KR20210063030A

KR20210063030A - 사용자의 심폐 효율에 기초한 운동 부하 제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20210063030A
Application number: KR1020190151447A
Authority: KR
Inventors: 김호진; 이정아
Original assignee: 대한민국(국립재활원장)
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-06-01

Abstract

환자의 심폐 기능에 기초한 운동 부하 제어 방법은 환자에게 장착된 적어도 하나 이상의 센서로부터 환자의 혈중 산소량(SpO₂)과 심박수(Heart rate; HR)를 측정하고, 상기 측정된 혈중 산소량 및 심박수에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하고, 상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 환자가 운동 중인 운동 기구의 부하 장치를 제어하는 것을 포함하고, 상기 맞춤 운동 부하는, 부하 함수 f(x)에 기초하여, alpha*f(SpO₂)/f(HR)에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.

Description

사용자의 심폐 효율에 기초한 운동 부하 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING EXERCISE LOADS BASED ON CARDIOPULMONARY EFFICIENCY OF USER}

본 발명은 사용자의 심폐 효율에 기초한 운동 부하 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자전거, Arm ergometer, Recumbent Stepper, Rowing machine 등과 같이 심폐기능 운동 기구에 있어서, 사용자의 심폐 효율을 나타내는 다양한 지표를 이용하여 사용자가 탈진하지 않은 상태에서 적절한 강도의 운동 부하를 제어하도록 구성된 운동 부하 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 재활운동에 있어서, 환자에게 적합한 치료나 운동 처방을 위해 환자의 심폐 능력을 확인하고 있다. 이와 관련하여, 종래에는 심폐기능 측정을 위해서는 산소호흡분석 측정기를 착용하고 호흡가스 변인 관련 대사반응을 이용해서 운동을 수행하는 검사를 수행하였으나, 현재는 간단한 심박수 측정기와 산소측정기를 이용하여 일정하게 운동을 수행할 수 있는 심폐기능의 측정이 가능한 운동 장치가 개발되어 사용되고 있다(특허문헌 1 참조).

한편, 이러한 운동 장치는 운동 중 일어나는 신체의 대사 반응과 심폐 능력의 관계를 이용하여 최대 운동 효율을 끌어올리도록 운동 프로그램을 설정하고, 경우에 따라서는 사용자의 심폐 기능 향상을 위하여 사용자의 심폐 기능에 부담을 줄 수 있는 강도 높은 운동 프로그램을 설정하기도 한다.

그러나, 장애인, 특히 척수 손상 장애인 등의 경우는 심폐기능이 현저히 저하되어 있기 때문에, 이와 같은 심폐 기능에 부담을 줄 수 있는 강도 높은 운동을 할 경우, 자칫 심장마비(Heart Failure)를 유발할 수 있다는 문제가 있다.

US

2007-0219059

A1

따라서, 본 발명의 과제는 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 환자가 운동하는 동안 측정되는 혈중 산소량과 심박수 등의 운동 지표를 통해 운동 부하를 제어하여 심폐기능이 저하된 환자에도 적합한 운동 프로그램을 설정할 수 있는 운동 부하 제어 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

아울러, 본 발명의 다른 과제는 운동 부하 제어 방법 및 시스템이 적용된 운동 기구를 활용하여 과학적인 심폐능력 평가 및 운동처방을 위한 근거를 제공하는 데 유용한 방법을 획득함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법은 환자에게 장착된 적어도 하나 이상의 센서로부터 환자의 혈중 산소량(SpO₂)과 심박수(Heart rate; HR)를 측정하고, 상기 측정된 혈중 산소량 및 심박수에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하고, 상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 환자가 운동 중인 운동 기구의 부하 장치를 제어하는 것을 포함하고, 상기 맞춤 운동 부하는, 부하 함수 f(x)에 기초하여, alpha*f(SpO₂)/f(HR)에 의해 산출된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템은, 환자에게 장착되어, 환자의 혈중 산소량과 심박수를 측정하는 적어도 하나 이상의 센서, 상기 측정된 혈중 산소량 및 심박수에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하는 맞춤 운동 부하 산출부, 상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 환자가 운동 중인 운동 기구의 부하 장치를 제어하는 운동 부하 제어부를 포함하고, 상기 맞춤 운동 부하는, 부하 함수 f(x)에 기초하여, alpha*f(SpO₂)/f(HR)에 의해 산출된다.

본 발명에 따른 운동 부하 제어 방법 및 시스템은 환자가 운동하는 동안 측정되는 혈중 산소량과 심박수 등의 운동 지표를 통해 운동 부하를 제어함으로써, 심폐기능이 저하된 환자에도 적합한 운동 프로그램을 설정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 운동 부하 제어 방법 및 시스템이 적용된 운동 기구를 활용하여 과학적인 심폐능력 평가 및 운동처방을 위한 근거를 제공하는 데 유용한 방법을 획득할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 도 1의 운동 부하 제어 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템을 설명하기 위한 예시도이다. 도 2는 도 1의 운동 부하 제어 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템은 하나 이상의 센서(100) 및 운동 기구(200)를 포함한다.

상기 하나 이상의 센서(100)는 환자에게 장착되어, 환자의 심폐 능력과 관련된 복수의 지표를 측정하고, 측정된 지표를 상기 운동 기구(200)와 통신하여 전송하도록 구성된다. 상기 복수의 지표에는 혈중 산소량(혈중 산소농도)(SpO₂) 및 심박수(Heart rate; HR)이 포함된다.

여기서 혈중 산소량(혈중 산소농도)은 혈액 내에 산소와 결합하여 산소를 포함한 헤모글로빈(HbO₂)의 용량이 산소와 결합할 수 있는 모든 헤모글로빈(HB) 용량에 대한 백분율을 나타내며, 이러한 혈액 중 혈중 산소량은 현재 맥박식 혈중산소농도 측정 원리를 이용하여 측정하는 것이 보편화되어 있고, 그 중 빛 분산 광도를 이용한 측정법과 혈액용적을 이용한 측정법이 주를 이루고 있다.

또한 심박수는, 파형과 같이 일정 시간 유사하게 반복적으로 측정되는 생체신호로서, 주기에 관하여 일반적으로 정상이라고 판단할 수 있는 기준, 예컨대 30bpm ~ 180bpm과 같은 보편 기준이 있으며, 몸의 맥박이 뛰는 부위에서 측정가능하다.

한편, 상기 하나 이상의 센서(100)는 각각의 지표를 측정하기 위한 복수의 센서로 구성될 수 있으며, 또는 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 서로 다른 파장의 빛을 손끝에 대어서 혈액의 산소 포화도를 측정하도록 구성된 맥박 산소측정기와 같이 혈중 산소량(혈중 산소농도)과 심박수인 복수의 지표를 동시에 측정가능한 단일의 센서로 구성될 수 있다.

상기 하나 이상의 센서(100)에서 측정된 지표의 지표값들은 실시간으로 통신부(150)를 통해 운동 기구(200)로 전송되도록 구성된다. 또는 이와 달리, 측정된 지표값에 있어서, 미리 정해진 기준치보다 큰 변화값이 감지되는 경우에만 해당 지표값을 상기 운동 기구(200)로 전송하도록 구성될 수도 있다.

상기 통신부(150)는 네트워크를 이용하여, 상기 하나 이상의 센서(100)와 운동 기구(200) 간을 연결하도록 구성되며, 여기서, 네트워크는 근거리 통신망(Local Area Network; LAN), 광역 통신망(Wide Area Network; WAN) 또는 부가가치 통신망(Value Added Network; VAN) 등과 같은 유선 네트워크나 3G, WIFI, LTE 등의 이동 통신망(mobile radio comminication network) 또는 위성 통신망 등과 같은 모든 종류의 무선 네트워크로 구현될 수 있다.

상기 운동 기구(200)는 자전거, Arm ergometer, Recumbent Stepper, Rowing machine 등과 같이 심폐기능을 향상시키는 기구로서, 상기 하나 이상의 센서(100)로부터 전달된 지표값를 수신하고, 상기 지표값을 이용하여 환자의 심폐 능력에 적합한 맞춤 운동 부하를 산출하고, 상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 운동 부하를 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 상기 운동 기구(200)는, 수신부(210), 맞춤 운동 부하 산출부(230) 및 운동 부하 제어부(250)를 포함한다.

상기 수신부(210)는 상기 통신부(150)를 통해 전송된 지표값을 수신하도록 구성된다.

상기 맞춤 운동 부하 산출부(230)는 수신된 상기 지표값에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하도록 구성된다. 구체적으로, 상기 맞춤 운동 부하 산출부(230)는 상기 지표값인 혈중 산소량(혈중 산소농도) 및 심박수에 기초하여, 각 지표에 대한 부하 함수 f(x)에 기초하여 f(SpO₂) 및 f(HR)를 산출하고, 산출된 저항 함수들을 통한 하기의 관계식(식 1)을 이용하여, 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하도록 구성된다.

[식 1]

맞춤 운동 부하 = alpha*f(SpO₂)/f(HR)

즉, 상기 맞춤 운동 부하는 운동 중인 환자의 심폐 능력, 구체적으로, 혈중 산소량 및 심박수에 따라 실시간으로 변화하도록 구성된다. 이에 따라, 운동 중에 환자의 심폐 상태를 고려하여, 부하 운동 프로그램을 설정할 수 있다.

상기 운동 부하 제어부(250)는 상기 맞춤 운동 부하 산출부(230)에서 산출된 상기 맞춤 운동 부하에 기초하여, 상기 운동 기구(200)의 부하 장치(미도시)를 제어하도록 구성된다. 상기 운동 부하 제어부(250)는 제어신호를 생성하여, 부하 장치(미도시)를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 운동 부하 제어부(250)는, 상기 맞춤 운동 부하 산출부(230)에서 산출된 맞춤 운동 부하와 현재 환자가 운동하고 있는 부하가 일치하지 않는 경우에는 제어신호를 생성하여 상기 부하 장치(미도시)를 제어하고, 상기 맞춤 운동 부하와 현재 환자가 운동하고 있는 부하가 일치하는 경우에는, 제어신호를 생성하지 않고, 현재의 부하를 유지하도록 구성될 수 있다.

상기 부하 장치(미도시)는 전기적 신호, 예를 들어 멤돌이 전류(eddy current)의 양에 따라 부하를 조절할 수 있는 장치일 수 있으며, 상기 운동 부하 제어부(250)의 제어 신호에 따라 멤돌이 전류의 양이 제어될 수 있다.

이에 따라, 본 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템은 환자가 운동하는 동안 측정되는 혈중 산소량과 심박수 등의 운동 지표를 통해 운동 부하를 제어함으로써, 심폐기능이 저하된 환자에도 적합한 운동 프로그램을 설정할 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템은 하나의 이상의 센서(100)와 운동 기구(200)가 네트워크를 통해 통신하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 하나의 이상의 센서(100) 및 운동 기구(200)는 유선을 통해 연결되거나, 또는 내부 버스를 통해 연결되는 하나의 장치로 구성될 수도 있다. 또한, 별도의 서버를 더 포함하여, 서버가 중개하여 이들을 연결할 수도 있다. 이 경우, 상기 맞춤 운동 부하 산출부(230) 및 상기 운동 부하 제어부(250)의 기능의 전부 또는 일부가 상기 서버에서 수행될 수도 있다.

또한, 본 실시예에 따른 운동 부하 제어 시스템에 있어서, 상기 맞춤 운동 부하는 혈중 산소량(혈중 산소농도) 및 심박수에 기초하여, 산출되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 다른 지표 예를 들어, VO₂max, VCO₂ 등 다양한 지표가 더 추가로 이용될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법의 구체적인 설명에 있어서, 앞서 설명한 운동 부하 제어 시스템과 중복된 내용은 생략하도록 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법은 환자에게 장착된 적어도 하나 이상의 센서로부터 환자의 혈중 산소량(SpO₂)과 심박수(Heart rate; HR)를 측정하는 단계(S100), 상기 측정된 혈중 산소량 및 심박수에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하는 단계(S200), 및 상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 환자가 운동 중인 운동 기구의 부하 장치를 제어하는 단계(S300)를 포함한다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법은 환자가 운동하는 동안 측정되는 혈중 산소량과 심박수 등의 운동 지표를 통해 운동 부하를 제어함으로써, 심폐기능이 저하된 환자에도 적합한 운동 프로그램을 설정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 부하 제어 방법이 적용된 운동 기구를 활용하여 과학적인 심폐능력 평가 및 운동처방을 위한 근거를 제공하는 데 유용한 방법을 획득할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 하나 이상의 센서
150: 통신부
200: 운동 기구
210: 수신부
230: 맞춤 운동 부하 산출부
250: 운동 부하 제어부

Claims

환자의 심폐 기능에 기초한 운동 부하 제어 방법으로서,
환자에게 장착된 적어도 하나 이상의 센서로부터 환자의 혈중 산소량(SpO₂)과 심박수(Heart rate; HR)를 측정하는 단계;
상기 측정된 혈중 산소량 및 심박수에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하는 단계;
상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 환자가 운동 중인 운동 기구의 부하 장치를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 맞춤 운동 부하는, 부하 함수 f(x)에 기초하여, alpha*f(SpO₂)/f(HR)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 운동 부하 제어 방법.
환자의 심폐 기능에 기초한 운동 부하 제어 시스템으로서,
환자에게 장착되어, 환자의 혈중 산소량과 심박수를 측정하는 적어도 하나 이상의 센서,
상기 측정된 혈중 산소량 및 심박수에 기초하여 환자의 맞춤 운동 부하를 산출하는 맞춤 운동 부하 산출부, 및
상기 맞춤 운동 부하에 기초하여 환자가 운동 중인 운동 기구의 부하 장치를 제어하는 운동 부하 제어부를 포함하고,
상기 맞춤 운동 부하는, 부하 함수 f(x)에 기초하여, alpha*f(SpO₂)/f(HR)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 운동 부하 제어 시스템.