KR20100111460A - 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템과 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템 및 방법에 관한 것으로, 다양한 모션센서의 출력 곡선으로부터 정상인과 편마비 환자의 보행 주기를 검출하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 피험자의 몸에 부착되는 근전도 센서와 다수 개의 모션 센서로 구성되며, 피험자의 움직임 및 보행에 따라 각 센서에서 발생되는 센서의 신호를 검출하는 센서부; 상기 센서 신호를 얻기 위한 동작 전원을 각 센서로 공급하며, 각 센서와 전기적으로 연결된 다수의 시스템 연결포트를 구비하여 각 센서 신호를 시스템 연결포트를 통해 외부 시스템으로 실시간 전달하는 신호 입출력부; 상기 신호 입출력부에서 전달된 센서 신호의 전처리 및 주파수 분석과 필터링을 실시하여 발의 수직방향 움직임에 따른 수직속도곡선을 형성하고, 상기 수직속도곡선 상의 하나 이상의 특징 정점으로부터 발뒤축접지(HS)와 발가락들림(TO)을 각각 검출하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부; 를 포함하는 모션센서를 이용한 보행주기 검출시스템 및 방법을 제공하여, 보행 보조 FES에 적용할 수 있게 한다

모션 센서, 보행주기 검출, 보행보조 FES

Description

모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템과 방법{detecting system and method for gait phase using motion sensors}

본 발명은 모션 센서를 이용하여 보행 보조를 위한 자극 시점을 정확하게 검출할 수 있는 보행주기 검출시스템과 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기울기센서, 자이로센서, 가속도센서를 포함하는 다양한 센서들에서 획득한 출력 곡선의 특징점을 이용하여 정상 보행과 편마비 보행에서의 보행주기를 검출하여, 보행 보조를 위한 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation, 이하는 'FES'라 칭함) 시스템의 자극 온/오프에 적용할 수 있도록 한 보행주기 검출시스템과 방법 에 관한 것이다.

특히 본 발명은 편마비 환자들의 보행시 보행보조 FES에서 자극을 온/오프하는 시점인 발뒤축접지(heel strike: 이하 'HS'라 칭함)와 발가락들림(toe off : 이하는 'TO'라 칭함)을 타당성 확인 및 유효성 검증을 통해 보다 정확하게 검출할 수 있도록 한 보행주기 검출시스템 및 방법에 관한 것이다.

보행주기의 검출은 편마비환자의 보행기능 회복을 평가하는 중요한 지표가 되며, 보행보조를 위한 기능적 전기자극(FES) 시스템과 같은 보행보조기구의 자극 온/오프 동작 시점의 결정에 중요한 역할을 한다.

이러한 보행주기 검출을 위해 가장 널리 쓰이는 방법은 3차원 동작분석 시스템을 이용하는 것으로, 적외선 카메라 등을 힘측정판과 동기화하여 사용되거나 마커의 궤적 같은 운동학적 데이터를 이용하는 것이다.

그러나 3차원 동작분석 시스템을 이용한 방법은 정확한 보행주기 검출 및 다양한 보행분석이 가능하다는 장점이 있지만, 장비가 매우 비싸고 장비가 갖추어진 실험실내에서만 사용할 수 있으며 매 실험마다 번거로운 장비 보정 및 준비 과정을 수반해야 하고 카메라의 유효공간 내에서의 한 두 보행주기의 자료만을 추출할 수 있다는 한계를 지니고 있다.

또한 3차원 동작분석 시스템과 동기화하여 사용되는 힘측정판을 이용하는 경우, 비싼 가격과 센서 개수에 따른 측정 가능한 보행주기의 제한이 있으며, 하나의 힘측정판 내에 한 발씩 디뎌야 하므로 정상인에 비해 상대적으로 보장(step length)이 짧은 편마비 환자의 경우 적용하는데 어려움이 있다.

이러한 힘측정판의 단점을 보완하기 위해 3차원 동작분석 시스템에서 추적하는 마커들의 운동학적 데이터를 이용하여 보행주기를 검출하는 연구들도 진행되었다.

대표적인 운동학적 데이터 방법으로는 Hreljac과 Marshall에 의해 제안된 HMA(hreljac marshall algorithm)와 O'Conner 등에 의해 제안된 FVA(foot velocity algorithm)가 있다. HMA는 네 번째 중족골두 마커와 발뒤꿈치 마커의 위치-시간 데이터에서 가속도와 유연성(jerk)을 도출하여 보행주기를 검출하는 방법이고, FVA는 두 번째 중족골두 마커와 발뒤꿈치 마커 사이를 발의 중심으로 가정하고 이 위치에서의 수직 속도를 도출하여 보행주기를 검출하는 방법이다.

그러나 이 방법들은 힘측정판 방법과 같은 정확도를 가지며 보다 많은 수의 보행주기를 검출할 수 있지만, 근본적으로 3차원 동작분석 시스템에서 적용할 수 있는 연구들이라는 점에서 그 한계점은 마찬가지라고 할 수 있다.

따라서, 이러한 한계들을 극복하고 기존의 고가이면서 복잡한 구성의 측정 시스템과 필적할 만한 성능을 가질 뿐 아니라 저가이면서 휴대와 사용의 편리성을 갖는 보행주기 검출 방법에 대한 요구가 필요함에 따라, 풋 스위치, 가속도 센서, 자이로 센서, 기울기 센서, 저항 센서 등의 다양한 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법이 연구되고 있다.

그러나 이러한 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법은 검출된 보행주기의 정확성과 검출법의 타당성을 검증할 수 있는 평가 방법을 필요로 하였다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다양한 모션센서의 출력 곡선의 특징점을 이용하여 정상인과 편마비 환자의 보행 주기를 검출하고, 편마비 환자의 보행 보조를 위한 기능적 전기자극(FES) 시스템의 자극 온/오프 동작에 적용할 수 있도록 한, 모션센서를 이용한 보행주기 검출시스템과 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 모션 센서를 이용하여 보행 주기를 검출하는 시스템과 방법에 관한 유효성을 검증할 수 있는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템과 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 피험자의 몸에 부착되는 근전도 센서와 다수 개의 모션 센서로 구성되며, 피험자의 움직임 및 보행에 따라 각 센서에서 발생되는 센서의 신호를 검출하는 센서부; 상기 센서 신호를 얻기 위한 동작 전원을 각 센서로 공급하며, 각 센서와 전기적으로 연결된 다수의 시스템 연결포트를 구비하여 각 센서 신호를 시스템 연결포트를 통해 외부 시스템으로 실시간 전달하는 신호 입출력부; 상기 신호 입출력부에서 전달된 센서 신호의 전처리 및 주파수 분석과 필터링을 실시하여 발의 수직방향 움직임에 따른 수직속도곡선을 형성하고, 상기 수직속도곡선 상의 하나 이상의 특징 정점으로부터 발뒤축접지(HS)와 발가락들림(TO)을 각각 검출하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부; 를 포함하는, 모션센서를 이용한 보행주기 검출시스템이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 형태는, 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서를 포함하는 모션 센서로부터 피험자의 보행 및 움직임에 따른 센서 출력 곡선을 수집하여 보행주기를 검출하는 시스템에서의 보행주기 검출방법에 있어서, 각 모션 센서들로부터 검출되는, 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 센서 출력신호를 주파수 분석하여 차단 주파수를 선정하고, 그 차단 주파수로 2차 저역통과필터링하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출단계;를 포함하는, 모션센서를 이용한 보행주기 검출방법이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 형태는, 보행주기 측정을 위한 3차원 공간을 제공하며, 상기 3차원 공간 내에 피험자의 보행에 따른 지면 반발력 및 피험자의 움직임에 따른 영상 측정을 위한 적어도 하나의 카메라가 설치되는 보행 측정부; 상기 보행 측정부의 각 장비에서 측정되는 데이터들을 수집하여 피험자의 보행과 움직임에 대한 3차원 동작분석을 실시하고, 그 3차원 동작분석 결과 및 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 마커의 궤적 데이터를 얻어 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기를 검출하는 3차원 동작분석 시스템부; 피험자의 몸에 부착되는 근전도 센서와 다수 개의 모션 센서로 구성되며, 피험자의 움직임 및 보행에 따라 각 센서에서 발생되는 센서의 신호를 검출하는 센서부; 상기 센서 신호를 얻기 위한 동작 전원을 각 센서로 공급하며, 각 센서와 전기적으로 연결된 다수의 시스템 연결포트를 구비하여 각 센서 신호를 시스템 연결포트를 통해 외부 시스템으로 실시간 전달하는 신호 입출력부; 상기 신호 입출력부에서 전달된 센서 신호의 전처리 및 주파수 분석과 필터링을 실시하여 발의 수직방향 움직임에 따른 수직속도곡선을 형성하고, 상기 수직속도곡선 상의 하나 이상의 특징 정점으로부터 발뒤축접지(HS)와 발가락들림(TO)을 각각 검출하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부; 상기 3차원 동작분석 시스템부를 통해 검출된 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기와, 상기 보행주기 검출부를 통해 검출된 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 보행주기의 타당성 확인 및 FES 적용 가능성 확인을 위한 유효성 검증을 실시하는 센서 검증/설정 부;를 포함하고, 상기 센서부와 신호 입출력부와 보행 측정부의 각 장비 및 3차원 동작분석 시스템부는 상기 센서 검증/설정부에 의해 동기화되어 구성되는, 모션센서를 이용한 보행주기 검출시스템이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 형태는, 3차원 동작분석 시스템부를 포함하고, 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서를 포함하는 모션 센서로부터 피험자의 보행 및 움직임에 따른 센서 출력 곡선을 수집하여 보행주기를 검출하는 시스템에서의 보행주기 검출방법에 있어서, 3차원 동작분석 시스템부를 통해 얻은, 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 마커의 궤적 데이터를 FVA(foot velocity algorithm)에 적용하여 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기를 검출하는 기준 보행주기 검출단계; 각 모션 센서들로부터 검출되는, 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 출력신호를 주파수 분석하여 차단 주파수를 선정하고, 그 차단 주파수로 2차 저역통과필터링하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한, 센서를 이용한 보행주기를 검출하는 보행주기 검출단계; 상기 FVA에 의해 검출된 기준 보행주기와 센서를 통해 검출된 보행주기와의 시간적 차이를 구하여, 센서를 통해 검출된 보행주기값의 타당성을 확인하는 타당성 확인단계;를 포함하는, 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법이다.

본 발명에 의하면, 모션 센서를 이용하여 객관적이고 효율적인 보행주기를 검출할 수 있게 되어 3차원 동작 분석 시스템의 기능을 대체할 수 있게 되며, 따라서 보행 보조를 위한 기능적 전기자극 시스템 등과 같이 정확한 자극 온/오프 시점 을 요하는 보행 보조 기구에 다양하게 적용할 수 있게 되는 등의 이점이 있을 것이다.

또한 본 발명은 센서를 딱딱한 재질의 PCB 보다는 몸의 굴곡되는 부분에도 부착이 되어야 하는 자극 패드의 특성을 고려하여 설계하였기 때문에 보다 유용하게 사용될 수 있을 것이며, 자극과 보행주기 검출 시스템의 위치를 일치시킬 수 있게 되므로, 전체적인 시스템을 간략화할 수 있게 되는 이점이 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템의 개략적인 구성을 예시한 블록도로서, 센서부(20)와 신호 입출력부(40)와 보행주기 검출부(60)로 구성되어, 센서부에서 검출되는 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 센서 출력신호를 주파수 분석하여 차단 주파수를 선정하고, 그 차단 주파수로 2차 저역통과필터링하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하도록 구성된다.

센서부(20)는 피험자의 몸에 부착되는 근전도 센서와 다수 개의 모션 센서로 구성되며, 피험자의 움직임 및 보행에 따라 각 모션 센서에서 발생되는 아날로그 신호를 120Hz의 샘플링률(sampling rate)로 획득하여 센서신호를 검출한다. 상기 모션 센서는, 피험자의 대퇴, 무릎관절, 정강뼈, 발목관절의 가쪽복사뼈, 둘째 중족골두, 발뒤꿈치를 포함하는 다수 위치에 부착되며, 보행주기 검출을 위한 적어도 하나 이상의 기울기 센서와, 적어도 하나 이상의 자이로 센서와, 적어도 하나 이상의 가속도 센서들로 조합되고, 전극 패드에 부착할 수 있도록 하드웨어 필터를 내장한 필름형 PCB로 구성한다.

신호 입출력부(40)는 전원 공급부와 센서 연결부와 시스템 연결부 및 릴 장치를 구비하여, 모션 센서가 부착된 쪽의 대퇴부에 부착 고정되며, 상기 센서 출력신호를 얻기 위한 동작 전원을 각 센서로 공급하고, 각 센서와 전기적으로 연결된 다수의 시스템 연결포트를 구비하여 각 센서 출력신호를 각 시스템 연결포트를 통해 외부 시스템으로 실시간 전달한다.

보행주기 검출부(60)는 상기 신호 입출력부에서 전달된 센서 출력신호를 주파수 분석 및 필터링하여 발의 수직방향 움직임에 따른 수직속도곡선을 형성하고, 상기 수직속도곡선 상의 하나 이상의 특징 정점으로부터 발뒤축접지(HS)와 발가락들림(TO)을 각각 검출하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출한다.

도 2a는 본 발명의 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템의 다른 구성예를 도시한 블록도이고, 도 2b는 도 2a의 검출시스템을 상세하게 예시한 모식도로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 보행주기 검출시스템은, 상기 도 1의 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템의 한 구성예에 보행 측정부(10)와 3차원 동작분석 시스템부(30) 및 센서 검증/설정부(50)를 더 포함하여 구성된다.

도면에 예시된 바와 같이, 보행 측정부(10)는 보행 영역을 제공하는 3차원 공간 내에 구현되며, 보행 영역의 바닥에 설치되어 보행자의 보행에 따른 지면 반발력을 측정하는 다수 개(m개)의 힘측정판(11)과, 피험자의 보행 및 움직임에 따른 마커의 궤적을 촬영할 수 있도록 3차원 공간의 상부 곳곳에 설치되는 다수 개(n개)의 적외선 카메라(12)와, 3차원 공간 내에서 이동 가능하게 설치되는 이동 카메라(13)를 포함하여 구성된다. 상기 3차원 공간 내에서 보행하는 피험자의 몸에는 다수 개의 반사 마커(14)가 부착된다.

3차원 동작분석 시스템부(30)는 정상인과 편마비 환자 각각에 대해 상기 보행 측정부의 각 장비에서 측정되는 데이터들, 즉 힘측정판을 통해 측정되는 지면 반발력과 다수 개의 적외선 카메라를 통해 측정되는 마커의 궤적 데이터를 수집하여 피험자의 보행과 움직임 분석을 실시하고, 그 3차원 동작분석 결과 및 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 마커의 궤적 데이터를 얻어 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기를 검출한다. 여기서 보행 측정부(10)의 각 장비와 센서부의 각 센서는 3차원 동작분석 시스템부(30)에 동기화되어 구성된다.

여기서 상기 3차원 동작분석 시스템부(30)와 센서 검증/설정부(50)에서 추출되는 상기 각 적외선 카메라(12)와 각 모션 센서들의 아날로그 신호는 120Hz의 샘플링률(sampling rate)로 데이터를 획득하는 것이 바람직하다.

센서 검증/설정부(50)는 상기 3차원 동작분석 시스템부(30)를 통해 검출된 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기와, 상기 보행주기 검출부(60)를 통해 검출된 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 보행주기 검출값의 타당성 확인 및 FES 적용 가능성 확인을 위한 유효성 검증을 실시한다. 이러한 일련의 처리과정은 알고리즘(도 5참조)으로 구현될 수 있으며, 그 알고리즘에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

도 3은 본 발명에서 구현된 기울기 센서(21)의 내부 회로 구성도와 필름형 PCB로 구현된 기울기 센서의 예시도로서, (a)에 도시된 바와 같이 기울기 센서 칩(21a)과, 저항(R2)과 캐패시터(C3)에 의해 설정되는 영역의 차단 주파수를 갖는 저역 통과 필터(LPF)로 구성되며, 이와 같은 구성의 기울기 센서(21)는 (b)에 도시된 바와 같이 보행보조를 위한 기능적 전기자극의 보행주기 검출 시스템에 적용하기 위해 전극 패드에 부착할 수 있도록 하드웨어 필터(21b)를 내장한 필름형 PCB(21c)로 구성하는 것이 바람직하다. 도면에는 도시되지 않았으나 모션 센서를 구성하는 자이로 센서와 가속도 센서도 이와 같은 하드웨어 필터를 내장한 필름형으로 구성하는 것이 바람직하다.

도 4a는 센서부(20)의 출력 신호를 3차원 동작분석 시스템부(30)와 동기화하여 얻을 수 있도록 구성된 신호 입출력부(40)의 블록도로서, 전원 공급부(41), 하나 이상의 센서 연결부(42,43), 시스템 연결부(44)로 구성된다.

전원 공급부(41)는 각 센서의 하나 이상의 레벨이 다른 동작 전원을 각각 구분하여 공급하는 블록으로서, 가속도 센서, 기울기 센서, 풋스위치 등에 제1 동작전원(예를 들어 5V)을 공급하는 제1 전원 공급부(41a)와, 자이로 센서 등에 제2동작 전원(예를 들어 3.3V)을 공급하는 제2 전원 공급부(41b)로 구성된다.

센서 연결부(42,43)는 상기 센서부에 구비되는 각 센서, 즉 가속도 센서 또는 기울기 센서 또는 풋 스위치 등으로의 전기적인 연결을 위한 하나 이상의 센서 연결포트를 제공하는 제1 센서 연결부(42)와, 자이로 센서로의 전기적인 연결을 위한 센서 연결포트를 제공하는 제2 센서 연결부(43)로 구성된다.

시스템 연결부(44)는 상기 각각의 센서 연결부(42,43)와 내부적으로 연결되며, 상기 센서 검증/설정부의 전기적인 연결을 위한 하나 이상의 시스템 연결포트를 제공한다.

도 4b는 센서부(20)의 각 센서와 신호 입출력부(40) 사이에 릴 장치가 더 구비된 구성을 예시하는 참고사진으로서, 상기 릴 장치(45)는 상기 각 센서 연결포트와 각 센서를 전기적으로 연결하는 각각의 전기선을 포획하며, 각각의 전기선을 릴 방식으로 감거나 풀기 위한 장치이다.

이러한 구성의 신호 입출력부(40)는 센서를 부착한 쪽 대퇴부에 고정하는 것이 바람직하다.

도 4c는 정상인과 편마비 환자의 보행 시 운동학적 데이터를 획득하기 위해 설치한 각 센서(21-23)와 반사 마커(14)를 촬영한 참고 사진으로서, 피실험자의 대퇴(thigh), 무릎관절(knee), 정강뼈(tibia), 발목관절의 가쪽복사뼈(lateral malleolus), 둘째 중족골두(second metatarsal head), 발뒤꿈치(heel) 등의 해부학적 위치에 16개의 14mm 반사 마커(14 : reflective marker)를 부착하고, 보행 시 센서의 데이터를 측정하기 위해 센서와 신호 입출력부를 피험자들의 몸에 부착한다.

기울기 센서(21)는 정상인의 경우 우측 무릎관절 마커에서 하방 10cm 밑, 편마비 환자의 경우 환측 무릎관절 마커에서 하방 10cm 밑에 부착하고, 보행 진행 방향을 음(negative)의 방향으로 설정한다.

자이로 센서(22)는 정상인의 경우 우측 발뒤꿈치 마커 위, 편마비 환자의 경 우 환측의 발뒤꿈치 마커 위에 부착하고 시계방향으로 회전하였을 때를 양(positive)의 방향으로 설정한다.

가속도 센서(23)는 정상인의 경우 우측 기울기센서 부착위치 밑, 편마비 환자의 경우 환측 기울기센서 부착위치 밑에 부착하고, 보행 진행 방향(X축), 내측방향(Z축), 아랫방향(Y축)을 양의 방향으로 설정한다.

도 5는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출동작을 예시한 흐름도로서, 상기 센서 검증/설정부(50)에 탑재되는 제1단계 내지 제4단계로 이루어지는 알고리즘의 한 구성을 예시하고 있다.

즉, 센서 검증/설정부(50)에는 3차원 동작분석 시스템부(30)를 통해 얻을 수 있는 기준 보행주기, 즉 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 마커의 궤적 데이터를 FVA(foot velocity algorithm)에 적용하여 정상인과 편마비 환자 각각의 기준 보행주기를 검출하는 기준보행주기 검출단계(S501,S503)와, 보행주기 검출부(60)를 통해 얻을 수 있는 보행주기, 즉 센서부(20)의 각 모션 센서들로부터 검출되는 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 출력신호를 주파수 분석하여 차단 주파수를 선정하고, 그 차단 주파수로 2차 저역통과필터링하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출단계(S511-S515)와, 상기 기준보행주기 검출단계에서 FVA에 의해 검출된 기준 보행주기와 보행주기 검출단계에서 센서를 통해 검출된 보행주기와의 시간적 차이를 구하여, 센서를 통해 검출된 보행주기값의 타당성을 확인하는 타당성 확인단계(S521,S523)와, 상기 타당성 확인단계에서 타당성 확인된 편마비 환자의 보행에 대한, 센서를 통해 검출된 보행주기값의 적용 가능성을 확인하기 위해 유효성을 검증하는 유효성 검증단계(S525,S527);를 포함하여 이루어지는 알고리즘이 탑재된다.

기준보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는 FVA(foot velocity algorithm)를 이용하기 위해 둘째 중족골두에 부착된 반사 마커와 발뒤꿈치에 부착된 반사 마커의 수직방향(Z축) 데이터를 획득한다. 여기서 센서 검증/설정부(50)는 둘째 중족골두의 반사 마커와 발뒤꿈치에 부착된 반사 마커의 중심을 발의 중심으로 가정하고 그 위치의 수직방향 궤적을 도출하여 미분하여 수직 속도를 계산할 수 있게 된다.

보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는 주파수 분석(FFT)결과 전력(power)이 가장 큰 주파수를 차단 주파수로 선정하고, 그 주파수를 차단 주파수로 하여 2차 저역 통과 필터링을 실시하게 된다. 여기서 센서 검증/설정부(50)는 센서에서 검출된 데이터에 대한 필터링 과정을 거친 곡선에서 발생하는 특징적인 변곡점 중 기준보행주기와 비교하여 가장 시간적 차이가 작고 피험자의 동작에 대한 변화를 가장 잘 표현할 수 있는 변곡점을 선정하여 센서를 이용한 보행주기를 검출하게 된다.

타당성 확인단계에서 센서 검증/설정부(50)는 상기 기준보행주기 검출단계에서 검출된 기준 보행주기와 보행주기 검출단계에서 검출된 센서를 이용한 보행주기와의 비교결과로 얻은 시간적 차이를 Bland-Altman polt 방법을 통해 그 타당성을 확인하도록 구성될 수 있다. 여기서 Bland-Altman polt 방법은 두 가지 측정 시스템의 타당성을 비교하는 통계 분석 방법으로써 MedCalc statistical software를 이 용하게 되며, 두 측정 시스템의 데이터를 MedCalc statistical software 프로그램에 입력하여 분석하면 평균값(mean)을 중심으로 두 시스템 차이의 분포가 신뢰구간 내에 많이 분포할수록 타당성이 높은 것임을 알 수 있는 알고리즘으로서, 본 발명에서는 정량적인 기준을 세우기 위해 신뢰구간 내에 95% 이상이 분포하면 검출법이 타당한 것으로 선정한다. 신뢰구간은 다음과 같이 설정된다.

신뢰구간 최대값 = 평균 + 1.96 × 표준편차

신뢰구간 최소값 = 평균 - 1.96 × 표준편차

유효성 검증단계에서 센서 검증/설정부(50)는 센서를 통해 얻은 보행주기값의 유효성 검증을 위해, 정상인의 보행에서 얻어진 기준보행주기값과의 시간적 차이 중 가장 큰 시간적 차이를 유효오차범위로 선정하는 것이 바람직하다. 정상보행 시 센서별 오차 범위는 다음의 식을 이용하여 선정한다.

오차비율(%) = {(│기준보행주기와의 시간차│+│표준편차│)(ms)/(한 보장의 소요시간+│표준편차│)(ms)} × 100

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템 및 방법의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서와 같이 모션 센서를 이용하여 보행주기를 검출하기 위해서는 먼저, 정상인과 편마비 환자의 보행 시 모션 센서로 검출된 보행주기의 정확성을 비교 분석할 수 있는 기준 보행주기가 필요하며, 본 발명에 의한 보행주기 검출방법에서는 FVA를 이용하여 기준 보행주기를 검출하는 방법이 적용된다.

이를 위하여 상기 센서 검증/설정부(50)는 기준보행주기 검출단계에서, 먼저 3차원 동작분석 시스템부(30)를 통해 얻은 마커의 궤적 데이터(a)를 FVA 적용하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 기준 보행주기(d)를 검출(S501,S503)한다. 이 단계에서는 상기 3차원 동작분석 시스템부를 통해 얻어진 발뒤꿈치 마커와 둘째 중족골두 마커의 궤적-시간 데이터를 이용하여 보행주기를 검출한다. 특히 상기 3차원 동작분석 시스템부에서 주어지는 마커 데이터는 진행방향(X축), 내외방향(Y축), 수직방향(Z축)의 3차원 좌표로 제공되지만, FVA에서는 수직방향(Z축)의 데이터만을 이용하여 보행주기를 검출한다. 발뒤꿈치 마커와 둘째 중족골두 마커의 중심을 발의 중심으로 가정하고 발 중심 위치의 수직방향 궤적을 도출하여 수직 속도를 계산한다.

다음으로 상기 센서 검증/설정부(50)는 보행주기 검출단계에서, 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서를 포함하는 모션 센서로부터 피험자의 보행 및 움직임에 따른 센서 출력 곡선(b)을 수집(S511)하고, 센서 출력신호의 주파수 분석(S513)을 통해 차단 주파수를 결정(c)하여 그 차단 주파수를 기준으로 저역통과 필터링(S515)을 실시함으로써, 정상인과 편마비 환자 각각의 센서를 이용한 보행주기(e)를 검출한다.

특히 본 발명에서는 정상인과 편마비 환자의 보행 시 각각 발생하는 센서 출력 신호의 정점을 이용하여 보행주기를 검출하는 방법을 사용하기 때문에 특징 정점을 검출할 수 있는 적합한 필터 선정이 중요하다. 따라서 센서의 출력 신호의 주파수 특성은 센서 부착위치, 보행 속도, 보행 패턴, 정상보행 시와 편마비보행 시 등 여러 요인에 의해 변화하기 때문에 다양한 상황에서 적절한 차단 주파수를 선정 할 수 있는 방법이 요구된다.

각각의 센서를 통한 정상인의 보행주기 검출은 다음과 같이 이루어진다.

보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 기울기 센서를 통해 획득한 정상인의 보행곡선으로부터 가장 큰 양의 정점으로 TO를 검출하고 그 다음에 발생하는 음의 정점으로 HS를 검출하여 보행주기를 검출한다.

또한 보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 자이로 센서를 통해 획득한 정상인의 보행곡선으로부터 음의 정점 이후에 발생하는 첫 번째 양의 정점으로 HS를 검출하고 세 번째 양의 정점으로 TO를 검출하여 보행주기를 검출한다.

또한 보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 가속도 센서를 통해 획득한 정상인의 보행곡선으로부터, 전후방향의 경우 두 개의 양의 정점 중 첫 번째 양의 정점으로 HS를 검출하고 두 번째 양의 정점으로 TO를 검출하여 전후방향에 대한 보행주기를 검출하며, 내외방향의 경우 가장 큰 음의 정점으로 HS를 검출하고 두 개의 양의 정점 중 두 번째 양의 정점으로 TO를 검출하여 내외방향에 대한 보행주기를 검출하며, 상하방향의 경우 가장 큰 양의 정점 후에 발생하는 작은 음의 정점 중 두 번째 음의 정점으로 HS를 검출하고 가장 큰 양의 정점으로 TO를 검출하여 상하방향에 대한 보행주기를 검출한다.

각각의 센서를 통한 편마비 환자의 보행주기 검출은 다음과 같이 이루어진다.

보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 먼저 편마비 환자의 보행주기 검출을 위해, 유사한 분속수를 가진 환자들이 동일한 그룹에 속하도록 각각의 편마비 환자들을 그룹핑(예를 들면 1분당 스텝수가 서로 다른 두개 이상의 그룹으로 구분될 수 있으며, 본 발명에서는 약 40스텝으로 보행하는 환자군과 1분당 70스텝으로 보행하는 환자군으로 구분한 경우를 예로 들어 설명하나 이에 한정되는 것은 아님은 물론이다)하여, 서로 다른 분속수를 가진 제1환자군(예를 들어 1분당 약 40스텝으로 보행하는 환자군)과 제2환자군(예를 들어 1분당 약 70 스텝으로 보행하는 환자군)을 형성한다.

다음으로 보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 기울기 센서를 통해 획득한, 임의의 환자군에 속하는 편마비 환자의 보행곡선으로부터, 음의 정점으로 HS를 검출하고 양의 정점으로 TO를 검출하여, 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출한다.

또한 보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 자이로 센서를 통해 획득한, 임의의 환자군에 속하는 편마비 환자의 보행곡선으로부터, 중앙의 폭이 넓은 음의 굴곡을 중심으로 하여 그 직전에 생기는 양의 정점으로 HS를 검출하고, 그 직후에 생기는 음의 정점으로 TO를 검출하여, 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출한다.

또한 보행주기 검출단계에서 센서 검증/설정부(50)는, 가속도 센서를 통해 획득한, 임의의 환자군에 속하는 편마비 환자의 보행곡선으로부터, 전후방향의 경우 양의 정점으로 HS를 검출하고 양의 정점 직전에 발생하는 가장 큰 음의 정점으로 TO를 검출하여 전후방향에 대한 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하며, 내외방향의 경우 가장 큰 음의 정점 후에 발생하는 양의 정점으로 HS를 검출하고 그 양의 정점 후에 발생하는 두 번째 큰 음의 정점으로 TO를 검출하여 내외방향에 대한 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하며, 상하방향의 경우 기준 전압 부근의 평평한 부분을 중심으로 그 직전에 발생하는 음의 정점으로 HS를 검출하고 그 직후에 발생하는 음의 정점으로 TO를 검출하여 상하방향에 대한 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출한다.

도 6은 정상보행 중에 반복하여 나타나는 발 중심의 수직 속도 곡선과 힘측정판에서 주어지는 지면반발력 곡선이다. 이 발 중심의 수직 속도 곡선에서는 한 보행주기 동안 세 번의 음의 정점과 두 번의 양의 정점이 발생하는 데 첫 번째 음의 정점으로 발뒤축접지(HS)를 검출하고, 첫 번째 양의 정점으로 발가락들림(TO)을 검출한다. 가장 큰 음의 정점 뒤에 나타나는 음의 정점으로 다음번 HS를 검출한다.

즉, 본 발명에서는 불안정한 보행과 외부의 요인에 의한 불규칙적인 고주파 신호 성분을 제거하기 위하여 본 발명에서는 디지털 저역 통과 필터(LPF; 2차, butterworth)를 사용한다. 또한, 유효 주파수 대역 내에서 주파수 분석(Fast Fourier Transform) 시 가장 전력(power)이 큰 주파수를 차단 주파수로 사용함으로써 필터가 사용자에 따라 적응성을 갖도록 한다. 유효 주파수 대역의 최소값은 각 센서에서 정상 피험자의 한 활보장(stride) 소요 시간동안 발생할 수 있는 신호 중 가장 큰 저주파 신호의 주기를 주파수로 변환하여 선정한다. 각 센서별 유효 주파수 범위의 최소값은 기울기센서는 1.5Hz, 자이로센서는 3Hz, 가속도센서의 전후방향은 2Hz, 내외방향은 4Hz, 상하방향은 3Hz이다. 편마비보행 시 발생하는 센서 출력 신호의 경우 한쪽 다리의 마비로 인하여 보행의 안정성이 떨어지기 때문에 정상 보행 시 센서 신호와 비교해 볼 때 고주파 성분이 많이 섞여 있게 되므로 10Hz를 유효 주파수 최대점으로 선정한다.

다음의 표 1은 정상보행과 편마비보행(정상인과 제1 환자군 및 제2 환자군에 의한 보행) 시 각 모션 센서별 주 주파수와 선정된 디지털 저역 통과 필터에 대한 정보이다.

피험자 그룹	센서 종류		차단 주파수	디지털 필터
정상군	기울기센서		1.82	LP-2Hz-2nd
	자이로센서		3.26	LP-4Hz-2nd
	가속도센서	전후방향	3.75	LP-4Hz-2nd
		내외방향	6.71	LP-7Hz-2nd
		상하방향	3.84	LP-4Hz-2nd
제1환자군	기울기센서		0.93	LP-1Hz-2nd
	자이로센서		3.65	LP-4Hz-2nd
	가속도센서	전후방향	2.92	LP-3Hz-2nd
		내외방향	4.65	LP-5Hz-2nd
		상하방향	2.77	LP-3Hz-2nd
제2환자군	기울기센서		0.79	LP-1Hz-2nd
	자이로센서		4.21	LP-4Hz-2nd
	가속도센서	전후방향	1.87	LP-2Hz-2nd
		내외방향	3.72	LP-4Hz-2nd
		상하방향	3.75	LP-4Hz-2nd

도 7은 정상 보행에서의 한 보행주기를 발 중심의 수직 속도 곡선을 기준으로 나타낸 것이다. 보행주기로 구분된 구간에서 발생하는 센서 출력 곡선의 특징 정점의 위치에 따라 HS와 TO의 보행주기를 검출한다.

도 8 내지 도 10은 정상 보행시 각 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법을 설명하기 위하여 예시한 곡선들로서, 도 8은 정상보행 시 기울기센서로 검출한 두 주기의 보행주기 곡선이고, 도 9는 정상 보행 시 자이로센서로 검출한 두 주기의 보행주기 곡선이고, 도 10의 (a) 내지 (c)는 정상보행 시 가속도센서로 검출한 두 주기의 전후방향, 내외방향, 상하방향의 각 보행주기 곡선이다.

먼저 정상 보행 시 기울기센서를 이용한 보행주기 검출 방법은, 도 8에 도시된 바와 같이, 기울기 센서는 진행 방향(anterior)을 음의 방향으로 설정하였기 때문에, 시상면에서 볼 때 몸 보다 발이 앞에 위치하면 음의 값, 뒤에 위치하면 양의 값이 출력된다. 실제 보행 시 HS 바로 직전에 발이 가장 앞에 위치하고, TO 후에 발이 가장 뒤에 위치하지만 시간적 차이가 작기 때문에 기울기 센서의 가장 큰 양의 정점으로 TO를 검출하고, 그 다음에 발생하는 음의 정점으로 HS를 검출한다.

기준 보행주기와 비교하였을 때, 기울기센서에서 검출된 보행주기는 HS는 0.9 ± 12.6 ms 후에, TO는 147.1 ± 9.7 ms 후에 검출됨을 알 수 있다.

다음으로, 정상 보행 시 자이로센서를 이용한 보행주기 검출 방법은, 도 9에 도시된 바와 같이, 정상보행의 발뒤축접지 시 발은 내번(inversion)을 하면서 지면에 닿으므로 발뒤꿈치가 시계방향회전(clockwise rotation)을 하게 되어 자이로센서에서는 양의 값이 출력된다. 또한 발바닥에서의 COP(center of pressure)의 궤적은 발뒤꿈치에서 시작되고 발바닥의 외측을 지나 입각기 말기에 제 2 중족골두와 엄지발가락으로 빠져나가고 이때 지면을 밀면서 전방으로 추진을 하기 때문에 발뒤꿈치는 반 시계방향회전(counter-clockwise rotation)하게 되고 이때 자이로센서는 음의 값이 출력된다. 따라서, 자이로센서의 음의 정점 이후에 발생하는 첫 번째 양의 정점으로 HS를 검출하고 세 번째 양의 정점으로 TO를 검출한다.

기준 보행주기와 비교하였을 때, 자이로센서에서 검출된 보행주기는 HS는 -18.4 ± 19.9 ms 전에, TO는 -21.0 ± 36.5 ms 전에 검출됨을 알 수 있다.

마지막으로, 가속도센서를 이용한 보행주기 검출 방법은, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 전후방향의 경우 하퇴에서의 가속도는 발뒤축접지 후 급격하게 감소한 후 입각기 동안 전방(anterior)으로 증가하다가 발뒤축들림 이후부터 무릎관절과 발목관절의 굴곡으로 인하여 감소하게 된다. 후방(posterior)으로 증가하던 가속도는 전유각기에서 발들림(foot clearance)을 위한 발가람들림 이후의 하퇴의 최대 후방이동으로 인해 최소값이 되었다가 증가하게 된다. 따라서, 두 개의 양의 정점 중 첫 번째 양의 정점을 이용하여 HS를 검출하고, 두 번째 양의 정점을 이용하여 TO를 검출한다. 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 내외방향의 경우 발뒤축접지 시 발이 닿는 측의 외측(lateral)으로 가속도가 증가하게 되고, 발가락들림 시 COP 궤적에 의해 발이 외전되기 때문에 반대편 발 측으로 가속도가 증가하게 되기 때문에 가장 큰 음의 정점으로 HS를 검출하고, 두 개의 양의 정점 중 두 번째 양의 정점을 이용하여 TO를 검출한다. 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이 상하방향의 경우 발뒤축접지 직전에 발이 가장 앞에 위치하였다가 뒤쪽 후방으로 움직이면서 발이 닿게 되므로 발뒤축접지 부근에서 가속도의 감소가 발생하고, 중간입각기 이후 엉덩이관절, 무릎관절, 발목관절의 굴곡과 발들림을 위한 하퇴의 들림으로 인하여 발가락들림 부근에서 급격한 가속도의 변화가 발생하게 된다. 따라서, 가장 큰 양의 정점 후에 발생하는 작은 음의 정점 중 두 번째 음의 정점으로 HS를 검출하고, 가장 큰 양의 정점으로 TO를 검출한다.

기준 보행주기와 비교하였을 때, 각 축에서 검출된 보행 인자는 전후방향에서 HS는 -13.8 ± 10.3 ms 전에, TO는 -77.1 ± 18.0 ms 전에 검출되고, 좌우방향에서 HS는 29.4 ± 4.6 ms 후에, TO는 42.4 ± 7.5 ms 후에 검출되며, 상하방향에서 HS는 -33.0 ± 12.1 ms 전에, TO는 67.0 ± 4.2 ms 후에 검출됨을 알 수 있다.

도 11 내지 도 13은 두 그룹의 환자군(제1환자군은 cadence 40 steps/min, 제2환자군은 cadence 70 steps/min)에 의한 편마비 보행시 각 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법을 설명하기 위하여 예시한 곡선들로서, 도 11의 (a)와 (b)는 각각 제1 및 제2 환자군의 편마비 보행 시 기울기센서로 검출한 두 주기의 보행주기 곡선이고, 도 12의 (a)와 (b)는 각각 제1환자군과 제2환자군의 편마비 보행 시 자이로센서로 검출한 두 주기의 보행주기 곡선이고, 도 13의 각 (a) 내지 (c)는 제1환자군의 편마비 보행 시 가속도센서로 검출한 두 주기의 전후방향, 내외방향, 상하방향의 각 보행주기 곡선이고, 도 14의 각 (a) 내지 (c)는 제2 환자군의 편마비 보행 시 가속도센서로 검출한 두 주기의 전후방향, 내외방향, 상하방향의 각 보행주기 곡선이다.

먼저 편마비 보행 시 기울기센서를 이용한 보행주기 검출 방법은, 도 11의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 환자군의 편마비환자들은 모두 골반과 엉덩관절 및 무릎관절을 이용하여 환측 발을 몸 앞쪽으로 던지듯이 걷는 회선보행(circumduction gait)의 특성을 보이고 있기 때문에 발뒤축접지 시 발이 가장 앞에 위치하고, 발가락들림 직전에 가장 뒤에 위치하게 된다. 따라서, 제1 및 제2 환자군 모두 음의 정점을 이용하여 HS를 검출하고, 양의 정점을 이용하여 TO를 검출한다.

기준 보행주기와 비교하였을 때, 기울기센서로 검출된 편마비 보행주기는 제1 환자군의 경우 HS는 210.3 ± 12.5 ms 후에, TO는 120.9 ± 31.5 ms 후에 검출되고, 제2 환자군의 경우 HS는 155.6 ± 45.5 ms 후에, TO는 114.4 ± 28.6 ms 후에 검출됨을 알 수 있다.

다음으로, 편마비 보행 시 자이로센서를 이용한 보행주기 검출 방법은, 도 12의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 환자군 편마비환자들은 발뒤축접지 시에 발을 몸의 외측으로 돌려서 앞으로 던질 때의 관성과 발목근육의 기능 상실에 의해 발뒤꿈치가 몸의 내측으로 시계방향 회전을 하게 되고, 발가락들림 시에는 골반을 이용하여 발을 들기 때문에 발뒤꿈치가 반시계방향 회전을 하면서 먼저 떨어지게 되고 이때 발이 고정되지 못하고 흔들림에 따라 고주파 성분이 생기게 된다. 또한, 발뒤축접지 후 몸의 균형을 잡기 위해 골반과 반대측 발을 이용하여 발뒤꿈치를 외측방향으로 틀기 때문에 도면 12의 두 곡선에 예시된 바와 같이 넓은 음의 굴곡이 생기게 된다. 따라서, 제1 환자군의 경우 이 굴곡을 중심으로 직전에 생기는 양의 정점으로 HS를 검출하고, 직후에 생기는 음의 정점으로 TO를 검출한다. 같은 보행 형태로 인하여 제2 환자군에서도 크기는 작지만 음의 굴곡이 생기게 되므로 HS는 굴곡 직전의 양의 정점, TO는 굴곡 직후의 음의 정점으로 검출한다.

기준 보행주기와 비교하였을 때, 자이로센서로 검출된 편마비 보행주기는 제1환자군의 경우 HS는 101.7 ± 55.6 ms 후에, TO는 -15.8 ± 79.2 ms 전에 검출되고, 제2 환자군의 경우 HS는 -9.4 ± 20.6 ms 전에, TO는 -18.1 ± 20.7 ms 전에 검출됨을 알 수 있다.

마지막으로 편마비 보행시 가속도센서를 이용한 보행주기 검출 방법은, 도 13과 도 14의 각 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 환자군의 편마비 환자들은 전후방향의 경우 발뒤축접지 시 전방 가속도가 급격하게 감소하고, 발가락들림 시 발을 돌때 전방 가속도가 급격하게 증가하기 때문에 양의 정점을 이용하여 HS를 검출하고, 양의 정점 직전에 발생하는 가장 큰 음의 정점을 이용하여 TO를 검출한다. 정상보행 시 가속도센서 곡선보다 정점들이 많이 발생하는 것으로 전후방향의 균형이 불안정하다는 것을 알 수 있다. 도 13과 도 14의 각 (b)에 도시된 바와 같이, 내외방향의 경우 발가락들림 시 하퇴가 외측으로 이동한 후 발뒤축접지 시 내측으로 급격하게 이동하므로, 가장 큰 음의 정점 후에 발생하는 양의 정점으로 HS를 검출하고, 큰 양의 정점 후에 발생하는 두 번째 음의 정점으로 TO를 검출한다. 도 13과 도 14의 각 (c)에 도시된 바와 같이, 상하방향의 경우 정상인과 같이 관절들의 굴곡 작용이 없이 몸의 균형을 잡기 위해 지지하고 있는 다리를 수직으로 유지하기 때문에 가속도의 변화가 없고, 발가락들림 시 반동을 이용하여 골반을 드는 과정에서 하측 방향으로 가속도가 감소하다가 상측 방향으로 급격히 증가하게 된다. 따라서, 기준 전압 부근의 평평한 부분을 중심으로 직전에 발생하는 음의 정점을 이용하여 HS를 검출하고, 직후에 발생하는 음의 정점을 이용하여 TO를 검출한다.

기준 보행주기와 비교하였을 때, 제1 환자군의 경우 전후 방향에서 HS는 136.1 ± 11.0 ms 후에, TO는 103.6 ± 95.8 ms 후에 검출되고, 내외 방향에서 HS는 243.9 ± 5.3 ms 후에, TO는 87.0 ± 103.1 ms 후에 검출되고, 상하 방향에서 HS는 -22.2 ± 8.8 ms 전에, TO는 -140.0 ± 40.8 ms 전에 검출됨을 알 수 있다. 제2 환자군의 경우 전후 방향에서 HS는 122.5 ± 48.0 ms 후에, TO는 -53.3 ± 96.4 ms 전에 검출되고, 내외 방향에서 HS는 214.7 ± 32.6 ms 후에, TO는 133.3 ± 106.1 ms 후에 검출되고, 상하 방향에서 HS는 69.4 ± 17.4 ms 후에, TO는 -80.0 ± 25.2 ms 전에 검출됨을 알 수 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템의 개략적인 구성을 예시한 블록도이다

도 2a는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템의 구성을 예시한 블록도이다.

도 2b는 도 2a의 검출시스템을 예시한 모식도이다

도 3은 본 발명에서 구현된 기울기 센서의 내부 회로 구성도와 필름형 PCB로 구현된 센서의 예시도이다.

도 4a는 센서부의 출력 신호를 보행주기 검출부와 동기화하여 얻을 수 있도록 구성된 신호 입출력부의 블록도이다.

도 4b는 센서부의 각 센서와 신호 입출력부 사이에 릴 장치가 더 구비된 구성을 예시하는 참고사진이다.

도 4c는 정상보행과 편마비보행 시 운동학적 데이터를 획득하기 위해 설치한 각 센서와 반사 마커를 촬영한 참고 사진이다.

도 5는 본 발명에 의한 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법을 한 구성예를 도시한 동작 흐름도이다.

도 6은 정상보행 중에 반복하여 나타나는 발 중심의 수직 속도 곡선과 힘측정판에서 주어지는 지면반발력 곡선이다.

도 7은 정상 보행에서의 한 보행주기를 발 중심의 수직 속도 곡선을 기준으로 나타낸 것이다.

도 8 내지 도 10은 정상 보행시 각 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법을 설명하기 위하여 예시한 곡선들이다.

도 11 내지 도 13은 두 그룹의 환자군에 의한 편마비 보행시 각 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법을 설명하기 위하여 예시한 곡선들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 보행 측정부 11 : 힘측정판

12 : 적외선 카메라 13 : 이동 카메라

14 : 반사 마커 20 : 센서부

21 : 기울기 센서 21a : 기울기 센서 칩

21b : 필터 21c : 필름형 PCB

22 : 자이로 센서 23 : 가속도 센서

24 : 근전도 센서 30 : 3차원 동작분석 시스템부

40 : 신호 입출력부 41 : 전원 공급부

42,43 : 센서 연결부 44 : 시스템 연결부

45 : 릴 장치 50 : 센서 검증/설정부

60 : 보행주기 검출부

Claims (26)

1. 피험자의 몸에 부착되는 근전도 센서와 다수 개의 모션 센서로 구성되며, 피험자의 움직임 및 보행에 따라 각 센서에서 발생되는 센서의 신호를 검출하는 센서부;

   상기 센서 신호를 얻기 위한 동작 전원을 각 센서로 공급하며, 각 센서와 전기적으로 연결된 다수의 시스템 연결포트를 구비하여 각 센서 신호를 시스템 연결포트를 통해 외부 시스템으로 실시간 전달하는 신호 입출력부;

   상기 신호 입출력부에서 전달된 센서 신호의 전처리 및 주파수 분석과 필터링을 실시하여 발의 수직방향 움직임에 따른 수직속도곡선을 형성하고, 상기 수직속도곡선 상의 하나 이상의 특징 정점으로부터 발뒤축접지(HS)와 발가락들림(TO)을 각각 검출하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
2. 보행주기 측정을 위한 3차원 공간을 제공하며, 상기 3차원 공간 내에 피험자의 보행에 따른 지면 반발력 및 피험자의 움직임에 따른 영상 측정을 위한 적어도 하나의 카메라가 설치되는 보행 측정부;

   상기 보행 측정부의 각 장비에서 측정되는 데이터들을 수집하여 피험자의 보행과 움직임에 대한 3차원 동작분석을 실시하고, 그 3차원 동작분석 결과 및 정상 인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 마커의 궤적 데이터를 얻어 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기를 검출하는 3차원 동작분석 시스템부;

   피험자의 몸에 부착되는 근전도 센서와 다수 개의 모션 센서로 구성되며, 피험자의 움직임 및 보행에 따라 각 센서에서 발생되는 센서의 신호를 검출하는 센서부;

   상기 센서 신호를 얻기 위한 동작 전원을 각 센서로 공급하며, 각 센서와 전기적으로 연결된 다수의 시스템 연결포트를 구비하여 각 센서 신호를 시스템 연결포트를 통해 외부 시스템으로 실시간 전달하는 신호 입출력부;

   상기 신호 입출력부에서 전달된 센서 신호의 전처리 및 주파수 분석과 필터링을 실시하여 발의 수직방향 움직임에 따른 수직속도곡선을 형성하고, 상기 수직속도곡선 상의 하나 이상의 특징 정점으로부터 발뒤축접지(HS)와 발가락들림(TO)을 각각 검출하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출부;

   상기 3차원 동작분석 시스템부를 통해 검출된 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기와, 상기 보행주기 검출부를 통해 검출된 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 보행주기의 타당성 확인 및 FES 적용 가능성 확인을 위한 유효성 검증을 실시하는 센서 검증/설정부;를 포함하고,

   상기 센서부와 신호 입출력부와 보행 측정부의 각 장비 및 3차원 동작분석 시스템부는 상기 센서 검증/설정부에 의해 동기화되어 구성되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보행주기 검출부는,

   상기 센서부의 각 센서에서 검출되는 아날로그 신호를 120Hz의 샘플링률(sampling rate)로 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모션 센서는,

   보행주기 검출을 위한 적어도 하나 이상의 기울기 센서와, 적어도 하나 이상의 자이로 센서와, 적어도 하나 이상의 가속도 센서로 조합되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
5. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모션 센서는,

   전극 패드에 부착할 수 있도록 하드웨어 필터를 내장한 필름형 PCB로 구성하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
6. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 입출력부는,

   각 센서의 동작 전원을 공급하는 전원 공급부;

   상기 센서부에 구비되는 각 센서로의 전기적인 연결을 위한 하나 이상의 센서 연결포트를 제공하는 센서 연결부;

   상기 센서 연결부와 내부적으로 연결되며, 상기 보행주기 검출부의 전기적인 연결을 위한 하나 이상의 시스템 연결포트를 제공하는 시스템 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 신호 입출력부는,

   상기 각 센서 연결포트와 각 센서를 전기적으로 연결하는 각각의 전기선을 포획하며, 각각의 전기선을 릴 방식으로 감거나 풀기 위한 릴 장치;를 더 구비한 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
8. 제2항에 있어서, 상기 보행 측정부는,

   3차원 공간의 바닥에 설치되어 피험자의 보행에 따른 지면 반발력을 측정하는 다수 개의 힘측정판;

   3차원 공간 내부에서 보행하는 피험자의 몸에 부착되는 다수 개의 반사 마커;

   3차원 공간의 상부에 설치되며, 상기 다수개의 반사마커에 적외선으르 조사하고, 상기 반사마커에서 반사되는 적외선을 수집하여 피험자의 움직임에 따른 적외선 영상을 측정하는 적외선 카메라;

   3차원 공간 내의 피험자의 움직임 영상을 촬영하는 이동 카메라;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
9. 제2항에 있어서, 상기 센서 검증/설정부는,

   상기 적외선 카메라와 센서부의 각 센서들의 아날로그 신호를 120Hz의 샘플링률(sampling rate)로 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
10. 제2항에 있어서, 상기 모션 센서는,

    피험자의 대퇴, 무릎관절, 정강뼈, 발목관절의 가쪽복사뼈, 둘째 중족골두, 발뒤꿈치를 포함하는 다수 위치에 부착된 다수의 반사 마커와 함께 부착되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 기울기 센서는,

    정상인의 경우 우측 무릎관절 마커에서 하방 10cm 밑, 편마비 환자의 경우 환측 무릎관절 마커에서 하방 10cm 밑에 부착되고,

    보행 진행 방향이 음(negative)의 방향으로 설정되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
12. 제10항에 있어서, 상기 자이로 센서는,

    정상인의 경우 우측 발뒤꿈치 마커 위, 편마비 환자의 경우 환측의 발뒤꿈치 마커 위에 부착되고, 시계방향의 회전동작이 양(positive)의 방향으로 설정되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
13. 제10항에 있어서, 상기 가속도 센서는,

    정상인의 경우 우측 기울기 센서 부착위치 밑, 편마비 환자의 경우 환측 기울기센서 부착위치 밑에 부착되고, 보행 진행방향(X축), 내측방향(Z축), 아랫방향(Y축)이 양의 방향으로 설정되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
14. 제10항에 있어서, 상기 신호 입출력부는,

    상기 센서부의 모션 센서가 부착된 쪽의 대퇴부에 부착 고정되는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출시스템.
15. 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서를 포함하는 모션 센서로부터 피험자의 보행 및 움직임에 따른 센서 출력 곡선을 수집하여 보행주기를 검출하는 시스템에서의 보행주기 검출방법에 있어서,

    각 모션 센서들로부터 검출되는, 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 센서 출력신호를 주파수 분석하여 차단 주파수를 선정하고, 그 차단 주파수로 2차 저역통과필터링하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행주기를 검출하는 보행주기 검출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
16. 3차원 동작분석 시스템부를 포함하고, 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서를 포함하는 모션 센서로부터 피험자의 보행 및 움직임에 따른 센서 출력 곡선을 수집하여 보행주기를 검출하는 시스템에서의 보행주기 검출방법에 있어서,

    3차원 동작분석 시스템부를 통해 얻은, 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 마커의 궤적 데이터를 FVA(foot velocity algorithm)에 적용하여 정상인과 편마비 환자 각각에 대한 기준 보행주기를 검출하는 기준 보행주기 검출단계;

    각 모션 센서들로부터 검출되는, 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한 출력신호를 주파수 분석하여 차단 주파수를 선정하고, 그 차단 주파수로 2차 저역통과필터링하여 정상인과 편마비 환자 각각의 보행에 대한, 센서를 이용한 보행주기를 검출하는 보행주기 검출단계;

    상기 FVA에 의해 검출된 기준 보행주기와 센서를 통해 검출된 보행주기와의 시간적 차이를 구하여, 센서를 통해 검출된 보행주기값의 타당성을 확인하는 타당성 확인단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 타당성 확인단계에서 타당성 확인된 편마비 환자의 보행에 대한, 센서를 통해 검출된 보행주기값의 적용 가능성을 확인하기 위해 유효성을 검증하는 유효성 검증단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
18. 제15항 또는 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    기울기 센서를 통해 획득한 정상인의 보행곡선으로부터, 가장 큰 양의 정점으로 TO를 검출하고 그 다음에 발생하는 음의 정점으로 HS를 검출하여, 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
19. 제15항 또는 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    자이로 센서를 통해 획득한 정상인의 보행곡선으로부터, 음의 정점 이후에 발생하는 첫 번째 양의 정점으로 HS를 검출하고 세 번째 양의 정점으로 TO를 검출하여, 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
20. 제15항 또는 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    가속도 센서를 통해 획득한 정상인의 보행곡선으로부터, 전후방향의 경우 두 개의 양의 정점 중 첫 번째 양의 정점으로 HS를 검출하고 두 번째 양의 정점으로 TO를 검출하여 전후방향에 대한 기준 보행주기를 검출하며, 내외방향의 경우 가장 큰 음의 정점으로 HS를 검출하고 두 개의 양의 정점 중 두 번째 양의 정점으로 TO를 검출하여 내외방향에 대한 기준 보행주기를 검출하며, 상하방향의 경우 가장 큰 양의 정점 후에 발생하는 작은 음의 정점 중 두 번째 음의 정점으로 HS를 검출하고 가장 큰 양의 정점으로 TO를 검출하여 상하방향에 대한 기준 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
21. 제15항 또는 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    유사한 분속수를 가진 환자들이 동일한 그룹에 속하도록 각각의 편마비 환자들을 그룹핑하여, 서로 다른 분속수를 가진 하나 이상의 제1환자군 및 제2환자군을 형성하고, 각각의 환자군에 대한 편마비 환자의 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    기울기 센서를 통해 획득한, 임의의 환자군에 속하는 편마비 환자의 보행곡선으로부터, 음의 정점으로 HS를 검출하고 양의 정점으로 TO를 검출하여, 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
23. 제21항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    자이로 센서를 통해 획득한, 임의의 환자군에 속하는 편마비 환자의 보행곡선으로부터, 중앙의 폭이 넓은 음의 굴곡을 중심으로 하여 그 직전에 생기는 양의 정점으로 HS를 검출하고, 그 직후에 생기는 음의 정점으로 TO를 검출하여, 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
24. 제21항에 있어서, 상기 보행주기 검출단계는,

    가속도 센서를 통해 획득한, 임의의 환자군에 속하는 편마비 환자의 보행곡선으로부터, 전후방향의 경우 양의 정점으로 HS를 검출하고 양의 정점 직전에 발생하는 가장 큰 음의 정점으로 TO를 검출하여 전후방향에 대한 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하며, 내외방향의 경우 가장 큰 음의 정점 후에 발생하는 양의 정점으로 HS를 검출하고 그 양의 정점 후에 발생하는 두 번째 큰 음의 정점으로 TO를 검출하여 내외방향에 대한 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하며, 상하방향의 경우 기준 전압 부근의 평평한 부분을 중심으로 그 직전에 발생하는 음의 정점으로 HS를 검출하고 그 직후에 발생하는 음의 정점으로 TO를 검출하여 상하방향에 대한 해당 환자군의 편마비 보행주기를 검출하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
25. 제16항 또는 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타당성 확인단계는,

    기준보행주기 검출단계에서 검출된 기준 보행주기와 보행주기 검출단계에서 검출된 센서를 이용한 보행주기와의 비교결과로 얻은 시간적 차이를 Bland-Altman polt 방법을 통해 그 타당성을 확인하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.
26. 제16항 또는 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유효성 검증단계는,

    센서를 통해 얻은 보행주기값의 유효성 검증을 위해, 정상인의 보행에서 얻어진 기준보행주기값과의 시간적 차이 중 가장 큰 시간적 차이를 유효오차범위로 선정하는 것을 특징으로 하는 모션 센서를 이용한 보행주기 검출방법.

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