KR102590066B1 - health care system using single inertial measuring device based on machine learning - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일예와 관련된 헬스 케어 시스템은, 동작 정보를 생성하는 트래커, 상기 트래커로부터 상기 동작 정보를 수신하는 단말 및 상기 단말로부터 상기 동작 정보를 수신하고, 상기 수신된 동작 정보를 분석하여 상기 단말 사용자의 운동 능력과 관련된 정보를 생성하는 서버를 포함하고, 상기 트래커는, 1개의 IMU(Inertial Measurement Unit)만을 이용하고, 상기 서버는, 상기 1개의 IMU가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 상기 단말 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고, 상기 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 상기 단말 사용자의 적어도 하나의 보행 파라미터를 추출하며, 상기 추출된 적어도 하나의 보행 파라미터를 기반으로 상기 단말 사용자의 운동 능력을 추정할 수 있다.A health care system related to an example of the present invention includes a tracker that generates motion information, a terminal that receives the motion information from the tracker, and a terminal that receives the motion information from the terminal and analyzes the received motion information to provide information to the terminal user. Includes a server that generates information related to the athletic ability of, wherein the tracker uses only one IMU (Inertial Measurement Unit), and the server analyzes the first motion information generated by the one IMU, Extracting a change in the joint angle of the terminal user, extracting at least one gait parameter of the terminal user based on the extracted change in the joint angle, and determining exercise ability of the terminal user based on the extracted at least one gait parameter can be estimated.

Description

머신런닝 기반 단일 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템 {health care system using single inertial measuring device based on machine learning}Health care system using single inertial measuring device based on machine learning}

본 발명은 단일 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 1개의 IMU가 생성한 동작 정보를 분석하여, 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고, 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 보행 파라미터를 추출하며, 추출된 보행 파라미터를 기반으로 사용자의 운동능력을 추정하는 헬스 케어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a healthcare system using a single inertial measurement device. Specifically, the motion information generated by one IMU is analyzed, the change in the user's joint angle is extracted, and the gait parameter is calculated based on the extracted joint angle change. It relates to a healthcare system that extracts and estimates the user's exercise ability based on the extracted walking parameters.

최근 전자통신기술의 급속한 발전으로 네트워크 환경에서 개인의 건강을 관리 할 수 있는 기술 개발에 대한 관심이 증대되고 있다. 일 예로, 웨어러블 기기나 스마트 기기등을 이용하여 생체 정보를 감지하고 감지된 정보를 제공하는 기술이 개발되고 있다.Recently, with the rapid development of electronic communication technology, interest in developing technology to manage personal health in a network environment is increasing. For example, technology is being developed to detect biometric information and provide the detected information using wearable devices or smart devices.

또한, 이렇게 감지된 사용자의 생체 정보는 사용자 단말기에 저장될 뿐만 아니라 적극적으로 사용자 건강관리에 대한 피드백을 제공하는 데에 쓰이고 있다.In addition, the user's biometric information detected in this way is not only stored in the user terminal, but is also actively used to provide feedback on the user's health management.

한편, 최근 폭넓게 논의되고 있는 원격진료는 사용자 관련 데이터를 획득하기 위해서 사용자 스스로 생활하면서 축적된 건강정보를 기반으로 한다. 이를 위해서 웨어러블 기기, 개인 단말기를 활용한 개인 맞춤형 건강 관리 어플리케이션 등이 다수 개발되기도 하였다.Meanwhile, telemedicine, which has been widely discussed recently, is based on health information accumulated during the user's own life in order to obtain user-related data. To this end, a number of personalized health management applications using wearable devices and personal terminals have been developed.

하지만, 이러한 종래의 헬스 케어 시스템은 수집되는 신체정보 및 행동정보 등의 정보가 각각 분산되어 기록이 될 뿐, 수집된 정보가 통합되어 통합된 정보의 형태로써 제공되지 못하는 한계가 존재한다.However, this conventional health care system has limitations in that the collected information, such as physical information and behavioral information, is recorded separately, and the collected information cannot be integrated and provided in the form of integrated information.

다시 말하면, 종래 기술은 단순히 상기 웨어러블 기기를 통해 측정된 수치값을 제시하거나 기준이 되는 값들과의 정량적 비교를 통해 단순한 평가만을 내릴 뿐, 측정된 정보들을 수집해 종합적인 결론을 도출해 내는데 한계가 있었다.In other words, the prior art simply presented numerical values measured through the wearable device or made simple evaluations through quantitative comparison with standard values, and had limitations in collecting measured information and drawing comprehensive conclusions. .

특히, 이러한 헬스 케어 시스템이 무릎 수술 등을 받은 환자의 재활에 사용되는 경우를 가정하면, 여러 측정 수단을 통해, 측정된 결과값들이 환자에게 제공될 수는 있지만, 이는 단순한 수치에 불과한바, 전문적 지식이 없는 환자가 볼 때에는, 자신의 현재 상태가 어떠하고, 앞으로 어떻게 재활 운동을 해야 하는 것인지 등에 관한 의문을 가질 수밖에 없었다.In particular, assuming that this healthcare system is used for rehabilitation of patients who have undergone knee surgery, etc., measured results can be provided to the patient through various measurement methods, but these are mere numbers, and professional A patient without knowledge could not help but have questions about his or her current condition and how to carry out rehabilitation exercises in the future.

따라서, 관련 업계에서는 헬스 케어 시스템을 구성할 때, 측정된 인자들을 단순히 분산하여 나열하는데 그치지 않고, 측정된 정보들을 통합적으로 수집하고 수집된 정보들을 종합해 전문가로부터 사용자에게 알맞은 피드백이 제공될 수 있도록 하는 새로운 시스템의 도입을 요구하고 있는 실정이다.Therefore, when constructing a healthcare system, the related industry does not simply distribute and list the measured factors, but collects the measured information in an integrated manner and synthesizes the collected information so that appropriate feedback can be provided from experts to users. There is a demand for the introduction of a new system.

한국공개특허공보 제10-2018-0069445호(2018.06.25)Korea Patent Publication No. 10-2018-0069445 (2018.06.25) 한국 등록번호 제10-1718471호Korean registration number 10-1718471 한국 등록번호 제10-1751760 호Korean registration number 10-1751760 한국 등록번호 제10-1557068 호Korean registration number 10-1557068

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.The present invention was created to solve the above-described conventional problems, and the purpose of the present invention is to provide a healthcare system using one inertial measurement device.

구체적으로 본 발명은 1개의 IMU가 생성한 동작 정보를 분석하여, 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고, 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 보행 파라미터를 추출하며, 추출된 보행 파라미터를 기반으로 사용자의 운동 능력을 추정하는 헬스 케어 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.Specifically, the present invention analyzes motion information generated by one IMU, extracts changes in the user's joint angles, extracts gait parameters based on the extracted changes in joint angles, and analyzes the user's joint angles based on the extracted gait parameters. The purpose is to provide a healthcare system that estimates exercise capacity.

또한, 본 발명은 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고, 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 보행 파라미터를 추출하는 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.In addition, the present invention acquires TOe Off (TO) point information and HS (Heel Strike) point information on a gait cycle basis, and obtains TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information. The purpose is to provide a system for extracting walking parameters using .

또한, 본 발명에 따른 시스템은, 추정된 운동 능력을 기반으로, 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 단말로 전송하는 것을 목적으로 한다.In addition, the system according to the present invention aims to transmit information for improving the terminal user's athletic ability to the terminal based on the estimated athletic ability.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly apparent to those skilled in the art from the description below. It will be understandable.

상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 헬스 케어 시스템은, 동작 정보를 생성하는 트래커; 상기 트래커로부터 상기 동작 정보를 수신하는 단말; 및 상기 단말로부터 상기 동작 정보를 수신하고, 상기 수신된 동작 정보를 분석하여 상기 단말 사용자의 운동 능력과 관련된 정보를 생성하는 서버;를 포함하고, 상기 트래커는, 1개의 IMU(Inertial Measurement Unit)만을 이용하고, 상기 서버는, 상기 1개의 IMU가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 상기 단말 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고, 상기 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 상기 단말 사용자의 적어도 하나의 보행 파라미터를 추출하며, 상기 추출된 적어도 하나의 보행 파라미터를 기반으로 상기 단말 사용자의 운동 능력을 추정할 수 있다.A healthcare system related to an example of the present invention for realizing the above-described problem includes a tracker that generates motion information; A terminal that receives the operation information from the tracker; And a server that receives the motion information from the terminal, analyzes the received motion information, and generates information related to the terminal user's athletic ability. The tracker includes only one IMU (Inertial Measurement Unit). The server analyzes the first motion information generated by the one IMU, extracts a change in the joint angle of the terminal user, and moves at least one motion information of the terminal user based on the extracted change in the joint angle. Gait parameters may be extracted, and the terminal user's exercise ability may be estimated based on the extracted at least one gait parameter.

또한, 상기 제 1 동작 정보는, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나와 연관될 수 있다.In addition, the first motion information includes at least x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to vertical movement (pitch), rotation (roll), and deflection (yaw) movement. It can be related to one thing.

또한, 상기 서버는, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 단말 사용자의 엉덩이(Hip), 무릎(Knee) 및 발목(Ankle)과 관련된 관절 각도 변화를 추출할 수 있다.In addition, the server uses at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement. Thus, joint angle changes related to the terminal user's hip, knee, and ankle can be extracted.

또한, 상기 서버는, 딥러닝 모델 중 하나이고, 초기 노드의 데이터를 학습에 사용하는 것이 가능한 LSTM(Long Short Term Memory) 모델을 이용하여, 상기 관절 각도를 추정하고, 상기 관절 각도 변화를 추출할 수 있다.In addition, the server estimates the joint angle and extracts the joint angle change using an LSTM (Long Short Term Memory) model, which is one of the deep learning models and can use data from the initial node for learning. You can.

또한, 상기 LSTM 모델은, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보의 특징(Feature)을 이용할 수 있다.Additionally, the LSTM model can use features of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information related to pitch, rotation, and yaw movement.

또한, 상기 LSTM 모델은, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 각속도 정보의 특징(Feature)을 추가적으로 이용할 수 있다.In addition, the LSTM model can additionally use features of x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement.

또한, 상기 보행 파라미터는, 입각기(Stance Time), 유각기(Stand Time), 보폭 시간(Stride Time), 보행에 따른 분당 걸음수(cadence), 스텝 길이(Step length) 및 보행 속도(Gait Speed) 파라미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the gait parameters include stance time, swing time, stride time, cadence, step length, and gait speed. ) may include at least one of the parameters.

또한, 상기 서버는, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 y축 가속도 정보와 z축 각속도 정보를 이용하여 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고, 상기 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 상기 보행 파라미터를 추출할 수 있다.In addition, the server uses y-axis acceleration information and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement in units of gait cycle, TO (Toe Off). Point information and HS (Heel Strike) point information can be acquired, and the walking parameters can be extracted using the obtained TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information.

또한, 상기 서버는, 상기 추정된 운동 능력을 기반으로, 상기 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 상기 단말로 전송할 수 있다.Additionally, the server may transmit information for improving the terminal user's athletic ability to the terminal based on the estimated athletic ability.

본 발명은 1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a healthcare system using one inertial measurement device.

구체적으로 본 발명은 1개의 IMU가 생성한 동작 정보를 분석하여, 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고, 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 보행 파라미터를 추출하며, 추출된 보행 파라미터를 기반으로 사용자의 운동 능력을 추정하는 헬스 케어 시스템을 제공할 수 있다.Specifically, the present invention analyzes motion information generated by one IMU, extracts changes in the user's joint angles, extracts gait parameters based on the extracted changes in joint angles, and analyzes the user's joint angles based on the extracted gait parameters. A healthcare system that estimates exercise capacity can be provided.

또한, 본 발명은 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고, 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 보행 파라미터를 추출하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention acquires TOe Off (TO) point information and HS (Heel Strike) point information on a gait cycle basis, and obtains TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information. A system for extracting walking parameters can be provided using .

또한, 본 발명에 따른 시스템은, 추정된 운동 능력을 기반으로, 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 단말로 전송할 수 있다.Additionally, the system according to the present invention can transmit information for improving the terminal user's exercise ability to the terminal based on the estimated exercise ability.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 트래커를 이용한 헬스 케어 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트래커의 부착위치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 트래커의 블록구성도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 서버부의 블록 구성도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템의 동작 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 LSTM를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, 관절각 관련 보행 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명과 관련하여, SNT (Stance Time), SWT (Swing Time), SDT (Stride Time) 및 분당 걸음수(Cadence) 관련 보행 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명과 관련하여, 스텝 길이 (Step length) 및 보행 속도 (Gait Speed) 관련 보행 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하여 이용하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
The following drawings attached to this specification illustrate a preferred embodiment of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention along with the detailed description of the invention. Therefore, the present invention is limited to the matters described in such drawings. It should not be interpreted in a limited way.
Figure 1 shows a healthcare system using a tracker according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the attachment position of the tracker according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a block diagram of a tracker according to the present invention.
Figure 4 shows a block diagram of the server unit according to the present invention.
Figure 5 shows an example of the operation of a healthcare system using one inertial measurement device according to the present invention.
Figure 6 is a flowchart explaining the operation method of a healthcare system using one inertial measurement device according to the present invention.
Figure 7 is a diagram for explaining LSTM applied to the present invention.
Figure 8 is a diagram for explaining joint angle-related gait parameters in relation to the present invention.
Figure 9 is a diagram for explaining gait parameters related to SNT (Stance Time), SWT (Swing Time), SDT (Stride Time), and steps per minute (Cadence) in relation to the present invention.
Figure 10 is a diagram for explaining walking parameters related to step length and gait speed in relation to the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of obtaining and using TOe Off (TO) point information and Heel Strike (HS) point information in gait cycle units.

이하에서는 본 발명에 따른 트래커를 이용한 헬스 케어 시스템의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에서 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에서 사용된 정의에 따른다.Hereinafter, preferred embodiments of a healthcare system using a tracker according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the following description of the present invention, if a detailed description of a known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Unless otherwise specified, all terms in this specification have the same general meaning as understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains, and if there is a conflict with the meaning of the terms used in this specification, this specification Follow the definitions used in the specification.

헬스 케어 시스템healthcare system

본 발명이 제안하는 트래커를 이용한 헬스 케어 시스템(1)은, 시간 및 장소에 구애 받지 않고, 사용자가 언제 어디서든 자신의 상태를 정확히 체크할 수 있도록 하는 것으로, 사용자가 수술을 예정 중이거나 수술을 한 환자인 경우, 수술 전에 자신의 상태를 정확히 체크해 가며 수술을 준비할 수 있도록 하고, 수술 후에는 자신의 회복상태 및 관리상태 등을 한 눈에 확인할 수 있도록 함으로써 환자의 회복 속도는 보다 빨라질 수 있으며, 수술 후 재활 비용은 감소될 수 있게 된다. The health care system (1) using a tracker proposed by the present invention allows the user to accurately check his or her condition anytime, anywhere, regardless of time and place, so that the user is scheduled for surgery or is about to undergo surgery. In the case of a patient, the patient's recovery speed can be accelerated by allowing the patient to prepare for the surgery by accurately checking his or her condition before the surgery, and by allowing the patient to check his or her recovery status and management status at a glance after the surgery. , rehabilitation costs after surgery can be reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 트래커를 이용한 헬스 케어 시스템을 도시한 것이다.Figure 1 shows a healthcare system using a tracker according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 트래커를 이용한 헬스 케어 시스템(1)은, 트래커(10), 서버부(30)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the health care system 1 using a tracker includes a tracker 10 and a server unit 30.

도 1을 참조하면, 트래커(10)는, 동작데이터를 생성해 사용자단말(U)에 전송하는 구성으로, 사용자가 상기 트래커(10)를 착용하고 움직이면, 상기 트래커(10)가 사용자의 움직임을 정확히 측정해 동작데이터를 생성하고, 생성된 동작데이터는 사용자단말(U)을 통해 후술할 서버부(30)로 전송되어 분석됨에 따라, 특별한 주의를 기울일 필요 없이 사용자가 트래커(10)를 착용하고 움직이는 것만으로도, 사용자의 상태가 객관적으로 데이터화 되어 분석, 관리 등이 될 수 있다.Referring to FIG. 1, the tracker 10 is configured to generate motion data and transmit it to the user terminal (U). When the user moves while wearing the tracker 10, the tracker 10 tracks the user's movements. Motion data is generated by accurately measuring, and the generated motion data is transmitted to the server unit 30, which will be described later, through the user terminal (U) and analyzed, allowing the user to wear the tracker 10 without the need to pay special attention. Just by moving, the user's status can be objectively converted into data for analysis, management, etc.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트래커의 부착위치를 도시한 것이다.Figure 2 shows the attachment position of the tracker according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에서는 사용자의 무릎운동에 대한 동작 데이터를 생성하기 위해 트래커(10)는 1개만 사용된다.Referring to FIG. 2, in the present invention, only one tracker 10 is used to generate motion data about the user's knee movement.

본 발명에 따른 트래커(10)는 대퇴골측에 부착되거나 사용자의 경골측에 부착될 수 있다.The tracker 10 according to the present invention may be attached to the femur side or to the user's tibia side.

트래커(10)의 사용은 이러한 무릎관절 측정에만 한정되는 것은 아니고, 신체의 기타 다른 관절운동의 측정을 위해 사용될 수도 있으며, 사람에만 사용되는 것으로 제한되는 것이 아니라, 동물 등에도 사용될 수 있다.The use of the tracker 10 is not limited to measuring knee joints, and can also be used to measure other joint movements of the body. It is not limited to use only in humans, but can also be used in animals, etc.

트래커(10)에 의해 측정되는 동작데이터에는, 보행사이클이 포함될 수 있다. 바람직하게는 상기 보행사이클은 다리의 TO(Toe-off)시점에서, 지축방향의 가속도가 0이 될 때부터 진행방향의 가속도가 0이 될 때까지로 구분할 수 있다. 상기 TO시점은 사용자의 발이 지면에서 떨어진 시점을 말하며, 지축방향의 가속도가 0이 될 때란, 지축방향의 힘이 0이 될 때로, 사용자가 보행과정에서 땅을 짚었던 발을 지면에서 땔 때를 말하고, 진행방향의 가속도가 0이 될 때란, 진행방향의 힘이 0이 될 때로, 사용자가 보행과정에서 땅을 짚을 때를 말한다. 사용자의 보행은 이러한 과정을 반복하게 되며, 본원발명은, 어느 일 다리의 TO시점에서, 지축방향의 가속도가 0이 될 때부터 진행방향의 가속도가 0이 될 때까지를 사용자의 일 다리 보행사이클로 보아, 이러한 보행사이클을 복수의 구간으로 나누어 분석을 진행함으로써, 사용자의 다리에 대한 정확한 진단을 내릴 수 있게 된다.The motion data measured by the tracker 10 may include the gait cycle. Preferably, the gait cycle can be divided from the TO (Toe-off) point of the leg, when the acceleration in the axis direction becomes 0 until the acceleration in the forward direction becomes 0. The TO point refers to the time when the user's foot leaves the ground. When the acceleration in the ground axis direction becomes 0, when the force in the ground axis direction becomes 0, it refers to when the user lifts the foot that was on the ground during the walking process. In other words, when the acceleration in the moving direction becomes 0, it means when the force in the moving direction becomes 0 and when the user touches the ground while walking. The user's walking repeats this process, and the present invention refers to the user's one-legged walking cycle from when the acceleration in the axis direction becomes 0 at the TO point of one leg until the acceleration in the forward direction becomes 0. By dividing this gait cycle into multiple sections and analyzing them, it is possible to make an accurate diagnosis of the user's legs.

나아가 본 발명에서는 y 축의 가속도 값과 z 축의 각속도 값을 활용하여 TO, HS 지점에서 발생하는 생체역학적 특징들을 이용할 수 있다.Furthermore, in the present invention, the biomechanical characteristics occurring at the TO and HS points can be used by utilizing the acceleration value of the y-axis and the angular velocity value of the z-axis.

구체적으로, TO관련, 지면에 발을 딛는 순간 지면 반력으로 인해 y 축 방향의 가속도 값이 크게 증가하게 되는데, 해당 시점의 최대값을 기준으로 TO를 선정할 수 있다.Specifically, regarding TO, the moment you step on the ground, the acceleration value in the y-axis direction increases significantly due to ground reaction force, and TO can be selected based on the maximum value at that point.

또한, HS 관련, 입각기(Stance Time)에서 유각기(Swing Time)로 넘어가는 시점에 x 축 방향의 각속도 값은 크게 감소하게 되는데 최소값을 기준으로 HS를 선정 할 수 있다.In addition, regarding HS, the angular velocity value in the x-axis direction decreases significantly at the transition from stance time to swing time, and HS can be selected based on the minimum value.

이에 대해서는, 도 11을 참조하여 구체적으로 후술한다.This will be described in detail later with reference to FIG. 11 .

상기 트래커(10)는 반복적인 재사용이 가능하도록 구성할 수 있음은 물론이고, 일회용으로도 제작되어 사용 후 폐기될 수도 있다.The tracker 10 can be configured to enable repeated reuse, and can also be manufactured for one-time use and discarded after use.

도 3은 본 발명에 따른 트래커의 블록구성도를 도시한 것이다.Figure 3 shows a block diagram of a tracker according to the present invention.

도 3을 참고하면, 이러한 트래커(10)는 센서부(11), 통신부(13)를 포함한다.Referring to FIG. 3, this tracker 10 includes a sensor unit 11 and a communication unit 13.

센서부(11)는, 착용부위의 상태지표를 측정하는 구성으로, 좌우균형 측정, 굽힘각 측정, 가속도 측정, 각속도 측정, 각도 측정, 걸음걸이 측정 등 상기 트래커(10)가 착용된 부위의 상태를 확인할 수 있는 다양한 인자들을 측정하는 구성을 말한다. 이러한 상기 센서부(11)는, 가속도측정모듈(111), 각속도측정모듈(113), 각도측정모듈(115)을 포함한다.The sensor unit 11 is configured to measure status indicators of the worn part, such as left and right balance measurement, bending angle measurement, acceleration measurement, angular velocity measurement, angle measurement, and gait measurement, etc. It refers to a construct that measures various factors that can be identified. The sensor unit 11 includes an acceleration measurement module 111, an angular velocity measurement module 113, and an angle measurement module 115.

가속도측정모듈(111)은, 상기 트래커(10)가 부착된 부위의 가속도를 측정하는 구성으로, 단위 시간에 대한 속도의 변화를 측정하는 구성을 말한다.The acceleration measurement module 111 is a component that measures the acceleration of the area where the tracker 10 is attached, and refers to a component that measures the change in speed per unit time.

상기 각속도측정모듈(113)은, 상기 트래커(10)가 부착된 부위의 각속도를 측정하는 구성으로, 회전중심점 등을 기준으로 단위 시간에 회전한 각도를 측정하는 구성을 말한다.The angular velocity measurement module 113 is a configuration that measures the angular velocity of the area where the tracker 10 is attached, and refers to a configuration that measures the angle rotated in unit time based on the rotation center point, etc.

각도측정모듈(115)은, 상기 트래커(10)가 부착된 부위의 각도를 측정하는 구성으로, 회전중심점 등을 기준으로 변화된 움직임 사이의 각도를 측정하는 구성을 가리킨다.The angle measurement module 115 is a component that measures the angle of the area where the tracker 10 is attached, and refers to a component that measures the angle between changes in movement based on the rotation center point, etc.

통신부(13)는, 사용자단말(U)과 트래커(10)를 통신 연결시키는 구성을 말한다. 상기 사용자단말(U)과 상기 트래커(10)가 유선 통신 연결되는 것을 제외하는 것은 아니지만, 바람직하게는 상기 사용자단말(U)과 상기 트래커(10)는 무선으로 통신 연결될 수 있다. 이러한 상기 통신부(13)는 공통된 구분식별자를 포함할 수 있다. The communication unit 13 refers to a component that connects the user terminal (U) and the tracker 10 for communication. Although it is not excluded that the user terminal (U) and the tracker 10 are connected by wired communication, preferably, the user terminal (U) and the tracker 10 may be connected by wireless communication. The communication unit 13 may include a common identification identifier.

서버부(30)는, 상기 사용자단말(U)과 연결되어 상기 사용자단말(U)로부터 데이터를 수신하고 수신된 데이터를 분석하여 상기 사용자단말(U)에 데이터를 전송하는 구성을 말한다. 이로써, 상기 사용자단말(U)에서 상기 서버부(30)로 데이터가 자유롭게 전송될 수 있고, 상기 서버부(30)는 수신된 데이터를 분석, 저장하여 상기 사용자단말(U)의 요청이 있을 때, 분석된 데이터 등을 상기 사용자단말(U)에 제공할 수 있게 된다. 또한, 상기 서버부(30)는 네트워크를 통해 복수의 단말과도 연결될 수 있으므로, 환자 등의 사용자단말(U)이 네트워크에 접속하여 서버부(30)에 업로드한 데이터를 의사 등의 전문가단말(E)이 네트워크에 접속하여 서버부(30)로부터 다운로드할 수 있고, 반대로 상기 전문가단말(E)이 상기 서버부(30)에 업로드한 데이터를 상기 사용자단말(U)이 상기 서버부(30)로부터 다운로드 할 수 있게 되는바, 복수의 단말이 서로 원격지에 있더라도, 상기 서버부(30)를 중심으로, 상호 용이한 교신이 가능해 진다.The server unit 30 is connected to the user terminal (U), receives data from the user terminal (U), analyzes the received data, and transmits the data to the user terminal (U). As a result, data can be freely transmitted from the user terminal (U) to the server unit 30, and the server unit 30 analyzes and stores the received data when there is a request from the user terminal (U). , analyzed data, etc. can be provided to the user terminal (U). In addition, the server unit 30 can be connected to a plurality of terminals through a network, so a user terminal (U) such as a patient connects to the network and transmits data uploaded to the server unit 30 to an expert terminal (such as a doctor). E) can connect to the network and download from the server unit 30, and conversely, the user terminal (U) can download the data uploaded to the server unit 30 by the expert terminal (E). Since it is possible to download from, even if a plurality of terminals are remote from each other, easy mutual communication is possible centering on the server unit 30.

도 4는 본 발명에 따른 서버부의 블록 구성도를 도시한 것이다Figure 4 shows a block diagram of the server unit according to the present invention.

도 4를 참조하면, 서버부(30)는, 데이터수신부(31), 데이터분석부(33), 데이터저장부(35), 데이터전송부(37)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the server unit 30 includes a data reception unit 31, a data analysis unit 33, a data storage unit 35, and a data transmission unit 37.

데이터수신부(31)는, 상기 사용자단말(U)로부터 데이터를 수신하는 구성을 말한다. 전술한 바와 같이, 상기 서버부(30)는 상기 사용자단말(U)만이 아니라 복수의 단말과도 연결될 수 있는바, 상기 데이터수신부(31)는 단말에서 전송되는 데이터를 수신하는 구성으로 봄이 바람직하다. 상기 데이터수신부(31)에 수신되는 데이터에는 트래커(10)를 사용한 사용자단말(U)로부터 전송되는 동작데이터와, 사용자단말(U) 자체에서 생성한 인증데이터, 통증데이터, 복약데이터 및 문진데이터와, 트래커(10) 이외의 스마트워치 등의 생체측정기에서 생성한 생체 데이터 등이 포함될 수 있다.The data receiving unit 31 refers to a component that receives data from the user terminal (U). As described above, the server unit 30 can be connected not only to the user terminal (U) but also to a plurality of terminals, and the data reception unit 31 is preferably viewed as a configuration that receives data transmitted from the terminal. do. The data received by the data receiver 31 includes motion data transmitted from the user terminal (U) using the tracker 10, authentication data, pain data, medication data, and questionnaire data generated by the user terminal (U) itself. , Biometric data generated by biometric devices such as smart watches other than the tracker 10 may be included.

데이터분석부(33)는, 상기 데이터수신부(31)와 연결되어 수신된 데이터를 분석하는 구성으로, 사용자단말(U)에서 전송한 각종 데이터가 상기 서버부(30) 상에서 분석되어 의미 있는 정보로써 사용자단말(U)에 전송될 수 있도록 한다.The data analysis unit 33 is connected to the data reception unit 31 and analyzes the received data. Various data transmitted from the user terminal (U) are analyzed on the server unit 30 and converted into meaningful information. Enables transmission to the user terminal (U).

1개의 관성 측정장치(IMU)를 이용한 헬스 케어 시스템Healthcare system using one inertial measurement unit (IMU)

도 5는 본 발명에 따른 1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템의 동작 일례를 도시한 것이다.Figure 5 shows an example of the operation of a healthcare system using one inertial measurement device according to the present invention.

도 5를 참조하면, 트래커(10)는 동작 정보를 생성하고, 단말(U)은 트래커(10)로부터 동작 정보를 수신한다.Referring to FIG. 5, the tracker 10 generates operation information, and the terminal U receives the operation information from the tracker 10.

또한, 서버(30)는 상기 단말(U)로부터 동작 정보를 수신하고, 수신된 동작 정보를 분석하여 단말(U) 사용자의 운동 능력과 관련된 정보를 생성하게 된다.Additionally, the server 30 receives motion information from the terminal U, analyzes the received motion information, and generates information related to the exercise ability of the user of the terminal U.

이때, 본 발명에 따른 트래커(10)는, 1개의 IMU(Inertial Measurement Unit)만을 이용할 수 있다.At this time, the tracker 10 according to the present invention can use only one IMU (Inertial Measurement Unit).

1개의 IMU에서 얻어지는 정보만을 기초로 사용자의 상태를 판단해야 하고, 본 발명에 따른 서버(30)는, 1개의 IMU가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 단말 사용자의 관절 각도의 변화를 추출한다.The user's status must be determined based only on information obtained from one IMU, and the server 30 according to the present invention analyzes the first motion information generated by one IMU and extracts the change in the joint angle of the terminal user. do.

여기서, 제 1 동작 정보는, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나와 연관된 정보 일 수 있다.Here, the first motion information is at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to vertical movement (pitch), rotation (roll), and deflection (yaw) movement. It may be information related to .

또한, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 단말 사용자의 엉덩이(Hip), 무릎(Knee) 및 발목(Ankle)과 관련된 관절 각도 변화를 추출할 수 있다.In addition, using at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement, the terminal Joint angle changes related to the user's hip, knee, and ankle can be extracted.

또한, 서버(30)는 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 상기 단말 사용자의 적어도 하나의 보행 파라미터를 추출하며, 추출된 적어도 하나의 보행 파라미터를 기반으로 상기 단말 사용자의 운동 능력을 추정할 수 있다.Additionally, the server 30 may extract at least one gait parameter of the terminal user based on the extracted change in joint angle, and estimate the exercise ability of the terminal user based on the at least one extracted gait parameter.

이때, 서버(30)는, 딥러닝 모델 중 하나이고, 초기 노드의 데이터를 학습에 사용하는 것이 가능한 LSTM모델을 이용하여, 상기 관절 각도를 추정하고, 상기 관절 각도 변화를 추출할 수 있다.At this time, the server 30 can estimate the joint angle and extract the joint angle change using an LSTM model, which is one of the deep learning models and can use data from the initial node for learning.

또한, 보행 파라미터는, 입각기(Stance Time), 유각기(Swing Time), 보폭 시간(Stride Time), 보행에 따른 분당 걸음수(cadence), 스텝 길이(Step length) 및 보행 속도(Gait Speed) 파라미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In addition, gait parameters include stance time, swing time, stride time, cadence, step length, and gait speed. It may contain at least one of the parameters.

또한, 서버(30)는 추정된 운동 능력을 기반으로, 단말(U) 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 단말로 전송할 수 있다.Additionally, the server 30 may transmit information for improving the exercise ability of the user of the terminal U to the terminal, based on the estimated exercise ability.

본 발명의 제 1 기술적 특징으로서, 기존의 경우, 관절각 측정과 보행 파라미터 추출을 위해 2개 이상의 IMU 를 통해서 계산하는 것과 달리 IMU 한 개만을 활용하여 다양한 보행 파라미터 추출한다는 점이 있다.The first technical feature of the present invention is that, unlike the existing case where joint angle measurement and gait parameter extraction are calculated using two or more IMUs, only one IMU is used to extract various gait parameters.

또한, 본 발명의 제 2 기술적 특징으로서, 관절각 추정을 위해 딥러닝 모델 중 하나인 LSTM 모델을 활용하여 엉덩이, 무릎, 발목 관절각도를 추출할 수 있다.In addition, as a second technical feature of the present invention, hip, knee, and ankle joint angles can be extracted by using the LSTM model, one of the deep learning models, to estimate joint angles.

또한, 본 발명의 제 3 기술적 특징으로서, 기존 IMU 사용시 가속도 자이로 값 변화를 통해서 유추된 보행 파리미터가 아닌, 추정된 관절각도로부터 추출한 다양한 보행 파라미터 추출할 수 있다.Additionally, as a third technical feature of the present invention, when using an existing IMU, various walking parameters extracted from estimated joint angles can be extracted, rather than walking parameters inferred through changes in acceleration gyro values.

1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 방법Healthcare method using one inertial measurement device

도 6은 본 발명에 따른 1개의 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.Figure 6 is a flowchart explaining the operation method of a healthcare system using one inertial measurement device according to the present invention.

도 6을 참조하면, 트래커(10)가 동작 정보를 생성하는 단계(S1)가 진행된다.Referring to FIG. 6, a step (S1) in which the tracker 10 generates operation information is performed.

이후, 단말(U)이 트래커(10)로부터 동작 정보를 수신하는 단계(S2)가 진행된다.Afterwards, a step (S2) in which the terminal (U) receives operation information from the tracker (10) proceeds.

또한, 서버(30)가 단말(U)로부터 동작 정보를 수신(S3)하고, 서버(30)가 트래커(10)에 포함된 1개의 IMU(Inertial Measurement Unit)가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 상기 단말 사용자의 관절 각도의 변화를 추출한다(S4).In addition, the server 30 receives motion information from the terminal U (S3), and the server 30 analyzes the first motion information generated by one IMU (Inertial Measurement Unit) included in the tracker 10. Thus, the change in the joint angle of the terminal user is extracted (S4).

이후, 서버(30)가 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 상기 단말 사용자의 적어도 하나의 보행 파라미터를 추출하고(S5), 서버(30)가 추출된 적어도 하나의 보행 파라미터를 기반으로 상기 단말 사용자의 운동 능력을 추정하는 단계(S6)가 진행된다.Thereafter, the server 30 extracts at least one gait parameter of the terminal user based on the change in the extracted joint angle (S5), and the server 30 extracts the terminal user's gait parameter based on the extracted at least one gait parameter. The step (S6) of estimating exercise ability proceeds.

또한, 서버(30)가 추정된 운동 능력을 기반으로, 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 단말로 전송하는 단계(S7)가 진행된다.In addition, a step (S7) is performed in which the server 30 transmits information for improving the terminal user's exercise ability to the terminal based on the estimated exercise ability.

이하에는, 본 발명에 따른 관절 각도 변화의 추출 방법과 보행 파라미터의 추출 방법에 대해 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Below, the method for extracting joint angle changes and gait parameters according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

관절 각도 변화의 추출Extraction of joint angle changes

도 7은 본 발명에 적용되는 LSTM 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 7 is a diagram for explaining the LSTM model applied to the present invention.

도 7을 참조하면, 서버(30)는 딥러닝 모델 중 하나이고, 초기 노드의 데이터를 학습에 사용하는 것이 가능한 LSTM모델을 이용하여, 상기 관절 각도를 추정하고, 상기 관절 각도 변화를 추출할 수 있다.Referring to FIG. 7, the server 30 can estimate the joint angle and extract the joint angle change using an LSTM model, which is one of the deep learning models and can use the data of the initial node for learning. there is.

LSTM는 Deep Learning 모델 중 도 7의 (a)와 같은 RNN(Recurrent Neural Network)은 과거의 데이터도 학습에 활용하는 알고리즘으로 Time Series(시계열) 데이터에 적합한 모델이다.LSTM is a deep learning model, and RNN (Recurrent Neural Network), such as (a) in Figure 7, is an algorithm that uses past data for learning and is a model suitable for time series data.

단순 RNN 모델은 Back-Propagation 과정에서 Gradient Vanishing 현상(초기 노드의 데이터를 학습에 사용하기 어려움)이 발생한다. Simple RNN models experience gradient vanishing (difficulty using data from initial nodes for learning) during the back-propagation process.

이를 방지하고 중요한 정보를 남겨 학습할 수 있는, 도 7의 (b)와 같은 LSTM 이 보행 분석에 적합하다 판단되어, 이를 활용한 관절 각도 추출 알고리즘이 적용될 수 있다.LSTM, as shown in (b) of Figure 7, which can prevent this and learn by leaving important information, is judged to be suitable for gait analysis, and a joint angle extraction algorithm using it can be applied.

여기서 LSTM 모델은, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보의 특징(Feature)을 이용할 수 있다.Here, the LSTM model can use features of x-, y-, and z-axis acceleration information related to pitch, rotation, and yaw movement.

또한, 상기 LSTM 모델은, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 각속도 정보의 특징(Feature)을 추가적으로 이용할 수 있다.In addition, the LSTM model can additionally use features of x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement.

보행 파라미터의 추출Extraction of Gait Parameters

도 8은 본 발명과 관련하여, 관절각 관련 보행 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.Figure 8 is a diagram for explaining joint angle-related gait parameters in relation to the present invention.

도 8을 참조하면, 서버(30)는, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 단말 사용자의 엉덩이(Hip), 무릎(Knee) 및 발목(Ankle)과 관련된 관절 각도 변화를 추출한다.Referring to FIG. 8, the server 30 provides x-, y-, and z-axis acceleration information and x-, y-, and z-axis angular velocities related to pitch, roll, and yaw movement. Using at least one of the information, joint angle changes related to the terminal user's hip, knee, and ankle are extracted.

분석 방법 및 결과와 관련하여, 도 8을 참조하면, 본 발명의 발명자는 LSTM 모델 알고리즘을 활용하여 30명 중 무작위로 검출한 25명의 데이터로 학습을 진행 후 나머지 5명을 가지고 알고리즘의 효용성을 검증하였다.Regarding the analysis method and results, referring to FIG. 8, the inventor of the present invention used the LSTM model algorithm to learn with data from 25 randomly detected people out of 30 people and then verified the effectiveness of the algorithm with the remaining 5 people. did.

또한, 도 8에 도시된 것과 같이, N개의 Feature를 갖는 LSTM 모델 (IMU data - 3축 가속도, 3각속도, 회전(Roll), 이동(Pitch), 편향(Yaw) 값)을 적용하였다.In addition, as shown in Figure 8, an LSTM model with N features (IMU data - 3-axis acceleration, 3-angular velocity, rotation (Roll), movement (Pitch), and deflection (Yaw) values) was applied.

또한, 도 8에 도시된 것과 같이, LSTM 모델 기반 보행 중 엉덩이, 무릎, 발목의 관절 각도(보행 파라미터 1)를 추출하고, 동작 분석 시스템을 활용하여 알고리즘 기반 예측 관절 각도의 정확도를 확인하였다.Additionally, as shown in Figure 8, the joint angles of the hip, knee, and ankle (gait parameter 1) during walking based on the LSTM model were extracted, and the accuracy of the algorithm-based predicted joint angles was confirmed using a motion analysis system.

도 8에서 Range Of Motion 은 ROM을 의미하고, ROM은 다음과 같은 수학식 1에 의해 도출될 수 있다.In FIG. 8, Range Of Motion means ROM, and ROM can be derived by Equation 1 below.

수학식 1Equation 1

ROM = Angle(max) - Angle (min)ROM = Angle(max) - Angle (min)

한편, 도 9는 본 발명과 관련하여, SNT, SWT, SDT 및 분당 걸음수(Cadence) 관련 보행 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.Meanwhile, Figure 9 is a diagram for explaining walking parameters related to SNT, SWT, SDT, and steps per minute (Cadence) in relation to the present invention.

도 9에서, 파라미터 용어는 다음과 같다.In Figure 9, the parameter terms are as follows.

- Gait Time - GT- Gait Time - GT

- Stance Time - SNT- Stance Time - SNT

- Swing Time - SWT- Swing Time - SWT

- Stride Time - SDT- Stride Time - SDT

또한, SDT는 다음의 수학식 2, 분당 걸음수(Cadence)는 다음의 수학식 3에 의해 도출될 수 있다.Additionally, SDT can be derived from Equation 2 below, and steps per minute (Cadence) can be derived from Equation 3 below.

수학식 2Equation 2

SDT = SNT + SWTSDT = SNT + SWT

수학식 3Equation 3

Cadence = Steps / minCadence = Steps/min

또한, 도 10은 본 발명과 관련하여, 스텝 길이 (Step length) 및 보행 속도 (Gait Speed) 관련 보행 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.In addition, Figure 10 is a diagram for explaining walking parameters related to step length and gait speed in relation to the present invention.

도 10에서 파라미터 용어는 다음과 같이 정리될 수 있다.In Figure 10, parameter terms can be organized as follows.

- 스텝 길이 (Step length) - - Step length -

- Distal lower limb length - - Distal lower limb length -

- Knee angle at the time of toe off - - Knee angle at the time of toe off -

- Stride Time - SDT- Stride Time - SDT

- 보행 속도 (Gait Speed) - GS- Gait Speed - GS

또한, 는 다음의 수학식 4에 의해 도출되고, GS는 다음의 수학식 5에 의해 도출될 수 잇다.also, can be derived by the following equation 4, and GS can be derived by the following equation 5.

수학식 4Equation 4

수학식 5Equation 5

도 9 및 도 10을 참조하면, 보행 파라미터는, 입각기(Stance Time), 유각기(Swing Time), 보폭 시간(Stride Time), 보행에 따른 분당 걸음수(cadence), 스텝 길이(Step length) 및 보행 속도(Gait Speed) 파라미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Referring to Figures 9 and 10, the walking parameters include stance time, swing time, stride time, cadence per minute, and step length. and at least one of a gait speed parameter.

도 11은 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하여 이용하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating an example of obtaining and using TOe Off (TO) point information and Heel Strike (HS) point information in gait cycle units.

도 11을 참조하면, 서버(30)는, 상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 y축 가속도 정보와 z축 각속도 정보를 이용하여 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고, 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 상기 보행 파라미터를 추출할 수 있다.Referring to FIG. 11, the server 30 uses y-axis acceleration information and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement in units of gait cycles. , TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information can be acquired, and the walking parameters can be extracted using the obtained TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information.

도 11에서 용어의 의미는 다음과 같다.The meaning of the terms in FIG. 11 is as follows.

- SNT - Stance Time - SNT - Stance Time

- SWT - Swing Time- SWT - Swing Time

- SDT - Stride Time- SDT - Stride Time

- TO - Toe Off-TO-Toe Off

- HS - Heel Strike- HS - Heel Strike

또한, 보행 파라미터2로서, Cadence, SNT/SWT/SDT 등이 활용된다.Additionally, as walking parameter 2, Cadence, SNT/SWT/SDT, etc. are used.

보행 파라미터 2 추출과 관련하여, 본 발명에서는, 각속도 (z-axis) 과 가속도 (y-axix) 값을 활용하여 보행주기(Gait Cycle) 별 TO, HS 지점을 얻고 이를 바탕으로 보행 파라미터 1(SNT/SWT/SDT Cadence)를 얻을 수 있다.In relation to extracting gait parameter 2, in the present invention, TO and HS points for each gait cycle are obtained using angular velocity (z-axis) and acceleration (y-axix) values, and based on this, gait parameter 1 (SNT) is obtained. /SWT/SDT Cadence) can be obtained.

또한, 서버(30)는, 상기 추정된 운동 능력을 기반으로, 상기 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 상기 단말(U)로 전송하게 된다.Additionally, the server 30 transmits information for improving the terminal user's exercise ability to the terminal U based on the estimated exercise ability.

본 발명에 따른 효과Effects according to the present invention

본 발명은 단일 관성 측정장치를 이용한 헬스 케어 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a healthcare system using a single inertial measurement device.

구체적으로 본 발명은 1개의 IMU가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고, 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 보행 파라미터를 추출하며, 추출된 보행 파라미터를 기반으로 사용자의 운동 능력을 추정하는 헬스 케어 시스템을 제공할 수 있다.Specifically, the present invention analyzes the first motion information generated by one IMU, extracts the change in the user's joint angle, extracts gait parameters based on the extracted change in joint angle, and based on the extracted gait parameter A healthcare system that estimates a user's exercise ability can be provided.

또한, 본 발명은 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고, 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 보행 파라미터를 추출하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention acquires TOe Off (TO) point information and HS (Heel Strike) point information on a gait cycle basis, and obtains TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information. A system for extracting walking parameters can be provided using .

또한, 본 발명에 따른 시스템은, 추정된 운동 능력을 기반으로, 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 단말로 전송할 수 있다.Additionally, the system according to the present invention can transmit information for improving the terminal user's exercise ability to the terminal based on the estimated exercise ability.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시례들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시례들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시례들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the apparatus and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of the embodiments can be selectively combined so that various modifications can be made. It may be composed.

Claims (9)

동작 정보를 생성하는 트래커;
상기 트래커로부터 상기 동작 정보를 수신하는 단말; 및
상기 단말로부터 상기 동작 정보를 수신하고, 상기 수신된 동작 정보를 분석하여 상기 단말 사용자의 운동 능력과 관련된 정보를 생성하는 서버;를 포함하고,

상기 트래커는, 1개의 IMU(Inertial Measurement Unit)만을 이용하고,

상기 서버는,
상기 1개의 IMU가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 상기 단말 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고,
상기 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 상기 단말 사용자의 적어도 하나의 보행 파라미터를 추출하며,
상기 추출된 적어도 하나의 보행 파라미터를 기반으로 상기 단말 사용자의 운동 능력을 추정하고,

상기 제 1 동작 정보는,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나와 연관되며,

상기 서버는,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 단말 사용자의 엉덩이(Hip), 무릎(Knee) 및 발목(Ankle)과 관련된 관절 각도 변화를 추출하며,

상기 서버는,
딥러닝 모델 중 하나이고, 초기 노드의 데이터를 학습에 사용하는 것이 가능한 LSTM 모델을 이용하여, 상기 관절 각도를 추정하고, 상기 관절 각도 변화를 추출하고,

상기 LSTM 모델은,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보의 특징(Feature)을 이용하며,

상기 LSTM 모델은,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 각속도 정보의 특징(Feature)을 추가적으로 이용하고,

상기 보행 파라미터는,
입각기(Stance Time), 유각기(Swing Time), 보폭 시간(Stride Time), 보행에 따른 분당 걸음수(cadence), 스텝 길이(Step length) 및 보행 속도(Gait Speed) 파라미터 중 적어도 하나를 포함하며,

상기 서버는,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 y축 가속도 정보와 z축 각속도 정보를 이용하여 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고,
상기 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 상기 보행 파라미터를 추출하며,

상기 스텝 길이(Step length) 파라미터는 하기의 수학식 1에 따라 추출되고,

상기 보행 속도(Gait Speed) 파라미터는 하기의 수학식 2에 따라 추출되는 것을 특징으로 하는 헬스 케어 시스템.

수학식 1

상기 수학식 1에서 는 스텝 길이(Step length)를 의미하고, 는 원위 하퇴부 길이 (Distal lower limb length)를 의미하며, 는 토우 오프 시 무릎 각도 (Knee angle at the time of toe off)를 의미한다.

수학식 2

상기 수학식 2에서 는 보행 속도 (Gait Speed)를 의미하고, 는 분당 걸음 수를 의미한다.
A tracker that generates motion information;
A terminal that receives the operation information from the tracker; and
A server that receives the motion information from the terminal, analyzes the received motion information, and generates information related to the exercise ability of the terminal user,

The tracker uses only one IMU (Inertial Measurement Unit),

The server is,
By analyzing the first motion information generated by the one IMU, a change in the joint angle of the terminal user is extracted,
Extracting at least one gait parameter of the terminal user based on the extracted change in joint angle,
Estimating the exercise ability of the terminal user based on the extracted at least one walking parameter,

The first operation information is,
It is associated with at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, roll, and yaw movement,

The server is,
Using at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement, the terminal user Extracts joint angle changes related to the hip, knee, and ankle.

The server is,
Using an LSTM model, which is one of deep learning models and can use data from initial nodes for learning, estimate the joint angle and extract the joint angle change,

The LSTM model is,
It uses the features of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information related to pitch, roll, and yaw movement,

The LSTM model is,
Additional features of x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, roll, and yaw movement are used,

The walking parameters are,
Includes at least one of the following parameters: Stance Time, Swing Time, Stride Time, Cadence, Step Length, and Gait Speed. And

The server is,
Using y-axis acceleration information and z-axis angular velocity information related to pitch, roll, and yaw movement, TOe Off (TO) point information and HS (Heel) are generated in units of gait cycle. Strike) obtain branch information,
The walking parameters are extracted using the obtained TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information,

The step length parameter is extracted according to Equation 1 below,

A health care system wherein the Gait Speed parameter is extracted according to Equation 2 below.

Equation 1

In Equation 1 above, means step length, means distal lower limb length, means knee angle at the time of toe off.

Equation 2

In Equation 2 above, means gait speed, means steps per minute.
제 1항에 있어서,
상기 서버는, 상기 추정된 운동 능력을 기반으로, 상기 단말 사용자의 운동 능력 개선을 위한 정보를 상기 단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 헬스 케어 시스템.
According to clause 1,
The health care system is characterized in that the server transmits information for improving the exercise ability of the terminal user to the terminal based on the estimated exercise ability.
트래커가 동작 정보를 생성하는 단계;
단말이 상기 트래커로부터 상기 동작 정보를 수신하는 단계; 및
서버가 상기 단말로부터 상기 동작 정보를 수신하고, 상기 수신된 동작 정보를 분석하여 상기 단말 사용자의 운동 능력과 관련된 정보를 생성하는 단계;를 포함하고,

상기 트래커는, 1개의 IMU(Inertial Measurement Unit)만을 이용하고,

상기 서버는,
상기 1개의 IMU가 생성한 제 1 동작 정보를 분석하여, 상기 단말 사용자의 관절 각도의 변화를 추출하고,
상기 추출한 관절 각도의 변화를 기반으로 상기 단말 사용자의 적어도 하나의 보행 파라미터를 추출하며,
상기 추출된 적어도 하나의 보행 파라미터를 기반으로 상기 단말 사용자의 운동 능력을 추정하고,

상기 제 1 동작 정보는,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나와 연관되며,

상기 서버는,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보와 x축, y축 및 z축 각속도 정보 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 단말 사용자의 엉덩이(Hip), 무릎(Knee) 및 발목(Ankle)과 관련된 관절 각도 변화를 추출하며,

상기 서버는,
딥러닝 모델 중 하나이고, 초기 노드의 데이터를 학습에 사용하는 것이 가능한 LSTM 모델을 이용하여, 상기 관절 각도를 추정하고, 상기 관절 각도 변화를 추출하고,

상기 LSTM 모델은,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 가속도 정보의 특징(Feature)을 이용하며,

상기 LSTM 모델은,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 x축, y축 및 z축 각속도 정보의 특징(Feature)을 추가적으로 이용하고,

상기 보행 파라미터는,
입각기(Stance Time), 유각기(Swing Time), 보폭 시간(Stride Time), 보행에 따른 분당 걸음수(cadence), 스텝 길이(Step length) 및 보행 속도(Gait Speed) 파라미터 중 적어도 하나를 포함하며,

상기 서버는,
상하 이동(Pitch), 회전(roll) 및 편향(yaw) 이동과 관련된 y축 가속도 정보와 z축 각속도 정보를 이용하여 보행주기(Gait Cycle) 단위로, TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 획득하고,
상기 획득한 TO(Toe Off) 지점 정보 및 HS(Heel Strike) 지점 정보를 이용하여 상기 보행 파라미터를 추출하며,

상기 스텝 길이(Step length) 파라미터는 하기의 수학식 1에 따라 추출되고,

상기 보행 속도(Gait Speed) 파라미터는 하기의 수학식 2에 따라 추출되는 것을 특징으로 하는 헬스 케어 방법.

수학식 1

상기 수학식 1에서 는 스텝 길이(Step length)를 의미하고, 는 원위 하퇴부 길이 (Distal lower limb length)를 의미하며, 는 토우 오프 시 무릎 각도 (Knee angle at the time of toe off)를 의미한다.

수학식 2

상기 수학식 2에서 는 보행 속도 (Gait Speed)를 의미하고, 는 분당 걸음 수를 의미한다.
A tracker generating motion information;
A terminal receiving the operation information from the tracker; and
A server receiving the motion information from the terminal, analyzing the received motion information, and generating information related to the exercise ability of the terminal user,

The tracker uses only one IMU (Inertial Measurement Unit),

The server is,
By analyzing the first motion information generated by the one IMU, a change in the joint angle of the terminal user is extracted,
Extracting at least one gait parameter of the terminal user based on the extracted change in joint angle,
Estimating the exercise ability of the terminal user based on the extracted at least one walking parameter,

The first operation information is,
It is associated with at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, roll, and yaw movement,

The server is,
Using at least one of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information and x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, rotation, and yaw movement, the terminal user Extracts joint angle changes related to the hip, knee, and ankle.

The server is,
Using an LSTM model, which is one of deep learning models and can use data from initial nodes for learning, estimate the joint angle and extract the joint angle change,

The LSTM model is,
It uses the features of x-axis, y-axis, and z-axis acceleration information related to pitch, roll, and yaw movement,

The LSTM model is,
Additional features of x-axis, y-axis, and z-axis angular velocity information related to pitch, roll, and yaw movement are used,

The walking parameters are,
Includes at least one of the following parameters: Stance Time, Swing Time, Stride Time, Cadence, Step Length, and Gait Speed. And

The server is,
Using y-axis acceleration information and z-axis angular velocity information related to pitch, roll, and yaw movement, TO (Toe Off) point information and HS (Heel) are generated in units of gait cycle. Strike) Obtain branch information,
The walking parameters are extracted using the obtained TO (Toe Off) point information and HS (Heel Strike) point information,

The step length parameter is extracted according to Equation 1 below,

A healthcare method, characterized in that the gait speed parameter is extracted according to Equation 2 below.

Equation 1

In Equation 1 above, means step length, means distal lower limb length, means knee angle at the time of toe off.

Equation 2

In Equation 2 above, means gait speed, means steps per minute.
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