KR102239910B1 - 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 저장 매체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자의 능동적인 보행이 있음 후 부족한 부분을 보상하여 정상적인 보행이 가능하도록 구현한 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치에 관한 것으로, 사용자의 다리에 장착되는 본체; 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정하는 발바닥 압력 측정부; 사용자의 발목의 굽힘 정도를 측정하는 다축 가속도 센서; 사용자의 보행 패턴을 분석하며, 발목 굽힘 신경에 가해지는 전기적 자극의 강도를 제어하는 자극 제어부; 및 상기 자극 제어부의 제어에 따라 발목의 움직임을 조절하는 근육 또는 신경으로 전기적 자극을 제공하는 전기 자극부를 포함한다.

Description

능동형 보행 신경근 전기 자극 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 저장 매체{Device and Method for Active Functional Electrical Stimulation, Recording Medium for Performing the Method}

본 발명은 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 저장 매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자의 능동적인 보행이 있음 후 부족한 부분을 보상하여 정상적인 보행이 가능하도록 구현한 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 저장 매체에 관한 것이다.

뇌혈관계 질환으로 인한 마비 환자는 신경계의 마비로 인하여 발목관절 주위의 근육활동이 약화되어 보행시 발목의 배굴/저굴 및 내번/외번이 자발적으로 이루어지지 않는 보행 양상을 보인다. 즉, 족저굴근의 경직성 마비로 인해 초기 입각기에 발뒤축이 지면에 닿지 않고 발바닥이나 발끝으로 딛게 되는 족하수(foot drop) 현상을 보이게 된다. 이를 보상하기 위해 마비 환자는 회선보행(circumduction gait)을 하게 되어 보행속도가 느려지고 에너지 소모가 크게 증가되는 등의 비효율적 보행양상을 보이게 된다.

족하수(foot drop)란 신경계의 마비로 발목주위의 근육활동이 작아지거나 없어짐으로 인해 발을 들어올리지 못 하는 증상을 말한다. 족하수가 발생하는 원인은 중추 및 말초신경계의 마비로 인해 발목 주위에 있는 앞정강이근(tibialis anterior)의 활동이 정상적으로 이루어 지지 않아서 발생되며 특히, 경련성 마비환자들에게 자주 발생된다.

족하수 환자의 경우 발목관절의 근육활동이 미비하여 발목의 배굴(dorsiflexion) 및 외번(eversion)이 자발적으로 이루어지지 않은 특징적인 보행형태를 나타낸다. 이른바 고관절 올림(hip hiking)이나 고관절 회선보행(hip circumduction) 등이 그 예이다. 즉, 족저굴근이 경직성 마비로 인해 초기입각기에 발뒤축이 지면에 닿지 않고 발바닥이나 발끝으로 딛게 되어 입각기가 짧아지고, 유각기에 발이 지면에 끌리게 되므로 이를 방지하기 위한 보상작용으로 회선 보행(circumduction gait)을 하게 되어 보행속도가 느려지고 에너지 소모가 증가하는 비효율적인 보행양상을 보이게 된다.

족하수 환자의 보행양상을 증진시키기 위한 방법으로 기능적 전기자극(functional electrical stimulation)과 단하지 보조기(ankle-foot orthosis)를 착용하는 방법이 있다.

기존의 기능적 전기 자극법은 환경과 보행속도에 따라 보행주기 및 근육의 기능이 변화하는 보행에서는 적용하기에 어려움이 많았고, 단하지 보조기는 발목관절의 저굴(plantarflexion) 및 배굴(dorsiflexion)의 발생을 방해함으로써 족하수 환자의 보행을 현저하게 호전시키기 못할 뿐 아니라 정상적인 보행과 많이 차이를 보인다는 단점을 가지고 있었다.

한국등록특허 제10-1132889호 한국공개특허 제10-2012-0097962호

본 발명의 일측면은 사용자의 보행 패턴의 분석을 통해 발등 굽힘이 이루어진 상태를 파악하여, 사용자의 능동적인 운동이 있은 후 부족한 부분을 보상할 수 있는 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 저장 매체를 제공한다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치는, 사용자의 다리에 장착되는 본체; 사용자가 발바닥으로 밟을 수 있도록 상기 본체의 하측으로부터 사용자의 발바닥 전단까지 연장 형성되며, 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정하는 발바닥 압력 측정부; 상기 본체 및 상기 발바닥 압력 측정부에 각각 설치되어 사용자의 발목의 굽힘 정도를 측정하는 다축 가속도 센서; 상기 본체에 설치되며, 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 보행 패턴을 분석하며, 정상인의 보행에 따른 발목의 각도와의 오차값을 보상할 수 있도록 발목 굽힘 신경에 가해지는 전기적 자극의 강도를 제어하는 자극 제어부; 및 상기 본체에서 사용자의 다리와 대향하는 면에서 설치되며, 상기 자극 제어부의 제어에 따라 발목의 움직임을 조절하는 근육 또는 신경으로 전기적 자극을 제공하는 전기 자극부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 다축 가속도 센서는, 사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 및 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도 중 적어도 하나의 각속도를 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 제2 회전 각속도가 측정된 경우, 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 의해 발생된 정상적인 발목의 각도와의 오차값을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 발목이 정상적인 위치로 움직일 수 있도록 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 오차값에 대응하여 상기 전기 자극부의 전기적 자극의 제공을 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 제1 회전 각속도 또는 제2 회전 각속도에 따른 발목의 각속도의 크기에 대응하여 상기 전기 자극부에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 각속도의 크기가 클수록 상기 전기 자극부에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 증가시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 대응한 전기적 자극과 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 대응한 전기적 자극 중, 사용자의 선택 또는 기 설정된 순서에 따라 전기적 자극의 우선순위를 설정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전기 자극부는, 발등굽힘(Dorsiflexion)을 수행하는 근육이 위치하는 부분에 설치되어 전기적 자극을 제공하는 적어도 하나의 제1 자극장치; 및 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)을 수행하는 근육이 위치하는 부분에 설치되어 전기적 자극을 제공하는 적어도 하나의 제2 자극장치를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 발뒤꿈치가 지면에 닿는 시점으로부터 발등이 발목과 90°가 되는 시점까지를 제1 시점으로 설정하고, 발등이 발목과 90°가 되는 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지를 제2 시점으로 설정하며, 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점으로부터 발뒤꿈치가 다시 지면에 닿는 시점까지를 제3 시점으로 설정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 정상인의 보행에 따른 발목의 각도인 정상 발목 각도를 걸음걸이 상태에 따른 시점별로 구분하여 저장해 둘 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 상기 발바닥 압력 측정부를 이용하여 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 상기 다축 가속도 센서를 이용하여 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발목의 각도를 실시간으로 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 정상 발목 각도와 해당 시점에서 실시간으로 측정된 사용자의 발목의 각도를 비교하여 오차값을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자극 제어부는, 산출된 오차값만큼 발목이 추가적으로 움직일 수 있도록 상기 전기 자극부의 전기적 자극의 제공을 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법은, 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정하는 단계; 사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 및 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도 중 적어도 하나의 각속도를 측정하는 단계; 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 각속도를 통해 사용자의 발목 각도를 측정하는 단계; 정상인의 보행에 따른 정상적인 발목의 각도와 측정된 사용자의 발목 각도와의 오차값을 산출하는 단계; 및 산출된 오차값에 대응하여 정상적인 발목의 각도로 사용자의 발목이 움직일 수 있도록 발목의 움직임을 조절하는 근육 또는 신경으로 전기적 자극을 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 뇌졸중 등으로 인해 정상적인 보행이 힘든 환자들의 족하수, 내번 또는 외번시에 전기적 자극을 제공함으로써, 보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴을 유도하여 정상에 가까운 보행을 유도하며, 족하수 및 발끌림 등을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 종래의 FES를 설명하는 도면이다.
도 3은 발목의 각도에 따른 명칭을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 있는 전기 자극부를 설명하는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 1에 있는 자극 제어부에 의해 구분된 각각의 시점을 설명하는 도면이다.
도 8은 발목 각도의 보정을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법을 설명하는 순서도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.

도 1을 참조하면, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치는, 본체(100), 발바닥 압력 측정부(200), 다축 가속도 센서(300), 자극 제어부(400) 및 전기 자극부(500)를 포함한다.

본체(100)는, 사용자의 다리에 장착되며, 하측으로부터 발바닥 압력 측정부(200)가 연장 형성되고, 다축 가속도 센서(300)와 자극 제어부(400)를 장착하고, 사용자의 다리를 감싸는 면에 전기 자극부(500)를 부착한다.

일 실시예에서, 본체(100)는, 사용자의 다리에 장착되기 위해, 운동시 정강이를 보호하기 위한 보호대와 같이 단단한 소재로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 천 또는 고무와 같이 부드러운 재질로 형성될 수도 있다. 다만, 사용자의 다리 등에 부착될 수 있는 소재이면 해당 소재에 제한을 받는 것은 아니다.

도 2는 종래의 FES(Functional Electrical Stimulation,　저에너지 전기 펄스를 사용하여　중추신경계로 인해 마비된 개인의 신체 움직임을 인위적으로 생성하는 기술)를 설명하는 도면이다.

종래의 FES는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 모듈과 전기 자극 모듈이 분리 형성되어, 제어 모듈은 사용자의 허리 또는 다리에 장착되고, 전지 자극 모듈은 제어 모듈과는 독립적으로 전기적 자극이 필요한 팔 또는 다리 등의 부위에 장착되어야만 했다.

이에 따라, 종래의 FES는, 그 형태상의 제약으로 인해 사용자의 신체에 고정하기가 힘들었을 뿐만 아니라, 장치의 복잡한 인터페이스로 인해 사용자의 접근이 힘들다는 단점을 가지고 있었다.

본 발명의 본체(100)는, 사용자의 무릎 아래의 다리에 장착될 수 있는 인체 공학적 형태로 형성되도록 하며, 사용자의 다리와 마주하는 본체(100)의 면에 부드러운 재질(예를 들어, 매시 소재의 헝겊 등)을 덧대 편안한 착용감을 제공하여 종래 FES의 불편함을 극복할 수 있다.

또한, 본체(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자의 종아리(calf) 및 정강이(shin)를 감쌀 수 있도록 충분한 넓이로 형성됨이 바람직하며, 벨크로 또는 버클 등을 통해 사용자의 다리에 장착되도록 하여 사용 후 사용자의 다리로부터 용이하게 분리되도록 할 수 있다.

발바닥 압력 측정부(200)는, 사용자가 발바닥으로 밟을 수 있도록 본체(100)의 하측으로부터 사용자의 발바닥 전단까지 연장 형성되고, 다축 가속도 센서(300)를 장착하며, 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정한다.

일 실시예에서, 발바닥 압력 측정부(200)는, 일반적인 압력 측정 기기(Pressure　Measuring　Instrument)로 형성될 수 있으며, 사용자의 발바닥을 따라 길이 방향으로 압력 측정 센서 등을 형성하여, 사용자가 걸을 경우 발바닥과 지면에 닿는 곳의 압력 변화를 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 발바닥 압력 측정부(200)에서 측정된 발바닥의 압력의 변화 및 현재 압력이 가해지는 위치를 탐지함으로써, 현재 사용자의 걸음걸이 상태를 판독할 수 있다.

또한, 자극 제어부(400)는, 발바닥 압력 측정부(200)에서 측정된 사용자 발바닥의 압력 분포의 변화 및 다축 가속도 센서(300)에서 측정된 발목 굽힘 정도를 통해 발목의 굽힘 정도를 판독하여 사용자의 걸음걸이 상태를 실시간으로 측정할 수 있다.

다축 가속도 센서(300)는, 본체(100) 및 발바닥 압력 측정부(200)에 각각 설치되어 사용자의 발목의 굽힘 정도를 측정한다.

다만, 다축 가속도 센서(300)는, 발바닥 압력 측정부(200)에 일체형으로 장착될 수 있을 뿐만 아니라, 발바닥 압력 측정부(200)에 탈부착 가능하도록 분리형으로 형성되어도 무방하다.

일 실시예에서, 다축 가속도 센서(300)는, 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정할 수 있는 가속도 센서(acceleration　sensor)로 형성될 수 있으며, 복수 개의 축을 이용하여 본체(100)와 발바닥 압력 측정부(200)의 이동속도 또는 본체(100)와 발바닥 압력 측정부(200) 간의 형성 각도 및 이동 속도 등을 측정할 수 있다.

자극 제어부(400)는, 본체(100)에 설치되며, 발바닥 압력 측정부(200)에서 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 다축 가속도 센서(300)에서 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 보행 패턴을 분석하며, 정상인의 보행에 따른 발목의 각도와의 오차값을 보상할 수 있도록 발목 굽힘 신경에 가해지는 전기적 자극의 강도를 제어한다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 외부로 노출되는 면에 사용자로부터 구동의 시작 또는 자극의 세기 등을 입력받기 위한 입력 장치(예를 들어, 터치식 입력 장치 또는 버튼식 입력 장치 등)를 형성하여 사용자로부터의 원터치 입력을 통해 구동됨으로써, 사용자 편의성을 제공함이 바람직하다.

또한, 자극 제어부(400)는, 마지막으로 수행하였던 동작 상태를 자동으로 저장해 둠으로써, 마지막으로 수행하였던 동작을 토대로 다음번 보행훈련에 활용하도록 할 수 있다.

자극 제어부(400)는, 발바닥 압력 측정부(200)에서 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 다축 가속도 센서(300)에서 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 적절한 시기에 발등굽힘근의 강축(rigidity, 골격근 또는 이와 연결된 신경에 적당한 자극을 반복적으로 가하면 자극에 의하여 일어나는 경련과 수축이 합성되어 수축상태가 지속되는 현상), 연축(twitch, 1회의 자극으로 근육이 오그라들었다가 이완되어 다시 본래의 상태로 되돌아가는 과정) 및 이완(muscle relaxation)을 조절할 수 있도록 전기 자극부(500)에서 제공하는 전기적 자극을 제어함으로써, 자연스러운 보행을 유도할 수 있다.

전기 자극부(500)는, 본체(100)에서 사용자의 다리와 대향하는 면에서 설치되며, 자극 제어부(400)의 제어에 따라 발목의 움직임(ankle joint motion(degrees))을 조절하는 근육 또는 신경(예를 들어, 전경골근(Tibialis anterior muscle), 온종아리신경(Common fibular　nerve), 장딴지근(Gastrocnemius muscle) 또는 넙치근(Soleus　muscle) 등)으로 전기적 자극을 제공한다.

일 실시예에서, 전기 자극부(500)는, 자극 제어부(400)의 제어에 따라 전기적자극(예를 들어 1~120Hz 단상 구형파 등)을 발생시킬 수 있으며, 자극의 세기에 따라 강도를 구분(예를 들어, 10단계 등)시켜 조절하도록 설계될 수 있다.

본 발명에 의한 전기 자극은, 뇌졸중 등으로 인한 편마비(hemiplegia, 편측 마비는 편측(한쪽)의 상하지 또는 얼굴부분의 근력 저하가 나타난 상태) 환자의 보행을 보조하기 위한 것으로, 전기 자극에 있어서 신경근 자극을 위한 패드(즉, 전기 자극부(500))의 위치 선정은 매우 중요한 요소이다.

그러나, 보행시 발등굽힘을 보상하기 위한 전기자극을 가하는 부위가 종아리의 앞쪽 구획에 있는 근육만 자극할 경우 발등굽힘이 종아리 안쪽으로 휘어서 진행되는 양상을 나타내게 된다.

따라서, 전기 자극부(500)는, 발등굽힘이 종아리 안쪽으로 휘어지는 등을 방지할 수 있도록 깊은가지-종아리신경(deep branch-fibular nerve) 및 얕은가지-종아리신경(superficial branch-fibular nerve)이 위치하는 부분에 각각 부착되어 해당 신경에 동시에 전기적 자극을 제공함이 바람직하다.

일 실시예에서, 다축 가속도 센서(300)는, 사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 및 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도 중 적어도 하나의 각속도를 측정할 수 있다(도 3을 참조).

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 제2 회전 각속도가 측정된 경우, 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 의해 발생된 정상적인 발목의 각도와의 오차값을 산출한 후, 발목이 정상적인 위치로 움직일 수 있도록 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 오차값에 대응하여 전기 자극부(500)의 전기적 자극의 제공을 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 제1 회전 각속도 또는 제2 회전 각속도에 따른 발목의 각속도의 크기에 대응하여 전기 자극부(500)에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 제어할 수 있다. 즉, 자극 제어부(400)는, 제1 회전 각속도 또는 제2 회전 각속도의 크기가 클수록(즉, 정상적인 발목의 각도로부터 이탈하려는 속도가 클수록) 전기 자극부(500)에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 증가시킬 수 있다.

따라서, 제1 회전 각속도 또는 제2 회전 각속도가 큰 경우 정상적인 각도로 바로잡기 위해 필요로 하는 운동량을 더 많이 필요로 할 것인 바, 자극의 세기를 각속도의 크기에 대응시켜 정상적인 발목 각도로의 복귀를 보다 용이하도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 대응한 전기적 자극과 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 대응한 전기적 자극 중, 사용자의 선택 또는 기 설정된 순서에 따라 전기적 자극의 우선순위를 설정할 수 있다.

걸음걸이 상태에 따라 여러가지 신경 또는 근육의 우선순위에 따라 발목의 발등굽힘, 발바닥쪽굽힘, 회내 또는 회외 등과 같은 발목의 움직임이 수행된다.

따라서, 본 발명에서는, 각각의 신경 또는 근육의 자극순서에 우선순위를 두어 순차적으로 자극함으로써, 사용자의 걸음걸이 상태에 따라 최상의 발목 운동을 수행하도록 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 전기 자극부(500)는, 자극 제어부(400)의 제어에 따라 전기적 자극을 제공할 수 있는 패드 형태의 적어도 하나의 제1 자극장치(510a, 510b) 및 적어도 하나의 제2 자극장치(520a, 520b)를 포함할 수 있다.

제1 자극장치(510a, 510b) 및 제2 자극장치(520a, 520b)는, 본체(100)에서 사용자의 다리를 감싸는 면에 형성되며, 기 부착되었던 위치에서 분리된 후 사용자의 필요에 따라 새롭게 자극하고자 하는 신경 또는 근육이 위치하는 부분으로 재부착이 가능하도록 형성될 수 있다.

또한, 제1 자극장치(510) 및 제2 자극장치(520)는, 도 4에 도시된 바와 같이 각각 두 개로 형성됨에 한정되는 것은 아니며, 사용자의 전기자극의 필요에 대응하여 3 개 이상의 개수로 형성되어도 무방하다.

제1 자극장치(510)는, 발등굽힘(Dorsiflexion, 배굴)을 수행하는 근육이 위치하는 부분에 설치되어 자극 제어부(400)의 제어에 따라 전기적 자극을 제공한다.

일 실시예에서, 제1 자극장치(510)는, 전경골근(Tibialis anterior muscle) 및 온종아리신경(Common fibular　nerve) 중 적어도 하나에 전기적 자극을 제공할 수 있다. 다만, 제1 자극장치(510)는, 전경골근 또는 온종아리신경 외에 발등굽힘을 담당하는 기타 신경 또는 근육의 위치에 부착되어도 무방하다.

전기 자극부(500)는, 본체(100)에서 사용자의 다리와 대향하는 면에 탈부착 되며, 전기적 자극을 제공할 근육 또는 신경의 위치에 따라 부착 위치를 변경할 수 있다.

제2 자극장치(520)는, 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion, 저굴)을 수행하는 근육이 위치하는 부분에 설치되어 자극 제어부(400)의 제어에 따라 전기적 자극을 제공한다.

일 실시예에서, 제2 자극장치(520)는, 장딴지근(Gastrocnemius muscle) 및 넙치근(Soleus　muscle) 중 적어도 하나에 전기적 자극을 제공할 수 있다. 다만, 제2 자극장치(520)는, 장딴지근 또는 넙치근 외에 발바닥쪽굽힘을 담당하는 기타 신경 또는 근육의 위치에 부착되어도 무방하다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 발뒤꿈치가 지면에 닿는 시점으로부터 발등이 발목과 90°가 되는 시점까지를 제1 시점으로 설정하고, 발등이 발목과 90°가 되는 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지를 제2 시점으로 설정하며, 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점으로부터 발뒤꿈치가 다시 지면에 닿는 시점까지를 제3 시점으로 설정할 수 있다.

도 5 내지 7은 도 1에 있는 자극 제어부(400)에 의해 구분된 각각의 시점을 설명하는 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1 시점은 사용자의 오른쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 닿는 시점을 시작점으로 하여 오른쪽 다리와 지면이 90°가 되는 시점까지이고, 제2 시점은 제1 시점이 종료된 순간으로부터 사용자의 오른쪽 다리의 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지이고, 제3 시점은 제2 시점이 종료된 순간으로부터 사용자의 오른쪽 다리의 발뒤꿈치가 다시 지면에 닿는 시점까지이다. 또한, 사용자의 걸음걸이 상태에 대응한 각 시점별로 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 의한 발목과 발등의 형성 각도를 확인할 수 있다.

도 8을 참조하면, 사용자의 걸음걸이가 A 시점인 경우, 정상적인 보행의 경우와 실제로 측정된 사용자의 발목의 각도가 다름을 확인할 수 있다.

자극 제어부(400)는, 정상인의 보행에 따른 발목의 각도인 정상 발목 각도를 걸음걸이 상태에 따른 시점별로 구분하여 저장해 두며, 실시간으로 측정된 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발목의 각도와 비교하여 각 시점별로 정상 발목 각도와 현재 사용자의 발목 각도를 비교하여 오차값을 산출할 수 있다.

여기서, 자극 제어부(400)는, 오차값을 산출하기 위해 발바닥 압력 측정부(200)를 이용하여 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 다축 가속도 센서(300)를 이용하여 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발목의 각도를 실시간으로 측정한 후, 정상 발목 각도와 해당 시점에서 실시간으로 측정된 사용자의 발목의 각도를 비교할 수 있다.

자극 제어부(400)는, 상술한 과정을 통해 산출된 오차값을 토대로, 현재 사용자의 발목 각도로부터 정상 발목 각도로 움직일 수 있도록, 전기 자극부(500)의 전기적 자극의 제공을 제어할 수 있다.

이에 따라, 족하수 등으로 인해 정상 발목 각도에 미치지 못하는 발목을 전기 자극부(500)의 전기적 자극을 통해 추가적으로 움직임으로써, 사용자는 정상적인 발목 각도를 형성시켜 자연스러운 보행이 가능하게 된다.

도 6을 참조하면, 자극 제어부(400)는, 제1 시점의 경우, 발뒤꿈치가 지면에 닿는 시점으로부터 발등이 발목과 90°가 되는 시점까지 자극의 세기가 점진적으로 감소하도록 제1 자극장치(510)를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 발뒤꿈치가 지면에 닿는 순간으로부터 자극의 세기를 점진적으로 감소시킴으로써, 운동량을 가장 많이 필요로 하는 순간인 발뒤꿈치가 지면에 닿는 순간으로부터 자연스럽게 발목이 움직이도록 할 수 있다.

이때, 전기 자극부(400)에 의한 자극은, 자극 진폭의 강약 또는 자극 주파수의 높낮이를 달리함으로써, 근육 또는 신경에 제공되는 자극을 변화시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 자극 제어부(400)는, 제2 시점의 경우, 발등이 발목과 90°가 되는 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지 점진적으로 자극의 세기가 증가하도록 제2 자극장치(520)를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 제2 시점의 경우, 발가락이 지면에 닿은 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지는 지속적으로 최고 출력의 전기적 자극을 제공하도록 제2 자극장치(520)를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 제2 시점의 경우, 사용자의 발등이 발목과 90°가 되는 순간으로부터는 앞쪽 방향으로 내닫기 위해 점진전으로 운동량을 많이 필요로 하는 시기에 해당하는 바 발등이 발목과 90°가 되는 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지 점진적으로 자극의 세기가 증가되도록 하고, 사용자의 발가락이 지면에 닿은 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 순간은 발가락의 힘으로 내딛기 위해 가장 많은 운동량을 필요로 하는 시기에 해당하는 바 발가락이 지면에 닿은 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지는 지속적으로 최고 출력의 전기적 자극을 제공할 수 있다.

도 6을 참조하면, 자극 제어부(400)는, 제3 시점의 경우, 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점으로부터 발뒤꿈치가 다시 지면에 닿는 시점까지 지속적으로 최고 출력의 전기적 자극을 제공하도록 제1 자극장치(510)를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 자극 제어부(400)는, 사용자의 발이 지면으로부터 떨어진 경우에는 사용자의 발목이 공중에서 힘을 잃어 족하수 등이 발생할 수 있는 바, 제3 시점 동안에는 지속적으로 최고 출력의 전기적 자극을 주어 발목이 힘을 잃는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 장착형 보행 신경근 전기 자극 장치는, 외부 전원 장치로부터 전원을 공급받아 저장해 두기 위한 전원 공급장치(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.

전원 공급장치는, 일반적인 USB 충전기 등을 통해 외부로부터 전원은 공급받아 저장해 두며, 발바닥 압력 측정부(200), 다축 가속도 센서(300), 자극 제어부(400) 또는 전기 자극부(500) 등의 필요에 따라 전원을 공급한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치는, 뇌졸중 등으로 인해 정상적인 보행이 힘든 환자들의 족하수, 내번 또는 외번시에 전기적 자극을 제공함으로써, 보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴을 유도하여 정상에 가까운 보행을 유도하며, 족하수 및 발끌림 등을 방지할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법을 설명하는 순서도이다.

도 9를 참조하면, 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법은, 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정한다(S910).

일 실시예에서, 발바닥 압력 분포의 측정은, 사용자의 발바닥을 따라 길이 방향으로 형성된 일반적인 압력 측정 기기(Pressure　Measuring　Instrument)를 이용하여 사용자가 걸을 경우 발바닥과 지면에 닿는 곳의 압력 변화의 측정을 통해 수행될 수 있다.

상술한 단계 S910에서의 발바닥 압력 분포의 측정과 동시 또는 이시에, 사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 및 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도 중 적어도 하나의 각속도를 측정한다(S920).

상술한 단계 S920에 의한 각속도의 측정은, 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정할 수 있는 일반적인 가속도 센서(acceleration　sensor)를 통해 수행될 수 있다.

상술한 단계 S910과 S920에서 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 측정된 각속도를 통해 사용자의 발목 각도를 측정한다(S930).

상술한 단계 S930에서는, 발바닥 압력 분포의 변화 및 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 보행 패턴을 분석한 후, 해당 보행 패턴에 따른 현재 사용자의 발목 각도를 실시간으로 측정할 수 있다.

상술한 단계 S930에서 측정된 사용자의 발목 각도와 정상인의 보행에 따른 정상적인 발목의 각도를 비교하여 오차값을 산출한다(S940).

상술한 단계 S940에 따른 오차값의 산출은, 기 저장해 두었던 정상인의 보행 패턴에 따른 발목의 각도와 실시간으로 측정된 사용자의 현재 발목의 각도를 비교하여 수행될 수 있다.

상술한 단계 S940에서 산출된 오차값에 대응하여 정상적인 발목의 각도로 사용자의 발목이 움직일 수 있도록 발목의 움직임을 조절하는 근육 또는 신경으로 전기적 자극을 제공한다(S950).

상술한 단계 S950에서는, 정상인의 보행에 따른 발목의 각도와의 오차값을 보상할 수 있도록 발목 굽힘 신경에 가해지는 전기적 자극의 강도를 제어할 수 있다.

상술한 바와 같은 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CDROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

국내 뇌졸중 환자의 직접 의료비는 2010년 2조 5,645억 원 규모이며, 미국의 경우 2010년 716억달러에서 2030년 1831억달러로 급증이 예상되나, 만성 단계의 뇌졸중 환자에 대한 적절한 치료가 제공되지 않고 있는 실정이다.

뇌졸중 환자의 일상생활 복귀와 기능회복을 위해서는 무엇보다 꾸준한 운동재활이 중요하며, 각 대상자의 상태에 맞는 재활훈련을 지속적으로 수행하는 것이 큰 효과를 가져 온다.

이를 위해 본 발명에 따르면, 환자의 능동적 운동과 병행한 전기 자극 방식의 장착형 보행 신경근 전기 자극 장치를 제공함으로써, 운동기능 회복을 더욱 촉진할 것으로 예상된다.

100: 본체
200: 발바닥 압력 측정부
300: 다축 가속도 센서
400: 자극 제어부
500: 전기 자극부
510a, 510b: 제1 자극장치
520a, 520b: 제2 자극장치

Claims (15)

1. 사용자의 다리에 장착되는 본체;
   사용자가 발바닥으로 밟을 수 있도록 상기 본체의 하측으로부터 사용자의 발바닥 전단까지 연장 형성되며, 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정하는 발바닥 압력 측정부;
   상기 본체 및 상기 발바닥 압력 측정부에 각각 설치되어 사용자의 발목의 굽힘 정도를 측정하는 다축 가속도 센서;
   상기 본체에 설치되며, 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 보행 패턴을 분석하며, 정상인의 보행에 따른 발목의 각도와의 오차값을 보상할 수 있도록 발목 굽힘 신경에 가해지는 전기적 자극의 강도를 제어하는 자극 제어부; 및
   상기 본체에서 사용자의 다리와 대향하는 면에서 설치되며, 상기 자극 제어부의 제어에 따라 발목의 움직임을 조절하는 근육 또는 신경으로 전기적 자극을 제공하는 전기 자극부를 포함하고,
   상기 자극 제어부가 사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 또는 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도에 따른 발목의 각속도의 크기에 대응하여 상기 전기 자극부에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 제어하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 다축 가속도 센서는,
   사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 및 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도 중 적어도 하나의 각속도를 측정하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
   제2 회전 각속도가 측정된 경우, 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 의해 발생된 정상적인 발목의 각도와의 오차값을 산출하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
   발목이 정상적인 위치로 움직일 수 있도록 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 오차값에 대응하여 상기 전기 자극부의 전기적 자극의 제공을 제어하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
   각속도의 크기가 클수록 상기 전기 자극부에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 증가시키는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
   발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 대응한 전기적 자극과 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 대응한 전기적 자극 중, 사용자의 선택 또는 기 설정된 순서에 따라 전기적 자극의 우선순위를 설정하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 전기 자극부는,
   발등굽힘(Dorsiflexion)을 수행하는 근육이 위치하는 부분에 설치되어 전기적 자극을 제공하는 적어도 하나의 제1 자극장치; 및
   발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)을 수행하는 근육이 위치하는 부분에 설치되어 전기적 자극을 제공하는 적어도 하나의 제2 자극장치를 포함하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
   발뒤꿈치가 지면에 닿는 시점으로부터 발등이 발목과 90°가 되는 시점까지를 제1 시점으로 설정하고, 발등이 발목과 90°가 되는 시점으로부터 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점까지를 제2 시점으로 설정하며, 발가락이 지면으로부터 떨어지는 시점으로부터 발뒤꿈치가 다시 지면에 닿는 시점까지를 제3 시점으로 설정하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
    정상인의 보행에 따른 발목의 각도인 정상 발목 각도를 걸음걸이 상태에 따른 시점별로 구분하여 저장해 두는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
    상기 발바닥 압력 측정부를 이용하여 측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 상기 다축 가속도 센서를 이용하여 측정된 발목의 굽힘 정도를 통해 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발목의 각도를 실시간으로 측정하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
    정상 발목 각도와 해당 시점에서 실시간으로 측정된 사용자의 발목의 각도를 비교하여 오차값을 산출하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 자극 제어부는,
    산출된 오차값만큼 발목이 추가적으로 움직일 수 있도록 상기 전기 자극부의 전기적 자극의 제공을 제어하는, 능동형 보행 신경근 전기 자극 장치.
    
14. 삭제
15. 사용자의 걸음걸이 상태에 따른 발바닥 압력 분포를 측정하는 단계;
    사용자의 보행시 발목의 발등굽힘(Dorsiflexion) 또는 발바닥쪽굽힘(Plantarflexion)에 따른 회전 각속도인 제1 회전 각속도 및 발목의 회내(Pronation) 또는 회외(Supination)에 따른 회전 각속도인 제2 회전 각속도 중 적어도 하나의 각속도를 측정하는 단계;
    측정된 발바닥 압력 분포의 변화 및 각속도를 통해 사용자의 발목 각도를 측정하는 단계;
    정상인의 보행에 따른 정상적인 발목의 각도와 측정된 사용자의 발목 각도와의 오차값을 산출하는 단계; 및
    산출된 오차값에 대응하여 정상적인 발목의 각도로 사용자의 발목이 움직일 수 있도록 발목의 움직임을 조절하는 근육 또는 신경으로 전기적 자극을 제공하는단계를 포함하며,
    상기 제1 회전 각속도 또는 제2 회전 각속도에 따른 발목의 각속도의 크기에대응하여 전기 자극부에서 제공하는 전기적 자극의 세기를 제어하는 단계를 더 포함하는 능동형 보행 신경근 전기 자극 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
    

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