KR20170000353A - 자세교정을 위한 생체신호 측정장치 - Google Patents

자세교정을 위한 생체신호 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자세교정을 위한 생체신호 측정장치에 관한 것으로, 근전도센서 및 관성센서를 직물전극으로 구성하여 피검자의 스포츠 의복에 부착하고, 피검자가 착용시 이를 자각하지 못하는 상태에서 생체신호를 측정하며, 측정된 EMG 및 IMU신호를 이용하여 피검자의 자세교정에 활용하도록 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 피검자의 신체 일부에서 근전도신호를 측정하는 근전도측정부; 피검자의 신체일부에서 관성신호를 측정하는 관성측정부; 근전도측정부 및 관성측정부로부터 측정된 각 생체신호의 증폭, 특징추출 및 신호처리하는 신호처리부; 신호처리부로부터 추출 및 신호처리된 각 생체신호를 저장 및 무선으로 전송하는 무선송신부; 및 무선송신부로부터 무선으로 전송받은 각 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 모니터링 및 교정데이터를 발생하는 자세분석/교정장치;를 포함하되, 근전도측정부 및 관성측정부의 각 전극은 피검자의 신체일부와 접촉하는 직물전극으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

자세교정을 위한 생체신호 측정장치 {Detection Appratus of Bioelectric Signal for Correcting Position}
본 발명은 근전도측정센서(EMG: Electromyography)와 관성측정센서(IMU: Inertial Measurement Unit)를 이용한 자세 교정장치에 관한 것으로, 특히 EMG센서 및 IMU센서의 전극을 직물전극으로 구성하여 피검자로부터 거부감 없이 생체신호를 측정하고, 측정된 생체신호를 이용하여 피검자의 자세를 교정하기 위한 데이터로 활용하도록 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 u-헬스케어 시스템은 IT와 보건의료 서비스가 결합하여 언제, 어디서나 이용 가능한 건강관리 및 의료 서비스이며, 질병의 원격관리, 일반인의 건강 유지 및 향상을 서비스하기 위한 시스템이다.
이를 위해서는 피검자로부터 보다 정확한 생체정보를 획득해야 할 뿐더러, 피검자를 무구속 무자각 상태에서 생체정보를 획득 가능하도록 생체정보획득장치를 피검자의 몸에 부착 또는 착용해야 한다.
즉, 종래기술에 따른 생체정보 획득장치는 주로 피검자로부터 심전도(ECG), 맥파(PPG), 피부전기저항(GSR), 피부온도(SKT), 체지방(BMI), 근전도(EMG), 근력신호(MMG)등을 센서로부터 획득하는 장치로, 피검자의 일상생활에 지장을 주지 않은 상태에서 지속적으로 생체정보를 획득하기 위해 손목시계 타입, 밴드타입, 신체 직접 부착타입, 슈트타입 등 다양한 형태의 무구속 생체정보 획득장치로 구성된다.
이와 같은 무구속 생체정보 획득장치에 의해 피검자의 신체로부터 생체정보를 획득하고, 획득된 생체신호를 메모리에 저장 또는 무선신호로 분석/관리시스템으로 전송하여 획득된 생체신호를 분석하여 피검자의 건강상태를 진단 또는 파악하도록 한다.
그러나, 종래기술에 따른 무구속 생체정보 획득장치는 획득하고자 하는 생체정보의 특성에 따라 손목시계 타입, 밴드타입, 신체직접 부착타입, 슈트타입 등으로 각각 구성되어 있으므로, 생체정보를 획득하기 위하여 피검자가 생체정보 획득을 위한 장치를 착용하고 있다고 자각할 수 있다.
특히, 동계트랙 등의 운동선수의 경우 매우 민감하여, 피검자가 이를 자각할 경우 오히려 심리적으로 부담을 주게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 근전도센서 및 관성센서를 직물전극으로 구성하여 피검자의 스포츠 의복에 부착하고, 피검자가 착용시 이를 자각하지 못하는 상태에서 생체신호를 측정하며, 측정된 EMG 및 IMU신호를 이용하여 피검자의 자세교정을 활용하도록 제공하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 자세교정을 위한 생체신호 측정장치는 피검자의 신체 일부에서 근전도신호를 측정하는 근전도측정부; 상기 피검자의 신체일부에서 관성신호를 측정하는 관성측정부; 상기 근전도측정부 및 관성측정부로부터 측정된 각 생체신호의 증폭, 특징추출 및 신호처리하는 신호처리부; 상기 신호처리부로부터 추출 및 신호처리된 각 생체신호를 저장 및 무선으로 전송하는 무선송신부; 및 상기 무선송신부로부터 무선으로 전송받은 각 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 모니터링 및 교정데이터를 발생하는 자세분석/교정장치;를 포함하되, 상기 근전도측정부 및 관성측정부의 각 전극은 피검자의 신체일부와 접촉하는 직물전극으로 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자세분석/교정장치는 상기 무선송신부로부터 전송된 생체신호를 수신하는 무선수신부; 상기 무선수신부를 통해 수신된 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 분석하고, 교정을 위한 데이터를 산출하는 중앙처리장치; 상기 중앙처리장치의 제어에 의해 피검자의 자세 분석결과 및 교정 데이터를 저장하는 데이터베이스; 및 상기 중앙처리장치의 분석결과 및 교정을 위한 데이터를 화면에 표시하는 화면표시장치;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 근전도신호측정부는 피검자의 좌,우측 각 다리의 내측광근, 외측광근, 대둔근의 근전도신호를 측정하기 위한 각각의 EMG측정부를 포함하여, 상기 관성신호측정부는 피검자의 좌,우측 각 다리의 무릎을 중심으로 상,하측에서의 관성신호를 측정하기 위한 좌상,좌하,우상,우하 IMU측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 자세교정을 위한 생체신호 측정장치는 생체신호 측정을 위한 직물전극을 피검자의 의복에 부착하여, 피검자로부터 근전도 및 관성신호를 측정하므로, 피검자로 하여금 거부감이나 이물감이 없는 무자각 무구속 상태에서 생체신호 획득이 가능하며, 특히 운동선수의 경우 실시간으로 근전도 및 관성신호를 측정하고, 측정된 신호를 이용하여 자세를 분석하고, 모니터링 할 뿐만 아니라, 전문선수층의 근전도 및 관성신호를 데이터베이스화하여 자세교정을 위한 비교 및 수정안 데이터를 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자세교정을 위한 생체신호 측정장치를 피검자에게 착용한 상태의 일 실시예를 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자세교정을 위한 생체신호 측정장치의 블록 구성도이고,
도 3은 도 2에서 근전도신호측정부의 상세 구성도이고,
도 4는 도 2에서 관성신호측정부의 상세 블록 구성도이고,
도 5는 도 2의 동작 흐름도이고,
도 6은 도 5에서 피검자의 동작별 근전도 활성도 데이터베이스화 하는 과정의 흐름도이고,
도 7은 도 5에서 피검자의 동작별 관절의 IMU 데이터 데이터베이스화하는 과정의 흐름도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자세교정을 위한 생체신호 측정장치에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자세교정을 위한 생체신호 측정장치는 피검자의 신체 일부에서 근전도신호를 측정하는 근전도측정부(110)와, 상기 피검자의 신체일부에서 관성신호를 측정하는 관성측정부(120)와, 상기 근전도측정부(110) 및 관성측정부(120)로부터 측정된 각 생체신호의 증폭, 특징추출 및 신호처리를 위한 신호처리부(210)와, 상기 신호처리부(210)로부터 추출 및 신호처리된 각 생체신호를 저장 및 무선으로 전송하는 무선송신부(220)와, 상기 무선송신부(220)로부터 무선으로 전송받은 각 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 모니터링 및 교정데이터를 발생하는 자세분석/교정장치(300)로 구성된다.
상기 근전도측정부(110) 및 관성측정부(120)는 직물전극으로 구성되며, 상기 신호처리부(210)와 무선송신부(220)는 신호처리장치(200)로 패키지화 되며, 상기 근전도측정부(110) 및 관성측정부(120)와 유선으로 연결되며, 피검자의 허리 또는 팔 등에 착용 가능하도록 구성된다.
여기서, 상기 자세분석/교정장치(300)는 상기 무선송신부(220)로부터 전송된 생체신호를 수신하는 무선수신부(310)와, 상기 무선수신부(310)를 통해 수신된 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 분석하고, 교정을 위한 데이터를 산출하는 중앙처리장치(320)와, 상기 중앙처리장치(320)의 제어에 의해 피검자의 자세 분석결과 및 교정 데이터를 저장하는 데이터베이스(330)와, 상기 중앙처리장치(320)의 분석결과 및 교정을 위한 데이터를 화면에 표시하는 화면표시장치(340)로 구성된다.
도 3을 참조하면, 상기 근전도신호측정부(110)는 피검자의 좌,우측 각 다리의 내측광근, 외측광근, 대둔근의 근전도신호를 측정하기 위한 좌내측, 좌외측, 좌대둔근, 우내측, 우외측, 우대둔근 EMG측정부(111~116)로 구성된다.
도 4를 참조하면, 상기 관성신호측정부(120)는 피검자의 좌,우측 각 다리의 무릎을 중심으로 상,하측에서의 관성신호를 측정하기 위한 좌상,좌하,우상,우하 IMU측정부(121~124)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 자세교정을 위한 생체신호 측정장치의 구체적인 작용에 대하여 첨부된 도 1 내지 도 7를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 일반 스포츠 또는 동계트랙 등의 동계스포츠 선수들의 출발 전 또는 출발 이후부터 결승점에 들어오기까지의 자세를 분석 및 모니터링 하고, 이를 자세교정 데이터로 활용하게 된다.
즉, 피검자의 신체일부(하체 및 대퇴부)의 피복에 부착된 직물전극으로 이루어진 근전도측정부(110) 및 관성측정부(120)로부터 피검자의 각 근전도신호 및 관성신호를 포함한 생체신호를 측정한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 피검자가 직물전극이 부착된 근전도측정부(110) 및 관성측정부(120)의 각 측정부의 위치를 표시한 도로서, 6개의 근전도측정부(111~116)은 피검자의 하측 다리 좌내측, 좌외측,좌대둔근, 우내측, 우외측 우대둔근에 위치하여 해당 지점의 근전도신호를 측정하고, 4개의 관성측정부(121~124)는 무릎관절을 중심으로 좌상,좌하, 우상, 우하 지점에서 관성신호를 측정한다.
이와 같이 상기 각 근전도측정부(111~116)) 및 관성측정부(121~124)로부터 측정된 피검자의 각 생체신호는 유선 연결된 신호처리장치(200)의 신호처리부(210)에서 입력받아 증폭/필터링 및 신호처리과정을 통해 각 근전도신호 및 관성신호를 획득한다.
상기 신호처리부(210)에서 획득된 근전도신호 및 관성신호는 상기 무선송신부(220)를 통해 상기 자세분석/교정장치로 무선전송한다.
여기서, 무선송신부(220)는 블루투스, 지그비, Z-wave, WiFi, RF통신방식을 통해 상기 자세분석/교정장치(300)로 전송한다.
상기 자세분석/교정장치(300)는 상기 무선수신부(310)를 통해 상기 근전도신호 및 관성신호를 입력받고, 상기 중앙처리장치(320)에서 상기 근전도신호 및 관성신호를 분석하여, 피검자의 자세를 실시간으로 분석하고, 분석된 자세 데이터를 데이터베이스(330)에 저장 및 화면표시장치(340)를 통해 표시하여, 코치 또는 감독으로 하여금 선수의 출발부터 결승점까지의 자세를 실시간으로 모니터링하고, 프로그램에 따라 발생된 자세 교정데이터 등을 참고하여, 피검자의 운동 자세를 교정하게 된다.
도 5를 참조하면, 일반 스포츠 또는 동계스포츠 전문선수들의 출발 전 또는 출발 이후부터 결승점에 들어오기까지의 동작별 관절의 IMU 9축 데이터 및 EMG raw 데이터를 상기 각 EMG측정부(111~116) 및 IMU측정부(121~124)로부터 수집한다.
상기 수집된 관성신호를 이용한 동작을 추정하고, 수집된 근전도신호는 좌,우측 내측광근, 외측광근, 대둔근의 근육활성도를 산출하고, 관성신호로부터 자세데이터를 산출한다.
상기 각 산출된 근전도신호 및 관성신호를 분석한 결과를 데이터베이스화 하여, 전문선수층의 데이터베이스와 비교할 수 있도록 한다.
도 6을 참조하면, 상기 자세분석/교정장치(300)는 상기 각 EMG측정부(111~116)로부터 측정된 근전도신호로부터 각각의 근육 활성 퍼센트를 산출하고, 전문선수가 출발후 직선구간, 곡선구간, 스타트구간, 파이널구간 등 각 코스별 근전도 활성도 및 근육 피로도를 데이터베이스화 한다.
이와 같이 전문선수의 데이터베이스를 기준으로 일반인으로부터 측정된 근전도신호를 비교 분석하여 자세를 교정할 수 있는 기준 데이터로 활용하게 된다.
또한, 코스뿐만 아니라, 시간대별로 근육확성도 및 근육피로도를 산출하여 데이터베이스화 한다.
도 7을 참조하면, 자세분석/교정장치(300)는 상기 각 IMU측정부(121~124)로부터 측정된 관성신호를 수집하여 구간별(직선구간, 곡선구간, 스타트구간, 파니널구간 등) 다리 관절의 관성신호특성을 분석하고, 시간 흐름에 따른 다리관절의 관성신호를 분석한다.
구간별 분석의 경우 직선구간에서는 관절각도 변화가 크며, 곡선구간에서는 관적각도 변화가 작다.
이와 같이 시간 및 구간별 IMU 변화도가 얼마나 작으며, 소요시간은 얼마나 소요되는지를 분석하여 데이터베이스화 한다.
전문운동선수인 피검자의 근전도신호 및 관성신호를 분석 및 데이터베이스화하여 기준데이터로 설정하고, 그에 따른 일반 선수 또는 일반인들의 자세교정을 할 수 있도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 근전도측정부 111 : 좌내측 EMG측정부
112 : 좌외측 EMG측정부 113 : 좌대둔근 EMG측정부
114 : 우내측 EMG측정부 115 : 우외측 EMG측정부
116 : 우대둔근 EMG측정부 120 : 관성측정부
121 : 좌상 IMU측정부 122 : 좌하 IMU측정부
123 : 우상 IMI측정부 124 : 우하 IMU측정부
200: 신호처리장치 210: 신호처리부
220: 무선송신부 300: 자세분석/교정장치
310: 무선수신부 320: 중앙처리장치
330: 데이터베이스 340: 화면표시장치

Claims (12)

  1. 피검자의 신체 일부에서 생체신호를 측정하여, 피검자의 운동 자세를 분석하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치에 있어서,
    상기 피검자의 근전도신호를 측정하는 근전도측정부;
    상기 피검자의 신체일부에서 관성신호를 측정하는 관성측정부;
    상기 근전도측정부 및 관성측정부로부터 측정된 각 생체신호의 증폭, 특징추출 및 신호처리하는 신호처리부;
    상기 신호처리부로부터 추출 및 신호처리된 각 생체신호를 저장 및 무선으로 전송하는 무선송신부; 및
    상기 무선송신부로부터 무선으로 전송받은 각 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 모니터링 및 교정데이터를 발생하는 자세분석/교정장치;를 포함하여 이루진 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 근전도측정부 및 관성측정부의 각 전극은 피검자의 신체일부와 접촉하는 직물전극으로 구성되며,
    상기 신호처리부 및 무선송신부는 상기 직물전극과 유선으로 연결되며, 피검자의 의복에 착용하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자세분석/교정장치는 스마트폰을 포함한 스마트기기 또는 개인용컴퓨터(PC)로 구성된 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자세분석/교정장치는 근전도측정부로부터 측정된 근전도신호를 분석하여 구간별 근육의 활성상태 및 근피로도를 검출하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 자세분석/교정장치는 상기 무선송신부로부터 전송된 생체신호를 수신하는 무선수신부;
    상기 무선수신부를 통해 수신된 생체신호를 분석하여 피검자의 자세를 분석하고, 교정을 위한 데이터를 산출하는 중앙처리장치;
    상기 중앙처리장치의 제어에 의해 피검자의 자세 분석결과 및 교정 데이터를 저장하는 데이터베이스; 및
    상기 중앙처리장치의 분석결과 및 교정을 위한 데이터를 화면에 표시하는 화면표시장치;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자세분석/교정장치는 전문선수층의 각 운동자세별 각 근전도 데이터 및 관성데이터를 분석한 결과값을 기준 데이터로 데이터베이스화하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 근전도신호측정부는 피검자의 좌,우측 각 다리의 내측광근, 외측광근, 대둔근의 근전도신호를 측정하기 위한 각각의 EMG측정부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각 EMG측정부로부터 측정된 근전도신호를 분석하여 피검자의 기립,가부좌,착석을 포함한 운동중 자세를 상기 자세분석/교정장치에서 분석하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 EMG측정부의 측정신호는 운동선수의 운동중 코스 및 시간 흐름에 따른 다리관절의 각 EMG측정신호를 코스별 시간대별로 데이터베이스화하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 관성신호측정부는 피검자의 좌,우측 각 다리의 무릎을 중심으로 상,하측에서의 관성신호를 측정하기 위한 좌상,좌하,우상,우하 IMU측정부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각 IMU측정부를 통해 측정된 관성신호로부터 관절각도 추정 및 정밀한 움직임을 분석하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 IMU측정부의 측정신호는 운동선수의 운동중 코스 및 시간 흐름에 따른 다리관절의 각 IMU 측정신호를 코스별 시간대별로 데이터베이스화하는 것을 특징으로 하는 자세교정을 위한 생체신호 측정장치.
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