KR20100123827A - 지능형 교정 깔창 - Google Patents

지능형 교정 깔창 Download PDF

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KR20100123827A
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재 손
글렌 디. 하인쇼
데이비드 애블레스
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이소울즈, 엘.엘.씨.
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Abstract

본 발명은 발 위의 압력에 대한 정보를 송신하는 지능형 깔창에 관한 것이며, 주문형, 반주문형, 또는 일반 크기의 교정기를 포함한다. 상기 교정기는 용량성 압력 센서들의 어레이를 갖는 중간 압력 센서 및 상부 커버와 적층된다. 신호 처리장치가 상기 깔창 내에 내장되거나 신발의 측면상과 같이 깔창 근처에 배치될 수 있다. 상기 처리장치는 또한 상기 정보를 원격지에 전송하기 위해 무선 송신기에 연결될 수 있다.

Description

지능형 교정 깔창{INTELLIGENT ORTHOTIC INSOLE}
본 발명은 교정 깔창에 관한 것이며 더욱 구체적으로는 착용자의 발에 대해 압력 지도를 생성하는 깔창에 관한 것이다.
수년 동안 운동 효과의 측정과 개인 훈련에 있어서 필요성이 강조되어 왔다. 운동 선수는 그들의 일상에서의 변화의 영향을 이해할 필요가 있다. 예를 들면, 사이클 카덴스(cadence), 파워 및/또는 힘(force) 및 주행 거리를 표시하는 발바닥 상의 압력 정보는 사이클 선수에게 중요하다. 러너(runner)에게 있어서 기울이고 있는 파워/힘, 밸런스 및 얼라인먼트, 러닝의 반복 압축에 의한 깔창의 마모, 카덴스와 주행 거리에 대한 정보는 중요한 파라미터이다. 골퍼는 스윙하는 동안 밸런스를 유지하고 있는지 알고자 한다.
운동하는 다른 개인들은 자신들의 노력의 결과에 대해 즉시 그리고 누적된 피드백을 원한다. 특히, 진행한 거리, 사용한 에너지, 체중 감소 및 다른 문제들에 대한 정보를 원할 수도 있다.
당뇨병이나 퇴행성 신경 질병을 앓고 있는 환자들은 궤양이나 욕창에 대한 압박 위험을 줄이기 위해 핫 스팟(hot spot)에 대한 지속적인 압력에 대한 정보를 이용할 수 있을 것이다. 밸런스 장애를 겪고 있는 다른 사람 역시 이동을 보조하기 위해 밸런스 정보를 사용할 수 있을 것이다.
또 다른 응용으로, 동일한 효과 정보(힘, 밸런스, 카덴스 등)는 비디오 게임 콘솔과 같은 오락시스템에서 가상 아바타를 제어하여 물리적 움직임을 가상의 움직임으로 변환시킬 수 있다.
발에 의해 가해진 압력을 측정하는 다수의 제안이 있었다. 이러한 제안 중 몇 가지는 다음 특허문헌에 포함되어 있다.
(특허문헌 1) 5,033,291 (1991) Podollof et al.
(특허문헌 2) 5,449,002 (1995) Goldman
(특허문헌 3) 5,678,448 (1997) Fullen et al.
(특허문헌 4) 5,875,571 (1999) Huang
(특허문헌 5) 6,505,522 (2003) Wilssens
(특허문헌 6) 6,807,869 (2004) Farringdon et al.
(특허문헌 7) 7,191,644 (2007) Haselhurst et al.
특허문헌 1은 저항성 압력 감지 센서에 의해 발의 압력 분포를 측정하는 플렉서블 촉각 센서를 개시한다.
특허문헌 2는 신발에 일체화되고 탄성의 폴리우레탄 유전체를 포함하는 용량성 바이오피드백 센서를 개시한다.
특허문헌 3은 발에 가해진 힘을 지속적으로 측정하는 시스템을 개시하고 있다. 이것은 독립 시스템으로 착용자의 신발 안의 깔창과 발 사이에 힘 센서 어레이를 배치한다. 상기 시스템은 또한 구조가 착용자의 발에 일치하도록 일부가 제거될 필요가 있는 단단한 기재를 개시한다.
특허문헌 4에서 깔창(insole) 패드는 유체 백과 유체 압력 모니터의 형태를 갖는 스텝 계수 장치를 갖는다.
특허문헌 5는 가해진 전체 힘을 얻기 위해 3차원 객체에 의해 발생된 압력 분포를 측정하는 장치와 방법을 개시한다.
특허문헌 6에서는 발과 땅 사이의 신발의 바닥 부분에 신발-기반의 힘 센서가 개재된다. 상기 센서는 저항성이며 절연 물질인 압축성 탄성 탄성중합체의 중간층을 가지며, 상기 중간층은 전도성 금속 필라멘트를 내장하고 있다.
특허문헌 7은 걷는데 어려움을 겪는 사람의 테라피 치료를 보조하는데 사용되는 개인용 신호 표시기와 깔창 압력 센서를 개시한다. 신발 내에 제거가능한 깔창이 놓이며 이것은 발의 착지를 비례적으로 감지하고 측정값을 분석을 위해 수신기에 송신한다.
전술한 특허들은 발바닥 위에서 압력과 힘을 감지하는 다수의 시도 중 대표적인 것이다. 그러나, 각각은 보통 교정장치 없이 압력 측정값을 제공하기 위해 별도의 요소가 필요한 것으로 보인다. 센서를 포함하는 본체는 다른 어떤 기능을 제공하지 않는다. 이러한 종래 기술에서, 어떤 센서들은 신발 자체에 내장되고 따라서 신발 사이에 이동 가능하지 않다.
발의 압력을 동적으로 매핑(map) 및 처리하여 수신기와 다른 분석 장치에 무선 송신하는 지능형 교정 깔창이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 발의 압력을 매핑하는 일체형 교정 깔창을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발의 압력을 매핑하고 그 압력 지도를 최종 사용 포맷으로 처리하는 교정 깔창을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면 지능형 교정 깔창은 신발 표면과 접촉하고 착용자의 발에 대해 교정 표면을 구획하는 하위부를 포함한다. 상기 하위부와 거의 동일한 공간을 점유하는 커버가 중간의 힘 감지 매트릭스 위에 놓인다. 상기 하위부, 커버 및 힘 감지 매트릭스는 제거 가능한 일체형 내부 깔창을 형성한다. 프로세서는 상기 소스 감지 매트릭스로부터 신호를 수신하여 발에 의해 가해진 압력의 크기와 위치에 대응하는 출력신호를 생성한다. 이들 신호는 원격지에 전송될 수 있다.
첨부된 청구항들은 본 발명의 주제를 구체적으로 지적하고 명백히 주장한다. 본 발명의 다양한 목적, 이점 및 신규의 특징들은 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해될 수 있을 것이며, 도면에서 같은 참조 번호는 동일한 부분을 지칭한다.
도 1은 본 발명에 의해 구성된 교정 깔창에 대한 바닥 분해도이고;
도 2는 도 1의 교정 깔창에 대한 평면 분해도로서 하위부, 커버 및 중간의 힘 감지 매트릭스를 도시하며;
도 3은 본 발명을 포함하는 시스템의 개략도이고; 및
도 4 내지 6은 착용자 3명의 발에서 생성된 압력 지도의 이미지이다.
전술한 미국 특허 제7,392,559호는 본 발명을 포함하지 않은 교정 삽입물의 구성을 설명하고 있다. 도 1 및 2는 본 발명에 의해 구성된 지능형 교정 깔창(10)을 도시하며 바닥층에는 뒷굽 스태빌라이저(stabilizer)(11)와 중앙(midfoot) 스태빌라이저(12)를 갖는다. 미국 특허 제7,392,559호에 의해 교정기(13)이 구성되어 스태빌라이저(11, 12)의 위에 놓인다. 깔창(10)은 또한 중족골 지지부(14)와 앞발 포스트(15)를 포함할 수도 있다. 상부 커버(16)는 전체 교정 깔창(10) 위에 놓인다. 알려진 바와 같이, 교정 삽입물 자체는 가공 여유를 허용하기 위해 소정의 두께를 갖는다.
도 1 및 2는 또한 압력의 크기와 위치에 대한 정보를 제공하여 3차원 압력 지도를 생성하는 용량성(capacitive) 힘 감지 매트릭스인 일체형 센서 패드(17)를 갖는 교정 깔창(10)을 도시한다. 깔창(10)에 통합하기 위해, 도 1과 2의 센서(17)는 용량성 센서 어레이가 내장된 플렉서블(flexible) 촉각 센서를 구성하는 것이 바람직하다. 몇 가지 대안적인 실시예가 있다. 어떤 실시예에서는, 제 1 및 제 2 독립형 얇은 층은 보통 서로 직교하는 도체 트레이스(trace)를 포함하고 유전체 재료의 반대편에 놓인다. 상기 얇은 층들은 폴리우레탄 위나 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 재료 위에, 또는 폴리우레탄, EVA 또는 트라이플루오르프로폴카보네이트(FPCB) 기판 위에 성형된 실리콘 위에 도전성 잉크 트레이스를 포함할 수 있다.
다른 구성들은 힘과 밸런스를 모니터링하기 위해 깔창 내에 전략적으로 배치되는 별개의 센서 요소를 사용한다. 도전성 옷감, 메시 또는 도색된 표면의 제 1 층이 EVA, 실리콘 또는 폴리우레탄 같은 얇은 압축성 유전체 재료의 층에 삽입되거나 적용될 수 있다. 유전체 재료의 반대쪽의 제 2 층은 압력 또는 힘을 측정하는 전극들을 갖는 회로를 포함한다. 전극들의 제 2 층은 구리 덮인 캅톤(copper clad Kapton) 같은 플렉서블 회로 재료를 사용하거나 - 여기서 관련 없는 구리는 에칭됨 - 또는 마일라(Mylar) 필름에 도전성 잉크를 인쇄하는 방법을 사용하여 구성될 수 있다.
EVA 같은 깔창용으로 사용되는 동일한 재료를 사용하는 한 가지 이점은 센서 자체의 기준 값이 EVA 압축 같은 발포 재료의 시간과 사용에 따른 깔창 마모의 훌륭한 표시자가 될 수 있다는 것이다. 상기 재료가 압축하여 전극 사이의 변형의 정도를 증폭하도록 공간을 제공하기 위해 센서의 유전체 층에서 기하 구조나 패턴을 설계하는 것이 필요할 것이다.
깔창의 구성요소가 착용자의 인체구조 측정에 기초하여 선택되는 모듈식 깔창 설계에 있어서, 센서 요소들은 상기 모듈식 구성요소 내부에 배치될 수 있으며 스냅 버튼이나 도전성 테이프를 사용하여 센서 요소를 프로세서(21)에 전기적으로 연결할 수 있다.
센서 어레이의 사용은 일정 범위의 공간 해상도(spatial resolutions)를 갖는 센서 패드의 구성을 가능하게 한다. 200개 이상의 임의 범위의 센서가 가능하지만, 센서 패드(17)에 내장된 3 내지 20개 센서의 해상도면 충분할 것으로 보인다.
도선(20)은 센서 패드(17) 내의 감지 매트릭스를 프로세서(21)에 연결하여 프로세서가 센서 출력을 모니터링하고 그것을 시각-표시형(time-stamped) 데이터 패킷으로 변환하여 이를 기초로 동적 압력 지도를 생성하게 한다. 본 발명에 있어서 프로세서(20)는 교정기(13)에 내장될 수도 있다. 도선(20)은 프로세서(21)를 외부로 연장하여 외측 가장자리 개구 같은 착용자의 신발이나 발목 둘레 같은 착용자 신체의 일정 부분에 고정할 수 있게 한다.
도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 형태에서, 센서 패드(17)와 프로세서(21)를 구비한 깔창(10)이 송신기(22)와 안테나(23)를 구비한 시스템(30) 내에 포함될 수 있으며 송신기 및 안테나는 수신기(35)와 안테나(36)를 포함하는 원격 수신기 시스템(34)에서 수신할 수 있도록 데이터를 무선으로 송신한다. 프로세서(37)는 상기 수신된 신호에 응답하여 디스플레이(38)에 출력을 생성한다. 이 시스템(30)은 착용자 운동하는 중이라도 원격 위치에서 데이터가 수집될 수 있도록 하는 이점을 갖는다. 대안으로, 프로세서는 요구 시 나중에 다운로드를 위해 데이터를 수집할 충분한 저장소를 가질 수도 있다.
배터리나 동작-유도형(motion-induced) 발전기가 프로세서(21)와 송신기(22)에 전력을 공급한다. 예를 들면, 전력 공급장치는 프로세서(21)와 일체화된 진동형 자석 발전기를 포함할 수 있다.
도 3의 시스템의 구조는 상기 시스템을 구성하고 전송되는 정보를 결정하는데 유연성을 제공한다. 예를 들어, 만일 송신기(22)가 블루투스 기능을 갖는 경우라면, 최신 이동전화기가 도 3의 원격 수신기 시스템(34)을 구성할 수 있다. 상기 원격 수신시스템은 또한 전자메일을 보내거나 청각 및/또는 촉각 신호를 제공할 수 있다.
상이한 메시지가 송신될 수도 있을 것이다. 단순한 문자 메시지나 전자메일은 날짜, 활동 레벨 및 체중 변화를 포함할 수 있을 것이다. 좀 더 기술적인 메시지나 전자메일은 이전 날의 경우와 비교한 활동 레벨과 지난 수일 또는 수주 동안의 체중 변화의 양을 포함할 수 있을 것이다.
상이한 청각 또는 촉각 신호는 응용에 따라서는 사용자에게 실시간 피드백을 제공할 수 있을 것이다. 골퍼는 이와 같은 피드백을 사용하여 자신의 밸런스가 너무 전위된 것을 알 수 있을 것이다. 당뇨병 환자는 피드백을 통해 한 발의 뒷굽에 너무 큰 압력이 너무 오랫동안 가해지고 있음을 알 수 있을 것이다. 밸런스-장애를 겪고 있는 사람은 비행기 계단을 내려갈 때 한 발이 단단하게 접촉하고 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
일반적으로 사람은 항상 신발을 착용하고 그 상태에서 다수의 활동을 수행하기 때문에, 또한 지능형 교정 깔창이 상이한 신발 내에 배치될 수 있기 때문에, 지능형 교정 깔창의 연속적인 사용이 종래의 특허에서 설명된 신발 전용 모니터링 장치나 체스트 트랩(chest trap)을 갖는 펄스 모니터 같은 다른 활동 모니터링 장치보다 훨씬 더 용이하다.
성과 데이터를 원격 호스트에 무선 전송하는 지능형 깔창은 또한 비디오 게임 콘솔, 모바일 게임 장치, 또는 모바일 전화기를 포함하는 오락시스템을 위한 컨트롤러로서 사용될 수 있다. 예컨대 힘, 카덴스 또는 밸런스를 포함하는 전술한 동일한 정보가 사용자의 동작을 아바타의 가상 동작으로 변환하는데 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같은 시스템에서 사용된 도 1 및 2에 도시된 깔창(10) 같은 지능형 깔창은 도 4 내지 6에 도시된 것과 같은 이미지를 생성할 수 있다는 것이 이제 명확히 밝혀질 것이다. 이것들은 동적 활동 중에 생성된 화면 갈무리이다. 분명한 것은 센서가 발에 대해 압력의 크기와 위치를 확인하고 있다는 것이다.
이와 같이 본 발명에 의해서 구성된 시스템은 발의 압력을 매핑하는 교정 깔창을 제공한다. 또한 이동전화기를 포함하는 다양한 장치를 통해 전송하기 위해 그리고 전자메일 메시지를 생성하기 위한 포맷으로 이들 압력 지도를 처리한다.
본 발명은 특정 실시형태에 의해 개시되었다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상기 개시된 장치에 대해 많은 변형이 이루어질 수 있음은 명백하다. 예를 들어, 깔창에 통합된 센서 패드(17)는 여러 형태 중 하나가 될 수 있다. 저항성 센서 같은 용량성 센서 이외의 센서들도 이러한 센서의 알려진 문제들만 용인될 수 있다면 깔창에서 대체될 수 있다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위 내에 포함되는 모든 변형과 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 신발 내에 삽입되어 발에 의해 가해진 압력을 나타내는 출력 신호를 송신하는 지능형 교정 깔창(orthotic insole)에 있어서,
    i) 신발 표면에 접촉하여 착용자를 위한 교정기(orthotic)를 구획하는 하위부, 및 ⅱ) 상기 하위부에 부착되고 상기 하위부와 상기 착용자의 발 사이에 개재되어 상부에 가해진 압력의 크기와 위치에 대한 정보를 포함하는 신호 어레이를 생성하는 센서 패드 수단을 포함하는 일체형 구조체,
    상기 센서 패드 수단의 신호에 응답하여 대응하는 출력 신호를 생성하는 프로세서, 및
    상기 프로세서에 부착되고 상기 출력 신호를 원격지로 전송하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 상기 깔창에 작용하는 힘의 3차원 압력 지도를 생성하는 용량성 힘 감지 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용량성 힘 감지 매트릭스는 압축성 유전체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 플렉서블(flexible) 촉각 센서로 형성되는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 내장형 용량성(embedded capacitive) 압력 센서 어레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 내장형 분리 용량성(embedded discrete capacitive) 압력 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 힘 감지 매트릭스는 200개 까지의 압력 감지 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 힘 감지 매트릭스는 3 내지 20개의 압력 감지 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 센서 패드 수단의 신호를 추가의 시각-표시형(time-stamped) 데이터 패킷으로 변환하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 일체형 구조체에 내장되는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신수단은 상기 일체형 구조체에 내장되는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 하위부와 상기 센서 패드 수단 위에 위치하는 일체형 커버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  13. 발의 압력에 대해 시간에 민감한(time sensitive) 정보를 제공하는 지능형 교정 깔창에 있어서,
    i) 신발 표면에 접촉하여 착용자를 위한 교정기를 구획하는 하위부, ⅱ) 상기 하위부와 거의 동일한 공간을 점유하는 커버, 및 ⅲ) 상기 하위부와 상기 커버 사이에 개재되어 일체를 이루고 상부에 가해지는 압력의 크기와 위치에 대한 정보를 생성하는 일련의 신호를 생성하는 센서 패드 수단을 포함하는 일체형 구조체,
    상기 센서 패드 수단의 신호에 응답하여 대응하는 출력 신호를 생성하는 프로세서,
    상기 프로세서에 부착되고 상기 무선 출력 신호를 전송하는 수단, 및
    상기 무선 출력 신호를 수신하여 그 결과를 디스플레이하는 원격지의 수신수단를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신수단은,
    i) 안테나,
    ⅱ) 상기 무선 출력신호를 수신하는 수신기,
    ⅲ) 디스플레이, 및
    ⅳ) 상기 수신기에서 수신한 상기 무선 출력신호를 상기 교정 깔창에 인가된 압력의 표시로 변환하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 상기 깔창에 작용하는 힘의 3차원 압력 지도를 생성하는 용량성 힘 감지 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 용량성 힘 감지 매트릭스는 압축성 유전체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 플렉서블 촉각 센서로 형성되는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 내장형 용량성 압력 센서 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 패드 수단은 내장형 분리 용량성 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 센서 패드 수단의 신호를 추가의 시간-표시형 데이터 패킷으로 변환하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창.
  21. 착용자의 신발에 삽입되어 착용자의 발에 의해 깔창에 가해진 압력을 나타내는 출력 신호를 송신하는 지능형 교정 깔창 어셈블리에 있어서,
    상기 깔창 어셈블리는 교정기(orthotic), 상기 교정기와 착용자의 발 사이에 개재되어 상부에서 가해지는 압력의 크기와 위치에 대한 정보를 생성하는 센서 패드, 및 상기 정보에 응답하여 대응하는 출력 신호를 생성하여 원격지에 전송하는 프로세서를 일체형 구조체로서 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 교정 깔창 어셈블리.
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