KR20190112988A - 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치 및 방법 - Google Patents

모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 환자의 팔에 착용할 수 있는 모션 인식 밴드를 이용하여 재활 치료 환자의 운동능력을 정확하게 측정할 수 있는 신체 운동능력 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 개시의 장치는 환자의 손목이나 팔에 착용하여 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드와, 모션 인식 밴드와 무선으로 통신하여 환자의 신체운동능력을 측정하기 위한 측정 본체를 포함한다. 측정 본체는 운영자가 환자정보를 입력하고 각종 데이터를 입력하기 위한 운영자 인터페이스부와, 운영자의 입력에 따라 환자정보를 환자 데이터베이스에 저장하고, 전체 측정을 관리하기 위한 측정관리모듈과, 측정 시작시 환자가 신체 움직임을 따라 할 수 있도록 모델링 데이터베이스의 모델링 영상을 표시해주는 모델링 모듈과, 모션 인식 밴드와 통신하기 위한 무선통신부와, 무선통신부를 통해 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터들을 연산하여 환자의 신체 운동능력을 평가하기 위한 측정 연산부와, 측정 연산부의 측정 결과 값을 디스플레이 장치에 표시하기 위한 측정결과 표시모듈로 구성된다.

Description

모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치 및 방법{ Apparatus and method for measuring physical exercise ability of rehabilitation patient using motion recognition band}
본 발명은 뇌졸증 환자와 같이 재활치료가 필요한 환자의 운동능력을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자의 팔에 착용할 수 있는 모션 인식 밴드를 이용하여 재활치료환자의 운동능력을 정확하게 측정할 수 있는 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 노령화로 인한 노인인구가 증가함에 따라 뇌졸중 환자의 수가 급상승하고 있다. 뇌졸중(腦卒中; stroke)은 뇌기능에 부분적 또는 전체적으로 급속히 발생한 장애가 상당 기간 이상 지속되는 것으로, 뇌혈관의 병 이외에는 다른 원인을 찾을 수 없는 상태를 일컫는다. 뇌졸중은 뇌혈관이 막혀서 발생하는 뇌경색(허혈성 뇌졸중)과, 뇌혈관의 파열로 인해 뇌 조직 내부로 혈액이 유출되어 발생하는 뇌출혈(출혈성 뇌졸중)을 통틀어 일컫는 말이다.
통상 뇌졸중의 치료는 대학병원에서 이루어지는 초기의 급성기 치료와 급성기 치료가 끝날쯤 대학병원에서 이루어지는 집중재활치료, 재활전문병원에서 이루어지는 재활치료, 만성단계에서 요양시설이나 가정 등에서 이루어지는 재활치료 등으로 이루어지는데, 재활치료시설의 미비나 재활 치료사에 의한 고가의 재활치료비 등으로 재활치료가 원활하게 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
한편, 뇌졸중 환자의 재활치료를 위해서는 의사의 재활처방에 따라 물리치료사가 환자의 상태를 평가하고, 그 평가결과에 따라 환자 재활 치료계획을 세운 후 치료를 진행하면서 수시로 환자의 상태를 평가하여 상태 호전도를 측정할 필요가 있다.
환자의 상태를 평가하는 종래의 방식은 주로 물리치료사가 Manual Muscle Test, Standardized timed function Test, Jebson-Taylor hand function Test, Fugle-meyer assessment Test, 측정기구에 의한 ROM(Range of Motion) Test 등을 통해 환자의 근력이나 기능, 손가락 기능, 관절 가동범위 등을 테스트하였다.
그런데 이러한 종래의 측정방식은 주로 물리치료사의 감각에 의존하는 방식이어서 측정결과의 정밀도와 신뢰성이 낮고, 물리치료사의 경험에 의존하여 비효율적인 문제점이 있다. 또한 종래의 측정방식은 측정 결과가 단순히 수치만 나열되고 시각화가 어려워 환자가 자신의 상태를 알아보기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 공개번호 10-2014-0003265호로 공개된 "인체관절 움직임 각도의 측정 방법"은 측정대상자의 영상을 포착하는 단계와, 포착된 영상 이미지로부터 어깨 포인트와 손목 포인트를 추출해내는 단계와, 어깨 포인트와 손목 포인트를 직선으로 이어주는 제1 사변과, 어깨 포인트와 손목의 투영 포인트를 이어주는 제1 밑변을 갖는 직각 삼각형으로부터, 제1 사변과 제1 밑변 사이의 제1 사잇각을 산출해내는 단계와, 산출된 제1 사잇각을 어깨관절 움직임 각도로 출력하는 단계로 구성되어 카메라 등으로 포착된 영상 분석을 통해 측정대상자의 자세를 분석하거나 신체 기능을 진단하는 것이다.
또한 등록번호 10-1353939호로 공고된 "신체부위 운동범위 측정 장치 및 방법"은 측정 대상 신체 부위의 기울기를 측정하는 적어도 하나의 기울기 센서와, 측정된 기울기를 이용하여 측정 대상 신체 부위의 운동 범위를 산출하는 제어부와, 산출된 운동 범위를 표시하는 디스플레이부를 포함하여 근위부 및 원위부에 각각 부착된 기울기 센서의 측정된 기울기를 이용하여 측정 대상 신체 부위의 운동 범위를 산출하는 것이다.
KR 10-1353939 B1 KR 10-2014-0003265 A
종래기술에 따른 환자의 운동능력 측정 방식은 카메라를 통해 이미지를 분석하거나 기울기 센서를 이용하는 방식이어서 그 측정 결과 데이터에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 환자의 팔에 착용할 수 있는 모션 인식 밴드를 이용하여 재활치료환자의 운동능력을 정확하게 측정할 수 있는 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 구현예의 장치는 환자의 손목이나 팔에 착용하여 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드와, 상기 모션 인식 밴드와 무선으로 통신하여 환자의 신체운동능력을 측정하기 위한 측정 본체를 포함한다. 상기 측정 본체는 운영자가 환자정보를 입력하고 각종 데이터를 입력하기 위한 운영자 인터페이스부와, 운영자의 입력에 따라 환자정보를 환자 데이터베이스에 저장하고, 전체 측정을 관리하기 위한 측정관리모듈과, 측정 시작시 환자가 신체 움직임을 따라 할 수 있도록 모델링 데이터베이스의 모델링 영상을 표시해주는 모델링 모듈; 상기 모션 인식 밴드와 통신하기 위한 무선통신부와, 상기 무선통신부를 통해 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터들을 연산하여 환자의 신체 운동능력을 평가하기 위한 측정 연산부와, 상기 측정 연산부의 측정 결과 값을 디스플레이 장치에 표시하기 위한 측정결과 표시모듈을 포함한다.
또한 상기 측정 연산부는, 상기 무선통신부를 통해 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 근 긴장도를 평가하기 위한 근 긴장도 평가모듈과, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 최대관절 가동범위를 평가하기 위한 최대관절 가동범위 평가모듈과, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 근력을 평가하기 위한 근력 평가모듈과, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 떨림(Tremor)을 평가하기 위한 떨림(Tremor) 평가모듈을 포함하고, 상기 모션 인식 밴드는 자이로 센서와 가속도 센서와 지자계 센서로 이루어져 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 관성센서와, 좌측 신체 운동인지 우측 신체 운동인지를 입력하기 위한 스위치 패널과, 상기 측정 본체와 통신하기 위한 통신수단과, 상기 관성센서의 센서 데이터를 입력받아 필터링 후 소정의 알고리즘에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 신체 정보와 함께 패킷으로 조립하여 상기 통신수단을 통해 상기 측정 본체로 전송하기 위한 마이크로컨트롤러로 구성되어 필터링 후 가속도 값을 기준으로 운동공간을 6개로 분할하여 범위 1 내지 범위 6으로 지정하고, 범위 1에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)으로 산출하고, 범위 2에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며, 범위 3에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_zAngle)으로 산출하고, 범위 4에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며, 범위 5에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하고, 범위 6에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하는 것이다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 구현 예의 방법은, 측정부위와 측정모드를 선택하는 단계와, 선택된 측정부위와 모드에 따래 해당 측정을 위한 표본 모델링 움직임을 표시하는 단계와, 피측정자가 표본 모델링 움직임을 따라 신체를 움직이면, 피측정자가 착용한 모션 인식 밴드가 피측정자의 움직임 감지 데이터를 생성하는 단계와, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 연산하여 근 긴장도, 최대관절 가동범위, 근력, 및 떨림을 평가하는 단계와, 상기 평가 결과를 3차원 영상으로 표시하는 단계를 포함한다.
상기 움직임 감지 데이터를 생성하는 단계는 자이로 센서와 가속도 센서와 지자계 센서로 이루어져 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 관성센서로부터 각 센서 데이터를 입력받아, 가속도 센서 값을 기준으로 운동공간을 6개로 분할하여 범위 1 내지 범위 6으로 지정하고, 범위 1에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)으로 산출하고, 범위 2에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며, 범위 3에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_zAngle)으로 산출하고, 범위 4에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며, 범위 5에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하고, 범위 6에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하는 것이다.
본 구현 예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치는 재활치료가 필요한 환자에게 모션 인식 밴드를 착용한 후 측정 본체를 통해 자동으로 근 긴장도, 최대관절 가동범위, 근력값, 떨림(Tremor) 등을 측정하여 수치와 3차원 영상을 통해 이미지로 시각화하여 보여줌으로써 측정이 편리하고, 환자의 상태를 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 구현 예에 따르면, 환자의 측정값들을 데이터베이스로 누적 관리하여 재활치료 경과를 정확하게 알 수 있으며, 이전 값과의 비교를 통해 상태 호전을 환자가 쉽게 인식할 수 있도록 하여 재활치료의 동기를 강화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 운동능력 측정 장치의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 모션 인식 밴드를 도시한 구성 블럭도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드의 공간 인식 범위를 구분한 개념도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드의 동작 순서도,
도 5는 도 1에 도시된 측정 본체를 개략적으로 도시한 구성 블럭도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 절차를 도시한 순서도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 운동능력을 측정한 결과 화면의 예이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 신체 운동능력 측정 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 환자의 손목이나 팔에 착용하여 환자 신체의 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와, 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 블루투스 방식의 무선으로 통신하여 환자 신체의 움직임을 인식하여 운동능력을 측정하기 위한 측정 본체(200)와, 측정 본체(200)에서 출력되는 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이 장치(300)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 모션 인식 밴드(100-1,100-2)는 환자의 좌/우측 손목이나 팔 등의 신체에 착용할 수 있도록 되어 있고, 측정 본체(200)와는 블루투스 방식으로 무선 통신할 수 있도록 되어 있다.
측정 본체(200)는 운영체제와 응용 프로그램이 탑재된 일종의 컴퓨터로서 유무선을 통해 별도의 디스플레이 장치(300; 예컨대, 모니터나 TV 등)와 연결될 수 있고, 프로젝션 기능이 있는 경우에는 스크린에 디스플레이할 수도 있다. 또한 도면에는 도시되지 않았으나 측정 본체(200)에는 프린터가 연결되어 측정결과를 프린트할 수도 있고, 통신수단을 통해 네트워크에 연결되어 측정결과를 원격지로 전송할 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 모션 인식 밴드(100-1,100-2)를 보다 구체적으로 도시한 구성 블럭도이고, 도 3은 본 실시예에 따른 모션 인식 밴드의 공간을 분할하는 개념도이며, 도 4는 본 실시예에 따른 모션 인식 밴드의 동작 순서도이다.
먼저, 본 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치는 재활환자의 신체가 움직일 수 있는 범위의 3차원 공간을 도 3에 도시된 바와 같이 분할하여 어느 범위까지 움직일 수 있는지를 측정한다. 도 3을 참조하면, X, Y, Z 축으로 이루어진 3차원 공간이 분할되어 범위 1 내지 범위 6으로 지정된 것을 알 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 재활치료환자의 신체 운동능력 측정장치는 주로 환자의 신체 움직임을 자동으로 측정하여 재활운동 계획을 수립한 후, 환자가 계획에 따라 운동을 수행하게 하고, 재활 운동 후 다시 측정하여 평가할 수 있도록 하는 것이다. 이를 위하여 본 실시예에서는 환자의 신체 운동을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 정의하여 측정 및 분석하는데, ROM은 다음 표 1과 같이 정의한다.
측정범위 세부범위 재활운동 번호




어께(shoulder)


 굽힘(Flexion) 1
뻗음(extension)
외전운동(abduction) 2
내전운동(adduction)
외측회전(external rotation) 3
내측회전(internal rotation)
수평굽힘(horizontal flexion) 4
수평뻗음(horizontal extension)
팔꿈치(elbow)
 굽힘(flexion) 5
폄(extension)
팔뚝(forearm)
 회내운동(pronation) 6
회외운동(supination)
표 1을 참조하면, 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)는 어께(shoulder)가 굽힘(Flexion), 뻗음(extension), 외전운동(abduction), 내전운동(adduction), 외측회전(external rotation), 내측회전(internal rotation), 수평굽힘(horizontal flexion), 수평뻗음(horizontal extension)으로 세부 구분되어 측정되고, 팔꿈치(elbow)가 굽힘(flexion), 폄(extension)으로 세부 구분되어 측정되며, 팔뚝(forearm)이 회내운동(pronation), 회외운동(supination)으로 세부 구분되어 측정되는 것을 알 수 있다.
또한 RSA(Relative Surface Area)란 도달 작업공간(Reachable Workspace)을 측정하는 지표로써 팔의 가동 범위를 수치화한 것이며. 측정하는 방법은 Shoulder Flexion /Extension / Abduction / Adduction / External Rotation / Internal Rotation / Horizontal Flexion / Horizontal Extension의 ROM 수치를 사용해 손의 위치를 계산하고, 해당 손의 좌표가 찍히는 점들의 궤적에 따라서 경계범위를 계산하는 것이다. 그리고 이에 따라 경계범위의 넓이를 구하여 Unit Hemisphere의 넓이와 나누어 주어 0 과 1 사이의 값을 얻는데, 이를 Relative Surface Area 라 칭한다.
모션 인식 밴드(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 관성센서(110; IMU)와, 조작을 위한 스위치 패널(120)과, 전체 동작을 제어하기 위한 마이크로컨트롤러(MCU; 130)와, 배터리(142)와 충전기(144)로 이루어진 전원부(140), 및 블루투스 모듈(150)이 구비되어 있다.
도 2를 참조하면, 관성센서(IMU:Inertial Measurement Unit; 110)는 각속도를 감지하기 위한 자이로 센서(112)와, 가속도를 감지하기 위한 가속도 센서(114), 및 지자계를 감지하기 위한 지자계 센서(116)로 이루어져 환자 신체의 자세 데이터를 감지하여 MCU(130)로 전달한다. 즉, 관성센서(110)는 이동물체의 속도와 방향, 중력, 가속도를 측정하는 장치로서, 가속도계, 각속도계, 지자기계를 이용하여 이동물체의 움직임 상황을 인식하는 것이다.
스위치 패널(120)은 좌측 팔의 운동을 알려주기 위한 좌측 택트 스위치(122)와 전원 및 OK 택트 스위치(124), 우측 팔의 운동을 알려주기 위한 우측 택트 스위치(126)로 이루어져 환자나 운영자의 조작을 감지하여 MCU(130)로 전달한다.
전원부(140)는 배터리(142)와 충전기(144)로 이루어져 각부에 전원을 공급하고, 블루투스 모듈(150)은 블루투스 프로토콜에 따라 측정 본체(200)의 블루투스 모듈(210)과 무선으로 통신한다.
MCU(130)는 도 4에 도시된 바와 같이, 관성센서(110)를 초기화하고 관성센서(110)의 감지 데이터를 입력받아 필터링 후 영역에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 택트 스위치 정보와 함께 측정 본체(200)로 전송한다.
도 4를 참조하면, 모션 인식 밴드(100)의 전원이 온되면, MCU(130)는 프로그램을 실행하여 관성센서(110)를 초기화하고, 가속도 센서와 자이로 센서, 및 지자계센서를 읽어와 3차원 각도 값을 산출하며, DCM(Direction Cosine Matrix) 필터(Filter)를 사용하여 산출된 데이터의 융합 및 결과를 도출한다(S101~S103).
또한 IMU 센서 값은 중력 가속도와 평행한 축의 경우 회전값 산출이 불가능하므로 도 3에 도시된 바와 같이 DCM 필터링 후 가속도 값을 기준으로 운동공간을 6개(Range1 ~ Range6)로 분할하여 범위를 범위 1(Range 1) 내지 범위 6(Range 6)으로 각각 지정한다(S104).
그리고 지정된 범위에 따라 S105 내지 S116에 따른 알고리즘이 수행되어 오일러 각을 산출하게 된다.
예컨대, 범위 1(Range of 1)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계센서(116)의 z축 각도값(M_zAngle)이다(S105,S106).
범위 2(Range of 2)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계센서(116)의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S107,S108).
범위 3(Range of 3)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계센서(116)의 - z축 각도값(-M_zAngle)이다(S109,S110).
범위 4(Range of 4)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계센서(116)의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S111,S112).
범위 5(Range of 5)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계센서(116)의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S113,S114).
범위 6(Range of 6)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계센서(116)의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서(112)와 가속도센서(114)의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S115,S116).
이어 프로토콜 패킷 구조에 따라 오일러 각과 택트 스위치 값을 패킷으로 조립하여 측정 본체(200)로 전송한다(S117,S118).
도 5는 도 1에 도시된 측정 본체를 개략적으로 도시한 구성 블럭도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 절차를 도시한 순서도이다.
본 실시예에 따른 재활치료환자의 운동능력을 측정하기 위한 측정 본체(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 운영자 인터페이스(210), 측정관리모듈(220), 환자 데이터베이스(222), 모델링 모듈(230), 모델링 데이터베이스(232), 무선 통신부(240), 측정 연산부(250), 측정결과 표시모듈(260), 표시구동모듈(270)로 구성되고, 측정 연산부(250)는 근 긴장도 평가모듈(252), 최대관절 가동범위 평가모듈(254), 근력평가모듈(256), 떨림(Tremor) 평가모듈(258)로 이루어진다.
도 5를 참조하면, 운영자 인터페이스부(210)는 운영자가 환자정보를 입력하고 각종 데이터를 입력하기 것이고, 측정관리모듈(220)은 운영자의 입력에 따라 환자정보를 환자 데이터베이스(222)에 저장하고 전체 측정을 관리하기 위한 것이다.
모델링 모듈(230)은 측정 시작시 환자가 움직임을 따라할 수 있도록 모델링 샘플 데이터베이스(232)의 모델링 영상을 표시해주는 것이고, 무선통신부(240)는 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 블루투스 등의 무선방식으로 통신하기 위한 것이다.
측정 연산부(250)의 근 긴장도 평가모듈(252)은 무선통신부(240)를 통해 모션 인식 밴드(100-1,100-2)로부터 수신된 측정 데이터를 이용하여 환자의 근 긴장도를 평가하기 위한 것이고, 최대관절 가동범위 평가모듈(254)은 모션 인식 밴드(100-1,100-2)로부터 수신된 측정 데이터를 이용하여 환자의 최대관절 가동범위를 평가하기 위한 것이며, 근력 평가모듈(256)은 모션 인식 밴드(100-1,100-2)로부터 수신된 측정 데이터를 이용하여 환자의 근력을 평가하기 위한 것이고, 떨림(Tremor) 평가모듈(258)은 모션 인식 밴드(100-1,100-2)로부터 수신된 측정 데이터를 이용하여 환자의 손떨림(Tremor) 등을 평가하기 위한 것이다.
본 실시예에서 근 긴장도(Digital Muscle Tone) 평가모듈(252)은 모션인식밴드로부터 수신한 감지데이터를 이용하여 다음 수학식 1에 따라 모션 인식 밴드 사이의 구간별 각도(Angle)를 산출한다.
Figure pat00001
수학식 1에서 모션 인식 밴드1의 데이터는 x1, y1, z1이고, 모션 인식 밴드2의 데이터는 x2, y2, z2이다.
근력 평가모듈(256)은 측정모드 With Dumbbell 1Kg과 With Dumbbell 2Kg에서 측정했을 때 산출되는 RSA 데이터를 이용하여 산출하고, 떨림(Tremor) 평가모듈(258)은 모션 인식 밴드의 시간 영역에서 순간 위치변화를 감지하여 주파수 영역으로 변환한 후 각 모션 인식 밴드의 진동, 진동폭을 추출하여 산출한다.
측정결과 표시모듈(260)은 측정 연산부의 측정 결과값을 도 7과 같이 모니터상에 디스플레이에 표시하기 위한 것이고, 표시 구동 모듈(270)은 모델링 모듈(230)과 측정결과 표시모듈(260)의 데이터를 비디오 신호로 변환하여 디스플레이(300)를 구동하기 위한 비디오 신호를 출력한다.
이와 같은 본 발명의 측정장치를 이용하여 재활치료환자의 운동능력을 측정하는 절차를 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 절차를 도시한 순서도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 결과를 표시하는 화면의 예이다.
도 6을 참조하면, 재활치료환자에게 모션 인식 밴드(100-1,100-2)를 착용시킨 후 운영자가 측정 본체(200)를 구동하면, 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 측정 본체(200)가 블루투스 통신방식으로 연결되고, 디스플레이 장치(300)에 운영자와 피측정자(환자)가 볼 수 있도록 기본화면이 표시된다(S201~S203).
재활치료 환자가 처음일 경우에는 기본 화면에서 운영자가 ID 생성을 선택한 후 환자정보를 입력하고, 이에 따라 측정 본체(200)는 해당 환자의 ID를 생성한 후 환자 데이터 베이스(222)에 환자정보와 함께 저장한다(S204~S206). 환자정보로는 인적사항, 병명, 발병일, 근긴장도(MAS값), 상체행위별 MMT값, 하체 행위별 MMT값, 담당물리치료사 등의 정보를 입력한다.
만일, 운영자가 측정값 보기를 선택하여 로그인하면 해당 아이디(ID)의 측정결과 값을 표시한다(S230~S232). 운영자가 기본화면에서 설정을 선택하면, 측정 본체(200)는 소리와 조명을 조절하기 위한 항목을 제공함과 아울러 WiFi 나 블루투스와 같은 무선통신 프로토콜을 설정할 수 있게 한다(S240~S242).
운영자가 기본화면에서 측정을 선택하면, 로그인 등을 처리한 후 측정 부위를 선택할 수 있게 하고, 이어 측정모드를 선택할 수 있게 한다(S210~S213). 측정부위로는 머리, 몸통, 어깨/팔꿈치, 고관절, 무릅, 발목 등이 있다. 측정 모드로는 'With dumbell 1Kg', 'With dumbell 2Kg', Active, Active assist, Passive 등이 있다.
이어 측정 본체(200)는 각도를 캘리브레이션(Angle Calibration)시키고, 설정된 측정부위와 모드에 따라 해당 모션 데이터 표본을 추출하여 디스플레이장치(300)에 표시한다(S214,S215).
이에 따라 피측정자는 디스플레이장치(300)의 표본(Guideline) 영상을 따라 모션을 취하고, 이를 3회 진행한다(S216).
이와 같이 환자가 표본 영상을 따라 하면, 피측정자의 신체에 착용된 모션 인식 밴드(100-1,100-2)의 관성센서(110)가 작동하여 감지 데이터를 생성한 후 블루투스 연결을 통해 측정 본체(200)로 전송한다(S217). 이때 모션 인식 밴드(100-1,100-2)에서 감지 데이터를 생성하는 절차는 앞서 설명한 도 4의 절차와 동일하다.
측정 본체(200)는 모션 인식 밴드(100-1,100-2)로부터 감지 데이터를 수신한 후 소정의 알고리즘에 따라 감지 데이터를 연산하여 모션인식 근 긴장도, 모션인식 최대관절 가동범위, 모션인식 근력 값, 모션인식 떨림(Tremor) 값을 산출한다(S218~S222). 이때, 모션인식 근 긴장도는 중심점으로부터 우측상단(1사분면; 1st quadarant), 우측하단(4사분면; 4th quadarant), 좌측상단(2사분면; 2nd quadarant), 좌측하단(3사분면; 3rd quadarant)으로 구분하여 각각의 점수 및 전체 평균점수를 산출한다. 모션인식 근력은 덤벨과 함께 움직이는 동작 모드(With dumbbell 1Kg, 2Kg)에서 모션 인식 최대 관절 가동 범위의 점수로 산출하고, 모션인식 최대관절 가동범위는 중심점으로부터 우축상단(1사분면; 1st quadarant), 우측하단(4사분면; 4th quadarant), 좌측상단(2사분면; 2nd quadarant), 좌측하단(3사분면; 3rd quadarant)으로 구분하여 각각의 점수 및 전체 평균점수를 산출한다. 그리고 모션인식 떨림(Tremor)은 시간당 가속도계 변화량으로 산출한다.
이어 측정 본체(200)는 산출된 측정 결과 값을 해당 환자 ID의 데이터베이스에 저장함과 아울러 디스플레이 장치(300)에 도 7에 도시된 바와 같이 표시한다(S223).
도 7a는 정상인의 운동능력을 측정한 예이고, 도 7b는 뇌졸중 초기 환자의 운동능력을 측정한 예이며, 도 7c는 뇌졸중 중기환자의 운동능력을 측정한 예이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 각 측정 결과 화면에는 3차원 최대관절 가동범위(3D Reachable Workspace), Plane RSA(3D Reachable Workspace into Planar Figuge), RSA 전체/1차분면/2사분면/3사분면/4사분면, 3차원 평면/측면/전면 뷰가 표시되는 것을 알 수 있다. 그리고 정상인의 상측 최대관절 가동범위는 55%이고, 초기 뇌졸중 환자의 경우 34%, 중기 뇌졸중 환자의 경우 9%인 것을 알 수 있으며, 가동범위가 3차원 그래픽으로 표시되어 이해하기 쉬운 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,100-1,100-2: 모션 인식 밴드 200: 측정 본체
210: 운영자 인터페이스 220: 측정관리모듈
222: 환자 DB 230: 모델링 모듈
232: 모델링 DB 240: 무선 통신부
250: 측정 연산부 252: 근 긴장도 평가모듈
254: 최대관절 가동범위 평가모듈 256: 근력 평가 모듈
258: 떨림 평가 모듈 260: 측정 결과 표시모듈
270: 표시 구동 모듈 300: 디스플레이 장치

Claims (5)

  1. 환자의 손목이나 팔에 착용하여 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드와, 상기 모션 인식 밴드와 무선으로 통신하여 환자의 신체운동능력을 측정하기 위한 측정 본체를 포함하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정장치에 있어서,
    상기 측정 본체가
    운영자가 환자정보를 입력하고 각종 데이터를 입력하기 위한 운영자 인터페이스부;
    운영자의 입력에 따라 환자정보를 환자 데이터베이스에 저장하고, 전체 측정을 관리하기 위한 측정관리모듈;
    측정 시작시 환자가 신체 움직임을 따라 할 수 있도록 모델링 데이터베이스의 모델링 영상을 표시해주는 모델링 모듈;
    상기 모션 인식 밴드와 통신하기 위한 무선통신부;
    상기 무선통신부를 통해 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터들을 연산하여 환자의 신체 운동능력을 평가하기 위한 측정 연산부; 및
    상기 측정 연산부의 측정 결과 값을 디스플레이 장치에 표시하기 위한 측정결과 표시모듈을 포함하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측정 연산부는,
    상기 무선통신부를 통해 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 근 긴장도를 평가하기 위한 근 긴장도 평가모듈과, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 최대관절 가동범위를 평가하기 위한 최대관절 가동범위 평가모듈과, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 근력을 평가하기 위한 근력 평가모듈과, 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 이용하여 환자의 떨림(Tremor)을 평가하기 위한 떨림(Tremor) 평가모듈을 포함하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모션 인식 밴드는
    자이로 센서와 가속도 센서와 지자계 센서로 이루어져 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 관성센서와,
    좌측 신체 운동인지 우측 신체 운동인지를 입력하기 위한 스위치 패널과,
    상기 측정 본체와 통신하기 위한 통신수단과,
    상기 관성센서의 센서 데이터를 입력받아 필터링 후 소정의 알고리즘에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 신체 정보와 함께 패킷으로 조립하여 상기 통신수단을 통해 상기 측정 본체로 전송하기 위한 마이크로컨트롤러로 구성되어
    필터링 후 가속도 값을 기준으로 운동공간을 6개로 분할하여 범위 1 내지 범위 6으로 지정하고,
    범위 1에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)으로 산출하고,
    범위 2에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며,
    범위 3에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_zAngle)으로 산출하고,
    범위 4에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며,
    범위 5에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하고,
    범위 6에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하는 것을 특징으로 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 장치.
  4. 측정부위와 측정모드를 선택하는 단계;
    선택된 측정부위와 모드에 따래 해당 측정을 위한 표본 모델링 움직임을 표시하는 단계;
    피측정자가 표본 모델링 움직임을 따라 신체를 움직이면, 피측정자가 착용한 모션 인식 밴드가 피측정자의 움직임 감지 데이터를 생성하는 단계;
    상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 감지 데이터를 연산하여 근 긴장도, 최대관절 가동범위, 근력, 및 떨림을 평가하는 단계; 및
    상기 평가 결과를 3차원 영상으로 표시하는 단계를 포함하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 움직임 감지 데이터를 생성하는 단계는
    자이로 센서와 가속도 센서와 지자계 센서로 이루어져 환자의 신체 움직임을 감지하기 위한 관성센서로부터 각 센서 데이터를 입력받아,
    가속도 센서 값을 기준으로 운동공간을 6개로 분할하여 범위 1 내지 범위 6으로 지정하고,
    범위 1에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)으로 산출하고,
    범위 2에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며,
    범위 3에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계 센서의 - z축 각도값(-M_zAngle)으로 산출하고,
    범위 4에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계 센서의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며,
    범위 5에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하고,
    범위 6에 속할 경우, 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계 센서의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로 센서와 가속도 센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하는 것을 특징으로 모션 인식 밴드를 이용한 재활치료환자의 신체 운동능력 측정 방법.
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