KR20150096550A - 재활운동 지원 장치 및 방법 - Google Patents

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부경대학교 산학협력단
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Abstract

유비쿼터스 홈 헬스케어 환경에서의 재활운동 지원 장치 및 방법이 개시된다.
재활운동 지원 장치는 카메라 모션 센서에 의해 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상을 입력받아, 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상과 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가한다. 또한, 해당 장치는 재활운동 중에 사용자의 심전도 데이터를 측정하여 이를 근거로 사용자의 실시간 건강상태를 검사한다. 재활동작 표준 영상과 재활운동 수행 영상이 화면으로 표시되고, 재활자세 정확도 평가 결과가 건강상태 검사 결과와 함께 피드백으로 제공된다.
이에 따라, 시간과 장소에 구애받지 않고 재활운동을 실시/학습할 수 있으며, 재활동작을 취하는 환자의 신체적인 변화를 측정하여 개개인의 건강상태에 맞는 최적의 맞춤형 처방이 가능하도록 지원할 수 있다.

Description

재활운동 지원 장치 및 방법{Apparatus and Method for Supporting Rehabilitation Exercise}
본 발명은 재활운동 지원 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유비쿼터스 홈 헬스케어 환경에서의 재활운동 지원 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 과학기술과 의료기술의 발달로 평균수명이 길어져 노인 인구가 급속도로 증가하고, 많은 나라가 고령사회로 변화하고 있으며, 만성질환으로 고생하는 환자나 수술 후 운동재활이 필요한 환자들의 수도 점차 늘어나는 추세에 있다.
의료서비스도 병원 중심의 치료에서 개인과 의사/의료기관 간 상호 긴밀한 협력을 통해 환자 중심의 유비쿼터스 홈 헬스케어를 제공하는 경향으로 급속히 변화되고 있다.
한편, 오늘날의 기술 패러다임은 정보기술(information technology)과 생명공학기술(biotechnology)의 융합기술이 주도하고 있는바, 이를 유비쿼터스 홈 헬스케어에 접목하기 위한 시도가 진행되고 있다.
유비쿼터스 홈 헬스케어에 있어서는 환자에 대한 정보를 측정하여 병원과 같은 의료기관이나 의사에게 전달함으로써 언제 어디서나 검사, 진료, 진단, 처방 등의 의료서비스를 제공받을 수 있게 하는 소형 센서나 기기의 개발이 필요하다.
또한, 많은 환자들의 경우 약물치료와 재활운동을 병행하는 것이 효과적인데, 재활운동을 위해서는 환자가 병원이나 재활센터와 같은 의료기관을 자주 방문하여야 하고, 낯선 장소에서 정해진 시간에 재활운동을 실시한 후 불편한 몸을 이끌고 집으로 돌아와야 하는 어려움이 있다. 특히, 보행력이 약화된 노약자나 신체관절의 재활이 필요한 환자 등의 경우 이러한 어려움이 가중된다.
이에 환자가 편안함을 느끼는 집에서 시행 가능한 재활운동을 지원하여 사용자 편의를 향상시키면서도 사용자의 건강 유지/증진에 기여할 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.
종래에는 환자가 교수자의 모범적인 재활동작(예컨대, 요가자세 등)을 보고 따라하는 단순한 형태의 재활기능 정도만이 제공되어 사용자 편의나 건강의 유지/증진 측면에서 비효율적인 문제점이 있다.
KR 10-2013-0094489 A, 공개일: 2013. 08. 26, 명칭: 영상 기반 이상 동작 감시 시스템 및 방법
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 재택진료와 원격진료의 이점을 융합하여 환자가 의사나 의료기관을 주기적으로 직접 방문하지 않더라도, 언제 어디서나 시간과 장소에 구애받지 않고 필요한 재활운동을 실시/학습할 수 있게 하는 재활운동 지원 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 재활동작을 취하는 환자의 신체적인 변화를 측정하여 일반적인 처방이 아닌 환자 개개인의 건강상태에 맞는 최적의 맞춤형 처방을 가능하게 하는 재활운동 지원 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 재활운동 지원 장치는 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상을 입력받는 카메라 모션 센서; 재활운동 중에 사용자의 심전도 데이터를 측정하는 심전도 센서; 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상과 상기 카메라 모션 센서를 통해 입력받은 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가하는 판단부; 상기 심전도 센서를 통해 측정된 심전도 데이터를 기반으로 사용자의 실시간 건강상태를 검사하는 검사부; 및 상기 처방된 재활동작 표준 영상과 상기 입력된 재활운동 수행 영상을 표시하고, 상기 건강상태 검사 결과를 상기 재활자세 정확도 평가 결과와 함께 출력하는 인터페이스부를 포함한다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치에서, 상기 카메라 모션 센서는 키넥트 센서로서, 상기 판단부는 상기 카메라 모센 센서로 촬영한 컬러영상과 깊이영상을 제공받아 가우시안 필터 또는 미디언 필터로 잡음을 제거한 후 상기 잡음 제거된 영상으로부터 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치 및 각도를 포함하는 관절패턴을 추출하여 상기 재활운동 수행 영상에 포함시켜 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치에서, 상기 판단부는 상기 재활동작 표준 영상에서 추출한 표준 템플릿을 상기 재활운동 수행 영상에서 추출한 실제 템플릿과 비교함으로써 상기 표준 템플릿과 상기 실제 템플릿 각각에 포함되어 있는 두 관절패턴 간의 유사도를 측정하여 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치 이상이면 동작 일치로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치에서, 상기 판단부는 상기 실제 템플릿에서 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역을 추출하여 상기 표준 템플릿과 매칭 가능한 크기로 정규화한 다음 상기 표준 템플릿과의 비교를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치에서, 상기 판단부는 상기 재활운동 수행 영상에서 상기 실제 템플릿을 추출할 때 시간오차를 고려하여 복수 개의 템플릿을 추출하되, 일정 구간 동안의 실시간 프레임들을 포함하는 템플릿 외에 이전 프레임들 또는 다음 프레임들을 적어도 일부 포함하는 템플릿을 더 추출하여 유사도 측정을 위해 상기 표준 템플릿과 추가로 비교할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치에서, 상기 검사부는 상기 심전도 센서와의 근거리 통신으로 상기 심전도 데이터를 획득하고, 미리 설정된 임계치를 기준으로 상기 심전도 데이터의 피크를 검출하여 실시간 심박수를 연산한 후, 상기 실시간 심박수로 운동강도의 적정성을 평가하여 상기 실시간 심박수가 목표 심박수 이상이면 경보 동작을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치에서, 상기 검사부는 기 설정된 칼로리 계산식과 신상정보를 이용해 상기 실시간 심박수에 따른 칼로리 소모량을 계산하여 상기 인터페이스부를 통해 화면으로 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치는 관절패턴을 포함하는 재활동작 표준 영상을 저장하는 처방전 영상 DB; 사용자가 재활운동을 수행할 때마다 재활운동을 수행하는 동안의 영상을 관절패턴을 포함하여 저장하는 동작정보 DB; 수행주기별 재활자세 정확도 평가 결과 및 수행주기의 변화에 따른 재활자세 정확도 향상 정도를 포함한 재활치료 수행 이력을 저장하는 재활이력 DB; 상기 동작정보 DB에 저장된 각 재활운동 수행 영상과 매칭하여 사용자의 심전도 데이터, 실시간 심박수 및 칼로리 소모량을 포함한 건강상태 검사 결과를 저장하는 건강정보 DB; 및 사용자의 신상정보 및 재활운동 수행에 필요한 지시사항을 저장하는 제반정보 DB를 포함한 DB 그룹을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 재활운동 지원 방법은 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상을 재생하여 표시하는 단계; 사용자가 재활동작을 따라하는 재활운동 수행 영상을 입력받아 표시하는 단계; 재활운동 중에 사용자의 심전도 데이터를 측정하는 단계; 상기 처방된 재활동작 표준 영상과 상기 입력된 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가하는 단계; 상기 측정된 심전도 데이터를 기반으로 사용자의 실시간 건강상태를 검사하는 단계; 및 상기 건강상태 검사 결과를 상기 재활자세 정확도 평가 결과와 함께 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 방법에서, 상기 재활동작 표준 영상과 상기 재활운동 수행 영상은 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치 및 각도를 포함한 관절패턴을 포함하는 것으로서, 상기 재활자세 정확도 평가 시에 상기 재활동작 표준 영상으로부터 추출한 표준 템플릿을 상기 재활운동 수행 영상으로부터 추출한 실제 템플릿과 비교함으로써 상기 표준 템플릿과 상기 실제 템플릿 각각에 포함되어 있는 두 관절패턴 간의 유사도를 측정하여 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치 이상이면 동작 일치로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 방법에서, 상기 재활자세 정확도 평가 시에 상기 실제 템플릿에서 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역을 추출하여 상기 표준 템플릿과 매칭 가능한 크기로 정규화한 다음 상기 표준 템플릿과의 비교를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 방법에서, 상기 재활자세 정확도 평가 시에 상기 재활운동 수행 영상에서 상기 실제 템플릿을 추출할 때 시간오차를 고려하여 복수 개의 템플릿을 추출하되, 일정 구간 동안의 실시간 프레임들을 포함하는 템플릿 외에 이전 프레임들 또는 다음 프레임들을 적어도 일부 포함하는 템플릿을 더 추출하여 유사도 측정을 위해 상기 표준 템플릿과 추가로 비교할 수 있다.
본 발명의 재활운동 지원 장치 및 방법에 따르면, 재택진료와 원격진료의 이점을 융합하여 환자가 의사나 의료기관을 주기적으로 직접 방문하지 않더라도, 언제 어디서나 시간과 장소에 구애받지 않고 필요한 재활운동을 실시/학습할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 재활운동 지원 장치 및 방법에 따르면, 재활동작을 취하는 환자의 신체적인 변화를 측정/활용하여 일반적인 처방이 아닌 환자 개개인의 건강상태에 맞는 최적의 맞춤형 처방이 가능하도록 지원할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활운동 지원 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 2는 도 1에 나타난 재활운동 지원 장치의 동작화면을 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활운동 지원 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 4는 도 3의 일부 단계를 보다 세부적으로 나타낸 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재활운동 지원 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활운동 지원 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재활운동 지원 장치(100)는 카메라 모션 센서(110), 심전도 센서(120), 표시부(130), 판단부(140), 검사부(150), 인터페이스부(160), 통신부(170) 및 DB 그룹(180)을 포함하며, 의료기관 관할 하에 있는 원격지의 관리 서버(200)와 연계 동작하여 사용자의 재활치료를 지원한다.
의사나 물리치료사 등의 교수자는 관리 서버(200)를 통해 스크립트 형태의 처방전이 아닌 실제로 사용자가 취하여야 할 형태의 동작을 영상으로 제공함으로써 보다 쉽고 정확하게 사용자에게 필요한 처방을 할 수 있다.
사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상은 관리 서버(200)에 등록된 후 사용자 요청에 따라 재활운동 지원 장치(100)로 제공되어 저장되고, 판단부(140)의 제어 하에 재생되어 표시부(130)의 화면에 표시된다.
사용자가 재활운동 지원 장치(100)에 구비된 표시부(130)의 화면을 통해 재생 표시되는 재활동작 표준 영상을 보고 운동을 실시하는 동안, 카메라 모션 센서(110)가 작동하여 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상을 입력받는다.
일례로, 카메라 모션 센서(110)는 키넥트(kinect) 센서일 수 있다. 키넥트 센서는 기본적으로 3개의 렌즈로 구성되어 컬러영상 및 깊이영상을 획득하며, 각 관절의 3차원 좌표를 추출할 수 있는 기능을 제공한다. 카메라 모션 센서(110)가 촬영한 컬러영상과 깊이영상은 판단부(140)로 제공된다.
판단부(140)는 카메라 모션 센서(110)의 출력으로부터 보다 정확한 관절패턴을 획득하기 위하여 카메라 모션 센서(110)로부터 입력받은 영상에 가우시안 필터 또는 미디어 필터를 적용시켜 지터(jitter)나 잡음을 제거하거나 홀(hole)을 메울 수 있다.
가우시안 필터는 저주파 성분만을 통과시키는 필터로 입력영상의 각 픽셀에서 가우시안 커널과의 컨벌루션(convolution)한 처리를 수행하여 잡음을 제거할 수 있다. 미디언 필터의 경우 픽셀 주변의 사각형 영역에서 중간값을 선택해 이를 해당 픽셀의 값으로 교체하는 방식으로 잡음을 제거할 수 있다.
가우시안 함수식은 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, σ는 가우시안 스무딩 필터링을 위해 입력영상의 특정 좌표 (x,y)에 적용되어 마스크(mask)의 크기를 좌우한다.
이후, 잡음 제거된 영상으로부터 인체의 20개 관절포인트에 대하여 각 관절포인트별 3차원 위치 및 각도를 나타내는 관절패턴을 획득할 수 있다. 여기서 설정되는 20개의 관절포인트는 머리, 왼쪽 어깨, 오른쪽 어깨, 어깨의 중간, 척추의 중앙, 왼쪽 팔꿈치, 오른쪽 팔꿈치, 왼쪽 손목, 오른쪽 손목, 왼손, 오른손, 왼쪽 둔부, 오른쪽 둔부, 둔부의 중간, 왼쪽 무릎, 오른쪽 무릎, 왼쪽 발목, 오른쪽 발목, 왼발, 오른발이다.
또한, 다양한 재활운동의 종류에 따라 필요한 관절포인트 수를 선택하여 사용할 수 있다.
판단부(140)는 카메라 모션 센서(110)로 촬영한 깊이영상을 중심으로 각 관절의 위치를 3차원 좌표로 표현하여 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치를 얻을 수 있다.
또한, 각 관절포인트별 3차원 각도를 구하기 위해서는 데카르트 좌표계의 관절각도를 구면 좌표계로 변환하는 과정이 요구된다. 카메라 모션 센서(110)로부터 획득된 각 관절의 3차원 위치에 대한 3차원 각도를 구하기 위한 식은 다음과 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, ｕ는 인접한 관절각도 간 벡터를 의미하고, Aθ는 ｕ 벡터의 극각(polar angle), AΦ는 방위각(azimuthal angle)을 의미한다.
이와 같이, 판단부(140)는 카메라 모션 센서(110)로 촬영한 컬러영상과 깊이영상을 제공받아 가우시안 필터 또는 미디언 필터로 잡음을 제거한 후 잡음 제거된 영상으로부터 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치 및 각도를 포함하는 관절패턴을 추출하여 재활운동 수행 영상에 포함시켜 제공한다.
사용자의 관절패턴을 포함하는 재활운동 수행 영상은 재생 중인 재활동작 표준 영상과 더불어 표시부(130)의 화면으로 실시간 표시되어 사용자에게 제공된다.
심전도 센서(120)는 재활운동 중에 사용자의 심전도 데이터를 측정하여 제공한다.
판단부(140)는 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상과 카메라 모션 센서(110)를 통해 입력받은 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가한다.
검사부(150)는 심전도 센서(120)를 통해 측정된 심전도 데이터를 기반으로 하여 사용자의 실시간 건강상태를 검사한다. 이는 재활치료 시에 심전도 데이터의 측정을 병행하여 사용자가 실시하는 운동강도의 적정성과 신체변화를 측정하고 평가하는데 활용하기 위한 것이다.
전술한 검사부(150)는 실시간 심박수, 칼로리 소모량 등을 계산하여 사용자의 건강상태를 파악하기 위하여, 심전도 센서(120)와의 근거리 통신으로 심전도 데이터의 원 신호(ECG raw signal)를 획득하고 여기에 알고리즘을 적용해 피크(peak) 검출 및 처리를 수행한다.
인터페이스부(160)는 판단부(140)의 제어에 따라 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상과 카메라 모션 센서(110)를 통해 입력받은 재활운동 수행 영상을 표시부(130)의 화면으로 표시한다.
또한, 전술한 인터페이스부(160)는 검사부(150)의 제어에 따라 심전도 센서(120)를 통해 측정한 심전도 데이터로부터 얻은 건강상태 검사 결과를 재활자세 정확도 평가 결과와 함께 표시부(130)의 화면으로 출력한다.
사용자가 처방받은 재활동작 표준 영상과 사용자가 이를 보고 따라하는 재활운동 수행 영상, 재활자세 정확도 평가 결과 및 재활운동 중의 건강상태 검사 결과 등은 검사부(150)나 판단부(140)의 제어 하에 표시부(130)의 화면으로 출력될 수 있고, DB 그룹(180) 상에 저장될 수 있으며, 재활동작 표준 영상에 대한 피드백 정보로서 통신부(170)를 통해 관리 서버(200)에 전송되어 후속 처방에 활용될 수도 있다.
일 실시예에서, 전술한 판단부(140)는 재활동작 표준 영상과 재활운동 수행 영상 간 동작의 일치/불일치 여부를 판단하여 재활자세 정확도 평가 결과로서 제공할 수 있다.
이러한 경우, 판단부(140)는 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상에서 추출한 표준 템플릿을 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상에서 추출한 실제 템플릿과 비교함으로써 표준 템플릿과 실제 템플릿 각각에 포함되어 있는 두 관절패턴 간의 유사도를 측정하여 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치 이상이면 동작 일치로 판단한다.
예를 들어, 판단부(140)는 TM(template matching) 기법, PCA(principle component analysis) 기법, BP(backpropagation)기법, Fuzzy 기법 등의 알고리즘을 적용하여 재활동작 표준 영상과 재활운동 수행 영상 각각에 포함된 두 3차원 관절패턴 간의 유사도를 계산하고, 유사도가 일정 임계치 이상이면 동작 일치로서 재활동작을 수행 완료하였다고 판단한다. 임계치는 사용자 맞춤형으로 설정될 수 있으며, 개개인의 건강상태에 따라 변경 가능하다.
한편, 사용자의 신체 크기(예를 들어, 키)가 가변적이고 카메라 모션 센서(110)가 어떤 위치에 있느냐에 따라 유사도의 값이 달라질 수 있다.
그러므로, 전술한 동작 일치/불일치 판단 시에, 실제 템플릿에서 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역을 추출하여 표준 템플릿과 매칭 가능한 크기로 정규화한 다음 표준 템플릿과의 비교를 수행하는 것이 효과적이다.
일 실시예에서, 판단부(140)는 관절패턴을 포함한 실제 템플릿에 대해 정규화 과정을 수행하고 탐색영역을 설정하여 최대 120%에서 최소 50%까지 탐색영역의 크기를 일정 비율의 간격으로 축소해가며 정규화 과정을 수행한다. 이때, 탐색영역의 크기 범위는 가변적이다. 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역의 크기 범위를 가변적으로 설정하여 정규화 과정을 거침으로써 사용자 신체 크기의 다양성과 카메라 모션 센서(110)로부터 떨어진 사용자의 크기 변화에 강건하도록 하여 유사도를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
또한, 사용자의 재활운동 수행 영상에서 실제 템플릿을 추출할 때 동작 실연에 따른 시간오차를 고려하여 복수 개의 템플릿을 추출하여 사용하면 유사도 판단의 정확성을 높일 수 있다. 판단부(140)는 일정 구간 동안의 실시간 프레임들을 포함하는 템플릿 외에 이전 프레임들 또는 다음 프레임들을 적어도 일부 포함하는 템플릿을 더 추출하여 유사도 측정을 위해 표준 템플릿과 추가로 비교할 수 있다.
전술한 검사부(150)는 심전도 센서(120)와의 근거리 통신으로 심전도 데이터를 획득하고, 미리 설정된 임계치를 기준으로 심전도 데이터의 피크를 검출하여 운동시간의 흐름에 따라 변화하는 실시간 심박수를 연산한 후, 연산한 실시간 심박수로 운동강도의 적정성을 평가하고, 평가 시에 실시간 심박수가 목표 심박수 이상이면 경고음이나 메시지를 출력하여 운동강도가 무리한 수준임을 알려주는 경보 동작을 수행할 수 있다.
일례로, 심전도 센서(120)에서 추출된 심전도 데이터의 원 신호는 저주파 통과 필터, 고주파 통과 필터, 미분기(derivation), 신호 제곱기(squaring), 적분기(moving-window integration) 순의 신호 처리 과정을 거친다.
검사부(150)는 이와 같이 처리된 신호의 피크를 검출하기 위해 실험 결과에 따라 피크의 임계치를 미리 설정하여 신호 레벨이 임계치 이상이면 피크로 판정하고 그렇지 않으면 잡음 피크로 판단/제거하여 최종 피크값을 얻을 수 있다.
이때, 연속하는 2개의 피크 간 시간 간격(IBI: interbeat interval)을 이용하여 수학식 3에 의해 심박수(HR: heart rate, 단위: bpm)를 계산할 수 있다.
Figure pat00004
정상인의 심박수는 60bpm~100bpm이며 재활운동 시 목표 심박수(적정 심박수)는 (220-나이)의 60~80% 수준의 운동강도를 권장한다. 사용자의 나이에 따라 운동강도 권장수준이 다를 수 있으므로, 일 실시예에서 검사부(150)는 사용자의 나이를 고려하고 나이에 따른 목표 심박수 이상인 경우 경고음이나 메시지를 출력하여 무리한 운동강도임을 알리게 된다.
또한, 검사부(150)는 기 설정된 칼로리 계산식과 신상정보(예컨대, 나이)를 이용해 심박수에 따른 칼로리 소모량을 계산하고 계산 결과를 인터페이스부(160)를 통해 표시부(130)의 화면으로 실시간 출력하여 사용자에게 알려줄 수 있다.
심박수에 따른 칼로리 소모량은 수학식 4를 이용해 구할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, Calories는 칼로리 소모량으로 단위는 kcal이다. HR은 심박수로 단위는 bpm(beat per minute), Weight는 몸무게로 단위는 kg, Age는 나이로 단위는 years, Time은 운동시간으로 단위는 hours이다.
매개변수 상수 α, β, γ, δ, ε은 남성인 경우와 여성인 경우 다른 값을 가진다. 예컨대, 남성인 경우 α=-55.0969, β=0.6309, γ=0.1988, δ=0.2017, ε=4.184이고, 여성인 경우 α=-20.4022, β=0.4472, γ=0.1263, δ=0.074, ε=4.184이다.
DB 그룹(180)은 재활운동 지원 장치(100)의 판단부(140) 및 검사부(150)와 연동하여 재활치료와 관련된 각종 정보를 저장하는 것으로서, 처방전 영상 DB(181), 동작정보 DB(182), 재활이력 DB(183), 건강정보 DB(184) 및 제반정보 DB(185)를 포함한다.
처방전 영상 DB(181)에는 관리 서버(200)로부터 전송받은 관절패턴을 포함한 재활동작 표준 영상이 저장된다.
사용자가 재활동작 표준 영상을 보고 재활운동을 수행할 때마다 재활운동을 수행하는 동안의 영상이 카메라 모션 센서(110)를 통해 획득 및 처리되어 관절패턴을 포함하는 형태의 재활운동 수행 영상으로서 동작정보 DB(182)에 저장된다.
재활이력 DB(183)는 수행주기별 재활자세 정확도 평가 결과 및 수행주기의 변화에 따른 재활자세 정확도 향상 정도를 포함하는 재활치료 수행 이력을 저장한다.
건강정보 DB(184)는 동작정보 DB(182)에 저장된 각 재활운동 수행 영상과 매칭하여, 심전도 센서(120)를 통해 획득한 사용자의 심전도 데이터, 이로부터 계산해 낸 실시간 심박수 및 칼로리 소모량을 포함한 건강상태 검사 결과를 저장한다.
제반정보 DB(185)에는 사용자의 신상정보(성별, 나이 등), 재활운동 수행에 필요한 지시사항, 경고음이나 메시지 등이 저장된다.
도 2는 도 1에 나타난 재활운동 지원 장치의 동작화면을 예시한 도면이다.
도 2의 예시에서, 화면의 제1 영역(D110)에는 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상이 재생되어 표시되고, 제2 영역(D120)에는 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상이 관절패턴과 함께 표시된다.
제3 영역(D130)에는 운동시간에 따른 사용자의 심전도 데이터가 실시간 그래프 형태로 나타난다.
심전도 데이터는 심장근육의 세포막 간 전하의 이동에 의한 전위차로 인해 발생되는 전기적 신호를 피부표면으로부터 측정한 것으로서, 심전도 센서(120)의 금속전극을 이용하여 획득할 수 있다. 심전도 데이터의 원 신호는 제3 영역(D130)에 예시된 바와 같이 심장박동이 진행됨에 따라 주기적으로 반복되는 형태를 띠게 된다.
제4 영역(D140)에는 사용자의 각 동작이 진행됨에 따라 재활자세 정확도 평가 결과가 시간순서에 따라 표시된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활운동 지원 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 재활운동 지원 장치(100)는 사용자 요청에 따라 관리 서버(200)에 접근하여 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상을 제공받고 이를 재생하여 화면으로 표시한다(S110).
바람직하게는, 사용자에게 처방되는 재활동작 표준 영상은 차후 입력되는 재활운동 수행 영상과 더불어, 키넥트 센서와 같은 카메라 모션 센서(110)를 통해 획득한 3차원 관절패턴을 포함하는 형태의 영상이다. 전술한 관절패턴은 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치와 각도를 나타내는 정보이다.
사용자가 재활운동 지원 장치(100)의 화면에 나타나는 재활동작 표준 영상을 보고 따라하는 동안, 판단부(140)는 카메라 모션 센서(110)를 작동시켜 재활동작을 따라하는 재활운동 수행 영상을 실시간으로 입력받으면서 관절패턴을 추출하며, 이를 저장 및 재생하여 재활동작 표준 영상과 비교 가능하도록 화면으로 표시한다(S120).
더불어, 심전도 센서(120)는 사용자가 착용한 웨어러블 셔츠에 부착되어 재활운동을 실시하는 사용자의 심전도 데이터를 측정하며, 검사부(150)는 재활운동 중에 심전도 센서(120)와 근거리 통신하여 사용자의 심전도 데이터를 제공받는다(S130).
이후, 판단부(140)는 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상과 카메라 모션 센서(110)를 통해 입력되는 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가하게 된다(S140).
도 4는 S140의 재활자세 정확도 평가 단계를 보다 세부적으로 나타낸 도면이다.
도 4에서, 판단부(140)는 재활동작 표준 영상과 재활운동 수행 영상에 있는 각 동작의 일치/불일치 여부로 재활자세 정확도를 평가한다.
이를 위해, 판단부(140)는 먼저 재활동작 표준 영상에서 3차원 관절패턴을 포함하는 표준 템플릿을 추출하고(S141), 재활운동 수행 영상에서도 3차원 관절패턴을 포함하는 실제 템플릿을 추출한다(S142).
이후, 판단부(140)는 재활동작 표준 영상에서 추출한 표준 템플릿을 재활운동 수행 영상에서 추출한 실제 템플릿과 비교함으로써 표준 템플릿과 실제 템플릿 각각에 포함되어 있는 두 관절패턴 간의 유사도를 측정(S143)하여 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치 이상(S144)이면 동작 일치로 판단한다(S145). 두 관절패턴 간의 유사도 측정 결과(S143), 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치보다 작으면 동작 불일치로 판단하게 된다(S144, S146).
이와 같은 동작 일치/불일치 판단 과정에서, 판단부(140)는 실제 템플릿으로부터 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역을 추출하여 표준 템플릿과 매칭 가능한 크기로 정규화한 다음 표준 템플릿과의 비교를 수행할 수 있다.
즉, 실제 템플릿을 표준 템플릿과 비교하기 전에 실제 템플릿에서 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역의 크기를 가변 설정한 후 일정 비율로 축소해가며 정규화 과정을 수행하여 실제 템플릿의 탐색영역을 먼저 설정하는 것이다.
또한, 동작 일치/불일치 여부를 보다 정확히 판단하기 위하여, 재활운동 수행 영상에서 실제 템플릿을 추출할 때 동작 수행에 따른 시간오차를 고려하여 복수 개의 템플릿을 추출하되, 일정 구간 동안의 실시간 프레임들을 포함하는 템플릿 외에 이전 프레임들 또는 다음 프레임들을 적어도 일부 포함하는 템플릿을 더 추출하여 유사도 측정을 위해 표준 템플릿과 추가로 비교할 수도 있다.
다시 도 3을 참조하면, 검사부(150)는 심전도 센서(120)에서 측정한 심전도 데이터를 기반으로 사용자의 실시간 건강상태를 검사한다(S150).
이후, 재활운동 지원 장치(100)는 건강상태 검사 결과를 재활자세 정확도 평가 결과와 함께 출력하여 사용자에게 제공한다(S160). 아울러, 이와 같은 결과는 DB 그룹(180)에 등록되고, 관리 서버(200)로 전송 저장되어 추후 처방을 위한 근거자료로 활용될 수 있다.
이와 같이, 재활운동 지원 장치(100)는 보다 효율적인 재활치료를 실행하고 치료효과를 향상시키기 위한 노력의 일환으로서 재활자세 정확도 평가 결과를 사용자 및 관리 서버(200)에 피드백하여 제공함으로써 재활 성취도를 판단할 수 있게 한다.
또한, 재활운동 지원 장치(100)는 사용자가 재활운동을 수행할 때마다 사용자가 재활운동을 수행하는 동안의 영상을 DB 그룹(180)으로 저장한다. DB 그룹(180)에는 재활자세 정확도 평가를 위해 필요한 각종 정보가 저장된다.
재활운동 지원 장치(100)는 재활운동을 수행하는데 필요한 지시사항을 DB 그룹(180)에 저장하여 필요 시 출력하고, 사용자의 건강상태 검사 결과 이상 유무에 따라 사용 가능한 경고음이나 메시지를 DB 그룹(180)에 저장하여 경보 동작 시에 출력한다.
또한, 재활운동 지원 장치(100)는 추후 진행될 재활 관련 처방에 반영될 수 있도록 관리 서버(200)를 통해 의사나 의료기관에게 사용자의 재활자세 정확도 평가 결과, 수행주기의 변화에 따른 재활자세 정확도 향상 정도 및 건강상태 검사 결과 등의 다양한 피드백 정보를 제공한다.
본 발명에 따른 재활운동 지원 장치 및 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
100: 재활운동 지원 장치, 110: 카메라 모션 센서,
120: 심전도 센서, 130: 표시부,
140: 판단부, 150: 검사부,
160: 인터페이스부, 170: 통신부,
180: DB 그룹, 200: 관리 서버

Claims (12)

  1. 사용자가 실시하는 재활운동 수행 영상을 입력받는 카메라 모션 센서;
    재활운동 중에 사용자의 심전도 데이터를 측정하는 심전도 센서;
    사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상과 상기 카메라 모션 센서를 통해 입력받은 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가하는 판단부;
    상기 심전도 센서를 통해 측정된 심전도 데이터를 기반으로 사용자의 실시간 건강상태를 검사하는 검사부; 및
    상기 처방된 재활동작 표준 영상과 상기 입력된 재활운동 수행 영상을 표시하고, 상기 건강상태 검사 결과를 상기 재활자세 정확도 평가 결과와 함께 출력하는 인터페이스부를 포함하는 재활운동 지원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카메라 모션 센서는 키넥트 센서로서,
    상기 판단부는 상기 카메라 모센 센서로 촬영한 컬러영상과 깊이영상을 제공받아 가우시안 필터 또는 미디언 필터로 잡음을 제거한 후 상기 잡음 제거된 영상으로부터 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치 및 각도를 포함하는 관절패턴을 추출하여 상기 재활운동 수행 영상에 포함시켜 제공하는 재활운동 지원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 재활동작 표준 영상에서 추출한 표준 템플릿을 상기 재활운동 수행 영상에서 추출한 실제 템플릿과 비교함으로써 상기 표준 템플릿과 상기 실제 템플릿 각각에 포함되어 있는 두 관절패턴 간의 유사도를 측정하여 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치 이상이면 동작 일치로 판단하는 재활운동 지원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실제 템플릿에서 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역을 추출하여 상기 표준 템플릿과 매칭 가능한 크기로 정규화한 다음 상기 표준 템플릿과의 비교를 수행하는 재활운동 지원 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 재활운동 수행 영상에서 상기 실제 템플릿을 추출할 때 시간오차를 고려하여 복수 개의 템플릿을 추출하되, 일정 구간 동안의 실시간 프레임들을 포함하는 템플릿 외에 이전 프레임들 또는 다음 프레임들을 적어도 일부 포함하는 템플릿을 더 추출하여 유사도 측정을 위해 상기 표준 템플릿과 추가로 비교하는 재활운동 지원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검사부는 상기 심전도 센서와의 근거리 통신으로 상기 심전도 데이터를 획득하고, 미리 설정된 임계치를 기준으로 상기 심전도 데이터의 피크를 검출하여 실시간 심박수를 연산한 후, 상기 실시간 심박수로 운동강도의 적정성을 평가하여 상기 실시간 심박수가 목표 심박수 이상이면 경보 동작을 수행하는 재활운동 지원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검사부는 기 설정된 칼로리 계산식과 신상정보를 이용해 상기 실시간 심박수에 따른 칼로리 소모량을 계산하여 상기 인터페이스부를 통해 화면으로 출력하는 재활운동 지원 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    관절패턴을 포함하는 재활동작 표준 영상을 저장하는 처방전 영상 DB;
    사용자가 재활운동을 수행할 때마다 재활운동을 수행하는 동안의 영상을 관절패턴을 포함하여 저장하는 동작정보 DB;
    수행주기별 재활자세 정확도 평가 결과 및 수행주기의 변화에 따른 재활자세 정확도 향상 정도를 포함한 재활치료 수행 이력을 저장하는 재활이력 DB;
    상기 동작정보 DB에 저장된 각 재활운동 수행 영상과 매칭하여 사용자의 심전도 데이터, 실시간 심박수 및 칼로리 소모량을 포함한 건강상태 검사 결과를 저장하는 건강정보 DB; 및
    사용자의 신상정보 및 재활운동 수행에 필요한 지시사항을 저장하는 제반정보 DB를 포함한 DB 그룹을 더 포함하는 재활운동 지원 장치.
  9. 사용자에게 처방된 재활동작 표준 영상을 재생하여 표시하는 단계;
    사용자가 재활동작을 따라하는 재활운동 수행 영상을 입력받아 표시하는 단계;
    재활운동 중에 사용자의 심전도 데이터를 측정하는 단계;
    상기 처방된 재활동작 표준 영상과 상기 입력된 재활운동 수행 영상을 비교하여 재활자세 정확도를 평가하는 단계;
    상기 측정된 심전도 데이터를 기반으로 사용자의 실시간 건강상태를 검사하는 단계; 및
    상기 건강상태 검사 결과를 상기 재활자세 정확도 평가 결과와 함께 제공하는 단계를 포함하는 재활운동 지원 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 재활동작 표준 영상과 상기 재활운동 수행 영상은 인체의 각 관절포인트별 3차원 위치 및 각도를 포함한 관절패턴을 포함하는 것으로서,
    상기 재활자세 정확도 평가 단계에서, 상기 재활동작 표준 영상으로부터 추출한 표준 템플릿을 상기 재활운동 수행 영상으로부터 추출한 실제 템플릿과 비교함으로써 상기 표준 템플릿과 상기 실제 템플릿 각각에 포함되어 있는 두 관절패턴 간의 유사도를 측정하여 두 관절패턴 간의 유사도가 임계치 이상이면 동작 일치로 판단하는 재활운동 지원 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실제 템플릿에서 사용자의 모든 관절을 포함하는 탐색영역을 추출하여 상기 표준 템플릿과 매칭 가능한 크기로 정규화한 다음 상기 표준 템플릿과의 비교를 수행하는 재활운동 지원 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 재활운동 수행 영상에서 상기 실제 템플릿을 추출할 때 시간오차를 고려하여 복수 개의 템플릿을 추출하되, 일정 구간 동안의 실시간 프레임들을 포함하는 템플릿 외에 이전 프레임들 또는 다음 프레임들을 적어도 일부 포함하는 템플릿을 더 추출하여 유사도 측정을 위해 상기 표준 템플릿과 추가로 비교하는 재활운동 지원 방법.
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