KR101377571B1

KR101377571B1 - 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101377571B1
Application number: KR1020120106690A
Authority: KR
Inventors: 탁계래; 최진승; 오호상; 강동원
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-03-25

Abstract

본 발명은 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 페달링 시 전면 촬영을 통해 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외, 수직 방향의 궤적을 정량적으로 측정할 수 있는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 카메라의 영상 데이터를 이용한 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템에 있어서, 페달링 시 하지의 수직 정렬에 대해, 전두면(frontal plane)에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 촬영하기 위한 반사마커;를 포함하여 구성된다.

Description

카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템 및 그 방법{Simple Camera-based Evaluation System for Lower Limb Alignment during Pedalling}

본 발명은 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 페달링 시 전면 촬영을 통해 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외, 수직 방향의 궤적을 정량적으로 측정할 수 있는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자전거는 이동수단을 넘어 여가 및 건강 증진을 위한 수단으로 사용되고 있다. 자전거 운동은 다른 스포츠보다 안정성, 비용 및 장소 측면에서 접근이 용이하며, 운동 강도가 높은 유산소 운동은 물론 신체적, 심리적, 정신적 건강까지도 얻을 수 있는 대표적 스포츠 중 하나로 각광받고 있다(Jung & Yoon, 2008).

그러나 자전거 인구의 증가와 함께 부작용 및 부상 위험 역시 함께 늘어나고 있으며(Wanich, Hodgkins, Columbier, Muraski& Kennedy, 2007), 주요 원인은 자전거 프레임 사이즈의 잘못된 선택(Holmes, Pruitt & Whalen, 1994), 신체적 특징(Burke, 2003) 및 훈련 방식(Schwellnus & Derman, 2005)이 대표적이다.

이 중에서 자전거 프레임 사이즈의 잘못된 선택은 여러 가지 부작용을 일으킬 수 있다. 부적절한 자세로 지속적인 페달링을 수행할 경우, 신체적 변형과 부상을 유발시키고(De vey Mestdagh, 1998) 무릎관절의 통증을 야기하며(Bohlmann, 1981) 하지 근육의 피로도를 증가시킬 수 있다(Kuitunen, Kyrolainen, Avela & Komi,2007; Matsumoto, Tokuyasu & Ohba, 2009). Ryu, Choi, Park과 Kang(2001)은 사이클 선수의 안장 높이 조절이 적은 체력적 소모와 경기력 향상에 도움이 된다고 하였다.

따라서 경기력 향상 및 부상 방지를 위해 자전거의 프레임 길이와 각도를 조절하는 피팅(fitting)이라는 방법을 사용한다(Silberman, Webner)

일반적으로 피팅은 신체 길이를 기반으로 안장 높이나 핸들포스트 등의 프레임 길이 등을 조절하는 정적 피팅(static fitting)과 신발의 클리트(cleat) 각도나 웨지(wedge)의 삽입을 이용해 페달링 시 하지의 수직 정렬을 제공하는 동적 피팅(dynamic fitting)으로 구분된다(Ricard, Hills-Meyer, Miller & Michael, 2006;Sanderson, Black & Montgomery, 1994; Umberger, Scheuchenzuber& Manos, 1998).

즉 정적 피팅은 기본 신체 길이를 바탕으로 하지에서 최대의 힘 또는 토크가 발생될 수 있는 자세를 제시하는 것을 의미하며. 동적 피팅은 실제 페달링 수행을 기반으로 하지에서 발생한 힘과 토크가 페달과 크랭크암(crank arm)을 통해 크랭크로 전달될 때의 효율성을 높이고 부상을 방지하기 위한 방법이다(Callaghan, 2005; Pruitt & Matheny, 2006).

이러한 피팅 결과에 의한 페달링 수행 능력의 평가는 크랭크에 장착하는 SRM 파워미터(Schoberer Rad Messtechnik, Germany)를 이용해 실제 페달링 파워, 속도, 분속수(cadence)를 측정하고 비교하여야 하겠으나(Gardner, Martin, Martin, Barras & Jenkins, 2007), 피팅의 적용이 적절하게 이루어졌는지, 최적의 자세와 안장높이 등을 찾고자할 때, 하지의 정렬상태 등을 나타내는 페달링 수행 궤적의 고찰이 필요하다.

특히 전두면(frontal plane)에서 무릎 관절의 좌우 움직임은 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있기 때문에(Sanderson et al., 1994) 페달링의 동력 전달 시 동적 피팅은 효율성과 부상 방지의 측면에서 필수적이며(Bailey, Maillardet, & Messenger, 2003),

따라서 신체 길이에 따른 정적피팅 후에 수직 정렬을 위한 동적 피팅을 고려해야 정확한 피팅이 이루어진다고 할 수 있다.

일반적으로 정적 피팅은 피험자의 신체 길이에 따라 수식화된 프레임 사이즈를 이용하며, 동적 피팅은 실제 페달링 시 3차원 동작분석 시스템을 사용하여 정량적으로 평가한 후 조절하거나 스트로크 뷰어(stroke viewer, 투명자나 레이저빔을 사용하여 무릎의 대략적 움직임을 관측)를 사용하여 육안으로 대략적인 확인 후 조절을 수행하는 경우가 대부분이다.

3차원 동작분석 시스템은 적외선 카메라를 이용하여 반사 마커(reflective marker)의 정확한 측정이 가능하지만 고비용이고 넓은 전용 측정공간이 필요하다. 스트로크 뷰어의 사용은 육안을 통한 사람의 주관적 판단에서만 측정이 이루어지기 때문에 부정확하며 정량적 측정이 어렵다. 또한 위와 같은 장비들의 경우 실험자의 관찰 및 측정이 요구되어 피실험자의 단독 실험이 불가능하다는 단점이 있다.

본 발명은 일반카메라를 기반으로 하여 사이클 페달링 시의 하지정렬 정도를 나타내는 평가 시스템으로 일반 디지털 캠코더 2대를 이용하여 하지의 수직정렬 및 각도를 산출하여 페달링 시의 하지정렬을 평가하고, 실내트레이닝 롤러가 부착된 자전거의 정면과, 측면에 각각 카메라를 설치하고 오른쪽 하지의 궤적을 검출하기 위한 LED 마커를 관절의 외측(무릎관절, 고관절, 발목관절, 페달)과 전면 중앙(무릎관절, 앞꿈치)에 부착하여, 2대의 카메라에서 촬영된 영상은 컴퓨터에 전송되며, 사이클 페달링 하지정렬 평가 프로그램을 통해 하지의 수직정렬 및 측면각도를 산출하여 하지정렬 정도를 측정하는 데 목적이 있다.

본 발명의 장치는 일반 디지털 캠코더 2대, LED 마커 6개, 하지정렬 평가 프로그램으로 구성된다. 캠코더는 실내트레이닝 롤러가 부착된 자전거의 정면과 측면에 설치되며 영상의 수평을 맞추고 촬영대상 중앙의 높이에 맞게 설치한다. 획득된 영상은 평가 시스템을 통해 하지정렬의 정도(정면, 측면 각도)를 평가한 뒤 안장높이의 조절과 웨지의 삽입을 통해 하지의 수직정렬을 수행하는 데 목적이 있다.

본 발명은 카메라의 영상 데이터를 이용한 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템에 있어서, 페달링 시 하지의 수직 정렬에 대해, 전두면(frontal plane)에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 촬영하기 위한 반사마커;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 카메라를 통해 측정된 영상 데이터는 상기 반사마커의 변화를 마커 검출 알고리즘을 통해 전두면에서의 무릎 궤적의 변화를 측정한다.

본 발명에 있어서, 상기 반사마커는 3차원 동작분석 시스템의 궤적 측정과, 상기 영상 데이터와의 정확도를 비교하기 위해 상호 동기화하여 측정한다.

본 발명에 있어서, 상기 반사마커는 전두면, 시상면에서의 하지의 관절가동범위나 각도를 측정하기 위한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 반사마커는 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적(trajectory)을 정량적으로 측정한다.

본 발명은 카메라 세팅 단계; 페달링 시 전면 촬영을 위해 반사마커를 설치하는 단계; 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에, 상기 카메라를 통해 측정된 영상 데이터가 상기 반사마커의 변화를 마커 검출 알고리즘을 통해 전두면(frontal plane)에서의 무릎 궤적의 변화를 측정하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에, 상기 반사마커를 통해 3차원 동작분석 시스템의 궤적 측정과, 상기 영상 데이터와의 정확도를 비교하기 위해 상호 동기화하여 측정하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에, 상기 반사마커를 통해 전두면, 시상면에서의 하지의 관절가동범위나 각도를 측정는 단계;를 더 포함하여 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에, 상기 반사마커를 통해 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적(trajectory)을 정량적으로 측정하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면 공간의 제약이 적고, 저비용이며 사용자가 현장에서 쉽게 이용할 수 있도록 일반 디지털 캠코더를 사용하였으며, 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있는 전두면에서의 무릎 궤적을 측정할 수 있다.

본 발명에 따르면 페달링 시 전면 촬영을 통해 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적(trajectory)을 정량적으로 측정할 수 있으며, 기본적 카메라 세팅을 이용해 피실험자의 단독적인 실험이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

본 발명에 따르면 기존 피팅 시스템에 비하면 공간의 제약이 적고 저비용이며 실시간으로 카메라 영상을 이용한 정량적인 하지 페달링 자세를 측정할 수 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 측정방법 구성도.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라 및 LED마커　부착 위치를 보여주는 도면.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 마커위치를 이용한 관절각도 측정을 보여주는 도면.
도4는 본 발명에 따른 정면과 측면의 무릎 궤적의 변화를 보여주는 도면.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 빨간색 마커를 이용한 이미지 추출 단계를 보여주는 도면.
도6은 본 발명에 따른 두 장비를 사용한 무릎 관절의 궤적을 나타낸다.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 참고하여 자세히 설명한다.

본 발명은 공간의 제약이 적고, 저비용이며 사용자가 현장에서 쉽게 이용할 수 있도록 일반 디지털 캠코더(10-1, 10-2)를 사용하였으며, 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있는 전두면에서의 무릎 궤적을 측정할 수 있는 시스템이다.

본 발명에 따른 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템은 페달링 시 전면 촬영을 통해 하지의 수직 정렬과 밀접한 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적(trajectory)을 정량적으로 측정할 수 있으며, 기본적 카메라 세팅을 이용해 피실험자의 단독적인 실험이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

본 발명에 따른 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템의 정확성은 3차원 동작분석 시스템과의 오차 및 상관관계를 이용하여 검증하였으며, 추가로 안장 높이의 조절 및 웨지(wedge)의 삽입을 통한 간단한 피팅 효과 비교실험을 수행하여 개발된 시스템의 적용가능성을 확인하였다.

도1은 자전거 페달링 시 무릎 관절의 궤적을 검출하기 위한 영상 시스템의 전체 구성을 나타낸다.

영상획득은 일반 CCD타입의 디지털 캠코더(10-1, 10-2)를 사용하였으며, 영상 데이터는 720×480 pixels의 해상도와 30 Hz의 샘플링 주파수로 PC에 전송하여 저장되었다.

무릎 관절의 궤적은 한 개의 빨간색 반사마커(20 ; 예를 들어 직경 9 mm)를 오른쪽 무릎 관절의 중앙에 부착하여 변화를 촬영하였다.

촬영 시 그림자에 따른 영상의 조도 변화를 방지하기 위해 150 W의 조명을 설치하였다.

측정된 영상 데이터는 MATLAB 6.5(Mathwrok Inc., USA) 프로그램으로 구성된 마커 검출 알고리즘을 통해 전두면(frontal plane)에서의 무릎 궤적의 변화를 측정하게 된다.

반사마커(20)는 3차원 동작분석 시스템의 궤적 측정에도 사용되었으며, 영상 데이터와의 정확도를 비교하기 위해 동기화하여 측정하였다.

도1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 영상 시스템의 마커 검출 알고리즘은 영상 설정(image setup)과 궤적 획득(trajectory acquisition)과정으로 이루어진다.

영상 설정 단계에서는 디지털 캠코더(10-1, 10-2)의 영상이 마커가 부착된 무릎 관절의 움직임 범위에서 벗어나지 않고 정면에 위치하도록 하였으며 지면과의 수평을 맞추었다. 획득된 영상 데이터는 정지 영상의 프레임에서 ROI(Region of interest)를 설정한다.

ROI는 마커가 움직이는 범위에 한정하여 마커 인식에 있어 불필요한 영역을 제거하고 마커 추출의 빠른 계산이 이루어지도록 하였다.

궤적 획득과정에서는 본 발명에서 사용한 빨간색 반사마커(20)의 영상 검출을 위해 YCbCr color space를 사용하였다. 여기서 Y는 휘도 성분(brightness component)을, Cb와 Cr은 파랑색 성분과 빨간색 성분의 색차 성분(chrominance component)을 각각 나타낸다. 일반적으로 영상에서 획득되는 RGB(Red Green Blue) color space는 빛에 민감하여 외부 조명에 따라 색의 분포가 변화하게 되어 자전거 페달링 시 지속적이고 반복적인 움직임으로 인하여 그림자가 생기게 되고 RGB의 색분포가 변화하게 된다.

따라서 다양한 조명의 변화에 영향을 덜 받는 YCbCr color space를 사용하여 RGB color space보다 정확한 빨간색 마커를 추출할 수 있도록 하였다. 도5 (b)는 RGB영상을 YCbCr color space로 변환 후, Cr영상으로 나타낸 것이다. 아래 <수학식1>은 RGB color space를 YCbCr color space로 변환하는 식이다.

도5에서 보는 바와 같이 빨간색 마커의 추출에 유용한 Cr의 색차 정보를 이용하여 입력 픽셀의 색차 정보가 Cr의 임계값 이상일 경우에는 출력 픽셀의 값을 1로, 그렇지 않은 경우는 0으로 설정하였다.

다음 식에서 B(x,y)는 임계값 T을 통해 변환된 바이너리 영상(Binary image) 정보이며, A(x,y)는 입력 영상 데이터를 나타낸다.

임계값 이상의 추출된 마커의 정보의 중심을 찾기 위해 B(x,y)가 1인 좌표를 획득한 후 행과 열의 각각의 중심을 계산하여 중심을 추출하였다. 각 프레임에서 추출된 마커 중심을 통하여 무릎 관절에 부착된 마커의 궤적을 추출하였다.

보다 상세하게 본 발명에 따른 시스템 정확도 분석에 대해 알아보면, 상기 자전거 페달링 시, 영상 시스템의 무릎 궤적 측정 정확도를 살펴보기 위해 3차원 동작분석 시스템과 동기화하였으며, 빨간색 반사마커(20)를 사용하여 두 시스템에서의 마커 인식이 동시에 이루어지도록 하였다.

적외선 카메라 6대로 구성된 3차원 동작 분석 시스템(Motion analysis Corp., USA)의 샘플링 주파수는 120 Hz로 측정 하였으며, 영상 시스템의 30 Hz의 샘플링 주파수와 매칭하기 위해 240 Hz로 리샘플링(resampling)을 수행하였다.

또한 두 영상으로부터의 단위(unit)가 영상 시스템의 경우 pixel, 3차원 동작분석 시스템의 경우 mm이기 때문에 분석하고자 하는 동일 시간에서의 수직 방향 움직임과 내외 방향의 움직임을 각각 최대 움직임 범위(range of motion)에 대해 백분율로 표준화하였으며, 오차는 리샘플링된 3차원 동작분석 시스템 데이터와 영상 시스템의 데이터 백분율 차이를 이용하여 계산하였고, Pearson 상관계수를 이용해 두 값의 상관관계를 나타내었다. 유의 수준은 .01로 정하였다.

도6은 두 장비를 사용한 무릎 관절의 궤적을 나타낸다. 왼쪽 그림은 3차원 동작분석 시스템을 이용한 궤적이고 오른쪽은 개발된 시스템을 이용한 궤적의 예시이다.

그림에서 나타난 바와 같이 가로축은 내외 방향을, 세로축은 수직 방향을 나타내며 두 장비의 단위가 다르기 때문에 pixel과 mm단위의 변화량을 백분율로 나타내었다.

아래 표2는 피험자 각각의 두 장비 간 오차와 상관관계를 나타낸다. 평균 오차는 내외 방향이 1.86±0.58 %, 수직 방향이 0.92±0.38%로 나타났으며, 여기서 내외 방향의 1.86 %는 약 0.62 mm, 수직방향의 0.92 %는 약 2.33 mm이다. 두 장비간의 평균 상관계수는 내외 방향이 0.9975±0.0013, 수직 방향이 0.9996±0.0002로 매우 높은 값을 보였다.

한편 본 발명에서 개발된 영상 시스템과 동기화된 3차원 동작분석 시스템을 사용하여 페달링 궤적을 측정하였다. 피험자는 20대 대학생 남자 7명 (24.0±2.4 years, 174.4±4.3 cm, 68.0±9.7 kg)을 대상으로 실험을 실시하였다.

본 발명에서는 보다 정확한 영상 시스템의 정확도를 살펴보기 위해 신발에 삽입되는 웨지 및 안장높이를 변경하여 페달링시 변화하는 무릎 궤적을 측정하였다. 각 피험자는 안장 높이의 조절과 웨지 유무에 따라 총 4가지의 자전거 페달링 실험을 실시하였다.

아래 표1과 같이 안장높이의 결정은 피험자의 신체 길이 및 비율 등에 따라 높고 낮음의 기준이 다르기 때문에 무릎이 이루는 각도를 기준으로 구분하였다.

무릎 각도의 크기에 따라 145도일 경우에 낮은 안장 높이(low saddle height)로 결정하였고, 무릎 각도가 155도일 경우 높은 안장 높이(high saddle height)로 나눠 실험을 수행하였으며(Peveler, 2008), 웨지는 피험자 내·외족의 정도가 3°～7°이면 2mm두께의 웨지 1개, 6°～12°이면 1～2개를 경우에 따라 신발 내부에 삽입하였다(Bike Fit System, Bike Fit System LLC, USA). 실제 페달링은 시마노사의 클리트 페달과 안장이 부착된 고정형 피팅 전문 기구(Juteau-Cantin, Juteau-Cantin Inc., Canada)를 사용하였고 피험자는 스페셜라이즈드사의 S-works 스파이크를 착용하여 60 RPM으로 30초간 페달링을 실시하였다.

상기 표3은 안장 높이의 변화 및 웨지의 삽입 유무에 따른 오차 및 상관계수를 나타낸다. 전체 피험자의 모든 상황 별 두 장비 간 평균 오차 및 상관관계를 살펴본 결과, 낮은 안장 높이(low saddle height)의 경우 내외 방향과 수직 방향의 오차는 각각 1.86±0.58 %, 0.92±0.38 %이며, 상관계수는 각각 0.9974±0.0013, 0.9997±0.0003이다. 낮은 안장 높이에서 웨지 삽입 시 (low saddle height, wedge) 내외 방향과 수직 방향의 오차는 각각 1.64±0.66 %, 0.90±0.36 %이며, 상관계수는 각각 0.9983±0.0018, 0.9996±0.0003이다. 높은 안장 높이 (high saddle height)에서 내외 방향과 수직 방향의 오차는 각각 2.83±2.07 %, 1.06±0.35 %이며, 상관계수는 각각 0.9938±0.0099, 0.9994±0.0005이다. 높은안장 높이에서 웨지 삽입 시 (high saddle height, wedge) 내외 방향과 수직 방향의 오차는 각각 2.72±2.09 %, 1.01±0.36 %이며, 상관계수는 각각 0.9920±0.0150, 0.9995±0.0004로 나타났다.

결론적으로, 본 발명에서는 페달링 시 일반 디지털 캠코더(10-1, 10-2)의 전면 촬영을 통해 전두면에서의 영상을 획득하고 이에 따른 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적을 획득할 수 있는 시스템을 개발하였다.

시스템의 정확성 검증을 위해 3차원 동작분석 시스템과의 오차 및 상관관계를 계산하였으며, 개발된 시스템을 사용하여 안장 높이의 조절 및 웨지의 삽입 유무 실험을 통해 각 상황에 따른 수직 및 내외 방향에서의 변화에 따른 오차도 함께 계산하였다.

따라서 본 발명에서 수행한 실험은 3차원 동작분석 시스템이나 스트로크뷰어를 사용하는 실험의 공간의 제약, 고비용적인 측면 등의 단점을 보완하여 공간의 제약이 적고 저비용이며, 실험자의 직접 관찰 및 측정이 요구되지 않아 피실험자의 단독적인 실험이 가능하다는 장점이 있다.

또한 개발된 시스템은 간단한 알고리즘의 계산을 통해 페달링 궤적을 획득하여 정확하며 정량적으로 확인할 수 있다는 장점이 있다.

또한 상기 표2에서와 같이 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템의 정확성 검증에서는 내외 방향 1.86 %, 수직 방향 0.92 %의 낮은 오차와 높은 상관관계가 나타났다.

여기서 1.86 %와 0.92 %는 각각 0.62 mm, 2.33 mm를 나타내는데 이 수치는 페달링 수행 시 관절의 정렬 정도를 정량적으로 분석하는데 문제가 없을 것으로 사료된다.

기존 발명들을 살펴보면, 부적절한 페달링 시에 유발되는 부상으로 목과 등의 통증, 척골 신경병증, 안장통, 요도염, 방광염, 전방슬관절 통증, 아킬레스건염 등이 보고되었다(Mellion, 1991). 그 중 무릎 통증은 많은 부분을 차지하고 있으며, 주요 원인은 부적절한 하지 정렬에 의한 페달링 시 부하의 집중현상이라고 보고되었다(Holmes etal., 1994). 또한 Hannaford, Moran과 Hlavac(1986)은 부상의 경험이 있는 사이클 선수와 과도한 무릎의 움직임을 보이는 사이클 선수가 전두면에서의 무릎 움직임이 관련이 있는 것으로 보고하였다. 이는 본 발명에서 개발된 시스템을 사용하여 전면 촬영을 통해 간단하게 무릎 관절의 궤적을 확인할 수 있으므로 부상을 예방하기 위해 편리하게 사용이 가능할 것으로 사료된다.

이와 관련하여, 보다 정확한 영상 시스템의 정확도를 살펴보기 위한 실험으로 수행한 안장 높이의 조절과 웨지의 삽입에 관한 시스템의 적용 실험 역시 상기 표3에서 나타난 바와 같이 낮은 오차와 높은 상관관계를 보여 추후 피팅에 따른 실험을 통해 무릎 관절의 궤적을 살펴볼 수 있을 것이다. 안장 높이의 조절은 최적의 페달링과 부상 방지를 위해 활용이 가능하며(Hamley & Thomas, 1967; Holmes et al., 1994), 웨지의 삽입 역시 발의 내외족을 고려하여 좀 더 세밀한 피팅을 위해 활용될 수 있다. 따라서 추후 발명에는 본 발명에서 검증된 시스템을 바탕으로 피팅에 따른 평가가 이루어질 수 있다.

오차의 원인을 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템은 캠코더 1대만을 이용하여 정면에서 2차원에서의 내외, 수직 움직임만을 분석하였기 때문에 페달 전후방향의 움직임에 대한 평가가 고려되지 않았다.

또한 3차원 동작분석 시스템과는 다르게 한 대를 이용한 카메라의 경우, 카메라의 위치에 따라 내외 및 수직축의 비율이 달라질 수 있기 때문에 오차의 원인이 될 수 있으며, 이외에도 지속적으로 움직이는 무릎 관절의 마커가 카메라 영상의 잡음(noise)이나 퍼짐(blurring)현상으로 번지게 나타나는 경우가 생겨 오차의 원인이 될 수 있다. 내외 방향과 수직 방향의 백분율 오차를 비교해보면, 전체적으로 수직방향이 내외 방향보다 더 낮은 오차와 높은 상관관계를 나타낸다. 이것은 내외 방향보다 수직 방향이 규칙적이고 제한적으로 움직이기 때문이다. 하지만 mm로 변환 시, 수평 방향의 오차가 더 낮은 것은 수직 방향이 내외 방향보다 관절가동범위의 폭이 크기 때문으로 생각할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예로서 1개의 마커 검출에 대한 높은 정확성을 토대로, 무릎 관절의 중앙 뿐만 아니라 다른 신체 분절에 여러개의 마커를 부착하여 전두면, 시상면에서의 하지의 관절가동범위나 각도를 다양하게 분석할 수 있다.

또한 전두면 및 시상면에서의 각도 역시 페달링 수행과 부상 방지에 중요한 변인이므로 본 발명에서 개발된 시스템을 사용하여 활용이 가능하다.

10-1, 10-2 : 디지털 캠코더
20 : 반사마커

Claims

카메라의 영상 데이터를 이용한 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템에 있어서,
페달링 시 하지의 수직 정렬에 대해, 전두면(frontal plane)에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 촬영하기 위한 반사마커;를 포함하여 구성되되,
상기 반사마커는 3차원 동작분석 시스템의 궤적 측정과, 상기 영상 데이터와의 정확도를 비교하기 위해 상호 동기화하여 측정하는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카메라를 통해 측정된 영상 데이터는 상기 반사마커의 변화를 마커 검출 알고리즘을 통해 전두면에서의 무릎 궤적의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템
삭제
제1항에 있어서,
상기 반사마커는 전두면, 시상면에서의 하지의 관절가동범위나 각도를 측정하기 위한 것임을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템.
제1항에 있어서,
상기 반사마커는 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적(trajectory)을 정량적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 시스템.
카메라 동작 단계;
페달링 시 전면 촬영을 위해 반사마커가 형성되는 단계;
하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계;로 구성되되,
상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에,
상기 반사마커를 통해 3차원 동작분석 시스템의 궤적 측정과, 영상 데이터와의 정확도를 비교하기 위해 상호 동기화하여 측정하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 방법.
제6항에 있어서,
상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에,
상기 카메라를 통해 측정된 영상 데이터가 상기 반사마커의 변화를 마커 검출 알고리즘을 통해 전두면(frontal plane)에서의 무릎 궤적의 변화를 측정하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에,
상기 반사마커를 통해 전두면, 시상면에서의 하지의 관절가동범위나 각도를 측정하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 방법.
제6항에 있어서,
상기 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 궤적의 변화를 상기 반사마커를 통해 촬영하는 단계 후에,
상기 반사마커를 통해 하지의 수직 정렬과 관련이 있는 전두면에서의 무릎관절의 내외(medio-lateral direction), 수직(vertical direction) 방향의 궤적(trajectory)을 정량적으로 측정하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 기반의 사이클 페달링 하지정렬 평가 방법.