KR20120111365A - 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법 - Google Patents

혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법 Download PDF

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KR20120111365A
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Abstract

본 발명은 어깨 관절 치료 운동 중에 환자의 통증을 고려하여 어깨 관절 운동을 효율적으로 제어할 수 있는 어깨 관절 치료기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 치료 운동 전에 환자가 통증을 느끼기 시작하는 범위에서 측정된 근 모멘트값을 기초로 전체 운동 범위에서의 통증 문턱치를 미리 산출하고, 운동 치료 중에 환자의 통증 시 발생하는 저항 근 모멘트를 정량적으로 측정하여, 저항 근 모멘트 값과 통증 문턱치의 차이가 일정 범위 이내인 경우에는 기 설정된 환자별 어깨 관절 운동 범위와 운동 횟수를 완료할 때까지 운동을 계속 수행하며, 일정 범위 이상인 경우에는 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하는 바이오 피드백 제어를 하는 새로운 형태의 어깨 관절 치료기를 도입함으로써, 어깨 관절 치료 효과를 극대화하고 치료 운동 중에 부작용의 위험성을 최소화할 수 있는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법을 제공하는 것이다.
특히, 치료 운동 전 또는 바이오 피드백 제어를 통한 초기 상태로 복귀시에 온열 치료와 전기 자극 치료를 병행하도록 함으로써 어깨 관절 치료의 효과를 극대화할 수 있는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법을 제공하는 것이다.

Description

혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법{Hybrid biofeedback shoulder therapy device and control method}
본 발명은 어깨 관절 치료기 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 치료 운동 중에 환자의 통증을 고려하여 어깨 관절 운동을 효율적으로 제어할 수 있는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 유착성 관절낭염(오십견) 등과 같은 어깨 관절 이상 증상이라 함은 우리 몸의 관절 중 운동 범위가 넓어 그만큼 손상의 위험이 많은 부위인 어깨 부위에 통증과 함께 어깨 관절을 이용한 운동의 제한이 뒤따르는 증상이다. 어깨 관절의 이상 증상은 발병 원인에 따라 약물 치료의 시행과 더불어 반드시 보조적으로 물리 치료를 병행하게 된다.
어깨 관절의 이상 증상을 치료하기 위한 물리 치료 장비들이 다양하게 알려져 있다. 이러한 물리 치료 장비들에서 환자의 통증이 수반되는 경우에는 환자 자신의 능동적인 운동보다는 기기에 의한 수동적인 치료가 요구된다.
최근에는 이러한 수동 치료기로 받침대에 환자의 팔을 거치하고 정역모터 등의 구동장치를 이용한 외부 힘에 의해 수동적으로 어깨 관절을 기준으로 팔을 일정 범위 내에서 상하 왕복하면서 치료 운동할 수 있게 하는 CPM(Continuous Passive Motion) 방식의 어깨 관절 치료기가 많이 사용되고 있는 실정이다.
이러한 CPM(Continuous Passive Motion) 방식의 어깨 관절 치료기에 대해서 본 출원인이 개발한 한국공개특허공고 공개번호 10-2010-13019 및 10-2010-13020 와 한국특허등록공보 등록번호 10-804723호 및 10-758996호 등을 포함한 다양한 성능을 갖는 제품이 공개되었다.
그러나, 종래의 모든 CPM 방식의 어깨 관절 치료기는 환자의 통증을 고려하지 못하고 설정된 어깨 관절의 운동 범위(Range Of Motion 또는 ROM) 내에서만 반복적으로 수동적인 운동을 하게 되어 치료 중에 부작용의 위험성이 있는 문제점이 있다.
특히, 물리치료사가 치료 중에 환자의 통증 정도를 실시간으로 점검하며 어깨 관절의 운동 범위를 설정해 주는 등의 다양한 물리치료를 함께 실시하는 것은 현실적으로 한계가 있는 문제점이 있다.
이에 따라, CPM 방식의 어깨 관절 치료기에 있어서 환자의 통증을 고려하여 실시간으로 최적의 어깨 관절의 운동 범위 내에서 수동적으로 어깨 관절 운동을 효과적으로 수행할 수 있는 기기의 개발이 절실히 요구되고 있었다.
한국공개특허공고 공개번호 제10-2010-13019호 및 제10-2010-13020호 한국등록특허공보 등록번호 제10-804723호 및 제10-758996호
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 단순한 수동형 어깨 관절 치료기에서 벗어나 사용자의 통증을 실시간으로 바이오 피드백하여 사용자의 통증에 따라 이에 적합한 맞춤형 운동 치료를 하도록 하여 어깨 관절 치료 효과를 극대화하고, 치료 운동 중에 부작용의 위험성을 최소화할 수 있는 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 운동 치료의 효과를 극대화하기 위하여, 운동 전에 어깨 관절의 유연성 및 점탄성을 높이기 위하여 온열 치료와 운동 전 또는 운동 중에 관절의 통증을 감소시키기 위하여 전기자극 치료를 병행하는 혼합형 어깨 관절 치료기 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기는, 어깨 관절 이상이 있는 환자의 팔을 거치 및 고정하기 위한 고정거치대와, 상기 고정거치대를 일정 각도 범위에서 왕복 운동시키기 위한 구동력을 제공하는 구동부를 포함하는 어깨 관절 치료기에 있어서, 상기 구동부 측에 결합 되어 상기 고정거치대의 회전 시에 환자가 통증에 의해 운동 방향에 저항하는 어깨 관절의 근 모멘트를 측정하기 위한 토크 센서와, 운동 치료 전에 환자가 통증을 느끼기 시작하는 운동 범위에서 상기 토크센서에 의해 측정된 근 모멘트값을 기초로 전체 운동 범위의 통증 문턱치(τref)를 연산하는 연산부와 운동 치료 중에 상기 토크 센서로부터 환자의 통증 시 측정되는 저항 근 모멘트값(τ)과 상기 연산부에서 연산된 통증 문턱치(τref)의 차이값(△τ)이 기준값(τid) 이하인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 있는 것으로 판단하여 치료 운동을 계속 수행하도록 하고, 기준값(τid) 이상인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 없는 것으로 판단하여 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 연산부는 하기의 수학식 1을 이용하여 전체 운동 범위의 통증 문턱치(τref)를 연산하되, α는 고정된 값이며 G와 c는 최소자승추정법에 의해 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, G는 중력 상수이며, θ는 치료 운동 시 어깨 관절의 운동 각도이며, α는 환자와 기기의 정렬 불일치(misalign)에 의한 사인 곡선의 위상 전이값이며, c는 토크센서에 의해 토크 측정 시 발생하는 오프셋값(offset)을 의미함.
또한, 환자의 일측 어깨에 착용되어져 어깨에 온열을 가하는 온열 패드와 어깨에 부착되어 어깨에 경피적 전기 신경 자극을 주는 전기자극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고. 환자의 상태에 따라 상기 기준값(τid)을 조절할 수 있는 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 피드백 운동 제어 가능한 혼합형 어깨 관절 치료기.
한편, 본 발명에서 제공하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 제어방법은, 관절 치료기를 이용하여 환자의 어깨와 팔을 운동시키는 어깨 관절 치료기의 운동 제어방법에 있어서, 환자의 상태에 따라 어깨 관절의 운동 범위를 설정하는 최적 운동 범위 설정 단계; 운동 치료 전에 환자가 통증을 느끼기 시작하는 운동 범위에서 토크센서에 의해 측정된 근 모멘트값을 기초로 전체 운동 범위의 통증 문턱치(τref)를 연산하는 통증 캘리브레이션 단계; 운동 치료 중에 상기 토크 센서로부터 환자의 통증 시 측정되는 저항 근 모멘트값(τ)을 측정하는 측정 단계; 및 운동 치료 중에 저항 근 모멘트값(τ)과 통증 문턱치(τref)의 차이값(△τ)이 기준값(τid) 이하인 경우에는 치료 운동을 계속 수행하도록 하고, 기준값(τid) 이상인 경우에는 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하는 바이오 피드백 제어를 통한 운동 치료단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 운동 치료 전에 온열 치료와 전기 자극 치료를 수행하는 혼합 치료 설정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 바이오 피드백 제어를 통한 운동 치료단계에 있어서 초기 상태의 복귀는 상기 혼합 치료 설정 단계로 복귀하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기 자극 치료 설정 단계는 운동 치료 전뿐만 아니라 운동 치료 중에도 계속하여 구동되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기준값(τid)은 환자의 상태에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제공하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기 및 제어방법은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
먼저, 사용자의 통증 정도를 실시간으로 측정하고 이를 바이오 피드백 제어를 통한 운동 치료를 수행함으로써 환자의 상태에 따른 맞춤형 재활 운동이 이루어지고, 특히 환자의 고통을 줄일 수 있어 부작용이 없으면서도 치료 만족도를 극대화할 수 있는 효과를 발휘한다.
다음으로, 환자의 통증을 측정함에 있어 환자의 팔이나 길이의 무게에 따른 중력 오차 및 기타 외적 환경의 오차를 보정함으로써 보다 정밀한 재활 운동이 이루어지는 효과가 있다.
마지막으로, 물리적 운동 치료와 온열 치료 및 전기자극 치료를 병행하는 혼합형 어깨 관절 치료를 수행함으로써 치료기간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기를 구성하는 시스템 블럭도,
도 3은 치료 운동 중에 어깨 관절의 각도에 따라 중력에 의해 변화하는 신호를 나타낸 신호 그래프,
도 4는 중력에 의한 토크값의 오차를 각 시간별로 보정한 그래프,
도 5는 통증 캘리브레이션을 통해 전체 운동 구간에서 통증 문턱치에 대한 토크 곡선을 도시한 그래프,
도 6는 통증 캘리브레이션을 통한 통증 문턱치와 실제 측정된 근 저항 모멘트값을 비교한 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기를 구성하는 시스템 블럭도이다.
본 발명의 어깨 관절 치료기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 의자에 앉아서 어깨와 팔을 고정하고 어깨 및 팔을 운동시킬 수 있도록 기구적으로 구성되는 어깨 관절 운동장치(100)와, 사용자 또는 물리치료사가 운동 조건을 설정하여 제어하기 위한 핸드 콘트롤러(200)로 구성된다.
본 발명에 따른 어깨 관절 치료기는 하나의 시스템으로 환자의 통증을 바이오 피드백하여 구동부를 제어하고, 운동 치료와 더불어 온열 치료 및 전기자극 치료와 같은 물리치료를 병행할 수 있는 혼합형(하이브리드형) 장치를 제공한다.
이를 위하여 어깨 관절 운동장치(100)는 장치에 전원을 공급하기 위한 전원공급부(180)와, 환자가 착석할 수 있는 의자(110)와, 의자 옆에 구비되어 환자의 팔을 거치 및 고정하기 위한 고정거치대(120)와, 이 고정거치대(120)에 연결된 연결부(130)의 일단에 설치되어 고정거치대(120)를 상하 일정 각도 범위에서 왕복 운동시키기 위한 구동력을 제공하기 위해 정역모터 및 감속기어 등으로 이루어진 구동부(140)와, 일단이 구동부(140)의 감속기어측에 결합되고 타단이 고정거치대(120)에 연결된 연결부(130)에 결합되어 고정거치대(120)의 상하 회전 시에 환자가 통증에 의해 운동 방향에 저항하는 어깨 관절의 근 모멘트(토크)를 측정하기 위한 토크센서(150)와, 전원공급부(180)에 전기적으로 연결되고 환자의 일측 어깨에 착용되어져 어깨에 온열을 가하는 온열패드(160)와 어깨에 부착되어 어깨에 경피적 전기 신경 자극을 주는 전기자극패드(170)를 포함하도록 구성된다.
여기서, 온열패드(160)는 내부에 열선이 설치되고 전후 대칭 구조를 이루는 한 쌍의 패드가 어깨의 일 측을 감싸도록 착용되는 것으로, 한 쌍의 패드의 양측에는 벨크로 테이프 등의 접착부가 구비되어 쉽게 탈부착할 수 있게 되어 있다.
그리고, 전기자극패드(170)는 어깨의 전 후에 부착되는 한 쌍의 패드로, 각 패드에는 저주파 발생기게 전기적으로 연결된 도전성을 갖는 (+) 또는 (-)극을 갖는 전극소자가 각각 부착되어 있다.
핸드 콘트롤러(200)는 의자의 팔 받침대에 설치하여 사용자가 손쉽게 운동 조건을 설정할 수 있도록 이루어지는 것으로서, 크게 입력부(210)와, 제어부(220)와, 연산부(230)와, 저장부(240)와, 표시부(250)로 구성된다.
입력부(210)에는 환자별로 어깨 관절의 최적 운동 범위(Target Range Of Motion 또는 Target ROM)를 설정하는 최적 운동 범위 설정부(211), 즉 Target ROM 설정부와, 환자별로 어깨 관절의 운동 종류, 운동 방향, 운동 속도, 운동 각도 및 운동 횟수 등을 설정하는 운동 설정부(212)와, 치료 운동 전 또는 치료 운동 중에 온열 치료 및/또는 전기자극 치료가 필요한 경우에 이를 설정하는 혼합 치료 설정부(213)로 이루어진다.
여기서, 혼합 치료 설정부(213)에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
혼합 치료 설정부(213)는 치료 운동 전에 어깨 관절의 유연성 및 점탄성을 높이기 위해 어깨에 온열을 가하는 온열패드(160)를 구동시키기 위해 입력되는 온열 치료 설정부(213a)와 치료 운동 전 또는 치료 운동 중에 통증을 줄이기 위해 어깨에 경피적 전기 신경 자극을 가하는 전기자극패드(170)를 구동시키기 위해 입력되는 전기자극 치료 설정부(213b)로 이루어진다.
온열 치료 설정부(213a)의 설정에 따른 온열 치료는 모세 혈관 및 세동맥의 확장을 통해 염증 반응의 해소를 촉진하고, 결체 조직의 신장도 증가 및 관절 유연성을 증가시키며, 신경 전도의 변화와 세포막 투과성 변화, 에도르핀 분비, 전신작인 이완효과를 통한 진통의 효과가 있어, 치료 운동 전에 어깨 관절의 이완 작용을 시켜주기 때문에 어깨 관절 운동 치료의 효과를 높일 수 있게 된다.
이러한 온열 치료 설정부(213b)는 다양한 온도 조절 기능을 위한 저온모드, 중온모드, 및 고온모드를 환자별로 선택하여 사용할 수 있는 디지털 조절기로 구성되어 있다.
예를 들어, 저온모드는 온열 패드의 온도가 35 ℃ ~ 40 ℃ 범위의 온도로 온열되어 전기자극 치료와 함께 환부를 저온으로 자극하는 모드로 근육의 통증이 경미할 때 사용된다. 중온모드는 온열 패드의 온도가 45 ℃ ~ 50 ℃ 범위의 온도로 온열되어 전기자극 치료와 함께 환부를 중온으로 자극하는 모드로 근육의 통증이 경증일 때 사용된다. 고온모드는 온열 패드의 온도가 55 ℃ ~ 60 ℃ 범위의 온도로 온열되어 전기자극 치료와 함께 환부를 고온으로 자극하는 모드로 근육의 통증이 중증일 때 사용된다.
또한, 전기자극 치료 설정부(213b)의 설정에 따른 전기자극 치료는 어깨 피부의 말초감각 신경에 경피적 전기 자극을 주어 다양한 원인을 초래하는 제반 통증을 경감하는 효과가 있어, 치료 운동 전 또는 치료 운동 중에 어깨 관절의 통증을 경감시켜 주기 때문에 어깨 관절 운동 치료의 효과를 극대화할 수 있게 된다.
이때, 전극자극 치료는 치료의 효과를 극대화하기 위해 운동 치료 전은 물론 운동 치료 계속중에 사용되는 것이 바람직하다.
제어부(220)는 핸드 콘트롤러(200) 내부에 내장된 마이크로프로세서로, 운동 치료 전에 산출된 환자별 통증 문턱치(τref)와 운동 치료 중에 환자의 통증에 의해 발생하는 저항 근 모멘트값(τ)의 차이를 계산하여, 통증 문턱치(τref)와 저항 근 모멘트값(τ)의 차이값(△τ)이 기 설정된 기준값(τid) 이하인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 있는 것으로 판단하여 치료 운동을 계속 수행하도록 하고, 기준값(τid) 이상인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 없는 것으로 판단하여 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하는 바이오 피드백 제어를 수행한다.
여기서, 환자별 통증 문턱치(τref)는 운동 치료 중 환자의 통증에 의해 발생하는 저항 근 모멘트값(τ)과 비교하기 위한 비교값으로, 운동 치료 전에 환자의 심각한 정도, 즉 통증의 정도에 대한 예비 검사를 통해 연산부(230)에서 산출된다.
다시 말해, 환자별 통증 문턱치(τref)는 토크센서(150)를 통하여 환자가 통증을 느끼기 시작하는 일정 운동 구간에서 발생하는 근 모멘트를 측정한 값을 토대로 전체 운동 구간에 적용할 수 있는 가상의 토크 곡선(사인 곡선)으로 결정된 값이다.
환자별 통증 문턱치(τref)를 산출하기 위한 가상의 토크 곡선 결정하는 경우에 실제로 환자별로 팔의 무게와 길이가 다르기 때문에 발생하는 중력(G)과 기타 다른 외적 환경 등에 의해 오차가 발생하는 토크값을 보정함으로써 정확한 비교값을 얻을 수 있다.
도 3은 치료 운동 중에 어깨 관절의 각도에 따라 중력에 의해 변화하는 신호를 나타낸 신호 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 재활 운동 시 어깨 관절의 각도에 따라 중력을 제외한 어떠한 인위적인 힘이 주어지지 않고 회전을 할 때 토크센서는 사인파 곡선이 신호가 출력된다.
이때, 어깨 관절이 지면과 수평을 이루는 각도가 될 때 팔의 무게에 따른 중력에 의해 가장 큰 토크값이 측정된다.
그런데, 실제 재활 운동 시 환자 통증에 의한 근 모멘트값에 중력에 의한 오차가 결합될 경우에 환자별 정확한 근 모멘트값을 측정할 수 없게 된다.
따라서, 중력에 의한 토크값을 보정함으로써 정확한 근 모멘트값을 측정하는 작업이 필요하게 된다.
도 4는 중력에 의한 토크값의 오차를 각 시간별로 보정한 그래프로, 어깨 관절의 각도에 따른 오차값(B, Calibration data)를 토크센서 신호(A, Reference data)에서 빼줌으로써 재활 운동 시 어깨 관절의 운동 각도에 따른 중력에 의한 오차를 보정(C)할 수 있게 된다.
연산부(230)는 이러한 중력 및 기타 다른 외적 환경 등에 의해 오차가 발생하는 토크값을 보정한 환자별 통증 문턱치(τref)인 가상의 토크 곡선을 아래의 식으로부터 연산한다.
Figure pat00002
여기서, G는 중력 상수이며, θ는 치료 운동 시 어깨 관절의 운동 각도이며, α는 환자와 기기의 정렬 불일치(misalign)에 의한 사인 곡선의 위상 전이값이며, c는 토크센서에 의해 토크 측정 시 발생하는 오프셋값(offset)이다.
중력 상수(G)에 의한 근 저항 모멘트값의 오차는 앞서 설명한 바와 같다.
환자와 기기의 정렬 불일치(misalign)에 의한 사인 곡선의 위상 전이값(α)는 팔을 들어 올려주는 고정받침대 위에 팔을 거치 시 고정받침대와 팔이 정확히 얼라인(align)되지 않기 때문에 사인 곡선이 0°에서 시작하여 90°에서 최대값을 가지는 이상적인 형태가 되지 않고 α만큼 오른쪽(혹은 왼쪽)으로 위상이 전이(phase-shift) 되는 현상에 의해 발생하는 근 모멘트값의 오차를 보정하기 위한 값이다.
토크 측정 시 발생하는 오프셋값(c)은 역학적으로 0°에서는 토크값이 '0'이 되어야 하나 앞서 기술한 위상 전이(phase-shift) 및 센서 신호의 offset 등에 의해 토크값이 '0'이 되지 않은 오차를 보정하기 위한 값이다.
이때 'α'는 임상 실험 결과에서 얻은 평균값으로 고정된 값이며, 'α'와 측정된 토크값을 이용하여 'G'와 'c'를 최소자승추정법(least squre estimation: LSE)에 의한 수치해석적 방법으로 산출한다.
이와 같이 'G', 'α' 및 'c' 가 모두 결정되면 [수학식 1]에 의해 환자별 통증 문턱치(τref)를 산출하기 위한 가상의 토크 곡선이 결정된다.
도 5는 환자별 통증 문턱치(τref)를 산출하기 위한 가상의 토크 곡선이 결정하는 예를 보여주는 그래프이며, x축은 어깨 관절의 운동 각도이고, y축은 각도의 변화에 따라 측정되는 토크값이다.
도 5에서 진한 선(A)은 45°~ 60°(calibration 구간)에서 측정한 토크값이다. 캘리브레이션 구간(calibration 구간)에서 측정한 토크값에 의해 'G'와 'c'를 최소자승추정법에 의해 산출하게 되면 얇은 선(B)과 같이 가상의 토크 곡선(사인 곡선)을 얻을 수 있게 된다. 여기서, 캘리브레이션 구간(calibration 구간)은 환자가 통증을 느끼기 시작한 일정 구간과 동일한 의미이다.
즉, 가상의 토크 곡선은 일정 캘리브레이션 구간(calibration 구간)에서 토크값만으로 산출되며, 캘리브레이션 구간(calibration 구간)에서 'G'와 'c'를 산출하였기 때문에 전체 구간에서 기준 토크 곡선을 결정할 수 있게 된다.
이러한 방식에 의해 도 5와 같은 통증에 따른 환자별 기준 토크 곡선이 그려지게 되는 것이다.
이와 같이, 운동 치료 전에 환자별 통증 문턱치(τref)의 결정이 이루어진 후에 실제 재활 치료 운동이 시작된다.
실제 재활 치료 운동이 시작되면 치료 운동 중에 환자의 팔이 들어 올려지는 각도의 범위가 커짐에 따라 통증에 의해 환자가 운동방향과 반대방향으로 저항하려는 저항 근 모멘트값(τ)이 발생되며, 이 저항 근 모멘트값(τ)은 토크센서(150)에 의해 측정된다.
이때, 토크센서(150)는 저장부(240)와 전기적으로 연결되며, 이에 따라 토크센서(150)로부터 측정된 저항 근 모멘트값(τ)을 저장부(240)로 전송될 수 있게 된다.
이와 같이, 치료 운동 중에 환자의 저항 근 모멘트값(τ)이 저장부(240)로 전송되면, 제어부는 통증 캘리브레이션(calibration)에 의해 산출된 통증 문턱치(τref)와 저항 근 모멘트값(τ)의 차이값(△τ)이 저장부(240)에 기 설정된 기준값(τid) 이하인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 있는 것으로 판단하여 치료 운동을 계속 수행하도록 하고, 기준값(τid) 이상인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 없는 것으로 판단하여 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하는 바이오 피드백 제어를 수행한다.
저장부(240)에는 입력부(210)에서 입력된 최적 운동 범위(Target ROM) 등의 각종 데이터 값과, 토크센서(150)에서 측정된 환자의 저항 근 모멘트값(τ)와 연산부(230)에서 연산 처리된 통증 문턱치(τref)와, 후술하는 운동 치료 결과 데이터 등이 저장된다.
도 6는 제어부(220)에서 통증 문턱치(τref)와 저항 근 모멘트값(τ)의 차이값(△τ)을 연산하는 과정을 이해하기 쉽도록 시각적으로 보여주기 위한 그래프이며, x축은 어깨 관절의 운동 각도이고, y축은 각도의 변화에 따라 측정되는 토크값이다.
도 6에서 가는 선(A)은 치료 운동 전에 환자가 통증을 느끼기 시작한 구간인 20°~30°의 구간에서 통증 캘리브레이션(calibration)을 통해 얻은 가상의 토크 곡선으로 전체 운동 구간에서의 환자별 통증 문턱치(τref)이며, 굵은 선(B)은 실제 치료 운동 중에 환자의 팔이 들어 올려지는 각도의 범위가 커짐에 따라 통증에 의해 환자가 운동방향과 반대방향으로 저항하려는 저항 근 모멘트값(τ)이다.
도 6에서 나타난 바와 같이 통증 문턱치(τref)와 저항 근 모멘트값(τ)는 치료 운동 시작부터 120°범위까지 거의 일치하다가 120°이후의 범위에서는 점차로 그 차이가 커짐을 알 수 있다.
이때, 통증 문턱치(τref)와 저항 근 모멘트값(τ)의 차이값(△τ)이 기 설정된 기준값(τid)을 넘을 경우에는 제어부(220)는 환자가 통증을 더 이상 감내할 수 없는 것으로 판단하게 된다.
이때, 기준값(τid)은 통증에 의한 능동적 토크의 역치로 다양한 환자의 실험을 통해 모든 환자에게 적용될 수 있는 평균적인 값으로 미리 결정해두는 값이다. 즉, 실험시 환자가 통증을 느끼기 시작하는 구간과 통증을 감내하기 힘든 구간을 체크하여 모든 환자에게 적용이 가능한 평균적인 기준값을 결정하게 된다.
그러나, 이러한 기준값(τid)은 환자에 따라 달리 적용되는 경우도 있을 수 있는데, 환자 또는 치료사가 단계적으로 그 기준값(τid)을 조절할 수 있도록 핸드 콘트롤러(200)의 입력부(210)에는 기준값 조절부(214)가 더 마련되어 진다.(도 2 참조)
상기한 치료 운동에서 측정된 각 환자별, 치료회차별 정보는 상기 저장부(240)를 통해 저장되며, 저장된 데이터의 개별적 및 통합적 분석을 통해 환자의 현재 운동 상태 및 치료 과정을 표시부(250))를 통해 실시간으로 모니터링 함으로써, 환자의 치료과정 단축을 위한 최적 시술을 도모하고, 이후 다른 환자의 시술을 위한 기준 자료로 활용할 수 있다.
이러한 표시부(250)에는 운동 속도, 운동 각도, 전기자극의 강도, 온열 온도 및 목포 달성률 등의 데이터가 표시되어 재활 훈련 결과를 실시간으로 모니터링 할 수 있게 된다.
본 발명에서는 이러한 표시부(250)를 핸드 콘트롤러(200)에 구비되는 것을 설명하였지만, 치료기의 환자 전방에 설치되는 별도의 모니터에 의해 구현될 수 있음은 물론이다.
이하, 본 발명에 따라 환자의 통증에 따른 바이오 피드백 운동 제어 가능한 어깨 관절 치료기의 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 어깨 관절 치료기의 제어 과정을 도시한 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 어깨 관절 치료기의 제어 동작은 환자별로 재활 운동에 적합한 치료 운동 데이터를 설정하는 맞춤형 치료 운동 데이터 설정 단계(S10)와, 치료 운동과 병행하여 온열 및 전기자극 치료를 수행하기 위한 혼합(하이브리드) 치료 설정 단계(S20)와, 치료 운동 중에 환자의 통증을 바이오 피드백 하여 운동 치료의 효과를 극대화 하는 바이오 피드백 제어를 통한 운동 치료 단계(S30) 및 치료 운동 중 또는 치료 운동 완료 후에 회복 정도 등의 운동 결과를 표시하는 운동 결과 표시단계(S40)로 이루어진다.
먼저, 어깨 관절 이상이 있는 환자의 치료를 위해 입력부의 전원을 온(ON)하면 어깨 관절 치료기는 초기화 상태로 작동을 대기한다.
이후, 환자의 통증 정도에 따른 맞춤형 치료를 위해 치료 운동 데이터 설정 단계(S10)를 시작한다.
치료 운동 데이터 설정 단계(S10)는 실제 치료 운동 이전에 이루어지는 단계로, 환자의 통증 정도에 따른 어깨 관절의 최적 운동 범위(Target ROM)를 설정하는 단계(S11)와, 환자의 통증 정도에 따른 운동 종류, 운동 방향, 운동 속도, 운동 각도 및 운동 횟수 등을 설정하는 운동 설정 단계(S12)와, 환자의 통증 정도에 따른 최적의 통증 문턱치(τref)를 결정하기 위해 통증 캘리브레이션 단계(S13)로 이루어진다.
캘리브레이션 단계(S13)에서의 환자별 통증 문턱치(τref)는 환자가 통증을 느끼기 시작하는 일정 운동 구간의 범위에서 발생하는 근 모멘트를 토크센서로 측정한 값을 기초로 상기 수학식 1 및 수치해석적 방법을 통한 연산부의 연산에 의해 치료 운동 전체 구간에서 가상의 사인(sin) 형상의 곡선으로 구해진 이후에 저장부에 저장된다.
이후, 환자의 통증 정도에 따라 혼합 치료 설정 단계(S20)를 선택할 수 있는데, 환자의 통증이 큰 경우에는 실제 치료 운동 전에 치료 효과를 극대화하기 위해 어깨 관절의 이완 작용과 통증 경감을 위해 온열 치료 및 전기자극 치료를 수행한 후에 재활 운동을 시행하게 되며(S22), 환자의 통증이 크지 않는 경우에는 이러한 온열 및 전기자극 치료 없이 바로 재활 운동을 시행하게 된다(S21).
실제 재활 치료 운동이 시작되면(S31) 치료 운동 중에 환자의 팔이 들어 올려지는 운동 범위가 커짐에 따라 통증에 의해 환자가 운동방향과 반대방향으로 저항하려는 저항 근 모멘트값(τ)을 토크센서로 측정하는 단계(S32)에 의해 각 범위에서 측정된 근 모멘트값(τ)이 저장부에 저장된다.
이때, 제어부는 통증 문턱치(τref)와 저항 근 모멘트값(τ)의 차이값(△τ)이 저장부에 기 설정된 기준값(τid) 보다 큰 경우에 환자가 통증을 감내할 수 없는 것으로 판단하여 구동부의 구동을 정지시키고 혼합 치료 단계로 다시 복귀하도록 작동하여 온열 및 전기자극 치료를 다시 수행하는 바이오 피드백 제어를 수행하면서 치료 운동을 반복하고, 만일 차이값(△τ)이 기준값(τid) 보다 작은 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 있는 것으로 판단하여 치료 운동을 계속 수행한다(S33).
치료 운동 계속 중에 제어부는 환자의 어깨 관절 운동 범위(ROM)가 저장부에 저장된 최적 운동 범위(Target ROM) 범위에 도달하였는지를 판단하여(S34), 최적 운동 범위(Target ROM)에 도달한 경우에는 치료 운동을 종료시킨다.
이때, 전기 자극 치료는 치료 운동 중에도 계속 수행되며, 기준값(τid) 은 환자의 상태에 따라 의사 및 물리치료사의 판단에 따라 그 범위를 조절해가면서 치료 운동하게 된다.
마지막으로, 치료 운동이 완료되면 환자의 운동량과 회복 정도 등 운동 결과에 대한 상세 정보를 표시부로 출력하도록 함으로써 각 환자별 치료 상태를 관리하고 환자의 치료 단계에 따라 적절한 데이터를 제공함으로써 효율적인 재활 치료가 가능하여 치료기간을 단축할 수 있게 된다(S40).
본 발명의 일 실시예는 하나의 실시예에 지나지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 구성요소의 많은 변형 및 변경이 가능함을 물론이며, 본 발명이 일 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
이와 더불어 본 발명의 바이오 피드백 제어 가능한 혼합 치료기에 대하여 어깨 관절 치료기에 한정하여 설명하였지만, 어깨관절 치료기뿐만 아니라 인체의 다양한 관절을 위한 재활 및 정형 치료기에도 본 발명의 기술 사상이 적용이 가능함으로써 다양한 관절 치료기의 개발이 적용 가능한 산업상 이용 가능성이 있다.
100 : 어깨 관절 운동장치 120: 고정거치대
140 : 구동부 150 : 토크센서
160 : 온열 패드 170 : 전기자극 패드
200 : 핸드 콘트롤러 210 : 입력부
211 : 최적 운동 범위 설정부 212 : 운동 설정부
213 : 혼합 치료 설정부 213a : 온열 치료 설정부
213b: 전기자극 치료 설정부 214 : 기준값 조절부
220 : 제어부 230 : 연산부
240 : 저장부 250: 표시부

Claims (9)

  1. 어깨 관절 이상이 있는 환자의 팔을 거치 및 고정하기 위한 고정거치대와, 상기 고정거치대를 일정 각도 범위에서 왕복 운동시키기 위한 구동력을 제공하는 구동부를 포함하는 어깨 관절 치료기에 있어서,
    상기 구동부 측에 결합 되어 상기 고정거치대의 회전 시에 환자가 통증에 의해 운동 방향에 저항하는 어깨 관절의 근 모멘트를 측정하기 위한 토크 센서와,
    운동 치료 전에 환자가 통증을 느끼기 시작하는 운동 범위에서 상기 토크센서에 의해 측정된 근 모멘트값을 기초로 전체 운동 범위의 통증 문턱치(τref)를 연산하는 연산부와,
    운동 치료 중에 상기 토크 센서로부터 환자의 통증 시 측정되는 저항 근 모멘트값(τ)과 상기 연산부에서 연산된 통증 문턱치(τref)의 차이값(△τ)이 기준값(τid) 이하인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 있는 것으로 판단하여 치료 운동을 계속 수행하도록 하고, 기준값(τid) 이상인 경우에는 환자가 통증을 감내할 수 없는 것으로 판단하여 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연산부는 하기의 수학식 1을 이용하여 전체 운동 범위의 통증 문턱치(τref)를 연산하되, α는 고정된 값이며 G와 c는 최소자승추정법에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기.
    [수학식 1]
    Figure pat00003

    여기서, G는 중력 상수이며, θ는 치료 운동 시 어깨 관절의 운동 각도이며, α는 환자와 기기의 정렬 불일치(misalign)에 의한 사인 곡선의 위상 전이값이며, c는 토크센서에 의해 토크 측정 시 발생하는 오프셋값(offset)을 의미함.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 환자의 일측 어깨에 착용되어져 어깨에 온열을 가하는 온열 패드()와 어깨에 부착되어 어깨에 경피적 전기 신경 자극을 주는 전기자극 패드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 환자의 상태에 따라 상기 기준값(τid)을 조절할 수 있는 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기.
  5. 어깨 관절 치료기를 이용하여 환자의 어깨와 팔을 운동시키는 어깨 관절 치료기의 운동 제어방법에 있어서,
    환자의 상태에 따라 어깨 관절의 운동 범위를 설정하는 최적 운동 범위 설정 단계;
    운동 치료 전에 환자가 통증을 느끼기 시작하는 운동 범위에서 토크센서에 의해 측정된 근 모멘트값을 기초로 전체 운동 범위의 통증 문턱치(τref)를 연산하는 통증 캘리브레이션 단계;
    운동 치료 중에 상기 토크 센서로부터 환자의 통증 시 측정되는 저항 근 모멘트값(τ)을 측정하는 측정 단계; 및
    운동 치료 중에 저항 근 모멘트값(τ)과 통증 문턱치(τref)의 차이값(△τ)이 기준값(τid) 이하인 경우에는 치료 운동을 계속 수행하도록 하고, 기준값(τid) 이상인 경우에는 구동부의 구동을 정지시키고 초기 상태로 복귀하는 바이오 피드백 제어를 통한 운동 치료단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 운동 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 운동 치료 전에 온열 치료와 전기 자극 치료를 수행하는 혼합 치료 설정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 바이오 피드백 제어를 통한 운동 치료단계에 있어서 초기 상태의 복귀는 상기 혼합 치료 설정 단계로 복귀하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 전기 자극 치료 설정 단계는 운동 치료 전뿐만 아니라 운동 치료 중에도 계속하여 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 제어방법.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 기준값(τid)은 환자의 상태에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 혼합형 바이오 피드백 어깨 관절 치료기의 제어방법.
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