KR102548863B1 - 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법에 관한 것이다. 본 발명은 진단서버의 나선수신부가 사용자단말로부터 사용자가 그린 나선을 수신하는 단계와, 진단서버의 좌표계산부가 수신된 나선에서 특정 위치의 좌표값을 설정하는 단계와, 진단서버의 좌표계산부가 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 위치의 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산하는 단계와, 진단서버의 이격거리계산부가 나선의 좌표값과 기준라인 좌표값을 통해 이격거리를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법 및 시스템{Method and system for diagnosing dyskinesia by calculating an error distance in spiral drawing}

본 발명은 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 사용자가 그린 나선과 기준라인 간의 오차거리를 실시간으로 계산하여 이상운동증 진단이 가능한 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법 및 시스템에 관한 것이다.

이상운동증의 진행을 늦추고 효과적인 치료를 위해서는 신속하고 정확한 진단이 중요하다. 나선그리기 검사는 손떨림, 강직, 서동 등의 증상을 측정하는데 용이한 검사방법이다. 사용자에게 기준라인이 주어지고, 사용자가 기준라인을 따라 그린 나선 간의 차이를 분석하여 이상운동증의 중증도를 계산할 수 있다.

하지만, 종래의 나선그리기 검사는 실시간으로 그려진 사용자의 나선 그림과 일치하는 점들을 찾기가 어렵고 이로 인하여 기준라인에서 벗어난 오차거리를 계산하기가 어려운 문제가 있다.

검사 결과를 정량화하여 나타나는 기준라인에서 벗어난 거리는 사용자가 그린 직선 또는 나선이 기준 목표선인 기준라인으로부터 얼마나 떨어졌는가를 판정한다. 이에 떨어진 거리를 판단하기 위해서는 정확한 목표선의 좌표를 찾는 것을 우선으로 한다. 기존 알고리즘 방식은 이를 토대로 그리기 검사 진행 시, 사용자가 그린 선을 시간에 따라 (x, y)좌표 값으로 배열에 저장하고, 이와 동일한 배열의 길이를 가진 기준라인을 계산하였다. 기준라인은 정해진 원점으로부터 일정한 각도와 거리에 비례하여 그려지기 때문에, 해당 값을 토대로, 사용자가 검사를 진행한 시간과 동일한 길이만큼의 기준라인을 그려주어 비교하는 방법이 일반적이다.

하지만 이러한 방식들은, 사용자가 그린 (x, y) 좌표 값과 계산된 기준라인의 좌표를 비교하는 과정에서 오차가 발생한다. 사용자가 그린 그림의 좌표 값은 시간에 따라 배열에 저장되고, 배열의 길이 또한 이에 비례하여 결정되지만, (x, y)좌표 값 사이의 거리는 검사 속도에 비례하여 결정된다. 그러므로 두가지 좌표 값을 저장한 배열들의 길이, 즉 샘플수가 같아도 두가지 좌표 값이 서로 다른 각도상에 존재하게 된다. 따라서 정확한 좌표상의 위치와 페어를 이루지 못해 이격거리를 측정하여 검사 결과를 제공하는데 어려움이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 방법 1 내지 방법 3이 제안되고 있으나 여전히 문제점을 갖고 있다. 방법 1은 위의 나선까지의 거리 특성을 이용하여, 원점으로부터 기준 나선의 끝점까지의 거리를 구한 후, 해당 거리에 사용자가 실제로 그린 나선과 동일한 페어의 개수만큼 일정하게 지정하여, 동일한 페어를 가지는 기준라인 좌표를 구한다. 방법 1은 사용자가 그린 나선의 배열 길이와 동일하고 기준 나선과 매우 유사한 모양을 갖는 기준라인을 계산할 수 있다. 하지만 이는 사용자가 그린 그림에서 나타나는 페어와 계산한 기준라인의 페어의 위치가 일치하지 않아 이격거리의 정확도가 낮아진다는 문제점을 지닌다.

방법 2는 페어의 개수는 동일하지만, 위치가 일치하지 않는 방법1을 보완하여, 사용자가 그린 나선을 기준으로 유동적으로 기준라인 좌표 위치를 추출한다. 우선 방법 1과 동일하게 원점으로부터 기준 나선의 끝점까지의 거리를 구하고, 사용자가 그린 나선의 페어의 개수보다 훨씬 더 많은 페어를 가진 기준라인을 준비한다. 그리고 사용자 그림의 각 페어와 아주 많은 기준라인의 페어를 비교하여, 가장 가까운 위치에 있는 페어를 기준라인의 좌표로 사용한다. 따라서 페어가 거의 일치하는 기준라인이 구해진다. 하지만, 떨림의 심한 사용자의 경우, 좌표 중에 기준라인 좌표가 잘못매칭되는 경우가 생길 수 있다는 문제점이 있다.

방법 3은 기준선 좌표의 간격이 일정하다는 방법 1과 달리 사용자가 그리는 그림 좌표의 간격을 반영한다. 이는 좌표 간격이, 좌표 간의 사이각과 비례한다는 성질을 이용한다. 원점과 두 개의 좌표가 이루는 삼각형에, 제2코사인 법칙을 통해 사이각을 구할수 있다. 이 법칙을 이용하여 좌표마다 사이각들을 구하고, 이를 우리가 구할 기준라인 좌표들 간의 간격으로 사용한다. 원점으로부터 끝점 까지의 각도와 거리를 앞에서 구한 간격만큼 나눠주어 최종 기준라인을 구한다. 방법 3은 방법 1과 달리 사용자가 선을 그리는 방식에 따라 유동적이게 기준 라인 좌표를 구할 수 있다. 하지만 떨림이 심한 사용자의 경우, 사이각이 중복되는 경우가 발생하기 때문에 더 긴 길이의 기준 라인이 구해지는 문제가 발생한다.

선행기술로는 한국공개특허 제10-2021-0067497호(이상운동증상 진단을 위한 정량화 방법 및 시스템)에서 이상운동증상 진단을 위한 나선그리기 검사를 수행하는 기술을 개시하고 있으나 진단을 위한 정량화 방법을 주요 기술적 특징으로 하고 있을 뿐이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실시간으로 사용자가 그린 나선과 기준라인의 오차거리를 계산하여 정확하게 이상운동증상을 진단이 가능한 방법 및 시스템을 구현하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법은, 진단서버의 나선수신부가 사용자단말로부터 사용자가 그린 나선의 좌표값을 수신하는 단계와, 진단서버의 좌표계산부가 수신된 나선에서 특정 위치의 좌표값을 설정하는 단계와, 진단서버의 좌표계산부가 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 위치의 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산하는 단계와, 진단서버의 이격거리계산부가 나선의 좌표값과 기준라인 좌표값을 통해 이격거리를 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 시스템은, 진단서버와 사용자단말로 구성되고, 상기 진단서버는, 사용자단말로부터 사용자가 사용자단말 위에 그린 나선의 좌표값과 시간값을 수신하는 나선수신부와, 수신된 나선에서 오차 거리를 확인하기 위한 특정 좌표값을 설정하고, 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산하는 좌표계산부와, 나선의 특정좌표값과 기준라인 좌표값의 이격거리를 계산하는 이격거리계산부와, 계산된 이격거리에 따라 이상운동증 여부를 진단하는 제어부와, 이상운동증 진단 결과를 사용자단말에 전달하는 통신부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 나선그리기 검사시 빠르고 정확하게 오차거리를 계산하여 수 실시간으로 이상운동증 증상을 진단할 수 있다. 모바일 애플리케이션을 통해 검사 결과를 실시간으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법을 설명하는 개념도이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오차거리 계산 방법과 종래 기술을 실험한 비교예이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 시스템은 사용자단말(100)과 진단서버(200)로 구성된다.

사용자단말(100)은 나선그리기 검사를 위해 표시부에 나선형태의 기준라인이 표시되고, 사용자가 기준라인을 따라 나선을 그리면, 나선출력부를 통해 나선 그림을 진단서버(200)에 전송할 수 있다. 나선그리기 검사는 사용자가 사용자단말 위에 그린 나선의 좌표값과 시간값으로 가져오고, 이러한 값들을 여러 분석 방법을 통해 사용자의 손떨림을 수치화하며 후에 파킨슨병에 대한 연구나 진단에 활용한다. 나선그리기 검사는 사용자가 시행한 나선그리기 검사를 분석 알고리즘을 활용하여 진폭, 주파수, 선일치율를 산출하고 가장 최근에 시행하였던 결과 값과 비교할 수 있다.

진단서버(200)는 나선수신부(210), 좌표계산부(220), 이격거리계산부(230), 제어부(240), 통신부(250), 저장부(260)로 구성된다.

나선수신부(210)는 사용자단말로부터 사용자가 사용자단말 위에 그린 나선의 좌표값과 시간값을 수신할 수 있다.

좌표계산부(220)는 수신된 나선에서 오차 거리를 확인하기 위한 특정 좌표값을 설정할 수 있다. 좌표계산부(220)는 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산할 수 있다. 즉, 나선의 특정 좌표값과 페어인 기준라인의 좌표값을 계산한다.

좌표계산부(220)는 시작점을 원점으로 설정하고, 사용자가 그린 나선의 x좌표, y좌표가 x축과 이루는 각도(θ)를 구하고, 나선의 좌표값과 같은 각도를 가지는 기준라인 좌표값을 계산할 수 있다. 해당 각도는 나선이 총 3바퀴 회전하여 [0, 6π]까지의 범위를 가지고 있다.

좌표계산부(220)는 원점으로부터 시작하여 나선의 마지막 지점까지 좌표의 각도를 구하기 위해서는 위 식에 표현된 역탄젠트 값을 사용할 수 있다. 이러한 방법으로 원점으로부터 마지막 좌표 값까지의 각도를 구하여, (x position, y position)과 같은 각도를 가지는 기준라인 좌표의 거리 값을 얻는다.

좌표계산부(220)는 해당 각도와 거리(θ)는 cm단위가 아니기 때문에, 단위 변환과정이 필요하다. 이는 실제 태블릿 PC상의 1cm와 대응되는 좌표점 간의 거리를 비례식을 이용해 변환하고, DPI(Dots per inch)값을 곱하여 cm단위로 변환한다.

좌표계산부(220)는 유클리드 거리 공식을 사용해 원점으로부터 (x position, y position)까지의 거리를 계산한 후, 동일한 각도 값을 가지는 두 값의 차이를 구하여 저장한다.

이격거리계산부(230)는 나선의 특정좌표값과 기준라인 좌표값의 이격거리를 계산할 수 있다. 이격거리계산부(230)는 기준라인으로부터 사용자가 그린 그림까지의 거리인 이격거리를 저장한 배열이 되고, 해당 배열에 dpcm(dots per centimeter)값을 나눠주어 단위를 cm로 변환한 뒤, 배열의 평균값을 구하여 이격거리(기준라인에서 벗어난 거리)를 계산할 수 있다.

제어부(240)는 계산된 이격거리에 기초하여 이상운동증 여부를 진단할 수 있다. 통신부(250)는 사용자단말(100) 유무선통신을 통해 데이터를 송수신할 수 있다. 통신부(250)는 사용자단말(100)로부터 사용자가 그린 나선의 좌표를 수신할 수 있고, 진단 결과를 사용자단말(100)에 제공할 수 있다.

저장부(260)는 수신된 나선의 좌표값, 설정된 특정 좌표값, 특정 좌표값과 대응되는 기준라인 좌표값, 계산된 이격거리, 진단 결과를 저장할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법은 먼저 진단서버의 나선수신부가 사용자단말로부터 사용자가 그린 나선을 수신한다(S210). 진단서버의 좌표계산부가 수신된 나선에서 특정 위치의 좌표값을 설정한다(S220). 진단서버의 좌표계산부가 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 위치의 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산한다(S230). 진단서버의 이격거리계산부가 나선의 좌표값과 기준라인 좌표값을 통해 이격거리를 계산한다(S240). 즉, 계산된 이격거리는 사용자가 그린 나선과 기준라인과의 오차거리로서, 기설정된 기준보다 오차거리가 크면 이상운동증상이 있는 것으로 판단할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법을 설명하는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명은 기준라인 상의 좌표값을 찾기 앞서, 우선적으로 정확한 기준라인을 구하기 위해 아르키메데스 나선의 특성을 사용한다. 아르키메데스 나선이란, 원점을 중심으로 일정한 속도로 멀어지며 각속도 또한 일정한 나선이다. 아르키메데스 나선 상의 좌표값 (x,y)를 등식으로 표현하면 다음과 같다.

아래의 식 유클리드 거리 공식을 이용하여, 나선의 시작점을 원점으로 두고 해당 원점으로부터 나선의 한 점(x,y)까지의 거리(θ)값을 계산할 수 있다.

(유클리드 거리 공식, r: 원점에서 (x,y)까지의 거리)

이 특성을 이용하여 이격거리를 계산할 때 쓰이는 기준라인 좌표를 구하게 된다.

기준 라인 좌표 계산 방법은 우선 시작점을 원점으로 설정하고, 사용자가 그린 그림의 x좌표(이하 x position라 한다), y좌표(이하 y position라 한다)가 가지는, 좌표 (x position, y position)가 x축과 이루는 각도(θ)를 구한다.

해당 각도는 나선이 총 3바퀴 회전하여 [0, 6π]까지의 범위를 가지고 있다. 원점으로부터 시작하여 나선의 마지막 지점까지 좌표의 각도를 구하기 위해서는 위 식에 표현된 역탄젠트 값을 사용할 수 있다. 이러한 방법으로 원점으로부터 마지막 좌표 값까지의 각도를 구하여, (x position, y position)과 같은 각도를 가지는 기준라인 좌표의 거리 값을 얻는다. 하지만 해당 각도와 거리(θ)는 cm단위가 아니기 때문에, 단위 변환과정이 필요하다. 이는 실제 태블릿 PC상의 1cm와 대응되는 좌표점 간의 거리를 비례식을 이용해 변환하고, DPI(Dots per inch)값을 곱하여 cm단위로 변환한다. 이후 최종적으로, 앞서 언급한 유클리드 거리 공식을 사용해 원점으로부터 (x position, y position)까지의 거리를 계산한 후, 동일한 각도 값을 가지는 두 값의 차이를 구하여 저장한다. 이는 각도가 증가함에 따라 기준라인으로부터 사용자가 그린 그림까지의 거리인 이격거리를 저장한 배열이 되고, 해당 배열에 dpcm(dots per centimeter)값을 나눠주어 단위를 cm로 변환한 뒤, 배열의 평균값을 구해주면, 이격거리(기준라인에서 벗어난 거리)를 구할 수 있다.

도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오차거리 계산 방법과 종래 기술을 실험한 비교예이다.

도 4를 참조하면, 나선그리기 검사를 두가지 케이스(good, poor)로 나누어 페어 일치 여부를 판단한 것이다. 그림을 잘 그린 경우(good)와 그림을 의도적으로 떨림이 많게 그린 경우(poor)로 나누어 데이터를 측정하였다. 먼저 각 방법(도 (a) ~ (d)) 마다 페어의 일치 여부를 판단하기 위해, 사용자가 그린 나선과 매칭되는 정확한 페어값을 계산하여 이와 비교하였다. 정확한 페어값과, 각 방법의 기준라인의 오차를 good, poor 케이스로 나누어 계산함으로써 정확도를 판단하였다. 위 그림에서, 방법1(도4(a))와 방법3(도4(c)) 두가지 케이스 모두 페어 값이 크게 차이가 나고, 방법2(도4(b)) 역시 poor 케이스에서 페어가 일치하지 않는 경우가 있는 것을 확인할 수있다. 이와 비교하여 본 발명의 실시예(도4(d))는 두 가지 케이스 모두 오차 값이 거의 발생하지 않아 페어가 일치하는 것을 알 수 있다.

도 5를 참조하면, Good 또는 poor 상황에서의 오차값 비교로서, 피 실험자들이 나선을 따라 그린 good, poor 케이스 40개의 샘플을 방법 1 내지 방법3과 본 발명의 실시예에 각각 적용시켜 도출한 기준 라인 좌표와, 실제 기준 라인이 가져야하는 좌표의 차이를 나타낸 페어 오차 분포이다. 페어가 일치할수록 실제 오차거리를 계산하는 과정에서 쓰여야 하는 기준라인과 일치하는 것이므로, 오차 값이 적은 방법이 정확도가 높은 알고리즘으로 유추할 수 있다.

결과적으로 잘 그린 그림(good)과 그렇지 않은 그림(poor)에 대하여 방법 1은 3.67±2.52 / 5.48±2.33, 방법2는 0.11±0.04 / 1.21±1.53, 방법3은 0.38±0.30 / 1.46±1.19, 본 발명의 실시예는 0.01±0.01 / 0.02±0.02 의 오차값(단위는 cm)을 확인하였다. Student’s t-test를 통한 차이 분석에서 모든 경우가 p < 0.05를 만족하여 유의미한 차이가 있음을 확인하였다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100; 사용자단말 200; 진단서버
210; 나선수신부 220; 좌표계산부
230; 이격거리계산부 240; 제어부
250; 통신부 260; 저장부

Claims (3)

1. 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 방법에 있어서,
   진단서버의 나선수신부가 사용자단말로부터 사용자가 그린 나선을 수신하는 단계;
   진단서버의 좌표계산부가 수신된 나선에서 특정 위치의 좌표값을 설정하는 단계;
   진단서버의 좌표계산부가 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 위치의 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산하는 단계; 및
   진단서버의 이격거리계산부가 나선의 좌표값과 기준라인 좌표값을 통해 이격거리를 계산하는 단계를 포함하고,
   상기 기준라인의 좌표값을 계산하는 단계는,
   진단서버의 좌표계산부가 시작점을 원점으로 설정하고, 사용자가 그린 나선의 x좌표, y좌표가 x축과 이루는 각도(θ)를 구하고, 나선의 좌표값과 같은 각도를 가지는 기준라인 좌표값을 계산하는 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 예측 정보 제공 방법.
   
   
   
2. 삭제
3. 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 진단 시스템에 있어서,
   진단서버와 사용자단말로 구성되고,
   상기 진단서버는,
   사용자단말로부터 사용자가 사용자단말 위에 그린 나선의 좌표값과 시간값을 수신하는 나선수신부;
   수신된 나선에서 오차 거리를 확인하기 위한 특정 좌표값을 설정하고, 기준라인의 원점으로부터 나선의 특정 좌표값과 대응되는 기준라인의 좌표값을 계산하는 좌표계산부;
   나선의 특정좌표값과 기준라인 좌표값의 이격거리를 계산하는 이격거리계산부;
   계산된 이격거리에 따라 이상운동증 여부를 진단하는 제어부; 및
   이상운동증 진단 결과를 사용자단말에 전달하는 통신부를 포함하고,
   상기 좌표계산부는 시작점을 원점으로 설정하고, 사용자가 그린 나선의 x좌표, y좌표가 x축과 이루는 각도(θ)를 구하고, 나선의 좌표값과 같은 각도를 가지는 기준라인 좌표값을 계산하는 나선그리기 오차거리 계산을 통한 이상운동증 예측 정보 제공 시스템.
   
   

Images