KR20090059095A - 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석 방법 및 그 방법을 이용한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체역학적 데이터를 종합적으로 분석하여 근골격계의 질환 및 질환 발생 가능성을 보다 정확하게 진단할 수 있는 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석 방법 및 그 방법을 이용한 장치에 관한 것으로, 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 상체에서 제1 생체역학 정보를 측정하는 단계, 상기 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 하체에서 제2 생체역학 정보를 측정하는 단계 및 상기 측정된 제1 및 제2 생체역학 정보를 시간적으로 동기화하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석방법을 제공한다.

생체역학, 근골격계 질환, 생체역학 데이터, 생체역학 파라메터, 척추, 족부, 족저압, 운동궤적

Description

3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석 방법 및 그 방법을 이용한 장치{METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL BIOMECHANICAL DATA AND PARAMETER ANALYSIS AND APPARATUS USING THE SAME METHOD}

본 발명은 생체역학 분석 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체역학적 데이터를 종합적으로 분석하여 근골격계의 질환 및 질환 발생 가능성을 보다 정확하게 진단할 수 있는 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 생체역학 분석 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체역학적 데이터를 종합적으로 분석하여 근골격계의 질환 및 질환 발생 가능성을 보다 정확하게 진단할 수 있는 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 족부나 척추에 관련한 근골격계의 질환 및 질환 발생 가능성을 진단하기 위해서는 엑스레이장치(X-ray), 자기공명촬영장치(MRI), 단층촬영장치(CT) 등이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 장치들은 피측정자가 정적 상태에 있을 때 측정된 결과만을 제공하고 피측정자가 동작 상태 중 일때의 생체역학적 정보 를 측정하지 못하기 때문에 동작상태에서 얻어야 하는 진단용 데이터를 취득할 수 없다.

생체역학적 분석들은 많은 시간이 소요되며 전문화된 장비가 필요하기 때문에 기본적인 인식에 그칠 뿐 근골격계의 질환 및 질환 발생 가능성에 대한 진단용 데이터로서의 활용이 어려운 실정이다.

예를 들어, 생체역학적 분석을 적용하고 있는 보행 분석의 경우 다리 부분, 족저압 부분, 척추 부분 등 특정 부위별로 측정이 가능하다. 보행 분석을 위한 방법으로는 비디오테이프 분석, 반사 표식자(markers)를 사용한 비젼 시스템 (vision system)에 기반한 운동 분석, 족저압 분석 등이 있을 수 있다.

그러나, 예를 들어, 비젼기반 모션 분석 시스템(vision based motion analysis system)의 경우 애니메이션, 영화 특수 효과등에 사용할 수 있는 범용 제품이 대부분인 반면에 꼭 필요한 생체역학적 데이터를 내놓지도 못하며, 여기서 취득된 영상 기술 정보(visual raw data, or technical raw data)를 임상에 적용하려면 생체역학적 파라메터로의 데이터 변환 처리과정이 필요한 데, 이에 대한 해결책은 전혀 없거나, 매우 부실한 해결책 만이 있는 실정이다.

게다가 의사의 진찰에 의존한 생체역학적 분석은 분석 데이터가 정형화되어 있지 않고 많은 부분이 전문가의 개인적인 숙련도에 달려 있다. 따라서 기왕의 진단 장치나 진찰 방법으로 취득하는 생체역학적 데이터는 재현성, 객관성이 현저히 떨어지는 것이 현존하는 문제이다. 이는 기왕의 진단 장치나 진찰 방법으로는 극복할 수 없는 문제이다. 객관적 생체역학 데이터를 생산하고자 하는 시도에 의해 기왕에 개발되어 시판되는 장비들이 있으나 이들 또한 문제를 갖고 있다. 기왕에 시판되고 있는 이런 장비들은 진단과 처방에 필요한 생체역학 데이터 중 일부분만을 측정 하여 출력 할 수 있을 뿐, 동적, 정적 데이터를 동시성으로 출력하거나 근골격계상의 다른 부위의 생체역학 데이터와 동시성으로 연계한 분석 자료를 출력하지는 못하는 등 장치 자체에 태생적인 한계를 지니고 있다. 결과적으로 아직까지는 근골격계 전반에서 치료에 필요한 생체역학적 파라메터만을 출력하는 장치는 마련되어 있지 않다. 생체역학 파라메터를 기반하여 해석적으로 자동으로 처방하는 방법은 비용적인 측면에서 전문가 장치에 비해 저렴하다. 더구나 이를 이용한 장치, 예를 들면 생체역학적 파라메터들에 기반한 권장 치료 자동 처방 수단은 더더욱 전무한 실정이다. 또한 전문가들이 처방한 내용을 사용하여 다시 그 처방 내용이 원하는 대로 처방되었는지 확인하는 것은 더욱 전무하다.

이에, 근골격계의 질환 및 질환 발생 가능성을 보다 정확하게 진단하고 치료 방법을 처방하기 위해서는 생체역학적 데이터를 일괄적으로 연계하여 분석함으로써 생체역학 파라메터를 종합적으로 해석하여 출력하고 이를 통한 정량적인 추적조사를 제공할 수 있는 자동화된 장치가 필요하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단 진단에 있어 상체와 하체에 있는 여러 생체역학적 데이터를 동시에 제공하여 보다 일괄적으로 연계된 생체역학적 파라메터와 권장 치료처치 자동 처방을 산출하여 제공하고 전문가가 처방한 내용에 대해 원하는 방향으로 처방되어 있는지를 확인할 수 있도록 한 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 상체에서 제1 생체역학 정보를 측정하는 상체 측정부, 상기 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 하체에서 제2 생체역학 정보를 측정하는 하체 측정부 및 상기 제1 및 제2 생체역학 정보를 시간적으로 동기화하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 제공하는 생체역학 데이터 및 파라메터 분석부를 포함하는 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석장치를 제공한다.

그리고, 본 발명은 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 상체에서 제1 생체역학 정보를 측정하는 단계, 상기 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 하체에서 제2 생체역학 정보를 측정하는 단계 및 상기 측정된 제1 및 제2 생체역학 정보를 시간적으로 동기화하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 상체와 하체를 모두 고려한 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단 진단을 위해 여러 생체역학 정보를 시간에 대하여 동기화하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 산출하고 이들 데이터로부터 생체역학 파라메터들을 산출함으로써, 이를 종합적으로 고려하고 처방된 내용을 착용하여 원하는 대로 처방되었는지 확인할 수 있게 함으로써 보다 정확한 진단결과 및 처방를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 생체역학 분석방법 및 생체역학적 처치 자동 처방 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 생체역학 정보를 3차원으로 모델링하여 상체와 하체에 대한 생체역학 정보를 상호 연계하여 제공함으로써 보다 정확하고 근본적인 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단 진단이 가능하다.

둘째, 기존의 근골격계 질환 진단장비에 비하여 다양한 질환 및 이상상태를 종합적으로 진단할 수 있으며 비용측면에서 범용 모션 캡쳐 장비에 비하여 저렴하면서도 생체역학적 파라메터를 효율적으로 산출하는 진단 장치를 제공할 수 있다.

셋째, 상체와 하체를 연계한 생체역학 정보를 제공하고 진단을 위한 기준 데이터를 마련함으로써 표준 처방의 실현이 가능하며, 표준 데이터의 사용으로 다양한 분야에서의 활용을 기대할 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터 와 파라메터 분석 방법 및 장치를 설명한다.

본 발명은 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단을 위하여 상체에 대한 생체역학 정보와 하체에 대한 생체역학 정보를 동시에 취득하고 상기 정보들을 서로 연계하여 종합적인 데이터로서 제공한다.

상기 상체에 대한 생체역학 정보는, 손가락의 휨 정도, 팔 골격의 휨 정도, 어깨의 높이 차이, 어깨의 회전 정도, 어깨의 경도(tilting) 정도, 척추의 만곡 방향, 척추의 만곡 정도, 귀와 어깨간의 거리 간격 등에 해당한다.

그리고, 상기 하체에 대한 생체역학 정보는, 골반의 전후 높이 차이, 골반의 좌우 높이 차이, 골반의 회전 정도, 골반의 경도 정도, 하지 골격의 휨 정도, 대퇴골과 하퇴골 간의 각도, 종골의 정점과 발바닥과의 각도, 복사뼈와 슬관절 간의 각도, 발가락의 휨 정도, 족저압 분포도 등에 해당한다.

상기 상체 및 하체의 생체역학 정보를 취득하기 위해서는 측정대상에게 기립자세, 걷기, 뛰기 등 기준 동작을 주문하고 상기 기준 동작시 측정되는 각종 데이터를 이용하여 취득하고자 하는 생체역학 정보를 산출할 수 있다.

본 발명은 보다 정확한 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단을 위하여 상기 상체 및 하체의 생체역학 정보를 종합적으로 취득하여 이를 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터로 제공하여 생체역학 파라메터를 구하는 3차원 생체역학 데이터 및 파라메터 분석장치 및 그 방법을 제공한다.

먼저, 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터 및 파라메터 분석장치의 전체 구성을 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석장치는 상체 측정부(10), 하체 측정부(20) 및 생체역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)를 포함할 수 있다.

상체 측정부(10)와 하체 측정부(20)는 측정대상으로부터 생체역학 정보를 측정할 수 있다. 구체적으로, 상체 측정부(10)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 상체에 대한 생체역학 정보를 측정할 수 있다. 그리고, 하체 측정부(20)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 하체에 대한 생체역학 정보를 측정할 수 있다.

생체역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)는 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20)가 측정한 생체 역학 정보를 수집하고, 수집한 생체 역학 데이터를 시간적으로 동기화하여 3차원 데이터를 생성할 수 있다.

*도 1을 참고하면, 상체 측정부(10)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 상체에 부착된 적어도 하나의 마커의 위치를 감지하는 감지부(11)를 포함할 수 있다. 그리고, 하체 측정부(20)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 하체에 부착된 적어도 하나의 마커의 위치를 감지하는 감지부(21)를 포함할 수 있다.

이 때. 마커는 반사 마커(reflective markers) 또는 칼라 마커(color markers) 중 어느 하나일 수 있다. 상체에 대한 생체역학 정보를 측정하는 경우, 마커는 손, 팔, 어깨, 척추 중 적어도 하나에 해당하는 골격 위치에 부착될 수 있다. 또한, 하체에 대한 생체역학 정보를 측정하는 경우, 마커는 발, 다리, 허리 중 적어도 하나에 해당하는 골격 위치에 부착될 수 있다.

도 2는 측정대상의 상체 부분에 부착된 마커의 예시가 나타나 있으며, 도 8은 상체 부분중 척추 부분에 부착된 마커에 대한 예시가, 도 10 및 도 12는 하체 부분에 부착된 마커의 예시가 나타나 있다.

하체 측정부(20)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 족저압을 측정하기 위한 압력 데이터 측정부(22)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 압력 데이터 측정부(22)는 측정대상의 족저부로부터 전달되는 압력을 측정하는 포스 플레이트(force plate)일 수 있다.

감지부(11)는 측정대상의 상체로부터 생체역학 정보를 측정할 수 있고, 감지부(21)는 측정대상의 하체로부터 생체역학 정보를 측정할 수 있다. 이 때, 감지부(11)와 감지부(21)는 측정대상이 기준 동작을 수행하는 동안 측정대상에 부착된 적어도 하나의 마커의 위치를 측정할 수 있다. 측정대상에 부착된 마커의 종류에 따라 적외선 CCD 또는 CMOS 카메라, 일반 CCD 또는 CMOS 카메라 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 마커를 이용할 경우, 감지부(11, 21)는 적외선 CCD/CMOS 카메라를 사용하고, 칼라 마커를 이용할 경우, 감지부(11, 21)는 일반 CCD/CMOS 카메라를 사용할 수 있다.

한편, 생체역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)는 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20)를 통해 측정된 생체역학 정보들을 이용하여 3차원 정적 데이터 또는 3 차원 운동궤적 데이터를 생성할 수 있다.

도1을 참고하면, 생체 역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)는 상체정보 모델링부(31), 하체정보 모델링부(32) 및 생체역학 분석부(33)를 포함할 수 있다. 그리고, 생체 역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)는 표시 처리부(34)를 더 포함할 수 있다. 또한, 생체 역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)는 진단/처방 제공부(35)를 더 포함할 수 있다.

상체정보 모델링부(31)는 측정 대상이 기준 동작을 실시하는 동안 상체 측정부(10)를 통해 측정된 제1 생체역학 정보를 수집하여 시간 축으로 모델링할 수 있다. 하체정보 모델링부(32)는 측정 대상이 기준 동작을 실시하는 동안 하체 측정부(20)를 통해 측정된 제2 생체역학 정보를 수집하여 시간 축으로 모델링할 수 있다. 생체역학 분석부(33)는 제1 생체역학 정보 및 제2 생체역학 정보를 시간적으로 동기화한 후 통합하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터로 출력할 수 있다.

그리고, 표시 처리부(34)는 출력된 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 영상화함으로써, 제1 생체역학 정보 및 제2 생체역학 정보를 동시에 디스플레이하여 제공할 수 있다. 진단/처방 제공부(35)는 제1 생체역학 정보 및 제2 생체역학 정보를 이용하여 생체역학 파라메터로 전환하고, 생체역학 파라메터를 바탕으로 권장 처방을 제공할 수 있다.

본 발명은 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보를 동시에 제공하기 때문에 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20)의 동기화가 필요하다.

일례로, 본 발명은 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20) 중 클럭 마스터(clock master)를 설정하여 동기화할 수 있다. 물론 생체역학 데이터 및 파라메터 분석부(30)도 클럭 마스터가 될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상체 측정부(10) 또는 하체 측정부(20)를 클럭 마스터 혹은 슬레이브로 각각 지정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20) 중 먼저 기준 동작을 개시하는 측정부가 클럭 마스터임을 스스로 선언할 수 있다.

상체 측정부(10)와 하체 측정부(20) 중 어느 하나가 클럭 마스터로 정해지면, 클럭 마스터로 지정된 측정부에서 다른 측정부로 클럭 동기화 신호를 전송하여 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20) 간에 시간적으로 동기화가 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따르면, 클럭 동기화 신호에 따라 상체 측정부(10)와 하체 측정부(20)를 통해 측정한 생체역학 정보를 시간적으로 동기화하여 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보를 시간 단위로 구분하여 저장할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 생체역학 데이터와 파라메터 분석 장치는 상기 언급한 동기화 방법 이외 당업계에서 널리 사용되는 동기화 방법을 적용할 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 3차원 생체역학 데이터/파라메터 분석장치는 의사를 비롯한 전문가(이하, '전문가'라 칭함)들에게 제공된다.

도3은 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터 및 파라메터 분석장치의 배치 구성의 일례를 도시한 것이다.

본 발명의 3차원 생체역학 데이터 및 파라메터 분석장치는, 특정 공간에 각 구성을 배치하여 장치 이용이 가능하도록 세팅될 수 있다.

도시한 바와 같이, 측정대상의 족저압을 측정하는 압력데이터 측정부(22)를 적당한 위치에 설치하고, 압력데이터 측정부(22)의 주변에 서로 다른 촬영방향을 갖도록 다수의 감지부(11-1~11-4)를 설치할 수 있다. 또한 장치의 가격을 저렴하게 하고 특정 부위들의 데이터 및 파라메터들을 산출하기 위해 감지부(11-1~11-4)를 한 방향으로 설치할 수 있다.

감지부(11-1~11-4)는 취득하고자 하는 생체역학 정보에 따라 측정대상에 부착된 적어도 하나의 마커의 위치를 측정할 수 있다. 이 때, 측정대상은 기준 동작을 수행할 수 있다. 그리고, 측정대상의 족저압 정보가 필요하지 않을 경우에는 압력데이터 측정부(22)를 생략할 수도 있다.

감지부(11-1~11-4)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 상체에 부착된 마커의 위치를 감지할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 감지부(11-1~11-4)는 감지부(21)로 대체될 수 있다. 감지부(21)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정 대상의 하체에 부착된 마커의 위치를 감지할 수 있다. 그리고, 압력 데이터 측정부(22)는 측정대상의 기준 동작에 의한 측정대상의 족저압을 측정할 수 있다.

감지부(11-1~11-4) 및 압력데이터 측정부(22)를 통해 얻어진 데이터를 입력받아 전문가에게 제공하기 위해 상체 정보 모델링부(31), 하체 정보 모델링부(32) 및 생체 역학 분석부(33)를 통해 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터로 출력할 수 있다. 그리고, 표시 처리부(34)는 제1 생체역학 정보 및 제2 생체역학 정보를 동시에 디스플레이하여 제공할 수 있다.

상체 정보 모델링부(31), 하체 정보 모델링부(32), 생체 역학 분석부(33) 및 표시 처리부(34)는 서로 독립된 단말기로 각각 구성되거나 하나의 단말기를 통해 통합되어 구성될 수 있다.

감지부(11-1~11-4)와 압력데이터 측정부(22)를 통해 측정한 데이터는 데이터의 입출력이 동기화될 수 있고 또는 동기화되지 않을 수도 있다.

도4는 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터/파라메터 분석방법의 전체 과정을 나타낸 도면이다.

본 발명의 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석방법은 상체와 하체의 생체역학 정보를 수집하여 이를 시간적으로 연계하여 제공하는데 특징이 있다. 즉, 적어도 하나의 상체 생체역학 정보와 적어도 하나의 하체 생체역학 정보를 동시에 수집하는 것이 바람직하다.

상체와 하체에 대하여 적어도 하나의 마커를 통한 생체역학 정보를 얻기 위해서는 전문가가 상체와 하체에 모두 마커를 부착하고 상체와 하체를 동시에 고려한 기준 동작을 지시한다. 이는, 비디오 같은 디스플레이에 의해 상기 기준 동작을 상영함으로써 측정대상으로 하여금 상기 상영되는 기준 동작을 따라 동작하도록 지시한다. 한편, 측정대상의 족저압을 포함한 생체역학 정보를 얻기 위해서는 상체 및/또는 하체에 마커를 부착하고 상기 마커를 부착한 상태에서 상기 압력데이터 측정부(22) 위에서 기준 동작을 수행하도록 지시한다.

상기한 기준동작에 의하여 상기 감지부(11)를 통해 측정된 상체 생체역학 정보를 수집한다(S10).

그리고, 동시에 상기한 기준동작에 의하여 상기 감지부(21) 및/또는 압력데이터 측정부(22)를 통해 측정된 하체 생체역학 정보를 수집한다(S20).

상기 수집된 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보는 시간 축으로 동기화한 후 각 정보를 저장한다(S30).

상기 저장된 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보를 상호 연결하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터로 생성한 후, 표시 가능한 데이터 형식으로 영상 데이터화하고 이들 데이터를 저장한다(S40).

상기 생성된 3차원 데이터를 이용하여 임상에 사용할 수 있는 생체역학 파라메터를 생성한 후, 이들 데이터를 저장한다(S50).

상기 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤도 데이터, 상체와 하체의 생체역학정보, 실제 동작한 영상 데이터, 각 부위의 생체역학 파라메터의 평균값, 분산값과 해당 동작시의 값을 표시 처리부(34)에 의해 디스플레이 함과 아울러, 상기 생체역학 파라메터에 의한 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단 결과를 함께 제공한다(S60). 상기 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 상기 기준 동작에 대한 정상적인 기준 데이터와 비교하여 그 비교결과에 따른 진단 정보(예를 들어, 인솔처방, 척추보조기구 처방, 재활치료 요함, 수술 요함 등)를 제공할 수 있다.

상기의 생체역학 파라메터를 기준으로 권장치료처치 자동 처방을 표시 처리부(34)에 디스플레이 해주고, 상기 자동처방과 상체 및/혹은 하체 생체역학정보 및 생체역학 파라메터를 기준으로 전문가가 상기 자동처방을 변경하여 처치할 수 있게 한다(S70).

또한 인솔 및/또한 척추보조기구로 처치한 경우, 상기 서술한 방법을 사용하여 다시 상체와 하체의 생체역학정보를 수집하여 처치된 처방이 원하는 대로 되어 있는지 확인한다(S80). 만일 원하는 대로 되지 않았다면 다시 처방하여 동작을 확인한다.

따라서, 상기 전문가는 표시 처리부(34)를 통해 디스플레이 되는 3차원적인 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보를 함께 고려하여 종합적인 진단 및 처방의 유효성을 판단할 수 있다.

상기 상체 생체역학 정보 및 하체 생체역학 정보를 이용한 생체역학 파라메터들에 대한 정보취득방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 5를 참조하여, 상체 생체역학 정보 중 어깨의 높이 차이를 측정하는 방법을 설명한다.

상기 어깨의 높이 차이를 측정하기 위해서는, 마커를 양쪽 견갑골의 외측 끝(M2, M3)과, 양 견갑골을 잇는 중앙점(M1)에 부착한다.

감지부(11)로부터 들어오는 마커의 위치정보 영상을 이용한다. 도시한 바와 같이, 상기 영상에 나타난 마커(M1, M2, M3)의 위치를 서로 연장하여 연결한 선과 기준 데이터(수평선)를 비교하여 기준 데이터와의 높낮이 차이를 측정함으로써 어 깨의 높이 차이를 산출할 수 있다.

도 5의 (A)는 마커(M1, M2, M3)들의 연결선과 수평선이 일치하는 경우를 도시한 것이고, 도 5의 (B)는 좌우 모두 d1, d2의 높이 차이를 보이는 경우를 도시한 것이며, 도 5의 (C)는 좌우 중 어느 한쪽이 d1의 높이 차이를 보이는 경우를 도시한 것이다.

상기 어깨의 높이 차이를 구하는 방법 중 하나는 화소(pixel) 수에 의한 방법이고 다른 하나는 미터 단위계로 표시된 2차원 혹은 3차원 좌표계에 의한 방법이다.

먼저, 화소 수에 의한 방법은, 마커(M1, M2, M3)들이 같은 평면에 있는 경우 견갑골의 외측 끝(M2, M3)의 높이차이를 화소 수를 통하여 쉽게 계산할 수 있다. 화소당 거리를 a(mm)라 하면 화소 수 d1의 거리는 d1 * a(mm) 가 된다.

또한, 마커(M1, M2, M3)의 위치를 2 차원 혹은 3차원 좌표로 표시할 수 있다. 도 6은 3차원 좌표에 대한 마커의 위치 예시를 도시한 것이다. M1, M2, M3의 3차원 좌표를 각각 (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3)라 하면 견갑골의 외측 끝(M2, M3)의 높이차이는 |y3 - y2|로 구할 수 있다. 여기서, 기호 | | 는 절대값을 나타낸다.

상기 방법들 외에 통상적인 수학적인 방법을 사용하여 구할 수 있다는 것은 다 아는 사실이므로 상기에 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니된다.

도 7을 참조하여, 상체 생체역학 정보를 이용하여 생체역학 파라메터인 어깨의 회전 정도를 측정하는 방법을 설명한다. 회전은 통상 Z축의 좌표가 변하는 정 도를 의미한다. 물론 X축과 Y축의 값도 변할 수 있다.

마찬가지로, 마커를 양쪽 견갑골의 외측 끝(M2, M3)과, 양 견갑골을 잇는 중앙점(M1)에 부착한다.

도시한 바와 같이, 기준 동작에 대하여 감지부(11)로부터 들어오는 마커의 위치정보를 통해 견갑골 양 끝의 마커(M2, M3)의 움직임을 관찰하여 기준 동작에 대한 마커(M2, M3)의 움직임 정도(d)로부터 세 점 M2', M1, M2가 이루는 각도(θ)를 산출한다. 상기 움직임 정도(d)는 상기 기준 동작에 의해 순방향으로 움직이다가 다시 역방향으로 움직일 때까지 측정된 거리를 의미한다. 다시 말하자면, 순방향에서 역방향으로 변경된 점을 M2라고 하면 역방향에서 순방향으로 변경되는 점을 M2'라 한다.

상기 움직임 정도(d)를 화소 수에 의한 방법으로 구할 경우 실제 움직인 거리는 d * a (mm)이다. 여기서 화소 수당 길이는 a(mm)라 한다. 또한 M2과 M3의 거리(L)가 화소 수로 구하여 지면, 실제 길이는 L * a (mm)가 된다. 따라서 각도(θ)는 d/L 이 된다.

또한, 3차원 좌표계에 의하여 구할 수도 있다. M1, M2, M3의 좌표를 (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3)로, M2', M3'의 좌표를 (x2',y2',z2'), (x3',y3',z3')라 한다. 3차원 좌표계로부터 각도를 쉽게 구하기 위해서는 M1이 좌표계 원점(O)이 되도록 M2, M3, M2', M3'를 같이 평행 이동시킨다. 그러면 M1의 새 좌표는 O(0,0,0)이 되고, M2의 새 좌표는 M2(x2-x1, y2-y1, z2-z1), M2'의 새 좌표는 M2'(x2'-x1, y2'-y1, z2'-z1)가 된다. 그러면 선분 0M2가 X 축과 이루는 각은 tan^-1{(z2-z1)/(x2-x1)}이며, 선분 0M2'가 X 축과 이루는 각은 tan^-1{(z2'-z1)/(x2'-x1)}이다. 세 점 M2, O, M2'가 이루는 각은 [tan^-1{(z2-z1)/(x2-x1)} - tan^-1{(z2-z1)/(x2-x1)}]이 된다. 따라서, 세 점 M2', M1, M2가 이루는 각도(θ)는 세점 M2, O, M2'가 이루는 각이므로 [tan^-1{(z2-z1)/(x2-x1)} - tan^-1{(z2-z1)/(x2-x1)}]이다.

이는, 상기 기준동작이 완료되는 시점까지 감지부(11)로부터 들어오는 마커의 위치정보 영상을 주기적으로 수집하고 상기 수집된 위치정보 영상을 시간 축으로 모델링 한 후 상기 기준 동작에 대한 어깨의 회전 정도 즉, 3차원 운동궤적 데이터를 산출하여 제공할 수 있다.

상기 상체 생체역학 정보 중 골반의 높이 차이, 골반의 회전 정도는 상기한 어깨의 높이 차이, 어깨의 회전 정도를 측정하는 방법과 각각 유사한 방법으로 측정할 수 있다. 또한 어깨 및 골반의 경도 정도를 산출하는 것은 각도를 구하는 것이므로 상기 회전 정도를 산출하는 방법과 유사하다. 차이점은 회전 정도를 산출할 경우 M1이 기준이 되지만, 골반의 경도 정도를 산출할 때 기준은 골반과 척추가 만나는 점이 기준이 될 수 있다. 이러한 기준 점은 하나의 예시이며 다른 기준 점을 잡아 어깨 및 골반의 경도 정도를 산출할 수 있다.

도 8의 (A)는 척추에 부착된 마커의 위치를 촬영한 영상을 도시한 것이다.

척추 만곡 방향 또는 척추 만곡 정도를 측정하기 위해서는, 도시한 바와 같 이 척추 관련 골격에 복수의 마커를 부착하고 상기 마커의 위치를 촬영하는 방법을 이용한다. 상기 마커의 위치를 모두 연장하여 연결한 선과 기준 데이터(수직선)를 비교하는 방법으로 척추 만곡 방향, 척추 만곡 정도 등을 측정할 수 있다.

이러한 방법은 도 8의 (B)와 같은 X-ray 촬영영상에 비해 보다 쉽고 정확한 생체역학적 근골격계 질환의 진단 및 예측 진단이 가능하다.

도 9을 참조하여, 하체 생체역학 정보 중 복사뼈와 슬관절 간의 각도를 측정하는 방법을 설명한다.

상기 복사뼈와 슬관절 간의 각도를 측정하기 위해서는, 측정대상의 슬관절(무릎 관절) 양쪽(M1, M2)과 복사뼈 양쪽(M3, M4)에 상기 마커를 부착한다.

도시한 바와 같이, 슬관절 양쪽에 부착된 마커(M1, M2)을 서로 연결하여 연장한 선(제1 연장선)과 복사뼈 양쪽에 부착한 마커(M3, M4)을 서로 연결하여 연장한 선(제2 연장선)이 서로 교차하면서 이루는 각(δ)(교차각)을 산출함으로써 복사뼈와 슬관절간의 각도를 측정한다. 참고로 제 1 연장선과 제 2 연장선을 도 6의 XZ 평면으로 투영하면 상기 교차각(δ)을 산출할 수 있다. 상기 교차각(δ)이 오른쪽에 나타나면 양이 되고 왼쪽에 나타나면 음이 된다. 일반적으로 제 1 연장선을 Transcoudylar 선, 제 2 연장선을 Transmalleolar 선이라 한다.

상기 교차각(δ)을 구하는 방법은 도 9의 (A)와 같이 슬관절 양쪽(M1, M2)과 복사뼈 양쪽(M3, M4)의 마커 영상을 이용하여 a, b의 길이를 구한 후 수학식 δ= sin^-1(a/b)에 의해 산출한다. 또 다른 방법으로는, 도 9의 (B)와 같이 제1 연장선 과 기준 데이터(수평선) 간의 각도(각 A)와 제2 연장선과 기준 데이터(수평선) 간의 각도(각 B)를 가산하는 수학식 δ= 각 A + 각 B에 의해 산출할 수도 있다. 각 A와 각 B를 구하는 방법은 다음과 같다: 앞에서 설명한 바와 같이 M1, M2, M3,M4의 좌표 값을 이용하여 각을 구할 수 있다. 선분 M1과 M2의 좌표값과 선분 M3와 M4의 좌표 값으로부터 2개 선분의 기울기를 알 수 있으므로 각 A와 각 B를 구할 수 있다. 특히 교차각(δ)을 구하는 방법은 Internal Tibial Torsion의 severity 를 구하는 방법으로 비젼을 포함한 접촉 혹은 비접촉의 방법으로 좌표를 구하면 위와 같은 방법을 사용하여 교차각을 구할 수 있다.

도 10을 참조하여, 하체 생체역학 정보 중 대퇴골과 하퇴골 간의 각도를 측정하는 방법을 설명한다.

상기 대퇴골과 하퇴골 간의 각도를 측정하기 위해서는, 도시한 바와 같이 좌우 하지에 대하여 대퇴골의 상단(M1)(M4), 슬관절의 중앙(M2)(M5), 하퇴골의 하단(M3)(M6)에 상기 마커를 각각 부착한다.

감지부(21)로부터 들어오는 상기 마커의 위치 영상을 이용하여 대퇴골과 하퇴골 간의 각도(θ1, θ2)를 측정한다. 도 10의 (A)와 (B)에 도시한 바와 같이, 마커 (M1)과 (M2)와 (M3)을 서로 연결한 선(제1 연결선)과 (M4)과 (M5)와 (M6)을 서로 연결한 선(제2 연결선)을 이용하는 것으로, 기준 데이터(수직선)에 대한 제1 연결선의 각도(θ1)와 제2 연결선의 각도(θ2)를 산출함으로써 대퇴골과 하퇴골 간의 각도를 측정할 수 있다.

본 발명은 전문가가 측정하고자 하는 상체 생체역학 정보 및 하체 생체역학 정보를 각각 측정하고 상기 측정한 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보를 시간 축으로 모델링한 후 상기 상체 생체역학 정보와 하체 생체역학 정보를 동기하여 함께 제공한다. 또한 이러한 생체 역학 정보를 이용하여 생체역학 데이터를 산출하고 임상에 사용할 수 있는 생체역학 파라메터를 산출하여 제공한다. 이러한 파라메터를 이용하여 권장 치료 처치 자동 처방을 제공한다.

상기 생체역학 파라메터에 의한 진단 및 권장치료 처방과정의 일예를 설명한다.

이하에서, 회전 정도는 시계 방향일 경우 양, 반시계 방향일 경우 음으로 구분하며, 경도 정도는 몸 앞으로 숙일 경우 양, 몸 뒤로 숙일 경우 음으로 구분한다. 또한, 양 어깨 및 양 골반(pelvis)의 높이 차이는 왼쪽이 높을 경우 음, 오른쪽이 높을 경우 양으로 구분하고 방향성에 대한 판단은 사람의 뒤쪽에서 보는 것을 기준으로 한다.

그리고, 발의 형태는 overpronation type, oversupination type, normal pronation type으로 구분하고, normal pronation type일 경우 양 발의 형태를 (pro, nor), (pro, sup), (nor, sup), (nor, pro), (sup, nor), (sup, pro)으로 구분한다. 여기서, pro는 pronation type, sup는 supination type, nor는 normal type을 의미한다.

상기 발의 형태를 판단하는 방법은 여러 가지 방법이 있을 수 있지만, 도 11을 참조하여 overpronation type, oversupination type, normal pronation type을 판단하는 방법을 설명한다.

도 11은 족저압 분석기를 통한 족저압 분포를 도시한 것이다. 도 11에서 A는 중족의 가장 좁은 부위의 너비를 의미하며, B는 후족의 가장 넓은 부위의 너비를 의미한 것이다.

즉, 발의 형태는 후족부와 중족부의 길이를 측정하여 구분할 수 있다. 이때 지표 ARI(Arch Ration Index)를 도입하는데 다음과 같은 식으로 표시된다.

ARI = (A/B) * 100 (%)

이 ARI 값이 0.6~1이면 normal type이며, 1보다 크면 overpronation이며, 0.6보다 적으면 oversupination이다.

또한, 상기 발의 형태가 normal pronation type일 경우 RCSP angle을 측정하여 pro, nor, sup를 구분할 수 있다.

도 12는 pronation type(A), normal type(B), supination type(C)를 도시한 것이다.

상기 RCSP 각도가 0±1도(경우에 따라서는 2도가 가능함)일 경우 nor type, RCSP 각도가 -1도(혹은 -2도) 이상일 경우 pro type, RCSP 각도가 +1도(혹은 2도)일 경우 sup type이다.

상기한 기준에 따른 권장치료 처방과정을 설명한다.

먼저 진단과정은, 어깨 및 골반의 높이 차이에서 양인지 음인지, 어깨 및 골반의 회전 정도에서 양인지 음인지를 확인하고, 어깨 및 골반의 경도 정도에서 양인지 음인지를 확인한다.

그리고, 발의 형태가 overpronation type, oversupination type, normal pronation type인지 확인하고, normal pronation type일 경우 양 발의 형태가 (pro, nor), (pro, sup), (nor, sup), (nor, pro), (sup, nor), (sup, pro) 중 어느 형태에 해당하는지 확인한다.

이어, 상기 진단과정을 통해 많은 결과들이 발생하며, 이러한 결과 중 몇 개의 진단결과에 대한 처방 예시를 설명한다.

예를 들어, 생체역학 파라메터에 의한 진단결과, 골반의 높이 차이가 양이고, 골반의 높이 차이의 크기가 6mm, 회전 정도가 오른쪽 골반이 -40도(반시계방향), 왼쪽 골반이 +20도(시계방향), 오른쪽 발이 RCSP -5도이고 왼발의 RCSP 0도, 발의 형태가 oversupination 이면, 다음과 같은 권장 처방을 지시한다. 권장 처방: medial heel skive 10도, inverted 15도, posting은 오른발에 varus로 4도, 오른발에는 없음. Heel Lifting은 왼발에 3 mm 오른발에는 없음.

한편, 생체역학 파라메터에 의한 진단결과, 골반의 높이 차이가 음이고, 골반의 높이차이크기 1 Cm, 회전정도가 왼쪽 골반이 40도이고 오른쪽 골반이 - 20도이고, 왼발의 RCSP 각도 -6, 오른발의 RCSP 각도 +4, 발의 형태가 normal pronation이고 왼발과 오른발의 형태가 (pro, sup)이면, 다음과 같은 권장 처방을 지시한다. 권장 처방: 4도 varus Heel, posting은 왼발에 varus로 4도, 오른발에는 valgus 4도, Heel Lifting은 왼발에 없고 오른발에는 4 mm.

따라서, 생체역학 파라메터를 근거하여 종합적인 진단결과를 제공하고, 상기 진단결과에 대한 권장 처방을 자동 지시할 수 있다.

도 13은 상체 생체역학 정보와 함께 하체 생체역학 정보를 연계하여 제공하 는 영상화면의 일례를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 기준 동작에 대하여 측정된 상체 및 하체 생체역학 정보를 상호 연결하여 제공하는 것으로, 족저압 측정 데이터(도면 우측)와 함께 어깨의 높이 차이(F1), 어깨의 흔들림 정도(F2), 골반의 높이 차이(F3), 골반의 흔들림 정도(F4), 종골의 정점과 발바닥과의 각도(F5), 표시되어 있지는 않지만 RCSP(Resting Calcaneal standing Position, 정적 중골 직립위각) 등에 대한 측정 데이터를 연계하여 제공한다. 이 예시에는 제공되고 있지는 않지만 실제 동작 영상과 측정된 상체 및 하체 생체역학 정보를 3차원 좌표로 연결한 골격을 동시에 디스플레이하고 그 디스플레이상에 생체역학 파라메터들의 평균값, 분산값, 해당 시각의 값들을 표시한다. 또한 생체역학 정보를 표시한다.

본 발명에 따른 3차원 생체역학 분석방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도1은 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

도2는 생체역학 정보를 수집하기 위한 마커의 부착 위치 일례를 나타낸 도면이다.

도3은 도1의 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석장치의 배치 구성을 나타낸 도면이다.

도4는 본 발명에 따른 3차원 생체역학 데이터와 파라메터 분석방법의 전체 과정을 나타낸 도면이다.

도5 내지 도8은 상체 관련 생체역학 정보를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도9 및 도10은 하체 관련 생체역학 정보를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도11 및 도12는 발의 형태를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도13은 시간에 따른 족저압 측정 결과의 변화를 도시한 것과 상체 및 하체의 생체역학적 정보를 연계하여 측정한 결과를 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 상체 측정부

11, 21: 감지부

20: 하체 측정부

22: 압력 데이터 측정부

30: 생체역학 데이터 및 파라메터 분석부

Claims (1)

1. 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 상체에서 제1 생체역학 정보를 측정하는 단계;

   상기 측정대상의 기준 동작에 대하여 상기 측정대상의 하체에서 제2 생체역학 정보를 측정하는 단계; 및

   상기 제1 생체역학 정보 및 제2 생체역학 정보를 시간적으로 동기화하여 3차원 정적 데이터 또는 3차원 운동궤적 데이터를 제공하는 단계

   를 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.

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