여 구간의 움직임을 입각기 초기 시점에서 말기 시점까지 적분하여 나타내었다. 후족부의 리프팅 현상을 나타내는 지수는 다음과 같다.The pattern change of the posterior part quantified through the above two steps is expressed by integrating the movement of the section from the initial point to the final point in order to express the total change amount during the standing period. The index indicating the lifting phenomenon of the rear foot is as follows.
여기서, HC(t) : 초기 입각기 시점(Heel contact time)Where HC (t): initial contact time (Heel contact time)
TO(t) : 전족부의 초기 유각기 시점(Toe off time) TO (t): Fore off time
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 진단과 수술결 과 예측방법의 일 실시예를 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, an embodiment of a method for diagnosing and predicting a surgical result of a cusp walking patient according to the present invention configured as described above will be described in detail with reference to FIG. 7.
도 7은 본 발명에 따른 첨족보행 환자의 진단과 수술결과 예측방법의 일 실시예의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.Figure 7 is a flow chart showing in detail the operation of one embodiment of the method of diagnosing and predicting the operation results of the spiree walking patient according to the present invention.
우선, 기존 환자 및 정상인의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 지표정보, 첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 역학적 정보와 질환 정도에 따른 지표정보를 정량화하기 위한 모듈을 데이터 베이스로 구축한다(S100). 즉, 기존의 환자 및 정상인에 대한 지표정보, 기구학, 운동역학 정보 등의 기초 데이터를 데이터베이스로 구축하고, 본 발명이 적용될 첨족보행 환자의 정량화된 평가를 위한 지표분석 모듈, 근·건 운동분석 모듈, 관절 운동분석 모듈 및 관절 역학분석 모듈을 데이터베이스로 구축하는 것이다.First, a module is constructed as a database for quantifying the mechanical information and index information of joints and muscles and tendons of existing patients and normal people, and the index information according to the degree of disease and joint information of muscles and tendons of acute walking patients (S100). . That is, the basic data such as index information, kinematics, and kinematics information for the existing patients and normal people are built into a database, and the index analysis module and muscle and muscle motion analysis module for quantitative evaluation of the peak walking patient to which the present invention is applied. , Database of joint motion analysis and joint dynamics analysis.
이후 시술자, 임상 전문가 등이 첨족보행 환자의 수술 여부를 즉시 결정하기 어려운 경우, 동작 분석기(100)를 사용하여 첨족보행 환자의 보행 1주기를 추적하여 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 측정한다(S200). 즉, 첨족보행 환자 하지의 주요 해부학적 위치에 복수의 광학 마커를 부착하고, 지면 반력기가 부착된 소정의 공간을 직선 보행하는 환자의 보행 1주기 동안의 위치정보 및 지면반력 정보를 측정하는 것이다.If it is difficult for the practitioner, a clinical expert, etc. to immediately determine the operation of the climax, the
첨족보행 환자의 관절 및 근·건의 위치정보와 지면반력 정보를 측정한 이후, 데이터 분석부(200)에서는 동작 분석기(100)로 측정한 해당 데이터를 토대로 관절 및 근·건의 역학정보와 질환 정도에 따른 지표정보를 분석하고, 분석 결과를 데이터베이스(300)에 저장한다(S300). 즉, 데이터베이스(300)에 저장되어 있는 지표분석 모듈, 근·건 운동분석 모듈, 관절 운동분석 모듈 및 관절 역학분석 모듈을 참조하여 첨족보행 환자의 증상정도를 정량화하는 것이다.After measuring the position information and ground reaction information of the joint, muscle, and tendon of the culprit patient, the
첨족보행 환자의 증상정도를 정량화한 이후, 시뮬레이션 모듈부(400)에서는 데이터 분석부(200)에서 분석한 관절 및 근·건의 역학정보와 지표정보의 분석 데이터를 참조하는 시술자의 조작에 따라 근·건 수술을 가상으로 수행한다(S400). 즉, 시술자가 3차원 그래픽을 활용하여 수술 수치를 직접 입력하고, 그래픽 컨트롤을 통해 가상으로 수술을 수행(예를 들어, 아킬레스 건을 늘려주는 등)하는 것이다.After quantifying the degree of symptom of the culprit walking patient, the
근·건 수술을 가상으로 수행한 이후, 시뮬레이션 모듈부(400)에서는 가상으로 수행된 근·건 수술 결과 데이터를 토대로 근·건 수술 전후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행한다(S500). 즉, 가상 수술을 진행한 이후, 환자의 보행상태가 어떻게 변화하는지를 가상으로 시뮬레이션 하는 것이다.After performing the muscle and tendon surgery virtually, the
근·건 수술 전후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행한 이후, 비교 분석부(500)에서는 근·건 수술 전후의 평가를 위한 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 데이터베이스(300)에 저장된 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보를 비교 분석한다(S600).After performing the gait prediction simulation for the evaluation before and after the muscle and tendon surgery, the
비교 분석부(500)의 비교 결과 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보가 일치하는지를 판단한다(S700). 만약 이 수치가 정상인과 동일하다면 이것은 수술을 한 후에 환자의 치료 부위가 정상적으로 작용을 한다는 것을 의미하므로, 환자의 증상에 따라 가장 알맞고 적당한 치료 및 수술을 수행할 수 있게 된다.The
판단 결과 보행예측 시뮬레이션을 수행한 결과와 정상인의 관절 및 근·건의 정보 및 지표정보가 일치하면, 비교 분석부(500)에서는 해당 근·건 가상 수술에 사용된 데이터를 토대로 해당 환자의 증상에 대한 처방 데이터 및 실제 수술에 적용될 데이터를 생성하여 디스플레이한다(S800). 즉, 비교 분석부(500)에서는 시뮬레이션 결과와 정상인의 관절 및 근·건 역학분석 결과를 비교하여 가장 적절한 수술 방법 및 수술에 필요한 정량적 정보를 시술자에게 제공하는 것이다.If the result of the gait prediction simulation and the normal and joint and muscle and tendon information and indicator information of the normal person match, the
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Herein, while the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will variously modify the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. And can be changed.
이상에서와 같이 본 발명의 첨족보행 환자의 수술결과 예측장치에 따르면, 첨족보행을 하는 뇌성마비 및 소아마비 환자를 정적 상태가 아닌 인체의 가장 체계적이고 정형화된 보행 동작중의 운동학적, 운동역학적 측정을 수행하고, 환자의 정보를 정상인의 정보와 비교, 분석하여 임상에 제공함으로써, 첨족보행 환자의 질환을 정량적으로 진단할 수 있으며, 재활 과정을 평가할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the apparatus for predicting the operation result of the acute walking patient of the present invention, the cerebral palsy and polio patients who have a sharp walking have a kinematic and kinematic measurement during the most systematic and standardized gait motion of the human body rather than a static state. By performing and comparing and analyzing the patient's information with the information of the normal person and providing it to the clinic, it is possible to quantitatively diagnose the disease of the acute walking patient and to evaluate the rehabilitation process.
또한, 첨족보행 환자의 운동학적 정보를 토대로 수술전 예비 평가를 위한 예 측 시뮬레이션을 수행하여 수술 전·후를 예측할 수 있기 때문에 최적화된 수술을 시행할 수 있으며, 간단한 교육만으로 임상 전문가들이 손쉽게 접근할 수 있기 때문에 시간, 비용, 인력의 절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.In addition, based on the kinematic information of the pedestrians walking patients, prediction simulation for preoperative preliminary evaluation can be performed to predict before and after surgery, so optimized surgery can be performed. As a result, time, cost, and manpower can be saved.
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