KR102412841B1 - 고령자 헬스케어를 위한 스마트 보행 시뮬레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보행 및 균형 검사와 보행 및 균형 훈련의 시공간적 제약을 극복함과 동시에 몰입감과 상호작용성이 높은 3차원 가상현실 공간을 제공해 사용성을 향상시킨 스마트 보행 시뮬레이터에 관한 것이다. 스마트 보행 시뮬레이터는 대상자가 제자리 걸음을 수행함으로써 가상현실 공간 속에서의 보행을 체험할 수 있는 환경을 제공하는 가상 환경 보행 제공부; 상기 대상자가 제자리 걸음을 수행하는 동안 감지되는 신호를 수집 및 분석하여 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 산출하는 보행 분석부; 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 기초로 상기 대상자의 건강 상태를 평가하는 건강 평가부; 및 상기 대상자의 건강 상태에 기초하여 상기 대상자의 보행 및 균형 훈련을 위한 프로그램을 생성하는 보행 훈련부를 포함한다.

Description

고령자 헬스케어를 위한 스마트 보행 시뮬레이터{Smart Gait Simulator for Elderly Healthcare}
본 발명은 고령자 헬스케어를 위한 스마트 보행 시뮬레이터에 관한 것으로, 구체적으로 노인의 건강 상태를 효율적으로 모니터링하여 노인 질병의 조기 진단과 증상 관리, 적절한 치료를 제공할 수 있는 고령자 헬스케어를 위한 스마트 보행 시뮬레이터에 관한 것이다.
급속도로 인구 고령화가 진행되면서 노인 의료비 지출로 인한 개인적, 사회적 부담이 증가하고 있다. 따라서, 노인의 건강 상태를 지속적으로 모니터링하여 질병을 조기 진단하고, 증상을 관리하며, 적절한 치료를 수행하는 것은 해당 노인을 위해서뿐만 아니라 전체 사회를 위해서도 요구된다. 다만, 이러한 노인들은 노쇠와 같은 신체적 상태뿐만 아니라 치매와 같은 정신적인 질병으로 인해 일반적인 의료 환경에 대한 접근이 용이하지 않다. 따라서, 시공간적 제약이 적고 사용성(usability)이 높은 노인 건강 상태 모니터링 기술이 필요하다.
여기서, 보행은 하지의 모든 근육과 관절의 움직임이 조화를 이루면서 동시에 일어나 몸의 중심을 이동시키는 복잡한 과정으로, 운동 능력과 감각 능력뿐만 아니라 기억력, 집중력, 실행능력 등 고위 수준의 인지기능이 관여한다. 즉, 보행 특성은 하지(발목, 무릎, 고관절)의 골관절염(osteoarthritis)과 골격기형(deformity), 신경근병(neuromuscular diseases, 예를 들어, 척수장애), 뇌기능 장애(brain dysfunction, 예를 들어, 치매), 뇌혈관 질환(cerebrovascular disease, 예를 들어, 뇌졸중), 심폐질환(cardiorespiratory diseases), 대사장애(metabolic disturbances) 등과 같은 건강 상태를 반영할 수 있다. 따라서, 보행 특성을 이용하여 노인의 건강 상태를 평가한다면, 관련 질병의 조기 진단과 증상 관리, 적절한 치료 등에 주요하게 활용될 수 있다.
이러한 보행 능력을 분석하고 정량화 하기 위해, 미국 특허 공개 공보 US 2009-0141933은 카메라를 이용하여 보행 시 이미지를 획득하고, 다리의 움직임을 분석하여 동작을 판단하고 보행 사이클을 예측하는 기술을 제안하였다. 다만, 이러한 종래 기술은 고가의 모션 캡쳐 시스템(motion capture system), 근전도계(electromyograph), 힘 플레이트(force plate) 등과 같은 장비, 최대 16 미터 길이의 직선 구조 공간과 같은 여유 공간과 경험이 풍부한 실험자가 필요하다. 즉, 상술한 장비를 활용한 보행 평가 방법은 특수 기기 및 인력이 투입됨에 따라 높은 비용이 발생했을 뿐만 아니라, 거동이 불편한 노인이 상술한 실험을 온전히 수행하는 것에 어려움이 있어 정확한 결과 데이터를 취하기 쉽지 않다는 단점이 있었다.
미국 특허 공보 US7467060B2 (2008년 12월 16일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스마트 보행 시뮬레이터를 이용해 노인의 보행 및 균형 능력을 분석 평가하여 건강 상태를 예측하고, 해당 노인에게 적절한 보행 및 균형 훈련을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터는 대상자가 제자리 걸음을 수행함으로써 가상현실 공간 속에서의 보행을 체험할 수 있는 환경을 제공하는 가상 환경 보행 제공부; 상기 대상자가 제자리 걸음을 수행하는 동안 감지되는 신호를 수집 및 분석하여 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 산출하는 보행 분석부; 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 기초로 상기 대상자의 건강 상태를 평가하는 건강 평가부; 및 상기 대상자의 건강 상태에 기초하여 상기 대상자의 보행 및 균형 훈련을 위한 프로그램을 생성하는 보행 훈련부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 가상 환경 보행 제공부는, 상기 대상자로 하여금 공간감을 느낄 수 있게 하는 3차원 디스플레이 장치인 표시 장치; 상기 대상자가 제자리 걸음을 수행할 수 있는 공간인 보행 장치; 및 상기 표시 장치 및 상기 보행 장치의 전반적인 동작을 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보행 분석부는 상기 대상자의 족저 압력을 측정하는 압력 센서; 상기 대상자의 신체 관절 움직임 신호를 측정하는 모션 센서; 및 상기 압력 센서 및 상기 모션 센서를 통해 수집된 데이터를 분석하여 상기 보행 평가 파라미터 및 상기 균형 평가 파라미터를 각각 산출하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가상 환경 보행 제공부는 상기 건강 평가부의 명령에 따른 보행 및 균형 평가 모드 또는 상기 보행 훈련부의 명령에 따른 보행 및 균형 훈련 모드를 상기 대상자에게 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보행 및 균형 평가 모드에서, 상기 건강 평가부는 상기 대상자의 보행 특성 및 균형 특성을 평가하기 위한 가상 보행 경로를 상기 가상 환경 보행 제공부를 통해 상기 대상자에게 제공하며, 상기 보행 분석부는 상기 대상자가 상기 가상 보행 경로를 상기 가상 환경 보행 제공부를 통해 제공 받아 보행하는 동안 감지되는 신호를 수집 및 분석하여, 상기 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가상 보행 경로는 두발 서기 시 신체 균형 및 안정성을 측정하는 제1 단계, 보행 시작 능력, 보행 간격 및 속도, 보폭(step)의 대칭성 및 연속성을 측정하는 제2 단계, 좌측 회전 시 보행 안정성을 측정하는 제3 단계, 우측 회전 시 보행 안정성을 측정하는 제4 단계, 보행의 최고 속도를 측정하는 제5 단계 및 한발 서기 시 신체 균형 및 안전성을 측정하는 제6 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 건강 평가부는 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 노쇠 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 제1 건강 상태 평가 모델; 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 근감소 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 제2 건강 상태 평가 모델; 및 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 인지기능장애 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 제3 건강 상태 평가 모델을 포함하고, 상기 건강 평가부는 상기 제1 건강 상태 평가 모델, 상기 제2 건강 상태 평가 모델 및 상기 제3 건강 상태 평가 모델 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 기초로 상기 대상자의 건강 상태를 평가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보행 훈련부는 노쇠군으로 평가된 대상자에게 노쇠 상태에 적합한 훈련 프로그램, 근감소군으로 평가된 대상자에게 근감소 상태에 적합한 훈련 프로그램, 인지기능장애군으로 평가된 대상자에게 인지기능장애 상태에 적합한 훈련 프로그램을 각각 생성하며, 상기 보행 훈련부는 상기 생성된 훈련 프로그램을 상기 가상 환경 보행 제공부를 통해 대상자에게 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터는 보행 및 균형 검사와 보행 및 균형 훈련의 시공간적 제약을 극복함과 동시에 몰입감과 상호작용성이 높은 3차원 가상현실 공간을 제공해 향상된 사용성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터는 대상자(노인)가 의료기관에 방문하지 않고도 노쇠, 근감소, 인지기능장애 등에 대한 평가를 제공받을 수 있도록 함으로써 관련 질병의 조기 진단, 증상 관리, 적절한 치료의 기회를 제공하는 데 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터의 블록도이다.
도 2는 가상 환경 보행 제공부의 구성을 도시한 예시도이다.
도 3은 보행 분석부의 압력 센서에서 측정된 제자리 걸음 데이터(대상자의 족저 압력)를 도시한 예시도이다.
도 4는 보행 분석부의 모션 센서에서 측정된 제자리 걸음 데이터(대상자의 가속도, 각속도)를 도시한 예시도이다.
도 5는 보행 및 균형 평가 모드 시 가상 환경 보행 제공부에서 제공하는 예시적인 가상현실 화면을 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 가상 환경 보행 제공부의 보행 및 균형 평가 모드에서 대상자가 보행하게 되는 예시적인 가상 보행 경로를 도시한 것이다.
도 7은 보행 및 균형 훈련 모드 시 가상 환경 보행 제공부에서 제공하는 예시적인 가상현실 화면을 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 인지할 수 있다. 이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터의 블록도이다. 도 2는 가상 환경 보행 제공부의 구성을 도시한 예시도이다. 도 3은 보행 분석부의 압력 센서에서 측정된 제자리 걸음 데이터(대상자의 족저 압력)를 도시한 예시도이고, 도 4는 보행 분석부의 모션 센서에서 측정된 제자리 걸음 데이터(대상자의 가속도, 각속도)를 도시한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 스마트 보행 시뮬레이터(10)는 가상 환경 보행 제공부(100), 보행 분석부(110), 건강 평가부(120), 보행 훈련부(130) 및 데이터 베이스부(140)를 포함한다.
실시예들에 따른 스마트 보행 시뮬레이터(10)는, 전적으로 하드웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 본 명세서의 스마트 보행 시뮬레이터 및 이에 포함된 각 부(unit)는, 특정 형식 및 내용의 데이터를 전자통신 방식으로 주고받기 위한 장치 및 이에 관련된 소프트웨어를 통칭할 수 있다. 본 명세서에서 "부", "모듈(module)", "서버(server)", "시스템", "장치" 또는 "단말" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 여기서 하드웨어는 CPU 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.
또한, 스마트 보행 시뮬레이터(10)를 구성하는 각각의 부는 반드시 물리적으로 구분되는 별개의 구성요소를 지칭하는 것으로 의도되지 않는다. 도 1에서 가상 환경 보행 제공부(100), 보행 분석부(110), 건강 평가부(120), 보행 훈련부(130) 및 데이터 베이스부(140)는 서로 구분되는 별개의 블록으로 도시되나, 이는 스마트 보행 시뮬레이터를 구성하는 구성을 해당 구성에 의해 실행되는 동작에 의해 단지 기능적으로 구분한 것이다. 따라서, 실시예에 따라서는 가상 환경 보행 제공부(100), 보행 분석부(110), 건강 평가부(120), 보행 훈련부(130) 및 데이터 베이스부(140)는 일부 또는 전부가 동일한 하나의 장치 내에 집적화될 수 있고, 하나 이상이 다른 부와 물리적으로 구분되는 별개의 장치로 구현될 수도 있으며, 분산 컴퓨팅 환경 하에서 서로 통신 가능하게 연결된 컴포넌트들일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터(10)의 대상자는 노인일 수 있다. 여기서, 노인은 일정 연령 이상으로 나이 들어 늙은 사람을 의미하며, 노인복지법 상 만 65세 이상인 자로 정의될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 대상자는 상기 연령 이하의 대상자로 구성될 수도 있고, 상기 연령 이상의 대상자들로 구성될 수도 있다.
가상 환경 보행 제공부(100)는 대상자가 제자리 걸음을 수행함으로써 가상현실 공간 속에서의 보행을 체험할 수 있는 환경을 제공한다. 가상 환경 보행 제공부(100)는 대상자에게 제자리 걸음 환경과 함께 가상 보행 환경을 제공하며, 가상 보행 환경은 제자리 걸음을 통해 가상현실에서 보행할 수 있는 가상현실 네비게이션일 수 있다. 가상 환경 보행 제공부(100)에서 수행되는 가상현실 보행은 대상자의 보행 특성 및 균형 특성을 측정하여 건강 상태를 평가하기 위한 것일 수 있다. 또한, 가상 환경 보행 제공부(100)에서 수행되는 가상현실 보행은 평가된 건강 상태에 따라 대상자를 적절히 훈련시키기 위한 것일 수 있다.
구체적으로, 가상 환경 보행 제공부(100)는 표시 장치(101), 보행 장치(102) 및 제어 장치(103)를 포함한다.
표시 장치(101)는 대상자로 하여금 공간감을 느낄 수 있게 하는 3차원 디스플레이 장치일 수 있다. 표시 장치(101)는 입체 디스플레이 장치, 헤드 마운티드 디스플레이(head-mounted display, HMD) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 표시 장치(101)는 보행 장치(102)와의 정합을 통하여 실제 공간에서의 움직임을 가상현실 공간 상에 더욱 효과적으로 반영할 수 있다. 예를 들면, 보행 장치(102)를 통해 인식하는 실제 공간 상의 위치 정보와 표시 장치(101)를 통해 출력되는 가상현실 공간 상의 위치 정보를 대응시킴으로써 대상자의 움직임을 가상현실 공간 상에 구현할 수 있다.
보행 장치(102)는 대상자가 제자리 걸음을 수행할 수 있는 장치일 수 있다. 보행 장치(102)는 대상자가 제자리에서 직선 보행, 곡선 보행, 경사 보행 등을 수행할 수 있도록 보행을 보조하는 장치일 수 있다. 보행 장치(102)는 예를 들어, 트레드 밀일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 대상자는 헤드 마운티드 디스플레이로 구성된 표시 장치(101)를 착용한 상태로 보행 장치(102) 위에서 제자리 걸음을 수행할 수 있다. 여기서, 대상자가 노인인 점을 감안, 보행 장치(102)에는 대상자가 몸을 지탱할 수 있는 지지대 등이 더 구비될 수도 있다.
제어 장치(103)는 표시 장치(101) 및 보행 장치(102)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어 장치(103)는 건강 평가부(120) 및 보행 훈련부(130)와 각각 연결될 수 있으며, 건강 평가부(120)의 명령에 따른 보행 및 균형 평가 모드 또는 보행 훈련부(130)의 명령에 따른 보행 및 균형 훈련 모드를 대상자에게 제공할 수 있다.
건강 평가부(120)는 대상자 식별 값, 성별, 나이와 같은 기본 정보를 더 입력받을 수 있으며, 입력된 상기 정보를 더 고려하여 대상자에게 적합한 보행 및 균형 평가 프로그램을 구성하여 가상 환경 보행 제공부(100)를 통해 대상자에게 보행 및 균형 평가 모드를 제공할 수 있다.
또한, 보행 훈련부(130)는 건강 평가부(120)에서 평가된 결과에 따라, 적절한 보행 및 균형 훈련 프로그램을 구성하여, 가상 환경 보행 제공부(100)를 통해 대상자에게 보행 및 균형 훈련 모드를 제공할 수 있다.
보행 분석부(110)는 가상 환경 보행 제공부(100)를 통해 제공되는 가상 보행 환경을 보행함으로써 생성되는 보행 특성 및 균형 특성을 취득할 수 있다. 보행 분석부(110)는 대상자의 족저 압력을 측정할 수 있는 압력 센서(111), 대상자의 신체 관절 움직임 신호를 측정할 수 있는 모션 센서(112) 및 데이터 처리부(113)를 포함한다.
압력 센서(111)는 보행 장치(102)에 수평으로 배치되는 압력 매트일 수 있으며, 대상자의 족저 압력을 측정하도록 구성될 수 있다. 압력 센서(111)는 예를 들어, 도 3과 같은 데이터를 획득하여 발바닥 접지기, 보행 주기, 족저압 중심 이동 등과 관련된 정보를 수집하는데 활용될 수 있다.
모션 센서(112)는 적외선 카메라 또는 골반, 대퇴, 하퇴, 발 등에 탈부착이 가능한 형태의 3축 가속도계 또는 3축 자이로스코프일 수 있다. 모션 센서(112)는 예를 들어, 도 4와 같이 X축, Y축, Z축 각각에 대한 가속도 데이터 및 X축, Y축, Z축 각각에 대한 각속도 데이터를 수집하는데 활용될 수 있다.
데이터 처리부(113)는 압력 센서(111) 및/또는 모션 센서(112)에서 측정된 데이터를 분석하여 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 각각 산출한다. 또한, 데이터 처리부(113)는 압력 센서(111) 및/또는 모션 센서(112)에서 측정된 데이터를 제어 장치(103)로 제공하여 보행과 관련된 사용자의 의도(보행의 시작과 정지, 보폭, 속도, 방향 등)가 가상 환경 보행 제공부(100)에 반영되도록 구성될 수도 있다.
데이터 베이스부(140)는 대상자의 기본 정보와 함께 건강 평가에 필요한 데이터(보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터) 등을 임시적으로 저장하거나, 계속 보관하도록 구성될 수 있다.
보행 분석부(110)에서 산출된 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터는 현재 제공된 모드(보행 및 균형 평가 모드 또는 보행 및 균형 훈련 모드)에 따라, 건강 평가부(120) 또는 보행 훈련부(130)로 제공될 수 있다. 건강 평가부(120)는 보행 분석부(110)에서 제공되는 보행 특성 및 균형 특성에 기초하여 대상자의 건강 상태를 평가할 수 있다. 보행 훈련부(130)는 보행 분석부(110)에서 제공되는 보행 특성 및 균형 특성에 기초하여 대상자의 현재 훈련 상태를 평가할 수 있다.
이하, 건강 평가부(120)에서 제공되는 보행 및 균형 평가 및 보행 훈련부(130)에서 제공되는 보행 및 균형 훈련에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 보행 및 균형 평가 모드 시 가상 환경 보행 제공부(100)에서 제공하는 예시적인 가상현실 화면을 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b는 가상 환경 보행 제공부(100)의 보행 및 균형 평가 모드에서 대상자가 보행하게 되는 예시적인 가상 보행 경로를 도시한 것이다.
도 5는 대상자가 체험하게 되는 가상 보행 환경의 예시적인 화면으로, 보행을 시작하기 전의 초기 화면일 수 있다. 즉, 대상자는 3차원으로 구현된 가상의 임상검사실에서 보행 및 균형 평가를 체험하게 된다. 또한, 가상 환경 보행 제공부(100)는 대상자의 음성을 인식하는 음성 인식부(미도시), 관리자의 음성을 출력하는 음성 출력부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 대상자와 관리자 사이의 실시간 의사소통을 통해 신체 및 인지 기능이 낮은 환자의 테스트 수행을 보조할 수도 있다.
보행 및 균형 평가 모드에서, 사용자의 보행 특성 및 균형 특성을 평가하기 위한 테스트가 수행될 수 있다. 상기 테스트는 보행 및 균형 평가 모드에서 제공되는 가상 보행 경로를 대상자가 보행함에 따라 수행될 수 있다. 도 5b는 대상자가 보행하게 되는 가상 보행 경로의 예시적인 화면을 도시한 것으로, 이와 같은 가상 보행 경로를 보행함에 따라 보행 및 균형 평가를 위한 테스트가 수행된다.
본 실시예에 따른 보행 및 균형 평가 모드는 도 6a과 같은 가상 보행 경로를 대상자에게 제공할 수 있으며, 도 6a의 가상 보행 경로는 도 6b와 같이 3차원 환경으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 가상 보행 경로는 두발 서기 시 신체 균형 및 안정성을 측정하는 제1 단계(예를 들어, 눈을 감고 5초 동안 두발 서기, 눈을 뜨고 5초 동안 두발 서기), 보행 시작 능력, 보행 간격 및 속도, 보폭의 대칭성 및 연속성을 측정하는 제2 단계(예를 들어, 10m 직선 경로 보행), 좌측 회전 시 보행 안정성을 측정하는 제3 단계(예를 들어, 곡선 경로에서 좌회전), 우측 회전 시 보행 안정성을 측정하는 제4 단계(예를 들어, 곡선 경로에서 우회전), 보행의 최고 속도를 측정하는 제5 단계(예를 들어, 6분 동안 직선 경로 보행시 이동 거리 측정) 및 한발 서기 시 신체 균형 및 안전성을 측정하는 제6 단계(예를 들어, 5초 동안 왼발 서기, 5초 동안 오른발 서기)를 포함한다.
건강 평가부(120)는 상술한 바와 같이, 대상자의 성별, 나이, 건강 상태와 같은 기본 정보를 더 고려하여 보행 및 균형 평가 모드를 적절히 변형할 수 있다. 예를 들어, F8WT(figure-of-eight walking test, 8자 모양의 경로 보행 시 소요시간 측정), TUG(timed up & go test, 의자에서 일어나 3m 거리를 걸어갔다 돌아와 다시 의자에 앉는데 걸리는 시간 측정), FSST(four square step test, 십자 모양으로 구획된 4분면을 시계방향 및 반시계방향으로 이동 시 소요시간 측정) 등이 더 조합되어 보행 및 균형 평가 모드가 수행될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 보행 분석부(110)의 데이터 처리부(113)는 압력 센서(111) 및 모션 센서(112)에서 측정된 데이터를 기초로 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 산출할 수 있다. 예를 들어, 데이터 처리부(113)는 제1 단계, 제6 단계에서 측정되는 데이터를 기초로 대상자의 균형 평가 파라미터를 산출할 수 있으며, 제2 단계 내지 제5 단계에서 측정되는 데이터를 기초로 대상자의 보행 평가 파라미터를 산출할 수 있다.
건강 평가부(120)는 보행 분석부(110)를 통해서 수집한 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 기초로 대상자의 건강 상태를 평가할 수 있다. 건강 평가부(120)는 대상자의 노쇠 정도를 평가하는 제1 건강 상태 평가 모델, 대상자의 근감소 정도를 평가하는 제2 건강 상태 평가 모델 및 대상자의 인지기능장애 정도를 평가하는 제3 건강 상태 평가 모델 중 적어도 하나를 포함한다. 제1 건강 상태 평가 모델은 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 노쇠 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 모델일 수 있다. 상기 대상자의 노쇠 정도는 비노쇠(non-frailty) 또는 노쇠(frailty)로 이분화되거나 비노쇠(non-frailty), 전노쇠(pre-frailty) 또는 노쇠(frailty)로 삼분화될 수 있다. 제2 건강 상태 평가 모델은 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 근감소 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 모델일 수 있다. 상기 대상자의 근감소 정도는 비근감소증(non-sarcopenia) 또는 근감소증(sarcopenia)으로 이분화될 수 있다. 제3 건강 상태 평가 모델은 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 인지기능장애 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 모델일 수 있다. 상기 대상자의 인지기능장애 정도는 비인지장애(non-cognitive impairment, non-CI) 또는 인지장애(CI)로 이분화되거나 비인지장애, 경도인지장애(mild CI) 또는 중등도 이상의 인지장애(moderate-to-severe CI)로 삼분화될 수 있다.
건강 평가부(120)는 제1 건강 상태 평가 모델, 제2 건강 상태 평가 모델 및 제3 건강 상태 평가 모델 중 적어도 하나를 이용하여 대상자의 건강 상태, 노쇠 정도, 근감소 정도, 인지기능장애 정도를 평가한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터는 대상자(노인)들이 의료기관에 방문하지 않고도 노쇠, 근감소, 인지기능장애 등에 대한 평가를 제공받을 수 있도록 함으로써 관련 질병의 조기 진단에 효과적으로 활용될 수 있다.
도 7은 보행 및 균형 훈련 모드 시 가상 환경 보행 제공부(100)에서 제공하는 예시적인 가상현실 화면을 도시한 것으로, 대상자는 3차원으로 구현된 가상의 공원에서 보행 및 균형 훈련을 체험하게 된다.
보행 훈련부(130)는 건강 평가부(120)의 평가 결과를 기초로 훈련 프로그램을 생성한다. 여기서, 훈련 프로그램은 대상자가 보행하게 되는 보행 경로 및 상기 대상자에게 제공되는 가상 환경을 포함하는 것으로 정의되며, 가상 환경 보행 제공부(100)의 보행 및 균형 훈련 모드를 통해 대상자에게 제공될 수 있다.
보행 훈련부(130)는 노쇠군으로 평가된 대상자에게 노쇠 상태에 적합한 훈련 프로그램을 제공할 수 있다. 예를 들어, 보행 훈련부(130)는 안정된 보폭과 속도로 일정 시간 동안 가상의 숲길, 바닷가, 공원 등을 산책하는 훈련을 통해 지루함을 느끼지 않고 규칙적으로 유산소 운동을 수행할 수 있는 가상 환경을 도 7과 같이 제공할 수 있다. 보행 훈련부(130)는 근감소군으로 평가된 대상자에게 근감소 상태에 적합한 훈련 프로그램, 예를 들어, 낙상 위험 상황에서 균형을 유지할 수 있는 동작의 학습을 위해 전후좌우 방향으로 신체 중심 이동하기, 외발 서기, 옆으로 걷기, 뒤로 걷기 등의 훈련 프로그램을 제공할 수 있다. 또한, 보행 훈련부(130)는 인지기능장애군으로 평가된 대상자에게 인지기능장애 상태에 적합한 훈련 프로그램, 예를 들어, 작업 능력 및 판단력 향상을 위해 장애물 피해 걷기, 숫자를 세거나 특정 범주에 포함되는 항목을 열거하며 걷는 이중 과제 보행 등의 훈련 프로그램을 제공할 수 있다.
대상자는 보행 훈련부(130)에서 생성된 훈련 프로그램을 가상 환경 보행 제공부(100)를 통해 제공받을 수 있다. 이러한 훈련 프로그램은 대상자 개개인의 현재 상태를 고려하여 적합하게 조정된 프로그램으로, 훈련 효과 향상에 기여 할 수 있다. 또한, 보행 분석부(110)는 훈련 프로그램을 수행하는 대상자의 보행 특성 및 균형 특성을 측정하여 보행 훈련부(130)에 제공할 수 있다. 보행 훈련부(130)는 측정된 보행 특성 및 균형 특성을 기초로 훈련 효과를 판단하고, 이를 추가적인 훈련 프로그램을 계획하는 데에 활용할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 시뮬레이터는 대상자의 현재 상태에 기초한 증상 관리 및 적절한 치료의 기회를 효과적으로 제공할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 스마트 보행 시뮬레이터
100: 가상 환경 보행 제공부
110: 보행 분석부
120: 건강 평가부
130: 보행 훈련부
140: 데이터 베이스부

Claims (8)

  1. 대상자가 제자리 걸음을 수행함으로써 가상현실 공간 속에서의 보행을 체험할 수 있는 환경을 제공하는 가상 환경 보행 제공부;
    상기 대상자가 제자리 걸음을 수행하는 동안 감지되는 신호를 수집 및 분석하여 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 산출하는 보행 분석부;
    상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 기초로 상기 대상자의 건강 상태를 평가하는 건강 평가부; 및
    상기 대상자의 건강 상태에 기초하여 상기 대상자의 보행 및 균형 훈련을 위한 프로그램을 생성하는 보행 훈련부를 포함하고,
    상기 가상 환경 보행 제공부는 상기 건강 평가부의 명령에 따른 보행 및 균형 평가 모드 또는 상기 보행 훈련부의 명령에 따른 보행 및 균형 훈련 모드를 상기 대상자에게 제공하고,
    상기 건강 평가부는 상기 보행 및 균형 평가 모드에서, 상기 대상자의 보행 특성 및 균형 특성을 평가하기 위해 직선 보행 경로, 곡선 보행 경로 및 경사 보행 경로 중 적어도 하나를 포함하는 가상 보행 경로를 상기 가상 환경 보행 제공부를 통해 상기 대상자에게 제공하고,
    상기 보행 분석부는 상기 대상자가 상기 가상 보행 경로를 상기 가상 환경 보행 제공부를 통해 제공받아 보행하는 동안 감지되는 신호를 수집 및 분석하여, 상기 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 산출하는, 스마트 보행 시뮬레이터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가상 환경 보행 제공부는,
    상기 대상자로 하여금 공간감을 느낄 수 있게 하는 3차원 디스플레이 장치인 표시 장치;
    상기 대상자가 제자리 걸음을 수행할 수 있는 공간인 보행 장치; 및
    상기 표시 장치 및 상기 보행 장치의 전반적인 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하는 스마트 보행 시뮬레이터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 보행 분석부는,
    상기 대상자의 족저 압력을 측정하는 압력 센서;
    상기 대상자의 신체 관절 움직임 신호를 측정하는 모션 센서; 및
    상기 압력 센서 및 상기 모션 센서를 통해 수집된 데이터를 분석하여 상기 보행 평가 파라미터 및 상기 균형 평가 파라미터를 각각 산출하는 데이터 처리부를 포함하는 스마트 보행 시뮬레이터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 가상 보행 경로는 두발 서기 시 신체 균형 및 안정성을 측정하는 제1 단계, 보행 시작 능력, 보행 간격 및 속도, 보폭의 대칭성 및 연속성을 측정하는 제2 단계, 좌측 회전 시 보행 안정성을 측정하는 제3 단계, 우측 회전 시 보행 안정성을 측정하는 제4 단계, 보행의 최고 속도를 측정하는 제5 단계 및 한발 서기 시 신체 균형 및 안전성을 측정하는 제6 단계를 포함하는 스마트 보행 시뮬레이터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 건강 평가부는 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 노쇠 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 제1 건강 상태 평가 모델; 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 근감소 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 제2 건강 상태 평가 모델; 및 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터 입력 시 대상자의 인지기능장애 정도에 대한 평가를 출력하도록 학습된 제3 건강 상태 평가 모델을 포함하고,
    상기 건강 평가부는 상기 제1 건강 상태 평가 모델, 상기 제2 건강 상태 평가 모델 및 상기 제3 건강 상태 평가 모델 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상자의 보행 평가 파라미터 및 균형 평가 파라미터를 기초로 상기 대상자의 건강 상태를 평가하는 스마트 보행 시뮬레이터.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 보행 훈련부는 노쇠군으로 평가된 대상자에게 노쇠 상태에 관련된 훈련 프로그램, 근감소군으로 평가된 대상자에게 근감소 상태에 관련된 훈련 프로그램, 인지기능장애군으로 평가된 대상자에게 인지기능장애 상태에 관련된 훈련 프로그램을 각각 생성하며,
    상기 보행 훈련부는 상기 생성된 훈련 프로그램을 상기 가상 환경 보행 제공부를 통해 대상자에게 제공하는 스마트 보행 시뮬레이터.
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