KR20120067986A - 운동 처방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 운동기구 관리서버, 다수 운동기구 단말기, 다수 사용자 단말기를 구비하여 이루어지며, 피트니트센터와 같은 운동시설에 적합한 운동처방 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 각 운동기구 단말기는 그 운동기구의 현 사용자를 무자각적으로 자동 감지하고, 사용자의 운동 히스토리(History) 정보를 운동기구 관리서버에서 읽어 들이며, 사용자 단말기 등을 통해 운동 중의 사용자의 기초체력 등을 측정하며, 이렇게 얻어진 기본개인정보, 기초체력측정정보, 그리고 최대 산소섭취량(이하 VO2Max라 함)를 통해 공식화, 정량화 된 각 사용자에 맞는 운동처방을 결정하여 실시간적으로 각 운동기구 단말기를 통해 사용자에게 피드백(Feedback)시켜주는 운동처방 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 체스트(chest) 벨트와 함께 결합되어 흉부에 착용되어 사용자의 심전도, 광용적맥파(PPG), 활동도, 체온의 생체 신호를 검출하는 슬레이브 모듈를 구비하는 사용자 단말기와 상기 사용자 단말기로부터 수신된 생체신호와, 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 이용하여 운동처방을 결정하고, 운동처방에 따라 운동기구를 제어하는 운동기구 단말기 및 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 저장하고 있으며, 상기 운동기구 단말기로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장하며, 상기 운동기구 단말기의 요청에 따라 , 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 운동기구 단말기로 송신하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 체스트(chest) 벨트와 함께 결합되어 흉부에 착용되어 사용자의 심전도, 광용적맥파(PPG), 활동도, 체온의 생체 신호를 검출하는 슬레이브 모듈를 구비하는 사용자 단말기와 상기 사용자 단말기로부터 수신된 생체신호와, 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 이용하여 운동처방을 결정하고, 운동처방에 따라 운동기구를 제어하는 운동기구 단말기 및 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 저장하고 있으며, 상기 운동기구 단말기로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장하며, 상기 운동기구 단말기의 요청에 따라 , 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 운동기구 단말기로 송신하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 운동기구 관리서버, 다수 운동기구 단말기, 사용자 단말기를 구비하여 이루어지는 운동처방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는, 각 운동기구 단말기는 그 운동기구의 현 사용자를 무자각적으로 자동 감지하고, 사용자의 운동 히스토리 (History) 정보를 운동기구 관리서버에서 읽어 들이며, 사용자 단말기 등을 통해 운동 중의 사용자의 기초체력 등을 측정하며, 이렇게 얻어진 기본개인정보, 기초체력측정정보, 그리고 최대 산소섭취량(이하 VO2max라 함)를 통해 공식화, 정량화, 개량화된 각 사용자에 맞는 운동처방을 결정하여 실시간적으로 각 운동기구 단말기를 통해 사용자에게 피드백(Feedback)시켜주는 운동처방 시스템에 관한 것이다.
운동시 동작의 모니터링은 주로 운동시의 동영상 정보를 기록하여 당사자에게 피드백하는 방법에 의해 이루어지는데, 이러한 영상 정보를 기록하기위해서 사용자는 영상 기록 장치를 별도로 구비하여야하고 이를 조작하는 조력자가 함께 동행해야한다. 이 경우, 사용자는 자신이 운동하는 도중 스스로의 동작을 모니터링하는 것은 어렵다.
최근들어, 운동을 수행하는 대상에게 접촉되어 대상자의 생체신호를 측정하고, 대상자 또는 운동기구의 움직임에 따른 운동신호를 측정하여 생체신호 및 운동신호를 송신하는 운동 감지 장치와, 생체신호 및 운동신호로부터 생체정보 및 운동정보를 얻고, 생체정보로부터 대상자가 최적의 생체상태인 회수구간을 얻으며, 회수구간동안 운동정보로부터 최적의 운동결과를 구하여 대상자에게 알리는 이동 단말기를 포함하여 이루어지는 골프나 테니스와 같은 운동시의 운동 동작 모니터링 장치에 대한 연구들이 이루어지고 있다.
그러나 이러한 연구들에 있어서도 생체신호를 측정하는 장치에 의해 운동자의 몸이 구속되며, 실시간적으로 운동처방을 받기 힘들며, 특히 공식화, 정량화, 개량화된 각 사용자에 맞는 운동처방을 얻기 힘들다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 피트니스 센터와 같은 운동시설 환경에 적합한 시스템을 제공하되, 생체계측 단말기에서 획득되는 다양한 생체정보를 바탕으로 현재 건강상태와 운동강도의 적합성을 판단하여, 개인별 운동능력에 맞추어 운동기구 관리서버로부터 해당 운동강도를 처방받고, 처방받은 정보를 바탕으로 운동기구를 제어하는 운동처방 시스템 및 운동처방 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 운동 후 운동기구 관리서버에 저장된 운동정보는 사용자가 확인할 수 있으며, 피트니스 센터와 같은 운동시설에 설치된 관리서버를 통합 관리하는 통합 서버를 서비스를 제공하는 자가 관리하도록 이루어진 운동처방 시스템 및 운동처방 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 따른 과제는, 운동기구 관리서버, 다수 운동기구 단말기, 사용자 단말기를 구비하여 이루어지되, 각 운동기구 단말기는 그 운동기구의 현 사용자를 무자각적으로 자동 감지하고, 사용자의 운동 히스토리(History) 정보를 운동기구 관리서버에서 읽어 들이며, 사용자 단말기 등을 통해 운동 중의 사용자의 체력 등을 측정하며, 이렇게 얻어진 기본개인정보, 체력측정정보, 그리고 최대 산소섭취량(VO2max)를 통해 공식화, 정량화, 개량화된 각 사용자에 맞는 운동처방을 결정하여 실시간적으로 각 운동기구 단말기를 통해 사용자에게 피드백시켜주는 운동처방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 운동기구 단말기에 피드백한 정보인 운동처방이 실시간으로 변경 됨으로서 사용자에게 적당한 운동처방이 가능하게 하되, 사용자가 단말기를 부착하여 운동기구에서 운동을 하는 동안 단말기를 통해 사용자의 생체 데이터(Bio-Data)가 실시간적으로 무자각적으로 운동기구 단말기에 전송되어 전송된 생체 데이터와 운동기구 관리서버에 있는 기 저장된 데이터를 바탕으로 실시간적으로 바이오피드백(Bio-Feedback)되어 운동기구를 제어하는 운동처방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 지난 운동정보와 최초 개인 기본정보 및 기초 체력 정보를 통한 운동처방뿐만 아니라 슬레이브 모듈에서 실시간으로 계측되는 생체 정보들을 바탕으로 운동 중 생체의 정보가 어떻게 변화하는지를 모니터링하고, 이를 실시간으로 반영한 운동처방 및 운동기구의 제어가 이루어지게 하며, 바이오피드백 데이터로서도 사용 가능하며, 또한 운동량 분석 및 전문가의 분석을 통한 진료를 위한 데이터로서 사용이 가능하도록 이루어진 운동처방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 운동처방 시스템은 체스트(chest) 벨트와 함께 결합되어 흉부에 착용되어 사용자의 심전도, 광용적맥파(이하 PPG라 함), 활동도, 체온의 생체 신호를 검출하는 슬레이브 모듈를 구비하는 사용자 단말기; 상기 사용자 단말기로부터 수신된 생체신호와, 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 이용하여 운동처방을 내리고, 운동처방에 따라 운동기구를 제어하는 운동기구 단말기; 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 저장하고 있으며, 상기 운동기구 단말기로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장하며, 상기 운동기구 단말기의 요청에 따라 , 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 운동기구 단말기로 송신하는 운동기구 관리서버;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 사용자에게 지급되는 사용자 단말기, 운동기구에 장착되어 있는 운동기구 단말기, 상기 운동기구 단말기를 통합 관리하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 운동처방 시스템에 있어서, 상기 운동기구 단말기는, 상기 운동기구 관리서버로부터 기본개인정보, 기초체력측정정보를 수신하여 이를 바탕으로 VO2max를 추정하고, 추정된 VO2max로부터 운동기구 사용초기의 운동처방을 결정하는 운동기구 연산처리부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 사용자에게 지급되는 사용자 단말기, 운동기구에 장착되어 있는 운동기구 단말기, 상기 운동기구 단말기를 통합 관리하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 운동처방 시스템에 있어서, 상기 운동기구 단말기는, 사용자들의 운동 부하검사 수행을 통해 환기역치를 검출하고, 환기역치까지 도달한 시간과 환기역치 시의 개인별 심박수(HR)를 이용하여 개인별 VO2(산소소비율)를 추정하고, 신체정보, 추정된 상기 VO2, 상기 환기역치까지 도달한 시간, 상기 심박수를 통해 개인별 VO2max를 추정하고, 추정된 상기 VO2max로부터 운동기구 사용초기의 운동처방을 결정하는 운동기구 연산처리부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 사용자에게 지급되는 사용자 단말기, 운동기구에 장착되어 있는 운동기구 단말기, 상기 운동기구 단말기를 통합 관리하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 운동처방 시스템에 있어서, 상기 운동기구 단말기는 유산소 운동일 경우, 기초정보(신장, 체중, 체질량지수(BMI), 혈압, HR, Max HR 등)와, VO2max(ml/kg/min), 운동량(Kcal), 기초체력정보 활용(민첩성, 근지구력, 순발력, 평형성, 유연성, 근력) 을 통하여 
점수화(기본 개인 정보만으로 얻는 정보에 대한 운동능력평가에서 보정값으로 역할)를 구하여 운동처방을 결정하며, 무산소운동의 경우, 횟수, 중량, 세트 수 조합으로 운동처방을 결정하는 운동기구 연산처리부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 사용자에게 지급되는 사용자 단말기, 운동기구에 장착되어 있는 운동기구 단말기, 상기 운동기구 단말기를 통합 관리하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 운동처방 시스템에 있어서, 운동기구 관리서버는 개인별 설문 조사 및 기초체력 정보, 개인정보로부터 질환여부를 판단하여 개인별로 정상군 카테고리와 질환군 카테고리 중 하나로 지정 저장되어 있으며, 상기 운동기구 단말기는 운동 중 실시간으로 측정되는 HR(심박수)가 기 설정된 타겟 심박수 영역을 벗어나게 되면 운동강도를 재조정하며, HRV의 PSD 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio의 상태에 따라서 운동강도를 재조정하며, 심전도의 QT간격(QT interval) 안정시 값에 비해 급격한 변화가 생길 경우 운동강도 재조정하도록 이루어진 운동기구 연산처리부를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 운동기구 단말기는 상기 운동처방에 따라 운동기구의 기구제어신호를 생성하여, 운동기구를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 사용자 단말기는 체스트(chest) 벨트와 함께 결합되어 흉부에 착용되어 사용자의 심전도, PPG, 활동도, 체온의 생체 신호를 검출하는 슬레이브 모듈을 적어도 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 사용자 단말기는 암(arm)밴드와 함께 상완에 착용되어, 운동기구(310)의 TV음원수신, 핸즈프리, MP3 를 포함하는 마스터 모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 마스터 모듈은 메모리 카드를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬레이브 모듈은 RFID 테그를 구비하여, 사용자별로 사용초기에 운동기구 관리서버에 등록되어 지며, 운동기구 단말기는 상기 RFID 테그를 자동검지하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬레이브 모듈은 사용자 ID를 저장하고 있으며, 운동기구의 사용초기에 운동기구 관리서버로 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬레이브 모듈은 심전도 전극부, PPG 센서부, 활동도 센서부, 체온 센서부를 이용하여 생체신호로서 심전도 신호, PPG 신호, 활동도신호, 체온신호를 검출하는 생체신호 검출부; 상기 생체신호 검출부로부터 검출된 생체신호를 증폭하고 잡음을 제거하는 신호전처리부; 상기 신호전처리부의 출력신호를 디지탈신호로 변환하여 운동기구 단말기로 전송하는 슬레이브모듈 데이터 수집부; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
운동기구 단말기는 슬레이브 모듈, 마스터 모듈로부터의 출력신호를 수신하여 운동기구 연산처리부로 전송하는 운동기구 송수신부; 운동처방을 임시 저장하며, 운동기구 사용중 또는 종료후에 운동기구 관리서버로 전송하는 운동기구 메모리부; 운동기구 연산처리부의 출력신호인 사용자의 현재 운동처방, 사용자의 생체신호 및 건강상태를 출력하는 운동기구 출력부; 운동기구 연산처리부로부터의 운동기구 제어신호에 따라 운동기구를 제어하는 운동기구 제어부;를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 운동기구 관리서버는 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 저장하고 있으며, 상기 운동기구 단말기로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장하며, 상기 운동기구 단말기의 요청에 따라, 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 운동기구 단말기로 송신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 운동처방 방법은 운동기구 관리서버에게 해당 사용자에 대한 지난 운동정보와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 요청하고, 운동기구 관리서버로부터 지난 운동정보와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 수신하는 기초정보 수신단계; 상기 기초정보 수신단계에 수신된 기본개인정보, 기초체력측정정보를 바탕으로 VO2max를 추정하고, 추정된 VO2max로부터 초기 운동처방을 결정하는 초기 운동처방단계; 상기 초기 운동처방단계의 운동처방에 따라 운동기구의 기구제어신호를 생성하여, 운동기구를 제어하는 기구제어단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명인 운동처방 방법은 상기 기구 제어단계 후, 슬레이브 모듈로부터 수신된 생체신호로부터 구하여진 심박수(HR), 심박변이도(HRV), QT간격 (QT interval), 체온으로부터 운동처방을 변경할 것인지 여부를 결정하는 운동처방변경여부 판단단계; 상기 운동처방변경여부 판단단계에서 운동처방을 변경한다고 판정되면, 운동처방을 재설정하고, 기구제어단계로 되돌아 가는 운동처방 재설정단계; 만약 운동처방변경여부 판단단계에서 운동처방을 변경안한다고 판정되면, 사용자에 의한 운동정지인지, 운동프로토콜 종료에 의한 운동정지인지를 판단하여, 사용자에 의한 운동정지인지이거나, 운동프로토콜 종료에 의한 운동정지이면 종료하고, 사용자에 의한 운동정지가 아니거나, 운동프로토콜 종료에 의한 운동정지가 아니면, 기구제어단계로 되돌아 가는 종료여부 판단단계;를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 VO2는, 사용자가 남자인 경우,
(여기서, HR은 환기역치에 도달했을 때의 사용자 심박수이며, time은 환기역치에 도달했을 때의 도달 시간)
에 의해 구해지며, VO2max는,
(여기서, bodyfat_mass는 체지방양을 의미하고, age는 나이, waist는 허리둘레 크기, var.time은 운동시작부터 환기역치 시점까지 시간변화량, Obesity는 비만치, slop.VO2는 VO2값에서 VO2max까지 변화하는 슬로프의 기울기임)
에 의해 구해지며, 상기 Obesity는
(여기서, Weight는 몸무게이고, height는 키이고, ideal.weight는 남자의 경우에 (height - 100)x0.92이고, 여자의 경우에는 (height - 100)×0.86 임)
에 의해 구해진다.
본 발명에서 VO2는, 사용자가 여자인 경우,
(여기서, HR은 환기역치에 도달했을 때의 사용자 심박수이며, time은 환기역치에 도달했을 때의 도달 시간)
에 의해 구해지며, VO2max는,
(여기서, age는 나이, SBP는 수축기혈압, var.time은 운동시작부터 환기역치 시점까지 시간변화량, VO2.rest는 안정상태에서의 VO2 값, time.VT는 환기역치에 도달했을 때의 시간임)
에 의해 구해진다.
운동기구 단말기는 운동 중 실시간으로 측정되는 HR(심박수)이 기 설정된 타겟 심박수 영역을 벗어나게 되면 운동강도를 재조정하되, 타겟 심박수 영역보다 높은 HR이 1분간 1회 지속되면 일시적으로 처방된 운동강도보다 한단계 낮은 운동으로 재설정하고, 타겟 심박수 영역보다 낮은 HR이 3분간 지속 시 처방된 운동강도보다 한단계 높은 운동강도로 재설정하도록 이루어진다.
운동기구 단말기는 2주동안 처방받은 운동이 사용자에게 맞지 않아 타겟 심박수 영역보다 높은 HR로 인한 운동처방 변경이 3회이상 일어난 경우는 운동레벨을 재설정하여 운동처방을 수행하도록 이루어지며, 상기 타겟 심박수 영역은, 질환군과 정상군 별로, 최소운동강도에서 최대운동강도로 구비되되,
질환군의 최소운동강도 = 0.5×(maxHR-restHR)-restHR
질환군의 최대운동강도 = 0.75×(maxHR-restHR)-restHR
정상군의 최소운동강도 = 0.6×(maxHR-restHR)-restHR
정상군의 최대운동강도 = 0.85×(maxHR-restHR)-restHR
(여기서, maxHR는 최대 심박수이며, restHR는 안정시 심박수임)
으로 이루어진다.
상기 운동기구 단말기는 HRV의 PSD 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio의 상태에 따라서 운동강도를 재조정하되, LF/HF ratio가 운동 중 실시간으로 1분 단위로 모니터링되며, 2주동안 처방받은 운동에 대해 안정 범위(1.5~2)보다 2배 이상 높거나 낮은 상태가 3회 이상 발생한 경우 처방받은 운동처방보다 낮은 강도로 자동 재설정되도록 이루어진다.
상기 운동기구 단말기는 심전도의 QT간격(QT interval) 안정시 값에 비해 급격한 변화가 생길 경우 운동강도 재조정하되, 안정 시 QT 간격을 기준값으로 하고, 운동 시 실시간 감시를 통해 운동으로 인한 증가가 아닌 비정상적인 급격한 증가가 2주 내에 3회이상 발생한 경우 처방받은 운동처방보다 낮은 강도로 자동 재설정되도록 이루어진다.
또한, 본 발명의 운동처방 방법에 있어서, 사용자가 운동을 시작하게 되면, 사용자단말기로부터 사용자의 심전도, PPG, 활동도, 체온의 생체정보를 검출하고 검출된 생체정보를 운동기구단말기(300)로 전달하는 생체신호 검출단계; 상기 생체신호 검출단계 후, 운동기구 관리서버에 기저장되어 있는 사용자의 정보를 수신하여 사용자가 정상군 카테고리에 속하는지, 아니면 질환군의 카테고리에 속하는지 판단하는 카테고리 판단단계; 상기 카테고리 판단단계에서 사용자가 정상군이라면, 사용자의 HRR(heart rate reserve, 여유심박수)를 구하여, 사용자의 HR이 1분이상 HRR의 85%보다 크다면 운동강도를 감소시키고, 또한 사용자의 HR이 3분이상 HRR의 60%보다 작다면 운동강도를 증가시키는 정상군 HRR에 의한 강도조정단계; 상기 카테고리 판단단계에서 사용자가 질환군이라면, 사용자의 HRR를 구하여, 사용자의 HR이 1분이상 HRR의 75%보다 크다면 운동강도를 감소시키고, 또한 사용자의 HR이 3분이상 HRR의 50%보다 작다면 운동강도를 증가시키는 질환군 HRR에 의한 강도조정단계; 상기 정상군 HRR에 의한 강도조정단계 또는 상기 질환군 HRR에 의한 강도조정단계후, HRV의 주파수 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작다면, 상기 LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작은 상황이 2주에 3회 이상 인가를 판단하여, 3회 이상이라면, 운동강도를 재조정하는 LF/HF비에 의한 강도조정단계;상기 LF/HF비에 의한 강도조정단계후, 심전도의 QT 간격이 비정상적인 증가가 있었는지를 판단하여, 있었다면, 2주에 3회 이상 있었는지를 판단하여, 3회 이상이라면, 운동강도를 재조정하는 QT 간격에 의한 강도조정단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 운동처방 시스템은, 운동기구 관리서버, 다수 운동기구 단말기, 사용자 단말기를 구비하여 이루어지되, 각 운동기구 단말기는 그 운동기구의 현 사용자를 무자각적으로 자동 감지하고, 사용자의 운동 히스토리(History) 정보를 운동기구 관리서버에서 읽어 들이며, 사용자 단말기 등을 통해 운동 중의 사용자의 기초체력 등을 측정하며, 이렇게 얻어진 기본개인정보, 기초체력측정정보, 그리고 최대 산소섭취량(VO2max)를 통해 공식화, 정량화, 개량화된 각 사용자에 맞는 운동처방을 결정하여 실시간적으로 각 운동기구 단말기를 통해 사용자에게 피드백시켜준다.
또한, 본 발명의 운동처방 시스템은, 운동기구 단말기에 피드백한 정보인 운동처방이 실시간으로 변경 됨으로서 사용자에게 적당한 운동처방이 가능하게 하되, 사용자가 단말기를 부착하여 운동기구에서 운동을 하는 동안 단말기를 통해 사용자의 생체 데이터(Bio-Data)가 실시간적으로 무자각적으로 운동기구 단말기에 전송되어 전송된 생체 데이터와 운동기구 관리서버에 있는 기 저장된 데이터를 바탕으로 실시간적으로 바이오피드백(Bio-Feedback)되어 운동기구를 제어하도록 이루어진다.
또한, 본 발명의 운동처방 시스템은, 운동기구 단말기에 저장되어 있는 데이터를 바탕으로 운동기구를 제어하도록 이루어지되, 상기 데이터는 바이오피드백되는 데이터로서 사용이 가능하며, 또한 운동량 분석 및 전문가의 분석을 통한 진료를 위한 데이터로서 사용이 가능하도록 이루어진다.
따라서 사용자가 운동중 생체신호 측정에 따른 구속감을 느끼지 못하면서도 각 운동기구는 사용자의 별다른 설정이 필요없이 사용자에게 보다 알맞는 운동처방을 제공할수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 운동처방 시스템의 설명도이다.
도 2는 상기 도 1의 운동처방 시스템의 구성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명에서 VO2max를 추정하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에서 질환군과 정상군을 분리하여 운동처방을 결정하는 흐름도의 일예이다.
도 5는 상기 도 2의 운동기구 단말기에서의 운동처방을 결정하는 흐름도의 일예이다.
도 2는 상기 도 1의 운동처방 시스템의 구성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명에서 VO2max를 추정하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에서 질환군과 정상군을 분리하여 운동처방을 결정하는 흐름도의 일예이다.
도 5는 상기 도 2의 운동기구 단말기에서의 운동처방을 결정하는 흐름도의 일예이다.
본 발명의 운동처방 시스템은, 기본적으로 피트니스 센터와 같은 운동시설 환경에 적합한 시스템으로서, 생체계측 단말기에서 획득되는 다양한 생체정보를 바탕으로 현재 건강상태와 운동강도의 적합성을 판단하여, 개인별 운동능력에 맞추어 운동기구 관리서버로부터 해당 운동강도를 처방받고, 처방받은 정보를 바탕으로 운동기구를 제어한다. 또한, 운동 후 운동기구 관리서버에 저장된 운동정보는 사용자가 확인할 수 있으며, 피트니스 센터와 같은 운동시설에 설치된 관리서버를 통합 관리하는 통합 서버를 서비스를 제공하는 자가 관리하도록 이루어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 운동처방 시스템을 개념적으로 설명하기위한 설명도이다.
본 발명은 다수의 운동기구들을 구비하는 피트니스센터와 같은 운동시설에서 사용되는 운동처방 시스템으로, 운동기구 관리서버(400), 운동기구 단말기(300), 사용자 단말기(100)를 구비한다.
본 발명에 있어서, 먼저 사용자가 처음 피트니스센터에 오게 되면, 가장 먼저 과거 병력을 포함한 의료기록 및 개인 기본정보를 작성하게 되고, 이는 바로 운동기구 관리서버에 “개인 기본정보”로 저장된다. 그 후 기초체력 측정장치를 통해 개인이 가지고 있는 현재의 체력상태를 측정하게 되고 이 정보 역시 “기초체력 정보”로 운동기구 관리서버에 저장된다. 개인 기본정보는 과거 병력, 키, 몸무게, BMI, 혈압, 심박수, 그리고 체성분 분석치가 포함되며, 기초체력정보는 민첩성, 근지구력, 순발력, 평형성, 유연성, 근력이 포함된다. 후술되는 유산소 운동에서의 운동처방은, 최초 피트니스센터 방문으로 얻은 두 가지 정보, 즉 개인 기본정보와 기초체력 정보를 바탕으로 운동처방 군(群)이 나눠지게 되고, 그 분류는 다시 개인의 VO2max값에 따라 운동처방이 24주 프로그램으로 사용자에게 제공될 수 있다.
사용자 단말기(100)는 사용자에게 장착되어, 사용자의 심전도, PPG, 활동도, 체온 등의 생체 신호를 검출하며, 검출된 생체신호는 블루투스(bluetooth)를 통해 사용자 단말기를 장착한 시용자가 운동중인 운동기구 단말기(300)로 전송한다. 사용자 단말기(100)는 슬레이브 모듈(Slave module)과 마스터 모듈(master module)로 이루어지거나, 슬레이브 모듈만으로 이루어질 수 있으며, 이들 모듈들은 배터리 구비하여 구동된다.
슬레이브 모듈(110)은 체스트(chest) 벨트와 함께 결합되어 흉부에 착용되며, 심전도, PPG, 활동도, 체온 등의 생체 신호를 검출하며, 검출된 생체신호는 시용자가 운동중인 운동기구 단말기(300)로 전송된다.
마스터 모듈(210)은 암(arm)밴드와 함께 상완에 착용되어, 운동기구(310)의 TV음원수신, 핸즈프리, MP3의 기능을 하며, 슬레이브 모듈로부터 수신된 데이터를 저장하여, 필요에 따라 USB 인터페이스 등을 통해 개인용 컴퓨터(미도시), 전문가 서버(미도시) 또는 운동기구 관리서버(400) 등에 데이터를 전송할 수 있다. 마스터 모듈은 MP3 데이터, 슬레이브 모듈로부터 수신된 데이터를 저장하기위해 메모리 카드를 내장하고 있으며, 상기 메모리 카드는 마이크로 SD 카드(micro-SD card)일 수있다.
즉, 슬레이브 모듈(110)은 생체 데이터 측정 및 전송(Bluetooth)을 행하며, 마스터 모듈은 엔터테인먼트(entertainment) 기능, 즉 운동기구 TV장치와 음원 연결, 휴대폰 핸즈프리, MP3 듣기) 등과, 데이터 저장(micro-SD card) 기능, 그리고 엔터테인먼트 기능구현을 위한 음원 송수신(Bluetooth)의 역할을 수행한다.
또한, 슬레이브 모듈 내부에 사용자 ID가 저장되어 있으며, 이는 운동기구 단말기와의 통신 프로토콜 속에 존재할 수 있다. 운동기구 단말기가 자동으로 주변 블루투스 장치를 지속적으로 찾고 있는 상태에서, 운동자가 체스트 밸트에 슬레이브 모듈을 결합하여 (또는 슬레이브 모듈이 마스터 모듈과 결합된 형태로 상완에 착용되어) 운동기구 단말기에 접근했을 때, 운동기구 단말기는 주변 블루투스 장치를 운동 기구 출력부 GUI를 통해 사용자에게 보여지고, 자신이 착용하고 있는 단말기의 ID로 검색된 블루투스를 선택하도록 유도한다. 현재 운동자의 ID로 검색된 블루투스 장치가 운동기구 단말기의 블루투스 장치와 연결이 되면, 비로소 운동처방이 운동기구 관리서버로부터 운동자의 개인 정보들이 운동기구 단말기로 정보를 보내주고, 슬레이브 모듈에서는 운동자의 생체신호를 실시간으로 계측하여 운동기구 단말기로 전송하게 된다.
운동기구 단말기(300)는 유선 또는 무선으로 통신을 통하여 운동기구 관리서버(400)로부터 사용자의 운동 히스토리(History) 정보를 수신하며, 사용자 단말기(100)로부터 사용자의 생체신호들을 수신하며, 이들을 바탕으로 사용자에게 알맞는 운동처방을 결정하여 운동기구(310)를 제어한다. 주어진 정보에 따라 정량적으로 세분화된 운동처방 정보를 받은 운동기구(310)는 처방 정보에 따라 자동으로 기구를 제어함으로써 사용자에게 맞춤형 운동처방을 제시한다.
운동기구 단말기(300)는 사용자 단말기(100)의 슬레이브 모듈로부터 사용자 ID를 전달받으면, 운동기구 관리서버(400)에서 해당 사용자에 대한 지난 운동정보와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 요청하고, 이들 정보를 바탕으로 초기 운동처방을 내리게 된다.
지난 운동정보와 최초 개인 기본정보 및 기초 체력 정보를 통한 운동처방뿐만 아니라 슬레이브 모듈에서 실시간으로 계측되는 생체 정보들을 바탕으로 운동 중 생체의 정보가 어떻게 변화하는지를 모니터링하고, 이를 실시간으로 운동처방에 반영하여 처방 및 운동기구(310)의 제어가 이루어지게 한다.
운동기구 단말기(300)와의 최초 연결은 슬레이브 모듈의 블루투스이고, 이 통신이 확보되면, 2차적으로 마스터 모듈의 블르투스가 운동기구 단말기(300)와 연결되어 통신망이 확보된다.
운동기구 관리서버(400)는 운동 시설을 이용하는 사람들의 기본 개인 정보 데이터를 저장하고 있으며, 운동기구 단말기(300)로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장한다. 운동기구 관리서버(400)는 운동 시설 내의 서버로서, TCP-IP통신으로 유선또는 무선으로 운동기구 단말기(300)와 통신한다.
각 슬레이브 모듈(110) 또는 마스터 모듈(210)은 RFID 테그를 구비하여, 사용자별로 사용초기에 운동기구 관리서버(400)에 등록되어 질 수 있으며, 운동기구 관리서버(400)는 이를 자동검지할 수 있다.
본 발명의 운동처방 시스템은 피트니스센터와 같은 운동시설 각각에 설치된 운동기구 관리서버(400)를 통합 관리하기 위한 통합 서버(미도시)를 구비하며, 통합 서버는 서비스 제공하는 자, 즉 운동처방 서비스 제공 업체 측에서 관리한다.
통합 서버(미도시)는 운동시설 각각에 설치된 운동기구 관리서버(400)를 통합 관리하기위한 서버로, 인터넷 망을 통해 운동기구 관리서버(400)와 연결된다.
도 2는 도 1의 운동처방 시스템의 구성을 설명하기위한 설명도이다.
슬레이브 모듈(110)은 생체신호 검출부(120), 신호전처리부(140), A/D변환기(170), 슬레이브모듈 연산처리부(180), 슬레이브모듈 송수신부(190)를 구비한다. 슬레이브 모듈(110)에서 측정하는 파라미터는 심전도, 활동도, 체온 그리고 광용적맥파(PPG)를 측정한다.
생체신호 검출부(120)는 센서들을 이용하여 생체신호, 즉 심전도 신호, PPG 신호, 활동도신호, 체온신호 등을 검출하는 수단으로, 심전도 전극부(122), PPG 센서부(124), 활동도 센서부(126), 체온 센서부(128)를 포함한다.
심전도 전극부(122)는 2개 이상의 심전도 전극을 구비하여, 심전도 신호를 검출한다. 슬레이브 모듈(110)에 심전도 전극을 2개 구비하여 심전도 신호를 검출할 수 있는데, 즉, 심전도 전극을 사용자의 양쪽 가슴에 부착함에 따라 운동 중 사용자의 리드I(Lead I) 심전도 신호를 검출한다. 여기서는 미도시되었지만, 경우에 따라서는, 상완에 장착된 마스터 모듈(210)에 심전도 전극을 1개 더 구비하고, 귀에 장착되는 이어폰부(미도시)에 심전도 전극을 1개 더 구비하여 리드II로 심전도 신호를 검출할 수 있다.
PPG 센서부(124)는 발광부와 수광부를 구비하여, PPG 신호를 검출한다.
활동도 센서부(126)는 가속도 센서를 구비하여 움직임에 따른 활동도를 검출한다. 가속도 센서로 3축 가속도 센서를 사용할 수 있으며, 그럼에 의해 움직임에 따른 3축 가속도 신호를 검출하여 활동도를 측정할 수 있다.
체온 센서부(128)는 피부와 접촉가능한 부분에 위치하여 체온을 검출한다.
신호전처리부(140)는 상기 생체신호 검출부(120)로부터 검출된 생체신호, 즉 심전도 신호, PPG 신호, 활동도신호 등을 증폭하고 잡음을 제거하는 등 전처리하는 수단으로, 심전도 전처리부(142), PPG 전처리부(144), 활동도 전처리부(146), 체온 전처리부(148)를 포함한다.
심전도 전처리부(142)는 심전도 전극들에서 검출된 심전도 신호를 증폭하고 잡음을 제거한다.
PPG 전처리부(144)는 PPG 센서부(124)에서 검출된 PPG 신호를 증폭하고 잡음을 제거한다.
활동도 전처리부(146)는 활동도 센서부(126)에서 검출된 활동도 신호를 증폭하고 잡음을 제거한다.
체온 전처리부(148)는 체온 센서부(128)에서 검출된 체온 신호를 증폭 등의 전처리를 한다.
A/D변환기(170)는 신호전처리부(140)의 출력신호를 디지탈신호로 변환한다.
슬레이브모듈 연산처리부(180)는 A/D변환기(170)의 출력신호를 슬레이브모듈 송수신부(190)에서 송신하기위한 신호로 변환한다. 슬레이브모듈 송수신부(190)로부터 운동기구 단말기(300)의 요청을 수신하며, 수신된 요청에 따라 사용자 ID 등 사용자 정보를 슬레이브모듈 송수신부(190)를 통해 운동기구 단말기(300)로 전송한다. 경우에따라서, 슬레이브모듈 연산처리부(180)는 생략되어질 수 있다.
슬레이브모듈 송수신부(190)는 슬레이브모듈 연산처리부(180)의 출력신호를 운동기구 단말기(300)로 전송한다.
미도시되었지만, 슬레이브 모듈(110)은 슬레이브모듈 메모리부를 더 구비할 수 있다. 슬레이브모듈 메모리부(미도시)는 사용자 ID등 사용자 기본정보를 저장하고 있으며, 운동기구 단말기(300)의 요청에 따라 사용자 ID를 슬레이브모듈 송수신부(190)를 통해 운동기구 단말기(300)로 전송한다.
본 발명에서 A/D변환기(170), 슬레이브모듈 연산처리부(180), 슬레이브모듈 송수신부(190)는 슬레이브모듈 데이터 수집부로서, 경우에 따라서는 하나의 데이터 수집 칩으로 이루어질 수 있다.
마스터 모듈(210)은 음원 연결부(220), MP3(230), 휴대폰 헨즈프리부(240), 메모리카드(250), 마스터모듈 송수신부(290), 마스터모듈 설정부(280)를 구비한다.
음원 연결부(220)는 운동기구(310)의 옆에 장착되어 있는 TV의 음원 또는 운동기구 단말기(300)로부터 마스터모듈 송수신부(290)를 통해 수신되는 음원을 출력한다. 음원 연결부(220)는 스피커 또는 헤드셋을 통해 음원을 출력한다.
MP3(230)는 일반 MP3 장치를 내장하고 있어, 사용자가 운동중에 스피커, 헤드셋 등을 통해 음원을 들을 수 있다.
휴대폰 헨즈프리부(240)는 휴대폰 헨즈프리 장치를 내장하고 있어, 사용자가 운동중에 마이크가 장착된 헤드셋 등을 통해 의사소통을 할수 있다.
메모리카드(250)는 개인 기본 정보를 저장하고 있으며, 사용자가 운동중 듣는 음원 중 저장하고 싶은 음원 등을 저장할 수 있다. 미도시되었지만, 경우에 따라서는 슬레이브 모듈(110)에서 검출된 생체신호를 무선 수신하여 저장할 수 있다. 메모리카드(250)의 데이터는 경우에 따라서 출력포트(미도시)를 통해 컴퓨터 등에 저장할 수 있다.
마스터모듈 수신부(290)는 운동기구 단말기(300)로부터 TV의 음원 또는 운동기구 단말기(300)에서 생성된 음원을 수신하며, 수신된 음원을 음원 연결부(220)로 전송한다. 또한, 메모리카드(250)로부터의 정보, 즉 개인 기본 정보 등을 수신하여, 운동기구 단말기(300) 또는 인접한 컴퓨터로 전송한다.
미도시되었지만, 마스터모듈 연산처리부를 마스터모듈 수신부(290)의 앞단에 더 구비할 수 있으며, 마스터모듈 연산처리부와 마스터모듈 수신부(290)는 하나의 데이터 수집 칩으로 이루어질 수 있다.
마스터모듈 설정부(280)는 음원 연결모드, MP3모드, 휴대폰 헨즈프리부모드, 메모리 모드 등을 설정한다.
운동기구 단말기(300)는 운동기구 송수신부(310), 운동기구 연산처리부(320), 운동기구 설정부(330), 운동기구 메모리부(340), 운동기구 출력부(350), TV포트(360), 운동기구 제어부(370) 등을 포함한다.
운동기구 송수신부(310)는 슬레이브모듈 송수신부(190), 마스터모듈 송수신부(290)로부터 수신된 신호를 운동기구 연산처리부(320)로 전송하며, 운동기구 연산처리부(320)에서 출력된 ID 요청신호를 슬레이브모듈 송수신부(190)로 전송하며, 알람신호 등을 마스터모듈 송수신부(290)로 전송한다.
운동기구 연산처리부(320)는 슬레이브모듈 송수신부(190)로부터 운동기구 송수신부(310)를 통해 사용자 ID를 전달받으면, 운동기구 관리서버(400)에게 해당 사용자에 대한 지난 운동정보와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 요청하고, 이들 정보를 바탕으로 초기 운동처방을 내린다. 또한, 지난 운동정보와 최초 개인 기본정보 및 기초 체력 정보를 통한 운동처방뿐만 아니라 슬레이브모듈 송수신부(190)로부터 운동기구 송수신부(310)를 통해 수신된 실시간으로 계측되는 생체 정보들을 바탕으로 운동 중 생체의 정보가 어떻게 변화하는지를 모니터링하고, 이를 실시간으로 운동처방에 반영하여 운동처방을 내린다. 이렇게 얻어진 운동처방을 근거로 운동기구 제어신호를 생성하여 운동기구 제어부(370)으로 전송하여 운동기구(310)의 제어가 이루어지게 한다.
운동기구 설정부(330)는 운동기구 온오프(ON/OFF), 운동기구 사용시간, 운동기구 사용모드 등을 수동 설정할 수 있다.
운동기구 메모리부(340)는 사용자 ID, 사용자의 생체정보, 운동처방을 임시 저장하며, 운동기구 사용중 또는 종료후에 운동기구 관리서버(400)로 전송한다.
운동기구 출력부(350)는 운동기구 연산처리부(320)의 출력신호를 출력한다. 즉, 사용자의 현재 운동처방, 사용자의 생체신호 및 건강상태 등등을 출력한다.
TV포트(360)는 운동기구(310)의 옆에 장착되어 있는 TV의 음원포트와 연결되어, TV의 음원을 운동기구 송수신부(310)를 통해 마스터 모듈(210)로 전송된다.
운동기구 제어부(370)는 운동기구 연산처리부(320)로부터의 운동기구 제어신호에따라 운동기구(310)를 제어한다.
운동기구 관리서버(400)는 운동 시설 내의 서버로서, 운동 시설을 이용하는 사람들의 기본 개인 정보 데이터를 저장하고 있으며, 운동기구 단말기(300)로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장하며, 운동기구 단말기(300)의 데이터 요청시 요청된 데이터를 운동기구 단말기(300)로 전송한다.
운동기구 단말기(300)는 운동기구 출력포트(395)를 통해 운동기구 관리서버(400)와 데이터 통신할 수 있다.
다음은 본 발명에서 개인별 VO2max를 추정하는 방법에 대해서 설명한다.
기본적으로 VO2max를 추정하기 위해서는, 사용자들의 특정 운동 부하검사(수정된 발케 프로토콜: Modified Balke Protocol) 수행을 통해 확인된 환기역치를 바탕으로 환기역치까지 도달한 시간(분)와 그 때의 개인별 심박수(HR)를 바탕으로 먼저 개인별 VO2(산소소비율)를 추정하고, 그 후 신체정보, 추정된 VO2, 시간, 심박수를 통해 개인별 VO2max를 추정한다. 남자와 여자로 구별되어 추정되며 추정된 VO2max를 바탕으로 해당 운동강도를 결정한다.
도 3은 본 발명에서 VO2max를 추정하기 위한 흐름도이다.
수정된 발케 프로토콜 검사를 수행하되(S220), 강도를 증가하면서 수행하여(S230), 환기역치 인지를 확인하며(S240), 환기역치가 아닌경우, 환기역치를 찾을 때까지 계속한다.
환기역치인 경우, 환기역치까지 도달한 시간(분)과 그 때의 개인별 심박수(HR)를 획득한다(S250).
환기역치까지 도달한 시간(분)과 그 때의 개인별 심박수(HR)를 바탕으로 먼저 개인별 VO2를 추정한다(S260).
그 후 신체정보, 추정된 VO2, 시간, 심박수를 통해 개인별 VO2max를 추정한다. 이때, 남자와 여자로 구별되어 추정되며 추정된 VO2max를 바탕으로 해당 운동강도를 결정한다.
즉, VO2max를 추정하기 위해서는 먼저 사용자의 운동능력 측청 테스트가 수행되어야 한다. VO2max를 추정하기 위해서는 VO2값과 VO2max까지 변화하는 슬로프(Slope)를 필요로 하게 된다. 환기역치를 발생하는 지점을 획득하기 위해서는 수정된 발케 프로토콜로 트레드밀에서 테스트를 받아야 한다. 개인의 운동 능력에 따라 환기역치에 도달했을 때의 도달 시간(분)과 그리고 그 때의 사용자 심박수(HR)을 이용하여 개인의 운동 능력이 고려된 VO2를 추정할 수 있게 된다.
VO2 추정식은 남녀로 구분되고 식은 수학식 1과 같다
여기서, HR은 환기역치에 도달했을 때의 사용자 심박수이며, time은 환기역치에 도달했을 때의 도달 시간(분)이다.
VO2max를 추정하기 위해서는 개인별로 추정된 VO2와 VO2를 구하기 위해 쓰였던 환기역치까지 도달 시간(분)과 그때의 심박수가 다시 사용된다. 그리고 이 파라미터에 개인별 신체정보를 추가하여 다시 VO2max를 추정함으로써 정확성을 높이고, 개인 운동 능력 및 개인생체 정보에 최적화된 비침습, 비간섭적 추정방법을 제공한다. VO2max 추정식은 남녀로 구분되며 수학식2와 같다. VO2max 추정식에 사용되는 파라미터는 남녀가 다르며, 남녀간의 생활 습관이나 근육비율 및 지방비율이 동성(同姓)에 비해 상대적으로 차이가 많이 나기 때문에 적용되는 파라미터가 달라지게 된다.
여기서, bodyfat_mass는 체지방양(kg)을 의미하고, age는 나이, waist는 허리둘레 크기, SBP(mmHg)는 systolic Blood Pressure으로 수축기혈압, VO2.rest(ml/kg/min)은 안정상태에서의 VO2 값을 의미한다. var.time(min)은 운동시작부터 환기역치 시점까지 시간변화량(분)을 의미하고, time.VT(min)은 환기역치에 도달했을 때의 시간(분)을 의미한다. Obesity는 비만을 나타내며, 수학식 3에 의해 구하여진다.
여기서, Weight는 몸무게이고, height는 키이고, ideal.weight는 남자의 경우, (height - 100)x0.92 이고, 여자의 경우에는 (height - 100)x0.86 이다.
slope.VO2는 운동시작부터 환기역치 도달시까지의 시간에 대한 VO2값이 변화하는 값에 대한 기울기를 의미한다.
다음은 바이오피드백을 위한 파라미터와 기준에 대해서 설명한다.
첫번째로 심박수(HR)에 대해 설명한다.
운동 중 실시간으로 측정되는 HR정보를 바탕으로, 운동 중 타겟 심박수 영역(Target HR range)을 설정하여, 타겟 심박수 영역보다 높은 HR이 1분간 1회 지속되면 일시적으로 처방된 운동강도보다 한단계 낮은 운동으로 재설정하고, 타겟 심박수 영역보다 낮은 HR이 3분간 지속 시 처방된 운동강도보다 한단계 높은 운동강도로 재설정하여 안전한 운동이 지속될 수 있도록 자동 제어된다. 2주동안 처방받은 운동이 사용자에게 맞지 않아 타겟 심박수 영역보다 높은 HR로 인한 운동처방 변경이 3회이상 일어난 경우는 운동레벨을 재설정하여 처방된 운동처방을 수행할 수 있도록 자동 제어된다. 타겟 심박수 영역은 질환군과 정상군으로 나뉘며, 운동처방 구간은 수학식 4와 같다.
여기서, maxHR는 최대 심박수이며, restHR는 안정시 심박수이다.
두번째로 심박변이도(HRV)에 대해 설명한다.
HRV의 주파수 분석(PSD: power spectrum density)을 통해 얻어진 HF(high frequency)영역과 LF(low frequency)영역의 비율로 계산되는 LF/HF ratio가 운동 중 실시간으로 1분 단위로 모니터링되며, 2주동안 처방받은 운동에 대해 안정 범위(1.5~2)보다 2배 이상 높거나 낮은 상태가 3회 이상 발생한 경우 처방받은 운동처방보다 낮은 강도로 자동 재설정된다. 운동을 시작하면 초기에 LF영역의 활성화가 가속되어 LF/HF ratio가 안정 범위보다 매우 큰 값을 가질 수 있기 때문에 운동초기에는 범위 이탈 카운트를 제외한다. 처방 받은 운동의 50%이상 수행했을때 부터 카운트는 시작된다.
다음은 세번째로 QT간격(QT interval)에 대해서 설명한다.
안정 시 QT interval을 측정하여 기준값으로 하고, 운동 시 실시간 감시를 통해 운동으로 인한 증가가 아닌 비정상적인 급작스런 증가가 2주 내에 3회이상 발생한 경우 처방받은 운동처방보다 낮은 강도로 자동 재설정된다. Q파는 QRS파가 시작되는 지점, T파는 T파가 끝나는 지점으로 하여 QT interval을 계산하였다.
도 4는 본 발명에서 질환군과 정상군을 분리하여 운동처방을 결정하는 흐름도의 일예이다.
피트니스 센터환경에서 맞춤형 운동처방을 전달받고, 운동을 시작하게 되면(S310), 사용자단말기(100)로부터 사용자의 심전도, PPG, 활동도, 체온의 생체정보를 검출하고 검출된 생체정보를 운동기구단말기(300)로 전달 한다(S320).
운동기구 관리서버(400) 또는 통합서버(미도시)에 기저장되어 있는 사용자의 정보를 수신하여 사용자가 정상군 카테고리에 속하는지, 아니면 질환군의 카테고리에 속하는지 판단한다(S330). 사용자에 따라 개인별로 미리 설문 조사 및 기초체력 정보, 개인정보를 바탕으로 질환여부를 적용하여 정상군과 질환군의 카테고리로 나누어져 운동기구 관리서버(400) 또는 통합서버(미도시)에 기 저장되어 있다.
사용자가 정상군이라면, 사용자의 HRR(heart rate reserve, 여유심박수)를 구하여, 사용자의 HR이 수학식 4의 정상군의 최대운동강도와 비교하여, 사용자의 HRR이 1분이상 HRR의 85%보다 크다면(S360) 운동강도를 감소시키고(S370), 사용자의 HRR이 수학식 4의 정상군의 최소운동강도와 비교하여, 사용자의 HR이 3분이상 HRR의 60%보다 작다면(S380) 운동강도를 증가시킨다(S390).
또한, HRV의 주파수 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작다면(S400), LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작은 상황이 2주에 3회 이상 인가를 판단하여, 3회 이상이라면(S410), 운동강도를 재조정한다(S420).
또한, 심전도의 QT interval 이 비정상적인 급작스런 증가가 있었는지를 판단하여, 있었다면(S430), QT interval 의 비정상적인 급작스런 증가가 2주에 3회 이상 인가를 판단하여, 3회 이상이라면(S440), 운동강도를 재조정한다(S450).
사용자가 질환군이라면, 사용자의 HRR를 구하여, 사용자의 HRR이 수학식 4의 질환군의 최대운동강도와 비교하여, 사용자의 HR이 1분이상 HRR의 75%보다 크다면(S460) 운동강도를 감소시키고(S470), 사용자의 HRR이 수학식 4의 질환군의 최소운동강도와 비교하여, 사용자의 HR이 3분이상 HRR의 50%보다 작다면(S480) 운동강도를 증가시킨다(S490).
또한, HRV의 주파수 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작다면(S500), LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작은 상황이 2주에 3회 이상 인가를 판단하여, 3회 이상이라면(S510), 운동강도를 재조정한다(S520).
또한, 심전도의 QT interval 이 비정상적인 급작스런 증가가 있었는지를 판단하여, 있었다면(S530), QT interval 의 비정상적인 급작스런 증가가 2주에 3회 이상 인가를 판단하여, 3회 이상이라면(S540), 운동강도를 재조정한다(S550).
여기서, HRR는 최대심박수에서 평상시 심박수(안정시 심박수)를 뺀 것이다.
도 4를 부연설명하면, 피트니스 센터환경에서 맞춤형 운동처방을 전달받고, 운동을 시작하게 되면 사용자단말기(100)를 통해 생체정보가 운동기구단말기(300)로 전달이 된다. 먼저, 개인별로 미리 설문 조사 및 기초체력 정보, 개인정보를 바탕으로 질환여부를 적용하여 정상군과 질환군의 카테고리로 나누어 저장되어 있다. 정상군의 경우 타겟 심박수 영역을 벗어나게 되면 운동강도가 재조정되고, HRV의 PSD 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio(교감신경계와 부교감신경계의 활동 비율)의 상태에 따라서 운동강도 재조정 필요성을 지속적으로 판단한다. QT interval도 마찬가지로 안정시 값에 비해 급작스런 변화(특히 증가)가 생길 경우 운동강도 재조정을 실시한다. 재조정 기준이 2주인 것은 기본적으로 이용자에게 제공되는 운동프로그램이 2주단위로 갱신되고 총 24주 프로그램으로 구성되어 있기 때문에 개별 프로그램에서의 변화를 확인하기 위해 2주 단위로 실시한다.
도 5는 도 2의 운동기구 단말기에서의 운동처방을 결정하는 흐름도의 일예이다.
기초정보 수신단계로, 운동기구 단말기(300)의 운동기구 연산처리부(320)는 운동기구 관리서버(400)에게 해당 사용자에 대한 지난 운동정보와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 요청하고, 운동기구 관리서버(400)로부터 이들 데이터를 수신한다(S110).
여기서 기본 개인정보로, 신장, 체중, BMI, 수축기 혈압(mmHg), 확장기 혈압(mmHg), 안정시 심박수(Rest HR), 최대 심박수(Max HR) 등이 있다. 또한, 기초 체력 측정정보로, 민첩성(Side Step), 민첩성(근육반응), 민첩성(신경반응), 근 지구력, 순발력(ms), 평형성, 유연성(Cm), 근력 등이 있다. 이 정보는 피트니스 센터에 최초 방문 시 처음 측정하게 된다. 현재의 개인의 상태를 확인할 수 있는 파라미터들로, 24주 운동처방이 완료된 후 다시 재측정하여 다시 운동처방 군(群) 및 VO2max 단계를 재설정하는데 필요한 요소로 활용된다.
초기 운동처방단계로, 슬레이브 모듈로부터 수신된 심전도신호, PPG신호 등으로 부터 심혈관계 정보를 나타내는 심박수(HR), 심박변이도(HRV)와, 기초정보 수신단계에 수신된 기본개인정보, 기초체력측정정보를 바탕으로 VO2max를 추정하고, 추정된 VO2max로부터 초기 운동처방을 결정한다(S120).
기구제어단계로, 운동처방에 따라 운동기구의 기구제어신호를 생성하여, 운동기구를 제어한다(S130).
운동처방변경여부 판단단계로, 슬레이브 모듈(110)로부터 수신된 생체신호, 즉 심전도, PPG, 체온등으로부터 심박수(HR), 심박변이도(HRV), QT간격(QTinterval(QTc)), 체온 등의 신호를 운동기구 메모리부(340)에 저장된 기준범위 신호와 비교하여 운동처방을 변경할 것인지 여부를 결정한다(S140).
즉, 운동처방변경 여부는 자동적으로 이루어지는데, 이는 현재 실시간 계측되고 있는 생체 파라미터를 바탕으로 판단하게 된다. 현재 계측되고 있는 심전도로부터 심박 정보와 심박변이도에서 자율신경계의 변화를 알 수 있는 주파수 분석을 실시간으로 평가하여 현재 주어진 운동 처방을 제대로 수행할 수 있는지를 지속적으로 실시간 모니터링하게 된다. 자율신경계의 주로 활성화된 주파수 영역의 PSD(power spectrum density) 수치에 따라 현재 운동자의 피로도를 분석하고 심전도의 QT interval/QTc를 계산하여 이를 바탕으로 현재 운동처방을 지속할 것인지, 변경할 것인지, 멈출 것인지를 판단하게 된다. 이때 운동기구 메모리부(340)에는 질환별, 연령별, 성별에 대하여 VO2max 값을 얻어, 이를 바탕으로 생체 신호 표준화 작업을 행하여, 각 생체신호에 대한 기준범위가 기저장되어 있다.
운동처방 재설정단계로, 운동처방변경여부 판단단계에서 운동처방을 변경한다고 판정되면, 운동처방을 재설정하고, 기구제어단계로 되돌아 간다(S150).
유산소 운동일 경우, 기초정보(신장, 체중, BMI, 혈압, HR, Max HR 등)와, VO2max(기구측정치, 추후측정치로 대체), 운동량(Kcal), 기초체력정보 활용(민첩성, 근지구력, 순발력, 평형성, 유연성, 근력) 을 통하여 
점수화(기본 개인 정보만으로 얻는 정보에 대한 운동능력평가에서 보정값으로 역할)를 구하여 운동량, 즉운동처방을 결정한다. 즉, 유산소 운동에서의 운동처방은, 최초 피트니스센터 방문으로 얻은 두 가지 정보, 즉, 개인 기본정보와 기초체력 정보를 바탕으로 운동처방 군(群)이 나눠지게 되고, 그 분류는 다시 개인의 VO2max값에 따라 운동처방이 24주 프로그램으로 사용자에게 제공될 수 있다.
다시말해, 운동처방은 개인 기본정보와 기초 체력정보를 통해 운동처방 군을 분류하고 다시 그 분류에서 VO2max에 의해 운동 프로토콜이 제시되는 방식으로 제공된다. VO2max값을 심혈관계의 정보로 1차적인 추정이 이루어진 후 2차적으로 상관성이 높은 개인 기초정보들을 선별하여 적용함으로써 에러율을 낮추는 방법으로 VO2max를 추정하게 된다.
무산소운동의 운동처방의 경우, 횟수, 중량, 세트 수 조합으로 운동처방을 결정한다.
즉, 무산소운동의 운동처방의 경우, 최초 방문 시 10RM 테스트를 통해 1RM을 추정하며, 1RM(repetition maximum test) 값을 추정함으로써 운동자의 근력 운동능력을 판단하고 이에 맞게 횟수, 중량, 세트 수를 제공하게 된다. 1회 최대 반복량(1RM) 추정식은 가장 오차가 적다고 알려진 Wathan의 수학식 5를 통해 1차적으로 추정한다.
(단, REPS는 반복수임.)
종료여부 판단단계로, 만약 운동처방변경여부 판단단계에서 운동처방을 변경안한다고 판정되면, 사용자에 의한 운동정지인지(S160), 운동프로토콜 종료에 의한 운동정지인지(S170)을 판단하여, 사용자에 의한 운동정지인지이거나, 운동프로토콜 종료에 의한 운동정지이면 종료하고, 사용자에 의한 운동정지가 아니거나, 운동프로토콜 종료에 의한 운동정지가 아니면, 기구제어단계로 되돌아 간다.
본발명에서는 사용자가 사용자 단말기를 장착하고 운동기구에서 운동을 하는 동안 사용자 단말기를 통해 사용자의 생체정보(Bio-Data)가 실시간적으로 운동기구 단말기에 전송되어 전송된 생체정보와 기존의 운동기구 관리서버에 있는 데이터를 바탕으로 실시간적으로 바이오 피드백(Bio-Feedback)되어 운동기구를 제어한다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것이 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.
100 : 사용자 단말기 110 : 슬레이브 모듈 120 : 생체신호 검출부
122 : 심전도 전극부 124 : PPG 센서부 126 : 활동도 센서부
128 : 체온 센서부 140 : 신호전처리부 142 : 심전도 전처리부
144 : PPG 전처리부 146 : 활동도신호 전처리부 148 : 체온신호 전처리부
170 : A/D변환기 180 : 슬레이브모듈 연산처리부
190: 슬레이브모듈 송수신부 210 : 마스터모듈
220 : 음원연결부 230: MP3 240: 휴대폰 핸즈프리부
250 : 메모리카드 280 : 마스터 모듈 설정부 290: 마스터모듈 수신부
300 : 운동기구 단말기 310 : 운동기구 320 : 운동기구 연산처리부
330 : 운동기구 설정부 340 : 운동기구 메모리 350 : 운동기구 출력부
360 : TV포트 370 : 운동기구 제어부 395 : 운동기구 출력포트
400 : 운동기구 관리서버
122 : 심전도 전극부 124 : PPG 센서부 126 : 활동도 센서부
128 : 체온 센서부 140 : 신호전처리부 142 : 심전도 전처리부
144 : PPG 전처리부 146 : 활동도신호 전처리부 148 : 체온신호 전처리부
170 : A/D변환기 180 : 슬레이브모듈 연산처리부
190: 슬레이브모듈 송수신부 210 : 마스터모듈
220 : 음원연결부 230: MP3 240: 휴대폰 핸즈프리부
250 : 메모리카드 280 : 마스터 모듈 설정부 290: 마스터모듈 수신부
300 : 운동기구 단말기 310 : 운동기구 320 : 운동기구 연산처리부
330 : 운동기구 설정부 340 : 운동기구 메모리 350 : 운동기구 출력부
360 : TV포트 370 : 운동기구 제어부 395 : 운동기구 출력포트
400 : 운동기구 관리서버
Claims (16)
- 사용자에게 지급되는 사용자 단말기, 운동기구에 장착되어 있는 운동기구 단말기, 상기 운동기구 단말기를 통합 관리하는 운동기구 관리서버를 포함하여 이루어진 운동처방 시스템에 있어서,
운동기구 관리서버는 개인별 설문 조사 및 기초체력 정보, 개인정보로부터 질환여부를 판단하여 개인별로 정상군 카테고리와 질환군 카테고리 중 하나로 지정 저장되어 있으며,
상기 운동기구 단말기는 운동 중 실시간으로 측정되는 HR(심박수)가 기 설정된 타겟 심박수 영역을 벗어나게 되면 운동강도를 재조정하며, HRV의 PSD 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio의 상태에 따라서 운동강도를 재조정하며, 심전도의 QT간격(QT interval) 안정시 값에 비해 급격한 변화가 생길 경우 운동강도 재조정하도록 이루어진 운동기구 연산처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 운동기구 단말기는
상기 운동처방에 따라 운동기구의 기구제어신호를 생성하여, 운동기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 사용자 단말기는
체스트(chest) 벨트와 함께 결합되어 흉부에 착용되어 사용자의 심전도, PPG, 활동도, 체온의 생체 신호를 검출하는 슬레이브 모듈을 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 사용자 단말기는
암(arm)밴드와 함께 상완에 착용되어, 운동기구(310)의 TV음원수신, 핸즈프리, MP3 를 포함하는 마스터 모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 마스터 모듈은 메모리 카드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 메모리 카드는 마이크로 SD 카드(micro-SD card)인 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 슬레이브 모듈은,
심전도 전극부, PPG 센서부, 활동도 센서부, 체온 센서부를 이용하여 생체신호로서 심전도 신호, PPG 신호, 활동도신호, 체온신호를 검출하는 생체신호 검출부;
상기 생체신호 검출부로부터 검출된 생체신호를 증폭하고 잡음을 제거하는 신호전처리부;
상기 신호전처리부의 출력신호를 디지탈신호로 변환하여 운동기구 단말기로 전송하는 슬레이브모듈 데이터 수집부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 슬레이브모듈 데이터 수집부는 A/D변환기, 슬레이브모듈 연산처리부, 슬레이브모듈 송수신부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제3항에 있어서,
운동기구 단말기는
슬레이브 모듈, 마스터 모듈로부터의 출력신호를 수신하여 운동기구 연산처리부로 전송하는 운동기구 송수신부;
운동처방을 임시 저장하며, 운동기구 사용중 또는 종료후에 운동기구 관리서버로 전송하는 운동기구 메모리부;
운동기구 연산처리부의 출력신호인 사용자의 현재 운동처방, 사용자의 생체신호 및 건강상태를 출력하는 운동기구 출력부;
운동기구 연산처리부로부터의 운동기구 제어신호에 따라 운동기구를 제어하는 운동기구 제어부;
를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 운동기구 관리서버는
개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 저장하고 있으며, 상기 운동기구 단말기로부터 해당 사용자의 운동처방 데이터를 수신하여 저장하며, 상기 운동기구 단말기의 요청에 따라 , 지난 운동처방 데이터와 개인 기본 정보 및 기초 체력정보를 운동기구 단말기로 송신하는 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 운동기구 단말기는 운동 중 실시간으로 측정되는 HR(심박수)이 기 설정된 타겟 심박수 영역을 벗어나게 되면 운동강도를 재조정하되,
타겟 심박수 영역보다 높은 HR이 1분간 1회 지속되면 일시적으로 처방된 운동강도보다 한단계 낮은 운동으로 재설정하고,
타겟 심박수 영역보다 낮은 HR이 3분간 지속 시 처방된 운동강도보다 한단계 높은 운동강도로 재설정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 운동기구 단말기는, 2주동안 처방받은 운동이 사용자에게 맞지 않아 타겟 심박수 영역보다 높은 HR로 인한 운동처방 변경이 3회이상 일어난 경우는 운동레벨을 재설정하여 운동처방을 수행하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 타겟 심박수 영역은, 질환군과 정상군 별로, 최소운동강도에서 최대운동강도로 구비되되,
질환군의 최소운동강도 = 0.5×(maxHR-restHR)-restHR
질환군의 최대운동강도 = 0.75×(maxHR-restHR)-restHR
정상군의 최소운동강도 = 0.6×(maxHR-restHR)-restHR
정상군의 최대운동강도 = 0.85×(maxHR-restHR)-restHR
(여기서, maxHR는 최대 심박수이며, restHR는 안정시 심박수임)
으로 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 운동기구 단말기는 HRV의 PSD 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio의 상태에 따라서 운동강도를 재조정하되,
LF/HF ratio가 운동 중 실시간으로 1분 단위로 모니터링되며, 2주동안 처방받은 운동에 대해 안정 범위(1.5~2)보다 2배 이상 높거나 낮은 상태가 3회 이상 발생한 경우 처방받은 운동처방보다 낮은 강도로 자동 재설정되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 운동기구 단말기는 심전도의 QT간격(QT interval) 안정시 값에 비해 급격한 변화가 생길 경우 운동강도 재조정하되,
안정 시 QT 간격을 기준값으로 하고, 운동 시 실시간 감시를 통해 운동으로 인한 증가가 아닌 비정상적인 급격한 증가가 2주 내에 3회이상 발생한 경우 처방받은 운동처방보다 낮은 강도로 자동 재설정되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 시스템. - 사용자가 운동을 시작하게 되면, 사용자단말기로부터 사용자의 심전도, PPG, 활동도, 체온의 생체정보를 검출하고 검출된 생체정보를 운동기구단말기(300)로 전달하는 생체신호 검출단계;
상기 생체신호 검출단계 후, 운동기구 관리서버에 기저장되어 있는 사용자의 정보를 수신하여 사용자가 정상군 카테고리에 속하는지, 아니면 질환군의 카테고리에 속하는지 판단하는 카테고리 판단단계;
상기 카테고리 판단단계에서 사용자가 정상군이라면, 사용자의 HRR(heart rate reserve, 여유심박수)를 구하여, 사용자의 HR이 1분이상 HRR의 85%보다 크다면 운동강도를 감소시키고, 또한 사용자의 HR이 3분이상 HRR의 60%보다 작다면 운동강도를 증가시키는 정상군 HRR에 의한 강도조정단계;
상기 카테고리 판단단계에서 사용자가 질환군이라면, 사용자의 HRR를 구하여, 사용자의 HR이 1분이상 HRR의 75%보다 크다면 운동강도를 감소시키고, 또한 사용자의 HR이 3분이상 HRR의 50%보다 작다면 운동강도를 증가시키는 질환군 HRR에 의한 강도조정단계;
상기 정상군 HRR에 의한 강도조정단계 또는 상기 질환군 HRR에 의한 강도조정단계후, HRV의 주파수 분석을 통해 얻어진 LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작다면, 상기 LF/HF ratio가 4보다크거나 1보다 작은 상황이 2주에 3회 이상 인가를 판단하여, 3회 이상이라면, 운동강도를 재조정하는 LF/HF비에 의한 강도조정단계;
상기 LF/HF비에 의한 강도조정단계후, 심전도의 QT 간격이 비정상적인 증가가 있었는지를 판단하여, 있었다면, 2주에 3회 이상 있었는지를 판단하여, 3회 이상이라면, 운동강도를 재조정하는 QT 간격에 의한 강도조정단계;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 운동처방 방법.
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