KR20130099323A - 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법 - Google Patents

네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건강 및 재활 운동을 위한 게임을 모니터에 출력시키고, 모니터를 보고 운동을 하는 사용자에 대해 실시간으로 비젼촬영 및 분석에 의해 운동정보를 계측하여 미리 구축된 운동 DB의 정보와 비교 평가하여 건강 및 재활 운동의 분석정보를 제공할 수 있도록 한 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 시스템이다.

Description

네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법{Functional measurement and evaluation method for exercising Health and Rehabilitation based on Natural Interaction}
본 발명은 네츄럴 인터렉션(Natural Interaction} 기반 건강 및 재활 기능성 측정 평가 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건강 및 재활 운동을 위한 시범운동을 모니터에 출력시키고, 모니터를 보고 운동을 따라하는 사용자에 대해 실시간으로 3차원 촬영 및 분석에 의해 운동정보를 계측하여 미리 구축된 운동 DB의 정보와 비교 평가하여 건강 및 재활 운동의 분석정보를 제공할 수 있도록 한 네츄럴 인터렉션 기반 건강 및 재활 기능성 측정 평가 방법에 관한 것이다.
뇌병변 환자의 재활치료 중 상지운동은 상부신경계의 기능이상 후 회복과정에서 나타나는 독특한 협응패턴을 고려한 운동을 수행하여야 한다.
운동과 같은 특수 목적성 운동에서는 재활 대상자가 운동 방법을 잘 모르기 때문에 의사의 조언과 감독 아래 운동을 수행하기는 하지만, 정량화된 수치적 기준이 없어 운동량 체크가 어렵고, 흥미 유발이 어려워 쉽게 지치며, 지루해 하고 잘못된 운동을 하게 되는 등의 어려움이 있었다.
이러한 맞춤형 운동처방은 환자의 상태에 따라서 달라지기 때문에 환자의 상태를 정확하게 평가하는 것이 기본이 되어야 한다. 평가자는 환자의 상태를 관절가동범위, 근지구력, 상지운동평가도구 등을 이용하여 평가하게 되는데 각각의 평가는 상당한 시간을 소모하게 되며, 평가자의 주관에 따라서 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
또한 관절가동범위를 통해 신체수준을 평가하면 치료사가 동반하여 측정도구를 가지고 수행해야 하는 복잡함과 부수적인 장치를 부착해야 하는 번거로움을 수반한다.
또한 기존의 평가방식은 적게는 5단계에서 보통 10단계 정도의 측정 단위를 가지기 때문에 환자상태가 미세하게 회복될 경우 그 회복 정도를 파악할 수 없다는 단점이 있다.
또한 뇌병변 환자의 특성상 상지의 움직임은 협응패턴을 나타나게 되고, 극강직으로 인하여 부드러운 움직임이 아니라 왜곡된 움직임을 보이는데 이를 정량적으로 측정하는 방법이 없다.
본 발명은 뇌졸중 등의 뇌병변 발생 후 운동기능의 회복 단계에 따른 재활 대상 환자의 기능적 회복 정도를 정량적으로 평가하기 위한 것이다.
실제 병원에서 쓰이는 세가지 평면에서의 관절가동범위, 협응패턴, 비정상적인 움직임 패턴, Fugl-meyer Assessment Scale, 및 Motor status scale을 디지털 방식으로, 정량적으로 평가할 수 있도록 한 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 모니터에서는 운동 및 특정동작을 설명하고, 환자는 이 지시에 따라서 재활운동을 수행한다. 이러한 동작수행은 깊이 카메라를 이용하여 실시간으로 촬영하여 3차원분석에 의한 각 관절의 움직임을 검출하도록 한다. 각 관절별로 세가지 평면에서 기록되는 관절가동범위와 관절의 움직임 패턴은 시계열로 저장한 후, 3차원적으로 재조합하고 일차적으로는 관절의 움직임 자체를 타코미터 및 그래프로 표시한다.
이후 시계열 관절 움직임 데이터는 미리 구축된 재활단계별 움직임 DB 정보와 비교 평가하여 어떤 단계의 협응 패턴을 나타내는지, 어떤 타입의 왜곡된 움직임이 나타나는지 분석한다.
또한 기존에 널리 사용되어 온 Fugl-meyer Assessment Scale, 및 Motor status scale 형식으로 변환되어 표시할 수 있도록 분석한다.
이상의 평가는 개인별로 초기단계, 직전단계와 비교하여 회복양상을 파악할 수 있도록 하며, 유사병변을 가진 그룹 내에서의 회복정도를 비교하여 재활치료의 효율성을 평가하도록 한다.
결론적으로 뇌병변 발생 후 운동회복 단계에 따른 상지 움직임과 재활 치료의 분석정보를 제공할 수 있도록 한 네츄럴 인터렉션 기반 건강 및 재활 기능성 게임 시스템의 디지털 정량화 신체수준 평가 도구이다.
본 발명의 목적은, 재활운동 훈련을 위한 시범을 가상 트레이너를 이용하여 모니터에 출력시키고, 사용자가 가상 트레이너의 동작을 따라하되, 3차원 카메라로 사용자를 촬영하여 뼈대 및 근육의 움직임에 대해서 모델링하여 사용자 운동정보를 측정하고, 미리 데이터 베이스를 구축하여 정량화된 각 동작의 기준 데이터와 비교하여 훈련을 평가하도록 이루어진 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법에 있어서,
사용자를 식별하기 위하여 사용자 인증을 하는 사용자 인증 과정과;
상기 사용자 인증 과정에서 사용자 인증이 이루어지면, 사용자의 운동상태를 촬영하여 측정하기 위하여 3차원 카메라의 인식 영역 내에서의 사용자 움직임인 인지를 판단하는 신체 인식 과정과;
신체 인식 과정이 완료되면, 처음 사용하는 사용자인 경우, 미리 설정된 신체 평가 항목에 따라 사용자 동작을 안내하고, 사용자의 동작에 따른 사용자의 골격을 모델링하여 운동 정보를 추출하고, 사용자 운동 정보를 미리 설정된 기준이 되는 운동정보와 비교하여 측정 항목별로 평가하고, 측정항목들의 평가정보를 종합하여 사용자의 재활훈련 레벨을 설정하는 신체 평가 과정과;
처음 사용자가 아닌 경우 이전의 재활훈련 이력정보, 처음 사용자인 경우 상기 신체 평가 과정에 의해 설정된 사용자 레벨를 이용하여 사용자의 훈련 스케줄을 설정하는 사용자 훈련 스케줄 설정과정과;
상기 사용자 훈련 스케줄 설정이 완료되면, 해당되는 훈련 스케줄에 의거하여 오늘의 재활 훈련을 시작하되, 가상 트레이너에 의해 훈련 동작을 모니터에 시범동작으로 출력하고, 사용자가 따라하는 동작에 대해서 사용자의 뼈대를 모델링한 관절바 의해 운동정보를 추출하여 기준 정보와 비교 평가하고, 사용자 훈련 이력정보를 저장 관리하는 재활 훈련 과정을 포함하는 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명은 재활운동 훈련에 대해서 운동 정보를 정량적으로디지탈 데이터로 DB화 하고, 사용자의 움직임을 3차원 카메라로 촬영하여 뼈대를 모델링하여 운동정보를 추출한 후, 이를 기준이 되는 정량적 데이터와 비교하여 평가함으로써, 정량적 평가가 가능해진다는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 신체평가는 디지털화됨으로 평가자 및 뇌병변 환자에게 지속적으로 정확한 피드백을 제공하고, 이러한 디지털화된 신체평가 결과는 자동적으로 컴퓨터에 저장됨으로써 일일이 수기로 저장하는 불편함과 시간낭비를 줄일 수 있으며, 지루한 평가과정을 게임형식을 이용하게 됨으로써 대상환자가 적극적으로 참여할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 인체의 골격/근육의 움직임 및 운동에 대한 모델링 정보를 테이블로 저장하여 두고, 사용자가 목표운동정보를 입력하면 자동으로 매칭되는 게임콘텐츠를 선택할 수 있도록 하며, 게임 진행에 따른 운동분석을 통해 운동 부위나 운동종류, 운동량 등의 운동정보를 분석하여 제공함으로서 건강 및 재활을 위한 운동효과를 향상시킬 수 있고, 게임을 이용하기 때문에 흥미를 유발하여 운동 효과를 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 재활훈련 모니터의 예시도.
도 3은 본 발명에 의한 재활훈련 시스템의 제어 흐름도.
도 4는 본 발명에 의한 신체 인식 제어 흐름도.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 시스템의 기본 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이,
사용자의 재활 운동 훈련 스케줄에 따라 가상 트레이너(101)의 시범을 모니터(100)에 출력하고, 가상 트레이너(101)의 시범을 따라하는 사용자를 3차원 카메라(160)로 촬영하여 모니터(100)에 출력하면서, 영상 분석에 의해 사용자의 운동 정보를 추출하고, 가상 트레이너(101)의 운동 정보와 사용자의 운동 정보를 비교 평가하여 모니터(100)에 출력하는 재활운동 측정 시스템(20)과;
상기 재활운동 측정시스템(20)과 연결되고, 재활운동에 대해서 운동 정보를 디지털 데이터로 정량화시켜 재활운동의 종류, 레벨, 운동방법에 대해 재활운동 DB(110)로 저장해두고, 해당 사용자의 재활운동 훈련 스케줄을 자동 생성하여 상기 재활운동 측정시스템(20)으로 전송하고, 상기 재활 운동 측정시스템(20)으로부터 사용자의 운동 정보 및 평가 정보를 수신받아 해당 사용자의 재활운동 이력정보로서 저장함과 아울러 운동 상태정보를 관리자 모니터(122)에 표시하여 관리하는 관리 시스템(10)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 재활운동 측정시스템(20)은,
상기 관리 시스템(10)으로부터 사용자의 재활운동 훈련 스케줄을 수신받아 사용자 재활운동 훈련 스케줄에 의거하여 사용자가 따라하도록 모니터(100)에 가상 트레이너(101)에 의한 재활운동 시범을 보이면서 자막 및 음성으로 안내하는 재활운동 플레이 제어부(150)와;
상기 모니터(100)에 플레이 되는 가상트레이너(101)의 운동을 따라하는 사용자를 촬영하는 3차원(depth) 카메라(160)와;
상기 3차원 카메라(160)에 의해 촬영된 사용자 영상을 분석하여 사용자 운동 정보를 생성하고, 상태 정보 및 사용자 운동 영상을 모니터(100)에 표시하는 사용자 운동 분석부(170)와;
상기 가상트레이너(101)의 운동정보와, 사용자의 운동정보를 비교하여 유사성에 따른 비교 평가를 하고, 평가 결과를 모니터(100)에 출력함과 아울러 사용자 운동 교정지시를 음성 및 모니터 메시지로 출력하는 재활운동 평가부(180)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 사용자의 재활운동 종류와 재활운동 레벨 및 사용자 재활운동 훈련 스케줄에 따라 해당되는 재활 운동에 맞도록 사용자의 움직임에 의해 게임이 구현되도록 게임기능을 제공함과 아울러 사용자 레벨에 맞춤식으로 게임기능을 제어하는 게임 제어부(190)를 더 포함하여 구성된다.
상기 관리 시스템(10)은,
재활운동에 대해서 운동 정보를 디지털 데이터로 정량화시켜 재활운동의 종류, 레벨, 운동방법에 대해 게임 및 훈련 스케줄 형태로 저장해둔 재활운동 DB(110)와;
사용자의 인식 및 선택에 의해 상기 재활운동 DB(110)로부터 추출되는 사용자 맞춤 재활운동 훈련 스케줄을 생성하고, 사용자의 재활운동 스케줄을 관리하는 사용자 재활운동 훈련 스케줄부(120)와;
상기 측정 시스템(20)으로부터 사용자의 재활운동정보 및 평가결과와 재활운동에 대한 이력정보를 저장하여 다음 재활 운동의 훈련 스케줄 및 스케쥴을 관리하는 사용자 재활운동 이력관리부(170)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 재활운동 훈련 스케줄부(120)의 사용자 인식을 위한 사용자 인식부(121)를 더 포함하고, 사용자 인식부(121)는 사용자 정보 입력수단 또는 사용자 식별 RF카드를 인식하는 RF카드 인식수단으로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 관리 시스템(10)에는 관리자 모니터(122)를 더 포함하고, 측정 시스템(20)으로부터 수신되는 사용자 재활운동 정보에 의거하여 재활운동 DB(110)의 기준정보와 사용자 운동정보를 함께 비교 그래프로 표시함과 아울러 사용자 재활운동 스케쥴 및 재활운동 이력 상태를 검색 조회하여 관리하기 위한 관리 제어부(130)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 모니터상의 화면 예시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 모니터(100)에 가상 트레이너(101)가 시범을 보이고, 이를 사용자(102)가 따라하는 방식으로 재활운동을 하게 한다.
사용자(102)를 모니터(100)에 표시할 때, 3차원 카메라(160)에 의해 촬영한 영상을 분석하여 재활운동과 관련된 신체의 뼈대 정보를 모델링 한 관절 바(103)로 중첩 표시하고, 관절 바(103)의 운동 정보를 운동정보 표시부(104)에 실시간으로 표시하도록 구성되며, 해당되는 운동의 횟수와 명칭을 모니터(100) 상에 표시한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은,
관리 시스템(10)와, 측정 시스템(20)을 연결하고, 3차원 카메라(160)와 함께 구동시킨다. 측정시스템(20)은 사용자가 모니터(100)를 보면서 가상 트레이너(101)의 동작을 따라하는 방법으로 재활운동을 하거나, 게임을 플레이시켜 재활운동을 하게 된다.
본 발명은 재활운동에 대하여 디지털 데이터로 운동정보를 정량화시켜 재활운동정보로서 DB화 시키고, 재활운동 사용자의 조건에 맞게 재활운동을 훈련 스케줄로 구성한다. 예를 들어, 팔을 수평으로 들어올리는 동작을 하는 경우, 팔을 들어 올릴때의 어깨의 각도, 팔꿈치 각도, 몸통의 각도 등을 움직임 데이터로서 정량화시키는 것이다.
그리고 훈련 스케줄이란, 재활운동을 위한 동작들, 및 해당 사용자의 조건에 따른 움직임 정도, 반복 횟수 등등의 재활운동 방법에 대해서 순서대로 훈련 프르그램을 생성하여 이를 가상 트레이너에 의해 시범을 보이고 사용자가 따라하는 방식으로 재활운동을 하게 된다. 사용자의 움직임을 영상 분석에 의해 뼈대정보를 관절바(103)로 모델링하여 표시하고, 움직임 상태정보에 의해 기준이 되는 정보와 비교하여 평가하는 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 재활훈련 시스템의 제어 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 의한 신체 인식 제어 흐름도이다.
본 발명은 먼저, 사용자 인증 과정(S10)이 필요하다. 사용자 인증(S10) 과정이란, 해당 사용자의 정보를 입력하여 등록하고, 해당 사용자의 조건에 맞는 재활운동 훈련 스케줄을 자동설정하여 재활운동을 진행할 수 있도록 하기 위한 것이다.
사용자 인증 방법으로는 관리 시스템(10)에서 사용자 등록을 하여 입력 또는 전체 사용자 정보에서 해당 사용자를 선택하거나, 사용자 RF카드를 이용하여 인증하는 방법을 사용할 수 있다.
사용자 인증 과정(S10)에서 사용자 등록 및 등록된 사용자 정보를 인식하게 되면, 사용자 신체를 스캔하는 신체 인식 과정(S20)을 수행한다.
신체 인식 과정(S20)은,
3차원 카메라(160)에 의해 사용자를 촬영하여 배경이나 주변 물체를 제외시켜 사용자만을 분리하고, 사용자의 뼈대 움직임을 관절 바(103)로 모델링하는 준비과정이다. 이는 3차원 카메라(160)가 촬영하여 분석하기 위한 인식 범위(105)를 그래픽 상으로 표시하고, 사용자(102) 영상을 모니터(100)에 출력함으로써, 사용자(102)가 그래픽으로 표시된 인식 범위(105) 내에 위치 되게 위치를 이동하여 준비하고, 사용자의 신체 스캔을 위하여 사용자 움직임을 요청한다.
움직임 요청은 자막과, 음성으로 안내하여 손을 흔들거나 앉았다 일어서나 등등으로 사용자 움직임을 요청하여 사용자가 움직이는 상태를 촬영하고, 3차원 카메라(160)의 신체 인식이 완료되었는지를 판단한다. 사용자의 움직임이 인식 범위(105) 내에 있는지를 판단하여 인식하게 된다. 재활운동을 해야 하는 신체부분의 움직임을 유도하여 사용자의 신체 분석을 한다. 가상 트레이너(101)가 시범으로 보이고, 사용자(102)가 따라하는 방법으로 수행될 수 있다. 이러한 사용자 움직임을 촬영하고, 뼈대 정보를 모델링하여 운동정보를 추출할 수 있도록 한다.
신체 인식 과정(S20)이 완료되면, 이전 사용자는 사용자(유저) 프로파일을 불러와서 이를 화면에 출력하고, 처음 사용하는 사용자는 신체 평가 과정(S30)을 거친다.
신체 평과 과정(S30)은 재활운동이 필요한 부분에 대해서 움직임을 유도하고, 사용자 움직임을 평가하여 재활운동의 레벨을 자동 설정한다. 신체 평가를 위해 미리 설정된 복수의 측정 항목의 동작을 가상 트레이너가 시범을 보이고, 이를 사용자가 따라 하게 하며, 사용자의 움직임 정보를 모델링된 뼈대의 관절바(103)의 상태정보로서 추출하여 DB상의 기준 정보와 비교하여 평가한다. 각 측정 항목별로 만점을 기준으로 사용자 움직임의 유사도에 따라 점수를 부여하고, 전체 측정항목의 취득 점수의 합계에 의해 사용자의 재활운동 레벨을 설정한다. 사용자의 재활운동이 필요한 부위에 대해서만 수행할 수도 있다. 제활운동 레벨은 예를 들어 1 ~ 5 레벨로 구분할 수 있으며, 팔을 수평으로 90도 들어올리는 경우, 각 관절 부위의 움식임 상태를 비교분석하여 평가하여 점수를 부여하고, 각 측정항목의 합산 점수에 의해 레벨을 설정(S40)한다.
Figure pat00001
신체 평가과정(S30)을 거쳐 사용자의 재활훈련 레벨이 설정(S40)되거나, 이전 재활훈련 이력에 의해 해당 사용자의 프로파일을 불러오기(S41)를 하여 재활운동 훈련 스케줄을 생성하는 재활운동 훈련 스케줄 생성과정(S50)을 수행한다.
재활훈련 스케줄 생성 과정(S50)은, 사용자의 재활레벨과, 운동 종류, 운동방법 등을 훈련 프로그램으로 생성하는 것으로서, 기존 사용자는 재활훈련 이력 정보에 의거하여 지금까지의 훈련 성과에 따라 레벌 재설정이나 추가 운동 또는 변형 운동 또는 게임 을 포함하는 운동 등으로 설정하며, 이는 의료진의 코멘트에 의해 재활 훈련 스케줄을 생성하는 것이 바람직하나, 기본적으로는 미리 디폴트로 설정된 기본 훈련 프로그램들에 의해 사용자 조건 및 사용자 레벨 및 사용자의 현재 상태등을 이력정보로부터 불러와서 자동으로 기본 프로그램을 자동생성한다.
재활훈련 스케줄이 생성되면, 재활 훈련 과정(S60)을 수행하며, 재활 훈련 과정은 스케줄에 따라 가상 트레이너(101)의 시범 및 지시에 의거하여 사용자가 따라하면서 훈련을 한다. 훈련에 대한 운동 정보는 실시간으로 모니터(100)에 표시되고, 각 훈련 동작마다 평가에 의해서 점수를 부여하여 표시하고, 이를 이용하여 사용자의 훈련 결과를 평가하여 레벨 변경에도 반영하며, 훈련정보 이력저장관리(S70)를 수행하여 다음번 훈련에 반영하도록 한다.
10 : 관리 시스템 20 : 측정 시스템
100 : 모니터 110 : 재활운동 DB
120 : 재황운동 훈련 스케줄부 121 : 사용자 인식부
122 : 관리자 모니터 130 : 관리 제어부
140 : 사용자 재활운동 이력관리부 150 : 재활운동 플레이 제어부
160 : 3차원 카메라 170 : 사용자 운동 분석부
180 : 재활운동 평가부

Claims (1)

  1. 재활운동 훈련을 위한 시범을 가상 트레이너를 이용하여 모니터에 출력시키고, 사용자가 가상 트레이너의 동작을 따라하되, 3차원 카메라로 사용자를 촬영하여 뼈대 및 근육의 움직임에 대해서 모델링하여 사용자 운동정보를 측정하고, 미리 데이터 베이스를 구축하여 정량화된 각 동작의 기준 데이터와 비교하여 훈련을 평가하도록 이루어진 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법에 있어서,
    사용자를 식별하기 위하여 사용자 인증을 하는 사용자 인증 과정(S10)과;
    상기 사용자 인증 과정(S10)에서 사용자 인증이 이루어지면, 사용자의 운동상태를 촬영하여 측정하기 위하여 3차원 카메라의 인식 영역 내에서의 사용자 움직임인 인지를 판단하는 신체 인식 과정(S20)과;
    신체 인식 과정(S20)이 완료되면, 처음 사용하는 사용자인 경우, 미리 설정된 신체 평가 항목에 따라 사용자 동작을 안내하고, 사용자의 동작에 따른 사용자의 골격을 모델링하여 운동 정보를 추출하고, 사용자 운동 정보를 미리 설정된 기준이 되는 운동정보와 비교하여 측정 항목별로 평가하고, 측정항목들의 평가정보를 종합하여 사용자의 재활훈련 레벨을 설정(S40)하는 신체 평가 과정(S30)과;
    처음 사용자가 아닌 경우 이전의 재활훈련 이력정보, 처음 사용자인 경우 상기 신체 평가 과정(S30)에 의해 설정된 사용자 레벨를 이용하여 사용자의 훈련 스케줄을 설정하는 사용자 훈련 스케줄 설정과정(S50)과;
    상기 사용자 훈련 스케줄 설정이 완료되면, 해당되는 훈련 스케줄에 의거하여 오늘의 재활 훈련을 시작하되, 가상 트레이너에 의해 훈련 동작을 모니터에 시범동작으로 출력하고, 사용자가 따라하는 동작에 대해서 사용자의 뼈대를 모델링한 관절바 의해 운동정보를 추출하여 기준 정보와 비교 평가하고, 사용자 훈련 이력정보를 저장 관리하는 재활 훈련 과정(S60)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 네추럴 인터렉션 기반 건강 및 재활운동 기능성 측정 평가 방법.
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