KR101031939B1 - Method and apparatus of analyzing a walking - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하지의 각 관절에서 사용되는 주요 보행 변수들을 이용해 산출된 측정환자의 관절평가지수들을, 정상인의 관절평가지수들에 대해 정규화하여 제공할 수 있는, 보행 분석 방법 및 장치를 제공하는 것으로서, 이를 위해 본 발명은, 보행 분석 장치의 제어부가 정상인 및 측정환자의 하지 관절들 각각에 대한, 기구학적 변화와 역학적 변화에 대한 측정정보들을 입력받아 저장부에 저장하는 단계; 상기 측정정보들을 이용하여 상기 관절들 각각에 대한 보행 변수들을 산출하는 단계; 상기 보행 변수들을 이용하여 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수와 상기 정상인들의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을 산출하는 단계; 및 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을, 상기 정상인의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수에 대하여 정규화하여, 출력하는 단계를 포함한다.The present invention provides a gait analysis method and apparatus, which can provide joint evaluation indexes of measurement patients calculated using the main gait variables used in each joint of the lower extremity, to be normalized to joint evaluation indexes of a normal person. To this end, the present invention comprises the steps of the control unit of the gait analysis device for receiving the measurement information on the kinematic changes and mechanical changes for each of the joints of the lower limbs of the normal person and the measurement patient to store in the storage unit; Calculating gait variables for each of the joints using the measurement information; Calculating joint evaluation indices for each of the joints of the measurement patient and joint evaluation indices for each of the joints of the normal person using the gait variables; And normalizing joint evaluation indices for each of the joints of the measurement patient with respect to the joint evaluation indices for each of the joints of the normal person.

보행, 관절, 지수, 정규화 Gait, joint, exponent, normalization

Description

보행 분석 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF ANALYZING A WALKING}METHOD AND APPARATUS OF ANALYZING A WALKING}

본 발명은 환자의 보행 상태를 분석하여 그 결과를 출력하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for analyzing a walking state of a patient and outputting the result.

복잡한 데이터의 압축을 통해 전달력을 강화하는 기술은 다양하게 연구되어 왔다. 특히, 통계분야 및 패턴인식 분야에서, 평균값이나 편차를 이용하여 그룹의 차이를 평가하고 공간상에서의 거리를 계산하여 그룹간의 차이를 설명하는 기법은 잘 알려진 바 있다. 또한, 운동분석 분야에서, 관절에서 발생하는 기구학적 데이터(관절의 상대각)나 역학적 데이터(관절의 힘, 모멘트)는 인체운동분석을 통해 이상유무를 판단하는 기준이 되어왔다. Techniques for enhancing delivery power through the compression of complex data have been studied in various ways. In particular, in the field of statistics and pattern recognition, techniques for evaluating differences between groups using average values or deviations and calculating distances in space have been well known. In addition, in the field of motion analysis, kinematic data (relative angle of the joint) or mechanical data (joint force, moment) generated in the joint has been a criterion for determining abnormality through the analysis of human body motion.

보행 분석과 관련하여, L.M. Schutte 등(2000)은 보행 분석에서 획득되는 하지 관절의 기구학적 데이터 중에서 주요 임상적 가치가 있는 16개의 변수를 선정하여 이를 이용한 데이터 압축을 실시하였으며, 그 기법으로 주요소 분석법(Principal Component Analysis)을 사용하였다. 특히, 주요소 분석법은 정상인의 평균과 편차를 이용하여 환자의 데이터를 정규화(Normalization)하고 이러한 과정에서 발생하는 정상인과 환자의 공간상의 거리의 차를 환자의 평가지수(NI : Normalcy Index)로 정의하였다. 또한, 이러한 기법은 외측성이나 양측성 뇌성마비 환자의 평가를 위한 도구로도 2003년 M. Romei등에 의하여 사용되기도 하였다. With regard to gait analysis, L.M. Schutte et al. (2000) selected 16 variables of major clinical value among the kinematic data of the lower extremity joints obtained from gait analysis and performed data compression using them.Principal Component Analysis was used as the technique. It was. In particular, the analysis of the key elements normalizes the patient's data using the mean and the deviation of the normal person, and defines the difference in the spatial distance between the normal person and the patient in the process as the NI (Normalcy Index). . This technique was also used by M. Romei et al. In 2003 as a tool for evaluating patients with lateral or bilateral cerebral palsy.

이러한 연구들은 하지 전반에 걸친 문제점을 판단하는 연구로서의 가치를 가지지만, 각 관절에서 발생하는 문제점을 찾아낼 수 없다는 한계점을 가지고 있으며, 또한, 이러한 연구는 단지 수치화된 결과를 제시했을 뿐 전문가시스템이나 의사결정시스템에 사용하기 위한 평가기법(Visualization technique)을 제시하지 못하였다. Although these studies have value as a study for judging problems across the lower extremities, they have limitations in that they cannot find problems occurring in each joint. Also, these studies have only shown numerical results and expert systems, No visualization techniques have been proposed for use in decision-making systems.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 하지의 각 관절에서 사용되는 주요 보행 변수들을 이용해 산출된 측정환자의 관절평가지수들을, 정상인의 관절평가지수들에 대해 정규화하여 제공할 수 있는, 보행 분석 방법 및 장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems, can be provided by normalizing the joint evaluation index of the measurement patient calculated by using the main gait parameters used in each joint of the lower limbs with respect to the joint evaluation index of normal people In addition, the present invention provides a gait analysis method and apparatus.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 보행 분석 장치의 제어부가 정상인 및 측정환자의 하지 관절들 각각에 대한, 기구학적 변화와 역학적 변화에 대한 측정정보들을 입력받아 저장부에 저장하는 단계; 상기 측정정보들을 이용하여 상기 관절들 각각에 대한 보행 변수들을 산출하는 단계; 상기 보행 변수들을 이용하여 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수와 상기 정상인들의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을 산출하는 단계; 및 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을, 상기 정상인의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수에 대하여 정규화하여, 출력하는 단계를 포함한다.The present invention for achieving the above object, the control unit of the gait analysis device for receiving the measurement information on the kinematic change and mechanical changes for each of the joints of the lower limbs of the normal person and the measurement patient to store in the storage unit; Calculating gait variables for each of the joints using the measurement information; Calculating joint evaluation indices for each of the joints of the measurement patient and joint evaluation indices for each of the joints of the normal person using the gait variables; And normalizing joint evaluation indices for each of the joints of the measurement patient with respect to the joint evaluation indices for each of the joints of the normal person.

본 발명은 하지의 각 관절에서 사용되는 주요 보행 변수들을 이용해 산출된 측정환자의 관절평가지수들을, 정상인의 관절평가지수들에 대해 정규화하여 제공함으로써, 보행 분석을 통해 획득된 데이터에 대한 분석의 복잡성을 해결할 수 있다. The present invention provides the joint evaluation index of the measurement patient calculated by using the main gait variables used in each joint of the lower extremity, by normalizing the joint evaluation indexes of the normal person, and thus the complexity of the analysis of the data obtained through the gait analysis. Can be solved.

또한, 본 발명은 정상인의 데이터를 통해 환자의 증상을 분류 할 수 있으며, 환자 증상의 정도를 평가할 수 있는 지표를 제공할 수 있으므로, 현재까지 전문가에 의해서만 이루어 질 수 있었던 보행 분석 결과를, 비전문가의 해석이 가능한 수치로 제공할 수 있다. In addition, the present invention can classify the symptoms of the patient through the data of the normal person, and can provide an indicator for evaluating the degree of the patient's symptoms, so that the results of gait analysis that can be made only by experts until now, Can be provided as an interpretable figure.

즉, 본 발명을 통해 획득되는 3가지 관절평가지수는, 보행 분석에서 획득되는 데이터를 압축하는 기술을 포함하며, 이는 전문가에 의해서만 분석이 가능했던 보행 분석 데이터의 평가를 비전문가가 가능하도록 할 수 있다. 또한, 이를 적용한 운동분석 전문가시스템이 개발될 경우, 임상분야에서의 기술적 파급효과가 클 것으로 기대된다.That is, the three joint evaluation indexes obtained through the present invention include a technique for compressing the data obtained in the gait analysis, which may enable the non-expert to evaluate the gait analysis data that could be analyzed only by an expert. . In addition, if the exercise analysis expert system is applied, the technical ripple effect in the clinical field is expected to be great.

또한, 현재의 운동분석 전문가시스템은 그 제시되는 결과자체가 분석의 복잡 성을 가지며, 이를 인공신경망이나 기타 인공지능 방법을 적용하였을 경우, 임상에서 참고자료가 아닌 결과물만을 제시하고 있다는 한계점을 지니고 있으나, 본 발명을 통하여 제시되는 결과는 임상진단에 주요한 참고자료로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 비전문가인 환자나 가족들에게 효과적인 전달력을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 기술적 기반은 운동분석 전문가시스템의 확장에 주요한 기술로 사용될 것으로 판단된다.In addition, the current exercise analysis expert system has the limitation that the presented result itself has the complexity of analysis, and when the artificial neural network or other artificial intelligence method is applied, the clinical results show only the results, not the reference data. In addition, the results presented through the present invention can be used as a major reference for clinical diagnosis, and also have an advantage of ensuring effective delivery power to non-specialized patients or their families. This technical basis is expected to be used as a major technology for the expansion of the exercise analysis expert system.

또한, 본 발명을 통해 제시된 지수화 방법 및 도시화 방법은 임상뿐만 아니라 인간공학, 스포츠 생체역학 등 적용범위가 다양하며, 따라서 이러한 솔루션에 기반기술로 적용될 가능성을 가지고 있다.In addition, the exploration method and urbanization method presented through the present invention has a variety of applications, such as ergonomics, sports biomechanics, as well as clinical, and thus has the potential to be applied as a base technology to such a solution.

또한, 본 발명은 모션 캡쳐 장비, 보행 분석을 이용한 클리닉, 재활 센터, 운동분석 전문가시스템에 응용될 수 있다. In addition, the present invention can be applied to motion capture equipment, clinic using gait analysis, rehabilitation center, exercise analysis expert system.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 상세히 설명된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 보행 분석 장치의 일실시예 구성도이다.1 is a block diagram of an embodiment of a gait analysis apparatus according to the present invention.

본 발명은 삼차원 영상장치를 이용하여 환자의 하지의 기구학적/역학적 변화량을 지수화하기 위한 방법에 관한 것으로서, 환자의 보행 1주기를 추적하여 시간에 따른 관절의 기구학적(상대각)/역학적(힘/모멘트) 변화를 측정하고, 데이터베이스로 기 구축 되어있는 보행 중 정상인 관절의 기구학적/역학적 변화량을 이용한 기준 모델을 생성하고, 통계적인 기법을 이용하여 정상인 및 환자의 관절에서 발생 하는 변화를 각 한개의 수치로 압축하며, 환자의 압축된 수치를 정상인의 수치로 정규화(Normalization)하여 환자의 증상을 분류 및 증상의 정도를 평가하기 위한 수치를 제시한다. The present invention relates to a method for exploring the kinematic / mechanical change of the lower extremity of a patient using a three-dimensional imaging device, the kinematic (relative angle) / mechanical (force Moment change, create a reference model using the kinematic / mechanical changes of normal joints during walking, which is already built into the database, and use statistical techniques to measure changes in joints of normal and patient. It is compressed to the value of, and normalized the compressed value of the patient to that of a normal person (Normalization) to provide a value to classify the symptoms of the patient and to evaluate the degree of symptoms.

따라서, 본 발명은 보행 분석을 통해 획득한 데이터의 분석의 복잡성을 해결하고, 정상인의 데이터를 통해 환자의 증상을 분류 할 수 있으며, 환자 증상의 정도를 평가할 수 있는 지표를 제공할 수 있으므로, 현재까지 전문가에 의해서만 이루어 질 수 있었던 보행 분석 결과를 비전문가의 해석이 가능한 수치로 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can solve the complexity of the analysis of the data obtained through the gait analysis, can classify the symptoms of the patient through the data of the normal person, and can provide an indicator that can evaluate the degree of the patient symptoms, The results of gait analysis, which could be done only by experts, can be provided as numerical values that can be interpreted by non-experts.

한편, 본 발명에 따른 보행 분석 방법이 적용되는 본 발명에 따른 보행 분석 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 인터페이스(11), 제어부(12), 입력부(13), 저장부(14) 및 출력부(15)를 포함한다. 여기서 보행 분석 장치(10)로는 상기한 바와 같은 삼차원 영상장치가 이용될 수도 있다.On the other hand, the gait analysis apparatus 10 according to the present invention to which the gait analysis method according to the present invention is applied, as shown in Figure 1, the interface 11, the control unit 12, the input unit 13, the storage unit 14 ) And an output unit 15. As the gait analyzer 10, the above-described three-dimensional imaging apparatus may be used.

인터페이스(11)는 네트워크를 통해 외부 장치와 통신을 수행하기 위한 것으로서, 인터넷과 같은 네트워크를 통해 서버로부터 각종 자료를 다운로드 받거나, 서버로 자료를 업로드하는 경우에 이용될 수 있다.The interface 11 is for communicating with an external device through a network, and may be used when downloading various data from a server or uploading data to a server through a network such as the Internet.

입력부(13)는 본 발명에 따른 보행 분석을 위해 필요한 각종 정보들을 입력하기 위한 것으로서, 예를 들어 키보드가 이용될 수 있다. 즉, 사용자는 키보드를 통해 각종 데이터 또는 제어신호를 입력하게 된다. 또한, 입력부에는 다양한 종류의 카메라가 포함되어 있어서, 환자의 보행 상태에 대한 영상 정보를 입력받을 수도 있다. 또한, 입력부에는 상기한 바와 같은 기구학적(상대각)/역학적(힘/모멘트) 변화를 측정하기 위한 각종 장치들이 포함되어 있어서, 상기 각종 장치들에서 측정된 각종 데이터들을 입력받는 기능을 수행한다. 한편, 키보드를 제외한 기타의 장치들, 예를 들어, 카메라 또는 기구학적(상대각)/역학적(힘/모멘트) 변화를 측정하기 위한 각종 장치들은 인터페이스를 통해 연결될 수도 있다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 상기 장치들이 입력부에 포함되어 있는 것으로 설명된다.The input unit 13 is for inputting various pieces of information necessary for gait analysis according to the present invention, and for example, a keyboard may be used. That is, the user inputs various data or control signals through the keyboard. In addition, the input unit includes various types of cameras, and may receive image information about a walking state of a patient. In addition, the input unit includes various devices for measuring the kinematic (relative angle) / mechanical (force / moment) change as described above, and performs a function of receiving a variety of data measured by the various devices. On the other hand, other devices except the keyboard, for example, a camera or various devices for measuring kinematic (relative angle) / dynamic (force / moment) change may be connected via an interface. However, hereinafter, it is described that the devices are included in the input unit for convenience of description.

저장부(14)는 입력부를 통해 입력된 각종 데이터 또는 영상 정보를 저장하는 기능을 수행한다.The storage unit 14 stores a variety of data or image information input through the input unit.

출력부(15)는 제어부의 제어에 따라 각종 정보를 출력하기 위한 것으로서, 모니터 또는 프린터 등이 이용될 수 있다.The output unit 15 is for outputting various types of information under the control of the controller, and a monitor or a printer may be used.

제어부(12)는 입력부를 통해 입력된 영상 정보와 각종 데이터를 이용하여 환자의 보행을 분석하는 한편, 그 결과를 산출하여 출력부를 통해 출력하는 기능을 수행한다. 즉, 본 발명에 따른 보행 분석 방법은 제어부에 의해 실행되는 것이다. The controller 12 analyzes the gait of the patient using image information and various data input through the input unit, and calculates the result and outputs the result through the output unit. That is, the gait analysis method according to the present invention is executed by the controller.

도 2는 본 발명에 따른 보행 분석 방법의 일실시예 흐름도로서, 세개의 관절평가지수를 산출 및 도시화하기 위한 흐름도이다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 보행 분석의 구간별 정의를 나타낸 예시도로서, 관절평가지수를 계산하기 위한 보행 분석의 구간별 정의를 나타낸다. 또한, 도 4는 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 보행 변수들을 나타낸 그래프로서, 다리를 구성하는 세개의 관절(Hip, Knee, Ankle)에 대한 관절평가지수 산출에 이용되는 보행 변수들을 나타낸다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 세개의 관절평가지수를 도시화한 상태를 나타낸 예시도로서, 본 발명은 삼차원 보행 분 석을 통해 획득된 기구학적/역학적 데이터를 이용하여 세개의 관절평가지수를 산출하는 한편, 이를 도 5에 도시된 바와 같이 도시화하 하고 있다. 2 is a flowchart illustrating an example of a gait analysis method according to an embodiment of the present invention. In addition, Figure 3 is an exemplary view showing the definition of each section of the gait analysis applied to the gait analysis method according to the present invention, it shows the definition of each section of the gait analysis for calculating the joint evaluation index. In addition, Figure 4 is a graph showing the gait parameters applied to the gait analysis method according to the present invention, it shows the gait parameters used to calculate the joint evaluation index for the three joints (Hip, Knee, Ankle) constituting the leg. In addition, Figure 5 is an exemplary view showing a state showing three joint evaluation index applied to the gait analysis method according to the present invention, the present invention is three by using the kinematic / mechanical data obtained through three-dimensional gait analysis While calculating the joint evaluation index of the is shown as shown in FIG.

본 발명에 따른 보행 분석 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 실험 데이터베이스를 구축하기 위한 실험단계(102), 실제 평가를 요구하는 측정환자를 실험하는 단계(104), 도3에서 정의하고 있는 데이터의 구간별 분류를 통해 도 4에서 정의하고 있는 관절평가지수를 계산하기 위한 보행 변수를 산출하는 단계(106), 그 다음으로 측정환자와 정상인의 보행 변수를 이용하여 아래의 각 관절별 관절평가지수(Joint Normalcy Index)를 구하는 과정에서 언급하고 있는 방법에 따라 관절평가지수를 계산하는 단계(108), 그 다음으로 정산인의 각 관절의 관절평가지수의 평균과 최대편차를 이용하여 측정환자의 각 관절평가지수를 나누는 단계(정규화: Normalization)(110) 및 그 결과를 도 5에서 제시된 그래프 및 표에 도시화하는 단계(112)를 포함하여 구성되어 있다.In the gait analysis method according to the present invention, as illustrated in FIG. 2, an experimental step 102 for constructing an experimental database, an experimental step 104 for testing a measurement patient requiring actual evaluation, and data defined in FIG. 3. Computing a gait variable for calculating the joint evaluation index defined in FIG. 4 through the classification of each section of the step (106), and then using the gait parameters of the measurement patient and a normal person joint evaluation index for each joint below Calculating the joint evaluation index according to the method mentioned in the process of calculating the joint normalcy index (108), and then using the average and the maximum deviation of the joint evaluation index of each joint of the settlement person, Dividing the joint evaluation index (normalization) (110) and the step 112 showing the results in the graph and table shown in FIG.

본 발명의 제1단계(102)는, 실험을 통해 데이터베이스를 구축하는 단계로서, 삼차원 보행 분석 기법을 이용하여 기존환자 및 정상인의 하지 관절의 기구학적/역학적 변화를 입력부를 통해 입력받아 데이터베이스화하여 저장부에 저장하는 단계이다. 즉, 입력부를 통해 입력된 환자에 대한 인적정보(나이, 성별 등)와 입력부의 카메라 및 각종 장치를 통해 입력된 측정 정보들이 데이터베이스화되어 저장부에 저장된다.The first step 102 of the present invention is to build a database through experiments, by using a three-dimensional gait analysis technique to receive the input of the kinematic / mechanical changes of the lower extremity joints of the existing patient and normal people through the input unit The step of storing in the storage unit. That is, personal information (age, gender, etc.) about the patient input through the input unit and measurement information input through the camera and various devices of the input unit are stored in the storage unit.

이때, 본 발명은 관절평가지수를 계산하기 위해 보행 분석을 도 3에 도시된 바와 같이 구간별로 정의하여 실시하고 있는바, 본 발명에 적용되고 있는 보행 분 석의 구간별 정의는, 1992년 Jacquelin Perry에 의하여 출판된 Gait analysis: Normal and Pathological function에서 제시된 8개의 주요 구간을 의미한다. 일반적으로 각 구간은 발생하는 시기가 정해져 있으며, 이를 이용하여 시계열 상에 존재하는 데이터를 구간별로 나누고 도 4에서 정의하고 있는 각 관절평가지수를 계산하기 위한 보행 변수를 계산하게 된다. 즉, 제1단계는 기존환자 및 정상인에 대하여, 도 3에 도시된 바와 같은 보행 분석 구간 별로 측정된 각종 데이터를 입력받아 데이터베이스화하는 단계이다. In this case, the present invention is defined by the gait analysis for each section as shown in Figure 3 to calculate the joint evaluation index, the definition of each section of the gait analysis applied to the present invention, Jacquelin Perry in 1992 Gait analysis, published by the Institute, refers to eight major sections presented in the Normal and Pathological function. In general, each section has a predetermined time period, and by using this, data existing on the time series is divided by sections, and a gait variable for calculating each joint evaluation index defined in FIG. 4 is calculated. That is, the first step is a step of receiving a database of various data measured for each gait analysis section as shown in FIG.

본 발명의 제2단계(104)는, 실제 평가를 요구하는 측정환자를 실험하는 단계로서, 측정 대상자인 측정환자에 대하여 제1단계에서와 같은 보행 분석 구간별로 측정된 각종 데이터를 입력받아 저장하는 단계이다.The second step 104 of the present invention is a step of testing a measurement patient requiring actual evaluation, and receives and stores various data measured for each gait analysis section as in the first step with respect to the measurement patient, which is a measurement target. Step.

본 발명의 제3단계(106)는, 도 4에 도시된 바와 같은 보행 변수를 산출하는 단계이다. 즉, 제3단계는 제1단계 및 제2단계에서 측정된 기존환자, 정상인 및 측정환자의 각종 데이터를 이용하여 도 4에 도시된 바와 같은 각종 보행 변수에 대한 값을 산출하는 단계이다. The third step 106 of the present invention is the step of calculating the walking parameter as shown in FIG. That is, the third step is to calculate values for various gait variables as shown in FIG. 4 using various data of the existing patient, the normal person, and the measured patient measured in the first and second steps.

이때, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 2006년 Sebastian Wolf 등에 의하여 제시된 주요 보행 변수 50개 중에서, 고관절/슬관절/족관절의 상대각에 해당되는 부분만을 추출하여 정리한 34개의 주요 보행 변수를 이용하고 있다. 여기서, 고관절이라 함은 골반과 대퇴골을 잇는 관절로서 도 4에서는 Hip으로 표현되어 있고, 슬관절은 다리를 무릎에서 뒤쪽으로 굽히는 기능을 수행하는 관절로서 Knee로 표현되어 있으며, 족관절은 발목관절을 말하는 것으로서 Ankle로 표현되어 있다. 즉, 제3단계는 기존환자 및 정상인 그리고 측정환자의 1주기 보행 중 관절의 기구학적/역학적 변화량으로부터 보행 변수(고관절 14개, 슬관절 4개, 족관절 16개)를 추출하는 단계이다. At this time, the present invention, as shown in Figure 4, out of the 50 main gait parameters presented by Sebastian Wolf in 2006, 34 main gait variables extracted by arranging only the parts corresponding to the relative angle of the hip joint / knee joint / ankle joint I use it. Here, the hip joint is a joint between the pelvis and the femur, which is represented by Hip in FIG. 4, and the knee joint is a joint that performs the function of bending the leg backward from the knee, and is represented by Knee, and the ankle joint refers to the ankle joint. It is expressed as Ankle. That is, the third step is to extract gait variables (14 hip joints, 4 knee joints, 16 ankle joints) from the kinematic / mechanical changes of joints during the 1-cycle gait of existing patients, normal subjects and measured patients.

한편, 도 4에서, FlexExt는 Flextion(굴곡)과 Extention(신전) 운동을 의미하고, AbAdd는 Abduction(내전)과 Adduction(외전) 운동을 의미하고, Rot는 Internal Rotation(내회전)과 External Rotation(외회전) 운동을 의미하고, Std는 Standard deviation(편차)로서 보행주요구간 중에 발생하는 각운동의 편차를 의미하며, Vel은 Velocity(속도)로서 각속도를 의미한다. On the other hand, in Figure 4, FlexExt means Flextion and Extension movement, AbAdd means Abduction and Adduction movement, Rot is Internal Rotation and External Rotation ) Std is the standard deviation and Std is the deviation of the angular movement during the main pedestrian interval. Vel is Velocity and it is the angular velocity.

본 발명의 제4단계(108)는, 측정환자의 각 관절별로 관절평가지수(Joint Normalcy Index)를 구하는 단계로서, 세개의 관절(고관절(Hip), 슬관절(Knee), 족관절(Ankle)) 각각에 대하여 관절평가지수를 산출하는 단계이다. The fourth step 108 of the present invention is to obtain a joint normalcy index for each joint of the measurement patient, and each of the three joints (hip, knee, and ankle) Computing the joint evaluation index for.

우선, 측정환자의 각 관절별 관절평가지수(Joint Normalcy Index)구하기 위한 이론적 배경에 대하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 본 발명은 34개의 보행 변수(Gaint parameters)를 이용하여 주성분 분석법을 통해 세개의 관절평가지수를 구하고 있다.First, the theoretical background for obtaining the joint normalcy index for each joint of the measurement patient will be described. That is, the present invention calculates three joint evaluation indexes through principal component analysis using 34 gait parameters.

첫 번째 이론적 배경으로서, 본 발명이 34개의 보행 변수(Gait parameters)를 이용하는 방법은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 적용되는 34개의 보행 변수(평가변수)(고관절 14개, 슬관절 4개, 족관절 16개)는, 제3단계를 통해 보행 분석에 참여한 정상인 및 측정환자의 각 관절(고관절/슬관절/족관절)에서 발생하는 상대각/힘/모멘트의 변화를 기반으로 추출된다. 일반적으로 보행 분석은 실험자의 보행 한 주기(100%)를 기준으로 데이터를 그래프화하여 나타내며, 임상분석가는 각 관절에서 발생하는 이러한 다양한 그래프를 종합하여 평가하는 업무를 담당한다. 그러나, 본 발명은 2006년 Sebastian Wolf 등에 의하여 제시된 보행 분석을 위한 50개의 주요 평가요소 중 각 관절에 해당하는 34개의 주요 변수만을 추출하여 도 4와 같이 정리하였으며, 각 관절별로는 고관절에서 14개, 슬관절에서 4개 그리고 족관절에서 16개의 값을 정상인 및 환자의 평가를 위한 보행 변수로 사용하였다.As a first theoretical background, the present invention uses the 34 gait parameters as follows. That is, the 34 gait variables (evaluation variables) (14 hip joints, 4 knee joints, and 16 ankle joints) applied to the present invention include each joint (hip joint / knee joint) of a normal person and a measurement patient who participated in the gait analysis through the third step. It is extracted based on the change of relative angle / force / moment occurring in the / ankle joint). In general, gait analysis shows data based on one cycle (100%) of the experimenter, and the clinical analyst is in charge of evaluating the various graphs generated in each joint. However, the present invention was summarized as shown in Figure 4 by extracting only 34 major variables corresponding to each joint of the 50 major evaluation factors for gait analysis presented by Sebastian Wolf et al. In 2006, each of the joints 14, knee joint Four values in and 16 values in the ankle joint were used as walking parameters for evaluation of normal and patients.

두 번째 이론적 배경으로서, 본 발명이 주성분 분석법(Principal component analysis)을 이용하는 방법은 다음과 같다. 여기서, 주성분 분석이란 고차원 데이터로부터 데이터의 구조를 밝히거나, 데이터의 차원을 낮추는 데 많이 이용되는 다변량 통계 분석 방법이다. 즉, 주성분 분석법은 n차원 입력공간의 데이터를 m차원의 출력공간의 데이터로 투영시키는 방법으로 정의될 수 있다. 여기서 m<n이며, 이는 입력 데이터들의 대부분의 내부 정보를 유지하도록 차원의 감소를 얻는 것이다. 주성분 분석법은 관찰된 여러 입력 데이터들 중에서 서로 연관성이 있는 변수들을 선형 조합 형태로 나타내어 원래 변수들의 정보를 가능한 많이 함축하고 있는 더 작은 수의 잠재변수로 변수를 축약하는 기법으로서, 이 잠재변수는 주성분 분석에서는 주성분(Principal Component)이라 불린다. 주성분 분석을 이해하기 위해 필요한 수학 함수 및 그 수학적인 배경지식은 다음과 같다. As a second theoretical background, the present invention uses a principal component analysis as follows. Here, principal component analysis is a multivariate statistical analysis method that is widely used to reveal the structure of data from high-dimensional data or to reduce the dimension of data. That is, the principal component analysis method may be defined as a method of projecting data of an n-dimensional input space to data of an m-dimensional output space. Where m <n, which is to obtain a dimension reduction to keep most of the internal information of the input data. Principal component analysis is a technique for reducing variables into a smaller number of latent variables that contain as much information as possible about the original variables by representing relevant variables among the observed input data. In the analysis, it is called Principal Component. The mathematical functions necessary for understanding principal component analysis and their mathematical background are as follows.

첫째, [수학식 1]과 같은 표준편차(Standard Deviation)와 분산(Variance)이 적용된다. 평균이 표현 할 수 없는 데이터의 분포 정도는 표준편차와 분산으로 표현될 수 있다. 분산의 통계학적 의미는 관측 데이터들이 평균으로부터 얼마나 떨어 져 있는지를 보여준다. 분산은 편차의 제곱의 평균으로 정의하며, 분산의 제곱근인 표준 편차가 더 자주 사용된다.First, Standard Deviation and Variance are applied as shown in [Equation 1]. The distribution of data that the mean cannot represent can be expressed in terms of standard deviation and variance. The statistical significance of the variances shows how far the observed data are from the mean. Variance is defined as the mean of the square of the deviations, and the standard deviation, the square root of the variance, is used more often.

Figure 112009006050217-pat00001
Figure 112009006050217-pat00001

둘째, [수학식 2]와 같은 공분산(Covariance)이 적용된다. 두 개 이상의 변량데이터가 주어질 때 각 변량간의 상관관계를 표현한 것을 공분산(Covariance)이라고 하며, 두 개의 데이터의 공분산은 아래의 [수학식 2]와 같은 식에 의해 계산 된다.Second, covariance as shown in [Equation 2] is applied. When two or more variables are given, the correlation between each variable is called covariance, and the covariance of the two data is calculated by the following equation (2).

Figure 112009006050217-pat00002
Figure 112009006050217-pat00002

셋째, [수학식 3]과 같은 공분산 행렬(Covariance Matrix)이 적용된다. 다 차원 데이터 간 각각의 상관관계를 행렬로 표현한 것을 공분산 행렬이라 한다. 보행 시 영향을 미치는 각 관절들의 변수들의 상관관계에 의해 공분산 행렬이 생성된다. 공분산 행렬 이용 시 행렬의 성질을 파악하기 어렵고 계산이 복잡하다는 문제가 발생한다. 따라서, 공분산 행렬의 고유값과 고유벡터를 사용해서 변수들의 상관관계를 도출 할 수 있다.Third, a covariance matrix as shown in [Equation 3] is applied. A matrix representing each correlation between multidimensional data is called a covariance matrix. The covariance matrix is generated by the correlation of the variables of the joints affecting walking. When using a covariance matrix, it is difficult to understand the properties of the matrix and the computation is complicated. Therefore, variables can be correlated using eigenvalues and eigenvectors of the covariance matrix.

Figure 112009006050217-pat00003
Figure 112009006050217-pat00003

넷째, 고유벡터(Eigen vector)와 고유값(Eigen value)이 적용된다. 고유벡터와 고유값은 다변량 통계분석에서 뿐만 아니라 물리, 기계전기 분야에서 이용되는 분석도구로써, 행렬의 중요한 특징을 잘 표현한다. 변환행렬(주성분분석 방법에서는 고유벡터로 구성)에 의해 변환된 후에도 길이를 제외한 방향이 변하지 않는 벡터를 해당 변환의 고유벡터라고 한다. 고유벡터끼리 서로 수직일 때 기저벡터로 사용이 가능하다. n*n 행렬에는 n개의 고유벡터가 존재하며, 길이가 1인 고유벡터를 정규고유벡터라 한다. 변환행렬에 의해 변환이 된 후에 하나의 고유값에 대응하는 고유벡터의 집합이 존재한다. 고유벡터의 분산의양, 정보의 양을 고유값으로 표현된다. 변환 전에 고유벡터에 어떠한 값을 곱해도 고유값은 일정한 특징을 나타낸다. 한편, 주성분 분석법에서는 고유값들의 평균값은 1이며, 본 발명에서는 주성분의 선택법에 있어서 Kaiser의 규칙을 이용하였다. 주성분은 다음과 같은 5가지의 목적과 4가지의 특징을 가지고 있다. Fourth, an eigen vector and an eigen value are applied. Eigenvectors and eigenvalues represent an important feature of matrices as well as analytical tools used in the fields of physics and mechanics as well as in multivariate statistical analysis. A vector that does not change its direction except length after being transformed by a transformation matrix (consisting of eigenvectors in the principal component analysis method) is called an eigenvector of the transformation. When eigenvectors are perpendicular to each other, they can be used as basis vectors. There are n eigenvectors in an n * n matrix, and an eigenvector of length 1 is called a normal eigenvector. After the transformation is performed by the transformation matrix, there is a set of eigenvectors corresponding to one eigenvalue. The variance of the eigenvectors and the amount of information are expressed as eigenvalues. The eigenvalues are a constant feature no matter what value you multiply the eigenvectors before the transformation. On the other hand, in the principal component analysis method, the average value of the eigenvalues is 1, and in the present invention, Kaiser's rule is used in the method of selecting the principal component. The main component has the following five purposes and four characteristics.

주성분의 5가지 목적은 첫째, 공분산 행렬 구조를 파악하여 다변량 데이터를 분석하는 탐색적 자료 분석, 둘째, 다차원 자료를 소수 몇 개의 주성분으로 축약, 셋째, 구해진 주성분을 통해 원래 변수들을 식별하고 해석, 넷째, 주성분을 플롯하여 원래 자료에 대한 정규성 검토 및 이상치 판별, 다섯째, 구해진 주성분을 추가 적인 통계분석의 입력 자료로 활용하는 것이다.The five objectives of the principal components are: first, exploratory data analysis that analyzes multivariate data by identifying covariance matrix structure; second, abbreviate the multidimensional data into a few principal components; and third, identify and interpret the original variables through the obtained principal components. In addition, the principal components are plotted to examine the normality of the original data and to determine outliers. Fifth, the obtained principal components are used as input data for further statistical analysis.

주성분의 4가지 특징은 다음과 같다. 첫째, 주성분은 원래의 변인들을 선형 조합(Linear combination)해서 만들어진 인위적인 변인으로서, 다시 말해서, 주성분은 원래의 변인들과 별개인 요인 또는 잠재적인 구인이 아니라 원래의 변인들이 합쳐져서 축약된 것에 불과하다는 것이다. 둘째, 동일한 데이터로부터 추출된 주성분들은 서로 상관관계가 전혀 존재하지 않는다는 것이다. 즉, 각각의 주성분들이 함축하고 있는 정보가 중복되지 않고 독립적인 관계에 있다. 셋째, 주성분은 추출되는 순서에 따라 분산의 크기가 감소한다는 것이다. 주성분에서의 분산은 원래 데이터들이 가지고 있는 정보의 양을 의미한다. 따라서, 첫 번째 주성분은 원래 데이터가 가지고 있는 정보를 가장 많이 함축하고 있으며, 두 번째, 세 번째 주성분은 첫 번째 주성분에서 설명할 수 없는 나머지 정보들을 설명하고 정보의 크기는 점점 줄어든다. 넷째, 원래 데이터로부터 추출 될 수 있는 주성분의 최대 개수는 데이터의 개수와 같다는 것이다. 즉, 주성분은 원래 데이터들이 가지는 정보 이외의 추가적인 정보는 가질 수 없다. 따라서 주성분의 개수는 원래데이터의 개수보다 많을 수 없다.The four characteristics of the main component are as follows. First, the principal component is an artificial variable made by linear combination of the original variables, that is, the principal component is simply a condensed sum of the original variables, not a factor or potential cause that is separate from the original variables. . Second, the principal components extracted from the same data have no correlation with each other. That is, the information implied by each of the main components is independent of each other without overlapping. Third, the principal component is that the size of the dispersion decreases in the order of extraction. Variance in the principal component means the amount of information that the original data has. Therefore, the first principal component implies the most information contained in the original data, and the second and third principal components describe the remaining information that cannot be explained in the first principal component, and the size of the information decreases. Fourth, the maximum number of principal components that can be extracted from the original data is equal to the number of data. That is, the main component may not have additional information other than the information of the original data. Therefore, the number of principal components cannot be greater than the number of original data.

이하에서는, 각 관절별 관절평가지수(Joint Normalcy Index)를 구하는 실질적인 과정(108)이 상세히 설명된다. 즉, 본 발명은 아래에서 수행되는 과정을 세번 반복함으로써, 세개의 관절(Hip, Knee, Ankle) 각각에 대한 관절평가지수를 산출할 수 있으며, 또는, 아래의 과정들을 각 관절별로 병렬적으로 수행함으로써, 세개의 관절평가지수를 동시에 산출해 낼 수도 있다. 이하에서는, 개별적인 과정에 의해 세개의 관절평가지수를 산출하는 방법이 본 발명의 일례로서 설명된다. 즉, 세개의 관절이 제1관절(고관절(Hip)), 제2관절(슬관절(Knee)), 제3관절(족관절(Ankle))로 표현될 때, 제1관절평가지수, 제2관절평가지수, 제3관절평가지수가 산출될 수 있으며, 이하에서는 특히 제1관절에 대한 제1관절평가지수가 산출되는 과정이 설명된다. 따라서, 제2관절평가지수 및 제3관절평가지수도 이하의 과정과 동일한 과정을 통해 산출될 수 있다. Hereinafter, the practical process 108 for obtaining the joint normalcy index for each joint will be described in detail. That is, the present invention can calculate the joint evaluation index for each of the three joints (Hip, Knee, Ankle) by repeating the process to be performed three times below, or perform the following processes in parallel for each joint By doing so, three joint evaluation indices can be calculated simultaneously. In the following, a method of calculating three joint evaluation indices by separate processes is described as an example of the present invention. That is, when the three joints are expressed as the first joint (Hip), the second joint (Knee), and the third joint (Ankle), the first joint evaluation index and the second joint evaluation The index, the third joint evaluation index can be calculated, and the following describes the process of calculating the first joint evaluation index, particularly for the first joint. Therefore, the second joint evaluation index and the third joint evaluation index may also be calculated through the same process as the following process.

첫째, 제1단계 내지 제3단계를 통해 정상인군에서 측정된 제1관절(고관절)에 대한 보행 변수들의 평균(

Figure 112009006050217-pat00004
)과 표준편차(
Figure 112009006050217-pat00005
)를 구한다. 즉, 제1관절에 해당되는 14개의 보행 변수들에 대하여 평균과 표준편차가 산출된다. First, the mean of walking parameters for the first joint (hip joint) measured in the normal group through the first to third stages (
Figure 112009006050217-pat00004
) And standard deviation (
Figure 112009006050217-pat00005
). That is, the average and standard deviation are calculated for 14 walking variables corresponding to the first joint.

둘째, 측정된 제1관절의 보행 변수들은 단위와 자리수의 차이가 크기 때문에 아래의 [수학식 4]에서 제시된 Z분포 식을 이용하여 표준화 된다. [수학식 4]에서 N은 실험에 참여한 정상인의 숫자를 의미한다. 즉, 도 4에 도시된 다양한 보행 변수들은 속도, 각도, 힘 등 다양한 단위를 가지고 있으며, 그 크기도 다양한바, 본 발명은 [수학식 4]를 통해 각 보행 변수들을 일정한 레벨로 표준화시키게 된다. Second, the measured gait variables of the first joint are standardized using the Z distribution formula shown in [Equation 4] because the difference in units and digits is large. In Equation 4, N means the number of normal people participating in the experiment. That is, the various walking variables shown in FIG. 4 have various units such as speed, angle, and force, and various sizes thereof. The present invention standardizes each walking variable to a certain level through Equation 4.

Figure 112009006050217-pat00006
Figure 112009006050217-pat00006

셋째, 표준화된 N개의 변수에 대한 공분산행렬(Covariance Matrix,

Figure 112009006050217-pat00007
)을 구한다. N X N 행렬로 나타나는 공분산행렬의 ij성분은 i번째와 j번째 변수간의 상관계수를 나타낸다. 즉, 본 과정에서는 둘째 과정을 통해 표준화된 보행 변수들을 서로 연결관계를 갖는 행렬로 나타낸다.Third, the covariance matrix for the standardized N variables
Figure 112009006050217-pat00007
) The ij component of the covariance matrix represented by the NXN matrix represents the correlation coefficient between the i th and j th variables. In other words, in this process, the standardized walking variables are represented as matrices connected with each other through the second process.

넷째, 상기 셋째 과정에서 계산된 공분산행렬의 고유값(Eigen value:

Figure 112009006050217-pat00008
)과 고유벡터(Eigen vector:
Figure 112009006050217-pat00009
)를 구한다. 각 고유값에 대한 고유벡터는 선형결합으로 표현되는 해당 주성분에서 변수간의 상대적 가중치를 나타낸다. 즉, 본 과정에서는 제1관절의 14개의 보행 변수들이 벡터적으로 어떠한 특징을 가지고 있는지가 산출될 수 있다.Fourth, the eigen value of the covariance matrix calculated in the third process (Eigen value:
Figure 112009006050217-pat00008
) And eigenvectors:
Figure 112009006050217-pat00009
). The eigenvectors for each eigenvalue represent the relative weights between the variables in the corresponding principal component, expressed as a linear combination. That is, in this process, it is possible to calculate what characteristics the fourteen walking variables of the first joint have as a vector.

다섯째, 아래의 [수학식 5]와 같이 표준화와 독립화가 이루어진 새로운 변수를 생성한다. 이 때, 주성분을 고유값의 제곱근

Figure 112009006050217-pat00010
으로 나누어 각 주성분을 편차로 표준화한다.Fifth, new variables with standardization and independence are created as shown in Equation 5 below. Where the principal component is the square root of the eigenvalue
Figure 112009006050217-pat00010
Divide by to standardize each principal component as a deviation.

Figure 112009006050217-pat00011
Figure 112009006050217-pat00011

한편, [수학식 5]를 통해 산출된 값의 합을 구하면 정상인의 제1관절에 대한 제1관절평가지수가 산출되는바, 본 발명은 상기 다섯개의 과정을 통해 정상인의 제1관절평가지수를 산출하게 된다.Meanwhile, when the sum of the values calculated through Equation 5 is obtained, the first joint evaluation index for the first joint of the normal person is calculated, and the present invention provides the first joint evaluation index of the normal person through the five processes. Will be calculated.

여섯째, 그 다음으로 측정환자의 관절평가지수(JNI)를 구하기 위해, 측정환자의 데이터로부터 계산에 필요한 보행 변수들을 추출하고, 정상인의 보행 변수에서 구한 평균과 표준편차를 이용해, [수학식 6]과 같이 보행 변수를 표준화한다(110). 즉, 측정환자의 보행 변수들에 대하여도, 첫째 및 둘째과정과 동일한 과 정을 수행함으로써 보행 변수를 수행하게 되는데, 이때, 정상인의 보행 변수에서 구한 평균(

Figure 112009006050217-pat00012
)과 표준편차(
Figure 112009006050217-pat00013
)가 이용된다. 따라서, [수학식 6]는 [수학식 4]과 대응되는 형태를 갖는다.Sixth, to calculate the joint evaluation index (JNI) of the measurement patient, the gait variables needed for calculation are extracted from the measurement patient data, and using the mean and standard deviation obtained from the gait variables of the normal person, [Equation 6] Normalize the gait variable as shown (110). In other words, the gait variables of the measurement patients are performed by performing the same process as the first and second processes.
Figure 112009006050217-pat00012
) And standard deviation (
Figure 112009006050217-pat00013
) Is used. Therefore, Equation 6 has a form corresponding to Equation 4.

Figure 112009006050217-pat00014
Figure 112009006050217-pat00014

일곱째, 상기 세번째 내지 다섯번째 과정에서와 같이, [수학식 7]을 통해 환자에 대한 새로운 변수

Figure 112009006050217-pat00015
를 생성한다. 여기서,
Figure 112009006050217-pat00016
Figure 112009006050217-pat00017
는 정상인의 데이터에서 추출된 것을 사용한다. 즉, 일곱째 과정은 세번째 내지 다섯번째에 해당되는 과정을 측정환자의 데이터에 대하여 수행하는 과정으로서, [수학식 7]은 [수학식 5]와 대응되는 형태를 갖는다.Seventh, as in the third to fifth process, a new variable for the patient through Equation 7
Figure 112009006050217-pat00015
. here,
Figure 112009006050217-pat00016
Wow
Figure 112009006050217-pat00017
Uses extracted from normal data. That is, the seventh process is a process of performing the process corresponding to the third to fifth data on the patient's data, [Equation 7] has a form corresponding to [Equation 5].

Figure 112009006050217-pat00018
Figure 112009006050217-pat00018

여덟째, [수학식 8]과 같이,

Figure 112009006050217-pat00019
의 합을 이용하여 제1관절에 대한 제1관절평가지수(JNI)가 산출된다. Eighth, as shown in [Equation 8],
Figure 112009006050217-pat00019
Using the sum, the first joint evaluation index (JNI) for the first joint is calculated.

Figure 112009006050217-pat00020
Figure 112009006050217-pat00020

즉, 본 발명은 상기 과정들을 통해 정상인 및 측정환자에 대한 제1관절평가지수를 산출할 수 있으며, 동일한 과정들을 통해 정상인 및 측정환자에 대한 제2관절평가지수와 제3관절평가지수를 산출하게 된다. 한편, 상기 과정을 통해 산출된 관절평가지수(JNI)는 새로 정의된 독립좌표계에서 정상인의 평균과 보행환자 데이터간의 거리의 제곱을 나타낸다. That is, the present invention can calculate the first joint evaluation index for the normal person and the measurement patient through the above processes, and to calculate the second joint evaluation index and the third joint evaluation index for the normal person and the measurement patient through the same process do. On the other hand, the joint evaluation index (J NI) calculated through the above process represents the square of the distance between the average of the normal person and the walking patient data in the newly defined independent coordinate system.

본 발명의 제5단계(110)는, 측정환자의 각 관절평가지수를 정규화(Normalization)하는 단계이다. 즉, 상기와 같은 과정을 통해 계산된 측정환자의 데이터(관절평가지수)는 기 산출된 정상인의 관절평가지수(평균 + 편차)를 이용하여 나누어진다. 이처럼 하는 이유는, 이하에서 설명될 제6단계의 시각화 과정에서 그래프상에 정상인의 영역을 단위 삼각형의 영역으로 만들고 이에 환자의 데이터를 비교한 결과를 나타내기 위한 것이다. 즉, 제5단계는 정상인의 세개의 관절평가지수 각각을 1로 한 경우에, 측정환자의 세개의 관절평가지수가 얼마만큼의 상대적 크기를 갖는지를 산출하기 위한 것으로서, 아래의 [표 1]과 같은 프로그램을 이용하여 실행된다. The fifth step 110 of the present invention is to normalize each joint evaluation index of the measurement patient. That is, the data (joint evaluation index) of the measured patient calculated through the above process is divided using the calculated joint evaluation index (mean + deviation) of the normal person. The reason for doing this is to represent the result of comparing the patient's data by making the area of the normal person in the unit triangle area on the graph in the visualization process of the sixth step to be described below. That is, the fifth step is to calculate the relative size of the three joint evaluation index of the measurement patient when each of the three joint evaluation index of the normal person is 1, and the following [Table 1] and It is run using the same program.

Figure 112009006050217-pat00021
Figure 112009006050217-pat00021

본 발명의 제6단계(112)는, 제5단계를 통해 산출된, 측정환자의 정규화된 관절평가지수를 출력부를 통해 그래프 및 표로 출력하는 단계로서, 제어부는 도 5와 같은 그래프 및 표를 출력하게 된다. The sixth step 112 of the present invention is a step of outputting the normalized joint evaluation index of the measurement patient, which is calculated through the fifth step, as a graph and a table through an output unit, and the controller outputs a graph and a table as shown in FIG. 5. Done.

즉, 도 5는 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 관절평가지수를 도시화한 상태를 나타낸 예시도로서, 본 발명에서는 삼차원 보행 분석을 통해 획득한 기구학적/역학적 데이터를 이용하여 관절평가지수를 계산하고 이를 도 5에 도시된 바와 같이 도시화하 하고 있다. That is, FIG. 5 is an exemplary view showing a state of the joint evaluation index applied to the gait analysis method according to the present invention. In the present invention, the joint evaluation index is calculated using kinematic / mechanical data obtained through three-dimensional gait analysis. It is calculated and shown as shown in FIG. 5.

여기서, 각 3개의 축은 고관절/슬관절/족관절에서 발생하는 관절평가지수를 의미하며 중심에 [1, 1, 1]로 스케일된 영역은, 정상인의 관절평가지수의 평균+최대편차를 이용하여 정상인의 관절평가지수를 정규화(Normalization)한 단위 삼각형으로 정상인의 관절평가지수 영역이다. 즉, 정상인의 경우에는 단위원(1, 1, 1) 안쪽에 수치가 항상 존재하게 된다. Here, each of the three axes represents the joint evaluation index occurring in the hip, knee, and ankle joints, and the area scaled to [1, 1, 1] in the center is the normal subject's joint using the average + maximum deviation of the joint evaluation index. It is a unit triangle that normalizes the joint evaluation index, and is a joint evaluation index region of a normal person. That is, in the case of a normal person, a numerical value always exists inside the unit circle (1, 1, 1).

또한, 실선으로 표시된 부분은 정상인의 최대수치로 정규화(Normalization)된 측정환자의 관절평가지수를 의미한다. 한편, 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이, 좌측하지 및 우측하지에서 발생한 관절평가지수를 두 개의 그래프 및 표에 표시하게 된다. 도 5에 도시된 표를 보면 이러한 좌, 우측의 관절평가지수를 이용한 밸랜스 스케일(Balance scale)이 표시되어 있다. Balance scale은 우측하지에서 발생한 관절평가지수를 좌측하지에서 발생한 관절평가지수로 나누어 그 값을 산출한 결과이며, 이러한 결과는 좌/우측 하지의 불균등성을 나타내는 지표로 사용된다. 또한, 도 5의 표의 맨 우측의 Reference는 정상인의 Balance scale의 평균 및 편차를 표현한 부분으로서, 측정환자의 Balance scale을 비교평가하기 위한 기준 자료로 사용될 수 있다. In addition, the part indicated with a solid line means the joint evaluation index of the measurement patient normalized to the maximum value of a normal person. Meanwhile, in the present invention, as shown in FIG. 5, the joint evaluation index generated in the lower left and lower right is displayed in two graphs and tables. In the table shown in FIG. 5, a balance scale using the left and right joint evaluation indexes is displayed. The balance scale is calculated by dividing the joint evaluation index in the right lower extremity by the joint evaluation index in the left lower extremity. These results are used as indicators for the inequality of the left and right lower extremities. In addition, the reference on the far right of the table of FIG. 5 represents a mean and a deviation of a balance scale of a normal person, and may be used as reference data for comparative evaluation of a balance scale of a measurement patient.

한편, 상기한 바와 같은 본 발명은 보행 분석을 통해 획득된 기구학적/역학적 데이터를 바탕으로 통계적인 방법인 주성분 분석 기법을 적용하여 관절평가지수(Joint Normalcy Index)를 계산하는 것으로서, 본 발명의 내용을 다시 한번 간단히 정리하면 다음과 같다. On the other hand, the present invention as described above is to calculate the joint evaluation index (Joint Normalcy Index) by applying the principal component analysis technique, which is a statistical method based on the kinematic / mechanical data obtained through the gait analysis, the contents of the present invention To recap, simply summarize:

즉, 본 발명은 보행 중 발생하는 인체의 기구학적/역학적 데이터를 이용하여 임상에서 사용되는 주요 파라미터로 데이터를 1차 압축한 뒤 통계적인 기법을 이용하여 3개의 관절평가지수로 압축하는 방법 및 이를 도시화하는 방법에 관한 것이다.That is, the present invention first compresses the data as the main parameter used in the clinic using the kinematic / mechanical data of the human body generated during walking, and then compresses it into three joint evaluation indexes using a statistical technique. It is about a method of urbanization.

또한, 본 발명은 환자의 보행 중 발생하는 기구학적/역학적 데이터를 획득하고 이를 1차, 2차로 압축하여 데이터분석의 복잡성을 극복하고 이를 수치화하여 결과를 제시한다는 기술적 특징을 가지고 있다. In addition, the present invention has a technical feature of acquiring the kinematic / mechanical data generated during walking of the patient and compressing it into primary and secondary to overcome the complexity of data analysis and numerically present the results.

또한, 본 발명은 삼차원 보행 분석 장치를 이용하여 측정환자의 하지의 기구학적/역학적 변화량을 지수화하기 위한 방법 및 이를 도시화하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이러한 분석 및 도시화를 통하여, 보행 분석을 통해 획득된 데이터 분석의 복잡성을 해결하고, 정상인의 데이터를 통해 환자의 증상을 분류할 수 있으며, 환자 증상의 정도를 평가 할 수 있는 지표를 제공할 수 있으므로, 현재까지 전문가에 의해서만 이루어 질 수 있었던 보행 분석 결과를 비전문가의 해석이 가능한 수치로 제공할 수 있다.In addition, the present invention relates to a method for exploring the kinematic / mechanical changes of the lower extremities of the patient using a three-dimensional gait analysis device and to a method for urbanization, through such analysis and urbanization, obtained through the gait analysis The analysis of gait analysis, which can only be performed by experts until now, can solve the complexities of data analysis, classify patient's symptoms through the data of normal people, and provide indicators to evaluate the degree of patient's symptoms. Can be provided as a numerical value that can be interpreted by non-experts.

상기한 바와 같은 본 발명과 종래의 기술들과의 차이점을 간단히 설명하면 다음과 같다. Brief description of the difference between the present invention and the prior art as described above is as follows.

즉, 현재까지의 보행 분석과 관련 기술은, 생체역학 데이터 분석의 복잡성을 고려하지 않았으며, 이에 따라 인공신경망이나 정상인의 데이터베이스를 이용한 분석에 초점이 맞추어져 있었다. 그러나, 이러한 보행 분석 시스템의 상용화 및 효율적인 분석과, 비전문가에게로의 전달을 위해서는 이를 간단히 수치화 하여야 하며, 또한 도식화하기 위한 평가방법이 제시되어야 한다. 즉, 본 발명은 현재까지의 기술들과는 다르게, 분석시스템을 상용화하고 실용화하기 위한 방법에 촛점을 맞추고 있다. In other words, the gait analysis and related technologies to date do not take into account the complexity of biomechanical data analysis, and thus the focus is on analysis using a neural network or a database of a normal person. However, for the commercialization and efficient analysis of such walking analysis system and delivery to non-experts, it should be quantified simply and an evaluation method should be presented to illustrate. That is, the present invention focuses on a method for commercializing and commercializing an analysis system, unlike the techniques up to now.

또한, 종래의 기술들 중에는, 상체와 하체의 운동학적 데이터와 족부의 운동역학적 데이터로부터 파라메터를 추출하는 과정이 대부분이지만, 본 발명에서는 기존 임상연구에서 제시되어있는 보행 분석의 주요파라미터를 이용하여 통계적 데이터 압축술을 적용한 단일 수치 및 이를 효과적으로 도식화하여 정상인과 비교 평가할 수 있는 방법을 제시하고 있다. In addition, among the conventional techniques, the process of extracting parameters from the kinematic data of the upper body and the lower body and the kinematic data of the foot is mostly, but in the present invention statistically using the main parameters of the gait analysis proposed in existing clinical studies We present a single numerical value using data compression techniques and an effective method to compare and compare it with a normal person.

또한, 종래의 기술들 중에는, 보행 분석을 위하여 하지 전체에서 16개의 평가 요소(분석 요소)를 제시하였으며, 이를 수치화하기 위한 방법을 제시한 것이 있으나, 본 발명은 이러한 단일 수치로는 다른 질병간의 평가가 불가능하다는 한계점을 극복하기 위하여, 거리지수 및 방위지수를 동시에 제공하기 위한 방법 및 각 관절별로의 이상을 평가하기 위한 방법 그리고 이러한 결과를 도시화하기위한 방법을 제시하고 있다. In addition, among the conventional techniques, 16 evaluation elements (analysis elements) were proposed in the entire lower limb for gait analysis, and some methods were proposed to quantify the same. In order to overcome this limitation, we propose a method for simultaneously providing distance and azimuth indexes, a method for evaluating anomalies for each joint, and a method for urbanizing these results.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

도 1은 본 발명에 따른 보행 분석 장치의 일실시예 구성도.1 is a block diagram of an embodiment of a gait analysis apparatus according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 보행 분석 방법의 일실시예 흐름도.Figure 2 is a flow diagram of one embodiment of a gait analysis method according to the invention.

도 3은 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 보행 분석의 구간별 정의를 나타낸 예시도.Figure 3 is an exemplary view showing the definition of each section of the gait analysis applied to the gait analysis method according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 보행 변수들을 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the gait parameters applied to the gait analysis method according to the invention.

도 5는 본 발명에 따른 보행 분석 방법에 적용되는 세개의 관절평가지수를 도시화한 상태를 나타낸 예시도.5 is an exemplary view showing a state showing three joint evaluation index applied to the gait analysis method according to the present invention.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>DESCRIPTION OF THE RELATED ART [0002]

10 : 보행 분석 장치 11 : 인터페이스10: walk analysis device 11: interface

12 : 제어부 13 : 입력부12 control unit 13 input unit

14 : 저장부 15 : 출력부14: storage unit 15: output unit

Claims (18)

보행 분석 장치의 제어부가 정상인 및 측정환자의 하지 관절들 각각에 대한, 기구학적 변화와 역학적 변화에 대한 측정정보들을 입력받아 저장부에 저장하는 단계;A control unit of the gait analyzing apparatus receiving and storing measurement information about kinematic change and mechanical change of each of the lower limb joints of a normal person and a measurement patient, in a storage unit; 상기 측정정보들을 이용하여 상기 관절들 각각에 대한 보행 변수들을 산출하는 단계; Calculating gait variables for each of the joints using the measurement information; 상기 보행 변수들을 이용하여 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수와 상기 정상인들의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을 산출하는 단계; 및Calculating joint evaluation indices for each of the joints of the measurement patient and joint evaluation indices for each of the joints of the normal person using the gait variables; And 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을, 상기 정상인의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수에 대하여 정규화하여, 출력하는 단계를 포함하고,And normalizing the joint evaluation indexes for each of the joints of the measurement patient with respect to the joint evaluation indexes for each of the joints of the normal person, and outputting the joint evaluation indexes. 상기 측정정보들은,The measurement information, 1주기의 보행 구간을 8개의 구간으로 구분하여 해당 구간별로 산출되는Calculated for each section by dividing the walking section of one cycle into 8 sections 보행 분석 방법. Gait analysis method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 측정정보는 삼차원 보행 분석 기법을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.The measurement information is a gait analysis method characterized in that it is calculated using a three-dimensional gait analysis technique. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 관절평가지수들은, The joint evaluation indexes, 상기 하지의 고관절, 슬관절, 족관절에 대하여 산출되는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.Gait analysis method, characterized in that calculated for the hip joint, knee joint, ankle joint. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 보행 변수들은, The gait variables, 상기 고관절, 슬관절, 족관절의 상대각에 해당되는 변수들인 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.Gait analysis method characterized in that the variables corresponding to the relative angle of the hip joint, knee joint, ankle joint. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 관절평가지수들을 산출하는 단계는,Computing the joint evaluation indexes, (a) 상기 하지 관절들 중 제1관절에 대한 보행 변수들을 행렬화하고, 이를 이용하여 공분산 행렬을 산출하는 단계;(a) matrixing gait variables for a first joint of the lower limb joints and calculating a covariance matrix using the same; (b) 상기 공분산행렬의 고유값과 고유벡터를 산출하는 단계;(b) calculating eigenvalues and eigenvectors of the covariance matrix; (c) 상기 고유값과 고유백터를 이용하여 상기 관절에 대한 제1관절평가지수를 산출하는 단계; 및(c) calculating a first joint evaluation index for the joint using the eigenvalue and the eigenvector; And (d) 상기 (a) 단계 내지 상기 (c)단계를 상기 측정환자와 상기 정상인의 각 관절별로 반복하여, 상기 측정환자의 각 관절별 관절평가지수들과 상기 정상인의 각 관절별 관절평가지수들을 산출하는 단계를 포함하는 보행 분석 방법.(d) repeating the steps (a) to (c) for each joint of the measurement patient and the normal person, and the joint evaluation indexes for each joint of the measurement patient and the joint evaluation indexes for each joint of the normal person. Gait analysis method comprising the step of calculating. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 관절평가지수들을 정규화하여 출력하는 단계는,Normalizing and outputting the joint evaluation indexes, 상기 제어부가, 상기 정상인의 상기 관절평가지수들을 기준으로 정규화된 상기 측정환자의 상기 관절평가지수들을, X축, Y축, Z축에 표시하여 그래프로 출력하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.And the control unit outputs the joint evaluation indices of the measurement patient normalized based on the joint evaluation indices of the normal person on a X-axis, a Y-axis, and a Z-axis to output a graph. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 관절평가지수들을 정규화하여 출력하는 단계는,Normalizing and outputting the joint evaluation indexes, 상기 제어부가 상기 측정환자의 우측하지에서 발생한 관절평가지수를 좌측하 지에서 발생한 관절평가지수로 나누어 산출된 밸랜스 스케일을 출력하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.And the control unit outputs a balance scale calculated by dividing a joint evaluation index generated in the lower right leg of the measurement patient by a joint evaluation index generated in the lower left leg. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제어부는 상기 측정환자의 상기 밸랜스 스케일과 함께, 정상인의 밸랜스 스케일을 산출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.And the controller calculates and outputs a balance scale of a normal person together with the balance scale of the measurement patient. 정상인 및 측정환자의 하지 관절들 각각에 대한, 기구학적 변화와 역학적 변화에 대한 측정정보을 입력받는 입력부;An input unit for receiving measurement information on kinematic and mechanical changes of the lower extremity joints of a normal person and a measurement patient; 상기 측정정보들을 이용하여 상기 관절들 각각에 대한 보행 변수들을 산출하고, 상기 보행 변수들을 이용하여 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수와 상기 정상인들의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을 산출하며, 상기 측정환자의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수들을, 상기 정상인의 상기 관절들 각각에 대한 관절평가지수에 대하여 정규화하는 제어부; 및The gait variables for each of the joints are calculated using the measurement information, and the joint evaluation index for each of the joints of the measurement patient and the joint evaluation index for each of the joints of the normal person are calculated using the gait variables. A control unit for calculating joint evaluation indexes for each of the joints of the measurement patient with respect to the joint evaluation indexes for each of the joints of the normal person; And 상기 제어부의 제어에 따라 상기 정보들을 출력하는 출력부를 포함하고,An output unit for outputting the information under the control of the controller, 상기 측정정보들은,The measurement information, 1주기의 보행 구간을 8개의 구간으로 구분하여 해당 구간별로 산출되는 Calculated for each section by dividing the walking section of one cycle into 8 sections 보행 분석 장치.Gait Analysis Device. 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 측정정보는 삼차원 보행 분석 기법을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.And the measurement information is calculated using a three-dimensional gait analysis technique. 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 관절평가지수들은, The joint evaluation indexes, 상기 하지의 고관절, 슬관절, 족관절에 대하여 산출되는 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.Gait analysis device, characterized in that calculated for the hip joint, knee joint, ankle joint. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 보행 변수들은, The gait variables, 상기 고관절, 슬관절, 족관절의 상대각에 해당되는 변수들인 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.Gait analysis device characterized in that the variables corresponding to the relative angle of the hip joint, knee joint, ankle joint. 삭제delete 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 제어부가,The control unit, (e) 상기 하지 관절들 중 제1관절에 대한 보행 변수들을 행렬화하고, 이를 이용하여 공분산 행렬을 산출하고, (f)상기 공분산행렬의 고유값과 고유벡터를 산출하고, (g)상기 고유값과 고유백터를 이용하여 상기 관절에 대한 제1관절평가지수를 산출하며, (h) 상기 (e) 내지 상기 (g)를 상기 측정환자와 상기 정상인의 각 관절별로 반복하여, 상기 측정환자의 각 관절별 관절평가지수들과 상기 정상인의 각 관절별 관절평가지수들을 산출하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.(e) matrixing the walking parameters for the first joint of the lower limb joints, calculating a covariance matrix using the same, (f) calculating the eigenvalues and eigenvectors of the covariance matrix, and (g) the eigenvalues The first joint evaluation index for the joint is calculated using the value and the eigenvector, and (h) (e) to (g) are repeated for each joint of the measurement patient and the normal person, Gait analysis device characterized in that for calculating the joint evaluation index for each joint and the joint evaluation index for each joint of the normal person. 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 제어부가,The control unit, 상기 출력부를 제어하여, 상기 정상인의 상기 관절평가지수들을 기준으로 정규화된 상기 측정환자의 상기 관절평가지수들을, X축, Y축, Z축에 표시하여 그래프로 출력하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.The gait analyzer, characterized in that for controlling the output unit, displaying the joint evaluation indices of the measurement patient normalized based on the joint evaluation indices of the normal person on the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis to output a graph. . 제 10 항에 있어서,11. The method of claim 10, 상기 제어부가,The control unit, 상기 출력부를 제어하여, 상기 측정환자의 우측하지에서 발생한 관절평가지수를 좌측하지에서 발생한 관절평가지수로 나누어 산출된 밸랜스 스케일을 출력하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.And controlling the output unit to output a balance scale calculated by dividing the joint evaluation index generated in the lower right leg of the patient by the joint evaluation index generated in the lower left leg. 제 17 항에 있어서,The method of claim 17, 상기 제어부가,The control unit, 상기 출력부를 제어하여, 상기 측정환자의 상기 밸랜스 스케일과 함께, 정상인의 밸랜스 스케일을 산출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 장치.And a control unit configured to control the output unit to calculate and output a balance scale of a normal person together with the balance scale of the measurement patient.
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