KR20220159551A - 운동 상태 및 뇌파 분석을 통한 재활 상태 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일예와 관련된 재활 시스템은, 사용자의 동작 정보를 측정하는 제 1 측정부; 상기 동작 정보를 기반으로 상기 사용자의 운동 능력 정보 검출하는 제 1 검출부; 상기 사용자의 생체신호 정보를 측정하는 제 2 측정부; 상기 생체신호 정보를 기반으로 상기 사용자의 뇌파 정보를 검출하는 제 2 검출부; 및 상기 검출된 운동 능력 정보와 상기 뇌파 정보를 함께 이용하여 상기 사용자의 재활 상태를 판단하는 제어부;를 포함하고, 상기 제 1 검출부는, 상기 동작 정보를 기반으로, 상기 사용자의 보행 파라미터를 검출하는 보행 파라미터 검출부; 및 상기 검출된 보행 파라미터를 기반으로, 상기 사용자의 운동 능력 정보를 검출하는 운동 능력 검출부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 검출된 운동 능력 정보에 따른 상기 사용자의 운동 상태와 상기 뇌파 정보에 따른 상기 사용자의 뇌파 활성 상태가 미리 지정된 기준에 따라 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 상기 재활 상태를 판단할 수 있다.
Description
본 발명은 운동 상태 및 뇌파 분석을 통한 재활 상태 모니터링 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 검출된 운동 능력 정보에 따른 사용자의 운동 상태와 뇌파 정보에 따른 사용자의 뇌파 활성 상태가 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 시스템에 관한 것이다.
중풍, 뇌성마비, 척추마비, 다발성 경화증 등의 신경학적 질환이 있는 환자나 인대 및 연골 파열 등의 근골격계 부상 환자의 경우 회전 방향의 움직임에 문제가 있는 경우가 많다.
그러나, 대부분의 운동 기구나 재활 기기의 경우 걷는 방향의 보행에만 초점을 맞추고 있기 때문에, 회전 방향의 움직임에 문제가 있는 환자의 경우 효과적으로 재활 훈련을 받기 위한 재활 장치가 없는 실정이다.
예를 들어, 종래의 하지 재활 기기는 구동부에서 생성된 구동력이 구동부와 연결된 트레드밀에 전달되어, 트레드밀이 구동되고, 트레드밀 위에서 재활 훈련자가 보행을 하는 경우, 재활 훈련자의 보행이 정상의 보행으로 이루어지고 있는지를 평가하기 위해 재활 훈련자의 양측에 카메라를 설치하여, 재활 훈련자의 보행을 실시간으로 포착하고 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 이러한 종래의 하지 재활 기기는 재활 훈련자의 걷는 방향, 즉, 하지 재활 기기의 전후 방향으로만 운동을 유도할 수 있기 때문에, 보행의 회전 방향, 즉, 하지 재활 기기의 좌우 방향의 움직임(internal/external rotation) 에 문제가 있는 재활 훈련자에게는 효과적으로 재활 훈련을 제공할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래의 하지 재활 기기를 포함하여 많은 재활 훈련기기가 하드웨어 개발에 초점이 맞추어져 있기 때문에 환자의 현재 증상 및 운동 능력에 의거하여 편리하게 재활 장치가 제어되고 환자에게 필요한 재활 훈련을 효과적으로 제공하는 방법론이 없는 실정이다.
특히, 인간의 감각은 운동 능력과 밀접하게 관련이 있으며, 자기수용 감각, 전정 감각, 및 시각을 포함한다. 효과적인 운동 제어를 위해서는 우리 몸의 안, 밖과 관련된 정확한 감각 정보가 중요하다. 감각 정보는 자기수용 감각, 시각, 그리고 전정 감각의 정보가 통합되어 뇌에 전달되고, 뇌에서 원하는 움직임을 생성하기 위해 신경 신호를 근육으로 보내게 된다.
중풍, 뇌성마비, 척추마비, 다발성 경화증 등의 신경학적 질환이 있는 환자의 경우 전정 감각 및 자기 수용 감각이 둔화되어 운동장애를 더 심화시키는 경우가 있으므로, 어떤 감각과 운동 능력에 문제가 있는지 평가하고, 그에 맞는 재활 훈련을 제공하는 시스템이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 검출된 운동 능력 정보에 따른 사용자의 운동 상태와 뇌파 정보에 따른 사용자의 뇌파 활성 상태가 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 모니터링 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
구체적으로 본 발명은 동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 상기 재활 상태를 판단하는 재활 상태 모니터링 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 상기 상호 매칭 여부를 판단하는 재활 상태 모니터링 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 판단된 재활 상태를 기반으로 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측하고, 예측된 회복 정도를 기반으로 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 재활 시스템은, 사용자의 동작 정보를 측정하는 제 1 측정부; 상기 동작 정보를 기반으로 상기 사용자의 운동 능력 정보 검출하는 제 1 검출부; 상기 사용자의 생체신호 정보를 측정하는 제 2 측정부; 상기 생체신호 정보를 기반으로 상기 사용자의 뇌파 정보를 검출하는 제 2 검출부; 및 상기 검출된 운동 능력 정보와 상기 뇌파 정보를 함께 이용하여 상기 사용자의 재활 상태를 판단하는 제어부;를 포함하고, 상기 제 1 검출부는, 상기 동작 정보를 기반으로, 상기 사용자의 보행 파라미터를 검출하는 보행 파라미터 검출부; 및 상기 검출된 보행 파라미터를 기반으로, 상기 사용자의 운동 능력 정보를 검출하는 운동 능력 검출부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 검출된 운동 능력 정보에 따른 상기 사용자의 운동 상태와 상기 뇌파 정보에 따른 상기 사용자의 뇌파 활성 상태가 미리 지정된 기준에 따라 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 상기 재활 상태를 판단할 수 있다.
또한, 상기 사용자는, 스탑 앤 고(Stop and go), TUG(Timed up and go) 및 동작 상상(motor-imagery) 중 적어도 하나를 수행하고, 상기 제 1 측정부는 상기 사용자의 수행에 따른 동작 정보를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제 1 측정부는, 가속도 측정부, 각속도 측정부 및 지자기 측정부 중 적어도 하나를 이용하는 IMU(Inertial measurement unit) 센서를 포함하고, 상기 제 2 측정부는, EEG(Electroencephalogram) 센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보행 파라미터는, 분속수, 입각기와 유각기의 비율 및 무릎 관절 각도 범위 파라미터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 운동 능력 정보는, 보행 대칭(Gait symmetry) 정보, 보행 복잡도(Gait complexity) 정보 및 보행 안정성(Gait stability) 정보를 포함하고, 상기 IMU 센서는, 상기 사용자의 무릎 관절을 기준으로 상하에 쌍으로 배치되며, 상기 보행 파라미터 검출부는, 상기 사용자의 신체 좌측 관련 보행 파라미터와 우측 관련 보행 파리미터를 구분하여 검출할 수 있다.
또한, 상기 EEG 센서가 측정하는 생체신호 정보는, 뇌파, 심전도, 근전도, 심박수, 혈압, 체온 및 피부 전도도 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 상기 재활 상태를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 상기 상호 매칭 여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 판단된 재활 상태를 기반으로 상기 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측하고, 상기 예측된 회복 정도를 기반으로 상기 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성할 수 있다.
본 발명은 검출된 운동 능력 정보에 따른 사용자의 운동 상태와 뇌파 정보에 따른 사용자의 뇌파 활성 상태가 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 모니터링 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 상기 재활 상태를 판단하는 재활 상태 모니터링 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 상기 상호 매칭 여부를 판단하는 재활 상태 모니터링 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 판단된 재활 상태를 기반으로 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측하고, 예측된 회복 정도를 기반으로 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도로서, 재활 훈련자가 기립된 상태로 재활 훈련하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 개략적으로 나타낸 측면도로서, 재활 훈련자가 착석된 상태로 재활 훈련하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 이용하여, 하지 재활 훈련의 프로세스를 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 생체신호 및 동작 정보 분석의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 재활 상태 모니터링 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 뇌졸중 환자 재활 상태 모니터링 과정의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 동작 관련 데이터 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, 생체신호 관련 데이터 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명과 관련하여, 재활 상태를 모니터링 하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10은 본 발명과 관련하여, 동작 정보를 기반으로 운동 능력 정보를 검출하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11은 본 발명과 관련하여, 운동 능력 정보와 뇌파 정보를 함께 이용하여 사용자의 재활 상태를 판단하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도로서, 재활 훈련자가 기립된 상태로 재활 훈련하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 개략적으로 나타낸 측면도로서, 재활 훈련자가 착석된 상태로 재활 훈련하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 이용하여, 하지 재활 훈련의 프로세스를 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 생체신호 및 동작 정보 분석의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 재활 상태 모니터링 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 뇌졸중 환자 재활 상태 모니터링 과정의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 동작 관련 데이터 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, 생체신호 관련 데이터 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명과 관련하여, 재활 상태를 모니터링 하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10은 본 발명과 관련하여, 동작 정보를 기반으로 운동 능력 정보를 검출하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11은 본 발명과 관련하여, 운동 능력 정보와 뇌파 정보를 함께 이용하여 사용자의 재활 상태를 판단하는 방법을 설명하는 순서도이다.
하지 재활 시스템
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 하지 재활 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도로서, 재활 훈련자가 기립된 상태로 재활 훈련하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
또한, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 개략적으로 나타낸 측면도로서, 재활 훈련자가 착석된 상태로 재활 훈련하는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템(1)은 아래에서 상세하게 기술할 하지 재활 장치(10)뿐만 아니라, 재활 훈련자가 착석할 수 있는 좌석부(40), 재활 훈련자 상체의 생체 신호 측정센서(51), 재활 훈련자의 시각 피드백 장치(60)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 좌석부(40)는 재활 훈련자의 체중이 지지되는 상황을 가정할 수 있도록 바퀴부(42)가 제공될 수 있으며, 좌석부(40)의 높이는 재활 훈련자의 신체 조건 또는 제공하고자 하는 상황에 따라 변경될 수 있으며, 좌우 방향으로 회전이 가능하다. 또한, 좌석부(40)에는 좌석 센서(41)가 함께 결합되어 있어, 좌석부(40)의 회전에 따른 재활 훈련자의 전정 감각(vestibular sense) 능력을 측정하여 평가부(70)에 전달될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 생체 신호 측정 센서(51)는, 재활 훈련자의 상체를 지지하는 지지부(50)에 부착하거나, 재활 훈련자의 상체에 직접 부착할 수 있으며, 생체 신호 측정 센서(51)는 재활 훈련자의 생체신호를 측정하여 측정된 신호를 마찬가지로 평가부(70)에 전달할 수 있다.
한편, 지지부(50)에는 전기적 안전 스위치(52)가 마련되어 있어, 재활 훈련자가 위급한 상황시 전체 재활 시스템(1)을 정지시킬 수 있는 안전 장치로서의 역할을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 시각 피드백 장치(60)는 안경의 형태로서 재활 훈련자가 착용 가능하고, 시각 피드백 장치(60)의 전방에 위치하는 이미지 출력 장치(61)와 연동할 수 있다. 예를 들어, 전방의 이미지 출력 장치(61)에서 출력되는 이미지를 재활 훈련자가 인식하고, 이에 따라 재활 훈련자의 시각 반응 능력을 측정할 수 있으며, 측정된 신호는 마찬가지로 평가부(70)에 전달될 수 있다.
한편, 전술한 좌석부(40)의 좌석 센서(41)는 시각 피드백 장치(60)의 시각 반응 능력을 함께 고려하여, 재활 훈련자의 전정감각 능력을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 하지 재활 시스템을 이용하여, 하지 재활 훈련의 프로세스를 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 재활 시스템(1)에 재활 훈련자 코드를 입력하여, 재활 훈련자의 회전 방향의 가동 범위와 토크 제한값(limit)을 설정한다.
먼저, 재활 훈련자의 감각 및 운동 능력 등을 평가할 필요가 있는 경우에는, 감각 운동 평가 모듈을 작동시켜서, 재활 훈련자의 자기 수용 감각, 전정 감각, 시각 반응 및 신경근 제어 능력을 우선 측정하도록 한다.
구체적으로, 하지 재활 장치(10)의 발판(21)을 초당 2°보다 느린 속도로 방향, 속도, 및 움직임이 무작위(pseudorandom)하게 제어되어 재활 훈련자가 언제, 어느 방향(안쪽 또는 바깥쪽)으로 움직이는지 예측하지 못하도록 한다.
재활 훈련자가 생체 신호 측정 센서(51)의 움직임과 방향을 통해 인지한 방향이 자동으로 기록되고, 하지 재활 장치(10)의 발판(21)이 움직이기 시작한 시점부터 생체 신호 측정 센서(51)가 작동한 시간 및 발판(21)의 회전 움직임의 각도가 장치에 전자 신호로 기록된 뒤, 자기 수용 감각 평가의 성공률과 함께 계산되어 평가부(70)에 기록되게 된다.
또한, 전정 감각의 기능은 재활 시스템(1)의 좌석부(40)가 왼쪽, 또는 오른쪽 방향으로 움직일 때, 시각 피드백 장치(60)에 부착되어 있는 센서를 이용하여, 안구 근전도(Electronystagmogram, ENG)를 측정할 수 있다.
또한, 시각 반응 능력은 시각 피드백 장치(60)와 이미지 출력 장치(61)를 통해 측정하며, 이미지 출력 장치(61)에서 출력된 이미지가 회전방향 안쪽, 회전 방향 바깥쪽으로 움직이게 되며, 발판(21)을 이미지가 움직이는 방향으로 재활 훈련자가 움직임으로써 회전 방향의 반응속도 및 각도를 측정하여 정량화하게 된다.
또한, 하지 재활 장치(10)를 통해서 발판(21)에 다양한 가상 강성도, 주파수 및 파형을 제공함으로써 신경근 제어 능력을 평가하게 된다. 신경근 제어 능력은 회전 방향의 발판(21)을 재활 훈련자가 얼마나 효과적으로 제어하는지를 평가하여 결정하게 되는데, 각 테스크마다 실시간으로 생체 신호 측정 센서(51)에 연결된 뇌파(Electroencephalogram, EEG), 하지 근전도(Electromyogram, EMG), 발판(21) 하측의 6축 힘/토크 센서(22)와 모터부(31)를 이용하여 신경근 성능을 측정하게 된다. 또한, 하지 관절의 움직임과 힘/토크도 함께 측정될 수 있다.
또한, 평가부(70)를 통해 기록되고 저장된 재활 훈련자의 감각 운동 평가값과 이전의 데이터 베이스를 이용하여 학습 알고리즘(learning algorithm)을 적용하고, 회전 방향 재활 훈련 테스크의 포커스(자기수용감각, 전정 감각, 시각 반응 능력, 운동 제어, 근력, 움직임 등), 강도(intensity), 빈도(frequency), 1회 및 전체의 기간(duration) 등을 고려한 맞춤형 재활 훈련 프로그램을 제어부(80)를 통해 생성할 수 있다.
또한, 맞춤형 재활 훈련 프로그램에 의거하여 가상 현실(가상 강성도, 주파수, 파형, 시각, 청각 등 포함) 기반 회전 훈련을 하며, EEG, EMG, ENG 또는 재활 장치(10)에서 측정될 수 있는 회전 각도나 토크의 운동 능력과 관련된 생체 신호등의 하나 이상을 측정함으로써, 실시간으로 생체 전자 신호를 시각화 시켜 시각 피드백용 장치(60)에 나타내는 생체 신호를 이용하여, 재활 훈련자의 재활 훈련을 수행할 수 있다.
이러한 재활 훈련 프로그램을 통해, 재활 훈련의 난이도, 재활 훈련 테스크의 횟수 및 기간 등이 정해질 수 있으며, 제어부(80)는 CPU 또는 RAM과 같이 신호를 처리할 수 있는 컴퓨터 장치가 될 수 있다.
운동 상태와 뇌파 활성 상태가 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 시스템
도 4는 본 발명과 관련하여, 생체신호 및 동작 정보 분석의 일례를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명과 관련하여, 재활 상태 모니터링 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 재활 상태 모니터링 시스템(100)은, 사용자의 동작 정보를 측정하는 제 1 측정부(111), 동작 정보를 기반으로 상기 사용자의 운동 능력 정보 검출하는 제 1 검출부, 사용자의 생체신호 정보를 측정하는 제 2 측정부(115), 생체신호 정보를 기반으로 상기 사용자의 뇌파 정보를 검출하는 제 2 검출부(130)와 검출된 운동 능력 정보와 상기 뇌파 정보를 함께 이용하여 상기 사용자의 재활 상태를 판단하는 제어부(150)를 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 검출부는, 동작 정보를 기반으로, 상기 사용자의 보행 파라미터를 검출하는 보행 파라미터 검출부(120)와 검출된 보행 파라미터를 기반으로, 상기 사용자의 운동 능력 정보를 검출하는 운동 능력 검출부(140)를 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 제어부(150)는, 검출된 운동 능력 정보에 따른 상기 사용자의 운동 상태와 상기 뇌파 정보에 따른 상기 사용자의 뇌파 활성 상태가 미리 지정된 기준에 따라 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 상기 재활 상태를 판단할 수 있다.
먼저, 동작정보 측정부(111)는, 자이로스코프(112), 가속도 측정부(113), 지자기 측정부(114) 등을 포함할 수 있다.
또한, 생체 신호 측정부는, EEG 측정부(115)를 포함할 수 있다.
또한, 보행 파라미터 검출부(120)는 분속수 검출부(121), 입각기/유각기 비율 검출부(122), 무릎 관절 각도 범위 검출부(123) 등을 포함할 수 있다.
또한, 운동 능력 검출부(140)는, Gait symmetry 검출부(141), Gait complexity 검출부(142), Gait stability 검출부(143) 등을 포함할 수 있다.
또한, 보행 관련 뇌파 분석부(130)는, 하지 좌우 분절의 동작시 뇌파를 비교하는 비교부(131)를 포함할 수 있다.
전술한 것과 같이, 제어부(150)는 실제 운동 상태와 뇌파 활성이 제대로 매칭되고 있는지 여부에 따라 재활 상태를 파악할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 뇌졸중 환자 재활 상태 모니터링 과정의 일례를 도시한 것이다.
도 6에서 도시된 것과 같이, 본 발명이 제안하는 시스템은, IMU와 EEG 측정장비를 이용하여 신체 활동 중 발생하는 뇌 활성과 동작 수행 능력 차이를 이용하여 재활의 정도를 파악하는 시스템이다.
여기서 IMU(Inertial measurement unit)는 관성측정장치이고, EEG(Electroencephalogram)는 뇌전도를 의미한다.
도 6을 참조하면, 사용자는, 스탑 앤 고(Stop and go), TUG(Timed up and go) 및 동작 상상(motor-imagery) 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
이때, 제 1 측정부(111)는 사용자의 수행에 따른 동작 정보를 측정할 수 있다.
또한, 제 1 측정부(111)는, 각속도 측정부(112), 가속도 측정부(113) 및 지자기 측정부(114) 중 적어도 하나를 이용하는 IMU(Inertial measurement unit) 센서를 포함하고, 제 2 측정부(115)는, EEG(Electroencephalogram) 센서(115)를 포함할 수 있다.
여기서, 보행 파라미터는, 분속수, 입각기와 유각기의 비율 및 무릎 관절 각도 범위 파라미터를 포함할 수 있다.
또한, 운동 능력 정보는, 보행 대칭(Gait symmetry) 정보, 보행 복잡도(Gait complexity) 정보 및 보행 안정성(Gait stability) 정보를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 IMU 센서는, 사용자의 무릎 관절을 기준으로 상하에 쌍으로 배치되고, 보행 파라미터 검출부(120)는, 상기 사용자의 신체 좌측 관련 보행 파라미터와 우측 관련 보행 파리미터를 구분하여 검출할 수도 있다.
또한, 상기 생체신호 측정부(115)가 측정하는 생체신호 정보는, 뇌파, 심전도, 근전도, 심박수, 혈압, 체온 및 피부 전도도 정보를 추가적으로 포함할 수 있다.
최종적으로 제어부(150)는, 판단된 재활 상태를 기반으로 상기 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측하고, 예측된 회복 정도를 기반으로 상기 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성할 수 있다.
즉, 본 명세서에서 제안하는 발명은, IMU와 EEG 측정장비를 이용하여 신체 활동 중 발생하는 뇌 활성과 동작 수행 능력 차이를 이용하여 재활의 정도를 파악하는 시스템이다.
본 발명이 제안하는 기술적 특징 1로서, IMU 기반 운동능력 평가와 EEG 기반 신경가소성 (뇌가소성) 평가를 통해 재활에 따른 운동기능향상과 뇌기능 변화의 정량적 비교 분석이 가능하다는 점이 있다.
또한, 본 발명이 제안하는 기술적 특징 2로서, 동작 상상(motor imagery)이 운동 실행과 유사한 뇌 구조와 계산 단계를 사용한다.
이를 기반으로, 마비로 인해서 신체 움직임이나 근육 활성의 소실되었을 경우에도 신경 가소성을 재활 치료에 적용이 가능할 수 있다.
또한, 뇌 기능적인 분석을 통한 객관적인 재활 정도 파악이 가능하다.
또한, 상지/하지의 기능이 퇴화 되면 뇌신경 활성 빈도가 저하되어 회복에 영향을 미친다는 것을 이용하여, 뇌파와 신체 활동간의 상관관계를 통한 뇌신경 활성화 유도가 가능하다.
또한, 본 발명의 기술적 특징 3 관련, IMU기반 운동능력 평가만으로도 신경가소성의 회복 정도 예측 및 개인별 맞춤 재활 프로토콜 제안이 가능하다.
동작 관련 데이터 측정
도 7은 본 발명과 관련하여, 동작 관련 데이터 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, IMU 센서는 자이로(112), 가속도(113), 지자계 센서(114)를 포함하고, 무릎 관절 기준으로 상하 위치에(대퇴골, 경골) 한 개씩 부착될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 것과 같이, 뇌졸중 환자의 신체 좌/우(환측/건측) 보행 특징 비교 분석이 수행될 수 있다.
생체신호 관련 데이터 측정
도 8은 본 발명과 관련하여, 생체신호 관련 데이터 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 제어부(150)는, 동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 상기 재활 상태를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부(150)는, 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 상기 상호 매칭 여부를 판단할 수 있다.
도 8에서는, 뇌파를 포함한 생체신호를 EEG 전극(115)을 사용하여 측정할 수 잇다.
또한, 보행 등의 신체 활동과 동작 상상(motor imagery) 중의 뇌파 차이를 비교할 수 있다.
또한, 신체 활동에는 걷기, stop and go, Timed up and go (TUG) 등이 포함될 수 있다.
또한, 생체신호에 심전도, 근전도, 심박수, 혈압, 체온, 피부 전도도 등이 포함될 수 있다.
운동 상태와 뇌파 활성 상태가 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 방법
도 9는 본 발명과 관련하여, 재활 상태를 모니터링 하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 먼저, 제 1 측정부(111)가 사용자의 동작 정보를 측정하는 단계(S1)가 수행되고, 제 1 검출부가 동작 정보를 기반으로 사용자의퇴 운동 능력 정보 검출하는 단계(S2)가 진행된다.
이후, 제 2 측정부(115)가 사용자의 생체신호 정보를 측정(S3)하고, 제 2 검출부(130)가 생체신호 정보를 기반으로 사용자의 뇌파 정보를 검출한다(S4).
또한, 제어부(150)가 검출된 운동 능력 정보와 상기 뇌파 정보를 함께 이용하여 상기 사용자의 재활 상태를 판단한다(S5).
이후, 제어부(150)가 판단된 재활 상태를 기반으로 상기 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측(S6)하고, 제어부(150)가 예측된 회복 정도를 기반으로 상기 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성하는 단계(S7)가 진행된다.
도 10은 S2 단계와 관련하여, 동작 정보를 기반으로 운동 능력 정보를 검출하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10을 참조하면, S2 단계는, 보행 파라미터 검출부(120)가 동작 정보를 기반으로, 사용자의 보행 파라미터를 검출하는 단계(S21) 및 운동 능력 검출부(140)가 검출된 보행 파라미터를 기반으로, 상기 사용자의 운동 능력 정보를 검출하는 단계(S22)로 구성될 수 있다.
또한, 도 11은 S5 단계와 관련하여, 운동 능력 정보와 뇌파 정보를 함께 이용하여 사용자의 재활 상태를 판단하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11을 참조하면, S5 단계는, 제어부(150)가 검출된 운동 능력 정보에 따른 사용자의 운동 상태와 뇌파 정보에 따른 사용자의 뇌파 활성 상태가 미리 지정된 기준에 따라 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 단계(S51)를 포함한다.
S51 단계 이후에는, 제어부(150)가 동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 재활 상태를 판단하는 단계(S52)를 수행한다.
또한, 제어부(150)가 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 재활 상태를 판단하는 단계(S53)가 진행된다.
본 발명에 따른 효과
본 발명은 검출된 운동 능력 정보에 따른 사용자의 운동 상태와 뇌파 정보에 따른 사용자의 뇌파 활성 상태가 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 재활 상태를 판단하는 모니터링 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 상기 재활 상태를 판단하는 재활 상태 모니터링 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 상기 상호 매칭 여부를 판단하는 재활 상태 모니터링 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 판단된 재활 상태를 기반으로 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측하고, 예측된 회복 정도를 기반으로 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시례들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시례들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시례들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (9)
- 사용자의 동작 정보를 측정하는 제 1 측정부;
상기 동작 정보를 기반으로 상기 사용자의 운동 능력 정보 검출하는 제 1 검출부;
상기 사용자의 생체신호 정보를 측정하는 제 2 측정부;
상기 생체신호 정보를 기반으로 상기 사용자의 뇌파 정보를 검출하는 제 2 검출부; 및
상기 검출된 운동 능력 정보와 상기 뇌파 정보를 함께 이용하여 상기 사용자의 재활 상태를 판단하는 제어부;를 포함하고,
상기 제 1 검출부는,
상기 동작 정보를 기반으로, 상기 사용자의 보행 파라미터를 검출하는 보행 파라미터 검출부; 및
상기 검출된 보행 파라미터를 기반으로, 상기 사용자의 운동 능력 정보를 검출하는 운동 능력 검출부;를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 검출된 운동 능력 정보에 따른 상기 사용자의 운동 상태와 상기 뇌파 정보에 따른 상기 사용자의 뇌파 활성 상태가 미리 지정된 기준에 따라 상호 매칭되는지 여부를 기준으로, 상기 재활 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 사용자는,
스탑 앤 고(Stop and go), TUG(Timed up and go) 및 동작 상상(motor-imagery) 중 적어도 하나를 수행하고,
상기 제 1 측정부는 상기 사용자의 수행에 따른 동작 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 제 1 측정부는, 가속도 측정부, 각속도 측정부 및 지자기 측정부 중 적어도 하나를 이용하는 IMU(Inertial measurement unit) 센서를 포함하고,
상기 제 2 측정부는, EEG(Electroencephalogram) 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 보행 파라미터는,
분속수, 입각기와 유각기의 비율 및 무릎 관절 각도 범위 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 4항에 있어서
상기 운동 능력 정보는,
보행 대칭(Gait symmetry) 정보, 보행 복잡도(Gait complexity) 정보 및 보행 안정성(Gait stability) 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는
상기 IMU 센서는, 상기 사용자의 무릎 관절을 기준으로 상하에 쌍으로 배치되고,
상기 보행 파라미터 검출부는, 상기 사용자의 신체 좌측 관련 보행 파라미터와 우측 관련 보행 파리미터를 구분하여 검출하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 5항에 있어서
상기 EEG 센서가 측정하는 생체신호 정보는,
뇌파, 심전도, 근전도, 심박수, 혈압, 체온 및 피부 전도도 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 6항에 있어서
상기 제어부는,
동작 상상(motor imagery)에 따른 상기 사용자의 뇌파 변화를 추가적으로 이용하여 상기 재활 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 7항에 있어서
상기 제어부는,
상기 사용자의 실제 운동 상태에 따른 뇌파의 제 1 변화와 상기 동작 상상(motor imagery)에 따른 뇌파의 제 2 변화의 차이를 비교하여, 상기 상호 매칭 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
- 제 8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 판단된 재활 상태를 기반으로 상기 사용자의 신경 가소성의 회복 정도를 예측하고,
상기 예측된 회복 정도를 기반으로 상기 사용자 맞춤형 재활 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 재활 시스템.
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| KR102528506B1 (ko) | 2023-05-09 |
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