KR101542663B1

KR101542663B1 - 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치 및 그 진단방법

Info

Publication number: KR101542663B1
Application number: KR1020130142585A
Authority: KR
Inventors: 정성택; 정성훈
Original assignee: 한국산업기술대학교산학협력단
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-08-06
Also published as: KR20150059244A

Abstract

본 발명은 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치 및 그 진단 방법에 관한 것으로, 소형 측정기와 진단 결과를 표출하는 컴퓨터를 포함한다. 측정기는 피 측정자의 척추 선을 따라 주행하는 동작을 보조하는 주행 보조기구와, 주행시 Z축 거리를 측정하는 거리 측정부와, 척추의 만곡 상태를 진단하기 위한 X축 기울기 및 Y축 기울기를 측정하는 기울기 측정부와, 거리 측정부의 측정 동작과 연계하여 기울기 측정부에 의해 측정된 X축 기울기와 Y축 기울기를 출력하는 측정 제어부를 구비한다. 컴퓨터는 측정기로부터 측정된 Z축 거리와 X축 기울기 및 Y축 기울기로부터 연산된 척추 선의 좌표와 기준 척추모델을 이용하여 생성한 3차원 척추 이미지와 콥스각 수치를 시각적으로 표출한다.

Description

근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치 및 그 진단방법{Spinal Curvation Diagnosis Apparatus Using 3D Modeling Of Musculoskeletal Cobb's Angle And Method Thereof}

본 발명은 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치 및 그 진단방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형 측정기를 이용하여 척추 측만증을 포함하여 척추의 만곡 정도를 알 수 있도록 다양한 척추 질환을 진단하고, 측정기의 측정값을 이용하여 피 측정자의 3차원 척추 이미지를 시각적으로 표출함으로써 환자가 척추 질환을 쉽게 인지할 수 있는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치 및 그 진단방법에 관한 것이다.

청소년들은 빠른 성장속도에 비해 체형이나 체격에 맞지 않는 책상과 의자를 장시간 사용하는 환경에서 생활하기 때문에 잘못된 자세로 지내기 쉽다. 이러한 이유로 성장에 지장을 주거나 척추가 변형되는 주원인이 된다. 이런 환경과 습관으로 인해 얻은 척추 질환은 대부분 성장이 빠르게 진행되는 청소년의 근골격계 질환인 척추 변형으로 많이 나타난다. 또한 직장인들도 업무 시간에 일정한 자세로 장시간 보내는 경우가 흔하기 때문에 척추 질환에 노출되어 있다.

척추 질환에는 일시적인 증상이 나타나 수술적인 치료를 필요치 않는 비구조성 척추 질환이 있는 반면 원인을 알 수 없고 병에 대한 자각이 늦어 수술적인 치료까지 해야 하는 심각한 척추 질환의 구조성 척추 질환이 있다.

일반적으로 척추 만곡을 측정하기 위해선 척추 전체를 포함하는 X-ray와 MRI 같은 의료영상을 통해 측정해야 한다. 하지만 이러한 검사는 특정 장소로 이동해야 하며, 고가의 영상장비를 사용해야 하는 부담이 따른다.

이러한 배경하에서, 척추 측만증을 진단하기 위한 다양한 선행기술들이 알려져 있다. 예를 들어 [특허문헌 1]은 중력 가속도센서가 장착된 측정기로 등심대 검사를 수행하여 가속도 센서의 x축 방향 좌,우측 기울기를 검출하고, y축 방향의 속도 및 시간 변화로 거리를 검출한 뒤 x축 방향 기울기 및 y축 방향 거리로 콥스각을 산출하는 척추 측만증용 측정기를 개시하고 있다.

다른 예로서 [특허문헌 2]는 피 측정자의 척추 만곡점에 부착된 관성센서를 통해 공간상에 위치하는 3개의 축 방향 가속도값을 검출하고, 관성센서로 검출한 3개의 축 방향 가속도값을 이용하여 척추 측만정도 측정장치가 경사각 변화량을 산출하고, 산출된 경사각의 변화량을 미리 입력된 피 측정자의 초기 콥스각에 합산하여 최종 콥스각을 알아내고, 이 최종 콥스각이 초기 콥스각을 초과하면 척추의 측만정도가 비정상으로 판단하고 최종 콥스각이 초기 콥스각 보다 작으면 정상으로 판단하는 척추 측만정도 측정시스템을 개시하고 있다.

위 [특허문헌 1]은 직사각형 몸체에 달린 바퀴를 이용하여 측정기를 주행하고 있는데, 움직이는 측정기의 속도 변화에 따라 중력가속도센서에 의존하여 연산된 측정 기울기와 거리 정보에 대한 오류가 발생될 우려가 높기 때문에 척추 측만증 진단에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다. 또한 [특허문헌 2]에서 자세 교정기구에 비해 저가의 장치를 이용하여 간편한 설정으로 착용이 가능하고 지속적으로 교정 운동을 실시하기에는 이점이 있겠으나, 관성 센서를 피 측정자에 부착해야 하고 지속적인 교정 운동을 위해 항시 착용해야 하는 번거로움이 따르는 불편이 있다.

한편, [특허문헌 2]는 척추 측만 상태가 정상 또는 비정상인지 단순하게 측정 결과를 알려주고 있기 때문에, 척추 측만 상태를 정확하게 인지하기 어려운 문제가 있다. 위 [특허문헌 1]에서는 척추 측만의 지표인 콥스각을 수치로 표시하여 환자에게 도움이 되지만, 컴퓨터에 척추 이미지가 휜 상태를 간략하게 보여주는 정도에 불과하여 측정기로 실제 측정한 척추 이미지를 충실하게 재현하여 전달할 수 없는 문제가 있다.

앞서 설명한 선행문헌들을 포함한 종래 기술과 연결하여 이들 및 기타 문제점을 개선하여 피 측정자에 접촉하는 측정기를 안정적으로 주행하고, 측정기에 장착된 센서의 측정값을 이용하여 다양한 척추 질환을 능률적으로 진단하며, 측정기로 실제 측정한 척추 이미지를 3차원 척추 이미지로 변환하여 시각적으로 표출함으로써 척추 질환의 진행 상태를 환자가 쉽게 인지할 수 있는 진단장치 및 진단방법이 절실히 요구되고 있다.

한국공개특허 제10-2010-0052672호(2010년 5월 20일 공개) 한국등록특허 제10-1043556호(2011년 6월 16일 등록)

[비특허문헌 1] 없음

본 발명의 일 측면은 소형 측정기로 실측한 척추 모델을 기준 척추 모델에 맵핑하여 3차원 척추 이미지를 생성하여 시각적으로 표출함으로써 척추 질환을 쉽게 인지하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치 및 그 진단방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치는, 피 측정자의 척추 선을 따라 주행하는 동작을 보조하는 주행 보조기구와, Z축 주행 거리를 측정하는 거리 측정부와, 척추의 만곡 상태를 진단하기 위한 X축 기울기 및 Y축 기울기를 측정하는 기울기 측정부와, 상기 거리 측정부의 측정 동작과 연계하여 상기 기울기 측정부에 의해 측정된 X축 기울기와 Y축 기울기를 출력하는 측정 제어부를 구비한 측정기; 및 상기 측정기로부터 측정된 Z축 주행거리와 X축 기울기 및 Y축 기울기로부터 연산된 척추 선의 좌표와 기준 척추모델을 이용하여 생성한 3차원 척추 이미지와 콥스각을 시각적으로 표출하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법은, x축 기울기와 y축 기울기를 측정하는 기울기 센서와 주행거리를 측정하는 회전 센서를 설치한 측정기를 피 측정자의 척추 선에 위치시키는 측정준비 단계; 상기 척추 선을 따라 상기 측정기를 주행시 회전 센서의 펄스에 따라 인터럽트를 발생하고, 인터럽트 발생에 따라 기울기 센서의 x축 기울기와 y축 기울기를 디지털 변환하여 유선 또는 무선으로 컴퓨터에 전송하는 단계; 상기 컴퓨터가 실측 척추 모델을 기준 척추 모델에 맵핑하여 피 측정자의 3차원 척추 이미지를 생성하고, 실측 척추 모델에서 콥스각을 연산하는 단계; 상기 피측정자의 3차원 척추 이미지와 콥스각의 수치를 표시부에 표출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에 따르면 측정기 하부에 노출된 바퀴와 주행기어가 측정기를 피 측정자로부터 이격시켜 주행 안정성과 측정 정밀도를 높임으로써 척추 질환의 진단 결과에 대한 신뢰성을 향상할 수 있다.

본 발명은 측정기에 설치한 회전 센서를 통하여 척추 길이에 대응하는 주행 거리를 알아냄으로써 실측된 척추 모델의 측정 오류를 줄일 수 있다.

본 발명은 측정기로부터 측정값을 전달받은 컴퓨터가 실측된 척추 모델을 기준 척추 모델에 맵핑하여 3차원 척추 이미지를 생성하고, 생성한 피 측정자의 3차원 척추 이미지와 콥스각을 시각적으로 표출함으로써 전문적인 의학 지식이 부족한 사용자도 척추 질환을 쉽게 인지할 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치의 개략적인 구성도이고, 도 1b는 측정기와 컴퓨터의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 측정기의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 바닥판에서 커버를 분리하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 측정기 동작을 설명하기 위한 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정기의 걸이대에 결합된 바퀴의 간격을 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 측정기의 사용 예시도이다.
도 7은 척추 측만증을 진단시 적용하는 기울기를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 기준 척추 모델과 실측 척추 모델의 회전각을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 기준 척추 모델의 척추 선에 대한 기준 벡터와 실측 척추 모델의 척추 선에 대한 실측 벡터가 만드는 평면을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실측 척추 모델의 좌표 회전을 위한 회전벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 기준 척추 모델의 척추 선과 실측 척추 모델의 척추 선을 맵핑하여 3차원 척추모델을 생성하는 단계별 이미지를 나타낸 도면이다.
도 12a는 실측 척추 모델로부터 연산되는 콥스각을 설명하는 도면이다.
도 12b는 생성한 3차원 척추 이미지를 측면에서 보아 앞뒤 측만 정도를 알 수 있는 도면이다.
도 13a는 측정 전 표시부의 초기 화면을 나타낸 도면이다.
도 13b는 측정 후 표시부에 진단 결과를 시각적으로 표출한 예시 화면이다.
도 14는 본 발명에 따른 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치는, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이 측정기(1)와, 측정기(1)의 측정값을 유선 또는 무선으로 전송받는 컴퓨터(2)를 포함하여 구성한다. 여기서 무선 전송은 근거리 통신을 적용하는 다양한 방식을 적용 가능하다.

측정기(1)는 x축 기울기와 y축 기울기를 측정하는 기울기 센서(61)와, 피 측정자의 척추 선(spine line)을 따라 주행하는 z축 방향의 주행거리를 측정하기 위한 회전 센서(51)를 구비한다. 측정기(1)에 설치한 기울기 센서(61)로부터 척추의 기울기를 직접 측정하는 방식을 적용함으로써 기존 기술에서 가속도 센서로부터 기울기 값을 연산하는 과정에서 발생하는 측정 오차를 배제할 수 있다. 또한 회전 센서(51)가 단위 길이마다 펄스를 출력하고, 이 펄스에 따라 주행 거리를 정밀 측정하여 실측된 척추 모델을 기준 척추 모델에 맵핑하여 3차원 척추 이미지를 생성할 수 있어 척추 질환의 진단 결과에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

측정기(1)는 기울기 센서(61)와 회전 센서(51)의 신호를 입력받는 측정 제어부(3)와, 측정 제어부(3)에 전기적으로 연결된 동작 스위치(21)와 표시 램프(22)를 포함한다. 측정 제어부(3)는 기울기 센서(61)로부터 제공되는 기울기 값 즉 x축 기울기와 y축 기울기를 디지털 변환하는 신호 변환부(4)와, 회전 센서(51)의 펄스 신호에 따라 인터럽트를 발생하는 인터럽트 발생부(5)를 포함하고, 인터럽트에 의해 디지털 변환된 x축 기울기와 y축 기울기의 측정값을 유선 연결된 케이블을 이용하여 컴퓨터(2)에 전달한다. 여기서 인터럽트 발생부(5)는 단위 길이에 해당하는 펄스 입력시 인터럽트를 발생하고, 이 인터럽트에 응답하여 측정 제어부(3)가 측정값을 컴퓨터(2)에 전송한다.

컴퓨터(2)는 측정기(1)로부터 측정값을 전달받아 피 측정자에 대한 3차원 척추 이미지와 콥스각을 시각적으로 표출하는데, 각도연산부(11), 회전행렬 변환부(12), 회전각 연산부(13), 좌표 회전부(14), 척추모델 스케일 조정부(15), 척추모델 생성부(16), 콥스각 연산부(17), 표시부(18)를 포함하며, 이러한 각 부의 동작은 후술하기로 한다.

도 2 내지 도 4를 참고하여, 측정기(1)는 사용자가 한 손으로 조정할 수 있는 소형 크기로 제작되며, 센서와 전기부품 등 장착 기구물을 지지하기 위한 지지부재(10)와, 지지부재(10)에 탈부착할 수 있는 커버(20)를 포함한다. 여기서 커버(20)는 원통체를 절반으로 자른 반원 형상의 외관으로 형성되어 지지부재(10)에 설치한 기구물을 덮어 보호하는 역할을 한다. 커버(20)에는 측정 시작과 종료를 설정하기 위한 동작 스위치(21)와 동작 상태를 표시하기 위한 표시 램프(22)를 설치할 수 있다.

지지부재(10)는 상부에 기구물을 장착하기 쉽게 평판 형상의 바닥판(31)을 포함하고, 바닥판(31) 상부 양측에 거리 측정부(50)와 기울기 측정부(60)를 고정 설치한다.

거리 측정부(50)는 회전 센서(51), 회전 센서(51)의 측정 신호를 처리하는 회로기판(54)와, 회전 센서(51)의 회전축(52)에 연결된 기어부(40)를 포함한다.

기울기 측정부(60)는 2축 기울기 센서(61)와 기울기 센서(61)의 측정 신호를 처리하는 회로기판(62)을 포함한다.

측정기(1) 주행시 회전 센서(51)는 기어부(30)의 움직임에 연동하는 회전축(42)의 회전 동작을 회전수 신호로 출력할 수 있다. 이러한 회전 센서(51)는 광전식, 발진식, 홀 효과식, 자기 저항식 등 여러 방식으로 구현할 수 있다. 실시예에서는 회전축(52)의 회전에 따라 펄스를 출력하는 로터리 엔코더(rotary encoder)를 적용하였으나, 측정기(1) 이동에 상응하여 펄스를 출력하는 다양한 방식의 센서를 채택할 수도 있다.

기어부(40)는 중심부가 관통되어 지지축(42)에 고정 결합된 주행기어(41)와, 중심부가 관통되어 회전축(52)에 고정 결합된 종동기어(45), 및 주행기어(41)와 종동기어(45)에 각각 이물림되어 회전력을 전달하며 중심부가 관통되어 지지축(44)에 고정 결합된 연결기어(43)를 포함한다. 주행기어(41)와 종동기어(45) 및 연결기어(43)는 서로 이물림되어 돌아가는 톱니바퀴로 형성한다.

주행기어(41)는 바닥판(31) 하부 선두에 위치한 상태에서 간섭없이 회전하도록 커버(20) 외부로 노출되어 있다. 지지축(42) 양단은 바닥판(31) 하부에 돌출 형성된 하부 고정구(32)에 회전 가능하게 결합되고, 지지축(44) 양단은 바닥판(31) 상부에 입설된 상부 고정구(33)에 회전 가능하게 결합된다. 또한 회전 센서(51)는 바닥판(51)에 설치되는데 그 회전축(52)은 축 지지대(34)의 결합홈을 관통하여 종동기어(45)에 고정 결합된다. 종동기어(45)의 회전에 따라 회전축(52)이 함께 회전한다.

도 6에 예시한 바와 같이, 허리를 똑바로 펴서 서 있는 피 측정자의 등 중심부에 측정기(1)를 위치시키면 주행기어(41) 외측의 톱니 부분이 접촉하고, 이 상태에서 측정기(1)를 아래로 움직이면 지지축(42)에 의해 하부 고정구(32)에 지지된 상태로 주행기어(41)가 회전하고, 이 주행기어(41)에 이물림된 연결기어(43)와 종동기어(45)가 회전함에 따라 회전 센서(51)의 회전축(52)이 회전한다. 이에 따라 회전 센서(51)는 일정 단위 길이마다 펄스를 출력한다.

측정자가 한 손으로 측정기(1)를 잡고 조정하는데, 주행기어(41)가 피 측정자의 척추 선(spine line)을 따라가도록 일정한 힘을 가하면서 진행 방향을 변경한다. 이때 측정기(1)를 안정적으로 주행하려면 바닥판(31)이 간섭을 받지 않고 등 표면에서 이격되는 것이 바람직하기 때문에, 바닥판(31) 타측에 주행 동작을 안내하는 주행 보조기구로서 바퀴(38)를 마련한다.

지지부재(30)의 바닥판(31)과 바퀴(38) 사이를 연결하기 위한 바퀴 지지부를 포함하며, 이 바퀴 지지부는 바닥판(31) 일측에 연결된 연결구(35)와, 연결구(35)에 결합되고 양측에 바퀴(38)를 각각 결합하도록 봉형상으로 형성된 걸이대(36)로 구성한다.

피 측정자의 등 표면에 측정기(1)를 위치시키면, 측정기(1) 위쪽에 위치한 주행기(41) 외측과 측정기(1) 아래쪽에 위치한 바퀴(38) 외측이 접촉하고 바닥판(31)은 등 표면에서 일정 간격 이격된 상태가 된다. 측정기(1)를 아래로 주행시키면 바퀴(38)에 의해 주행 동작이 안내됨에 따라 적은 힘으로 부드럽게 측정기(1)를 주행할 수 있으며, 이러한 주행 상태에서 주행기어(41) 외측의 톱니 부분이 등 표면에 접촉한 상태로 일정한 속도로 이동시킬 수 있다. 이때 측정자는 주행기어(41)가 피 측정자의 척추 선을 따라가도록 한 손으로 커버(20)를 파지한 상태에서 진행방향을 변경한다.

피 측정자의 신체 조건에 따라 양측 바퀴(38)의 간격을 조절할 필요가 있다. 이를 고려하여, 도 5에 도시한 바와 같이, 걸이대(36)에는 양측 바퀴(38)의 간격(D)을 조절하기 위한 스토퍼(37)를 복수개 형성할 수 있다. 걸이대(37)에 결합된 바퀴(38)를 걸이대(37)의 길이 방향으로 당기거나 밀어 적합한 위치에 바퀴(38)를 이동시켜 양 바퀴(38)의 간격을 조절한다.

도 2를 참고하여, 컴퓨터(2)의 처리 동작을 상세히 설명한다.

각도 연산부(11)는 기울기 센서(61)의 측정 범위에 따라 센서 측정값으로부터 기울기 각도를 연산할 수 있다. 실시예에서 기울기 센서(61)의 측정 범위가 ±30°인 경우, -30°일 때 디지털 변환된 기울기 값(ADC 값)이 100이고, +30°일 때 디지털 변환된 기울기 값(ADC 값)이 920이며 선형성을 가진다고 하면, 1°씩 증가할 때마다 디지털 변환된 값(ADC 값)은 13.666···이 증가하게 된다. 이를 수식으로 나타내면 (식1)과 같다.

(식1)

각도 연산부(61)는 (식1)에 따라 디지털 변환된 값으로부터 기울기 각도(Angle)를 연산한다.

척추 측만증과 전만증 및 후만증의 척추 질환을 진단하려면 피 측정자의 척추 선(spine line)이 필요하고, 회전행렬 변환부(12)가 다음 (식2)의 회전행렬을 이용하여 척추 선의 좌표값을 계산한다. 즉 피 측정자의 양 어깨선의 중심에서 시작하여 골반까지 측정기(1)를 주행하면 선형적으로 측정값이 입력된다. 이때 회전 센서(51)로부터 얻은 단위 길이 '1'을 기울기 센서(61)를 통해 얻은 x축 기울기 각도 및 y축 기울기 각도와 (식2)의 회전행렬을 이용하여 일정 단위 길이에 대응한 각 데이터 사이의 단위벡터를 얻고, 이를 누적하여 척추 선의 좌표값으로 변환할 수 있다.

(식2)

도 7에 예시한 바와 같이, 척추 측만증 환자의 측만도를 측정하려면 xz좌표에서 x각에 의해 회전된 단위벡터를 구해야 하며, x축 기울기 각도(θ:∠x)는 y축 회전이므로 y축 회전행렬을 이용할 수 있다.

측정기(1)를 이용하여 실측한 척추 선의 좌표값으로 기준 척추 모델에 맵핑하려면, 기준 척추 모델의 척추 선에 대하여 실측한 척추 선을 보정해 주어야 한다. 이는 측정 대상인 피 측정자가 정확한 자세로 서 있지 않으면 척추 선이 기울어질 수 있어 정확한 측만도를 진단할 수 없으며, 다른 이유는 사람의 척추 뼈는 보통 S자 형태로 휘어져 있어 척추 선의 시작점과 끝점은 동일한 (x,y)좌표를 가지지 않기 때문이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 회전각 연산부(13)는 다음 (식3)을 이용하여 실측한 척추모델의 척추 선에 대한 실측 벡터(

)와 기준 척추모델의 척추 선의 기준벡터(

)를 내적하여 회전각(∠θ)을 연산한다.

(식3)

여기서, P _modelStart와 P _modelEnd는 3차원 기준 척추 모델의 시작점과 끝점이고, P _realStart와 P _realEnd는 실측 척추 모델의 시작점과 끝점이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 이 회전각(∠θ)은 실측 벡터(

)와 기준벡터(

)에 의해 만들어진 평면(F)에서 구해진 것이므로, 척추 선을 따라가면서 측정된 실측 척추 모델의 좌표(

)는 이 평면(F) 위에서 회전되어야 한다. 실측 척추 모델의 좌표(

)는 이 평면의 기저벡터로만 구성되지 않으므로 이 평면(F)에 수직한 성분과 수평한 성분을 구해야 한다.

좌표 회전부(14)는 다음 (식4)를 이용하여 실측 벡터(

)와 기준벡터(

)를 외적하여 평면의 상향 벡터(

)를 구하고, 상향 벡터(

)의 평면(F)에서의 수직 성분(

)과 수평 성분(

)을 구한다.

(식4)

그런 다음 도 10에 도시한 바와 같이 좌표 회전부(14)는 (식5)를 이용하여 수평 성분(

)을 회전각(∠θ)만큼 회전시킨 뒤 수직 성분(

)을 더하여 회전 벡터(

)를 얻는다.

(식5)

이와 같이 실측한 척추 선에 대한 회전이 이루어진 후에는 척추 선의 길이를 조정해야 한다. 척추 선의 길이는 사람의 신장에 따라 차이가 있기 때문에 미리 저장해둔 3차원 기본 척추모델을 이용하여 맵핑하기 위해서는 척추 선에 대한 비율 조정이 필요하다.

이를 위하여 척추모델 스케일 조정부(15)는 (식6)을 이용하여 실측 척추 선의 좌표값에 대한 길이를 조정한다.

(식6)

여기서, R _length는 측정된 척추모델에 대한 길이의 총합이고, M _length는 기준 척추모델의 길이의 총합이다.

척추모델 생성부(16)는 길이 비율을 조정하여 얻은 R _streched를 이용하여 3차원 척추모델을 생성할 수 있는데, 즉, 도 11 (a)와 같이 기준 척추모델과 (b)의 측정된 척추모델은 척추 선의 길이가 다르기 때문에, 척추모델 스케일 조정부(15)가 길이 비율을 조정한 뒤 척추모델 생성부(16)가 (c)와 같이 측정된 척추 선을 기준 척추모델에 맵핑하여 3차원 척추 이미지를 생성할 수 있다.

도 12a에 도시한 바와 같이, 콥스각 연산부(17)는 측정된 척추 모델의 휘어진 곡선에서 가장 만곡이 심판 최대 만곡점(B)을 찾아내고, 최대 만곡점(B)을 기준으로 상위의 척추 중 휘어짐이 시작되는 초기 만곡점(C)과 최대 만곡점(B)을 기준으로 하위의 척추 중 휘어짐이 끝나는 최종 만곡점(D)를 찾아 직선을 그린 후 두 직선에 수직한 수직선의 교차점의 각도(A)를 연산한다. 이렇게 연산된 콥스각(cobb's angle)은 표시부(18)에 수치로 나타내어 환자가 척추의 측만 정도를 쉽게 인지할 수 있도록 한다.

표시부(18)는 척추모델 생성부(16)에 의해 생성된 피 측정자의 3차원 척추 이미지를 시각적으로 표출할 수 있으며, 도 12b에서 (a) 또는 (b)와 같이 앞뒤로 만곡 정도를 용이하게 인지할 수 있다. 예를 들어, 피 측정자에 대해 측정기(1)를 사용하기 이전에 표시부(18)에는 도 13a와 같이 초기 화면이 나타나지만, 피 측정자에 대하여 측정기(1)를 주행하여 측정 동작을 실시한 이후에는 도 13b와 같이 표시부(18)의 제1화면영역(P1)에 실측된 척추모델의 3차원 척추 이미지를 표시하고, 제2화면영역(P2)에 콥스각 연산부(17)에 의해 연산된 콥스각을 수치로 나타낸다. 또한 표시부(18)의 제3화면영역(P3)에는 기울기 센서(61)에 의해 측정되는 x축 기울기(적색 선)와 y축 기울기(녹색 선) 및 회전 센서(51)의 측정값 변화(청색 선)를 구별하여 디스플레이한다.

이하에서는 본 발명에 따른 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법을 설명한다.

허리를 펴서 서 있는 피 측정자의 등 표면에 측정기(1)를 위치시켜 측정 준비를 한다(100). 이때 동작 스위치(21)가 동작 모드에 설정되고, 표시 램프(22)에 점등이 되어 작동 상태를 측정자가 알 수 있도록 한다. 측정기(1)와 컵퓨터(2)는 유선 케이블 또는 무선 통신을 이용하여 측정 정보를 전달할 수 있다. 이에 관련하여 이미 널리 알려진 전송 기술을 적용하고 동작 환경을 고려하여 신호 케이블을 이용하거나 무선 통신을 이용할 수 있다.

측정자가 한 손으로 커버(20)를 잡고 적은 힘을 주어 누르면 측정기(1)의 주행기어(41)와 바퀴(38)가 접촉하여 바닥판(31)이 등 표면에서 이격된다. 척추 선의 시작점에 측정기(1)를 위치한 상태에서 척추 선을 따라 하향 이동시킨다. 측정자는 측정기(1)의 주행기어(40)가 척추 선을 따라가도록 진행 방향을 변경한다(110).

측정기(1)의 기울기 센서(61)로 측정한 x축 기울기와 y축 기울기를 회전 센서(51)의 펄스에 따라 인터럽트를 발생시키고 인터럽트 발생할 때마다 기울기 측정값을 디지털 변환하여 컴퓨터(2)에 전달한다(120).

각도 연산부(11)는 (식1)을 이용하여 기울기 센서(61)로 측정하여 전달받은 x축 기울기와 y축 기울기를 각도로 연산하고, 회전행렬 변환부(12)가 (식2)의 회전행렬을 이용하여 척추 선의 좌표값으로 변환한다(130).

회전각 연산부(13)는 (식3)을 이용하여 실측한 척추모델의 척추 선에 대한 실측 벡터(

)와 기준 척추모델의 척추 선의 기준벡터(

)를 내적하여 회전각(∠θ)을 연산한다. 좌표 변환부(14)가 (식4)를 이용하여 실측 벡터(

)와 기준벡터(

)를 외적하여 평면의 상향 벡터(

)를 구하고, 상향 벡터(

)의 평면(F)에서의 수직 성분(

)과 수평 성분(

)을 구한다. 그런 다음 좌표 회전부(14)는 (식5)를 이용하여 수평 성분(

)을 회전각(∠θ)만큼 회전시킨 뒤 수직 성분(

)을 더하여 회전 벡터(

)를 얻는다(140).

척추모델 스케일 조정부(15)가 실측 척추모델과 기준 척추모델의 길이 비율에 따라 (식6)을 이용하여 실측 척추모델의 척추 선의 길이를 조정하고, 척추모델 생성부(16)는 길이 비율을 조정한 척추 선의 좌표값을 이용하여 3차원 척추모델을 생성한다. 콥스각 연산부(17)는 측정된 척추 모델의 휘어진 곡선에서 콥스각을 연산한다(150).

그런 다음 표시부(18)의 제1화면영역(P1)에 3차원 척추 이미지를 표출하고 제2화면영역(P2)에 콥스각을 수치로 나타내며, 제3화면영역(P3)에 기울기 센서(61)의 x축 기울기와 y축 기울기, 그리고 회전 센서(51)의 측정값을 구분하여 시각적으로 표출한다(160).

1 : 측정기 2 : 컴퓨터
20 : 커버 21 : 동작 스위치
22 : 표시 램프 30 : 지지부재
31 : 바닥판 32 : 하부 고정구
33 : 상부 고정구 34 : 축 지지대
35 : 연결구 36 : 걸이대
37 : 스톱퍼 38 : 바퀴
40 : 기어부 41 : 주행기어
42 : 지지축 43 : 연결기어
44 : 지지축 45 : 종동기어
50 : 거리 측정부 51 : 회전 센서
52 : 회전축 53 : 전원 케이블
54 : 회로기판 60 : 기울기 측정부
61 : 기울기 센서 62 : 회로기판

Claims

피 측정자의 척추 선을 따라 주행하는 동작을 보조하는 주행 보조기구와, Z축 주행 거리를 측정하는 거리 측정부와, 척추의 만곡 상태를 진단하기 위한 X축 기울기 및 Y축 기울기를 측정하는 기울기 측정부와, 상기 거리 측정부의 측정 동작과 연계하여 상기 기울기 측정부에 의해 측정된 X축 기울기와 Y축 기울기를 출력하는 측정 제어부를 구비한 측정기; 및
상기 측정기로부터 측정된 Z축 주행거리와 X축 기울기 및 Y축 기울기로부터 연산된 척추 선의 좌표와 기준 척추모델을 이용하여 생성한 3차원 척추 이미지와 콥스각을 시각적으로 표출하는 컴퓨터;를 포함하되,
상기 거리 측정부는 상기 피 측정자에 접촉하여 회전하는 기어부와, 상기 기어부의 회전에 따라 신호를 출력하는 회전 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
제1항에 있어서,
상기 측정기는 상기 거리 측정부와 상기 기울기 측정부를 장착하기 위한 지지부재와, 상기 지지부재에 탈부착 가능하게 결합된 커버를 포함하며,
상기 주행 보조기구는 상기 지지부재에 설치된 바퀴를 포함하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
제2항에 있어서,
상기 커버에 동작 스위치와, 상기 측정기의 동작 상태를 표시하는 표시 램프를 설치한 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
제2항에 있어서,
상기 측정기는 상기 지지부재와 상기 바퀴 사이를 연결하는 바퀴 지지부를 포함하고,
상기 바퀴 지지부는 상기 지지부재의 일측에 연결된 연결구와, 상기 연결구의 일측에 결합되고 양측에 바퀴를 각각 결합하도록 봉형상으로 형성된 걸이대로 구성하되,
상기 걸이대에는 양측 바퀴의 간격을 조절하기 위한 스토퍼를 형성한 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
제1항에 있어서,
상기 기울기 측정부는 척추의 좌우측 만곡을 진단하기 위한 X축 기울기와 척추의 앞뒤측 만곡을 진단하기 위한 Y축 기울기를 출력하는 2축 기울기 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 회전 센서는 상기 기어부에 연동하는 회전축의 회전에 따라 단위 길이마다 펄스를 출력하는 로터리 엔코더인 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
제1항에 있어서,
상기 기어부는 주행 기어와 상기 주행 기어에 맞물려 상기 회전 센서의 회전축을 회전시키는 종동 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단장치.
x축 기울기와 y축 기울기를 측정하는 기울기 센서와 주행거리를 측정하는 회전 센서를 설치한 측정기를 피 측정자의 척추 선에 위치시키는 측정준비 단계;
상기 척추 선을 따라 상기 측정기를 주행시 회전 센서의 펄스에 따라 인터럽트를 발생하고, 인터럽트 발생에 따라 기울기 센서의 x축 기울기와 y축 기울기를 디지털 변환하여 유선 또는 무선으로 컴퓨터에 전송하는 단계;
상기 컴퓨터가 실측 척추 모델을 기준 척추 모델에 맵핑하여 피 측정자의 3차원 척추 이미지를 생성하고, 실측 척추 모델에서 콥스각을 연산하는 단계;
상기 피측정자의 3차원 척추 이미지와 콥스각의 수치를 표시부에 표출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.
제9항에 있어서,
상기 척추 모델 맵핑 단계는 상기 실측 척추모델의 척추 선과 기준 척추모델의 척수 선의 회전각을 이용하여 회전변환하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.
제10항에 있어서,
상기 실측 척추모델의 척추 선의 시작점과 끝점 사이의 실측벡터와 기준 척추모델의 척추 선의 시작점과 끝점 사이의 기준벡터를 내적하여 상기 회전각을 연산하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.
제10항에 있어서,
상기 측정기로부터 전달받은 기울기 측정값을 기울기 각도로 연산하되, 상기 기울기 센서의 측정범위와 기울기 측정값의 상관 관계를 이용하여 기울기 각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.
제11항에 있어서,
상기 실측 벡터와 기준벡터를 외적하여 평면의 상향 벡터를 구하고, 상향 벡터의 평면에서의 수직 성분과 수평 성분을 구하며, 상기 수평 성분을 회전각만큼 회전시킨 뒤 수직 성분을 더한 회전 벡터를 이용하여 회전 변환을 처리하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.
제9항에 있어서,
상기 척추 모델 맵핑 단계는 상기 실측 척추모델의 척추 선 길이와 상기 기준 척추모델의 척수 선 길이에 대한 길이 비율에 따라 실측 척추 선의 좌표값에 대한 길이를 조정하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.
제9항에 있어서,
상기 표시부에 기울기 센서의 x축 기울기와 y축 기울기 및 회전센서의 측정값 변화를 시각적으로 표출하는 것을 특징으로 하는 근골격 콥스각의 3차원 모델을 이용한 척추 만곡 진단방법.