KR101703634B1 - Gait training apparatus for hemiplegic patients - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 보행훈련 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 보행에 장애를 지닌 환자의 재활치료로 보행능력을 높이기 위한 편마비 환자를 위한 보행훈련 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gait training apparatus, and more particularly, to a gait training apparatus for a hemiplegic patient for improving a walking ability by a rehabilitation treatment of a patient having a gait disorder.
근래 들어 장애인, 고령자 등의 상실되거나 저하된 근골격계 기능을 회복시키는 재활의료기기에 대한 관심이 점차 고조되고 있다. 이는 의학과 점단공학을 접목한 실버/재활공학이라 새로운 학문의 발전을 촉진하는 외에 산업기술의 고도화와 복지수준 향상에 일조하고 있다. 특히 보행훈련 장치는 삶의 질을 높이는데 중요한 역할을 하는 재활의료기기의 하나로 인식된다.In recent years, interest in rehabilitation medical devices for restoring lost or deteriorated musculoskeletal functions of persons with disabilities, elderly people, etc. is increasing. This is a silver / rehabilitation engineering that combines medicine and tactile engineering to promote the development of new disciplines, as well as to advance industrial technology and improve the level of welfare. In particular, gait training devices are recognized as one of the rehabilitation devices that play an important role in improving the quality of life.
보행훈련용 장치와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제924843호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1430867호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.Korean Patent Registration No. 924843 (Prior Art 1) and Korean Patent Registration No. 1430867 (Prior Art 2) are known as prior art documents which can be referred to in connection with a gait training apparatus.
선행문헌 1은 발의 지면과 접촉상태 및 발목의 굴곡각도를 검출하는 센서부; 상기 센서부로부터 수신된 신호로부터 보행주기를 검출하여 모터제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모테제어신호에 의해 구동되는 모터 등을 구비한다. 이에, 능동적으로 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴를 유도함으로써 정상에 가까운 보행을 유도하며 족하수 및 발끌림을 방지하는 효과를 기대한다.The prior art document 1 includes a sensor unit for detecting a contact state of the foot and a bending angle of the ankle; A control unit for detecting a walking cycle from a signal received from the sensor unit and generating a motor control signal; And a motor driven by the control signal of the control unit. Therefore, it is expected that it will induce walking near to the normal and induce foot and foot drag by guiding the ankle joints which are actively similar to normal walking.
선행문헌 2는 무릎보호 보조기 역할을 수행하는 외골격보조기와, 환자의 발에 고정된 발목고정 스트랩과, 상기 발목고정 스트랩의 앞뒤에 설치되어 환자의 보행패턴을 검출하는 한 쌍의 보행감지센서와, 상기 외골격보조기의 슬관절보조기에 일단이 연결되어 작동하는 공압 액추에이터 등을 구비한다. 이에, 족하수 환자를 대상으로 발목을 끌고 보행하는 불편함을 개선하는 효과를 기대한다.The prior art 2 includes an exoskeleton orthosis for performing a knee protection auxiliary device, an ankle fixing strap fixed to the foot of the patient, a pair of gait detecting sensors installed at front and back of the ankle fixing strap for detecting a gait pattern of the patient, And a pneumatic actuator which is connected to the knee joint of the exoskeleton orthosis and is operated at one end. Therefore, we expect the effect of improving the inconvenience of walking with ankle to walk patient.
다만, 선행문헌 1의 보조기는 중량이 커서 착용이 불편하고 모터를 구동력이 자칫 근골격계에 무리를 초래하며, 선행문헌 2의 보조기는 족관절 운동과 연계되지 않아 발목이 끌리는 현상을 초래하여 개선의 여지가 크다.However, the orthosis of the preceding document 1 is inconvenient to wear due to its heavy weight, and the driving force of the motor causes the muscle musculoskeletal system to be inevitable. The orthosis of the preceding document 2 is not related to ankle motion, Big.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 경직이 있는 편마비 환자에게서 족관절의 확실한 배측굴곡을 유도하여 보행할 때 발목이 끌리는 불편함을 개선할 수 있는 편마비 환자를 위한 보행훈련 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems of the related art by providing a gait training device .
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 보행 기능이 약화된 환자를 위한 보행훈련 장치에 있어서: 무릎에 착용하는 상부대와 발에 착용하는 하부대로 구성되는 본체부; 상기 본체부에 탑재되어 보행 상태에 대한 신호를 입력하는 입력부; 상기 상부대와 하부대 사이에 족관절의 배측굴곡을 유도하도록 연결되는 제1액추에이터를 지닌 구동수단; 및 상기 입력부의 신호에 대응하여 구동수단에 인가되는 출력을 변동하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to attain the above object, the present invention provides a gait training apparatus for a patient having a weak gait function, comprising: a main body part composed of a top part to be worn on the knee and a bottom part to be worn on the foot; An input unit mounted on the main body for inputting a signal regarding a walking state; Driving means having a first actuator connected between the upper and lower legs to induce a dorsiflexion of the ankle joint; And a control unit for varying an output signal applied to the driving unit in response to the signal of the input unit.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 입력부은 본체부에 설치되어 환자의 족압에 대응한 신호를 생성하는 압력센서, 본체부에 설치되어 환자의 자세에 대응한 신호를 생성하는 자세센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.In a detailed configuration of the present invention, the input unit is provided with a pressure sensor provided in the main body to generate a signal corresponding to the patient's foot pressure, and an attitude sensor provided in the main body to generate a signal corresponding to the attitude of the patient .
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단의 제1액추에이터는 공압 액추에이터 또는 댐퍼를 지닌 액추에이터를 사용하는 것을 특징으로 한다.As a detailed configuration of the present invention, the first actuator of the driving means is characterized by using a pneumatic actuator or an actuator having a damper.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 족관절의 인상을 유발하도록 기능적 전기자극기(FES)를 환자의 비골신경에 인접시킨 제2액추에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In a further aspect of the present invention, the driving means further comprises a second actuator for bringing the functional electrical stimulator (FES) adjacent to the patient's peroneal nerve to cause the ankle to lift.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어부는 환자의 보행 패턴에 대응하는 출력을 생성하기 위한 알고리즘을 탑재하는 제어기, 제어기의 출력을 구동수단의 작동용 전원으로 변환하여 인가하는 구동기, 작동 상태를 출력하면서 설정된 조건에 도달하면 경보를 발생하는 경보기를 구비하는 것을 특징으로 한다.In the detailed construction of the present invention, the control unit may include a controller that includes an algorithm for generating an output corresponding to a walking pattern of the patient, a driver that converts the output of the controller into a power source for operating the driving unit, And an alarm for generating an alarm when the set condition is reached.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 경직이 있는 편마비 환자에게서 족관절의 확실한 배측굴곡을 유도하여 보행할 때 발목이 끌리는 불편함을 개선하여 보행의 유연성을 향상하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to improve the flexibility of walking by improving the inconvenience that the ankle is pulled when the user is walking while inducing a reliable dorsiflexion of the ankle joint in a patient with hemiplegic who has rigidity.
도 1은 본 발명에 따른 보행훈련 장치를 착용 상태로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 보행훈련 장치의 주요부를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 작동하는 상태를 나타내는 모식도1 is a configuration diagram showing a walking training apparatus according to the present invention in a wear state
2 is a block diagram showing a main part of a gait training apparatus according to the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the operating state of the device according to the invention
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 보행 기능이 약화된 환자를 위한 보행훈련 장치에 관하여 제안한다. 편마비 등의 원인으로 보행 기능의 보조가 필요한 환자를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 편마비 환자의 느린 보행주기와 속도는 환측의 짧은 입각기와 상대적으로 긴 유각기에 기인한다. 본 발명의 보행훈련 장치는 이와 같은 환측과 건측의 편차를 완화하고 개선함을 요체로 한다.The present invention proposes a gait training device for a patient with a weak gait function. But it is not necessarily limited to patients who need assistance with gait function due to hemiplegia. The slow gait cycle and speed of hemiplegic patients are due to the short stance phase and the relatively long stance phase of the affected side. The gait training apparatus of the present invention relieves and improves such deviation between the affected side and the observed side.
본 발명에 따르면 본체부(10)가 무릎에 착용하는 상부대(11)와 발에 착용하는 하부대(12)로 구성되는 구조이다. 본체부(10)는 편마비 환자의 중량부담을 줄이기 위해 상부대(11)와 하부대(12)를 별도로 구성하는 것이 좋다. 상부대(11)는 무릎 보호대와 같은 구조로 형성하고, 하부대(12)는 신발(샌들)과 같은 구조로 형성한다. 상부대(11)와 하부대(12)는 환자의 신체에 맞추기 용이하도록 벨크로 테이프 방식의 밴드(14)를 구비한다.According to the present invention, the
이때, 도 2는 본체부(10)에 배터리(16)가 탑재된 상태를 예시하지만 별도로 허리띠에 착용하는 배터리(도시 생략)를 더 구비할 수도 있다. 배터리(16)는 후술하는 주요 작동부의 전원을 제공하는 것으로 충전식을 선택한다. 경우에 따라서 착용감을 향상하기 위하여 굴곡하거나 접는 플렉시블 방식도 채용 가능하다.2 illustrates a state in which the
또, 본 발명에 따르면 입력부(20)가 상기 본체부(10)에 탑재되어 보행 상태에 대한 신호를 입력하는 구조이다. 입력부(20)는 환자의 보행 패턴을 감지하여 후술하는 제어부(40)에서 설정된 알고리즘을 수행하도록 데이터를 제공한다. 보행 패턴은 다리(발목)의 끌림과 관련되는 입각기, 유각기의 신호를 포함한다.According to the present invention, the input unit 20 is mounted on the
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 입력부(20)은 본체부(10)에 설치되어 환자의 족압에 대응한 신호를 생성하는 압력센서(21)(22), 본체부(10)에 설치되어 환자의 자세에 대응한 신호를 생성하는 자세센서(24)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 전방압력센서(21)는 하부대(12)에서 발바닥의 앞꿈치 부분에 설치되고, 후방압력센서(22)는 발바닥의 뒷꿈치 부분에 설치된다. 물론 전방압력센서(21)와 후방압력센서(22)의 중간에 별도의 압력센서를 더 부가할 수도 있다. 자세센서(24)는 상부대(11) 또는 하부대(12) 중의 적어도 하나에 설치되어 환자의 경사로 보행이나 심한 신체요동을 감지한다.The input unit 20 includes a
이외에 입력부(20)는 배터리(16)의 사용 가능한 시간과 저전압 상태를 검출하도록 전압센서(26)를 더 구비한다.In addition, the input unit 20 further includes a
또, 본 발명에 따르면 구동수단이 상기 상부대(11)와 하부대(12) 사이에 족관절의 배측굴곡을 유도하도록 연결되는 제1액추에이터(31)를 지닌 구조이다. 구동수단은 제1액추에이터(31)에 인가되는 전기적 신호의 크기에 비례하는 힘(당김력)을 발생한다. 제1액추에이터(31)는 상측으로 상부대(11)의 하단에 고정되고, 하측으로 하부대(12)의 앞꿈치 상면에 고정된다. According to the present invention, the driving means is a structure having a
한편, 제1액추에이터(31)의 상측에는 전체의 길이를 조절하는 조임체(36)를 장착하는 것이 좋다. 조임체(36)는 소형 턴버클과 같은 구조로 형성되어 제1액추에이터(31)에 인가되는 초기 장력의 조절을 가능하게 한다.On the other hand, a tightening
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단의 제1액추에이터(31)는 공압 액추에이터 또는 댐퍼를 지닌 액추에이터를 사용하는 것을 특징으로 한다. 공압 액추에이터는 공압발생기나 외부 관로의 연결을 배제하는 소형 구조를 적용하여 일반 액추에이터에 비하여 과하중 작용의 불편과 위험성을 경감한다. 일반 액추에이터를 사용하는 경우에는 오리피스를 지닌 점탄성 유체 댐퍼를 부가하여 공압 액추에이터의 기능을 유지한다.As a detailed configuration of the present invention, the first actuator (31) of the driving means uses an actuator having a pneumatic actuator or a damper. The pneumatic actuator reduces the inconvenience and risk of overloading action compared to general actuator by adopting a compact structure that excludes the connection of pneumatic generator or external pipeline. When a general actuator is used, the function of the pneumatic actuator is maintained by adding a viscoelastic fluid damper having an orifice.
본 발명의 변형예로서, 제1액추에이터(31)는 전기 활성을 지닌 고분자 복합재로 형성된 폴리머 액추에이터를 부가적으로 사용할 수 있다. 이 경우 공압 액추에이터의 기능을 보완하면서 더욱 경박단소한 구성을 가능하게 한다.As a modification of the present invention, the
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 족관절의 인상을 유발하도록 기능적 전기자극기(FES)를 환자의 비골신경에 인접시킨 제2액추에이터(32)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 종래의 보행훈련 장치에 대한 임상실험을 진행한 결과 족하수 환자에게 족관절의 배측굴곡을 유도하는 효과를 나타내었지만 경직을 수반한 편마비 환자에게 저항을 유발하여 다리 끌림 등의 불편을 초래한다. 제2액추에이터(32)인 FES는 기능적 전기자극(Functional electrical stimulation)을 발생하는 것으로서 비골근과 전경골근을 수축시켜 족관절을 보다 확실하게 끌어올려 정확한 보행과 훈련을 유도한다. 도 1에서 제2액추에이터(32)가 밴드(14)와 같은 결속대(34)를 사용하여 비골신경에 밀착된 상태를 예시하지만, 보다 장시간 보행훈련시에 흘러내림을 방지하도록 결속대(34)를 허리에 착용할 수도 있다. 물론 전기 자극에 반응하는 말초신경의 손상 여부에 따라 제2액추에이터(32)의 밀착 위치를 다르게 변동할 수 있다.In a detailed configuration of the present invention, the driving means further comprises a second actuator (32) which brings a functional electric stimulator (FES) adjacent to the patient's peroneal nerve to induce an ankle lifting. As a result of the clinical trial on the conventional gait training device, it showed the effect of inducing the dorsiflexion of the ankle joint in the elderly patient, but it causes resistance to the hemiplegic patient accompanied by rigidity, resulting in inconvenience such as leg drag. The
또, 본 발명에 따르면 제어부(40)가 상기 입력부(20)의 신호에 대응하여 구동수단에 인가되는 출력을 변동하는 구조이다. 제어부(40)는 환자의 보행 패턴에 맞추어 환측과 건측의 편차를 줄이도록 전기적 신호를 입출력한다. 도 2에서 제어부(40)가 상부대(11)에 탑재된 것으로 예시되지만 허리띠나 여타의 부분에 통합적 또는 분산적으로 장착될 수 있다.According to the present invention, the control unit (40) varies the output applied to the driving means in response to the signal of the input unit (20). The
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어부(40)는 환자의 보행 패턴에 대응하는 출력을 생성하기 위한 알고리즘을 탑재하는 제어기(42), 제어기(42)의 출력을 구동수단의 작동용 전원으로 변환하여 인가하는 구동기(44), 작동 상태를 출력하면서 설정된 조건에 도달하면 경보를 발생하는 경보기(46)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 제어기(42)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 포함하는 마이컴 회로로 구성된다. 구동기(44)는 배터리(16)의 전원을 제1액추에이터(31)와 제2액추에이터(32)의 작동에 소요되는 전원으로 변환한다. 경보기(46)는 제어기(42)의 주요 작동 상태를 환자 자신이나 주변 통행자에게 시청각적으로 표출한다.The
작동의 일예로서, 환자가 상부대(11), 하부대(12), 결속대(34)를 착용한 상태로 보행을 진행하면, 제어기(42)가 압력센서(21)(22)의 신호로 보행 패턴을 감지하여 제1액추에이터(31)와 제2액추에이터(32)를 반복적으로 작동한다. 도 3(a)는 입각기가 개시되는 상태로서 제1액추에이터(31)가 당김력을 작용하는 동시에 제2액추에이터(32)가 전기 자극을 인가하기 직전이다. 도 3(b)는 입각기가 종료되는 상태로서 제1액추에이터(31)의 당김력이 최대로 작용하는 동시에 제2액추에이터(32)의 전기 자극은 비활성이다.As an example of the operation, when the patient is walking with the upper, lower and
만일, 제어기(42)가 자세센서(24)의 신호로 내리막이나 오르막 보행을 감지하면 제1액추에이터(31)와 제2액추에이터(32)에 인가되는 출력을 보정하여 편안한 보행 패턴을 유지한다. 제어기(42)는 특정 환자에 대한 제어 데이터를 축적하여 맞춤형 알고리즘을 수행할 수 있다.If the
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
10: 본체부 11: 상부대
12: 하부대 16: 배터리
20: 입력부 21: 전방압력센서
22: 후방압력센서 24: 자세센서
26: 전압센서 31: 제1액추에이터
32: 제2액추에이터 34: 결속대
36: 조임체 40: 제어부
42: 제어기 44: 구동기
46: 경보기10: main body part 11:
12: Lower unit 16: Battery
20: input unit 21: front pressure sensor
22: rear pressure sensor 24: attitude sensor
26: voltage sensor 31: first actuator
32: second actuator 34:
36: tightening body 40:
42: controller 44:
46: Alarm
Claims (5)
무릎에 착용하는 상부대(11)와 발에 착용하는 하부대(12)로 구성되는 본체부(10);
상기 본체부(10)에 탑재되어 보행 상태에 대한 신호를 입력하는 입력부(20);
상기 상부대(11)와 하부대(12) 사이에 족관절의 배측굴곡을 유도하도록 연결되는 제1액추에이터(31)를 지닌 구동수단; 및
상기 입력부(20)의 신호에 대응하여 구동수단에 인가되는 출력을 변동하는 제어부(40);를 포함하여 이루어지되,
상기 입력부(20)은 본체부(10)에 설치되어 환자의 족압에 대응한 신호를 생성하는 압력센서(21)(22), 본체부(10)에 설치되어 환자의 자세에 대응한 신호를 생성하는 자세센서(24)를 구비하고,
상기 구동수단의 제1액추에이터(31)는 폴리머 액추에이터를 부가적으로 사용하고,
상기 구동수단은 족관절의 인상을 유발하도록 기능적 전기자극기(FES)를 환자의 비골신경에 인접시킨 제2액추에이터(32)를 더 구비하며,
상기 제어부(40)는 환자의 보행 패턴에 대응하는 출력을 생성하기 위한 알고리즘을 탑재하는 제어기(42), 제어기(42)의 출력을 구동수단의 작동용 전원으로 변환하여 인가하는 구동기(44), 작동 상태를 출력하면서 설정된 조건에 도달하면 경보를 발생하는 경보기(46)를 구비하는 것을 특징으로 하는 편마비 환자를 위한 보행훈련 장치.A gait training apparatus for a patient having a weak gait function comprising:
A main body 10 composed of a top bag 11 to be worn on the knee and a bottom bag 12 to be worn on the foot;
An input unit 20 mounted on the main body 10 for inputting a signal about a walking state;
A driving means having a first actuator (31) connected between the upper and lower legs (11, 12) to induce a dorsiflexion of the ankle joint; And
And a control unit (40) for varying an output applied to the driving means in response to the signal of the input unit (20)
The input unit 20 includes pressure sensors 21 and 22 installed in the main body 10 and generating signals corresponding to the patient's foot pressure, And an attitude sensor (24)
The first actuator (31) of the drive means additionally uses a polymer actuator,
The drive means further comprises a second actuator (32) adjacent the patient's peroneal nerve to cause a functional electrical stimulator (FES) to induce the ankle lifting,
The control unit 40 includes a controller 42 having an algorithm for generating an output corresponding to a walking pattern of the patient, a driver 44 for converting the output of the controller 42 into a power source for operating the driving means, And an alarm (46) for generating an alarm when a set condition is reached while outputting an operating state.
상기 구동수단의 제1액추에이터(31)는 공압 액추에이터 또는 댐퍼를 지닌 액추에이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 편마비 환자를 위한 보행훈련 장치.The method according to claim 1,
Wherein the first actuator (31) of the driving means uses an actuator having a pneumatic actuator or a damper.
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