KR101843809B1 - 척추의 상태를 분석하는 장치 및 방법 - Google Patents

척추의 상태를 분석하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 척추 진단장치는, 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근 위치에 각각 부착되는 제1 및 제2 근전도 센서와, 척추의 흉추 위치에 부착되는 척추 휨 센서와, 근전도 센서 및 척추 휨 센서에 기능적으로 연결되는 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는 제1 및 제2 근전도 센서로부터 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도를 계산하며, 척추 휨 센서로부터 척추의 휨에 따른 콥스 각도를 계산하며, 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 차이 및 콥스 각도에 기반하여 척추의 상태를 진단할 수 있다.

Description

척추의 상태를 분석하는 장치 및 방법{APPARAUTS AND METHOD FOR ANALYZING A CURVATURE OF THE THORACIC VERTEBRAE}
본 발명은 근활성도 및 척추 휨 상태를 감지하여 척추의 만곡 상태를 검사할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 척추의 만곡은 상체의 적절한 균형 및 정렬을 유지하도록 도와줄 수 있다. 척추 측만증은 척추에 좌우로 비정상적인 만곡이 발생되는 증상을 말한다. 척추 측만증의 원인은 선천적 척추 기형, 유전적 상태, 신경근 문제, 하지 길이의 불일치 등으로 다양한 원인을 가질 수 있다. 척추 측만증의 증상은 어깨 높이가 다른 증상, 머리가 골반 위에 똑바로 중심에 있지 않은 증상, 올라가고 돌출된 엉덩이 모양, 흉곽의 높이가 다름. 휜 허리, 한쪽으로 몸 전체가 기울어짐. 구부릴 때 갈비뼈가 돌출되는 증상을 가질 수 있다. 그러나 척추 측만증의 환자의 대부분은 그 원인이 알려져 있지 않다. 척추 측만증의 증상을 조기에 발견하면 재활 치료 등을 통해 척추 측만증을 치료할 수 있다. 그러나 척추 측만증의 증상을 조기에 발견하기 어려우며, 증상을 방치하여 척추 측만증을 악화시킬 수 있다.
또한 척추 측만증이 의심되는 경우, 병원을 방문하여 X 레이, 척추 방사선 검사, 컴퓨터 단층(CT) 촬영, 척추의 자기 공명 영상(MRI)과 같은 진단 검사로 척추 측만증 여부를 확인할 수 있다.
본 발명의 목적은 척추의 움직임과 연동되는 근육의 근전도 및 척추의 상태를 분석하여 척추의 만곡 상태를 분석할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치가, 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근 위치에 각각 부착되는 제1 및 제2 근전도 센서와, 척추의 흉추 위치에 부착되는 척추 휨 센서와, 근전도 센서 및 척추 휨 센서에 기능적으로 연결되는 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는 제1 및 제2 근전도 센서로부터 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도를 계산하며, 척추 휨 센서로부터 척추의 휨에 따른 콥스 각도를 계산하며, 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 차이 및 콥스 각도에 기반하여 척추의 상태를 진단할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치는 센서 장치 및 분석 장치를 포함할 수 있다. 센서장치는 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근 위치에 각각 부착되는 제1 및 제2 근전도 센서와, 척추의 흉추 위치에 부착되는 척추 휨 센서와, 근전도 센서 및 척추 휨 센서의 출력을 근거리 무선 통신하는 통신부를 포함할 수 있다. 분석장치는 센서장치의 통신부와 근거리 무선 통신하는 통신모듈을 포함하며, 센서장치에서 전송되는 제1 및 제2 근전도 센서로부터 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도를 계산하며, 센서 자체에서 전송되는 척추 휨 센서로부터 척추의 휨에 따른 콥스 각도를 계산하며, 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 차이 및 콥스 각도에 기반하여 척추의 상태를 진단하여 표시할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 척추 진단 방법은, 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근 위치에 각각 부착되는 제1 및 제2 근전도 센서에서 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도를 계산하는 단계와, 척추의 특정 흉추 위치에 부착되는 척추 휨 센서에서 출력되는 신호에 기반하여 척추의 휨에 따른 콥스 각도를 계산하는 단계와, 및 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 차이 및 콥스 각도에 기반하여 척추의 상태를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 척추 기립근의 근활성도 및 척추의 휨 상태를 검출하고, 이를 토대로 척추가 어느 방향으로 얼마나 휘었는지, 좌측 척추 기립근과 우측 척추 기립근의 근 활성도 비교를 통해 어느 쪽 기립근이 더 활성화 되어 있는지 확인하여 특발성 척추 측만증을 판단할 수 있다. 척추 진단장치는 신체의 동적 상태에서 직접적인 영향이 발생하는 부위를 확인하고, 센서가 장착된 기구부를 통해 정확한 원인을 진단할 수 있어, 재활치료를 위한 보조기구 및 감지장치로써 활용이 가능하고, 특발성 척추 측만증의 진단방법을 제시하여 발병예방과 치료를 위한 원인을 알아 낼 수 있는 자료로 사용할 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 척추 상태의 진단하는 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치의 후면 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치의 전면 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 척추 진단 장치의 상측면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 척추 진단장치의 동작 절차를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 다양한 실시예에 따라 센서장치와 분석장치를 분리한 구조를 가지는 척추 진단장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치의 동작을 도시하는 흐름도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
특발성 척추 측만증은 아직까지 정확한 원인이 밝혀지지 않고 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 척추 진단 장치는 척추가 측방으로 만곡되는 현상이 척추를 지지하는 척추기립근이 요인으로 설정하고, 특발성 척추 측만증 환자와 일반인이 움직일 시 척추기립근이 척추에 주는 힘을 근전도 센서를 통해 획득하고, 척추의 움직임을 척추 휨 센서를 통해 실시간으로 확인하여 척추의 상태를 진단할 수 있는 장치 및 방법을 제안한다. 다양한 실시예들에 따른 척추 진단 장치는 특발성 척추 측만증의 질환 발병원인을 정확하게 진단하는데 있어 도움이 될 수 있고, 실시간으로 수집한 데이터를 통해 피시험자의 상태를 체크하여 척추 측만증의 진행도를 제공할 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 척추 상태의 진단하는 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 척추 진단 장치는 프로세서(100), 메모리(110), 척추 휨 센서(120), 근전도 센서(130), 조절부(140) 및 표시부(150)를 포함할 수 있다.
프로세서(100)는 운영 체제 또는 척추 진단 프로그램을 구동하여 프로세서(100)에 연결된 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성 요소들을 제어할 수 있으며, 각 데이터들의 처리 및 연산 동작을 수행할 수 있다.
메모리(110)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리들을 포함할 수 있다. 메모리(110)는 척추 진단 장치의 척추 진단 프로그램 및 이들 구성요소에 관련된 명령어 및 데이터들을 저장할 수 있다.
척추 휨 센서(120)는 척추에 부착되어 척추의 상태에 관련된 신호를 감지할 수 있다. 척추 휨 센서(120)는 척추를 따라 길게 부착될 수 있으며, 흉추 뼈의 콥스 각도를 판단하기 위한 척추 뼈의 휨 상태에 따른 신호들을 검출할 수 있다.
근전도 센서(130)는 척추 기립근에 부착될 수 있으며, 척추 움직임에 따른 척추 기립근의 활성도를 검출할 수 있다. 근전도 센서(130)는 2개의 근전도 센서들로 이루어져, 각각 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근에 각각 부착될 수 있다. 조절부(140)는 근전도 센서(130)의 부착 위치를 조절할 수 있다. 근전도 센서(130)는 척추 기립근의 위치에 부착되어야 근 활성도를 정확하게 측정할 수 있다. 조절부(140)는 사용자의 조작에 의해 근전도 센서의 부착 위치를 조절할 수 있다.
표시부(150)는 척추의 만곡 상태를 측정할 때, 센서들의 부착 위치들, 측정된 근활성도 및 척추 휨 상태, 그리고 분석된 척추의 만곡 상태 등에 관련된 정보 및 이미지들을 표시할 수 있다. 표시부(150)는 LCD(liquid crystal display), LED 표시부(light emitting diode display), 램프 등을 포함할 수 있다. 예를들면, 표시부(150)는 센서의 부착 위치가 정상 범위 또는 에러 범위에 위치됨을 표시하는 표시 소자(예를들면 LED)를 포함할 수 있다. 예를들면, 표시부(150)는 척추의 만곡 상태를 측정할 때 센서들에서 측정되는 결과 값들을 표시할 수 있으며, 측정된 값들을 기반으로 분석된 척추의 상태 결과를 데이터 및 이미지로 표시할 수 있다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치의 후면 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 척추 진단 장치는 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225), 제1 및 제2 조절부(230, 235), 벨트(210), 척추 휨 센서(250)을 포함할 수 있다. 예를들면, 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)는 도 1의 근전도 센서(130)이 될 수 있으며, 제1 및 제2 조절부(230, 235)는 도 1의 조절부(140)이 될 수 있으며, 척추 휨 센서(250)는 도 1의 척추 휨 센서(120)이 될 수 있다.
제1 및 제2 근전도 센서(220, 225) 및 척추 휨 센서(250)들은 벨트(210)에 의해 신체에 안정되게 부착될 수 있다. 척추 휨 센서(250) 및 근전도 센서(220, 225)는 벨트(210)에 위치될 수 있으며, 벨트(210)는 척추에 장착되어 센서들을 신체에 안정되게 밀착시키는 기능을 수행할 수 있다. 벨트(210)을 허리에 장착될 때, 각각 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근의 위치에 대응되는 벨트 위치에서 신체에 접촉되는 부분에 각각 제1 근전도 센서(220) 및 제2 근전도 센서(225)을 장착할 수 있다. 그리고 제1 조절부(230) 및 제2 조절부(235)는 각각 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)의 위치를 조절하여 척추 기립근의 위치에 접촉되도록 할 수 있다. 제1 근전도 센서(220)는 벨트(210)에 의해 좌측 척추 기립근 위치에 안정되게 접촉될 수 있으며, 제1 조절부(230)에 의해 신체 접촉 위치가 조절될 수 있다. 제2 근전도 센서(225)는 벨트(210)에 의해 우측 척추 기립근 위치에 안정되게 접촉될 수 있으며, 제2 조절부(235)에 의해 신체 접촉 위치가 조절될 수 있다. 도 2에서 제1 및 제2 조절부(230, 235)는 각각 대응되는 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)를 상하 이동시킬 수 있는 예로 도시되고 있지만, 좌우 또는 대각선 방향으로 이동시킬 수도 있다.
척추 휨 센서(250)는 척추(예를들면 흉추)에 접촉되는 세로 구조로 벨트(210)에 연결될 수 있다. 척추 휨 센서(250)는 흉추(예를들면 흉추 1번에 12번까지 또는 이들 중의 일부 구간)에 세로 형태로 부착될 수 있으며, 척추의 휨 상태를 검출할 수 있다. 척추 휨 센서(250)는 바 형상의 지지부와 지지부 내부에 길 폭 방향으로 삽입되는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 바 형상의 지지부는 신체에 잘 부착될 수 있는 재질로 구성될 수 있으며, 사람의 척추 형상에 대응되는 홈이 형성될 수 있다. 또한 지지부는 척추의 흉추 길이(T1에서 T12)로 구성될 수 있다. 그리고 지지부가 흉추에 부착될 때, 특정 흉추 위치가 되는 지지부의 위치에 센서가 삽입될 수 있다. 예를들면, 센서는 지지대에서 T1, T6, T12에 부착되는 위치에 센서들이 부착될 수 있다.
예를들면, 척추 휨 센서(250)의 지지부는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 제작될 수 있다. PDMS는 상대적으로 넓은 신체 영역에 센서를 점착할 수 있으며, 내구성이 좋고 형성 가공성이 좋은 재질이다. 따라서 척추의 형태에 따라 척추 휨 센서(150)를 피시험자의 척추의 굴곡에 따라 부착할 수 있다. 다양한 실시예들에 따른 척추 휨 센서(25)는 PDMS에 척추의 굴곡 형태를 감지할 수 있는 전극(또는 센서)가 부착된 구성을 가질 수 있다. 예를들면 흉추의 6번 위치에 센서를 위치되도록 PDMS에 센서를 부착하고, 센서의 출력을 입력하여 척추(흉추)의 만곡 형태를 측정할 수 있다. 여기서 PDMS에 장착되는 센서는 가속도 센서 및/또는 자이로 센서가 될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 척추 진단 장치는 척추 휨 센서(250)에서 검출되는 신호에 기반하여 흉추 뼈에서 발생하는 콥스 각도를 측정할 수 있으며, 좌측 척추 기립근에 부착되는 제1 근전도 센서(220)와 우측 척추 기립근 위치에 부착되는 근전도 센서(13)에서 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근 활성도를 측정할 수 있다. 그리고 제1 근전도 센서(220)와 제2 근전도 센서(225)의 부착 위치가 각각 좌측 및 우측 척추 기립근 위치에 부착되도록 대응되는 센서의 위치를 조절할 수 있는 제1 및 제2 조절부(230, 235)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 조절부(230, 235)는 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)의 위치를 상하로 조절할 수 있는 지퍼 구조로 구성될 수 있다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치의 전면 구성 예를 도시하는 도면이다. 도 4는 다양한 실시예들에 따른 척추 진단 장치의 상측면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 척추 진단 장치는 벨트(210), LED(320, 325), 버클(330), 연산부(340), 디스플레이(350)을 포함할 수 있다. 예를들면, LED(320, 325) 및 디스플레이(350)는 도 1의 표시부(150)에 포함될 수 있으며, 연산부(340)는 도 1의 프로세서(100) 및 메모리(110)에 대응될 수 있다.
측정 모드에서 사용자는 벨트(210)을 허리에 장착할 수 있으며, 버클(330)에 의해 고정시킬 수 있다. 버클(330)이 채워지면, 제1 및 제2 근전도 센서들 및 척추 휨 센서들은 각각 대응되는 척추 기립근들 및 흉추에 접촉될 수 있다.
연산부(340)는 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)에서 검출되는 신호를 분석하여 각각 좌측 및 우측 척추 기립근에 정확하게 부착되었는지 판단할 수 있다. 예를들면, 연산부(340)는 척추 기립근의 근활성화에 따른 기본 값을 실험적으로 측정하여 구비할 수 있다. 기본값은 특발성 척추 측만증을 가지는 사람에게서도 측정되는 값이 될 수 있다. 연산부(340)는 측정 모드에서 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)에서 검출되는 근활성화 값을 수신할 수 있으며, 설정된 값 이상으로 검출되면 대응되는 LED(320, 325)를 구동하여 안착된 상태(예를들면, LED ON 상태)로 표시하고, 설정된 값 이하로 검출되는 대응되는 LED(320, 325)를 안착되지 않은 상태(예를들면, LED ON/OFF, 점멸 상태)로 표시할 수 있다.
또한 측정 자세에서 연산부(340)는 제1 및 제2 근전도 센서에서 검출되는 신호(전압 값)를 분석하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성화 값을 측정할 수 있으며, 척추 휨 센서에서 검출되는 신호를 분석하여 콥스 각도를 측정할 수 있다. 연산부(340)는 측정된 척추 기립근의 근 활성화 값 및 콥스 각도를 분석하여 척추의 만곡 상태를 판단할 수 있으며, 이를 기반으로 특발성 척추 측만증 여부를 진단할 수 있다. 디스플레이(350)에서 연산부(340)에서 측정 및 분석되는 척추 기립근의 근활성화 값, 콥스 각도, 척추의 만곡 상태 및 특발성 척추 측만증 진단 결과 등을 표시할 수 있다.
도 4를 참조하면, 척추 진단 장치에서 착용자가 직접 확인할 수 있도록 제1 및 제2 근전도 센서의 안착 여부를 확인하기 위한 LED(420, 425)가 벨트(210)의 전면부 중앙의 상측면에 배치되어 사용자가 근전도 센서의 안착 여부를 확인할 수 있다. 또한 사용자는 전면에 배치된 디스플레이(350)을 통해 척추 진단 결과를 확인할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 척추 진단 장치는 척추 기립근에 안착유무를 판단할 수 있으며, LED(320, 325)를 통해 제1 및 제2 근전도 센서가 각각 좌측 및 우측 척추 기립근에 안착 여부를 표시할 수 있다.
척추는 경추, 흉추 및 요추 등으로 구성될 수 있으며, 흉추(thoracic vertebrae)는 가슴 부위에 해당하는 척추로 12개로 구성되어 있으며, 등쪽으로 볼록하게 위치될 수 있다. 흉추는 경추 보다 크고 요추보다 작으며, 상위에서 하위로 갈수록 커진다. 척추 기립근(spinal erector muscle)은 척추에 붙어있는 근육으로서, 척추뼈를 따라 길게 세로로 뻗은 근육이며, 척추를 똑바로 서게 만드는 기능을 수행할 수 있다. 척추 기립근이 약해지면 척추 질환을 앓을 확률이 높아지며, 척추를 악화시키는 중요한 이유는 바르지 못한 자세가 될 수 있다.
실험에 의하면, 근전도(electromyography) 측정기기를 이용하여 특발성 척추측만증 환자의 흉추, 요추, 복부 근육에서의 근 활성도를 관찰한 결과, 만곡이 있는 요추 또는 흉요추 부위의 볼록면(convex side)에서 근육의 불균형이 나타난다는 것이 확인되었다. 근전도(EMG, electromyogram)(예를들면, 표면 근전도(surface EMG)는 피부표면에 전극을 부착하는 무통증, 비침습적인 방식으로 척추 기립근의 근활성화 값을 측정할 수 있다. 따라서 바늘 근전도(nEMG)와는 달리 고통없이 편안하게 근운동 단위 집합체의 총체적인 시너지 활동을 정량적으로 분석할 수 있다. 근전도는 근육의 구조적 특성이 아닌 기능적 이상여부를 진단할 수 있다. 기준 전극과 측정전극 사이의 거리가 좁을수록 해당 근육 부위의 활동을 모니터링할 수 있으며(specific-mode), 거리가 멀수록 여러 근육부위의 전반적 활동(general-mode)을 모니터링 할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 근전도 센서의 전극은 척추 기립근의 위치에 부착될 수 있다. 각 근육부위에서 측정한 표면 근전도 분석법은 RMS(root mean square, RMS), Median Frequency 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. RMS는 근수축 또는 근긴장 정도를 반영할 수 있으며, Median Frequency는 근육의 피로도 정보를 반영할 수 있다. 또한 근육 부위간의 상호상관함수(Cross-Correlation)는 근수축 타이밍에 대한 정보를 제공할 수 있으며, 이런 정량적 분석을 이용하면 정상 근육과 비정상 근육의 근전도 특징을 정확하게 파악할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 근전도 센서(220, 225)는 각각 척추에서 요추에 가까운 위치의 흉추의 좌측 및 우측에 부착할 수 있다. 예를들면, 근전도 센서(220, 225)는 흉추를 중심의 좌측 및 우측의 척추 기립근 위치에 부착되어 근 활성화 값을 검출할 수 있다. 근전도 센서(220, 225)의 표면 전극을 신체에 부착하기 위하여, 전극 젤(electrode gel)을 바른 후 각각 좌측 기립근 및 우측 기립근에 부착할 수 있다. 또한 개인의 차이 및 부착 위치가 결과에 영향을 미칠 수 있으므로, 척추 기립근의 정규화(noramalization)하기 위해 실험 자세(예를들면, 전방골반 경사자세와 후방골반 경사자세의 중간 자세에서 일어서기 한 자세)에서 근육 활동 전위를 측정하여 기준값을 설정할 수 있다. 또한 근전도 신호는 근전도 신호의 실질적인 출력 값에 가까운 값으로 평균값(root mean square, RMS)을 취하여 계산할 수 있다. 예를들면, 근전도 센서(220, 225)의 출력은 여파(filtering), 정류(rectification) 및 RMS 동작으로 처리될 수 있다. 예를들면, 근전도 검출 신호는 대역 통과(bandpass) 타입의 FIR 필터링, 전파 정류 및 평활화(smoothing) 과정을 통한 후 RMS 값을 구할 수 있다. 근전도 신호의 크기는 근수축량과 대체적으로 비례 관계이며, RMS 값을 이용하여 근수축량을 추정하는 방법을 사용할 수 있다. 근활성도는 실체 활동 근육의 수축을 하는 동안 검출되는 값으로 정량화하여 측정할 수 있다.
척추 휨 센서(250)는 척추의 휨 상태를 감지하기 위한 센서를 포함하는 PDMS 센서가 될 수 있다. PDMS 센서는 측정자의 척추 굴곡을 따라 부착될 수 있는 PDMS 재질로 구성될 수 있으며, 특정 흉추 위치에 대응되는 PDMS 위치에는 센서를 위치시킬 수 있다. 예를들면, PDMS 센서는 PDMS에서 흉추의 매 2번째 흉추 위치(흉추 1, 4, 6, 8, 10, 12번 위치)에 센서들이 장착될 수 있으며, 매 4번째 흉추 위치(예를들면 흉추 1, 3, 6, 9, 12번 위치)에 센서들이 장착될 수 있으며, 매 4번째 흉추 위치(예를들면 2, 6, 10번 위치)에 센서들이 장착될 수 있다. 척추 휨 센서(250)는 PDMS에 의해 신체의 흉추 굴곡에 따라 변형되어 신체에 장착될 수 있으며, 6번 흉추를 중심으로 적어도 하나의 센서가 장착되어 흉추의 측정 값(예를들면 흉추의 만곡 상태에 따른 측정 값)을 검출할 수 있다. 예를들면, 척추 진단 장치는 척추 휨 센서(250)에서 검출되는 1번, 6번 및 12번 흉추의 검출 값(각 흉추들의 위치 값)으로부터 콥스 각도를 계산할 수 있다.
프로세서(도 1의 프로세서(100))는 근전도 센서(예를들면 도 1의 근전도 센서(130) 및 도 2의 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)) 및 척추 휨 센서(예를들면 도 1의 척추 휨 센서(120) 및 도 2의 척추 휨 센서(250))에서 검출되는 신호들을 분석하여 특발성 척추 측만증을 진단할 수 있다. 프로세서(100)는 척추 휨 센서(250)에서 출력되는 척추의 휨 정도를 나타내는 센서값과 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)에서 각각 출력되는 좌측 척추 기립근과 우측 척추 기립근의 근 활성도를 측정한 센서값들을 분석하여 특발성 척추 측만증을 진단할 수 있다. 예를들면, 프로세서(100)는 제1 근전도 센서(220) 및 제2 근전도 센서(225)에서 검출되는 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성화 값들을 각각 입력할 수 있으며, 두 척추 기립근의 차이 값에 기반하여 흉추의 굴곡을 파악할 수 있다. 예를들면, 척추 측만증을 가지는 피시험자인 경우, 제 1 및 제2 근전도 센서(220, 225)에서 검출되는 근활성도 값은 서로 다른 값으로 검출될 수 있다. 또한 프로세서(100)는 척추 휨 센서(250)의 검출 신호로부터 콥스 각도 각도를 계산할 수 있다. 프로세서(100)는 하기 <표 1>과 같이 척추 휨 센서(250)로 취득한 콥스 각도를 정상 기준과 비교한 후, 10도 이상이면 특발성 척추 측만증으로 진단하고 5도에서 10도사이에서 위험 0도에서 5도까지는 정상으로 판별할 수 있다.
Figure 112017082011699-pat00001
또한 프로세서(100)는 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)의 출력에 기반하여 좌측 척추 기립근과 우측 척추 기립근에서 측정되는 근 활성도를 비교할 수 있다. 근활성도는 하기 <수학식 1>과 같은 적분근전도식을 통해 분산과 표준편차로 정리할 수 있다.
Figure 112017082011699-pat00002
프로세서(100)는 근전도 센서들의 출력과 척추 휨 센서의 출력에 기반하여 특발성 척추 측만증 여부를 진단할 수 있으며, 그 결과를 메모리(예를들면 도 1의 메모리(110))에 저장하고 표시부(예를들면 도 1의 표시부(150) 및 도 3의 디스플레이(350)에 진단 결과를 표시할 수 있다
다양한 실시예들에 따른 척추 진단 장치는 척추 기립근이 척추에 직접적으로 가해지는 물리적인 현상을 파악하고, 척추 측만증에 미치는 영향력이 얼마나 큰지 확인하기 위해 근전도 센서와 각가속도 센서의 조합 기기로 구성된 기구부로 실시간 측정을 가능하게 할 수 있다. 척추 진단장치는 척추 기립근의 움직임을 전압의 신호로 측정하여 힘의 단위로 변환시키는 근전도 센서와 척추기립근의 움직임으로 인한 흉추 12개(T1 ~ T12)의 뼈 중 특정 뼈 위치(예를들면 T1, T6, T12로 3군데 위치)에 장착되어 측방으로 만곡 된 척추의 상태와 그리고 움직임을 가질 때 변화되는 각도의 값을 수집하는 척추 휨 센서들을 구비하며, 이들 센서들의 출력들에 기반하여 실시간으로 척추의 만곡 상태를 측정할 수 있다. 척추 휨 센서는 피시험자가 실시간으로 움직이면서 발생되는 척추의 변화되는 각도 값(콥스 각도(cobb’s angle), 척추가 측만된 상태에서 발생된 비틀림 현상으로 인한 각도)을 실시간으로 검출할 수 있다. 콥스 각도 값은 10° 미만에 있을 시 정상수치를 보이며, 척추측만증 환자의 경우에는 10° 이상 20° 미만에 위치할 시 척추측만증 발생이 되었다고 볼 수 있다.
센서들과 신체의 결속부위는 생체전극을 이용하여 인체에는 무해한 성분으로 구성되어 있고, 탈부착이 용이한 제품을 사용할 있다. 그리고 척추 휨 센서는 PDMS 재질로 구성할 수 있으며, 근전도 센서는 밴드 형태로 사람 피부표면에 부착을 할 수 있다. 그러므로 사람들마다 위치가 조금 상이한 부분에 맞춰서 센서들을 용이하게 부착할 수 있으며, 밴드 형태인 경우 결착 시키기 위해 조임과 풀림이 자유자제로 가능케 할 수 있다.
근전도 센서(Electromyography-sensor)는 근육(예를들면 척추 기립근)의 움직임을 전압단위로 수집하여 힘의 단위로 변환하여 근활성도를 모니터링할 수 있도록 하며, 척추 휨 센서(예를들면, PDMS에 장착되는 각가속도 측정센서(Gyro-sensor))는 아두이노 소프트웨어를 통해 일직선상으로 피시험자가 서 있는 상태를 기준 축으로 잡고 측정 자세의 동작을 가질 때 측정을 할 수 있다. 측정 자세는 선 상태 및 앞으로 구부린 자세(extension/flesion), 좌우 측면으로 구부리는 자세(left/right side bending), 좌우 회전 자세(left/right rotation) 등의 3자세가 될 수 있다. 척추 진단 장치는 3가지 측정 자세들 중에서 하나 이상의 자세를 측정 자세로 설정할 수 있다. 그리고 척추 진단 장치는 각 측정자세들 에서의 근활성도 값(제1 및 제2 근전도 센서에서 측정되는 값) 및 콥스 각도들에 따른 적어도 하나의 준 값을 구비할 수 있다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 척추 진단장치의 동작 절차를 도시하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 척추 진단 장치(에를들면 도 1의 프로세서(100))는 511 단계에서 센서의 부착 위치를 분석할 수 있다. 근전도 센서(예를들면, 도 1의 근전도 센서(130), 도 2의 근전도 센서(220,225))는 척추 기립근 위치에 부착되어야 하며, 척추 기립근 위치에 부착된 상태에서 척추의 움직임이 발생되면 일정 크기의 근활성도 값을 검출할 수 있다. 측정 모드가 실행되면, 먼저 근전도 센서의 출력을 수신하며, 척추 진단 장치는 설정된 크기 이상의 값이 검출되면 513단계에서 근전도센서가 비정상적인 위치에 부착되었음을 인식하고 511단계로 되돌아가 비정상적인 위치에 표시되었음을 표시(예를들면 표시 소자 점멸)할 수 있다. 또한 설정된 크기 이상의 근활성도 값이 검출되면, 척추 진단장치는 513 단계에서 정상 위치(근전도 센서가 척추 기립근 위치에 부착된 상태)로 인식하고 측정 모드를 진행할 수 있다.
측정 모드에서, 척추 진단장치는 측정 자세를 표시하고, 517 단계에서 근전도 센서에서 검출되는 신호를 수신하여 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근의 근활성도 값을 획득할 수 있으며, 519 단계에서 척추 휨 센서에서 검출되는 신호를 수신하여 콥스 각도를 구할 수 있다. 근활성도 및 콥스 각도를 구한 후, 척추 진단장치는 521 단계에서 척추의 상태를 분석하고, 523단계에서 분석된 결과에 따른 척추 상태를 진단하여 메모리에 저장하고, 표시부를 통해 표시할 수 있다. 예를들면, 피 시험자가 척추 측만증을 가지는 경우, 척추의 만곡 상태에 따라 좌측 척추 기립근에서 검출되는 근활성도 및 우측 척추 기립근에서 검출되는 근활성도는 서로 다른 값으로 검출될 수 있다. 또한 척추 측만증을 가지는 경우, 척추 휨 센서의 출력에 기반하여 계산되는 콥스 각도는 정상 상태에서 콥스 각도보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를들면, 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 값이 동일하거나 정상범위 내의 차이값을 가지고 콥스 각도가 정상 범위 내에 들면, 척추 진단장치는 척추 상태를 정상으로 진단할 수 있다. 예를들면, 좌측 및 우측 척추 기립근의 차이가 설정된 기준 차이값을 초과하고 콥스 각도가 정상 수치를 초과하는 범위를 가지는 경우, 척추 상태를 위험 상태로 진단할 수 있다. 예를들면, 척추 진단 장치는 측정되는 근활성도 값 및 콥스 각도에 기반하여 척수 상태를 정상, 경고, 위험 단계로 표시하고, 측정된 근활성도 및 콥스 각도를 함께 표시할 수 있다.
측정 모드가 종료되면, 척추 진단 장치는 525 단계에서 이를 인식하고, 척추 진단을 위한 측정 모드를 종료할 수 있다.
척추 진단장치는 센서 장치와 센서장치에서 검출되는 신호를 분석하는 장치를 분리하여 구성할 수 있다. 도 6은 다양한 실시예에 따라 센서장치와 분석장치를 분리한 구조를 가지는 척추 진단장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 센서장치(600)는 프로세서(610), 메모리(620), 통신부(630), 척추 휨센서(641), 근전도 센서(643), 조절부(645)를 포함할 수 있다. 분석장치(650)는 제어모듈(660), 저장모듈(670), 통신모듈(680), 표시모듈(690), 입력모듈(695)를 포함할 수 있다.
센서장치(600)의 구성을 살펴보면, 프로세서(610)는 운영 체제 또는 척추 진단 프로그램을 구동하여 프로세서(610)에 연결된 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성 요소들을 제어할 수 있으며, 각 데이터들의 처리 및 연산 동작을 수행할 수 있다.
메모리(620)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리들을 포함할 수 있다. 메모리(620)는 척추 진단 장치의 척추 진단 프로그램 및 이들 구성요소에 관련된 명령어 및 데이터들을 저장할 수 있다.
척추 휨 센서(641)는 척추에 부착되어 척추의 상태에 관련된 신호를 감지할 수 있다. 척추 휨 센서(641)는 척추를 따라 길게 부착될 수 있으며, 흉추 뼈의 콥스 각도를 판단하기 위한 척추 뼈의 휨 상태에 따른 신호들을 검출할 수 있다.
근전도 센서(643)는 척추 기립근에 부착될 수 있으며, 척추 움직임에 따른 척추 기립근의 활성도를 검출할 수 있다. 근전도 센서(643)는 2개의 근전도 센서(예를들면 도 2의 제1 및 제2 근전도 센서(220, 225)들로 이루어져, 각각 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근에 각각 부착될 수 있다. 조절부(645)는 근전도 센서(643)의 부착 위치를 조절할 수 있다. 근전도 센서(643)는 척추 기립근의 위치에 부착되어야 근 활성도를 정확하게 측정할 수 있다. 조절부(645)는 사용자의 조작에 의해 근전도 센서의 부착 위치를 조절할 수 있다.
척추 휨센서(641), 근전도 센서(643), 조절부(645)는 도 2와 같이 벨트에 부착되는 구조를 가질 수 있다. 또한 척추 휨 센서(641) 및/또는 근전도 센서(643)는 생체전극을 통해 피시험자의 피부표면에 부착을 하게 되고, 행동에 제약이 되지 않도록 근거리 무선 통신 방식(예를들면 블루투스 통신 방식)으로 검출된 신호들을 전송할 수 있다.
통신부(630)은 근거리 통신 모듈이 될 수 있다. 근거리 통신 모듈은 WiFi(wireless fidelity), 블루투스, 블루투스 저전력(BLE), 지그비(Zigbee), NFC(near field communication), 자력 시큐어 트랜스미션(Magnetic Secure Transmission), 라디오 프리퀀시(RF), 또는 보디 에어리어 네트워크(BAN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 통신부(630)은 척추 휨 센서(641) 및/또는 근전도 센서(643)이 근거리 무선 통신 방식의 센서이면, 수신되는 신호들을 프로세서(610)에 전송하거나 또는 분석장치(650)에 전송할 수 있다. 또한 통신부(630)은 프로세서(610)에서 출력되는 신호를 무선 신호로 변환하여 분석장치(650)에 전송할 수 있다.
분석장치(600)는 전자장치가 될 수 있다. 전자장치는 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 이동 전화기(mobile phone), 영상 전화기, 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 워크스테이션 (workstation), 서버, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라(camera), 또는 웨어러블 장치(wearable device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 웨어러블 장치는 액세서리형(예: 시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈, 또는 머리 착용형 장치(head-mounted-device(HMD)), 직물 또는 의류 일체형(예: 전자 의복), 신체 부착형(예: 스킨 패드(skin pad) 또는 문신), 또는 생체 이식형(예: implantable circuit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전자 장치는 전술한 다양한 장치들 중 하나 또는 그 이상의 조합일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 장치들에 한정되지 않으며, 기술 발전에 따른 새로운 전자 장치를 포함할 수 있다.
제어모듈(660)은 운영체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 제어모듈(660)에 연결된 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있다 저장모듈(670)은 척추의 만곡 상태를 진단하기 위한 어플리케이션을 실행하기 위한 프로그램들을 저장할 수 있다. 또한 저장모듈(670은 어플리케이션을 실행 중에 발생되는 척추 측정 정보들 및 진단 정보들을 저장할 수 있다.
통신모듈(680)는 셀룰러 통신 모듈 및/또는 근거리 통신 모듈을 포함할 수 있다. 근거리 통신 모듈은 WiFi(wireless fidelity), 블루투스, 블루투스 저전력(BLE), 지그비(Zigbee), NFC(near field communication), 자력 시큐어 트랜스미션(Magnetic Secure Transmission), 라디오 프리퀀시(RF), 또는 보디 에어리어 네트워크(BAN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 공중 통신 모듈은 LTE(long term evolution), LTE-A(LTE Advance), CDMA(code division multiple access), WCDMA(wideband CDMA), UMTS(universal mobile telecommunications system), 또는 GSM(Global System for Mobile Communications) 등 중 적어도 하나를 사용하는 셀룰러 통신을 포함할 수 있다.
입력모듈(695)는 키보드 또는 키패드를 포함할 수 있으며, 사용자에 의해 명령어 및/또는 키 데이터 등을 발생할 수 있다. 표시모듈(690)은 LCD(liquid crystal display), LED 표시부(light emitting diode display), 램프 등을 포함할 수 있다. 예를들면, 표시모듈(690)은 센서의 부착 위치가 정상 범위 또는 에러 범위에 위치됨을 표시하는 표시 소자(예를들면 LED)를 포함할 수 있다. 예를들면, 표시모듈(690)은 척추의 만곡 상태를 측정할 때 센서들에서 측정되는 결과 값들을 표시할 수 있으며, 측정된 값들을 기반으로 분석된 척추의 상태 결과를 데이터 및 이미지로 표시할 수 있다. 입력모듈(695) 및 표시모듈(690)은 일체형의 터치 스크린으로 구성될 수 있다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 척추 진단장치의 동작을 도시하는 흐름도이다. 척추 진단 장치는 전자장치가 될 수 있다.
도 7을 참조하면, 전자장치는 711 단계에서 센서 장치와 근거리 무선 통신으로 연결될 수 있으며, 센서 장치를 통해 척추 진단의 측정 모드를 실행할 수 있다. 전자장치는 713 단계에서 센서 장치로부터 센서들의 출력을 수신하고, 715 단계에서 수신된 값들을 분석하여 센서들이 신체의 측정 위치에 정확하게 부착된 상태인가 검사할 수 있다. 예를들면, 근전도 센서가 좌측 및 우측 척추 기립근 위치에 정확하게 부착되었는가 판단할 수 있다. 이때 센서의 값이 설정된 값보다 작게 검출되면, 전자장치는 센서가 정확한 측정 위치에 부착되지 않은 상태임을 인식하고 717 단계에서 표시모듈(690)에 이를 표시할 수 있다. 그러면 피시험자는 센서장치의 조절부를 조절하여 센서의 부착 위치를 조절할 수 있다.
센서가 신체의 정상 위치에 부착된 상태로 판단되면, 전자장치는 715단계에서 이를 인식하고, 721 단계에서 측정 자세를 표시모듈(690)에 표시할 수 있다. 피시험자는 측정 자세를 취할 수 있으며, 센서 장치는 측정 자세에서 근전도 센서 및 척추 휨센서의 출력을 전자장치에 전송할 수 있다. 전자장치는 723단계에서 근전도 센서에서 출력되는 신호를 수신하여 근 활성도 값을 계산하고, 725 단계에서 척추 휨 센서에서 출력되는 신호를 수신하여 콥스 각도를 계산할 수 있다. 전자장치는 727 단계에서 근활성도 값 및 콥스 각도를 기반으로 척추의 만곡 상태를 분석할 수 있으며, 분석 결과를 표시모듈(690)에 실시간으로 표시할 수 있다. 이후 사용자가 측정 모드를 종료하면, 전자장치는 729 단계에서 이를 인식하고, 731단계에서 분석 결과를 저장모듈(670)에 저장하고 표시모듈(690)을 통해 표시할 수 있다.
전자장치가 스마트 워치나 스마트 폰인 경우, 전자장치는 근거리 무선 통신 방식을 통해 센서장치로부터 척추 상태에 따른 측정 신호들을 실시간으로 수신할 수 있으며, 이를 실시간으로 분석하여 표시할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (5)

  1. 척추 진단장치에 있어서,
    좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근 위치의 벨트에 각각 설치되는 제1및 제2 조절부와, 상기 벨트에서 척추 방향으로 위치되어 상기 척추에 접촉되는 바 형상의 지지부를 포함하며, 버클에 의해 허리에 밀착 고정되는 상기 벨트;
    상기 제1 및 제2 조절부의 조절에 의해 각각 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근에 위치될 수 있으며, 상기 좌측 및 우측 척추 기립근의 근 활성도를 감지하는 제1 및 제2 근전도 센서;
    적어도 두개의 센서들이 상기 지지부에 의해 설정된 흉추들 위치에 부착되어 상기 척추의 휨 상태를 감지하는 척추 휨 센서; 및
    상기 근전도 센서 및 척추 휨 센서에 기능적으로 연결되는 프로세서를 포함 하며,
    상기 프로세서는
    상기 제1 및 제2 근전도 센서로부터 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도를 계산하며, 상기 척추 휨 센서로부터 척추의 휨에 따른 콥스 각도를 계산하며, 상기 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 차이 및 상기 콥스 각도에 기반 하여 척추의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 조절부는
    상기 벨트에서 좌측 및 우측 척추 기립근들에 각각 위치되며, 지퍼에 의해 상기 제1 및 제2 근전도 센서를 각각 대응되는 좌측 및 우측 척추 기립근의 위치로 이동되도록 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는
    PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 구성되어 흉추에 부착되는 바 형상을 가지며,
    상기 척추 휨 센서는 상기 지지부의 특정 흉추들 위치에 부착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 척추 진단장치에 있어서,
    센서 장치 및 분석 장치를 포함하며,
    상기 센서장치는
    좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근 위치의 벨트에 설치되는 제1및 제2 조절부;
    상기 벨트에서 척추 방향으로 위치되어 상기 척추에 접촉되는 바 형상의 지지부를 포함하며, 버클에 의해 허리에 밀착 고정되는 상기 벨트;
    상기 제1 및 제2 조절부의 조절에 의해 각각 좌측 척추 기립근 및 우측 척추 기립근에 위치될 수 있으며, 상기 좌측 및 우측 척추 기립근의 근 활성도를 감지하는 제1 및 제2 근전도 센서;
    적어도 두개의 센서들의 상기 지지부에 의해 설정된 흉추들 위치에 부착되어 상기 척추의 휨 상태를 감지하는 척추 휨 센서; 및
    상기 근전도 센서 및 척추 휨 센서의 출력을 근거리 무선 통신하는 통신부를 포함하며,
    상기 분석장치는
    상기 센서장치의 통신부와 근거리 무선 통신하는 통신모듈을 포함하며,
    상기 센서장치에서 전송되는 제1 및 제2 근전도 센서로부터 검출되는 신호에 기반하여 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도를 계산하며, 상기 센서장치의 척추 휨 센서를 이용해 척추의 휨에 따른 콥스 각도를 계산하며, 상기 좌측 및 우측 척추 기립근의 근활성도 차이 및 상기 콥스 각도에 기반 하여 척추의 상태를 진단하여 표시하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
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