KR102108405B1 - 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 신체의 길이, 자세 및 관절가동범위를 보다 정확히 측정하고, 이에 기초하여 개인별로 최적의 운동방법을 제안하는데 있다.
일례로, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴 상에서 대상자의 스켈레톤 이미지를 형성하고, 상기 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 특징점, 상기 특징점 중 측정대상에 해당하는 기준점, 및 상기 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 각각 특정하고, 상기 특징점을 연결하는 연결선을 생성하는 대상 이미지 표시부; 및 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 신체정보를 산출하며, 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하고, 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 정보 처리부를 포함하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 이용한 운동 피드백 제공 시스템을 개시한다.

Description

신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR MEASURING BODY INFORMATION, POSTURE INFORMATION AND RANGE OF MOTION AND METHOD THEREOF}
본 발명의 실시예는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
현재, 전세계 3억 5000만명의 인구가 척추관절의 구조적 변화인 척추측만증과 이로 인한 근육통증과 자세의 부정렬, 그리고 관절의 가동범위의 제한 및 신체의 비대칭과 관련된 질병을 겪고 있으며, 이러한 질병을 겪는 인구는 매년 3%씩 증가하고 있다.
근골격계 관련 질환 통증이 있는 사람들을 검사하고 평가할 때 가장 일반적으로 실시하는 방법은 관절의 가동범위와 근력을 확인하는 것이다.
특정 관절의 가동범위 제한은 기능적 움직임을 일으키기 못하게 되며, 보상적인 움직임(보상작용)을 발생시켜 관절부위에 구조적인 손상을 일으키게 되고 이로 인한 통증을 유발할 수 있다.
인간의 신체가 모두 다름에도 불구하고 모두가 획일적으로 같은 방식으로 운동을 하고 있다.
이는, 인간 개인의 특성을 고려하지 않은 방식으로 이점과 단점을 동시에 신체에 주고 있는 방법이라고 볼 수 있다.
따라서, 개인의 관절가동범위의 정확한 측정을 통해 보다 올바른 최적의 운동방법을 제공할 필요가 있다.
공개특허공보 제10-2019-0023628호(공개일자: 2019년03월08일)
본 발명의 실시예는, 신체의 길이, 자세 및 관절가동범위를 보다 정확히 측정하고, 이에 기초하여 개인 별로 최적의 운동방법을 제안할 수 있는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템은, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴 상에서 대상자의 스켈레톤 이미지를 형성하고, 상기 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 특징점, 상기 특징점 중 측정대상에 해당하는 기준점, 및 상기 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 각각 특정하고, 상기 특징점을 연결하는 연결선을 생성하는 대상 이미지 표시부; 및 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 신체정보를 산출하며, 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하고, 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 정보 처리부를 포함한다.
또한, 상기 정보 처리부는, 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 상기 중력선 및 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 대상자의 신체의 길이, 각도, 비율에 대한 물리적 수치정보와 좌우대칭정보를 포함하는 상기 신체정보를 산출하는 신체정보 산출부; 상기 중력선과 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 상기 자세정보를 산출 및 평가하는 자세정보 평가부; 및 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 관절가동범위 측정부를 포함할 수 있다.
또한, 관절가동범위 측정부는, 상기 관절가동범위 측정 시 상기 특징점 중 상기 기준점과 상기 운동점을 제외한 움직임을 센싱하여 관절가동범위를 재측정하거나, 상기 움직임에 대한 각도를 측정된 관절가동범위에서 제외할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정부는, 관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 확장 연결되며 상기 운동점을 제외한 제1 연결점의 움직임, 및 상기 중력선 또는 상기 중심선의 이동 중 적어도 하나를 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정부는, 관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 기준점과 인접한 제2 연결점의 움직임을 센싱하는 경우, 상기 운동점의 움직임에 의해 발생되는 제1 각도와 상기 제2 연결점의 움직임에 의해 발생되는 제2 각도를 각각 계산하고, 상기 제1 각도에서 상기 제2 각도를 감산하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정부는, 관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 운동점과 인접한 사지말단의 관절에 해당하는 제3 연결점의 움직임을 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
또한, 상기 신체정보, 상기 자세정보와 상기 관절가동범위에 기초한 운동추천정보를 제공하는 운동 피드백 제공부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 방법은, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴 상에서 대상자의 스켈레톤 이미지를 형성하는 대상 이미지 표시 단계; 상기 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 특징점, 상기 특징점 중 측정대상에 해당하는 기준점 및 상기 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 특정하고, 상기 특징점을 연결하는 연결선을 생성하는 대상 관절 특정 단계; 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 신체정보를 산출하는 신체정보 산출 단계; 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하는 자세정보 평가 단계; 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 관절가동범위 측정 단계; 및 상기 신체정보, 상기 자세정보와 상기 관절가동범위에 기초한 운동추천정보를 제공하는 운동 피드백 제공 단계를 포함한다.
또한, 상기 신체정보 산출 단계는, 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 상기 중력선 및 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 대상자의 신체의 길이, 각도, 비율에 대한 물리적 수치정보와 좌우대칭정보를 포함하는 상기 신체정보를 산출하고, 상기 자세정보 평가 단계는, 상기 중력선과 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 상기 자세정보를 산출 및 평가하고, 상기 관절가동범위 측정 단계는, 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정 단계는, 상기 관절가동범위 측정 시 상기 특징점 중 상기 기준점과 상기 운동점을 제외한 움직임을 센싱하여 관절가동범위를 재측정하거나, 상기 움직임에 대한 각도를 측정된 관절가동범위에서 제외할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정 단계는, 관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 확장 연결되며 상기 운동점을 제외한 제1 연결점의 움직임, 및 상기 중력선 또는 상기 중심선의 이동 중 적어도 하나를 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정 단계는, 관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 기준점과 인접한 제2 연결점의 움직임을 센싱하는 경우, 상기 운동점의 움직임에 의해 발생되는 제1 각도와 상기 제2 연결점의 움직임에 의해 발생되는 제2 각도를 각각 계산하고, 상기 제1 각도에서 상기 제2 각도를 감산하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
또한, 상기 관절가동범위 측정 단계는, 관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 운동점과 인접한 사지말단의 관절에 해당하는 제3 연결점의 움직임을 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신체의 길이, 자세 및 관절가동범위를 보다 정확히 측정하고, 이에 기초하여 개인 별로 최적의 운동방법을 제안할 수 있는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 생성된 스켈레톤 이미지를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라 중 스테레오 카메라 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라 중 ToF(Time of Flight) 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라 중 스트럭처드 패턴(Structured pattern) 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 정보 처리부의 상세 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 신체 관절에서의 움직임을 측정하기 위한 인체 3면을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고관절 관절가동범위의 측정 예를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 견관절 관절가동범위의 측정 예를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 생성된 스켈레톤 이미지를 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라 중 스테레오 카메라 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라 중 ToF(Time of Flight) 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라 중 스트럭처드 패턴(Structured pattern) 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 정보 처리부의 상세 구성을 나타낸 블록도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 신체 관절에서의 움직임을 측정하기 위한 인체 3면을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고관절 관절가동범위의 측정 예를 설명하기 위해 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 견관절 관절가동범위의 측정 예를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 시스템(100)은 대상 이미지 표시부(110), 정보 처리부(120) 및 운동 피드백 제공부(130)를 포함한다.
상기 대상 이미지 표시부(110)는, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴(10) 상에서 대상자의 스켈레톤 이미지를 형성할 수 있다. 이러한 3차원 깊이 카메라는 피사체가 움직여야만 원하는 이미지를 얻을 수 있으므로, 대상자가 특정한 움직임을 모니터링하면서 따라 움직일 수 있도록 유도할 수 있다.
본 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라는 정면 또는 측면, 상부 등 여러 대의 카메라가 설치되는 방식으로 구현될 수 있으며, 한 대의 카메라를 두고 대상자가 움직여가면서 측정하는 방식으로 구현될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 실시예에 따른 대상 이미지 표시부(110)에 적용되는 3차원 깊이 카메라는 도 3에 도시된 바와 같은 스테레오 카메라(stereo camera), 도 3에 도시된 바와 같은 ToF(Time-On-Flight) 방식의 카메라, 도 4에 도시된 바와 같은 스트럭처드 패턴(structured pattern) 방식의 카메라 등을 적용할 수 있다. 또한, 3차원 깊이 카메라에 적용가능한 키넥트(KINECT), 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR), LADAR(Laser Detection And Ranging), ToF(Time of Flight), 레이저스캐너, 레이저레이더 등은 물체를 감지하여 거리를 맵핑하는 센싱 방식을 사용하고, 이들은 광학펄스로 목표물을 비춘 후 반사된 반송 신호의 특징을 측정하고, 이때 광학-펄스의 폭은 나노 내지 마이크로 초단위까지 변동될 수 있다.
상기 스테레오 카메라(stereo camera)는 도 3을 참조하면, 두 개의 2차원 이미지 센서를 결합하여 만든 입체 영상으로 일반적인 3차원 깊이 인식 센서 방식이 적용된다. 측정할 대상자와의 거리를 측정하기 위해 한 쌍의 동일한 카메라를 사용하여 카메라들 사이의 시점 불일치를 이용하게 된다. 이러한 접근법에서 두 대의 카메라의 시선 중심은 깊이 측정에 필요한 시차를 생성하기 위해 기준선 또는 IPD(Inter Pupillary Distance)로 구분하며, 일반적으로 카메라의 광학축은 서로 평행하고 원근감이 있는 평면과 직각을 이룰 수 있다. 주어진 피사체 즉 대상자의 거리에 대해 IPD(Inter Pupillary Distance)는 카메라 쌍에 의해 보이는 바와 같이 피사체의 각도 간격 θ를 결정하고, 이에 따라 시차 검출에 중요한 역할을 한다. 보다 효과적인 깊이 차별이 가능하고 작동범위를 규정하며 다양한 피사체 거리에서의 깊이 해상도 한계에도 영향을 미치게 된다.
상기 ToF(Time-On-Flight) 방식은 도 4를 참조하면, 장면을 구성하는 모든 픽셀에 대한 변조된 광 신호의 지연 또는 위상 시프트를 측정하여 이동 시간 정보를 획득한다. 일반적으로 광 신호는 인간의 시력을 방해하지 않도록 스펙트럼의 근적외선 부분에 위치하며, ToF 센서는 각 픽셀이 장면까지의 거리를 결정할 수 있는 픽셀 배열로 구성된다. 또한 각 픽셀은 전송된 신호에 대해 수신된 광 신호의 지연을 측정하며, 상관 함수는 각 픽셀에서 수행되고 평균 또는 적분이 수행된다. 이에 따른 결과 상관 값은 이동 시간 또는 지연은 나타낸다. 또한 TOF 방식은 적외선과 같은 빛이 피사체에 도달했다가 반사되어 돌아오는 시간을 측정하는 방식으로 심도를 계산하고 3D를 구현한다. 이러한 TOF 방식은 측정거리에 장점이 있어 상당히 떨어진 거리에 있는 사람이나 사물도 인식할 수 있다.
상기 스트럭처드 패턴(structured pattern) 방식은 도 5를 참조하면, 구조화된 빛 한 세트의 패턴을 대상에 투사하고 이미지 센서로 결과 이미지를 캡처하는 광학 3차원 스캐닝 방법이다. 구조화된 빛은 입체 시각 센서의 두 번째 이미지 센서를 투영 구성 요소로 대체한다. 입체 시각 기술과 마찬가지로 이러한 접근법은 카메라와 투영기기 간의 분리를 이용해 특정 지점을 찾고 심각 측량 알고리즘을 사용하여 깊이를 계산한다. 이미지 처리 및 삼각 측량 알고리즘은 표면 거칠기로 인한 투영된 패턴의 왜곡을 3차원 정보로 변환한다.
상기 대상 이미지 표시부(110)는, 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 전에 도 2에 도시된 바와 같이 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 다수의 특징점(P)과, 이러한 특징점(P) 중 측정대상에 해당하는 기준점 및 각 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 각각 특정하고, 각각의 특징점(P)들을 연결하는 연결선(C)을 생성할 수 있다. 즉, 특징점(P)을 먼저 생성한 후, 생성된 특징점(P)을 기반으로 연결선을 생성하고, 이러한 특징점(P)들 중에서 관절가동범위의 측정 시 기준점과 운동점을 각각 특정할 수 있다.
본 실시예에 따른 특징점(P)은 스켈레톤 이미지에서 나타나는 각 관절 포인트를 의미하고, 이러한 특징점(P)은 관절가동범위의 측정 시 측정대상이 되는 경우 기준점이 될 수 있으며, 해당 기준점이 특정되는 경우 그 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점으로도 특정될 수 있다. 그리고, 연결선(C)은 서로 인접한 관절을 잇는 선으로 팔 관절 사이, 팔과 팔을 잇는 어깨, 다리 관절 사이, 다리 관절과 고관절, 고관절 사이 등을 연결하는 가상선일 수 있다.
상기 정보 처리부(120)는, 대상 이미지 표시부(110)를 통해 특정된 특징점(P), 연결선(C), 격자패턴(10), 인체의 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 스켈레톤 이미지로부터 다양한 신체정보를 산출하며, 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하고, 기준점을 기준으로 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
이를 위해, 정보 처리부(120)는 도 6에 도시된 바와 같이 신체정보 산출부(121), 자세정보 평가부(122) 및 관절가동범위 측정부(123)를 포함할 수 있다.
상기 신체정보 산출부(121)는, 특징점(P), 연결선(C), 격자패턴(10), 인체의 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 스켈레톤 이미지로부터 대상자의 신체길이, 각도, 넓이, 비율에 대한 물리적 수치정보와 좌우대칭정보 등을 포함하는 신체정보를 산출할 수 있다.
여기서, 인체의 중력중심은 제2 천추의 수준 바로 앞의 중앙선 위의 지점이다. 또한, 인체의 중력선(line of gravity)은 중력중심을 통과하는 가상의 수직선을 의미한다. 이상적인 자세로 서있는 사람에 대해 작용하는 중력선은 유양돌기(mastoid process), 제2 천추의 전방(second sacral vertebra), 고관절(hip joint) 바로 뒤쪽, 무릎(knee joint), 발목관절(ankle joint), 거퇴관절(talocrural joint)의 앞쪽을 지나간다. 인간의 자세는 척추의 유형에 따라 분류되는데, 인간의 척추는 중력에 대항하여 최적의 효율을 나타내기 위하여 척추만곡을 가지고 있다. 척추만곡은 경추에서는 전만, 흉추에서는 후만, 요추에서는 전만, 천골에서는 후만을 가진다.
그러나, 이러한 척추의 만곡의 변화에 따라 이상자세를 분류한다. 다음은 척추만곡에 따른 자세를 나타내며, 이는 측면에서의 중심선을 이용하여 측정할 수 있다. 허리 뒤쪽을 지나가는 중력선은 허리에 신전 토크를 만들어내 자연스런 요추전만(lordosis curve)을 만들고, 허리 앞쪽을 지나가는 중력은 일정한 굴곡 토크를 만들어낸다. 이는 이상자세의 원인이 된다.
또한, 외적인 토크에 의해 발생된 비정상적인 척추의 만곡은 중력선과 각 척추영역 사이의 상호관계를 변화시켜, 운동 수행력의 저하 및 부상의 원인이 되고 근육, 인대, 뼈, 척추원반, 돌기관절, 척수신경뿌리들에 대한 스트레스의 증가로 손상이 유발될 수 있다.
본 실시예에서는 이러한 중력선(D)과 인체를 좌우로 나눈 중앙선(B)을 이용하여 자세와 운동 시 앞뒤, 좌우의 관절의 비대칭을 측정할 수 있으며, 중력선(D)은 주로 신체의 자세정보를 판단하는데 이용될 수 있다.
또한, 이러한 중력선(D)과 중앙선(B)과 더불어 3차원 깊이 카메라를 통해 생성된 스켈레톤 이미지의 특정점(P), 연결선(C), 격자패턴(10)을 이용하여 신체분절길이를 측정하고, 측정된 좌우 신체분절길이와 높이를 비교하여 비대칭을 확인할 수 있다.
본 실시예에서 측정되는 신체정보는, 신장(다리길이, 몸통길이) 및 머리위치, 목의 길이, 어깨와 흉곽 넓이, 복부와 골반의 넓이, 목과 몸통의 길이, 상완부와 전완부의 길이와 팔 길이, 대퇴부와 하퇴부의 길이와 다리 길이 등의 신체 길이와 넓이, 그리고 Q-angle을 측정할 수 있다. 이러한 물리적 수치는 길이(cm), 각도(°), 넓이(cm2), 비율(%)로 나타낼 수 있다. 이는, 관절가동범위 측정 시 신체의 길이정보를 바탕으로 각 연결점의 움직임 또는 이동 여부를 관찰할 수 있다.
본 실시예에서 측정하는 신체길이의 비대칭이 운동 시 인체에 미치는 영향을 다관절 운동인 스쿼트와 숄더프레스의 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 다관절 운동(스쿼트) 시 길이가 다른 대퇴부와 하퇴부의 차이는 스쿼트 운동시 고관절과 무릎관절, 발목관절은 서로 다른 하중을 받게 한다. 이는 양쪽에서 서로 다른 근력과 유연성이 요구되는 것을 나타낸다. 신장은 동일하나 신체 각부의 길이가 다른 사람이 안정성만을 고려하여 무게(중량)의 중심을 신체의 중력선에 중심을 맞추어 스쿼트 운동을 실시한다면 서로 다른 근육과 관절에 스트레스 또는 발달로 인하여 관절에서는 비대칭이 발생될 수 있다.
또한, 서서 운동하는 상체의 대표적인 어깨운동인 숄더프레스 운동 시 어깨의 높이, 팔의 길이에 차이로 인하여 왼팔과 오른팔의 서로 다른 하중을 받게 된다. 이와 같이 서로 다른 신체의 길이 또는 비대칭은 신체에 비정상적인 스트레스로 작용을 하고, 서로 다른 발달의 형태를 야기시키며, 이는 결국 관절에 문제를 야기시켜 관절가동범위의 비대칭을 발생시키게 된다.
이에 따라, 본 실시예에서는 서로 다른 사지의 길이로 인하여 신체에서 받게 되는 스트레스를 최적화하기 위하여 신체분절의 길이평가를 통하여 최적의 운동을 피드백 할 수 있다.
상기 자세정보 평가부(122)는, 중력선(D)과 중심선(D)을 이용하여 스켈레톤 이미지로부터 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 대상자의 자세정보를 산출 및 평가할 수 있다.
인체의 골격은 신체의 근육에 의해 지지되고 움직이는데, 근육이 과소 또는 과부하 상태이거나, 또는 비정상적으로 기능할 때의 자세는 정렬이 잘못된 상태가 될 수 있다. 이러한 근육 불균형은 신체를 부상과 긴장, 통증에 취약하게 만든다, 장시간 사용하지 않으면 자세를 유지하는 근육은 약해지고, 긴장되거나 통증을 유발할 수 있다. 또한, 반복적인 움직임은 근육의 불균형을 일으켜 기능장애 및 보상작용을 초래 할 수 있다.
이상적으로, 신체는 자세의 힘과 지구력을 발달시키기 위하여 균형 잡힌 활동이 필요하다. 올바른 자세의 이점은 관절, 인대, 근육의 올바른 운동뿐만 아니라, 일상적인 활동에서의 부상 및 통증의 위험성을 감소시키기 위해 신체를 최적의 자세로 유지시킨다. 이와 동시에 신체에서는 특정부위가 더 과하게 사용되지 않도록 혹은 보상하지 않도록, 체중의 분포를 분산시킨다. 최적의 정렬에서 최소한의 부하로 신체의 자세를 효율적으로 유지할 수 있다. 이는 움직임으로 영향을 미쳐, 효율적인 움직임을 만들어낸다.
중력선(D)과 중앙선(B)은 신체의 정적 평가인 자세평가를 위해 정확한 기준이 된다. 자세평가를 위해 격자패턴(10), 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 자세를 측정하고 분류한다. 이는 또한, 관절가동범위 측정시 기 측정된 자세평가정보를 바탕으로 확장된 연결점의 움직임 또는 이동여부를 관찰할 수 있다.
본 실시예에서 자세평가를 실시한 뒤에 관절가동범위를 측정하는 이유는 감소된 어깨 외전 동작의 관절가동범위는 해당관절의 문제만이 원인이 되지 않지만, 예를 들어 굽은등 자세(Sway back posture)의 경우 굽은등 자세 또는 일자목 자세로 인하여 어깨의 외전동작의 관절가동범위는 감소하게 되므로, 정확한 자세평가를 통해 대상자의 자세와 관절가동범위의 연관성 또는 상관관계를 판단해야 정확한 관절가동범위를 측정할 수 있다.
본 실시예의 자세정보는 이상적인 자세(Ideal posture), 굽은등 자세 (Sway back posture), 편편등 자세(Flat back posture) 및 후만전만 자세(Kyphotic lordotic posture)로 크게 4가지로 분류한다.
상기 이상적인 자세(Ideal posture)는, 머리는 중립(Neutral), 경추는 정상 만곡(Curve), 흉추는 정상만곡, 약간 후방으로 볼록(Curve), 요추는 정상만곡(Curve), 골반은 중립, 전상장골극과 치골결합이 수직선상에 위치, 고관절은 중립(Neutral), 무릎관절은 중립(Neutral), 발목관절은 중립(neutral)의 성향을 보인다. 이러한 이상적인 자세(Ideal posture)의 특징으로는 척추는 정상만곡(경추전만, 흉추후만, 요추전만)이고, 골반과 하지 관절에서는 굽혀지거나 펴지지 않은 중립상태를 유지한다.
상기 굽은등 자세(Sway back posture)는, 머리는 전방(forward), 경추는 약간 신전(Slightly extended), 흉추는 체간상부의 후방변위가 동반된 증가된 굴곡(긴 척추후만)(increased flexion(long kyphosis) with posterior displacement of the upper trunk), 요추는 요추하부의 굴곡(편편등)(flexion(flattening) of the lowerlumbar area) 골반은 후방경사(Posterior tilt), 고관절은 고관절의 전방변위와 함께 과신전(Hyper extended anterior displacement of the pelvis), 무릎관절은 과신전(Hyperextended), 발목관절은 중립(neutral)의 성향을 보인다. 근육의 특징으로 늘어나고 약해지는 근육은 고관절 굴근(one-hip joint flexor), 외복사근(external oblique), 상부 등(upper back extensor), 목 굴근(neck flexor)이고, 짧아지고 강해지는 근육은 햄스트링(hamstring), 내복사근의 승모근(upper fiber of the internal oblique)이다.
상기 굽은등 자세(Sway back posture)의 특징은 흉추가 과하게 후만되어 있고 골반이 몸의 중앙선보다 앞쪽으로 이동되어 있는 후방경사를 주로 나타내며, 엉덩이가 머리와 몸통보다 앞쪽에 위치해 있고, 무게중심은 엉덩관절 뒤에 위치하기 때문에 무릎관절이 과도한 신전자세를 나타낸다.
상기 편편등 자세(Flat back posture)는, 머리는 전방(forward), 경추는 약간신전(Slightly extended), 흉추 상부는 굴곡증가 하부는 일자(Upper part - increased flexion, Lower part-straight), 요추는 굴곡(일자)(flexed (straight)), 골반은 후방경사(Posterior tilt), 고관절은 신전(Extended), 무릎관절은 신전(Extended), 발목관절은 살짝 족저굴곡(slightly plantar flexion)의 성향을 보인다. 근육의 특징으로 늘어나고 약해지는 근육은 고관절 굴근(One-joint hip flexor)은 짧고 강해지는 근육 햄스트링(hamstring)이다.
상기 후만전만 자세(Kyphoticlodotic posture)는, 머리는 전방(forward), 경추는 과신전(hyperextended), 견갑골은 외전(Abducted) 흉추의 상부는 과굴곡(후만)(increased flexion(kyphosis)), 골반은 전방경사(Anterior tilt), 고관절은 굴곡(Flexed), 무릎관절은 약한 신전(Slightly Extended), 발목관절은 하지가 뒤로 경사지면서 약간 족저굴곡(slightly plantar flexion since to backward inclimation of the leg)의 성향을 보인다. 근육의 특징으로는 늘어나고 약해지는 근육으로 목 굴근(neck flexor), 등윗쪽 척추세움근(upper back elector spinae), 외복사근(external oblique), 햄스트링(hamstring)이 있고, 짧아지고 강해지는 근육으로 목 신전(neck extensor), 고관절 굴근(hip flexors), 허리근육(low back muscles)이 있다. 이러한 후만전만자세(Kyphoticlodotic posture)의 특징은 골반은 전방경사 되고(굽은등은 골반이 전방으로 이동) 허리의 과한 전만으로 인하여 무게중심이 앞으로 이동했기 때문에 흉추에서는 뒤로 이동한다.
본 실시예에서 따른 자세평가를 통하여 자세분류를 실시하는 이유는 다음과 같다.
골격은 신체의 근육에 의해 지지되고 움직인다. 인체의 근육이 과소 또는 과부하 상태이거나, 또는 비정상적으로 기능할 때의 자세는 잘못된 정렬이 이루어 질 수 있다. 이러한 근육 불균형은 신체를 부상과 긴장, 통증에 취약하게 만들며, 장시간 사용하지 않으면 자세를 유지하는 근육은 약해지고, 긴장되거나 통증을 유발할 수 있다. 또한, 반복적인 움직임은 근육의 불균형을 일으켜 기능장애 및 보상작용을 초래 할 수 있다. 이상적으로, 신체는 자세의 힘과 지구력을 발달시키기 위하여 균형 잡힌 활동이 필요하다.
올바른 자세의 이점은 관절, 인대, 근육의 올바른 운동뿐만 아니라, 일상적인 활동에서의 부상 및 통증의 위험성을 감소시키기 위해 신체를 최적의 자세로 유지시킨다. 이와 동시에 신체에서는 특정부위가 더 과하게 사용되지 않도록 혹은 보상하지 않도록 체중의 분포를 분산시킨다. 최적의 정렬에서 최소한의 부하로 신체의 자세를 효율적으로 유지할 수 있다. 이는 움직임으로 영향을 미침으로써 보다 효율적인 움직임을 만들어낸다.
인체의 중력선과 중앙선은 신체의 정적 평가인 자세평가를 위해 정확한 기준이 된다. 따라서, 보다 정확한 자세평가를 위해 격자패턴(10), 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 자세를 측정하고 분류한다. 이는 관절가동범위 측정 시 측정된 자세평가정보를 바탕으로 확장된 연결점의 움직임 또는 이동여부를 관찰하기 위해서이다.
자세평가를 실시한 뒤에 관절가동범위를 측정하는 이유는, 예를 들어 감소된 어깨 외전 동작의 관절가동범위는 해당관절의 문제만이 원인이 되지 않지만, 굽은등 자세(Sway back posture) 또는 일자목 자세로 인하여 어깨의 외전동작의 관절가동범위가 감소할 수 있다. 따라서, 보다 정확한 자세평가를 통해 자세와 관절가동범위의 연관성 또는 상관관계를 판단해야 정확한 관절가동범위를 측정할 수 있다.
상기 관절가동범위 측정부(123)는, 기준점을 기준으로 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하되, 특징점 중 기준점과 운동점을 제외한 움직임을 센싱하여 관절가동범위를 재측정하거나, 운동점의 움직임에 대한 각도를 측정된 관절가동범위에서 제외하여 관절가동범위를 보다 정확히 측정할 수 있다. 여기서, 기준점은 특징점 중에서 측정대상이 되는 관절 포인트가 이에 해당될 수 있으며, 운동점은 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 관절 포인트가 이에 해당될 수 있다.
일반적으로, 관절가동범위는 관절의 운동범위를 의미하며 근육의 유연성에 영향을 받는다. 또한, 신체는 하나의 유기체로서 움직임을 발생시키기 위하여 관절과 근육이 상호 보완적인 역할을 수행한다. 따라서, 신체의 움직임 발생 시 조화롭지 못한 움직임 또는 관절의 제한, 근육의 유연성 결여로 인접한 관절 또는 근육에 비정상적인 움직임을 발생시키고, 지속적인 스트레스의 증가는 신체의 비대칭을 유발할 수 있다.
관절의 정상가동범위(Range of motion: ROM)는 능동관절가동범위(Active ROM)와 수동관절가동범위(Passive ROM)로 나눌 수 있다. 수동관절가동범위는 측정자가 수동적으로 고객이나 환자의 관절의 움직임에 도움을 주어 평가하게 되고, 능동관절가동범위는 본인 스스로 가진 힘을 이용하여 만들어 낼 수 있는 움직임 범위를 평가하게 되며, 이러한 평가를 통해 제한된 상태의 관절움직임(Limit of motion: LOM)을 찾아낼 수 있다. 이와 같이, 관절가동범위는 다른 사람에 의해서 움직여 지느냐 스스로의 힘으로 관절을 움직이느냐에 따라 수동적 관절가동범위와 능동적 관절가동범위로 나눠지게 된다.
신체에는 관절의 정상 각도가 정해져 있으며, 각 관절 별 정해진 정상 각도보다 움직임이 작은 관절은 신체 활동 시 부상의 위험이 높고 정상 관절보다 강직성 또는 저운동성(Hypomobile)로 정의될 수 있다. 또한, 정상 관절보다 움직임이 큰 관절도 부상의 위험이 높고, 정상 관절보다 과신전(Hyper extension) 또는 과운동성(Hypermobile)의 형태를 보이게 된다. 신체 전체를 움직이는 운동(예를 들어 단순관절, 다관절 운동, 골프 등)에서 움직임이 부족한 관절과 움직임이 과도한 관절의 문제는 정상관절의 움직임에 영향을 주고 부상의 원인이 되며, 운동 시 경기력에 영향을 줄 수 있다.
제한된 관절의 움직임은 보상작용으로 인하여 정상으로 보이기도 한다. 보상작용이 발생한 신체(관절 또는 근육)의 움직임은 운동시 반복적인 손상으로 인하여 관절가동범위의 제한으로 이어진다. 이 문제를 해결하기 위하여 관절가동범위의 정상적인 움직임을 측정하거나 인접한 신체(관절 또는 근육)보상작용을 확인하여 제한된 관절의 기능(관절운동범위 또는 연관 근육의 유연성)을 회복하는 것이 중요하다.
이에 따라 본 실시예를 통해 신체 각 관절의 움직임 범위를 측정하여 저운동성(Hypomobile)과 과운동성(Hypermobile), 정상운동을 구분하고, 자세와 신체의 비대칭이 관절가동범위에 영향을 미치는 것을 사전에 판단하여 보상할 수 있고, 측정 시 다른 관절 또는 근육에서 발생하는 보상작용을 측정하여 신뢰도 높은 관절가동범위를 측정할 수 있다.
기존의 관절가동범위 측정 방법은 각 관절의 움직임 범위만을 측정하였다. 그러나 비정상적인 움직임, 부상 또는 수술 후 재활의 부재, 반복적인 손상 등으로 인한 관절의 가동범위는 줄어들거나 다방향의 움직임 관절(어깨, 고관절, 발목 등)의 경우 한쪽의 움직임이 제한을 받게 된다. 이와 같이, 가동범위의 제한이 있는 관절의 경우 움직임의 부조화로 인접한 관절에서 보상작용을 일으키고, 보상작용에 의한 측정범위는 정상각도로 보여지게 된다.
기존의 관절가동범위 측정 방법은 측정관절 외 다른 신체부위(관절)에서 보상적 움직임이 발생하는데 이를 고려하지 않는 이유에서 정확한 측정이 이루어지지 않는 원인이 있다.
본 실시예에서는, 측정관절 이외에 신체의 다른 부위(근육 또는 관절)에서 보상적 움직임을 측정하여 정확한 관절가동범위를 제공할 수 있다. 이를 위해 격자패턴(10), 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 신체의 관절에 특징점(P) 중 기준점과 운동점을 정하고, 기준점의 움직임 또는 중력선과 중앙선의 움직임의 발생여부를 확인하며, 측정관절 외 다른 관절에서 움직임이 발생하면 신체의 보상으로 인식할 수 있다.
신체의 관절에서 발생하는 움직임은 도 7에 도시된 바와 같이, 시상면(Sagittal plane), 관상면(Frontal plane) 및 횡단면(Horizontal plane)에서 움직임이 발생하며, 시상면에서는 굴곡과 신전운동이 발생하고, 관상면에서는 외전과 내전운동이 발생하며, 횡단면에서는 복합운동인 회전과 회선운동이 발생할 수 있다. 시상면에서의 움직임은 중력선을 이용하여 신체의 측면에서 관절가동범위를 측정하고, 관상면에서의 움직임은 중앙선을 이용하여 측정하며, 횡단면에서의 움직임은 중력선과 중앙선을 이용할 수 있다.
본 실시예에 따른 관절가동범위 측정부(123)는 3가지 방식을 통해 관절가동범위를 측정할 수 있으며, 이하에는 설명의 편의를 위해 상기한 3가지 방식을 제1 측정방식, 제2 측정방식 및 제3 측정방식으로 구분하여 설명한다.
우선, 도 8을 참조하여 고관절의 가동범위 측정에 대한 제1 측정방식에 대하여 설명한다.
우선, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 이용하여 격자패턴(10) 상에 대상자에 대한 스켈레톤 이미지를 생성하고, 각 관절에 특징점(P)을 특정하고, 신체관절의 특징점(P)을 바탕으로 도 8에 도시된 바와 같이 기준점 A1, 운동점 A2-1 등을 각각 특정하고, 측정대상의 관절에서 확장(인접) 연결된 연결점들을 확인하고, 중력선(B1)을 이용하여 신체 각부의 길이정보와 자세분류 등을 확인 평가한 후 고관절에 대한 관절가동범위를 측정한다.
이때, 특징점(P) 중 기준점(A1)으로부터 각 연결선을 통해 확장 연결되며 운동점 A2-1을 제외한 제1 연결점의 움직임, 및 중력선(B1) 또는 중심선(미도시)의 이동 중 적어도 하나를 센싱하는 경우 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
고관절의 굴곡운동 가동범위의 측정 시 정상적인 관절가동범위의 측정평가는 중력선(B1)을 이용하고, 시상면에서의 움직임을 평가하게 되는데, 이때 정상적인 고관절의 가동범위는 약 125도이다.
그러나, 도 8의 (a)에 도시된 고관절 가동범위 측정 시 고관절의 기준점인 A1에서 확장 연결된 제1 연결점(오른쪽무릎관절과 척추관절)에서 움직임이 발생하였으므로, 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
이와 같이 고관절 가동범위 측정 시 보상작용이 발생되는 첫 번째 원인으로, 약화된 고관절 굴곡근의 근력 또는 부족한 대퇴이두근과 대둔근의 유연성 그리고 관절의 미세손상, 비대칭, 불균형, 유착 등에 의한 것으로 추정된다.
다음, 고관절의 가동범위 측정에 대한 제2 측정방식에 대하여 설명한다.
상기 제2 측정방식은, 관절가동범위의 측정 시 특징점(P) 중 기준점 A1으로부터 연결선을 통해 연결되며 기준점 A1과 인접한 제2 연결점의 움직임을 센싱하는 경우, 운동점 A2-1의 움직임에 의해 발생되는 제1 각도와 제2 연결점의 움직임에 의해 발생되는 제2 각도를 각각 계산하고, 제1 각도에서 상기 제2 각도를 감산하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 도 8의 (a)에 도시된 고관절 굴곡 동작에서와 같이 기준점 A1과 운동점 A2-1은 약 110도 정도를 움직임이 발생하여 정상적인 고관절 가동범위가 측정된 것처럼 보이지만, 실제 고관절에서 움직임이 발생한 각도는 기준점 A1과 운동점 A2-1의 각도에서 신체의 중력선(B1)과 해당 중력선(B1)이 이동하여 형성되는 중력선(B2)에 의한 보상각을 제외하여야 도 8의 (b)에 도시된 고관절 굴곡운동의 움직임 각도의 범위가 정확히 계산될 수 있다.
이와 같이 고관절 가동범위 측정 시 보상작용이 발생되는 두 번째 원인으로, 상부 복직근의 수축으로, 척추의 굴곡 보상을 일으켜 굽은등을 유발하여 가동범위가 증가된 것으로 추정된다.
다음, 제3 측정방식은 관절가동범위의 측정 시, 특징점(P) 중 기준점 A1으로부터 연결선을 통해 연결되며 운동점(A2-1)과 인접한 사지말단의 관절에 해당하는 제3 연결점 A2-2의 움직임을 센싱하는 경우 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 고관절 굴곡의 관절가동범위는 기준점 A1과 인접한 관절(무릎)의 운동점 A2-1를 측정해야 얻을 수 있으나, 운동점 A2-1과 연결된 사지말단의 관절 포인트인 제3 연결점 A2-2의 움직임(발목 배측굴곡)으로 인해 관절가동 범위가 증가된 것으로 추정되며, 이는 정확한 고관절 굴곡의 관절가동범위 측정이 아니기 때문에 이러한 경우 재측정을 실시할 수 있다.
다음, 도 9를 참조하여 견관절의 가동범위 측정에 대한 제1 측정방식에 대하여 설명한다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 견관절 외전운동 가동범위 측정 시 정상적인 가동범위측정의 평가는 정면에서 중앙선(D1)을 이용하고, 관상면에서의 움직임을 평가할 수 있다. 이때, 견관절의 정상가동범위는 약 180도이다.
그러나, 실제 측정 결과 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 견관절 기준점인 A1에서 확장 연결된 승모근(보상1)과 이로 인한 기준점 A1의 상승 그리고 신체 중심축인 중앙선 D1이 D2로의 이동에 따른 움직임이 발생하였으므로 재측정을 실시할 수 있다.
이와 같이 견관절의 가동범위 측정 시 보상이 발생하는 첫 번째 원인으로는 약화된 견관절 외전근 또는 부족한 광배근의 유연성 그리고 관절의 미세손상, 비대칭, 불균형, 유착 등에 의해 발생을 하고, 이에 따라 상부에 인접한 승모근의 수축을 발생시켜 견갑골이 상승(Elevation)하는 보상을 발생시킨 것으로 추정된다.
다음, 견관절의 가동범위 측정에 대한 제2 측정방식에 대하여 설명한다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 어깨외전 동작에서 중앙선 D1을 기준으로 기준점 A1과 운동점 A2는 90도 각도의 움직임이 발생한 것처럼 보이지만, 실제 어깨에서 움직임이 발생한 각도는 기준점 A1과 운동점 A2-1의 각도에서 신체의 중심선 D1과 해당 중심선이 이동하여 형성되는 D2의 각도를 제외함으로써, 좌측 어깨 외전 관절가동범위 즉 실제 기준점 A1과 운동점 A2-1에 대한 움직임 범위와 그에 따른 견관절 가동범위를 정확히 측정할 수 있다.
이와 같이 견관절의 가동범위 측정 시 보상이 발생하는 두 번째 원인으로는 부족한 어깨 외전이 신체의 중심을 우측으로 이동시켜 보상작용이 발생한 것으로 추정된다.
다음, 견관절의 가동범위 측정에 대한 제3 측정방식에 대하여 설명한다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 어깨 외전에 대한 정확한 관절가동범위는 기준점 A1과 인접한 관절(팔꿈치)의 운동점 A2-1를 측정해야 한다. 그러나, 운동점 A2-1과 연결된 사지말단의 관절 포인트인 연결점 A2-2의 움직임(팔꿈치의 굴곡)으로 인해 관절가동범위는 증가된 것처럼 보이며, 이는 정확한 어깨의 관절가동범위 측정이 아니므로, 재측정을 실시할 수 있다.
이와 같이 견관절의 가동범위 측정 시 보상이 발생하는 세 번째 원인으로는 감소된 관절가동범위를 도와주기 위한 사지말단인 연결점 A2-2의 움직임이 발생하여 신체의 비대칭을 유발하고 가동범위를 증가시킨 것으로 추정된다.
상기 운동 피드백 제공부(130)는 측정된 신체정보, 자세정보와 관절가동범위에 기초한 운동추천정보를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 운동 피드백은 저운동 관절에 운동범위에 맞추어 운동을 실시하거나 과운동 범위 관절은 정상관절의 운동범위에 맞추어 제공한다. 이와 같이 정상 운동범위에 기준 맞추어 운동을 실시해야 부상 및 통증의 위험을 줄일 수 있다. 과운동성의 경우 느슨한 관절을 안정화(stable)시키고, 저운동성의 경우 강직성인 관절의 가동성(mobility)으로 바꾸어줄 수 있다.
한 개 이상의 관절 움직임을 포함하는 복합관절 운동시 관절 가동범위는 모두 정상범위의 가동성을 가져야 한다. 예를 들어, 스쿼트 운동시 고관절과 무릎관절 그리고 발목관절 등 3개의 관절의 움직임이 발생하게 된다. 스쿼트 운동시 3개의 관절 중 1개의 움직임이 70%의 가동성을 가지고, 나머지 두 개의 관절은 100%의 가동성을 가진 상태에서 70%의 움직임보다 큰 범위의 운동을 실시한다면 좌우 대칭은 물론 70%의 가동성을 가진 관절은 비정상적인 스트레스를 받게 된다.
이에 대한 해결방법으로 본 실시예에서는, 운동 전 신체정보와 자세정보를 확인 평가하고, 측정 시 보상작용 등을 고려하여 보다 정확한 관절가동범위를 측정함으로써, 관절가동범위의 비대칭을 확인하고, 가동범위가 작은 관절에 움직임 범위에 맞춘 운동을 실시해야 안전한 운동을 실시할 수 있는 최적의 운동정보를 피드백 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정을 통한 운동 피드백 방법(S100)은, 상술한 운동 피드백 시스템(100)을 이용한 최적의 운동 피드백 정보를 제공하기 위한 방법에 관한 것으로, 대상 이미지 표시 단계(S110), 대상 관절 특정 단계(S120), 신체정보 산출 단계(S130), 자세정보 평가 단계(S140), 관절가동범위 측정 단계(S150) 및 운동 피드백 제공 단계(S160)를 포함한다.
상기 대상 이미지 표시 단계(S110)에서는, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴(10) 상에서 대상자의 스켈레톤 이미지를 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 3차원 깊이 카메라는 정면 또는 측면, 상부 등 여러 대의 카메라가 설치되는 방식으로 구현될 수 있으며, 한 대의 카메라를 두고 대상자가 움직여가면서 측정하는 방식으로 구현될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 실시예에 따른 대상 이미지 표시부(110)에 적용되는 3차원 깊이 카메라는 도 3에 도시된 바와 같은 스테레오 카메라(stereo camera), 도 3에 도시된 바와 같은 ToF(Time-On-Flight) 방식의 카메라, 도 4에 도시된 바와 같은 스트럭처드 패턴(structured pattern) 방식의 카메라 등을 적용할 수 있다.
상기 스테레오 카메라(stereo camera)는 도 3을 참조하면, 두 개의 2차원 이미지 센서를 결합하여 만든 입체 영상으로 일반적인 3차원 깊이 인식 센서 방식이 적용된다. 측정할 대상자와의 거리를 측정하기 위해 한 쌍의 동일한 카메라를 사용하여 카메라들 사이의 시점 불일치를 이용하게 된다. 이러한 접근법에서 두 대의 카메라의 시선 중심은 깊이 측정에 필요한 시차를 생성하기 위해 기준선 또는 IPD(Inter Pupillary Distance)로 구분하며, 일반적으로 카메라의 광학축은 서로 평행하고 원근감이 있는 평면과 직각을 이룰 수 있다. 주어진 피사체 즉 대상자의 거리에 대해 IPD(Inter Pupillary Distance)는 카메라 쌍에 의해 보이는 바와 같이 피사체의 각도 간격 θ를 결정하고, 이에 따라 시차 검출에 중요한 역할을 한다. 보다 효과적인 깊이 차별이 가능하고 작동범위를 규정하며 다양한 피사체 거리에서의 깊이 해상도 한계에도 영향을 미치게 된다.
상기 ToF(Time-On-Flight) 방식은 도 4를 참조하면, 장면을 구성하는 모든 픽셀에 대한 변조된 광 신호의 지연 또는 위상 시프트를 측정하여 이동 시간 정보를 획득한다. 일반적으로 광 신호는 인간의 시력을 방해하지 않도록 스펙트럼의 근적외선 부분에 위치하며, ToF 센서는 각 픽셀이 장면까지의 거리를 결정할 수 있는 픽셀 배열로 구성된다. 또한 각 픽셀은 전송된 신호에 대해 수신된 광 신호의 지연을 측정하며, 상관 함수는 각 픽셀에서 수행되고 평균 또는 적분이 수행된다. 이에 따른 결과 상관 값은 이동 시간 또는 지연은 나타낸다.
상기 스트럭처드 패턴(structured pattern) 방식은 도 5를 참조하면, 구조화된 빛 한 세트의 패턴을 대상에 투사하고 이미지 센서로 결과 이미지를 캡처하는 광학 3차원 스캐닝 방법이다. 구조화된 빛은 입체 시각 센서의 두 번째 이미지 센서를 투영 구성 요소로 대체한다. 입체 시각 기술과 마찬가지로 이러한 접근법은 카메라와 투영기기 간의 분리를 이용해 특정 지점을 찾고 심각 측량 알고리즘을 사용하여 깊이를 계산한다. 이미지 처리 및 삼각 측량 알고리즘은 표면 거칠기로 인한 투영된 패턴의 왜곡을 3차원 정보로 변환한다.
상기 대상 관절 특정 단계(S120)에서는, 대상 이미지 표시부(110)를 이용하여 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 전에 도 2에 도시된 바와 같이 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 다수의 특징점(P), 특징점(P) 중 측정대상에 해당하는 기준점과 각 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 각각 특정하고, 특징점(P)들을 연결하는 연결선(C)을 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 특징점(P)은 스켈레톤 이미지에서 나타나는 각 관절 포인트를 의미하고, 이러한 특징점(P)은 관절가동범위의 측정 시 측정대상이 되는 경우 기준점이 될 수 있으며, 해당 기준점이 특정되는 경우 그 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점으로도 특정될 수 있다. 그리고, 연결선(C)은 서로 인접한 관절을 잇는 선으로 팔 관절 사이, 팔과 팔을 잇는 어깨, 다리 관절 사이, 다리 관절과 고관절, 고관절 사이 등을 연결하는 가상선일 수 있다.
상기 신체정보 산출 단계(S130), 자세정보 평가 단계(S140) 및 관절가동범위 측정 단계(S150)에서는, 대상 이미지 표시 단계(S110)를 통해 특정된 특징점(P), 연결선(C), 격자패턴(10), 인체의 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 스켈레톤 이미지로부터 다양한 신체정보를 산출하며, 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하고, 기준점을 기준으로 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
상기 신체정보 산출 단계(S130)에서는, 특징점(P), 연결선(C), 격자패턴(10), 인체의 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 스켈레톤 이미지로부터 대상자의 신체길이, 각도, 넓이, 비율에 대한 물리적 수치정보와 좌우대칭정보 등을 포함하는 신체정보를 산출할 수 있다.
여기서, 인체의 중력중심은 제2 천추의 수준 바로 앞의 중앙선 위의 지점이다. 또한, 인체의 중력선(line of gravity)은 중력중심을 통과하는 가상의 수직선을 의미한다. 이상적인 자세로 서있는 사람에 대해 작용하는 중력선은 유양돌기(mastoid process), 제2 천추의 전방(second sacral vertebra), 고관절(hip joint) 바로 뒤쪽, 무릎(knee joint), 발목관절(ankle joint), 거퇴관절(talocrural joint)의 앞쪽을 지나간다. 인간의 자세는 척추의 유형에 따라 분류되는데, 인간의 척추는 중력에 대항하여 최적의 효율을 나타내기 위하여 척추만곡을 가지고 있다. 척추만곡은 경추에서는 전만, 흉추에서는 후만, 요추에서는 전만, 천골에서는 후만을 가진다.
그러나, 이러한 척추의 만곡의 변화에 따라 이상자세를 분류한다. 다음은 척추만곡에 따른 자세를 나타내며, 이는 측면에서의 중심선을 이용하여 측정할 수 있다. 허리 뒤쪽을 지나가는 중력선은 허리에 신전 토크를 만들어내 자연스런 요추전만(lordosis curve)을 만들고, 허리 앞쪽을 지나가는 중력은 일정한 굴곡 토크를 만들어낸다. 이는 이상자세의 원인이 된다.
또한, 외적인 토크에 의해 발생된 비정상적인 척추의 만곡은 중력선과 각 척추영역 사이의 상호관계를 변화시켜, 운동 수행력의 저하 및 부상의 원인이 되고 근육, 인대, 뼈, 척추원반, 돌기관절, 척수신경뿌리들에 대한 스트레스의 증가로 손상이 유발될 수 있다.
본 실시예에서는 이러한 중력선(D)과 인체를 좌우로 나눈 중앙선(B)을 이용하여 자세와 운동 시 앞뒤, 좌우의 관절의 비대칭을 측정할 수 있으며, 중력선(D)은 주로 신체의 자세정보를 판단하는데 이용될 수 있다.
또한, 이러한 중력선(D)과 중앙선(B)과 더불어 3차원 깊이 카메라를 통해 생성된 스켈레톤 이미지의 특정점(P), 연결선(C), 격자패턴(10)을 이용하여 신체분절길이를 측정하고, 측정된 좌우 신체분절길이와 높이를 비교하여 비대칭을 확인할 수 있다.
본 실시예에서 측정되는 신체정보는, 신장(다리길이, 몸통길이) 및 머리위치, 목의 길이, 어깨와 흉곽 넓이, 복부와 골반의 넓이, 목과 몸통의 길이, 상완부와 전완부의 길이와 팔 길이, 대퇴부와 하퇴부의 길이와 다리 길이 등의 신체 길이와 넓이, 그리고 Q-angle을 측정할 수 있다. 이러한 물리적 수치는 길이(cm), 각도(°), 넓이(cm2), 비율(%)로 나타낼 수 있다. 이는, 관절가동범위 측정 시 신체의 길이정보를 바탕으로 각 연결점의 움직임 또는 이동 여부를 관찰할 수 있다.
본 실시예에서 측정하는 신체길이의 비대칭이 운동 시 인체에 미치는 영향을 다관절 운동인 스쿼트와 숄더프레스의 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 다관절 운동(스쿼트) 시 길이가 다른 대퇴부와 하퇴부의 차이는 스쿼트 운동시 고관절과 무릎관절, 발목관절은 서로 다른 하중을 받게 한다. 이는 양쪽에서 서로 다른 근력과 유연성이 요구되는 것을 나타낸다. 신장은 동일하나 신체 각부의 길이가 다른 사람이 안정성만을 고려하여 무게(중량)의 중심을 신체의 중력선에 중심을 맞추어 스쿼트 운동을 실시한다면 서로 다른 근육과 관절에 스트레스 또는 발달로 인하여 관절에서는 비대칭이 발생될 수 있다.
또한, 서서 운동하는 상체의 대표적인 어깨운동인 숄더프레스 운동 시 어깨의 높이, 팔의 길이에 차이로 인하여 왼팔과 오른팔의 서로 다른 하중을 받게 된다. 이와 같이 서로 다른 신체의 길이 또는 비대칭은 신체에 비정상적인 스트레스로 작용을 하고, 서로 다른 발달의 형태를 야기시키며, 이는 결국 관절에 문제를 야기시켜 관절가동범위의 비대칭을 발생시키게 된다.
이에 따라, 본 실시예에서는 서로 다른 사지의 길이로 인하여 신체에서 받게 되는 스트레스를 최적화하기 위하여 신체분절의 길이평가를 통하여 최적의 운동을 피드백 할 수 있다.
상기 자세정보 평가 단계(S140)에서는, 중력선(D)과 중심선(D)을 이용하여 스켈레톤 이미지로부터 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 대상자의 자세정보를 산출 및 평가할 수 있다.
인체의 골격은 신체의 근육에 의해 지지되고 움직이는데, 근육이 과소 또는 과부하 상태이거나, 또는 비정상적으로 기능할 때의 자세는 정렬이 잘못된 상태가 될 수 있다. 이러한 근육 불균형은 신체를 부상과 긴장, 통증에 취약하게 만든다, 장시간 사용하지 않으면 자세를 유지하는 근육은 약해지고, 긴장되거나 통증을 유발할 수 있다. 또한, 반복적인 움직임은 근육의 불균형을 일으켜 기능장애 및 보상작용을 초래 할 수 있다.
이상적으로, 신체는 자세의 힘과 지구력을 발달시키기 위하여 균형 잡힌 활동이 필요하다. 올바른 자세의 이점은 관절, 인대, 근육의 올바른 운동뿐만 아니라, 일상적인 활동에서의 부상 및 통증의 위험성을 감소시키기 위해 신체를 최적의 자세로 유지시킨다. 이와 동시에 신체에서는 특정부위가 더 과하게 사용되지 않도록 혹은 보상하지 않도록, 체중의 분포를 분산시킨다. 최적의 정렬에서 최소한의 부하로 신체의 자세를 효율적으로 유지할 수 있다. 이는 움직임으로 영향을 미쳐, 효율적인 움직임을 만들어낸다.
중력선(D)과 중앙선(B)은 신체의 정적 평가인 자세평가를 위해 정확한 기준이 된다. 자세평가를 위해 격자패턴(10), 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 자세를 측정하고 분류한다. 이는 또한, 관절가동범위 측정시 기 측정된 자세평가정보를 바탕으로 확장된 연결점의 움직임 또는 이동여부를 관찰할 수 있다.
본 실시예에서 자세평가를 실시한 뒤에 관절가동범위를 측정하는 이유는 감소된 어깨 외전 동작의 관절가동범위는 해당관절의 문제만이 원인이 되지 않지만, 예를 들어 굽은등 자세(Sway back posture)의 경우 굽은등 자세 또는 일자목 자세로 인하여 어깨의 외전동작의 관절가동범위는 감소하게 되므로, 정확한 자세평가를 통해 대상자의 자세와 관절가동범위의 연관성 또는 상관관계를 판단해야 정확한 관절가동범위를 측정할 수 있다.
본 실시예의 자세정보는 이상적인 자세(Ideal posture), 굽은등 자세 (Sway back posture), 편편등 자세(Flat back posture) 및 후만전만 자세(Kyphotic lordotic posture)로 크게 4가지로 분류한다.
상기 이상적인 자세(Ideal posture)는, 머리는 중립(Neutral), 경추는 정상 만곡(Curve), 흉추는 정상만곡, 약간 후방으로 볼록(Curve), 요추는 정상만곡(Curve), 골반은 중립, 전상장골극과 치골결합이 수직선상에 위치, 고관절은 중립(Neutral), 무릎관절은 중립(Neutral), 발목관절은 중립(neutral)의 성향을 보인다. 이러한 이상적인 자세(Ideal posture)의 특징으로는 척추는 정상만곡(경추전만, 흉추후만, 요추전만)이고, 골반과 하지 관절에서는 굽혀지거나 펴지지 않은 중립상태를 유지한다.
상기 굽은등 자세(Sway back posture)는, 머리는 전방(forward), 경추는 약간 신전(Slightly extended), 흉추는 체간상부의 후방변위가 동반된 증가된 굴곡(긴 척추후만)(increased flexion(long kyphosis) with posterior displacement of the upper trunk), 요추는 요추하부의 굴곡(편편등)(flexion(flattening) of the lowerlumbar area) 골반은 후방경사(Posterior tilt), 고관절은 고관절의 전방변위와 함께 과신전(Hyper extended anterior displacement of the pelvis), 무릎관절은 과신전(Hyperextended), 발목관절은 중립(neutral)의 성향을 보인다. 근육의 특징으로 늘어나고 약해지는 근육은 고관절 굴근(one-hip joint flexor), 외복사근(external oblique), 상부 등(upper back extensor), 목 굴근(neck flexor)이고, 짧아지고 강해지는 근육은 햄스트링(hamstring), 내복사근의 승모근(upper fiber of the internal oblique)이다.
상기 굽은등 자세(Sway back posture)의 특징은 흉추가 과하게 후만되어 있고 골반이 몸의 중앙선보다 앞쪽으로 이동되어 있는 후방경사를 주로 나타내며, 엉덩이가 머리와 몸통보다 앞쪽에 위치해 있고, 무게중심은 엉덩관절 뒤에 위치하기 때문에 무릎관절이 과도한 신전자세를 나타낸다.
상기 편편등 자세(Flat back posture)는, 머리는 전방(forward), 경추는 약간신전(Slightly extended), 흉추 상부는 굴곡증가 하부는 일자(Upper part - increased flexion, Lower part-straight), 요추는 굴곡(일자)(flexed (straight)), 골반은 후방경사(Posterior tilt), 고관절은 신전(Extended), 무릎관절은 신전(Extended), 발목관절은 살짝 족저굴곡(slightly plantar flexion)의 성향을 보인다. 근육의 특징으로 늘어나고 약해지는 근육은 고관절 굴근(One-joint hip flexor)은 짧고 강해지는 근육 햄스트링(hamstring)이다.
상기 후만전만 자세(Kyphoticlodotic posture)는, 머리는 전방(forward), 경추는 과신전(hyperextended), 견갑골은 외전(Abducted) 흉추의 상부는 과굴곡(후만)(increased flexion(kyphosis)), 골반은 전방경사(Anterior tilt), 고관절은 굴곡(Flexed), 무릎관절은 약한 신전(Slightly Extended), 발목관절은 하지가 뒤로 경사지면서 약간 족저굴곡(slightly plantar flexion since to backward inclimation of the leg)의 성향을 보인다. 근육의 특징으로는 늘어나고 약해지는 근육으로 목 굴근(neck flexor), 등윗쪽 척추세움근(upper back elector spinae), 외복사근(external oblique), 햄스트링(hamstring)이 있고, 짧아지고 강해지는 근육으로 목 신전(neck extensor), 고관절 굴근(hip flexors), 허리근육(low back muscles)이 있다. 이러한 후만전만자세(Kyphoticlodotic posture)의 특징은 골반은 전방경사 되고(굽은등은 골반이 전방으로 이동) 허리의 과한 전만으로 인하여 무게중심이 앞으로 이동했기 때문에 흉추에서는 뒤로 이동한다.
본 실시예에서 따른 자세평가를 통하여 자세분류를 실시하는 이유는 다음과 같다.
골격은 신체의 근육에 의해 지지되고 움직인다. 인체의 근육이 과소 또는 과부하 상태이거나, 또는 비정상적으로 기능할 때의 자세는 잘못된 정렬이 이루어 질 수 있다. 이러한 근육 불균형은 신체를 부상과 긴장, 통증에 취약하게 만들며, 장시간 사용하지 않으면 자세를 유지하는 근육은 약해지고, 긴장되거나 통증을 유발할 수 있다. 또한, 반복적인 움직임은 근육의 불균형을 일으켜 기능장애 및 보상작용을 초래 할 수 있다. 이상적으로, 신체는 자세의 힘과 지구력을 발달시키기 위하여 균형 잡힌 활동이 필요하다.
올바른 자세의 이점은 관절, 인대, 근육의 올바른 운동뿐만 아니라, 일상적인 활동에서의 부상 및 통증의 위험성을 감소시키기 위해 신체를 최적의 자세로 유지시킨다. 이와 동시에 신체에서는 특정부위가 더 과하게 사용되지 않도록 혹은 보상하지 않도록 체중의 분포를 분산시킨다. 최적의 정렬에서 최소한의 부하로 신체의 자세를 효율적으로 유지할 수 있다. 이는 움직임으로 영향을 미침으로써 보다 효율적인 움직임을 만들어낸다.
인체의 중력선과 중앙선은 신체의 정적 평가인 자세평가를 위해 정확한 기준이 된다. 따라서, 보다 정확한 자세평가를 위해 격자패턴(10), 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 자세를 측정하고 분류한다. 이는 관절가동범위 측정 시 측정된 자세평가정보를 바탕으로 확장된 연결점의 움직임 또는 이동여부를 관찰하기 위해서이다.
자세평가를 실시한 뒤에 관절가동범위를 측정하는 이유는, 예를 들어 감소된 어깨 외전 동작의 관절가동범위는 해당관절의 문제만이 원인이 되지 않지만, 굽은등 자세(Sway back posture) 또는 일자목 자세로 인하여 어깨의 외전동작의 관절가동범위가 감소할 수 있다. 따라서, 보다 정확한 자세평가를 통해 자세와 관절가동범위의 연관성 또는 상관관계를 판단해야 정확한 관절가동범위를 측정할 수 있다.
상기 관절가동범위 측정 단계(S150)에서는, 기준점을 기준으로 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하되, 특징점 중 기준점과 운동점을 제외한 움직임을 센싱하여 관절가동범위를 재측정하거나, 운동점의 움직임에 대한 각도를 측정된 관절가동범위에서 제외하여 관절가동범위를 보다 정확히 측정할 수 있다. 여기서, 기준점은 특징점 중에서 측정대상이 되는 관절 포인트가 이에 해당될 수 있으며, 운동점은 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 관절 포인트가 이에 해당될 수 있다.
일반적으로, 관절가동범위는 관절의 운동범위를 의미하며 근육의 유연성에 영향을 받는다. 또한, 신체는 하나의 유기체로서 움직임을 발생시키기 위하여 관절과 근육이 상호 보완적인 역할을 수행한다. 따라서, 신체의 움직임 발생 시 조화롭지 못한 움직임 또는 관절의 제한, 근육의 유연성 결여로 인접한 관절 또는 근육에 비정상적인 움직임을 발생시키고, 지속적인 스트레스의 증가는 신체의 비대칭을 유발할 수 있다.
관절의 정상가동범위(Range of motion: ROM)는 능동관절가동범위(Active ROM)와 수동관절가동범위(Passive ROM)로 나눌 수 있다. 수동관절가동범위는 측정자가 수동적으로 고객이나 환자의 관절의 움직임에 도움을 주어 평가하게 되고, 능동관절가동범위는 본인 스스로 가진 힘을 이용하여 만들어 낼 수 있는 움직임 범위를 평가하게 되며, 이러한 평가를 통해 제한된 상태의 관절움직임(Limit of motion: LOM)을 찾아낼 수 있다. 이와 같이, 관절가동범위는 다른 사람에 의해서 움직여 지느냐 스스로의 힘으로 관절을 움직이느냐에 따라 수동적 관절가동범위와 능동적 관절가동범위로 나눠지게 된다.
신체에는 관절의 정상 각도가 정해져 있으며, 각 관절 별 정해진 정상 각도보다 움직임이 작은 관절은 신체 활동 시 부상의 위험이 높고 정상 관절보다 강직성 또는 저운동성(Hypomobile)로 정의될 수 있다. 또한, 정상 관절보다 움직임이 큰 관절도 부상의 위험이 높고, 정상 관절보다 과신전(Hyper extension) 또는 과운동성(Hypermobile)의 형태를 보이게 된다. 신체 전체를 움직이는 운동 예를 들어 단순관절, 다관절 운동, 골프 등에서 움직임이 부족한 관절과 움직임이 과도한 관절의 문제는 정상관절의 움직임에 영향을 주고 부상의 원인이 되며, 운동 시 경기력에 영향을 줄 수 있다.
제한된 관절의 움직임은 보상작용으로 인하여 정상으로 보이기도 한다. 보상작용이 발생한 신체(관절 또는 근육)의 움직임은 운동시 반복적인 손상으로 인하여 관절가동범위의 제한으로 이어진다. 이 문제를 해결하기 위하여 관절가동범위의 정상적인 움직임을 측정하거나 인접한 신체(관절 또는 근육)보상작용을 확인하여 제한된 관절의 기능(관절운동범위 또는 연관 근육의 유연성)을 회복하는 것이 중요하다.
이에 따라 본 실시예를 통해 신체 각 관절의 움직임 범위를 측정하여 저운동성(Hypomobile)과 과운동성(Hypermobile), 정상운동을 구분하고, 자세와 신체의 비대칭이 관절가동범위에 영향을 미치는 것을 사전에 판단하여 보상할 수 있고, 측정 시 다른 관절 또는 근육에서 발생하는 보상작용을 측정하여 신뢰도 높은 관절가동범위를 측정할 수 있다.
기존의 관절가동범위 측정 방법은 각 관절의 움직임 범위만을 측정하였다. 그러나 비정상적인 움직임, 부상 또는 수술 후 재활의 부재, 반복적인 손상 등으로 인한 관절의 가동범위는 줄어들거나 다방향의 움직임 관절(어깨, 고관절, 발목 등)의 경우 한쪽의 움직임이 제한을 받게 된다. 이와 같이, 가동범위의 제한이 있는 관절의 경우 움직임의 부조화로 인접한 관절에서 보상작용을 일으키고, 보상작용에 의한 측정범위는 정상각도로 보여지게 된다.
기존의 관절가동범위 측정 방법은 측정관절 외 다른 신체부위(관절)에서 보상적 움직임이 발생하는데 이를 고려하지 않는 이유에서 정확한 측정이 이루어지지 않는 원인이 있다.
본 실시예에서는, 측정관절 이외에 신체의 다른 부위(근육 또는 관절)에서 보상적 움직임을 측정하여 정확한 관절가동범위를 제공할 수 있다. 이를 위해 격자패턴(10), 중력선(D)과 중앙선(B)을 이용하여 신체의 관절에 특징점(P) 중 기준점과 운동점을 정하고, 기준점의 움직임 또는 중력선과 중앙선의 움직임의 발생여부를 확인하며, 측정관절 외 다른 관절에서 움직임이 발생하면 신체의 보상으로 인식할 수 있다.
신체의 관절에서 발생하는 움직임은 도 7에 도시된 바와 같이, 시상면(Sagittal plane), 관상면(Frontal plane) 및 횡단면(Horizontal plane)에서 움직임이 발생하며, 시상면에서는 굴곡과 신전운동이 발생하고, 관상면에서는 외전과 내전운동이 발생하며, 횡단면에서는 복합운동인 회전과 회선운동이 발생할 수 있다. 시상면에서의 움직임은 중력선을 이용하여 신체의 측면에서 관절가동범위를 측정하고, 관상면에서의 움직임은 중앙선을 이용하여 측정하며, 횡단면에서의 움직임은 중력선과 중앙선을 이용할 수 있다.
본 실시예에 따른 관절가동범위 측정 단계(S150)는 3가지 방식을 통해 관절가동범위를 측정할 수 있으며, 이하에는 설명의 편의를 위해 상기한 3가지 방식을 제1 측정방식, 제2 측정방식 및 제3 측정방식으로 구분하여 설명한다.
우선, 도 8을 참조하여 고관절의 가동범위 측정에 대한 제1 측정방식에 대하여 설명한다.
우선, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 이용하여 격자패턴(10) 상에 대상자에 대한 스켈레톤 이미지를 생성하고, 각 관절에 특징점(P)을 특정하고, 신체관절의 특징점(P)을 바탕으로 도 8에 도시된 바와 같이 기준점 A1, 운동점 A2-1 등을 각각 특정하고, 측정대상의 관절에서 확장(인접) 연결된 연결점들을 확인하고, 중력선(B1)을 이용하여 신체 각부의 길이정보와 자세분류 등을 확인 평가한 후 고관절에 대한 관절가동범위를 측정한다.
이때, 특징점(P) 중 기준점(A1)으로부터 각 연결선을 통해 확장 연결되며 운동점 A2-1을 제외한 제1 연결점의 움직임, 및 중력선(B1) 또는 중심선(미도시)의 이동 중 적어도 하나를 센싱하는 경우 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
고관절의 굴곡운동 가동범위의 측정 시 정상적인 관절가동범위의 측정평가는 중력선(B1)을 이용하고, 시상면에서의 움직임을 평가하게 되는데, 이때 정상적인 고관절의 가동범위는 약 125도이다.
그러나, 도 8의 (a)에 도시된 고관절 가동범위 측정 시 고관절의 기준점인 A1에서 확장 연결된 제1 연결점(오른쪽무릎관절과 척추관절)에서 움직임이 발생하였으므로, 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
이와 같이 고관절 가동범위 측정 시 보상작용이 발생되는 첫 번째 원인으로, 약화된 고관절 굴곡근의 근력 또는 부족한 대퇴이두근과 대둔근의 유연성 그리고 관절의 미세손상, 비대칭, 불균형, 유착 등에 의한 것으로 추정된다.
다음, 고관절의 가동범위 측정에 대한 제2 측정방식에 대하여 설명한다.
상기 제2 측정방식은, 관절가동범위의 측정 시 특징점(P) 중 기준점 A1으로부터 연결선을 통해 연결되며 기준점 A1과 인접한 제2 연결점의 움직임을 센싱하는 경우, 운동점 A2-1의 움직임에 의해 발생되는 제1 각도와 제2 연결점의 움직임에 의해 발생되는 제2 각도를 각각 계산하고, 제1 각도에서 상기 제2 각도를 감산하여 관절가동범위를 측정할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 도 8의 (a)에 도시된 고관절 굴곡 동작에서와 같이 기준점 A1과 운동점 A2-1은 약 110도 정도를 움직임이 발생하여 정상적인 고관절 가동범위가 측정된 것처럼 보이지만, 실제 고관절에서 움직임이 발생한 각도는 기준점 A1과 운동점 A2-1의 각도에서 신체의 중력선(B1)과 해당 중력선(B1)이 이동하여 형성되는 중력선(B2)에 의한 보상각을 제외하여야 도 8의 (b)에 도시된 고관절 굴곡운동의 움직임 각도의 범위가 정확히 계산될 수 있다.
이와 같이 고관절 가동범위 측정 시 보상작용이 발생되는 두 번째 원인으로, 상부 복직근의 수축으로, 척추의 굴곡 보상을 일으켜 굽은등을 유발하여 가동범위가 증가된 것으로 추정된다.
다음, 제3 측정방식은 관절가동범위의 측정 시, 특징점(P) 중 기준점 A1으로부터 연결선을 통해 연결되며 운동점(A2-1)과 인접한 사지말단의 관절에 해당하는 제3 연결점 A2-2의 움직임을 센싱하는 경우 관절가동범위를 재측정할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 고관절 굴곡의 관절가동범위는 기준점 A1과 인접한 관절(무릎)의 운동점 A2-1를 측정해야 얻을 수 있으나, 운동점 A2-1과 연결된 사지말단의 관절 포인트인 제3 연결점 A2-2의 움직임(발목 배측굴곡)으로 인해 관절가동 범위가 증가된 것으로 추정되며, 이는 정확한 고관절 굴곡의 관절가동범위 측정이 아니기 때문에 이러한 경우 재측정을 실시할 수 있다.
다음, 도 9를 참조하여 견관절의 가동범위 측정에 대한 제1 측정방식에 대하여 설명한다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 견관절 외전운동 가동범위 측정 시 정상적인 가동범위측정의 평가는 정면에서 중앙선(D1)을 이용하고, 관상면에서의 움직임을 평가할 수 있다. 이때, 견관절의 정상가동범위는 약 180도이다.
그러나, 실제 측정 결과 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 견관절 기준점인 A1에서 확장 연결된 승모근(보상1)과 이로 인한 기준점 A1의 상승 그리고 신체 중심축인 중앙선 D1이 D2로의 이동에 따른 움직임이 발생하였으므로 재측정을 실시할 수 있다.
이와 같이 견관절의 가동범위 측정 시 보상이 발생하는 첫 번째 원인으로는 약화된 견관절 외전근 또는 부족한 광배근의 유연성 그리고 관절의 미세손상, 비대칭, 불균형, 유착 등에 의해 발생을 하고, 이에 따라 상부에 인접한 승모근의 수축을 발생시켜 견갑골이 상승(Elevation)하는 보상을 발생시킨 것으로 추정된다.
다음, 견관절의 가동범위 측정에 대한 제2 측정방식에 대하여 설명한다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 어깨외전 동작에서 중앙선 D1을 기준으로 기준점 A1과 운동점 A2는 90도 각도의 움직임이 발생한 것처럼 보이지만, 실제 어깨에서 움직임이 발생한 각도는 기준점 A1과 운동점 A2-1의 각도에서 신체의 중심선 D1과 해당 중심선이 이동하여 형성되는 D2의 각도를 제외함으로써, 좌측 어깨 외전 관절가동범위 즉 실제 기준점 A1과 운동점 A2-1에 대한 움직임 범위와 그에 따른 견관절 가동범위를 정확히 측정할 수 있다.
이와 같이 견관절의 가동범위 측정 시 보상이 발생하는 두 번째 원인으로는 부족한 어깨 외전이 신체의 중심을 우측으로 이동시켜 보상작용이 발생한 것으로 추정된다.
다음, 견관절의 가동범위 측정에 대한 제3 측정방식에 대하여 설명한다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 어깨 외전에 대한 정확한 관절가동범위는 기준점 A1과 인접한 관절(팔꿈치)의 운동점 A2-1를 측정해야 한다. 그러나, 운동점 A2-1과 연결된 사지말단의 관절 포인트인 연결점 A2-2의 움직임(팔꿈치의 굴곡)으로 인해 관절가동범위는 증가된 것처럼 보이며, 이는 정확한 어깨의 관절가동범위 측정이 아니므로, 재측정을 실시할 수 있다.
이와 같이 견관절의 가동범위 측정 시 보상이 발생하는 세 번째 원인으로는 감소된 관절가동범위를 도와주기 위한 사지말단인 연결점 A2-2의 움직임이 발생하여 신체의 비대칭을 유발하고 가동범위를 증가시킨 것으로 추정된다.
상기 운동 피드백 제공부(130)는 측정된 신체정보, 자세정보와 관절가동범위에 기초한 운동추천정보를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 운동 피드백은 저운동 관절에 운동범위에 맞추어 운동을 실시하거나 과운동 범위 관절은 정상관절의 운동범위에 맞추어 제공한다. 이와 같이 정상 운동범위에 기준 맞추어 운동을 실시해야 부상 및 통증의 위험을 줄일 수 있다. 과운동성의 경우 느슨한 관절을 안정화(stable)시키고, 저운동성의 경우 강직성인 관절의 가동성(mobility)으로 바꾸어줄 수 있다.
한 개 이상의 관절 움직임을 포함하는 복합관절 운동시 관절 가동범위는 모두 정상범위의 가동성을 가져야 한다. 예를 들어, 스쿼트 운동시 고관절과 무릎관절 그리고 발목관절 등 3개의 관절의 움직임이 발생하게 된다. 스쿼트 운동시 3개의 관절 중 1개의 움직임이 70%의 가동성을 가지고, 나머지 두 개의 관절은 100%의 가동성을 가진 상태에서 70%의 움직임보다 큰 범위의 운동을 실시한다면 좌우 대칭은 물론 70%의 가동성을 가진 관절은 비정상적인 스트레스를 받게 된다.
이에 대한 해결방법으로 본 실시예에서는, 운동 전 신체정보와 자세정보를 확인 평가하고, 측정 시 보상작용 등을 고려하여 보다 정확한 관절가동범위를 측정함으로써, 관절가동범위의 비대칭을 확인하고, 가동범위가 작은 관절에 움직임 범위에 맞춘 운동을 실시해야 안전한 운동을 실시할 수 있는 최적의 운동정보를 피드백 할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 운동 피드백 제공 시스템
110: 대상 이미지 표시부
120: 정보 처리부
121: 신체정보 산출부
122: 자세정보 평가부
123: 관절가동범위 측정부
130: 운동 피드백 제공부
S100: 운동 피드백 제공 방법
S110: 대상 이미지 표시 단계
S120: 대상 관절 특정 단계
S130: 신체정보 산출 단계
S140: 자세정보 평가 단계
S150: 관절가동범위 측정 단계
S160: 운동 피드백 제공 단계
10: 격자패턴
P: 특정점
A1: 기준점
A2: 운동점
C: 연결선
B: 중력선
D: 중심선

Claims (14)

  1. 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴 상에서 대상자의 정면 및 측면에 대한 스켈레톤 이미지를 각각 형성하고, 상기 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 특징점, 상기 특징점 중 측정대상에 해당하는 기준점, 및 상기 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 각각 상기 격자패턴 상에서 특정하고, 상기 특징점을 연결하는 연결선을 각각 상기 격자패턴 상에서 생성하는 대상 이미지 표시부; 및
    상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 신체정보를 산출하며, 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하고, 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 정보 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 정보 처리부는,
    상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 상기 중력선 및 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 대상자의 신체의 길이, 각도, 비율에 대한 물리적 수치정보와 좌우대칭정보를 포함하는 상기 신체정보를 산출하는 신체정보 산출부;
    상기 중력선과 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 상기 자세정보를 산출 및 평가하는 자세정보 평가부; 및
    상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 관절가동범위 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정부는,
    상기 관절가동범위 측정 시 상기 특징점 중 상기 기준점과 상기 운동점을 제외한 움직임을 센싱하여 관절가동범위를 재측정하거나, 상기 움직임에 대한 각도를 측정된 관절가동범위에서 제외하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정부는,
    관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 확장 연결되며 상기 운동점을 제외한 제1 연결점의 움직임, 및 상기 중력선 또는 상기 중심선의 이동 중 적어도 하나를 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정부는,
    관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 기준점과 인접한 제2 연결점의 움직임을 센싱하는 경우, 상기 운동점의 움직임에 의해 발생되는 제1 각도와 상기 제2 연결점의 움직임에 의해 발생되는 제2 각도를 각각 계산하고, 상기 제1 각도에서 상기 제2 각도를 감산하여 관절가동범위를 측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정부는,
    관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 운동점과 인접한 사지말단의 관절에 해당하는 제3 연결점의 움직임을 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 신체정보, 상기 자세정보와 상기 관절가동범위에 기초한 운동추천정보를 제공하는 운동 피드백 제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 시스템.
  8. 대상 이미지 표시부가, 3차원 깊이 카메라의 이미지 프로세싱을 통해 일정한 단위길이와 좌표값을 갖는 격자패턴 상에서 대상자의 정면 및 측면에 대한 스켈레톤 이미지를 형성하는 대상 이미지 표시 단계;
    상기 대상 이미지 표시부가, 상기 스켈레톤 이미지에서 대상자의 관절에 해당하는 특징점, 상기 특징점 중 측정대상에 해당하는 기준점 및 상기 기준점을 기준으로 움직이는 관절에 해당하는 운동점을 각각 상기 격자패턴 상에서 특정하고, 상기 특징점을 연결하는 연결선을 각각 상기 격자패턴 상에서 생성하는 대상 관절 특정 단계;
    정보 처리부가, 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 신체정보를 산출하는 신체정보 산출 단계;
    상기 정보 처리부가, 상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 인체의 중력선과 중심선을 이용하여 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 자세정보를 평가하는 자세정보 평가 단계; 및
    상기 정보 처리부가, 상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 관절가동범위 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 신체정보 산출 단계는,
    상기 특징점, 상기 연결선, 상기 격자패턴, 상기 중력선 및 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 대상자의 신체의 길이, 각도, 비율에 대한 물리적 수치정보와 좌우대칭정보를 포함하는 상기 신체정보를 산출하고,
    상기 자세정보 평가 단계는,
    상기 중력선과 상기 중심선을 이용하여 상기 스켈레톤 이미지로부터 미리 설정된 자세분류 기준에 따라 상기 자세정보를 산출 및 평가하고,
    상기 관절가동범위 측정 단계는,
    상기 기준점을 기준으로 상기 운동점의 움직임을 추적하여 관절가동범위를 측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정 단계는,
    상기 관절가동범위 측정 시 상기 특징점 중 상기 기준점과 상기 운동점을 제외한 움직임을 센싱하여 관절가동범위를 재측정하거나, 상기 움직임에 대한 각도를 측정된 관절가동범위에서 제외하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정 단계는,
    관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 확장 연결되며 상기 운동점을 제외한 제1 연결점의 움직임, 및 상기 중력선 또는 상기 중심선의 이동 중 적어도 하나를 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정 단계는,
    관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 기준점과 인접한 제2 연결점의 움직임을 센싱하는 경우, 상기 운동점의 움직임에 의해 발생되는 제1 각도와 상기 제2 연결점의 움직임에 의해 발생되는 제2 각도를 각각 계산하고, 상기 제1 각도에서 상기 제2 각도를 감산하여 관절가동범위를 측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 관절가동범위 측정 단계는,
    관절가동범위의 측정 시, 상기 특징점 중 상기 기준점으로부터 상기 연결선을 통해 연결되며 상기 운동점과 인접한 사지말단의 관절에 해당하는 제3 연결점의 움직임을 센싱하는 경우 상기 관절가동범위를 재측정하는 것을 특징으로 하는 신체정보, 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    운동 피드백 제공부가, 상기 신체정보, 상기 자세정보와 상기 관절가동범위에 기초한 운동추천정보를 제공하는 운동 피드백 제공 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신체정보 자세정보 및 관절가동범위 측정 방법.
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