KR20160100699A - 재활 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무릎 재활운동 시 재활환자의 운동정보를 계측하여 재활상태를 모니터링하는 재활 모니터링 시스템에 관한 것으로, 환자의 근전도 및 무릎 각도를 측정하는 계측장치와, 상기 계측장치를 통해 측정된 근전도 및 무릎 각도를 이용하여 운동정보를 산출하는 처리장치와, 상기 처리장치로부터 제공되는 운동정보를 출력하는 출력장치를 포함한다.

Description

재활 모니터링 시스템{REHABILITATION MONITORING APPARATUS}
본 발명은 재활 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무릎 재활운동 시 재활환자의 운동정보를 계측하여 재활상태를 모니터링하는 재활 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 자가재활 치료방식은 등속성운동기기를 활용한 재활 프로그램과 재활치료사와 함께하는 수동운동으로 나눌 수 있다. 등속성운동기기를 활용한 재활 프로그램의 경우, 재활환자가 운동하기 힘든 것을 액추에이터(actuator)를 이용하여 강제적으로 움직이게 하여 환자의 재활을 돕는다. 재활치료사와 함께하는 수동 운동의 경우, 환자가 재활운동을 어떻게 해야 하고 얼마나 해야 할지 모르는 경우가 많으므로 치료사의 경험과 간단한 테스트를 통해 환자 상태를 진단하여 환자들이 올바른 재활운동을 하도록 제시하여 준다.
이러한 종래의 자가재활 치료방식들의 공통점은 자가재활환자가 정확한 근육상태를 측정할 수 없다. 특히, 등속성운동기기는 고가이고 그 부피가 커 소수의 환자들만 이용할 수 있다. 현재 대형 병원이나 재활 클리닉에서 사용되는 대표적인 재활기기인 "Cybex"과 "Biodex"는 수술 직후의 수의운동이 불가능한 재활환자의 등속성 운동을 돕고 근육상태를 표시해주는 기기이다. 그리고, 자가재활용 기구에는 무릎보호대 혹은 무릎보호기와 같은 무릎 관절 보호만을 위한 기구가 대부분이다.
또한, 가정에서 이루어지는 자가재활의 경우, 환자가 자신이 바른 자세로 목표근육을 이용하여 운동하는지 또는 운동수행결과로 근력이 얼마나 향상되었는지 알 수 없기 때문에 재활운동이 비효율적으로 수행되는 경우가 많으며 재활의지가 낮아지게 한다. 그리고, 종래의 자가재활운동방식은 환자 자신의 현재 근육상태 진단이 어려워 재활운동 중 2차적 부상이 발생하는 경우가 많다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 무릎 재활운동 시 재활환자의 근전도 신호와 관절 각도를 측정하여 재활환자의 운동자세, 운동 강도 및 횟수, 근육피로도 등의 운동정보를 산출하여 실시간으로 환자에게 피드백하고, 근육 회복에 대한 정량적 데이터를 제공하는 재활 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 모니터링 시스템은 환자의 근전도 및 무릎 각도를 측정하는 계측장치와, 상기 계측장치를 통해 측정된 근전도 및 무릎 각도를 이용하여 운동정보를 산출하는 처리장치와, 상기 처리장치로부터 제공되는 운동정보를 출력하는 출력장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계측장치는, 상기 환자의 다리에 부착된 전극을 통해 근전도를 측정하는 근전도 센서와, 상기 무릎 각도를 측정하는 자세방위 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계측장치는, 상기 근전도를 이용하여 유사장력을 연산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계측장치는, 상기 운동자세를 판별하여 운동자세가 미숙하면 운동자세 변경을 권유하는 피드백을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계측장치는, 상기 근전도에 대한 영교차율을 연산하여 근육피로도를 확인하고, 상기 근육 피로도가 기준 피로도를 초과하는 경우 운동 중단 및 변경을 권유하는 피드백을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출력장치는, 이동단말기, 스마트기기, 표시장치, 개인 컴퓨터, 노트북, 태블릿 컴퓨터와 같은 장치들 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 무릎 재활운동 시 재활환자의 근전도 신호와 관절 각도를 측정하여 재활환자의 운동자세, 운동 강도 및 횟수, 근육피로도 등의 운동정보를 산출하여 실시간으로 환자에게 피드백하고, 근육 회복에 대한 정량적 데이터를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 환자의 재활진단에 있어서 새로운 진단 근거를 제시한다. 종래에는 물리치료사 또는 의사가 환자들에게 자가재활 운동법을 알려주고 가정에서 자가재활운동을 하도록 장려하고, 정성적인 지표 및 경험을 토대로 정기적으로 환자상태를 진단한다. 그러나, 본 발명은 자가재활 운동법과 자세, 강도, 횟수 등의 운동정보를 모니터링하므로, 물리치료사 또는 의사는 운동정보와 같은 객관적인 자료에 근거하여 환자의 회복 정도(근력증강여부 및 관절가동범위 등)를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명은 자가 재활 환자의 재활 의지를 상승시킬 수 있다. 본 발명은 재활 성취도 및 근육 활성화 정도와 같은 재활결과를 환자가 실시간으로 확인할 수 있게 함으로써, 재활 의지 재고에 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 발명은 재활운동 중 발생할 수 있는 2차 부상을 방지할 수 있다. 본 발명은 센서를 통해 환자의 근육 상태 및 내부적인 요소뿐만 아니라, 근육의 움직임과 피로도를 파악하여 진단을 위한 지표로 사용한다. 이와 같이, 본 발명은 객관적 지표를 사용하므로, 재활운동 중 발생하는 2차 부상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 자가 재활 환자 중심 서비스를 제공할 수 있다. 본 발명은 환자들에게 신뢰감과 고객관리에 있어서 자가 재활운동 환자들이 병원에 더 나은 서비스를 제공받고 있다는 느낌을 받을 수 있으며, 병원에 대한 지속적인 진료를 받을 수 있게끔 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 모니터링 시스템의 개요도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 모니터링 시스템의 블록구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활상태 모니터링 방법을 도시한 흐름도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 환자에게 바른 운동자세, 운동 강도 및 횟수, 근육피로도 등의 운동정보를 실시간으로 피드백하고, 환자의 재활진척을 알 수 있는 지표인 관절가동범위 및 근력향상정도 등의 데이터를 제공함으로써, 물리치료사나 의사가 더 정확한 판단을 내릴 수 있도록 한다.
특히, 본 발명의 재활 모니터링 시스템은 가정에서 이루어지는 자가 재활운동에 물리치료사의 지식이나 경험을 통한 재활 과정을 통계적으로 수집하고 객관화한 데이터를 활용하여 환자에게 시/청각적 피드백을 준다. 그리고, 본 발명의 재활 모니터링 시스템은 환자의 재활 과정과 다리 근육상태를 데이터베이스에 기록하고 평가함으로써 의사나 물리치료사의 진단에 도움을 준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 모니터링 시스템의 개요도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 모니터링 시스템의 블록구성도이다.
재활 모니터링 시스템은 계측장치(110), 처리장치(120), 출력장치(130)를 포함한다.
계측장치(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 환자의 무릎에 착용되어 근육의 활동전위 및 무릎 관절의 각도(무릎 각도)를 측정한다. 이러한 계측장치(110)는 무릎 재활운동 시 사용하는 근육에 부착되는 전극을 통해 근전도 신호(데이터)를 측정하는 근전도(electromyogram, EMG) 센서(111) 및 무릎 관절의 각도(무릎 각도)를 측정하는 자세방위(Attitude & Heading Reference System, AHRS) 센서(113)를 포함한다.
근전도 센서(111)는 무릎 재활운동 시 사용하는 4개의 근육에 전극을 부착하기 위하여 4채널을 사용한다. 근전도 신호 측정 대상 근육은 대퇴직근(Rectus Femoris), 내측광근(Vastus Medialis), 외측광근 (vastus lateralis), 슬굴곡근(Hamstring) 이다.
근전도 센서(110)는 근전도 신호 계측 후, 필터 및 증폭기를 이용하여 계측된 아날로그 신호를 전처리한다. 이때, 근전도 센서(110)는 신호 전처리 시 원하는 주파수 신호를 필터링한다. 즉, 근전도 센서(110)는 로우패스 필터링(low pass filtering)과 하이패스 필터링(high pass filtering)으로 근전도 신호의 범위인 10~500Hz의 주파수를 추출한다. 또한, 근전도 센서(110)는 근전도 신호에 노이즈로 작용되는 상용 주파수를 노치 필터를 이용하여 제거할 수 있다. 또한, 근전도 센서(110)는 원본(raw) 근전도 신호는 그 크기가 매우 작기 때문에 증폭기를 이용하여 해당 신호를 증폭시킨다.
처리장치(120)는 아날로그 디지털 변환기(analog digital converter, A/D 변환기)(121) 및 제어부(123), 메모리(125)를 포함한다.
A/D 변환기(121)는 계측장치(110)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
제어부(123)는 근전도 및 무릎 각도에 근거하여 운동강도 및 횟수, 운동자세, 근육피로도 등의 운동정보를 산출한다. 이러한 제어부(123)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit)으로 구현될 수 있다.
제어부(123)는 A/D 변환기(121)에 의해 디지털 신호로 변환된 근전도 데이터를 이용하여 유사 장력(Quasi-tension)을 연산한다. 이때, 변환된 근전도 데이터는 제어부(123) 내 정류기와 로우패스 필터(low pass filter)를 거친다. 여기서, 유사 장력은 근육의 수축 정도를 의미한다.
제어부(123)는 근전도 및 무릎 각도를 이용하여 현재 환자가 올바른 자세로 재활운동을 하고 있는지를 판별하고 그 판별결과를 환자에게 실시간으로 피드백한다. 이때, 제어부(123)는 환자가 오감을 이용하여 인지할 수 있는 형태로 피드백한다.
제어부(123)는 근전도 데이터를 이용하여 근육피로도를 연산한다. 근육피로도를 산출하기 위해서는 중간주파수나 평균주파수와 같은 값을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 연산량을 줄이기 위해 중간주파수와 매우 높은 상관계수를 가지는 영교차율(Zero Crossing Rate, ZCR)로 대신하여 근육 피로도를 연산한다.
제어부(123)는 각 재활운동이 끝나면 환자가 수행했던 재활운동에 대한 운동정보를 메모리(125)에 저장한다.
메모리(125)는 내장 메모리, 외장메모리, 웹스토리지 등의 저장수단 중 하나 이상의 저장수단으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 환자의 재활운동정보를 재활치료사 및 의사 등과 공유할 수 있다.
출력장치(130)는 처리장치(120)과 유무선 통신을 통해 상호간에 데이터를 송수신한다. 예를 들어, 출력장치(130)와 처리장치(120)는 NFC(Near Field Communication), 블루투스(Bluetooth), 적외선 통신, RF(Radio Frequency) 통신, 와이파이(Wi-Fi), 이동통신 등의 통신기술 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
출력장치(130)는 처리장치(120)로부터 전송되는 운동자세, 운동강도 및 횟수, 근육피로도 등의 운동정보를 수신하여 출력한다. 이때, 출력장치(130)는 운동정보를 시각정보 및/또는 청각정보로 출력한다.
이러한, 출력장치(130)는 이동단말, 스마트기기, 개인컴퓨터, 노트북, 태블릿 컴퓨터, 표시수단, 음향출력장치 등의 장치로 구현될 수 있다.
상기한 재활 모니터링 시스템은 최초 구동 시 사용자가 자세를 잡으면 기준 각도를 설정한다. 그리고, 재활 모니터링 시스템은 지시에 따라 환자가 근육의 최대 힘을 사용할 때 근전도 센서(111)를 통해 측정한 근전도 신호를 유사장력으로 변환하여 근전도의 정규화를 위한 기준 근력으로 설정한다. 본 발명의 재활 모니터링 시스템은 MVC(Maximum Voluntary Contraction) 방법을 이용하여 근전도 신호를 표준화한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활 모니터링 방법을 도시한 흐름도이다.
처리장치(120)는 계측장치(110)를 통해 무릎 재활환자의 근전도 및 무릎 각도를 측정한다. 계측장치(110)는 근전도 센서(111)를 통해 근전도 신호(근력)를 계측하고, 자세방위 센서(113)를 통해 무릎 각도를 측정한다.
처리장치(120)는 근전도 데이터 및 각도 데이터를 이용하여 분석을 수행한다(S103). 처리장치(120)의 제어부(123)는 근전도 데이터를 유사장력으로 변환하여 근력을 산출한다. 또한, 처리장치(120)는 근전도 데이터와 각도 데이터에 근거하여 운동자세를 판별한다. 즉, 처리장치(120)는 운동자세 정자세 여부 및 운동 횟수 등을 산출한다.
처리장치(120)는 환자의 운동자세가 올바른지를 확인한다(S105).
처리장치(120)는 환자의 운동자세가 올바르면 운동정보를 수집한다(S107). 운동정보는 운동자세, 운동강도 및 횟수 등을 수집한다.
한편, 처리장치(120)는 환자의 운동자세가 미숙하면 운동자세 변경을 권유하는 데이터를 출력장치(130)로 출력한다(S109). 예컨대, 처리장치(120)는 운동자세 판별결과 운동 미숙인 경우 무릎 각도의 오차 및 잘못된 근육의 힘 분배에 대한 피드백을 출력장치(130)로 전송한다(S119).
또한, 처리장치(120)는 근전도 데이터를 이용하여 근육피로도를 연산한다(S113). 즉, 처리장치(120)의 제어부(123)는 근전도 데이터에 대한 영교차율(Zero Crossing Rate, ZCR)을 산출한다.
처리장치(120)는 연산한 근육피로도가 기준 피로도를 초과하는지를 확인한다(S115).
처리장치(120)는 근육피로도가 기준 피로도를 초과하면, 운동 중단 또는 운동자세 변경을 권유하는 데이터를 출력장치(130)로 출력한다(S117).
처리장치(120)는 환자의 재활 모니터링 결과를 출력장치(130)로 출력한다(S119). 예컨대, 처리장치(120)는 출력장치(130)를 통해 운동정보 및 근육피로도를 출력하거나 또는 운동 중단 또는 자세변경을 권유하는 데이터(메시지, 이미지, 음성 등)를 출력한다.
처리장치(120)는 모니터링 결과 출력 후, 운동 종료 여부를 확인한다(S121). 처리장치(120)는 사용자에 의해 운동 종료신호가 입력되면 측정을 종료하고, 전원을 오프한다.
한편, 처리장치(120)는 운동 종료신호를 입력받지 않은 경우, 상기 단계(S101)로 돌아가 근전도 및 무릎 각도를 측정하여 환자의 재활운동 상태를 모니터링한다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
110: 계측장치
111: 근전도 센서
113: 자세방위 센서
120: 처리장치
121: A/D 변환기
123: 제어부
125: 메모리
130: 출력장치

Claims (6)

  1. 환자의 근전도 및 무릎 각도를 측정하는 계측장치와,
    상기 계측장치를 통해 측정된 근전도 및 무릎 각도를 이용하여 운동정보를 산출하는 처리장치와,
    상기 처리장치로부터 제공되는 운동정보를 출력하는 출력장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계측장치는,
    상기 환자의 다리에 부착된 전극을 통해 근전도를 측정하는 근전도 센서와,
    상기 무릎 각도를 측정하는 자세방위 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리장치는,
    상기 근전도를 이용하여 유사장력을 연산하는 것을 특징으로 하는 재활 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 처리장치는,
    상기 운동정보에 근거하여 운동자세를 판별하여 운동자세가 미숙하면 운동자세 변경을 권유하는 피드백을 출력하는 것을 특징으로 하는 재활 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 처리장치는,
    상기 근전도에 대한 영교차율을 연산하여 근육피로도를 확인하고, 상기 근육 피로도가 기준 피로도를 초과하는 경우 운동 중단 및 변경을 권유하는 피드백을 출력하는 것을 특징으로 하는 재활 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 출력장치는,
    이동단말기, 스마트기기, 표시장치, 개인 컴퓨터, 노트북, 태블릿 컴퓨터와 같은 장치들 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 재활 모니터링 시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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