KR102285833B1

KR102285833B1 - 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템

Info

Publication number: KR102285833B1
Application number: KR1020190056834A
Authority: KR
Inventors: 한상열; 김행민; 임현택; 박규민; 이대행
Original assignee: 주식회사 와이즈터치
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2021-08-05
Also published as: KR20200133039A

Abstract

본 발명은 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인공 관절에 삽입되는 스마트 센서로부터 무릎 인공관절 수술에 필요한 압력 정보를 정확하게 산출하여 제공함으로써 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있도록 가이드할 수 있는 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템에 관한 것이다.

Description

무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템 {Smart Sensor System}

인공관절 치환술 후 빨리 회복하기 위해서는 수술이 얼마나 정교하게 이뤄졌는지가 중요한데, 무릎 뼈 모양에 맞춰 인공관절을 삽입하는 건 대부분 완벽에 가까운 수준으로 할 수 있지만, 인대, 힘줄 상태를 조절해 무릎 내의 압력을 균형있게 맞추는 건 의사의 경험이 절대적인 영향을 미치고, 수술 과정 중 무릎 내 압력을 잘못 조절하면 환자가 그 압력에 적응하는 동안 통증이 느껴지는데, 이로 인해 만족도가 떨어질 수 있기 때문에 인공관절을 원래 자신의 관절처럼 완벽하게 끼워 넣는 데 한계가 있었다.

따라서, 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있는지가 인공관절 치환술의 관건이기 때문에 인공관절 사이에 특수 센서를 삽입하여 무릎 각 부위의 압력을 측정하여 수치를 보여주고 의사는 이를 바탕으로 관절염으로 변형된 무릎의 인대를 조절해 무릎의 압력을 균일하게 맞출 수 있는 스마트 센서를 이용한 인공관절 치환술이 도입되고 있다.

그러나, 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅하기 위해서는 센서가 인공관절과 함께 무릎에 삽입된 상태에서 하중/좌표/각도를 정확히 산출할 수 있어야 하지만 인공 관절의 기하학적 구조와 센서에서 센싱된 데이터 오류 및 오차로 인한 정확성이 부족하여 정확한 압력 밸런스 세팅이 어려운 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 인공 관절에 삽입되는 스마트 센서로부터 무릎 인공관절 수술에 필요한 압력 정보를 정확하게 산출하여 제공함으로써 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있도록 가이드할 수 있는 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무릎 인공관정 수술용 스마트 센서 시스템은 인공관절에 삽입되어 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 스마트 센서와; 상기 스마트 센서로부터 감지된 센서 로데이터를 전송받아 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하는 데이터 산출 수단을 포함하되; 상기 스마트 센서는 배터리 상태를 체크하고, 상기 센서 로데이터를 감지하고 감지된 센서 로 데이터를 상기 데이터 산출 수단에 전송하는 센서 블럭과 상기 센서 블럭과 연결되어 센서 블럭의 동작에 필요한 전력을 공급하는 배터리 블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서 블럭은 복수 개로 분할된 센서 셀로 구성되고, 인공 관절의 좌우 압력 밸런스의 균일한 세팅을 위해 좌와 우측에 각각 동일한 개수의 센서 셀이 동일한 배치로 구성된 제 1 센서유닛과 제 2 센서유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서 블록은 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 센서 유닛과; 상기 센서 유닛으로부터 감지된 센싱 데이터를 호스트로 전송을 제어하는 MCU와; 상기 MCU의 제어에 따라 상기 센싱 데이터를 호스트로 무선 전송하는 안테나를 포함하고; 상기 MCU는 배터리 블럭의 상태를 체크하고, 데이터 산출 수단과 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 제어하고, 전처리 프로세스가 수행되어 스캔 명령을 수신하면 센서 유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단에 무선 전송을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 데이터 산출 수단은 스마트 센서에 대한 FW업데이트 정보가 있는 경우 이를 스마트 센서로 전송하고, 스마트 센서가 배터리로부터 전원이 파워온되면 배터리 체크에 대한 결과를 수신하고, 센서 유닛의 스캔을 위한 전처리 프로세스를 수행하고, 상기 스마트 센서와 무선 통신을 통해 센서 스캔을 명령하고, 센서유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 센서관리모듈과; 상기 상기 센서관리모듈로 수신된 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행하고, 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 및 각도를 산출하는 과정을 포함하여 압력 정보를 산출하는 압력정보산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서관리모듈은 스마트 센서 정보 세팅(버전 정보/센서 관련 정보), I2C 블록 초기화, BLE 블록 초기화, WTD 블록 초기화, ADC 블록 초기화, EEPROM 블록 초기화를 포함하는 시스템 초기화와; OTA FW 업데이트를 위한 부트로더 SRAM 초기화 및; 스마트 센서 블록 초기화, 센서 베이스라인 초기화, 압력 캘리브레이션 파라메터 초기화, 압력 매칭 파라메터(Force matching to Newton parameter) 초기화를 포함하는 스마트 센서 초기화를 포함하는 시스템 운전 초기화 작업, 배터리 체크, OTA FW 업데이트 작업을 포함하는 전처리 프로세스를 수행하고; 전처리 프로세스가 종료되면 상기 스마트 센서로 스캔 명령을 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 압력정보산출모듈은 상기 사전 프로세싱 과정과 힘 보정과 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 수행하되; 상기 사전 프로세싱 과정은 센서 로데이터에 대해 최초 압력(first press or first release)인지를 체크하고 최초 압력인 경우 적응 필터(adaptive filter)를 세팅하고,센서 로데이터를 필터링하고, 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 센서 변화(Sensor variation) 데이터를 산출하는 단계를 포함하고; 상기 힘 보정 과정은 인가 하중에 따른 센서 값의 변화량이 선형화가 되도록 수식을 산출하되, 센서 유닛이 복수 개의 센서 셀로 구성되고 각 셀의 변화량 곡선이 다르기 때문에 힘 보정 수식은 각 셀 별로 산출하기 위해 입력 데이터(각 센서 셀에 대한 센서 변화 데이터)에 대한 현재 입력 값을 체크하고, 경계하중보다 적을 경우 하기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 경계하중보다 클 경우 하기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출하는 단계를 포함하고;

수학식 1-1 : Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))

수학식 1-2 : Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X

상기 힘 매칭 과정은 상기 힘 보정 과정에서의 출력 데이터가 입력데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)가 되어 하기의 수학식 2-1에 의해 유효 힘 영역의 힘의 합(ΣFValid)을 산출하고, 상기 힘의 합(ΣFValid)을 인가 하중으로 하기의 수학식 2-2에 의해 뉴튼으로 힘 매칭하여 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 하중(힘)을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

수학식 2-1 : ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2

수학식 2-2 : Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3

그리고 상기 압력정보산출모듈은 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 과정시 센서의 좌측 영역(제 1 센서 유닛)과 우측 영역(제 2 센서 유닛)이 독립적인 힘이 작용되는 것으로 가정하고, 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 좌측 X,Y 좌표를 산출하고; 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 우측 X,Y 좌표를 산출하고;

수학식 3-1 :

a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)

b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)

c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)

d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)

좌측과 우측 영역의 2개의 좌표 사이의 각도를 산출하되; 상기 산출된 좌측 X,Y와 우측 X,Y 좌표에 대해서 수학식 3-4에 의해 라디안을 산출하고;

수학식 3-4 : Radian = atan(dY/dX)

상기 좌측 ΣFValid와 우측 ΣFValid가 0보다 크다면 수학식 3-5에 의해 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

수학식 3-5 : Angle = Radian * (180/PI)

여기서, 상기 상기 압력정보산출모듈은 상기 좌측 X,Y 좌표와 우측 X,Y 좌표가 산출되면 보정 파라메터가 존재하는지 여부를 확인하여 보정 파라메터가 존재하는 경우 수학식 3-2에 의해 좌표 보정을 수행하는 단계를 더 포함하여 좌표를 산출하는 것을 특징으로 한다.

수학식 3-2 : a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3

b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3

c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3

d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3

여기서, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2, RightParmY3는 보정 파라메터이다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템은 무릎 인공관절의 환경 조건에 따라 감지된 센서 셀의 힘(하중)에 대한 센서 로데이터를 정밀 보정하여 힘(하중), 좌표 및 각도를 산출하여 의료진에 제공할 수 있으므로 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있도록 가이드할 수 있으므로 무릎 인공관절 수술의 신뢰도를 높일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 스마트 센서의 구조를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 도 1의 스마트 센서가 장착된 인공관절을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 이용한 무릎 인공 관절 수술용 압력 정보 산출 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 스마트 센서의 배터리 체크 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하중 별 변화량 곡선을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정에 따른 시뮬레이션 그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 산출 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11b는 좌표 보정 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11c는 각도 산출 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌측의 제1 센서 유닛의 센서 셀의 힘 분포를 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 보정 알고리즘의 수식을 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각도를 계산하기 위한 좌표계를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 스마트 센서의 구조를 개략적으로 도시한 블럭도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 스마트 센서(10)는 배터리 상태를 체크하고, 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하고 감지된 센서 로 데이터를 상기 데이터 산출 수단에 전송하는 상기 센서 블럭(110)과 연결되어 센서 블럭의 동작에 필요한 전력을 공급하는 배터리 블럭(120)과 호스트 단말과의 인터페이스를 제공하는 디스플레이 블럭을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 센서 블럭(110)의 물리적 구조는 포스 터치(Force Touch, FT) 센서와 동일하게 상부 전극과 하부 전극 및 상기 상부 전극과 하부 전극 사이에 결합된 탄성체를 포함하여 정전용량 방식(Capacitve type)으로 압력(힘)을 측정할 수 있다.

상기 센서 블럭(110)은 복수 개로 분할된 센서 셀(1111)이 센서 유닛(111)을 이루도록 구성되고, 인공 관절의 좌우 압력 밸런스의 균일한 세팅을 위해 좌와 우에 각각 동일한 개수의 센서 셀이 동일한 배치로 구성된 좌측의 제 1 센서유닛(111a)과 우측의 제 2 센서유닛(111b)을 포함하여 구성될 수 있다.

본 실시예는 제 1 및 2 센서 유닛(111a, 111b)에 각각 9개의 센서 셀(1111)이 배치된 것에 대한 것이지만, 상기 각 센서 유닛에 포함되는 센서 셀의 수와 배치는 동일하게 구성되되, 인공 관절의 환경 및 사양에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

그리고 상기 센서 블럭(110)은 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 센서 유닛(111)과 상기 센서 유닛으로부터 감지된 센싱 데이터를 호스트로 전송을 제어하는 MCU(112)와 상기 MCU의 제어에 따라 상기 센싱 데이터를 호스트로 무선 전송하는 안테나(113)와 발진 및 레귤레이터 기능을 수행하는 주변회로(114)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 MCU(112)는 배터리 블럭(120)의 상태를 체크하고, 데이터 산출 수단과 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 제어하고, 전처리 프로세스가 수행되어 스캔명령이 수신되면 상기 센서 유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단으로 무선 전송하는 역할을 담당한다.

도 3은 도 1의 스마트 센서가 장착된 인공관절을 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 3을 참조하면, 인공 관절(30)은 센서가 장착되는 베이스플레이트(310)와 상기 베이스 플레이트 상에 배치되어 센서 유닛의 간격을 조절하는 스페이서(320)와 상기 스페이서 상에 배치되는 스마트 센서(10)와 상기 센서 유닛 상에 배치되어 경골 역할을 담당하는 경골 인서트(330)와 상기 경골 인서트 상에 결합되어 대퇴골 역할을 담당하는 대퇴골 인서트(340)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 스마트 센서(10)가 상기 인공 관절 내에 장착된 상태로 무릎에 삽입되고, 상기 상기 스마트 센서를 통한 센싱을 수행하여 압력 밸런싱을 위한 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보가 획득되면 상기 스마트 센서는 제거되고, 상기 인공 관절 세팅 정보에 따라 상기 인공 관절을 무릎에 고정하게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템은 인공관절에 삽입되어 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 스마트 센서(10)와 상기 스마트 센서로부터 감지된 센서 로데이터를 전송받아 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하는 데이터 산출 수단(20)을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 데이터 산출 수단(20)은 호스트 단말 또는 클라우드 서버로 구성될 수 있으며, 상기 스마트 센서(10)와의 무선 통신을 통해 전송된 센서 로데이터를 토대로 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하게 된다.

여기서, 상기 스마트 센서(10)와 데이터 산출 수단(20)은 블루투스, 지그비, 적외선, RF 등의 근거리 무선 통신을 통해 데이터가 송수신 될 수 있지만, 저전력 블루투스(BLE)를 지원하는 블루투스 방식으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 압력 정보는 인공 관절을 정확한 위치에 세팅하기 위해 필요한 정보로 경골과 대퇴골의 간격 및 각도, 압력의 밸런스를 조절하여 인공 관절을 정확한 위치에 설치할 수 있도록 가이드 하기 위한 정보로 센서 셀에 작용하는 하중(Pressure), 좌표(Coordinate), 각도(Angle) 정보를 포함한다.

상기 데이터 산출 수단(20)은 인공 관절에 삽입되는 상기 스마트 센서를 관리하고, 스마트 센서와 통신 상태를 확인하고 무선 통신을 통해 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 센서관리모듈(210)과 상기 전송된 센싱 데이터로부터 압력 정보를 산출하는 압력정보산출모듈(220)과 상기 압력 정보 산출을 위한 수식, 파라메터, 환경 정보 및 산출된 압력 정보를 저장 관리하는 데이터베이스(230)과 상기 산출된 압력 정보를 출력하는 디스플레이 모듈(240)을 포함하여 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 센서관리모듈(210)은 FW업데이트 정보가 있는 경우 이를 스마트 센서로 전송하고, 스마트 센서(10)가 배터리로부터 전원이 파워온되면 배터리 체크에 대한 결과를 수신하고, 센서 유닛의 스캔을 위한 전처리 프로세스를 수행하고, 상기 스마트 센서(10)와 무선 통신을 통해 센서 스캔을 명령하고, 센서유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 역할을 담당한다.

그리고 상기 압력정보산출모듈(220)은 상기 센서관리모듈(210)로 수신된 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행하고, 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 및 각도를 산출하여 압력 데이터를 산출하는 역할을 담당한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 이용한 무릎 인공 관절 수술용 압력 정보 산출 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 스마트 센서의 배터리 블륵을 통해 전원이 인가되어 파워 온(Power On)되면, 센서블럭의 MCU가 전처리 프로세스를 수행한다.

여기서, 전처리 프로세스는 시스템 운전 초기화 작업, 배터리 체크, OTA FW 업데이트 작업을 포함할 수 있다.

먼저, 시스템 운전 초기화 작업을 수행한다.

여기서, 상기 시스템 운전 초기화 작업은 시스템 초기화(System Initialization)와 OTA FW 업데이트를 위한 부트로더 SRAM 초기화 및 스마트 센서 초기화를 포함할 수 있다.

상기 시스템 초기화는 스마트 센서 정보 세팅(버전 정보/센서 관련 정보), I2C 블록 초기화, BLE 블록 초기화, WTD 블록 초기화, ADC 블록 초기화, EEPROM 블록 초기화를 포함할 수 있으며, 상기 스마트 센서 초기화는 스마트 센서 블록 초기화, 센서 베이스라인 초기화, 압력 캘리브레이션 파라메터 초기화, 압력 매칭 파라메터(Force matching to Newton parameter) 초기화를 포함할 수 있다.

다음으로 스마트 센서의 배터리 체크를 수행한다.

도 6은 본 발명에 따른 스마트 센서의 배터리 체크 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 센서 블록의 MCU는 배터리의 레벨을 체크하고, 설정시간(예를 들어, 2.5초) 마다 1번씩 배터리 레벨을 % 단위로 체크하여 리포트 데이터를 생성하여 BLE를 통해 센서관리모듈로 전송한다.

이어서, 센서 블록의 MCU는 수신된 CMD를 통해 FW 업그레이드 여부를 확인한다. 여기서, 수신된 FW 업그레이드가 있는 경우 BLE를 통해 업그레이드하고 상기 파워 온 단계로 피드백한다.

여기서, 상기 FW(펌웨어)는 다른 소프트웨어보다 우선적으로 하드웨어의 기본적인 동작을 제어할 수 있는 기능을 가지며 전원이 인가되고 수신된 CMD를 통해 FW 업그레이드가 있다면 자동으로 OTA FW 업데이트 동작을 수행하게 된다.

다음으로, MCU가 센서 유닛을 스캔한다. 즉, 제 1 및 2 센서 유닛에 포함된 모든 센서 셀을 포함하는 센서에 대한 스캐닝을 시작하여, 센서 로데이터를 데이터 산출 수단에 전송한다..

이어서, 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행한다.

먼저, 센서 로데이터(Raw Data)에 대한 사전 프로세싱을 수행한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 먼저 최초 압력(first press or first release)인지를 체크하고 최초 압력인 경우 적응 필터(adaptive filter)를 세팅하고, 최초 압력이 아닌 경우 이미 적응 필터 세팅이 완료된 상태이므로 적응 필터 세팅 다음 단계로 포워딩한다.

여기서, 적응 필터 세팅은 다른 필터를 동적으로 변경하는 것으로 센서 데이터의 빠른 변화에 빠르게 대응할 수 있는 효과가 발생한다.

이어서, 센서 로데이터를 필터링하고, 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 센서 변화(Sensor variation) 데이터를 산출한다.

결국, 상기 센서 변화 데이터는 스캐닝된 센서 셀에 대한 로데이터가 필터링을 통해 변경된 데이터로 정의될 수 있다.

상기 필터링은 이동 평균 필터(Moving average filter)가 적용될 수 있으며, 선택적으로, 저역 필터(Low pass filter) 또는 칼만 필터(Kalman filter)가 적용될 수 있다.

다음으로 힘 보정(force calibration)과 뉴튼으로 힘 매칭(force matching to newton)을 수행한다.

도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 8a 및 8b를 참조하면, 먼저 힘 보정 과정은 입력 데이터(각 센서 셀에 대한 센서 변화 데이터)에 대한 현재 입력 값을 체크하고, 경계하중(예를 들어, 50N)보다 적을 경우 하기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 상기 경계하중(50N)보다 클 경우 하기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출한다.

수학식 1-1 : Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))

수학식 1-2 : Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X

여기서, 경계 하중(50N≒5kgf)은 도 9의 그래프에서 곡선이 급커브 구간(제1구간)과 완만한 커브 구간(제1구간)으로 나뉘게 되는데 두 개의 구간을 구분하는 기준이 되는 하중을 의미한다.

그리고, 상기 수학식 1-1은 상기 제1구간을 직선화하기 위한 수식이고, 수학식 1-2은 상기 제2구간을 직선화하기 위한 수식이다.

여기서, 상기 A/B/C/D는 상기 1단계/2단계의 곡선의 각 센서 셀들의 값들이 서로 다른 곡선을 그리기 때문에 하기의 직선화 된 힘(Y)인 이상적인 직선값에 맞추기 위한 센서셀들의 상수값들이고, X는 현재 입력된 각 셀의 힘이고, Y는 수식에 의해 직선화 된 각 셀의 힘을 나타낸다.

즉, 상기 힘 보정은 인가 하중에 따른 센서 값의 변화량이 선형화가 되도록 수식을 산출하는 것으로, 센서 유닛이 복수 개의 센서 셀로 구성되고 각 셀의 변화량 곡선이 다르기 때문에 힘 보정 수식은 각 셀 별로 산출하여야 한다.

보다 구체적으로 힘 보정 과정에 대해 살펴보면, 먼저 시료의 각 센서 셀 별 인가 하중에 따른 변화량을 측정한다.

즉, 좌측의 제 1 센서 유닛의 9개 셀에 대한 센서 측정 위치(LSO, LS1 ~ LS8)와 우측의 제 2 센서 유닛의 9개 셀에 대한 센서 측정 위치(RS0, RS1 ~ RS8)에 대해 인가하중(1.5kgf, 3kgf, 5kgf, 7kgf, 10kgf, 15kgf, 20kgf)에 따른 변화량을 측정한다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하중 별 변화량 곡선을 개략적으로 도시한 것이다.

그리고 측정 시료의 개수에 따라 상기 셀 별 인가 하중에 따른 변화량의 평균 값을 산출하고, 하중 별 변화량 곡선이 선형화되도록 셀 별 힘 보정 수식을 각각 산출한다.

이에 따라, 모든 셀의 힘 보정 수식이 산출되면 데이터 시뮬레이션을 통해 수식을 검증하고, ΣFValid가 1.5kgf인 보정된 각 셀에 대한 유효 힘 값(active force value)를 산출한다.

여기서, 무릎 수술 시 인체 구조 및 역학 상 최소 동작 하중이 1.5kgf 이며, 1.5kgf 이하는 너무 미약한 하중이므로 의미가 없기 때문에 유효 힘 값을 1.5kgf로 설정할 수 있다.

이어서, 인가되는 하중이 경계하중(예를 들어, 50N)보다 적을 경우 상기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 경계하중보다 클 경우 상기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출한다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정에 따른 시뮬레이션 그래프를 개략적으로 도시한 것이다.

다음으로, 뉴튼으로 힘 매칭 과정에 대해 살펴보면, 상기 힘 보정 과정에서의 출력 데이터가 입력데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)가 되어 하기의 수학식 2-1에 의해 유효 힘 영역의 힘의 합(ΣFValid)을 산출하고, 상기 힘의 합(ΣFValid)을 인가 하중으로 하기의 수학식 2-2에 의해 뉴튼으로 힘 매칭하여 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 하중(힘)을 산출한다.

수학식 2-1 : ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2

수학식 2-2 : Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3

여기서, 수학식 2-1은 어느 한 시점에서 전체 센서에 가해지는 전체 힘을 3센서셀의 합으로 구한다는 의미이며, fmax, fmax-1, fmax-2는 상기의 시점에서 전체힘이 가해지는 3개의 센서셀을 의미하고, ΣFValid은 그 3개의 센서셀의 값의 합을 나타낸다. 여기서, 상기 센서셀은 3개로 한정되는 것이 아니라, 3개 이상의 센서셀로 변경될 수 있음은 자명한 것이다.

수학식 2-2는 상기 ΣFValid를 적용하면 도 10과 같이 약간의 곡선호 현상이 나타나기 때문에 이를 직선화하기 위한 수식으로, 상기 A/B/C/D: 상기 ΣFValid를 적용하면 약간에 곡선호 현상이 다시 나타나는데 그 값을 Newton 단위의 직선화된 값에 맞추기 위한 상수값들이고, X는 수학식 2-1에서 ΣFValid이고, Y는 수식에 의해 직선화 된 전체 힘이며 동시에 그 힘의 단위를 Kgf에서 Newton으로 치환한 값을 의미한다.

이어서, 상기 입력 힘(유효 힘 영역의 보정된 힘의 합)이 설정된 유효 힘(active force)보다 큰지 여부를 확인한다.

여기서, 상기 유효 힘은 인공 관절의 압력 밸런스를 위해 필요한 힘으로 입력 힘이 유효 힘보다 작을 경우 압력이 불균형 상태이므로 피드백에 의한 센서의 베이스라인에 대한 트래킹이 필요하다.

따라서, 상기 입력 힘이 유효 힘보다 작은 경우 베이스 라인 트래킹을 통해 센서 베이스 값을 업그레이드한 후 파워 체크 단계로 피드백한다.

그리고 상기 입력 힘이 유효 힘보다 클 경우 좌표와 각도를 산출한다.

도 11a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 산출 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11b는 좌표 보정 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11c는 각도 산출 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 11a를 참조하면, 먼저 센서의 좌측 영역(제 1 센서 유닛)과 우측 영역(제 2 센서 유닛)이 독립적인 힘이 작용되는 것으로 가정하고, 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 좌측 X,Y 좌표를 산출한다.

여기서, 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 작을 경우 좌측 X=0, Y=0, 좌측 힘=0으로 세팅하여 피드백한다.

그리고 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 우측 X,Y 좌표를 산출한다.

그리고 좌측과 마찬가지로 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 작을 경우 우측 X=0, Y=0, 우측 힘=0으로 세팅하여 피드백한다.

수학식 3-1 :

a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)

b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)

c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)

d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)

도 12은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌측의 제1 센서 유닛의 센서 셀의 힘 분포를 개략적으로 도시한 것이다.

도 12를 참조하여, 좌표 산출 과정을 살펴보면,

좌측의 힘 ΣFLeft = f0+ f1+ ... +f8

x방향의 힘 LFx = 2.9*(f3+ f7 - f1 - f5)+ 5.8*f6 - 2.9(f1+ f5)-5.8*f2

x좌표는 (2.9*(f3+ f7- f1- f5)+ 5.8*(f6- f2))/ ΣFLeft* Ratio 이다.

그리고 y방향의 힘은 LFy = 5*(f5 + f7)+ 10*f8- 5*(f1 + f3)-10 * f0

y좌표는 ( 5*(f5 + f7 - f1 - f3)+ 10*(f8 - f0)) / ΣFLeft* Ratio 이다.

여기서, F, fn은 힘 보정이 적용되지 않은 힘 값이고, Ratio는 좌표의 해상도를 높여주기 위한 스칼라 함수이고, 우측 영역도 동일한 모델링으로 알고리즘이 산출될 수 있다.

상기와 같이 좌측 X,Y 좌표와 우측 X,Y 좌표가 산출되면 보정 파라메터가 존재하는지 여부를 확인하여 보정 파라메터가 존재하는 경우 수학식 3-2에 의해 좌표 보정을 수행한다.

b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3

c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3

d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 보정 알고리즘의 수식을 개략적으로 도시한 것이다.

보다 구체적으로, 상기 좌표 보정 방법은 터치-스크린 제품에서 일반적으로 사용되는 좌표 보정 알고리즘이 적용될 수 있으며, 좌표 보정 알고리즘을 적용하기 위해서는 동일 직선상에 위치하지 않는 3점이 이상의 입력 좌표가 필요하고, 입력 좌표의 개수가 많을수록 보정 효과는 높아지지만 공정이 복잡해지는 단점이 있기 때문에 5점 보정 알고리즘이 적용될 수 있다.

3점 보정 알고리즘에 의한 좌표 보정 실시예에 대해 살펴보면,

Destination Coordinates : P1(64, 384), P2(192, 192), P3(192, 576)

Input Coordinates : p1(678, 2169), P2(2807, 1327), P3(2629, 3367) 이라면

도 12의 수식 (1)을 적용하면

αX, = 0.0623, βX, = 0.0054, ΔX = 9.9951 and αY, = -0.0163, βY, = 0.1868, ΔY = -10.1458이 된다.

따라서, X = 0.0623 * XI, + 0.0054 * YI + 9.9951

Y = -0.0163 * XI, + 0.1868 * YI + (-10.1458)

예를 들어 현재의 입력 좌표가 (1000, 2000)이라면 보정된 좌표는 ;

X = 0.0623 * 1000 + 0.0054 * 2000 + 9.9951 = about 83

Y = -0.0163 * 1000 + 0.1868 * 2000 + (-10.1458) = about 347이 된다.

그리고 X,Y 좌표에 대한 최소 및 최대 경계를 하기의 수학식 3-3을 통해 체크한다.

수학식 3-3 : a. Resolution XMin = -400

b. Resolution XMax = 400

c. Resolution XMin = -650

d. Resolution XMax = 650

이어서, 좌측과 우측 영역의 2개의 좌표 사이의 각도를 산출한다.

보다 구체적으로, 좌측 X,Y와 우측 X,Y 좌표에 대해서 수학식 3-4에 의해 라디안을 산출한다.

수학식 3-4 : Radian = atan(dY/dX)

그리고 좌측 ΣFValid와 우측 ΣFValid가 0보다 크다면 수학식 3-5에 의해 각도를 산출한다.

수학식 3-5 : Angle = Radian * (180/PI)

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각도를 계산하기 위한 좌표계를 개략적으로 도시한 것이다.

여기서, 좌측 영역과 우측 영역은 독립된 좌표계이기 때문에 두 좌표 사이의 각도는 존재할 수 없다. 그리고 도 10과 같이 두 좌표 사이의 각도를 구하기 위해 두 좌표계의 중앙에 두 좌표계를 포함하는 가상의 좌표계와 두 좌표계는 각각 서로 “Distance"만큼 떨어져 있다고 정의한다.

여기서, X Resolution : -400 ~ 400 (좌측 영역/ 우측 영역 동일)

Y Resolution : -650 ~ 650 (좌측 영역/ 우측 영역 동일)

Distance : 1200으로 센서가 설정된 경우

tanθ = dY / dX

θ = atan(dY / dX) = Radian

Angle(Degree) = Radian * (360 / 2π)로 정의되기 때문에 예를 들어 살펴보면;

Left X, Y = (100, -200) Right X, Y = (100, 200) Distance = 1200 이라 하면

dX = Right X - Left X + 2* Distance = 100 - 100 + 2400 = 2400

dY = Right Y - Left Y = 200 - (-200) = 400

Radian = atan(dY / dX) = atan(400 / 2400) = about 0.16514868

Angle(Degree) = Radian * (360 / 2π) = about 9.5°

상기와 같은 과정을 통해 하중, 좌표, 각도가 산출되고, BLE를 통해 산출된 센서 리포트 데이터를 전송하고 파워 체크 단계로 피드백되어 하중, 좌표, 각도 산출 과정이 반복될 수 있다.

이에 따라, 인공 관절의 압력 밸런싱을 위한 각 센서 셀의 하중(힘), 좌표, 각도를 포함하는 압력 정보를 정확하게 산출하여 제공할 수 있다.

10 : 스마트 센서 20 : 데이터산출수단

Claims

인공관절에 삽입되어 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로 데이터를 감지하는 스마트 센서와;
상기 스마트 센서로부터 감지된 센서 로데이터를 전송받아 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하는 데이터 산출 수단을 포함하되;
상기 스마트 센서는
배터리 상태를 체크하고, 상기 센서 로데이터를 감지하고 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단에 전송하는 센서 블럭과 상기 센서 블럭과 연결되어 센서 블럭의 동작에 필요한 전력을 공급하는 배터리 블럭을 포함하고;
상기 센서 블럭은
복수 개로 분할된 센서 셀로 구성되고,
인공 관절의 좌우 압력 밸런스의 균일한 세팅을 위해 좌와 우측에 각각 동일한 개수의 센서 셀이 동일한 배치로 구성된 제 1 센서유닛과 제 2 센서유닛을 포함하고;
상기 데이터 산출 수단은
스마트 센서에 대한 FW업데이트 정보가 있는 경우 이를 스마트 센서로 전송하고, 스마트 센서가 배터리로부터 전원이 파워온되면 배터리 체크에 대한 결과를 수신하고, 센서 유닛의 스캔을 위한 전처리 프로세스를 수행하고, 상기 스마트 센서와 무선 통신을 통해 센서 스캔을 명령하고, 센서유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 센서관리모듈과;
상기 센서관리모듈로 수신된 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행하고, 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 및 각도를 산출하는 과정을 포함하여 압력 정보를 산출하는 압력정보산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 센서 블럭은
인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 센서 유닛과; 상기 센서 유닛으로부터 감지된 센싱 데이터를 호스트로 전송을 제어하는 MCU와; 상기 MCU의 제어에 따라 상기 센싱 데이터를 호스트로 무선 전송하는 안테나를 포함하고;
상기 MCU는
배터리 블럭의 상태를 체크하고, 데이터 산출 수단과 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 제어하고, 전처리 프로세스가 수행되어 스캔 명령을 수신하면 센서 유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단에 무선 전송을 제어하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 센서관리모듈은
스마트 센서 정보 세팅(버전 정보/센서 관련 정보), I2C 블록 초기화, BLE 블록 초기화, WTD 블록 초기화, ADC 블록 초기화, EEPROM 블록 초기화를 포함하는 시스템 초기화와; OTA FW 업데이트를 위한 부트로더 SRAM 초기화 및; 스마트 센서 블록 초기화, 센서 베이스라인 초기화, 압력 캘리브레이션 파라메터 초기화, 압력 매칭 파라메터(Force matching to Newton parameter) 초기화를 포함하는 스마트 센서 초기화를 포함하는 시스템 운전 초기화 작업, 배터리 체크, OTA FW 업데이트 작업을 포함하는 전처리 프로세스를 수행하고;
전처리 프로세스가 종료되면 상기 스마트 센서로 스캔 명령을 전송하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 압력정보산출모듈은
상기 사전 프로세싱 과정과 힘 보정과 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 수행하되;
상기 사전 프로세싱 과정은 센서 로데이터에 대해 최초 압력(first press or first release)인지를 체크하고 최초 압력인 경우 적응 필터(adaptive filter)를 세팅하고,센서 로데이터를 필터링하고, 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 센서 변화(Sensor variation) 데이터를 산출하는 단계를 포함하고;
상기 힘 보정 과정은
인가 하중에 따른 센서 값의 변화량이 선형화가 되도록 수식을 산출하되, 센서 유닛이 복수 개의 센서 셀로 구성되고 각 셀의 변화량 곡선이 다르기 때문에 힘 보정 수식은 각 셀 별로 산출하기 위해 입력 데이터(각 센서 셀에 대한 센서 변화 데이터)에 대한 현재 입력 값을 체크하고, 경계하중보다 적을 경우 하기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 경계하중보다 클 경우 하기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출하는 단계를 포함고;
수학식 1-1 : Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))
수학식 1-2 : Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X
상기 힘 매칭 과정은
상기 힘 보정 과정에서의 출력 데이터가 입력데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)가 되어 하기의 수학식 2-1에 의해 유효 힘 영역의 힘의 합(ΣFValid)을 산출하고, 상기 힘의 합(ΣFValid)을 인가 하중으로 하기의 수학식 2-2에 의해 뉴튼으로 힘 매칭하여 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 하중(힘)을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
수학식 2-1 : ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2
수학식 2-2 : Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3
제 1항에 있어서,
상기 압력정보산출모듈은
각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 과정은
센서의 좌측 영역(제 1 센서 유닛)과 우측 영역(제 2 센서 유닛)이 독립적인 힘이 작용되는 것으로 가정하고, 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 좌측 X,Y 좌표를 산출하고;
입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 우측 X,Y 좌표를 산출하고;
수학식 3-1 :
a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)
b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)
c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)
d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)
좌측과 우측 영역의 2개의 좌표 사이의 각도를 산출하되; 상기 산출된 좌측 X,Y와 우측 X,Y 좌표에 대해서 수학식 3-4에 의해 라디안을 산출하고;
수학식 3-4 : Radian = atan(dY/dX)
상기 좌측 ΣFValid와 우측 ΣFValid가 0보다 크다면 수학식 3-5에 의해 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
수학식 3-5 : Angle = Radian * (180/PI)
제 7항에 있어서,
상기 압력정보산출모듈은
상기 좌측 X,Y 좌표와 우측 X,Y 좌표가 산출되면 보정 파라메터가 존재하는지 여부를 확인하여 보정 파라메터가 존재하는 경우 수학식 3-2에 의해 좌표 보정을 수행하는 단계를 더 포함하여 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
수학식 3-2 : a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3
b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3
c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3
d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3
여기서, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2, RightParmY3는 보정 파라메터이다.