KR101844175B1 - 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증강현실과 센서블 슈트를 활용하여 체간 및 사지의 정렬을 비롯한 근육 수축속도 및 모습을 실제 신체와 겹쳐 보이도록 하여 정확한 상태확인 및 운동치료가 이루어지도록 지원하는 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템에 관한 것이다.

Description

증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템 {A SYSTEM TO ASSIST THERAPEUTIC EXERCISE USING AUGMENTED REALITY}

본 발명은 운동치료 보조시스템에 관한 것으로, 자세하게는 증강현실과 센서블 슈트를 활용하여 체간 및 사지의 정렬을 비롯한 근육 수축속도 및 모습을 실제 신체와 겹쳐 보이도록 하여 정확한 상태확인 및 운동치료가 이루어지도록 지원하는 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템에 관한 것이다.

근골격계 혹은 중추신경계 운동치료시 가장 기본적으로 생각해야 하는 것은 기능적인 움직임을 만드는 요소로서, 먼저 신경계 측면에서는 효율적인 정보처리과정으로, 시각정보처리(역치 이상의 정보만) → 작업기억으로 전송 → 과거에 경험한 것에 대한 장기 기억의 정보를 작업기억으로 전달 → 작업기억에서 비교, 판단, 유추, 전략 등의 고위 인지 기능을 수행 → 움직임의 전략 수립 → 운동 실행으로 진행된다.

다음 고려요소로서 근골격계 측면에서는 신경계에서 수립한 전략을 적절하게 근육 움직임으로 만드는 과정으로 체간정렬 및 효율적인 근긴장도, 근육 수축 그리고 타이밍 등을 들 수 있다.

사과를 먹는 과정을 예로 설명하면, 사과를 본다(시각 감각 정보를 처리) → 작업기억으로 전달 → 장기기억에서 사과에 관련된 장기기억 정보 작업기억으로 인출 → 작업기억에서 사과를 먹는 방법에 대한 전략을 만든다 → 근육 관련 뇌 부위를 통해 근육에 명령을 내린다 → 몸통 근육을 이용해서 좌우앞뒤 체간정렬을 맞춘다 → 어깨세모근(deltoid muscle)을 수축시켜서 팔을 들어올린다 → 동시에 위팔세갈래근(triceps)을 이용하여 팔을 편다 → 손목을 펴고, 손가락을 펴서 사과를 잡는 과정을 거치게 된다.

현재 운동치료에서는 이러한 과정을 하나하나를 치료사가 눈으로 보고, 만져보는 정보로 임상판단을 하고 치료 계획 및 치료운동을 제공하게 되며, 신경계적인 요소 및 근골격계적인 요소를 파악하는 것은 치료사의 경험 및 숙련도에 따라서 좌우된다.

특히 근골격계적인 움직임 요소는 치료사의 시각정보, 촉각정보의 숙련도에 따라서 진단 및 평가, 치료적 운동 제공에 상당한 영향을 미치게 되나, 환자 대비 숙련된 치료사가 절대적으로 부족한 실정으로 이를 위한 다양한 훈련도구의 개발이 시도되고 있으나 아직까지 환자의 정확한 상태판단과 운동치료 분석에는 한계가 있는 것이 현실이다.

공개특허공보 제10-2008-0005798호(2008.01.15)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 센서블 슈트 및 체간 및 사지의 정렬을 비롯한 근육 수축속도 및 모습을 실제 신체와 겹쳐 보이도록 하는 증강현실을 활용하여 운동치료 중 정확한 상태확인 및 자세교정이 이루어지도록 하는 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 운동치료 보조시스템에 있어서, 전원부와, 움직임을 감지하는 제1센서부와, 상기 전원부를 통해 전원을 공급받아 상기 제1센서부의 측정값을 외부로 송출하는 제1통신부와, 대상자의 신체 또는 의류에 장착하기 위한 고정부를 구비하되 선택되는 근육 또는 관절부위에 설치되는 착용부; 기울기를 감지하는 제2센서부와, 대상자의 촬영 영상을 획득하는 촬영부와, 상기 촬영 영상을 실시간으로 출력하는 디스플레이부와, 입력되는 증강 영상을 상기 디스플레이부를 통해 상기 촬영 영상과 함께 출력하는 영상처리부를 구비하는 증강현실단말기; 상기 제1통신부와 데이터통신이 이루어지는 제2통신부와, 상기 제2센서부의 기울기값 및 상기 촬영 영상을 분석하여 대상자의 체간정렬 상태를 나타내는 증강 영상을 생성하는 체간정렬부와, 상기 제1센서부의 측정값 및 상기 촬영 영상을 분석하여 대상자의 움직임 상태를 나타내는 증강 영상을 생성하는 동작판단부를 구비하는 제어부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 제어부는 이미지형태의 신체의 골격 및 근육데이터가 저장되는 데이터베이스와, 상기 촬영 영상 분석에 따라 판단한 신체부분에 대응하여 상기 데이터베이스에서 골격 또는 근육데이터를 읽어 애니메이션형태의 증강 영상을 생성하는 시뮬레이션부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 착용부는 관절을 중심으로 한 쌍의 고정부가 설치되되, 양단이 상기 한 쌍의 고정부에 각각 결합되되 탄성을 구비하여 신축 정도를 측정할 수 있는 스트랩 형태의 제3센서부를 더 포함하고, 상기 제1통신부는 상기 제3센서부의 측정값을 외부로 송출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명을 통해 움직임을 측정하는 센서 및 증강현실을 통해 운동치료사의 숙련도와 무관하게 환자의 자세 및 동작과정을 정확하게 파악할 수 있어 정확하고 효과적인 운동치료의 지도가 이루어질 수 있다. 또한, 관절 및 근육의 움직임을 증강현실 애니메이션을 통해 실시간으로 출력함에 따라 3차원적이면서도 실체적인 인체해부학의 학습이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 체간정렬 모습을 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용모습을 나타낸 개념도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 사용모습을 나타낸 개념도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 기본적으로 환자 즉 대상자의 신체에 착용하여 관절 및 근육의 움직임을 감지하는 착용부(110)와, 운동치료사가 소지한 증강현실단말기(120) 및 제어부(130)의 주요 구성으로 이루어지게 된다.

상기 착용부(110)는 운동치료 대상이 되는 근육 또는 관절부위에 선택적인 착용이 이루어지게 되며, 신체 부분에 따라서 2개 이상의 복수로 착용 가능하다. 즉 신체의 좌우대칭에 따른 자세를 확인하기 위해서는 좌우 대칭되는 형태로 착용이 이루어지고 근육의 수축속도 등을 측정하기 위해서는 관절을 중심으로 한 2지점에 착용하여 위상의 변화를 측정하게 된다.

이를 위해 상기 착용부(110)는 대상자의 신체 또는 의류에 장착할 수 있도록 구성된 고정부(115)를 비롯하여 내부 구성으로는 전원부(111)와, 제1센서부(113)와, 제3센서부(114)와, 제1통신부(112)를 구비한다.

상기 고정부(115)는 대상자의 신체에 착용부(110)를 밀착, 고정하기 위한 구성으로 길이조절이 가능한 탄성 밴드 및 버클을 통해 대상자의 팔, 다리, 목, 어깨, 골반 등 운동치료 대상이 되는 주요 위치에 고정할 수 있도록 구성된다. 만약 대상자가 운동치료보조를 위한 별도의 슈트를 착용하고 있을 경우 별도의 핀이나 클립 등을 통해 상기 슈트 상에 고정할 수 있도록 구성할 수도 있다.

상기 전원부(111)는 착용부(110)에 구비되는 제1센서부(113) 및 제3센서부(114)와, 제1통신부(112)에 전원을 공급하기 위한 구성이다. 착용부(110)를 통해 감지한 대상자의 움직임을 상기 제어부(130)로 전송함에 있어 유선 방식으로 연결하여 전원공급 및 데이터 송수신이 이루어지도록 하는 것도 가능하나, 유선 케이블로 인한 착용부(110)의 착용을 비롯하여 운동치료 동작시 번거로움 등을 방지하기 위하여 무선 방식으로 연결하는 것이 바람직하다.

이를 위해 상기 전원부(111)를 소형의 배터리로 구비하여 외측으로 전원공급 및 데이터 송수신을 위한 별도의 케이블이 연결되지 않은 상태에서 대상자가 원활히 움직일 수 있도록 구성하게 된다.

상기 제1센서부(113)는 착용부의 움직임을 감지하기 위한 구성으로, 3축의 움직임을 정확하게 감지할 수 있도록 본 발명에서는 가속도센서 및 자이로센서가 조합된 IMU (Inertia Measurement Unit) 센서를 사용하게 된다.

상기 가속도센서는 물체가 얼마만큼 빨라지는지 또는 늦어지는지의 가속도를 측정하는 것으로, 중력가속도 작용을 통해 지구표면에 대하여 얼마만큼 기울어져 있는지 즉 기울기의 측정이 가능하며 x, y, z 축의 3축의 측정이 가능하다.

또한, 상기 자이로센서는 x, y, z 축의 3축에 대한 회전속도를 측정하는 것으로, 본 발명과 같이 관절이나 근육의 움직임을 정밀하게 측정하고자 할 때 상기 가속도센서만으로는 움직이는 방향을 측정하지 못하는 것으로 보완하여 방향과 움직이는 정도를 보다 정밀하게 측정하게 된다. 이때 상기 자이로센서는 가속도센서와는 달리 중력의 영향을 받지 않으므로 가속도센서와 조합함으로 정밀한 움직임의 측정이 이루어지며, 마찬가지로 x, y, z 축 또는 roll, pitch, and yaw로 3축에 대한 측정을 수행한다.

상기 제3센서부(114)는 탄성을 구비하여 신축 정도를 측정할 수 있는 스트랩 형태의 센서로서, 특정 관절을 중심으로 한 쌍의 착용부가 설치됨에 따라 양단이 한 쌍의 착용부에 구비되는 고정부에 각각 결합되되 관절움직임에 따라 신장, 수축이 이루어지며 감지값을 발생시킨다.

이를 위해 상기 제3센서부(114)는 로드셀로 이루어진 인장력 센서나, 전도성 고무를 활용한 압력센서로 이루어질 수 있다. 후자의 경우 본래 절연재료인 고무에 금속이나 탄소 등 도전재료를 배합하여 도전성(導電性)을 갖도록 제작한 것으로 천연고무와 같은 재료에 도전성 카본 블랙이나 금속 섬유 등을 섞어 전기가 통할 수 있도록 구성하여 늘어남에 따라 해당 영역의 저항이 감소하는 성질을 이용하게 된다.

이와 같은 제1센서부(113) 및 제3센서부(114)를 통해 착용부(110)가 설치된 위치의 근육 수축 속도의 측정이 가능하다.

상기 제1통신부(112)는 상기 제어부(130)와 데이터 송수신을 하는 구성으로, 상기 전원부(111)를 통해 전원을 공급받아 상기 제1센서부(113) 또는 제3센서부(114)의 측정값을 송출하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이 유선 방식의 연결도 가능하며 바람직하게는 블루투스와 같은 상용의 근거리 무선통신모듈로 이루어져 상기 제1센서부(113) 또는 제3센서부(114)의 측정값을 실시간으로 전송한다.

상기 증강현실단말기(120)는 제2센서부(121)와, 촬영부(122)와, 디스플레이부(123) 및 영상처리부(124)를 구비하며 운동치료사가 소지하게 되는 소형의 단말기이다.

상기 제2센서부(121)는 증강현실단말기의 기울기를 감지하는 센서로 증강현실 영상을 통해 대상자의 체간정렬이 정확한 수평을 확인하는 역할을 하게 된다.

상기 촬영부(122)는 증강현실단말기(120)에 구비되는 카메라로서 대상자의 촬영 영상을 획득하게 되며, 상기 디스플레이부(123)는 상기 촬영부(122)에서 획득되는 촬영 영상을 실시간으로 출력하게 된다.

상기 영상처리부(124)는 상기 제어부(130)를 통해 입력되는 증강 영상을 상기 디스플레이부(123)를 통해 상기 촬영 영상과 함께 출력함으로 증강현실을 생성하게 되며, 이러한 증강 영상은 상기 착용부(110)에서 생성된 감지값을 바탕으로 후술되는 제어부(130)를 통해 생성된다.

상기 제어부(130)는 본 발명의 주제어장치 (MCU)에 해당하는 구성으로, 상기 증강현실단말기(120)와 일체로 구성되거나 필요에 따라서는 별도의 단말기 형태 내지는 원격의 서버 형태로도 구성될 수 있으며, 상기 착용부(110)와 연동하여 증강현실영상 생성을 위한 기능을 수행하도록 제2통신부(131)와, 체간정렬부(132)와, 동작판단부(133)와, 데이터베이스(134)와, 시뮬레이션부(135)를 구비하게 된다.

상기 제2통신부(131)는 상기 제1통신부(112)와 동일한 통신모듈로 이루어져 상호 데이터통신이 이루어지며, 필요에 따라 인터넷망에 연결하여 원격의 서버와 데이터 송수신을 위한 통신모듈을 구비하게 된다.

상기 체간정렬부(132)는 상기 제2센서부(121)의 기울기값 및 상기 촬영 영상을 분석하여 대상자의 체간정렬 상태를 나타내는 증강 영상을 생성하여 상기 영상처리부(124)에 인가하게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 체간정렬 모습을 나타낸 개념도로서, 척추 측만증 환자의 경우 다수의 수직 및 수평선으로 이루어진 격자형태의 배경 앞에 선 상태에서 양쪽 어깨, 팔 부분의 좌우 격자를 대조함으로 체간 정렬상태를 확인하는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 상기 체간정렬부(132)를 통해 증강현실을 활용하여 이러한 격자형태의 배경 없이도 쉽게 신체 체간정렬을 확인할 수 있도록 한다.

즉 대상자의 상의탈의에 따른 촬영 영상을 분석하되 머리(눈, 코, 귀) 및 목, 어깨 높이, 배꼽 중심선, 좌우 팔의 벌림 정도, 골반 높이, 좌우 다리 벌림 정도를 비롯하여 대칭되는 각종 특징점을 추출하여 대칭 여부를 판단하게 되며, 상기 제2센서부(121)를 통한 정확한 수평 및 수직상태를 기준으로 하여 신체가 틀어진 상태를 보조선, 화살표를 비롯한 수치 및 문자 등을 통해 출력함으로 치료사가 쉽게 확인할 수 있도록 지원한다.

상기 동작판단부(133)는 상기 제1센서부(113)의 측정값 및 상기 촬영 영상을 분석하여 대상자의 움직임 상태를 나타내는 증강 영상을 생성하는 것으로, 대상자가 상기 착용부(110)를 좌우 대칭으로 착용한 상태에서 촬영 영상 및 각 착용부(110)의 제1센서부(113)의 감지결과를 분석하여 좌우측 관절 및 근육의 움직임을 수치적으로 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용모습을 나타낸 개념도로서, 엉덩이 폄근을 강화하는 브릿지 운동을 편마비 환자에게 시키는 상황을 나타내고 있다.

예를 들어 대상자가 오른쪽 편마비일 경우, 오른쪽 엉덩이 폄근이 약하기 때문에 오른쪽 골반이 상대적으로 아래 위치로 기울어져 있게 된다. 기존에는 치료사의 시각이나 촉각에 의존하여 오른쪽 골반을 위쪽으로 더 올릴 수 있도록 도왔는데 본 발명에서는 증강현실 영상을 통해 골반에 걸쳐착용된 착용부의 x, y, z 축의 위치를 읽어 원활히 움직이는 왼쪽보다 오른쪽이 얼마만큼 덜 올라왔는지를 알려주고 피드백을 통해 올바른 운동으로 촉진할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 사용모습을 나타낸 개념도 이다.

오른쪽 뇌졸중 환자의 앉는 자세에서 일어서기 시에 환자는 사용하지 못하는 오른쪽 팔다리 무시와 함께 몸이 마비되지 않은 왼쪽으로 기울어지게 되며, 이는 낙상을 초래하는 주요 원인이 된다. 때문에 뇌졸중 환자의 기능훈련 시에는 원활히 사용하지 못하는 오른쪽 무릎을 치료사가 고정한 상태에서 환자는 일어서며 양쪽에 균일한 체중과 균형을 이루도록 훈련을 받는다.

이때 상기 동작판단부(133)를 통해 생성되는 증강현실영상을 통해 운동치료사는 대상자가 오른쪽으로 얼마나 많이 몸이 움직였는지, 이때 양쪽 어깨의 높이는 균일한지, 몸통의 측만 기울기 등을 시각적으로 정확하게 파악할 수 있으며, 치료목적에 따라 몸통 또는 상하지의 근육 수축 속도(무릎 폄근, 몸통 폄근)를 비교함으로 더욱 정확한 운동치료 지도가 이루어질 수 있다.

상기 데이터베이스(134)는 이미지형태의 신체의 골격 및 근육데이터가 저장되는 구성으로, 전문적인 해부학 자료에 바탕을 둔 골격 및 근육정보를 신체 형상에 대응한 이미지 형태로 미리 저장하게 된다.

상기 시뮬레이션부(135)는 상기 촬영 영상 분석에 따라 판단한 신체부분에 대응하여 상기 데이터베이스에서 골격 또는 근육데이터를 읽어 애니메이션형태의 증강 영상을 생성하는 구성이다.

즉 상기 촬영부(122)를 통해 대상자의 신체를 촬영한 영상에 해당 신체부위에 대응하여 스케일이 조정된 골격 및 근육정보의 이미지를 중첩하여 상기 디스플레이부(123)를 통해 출력함으로, 치료사는 상기 디스플레이부(123)에 출력된 대상자의 골격 및 근육을 쉽게 확인할 수 있으며 이에 대응하여 어떤 근육에 대해 어떤 치료가 이루어져야 하는 여부를 판단함으로 골격 및 근육에 대한 전문적인 해부학 지식이 없는 학생이나 실습생이라도 쉽게 본 발명을 통해 치료원리에 대해 접근이 이루어질 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: 착용부 111: 전원부
112: 제1통신부 113: 제1센서부
114: 제3센서부 115: 고정부
120: 증강현실단말기 121: 제2센서부
122: 촬영부 123: 디스플레이부
124: 영상처리부 130: 제어부
131: 제2통신부 132: 체간정렬부
133: 동작판단부 134: 데이터베이스
135: 시뮬레이션부

Claims (3)

1. 운동치료 보조시스템에 있어서,
   전원부(111)와, 움직임을 감지하는 제1센서부(113)와, 상기 전원부(111)를 통해 전원을 공급받아 상기 제1센서부(113)의 측정값을 외부로 송출하는 제1통신부(112)와, 대상자의 신체 또는 의류에 장착하기 위한 고정부(115)를 구비하되 선택되는 근육 또는 관절부위에 설치되는 착용부(110);
   기울기를 감지하는 제2센서부(121)와, 대상자의 촬영 영상을 획득하는 촬영부(122)와, 상기 촬영 영상을 실시간으로 출력하는 디스플레이부(123)와, 입력되는 증강 영상을 상기 디스플레이부(123)를 통해 상기 촬영 영상과 함께 출력하는 영상처리부(124)를 구비하는 증강현실단말기;
   상기 제1통신부(112)와 데이터통신이 이루어지는 제2통신부(131)와, 상기 제2센서부(121)의 기울기값 및 상기 촬영 영상을 분석하여 대상자의 체간정렬 상태를 나타내는 증강 영상을 생성하는 체간정렬부(132)와, 상기 제1센서부(113)의 측정값 및 상기 촬영 영상을 분석하여 대상자의 움직임 상태를 나타내는 증강 영상을 생성하는 동작판단부(133)를 구비하는 제어부(130); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부(130)는 이미지형태의 신체의 골격 및 근육데이터가 저장되는 데이터베이스(134)와, 상기 촬영 영상 분석에 따라 판단한 신체부분에 대응하여 상기 데이터베이스(134)에서 골격 또는 근육데이터를 읽어 애니메이션형태의 증강 영상을 생성하는 시뮬레이션부(135); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 착용부(110)는 관절을 중심으로 한 쌍의 고정부가 설치되되, 양단이 상기 한 쌍의 고정부에 각각 결합되되 탄성을 구비하여 신축 정도를 측정할 수 있는 스트랩 형태의 제3센서부(114)를 더 포함하고,
   상기 제1통신부(112)는 상기 제3센서부(114)의 측정값을 외부로 송출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 증강현실을 이용한 운동치료 보조시스템.

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