KR20190011864A - 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법 - Google Patents

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최민준
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Abstract

본 발명은 운동신호 측정을 위한 센서모듈 고정밴드에 관한 것으로, 일정 두께와 크기를 갖는 메인 센서모듈과 서브 센서모듈을 무릎을 중심으로 대퇴부 및 하퇴부에 각각 안정되게 고정되도록 하고, 각 센서를 전기적으로 연결하여 각 센서로부터 수집된 관성신호를 이용하여 피검자의 운동정보를 측정하도록 하는데 그 목적이 있다.

Description

재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법 { Method for Rehabilitation Management using Assistant Device}
본 발명은 관성센서(IMU : Inertia Measurement Unit)가 탑재된 재활운동 보조장치를 이용하여 무릎 또는 팔목 등의 재활 운동 횟수 및 시간과 최대/최소 굽힘각도를 산출하여 재활운동에 대한 정량적인 평가 및 관리를 지원하도록 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법에 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 심전도(ECG), 맥파(PPG), 피부전기저항(GSR), 피부온도(SKT), 체지방(BMI), 근전도(EMG), 근력신호(MMG)등의 생체정보를 획득하기 위하여 피검자의 일상생활에 지장을 주지 않은 상태에서 지속적으로 생체정보를 획득하기 위해 손목시계 타입, 밴드타입, 신체 직접 부착타입, 슈트타입 등 다양한 형태의 무구속 생체정보 획득장치로 구성된다.
즉, 종래기술은 생체신호 측정센서 등을 피검자의 몸에 착용하기에 부담이 없도록 해야하는데, 종래에는 탄성 조임밴드와 압전센서를 트레이닝복과 같은 팬츠에 구비하여 팬츠를 착용하고 보행하거나 뛰면서 허벅지 근육의 움직임에 의한 운동정도를 안정적으로 측정하도록 하고 있다.
이는 국내특허등록 제10-1331858호(공고일 2013년11월21일자)에 개시되어 있으며, 이에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠의 구성도로서, 운동이나 일상생활을 위해 착용하는 팬츠(pants)(10)와, 상기 팬츠의 허벅지 부위를 감싸는 탄성재질로 이루어져 착용자의 허벅지를 압박하면서 조이는 탄성 조임밴드(20)와, 상기 탄성 조임밴드에 일 측이 개방된 상태로 덧대어져 삽입공간을 형성하는 탄성 덮개밴드(30)와, 상기 삽입공간에 끼워져 팬츠 착용자의 움직임에 따른 허벅지 근육의 변형에 의해 팽창하거나 수축하는 탄성 조임밴드와 함께 늘어나거나 원상태로 복귀하면서 전기적 신호를 생성하는 압전센서(40)와, 상기 압전센서에서 발생된 전기적 신호를 전송하는 차폐신호 전송선(50)과, 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하고 근육의 운동량을 연산하는 제어부(60)로 구성되어 있다.
이러한 종래기술에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠는 스마트 팬츠를 착용하고 보행하거나 뛰면 그러한 운동에 의해 발생되는 허벅지 근육의 움직임에 의해 운동정도를 안정적이고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
그러나, 종래기술은 허벅지 등의 근육운동량을 측정하는데 유용하나, 무릎 또는 팔목 등의 굽힘각도를 정확히 파악알 수 없으며, 관절부분의 운동상태를 측정하지 못하는 문제점이 있었다.
국내특허등록 제10-1331858호(공고일 2013년11월21일)
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 개선하기 관성센서(IMU : Inertia Measurement Unit)가 탑재된 재활운동 보조장치를 이용하여 무릎 또는 팔목 등의 재활 운동 횟수 및 시간과 최대/최소 굽힘각도를 산출하여 재활운동에 대한 정량적인 평가 및 관리를 지원하도록 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리과정은 피검자의 대퇴부 및 하퇴부의 제1, 제2관성측정부가 탑재된 재활보조장치를 착용하고, 운동중 측정된 관성신호를 MCU에서 분석하여 운동관리를 수행하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법에 있어서, 상기 MCU는 피검자가 선택한 재활운동 모드를 감지하는 제1과정; 상기 선택된 재활운동 모드에 따라 운동횟수를 설정하는 제2과정; 상기 제2과정 후 운동시작과 함께 상기 제1, 제2관성측정부로부터 측정된 신호로부터 관절 굽힘각을 산출하는 제3과정; 상기 제3과정에서 측정된 관절의 굽힘각도가 임계각 이상일 경우 운동횟수를 카운트 업하는 제4과정; 상기 제4과정에서 카운트한 운동횟수가 목표횟수에 도달하여 운동을 종료하면 운동횟수, 수행시간 및 최대/최소 관절 굽힘각을 분석하는 제5과정;을 포함하며, 상기 제4과정은 목표횟수에 도달할 때까지 상기 제3,제4과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1과정은 상기 재활보조장치를 피검자의 무릎에 착용하며, 스쿼트(Squat)운동, 스텝박스(Step Box)운동, 가이트(Gait)운동 중 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법은 IMU센서가 탑재된 재활운동 보조장치를 이용하여 재활운동시 무릎 또는 팔목 등의 재활 운동 횟수 및 시간과 최대/최소 굽힘각도를 산출하고, 이를 분석한 데이터를 제공하므로, 재활운동에 대한 정량적인 평가 데이터를 제공할 수 있고, 그에 따라 재활자에게 정확한 재활 운동을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명을 구현하기 위한 운동신호 측정을 위한 재활보조장치의 전체 구성도이고,
도 3은 도 2에서 메인센서모듈 및 제2관성측정부의 구성도이고,
도 4는 본 발명에 실시예에 따른 재활운동 관리과정의 흐름도이고,
도 5는 도 4에서 각 운동모드에서의 관성신호 측정 결과에 따른 데이터 분석 그래프를 표시한 도이다.
본 발명은 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법에 관한 것이다. 이하에서는 피검자의 하체 대퇴부 및 하퇴부에 재활보조장치를 착용하고, 측정된 관성신호를 이용하여 재활운동 관리방법에 대하여 설명하며, 상기 재활보조장치를 팔에 착용하여 피검자의 팔꿈치를 중심으로 윗팔과 아래팔의 관성신호를 측정하여 재활운동을 관리하는 방법은 동일하다. 따라서, 이하에서는 피검자의 하체 대퇴부 및 하퇴부에 착용한 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법에 대해서만 설명한다.
본 발명을 구현하기 위한 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법 첨부된 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 재활보조장치(200)는 피검자의 대퇴부 및 하퇴부의 각 관성신호를 측정하기 위한 메인센서모듈 및 제2관성측정부(101)(102)과, 상기 메인센서모듈 및 제2관성측정부(101)(102)을 피검자의 대퇴부 및 하퇴부에 고정하기 위한 상,하밴드(211)(212)로 구성된다.
상기 상,하밴드(211)(212)를 포함한 전체 재활보조장치(200)는 피검자가 착탈이 편리하도록 전체적으로 신축성이 있는 소재로 구성되며, 상기 메인센서모듈 및 제2관성측정부(101)(102)을 상기 피검자의 대퇴부 및 하퇴부에 각각 고정하기 위한 제1, 제2센서모듈포켓(201)(202)과, 상기 메인센서모듈 및 제2관성측정부(101)(102)을 전기적으로 연결하는 연결선(103)을 상기 재활보조장치(200)에 내장하기 위한 지퍼 또는 벨크로가 구비된 연결선포켓(203)과, 상기 재활보조장치(200)의 상,하단은 일정폭을 갖는 탄성이 강한 상,하밴드(211)(212)와, 상기 상,하밴드(211)(212)의 내면에 미끄럼방지를 위한 실리콘 또는 고무재(도면에 미도시)와, 상기 상밴드 및/또는 하밴드(211)(212)에 보다 견고하게 고정하도록 벨크로 고정밴드(214)와, 피검자가 운동시 무릎의 구부림으로 인해 상기 재활보조장치(200)가 변형되지 않도록 무릎부홀(213)로 구성된다.
상기 메인센서모듈(101)은 대퇴부에 고정되며, 가속도센서, 각속도센서 및 지자기센서를 포함하는 제1관성측정부(IMU)(111)와, 상기 제1관성측정부(111)를 통해 측정된 대퇴부의 9축 관성신호(가속도 3축, 각속도 3축, 지자기 3축) 및 상기 제2관성측정부(102)에서 수집된 하퇴부의 9축 관성신호(가속도 3축, 각속도 3축, 지자기 3축)를 수집 및 신호처리하고, 운동분석과정을 통해 피검자의 운동횟수, 수행시간 및 최대/최소 관절 굽힘각등을 분석하여 피검자의 재활정도를 판단하는 데이터를 제공하는 MCU(112)와, 상기 MCU(112)를 통해 수집된 대퇴부 및 하퇴부 9축 관성신호를 PC 또는 모바일단말기등의 스마트기기(120)으로 무선 전송하는 무선전송부(113)와, 상기 각 부(102)(111~113)에 전원을 공급하는 전원공급부(114)로 구성된다.
상기 제2관성측정부(102)는 상기 메인센서모듈(101)의 전원공급부(114)를 통해 공급된 전원에 의해 하퇴부의 9축 관성신호를 측정하여 상기 메인센서모듈(101)의 MCU(112)로 전송하는 제1관성측정부(111)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 운동신호 측정을 위한 센서모듈 재활보조장치의 작용을 첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명을 구현하기 위한 재활보조장치의 전체 구성도이고, 도 3은 메인센서모듈의 상세 구성도이다.
먼저, 상기 메인센서모듈(101)과 제2관성측정부(102)은 연결선(103)을 통해 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 메인센서모듈(101)은 제1관성측정부(111) 뿐만 아니라, MCU(112), 무선전송부(113) 및 전원공급부(114), 동작상태를 표시하는 LED표시부(115) 등이 포함되어 있어 상기 제2관성측정부(102)보다 그 크기가 크게 형성된다.
이와 같이 연결선(103)을 통해 연결된 상기 메인센서모듈(101) 및 제2관성측정부(102)을 상기 재활보조장치(200)에 부착하기 위해서, 상대적으로 크기가 작은 상기 제2관성측정부(102)를 상기 제1센서모듈포켓(201)을 관통하고 상기 연결선포켓(203) 내부를 관통한 후 상기 제2센서모듈포켓(202)의 내부에 형성된 홀(도면에 미도시)을 관통해 상기 제2센서모듈포켓(202)에 고정된다.
한편, 상기 제2관성측정부(102)이 제2센서모듈포켓(202)에 고정됨에 따라 상기 메인센서모듈(101)은 상기 제1센서모듈포켓(201)에 안착 고정된다.
이때, 상기 제1센서모듈포켓(201)에 상기 메인센서모듈(101)이 안착 고정됨에 따라 상기 제1센서모듈포켓(201)의 상단에 구성된 포켓덮개(도면에 미도시)를 이용하여 상기 메인센서모듈(101)의 이탈을 방지한다.
상기 포켓덮개는 벨크로 등의 고정부재를 이용하여 상기 제1센서모듈포켓(201)을 덮어 고정하고, 상기 연결선포켓(203)에 구비된 지퍼 또는 벨크로 등의 고정수단을 이용하여 잠금으로 내장된 연결선(103)의 이탈을 방지하게 된다.
이와 같이 상기 메인센서모듈(101), 제2관성측정부(102) 및 연결선(103)이 상기 각 센서모듈포켓(201)(202) 및 연결선포켓(203)에 고정된 상태에서 피검자가 이를 착용하게 된다.
피검자가 상기 각 센서모듈(101)(102)이 부착된 재활보조장치(200)를 착용하며, 더 견고한 고정을 위하여 상 또는 하밴드(211)(212)에 구비된 벨크로 고정밴드(214)를 이용하여 추가 고정한다.
이와 같이 재활보조장치(200)의 착용이 완료되면, 운동신호 측정을 시작하게 되며, 피검자는 반복 뛰기, 제자리 뛰기, 앉았다 일어서기 등의 운동을 수행한다.
피검자의 운동신호 측정은 상기 메인센서모듈(101)의 제1관성측정부(111)와 상기 제2관성측정부(102)로부터의 각 9축 관성신호를 상기 MCU(112)에서 수집하여 상기 운동데이터를 분석한 후 무선전송부(113)를 통해 스마트기기(120)로 전송한다.
상기 MCU(112)의 운동정보 분석과정을 통해 재활운동 관리과정에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 재활자가 상기 재활보조장치(200)를 착용하고, 앉은 자세 또는 서있는 자세에서 캘리브레이션(calibration)을 진행한다.
이어서, 피검자 또는 관리자가 재활운동을 선택하는데, 이때 재활운동은 스쿼트(squat)운동, 스텝박스(Step box) 운동, 가이트(Gait) 운동을 포함한 다양한 재활운동 설정이 가능하다.
만약, 상기 다양한 운동 중 스쿼트운동을 선택한 후 목표 운동횟수를 설정한다.
피검자는 목표 운동횟수를 설정 한 후 운동을 시작하면, 상기 MCU(120)는 상기 제1,제2관성측정부(111)(102)로부터 측정된 각 관성신호를 입력받아 신호처리 후 분석하여 피검자의 무릎 굽힘각을 산출하여 기 설정된 임계 굽힘각 이상인지를 판단한다. 만약, 임계 굽힘각 이상일 경우 운동 카운트업 하여 저장한다.(도 5(A) 참조)
이와 같이 스쿼트 운동을 반복할 때마다 상기 MCU(120)는 상기 제1,제2관성측정부(111)(102)로부터 측정된 관성신호를 분석 및 임계 굽힘각 이상일 경우 목표횟수를 달성할 때까지 반복 수행한다.
상기 MCU(120)가 기 설정된 목표 횟수를 달성한 경우 이를 상기 LED표시부(115)를 통해 표시하며, 필요에 따라 상기 무선전송부(113)을 통해 상기 스마트기기(120)로 전송하고, 상기 스마트기기(120)를 통해 목표달성를 경보하게 된다.
또한, 상기 MCU(120)는 상기 획득된 피검자의 관성신호를 분석하여 스쿼트 운동 횟수, 소요시간, 최대/최소 무릎각도를 산출하여 상기 스마트기기(120)로 전송하여 이를 관리하게 된다. 상기 스마트기기(120)는 피검자의 스쿼트 운동 이력 정보를 누적하여 회복 정도 및 속도를 정확하게 판단하고, 추후 재활 치료를 처방하는 근거 자료로 활용하게 된다.
또한, 상기 MCU(120)은 대퇴부 및 하퇴부의 9축 관성신호를 수집 및 분석한 결과에 따라 무릎의 뒤틀림 및 각 관절의 각도를 산출하여 물리치료사들이 정량적인 정보를 제공하게 된다.
이를 통해 환자들의 회복의 정도를 좀더 정확하게 판단할 수 있으며, 추후 재활 치료를 처방의 근거 자료로 활용할 수 있다.
만약, 상기 다양한 운동 중 스텝박스(Step box)운동을 선택한 후 목표 운동횟수를 설정하면, 상기 MCU(120)는 상기 제1,제2관성측정부(111)(102)로부터 측정된 각 관성신호를 분석하여 운동 종료 후 운동횟수, 소요시간, 최대/최소 굽힘각을 산출하게 된다.
도 5 (b)를 참조하면 스텝박스 운동시 획득된 그래프와 같이 일정레벨 이상의 굽힘각일 경우 운동횟수로 카운트하게 된다.
이하, MCU(120)에서 획득된 각 관성신호를 이용하여 피검자의 운동횟수 카운트 및 분석하는 과정은 상기 스쿼트운동과 동일하다.
또한, 상기 다양한 운동 중 카이트(Gait)운동을 선택하고, 목표 운동횟수를 설정한 후 운동을 시작하면, 상기 MCU(120)은 상기 제1,제2관성측정부(111)(102)로부터 측정된 각 관성신호를 분석하여 운동 종료 후 운동횟수, 소요시간, 최대/최소 굽힘각을 산출하게 된다.(도 5(C))
여기서, 상기 MCU(120)는 피검자의 운동시작은 피검자가 의자에서 일어나는 시점을 기준으로 시작하며, 피검자가 일정 거리(시간) 보행 후 다시 돌아와 의자에 다시 앉을 경우 이를 동작 1회로 카운트한다. 즉, 상기 MCU(120)에서 상기 제1,제2관성측정부(111)(102)로부터 획득된 관성신호를 이용하여 피검자가 의자에서 일어났는지 또는 앉았는지를 판단한 결과에 따라 운동횟수를 카운트하게 된다.
상기 피검자가 목표 운동횟수를 완료하면, 상기 MCU(120)는 측정된 피검자의 운동횟수, 소요시간, 최대/최소 굽힘각 등을 산출하여 피검자의 재활상태를 판단하는 요소로 이용한다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법은 스쿼트운동, 스텝박스운동 가이트운동으로 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이 실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
101 : 메인센서모듈 102 : 제2관성측정부
103 : 연결선 111 : 제1관성측정부
112 : MCU 113 : 무선전송부
114 : 전원공급부 115 : LED표시부
120 : 스마트기기
200 : 재활보조장치 201 : 제1센서모듈포켓
202 : 제2센서모듈포켓 203 : 연결선포켓
211,212 : 상,하밴드 213 : 무릎부홀
214 : 밸크로밴드

Claims (6)

  1. 피검자의 대퇴부 및 하퇴부의 제1, 제2관성측정부가 탑재된 재활보조장치를 착용하고, 운동중 측정된 관성신호를 MCU에서 분석하여 운동관리를 수행하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법에 있어서,
    상기 MCU는 피검자가 선택한 재활운동 모드를 감지하는 제1과정;
    상기 선택된 재활운동 모드에 따라 운동횟수를 설정하는 제2과정;
    상기 제2과정 후 운동시작과 함께 상기 제1, 제2관성측정부로부터 측정된 신호로부터 관절 굽힘각을 산출하는 제3과정;
    상기 제3과정에서 측정된 관절의 굽힘각도가 임계각 이상일 경우 운동횟수를 카운트 업하는 제4과정;
    상기 제4과정에서 카운트한 운동횟수가 목표횟수에 도달하여 운동을 종료하면 운동횟수, 수행시간 및 최대/최소 관절 굽힘각을 분석하는 제5과정;을 포함하며,
    상기 제4과정은 목표횟수에 도달할 때까지 상기 제3,제4과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1과정은 상기 재활보조장치를 피검자의 무릎에 착용하며, 스쿼트(Squat)운동, 스텝박스(Step Box)운동, 가이트(Gait)운동 중 하나인 것을 특징으로 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1과정에서 피검자가 가이트운동을 선택할 경우, 피검자가 의자에서 일어나는 시점을 시작으로 다시 의자에 앉는 동작을 종점으로 하여 상기 제3 내지 제5과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법.
  4. 제3항에 있어서,
    피검자가 의자에서 일어나고, 다시 앉는 동작은 상기 제1,제2관성신호측정부에서 측정된 관성신호를 분석하여 판단하는 것을 특징으로 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제5과정에 부가하여, 상기 운동종료 후 운동 수행시간 및 관절 굽힘각을 분석하여 회복정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1,제2관성측정부는 가속도센서, 각속도센서 및 지자기센서로 구성되어 9축 관성신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 재활보조장치를 이용한 재활운동 관리방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210013419A (ko) * 2019-07-24 2021-02-04 주식회사 에버닌 트래커를 이용한 헬스 케어 시스템
KR20210155862A (ko) * 2020-06-16 2021-12-24 계명대학교 산학협력단 신체 부위 보호대의 탈부착 가능한 재활기능향상 스마트 제어장치 및 그 이용 방법

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