KR20100048052A - 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단방법에 관한 것으로서, 직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 외란구동부와, 상기 외란에 대응하여 균형을 유지하기 위한 인체 관절부위의 각도 변화를 감지하고 변화되는 각도데이터를 획득하는 감지부와, 상기 외란의 크기와 상기 감지부에서 감지된 각도데이터에 기초하여 진단 대상자의 균형기능을 산출하는 균형기능산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 인체의 균형기능을 객관적이고 정확하게 정량화할 수 있는 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단 방법이 제공된다.
인체, 균형, 유지, 외란, 균형기능
Description
본 발명은 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인체의 균형기능은 인지기능, 반응속도, 중추신경계의 신호통합기능 등에 이상이 발생하거나 노화에 의해 그 기능이 저하될 수 있다. 균형기능의 이상이 발생하게 되면 균형을 유지한 상태의 직립 및 보행이 어려워지므로 빈번한 낙상이 발생하는 등 일상 생활을 하는데 매우 치명적인 장애가 된다.
특히, 이러한 균형기능의 장애는 고령화가 가속화되고 있는 현대 사회에서 노인들의 빈번한 낙상으로 인해 사회문제로 대두되고 있으며, 그 후유증으로 건강한 노후생활을 저해하는 치명적인 요인이 되고 있다.
이에 따라, 최근에 인체의 균형기능을 진단하기 위한 연구로서, 인체의 압력중심(Center of pressure) 해석이나 근전도(Electromyography) 또는 운동특성분석 등을 통해 인체의 균형 및 보행을 진단하는 방법에 대한 연구가 진행된바 있다.
또한, 이러한 연구의 결과물로서, 미국의 Biodex사 등에서 힘 판의 압력중심 값을 이용하여 인체의 균형기능을 진단하고 교정 훈련시키는 균형기능훈련기를 개발한 바 있으며, 몰입형 가상현실기술(Immersive virtual environments)을 이용한 시각자극시스템으로 인체에 시각적 자극을 가한 후 자세의 변화를 압력중심의 이동량으로 해석하여 균형기능을 진단하는 기기가 개발된 바 있다.
그러나, 종래 인체의 균형기능 진단 방법 및 이를 이용한 균형기능 진단 기기들 중, 인체의 압력중심의 해석이나 근전도 등을 이용하는 것은 다변수 물리량을 이용하는 것으로서, 다관절로 이루어진 인체의 상,하체의 상호 작용을 종합적으로 해석하지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 근전도와 같이 근육활성도의 단순 출력응답을 이용하는 방법은 중추신경계와 근골격계의 명령체계와 외란(外亂)에 대한 인체의 균형 유지 기능을 해석하는데 한계가 따르는 문제점이 있었다.
즉, 종래 인체의 균형기능 진단 방법 및 기기들은 인체의 균형기능을 객관적으로 정량화할 수 없었기 때문에, 사실상 인체의 균형기능에 대한 정확하고 객관적인 진단이 불가능하다는 문제점을 가지고 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 인체의 균형기능을 객관적이고 정확하게 정량화할 수 있는 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라서, 인체 균형기능 진단 시스템에 있어서, 직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 외란구동부와, 상기 외란에 대응하여 균형을 유지하기 위한 인체 관절부위의 각도 변화를 감지하고 변화되는 각도데이터를 획득하는 감지부와, 상기 외란의 크기와 상기 감지부에서 감지된 각도 데이터에 기초하여 진단 대상자의 균형기능을 산출하는 균형기능산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 시스템에 의해 달성된다.
여기서, 기 외란구동부는 상기 진단 대상자가 직립자세로 서있는 플랫폼과, 상기 플랫폼을 소정 크기의 외란으로 유동시키는 플랫폼구동기와, 상기 플랫폼의 구동 토크를 측정하여 상기 균형기능산출부로 전달하는 지면반력기를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 감지부는 상기 진단 대상자의 무릎관절과 힙관절에 부착되는 마커와, 상기 플랫폼의 외란에 대응하는 상기 진단 대상자의 움직임에 따른 상기 마커의 유동을 캡쳐하여 상기 각 관절의 각도 및 각속도를 획득하며, 상기 각도 및 각속도를 상기 균형기능산출부로 전달하는 모션캡쳐기를 갖는 것이 효과적이다.
또는, 상기 감지부는 상기 진단 대상자의 신체에 착용하여 무릎관절과 힙관절의 관절각을 측정하는 관절각측정기인 것이 바람직하다.
또한, 상기 균형기능산출부는 상기 지면토크와 상기 각도데이터에 기초하여 외란에 대응하는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화율을 정량적으로 산출하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 분야에 따라, 인체 균형기능 진단 방법에 있어서, 직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 단계와, 상기 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계와, 상기 외란의 크기와 상기 진단 대상자의 유동을 기초로 진단 대상자의 게인값을 구하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 진단 대상자에게 외란을 가하는 단계는 직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하고 외란이 가해지는 과정에서 발생하는 지면토크를 측정하는 단계인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계는 각 관절의 각도와 각속도를 측정하여 각도테이터를 획득하는 단계인 것이 효과적이다.
또한, 상기 진단 대상자의 게인값을 구하는 단계는 상기 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 과정에서 발생하는 지면토크와 상기 진단 대상자의 유동에 따른 상기 발목관절과 힙관절의 각도와 각속도 데이터에 기초하여 외란에 대응하는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화를 정량적으로 산출하는 단계인 것이 보다 바람직하다.
이에 의해, 인체의 균형기능을 객관적이고 정확하게 정량화할 수 있는 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단 방법이 제공된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 시스템의 간략한 구성도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 시스템(1)은 직립자세의 진단 대상자에게 외란을 가하는 외란구동부(10)와, 외란구동부(10)로부터 전달되는 외란에 대응하여 균형을 유지하기 위한 동작으로서 인체 관절부위의 각도 변화를 감지하여 데이터를 획득하는 감지부(20)와, 외란구동부(10)에서 가해지는 외란의 크기와 감지부(20)에서 감지된 각도데이터에 기초하여 진단 대상자의 균형기능을 정량적으로 산출하는 균형기능산출부(30)를 포함한다.
외란구동부(10)는 진단 대상자가 직립자세로 서있는 플랫폼(11)과, 플랫폼(11)을 소정 크기의 외란으로 유동시키는 플랫폼구동기(13)와, 플랫폼(11)의 구동 토크를 측정하는 지면반력기(15)로 구성될 수 있다.
플랫폼(11)은 진단 대상자가 직립자세로 여유롭게 서 있을 수 있는 정도의 면적을 갖는 것이 바람직하다. 이 플랫폼(11)에 서 있는 진단 대상자는 팔을 이용한 균형유지 동작을 하지 않도록 팔짱을 낀 상태에서 직립자세로 서 있도록 하고, 발뒤꿈치를 들어 균형을 유지하지 않도록 주의시켜 발바닥을 플랫폼(11)에 밀착시킨 자세를 유지하도록 한다. 이 플랫폼(11)에 서는 진단 대상자의 발목관절과 힙관절 부위에는 모션 캡쳐를 위한 마커(21)가 부착된다.
플랫폼구동기(13)는 플랫폼(11)의 적어도 전후방향 바람직하게는 전후좌우 및 임의의 방향으로 유동시킨다. 이 플랫폼구동기(13)는 플랫폼(11)의 하부에 동력을 이용한 슬라이딩 구동 구조 등과 같은 적절한 구동 구조를 마련하여 플랫폼(11)을 소정의 외란으로 구동시킬 수 있다. 이때, 플랫폼(11)의 외란 조건은 예컨대, 외란 크기를 3~15cm의 범위에서 7가지 종류의 변위 3, 4, 5, 6, 7.5, 9, 10.5, 12, 15cm의 외란 크기를 275ms로 가하는 것이 바람직하다. 여기서, 외란의 크기와 변위는 다양하게 변동될 수 있음은 물론이다.
그리고, 지면반력기(15)는 플랫폼(11)의 구동 과정에서 발생하는 지면토크를 측정하여 균형기능산출부(30)로 전달한다.
감지부(20)는 플랫폼(11) 상에 직립자세로 서있는 진단대상자의 신체에 부착되는 마커(21)와, 플랫폼(11)의 외란에 대응하는 진단 대상자의 움직임을 캡쳐하는 모션캡쳐기(23)로 마련될 수 있다. 여기서, 마커(21)는 진단 대상자의 발목관절과 힙관절 부위에 부착되며, 모션캡쳐는 플랫폼(11)의 외란에 대해 균형을 잡기 위한 진단 대상자의 움직임 발생시 발목관절과 힙관절 부위에 부착되어 있는 마커(21)의 움직임을 캡쳐하여 각 관절의 각도테이터를 획득한다. 이렇게 획득한 각 관절의 각도데이터는 균형기능산출부(30)로 전달된다.
이때, 감지부(20)는 마커(21)와 모션캡쳐기(23) 외에도 진단 대상자의 신체에 착용하여 관절각을 측정하는 관절각측정기 등 진단 대상자의 각도 데이터를 획득할 수 있는 다양한 기기를 이용할 수도 있다.
한편, 균형기능산출부(30)는 외란구동부(10)의 지면반력기(15)에서 측정 전달된 지면토크와 감지부(20)에서 획득 전달된 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 각도 및 각속도 등의 각도데이터에 기초하여 외란에 대응하는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화율을 정량적으로 산출한다.
여기서, 균형기능산출부(30)에서 산출되는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화율로 인체의 균형능력을 측정하는 근거에 대해 설명한다.
인체의 자세응답 작용을 기계시스템의 피드백 관점으로 접근하면, 각관절에서 토크가 발생하는 기전을 풀스테이트 피드백(full-state feedback) 개념을 통해 설명할 수 있게 된다.
외란에 대응하여 균형을 유지하기 위한 토크 피드백을 위해선 게인 매트릭스가 필요하게 되는데, 이 때 외란의 크기가 변함에 따라 특정 게인값이 일정한 변화율을 갖고 선형적으로 증가 또는 감소한다.
외란의 크기가 증가하면 발목관절의 ankle gain(Tankel/θankel)은 감소하고, 반대로 힙관절의 hip gain(Thip/θhip)이 증가하게 되는데, 이러한 게인의 변화율을 이용하여 인체의 균형기능을 측정하는 것이다.
게인의 변화는 자세대응전략의 변화를 의미하는데 외란의 크기가 작을 경우에는 발목관절을 중심으로 1차모드(ankle mode)로 대응하며, 상대적으로 외란의 크기가 커지면 힙관절을 이용한 2차모드(hip mode)를 중심으로 균형을 잡는다. 이를 게인의 변화율을 이용하여 정량화 시킬 수 있으며, 균형기능 측정에 이용하는 것이다.
한편, 게인값을 구하는 방법을 살펴보면, 초기값 설정으로서 Linear regression 방법을 이용하여, 토크와 모션 데이터를 이용해 Full-state feedback 게인값을 구한다.
그리고, 인체 모델의 상태공간방정식을 구현한 후 게인값을 이용한 시뮬레이션 프로세스를 피드백 루프에서 구현한다.
그런 다음, 옵티마이제이션을 통해 실험값(토크,모션)을 잘 피팅할 수 있는 시뮬레이션을 생성해 낸 후, 이 때 사용된 게인값을 추출한다. 옵티마이제이션의 초기값은 앞서 Linear regression 으로 구한 게인값을 사용한다. 이때, 옵티마이제이션은 매트랩 fmincon 함수를 이용하는 것이 효과적이다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 정상인의 경우 외란의 크기에 따른 대응전략의 변화가 잘 일어나기 때문에 게인값의 변화(gain slope) 또한 균형기능이 비정상인 사람의 변화율보다 크게 된다. 즉, 외란의 증가에 따른 게인값의 변화율, 즉 기울기를 통해 인체의 균형능력을 측정할 수 있는 것이다.
여기서, X축의 외란은 전술한바와 같이, 3-15cm(7가지 종류)를 피험자의 키 또는 Maximum COP 로 나누어 노멀라이제이션 한다. 그리고, Y축의 게인값은 피험자의 키와 몸무게로 나누어 노멀라이제이션 한다.
게인 스케일링은 도 3의 그래프에서 7가지 데이터 포인트를 가장 잘 피팅할 수 (root mean square를 최소화하는) linear fit 의 기울기를 의미하며, 이를 이용하여 인체의 균형 능력을 나타내는 일종의 균형지수로서 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 시스템(1)을 이용하여 외란의 증가에 따른 게인값의 변화율을 산출함으로써, 인체의 균형기능을 진단하는 방법을 살펴본다.
인체의 균형기능 진단방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 진단 대상자에게 외 란을 가하는 단계(S01)와, 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계(S02)와, 외란의 크기와 진단 대상자의 유동을 기초로 진단 대상자의 게인값을 구하는 단계(S03)로 이루어진다.
진단 대상자에게 외란을 가하는 단계(S01)는 외란구동부(10)의 플랫폼(11) 상에 진단 대상자를 직립자세로 세우고 진단 대상자의 무릎관절과 힙관절부위에 마커(21)를 부착한 상태에서 플랫폼구동기(13)를 구동시켜서 소정 크기의 외란으로 플랫폼(11)으로 유동시키고, 지면반력기(15)에서 플랫폼(11)의 구동 과정에서 발생하는 지면토크를 측정하여 균형기능산출부(30)로 전달과정으로 이루어진다.
그리고, 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계(S02)는 외란이 진단 대상자에게 가해지는 과정에서 진단 대상자의 무릎관절과 힙관절에 부착된 마커(21)의 움직임을 모션캡쳐기(23)로 캡쳐하여 얻어진 각 관절의 각도테이터를 균형기능산출부(30)로 전달하는 과정으로 이루어진다.
한편, 외란의 크기와 진단 대상자의 유동을 기초로 진단 대상자의 게인값을 구하는 단계(S03)는 지면반력기(15)에서 측정 전달된 지면토크와 감지부(20)에서 획득 전달된 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 각도 및 각속도 등의 각도데이터에 기초하여 외란에 대응하는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화율을 정량적으로 산출하는 단계로 이루어진다.
이때, 전술한 바와 같이, 도 3 및 도 4와 같이, 외란의 크기가 증가하면 발 목관절의 ankle gain(Tankel/θankel)은 감소하고, 반대로 힙관절의 hip gain(Thip/θhip)이 증가하게 되는데, 이러한 게인의 변화율에 대한 데이터를 정상인의 것으로 미리 축적해 놓은 상태에서 비정상인을 진단 대상자로 하여 얻어진 게인 변화율과 비교함으로써, 진단 대상자의 균형유지 능력을 정량적으로 측정할 수 있다.
이때, 게인의 변화율에 대한 데이터는 진단대상자의 신체조건에 따라 구별하여 신체조건별 정상인의 게인 변화율 데이터를 미리 축적하고, 비정상인의 신체조건에 대응하는 정상인의 데이터와 비정상인의 데이터를 비교한다. 이에 의해, 비정상인의 인체 균형유지 기능의 비정상 정도를 정략화된 수치로 확인할 수 있다.
도 4는 이러한 방법에 의해 얻어진 특정 신체조건의 정상인과 비정상인의 인체 균형 유지 기능을 비교한 그래프이다. 이 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이,
특정 신체조건의 정상인은 외란의 크기에 따른 대응전략의 변화가 잘 일어나기 때문에 게인값의 변화(gain slope) 또한 균형기능이 비정상인 사람의 변화율보다 크게 된다. 따라서, 정상인과 비정상인의 게인값의 변화율, 즉 기울기를 통해 진단 대상자의 인체 균형 유지 능력 즉 균형지수를 정량적으로 측정할 수 있는 것이다.
또한 앞서 설명한 상기 게인 스케일링 이외에도 최대 ankle torque 또는 hip torque를 균형 지수로서 사용할 수 있다.
통상적으로 가장 큰 크기의 외란에서 최대 토크치가 발생하므로 상기 최대 ankle torque 또는 hip torque를 균형 지수로서 사용할 수 있는 것이다.
다시 말해서 도 5에 나타난 바와 같이 최대 ankle torque 또는 최대 hip torque값은 청년군, 노인군 그리고 환자군 순서로 낮아지게 되므로, 이를 데이터 베이스화 해서 진단 대상자의 균형 기능을 평가할 수 있는 것이다.
한편 상기 최대 허용 ankle torque 또는 hip torque는 앞서 설명한 방법에 의해 측정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단 방법에 의하면, 인체의 균형기능을 객관적이고 정확하게 정량화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 시스템의 간략한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 과정 흐름도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 인체 균형기능 진단 시스템 및 진단방법에 의해 산출된 정상인과 비정상인의 인체 균형 유지 능력 산출 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 외란구동부 11 : 플랫폼
13 : 플랫폼구동기 15 : 지면반력기
20 : 감지부 21 : 마커
23 : 모션캡쳐기 30 : 균형기능산출부
Claims (10)
- 인체 균형기능 진단 시스템에 있어서,직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 외란구동부와,상기 외란에 대응하여 균형을 유지하기 위한 인체 관절부위의 각도 변화를 감지하고 변화되는 각도데이터를 획득하는 감지부와,상기 외란의 크기와 상기 감지부에서 감지된 각도데이터에 기초하여 진단 대상자의 균형기능을 산출하는 균형기능산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 외란구동부는상기 진단 대상자가 직립자세로 서있는 플랫폼과,상기 플랫폼을 소정 크기의 외란으로 유동시키는 플랫폼구동기와,상기 플랫폼의 구동 토크를 측정하여 상기 균형기능산출부로 전달하는 지면반력기를 갖는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 감지부는상기 진단 대상자의 무릎관절과 힙관절에 부착되는 마커와,상기 플랫폼의 외란에 대응하는 상기 진단 대상자의 움직임에 따른 상기 마커의 유동을 캡쳐하여 상기 각 관절의 각도 및 각속도를 획득하며, 상기 각도 및 각속도를 상기 균형기능산출부로 전달하는 모션캡쳐기를 갖는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 감지부는 상기 진단 대상자의 신체에 착용하여 무릎관절과 힙관절의 관절각을 측정하는 관절각측정기인 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 균형기능산출부는상기 지면토크와 상기 각도데이터에 기초하여 외란에 대응하는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화율을 정량적으로 산출하는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 시스템.
- 인체 균형기능 진단 방법에 있어서,직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 단계와,상기 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계와,상기 외란의 크기와 상기 진단 대상자의 유동을 기초로 진단 대상자의 게인값을 구하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 방법.
- 제6항에 있어서,상기 진단 대상자에게 외란을 가하는 단계는 직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하고 외란이 가해지는 과정에서 발생하는 지면토크를 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 방법.
- 제6항에 있어서,상기 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계는 각 관절의 각도와 각속도를 측정하여 각도테이터를 획득하는 단계인 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 방법.
- 제6항에 있어서,상기 진단 대상자의 게인값을 구하는 단계는상기 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 과정에서 발생하는 지면토크와 상기 진단 대상자의 유동에 따른 상기 발목관절과 힙관절의 각도와 각속도 데이터에 기초하여 외란에 대응하는 인체의 균형 유지를 위한 게인값의 변화를 정량적으로 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 방법.
- 인체 균형기능 진단 방법에 있어서,직립자세의 진단 대상자에게 소정 크기의 외란을 가하는 단계와,상기 진단 대상자의 발목관절과 힙관절의 유동을 캡쳐하는 단계와,상기 외란의 크기와 상기 진단 대상자의 유동을 기초로 진단 대상자의 최대 발목 토크와 최대 힙 토크를 구하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체 균형기능 진단 방법.
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