KR101764061B1 - 증강현실 기반의 보행훈련 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중추신경계의 손상 환자들의 보행훈련시 균형 및 보행능력에 중요한 세 가지 감각인 시각, 청각, 촉각의 강화된 다 감각정보를 통해 증강현실 환경에서 환자 스스로 훈련을 수행하며 치료사가 이를 모니터링할 수 있는 증강현실 기반의 보행훈련 시스템에 관한 것이다.

Description

증강현실 기반의 보행훈련 시스템 {AUGMENTED REALITY-BASED GAIT TRAINING SYSTEM}

본 발명은 보행훈련 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 중추신경계의 손상 환자들의 보행훈련시 균형 및 보행능력에 중요한 세 가지 감각인 시각, 청각, 촉각의 강화된 다 감각정보를 통해 증강현실 환경에서 환자 스스로 훈련을 수행하며 치료사가 이를 모니터링할 수 있는 증강현실 기반의 보행훈련 시스템에 관한 것이다.

뇌졸중, 뇌성마비, 소뇌손상 환자, 척수손상 환자, 파킨슨병 등 균형 및 보행에 어려움이 있는 중추신경계 손상 환자 및 근골격계 질환을 비롯하여 수술을 마친 환자 등 여러 환자를 대상으로 재활목적의 보행훈련이 이루어지고 있다.

이러한 보행훈련에서 중요한 신체의 균형과 보행 및 기능적인 움직임을 수행하기 위해서는 수동적인 움직임이나 훈련이 아닌 일상에서 접할 수 있는 다양한 환경에서 대상자 스스로 실행을 유도하는 능동적인 움직임 및 훈련이 필요하며, 이러한 능동적인 움직임만이 운동조절에 관련된 신경세포의 우회적인 새로운 연결, 즉 신경가소성 및 신경조직의 재구성을 할 수 있다. (신경가소성: 말초신경과 달리 손상된 뇌의 중추신경은 재생 및 회복이 되지 않으나, 손상된 신경 옆으로 새로운 신경싹이 자라면서 재활의 가능성을 제시한 신경과학 용어)

일반적으로 신경가소성의 촉진 기전 및 과정은 다음과 같다. ① 말초신경계를 통해 들어온 역치 이상의 감각정보에 주의집중을 통한 정보의 선택, ② 체계화를 통한 정보의 1차적 가공, ③ 뇌의 각 부분에 기능적인 영역에 전달하여 정보를 처리, ④ 과거의 학습 운동프로그램(운동경험을 통한)을 장기기억에서 인출, ⑤ 뇌의 연합영역을 통해 입력된 감각정보, 과거의 학습된 운동패턴, 시공간 변수와의 관계를 바탕으로 운동전략 수립, ⑥ 운동실행, ⑦ 수정(feedback)

이와 같은 과정을 실제 예를 통해 살펴보면 다음과 같다. ① 눈앞에 음료수가 있음 → ②, ③ 주의집중과 시원한 음료수라 인식 → ④ 과거에 손잡이 컵으로 물을 마셨던 운동전략을 장기기억에서 회상 → ⑤ 외부 변수는 손잡이가 없는 캔 형태임을 인식(환경적 외부변수) → 기존에 회상했던 프로그램과 환경의 변수를 대입해 뇌에서 세웠던 전략을 수정 → 손을 더 넓게 벌려서 컵을 잡는 운동전략을 세움 → ⑥ 운동실행 → ⑦ 전략적 수정 → 기능적 움직임 수행

즉, 스스로 능동적인 움직임을 하는 상황에서 역치 이상의 다양한 감각정보 및 감각통합, 과거의 학습한 운동전략, 감각통합으로 인한 외부 정보와 기존 운동전략, 실행 중 변수와의 관계 조절, 수정된 적용의 요소가 필요하다.

하지만, 일반적인 뇌손상 환자는 감각을 인지하고 통합하는 뇌 부위에 손상 시 외부 정보를 받아들여도 이것이 무엇인지 모를 수 있어, 컵을 만져도 컵인지 모른다는 문제가 있다. 이는 눈으로 보는 컵, 만졌을 때 컵의 시각, 청각 정보가 통합되지 않고 분리 해석되어 기능적인 행동전략 및 실행을 할 수 없다.

또한, 전두엽 손상 시 행동전략의 부재로, 어떻게 움직여야 하는지 모르고, 1차 운동영역 손상으로 감각통합 및 행동전략이 수립되어 있는 상태에서 수행 불가능한 경우도 있다.

결국 뇌(중추신경계) 손상 환자의 재활훈련에 있어 기존 감각을 강화해서 제공해야 할 필요가 있으나, 현재 개발 및 출시된 훈련도구들은 강화된 다 감각 정보를 활용하기에 미흡하고 다양한 환경에서의 능동적인 훈련을 수행하기에는 적절하지 않은 것이 현실이다.

일본공개특허 특개2009-119066호(2009.06.04.) 일본공개특허 특개2005-34568호(2005.02.10.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 중추신경계 손상 환자들에게 시각, 청각, 촉각의 강화된 다 감각정보를 통해 훈련 효율성을 높이면서 증강현실을 통해 치료실 이외의 다양한 현실 환경에서 훈련이 이루어질 수 있는 증강현실 기반의 보행훈련 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 보행훈련 시스템에 있어서, 대상자의 머리에 착용 가능한 착용부와, 머리의 움직임을 감지하는 제1동작센서부와, 대상자의 시야를 촬영하는 촬영부와, 대상자의 시야를 투시 또는 시야 영상을 출력하는 디스플레이부와, 좌·우측 발의 움직임에 대응하는 보행유도 표식을 상기 디스플레이부에 출력하는 표식출력부를 구비하는 헤드마운트부; 대상자의 발이 상기 보행유도 표식에 접촉하는 것을 감지하는 감지부와, 상기 제1동작센서부 및 감지부의 감지결과를 반영하여 좌·우측 발에 대응하는 보행유도 표식을 순차적으로 출력하도록 상기 표식출력부를 제어하는 보행유도부를 구비하는 제어부; 상기 감지부의 감지결과에 따라 대상자에게 물리적 자극을 인가하는 자극부를 구비하는 피드백부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 설정된 주기의 리듬청각신호를 생성하고 생성된 리듬청각신호에 따른 상기 보행유도부의 제어신호를 상기 제어부에 인가하는 제1모드 또는 상기 감지부의 감지결과에 따른 청각안내신호를 생성하는 제2모드의 선택이 이루어지는 모드선택부와, 상기 모드선택부의 선택에 따라 리듬청각신호 또는 청각안내신호를 출력하는 음향출력부를 구비하는 청각안내부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피드백부는 신발형태로 구성되되, 가속도센서 및 자이로센서를 조합함으로 3축의 움직임을 감지하는 제2동작센서부와, 대상자의 발로부터 인가되는 하중을 감지하는 하중센서부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 제2동작센서부와 하중센서부의 감지결과를 분석하여 대상자의 보폭 및 속도를 반영하도록 상기 표식출력부를 제어하는 정렬부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 디스플레이부의 출력화면을 복제하여 출력하는 인터페이스부와, 상기 감지부의 감지결과를 훈련정보로서 시간의 흐름에 따라 저장하는 저장부와, 상기 저장부에 저장된 훈련정보를 시간순으로 대비한 분석정보를 생성하여 상기 인터페이스부로 출력하는 분석부를 구비하는 모니터링부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명을 통해 보행훈련이 요구되는 다양한 대상, 특히 균형 및 보행에 어려움이 있는 중추신경계 손상 환자 및 근골격계 질환 및 수술로 인하여 보행훈련이 필요한 자에 대하여 증강현실을 사용함으로 일반 안경을 쓴 것과 같이 실제 환경이 그대로 보여 균형감각 소실, 어지러움 출현, 낙상 등의 위험으로부터 자유로울 수 있고, 음식점, 지하철, 이마트, 학교, 보도와 같은 실제장소에서 강화된 정보를 이용할 수 있어, 한정된 공간인 치료실에서 벗어나 일상생활이 이루어지는 실제 환경에서 재활훈련이 가능해진다.

또한, 손상된 뇌 부위를 우회하여 다른 경로의 신경전달로가 만들어지는 '신경가역성'을 촉진하는 신경재조직화가 이루어짐으로 빠른 회복 및 일상으로의 복귀를 기대할 수 있고, 치료사가 대상자와 동일한 시점에서 보행모습을 모니터링함으로 효율적인 교정 지도가 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 개념도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1사용상태도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2사용상태도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 증강현실 기반의 보행훈련 시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 개념도로서, 본 발명은 뇌(중추신경계)의 손상 환자들에게는 시각, 청각, 촉각을 이용한 강화된 다 감각정보를 통한 보행훈련이 이루어지도록 하는 시스템이다.

정상적인 보행을 못하되 양쪽 다리에 체중을 균일하게 주지 못하지 못하는 편마비 환자를 예로 들면, 통상적으로 치료사는 보행훈련을 위해 음성으로 다리를 앞으로 얼마나 더 펴야하는지, 옆으로 얼마나 더 벌려야 하는지를 지시하고, 환자가 잘 따르지 못한다면 직접 다리를 벌려주거나, 앞으로 발을 내딛어야 하는 자리에 치료사는 환자의 다리를 잡아 이동시키는 방식으로 훈련이 이루어진다.

이러한 방법에서 환자는 수동적으로 다리를 내어주는 방법으로 재활훈련이 이루어지게 되나, 본 발명에서는 시각정보를 통해 환자가 본인의 발이 위치해야 하는 자리를 시각적으로 확인하고, 실시간으로 발의 보폭이나 내딛는 위치를 가이드 받으므로 실시간 시각피드백에 의한 자발적이고 능동적인 조절된 보행(움직임) 훈련이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 보행이라는 것은 보행 순환주기에 따른 리듬을 따르는 움직임이므로 발을 디딜 때 리듬이 있는 청각정보를 활용한 자극을 통해서 보행의 주기를 일정하게 유도한다면 자동적인 보행의 움직임을 끌어낼 수 있다. 이는 파킨슨 환자에게 치료사가 구두자극으로 사용하는 기존 재활훈련에서 사용되는 방식으로 치료사의 구두자극은 결국 치료사가 위치한 치료실 내에서만 한정적으로 이루어질 수밖에 없었으나 본 발명에서는 이를 치료실 밖에서도 원활히 이루어질 수 있도록 하게 된다.

또한, 뇌손상으로 인해서 발을 디딜 때 발뒤꿈치 닫기부터 시작되는데, 본 발명에서는 정확한 움직임이 발생했을 때 진동과 같은 피드백을 촉각정보로 제공함으로써 정적 강화를 제공하여 올바른 보행을 촉진하게 된다.

이와 같은 시각, 청각, 촉각을 포함하는 다 감각정보의 활용을 위해 본 발명에서는 시각정보를 위한 헤드마운트부(110)와, 촉각정보를 위한 피드백부(120)와, 청각정보를 위한 청각안내부(130)를 비롯하여 이를 제어하기 위한 제어부(150)를 구비하게 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1사용상태도, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2사용상태도, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 특히 도 2는 본 발명이 적용된 대상자의 외관을, 도 3은 헤트마운트부를 착용한 상태에서 대상자가 보게 될 영상의 예를 각각 나타내고 있다.

상기 헤드마운트부(110)는 시각정보를 위한 일종의 보행 내비게이션으로서 증강현실을 위한 HEAD MOUNT DISPLAY(HMD)로 이루어진다. 즉 대상자가 바라보는 현실의 시야에 환자가 발을 뻗어 위치해야 할 자리에 보행유도 표식(S)인 풋 프린트(foot print)를 오버레이 방식으로 출력하며 착용부(111)와, 촬영부(112)와, 디스플레이부(113)와, 표식출력부(114)를 구비하게 된다.

상기 착용부(111)는 상기 헤드마운트부(110)를 훈련 대상자의 머리 부분에 착용하기 위한 구성으로, 통상의 HMD에 구비되는 머리를 감싸는 형태의 밴드로 이루어지게 된다. 이와 같은 형태 외에도 현실의 시야와 오버랩되는 증강현실을 통해 보행유도 표식을 출력하고 대상자가 이를 밟아 걷는 방식으로 훈련이 진행됨에 따라 보행유도 표식(S)이 대상자의 눈앞에 시야와 겹치면서 원활히 형성되도록 하면서도 출력된 표식의 움직임 내지는 흔들림을 최소화할 수 있도록 안경이나 헬멧, 모자형태로 이루어질 수 있다.

이러한 헤드마운트부(110)의 착용으로 인한 일시적인 부적응이나 대상자의 몸 상태에 따른 넘어짐에 대비해서 대상자가 손잡이가 구비된 허리띠를 착용하도록 하여 보행훈련 중 치료사가 손잡이를 잡고 환자의 자세의 안전성을 확보해 줄 수 있도록 하는 방식으로 훈련이 이루어질 수도 있다.

상기 제1동작센서부(115)는 헤드마운트부(110)를 착용한 상태의 대상자 머리의 움직임을 감지하는 구성으로, 실질적으로 대상자가 주시하고 있는 정확한 방향을 인지하기 위한 구성이다. 본 발명에서는 기본적으로 실사 영상에 가상영상이 보행유도 표식(S)을 출력함에 따라 대상자가 어느 방향을 주시하고 있는가에 따라 출력되는 보행유도 표식(S)의 세부 위치가 달라진다.

예를 들어 대상자가 고개를 위로 젖히면 바닥면이 안 보임에 따라 보행유도 표식(S)은 보이지 않게 될 것이고, 대상자가 고개를 숙이면 바닥면과 함께 발을 디뎌야 하는 위치를 나타내는 보행유도 표식(S)이 적절한 위치에 출력될 것이다. 이를 위해 상기 제1동작센서부(115)는 자이로센서 및 가속도센서를 구비하여 대상자의 머리의 전후좌우 방향으로의 젖힘 및 좌우 회전각도를 감지할 수 있도록 구성된다.

상기 촬영부(112)는 대상자의 시야 방향을 형성되어 대상자가 바라보는 동일한 위치를 촬영하며 영상을 획득하는 구성으로 상기 헤드마운트부(110)의 전면 또는 측면에 설치되는 소형 카메라로 이루어지게 된다. 상기 촬영부(112)를 통해 촬영된 영상은 증강현실을 위해 대상자가 보고 있는 실사 영상을 획득하거나 가상화면에 해당하는 보행유도 표식(S)에 대상자의 발의 정위치 여부를 판단하는 용도로 활용된다.

상기 디스플레이부(113)는 대상자가 헤드마운트부(110)를 착용함에 따라 대상자의 눈앞에 대상자가 보고 있는 실사 영상에 3차원 가상영상을 겹침(overlap)하여 출력하기 위한 구성으로 이를 위해 두 가지 방식의 적용이 가능하다.

먼저, 상기 디스플레이부(113)가 일정 수준 이상의 투명도를 갖는 안경과 같은 투광판으로 이루어지는 것으로 대상자는 이러한 투광판을 통해 실제 시야를 무리 없이 볼 수 있으며, 소형의 빔프로젝터 내지는 광학 포인터를 통해 보행유도 표식(S)을 투광판에 투사함으로 증강현실을 구현하게 된다. 이러한 방식의 대표적인 예로 최근 구글이 시범적으로 개발, 공개한 스마트 안경인 구글 글래스(Google Glass)의 경우 렌즈에 화면 출력용 프리즘이 장착되어 대상자가 바라보는 시야에 가상의 이미지의 출력이 이루어질 수 있다.

다음으로, 상기 디스플레이부(113)가 LED 화면으로 이루어져 상기 촬영부(112)를 통해 획득한 실사 영상을 그대로 출력하여 보여주는 방식으로, HD 영상을 통해 대상자는 실사에 근접한 영상을 통해 실제 눈으로 보는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

상기 표식출력부(114)는 상기 디스플레이부(113) 상에 좌·우측 발의 움직임에 대응하는 보행유도 표식(S)을 출력하는 구성으로, 상기 디스플레이부(113)에 투사되거나 출력되는 실사 영상에 가상영상인 보행유도 표식(S)을 겹치도록 한다.

보행훈련의 취지에 맞춰 발바닥이나 신발(구두) 발자국의 형태의 보행유도 표식(S)을 좌·우측 식별이 가능하도록 구분하여 출력하는 것이 바람직하며, 상기 디스플레이부(113)가 투광판일 경우 상기 표식출력부(114)는 빔프로젝터 형태의 출력수단이 적용되고, 상기 디스플레이부(113)가 LED 패널일 경우 이에 가상영상인 보행유도 표식을 출력하는 알고리즘을 탑재한 수단이 적용될 수 있다.

상기 피드백부(120)는 촉각정보를 위한 구성으로 본 발명에서는 대상자가 착용하는 신발형태로 이루어져 상기 헤드마운트부(110)에 의해 형성된 보행유도 표식에 발을 정상적으로 디디게 되면 촉각적 피드백을 주는 구성으로 자극부(121)를 구비하게 된다.

상기 자극부(121)는 신발형태의 피드백부(120)의 깔창에 설치된 진동수단 즉 소형화된 햅틱센서로 이루어져 대상자의 발에 물리적 자극인 진동피드백을 주는 구성으로 대상자가 보행유도 표식을 정확하게 밟았을 때 후술되는 감지부(151)가 이를 감지함에 따라 진동을 발생시키게 된다. 재활훈련 분야의 여러 연구에 의하면, 이와 같은 발바닥 진동자극은 균형능력에 효과적인 것으로 알려졌으며, 이를 통해 대상자가 정확한 보행이 이루어졌음을 촉각자극을 통해 쉽게 인지할 수 있다.

상기 청각안내부(130)는 대상자가 듣고 인지할 수 있는 리듬청각신호 내지는 청각안내신호를 발생시키는 구성으로 스피커나, 헤드폰, 이어폰 형태로 이루어지며, 모드선택부(131)와, 출력부(132)를 구비하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 주변 소음의 영향을 최소화하면서 훈련 집중도를 위해 헤드폰 형태로 이루어지고 있다.

상기 모드선택부(131)는 훈련형태에 따라 리듬청각신호 또는 청각안내신호의 출력 패턴을 선택받는 구성으로, 본 발명에서는 기본적으로 2가지의 모드를 제공하게 된다.

제1모드는 정상적인 보행 리듬에 맞는 리듬청각신호를 출력하는 모드로서, 스스로 보행이 어느 정도 가능하며 정상 수준에 가까운 보행이 가능한 환자를 대상으로 한다.

이때 리듬청각신호는 정상적인 보행 리듬에 맞는 청각신호로서, 규칙적으로 “척, 척, 척” 등 행군시 군화 딛는 소리 또는 “또각, 또각, 또각”등 하이힐이나 구두 딛는 소리를 비롯하여 군대에서 제식훈련 시 “왼발, 왼발” 신호를 주는 것이나 치료사가 환자 보행시 “하나, 둘, 하나, 둘” 움직임 신호를 주는 것을 의미하며 이리 저장된 리듬청각신호를 선택하여 설정된 주기로 출력한다. 신경학적 음악 치료에서는 리듬 청각 자극(Rhythmic Auditory Stimulation, RAS)이라고도 한다.

이와 같은 제1모드에서는 기본적으로 대상자의 상태에 맞도록 설정된 주기의 리듬청각신호를 생성하고 생성된 리듬청각신호에 따라 상기 제1광원(113) 및 제2광원(114)의 제어신호를 생성하여 상기 제어부(150)에 인가하게 된다.

제2모드는 현재 대상자의 보행에 맞추어 보행자가 지면에 발을 디디는 동작에 맞추어 청각안내신호를 출력하는 모드로서, 스스로 보행이 쉽지 않거나 정상 수준에 한참 못 미치는 보행훈련 환자를 대상으로 한다.

이때 청각안내신호는 기본적으로 대상자가 발을 땅에 디딜 때 출력하는 소리와 더불어 정상적으로 발을 딛었는지 여부 및 교정하기 위한 안내신호를 의미한다.

이와 같은 제2모드에서는 후술되는 감지부(151)의 감지결과에 따른 청각안내신호를 생성하게 되며, 보행유도 표식을 정상적으로 밟았을 때는 상기 리듬청각신호와 같은 발소리를 청각안내신호로 생성하고, 보행유도 표식을 벗어나 발을 디뎠을 경우에는 벗어난 방향에 대응하여 왼쪽, 오른쪽, 앞쪽, 뒤쪽 등으로 어느 정도 벗어났음을 음성을 인지할 수 있는 청각안내신호를 생성하게 된다.

상기 출력부(132)는 음향을 출력하는 수단으로, 상기 모드선택부의 선택에 따라 리듬청각신호 또는 청각안내신호를 출력하게 된다. 즉 제1모드가 선택된 경우 리듬청각신호를, 제2모드가 선택된 경우에는 청각안내신호를 출력하게 될 것이다.

상기 제어부(150)는 MCU에 해당하는 구성으로, 대상자가 보행을 수행할 수 있도록 상기 헤드마운트부(110)와, 피드백부(120)와, 청각안내부(130)를 제어하되 감지부(151)와 보행유도부(152)를 구비한다.

상기 감지부(151)는 대상자의 발이 상기 보행유도 표식에 접촉하는 것을 감지하는 구성으로, 대상자의 발과 디스플레이부(113)를 통해 출력된 보행유도 표식(S)의 겹침을 감지하게 된다. 이를 위해 상기 감지부(151)는 영상분석 알고리즘을 기반으로 상기 헤드마운트부(110)에 구비된 촬영부(112)를 통해 촬영된 발의 위치와 디스플레이부(113)에 표시된 보행유도 표식(S)의 위치를 비교하며 정확한 위치에 발을 잘 위치시킨 여부를 판단하게 된다.

상기 보행유도부(152)는 상기 제1동작센서부(115) 및 감지부(151)의 감지결과를 반영하여 좌·우측 발에 대응하는 보행유도 표식을 순차적으로 출력하도록 상기 표식출력부(114)를 제어하게 된다. 즉 첨부된 도 3과 같이 대상자가 오른발을 딛는 순서에서는 오른쪽 발을 디뎌야 할 위치에 대응하는 보행유도 표식을 출력하고, 왼발을 딛는 순서에서는 왼발을 디뎌야 할 위치에서 대응하는 보행유도 표식이 출력되도록 함으로 대상자는 좌·우 착오 없이 연속적인 보행을 할 수 있다.

이와 같은 제어부(150)는 별도의 단말기로 구성되어, 상기 헤드마운트부(110)와, 피드백부(120)와, 청각안내부(130)와 유선 또는 무선으로 연결되어 제어신호를 주고받을 수 있다.

유선으로 연결되는 경우 상기 제어부(150)는 외부로부터 공급된 전원을 상기 헤드마운트부(110)와, 피드백부(120)와, 청각안내부(130)에 전달하고 제어신호를 주고받게 되며, 무선으로 연결되는 경우 제어부(150)를 비롯하여 상기 헤드마운트부(110)와, 피드백부(120)와, 청각안내부(130) 각각에 배터리와 같은 전원이 구비되면서 블루투스, 지그비 등의 근거리 무선통신을 활용하여 데이터 및 신호의 전달이 이루어지도록 구성된다. 이와 같은 전원 및 통신과 관련된 구성은 공지공용의 수단이 사용되므로 본 발명에서는 발명의 취지가 흐려지는 것을 방지하기 위해 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명의 다른 실시예에서 대상자인 환자는 증강현실 상황에서 실사 영상에 합쳐진 풋 프린트, 즉 보행안내 표식(S)을 발로 밟고, 이에 따라 리듬청각신호 또는 청각안내신호의 출력과, 발에 착용한 신발형태의 피드백부(120)를 통해 진동을 느끼게 된다는 점에서는 바람직한 실시예와 동일하다.

이는 다 감각 보행훈련을 위한 기본 절차로서, 실질적으로는 디딤기(지지기), 흔듦기(유각기), 양다리 지지기, 좌우 한 발짝 길이 및 너비, 좌우 한 발짝률, 걷기 속력, 한 발짝 시간, 대칭성 체중부하 분포 및 정도, 에너지 소모량 등의 정보에 따른 변수가 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 앞서 잠시 언급한 바와 같이 대상자의 신체적인 조건 및 변수에 따라 출력되는 보행안내 표식(S)의 위치를 정렬함과 더불어, 구체적인 훈련 성과의 분석이 이루어지도록 하는 구성이 부가된다.

이하의 설명에서는 발명의 취지가 흐려지는 것을 방지하기 위해 앞서 설명한 바람직한 실시예와 동일한 내용에 대하여 구체적인 언급을 생략한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 상기 피드백부(120)는 동작센서부(123)와 하중센서부(124)를 더 포함하게 된다.

상기 동작센서부(123)는 3축 자이로센서와 가속도센서를 조합한 센서로 각속도 변화에 따른 전압의 변화를 사용하여 상기 피드백부(120)의 전후방향 및 좌우방향의 기울기와 진행 동작을 감지할 수 있어 보행속도 및 보폭을 비롯하여 바닥경사 및 넘어짐 등의 측정도 가능하다.

상기 하중센서부(124)는 신발형태의 피드백부(120)의 밑창 부분에 배치되어 대상자의 발로부터 인가되는 하중을 측정하는 소형의 압력센서로서, 적절한 개수의 압력센서를 격자형으로 등 간격 배치함으로 정밀한 자세의 검출이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 대상자의 훈련 상황을 치료사가 정확하게 파악할 수 있도록 인터페이스부(141)와, 정렬부(142)와, 저장부(143)와, 분석부(144)를 구비하는 모니터링부(140)를 더 포함하게 된다. 이와 같은 모니터링부(140)는 대상자가 착용하는 상기 헤드마운트부(110)와 동일하게 치료사가 착용하는 헤드마운트부를 비롯한 단말기로 구성될 수 있다.

상기 인터페이스부(141)는 치료사가 착용하는 헤드마운트부 또는 단말기에 구비되는 입·출력수단으로 본 발명에서는 기본적으로 대상자가 착용한 헤드마운트부(110)와 연결되어 디스플레이부(113)의 출력화면을 미러링 방식으로 복제하여 출력하게 된다. 즉 미러링(화면복제)을 통해 모니터 내지는 치료사가 착용한 헤드마운트부에 대상자가 보고 있는 화면을 그대로 보여주어 환자가 보행을 효과적으로 하고 있는지 모니터링이 가능하게 한다.

상기 정렬부(142)는 상기 동작센서부(123)와 하중센서부(124)의 감지결과를 분석하여 상기 표식출력부(114)를 제어하여 대상자의 보행훈련에 최적화된 위치에 보행안내 표식(S)이 형성될 수 있도록 위치를 조절한다. 즉 상기 동작센서부(123)를 통해 보폭을 비롯하여 보행에 따른 속도, 시간의 파악이 이루어질 수 있으며, 상기 동작센서부(123)를 통해 대칭성 체중부하 분포 및 정도의 파악이 이루어질 수 있으므로 이미 설정된 제어값에 따라 최적의 보행안내 표식으로 위치조절이 이루어질 수 있다.

상기 저장부(143)는 상기 감지부(151)의 감지결과를 시간의 흐름에 따라 훈련정보로서 누적 저장하는 구성이고, 상기 분석부(144)는 상기 저장부(143)에 저장된 훈련정보를 시간순으로 대비한 분석정보를 생성하여 상기 인터페이스부(141)를 통해 출력하여 대상자, 보호자, 치료사 등이 확인할 수 있도록 한다.

즉 훈련시간을 비롯하여 훈련 중 대상자의 보행의 정확성, 속도를 포함하여 체중부하 분포 및 변화에 따른 주요 지정항목에 대하여 누적된 전·후 정보의 비교 분석을 통해 훈련효과의 시각적 확인이 가능한 분석정보를 생성하는 것이다.

이와 같은 분석정보는 차후 훈련에 적용되어 상기 표식출력부(114)에서의 보행유도 표식(S) 위치제어를 위한 제어명령 및 리듬청각신호의 주기설정에 반영될 수 있다.

즉 대상자의 보행을 촉진하기 위해서 훈련상태를 반영하여 리듬청각신호의 주기를 정상 보행의 리듬까지 점진적으로 적용시키고 이를 반영하여 보행안내 표식을 형성함으로 보행이 자연스러우면서도 더 빨리 개선될 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

110: 헤드마운트부 111: 착용부
112: 촬영부 113: 디스플레이부
114: 표식출력부 115: 제1동작센서부
120: 피드백부 121: 자극부
122: 제2동작센서부 123: 하중센서부
130: 청각안내부 131: 모드선택부
132: 음향출력부 140: 모니터링부
141: 인터페이스부 142: 정렬부
143: 저장부 144: 분석부
150: 제어부 151: 감지부
152: 보행유도부 S: 보행유도 표식

Claims (4)

1. 보행훈련 시스템에 있어서,
   대상자의 머리에 착용 가능한 착용부(111)와, 머리의 움직임을 감지하는 제1동작센서부(115)와, 대상자의 시야를 촬영하는 촬영부(112)와, 대상자의 시야를 투시 또는 시야 영상을 출력하는 디스플레이부(113)와, 좌·우측 발의 움직임에 대응하는 보행유도 표식(S)을 상기 디스플레이부(113)에 출력하는 표식출력부(114)를 구비하는 헤드마운트부(110);
   대상자의 발이 상기 보행유도 표식(S)에 접촉하는 것을 감지하는 감지부(151)와, 상기 제1동작센서부(115) 및 감지부(151)의 감지결과를 반영하여 좌·우측 발에 대응하는 보행유도 표식을 순차적으로 출력하도록 상기 표식출력부(114)를 제어하는 보행유도부(152)를 구비하는 제어부(150);
   상기 감지부(151)의 감지결과에 따라 대상자에게 물리적 자극을 인가하는 자극부(121)를 구비하는 피드백부(120);
   상기 디스플레이부(113)의 출력화면을 복제하여 출력하는 인터페이스부(141)와, 상기 감지부(151)의 감지결과를 훈련정보로서 시간의 흐름에 따라 저장하는 저장부(143)와, 상기 저장부(143)에 저장된 훈련정보를 시간순으로 대비한 분석정보를 생성하여 상기 인터페이스부(141)로 출력하는 분석부(144)를 구비하는 모니터링부(140); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 증강현실 기반의 보행훈련 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   설정된 주기의 리듬청각신호를 생성하고 생성된 리듬청각신호에 따른 상기 보행유도부(152)의 제어신호를 상기 제어부(150)에 인가하는 제1모드 또는 상기 감지부(151)의 감지결과에 따른 청각안내신호를 생성하는 제2모드의 선택이 이루어지는 모드선택부(131)와, 상기 모드선택부(131)의 선택에 따라 리듬청각신호 또는 청각안내신호를 출력하는 음향출력부(132)를 구비하는 청각안내부(130); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 기반의 보행훈련 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 피드백부(120)는 신발형태로 구성되되, 가속도센서 및 자이로센서를 조합함으로 3축의 움직임을 감지하는 제2동작센서부(122)와, 대상자의 발로부터 인가되는 하중을 감지하는 하중센서부(123)를 더 포함하며,
   상기 제어부(150)는 상기 제2동작센서부(122)와 하중센서부(123)의 감지결과를 분석하여 대상자의 보폭 및 속도를 반영하도록 상기 표식출력부(114)를 제어하는 정렬부(142)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실 기반의 보행훈련 시스템.
   
4. 삭제

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