KR101032673B1 - 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템 - Google Patents

근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템에 관한 것으로, 상기 3차원적 자세 재활 시스템은, 환자의 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 생체전기 신호 처리 모듈; 상기 생체전기 신호 처리 모듈에 의해 분석된 결과를 기초로 환자의 근육을 강화하고 척추 좌우 근육의 발란스를 맞추기 위한 재활처방을 산출 및 설정하는 재활처방 운영 모듈; 및 상기 재활처방 운영 모듈로부터 수신한 명령에 따라 재활 장비를 이용하여 재활 치료를 수행하는 재활 수행 모듈을 포함한다.

Description

근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템 {SYSTEM FOR THREE-DIMENSIONAL POSTURE REHABILITATION THROUGH ANALYZING BIO-ELECTRICAL SIGNAL OF MUSCLES}
본 발명은 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 척추를 유지하는 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하고 이를 기초로 재활 처방을 자동으로 산출한 후 산출된 재활 처방에 따라 환자가 탑승한 재활 장비를 다양한 방향으로 이동시켜 환자에게 중력 방향에 반대되는 힘을 가하거나, 발이 닿는 지면부의 흔들리는 동작으로 하지와 척추부의 움직임을 유도함으로써 근육을 강화시키고, 이와 더불어 재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 근육의 상태를 분석하여 최적의 운동 상태를 유지할 수 있도록 하기 위한 기술에 관한 것이다.
종래에는, 시술자가 주관적인 의학적 판단을 기초로 자세 운동 장비를 이용하여 수동 또는 반자동으로 재활 치료를 수행하였다. 이처럼 시술자의 시각적인 판단 및 피술자의 주관적인 모니터링에 의해 재활 치료가 이루어졌기 때문에 재활 치료의 정확도가 떨어질 수 있는 문제가 있었다. 특히, 운동 장비의 기계적인 작동 데이터만을 모니터링 하면서 피드백(feedback)을 수행하였기 때문에, 재활 치료 도중에 근육의 상태가 제대로 유지되고 있는지 확인할 수 있는 방법이 없었다.
또한, 종래에 재활 치료에 사용되었던 자세 운동 장비는 환자의 의지에 의해서만 근육을 움직일 수 있는 것이었기 때문에, 환자의 재활 치료에 대한 동기 부여가 미흡하고 외력에 의한 2차적 손상이 발생할 수도 있다는 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 척추를 유지하는 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하고 이를 기초로 재활 처방을 자동으로 산출한 후 산출된 재활 처방에 따라 환자가 탑승한 재활 장비를 다양한 방향으로 이동시켜 환자에게 중력 방향에 반대되는 힘을 가하거나, 발이 닿는 지면부의 흔들리는 동작으로 하지와 척추부의 움직임을 유도함으로써 근육을 강화시키고, 이와 더불어 재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 근육의 상태를 분석하여 최적의 운동 상태를 유지할 수 있도록 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템은, 환자의 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 생체전기 신호 처리 모듈; 상기 생체전기 신호 처리 모듈에 의해 분석된 결과를 기초로 환자의 근육을 강화하고 척추 좌우 근육의 발란스를 맞추기 위한 재활처방을 산출 및 설정하는 재활처방 운영 모듈; 및 상기 재활처방 운영 모듈로부터 수신한 명령에 따라 재활 장비를 이용하여 재활 치료를 수행하는 재활 수행 모듈을 포함하여 구성된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 방법을 수행하는 시스템은, 환자의 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 단계; 상기 분석된 결과를 기초로 환자의 근육을 강화하고 척추 좌우 근육의 발란스를 맞추기 위한 재활처방을 산출 및 설정하는 단계; 및 상기 산출 및 설정된 재활처방에 따라 재활 장비를 이용하여 재활 치료를 수행하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 환자의 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하고 이를 기초로 재활 처방을 자동으로 산출한 후 산출된 재활 처방에 따라 재활 치료를 수행함으로써 환자의 상태를 정확하게 파악하여 이에 적합한 재활 치료를 수행할 수 있게 된다.
또한, 환자가 탑승하는 재활 장비는 산출된 재활 처방에 따라 다양한 방향으로 이동하여 환자가 중력 방향에 반대되는 힘을 가하게 함으로써, 외력에 의한 2차적인 손상 없이 근육을 강화시킬 수 있으며, 더 나아가 환자의 치료 동기 부여가 용이해 진다.
또한, 재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 환자의 근육의 상태를 분석할 수 있어, 재활 치료 중에 환자가 최적의 운동 상태를 유지할 수 있도록 유도할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 생체전기 신호 처리 모듈의 상세 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 SEF 분석을 설명하기 위한 그래프,
도 4는 도 2에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 MEF 분석을 설명하기 위한 그래프,
도 5는 도 2에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 상관분석을 설명하기 위한 그래프,
도 6은 도 2에 도시된 근육 경직도 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 MVIC 정규화 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에서 사용되는 재활 장비를 도시하는 모형도,
도 10은 본 발명에 의한 생체전기 신호의 측정 및 분석의 일 예를 도시하는 도면, 그리고
도 11은 도 1에 도시된 실시간 근육 제어 모듈의 동작 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, '모듈'이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 수행하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 의한 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템의 구성도로, 상기 시스템(100)은 크게 생체전기 신호 처리 모듈(110), 재활처방 운영 모듈(120), 재활 수행 모듈(130) 및 실시간 근육 제어 모듈(140)을 포함하여 구성된다.
생체전기 신호 처리 모듈(110)은 환자의 근육의 생체전기 신호를 측정 및 분석하기 위한 것으로, 생체전기 신호 측정부(111), 생체전기 신호 분석부(112) 및 생체전기 신호 진단 처리부(113)를 포함하여 구성된다.
생체전기 신호 측정부(111)는 척추 주위의 골격근, 예를 들어 자세 유지근, 심부근 등에 표면유도전극 또는 정적 EMG 스캐너 도자 등을 사용하여 근육의 생체전기 신호를 검출한다.
생체전기 신호 분석부(112)는 생체전기 신호 측정부(111)에 의해 측정된 근육의 생체전기 신호를 시간 영역 분석(Time domain analysis) 및 주파수 영역 분석(Frequency domain analysis)에 의해 분석한다. 생체전기 신호 분석부(112)의 상세 구성과 기능에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
생체전기 신호 진단 처리부(113)는 생체전기 신호 분석부(112)에 의해 분석된 결과를 이용하여 근활성도, 근피로도 등과 같이 재활 처방 산출을 위해 필요한 의미있는 값을 도출한다. 생체전기 신호 진단 처리부(113)의 상세 구성과 기능에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
재활처방 운영 모듈(120)은 생체전기 신호 처리 모듈(110)에 의해 분석된 결과를 기초로 하여 환자의 근육을 강화하고 척추 좌우 근육의 발란스를 맞추기 위한 재활처방을 산출하여 이를 설정하기 위한 것으로, 재활처방 진단부(121), 재활처방 산출부(122) 및 재활처방 설정부(123)를 포함하여 구성된다.
재활처방 진단부(121)는 생체전기 신호 진단 처리부(113)에 의해 도출된 결과 값을 이용하여 환자의 척추 주위의 근육 중에서 척추부 좌우 대칭 근육의 근활성도 및 근피로도 등에 있어 편차가 있는 근육, 또는 평균 근활성도 및 근피로도 등이 정상 수치를 벗어나는 근육을 발굴한다.
재활처방 산출부(122)는 재활처방 진단부(121)에 의해 발굴된 근육, 즉 재활 치료의 대상이 되는 근육에 대한 재활처방을 산출한다. 예를 들어, 척추부 좌우 대칭 근육에서 근활성도가 비교적 낮은 근육에 힘을 가하기 위해 재활장비의 기울기 각도를 조절하여 해당 근육에 중력을 가하면 해당 근육이 반응하여 근활성도가 증가되어 대칭 근육과 동일해지게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여, 재활처방 산출부(122)는 재활치료의 대상이 되는 근육에 적절한 중력이 가해질 수 있도록 재활장비를 구동하는데 필요한 재활장비의 3차원적 기울기 각도와 속도, 시간 등을 산출한다.
재활처방 설정부(123)는 재활처방 산출부(122)에 의해 산출된 데이터에 따라 실제로 재활장비를 구동할 수 있도록 프로그램화하고 설정한다.
재활 수행 모듈(130)은 재활 장비를 이용하여 환자의 근육을 강화시키고 발란스를 유지하는 자세로 바로잡을 수 있도록 재활 치료를 수행하기 위한 것으로, 재활장비 제어부(131) 및 재활장비 구동부(132)를 포함하여 구성된다.
재활장비 제어부(131)는 재활처방 운영 모듈(120) 및 실시간 근육 제어 모듈(140)로부터 수신한 명령에 따라 재활장비 구동부(132)를 제어하여 재활 치료를 수행하도록 한다.
재활장비 구동부(132)는 재활장비 제어부(131)의 제어에 따라 재활장비를 구동시킨다. 재활장비 구동부(132)에서 구동하는 재활장비에 대해서는 도 9a 내지 도 9e를 참조하여 후술한다.
실시간 근육 제어 모듈(140)은 재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 환자의 근육의 상태를 체크하고 최적의 운동 상태를 유지할 수 있도록 재활 장비를 제어하기 위한 것으로, 실시간 근육 측정부(141), 실시간 근육 분석부(142) 및 실시간 근육 제어부(143)를 포함하여 구성된다.
실시간 근육 측정부(141)는 재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 근육의 생체전기 신호를 측정한다. 실시간 근육 측정부(141)의 기능상 생체전기 신호 측정부(111)와 분리된 것으로 도시하였으나, 재활치료 중 실시간 생체전기 신호의 측정을 위해 생체전기 신호 측정부(111)를 이용할 수도 있을 것이다.
실시간 근육 분석부(142)는 실시간 근육 측정부(141)에 의해 측정된 생체전기 신호로부터 근활성도 및 근피로도를 분석한다. 근활성도 및 근피로도를 분석하는 방법은 생체전기 신호 처리 모듈(110)과 동일하며 이에 대한 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
실시간 근육 제어부(143)는 실시간 근육 분석부(142)에 의한 분석 결과, 근활성도 및 근피로도가 설정범위 밖으로 벗어나면 설정범위로 들어올 수 있도록 재활장비의 기울기 각도, 속도, 시간 등을 조절하여 이를 재활 장비 제어부(131)로 전달한다. 이로써, 재활치료 중에 환자의 근육의 상태가 설정범위 내를 유지하게 되고, 이로써 인체에 무리가 가는 것을 방지하고 과도한 근육의 긴장으로 인한 타 근육의 보상 작용을 방지하여 최적의 재활 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 생체전기 신호 처리 모듈의 상세 구성도이다.
생체전기 신호 분석부(112)는 생체전기 신호 측정부(111)로부터 수신한 미가공의 생체신호, 예를 들어 근전도 신호를 표준화된 분석기법을 통해 분석하여 근육 상태 분석을 위해 사용되는 각종 수치를 도출하기 위한 것으로, 시간 영역 분석부(112-1)와 주파수 영역 분석부(112-2)를 포함하여 구성된다.
시간 영역 분석부(112-1)는 수신한 미가공의 근전도 신호에 대해 시간 영역에서 분석을 수행하는 것으로, 구체적으로 Integral Average, RMS(Root Mean Square), PTP(Post-Tetanic Potential), MEF(Median Edge Frequency) 및 MDF(medial frequency) 값을 도출한다.
여기서, Integral Average(VI .A)와 RMS(VRMS)는 근전도 신호 파형의 진폭정보(uV)와 근활성도를 나타내는 것으로, Integral Average는 수학식 1과 같이 N 개의 미가공 근전도 신호에 절대값을 취한 후 이들을 평균하여 구해지며, RMS는 수학식 2와 같이 N개의 미가공 근전도 신호의 제곱을 취한 후 평균을 계산하고 다시 이의 제곱근을 취해 구해진다. 이때, N은 미가공 근전도 신호의 개수를 의미하고, v(t)는 시간 t에서의 근전도 신호 값을 의미한다.
[수학식 1]
Figure 112010024753512-pat00001

[수학식 2]
Figure 112010024753512-pat00002

PTP(VPTP)는 M-wave의 진폭을 나타내는 것으로, 수학식 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 한번의 자극이 가해지고 다음 자극이 가해지기 전까지 측정된 M-wave 값들 중 최대값과 최소값의 차이를 의미한다. 이때, Vmax는 M-wave의 최대값을 의미하고, Vmin는 M-wave의 최소값을 의미한다.
[수학식 3]
Figure 112010024753512-pat00003

MEF(fMEF)는 근전도 신호의 파워 스펙트럼을 구했을 때, 파워 스펙트럼의 적분 값이 정확하게 반으로 나누어지는 부분의 주파수를 의미한다. 즉, 수학식 4와 같이 MEF를 기준으로 하여 파워 스펙트럼을 적분하면 양 측의 값이 같게 된다. MEF는 자극이 한번 가해진 후 다음 자극이 가해지기 전까지의 데이터를 이용하여 계산되며, S(f)는 v(t)의 파워 스펙트럼 밀도를 의미한다.
[수학식 4]
Figure 112010024753512-pat00004

MDF(fMDF)는 근전도 신호의 파워 스펙트럼을 구했을 때, 각 주파수의 파워 스펙트럼 값에 그 주파수 값 자체를 곱하여 적분한 총량을 파워 스펙트럼의 적분 값으로 나누어서 산출된 주파수를 의미하는 것으로, 수학식 5와 같다. MDF는 자극이 한번 가해진 후 다음 자극이 가해지기 전까지의 데이터를 이용하여 계산되며, S(f)는 v(t)의 파워 스펙트럼 밀도를 의미한다.
[수학식 5]
Figure 112010024753512-pat00005

주파수 영역 분석부(112-2)는 수신한 미가공 근전도 신호에 대해 주파수 영역에서 분석, 즉 파워 스펙트럼의 특성 분석을 수행하는 것으로, 구체적으로 SEF(Spectral Edge Frequency), MEF(Median Edge Frequency), 통계적 분석, 상관분석 (Correlation Analysis) 및 필터링을 수행한다.
SEF 분석은 SEF-95%, SEF-90%, SEF-50%(MEF), SEF-25% 등과 같이 파워 스펙트럼에서 Low-Edge(주파수축의 왼쪽)부터 특정 주파수 값까지의 면적이 '전체 주파수영역에 대한 면적의 각 %'를 차지하는 해당 특정 주파수 값(단위: Hz)을 의미한다.
도 3은 도 2에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 SEF 분석을 설명하기 위한 그래프로서, 도 3의 (a)에 도시된 파워 스펙트럼으로부터 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 0~100% 사이로 정규화한 누적파워분포를 구한 후, y축에서 해당 누적 파워 값이 소정 %에 해당하는 x축의 주파수 값을 확인하여 구할 수 있다.
또한, MEF 분석을 통해 근 피로도를 알 수 있는데, MEF는 근 피로도와 반비례 관계, 즉 근 피로도가 높아지면 MEF가 낮아진다. 이는, 근육이 피로해지면 근육 세포의 전기적 불응기간이 길어져서 근 피로도가 높아지면 고주파가 줄어들고 저주파 성분이 우세해 지기 때문이다. 또한, MEF 값은 SEF-50%과 동일하므로, 근 피로도는 SEF 분석을 통해서도 알 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 주파수 영역 분석부에 의한 MEF 분석을 설명하기 위한 그래프로서, 도 4의 (a)는 정상상태의 근 수축시 미가공 근전도 신호를 도시하고, 도 4의 (b)는 근 피로도가 높은 상태의 근 수축시 미가공 근전도 신호를 도시하고, 도 4의 (c)는 정상상태의 근 수축시 파워 스펙트럼을 도시하고, 도 4의 (d)는 근 피로도가 높은 상태의 근 수축시 파워 스펙트럼을 도시한다.
통계적 분석은 도 5에 도시된 확률분포 그래프로부터 Mean, Standard Deviation, Skewness 및 Kurtosis를 구함으로써 수행된다.
Mean(평균)은 수학식 6과 같이 확률분포 그래프상의 측정값들의 평균값으로 오프셋 정보를 포함한다.
[수학식 6]
Figure 112010024753512-pat00006

Standard Deviation(표준편차)은 확률분포의 퍼진 정도를 의미하는 것으로 진폭 정보를 포함하며, 수학식 7 및 수학식 8에 따라 구해진다.
[수학식 7]
Figure 112010024753512-pat00007

[수학식 8]
Figure 112010024753512-pat00008

Skewness는 확률분포의 비대칭 정도(+: 우측방향, -: 좌측방향)를 의미하는 것으로, 수학식 9에 따라 구해진다.
[수학식 9]
Figure 112010024753512-pat00009

Kurtosis는 확률분포의 뾰족한 정도를 의미하는 것으로, 수학식 10에 따라 구해진다.
[수학식 10]
Figure 112010024753512-pat00010

상관 분석은 두 종류의 계열 데이터간의 상관성을 나타내는 것으로, 수학식 11과 같이 동일하게 N개의 데이터를 갖는 두 종류의 계열 데이터들의 공분산을 구하고 이를 각 계열 데이터의 편차로 나누어 줌으로써 구할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112010024753512-pat00011

필터링은 주변 환경에 의한 잡음을 제거하는 전처리 과정 시, 특정 대역의 파형만을 관찰하고자 할 때, 또는 특정 대역의 파형에 대해서만 분석법을 적용하고자 할 때, 특정 대역의 파형만을 걸러내기 위해 사용한다. 필터(Filter)는 FFT, IIR, FIR 등의 수학적 알고리즘을 활용하여 구현될 수 있으며, 그 필터링 특성에 따라 로우 패스 필터(Low Pass Filter; LPF), 하이 패스 필터(High Pass Filter; HPF), 밴드 패스 필터(Band Pass Filter; BPF), 밴드 스톱 필터(Band Stop Filter; BSF) 및 노치 필터(Notch Filter) 등으로 구현될 수 있다.
한편, 생체전기 신호 진단 처리부(113)는 생체전기 신호 분석부(112)에 의해 도출된 각종 수치들을 이용하여 근육의 상태를 분석하기 위한 것으로, 근 활성도 분석부(113-1), 근 피로도 분석부(113-2), 근 타이밍 분석부(113-3), 상호상관관계 분석부(113-4), 좌우 골격근 대칭도 분석부(113-5), 근육 통증 분석부(113-6), 근육 경직도 분석부(113-7), MVIC 정규화 분석부(113-1) 및 RVC 정규화 분석부(113-9)를 포함하여 구성된다.
근 활성도 분석부(113-1)는 시간 영역 분석부(112-1)에 의해 도출된 Integral Average 및 RMS 값으로 근 활성도를 나타낸다.
근 피로도 분석부(113-2)는 적분 근전도(IEMG)와 중간 주파수(Median Frequency; MEF) 분석법에 의해 도출된 값으로 근 피로도를 나타낸다.
이때, 적분 근전도는 근전도 신호를 전파정류(Full-wave rectification) 하여 근육의 활동량의 지표인 운동단위의 동원수와 발화빈도의 변화를 반영한다. 운동단위의 동원수와 발화빈도는 수학식 12에 의해 산출한다. 이때, E(t)는 근전도를 의미하고, T는 수축시간을 의미한다.
[수학식 12]
Figure 112010024753512-pat00012

참고로, 각 척추 주위 근육이 기능을 행하는데 전체 근력에 어느 정도 기여하고 있는가를 파악하기 위해 적분 근전도를 정규화하여 수학식 13에 의해 각 척추 주위 근육의 기여도를 산출할 수 있다. 이때, Mx는 x=1,3,5(척추부)의 근육을 의미한다.
[수학식 13]
Figure 112010024753512-pat00013

중간 주파수(Median frequency; MEF)는 근 피로의 정량화를 위해 수학식 14에 의해 산출되는 것으로, S(f)는 파워 스펙트럼 밀도를 의미한다.
[수학식 14]
Figure 112010024753512-pat00014

이와 같은 중간주파수의 감소율은 근육의 피로도를 의미하므로, 수학식 15에 따라 중간주파수를 정량화한다. 이때, i=1,3,5(척추부)이고, j=1,2, ... ,13이며, IMEF는 초기 중간주파수를 의미한다.
[수학식 15]
Figure 112010024753512-pat00015

근 타이밍 분석부(113-3)는 근육의 수축반응이 일어나기 시작한 시점을 계산하는 것으로, 각 구간대별 RMS 값을 구하고 표준편차를 취한 값으로 산출한다.
상호상관관계 분석부(113-4)는 서로 다른 부위에서 측정한 근전도 신호간의 관련성을 정량화하는 것으로, 두 근육 부위 간의 근수축 타이밍, 즉 해당 동작 시에 두 근육의 수축 패턴이 유사한 정도를 파악할 수 있으며, 수학식 16와 같은 Pearson 알고리즘에 의해 산출한다.
[수학식 16]
Figure 112010024753512-pat00016

좌우 골격근 대칭도 분석부(113-5)는 좌우 척추 근육의 발란스(대칭도)를 분석하는 것으로, 이는 자세의 나쁜 정도를 판단하는 척도가 되며, 좌우 상호 대칭인 각 척추 레벨의 척추 기립근과 심부근의 RMS 값을 비교하여 산출한다.
근육 통증 분석부(113-6)는 척추부 근육의 민감도를 분석하여 통증 정도를 유추하는 것으로, 시간의 흐름에 따라 주파수 변화를 비교하여 통증의 정도를 유추 분석한다. 예를 들어, 치료 전과 치료 후, 또는 전날과 다음날 치료 주파수 시그널(진폭의 정도, 시그널의 양상)을 비교하여 통증의 정도를 유추 분석할 수 있다.
근육 경직도 분석부(113-7)는 확률분포를 통해 근육의 경직 상태를 분석하는 것으로, 근육의 경직도를 확률분포 그래프(그래프의 분포, 기울기, 퍼짐 정도 등)로 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 근육 경직도 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프로, 예를 들어 왼쪽 어깨에 통증을 느끼는 사람이 일정시간 타이핑을 한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 그래프에 도시한 왼쪽 어깨 근육 근전도의 확률분포가 하부 그래프에 도시한 오른쪽 어깨 근육 근전도에 비해 오른쪽으로 편향되어 나타나게 된다.
MVIC(Maximum Voluntary Isomeric Contraction) 정규화 분석부(113-8)는 MVIC(최대근수축력) 값을 산출하는데 있어 불필요한 영향을 최대한 배제하여 정규화하는 것으로, 임의의 기준값을 정하고 측정값이 기준값의 몇 % 수준에 해당하는지를 나타내며, 구체적인 산출 방법은 다음과 같다.
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 MVIC 정규화 분석부에 의한 분석 과정을 설명하기 위한 그래프로서, 우선 도 7에 도시된 바와 같이, 피험자가 해당 근육에 최대 등척성 수축을 가했을 때의 RMS 값을 기준값으로 정하고, 신뢰도를 위해 예를 들어 3번 반복 측정 및 평균하여 MVIC를 결정한 후, 도 8에 도시된 바와 같이, 수학식 17에 따라 검사 동작시의 RMS 값을 MVIC로 나누고 100을 곱함으로써 %MVIC 단위로 산출한다.
[수학식 17]
Figure 112010024753512-pat00017

RVC(Reference Voluntary Contraction) 정규화 분석부(113-9)는 MVIC 정규화 분석부(113-8)에서 해당 근육에 원하는 기준으로 정한 수축을 가했을 때의 RMS 값을 기준값으로 정하는 것을 제외하면 MVIC 정규화 분석부(113-8)와 동일하다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에서 사용되는 재활 장비를 도시하는 모형도로, 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 의한 재활 장비의 모형도, 도 9b는 도 9a에 도시된 재활 장비 모형에 대한 등각뷰, 도 9c는 도 9a에 도시된 재활 장비의 측면을 도시한 도면, 도 9d는 도 9a에 도시된 재활 장비의 윗면을 도시한 도면, 그리고 도 9e는 도 9a에 도시된 재활 장비의 정면을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9e를 참조하여 설명하면, 재활 장비(200)는 생체전기 신호 측정 및 분석부(201), 골반 고정부(202), 무릎 고정부(203), 발목 고정부(204), 회전 및 흔들림 운동부(205), 앞뒤 운동부(206), 균형 유지 지지대(207), 비주얼 트레이닝 화면부 (208), 전후방 레이저 거리측정부(209) 및 측면 레이저 거리측정부(210) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 도 9a는 비주얼 트레이닝 화면부(208), 전후방 레이저 거리측정부(209) 및 측면 레이저 거리측정부(210)를 제외한 재활 장비의 모형도이다.
생체전기 신호 측정 및 분석부(201)는 재활 장비(200)에 탑승한 환자의 근육의 생체전기 신호 측정과 분석을 위해 재활 장비(200)에 내장된 것으로, 도 1에 도시된 생체전기 신호처리 모듈(110)이 이에 해당할 수 있다.
골반 고정부(202)와 무릎 고정부(203)와 발목 고정부(204)는 각각 재활 장비 (200)에 탑승한 환자의 골반, 무릎 및 발목(또는 발등)을 고정하기 위한 것이다.
회전 및 흔들림 운동부(205)는 환자의 신체를 상하로 나누어 하지는 고정시키고 상지는 회전 및 흔들림 운동부(205)의 회전 각도에 따라 회전시킨다. 이에 따라, 환자의 상지가 중력에 대항하는 힘을 가하게 되어 자세를 유지하는 근육을 운동시키게 된다. 또한, 회전 및 흔들림 운동부(205)는 발이 닿는 지면부를 앞뒤 또는 좌우로 흔들리는 동작으로 척추 및 전신 운동을 가능하게 하여 발란스 운동을 가능하게 한다.
앞뒤 운동부(206)는 환자의 시상면을 중심으로 좌우로 나누어 전후방으로 기울기를 시키는 것으로, 하지는 고정시키고 상지는 앞뒤 운동부(206)의 기울기 각도에 따라 기울어진다. 이에 따라, 환자의 상지가 중력에 대항하는 힘을 가하게 되어 자세를 유지하는 근육을 운동시키게 된다.
회전 및 흔들림 운동부(205)와 앞뒤 운동부(206)를 각각 작동시키면 이차원적 움직임이 유발되지만, 동시에 작동시켜 회전 각도와 기울기 각도를 가하면, 3차원적 움직임이 일어나게 된다. 다시 말해, 인체 상부인 척추부 주위의 항중력근, 예를 들어 자세 유지근 및 심부근 등과 같은 골격근의 운동을 위해, 하지를 고정시키고 회전 및 흔들림 운동부(205)와 앞뒤 운동부(206)를 이용하여 상부에 전후, 좌우, 회전의 움직임을 가하면, 3차원적 기울기 각도가 형성되고, 형성되는 각도에 따라 중력에 대응하는 각각의 근육의 긴장도가 유발된다. 이에 따라, 자세를 유지해주는 근육이 강화되고 근발란스가 유지될 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 환자의 하지가 고정되고 회전 및 흔들림 운동부(205)와 앞뒤 운동부(206)가 환자의 상지 만을 운동시키는 것으로 설명하였으나, 회전 및 흔들림 운동부(205)와 앞뒤 운동부(206)가 동시에 또는 각각 동작함으로써 환자의 상지와 하지를 모두 운동시킬 수 있도록 구현될 수도 있을 것이다.
균형 유지 지지대(207)는 재활 장비(200)의 무게 중심과 균형을 유지하기 위한 축이다.
비주얼 트레이닝 화면부(208)는 전후방 레이저 거리측정부(209) 및 측면 레이저 거리측정부(210)를 통해 유추된 환자의 신체 상부의 움직임을 화면으로 보여주면서, 환자가 재활치료 중에 정자세를 유지할 수 있도록 시각적으로 모니터링 시켜주기 위한 것이다. 이처럼 환자가 재활치료 수행 중에 자신의 움직임을 시각적으로 볼 수 있도록 함으로써, 감각운동중추를 자극하여 재활치료에 상당한 효과를 얻을 수 있게 된다.
전후방 레이저 거리측정부(209)는 환자의 신체 상부의 앞뒤 움직임을 비주얼 트레이닝 화면부(208)를 통해 보여주기 위해 레이저를 통해 신체 상부의 전면이나 후면까지의 거리를 측정하여 앞뒤 움직임을 유추한다.
측면 레이저 거리측정부(210)는 환자의 신체 상부의 좌우 측면의 움직임을 비주얼 트레이닝 화면부(208)를 통해 보여주기 위해 레이저를 통해 신체 상부의 좌우 측면부까지의 거리를 측정하여 좌우 측면의 움직임을 유추한다.
비주얼 트레이닝 화면부(208), 전후방 레이저 거리측정부(209) 및 측면 레이저 거리측정부(210)는 환자의 신장에 따라 높이를 조절할 수 있도록 위아래 방향으로 위치를 조절할 수 있는 기능이 있는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명에 의한 생체전기 신호의 측정 및 분석의 일 예를 도시하는 도면으로, 재활장비(200)의 생체전기 신호 측정 및 분석부(201)에 의해 측정된 생체 신호와 이를 분석하여 얻은 결과는 도 10에 도시된 예와 같이 화면상에 표시되어 환자 또는 시술자가 확인하도록 할 수도 있다.
도 11은 도 1에 도시된 실시간 근육 제어 모듈의 동작 흐름도로, 환자에 대한 재활 치료를 수행하면서 실시간으로 근육의 상태를 파악하여 환자에게 무리가 가지 않고 근육의 과긴장이 초래되지 않으며 다른 근육으로의 보상작용 운동이 일어나는 것을 방지할 수 있도록 재활장비를 제어하여 환자의 상태에 맞는 수치로 다시 설정할 수 있도록 한다.
이를 위해, 재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 근육 상태를 측정하고 (S10), 좌우 골격근의 대칭도 분석(S20) 및 좌우 골격근의 근피로도 분석(S30)을 거쳐 그 결과에 따라 재활 장비를 제어 및 구동시킨다(S40).
구체적으로, 좌우 골격근의 대칭도 분석 단계(S20)에서는, 강화할 좌우 근육의 근활성도, 즉 RMS 값이 기 설정된 소정 값 이상이면(S21) 좌우 근육의 근활성도 편차가 설정범위를 벗어났는지 판단하고(S22), 설정범위을 벗어난 경우, 근활성도 편차가 설정범위 안으로 들어올 수 있도록 재활장비의 각도 등의 수치를 조절하게 된다(S23).
또한, 좌우 골격근의 근피로도 분석 단계(S30)에서도 마찬가지로, 강화할 근육의 피로도가 기 설정된 소정 값 이상이면(S31) 근 피로도가 설정범위를 벗어났는지 판단하고(S32), 설정범위을 벗어난 경우, 근피로도가 설정범위 안으로 들어올 수 있도록 재활장비의 각도 등의 수치를 조절하게 된다(S33).
이후, 재활 장비 제어 및 구동 단계(S40)에서는 근활성도 또는 근피로도가 설정범위 안으로 들어올 때까지 조절된 수치에 따라 재활장비를 제어 및 구동시키고, 설정범위 안으로 들어오게 되면 다시 재활처방 운영 모듈(120)에 의해 설정된 재활처방에 따라 재활장비를 구동시키게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의한 3차원적 자세 재활 시스템을 이용하여, 종래에는 기술자의 주관적인 감각과 시술로 행해지던 도수의학 분야에서 학문적으로 인정된 연부조직(근육, 인대 등)의 기능부전을 해결하기 위한 방법인 근에너지 기법(Muscle Energy Techniques; MET)을 객관적인 판단에 따라 기계적 및 자동적으로 수행할 수 있게 된다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
110: 생체전기 신호 처리 모듈
120: 재활처방 운영 모듈
130: 재활 수행 모듈
140: 실시간 근육 제어 모듈

Claims (17)

  1. 환자의 근육의 생체전기 신호를 측정하여 이를 분석하는 생체전기 신호 처리 모듈;
    상기 생체전기 신호 처리 모듈에 의해 분석된 결과를 기초로 환자의 근육을 강화하고 척추 좌우 근육의 발란스를 맞추기 위한 재활처방을 산출 및 설정하는 재활처방 운영 모듈; 및
    상기 재활처방 운영 모듈로부터 수신한 명령에 따라 재활 장비를 이용하여 재활 치료를 수행하는 재활 수행 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 환자의 근육의 상태를 체크하여 최적의 운동 상태를 유지할 수 있도록 상기 재활 장비를 제어하는 실시간 근육 제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 생체전기 신호 처리 모듈은,
    표면유도전극 또는 정적 EMG 스캐너 도자를 통해 상기 근육의 생체전기 신호를 검출하는 생체전기 신호 측정부;
    상기 생체전기 신호 측정부에 의해 검출된 생체전기 신호를 시간 영역 분석 및 주파수 영역 분석에 의해 분석하는 생체전기 신호 분석부; 및
    상기 생체전기 신호 분석부에 의해 분석된 결과를 이용하여 재활 처방 산출을 위해 필요한 임상 수치를 도출하는 생체전기 신호 진단 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 생체전기 신호 분석부는,
    상기 생체전기 신호에 대해 시간 영역에서 분석을 수행하여 Integral Average, RMS(Root Mean Square), PTP(Post-Tetanic Potential), MEF(Median Edge Frequency) 및 MDF(medial frequency) 값을 도출하는 시간 영역 분석부; 및
    상기 생체전기 신호에 대해 주파수 영역에서 분석을 수행하여 SEF(Spectral Edge Frequency) 분석, MEF(Median Edge Frequency) 분석, 통계적 분석, 상관분석 (Correlation Analysis) 및 필터링을 수행하는 주파수 영역 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 생체전기 신호 진단 처리부는,
    상기 시간 영역 분석부에 의해 도출된 Integral Average 및 RMS 값으로 근 활성도를 나타내는 근 활성도 분석부;
    적분 근전도(IEMG)와 중간 주파수(Median Frequency; MEF) 분석법에 의해 도출된 값으로 근 피로도를 나타내는 근 피로도 분석부;
    근육의 수축반응이 일어나기 시작한 시점을 계산하는 근 타이밍 분석부;
    서로 다른 부위에서 측정한 생체전기 신호 간의 관련성을 정량화하는 상호상관관계 분석부;
    좌우 척추 근육의 발란스를 분석하는 좌우 골격근 대칭도 분석부;
    척추부 근육의 민감도를 분석하여 통증 정도를 유추 분석하는 근육 통증 분석부;
    근전도 신호의 확률분포를 통해 근육의 경직 상태를 분석하는 근육 경직도 분석부;
    MVIC(Maximum Voluntary Isomeric Contraction, 최대근수축력) 값을 정규화하여 산출하는 MVIC 정규화 분석부; 및
    RVC(Reference Voluntary Contraction, 기준치 수의 수축) 값을 정규화하여 산출하는 RVC 정규화 분석부 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 재활처방 운영 모듈은,
    상기 생체전기 신호 처리 모듈에 의해 분석된 결과를 이용하여 환자의 척추 주위의 근육 중에서 좌우 비대칭이거나 정상범위를 벗어나는 근육을 발굴하는 재활처방 진단부;
    상기 재활처방 진단부에 의해 발굴된 근육에 대한 재활처방을 산출하는 재활처방 산출부; 및
    상기 재활처방 산출부에 의해 산출된 데이터에 따라 상기 재활 장비를 구동 가능하도록 프로그램화하는 재활처방 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 재활 수행 모듈은,
    상기 재활처방 운영 모듈로부터 수신한 명령에 따라 상기 재활장비를 구동시키는 재활장비 구동부를 제어하는 재활장비 제어부; 및
    상기 재활장비 제어부의 제어에 따라 상기 재활장비를 구동시켜 재활치료를 수행하는 재활장비 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 실시간 근육 제어 모듈은,
    재활 치료가 수행되는 동안 실시간으로 근육의 생체전기 신호를 측정하는 실시간 근육 측정부;
    상기 실시간 근육 측정부에 의해 측정된 생체전기 신호로부터 근활성도 및 근피로도를 분석하는 실시간 근육 분석부; 및
    상기 실시간 근육 분석부에 의한 분석 결과, 근활성도 및 근피로도가 기 설정된 설정범위 밖으로 벗어나면 상기 설정범위로 들어올 수 있도록 상기 재활장비의 기울기 각도, 속도 및 시간 중 하나 이상을 조절하여 상기 재활 수행 모듈로 전달하는 실시간 근육 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 재활장비는,
    상기 재활장비에 탑승한 환자의 골반, 무릎 및 발목을 각각 고정하기 위한 골반, 무릎 및 발목 고정부;
    환자의 신체의 상지를 회전시키거나 환자의 발이 닿는 지면부의 앞뒤 또는 좌우로 흔들리는 동작으로 발란스 운동을 시키기 위한 회전 및 흔들림 운동부;
    환자의 시상면을 중심으로 좌우로 나누어 상지를 전후방으로 기울여지도록 하기 위한 앞뒤 운동부; 및
    상기 재활장비의 무게 중심과 균형을 유지하기 위한 균형 유지 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 재활장비는,
    레이저를 통해 환자의 신체 상부의 전면 또는 후면까지의 거리를 측정하여 앞뒤 움직임을 유추하는 전후방 레이저 거리측정부;
    레이저를 통해 환자의 신체 상부의 좌우 측면부까지의 거리를 측정하여 좌우 측면의 움직임을 유추하는 측면 레이저 거리측정부; 및
    상기 전후방 레이저 거리측정부 및 상기 측면 레이저 거리측정부를 통해 유추된 환자의 신체 상부의 움직임을 화면으로 디스플레이하는 비주얼 트레이닝 화면부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근육의 생체전기 신호 분석을 통한 3차원적 자세 재활 시스템.
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