KR102202919B1

KR102202919B1 - 평형감각 측정장치를 이용한 평형검사 시스템

Info

Publication number: KR102202919B1
Application number: KR1020190000081A
Authority: KR
Inventors: 김기선
Original assignee: 주식회사 비엠이코리아
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2021-01-14
Also published as: KR20200084101A

Abstract

본 발명은 평형검사 시스템에 관한 것으로 보다 구체적으로는 인체 평형검사를 수행하기 위한 평형검사 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 평형감각을 측정하기 위한 평형감각 측정장치를 포함하고, 이 평형감각 측정장치는, 몸체 케이스 및 몸체 케이스의 상부에서 배치되고 복수의 압력 센서를 구비한 압력 매트를 포함하고, 압력 매트는 상기 몸체 케이스 내부에서 전후 방향으로 회전하는 회전축에 고정되어 회전축을 중심으로 회전가능하게 구성된다.

Description

평형감각 측정장치를 이용한 평형검사 시스템{EQUILIBRIUM SENSES MEASURING DEVICE AND EQUILIBRIUM INSPECTION SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 평형검사 시스템에 관한 것으로 보다 구체적으로는 인체 평형검사를 수행하기 위한 평형검사 시스템에 관한 것이다.

도 1은 종래의 균형 감각에 기여하는 3가지 감각 기관, 즉 시각감각계, 전정감각계, 체성감각계의 기능을 형가하기 위한 장치를 나타낸다. 통상적으로 평형검사 방법으로는 도 1에 도시한 바와 같은 장치에서 먼저 압력 매트 위에 피험자가 눈을 뜬 상태로 20초 동안 서 있는 자세를 수행하고, 그 후 20초 동안 눈을 감고 서 있는 자세를 수행하고, 평형검사 소프트웨어에서는 40초 동안 측정된 인체 압력 중심 궤적 데이터를 이용하여 인체 평형검사를 수행한다.

인체 평형과 관련된 감각기관은 시각, 전정 및 체성 감각계가 관여하고 있으며, 기존 시스템(Sensory Organization Test)은 총 6개의 조건으로 실험을 수행하여 각 조건마다 3회의 실험을 반복 수행하며, 각 실험 마다 약 10분 이상의 시간이 소요되어 평형감각 측정을 위해 많은 시간이 소요된다.

이때 이용되는 각 조건은

1. 눈뜨고 가만히 서있기,

2. 눈 감고 가만히 서있기,

3. 움직이는 벽면에서 가만히 서있기,

4. 움직이는 발판에서 눈뜨고 가만히 서있기,

5. 움직이는 발판에서 눈감고 가만히 서있기,

6. 움직이는 발판, 움직이는 벽면에서 가만히 서있기

의 실험으로 구성된다.

1번과 2번 실험을 통하여 체성 감각계가 기여하는 정도를 판단할 수 있으며, 1번과 4번의 실험을 이용하여 시각에 대한 평형 능력을 평가할 수 있다.

또한, 1번과 5번을 이용하여 전정계가 하는 역할을 검사할 수 있으며, 각 조건마다 1번 실험 결과를 정규화(나누어 줌)하여 각 감각계의 점수를 도출한다.

기존 기술의 한계점은 장치가 너무 커서 넓은 공간을 필요로 하며, 장치 비용이 너무 비싸고, 또한 각 조건별 개별로 분석해서 정확한 분석이 이루어지지 않는 문제점이 있다(이는 인체 균형은 3가지 감각계가 동시에 상호작용하면서 이루어지기 때문이다). 또한 평형감각 측정을 위한 실험 시간이 많이 소요되며, 많은 실험 조건이 있기 때문에 실험 오류의 가능성도 그 만큼 높아지는 문제점이 있다.

특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1076935호 특허문헌 2: 대한민국 등록특허공보 제10-0921513호

본 발명은 전술한 문제점에 기반하여 이루어진 발명으로 종래에 비해 하드웨어적으로 간단한 평형감각 측정장치를 제공하고, 또한 평형감각 측정 시간 역시 단축된 평형검사 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1 양태에 따르면, 평형감각을 측정하기 위한 평형감각 측정장치가 제공되는데, 이 평형감각 측정장치는, 몸체 케이스 및 몸체 케이스의 상부에서 배치되고 복수의 압력 센서를 구비한 압력 매트를 포함하고, 압력 매트는 상기 몸체 케이스 내부에서 전후 방향으로 회전하는 회전축에 고정되어 회전축을 중심으로 회전가능하게 구성되어 있다.

전술한 제1 양태에서 상기 복수의 압력 센서는 센서 로우 및 센서 컬럼으로 이루어지고, 평형감각 측정장치는 제어부를 더 포함하고, 센서 로우로부터의 압력 데이터는 멀티플렉서를 통해 제어부로 입력되고, 센서 컬럼으로부터의 압력 데이터는 아날로그-디지털 컨버터를 통해 제어부로 입력된다.

또한 전술한 제1 양태에서 제어부는 외부의 평형감각 분석장치와 통신하기 위한 통신 모듈을 더 포함하고, 상기 센서 로우 및 센서 컬럼으로부터 입력되는 압력 데이터는 통신 모듈을 통해 평형감각 분석장치로 송신된다.

또한 전술한 제1 양태에서 평형감각 측정장치는 상기 회전축에 연결되는 모터를 더 포함하고, 제어부는 모터의 회전량을 제어하기 위한 모터전류 제어소자를 더 포함하고, 제어부는 외부의 평형감각 분석장치로부터의 기울림 각도 θ를 통신모듈을 통해 수신하면 상기 기울림 각도 θ에 대응하여 상기 모터의 회전량을 결정하도록 구성된다.

또한 전술한 제1 양태에서 제어부는 상기 멀티플렉서를 이용하여 센서로우로부터의 첫번째 라인(k=1)에 전압을 인가하고, 첫번째 라인에 전압이 인가된 상태에서 센서 컬럼으로부터의 디지털 전압 신호를 수신하여 저장하고, 센서로우의 마지막 라인(n)까지 순차적으로 이를 반복하도록 구성된다.

또한 전술한 제1 양태에서 압력센서는 2핀 FSR 센서이고, 복수의 FSR 센서의 제1 핀은 세로 열로 서로 연결되어 센서 로우를 형성하고, FSR의 제2 핀은 가로 열로 서로 연결되어 센서 컬럼을 형성한다.

또한 전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제2 양태에 따르면, 전술한 어느 하나의 평형감각 측정장치를 포함하는 평형검사 시스템이 제공된다. 이 시스템은 평형감각 측정장치로부터 수신되는 디지털 전압 압력 데이터에 기반하여 피험자의 평형감각을 분석하는 평형감각 분석장치를 포함하고, 평형감각 분석장치는 아래의 조건 1 내지 조건 4 :

조건 1: 바닥이 평편한 상태에서 눈뜨고 발바닥 압력 분포 측정

조건 2: 바닥이 평편한 상태에서 눈감고 발바닥 압력 분포 측정

조건 3: 바닥을 몸의 기울림 θ에 대응하여 기울이면서 눈뜨고 발바닥 압력 분포 측정

조건 4: 바닥을 몸의 기울림 θ에 대응하여 기울이면서 눈감고 발바닥 압력 분포 측정에 기반하여 피험자의 평형감각을 분석하도록 구성된다.

또한 전술한 제2 양태에서 상기 평형감각 분석장치는, 조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 COP를 각각 계산하도록 구성되고, COP는 압력 매트로부터의 수신되는 압력 값에 기반하여 다음의 식

에 의해 구해진다.

또한 전술한 제2 양태에서, 상기 평형감각 분석장치는,

조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 몸의 COG의 기울어짐 각도 θ를 계산하고, 기울어짐 각도 θ는 다음의 식:

에 의해 구해진다.

또한 전술한 제2 양태에서 평형감각 분석장치는,

조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 θmax 및 θmin을 계산하고, 상기 θmax 및 θmin에 기반하여 조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 평형점수 EQ(Equillibrium)를 다음의 식:

에 의해 구하도록 구성된다.

또한 전술한 제2 양태에서 상기 평형감각 분석장치는, 조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 평형점수 EQ에 기반하여, 피험자의 SOM(Somatosensory) 점수, VIS(Vision) 점수, VEST(Vestibular) 점수를 계산하되,

SOM 점수 = 조건2의 평형점수(EQ2) / 조건1의 평형 점수(EQ1)

VIS 점수 = 조건3의 평형점수(EQ3) / 조건1의 평형 점수(EQ1)

VEST 점수 = 조건4의 평형점수(EQ4) / 조건1의 평형 점수(EQ1)

로 정의된다.

본 발명에 따르면 종래에 비해 컴팩트한 크기를 가진 평형감각 측정장치 및 평형검사 시스템을 제공할 수 있고 또한 평형감각 측정 시간 역시 4회의 실험만을 필요로하여 종래에 비해 검사 시간이 크게 단축된 평형검사 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 평형감각 측정장치 및 그 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치 및 그 시스템을 도시한 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 외부 형태를 도시한 도면.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 압력 센서 배치를 예시적으로 나타낸 도면.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 압력 센서들의 상호 연결을 나타낸 도면.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 내부 구성을 나타낸 횡단면.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 내부 구성을 나타낸 종단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치의 복수의 압력 센서로부터 압력 데이터를 수신하는 프로세스를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 평형감각 측정장치와 평형감각 분석장치 사이에서의 상호 연결을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 평형감각 측정 방법을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 평형감각 측정장치를 이용하여 평형감각 점수를 계산하는 전체 흐름을 나타낸 흐름도.
도 9는 복수의 압력 센서의 고장 여부를 진단하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10a 내지 도 10d는 평형감각 측정장치를 이용하여 조건 1 내지 조건 4에서의 처리 흐름을 보다 구체적으로 나타낸 도면.
도 11은 COP, COG, 기울림 각도 및 평형점수를 설명하기 위한 설명도.
도 12는 도 11에서 설명한 COP, COG를 이용하여 기울림 각도를 구하는 것을 설명하는 설명도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 평형검사 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 평형검사 시스템은 사용자의 평형감각을 측정하는 평형감각 측정장치(100) 및 평형감각 측정장치(100)에 연결되어 평형검사 측정장치로부터 출력되는 신호를 분석하여 피험자의 평형감각을 평가하기 위한 평형감각 분석장치(200)를 포함한다.

평형감각 측정장치(100)는 피험자가 올라설 수 있도록 평편한 표면을 가지며, 피험자가 올라선 경우 피험자의 발바닥으로부터 전달되는 압력을 측정하고 측정된 압력을 평형감각 분석장치(200)에 전달하고 평형감각 분석장치(200)는 전달된 압력 신호를 분석하여 피험자의 평형감각을 분석하고 이를 평가한다.

도 2a는 평형감각 측정장치(100)의 외부 구성을 나타내는 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 평형감각 측정장치(100)는 측정 장치의 내부 구성요소을 둘러싸는 케이스(110) 및 케이스(110)의 상부에서 피험자의 전후 방향으로 축회전가능하게 형성된 압력 매트(120)을 포함한다.

도 2b는 전술한 바와 같이 압력 매트(120)의 구성을 세부적으로 나타낸 도면이다. 도 2b에 도시된 바와 같이 압력 매트(120)는 복수의 압력 센서(121)를 포함한다. 압력 센서의 배치는 도 2b의 (a)에 도시된 바와 같이 피험자의 발에 대략적으로 맞춰 왼발과 오른발이 분리된 형태의 배치를 갖거나 도 2b의 (b)에 도시된 바와 같이 압력 매트(120) 상에 일정한 간격으로 부착된 형태의 배치를 가질 수 있다.

당업자에게 자명하지만 도 2b의 (a)에 도시된 바와 같이 왼발과 오른발이 분리된 형태의 배치는 족부 압력이 측정되는 영역에만 압력 센서가 부착되기 때문에 도 2b의 (b)에 도시된 압력 센서 배치에 비해 비용을 절감할 수 있다라는 효과가 얻어질 수 있다.

또한 도 2b의 (a)에 도시된 바와 같은 압력 센서 배치 형태에서는 피험자의 족압을 보다 정밀하게 측정하기 위해 매트 상에 발 중심 맞춤선과 발 외측 맞춤선과 같은 안내 라인이 더 형성될 수도 있다.

또한 도 2b의 (a)에 도시된 바와 같은 압력 센서가 왼발과 오른발이 분리된 형태의 배치는 족부 압력이 측정되는 영역에만 압력 센서가 부착되기 때문에 도 2b의 (b)에 도시된 압력 센서 배치에 비해 비용을 절감할 수 있다라는 효과가 얻어질 수 있다.

한편 양자의 압력 매트 모두에 이용되는 압력 센서는 사용자의 발바닥으로부터의 압력을 측정할 수 있는 모든 종류(예: Force sensitive resistor sensor, piezo-resistive pressure sensor 등)의 센서가 공통으로 이용될 수 있다.

도 2c는 전술한 바와 같이 설명한 압력 매트(120)에 배치되는 압력센서(121)의 배치를 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 예시된 압력센서(121)는 2핀 FSR 센서 이고, 복수의 압력센서(121)의 FSR의 제1 핀은 세로 열로 서로 연결되어 센서 로우를 형성하고, FSR의 제2 핀은 가로 열로 서로 연결되어 센서 컬럼을 형성하고 있다. 센서 로우는 멀티플렉서로 연결되어 제어부(1200)로 출력되고 센서 컬럼은 차례대로 제어부(1200)로 출력된다.

다음으로 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 평형감각 측정장치(100)는 케이스(110)의 내부에 실장된 구성요소에 대해 설명한다. 도 3a는 도 2a에서 Y-Y' 라인을 따라 취해진 단면도이고 도 3b는 도 2a에서 X-X' 라인을 따라 취해진 단면도이고, 도 3b는 매트의 회전 샤프트와 모터의 연결을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이 평형감각 측정장치(100)는 케이스(110), 케이스 상부에 장착되는 압력 매트(120), 압력 매트 하부에 압력 매트와 함께 축회전하도록 고정된 회전 샤프트(1120), 회전 샤프트(1120)를 회전시키기 위한 모터(1100), 및 모터(1100)의 운동을 제어하기 위한 제어부(1200)를 포함한다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 모터(1100)는 복수의 기어들을 통해 회전 샤프트(1120)에 연결되어 있기 때문에 모터가 회전하면 모터의 회전방향과 동일하게 압력 매트(120)가 회전하게 된다. 모터는 제어부(1200)의 제어하에서 압력센서들로부터 수신되는 압력값을 수신하고 평형감각 분석장치(200)로부터 계산되어 수신되는 기울림 각도(θ) 만큼 모터를 제어하여 압력 매트의 발판(123)을 기울리도록 동작한다.

도 4는 평형감각 측정장치(100)의 제어부(120)의 내부 구성을 나타낸 도면이다. 제어부(1200)는 회전 및 센서 로우 및 센서 컬럼으로부터의 측정된 압력 전압을 저장하고 저장된 압력 전압을 평형감각 분석장치(200)로 전달한다.

구체적으로 제어부(1200)는 센서 로우와 연결되는 멀티플렉서(1210), 센서 컬럼에 연결되어 센서 컬럼에서 측정된 전압의 노이즈 및 신호를 강화하는 OP-앰프(1220), OP-앰프(1220)로부터의 아날로그 출력을 받아 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터(1230), 멀리플렉서(1210)와 AD 컨버터(1230)로부터의 신호를 수신하는 중앙처리부(MCU)(1240), 외부의 평형감각 분석장치(200)와 연결하기 위한 USB 통신 모듈(1260), MCU(1240)의 데이터 처리 및 기억 용량을 증가시키기 위한 램(1270), 모터에 공급되는 전류를 제어하기 위한 모터 전류 제어소자(1250)를 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이 센서 로우로부터의 신호 출력은 멀티플렉서(1210)를 거쳐 MCU(1240)로 입력되고 센서 컬럼으로부터의 신호 출력은 OP 앰프(1220) 및 A-D 컨버터(1230)을 통해 MCU로 입력된다. 센서로우 및 센서컬럼으로부터의 신호 처리는 도 5의 처리 흐름으로 수행된다.

도 5에 도시된 바와 같이 N개의 센서가 사용된 경우, 센서 로우로부터의 출력은 k=1,2,3...,N을 포함한다. 따라서 MCU는 먼저 단계 S100에서 센서 로우의 수를 k=1로 초기화 한다. 이어서 단계 S110에서 MCU는 멀티플렉서를 통해 센서 로우의 k번째 라인에 전압을 입력한다. 최초의 경우 k=1(제1 센서 로우)에 전압이 인가되고 이후 단계 S120에서와 같이 센서 컬럼으로부터의 OP 앰프 및 AD 컨버터를 거쳐 입력되는 디지털 전압 신호를 수신하고 단계 S130에서는 K=1번째 센서 로우에 대한 센서 컬럼의 디지털 전압 신호를 메모리(1270)에 저장하고, 이단계 S140에서 K=N이 될 때까지 이 과정을 반복한다. 한편 단계 S140에서 K=N이 아닌 경우에는 단계 S160으로 진행되어 다음의 센서 로우로 진행하여 단계 S110 내지 단계 S140을 반복하게 되고, 단계 S140에서 K=N의 조건을 만족하면 단계 S150으로 진행되어 저장된 전체 디지털 압력 신호가 통신 모듈(1260)을 통해 평형감각 분석장치(200)로 보내진다.

즉 센서 컬럼에서는 한 줄의 센서 로우에 전압이 공급되어질 때마다 전체 열의 센서 전압이 AD 컨버터를 사용하여 측정되고, 한 줄의 센서 로우에서 전압이 공급될 때, 다른 센서 컬럼에서는 전압이 공급되지 않으므로 전압이 공급되는 센서 로우에 연결되는 센서들만 동작하게 된다.

도 6은 평형감각 측정장치(100)에서의 구성요소들간의 상호연결 관계를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 압력 센서들(121)은 전술한 바와 같이 MCU(1240)는 멀리플렉서(1210)의 센서 로우에 차례대로 전압을 인가하고 센서 컬럼으로부터의 압력 신호를 디지털 변환하여 메모리(1270)에 저장하고 전체 압력 전압이 스캐닝되면 이를 통신 모듈(1260)을 통해 평형감각 분석 장치(200)로 전송한다.

평형감각 분석장치(200)는 수신된 디지털 압력 신호에 기반하여 기울림 각도θ를 계산하여 특정 조건에서(조건 3 및 조건 4, 이하에 보다 상세히 설명됨) 이를 다시 통신모듈(1260)을 통해 MCU(1240)로 전달하고, MCU(1240)은 수신된 기울림 각도θ에 대응하여 모터전류 제어소자(1250)을 제어하여 전기 모터(1110)을 구동시키켜 기울림 각도 θ만큼 압력 매트를 기우린다. 기울림 각도 θ에 대해서는 이후 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 7은 전술하여 설명한 평형감각 측정장치(100)를 이용하여 평형감각 측정방법을 설명하기 위한 설명도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 평형감각 측정방법은,

조건 4: 바닥을 몸의 기울림 θ에 대응하여 기울이면서 눈감고 발바닥 압력 분포 측정

을 포함한다.

피험자는 전술한 바와 같은 평형감각 측정장치(100)에서 전술한 조건1 내지 조건 4에 따라 평형검사를 수행하는데, 각각의 조건별로 측정 시간은 1분이고, 따라서 총 4분의 시간이 필요하다. 또한 조건 3 및 조건 4에서 압력 매트의 경사각도 또는 기울림 각도 θ는 테스트 중인 피험자의 무게 중심이 변화됨에 따라 그에 대응하여 연속적으로 변화된다.

이를 통해 평가되어질 수 있는 인체의 감각계는, 체성감각계(Somatosensory (SOM)), 시각감각계(Vision(VIS)), 전정감각계(Vestibular(VEST))를 포함한다. 또한 본 발명에서 이들 3가지 감각계는 모두 0점 ~ 100점 사이에서 평가된다.

도 8은 전술한 바와 같이 설명한 평형감각 측정장치(100)를 포함하는 평형검사 시스템에서의 전체 평형감각 측정 및 평가 흐름을 나타내는 흐름도이다.

먼저 단계 S200에서 평형검사 시스템의 평형감각 분석장치(200)에서 시스템을 초기화한다. 이 초기화를 통해 측정인은 새로운 피험자에 대한 평형검사 측정을 시작할 수 있다. 시스템 초기화 단계에서는 평형감각 측정장치(100)에 이용되는 센서의 고장 여부를 체크하는 단계를 더 포함한다.

도 9의 (a) 내지 (c)는 센서 고장 유무를 확인하기 위한 방법을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 복수의 압력 센서를 이용하는 경우 특정 센서가 고장나 있는 경우 이를 확인하는 것이 매우 곤란하다. 이런 센서 고장 유무를 확인하기 위해, 본 발명에서는 도 9의 (a)에 도시된 것 처럼 특정 타겟 센서와 그 주변의 센서들(8개의 센서)를 그룹화하고 그룹내 타겟 센서와 주변 센서들의 값 차이α_i를 계산하고, 차이값 α_i가 미리정해진 임계값 보다 큰지 여부를 확인한다. 그룹내 모든 센서들을 타겟 센서와 비교한 후에는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 타겟 센서를 쉬프팅하여 재그룹화하고 이를 반복하여 수행하는데, 임계값을 초과한 것으로 판단되는 센서의 위치가 2번 이상 중복되는 경우에는 그 위치의 센서가 고장인 것으로 판단될 수 있다. 이와 같은 방법은 도 8의 (c)에 보다 구체적으로 기술되어 있으며 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

다시 도 8을 참조하면 단계 S210에서 측정인은 피험자에 대한 기본 정보를 평형감각 분석장치(200)에 입력하는데, 입력되는 정보는 피험자의 이름을 포함하여 평형감각에 영향을 줄 수 있는 요인, 즉 키, 나이, 몸무게 등의 정보가 입력된다.

단계 S210에서 피험자의 정보가 입력된 후 피험자는 평형감각 측정장치(100)의 압력 매트위에서 전술한 바와 같은 조건 1 ~ 조건 4에서 발바닥 압력 분포가 측정된다(단계 S230 ~ 단계 S260). 단계 S230 ~ 단계 S260에서는 각각의 조건에서 COP, COG, 및 기울림 각도 θ를 각각 계산한다.

이어진 단계 S270에서는 조건 1 내지 조건 4에서 취득된 발바닥 압력 분포에 기반한 COP, COG, 및 기울림 각도 θ를 이용하여 3가지 감각계(SOM, VIS. VEST)의 평형 점수를 각각 계산하고 이후 프로세스를 종료한다.

도 10a 내지 도 10d는 전술하여 설명한 바와 같은 조건1(단계 S230) 내지 조건 4(단계 S260)에서의 시험 방법을 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 보다 구체적으로 도 10a에 도시된 바와 같이, 조건1 수행 모드가 시작되면(단계 S231), 평형감각 분석장치(200)는 평형감각 측정장치(100)로부터 압력 데이터를 수신하고(단계 S232), 수신된 압력 데이터로부터 COP1(Center of pressure), COG1(Center of Gravity)을 계산한다(단계 S233).

이후 단계 S234에서 COP1 및 COG1이 계산된 후 COG의 기우러짐 각도 θ1이 계산되고, 단계 S235에서 조건1에 완료되었는지 판단된다. 조건 1에 완료된 경우,즉 정해진 시간동안 측정이 종료된 경우 단계는 S236으로 진행되어 계산된 COP1, COG1, θ1이 저장되고 단계는 S240으로 진행되어 조건2 수행 모드로 진입된다.

도 10b는 조건 2에서의 수행 방법을 보다 구체적으로 도시한 도면으로 도 10a를 참조하여 설명한 조건 1의 수행 방법과 실질적으로 동일하다. 다만 조건 2에서는 눈을 감고 평형검사가 수행되는 점에서 조건 1과 상이하다.

도 10c는 조건 3에서의 수행 방법을 보다 구체적으로 도시한 도면으로 도 10a를 참조하여 설명한 조건 1의 수행 방법과 거의 유사하다. 다만 조건 3에서는 단계 S254에서 기우러짐 값 θ3가 계산되고 계산된 θ3가 평형감각 측정장치의 MPU로 전송되며, MPU는 전송되는 θ3에 대응하여 압력 매트의 발판의 기울기를 계속 변화시키면서 평형측정이 수행되게 된다. 측정된 COP3, COG3, θ3는 조건3에서의 측정이 완료된 후 단계 S256에서와 같이 저장되고 이어서 조건4 수행모드로 진입된다.

도 10d는 조건 4에서의 수행 방법을 보다 구체적으로 도시한 도면으로 도 10c를 참조하여 설명한 조건 3의 수행 방법과 실질적으로 동일한다. 다만 조건 4에서는 조건 3과 달리 눈을 감고 평형검사가 수행되는 점에서 조건 3과 상이하고, 단계 S264에서 기우러짐 값 θ4가 계산되고 계산된 θ4가 평형감각 측정장치의 MPU로 전송되며, MPU는 전송되는 θ4에 대응하여 압력 매트의 발판의 기울기를 계속 변화시키면서 평형측정이 수행되는 점에서는 조건3과 동일하다.

조건 1 내지 조건 4의 모든 수행 단계가 종료되면, 단계 S270에서는 계산된 COP1~COP4, COG1~COG4, θ1~θ4에 기반하여, 조건 1 내지 조건 4 각각의 평형점수(Equillibrium)를 계산하고, 각 조건에서의 평형 점수를 이용하여 SOM(Somatosensory) 점수, VIS(Vision) 점수, VEST(Vestibular) 점수를 계산하게 된다.

본 발명에 이용되는 COP는 압력 매트로부터의 수신되는 압력 값에 기반하여 얻어지는데, 구체적으로 계산 방법은 다음과 같다.

도 2b를 참조하면, 각각의 센서들은 X, Y의 좌표로 이루어지고, 센서 좌표 Xi, Yi는 mm 단위로 나타나며, 센서 좌표의 기준은 정중앙에 배치된 센서(0,0)를 기준으로 한다.

도 11은 COP 및 COG 그리고 기우러짐 각도 θ의 관계를 나타낸 도면이다. 도 11의 (a)는 몸 중심이 기울어지지 않은 상태일 때를 나타내는 도면이고, (b)는 몸 중심이 앞으로 기우러져 있는 상태를 나타낸다.

도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 몸 중심이 기울어짐이 없는 경우, COG는 발 지지 중심(발 지지 중심은 피험자 발의 복사뼈(medical malleolus bone)의 앞에 위치되며 대략 발 전체 길이의 14%)의 수직선 상에 위치되며, 통상적으로 높이는 피험자 키의 0.55배에 해당하는 높이에 위치되는 것으로 알려져 있다. 즉 바르게 선 자세에서 인체 COG (Center of gravity)의 위치는 키의 55% 높이에 위차하고 복사뼈 앞으로 발길이의 대략 14% 부분에 위치하고, 전방으로 2.3°기울어져 있다.

도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 몸 중심이 앞으로 기울어진 경우, COP는 발의 앞꿈치 쪽으로 이동되고 COG 역시 기울어짐이 없는 경우에 비해 몸의 앞쪽으로 위치된다.

따라서 몸이 기울어지는 각도(COG의 기울어짐 각도) θ는 다음의 식으로 정의될 수 있다.

여기서 H는 COG의 높이로서 피험자 키에 0.55를 곱한 수, P는 오프셋 위치(발의 지지 중심점)로 부터 COP 전방의 위치를 뺀 수에 대응한다.

예를 들면 도 12의 도면에서, 키가 180cm의 피험자는 COG 높이 (H)는 180*0.55=99cm의 높이에 COG가 위치하며, 오프셋 위치부터 COP 전방의 위치 (P)가 12cm라고 계산되면,

가 된다.

기울림 각도 θ가 구해진 후 이를 이용한 평형점수(Equillibrium)는 다음의 식으로 구해질 수 있다.

여기서, θmax 및 θmin은 각각의 조건 내에서 미리정해진 측정시간 동안 계산된 기울림 각도 θ의 최대값 및 최소값을 나타낸다. 이 식에서 θmax - θmin = 0° 인 경우 평형점수는 100점으로 되고, θmax - θmin = 12.5°인 경우 0점이 된다. 평형점수를 구하는데 있어서 12.5°가 기준 각도인 것은, 통상적으로 12.5°로 몸이 기우러진 경우 사람은 몸의 중심을 바로 잡기 위해 외발 또는 오른발 중 하나를 앞으로 내딛게 되는 한계 각도이기 때문이다.

따라서 이와 같이 조건1 내지 조건 4에서 각각 계산된 COP_1~4, COG_1~4, θ_1~4를 이용하여 조건 1 내지 조건 4에서의 각각의 평형점수(EQ_1~4)가 구해질 수 있으며, SOM(Somatosensory) 점수, VIS(Vision) 점수, VEST(Vestibular) 점수는 다음고 k같이 계산될 수 있다.

SOM 점수 = 조건2의 평형점수(EQ2) / 조건1의 평형 점수(EQ1)

VIS 점수 = 조건3의 평형점수(EQ3) / 조건1의 평형 점수(EQ1)

VEST 점수 = 조건4의 평형점수(EQ4) / 조건1의 평형 점수(EQ1)

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 평형감각 측정장치 110: 몸체 케이스
1110: 모터 120: 압력 매트
121: 압력 센서 123: 지지판
200: 평형감각 분석장치 1210: 멀티플렉서
1220: OP 앰프 1230: AD 컨버터
1240: MCU 1250: 모터전류제어소자
1260: 통신모듈 1270: 메모리

Claims

몸체 케이스 및 몸체 케이스의 상부에서 배치되고 복수의 압력 센서를 구비한 압력 매트를 포함하고, 상기 압력 매트는 상기 몸체 케이스 내부에서 전후 방향으로 회전하는 회전축에 고정되어 회전축을 중심으로 회전가능하게 구성된 평형감각 측정장치를 포함하는 평형검사 시스템에 있어서,
평형감각 측정장치로부터 수신되는 디지털 전압 압력 데이터에 기반하여 피험자의 평형감각을 분석하는 평형감각 분석장치를 포함하고,
상기 평형감각 분석장치는 아래의 조건 1 내지 조건 4 :
조건 1: 바닥이 평편한 상태에서 눈뜨고 발바닥 압력 분포 측정
조건 2: 바닥이 평편한 상태에서 눈감고 발바닥 압력 분포 측정
조건 3: 바닥을 몸의 기울림 θ에 대응하여 기울이면서 눈뜨고 발바닥 압력 분포 측정
조건 4: 바닥을 몸의 기울림 θ에 대응하여 기울이면서 눈감고 발바닥 압력 분포 측정
에 기반하여 피험자의 평형감각을 분석하도록 구성되되,
상기 평형감각 분석장치는,
조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 COP(Center of pressure)를 각각 계산하도록 구성되고,
COP는 압력 매트로부터의 수신되는 압력 값에 기반하여 다음의 식

에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 압력 센서는 센서 로우 및 센서 컬럼으로 이루어지고,
상기 평형감각 측정장치는 제어부를 더 포함하고,
상기 센서 로우로부터의 압력 데이터는 멀티플렉서를 통해 제어부로 입력되고, 센서 컬럼으로부터의 압력 데이터는 아날로그-디지털 컨버터를 통해 제어부로 입력되는 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 외부의 평형감각 분석장치와 통신하기 위한 통신 모듈을 더 포함하고, 상기 센서 로우 및 센서 컬럼으로부터 입력되는 압력 데이터는 통신 모듈을 통해 평형감각 분석장치로 송신되는 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제3항에 있어서,
상기 평형감각 측정장치는 상기 회전축에 연결되는 모터를 더 포함하고,
상기 제어부는 모터의 회전량을 제어하기 위한 모터전류 제어소자를 더 포함하고,
상기 제어부는 외부의 평형감각 분석장치로부터의 기울림 각도 θ를 통신모듈을 통해 수신하면 상기 기울림 각도 θ에 대응하여 상기 모터의 회전량을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 멀티플렉서를 이용하여 센서로우로부터의 첫번째 라인(k=1)에 전압을 인가하고, 첫번째 라인에 전압이 인가된 상태에서 센서 컬럼으로부터의 디지털 전압 신호를 수신하여 저장하고, 센서로우의 마지막 라인(n)까지 순차적으로 이를 반복하도록 구성된 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제5항에 있어서
압력센서는 2핀 FSR 센서이고,
복수의 FSR 센서의 제1 핀은 세로 열로 서로 연결되어 센서 로우를 형성하고, FSR의 제2 핀은 가로 열로 서로 연결되어 센서 컬럼을 형성하는 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제1항에 있어서,
상기 평형감각 분석장치는,
조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 몸의 COG(Center of Gravity)의 기울어짐 각도 θ를 계산하고, 기울어짐 각도 θ는 다음의 식:

에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제7항에 있어서,
상기 평형감각 분석장치는,
조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 θmax 및 θmin을 계산하고, 상기 θmax 및 θmin에 기반하여 조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 평형점수 EQ(Equillibrium)를 다음의 식:

에 의해 구하도록 구성된 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
제8항에 있어서,
상기 평형감각 분석장치는, 조건 1 내지 조건 4 각각에 대한 평형점수 EQ에 기반하여, 피험자의 SOM(Somatosensory) 점수, VIS(Vision) 점수, VEST(Vestibular) 점수를 계산하되,
SOM 점수 = 조건2의 평형점수(EQ2) / 조건1의 평형 점수(EQ1)
VIS 점수 = 조건3의 평형점수(EQ3) / 조건1의 평형 점수(EQ1)
VEST 점수 = 조건4의 평형점수(EQ4) / 조건1의 평형 점수(EQ1)
인 것을 특징으로 하는 평형검사 시스템.
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