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문제 정의
- 본 연구에서는 가상현실 기술과 자전거를 이용한 자세균형 분석 및 훈련용 자전거 시뮬레이터 시스템을 개발하였다. 이를 위해서 로드셀을 사용하여 피험자의 본인의 체중이동 정보를 시각적 피드백 할 수 있도록 하였으며, 평균 중앙선 이탈도, 주행 시간, 좌우 무게이동 등을 이용하여 자세균형 훈련용 장치로서 유용성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 가상현실과 자전거를 이용하여 20대 피험자와 70대 고령자를 대상으로 평형감각훈련을 실시하여 자세균형 제어력의 평가와 재활 훈련의 효과를 정량적으로 평가하고자 하였다. 이에 통합 평형감각 분석시스템을 이용하여 가상 자전거 훈련이 자세균형에 미치는 영향을 분석하고 재활 훈련 장치로서 유용성을 검토하였다.
제안 방법
- NVF 모드, VFW 모드, VFC 모드에 따른 주행속도, 주행시간, 중앙선이탈도와 좌우 무게 이동을 비교 분석하였다. 실험에서 학습효과를 없애고 주행 횟수가 지남에 따라 나타나는 결과를 보기 위하여 시각적 피드백이 있는 경우와 없는 경우를 반복적으로 주행하였다.
- 1 을 이용하여 개발하였다. 각 데이터를 나타내고 각 파라미터들의 최대값, 최소값, 평균값을 산출해 낼 수 있도록 프로그램을 구성하여 평형 및 주행상태를 분석, 평가할 수 있도록 하였다.
- 개발된 가상 자전거 시뮬레이터가 자세균형 증진 훈련의 유용성을 알아보기 위하여 20대의 성인과 70대의 노인을 대상으로 시각적 피드백 제시에 따른 평형감각의 증진 여부를 알아보았다.
- 계즉센서부에서는 자전거 시뮬레이터 핸들의 움직임을 검출하기 위해 전위차계 변환기(potentio- metric resistive transducers)를 이용하여 핸들 각을즉정하였다. 주행속도는 자석과 홀센서(Hall sensor) 를 사용하여 자전거의 페달의 회전운동을 통해 결정된다.
- 각 주행모드를 2회씩 주행하며 같은 모드의 휴식시 간은 3분이다. 다른 주행 모드와는 휴식시간을 5 분으로 하여 1회 주행 실험 시 소요되는 시간은 약 45~60분으로 실험은 1~2일 간격으로 총 10회를 실시하였다.
- 7은 도로 전체를 한눈에 볼 수 있도록 위에서 내려다 본 것이며, 아래 두 개의 그림은 피험자가 주행 중 바라보는 화면이다. 도로의 좌, 우 양옆에는 인도와 잔디밭을 설치하였으며 나무, 숲, 장미 밭, 카페 등을 배치하였고, 구름은 애니메이션 기법을 적용하여 스스로 움직이도록 하였다. 도로 중앙에는 중앙선을 표시하여 피험자가 주행 시 참고하여 주행할 수 있도록 하였다.
- 실험방법은 페달을 사용하여 좌우 무게 이동과 무게중심 변화에 대한 시각적 피드백을 준 경우와 주지 않은 경우에 주행구간에서 자세균형의 제어 정도를 정량적으로 분석 비교하였다. 실험은 720m 의 가상도로를 주행하며 주행 훈련 전 피험자에게 실험의 개요 및 시스템에 관한 전반적인 사항을 인지하였고 주행 시 피험자에게 중앙선을 따라서 주행하도록 지시하였다.
- 분석하였다. 실험에서 학습효과를 없애고 주행 횟수가 지남에 따라 나타나는 결과를 보기 위하여 시각적 피드백이 있는 경우와 없는 경우를 반복적으로 주행하였다.
- 정량적으로 분석 비교하였다. 실험은 720m 의 가상도로를 주행하며 주행 훈련 전 피험자에게 실험의 개요 및 시스템에 관한 전반적인 사항을 인지하였고 주행 시 피험자에게 중앙선을 따라서 주행하도록 지시하였다.
- 이러한 단점을 보완하기 위하여 Song 등Le 가상현실기술과 자전거를 이용하여 평형감각 실조환자의 시각, 전정감각, 체성 감각을 정량적으로 진단하고 자극, 훈련시킬 수 있는 자전거 시뮬레이터를 개발하여 단조롭거나, 지루하지 않으며, 자세 제어에 대한 정량적인 분석이 가능한 시스템을 개발하였다.
- 개발하였다. 이를 위해서 로드셀을 사용하여 피험자의 본인의 체중이동 정보를 시각적 피드백 할 수 있도록 하였으며, 평균 중앙선 이탈도, 주행 시간, 좌우 무게이동 등을 이용하여 자세균형 훈련용 장치로서 유용성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 통합 평형감각 분석시스템을 이용하여 가상 자전거 훈련이 자세균형에 미치는 영향을 분석하고 재활 훈련 장치로서 유용성을 검토하였다.
- 가상도로의 폭은 6이인 2차선 도로이며, 총 길이는 720m로 설계하였다. 주행 시 다양한 구간을 갖도록 하여 신체 움직 임의 변화를 정량적으로 분석하였다. 주행 구간은 직선, 오르막, 내리막, 곡선으로 구성하였다.
- 주행 중 탑승자의 좌우 무게이동을 실시간으로 시각적으로 피드백하는 기능을 제안하였다. 이는 평 형감각이 손상된 환자에 게 주행 중 시 각적 피 드백의 훈련효과를 실험하기 위한 것이다.
- 이는 평 형감각이 손상된 환자에 게 주행 중 시 각적 피 드백의 훈련효과를 실험하기 위한 것이다. 주행 평가 및 분석은 피험자가 가상공간을 주행할 때 측정되고 저장되는 주행거리, 주행속도, COP의 변화, 중앙선 이탈도, 체중이동 값 등을 토대로 분석하였다. 여기서 중앙선 이탈도란 피험자에게 제시한 도로의 중앙선에서 벗어난 거리를 말하며, COP의 변화는 자전거 주행 시 무게중심의 전체 이동면적을 의미하고 좌우 무게이동은 자전거 주행 시 좌우 흔들림에 대한 데이터를 의미한다.
- 통합 평형감각 기능의 평가를 위해 가상 주행환경의 배경 이미지 생성을 포함하여 가상 주행환경을 개발하였다. 사용된 3차원 모델링 제작 툴은 World-UP™ (SENSES Co.
대상 데이터
- 5는 가상자전거에 장착된 스프링의 가해진 힘과 변위와 관계를 나타내고 있다. 가상 자전거 시스템에는 총 4개의 스프링이 설치되었으며, 이 스프링의 탄성계수는 11.22kg/cm 이다. 무게와 무게중심의 방향을 측정할 수 있는 시스템을 가상 자전거 시스템에 이용하기 위하여 CAS사의 로드셀 MNT-100L과 증폭기 LCT-V010모델을 이용하였다.
- 6은 가상 자전거 총 주행 도로의 상태를 나타낸 것이며 Table 1은 제작된 가상도로의 구간별 사양을 요약한 것이다. 가상도로의 폭은 6이인 2차선 도로이며, 총 길이는 720m로 설계하였다. 주행 시 다양한 구간을 갖도록 하여 신체 움직 임의 변화를 정량적으로 분석하였다.
- 22kg/cm 이다. 무게와 무게중심의 방향을 측정할 수 있는 시스템을 가상 자전거 시스템에 이용하기 위하여 CAS사의 로드셀 MNT-100L과 증폭기 LCT-V010모델을 이용하였다. 시뮬레이터의 앞뒤 혹은 좌우에 힘이 가해졌을 때 로드셀로부터 출력되는 신호를 증폭과 필터링을 거쳐 NuDAQ PCI9111DG 카드로 보내져 컴퓨터에서 처리된다.
이론/모형
- 8은 가상자전거 시스템 주행 후의 주행 데이터를 분석한 것이다. 이는 National Instrument (NI)사의 LabVIEW 6.1 을 이용하여 개발하였다. 각 데이터를 나타내고 각 파라미터들의 최대값, 최소값, 평균값을 산출해 낼 수 있도록 프로그램을 구성하여 평형 및 주행상태를 분석, 평가할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 1. 모든 주행모드에서 20대보다 70대에서 주행 시간이 길게 나타났는데, 이는 70대 하지근력이 20대보다 약하여 자전거 주행 시 불안정하기 때문이다.
- 2. 가상 자전거 주행 시 20대와 70대 모두 시각적 피드백이 단순한 NVF 주행 모드에서 주행 시간이 가장 크게 단축 되었으며 VFC 모드에서 주행 시간이 가장 작게 단축되었다. 이는 VFC 모드에서는 피드백 되는 피험자의 무게중심에 주의를 기울이므로 주행속도가 NVF 모드 보다 빠르지 않기 때문이다.
- 주행 시간을 나타낸 것이다. 20대와 70대 모두 NVF 모드에서 주행 시간이 가장 짧았고, VFW 모드에서는 가장 주행시간이 가장 길었다. 이는 자전거 주행 시 NVF 모드는 주행 정보가 단순히 주행속도만을 제시하기 때문에 주행의 어려움 없이 주행을 하여 주행시간이 가장 짧게 나타났다.
- 70대는 1회 주행 시 보다 10회 주행 시 NVF 모드에서 34초, VFC 모드에서 26초, VFW 모드에서 36초 주행 시간이 각각 단축되었다. 20대와 70대 모두 NVF 주행 모드에서 주행 시간이 가장 크게 단축 되었으며 VFC 모드에서 주행 시간이 가장 작게 단축 되었다. 이것은 VFC 모드에서는 피드백 되는 피험자의 무게중심에 주의를 기울이므로 주행속도가 NVF 모드보다 빠르지 않기 때문이다.
- 3. 20대와 70대 모두 VFW 모드에서 훈련 후 좌우 무게 이동이 감소하여 가상 자전거 주행 시 안정감 있는 주행을 하였으며 가상 자전거 주행 시에 측정되는 파라미터들에 의하여 70대 노인이 20대보다 하지근육이 불안정하고 자세균형 제어능력이 낮음을 알 수 있었다. 주행 훈련 후 주행상태가 개선되어 자세균형 제어 능력이 증진됨을 알 수 있었다.
- NVF 모드에서는 초기 훈련 전 기준으로 2.59%, VFC 모드에서는 2.27%, VFW 모드에서는 3.24% 감소하는 경향을 얻었다. 이는 좌우의 무게이동을 제시하는 VFW 모드에서 가장 많은 무게 감소율을 보였다.
- 20대에서는 훈련 전과 마찬 가지로 NVF, VFC, VFW 순으로 중앙선 이탈도가 감소하였지만 70대에서는 처음 주행 시에 NVF, VFC, VFW 모드 순서로 중앙선 이탈도가 크게 나타났지만 마지막 주행 훈련 시에는 NVF, VFC, VFW 모드 순으로 중앙선 이탈도가 작게 나타났다. 또한, 20대와 70대 모두 VFW 모드에서 중앙선 이탈도가 가장 많이 감소하였다. 특히 70대가 VFW 모드에서 중앙선 이탈도가 가장 많이 감소하였는데 이는 좌우 무게이동에 대한 피드백 정보를 받아들이면서 중앙선에 맞추어 주행을 하였다는 것을 알 수 있다.
- 95% 무게 이동이 감소하여 평형상태인 50%에 가까워짐을 알 수 있다. 또한, 20대와 70대 모두 무게 이동의 상태를 피드백하지 않은 NVF 모드에서 훈련 전후의 무게이동 감소율이 가장 낮았으며 무게의 중심을 나타내는 VFC 모드보다 무게 이동을 피드백하는 VFW 모드에서 훈련 후에 무게 이동이 50%에 가장 가깝게 감소하여 VFW 모드가 좌우 무게이동 조절 훈련에 도움이 되는 것을 알 수 있었다.
- 또한, 본 시스템은 통합평 형감각 분석 및 자세균형 훈련용 재활장치로 유용함을 알 수 있었다.
- 본 시스템은 평 형감각의 장애가 있는 자세 균형 이상 환자에서 평형상태 및 자세균형 상태를 정량적으로 측정, 분석을 가능하게 하고, 반복 훈련으로 자 세균 형의 조절과 그 기능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 시스템은 통합평 형감각 분석 및 자세균형 훈련용 재활장치로 유용함을 알 수 있었다.
- 20대와 70대 모두 VFW 모드에서 훈련 후 좌우 무게 이동이 감소하여 가상 자전거 주행 시 안정감 있는 주행을 하였으며 가상 자전거 주행 시에 측정되는 파라미터들에 의하여 70대 노인이 20대보다 하지근육이 불안정하고 자세균형 제어능력이 낮음을 알 수 있었다. 주행 훈련 후 주행상태가 개선되어 자세균형 제어 능력이 증진됨을 알 수 있었다.
- 15는 70대의 주행 모드별 훈련 전후의 무게 이동 데이터 중에 10초 구간으로 왼쪽과 오른쪽 의무게 이동을 나타낸 것이다. 처음 주행 했을 시에는 좌우로 많이 흔들리고 불안정한 주행을 하였으나 10회째 주행 모습을 보면 첫 주행 보다는 안정감 있고 좌우로 흔들리는 정도가 줄어듦을 알 수 있었다.
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