KR102010898B1 - 관성센서를 이용한 보행 분석 시스템 및 방법 - Google Patents

관성센서를 이용한 보행 분석 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 보행 분석 시스템은 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서, 무선통신부, 배터리부 및 센서 제어부를 포함하는 보행 센싱 장치; 및 상기 보행 센싱 장치에서 전송된 센싱값을 수신하는 무선통신부 및 메인 제어부를 포함하는 보행 분석 장치;를 포함하는 보행 분석 시스템으로서, 총 8개의 보행 분석 장치가 양 발, 양 정강기, 양 허벅지 및 몸통 양측에 각각 부착되며, 상기 보행 분석 장치에 포함된 무선통신부는, 8개의 무선 통신부가 8개의 보행 센싱 장치에 포함된 각 무선통신부로부터 센싱값을 수신한다.

Description

관성센서를 이용한 보행 분석 시스템 및 방법{System and method for Gait analysis}
본 발명은 보행 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 관성센서를 이용하여 하지 관절 각도 측정을 통해 보행을 분석하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
보행이란 오랜 시간동안 학습되어 온 신경근육계와 생체 역학적, 운동 기능학적 변화의 결정체인 운동패턴으로 몸의 안정성을 유지하면서 연속적이고 반복적인 동작으로 이동하는 능력을 필요로 한다. 이러한 보행평가를 하기 위해서는 정상인의 보행주기를 이해해야 하며, 정상 보행주기는 디딤기(stance phase: 60%)와 흔듦기(swing phase: 40%)로 구분하고, 보행주기(gait cycle)은 초기 접지기(initial contact: 0∼2%), 부하 반응기(loading response: 0∼10%), 중기 디딤기(mid stance: 10∼30%), 말기 디딤기(terminal stance: 30∼50%), 전 흔듦기(pre swing: 50∼60%), 초기 흔듦기(initial swing: 60∼73%), 중간 흔듦기(mid swing: 73∼87%), 말기 흔듦기(terminal swing: 87∼100%)로 구분한다. 그러므로 각각의 보행주기에서 일어나는 관절의 범위와 근육의 작용으로 뇌졸중 환자의 보행을 평가 할 수 있다.
일반적인 뇌졸중 환자의 평가방법으로는 안정된 자세에서 편안한 걸음으로 시작하는 안정 보행속도와 안정된 자세에서 빠르게 걷는 최대 보행속도로 시간 당 걸어간 거리를 측정하는 방법으로 보행속도의 측정이 있다. 보행속도의 측정으로 보행능력의 수준을 알 수 있고, 보행능력의 수준이 높은 환자는 뇌졸중의 정도가 심하지 않다고 판단 할 수 있다. 임상에서 흔히 사용하는 보행평가도구로는 TUG(timed up & go)검사로 특정장비 없이 일어나가 3m 걸어갔다 돌아오는 시간을 측정하는 것으로 뇌졸중 환자의 기능적인 움직임과 보행을 분석할 수 있다. 또한 근지구력을 측정하는 방법으로 6분 걷기 검사가 있다. 이 평가 방법은 6분 동안 걸어간 거리를 측정해서 뇌졸중 환자의 보행을 분석하는 방법이다. 또한 삼차원 동작분석기를 통해 인체운동의 삼차원적 움직임을 평가 할 수 있는 시·공간과 운동형상학 및 운동역학적인 분석으로 정상 보행과 이상 보행의 특성을 정밀하게 분석 할 수 있다. 삼차원 동작분석기는 정상보행 패턴과 비교를 통해 보다 섬세한 분석이 가능하고, 이와 같은 분석을 토대로 치료계획을 세워 효율적인 에너지 소비를 이끌어내어 기능적 능력을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있으나, 값비싼 장비와 공간이 요구되고 숙련된 검사자가 필요한 단점을 가지고 있다.
이러한 삼차원 동작분석은 VICON 512 Motion Analysis system을 사용한다. 구성으로는 6대의 적외선 카메라 V490512 또는 V493512 모델로 영국 Oxford Metrics사 제품과 2대의 force plate는 OR6-5 Biomechanics Platform 모델로 미국 Advanced Mechanical Technology사 제품, 그리고 Workstaton은 Vicon 512 Motion Analysis System 모델로 영국 Oxford Metrics사 제품이다. 소프트웨어는 VICON Clinical Manager Software로 영국 Oxford Metrics사 제품이다. 이와 같은 실험 및 분석 장비를 이용하여 시·공간적(temporospatial) 지표, 운동형상학적(kinematics) 지표, 운동역학적(kinetics) 지표를 분석할 수 있다. 적외선 카메라가 수동표식자의 움직임을 측정하여 분석하는 것으로 이 연구에서는 적외선 카메라에서 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위해 calibration을 시행한 후 표식자의 부착위치는 Vicon protocol에 따라 권도윤 등 (1998)의 연구를 참조하였다. 바로선 자세에서 엉치뼈(sacral) 표식자의 경우 왼쪽과 오른쪽의 위뒤엉덩 뼈가시돌기를 연결한 선상의 중간점으로 엉덩뼈와 척추의 연결부위에서 약간 튀어나온 돌출부위, 양쪽 엉덩이 표식자는 왼쪽과 오른쪽의 위앞엉덩뼈 가시돌기 부위, 양쪽 무릎관절 표식자는 무릎관절 굽힘 축으로 무릎관절의 앞뒤를 연결하는 선상의 중간점인 무릎관절의 가쪽부위, 양쪽 넙다리뼈(femur) 표식자는 넙다리뼈의 아래 1/3에 해당하는 가쪽부위로 걸음을 걸을 때 자연스러운 팔의 운동을 방해하지 않는 높이의 부위, 양쪽 정강뼈(tibia) 표식자는 정강뼈의 아래 1/3에 해당하는 바깥부위, 양쪽 발목관절 표식자는 발목관절의 가쪽복사뼈부위, 양쪽 앞발 표식자는 둘째 쐐기뼈의 위쪽부위, 양쪽 발뒤꿈치뼈(calcaneus) 표식자는 앞발 표식자와 연결되는 발의 세로발 활의 발뒤꿈치부위를 부착하여 검사를 시행한다. 검사는 8m 길이의 직선거리를 3차례 걷게 하여 분석한다. Vicon 512 Motion Analysis System을 통해 얻어진 visual and analog data는 각 보행주기에 따른 시상면(sagittal plane), 이마면(coronal plane), 횡단면(transverse plane)의 시·공간적 지표, 운동형상학적 지표, 운동역학적 지표를 VICON Clinical Manager Software(VCM)를 이용하여 구한다. 연구자에 따라 운동형상학적 지표와 운동역학적 지표는 보행주기에서 디딤기와 흔듦기의 최대값으로 나누어 각각의 관절 각도의 변화를 실험군과 대조군으로 나누어 비교 분석이 가능하다.
최근 임상에서 간단하게 사용하는 보행분석기로는 GAITRite이다. 이 장비를 이용한 보행 검사는 대상자의 보행 유형에 대한 양적인 보행 분석의 자료를 수집하기 위하여 보행분석기(GAITRite, CIR system Inc, USA, 2008)를 이용하여 시간적, 공간적 보행능력을 측정할 수 있다. 보행분석기(GAITRite)는 길이 5 m, 폭 61 cm, 높이 0.6 cm인 전자식 보행판으로, 직경 1 cm의 16,128개의 센서가 1.27 cm마다 보행판을 따라 수직으로 배열되어 시간적, 공간적 변수에 대한 정보를 수집한다. 수집된 시간적, 공간적 변수에 대한 정보는 GAITRite GOLD, Version 3.2b(CIR system Inc, USA, 2007) 소프트웨어로 처리를 한다.
실험 진행은 대상자를 보행판 전방에 서 있도록 한 다음, 가장 편안한 보행 속도로 걸어서 보행판 밖으로 나오게 하여 보행속도(velocity), 분속 수(cadence) 등의 시간적 보행특성과 보장(step length), 활 보장(stride length) 등의 공간적 보행특성을 수집할 수 있다.
이에 본 연구에서는 뇌졸중환자의 보행분석을 위하여서는 삼차원 동작분석기를 통하여 정상보행 패턴과 비교 분석을 통해 섬세한 분석이 가능하고, 이 자료를 근거로 체계적인 치료계획을 세워 효율적인 에너지 소비를 이끌어내어 기능적 능력을 증가시킬 수 있으나, 장비구입 비용이 1-2억원으로 고가의 장비이며, 또한 설치 장소와 교육받은 숙련된 검사자만이 장비를 조작할 수 있다는 단점이 있다.
- Podsiadlo D, Richardson S. The timed "Up & Go": a test of basic functional mobility for frail elderly persons. J Am Geriatr Soc. 1991 Feb;39(2):142-8. - Pohl PS, Duncan PW, Perera S, Liu W, Lai SM, Studenski S, Long J. Influence of stroke-related impairments on performance in 6-minute walk test.J Rehabil Res Dev. 2002 Jul-Aug;39(4):439-44.
본 명세서는 관성센서를 이용하여 하지 관절 각도 측정을 통해 보행을 분석하는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서에 기재된 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 보행 분석 시스템은 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서, 무선통신부, 배터리부 및 센서 제어부를 포함하는 보행 센싱 장치; 및 상기 보행 센싱 장치에서 전송된 센싱값을 수신하는 무선통신부 및 메인 제어부를 포함하는 보행 분석 장치;를 포함하는 보행 분석 시스템으로서, 총 8개의 보행 분석 장치가 양 발, 양 정강기, 양 허벅지 및 몸통 양측에 각각 부착되며, 상기 보행 분석 장치에 포함된 무선통신부는, 8개의 무선 통신부가 8개의 보행 센싱 장치에 포함된 각 무선통신부로부터 센싱값을 수신한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 센서 제어부는, 롤(roll)값 및 요우(yaw)값을 상기 지자계 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출하고, 피치(pitch)값을 상기 가속도 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인 제어부는, 수신된 센싱값을 통해 엉덩관절(고관절)의 각도는 골반(4, 8번)을 기준하는 허벅지(3, 7)의 롤(Roll)각(사이 각), 무릎관절(슬관절)의 각도는 허벅지(3, 7)를 기준으로 하는 정강이(2, 6)의 롤(Roll)각 (사이 각), 발목관절(족관절)의 각도는 정강이(2, 6번)를 기준으로 하는 발(1, 5번)의 롤(Roll)각을 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인 제어부는, 아래 수식을 통해 반보의 길이를 산출하고
Lthigh x sin(θhip) + Lshank x sin(θknee)
Lthigh : 좌측 대퇴 길이
Lshank: 좌측 정강이 길이
θhip: 엉덩관절각도
θknee: 무릎관절각도
아래 수식을 통해 활보의 길이를 산출한다.
활보장=HSRR + HSLF + HSLR + HSRF
HSRR: 따라가는 오른 다리 의 반보
HSLF: 앞서나가는 왼 다리의 반보
HSLR: 따라가는 왼다리의 반보
HSRF: 앞서나가는 오른 다리의 반보
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인 제어부는, 보행 속도를 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope)에 의해 분석한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인 제어부는, 발이 공중에 있는 시간을 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope) 시간에 의해 분석하고, 발이 지면에 있는 시간을 보행 패턴의 음의 기울기(negative slope) 시간에 의해 분석한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인 제어부는, 오른발과 왼발의 보행 패턴의 대칭성 비율에 따라 보행 대칭성을 분석한다.
본 발명에 따른 보행 분석 방법은 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서, 무선통신부, 배터리부 및 센서 제어부를 포함하는 보행 센싱 장치; 및 상기 보행 센싱 장치에서 전송된 센싱값을 수신하는 무선통신부 및 메인 제어부를 포함하는 보행 분석 장치;를 이용한 보행 분석 방법으로서, (a) 총 8개의 보행 분석 장치가 양 발, 양 정강기, 양 허벅지 및 몸통 양측에 각각 부착하는 단계; 및 (b) 상기 보행 분석 장치에 포함된 무선통신부가 8개의 무선 통신부가 8개의 보행 센싱 장치에 포함된 각 무선통신부로부터 센싱값을 수신하는 단계;를 포함한다.
본 명세서에 따른 보행 분석 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 기존 장비보다 저렴한 비용을 하지관절 각도 및 보행 분석이 가능하다.
둘째, 기존 장비와 달리 설치 장소에 구애 받지 않을 수 있다.
셋째, 기존 장비처럼 고도의 교육받은 숙련자 없이도 하지관절 각도 및 보행 분석이 가능하다.
본 명세서에 기재된 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 보행 분석 시스템의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보행 센싱 장치의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 메인 제어부의 참조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 보행 센싱 장치 8개가 몸에 부착된 예시도이다.
도 5는 위킹 사이클에 대한 참고도이다.
도 6은 반보 길이 산출을 위한 참고도이다.
도 7은 활보장의 거리를 산출하는 참고도이다.
도 8은 주기적인 활보장의 패턴인 오른쪽과 왼쪽 발의 주기적인 패턴에 대한 그래프이다.
도 9는 즉각적으로 발의 속도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 9에서 노이즈(noise)를 제거하면 즉각적으로 발의 전방 움직임 속도를 보이는 추이곡선이다.
도 11은 발이 지면에 있거나 공중에 머무는 시간에 대한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 보행 분석 시스템의 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 보행 분석 시스템은 8개의 보행 센싱 장치 및 보행 분석 장치를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 보행 센싱 장치의 예시도이다.
도 2를 참조하면, 각 보행 센싱 장치는 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서, 무선통신부, 배터리부 및 센서 제어부를 포함한다. 8개의 각 보행 센싱 장치에 포함된 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서는 센싱값을 상기 각 센서 제어부에게 출력하고, 상기 각 센서 제어부는 각 무선통신부를 통해 센싱값을 전송한다. 본 발명에서는 상기 8개의 보행 센싱 장치를 Inertial Measurement Unit(IMU)를 사용하여 구현하였다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 보행 분석 장치는 상기 보행 센싱 장치에서 전송된 센싱값을 수신하는 무선통신부 및 메인 제어부를 포함하다.
도 3은 본 발명에 따른 메인 제어부의 참조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 보행 센싱 장치 8개가 몸에 부착된 예시도이다.
도 4를 참조하면, 총 8개의 보행 센싱 장치가 양 발, 양 정강기, 양 허벅지 및 몸통 양측에 각각 부착된 것을 확인할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 도 3에 표시된 번호를 각 보행 센싱 장치가 부착된 위치로 표시하겠다.
상기 8개의 각 센서 제어부는 8개의 각 무선통신부를 통해 센싱값을 전송한다. 상기 보행 분석 장치에 포함된 무선통신부는, 상기 8개의 무선 통신부로서, 8개의 보행 센싱 장치에 포함된 각 무선통신부로부터 센싱값을 수신한다. 따라서, 각 보행 분석 장치에서 전송된 센싱값은 메인 분석 장치에 수신된다.
본 발명에 따르면, 상기 센서 제어부는 롤(roll)값 및 요우(yaw)값을 상기 지자계 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출하고, 피치(pitch)값을 상기 가속도 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출한다.
상기 3축 자이로스코프 센서는 롤(roll), 피치(pitch), 그리고 요우(yaw) 센싱값을 출력한다. 롤(roll)은 x축에서의 시계방향 회전, 피치(pitch)는 y축에서의 시게방향회전 그리고 요우(yaw)는 z축에서의 시계방향회전이다.
상기 지자계 센서는 지구의 강력한 자기장(magnetometer)에 기반한 공간조정에서의 절대방향을 결정하는데 유용하다.
상기 가속도 센서는 수직면에서의 절대방향에 접근하는데 사용된다.
즉, x-z와 y-z면에서, 속도 변화와 지구중력의 측정에 기초한 자이로스코프 센서가 방향의 변화를 감지할 수 있다. 이에 따라 요우(yaw)는 실험과정의 정확한 방향을 얻기 위해 지자계 센서에 의해 측정과 조절되고, 피치(pitch)는 가속계 센서와 자이로스코프 센서에 의해 정확하게 측정 및 조절된다.
본 발명에 따르면, 상기 메인 제어부는 수신된 센싱값을 통해 엉덩관절(고관절)의 각도, 무릎관절(슬관절)의 각도 및 발목관절(족관절)의 각도를 측정할 수 있다. 구체적으로, 도 4를 다시 참조하면, 엉덩관절(고관절)의 각도는 골반(4, 8번)을 기준하는 허벅지(3, 7)의 롤(Roll)각(사이 각), 무릎관절(슬관절)의 각도는 허벅지(3, 7)를 기준으로 하는 정강이(2, 6)의 롤(Roll)각 (사이 각), 발목관절(족관절)의 각도는 정강이(2, 6번)를 기준으로 하는 발(1, 5번)의 롤(Roll)각이다.
피실험자의 몸에 8개의 보행 센싱 장치들을 부착함으로써, 지면에 수직축을 이용해 발, 정강이, 허벅지 그리고 몸통의 절대 각도를 측정할 수 있고, 그리고 매 100 ms 마다 공기를 통해 측정된 각도 정보를 보행 분석 장치로 보낸다.
상기 메인 제어부는 상기 측정된 센싱값들을 통해서 보행 패턴 분석(Walking Pattern Analysis)을 수행할 수 있다.
도 5는 위킹 사이클에 대한 참고도이다.
먼저, 상기 센싱값들은 보행 시간, 보행 거리, 보행 속도를 계산하는데 사용될 수 있다. 보행 분석 시스템이 타임 스템프를 저장함으로 보행 시간을 습득할 수 있다. 그러므로 보행 패턴 분석의 첫 번째 단계는 도 5에 도시된 것과 같이, 워킹 사이클에서의 관절의 주어진 각도에 따라 반보 길이와 활보 길이를 계산할 수 있다.
도 6은 반보 길이 산출을 위한 참고도이다.
다음으로, 보장과 활보장(Step Lengths or Strides)을 산출한다. 센싱된 값이 관절각도 밖에 없기 때문에, 상기 메인 제어부는 아래 수식처럼 삼각 함수를 이용하여 반보의 길이를 산출할 수 있다.
Lthigh x sin(θhip) + Lshank x sin(θknee)
Lthigh : 좌측 대퇴 길이
Lshank: 좌측 정강이 길이
θhip: 엉덩관절각도
θknee: 무릎관절각도
도 7은 활보장의 거리를 산출하는 참고도이다.
하나의 활보장은 4개의 반보 단계로 나누어 질 수 있기 때문에 활보장의 값은 아래 수식과 같이 산출할 수 있다.
활보장=HSRR + HSLF + HSLR + HSRF
HSRR: 따라가는 오른 다리 의 반보
HSLF: 앞서나가는 왼 다리의 반보
HSLR: 따라가는 왼다리의 반보
HSRF: 앞서나가는 오른 다리의 반보
도 8은 주기적인 활보장의 패턴인 오른쪽과 왼쪽 발의 주기적인 패턴에 대한 그래프이다.
도 8에서 주어진 보행패턴으로 보폭을 산출하면, 보폭은 1.47m이다. 참고로 오른쪽 허벅지, 왼쪽 허벅지, 오른쪽 정강이, 왼쪽 허벅지보폭이 실제 값에 맞추어져 있지 않기 때문에 한국 사람에겐 약간 클 수도 있다. 하지만 0.5m에서의 보행패턴은 정상적이다.
상기 메인 제어부는 상기 측정된 센싱값들을 통해서 보행 속도 분석(Walking Speed)을 수행할 수 있다.
보행속도는 주로 엉덩이의 움직임속도에 의해 측정된 있다. 하지만 앞서 보폭과 시간 값이 얻어지기 때문에 발의 움직임은 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope)에 의해 분석할 수 있다. 한쪽 발이 한쪽 발을 따라가기 때문에 한쪽 발은 한쪽 발을 이끈다. 전방보행속도를 파악하기 위해서는 오직 오른쪽 발과 왼쪽 발의 양의 기울기(positive slope)가 사용된다.
도 9는 즉각적으로 발의 속도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 9에서 노이즈(noise)를 제거하면 즉각적으로 발의 전방 움직임 속도를 보이는 추이곡선이다. 추이 속도가 평균보행속도가 대략적으로 1m/s이라고 유추할 수 있게 그려진 도 9 및 도 10에 양발의 전방을 향한 움직임에 기반하여, 둘의 속도를 합침으로 즉각적인 전방이동속도를 얻을 수 있다.
도 11은 발이 지면에 있거나 공중에 머무는 시간에 대한 그래프이다.
도 9의 그래프를 토대로 발이 지면에 있거나 공중에 머무는 시간을 알 수 있다. 만약 그래프가 양의 경사를 가진다면 발이 공중에 떠있고, 음의 경사를 가진다면 발이 지면이 닿는다. 앞서 보행 사이클을 고려할 때는, 위에 서술된 내용이 쉽게 이해될 것이다. 예를 들면, 도 11을 참조하면, #11-#17(0.6 초) 와 #26-#31(0.5 초) 샘플 동안에는 오른쪽 발이 지면에 머물지만, #1-#11(1 초), #17-#26(0.9 초), #31-#38(0.7 초) 샘플 동안에는 공중에 떠 있다.
본 발명에 따른 메인 제어부는 피실험자의 보행 대칭성(gait symmetry)을 분석할 수 있다.
예를 들어, 피실험자를 뇌졸중 환자라고 가정하겠다. 뇌졸중 환자의 균형의 대칭성을 구하기 위하여 비환측(건측, 건강한 쪽)에 대한 환측의 균형 변수들의 비율값을 사용하였는데, 이는 1에 가까울수록 대칭성이 좋다는 것을 의미하며, 1 미만일 경우 비환측이 우세하고 1 이상이면 환측이 우세한 비대칭성을 표현한다. Patterson 등은 기존 연구들에서 뇌졸중 환자의 보행 대칭성 연구를 위해 사용한 다양한 대칭성 계산식 들 중에서 비환측 보행 변수에 대한 환측 보행 변수의 비율값을 통해 얻은 대칭성 비율(symmetry ratio)이 보행의 시공간적 변수의 대칭성을 가장 잘 반영하는 계산식이라고 하였다. 기존 연구에서 균형과 보행의 대칭성을 평가하기 위해 비환측에 대한 환측의 비율값을 주로 사용하고 있지만 대칭성의 관점에서 환측 또는 비환측으로 우세한 다양한 경우가 발생할 수 있고, 이로 인해 대칭성 값이 상쇄되어 보행의 대칭성을 반영하는 대표 값으로 활용하는데 어려움이 있으며, 이를 통해 얻은 대칭성 값의 민감도가 떨어질 수 있다는 단점이 있다. 본 발명에서는 환측 및 비환측의 우세와 상관없이 대칭성을 반영할 수 있는 계산식을 고안하여 이를 대칭성 기준(symmetry criterion)이라 하였고 이를 이용해 뇌졸중 환자의 시공간적 보행 변수에 대한 대칭성 값을 구하였다.
본 발명에 사용하는 계산식의 특성은 환측과 비환측(건측)이 대칭이 될수록 1에 가까워지며 환측과 비환측에 관계없이 비대칭성이 커질수록 1보다 작아지는 특성을 갖는다.
다른 방법으로는 대칭비(symmetry ratio, SR)는 마비측값에서 비마비측값을 나눈 것, 대칭성 기준(symmetry criterion), 대칭성지수(symmetry index, SI)는 마비측값과 비마비측의 합과 차를 비로 나타낸 것, 보행비대칭(gait asymmetry, GA)는 마비측값에서 비마비측 값을 나눈 것의 로그 값에 100을 곱한 것 등을 이용할 수 있다.
<실험 결과>
3축 자이로스코프 센서를 포함하는 구성된 여덟 개의 센서는 하지에 끈으로 묶어져서 보행 중에 보행매개변수로 작동한다. 대상자들은 보행 분석 전에 가속계의 중력을 수정하기 위해 필요한 10초 동안 정적 기립 자세를 유지한다.
상술한 바와 같이 몸에 부착된 IMU 보드는 지상과 비교하여 측정된 미가공 각도 데이터를 100milliseconds 마다 통합센터로 송신한다. 그리고 통합센터는 상대적 관절 각도를 가공한고, 왼쪽과 오른쪽발의 보폭을 계산한다고 그리고 모든 데이터들을 지정한 파일로 옮겨 넣는다. 분석 도구들이 휴대 가능한 보행분석시스템에 내장되어있지 않기 때문에 비록 나머지 유용한 데이터들 예를 들어 분속 수나 입각기 시간을 얻기 위해서는 직접 입력해야하지만 속도를 준 자동적으로 얻기 위해 엑셀 프로그램을 사용된다.
본 발명의 모든 작업과 통계는 SPSS ver. 20.0을 이용하여 분석하였다. 대상자의 일반적인 특성과 변수에 대한 Shapiro-wilk에 의한 정규성 검정을 하였으며, 결과 모든 변수가 정규분포하였다. 대상자의 일반적 특성은 기술통계를 사용하였고, 각 그룹 간의 차이를 알아보기 위해 독립표본 t-검정을 실시하였다. 검사-재검사의 신뢰도를 검사하였으며(test-retest reliability for each test within a system), 측정자간 신뢰도를 측정하였고(intratester reliability for each test between the PGAS and MCS), 각 변수의 상관관계를 구하였다(intraclass correlation coefficients (ICCs)). 자료의 모든 통계적 유의수준은 .05로 하였다.
본 발명에서 개발된 제품은 portable gait analysis system (PGAS)로 하였으며, 본 연구의 결과를 비교할 동작분석장비는 motion capture system (MCS)로 하였다. 본 연구에 사용된 동작분석 장비는 퀄리시스 장비이며(Qualisys AB, Sweden, 2012), 이때 6대의 적외선 카메라를 이용하여 100Hz로 동작을 기록하였으며, 이 장비는 측정전에 calibrated 하였다. 이 장비는 피험자의 동작을 관찰할 수 있는 마커(reflective markers)가 있으며 이 마커의 움직임을 통하여 시공간적 보행변수(temporal and spatial gait parameters)을 측정하였다. 측정된 시공간적 변수는 소프트웨어를 통하여 분석하였다(software Track Manager, version 2.5, Qualisys, Sweden, 2012).
주요 변수들을 살펴보면, 본 연구자가 개발한 PGAS와 기존의 동작분석기 MCS인 퀄리시스간의 보행분수 중 velocity, cadence, step length, stride length, and duration of stance or swing을 살펴보면 두 그룹간 유의한 차이를 보이지않았다. 이는 두 그룹간의 보행변수의 평균 값이 비슷하게 나왔다는 것을 의미한다. 또한 엉덩관절, 무릎관절 및 발목관절의 각도도 두 그룹간 유의한 차이를 보이지 않아 두 장비간의 측정값이 비슷하다고 할 수 있다(Tables 2 and 3).
Figure 112017074916133-pat00001
Figure 112017074916133-pat00002
급간상관계수를 살펴보면, PGAS는 검사재검사의 신뢰도는 보행변수 gait parameters (0.874-0.998), 입각기의 관절각도 joint ranges in the stance phase (0.976-0.997) and 유각기의 관절각도 the swing phase (0.978-0.996)로 매우 높게 나타났다(Tables 4 and 5).
Figure 112017074916133-pat00003
Figure 112017074916133-pat00004
측정자간 신뢰도를 살펴보면, 보행변수 gait parameters (0.814-0.986), 입각기 관절각도 joint angles during the stance phase (0.806-0.984), 유각기 관절 각도 swing phase (0.817-0.983)의 신뢰도는 높게 나타났다(table 6).
Figure 112017074916133-pat00005
본 발명에 따른 보행 센싱 장치는 다양한 분야에서 사용하는 방법으로, 직선 운동을 측정하는 3개의 가속도계(accelerometer)와 회전운동을 측정하는 3개의 각속도계(gyroscope:자이로스코프)로 구성되었으며, 착용하여 보행시 측정된 값을 자이로스코프와 수평 가속도계 및 수직 가속도계를 이용하여 시공간적인 보행변수와 하지의 관절 각도의 변화를 추출할 수 있음
본 발명의 개발 및 보급을 통하여 질적인 분석에서의 한계로 인해 고가의 동작분석장비를 대체 할 수는 없지만, 임상에서 쉽고 간편하게 하지관절 각도와 보행분석을 실시할 수 있음
따라서 본 발명은 보행분석실이 있는 연구소(병원)만 보행분석을 실시하는 것이 아니라 시간과 공간의 제약에서 벗어나 어느 곳에서든지 실시할 수 있는 이동식(Portable Gait Analysis System)으로 개발할 것이며, 또한 뇌졸중, 뇌성마비, 파킨슨씨 질환 등의 보행장애를 가지고 있는 환자 뿐아니라 소아 청소년 및 스포츠 전반에 걸쳐 기본적인 보행분석이 필요한 분야를 위한 기술로써 시급히 개발해야 할 필요가 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서, 무선통신부, 배터리부 및 센서 제어부를 포함하는 보행 센싱 장치; 및 상기 보행 센싱 장치에서 전송된 센싱값을 수신하는 무선통신부 및 메인 제어부를 포함하는 보행 분석 장치;를 포함하는 보행 분석 시스템으로서,
    총 8개의 보행 분석 장치가 양 발, 양 정강기, 양 허벅지 및 몸통 양측에 각각 부착되며, 상기 보행 분석 장치에 포함된 무선통신부는, 8개의 무선 통신부가 8개의 보행 센싱 장치에 포함된 각 무선통신부로부터 센싱값을 수신하며,
    상기 메인 제어부는, 아래 수식을 통해 반보의 길이를 산출하고
    Lthigh x sin(θhip) + Lshank x sin(θknee)
    Lthigh : 좌측 대퇴 길이
    Lshank: 좌측 정강이 길이
    θhip: 엉덩관절각도
    θknee: 무릎관절각도
    아래 수식을 통해 활보의 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
    활보장=HSRR + HSLF + HSLR + HSRF
    HSRR: 따라가는 오른 다리 의 반보
    HSLF: 앞서나가는 왼 다리의 반보
    HSLR: 따라가는 왼다리의 반보
    HSRF: 앞서나가는 오른 다리의 반보
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 제어부는,
    롤(roll)값 및 요우(yaw)값을 상기 지자계 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출하고,
    피치(pitch)값을 상기 가속도 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 제어부는, 수신된 센싱값을 통해 엉덩관절(고관절)의 각도는 골반(4, 8번)을 기준하는 허벅지(3, 7)의 롤(Roll)각(사이 각), 무릎관절(슬관절)의 각도는 허벅지(3, 7)를 기준으로 하는 정강이(2, 6)의 롤(Roll)각 (사이 각), 발목관절(족관절)의 각도는 정강이(2, 6번)를 기준으로 하는 발(1, 5번)의 롤(Roll)각을 측정하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    보행 속도를 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope)에 의해 분석하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    발이 공중에 있는 시간을 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope) 시간에 의해 분석하고,
    발이 지면에 있는 시간을 보행 패턴의 음의 기울기(negative slope) 시간에 의해 분석하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    오른발과 왼발의 보행 패턴의 대칭성 비율에 따라 보행 대칭성을 분석하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 시스템.
  8. 3축 자이로스코프 센서, 지자계 센서, 가속도 센서, 무선통신부, 배터리부 및 센서 제어부를 포함하는 보행 센싱 장치; 및 상기 보행 센싱 장치에서 전송된 센싱값을 수신하는 무선통신부 및 메인 제어부를 포함하는 보행 분석 장치;를 이용한 보행 분석 방법으로서,
    (a) 총 8개의 보행 분석 장치가 양 발, 양 정강기, 양 허벅지 및 몸통 양측에 각각 부착하는 단계; 및 (b) 상기 보행 분석 장치에 포함된 무선통신부가 8개의 무선 통신부가 8개의 보행 센싱 장치에 포함된 각 무선통신부로부터 센싱값을 수신하는 단계를 포함하며,
    상기 (b) 단계는, 아래 수식을 통해 반보의 길이를 산출하고
    Lthigh x sin(θhip) + Lshank x sin(θknee)
    Lthigh : 좌측 대퇴 길이
    Lshank: 좌측 정강이 길이
    θhip: 엉덩관절각도
    θknee: 무릎관절각도
    아래 수식을 통해 활보의 길이를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
    활보장=HSRR + HSLF + HSLR + HSRF
    HSRR: 따라가는 오른 다리 의 반보
    HSLF: 앞서나가는 왼 다리의 반보
    HSLR: 따라가는 왼다리의 반보
    HSRF: 앞서나가는 오른 다리의 반보
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    롤(roll)값 및 요우(yaw)값을 상기 지자계 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출하고,
    피치(pitch)값을 상기 가속도 센서에서 측정된 값을 기준으로 상기 3축 자이로스코프 센서에서 측정된 값을 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    수신된 센싱값을 통해 엉덩관절(고관절)의 각도는 골반(4, 8번)을 기준하는 허벅지(3, 7)의 롤(Roll)각(사이 각), 무릎관절(슬관절)의 각도는 허벅지(3, 7)를 기준으로 하는 정강이(2, 6)의 롤(Roll)각 (사이 각), 발목관절(족관절)의 각도는 정강이(2, 6번)를 기준으로 하는 발(1, 5번)의 롤(Roll)각을 측정하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    보행 속도를 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope)에 의해 분석하는 단계인 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    발이 공중에 있는 시간을 보행 패턴의 양의 기울기(positive slope) 시간에 의해 분석하고,
    발이 지면에 있는 시간을 보행 패턴의 음의 기울기(negative slope) 시간에 의해 분석하는 단계인 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
  14. 청구항 8에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    오른발과 왼발의 보행 패턴의 대칭성 비율에 따라 보행 대칭성을 분석하는 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.
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