KR20050030269A

KR20050030269A - 보행분석기 및 이를 이용한 보행 분석 방법

Info

Publication number: KR20050030269A
Application number: KR1020030066463A
Authority: KR
Inventors: 최영근
Original assignee: (주)두모션
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-03-30
Also published as: KR100546447B1

Abstract

보행자의 고관절, 슬관절 또는 족관절의 회전각도 및 회전방향에 대한 정보를, 서로 직교하되 자신과 직교하는 다른 축을 중심으로 회전하도록 되어 있는 제 1 회전측 및 제 2 회전축과, 제 1 회전축과 제 2 회전축이 이루는 면에 수직이되 제 1 회전축과 제 2 회전축 전체를 회전시키도록 하는 제 3 회전축 및 제 1 내지 제 3 회전축의 중심에 설치되어 제 1 내지 제 3 회전축의 회전각도 및 회전 방향에 따른 데이터를 출력시킬 포텐시오미터를 포함하여 이루어진 관절 센서들을 이용하여 각 관절의 운동량을 아날로그 신호로 출력해 내고, 이들 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 뒤, 디지털 데이터를 보행 분석에 유효한 데이터로 가공/처리하는 보행 분석기가 개시된다. 따라서, 보행자의 신체에 반사체를 부착하지 않으며, 따라서 부착된 반사체의 움직임을 포착할 카메라가 설치된 별도의 보행분석실을 마련하지 않고도, 보행자의 보행 분석을 할 수 있는 방안이 마련되어서, 저렴한 비용으로 보행분석을 할 수 있게 되었다. 또한, 본 발명의 보행 분석기에서는 관절센서들이 서로 분리 및 조립 가능하므로, 이동에 제한을 받는 환자들에 대한 보행 분석 시에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Description

보행분석기 및 이를 이용한 보행 분석 방법{Gait capture system and method for analyzing gait using the same}

본 발명은 보행분석기 및 이를 이용한 보행 분석방법에 관한 것으로서, 특히 별도의 보행 분석실을 필요로 하지 않아서 유지 및 관리가 용이하고 저렴한 비용으로 사용할 수 있으면서도 이동이 가능한 보행 분석기 및 이를 이용한 보행 분석 방법에 관한 것이다.

신체 일부의 움직임을 측정하고 분석하는 장치 및 이의 응용 장치에 대한 필요성이 스포츠 및 의료업계를 중심으로 대두되기 시작하고 있다. 특히 다리 부분의 움직임, 즉 보행은 5감은 물론 내적감각이라 할 수 있는 고유 감각 및 운동신경계 및 척추 신경계와도 관련을 맺고 있어서, 이들 중의 어느 하나에 이상이 생기면 정상인의 보행 패턴과 다른 보행 패턴을 보이게 된다.

이러한 보행 분석 방법은 뇌성마비, 관절염, 절단자, 편마비 등의 이상 보행을 보이는 환자들을 대상으로 실시되고 있으며, 이상 보행의 평가, 각종 치료 전후의 비교 평가, 새로운 보조기나 의지의 개발 등에 사용되고 있다.

보행 분석 방법으로는 육안에 의한 관찰 분석법, 사진촬영에 의한 분석법 및 환자의 움직임을 광학식 카메라로 촬영하고 컴퓨터로 분석하는 영상 동작분석법 등이 있다. 육안에 의한 관찰 분석법을 사용할 경우, 보행이 빠르게 진행되어서 움직임을 정확하게 기억하고 기록하기 곤란하며, 분석자가 보행을 정확하게 기록하도록 보행자가 수회 반복하여 보행을 하게 되는 경우가 발생하므로, 보행자에게 고통을 안겨줄 여지가 많다. 사진촬영에 의한 분석법은, 원하는 보행 모습을 촬영하였다고 해도, 분석을 위해서는 사진 촬영 후 현상완료까지 대기해야 하는 문제가 있으며, 경우에 따라서는 재 촬영을 해야 하는 문제도 발생하게 된다.

전술한 육안 관찰법 및 사진촬영에 의한 분석법의 문제점들을 해결한 것이 영상 동작분석법이다. 영상 동작분석법을 사용하기 위해서는 보행자의 신체 일부에 반사체를 부착하고, 보행분석을 위해 마련된 약 25평 규모의 보행 분석실 내에 적외선 카메라를 소정 위치에 설치해야 한다. 그리고, 소정의 반사체를 부착한 환자가 보행하게 되면 반사체의 움직임이 카메라에 잡히게 되고, 이 움직임 영상으로부터 반사체의 위치값을 구하고, 이 값을 컴퓨터를 이용하여 연산하면, 보행 분석에 필요한 데이터를 얻을 수 있게 된다. 이러한 영상 동작분석법의 일예는 미국특허 4,631,676호에 개시되어 있다. 그리고, 이러한 영상 동작분석법을 구현한 장비 중의 하나는 영국 VICON사의 장비로서, VICON 사의 것은 별도의 보행분석실이 요구되므로, 현재 국내의 일부 대형 병원(서울 보훈 병원, 삼성 의료원, 세브란스 병원 등)에서만 일부 사용하고 있는 실정이다.

즉, 영상 동작분석법은 보행 분석을 정확하고 입체적으로 할 수 있는 장점이 있으나, 영상 동작분석법을 수행하기 위해서는 별도의 보행 분석실이 마련되어야 하고, 보행 분석기의 동작, 유지 및 관리를 담당할 숙련자가 필요하게 된다. 따라서 영상 동작분석시스템을 구축하고 유지하는데 상당한 비용이 들어가게 되어서, 중. 소 규모의 병원에서 사용하기는 적합하지 않다.

한편, 실제 보행 분석을 받아야 하는 환자들은 뇌졸중, 선청성 보행장애환자, 퇴행성 관절염 환자, 인공 의족 환자, 고관절, 슬관절 수술전후의 관절염 환자, 소아류마티스 관절염 환자 등으로서, 이동이 용이하지 않는 경우가 대부분이다. 그런데, 보행 분석을 받고자 할 경우에는 반드시 보행 분석실이 마련되어 있는 병원을 방문해야 하므로, 보행분석기 사용의 제한 요소가 되고 있다.

이에, 기존의 영상 동작분석법과 같이, 보행 분석을 정확하고 입체적으로 수행하면서도, 시스템 설치 및 관리 유지가 용이하여 관련 비용이 저렴하게 소요되며, 이동 가능한 보행분석기를 개발할 필요성이 대두되었다.

따라서 본 발명의 목적은 저렴한 비용으로 보행 분석을 정확하게 수행할 수 있는 보행 분석기 및 이를 이용한 보행 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 별도의 보행 분석실이 요구되지 않아서 이동 가능한 보행 분석기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 보행 분석기는, 보행자의 고관절에 부착되는 제 1 관절 센서, 슬관절에 부착되는 제 2 관절센서, 족관절에 부착되는 제 3 관절 센서들을 포함하되, 제 1 내지 제 3 관절 센서들이 분리 및 조립이 가능하도록 연결되어 있는 관절 운동량 측정부, 관절 운동량 측정부로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 신호 변환기, 디지털로 변환된 신호를 전송 받아서 수신된 데이터를 보행 분석에 유효한 데이터로 가공/처리하고, 소정의 형태로 출력하는 데이터 처리/출력부를 포함한다. 여기서 관절 운동량 측정부의 제 1 내지 제 3 관절 센서는, 서로 직교하되 자신과 직교하는 다른 축을 중심으로 회전하도록 되어 있는 제 1 회전측 및 제 2 회전축과, 제 1 회전축과 제 2 회전축이 이루는 면에 수직이되 제 1 회전축과 제 2 회전축 전체를 회전시키도록 하는 제 3 회전축 및 제 1 내지 제 3 회전축의 중심에 설치되어 제 1 내지 제 3 회전축의 회전각도 및 회전 방향에 따른 데이터를 출력시킬 포텐시오메터를 포함하여서, 보행 시의 보행자의 고관절, 슬관절, 족관절의 회전각도 및 회전방향에 대한 아날로그 데이터를 출력한다.

그리고, 제 1 관절 센서의 일단은 허리밴드에 연결된 연결패드에 고정되어 있으며, 제 1 관절센서와 제 2 관절 센서는, 보행자의 허벅지 부분에 마련되어 보행자의 신장에 적합하도록 보행자의 길이 방향으로 이동하도록 되어 있는 슬라이더에 착탈가능하도록 연결되어 있다. 또한, 제 2 관절 센서와 제 3 관절 센서는, 보행자의 다리 길이 방향으로 배열되고 보행자의 신장에 적합하게 가변될 수 있도록 되어 있는 길이 조정바에 연결되어 있다.

한편, 관절 운동량 측정부에는, 허리 밴드에 부착되어 허리의 회전을 감지하는 허리감지자이로스코프, 발뒤꿈치에 부착되어 발뒤꿈치의 회전을 감지하는 발뒤꿈치 회전감지자이로스코프, 발바닥에 부착되어 보행시의 발바닥 압력을 측정하는 발바닥압력센서 및 발뒤꿈치 회전감지자이로스코프와 발바닥 압력센서의 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 구비되어 있다.

그리고, 데이터처리/출력부는, 보행자의 보행 구간 데이터에서 일부를 선택하여 각 관절의 X,Y,Z축 방향의 데이터를 추출하고, 추출된 데이터로부터 노이즈를 제거하고, 각 관절 부위 별로 보행 분석에 적합한 스케일이 되도록 각 데이터의 스케일을 조절하며, X,Y,Z축 방향의 데이터를 연산처리하여 보행 분석에 필요한 데이터를 발생시키는 프로그램모듈; 보행자의 인적 사항 등의 정보 등을 입력하는 입력수단; 및 프로그램모듈에서 가공처리된 결과를 표시하기 위한 출력수단을 포함한다.

또한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 보행 분석 방법은, a)보행자의 고관절에 부착되는 제 1 관절 센서, 슬관절에 부착되는 제 2 관절센서, 족관절에 부착되는 제 3 관절 센서들을 포함하되, 제 1 내지 제 3 관절 센서는, 서로 직교하되 자신과 직교하는 다른 축을 중심으로 회전하도록 되어 있는 제 1 회전측 및 제 2 회전축과, 제 1 회전축과 제 2 회전축이 이루는 면에 수직이되 제 1 회전축과 상기 제 2 회전축 전체를 회전시키도록 하는 제 3 회전축 및 상기 제 1 내지 제 3 회전축의 중심에 설치되어 제 1 내지 제 3 회전축의 회전각도 및 회전 방향에 따른 데이터를 출력시킬 포텐시오메터를 포함하는 관절 운동량 측정부를 통해, 보행자의 고관절, 슬관절, 족관절의 회전각도 및 회전방향에 대한 아날로그 데이터를 출력하는 단계; b) 관절 운동량 측정부로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 단계; c) 디지털로 변환된 신호를 전송 받아서, 데이터로부터 노이즈를 제거하는 단계; d) 노이즈가 제거된 데이터를 변환하여 각도값을 얻는 단계; e) 각 관절 부위 별로 보행 분석에 적합한 스케일이 되도록 각 데이터의 스케일을 조절하는 단계; f) 상기 스케일 조절된 각도값으로부터 각 관절의 3차원 좌표를 계산하는 단계; 및 g) 상기 각 관절의 3차원 좌표로부터 보행 분석에 필요한 데이터를 발생시키는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 3차원 좌표 계산 단계 후에, 상기 3차원 좌표를 이용하되 상기 각 관절의 3차원 좌표 중 최하위에 위치하는 3차원 좌표를 지면의 좌표로 간주하여, 상기 각 관절의 3차원 좌표를 지면을 고려한 좌표로 재연산하는 단계를 더 포함할 수 도 있다.

여기서, 보행 분석에 필요한 데이터는 골반의 앞뒤 기울기(pelvic tilt), 골반의 좌우 기울기(pelvic obliquity), 골반의 회전각도(pelvic rotation), 골반을 기준으로 하는 허벅지의 앞뒤 움직임 정도(hip flex/extension), 골반을 기준으로 하는 허벅지의 안팎움직임 정도(hip ab/adduction), 골반을 기준으로 하는 허벅지의 회전정도(hip rotation), 무릎을 기준으로 하는 종아리의 앞뒤 움직임(knee flex/extension), 무릎을 기준으로 하는 종아리 안팎의 움직임 정도(knee valgus/varus), 발의 좌우정열정도(foot alignment), 발목의 접히고 펴짐 정도(foot dosri/plantar) 및 발바닥의 회전정도(foot rotation) 중의 적어도 하나 이상일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일예에 따른, 보행 분석을 위한 컴퓨터가 마련된 공간에서 보행하고 있는 보행자를 보여주는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일예에 따른 보행 분석기를 설명하기 위한 블록 다이어그램을 나타낸다. 여기서 보행 분석을 위해 마련된 공간은 종래의 영상 동작분석법에서 요구되는 보행 분석실과는 달리 보행에 필요한 최소 공간인 약 1평 남짓한 공간을 말하며, 이 공간에는 카메라가 부착되어 있지 않게 된다.

보행자는 그의 하반신에 고관절, 슬관절 및 족관절의 운동량을 측정하기 위한 운동량 측정용 관절세트(100)를 착용한다. 운동량 측적용 관절세트(100)로부터 얻어진 각 관절 부분의 회전방향 및 회전량, 비틀림 정도 등의 정보는 디지털 신호로 변환되고, 데이터 가공 처리 및 출력을 담당하는 컴퓨터 장치(200)로 전달되게 된다. 즉, 본 발명에 따른 보행 분석기는 도 2에 도시된 것과 같이, 관절 운동량 측정부(280), A/D(Analogue/Digital) 신호 변환기(282), 데이터 송·수신부(284), 데이터 처리부(286) 및 출력부(288)로 이루어지게 된다.

관절 운동량 측정부(280)는 도 1에 도시한 관절세트(100)에 의해 그의 기능이 수행된다. 관절세트(100)는, 고관절의 회전각도 및 회전방향을 측정하기 위한 것으로서 허리밴드(110)에 연결된 연결패드(115)에 부착되어 있는 제 1 관절 센서(120), 슬관절 부착 패드(145) 상에 부착되어 있는 슬관절의 회전각도 및 회전방향을 측정하기 위한 제 2 관절 센서(140) 및 고정밴드(165)에 의해 고정되어서 족관절 부분에 배치되어 있는 족관절의 회전각도 및 회전방향을 측정하기 위한 제 3 관절 센서(160)를 포함한다. 또한, 관절세트(100)는 허리밴드(110)에 부착되어 있어서 허리의 회전량 및 회전각도 등을 측정하기 위한 허리감지자이로스코프(도 3의 190), 발 뒤꿈치에 부착되어서 발 뒤꿈치의 회전 정보를 측정하기 위한 발뒤꿈치 회전감지자이로스코프(도 3의 182) 및 발바닥에 부착되어서 보행시의 족압 상태를 측정하기 위한 발바닥압력센서(170)를 포함하며, 발뒤꿈치 회전감지자이로스코프(182) 및 발바닥압력센서(170)의 동작을 제어하는 발 센서 컨트롤러(도 3의 180)를 포함한다. 그리고, 제 1 관절센서(120)와 제 2 관절 센서(140)는 제 1 연결부(130)에 의해 착탈가능하도록 연결되며, 유사하게 제 2 관절 센서(140)와 제 3 관절 센서(160)도 제 2 연결부(150)에 의해 착탈가능하도록 연결되어 있다.

한편, 전술한 관절세트(100)에서 출력된 데이터는 아날로그 데이터들이므로, 이들을 컴퓨터 장치(200)에 적합한 디지털 데이터로 변환하기 위한 A/D변환기와 디지털로 변환된 데이터를 전송할 장비가 필요하게 되며, 본 실시예에서는 A/D변환 기능과 데이터 송신의 기능을 위해 RS232C프로세서를 사용하였으며, 이 RS232C프로세서는 도 3에 도시된 것과 같이 도 1의 허리밴드(110)에 매달리도록 설치하였다. 그리고, RS232C에서 송신된 신호를 받아서 다시 컴퓨터 장치(200)로 전송하기 위해서, 컴퓨터 장치(200)의 내부 또는 외부의 근처에 무선 송수신 모듈(미도시)을 마련하였다.

그리고, 데이터 처리부로서 동작하는 컴퓨터 장치(200)에는 디지털 처리된 관절의 운동량을 처리하여 보행분석에 필요한 데이터를 출력하기 위한 프로그램모듈, 보행자의 인적 사항 등의 정보 등을 입력하는 입력수단인 키보드(220), 가공처리된 결과를 출력하기 위한 스크린(230) 및 프린터(240)가 구비되어 있다. 여기서 스크린(230)으로서 터치 스크린이 사용될 수 있으며 이 경우에 스크린(230)은 출력수단 외에도 입력수단으로도 이용될 수 있다. 한편, 컴퓨터 장치(200)의 케이싱(210)의 하단부에는 바퀴(250)가 마련되어 있고, 상부에는 손잡이 바(270)가 마련되어 있어서, 컴퓨터 장치(200)의 이동을 용이하게 한다. 그리고, 보행분석기의 이동을 감안하여 컴퓨터 장치(200)의 케이싱(210) 내부의 빈 공간에 전술한 관절세트(100)를 보관할 서랍(260)을 마련하였다.

이제, 관절세트(100)의 착용 상태를 상세히 나타내는 도 3 및 도 3의 관절세트(100)를 구성하는 각 관절센서(120, 140, 160)의 사시도 및 단면도를 나타내는 도 4a 및 도 4b를 참고로 하여, 관절세트(100) 및 관절센서(120, 140, 160)의 구성 및 이들을 통한 회전방향 및 회전각도 측정 원리를 설명한다.

관절세트(100)는 양쪽 다리에 착용되며, 각 다리에는 3개의 관절센서(120, 140, 160), 2개의 회전감지자이로스코프(190, 182), 1개의 발바닥압력센서(170)가 부착되어 있게 된다. 관절센서(120, 140, 160)는 3개의 회전축(미도시)으로 이루어져 있다. 서로 직교하는 제 1 및 제 2 회전축(X축 회전축 및 Y축 회전축)은 육면체 형상의 몸체(124a, 124b) 내에 설치되어 있으며, 이 2개의 회전축 각각은 자신과 직교하는 다른 축을 중심으로 회전하도록 되어 있다. 몸체(124a, 124b) 내의 X축 방향의 회전축의 양단부에는 제 1 아암(128a, 128b)이 연결되어 있으며, 몸체(124a, 124b)의 Y축 방향의 회전축의 양단부에는 육면체 형상의 몸체(124a,124b) 및 제 1 아암(128a, 128b) 전체를 Z축을 중심으로 회전시키기 위한 제 3 회전축(z축 회전축)이 마련된 제 2 아암(122, 123a, 123b, 127)이 연결되어 있다. 그리고 제 3회전축은 제 2 아암의 단부(127)의 관통홀을 통해 회전바(121)와 체결되도록 되어 있어서 회전바(121)의 회전이 제 3 회전축에 전달되도록 되어 있다. 그리고 제 1 아암 중에서 몸체(124a, 124b)와 대향하는 부분에는 제 1 및 제 2 회전축을 중심으로 하는 몸체(124a, 124b)의 회전을 용이하게 하기 위한 바(129)가 고정되어 있다.

제 1 내지 제 3 회전축의 X,Y, Z축 방향의 회전각도와 회전방향은, 도 4b에 나타난 바와 같이, 각 축의 중심에 설치된 포텐시오메터(143, 146, 149)에 의해 측정된다. 포텐시오메터(143, 146, 149)는 각 축의 회전 시에 회전축의 회전에 의한 가변저항값을 반영하는 전압값을 출력하게 되며 이 출력 전압값으로부터 각 관절의 운동량(회전각도 및 회전방향)을 알아내게 된다. 미설명된 참조번호 142, 148은 포텐시오메터에 고정되어서 회전부를 가이드하면서 지지하는 지지체이다. 따라서, 보행시의 고관절, 슬관절 또는 족관절의 회전정보는 관절센서의 제 1 회전축과 제 2 회전축의 중심에 설치되어 있는 두개의 포턴시오메터를 통해 출력되며, 관절센서의 제 3 회전축의 중심에 설치된 포턴시오메터를 통해서는 고관절, 슬관절 또는 족관절의 비틀림 정도가 출력되게 된다.

상기의 구성을 가진 관절센서(102, 140, 160)들은 연결부(130, 150)를 통해 상호 연결되어 하나의 관절세트를 구성하게 된다. 제 1 관절센서(120)와 제 2 관절센서(140)를 연결하는 제 1 연결부(130)는, 도 3에 도시된 것과 같이, 관절센서(120)의 Z축 회전축에 체결된 회전바(121)의 역할도 하는 연결바(131), 보행자의 신장 또는 다리 길이에 맞추어 연결바(131)의 상하 직선운동을 가능하도록 연결바(131)에 체결되어 있는 슬라이더(132), 슬라이더(132)가 고정테이프(135)등의 고정 수단에 의해 부착되어 있는 부착패드(145), 부착패드(145)를 무릎 관절 윗부분의 신체에 고정시키기 위한 고정밴드(133)를 포함한다. 그리고 연결바(131)는 점A에서 제 1 관절센서(120)에 착탈가능하도록 연결되어 있다.

한편, 제 2 관절센서(140)의 일단에 형성되어 있는 바(129)는 제 1 연결부(130)의 부착패드(145) 상에 고정되어 있다. 그리고 제 2 관절 센서(140)와 제 3 관절센서(160)는 제 2 연결부(150)에 의해 연결되게 되는데, 제 2연결부(150)는 보행자의 다리 길이에 맞추어서 상하 방향으로 길이 조절을 가능케하도록 되어 있으며, 종아리의 볼륨에 맞추도록 굴곡을 가지면서 연결되는 상부 길이 조정바(151)와 하부길이 조정바(154) 및 조정바(151, 154)의 길이를 조정한 뒤 이들의 연결 상태를 고정시키기 위한 고정밴드(153)를 포함한다. 한편, 제 1 연결부(130)에서와 마찬가지로, 연결바(151)는 점B에서 관절센서(140)에 착탈가능하도록 되어 있을 수 있으며, 상부 길이 조절바(151)는 관절센서(140)의 Z축 회전축에 체결된 회전바(121)의 역할도 하도록 되어 있다.

그리고, 발목 관절의 운동량을 측정하기 위한 제 3 관절센서(160)가 발목 관 절 중심에 설치되며, 제 3 관절센서(160)의 바(129)는 길이 조정바(154)에 연결되며, 제 3 관절 센서(160)의 Z축 방향의 회전바(169)는 고정밴드(165)에 의해 발등에 고정되게 된다.

또한, 관절세트(100)에는 발목의 회전 정보 외에 보행시의 족압 분포 및 보행시의 발 뒤꿈치의 회전 정보를 감지하기 위한 발바닥 압력센서(170) 및 발뒤꿈치회전자이로스코프(182) 그리고 이들을 제어하기 위한 컨트롤러(180)가 마련되어 있다.

본 발명에 따른 관절세트는 분리된 각 부분의 관절 센서를 조립하여 완성하도록 되어 있으므로, 보행분석기의 이동을 용이하게 하며 보행 분석을 위해 보행자가 관절세트를 착용하는 일을 보다 용이하게 하는 이점이 있다.

전술한 관절세트(100)를 착용하고 보행하게 되면, 관절세트(100)는 보행자의 보행 운동량을 아날로그 신호로 출력하게 되고, 이 아날로그 신호는 보행자의 허리 밴드(110)에 부착되어 있는 RS232C프로세서를 통해 디지털신호로 변환되고 이어서 컴퓨터 장치(200)쪽에 마련된 무선 송수신모듈로 전송되게 된다. 그리고 무선 송수신모듈은 다시 이 신호를 컴퓨터 장치(200)로 전송하게 된다. 이제 도 5를 참고로 하여, 컴퓨터 장치(200)에서 수신된 디지털 데이터를 처리하는 과정을 살펴본다.

관절세트(100)를 통해 출력된 각 관절의 데이터로부터 공지의 방법으로 노이즈를 제거하고(S12), 노이즈가 제거된 데이터를 각도값으로 변환한다(S13). 다음, 각 관절 부위 별로 보행 분석에 적합한 스케일이 되도록 각 데이터의 스케일을 조절한다(S14). 각 관절의 각도값으로부터 각 관절의 3차원 좌표를 계산한다(S15). 3차원 좌표가 계산되면 시간에 따른 각 관절의 3차원 좌표상의 위치 변화를 파악할 수 있게 되므로, 화면 상에 관절의 움직임이 표시될 수 있다. 한편, 3차원 좌표값이 계산되면 이로부터 보행주기를 알 수 있는데, 각 보행 주기별로 3차원 좌표값을 비교하여, 자이로센서에 의한 데이터의 오차 발생 여부를 검사하고 보정한다(S16). 다음, 출력된 데이터 중에서 보행 초기와 보행 말기 등 분석에 적합한 데이터를 출력하지 못하는 것으로 추정되는 부분을 제외하여 신뢰성 있는 보행 구간을 선택하여 그 구간의 데이터를 출력하면(S18), 도 6a 내지 도 6k의 데이터를 얻을 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 발바닥 압력센서(170)이 사용되므로, 발바닥 압력센서(170)의 3차원 좌표값이 지면의 좌표값으로 간주될 수 있으나, 발바닥 압력센서(170)가 마련되지 않을 경우에는, 전술한 과정에 의해 획득된 3차원 좌표값은 지면을 고려한 값으로 변환되어야 하며 이러한 처리를 지면인식처리(S17)라 한다. 지면인식처리과정(S17)은 다음과 같다. 각도값에서 얻은 3차원 좌표로부터, 최하위에 위치하는 관절의 좌표값을 지면의 좌표값으로 간주하고, 이를 기준으로 하여, 계산된 관절의 3차원 좌표를 다시 계산한다. 발바닥 압력센서(170)가 없는 경우, 최하위에 위치하는 관절센서는 높이가 낮은 다리 쪽의 발목 센서(160)가 된다.

종래의 영상 분석법에서는 보행 분석에 필요한 데이터를 얻기 위해서 각 관절의 회전량을 포함하는 회전 정보가 직접 획득되지 않으므로, 카메라에 잡힌 이미지로부터 각 관절의 회전 정보를 추출해내는 과정이 수반되게 된다. 그러나 본 발명에 따른 보행 분석기에서는 각 관절의 운동량이 관절 센서(120, 140, 160)에서 직접 출력되게 되므로, 보행 분석 데이터를 얻는 과정이 보다 간단해지고 그 만큼 분석을 신속하게 할 수 있게 되는 이점이 있다.

본 발명의 보행 분석기를 통한 보행 분석 그래프가 6a 내지 도 6k에 도시되어 있다. 각 그래프에서 가로축은 한 걸음 동안의 시간축으로 보행사이클을 %로 나타냈으며 세로축을 보행 중의 각도 변화를 나타낸다. 여기서 도 6a는 보행 시간에 따른 골반의 앞뒤 기울기(pelvic tilt)를 나타내고, 도 6b는 골반의 좌우 기울기(pelvic obliquity)를, 도 6c는 골반의 회전각도(pelvic rotation)를, 도 6d는 골반을 기준으로 하는 허벅지의 앞뒤 움직임 정도(hip flex/extension)를, 도 6e는 골반을 기준으로 하는 허벅지의 안팎움직임 정도(hip ab/adduction)를, 도 6f는 골반을 기준으로 하는 허벅지의 회전정도(hip rotation)를, 도 6g는 무릎을 기준으로 하는 종아리의 앞뒤 움직임(knee flex/extension)을 나타내고, 도 6h는 무릎을 기준으로 하는 종아리 안팎의 움직임 정도(knee valgus/varus)를 나타내며, 도 6i는 발의 좌우정열정도(foot alignment)를 나타내며, 도 6j는 발목의 접히고 펴짐 정도(foot dosri/plantar)를 나타내며, 도 6k는 발바닥의 회전정도(foot rotation)를 나타낸다. 그리고, 각 도의 그래프 'a', 'b' 및 'c'는 각각 보행 분석자의 좌측 고관절, 슬관절, 족관절의 운동량을 나타내는 그래프, 보행 분석자의 우측 고관절, 슬관절, 족관절의 운동량을 나타내는 그래프 및 기준이 되는 정상인의 보행 그래프로서, 각각 다음의 조건하에서 행해진 보행분석결과를 나타낸다.

항목	a 그래프	b그래프	c그래프
분당보폭수(steps/min)	90.00	90.00	102.12
보행속도(m/s)	0.58	0.70	1.18
스트라이드타임(s)	1.23	1.27	1.18
스텝타임(s)	0.67	0.67	0.61
스트라이드길이(m)	0.97	0.88	1.39

한편, 종래의 영상분석법을 사용하는 영국 VICON사의 보행분석기를 이용하여, 보행을 분석한 그래프가 도 7a 내지 도 7k에 나타나 있는데, 이들 그래프들은, 본 발명에 따른 관절세트를 이용하여 얻은 보행 분석 그래프들과 극히 유사한 패턴을 보임을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 보행 분석기는 종래의 영상분석법을 이용한 보행분석기를 대체할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 도 7a 내지 도 7k의 긴 점선, 가는 점선, 실선으로 표시된 그래프로서, 각각은 보행 분석자의 좌측 고관절, 슬관절, 족관절의 운동량을 나타내는 그래프, 보행 분석자의 우측 고관절, 슬관절, 족관절의 운동량을 나타내는 그래프 및 기준이 되는 정상인의 보행 그래프로서, 다음의 조건하에서 행해진 보행분석결과를 나타낸다.

항목	긴 점선	가는 점선	실선
분당보폭수(steps/min)	112.44	112.44	102.12
보행속도(m/s)	1.21	1.24	1.18
스트라이드타임(s)	1.07	1.07	1.18
스텝타임(s)	0.52	0.52	0.57
스트라이드길이(m)	1.29	0.68	1.39

이상에서 살펴본 바에 의하면, 3축 유니버설 조인트로 이루어진 복수개의 관절 센서들을 포함하는 관절세트(100)와 관절세트(100)로부터 출력된 신호로부터 보행 분석에 필요한 각종 데이터를 출력하는 컴퓨터 장치(200)로 이루어진 본 발명에 따른 보행 분석기는, 별도의 분석실을 요구하는 영상 동작분석법에 의한 보행 분석기와 실질적으로 동일한 분석 능력을 가지면서도, 별도의 분석실 및 관리 및 유지 보수 숙련자를 필요로 하지 않으므로, 본 발명의 보행 분석기를 설치하고 유지 및 관리하는데 소요되는 비용이 상대적으로 저렴한 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 보행 분석기는 관절세트, 무선 송수신 장치, 이동 가능한 컴퓨터 장치 등으로 이루어져 있으므로, 이동이 불편한 환자들의 보행 분석에도 매우 유용하게 사용될 수 있다.

부가적으로, 본 발명에 따른 보행 분석기는 사고, 재난 발생 시, 환자의 보행 능력 및 장애 판단에 대한 객관적 데이터를 제공해 줄 수도 있으며, 엑스레이 등으로 설명되지 않는 환자의 비정상적인 보행 습관의 원인 및 이에 따른 통증의 원인을 규명해낼 수도 있게 된다.

지금까지 본 발명의 구성 및 원리에 대하여 설명하였으나 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 실시형태는 본 발명의 보호범위에 속하는 것임을 이해해야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 보행 분석을 위한 컴퓨터가 마련된 공간에서 보행하고 있는 보행자를 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 보행 분석기를 설명하기 위한 블록 다이어그램을 나타낸다.

도 3은 보행자가 착용하는 보행 분석용 관절 세트의 상세도면이다.

도 4a는 도 3의 관절세트의 관절 센서의 사시도를 나타낸다.

도 4b는 도 4a의 관절센서의 Y 축방향에서 바라본 Z축 단면도를 나타낸다.

도 5는 도 2의 데이터 처리부를 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다.

도 6a 내지 도 6k는 본 발명에 따른 보행분석기를 이용하여 출력된 보행 특성을 나타내는 그래프들이다.

도 7a 내지 도 7k는 바이콘(VICON Motion Capture System) 사의 보행 분석기를 이용하여 출력된 보행 특성을 나타내는 그래프들이다.

Claims

보행자의 고관절에 부착되는 제 1 관절 센서, 슬관절에 부착되는 제 2 관절센서, 족관절에 부착되는 제 3 관절 센서들을 포함하되, 상기 제 1 내지 제 3 관절 센서들이 분리 및 조립이 가능하도록 연결되어 있으며,

상기 제 1 내지 제 3 관절 센서는, 서로 직교하되 자신과 직교하는 다른 축을 중심으로 회전하도록 되어 있는 제 1 회전측 및 제 2 회전축과, 상기 제 1 회전축과 상기 제 2 회전축이 이루는 면에 수직이되 상기 제 1 회전축과 상기 제 2 회전축 전체를 회전시키도록 하는 제 3 회전축 및 상기 제 1 내지 제 3 회전축의 중심에 설치되어 상기 제 1 내지 제 3 회전축의 회전각도 및 회전 방향에 따른 데이터를 출력시킬 포텐시오메터를 포함하여서, 보행 시의 상기 보행자의 고관절, 슬관절, 족관절의 회전각도 및 회전방향에 대한 아날로그 데이터를 출력하는 관절 운동량 측정부;

상기 관절 운동량 측정부로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 신호 변환기; 및

상기 디지털로 변환된 신호를 전송 받아서 상기 수신된 데이터를 보행 분석에 유효한 데이터로 가공/처리하고, 소정의 형태로 출력하는 데이터 처리/출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행분석기.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 관절 센서의 일단은 허리밴드에 연결된 연결패드에 고정되어 있으며, 상기 제 1 관절센서와 상기 제 2 관절 센서는, 상기 보행자의 허벅지 부분에 마련되어 상기 보행자의 신장에 적합하도록 보행자의 길이 방향으로 이동하도록 되어 있는 슬라이더에 착탈 가능하도록 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 보행 분석기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 관절 센서와 상기 제 3 관절 센서는, 상기 보행자의 다리 길이 방향으로 배열되고 상기 보행자의 신장에 적합하게 가변될 수 있도록 되어 있는 길이 조정바에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 보행분석기.
제 3 항에 있어서, 상기 관절 운동량 측정부는, 상기 허리 밴드에 부착되어 상기 허리의 회전을 감지하는 허리감지자이로스코프, 상기 발뒤꿈치에 부착되어 상기 발뒤꿈치의 회전을 감지하는 발뒤꿈치 회전감지자이로스코프, 상기 발바닥에 부착되어 보행시의 발바닥 압력을 측정하는 발바닥압력센서 및 상기 발뒤꿈치 회전감지자이로스코프 및 상기 발바닥 압력센서의 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석기.
제 1 항에 있어서, 상기 데이터처리/출력부는, 상기 보행자의 보행 구간 데이터에서 일부를 선택하여 각 관절의 X,Y,Z축 방향의 데이터를 추출하고, 추출된 데이터로부터 노이즈를 제거하고, 각 관절 부위 별로 보행 분석에 적합한 스케일이 되도록 각 데이터의 스케일을 조절하며, X,Y,Z축 방향의 데이터를 연산처리하여 보행 분석에 필요한 데이터를 발생시키는 프로그램모듈;

상기 보행자의 인적 사항 등의 정보 등을 입력하는 입력수단; 및

상기 프로그램모듈에서 가공처리된 결과를 표시하기 위한 출력수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 분석기.
보행자의 고관절에 부착되는 제 1 관절 센서, 슬관절에 부착되는 제 2 관절센서, 족관절에 부착되는 제 3 관절 센서들을 포함하되,

상기 제 1 내지 제 3 관절 센서는, 서로 직교하되 자신과 직교하는 다른 축을 중심으로 회전하도록 되어 있는 제 1 회전측 및 제 2 회전축과, 상기 제 1 회전축과 상기 제 2 회전축이 이루는 면에 수직이되 상기 제 1 회전축과 상기 제 2 회전축 전체를 회전시키도록 하는 제 3 회전축 및 상기 제 1 내지 제 3 회전축의 중심에 설치되어 상기 제 1 내지 제 3 회전축의 회전각도 및 회전 방향에 따른 데이터를 출력시킬 포텐시오메터를 포함하는 관절 운동량 측정부를 통해, 상기 보행자의 고관절, 슬관절, 족관절의 회전각도 및 회전방향에 대한 아날로그 데이터를 출력하는 단계;

상기 관절 운동량 측정부로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 단계;

상기 디지털로 변환된 신호를 전송 받아서, 데이터로부터 노이즈를 제거하는 단계;

노이즈가 제거된 데이터를 변환하여 각도값을 얻는 단계;

각 관절 부위 별로 보행 분석에 적합한 스케일이 되도록 각 데이터의 스케일을 조절하는 단계;

상기 스케일 조절된 각도값으로부터 각 관절의 3차원 좌표를 계산하는 단계; 및

상기 각 관절의 3차원 좌표로부터 보행 분석에 필요한 데이터를 발생시키는 단계를 포함하는 보행 분석 방법.
제 6항에 있어서, 상기 3차원 좌표 계산 단계 후에, 상기 3차원 좌표를 이용하되 상기 각 관절의 3차원 좌표 중 최하위에 위치하는 3차원 좌표를 지면의 좌표로 간주하여, 상기 각 관절의 3차원 좌표를 지면을 고려한 좌표로 재연산하는 단계를 더 포함하는 보행 분석 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 보행 분석에 필요한 데이터는 골반의 앞뒤 기울기(pelvic tilt), 골반의 좌우 기울기(pelvic obliquity), 골반의 회전각도(pelvic rotation), 골반을 기준으로 하는 허벅지의 앞뒤 움직임 정도(hip flex/extension), 골반을 기준으로 하는 허벅지의 안팎움직임 정도(hip ab/adduction), 골반을 기준으로 하는 허벅지의 회전정도(hip rotation), 무릎을 기준으로 하는 종아리의 앞뒤 움직임(knee flex/extension), 무릎을 기준으로 하는 종아리 안팎의 움직임 정도(knee valgus/varus), 발의 좌우정열정도(foot alignment), 발목의 접히고 펴짐 정도(foot dosri/plantar) 및 발바닥의 회전정도(foot rotation) 중의 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 보행 분석 방법.