KR20120129098A - 휴대용 보행 교정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장애인, 즉 노인이나 지체부자유자의 정상적인 보행을 위한 생체신호와 전기적인 자극으로 보행을 교정하기 위한 장치에 관한 것으로, 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 신체의 기운 정도를 검출하는 기울기센서와, 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 해당 근육의 기운 정도를 검출하는 근전도센서와, 상기 기울기센서와 근전도센서에서 검출된 결과에 따라 기운 쪽의 근육에 전기적인 자극을 주어 수축되도록 하는 전기자극용 전극이 포함된 패드; 상기 패드와 전선으로 연결되고, 상기 기울기센서와 근전도센서에서 검출된 값을 연산하여 전기자극용 전극에 가해지는 전류의 세기를 결정하는 제어부가 포함된 컨트롤러;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 기울기센서에서 검출된 기울기각도와 근전도센서에서 검출된 값을 증폭하고 디지털신호로 처리하며, 전기자극용 전극으로 인가되는 전류세기를 결정하는 것이다. 본 발명은 고령화로 인한 노인인구의 증가에 따르는 수요 증가에 대응하여 다양한 질병과 증상의 포괄적인 치료 및 재활훈련 장비의 제공으로 관련 산업의 국가 경쟁력이 강화되고 큰 도움을 줄 수 있고, 재활훈련을 통해 노인의 재활 치료 참여를 높일 수 있으며, 치료 효율 및 물리치료사의 역할을 대신함으로서 재활훈련에 따른 개인과 사회적 비용을 최소화시킬 수 있는 등 재활 치료의 보편화 및 상용화가 가능한 것이다.

Description

휴대용 보행 교정 장치{Apparatus for Walking Calibration of Portable Type}

본 발명은 휴대가 가능한 보행 교정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장애인, 즉 노인이나 지체부자유자의 정상적인 보행을 위한 생체신호와 전기적인 자극으로 보행을 교정하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 선진국을 중심으로 장애인의 적극적인 활동이나 독립적인 활동을 가능하도록 하기 위한 관련 장치가 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 장애인 수의 증가와 고령화로 지체가 부자유한 환자는 더욱 증가하는 추세이다. 이러한 추세에 따라 병원이나 피트니스(fitness) 센터나 헬스(health) 클럽 등을 통하거나 일반 가정에서 상시적으로 운동할 수 있는 네트워크 기반의 재활훈련 기술개발이 필요한 실정이다.

현재 국내에서 개인 중심의 상용화된 제품이 없고, 재활치료에 사용되는 유사 제품은 대부분 수입품에 의존하고 있다. 선진국과 대비하여 재활훈련에 관한 이론적 기술 격차는 없지만, 재활훈련 관련 제품이나 시스템은 선진국 대비 85% 이상의 수준에 도달하고 있다.

종래 재활훈련 관련기술은 특허공개공보 제10-2010-0079350호의 의복형 근전도 및 기능적 전기 자극 시스템으로, 안감과 겉감의 탄력적 소재로 내측의 피부와 접촉되는 부분에 자극 전극들과 근전도 전극들이 장착되어 있다. 이는 근전도 신호를 검출하고 기능적 전기 자극을 수행할 수 있는 근전도 및 기능적 전기 자극용 의류이다. 상기 기술은 의복에 근전도 전극과 자극 전극이 장착되어 있어 사용자의 활용도가 낮은 문제가 있다.

또한, 종래에 특허등록공보 제10-0546485호의 근전도 조절식 휴대용 전기자극기는 하지 또는 상지마비 환자 등에게 환자 스스로가 근전도 레벨 기준치 이상의 힘을 가했을 때 전기를 가하여 근육을 수축하도록 타이밍을 조절하는 것이다. 상기 기술은 근전도 레벨 기준치 이상을 감지하거나 타이밍을 조절하는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.

해마다 의료기관별 재활훈련 관련기술의 수요는 증가하고 있지만, 그 치료기술이 단순하여 다양한 질병과 증상을 포괄적으로 치료하지 못하고 있는 실정이다.

대한민국 특허공개공보 제10-2010-0079350호 대한민국 특허등록공보 제10-0546485호

본 발명은 상기 실정을 감안하여 재활치료 기술과 장비의 국산화와 노인 등 장애인의 육체적 건강 증진과 치료 효율을 증대시키기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 전기 자극 잡음 제거필터 기술을 이용하여 자세의 균형을 이루지 못하는 경우 필요한 근육의 근전도 신호를 검출하여 필요한 전기 자극을 가하여 무의식중에서도 자세가 교정되도록 하기 위한 것이 다른 목적이다.

또한, 본 발명은 3축의 가속도센서와 자이로센서로부터 인체의 위치를 검출하여 보다 정밀한 제어가 가능하도록 하고, 무게중심의 교정 시스템을 접목하여 동적자세균형이 가능한 재활훈련 장치를 제공하기 위한 것이 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 휴대용 보행 교정 장치는, 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 신체의 기운 정도를 검출하는 기울기센서와, 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 해당 근육의 기운 정도를 검출하는 근전도센서와, 상기 기울기센서와 근전도센서에서 검출된 결과에 따라 기운 쪽의 근육에 전기적인 자극을 주어 수축되도록 하는 전기자극용 전극이 포함된 패드; 상기 패드와 전선으로 연결되고, 상기 기울기센서와 근전도센서에서 검출된 값을 연산하여 전기자극용 전극에 가해지는 전류의 세기를 결정하는 제어부가 포함된 컨트롤러;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 기울기센서에서 검출된 기울기각도와 근전도센서에서 검출된 값을 증폭하고 디지털신호로 처리하며, 전기자극용 전극으로 인가되는 전류세기를 결정하는 것이다.

또한, 본 발명은, 상기 컨트롤러는 기울기센서 또는 근전도센서 중에서 어느 하나이상의 센서로부터 감지된 신호를 일정 크기로 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 아날로그신호에서 귀선을 소거하는 귀선소거기와, 상기 귀선소거기에서 귀선 소거된 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기와, 상기 제어부에서 출력된 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환기와, 상기 D/A변환기에서 변환된 아날로그신호로부터 직류 펄스신호를 발생시키는 펄스발생기와, 상기 펄스발생기에서 발생된 직류 펄스신호를 전극에 가하는 전기자극기를 더 포함될 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 컨트롤러는 사용자 허리에 장착할 수 있는 벨트가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 기울기센서에서 검출된 각도신호와 근전도센서에서 검출된 근전도 정보를 무선데이터로 송수신하는 블루투스모듈이 컨트롤러에 더 포함될 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 제어부는 근전도센서에서 검출된 근육수축량(y값)에 비례하는 강도의 전류세기가 발생되도록 제어하거나 기울기센서에서 검출된 기울기(x값)와 근전도센서(16)에서 검출된 근육수축량(y값)을 합산하여 산출한 후에 검출된 값에 비례하는 강도의 전류세기가 발생되도록 제어할 수 있다.

본 발명은 상기 해결 수단에 의하여, 고령화로 인한 노인인구의 증가에 따르는 수요 증가에 대응하여 다양한 질병과 증상의 포괄적인 치료 및 재활훈련 장비의 제공으로 관련 산업의 국가 경쟁력이 강화되고 큰 도움을 줄 수 있고, 정확한 진단에 기초한 노인의 육체적 건강을 증진시킴으로써 재활 치료의 만족감을 향상시킬 수 있으며, 재활훈련을 통해 노인의 재활 치료 참여를 높일 수 있고, 치료 효율 및 물리치료사의 역할을 대신함으로서 재활훈련에 따른 개인과 사회적 비용을 최소화시킬 수 있는 등 재활 치료의 보편화 및 상용화가 가능한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 휴대용 보행 교정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 근전도의 활동전위를 나타낸 펄스파로, 도 2a는 일반적인 펄스파이고, 도 2b는 1/5초로 나눈 펄스파이다.
도 3은 본 발명에 따른 휴대용 보행 교정 장치의 장착 위치를 나타낸 것으로, 도 3a는 허리로부터 등 쪽에 장착된 것이고, 도 3b는 허리로부터 하지에 장착된 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 휴대용 보행 교정 장치에서 발생되는 신호의 처리과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 보행주기에 따른 전경골근의 근전도 패턴을 나타낸 것으로, 도 5a는 정상인이고, 도 5b는 다운증후군 아동이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예로 휴대용 보행 교정 장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 등 쪽 또는 하지에 센서와 자극기가 포함된 패드와, 허리에 벨트로 고정시킬 수 있고 상기 패드와 전선을 통해 전기적인 신호를 송수신하는 컨트롤러로 이루어진 것이다.

먼저, 도 1에서, 패드(10)에는 기울기센서(14), 근전도센서(16) 및 전기자극용 전극(12)이 구비된다. 기울기센서(14)는 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 신체의 기운 정도를 검출하는 것으로, 기울기센서(14)는 3축 가속도센서 또는 자이로센서 등을 이용한다. 기울기센서(14)는 신체의 기울기 정도를 x값으로 검출한다.

상기 자이로센서는 각속도를 검출하는 센서로 초기위치가 주어지면 자세를 정확히 알 수 있다. 자이로센서의 측정단위 각도/시간(deg/sec)이다. 자이로센서는 상대적인 각도 정보를 얻을 수 있으므로 초기 각도가 주어져야만 얼마만큼의 각도가 변화하였는지를 정확히 알 수 있다. 예를 들어, 이동체의 경우로 가정하면, 기준이 되는 자세각은 흔히 가속도계(accelerometer)를 이용하고 있고, 이것이 출력하는 가속도신호는 가감속에 의한 운동가속도 성분과, 경사에 의한 중력가속도 성분의 두 가지가 혼합된 신호로 이해할 수 있다. 운동가속도 성분은 주파수 영역에서 고주파 성분에 위치하고, 중력가속도 성분은 저주파 성분에 위치하므로 자세각을 산출하기 위해서는 얻어진 가속도계신호로부터 저주파성분을 추출하며, 추출된 저주파 신호로부터 자세각을 계산한다. 이 저주파 성분은 로패스필터(LPF)로 걸러 낼 수 있다. 상기에서 가속도계로 중력가속도를 검출할 수 있으므로, 기울기(θ) 때의 중력 가속도는 g*SIN(θ)가 된다. 단, g는 중력가속도이다. 따라서 만약 가속도계가 α가 되는 중력가속도를 검출한 때에는 기울기 각도(자세각의 정적성분)

로 구할 수 있다. 한편, 가속도계는 운동에 따라 발생하는 가속도도 검출하기 때문에 시간을 평균한 운동가속도성분을 소거하여 자세각을 구하므로, 응답성에 문제가 발생하게 된다. 여기서, 자이로센서와 조합하여 응답성의 문제를 해결할 수 있다. 자이로센서의 각속도로부터 계산된 자세각의 동적부분과, 가속도계의 가속도로부터 계산된 자세각의 정적부분으로부터 이동체의 응답성이 빠른 부분은 자이로센서로 구한 자세각을 출력하고, 느린 부분은 가속도계로부터 구한 자세각을 선택하여 실제의 자세각을 출력하면, 응답성이 좋은 각도 출력을 얻을 수 있다.

근전도센서(16)는 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 해당 근육(1)의 기운 정도를 검출하는 것으로, 근전도센서(16)는 신체의 기울기 정도를 y값으로 검출한다. 근전도(Elctromygram, EMG)는 골격근의 활동전위를 세포외전극을 이용하여 유도하고 기록하는 전기적 검사법의 일종이다. 근전도는 골격근과 신경근접합부 운동뉴런 기능의 생리학적 연구 및 그들 부위가 관련하는 신경과 근질환 진단에 사용되고 있다. 근전도의 기록법으로는 피부 표면에 전극을 붙여 바로 밑의 근육의 활동전류를 기록하는 표면도출법과, 침상전극을 근육에 꽂아 하나의 신경근 단위에 속하는 근섬유군의 동기적 활동을 기록하는 침전극법이 있다. 침상전극으로는 보통 피하주사침에 절연한 동선을 봉입해서 만든 동심형 전극을 사용한다. 도 2는 근전도의 활동전위를 나타낸 펄스파이다. 도 2a는 수의근 수축(손가락의 굴곡운동) 때에 활동전위이고, 도 2b는 활동전위를 1/5초로 나눈 것이다.

그리고 패드(10)에 포함된 전기자극용 전극(12)은 상기 기울기센서(14)와 근전도센서(16)에서 검출된 결과에 따라 기운 쪽의 근육(1)에 전기적인 자극을 주어 수축되도록 하는 것이다. 전기자극용 전극(12)은 기울기센서(14)에서 검출된 x값과 근전도센서(16)에서 검출된 y값의 검출 결과에 따라 기운 쪽 근육에 전류를 인가하여 근육이 수축, 즉 근육이 펴짐, 왜냐하면 근육이 여러 부분으로 되어 있어 뒤쪽 근육에 자극을 주면 앞쪽 근육이 펴져 전체적으로는 근육이 펴지도록 하여 보행자의 기운 쪽에 해당하는 근육이 펴지면서 정상적인 기립상태를 유지하게 된다.

컨트롤러(20)는 상기 패드(10)와 전선(18)으로 연결되고, 제어부(22)는 상기 기울기센서(14)와 근전도센서(16)에서 검출된 값을 연산하여 전기자극용 전극(12)에 가해지는 전류의 세기를 결정한다. 제어부(22)에서 전기자극용 전극(12)에 가하는 전류의 세기는 근전도 검출결과에 따른 근육수축량(y값) 등에 비례하여 전기 강도를 높여주는 제어를 한다. 이때, 기울기센서(14)를 통해 측정된 기울기(x값)도 변수로 더 작용하여 보다 정밀한 전기적인 자극을 줄 수 있도록 한다. 따라서 전기자극의 제어는 x값 또는 y값으로 또는 x값과 y값을 합쳐 산출한 후에 검출된 값에 비례하는 강도의 전류세기가 발생되도록 제어한다. 따라서 제어부(22)는 기울기센서(14)에서 검출된 기울기각도와 근전도센서(16)에서 검출된 값을 증폭하고 디지털신호로 처리하며, 전기자극용 전극(12)으로 인가되는 전류세기를 결정하는 것이다.

또한, 상기 컨트롤러(20)에는 벨트(28)가 구비되어 사용자가 허리에 장착하여 휴대할 수 있도록 한다. 그리고 컨트롤러(20)에 전선(18)으로 연결된 패드(10)는 사용자의 해당하는 근육(1) 부위에 부착할 수 있도록 한다.

또한, 상기 컨트롤러(20)에는 기울기센서(14)에서 검출된 각도신호와 근전도센서(16)에서 검출된 근전도 정보를 무선데이터로 송수신하는 블루투스모듈(40)이 더 포함되어 있다. 그리고 블루투스모듈(40)과 원격에서 무선데이터를 송수신하는 컴퓨터나 서버가 구비되어 환자의 상태를 진단 및 데이터베이스화할 수 있도록 한다.

더욱이 도 4에서, 증폭기(30)는 상기 기울기센서(14) 또는 근전도센서(16) 중에서 어느 하나이상의 센서로부터 감지된 신호를 일정 크기로 증폭하는 것으로, 증폭기(30)는 전치증폭기(pre-amp)가 적용된다. 귀선소거기(blanking)는 상기 증폭기(30)에서 증폭된 아날로그신호에서 귀선을 소거하는 것이고, A/D변환기(32)는 상기 귀선소거기(31)에서 귀선 소거된 신호를 디지털신호로 변환하는 것이며, D/A변환기(24)는 상기 제어부(22)에서 출력된 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 것이고, 펄스발생기(25)는 상기 D/A변환기(24)에서 변환된 아날로그신호로부터 직류 펄스신호를 발생시키는 것이며, 전기자극기(26)는 펄스발생기(25)에서 발생된 직류 펄스신호를 전극에 가하는 것이다. 그리고 펄스발생기(25)와 귀선소거기(31)에는 3단의 펄스전기장(3rd GS-PEF)가 연결된다.

본 발명의 휴대용 보행 교정 장치의 적용이 가능한 사례로서, 치매환자의 경우 에는 말초 신경계 이상에 의한 병적 보행의 보행패턴이 발생된다. 말초신경계 이상에 의한 마비성 보행(paralytic gait)은 마비된 근육에 따라 보행의 형태가 달라지는데 대체로 마비근육의 이름을 붙이게 된다. 이상 보행이 나타나는 경우에는 여러 가지 원인이 있지만, 크게 신체구조상의 결함으로 인한 이상보행, 동통으로 인한 이상보행, 신경계나 근육의 불균형으로 인한 이상보행 등으로 대별하여 설명할 수 있다.

또한, 다운증후군 아동의 보행 향상을 위한 근육활동 규명(체육과학연구, 2007, 제18권, 제1호, 9~18. Korean Journal of Sport Science 2007, Vol. 18, No. 1, 9~18)의 자료를 참조하면 다음과 같다. 다운증후군 아이들은 근육의 약화와 불균형으로 인하여 걸을 때 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 다운증후군을 가진 아동(9~13세) 7명을 대상으로 걸을 때 작용하는 하지 근육의 역할을 규명하기 위해서 수행되었다. 보행 중에 중요하게 작용하는 근육들(장내전근, 중둔근, 대둔근, 대퇴이두근, 대퇴직근, 비복근, 전경골근)의 활동을 기록하기 위하여 7쌍의 표면 전극을 하지의 해당부위에 부착한 후 근전도 자료를 기록하였다. 다운증후군 아동들의 전경골근, 대퇴이두근, 장내전근의 근력 활동의 비율이 낮게 나타나서 이러한 근육들의 강화와 불균형 조절 훈련을 통해서 보행 패턴을 향상 시킬 필요가 있다. 따라서 이러한 근육들의 강화를 위한 발 앞꿈치 들기, 레크 컬, 엉덩 내전 강화 훈련이 포함되어야 할 것이다. 또한 위 근육들의 불균형을 조절하기 위한 발뒤꿈치 들기, 레그 익스텐션, 엉덩 외전 강화 훈련도 포함되어야 할 것으로 판단된다. 도 5a에서, 정상인은 걸을 때 대체로 일정한 패턴을 보였으나, 도 5b에서, 다운증후군은 지지기와 체공기 전반에 걸쳐 다양한 패턴이 나타났다. 따라서 다운증후군 개개인별로 보행 동작 및 근육의 활동을 진단하고 평가하여 개개인별 맞춤형 근력 향상 훈련과 보행 향상 훈련을 실시해야 할 것으로 판단된다.

전경골근(Tibialis Anterior, TA)은 다운증후군은 정상인에 비해서 발이 지면에 착지할 때 낮은 근육 활동을 보였으며(35.6% 대 98.8%), 발이 지면에서 떨어질 때 더 높은 근육활동을 보였다(34.1% 대 13.5%). 이와 같은 결과는 다운증후군은 발을 지면에 착지할 때 발의 배측굴곡근의 근육활동이 감소한 것으로, 다운증후군 보행의 대표적인 특징인 발을 편평하게 착지하는 것을 의미한다.

따라서 상기 예에서 알 수 있듯이 환자의 상태에 따라 어느 근육에 근전도와 전기 자극을 줄지가 결정된다고 볼 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1: 근육 10: 패드 12: 전극 14: 기울기센서 16: 근전도센서 18: 전선 20: 컨트롤러 22: 제어부 24: D/A(디지털/아날로그)변환기 25: 펄스발생기 26: 전기자극기 28: 벨트 30: 증폭기 31: 귀선소거기 32: A/D(아날로그/디지털)변환기 40: 블루투스모듈

Claims (5)

1. 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 신체의 기운 정도를 검출하는 기울기센서와, 사용자의 보행 때에 등 또는 하지 양쪽에서 해당 근육의 기운 정도를 검출하는 근전도센서와, 상기 기울기센서와 근전도센서에서 검출된 결과에 따라 기운 쪽의 근육에 전기적인 자극을 주어 수축되도록 하는 전기자극용 전극이 포함된 패드;
   상기 패드와 전선으로 연결되고, 상기 기울기센서와 근전도센서에서 검출된 값을 연산하여 전기자극용 전극에 가해지는 전류의 세기를 결정하는 제어부가 포함된 컨트롤러;를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 기울기센서에서 검출된 기울기각도와 근전도센서에서 검출된 값을 증폭하고 디지털신호로 처리하며, 전기자극용 전극으로 인가되는 전류세기를 결정하는 휴대용 보행 교정 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 기울기센서 또는 근전도센서 중에서 어느 하나이상의 센서로부터 감지된 신호를 일정 크기로 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 아날로그신호에서 귀선을 소거하는 귀선소거기와, 상기 귀선소거기에서 귀선 소거된 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기와, 상기 제어부에서 출력된 디지털신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환기와, 상기 D/A변환기에서 변환된 아날로그신호로부터 직류 펄스신호를 발생시키는 펄스발생기와, 상기 펄스발생기에서 발생된 직류 펄스신호를 전극에 가하는 전기자극기를 더 포함하는 휴대용 보행 교정 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 사용자 허리에 장착할 수 있는 벨트가 구비된 휴대용 보행 교정 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 기울기센서에서 검출된 각도신호와 근전도센서에서 검출된 근전도 정보를 무선데이터로 송수신하는 블루투스모듈이 컨트롤러에 더 포함된 휴대용 보행 교정 장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 근전도센서에서 검출된 근육수축량(y값)에 비례하는 강도의 전류세기가 발생되도록 제어하거나 기울기센서에서 검출된 기울기(x값)와 근전도센서(16)에서 검출된 근육수축량(y값)을 합산하여 산출한 후에 검출된 값에 비례하는 강도의 전류세기가 발생되도록 제어하는 휴대용 보행 교정 장치.

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