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문제 정의
- 본 논문에서는 3축 가속도 센서를 이용한 척추 측만증 환자용 자세 교정 유도 장치 개발하였다. 경사각의 변화에 따른 가속도 센서의 출력 데이터 변화추이를 관찰하여 가속도 센서의 출력 값의 특성상 단일 센서로 활용할 경우 약±60° 의 범위 내에서는 선형성이 보장되는 것을 확인하였고, 이러한 특성을 이용하여 3축 방향에 해당되는 변환식을 도출하였다.
- 본 논문에서는 관성 센서의 하나인 3축 가속도 센서만을 이용하여 척추 만곡의 정도를 정량적으로 평가하는 지표인 Cobb's 각도를 추정할 수 있으며, 사용자가 자신의 자세를지속적으로 모니터링하고 올바른 자세를 취하도록 유도하는 기능을 가진 자세 교정 유도 장치를 제작하고 장치의 특성에 대해 고찰하였다.
제안 방법
- 4.1 절의 실험을 통해 도출된 변환식을 제작된 장치에 포팅한 후, 실제 사용자에게 착용하여 자세 교정 모의실험을 실시하였다. 정상인 3명(남자 3명, 나。] : 26.
- 하이퍼 터미널을 이용하여 가속도 센서의 출력 값을 2개의 축을 고정한 상태에서 한쪽 축방향의 회전운동을 실시하고, 약 5° 간격으로 경사각을 변화시키며, 가속도 센서의 X축 데이터, Y축 데이터, Z축 데이터를 각각 수집하였다. 가속도 센서를 수평상태에서 왼쪽(정방향, +), 오른쪽(역방향, -)으로 각 90°의 범위 운동을 실시하였다.
- 겨드랑이 밑으로 착용이 가능한 TLSO 보조기는 만곡의 정점이 제 8 흉추보다 아래인 만곡에서 사용되는 보조기로 Milwaukee 보조기보다 착용이 간편하며 보조기를 옷 속으로 감출 수 있어 착용에 따른 정신적인 문제도 훨씬 덜하다. 그리고 경직성 보조기 사용에 따른 사용자의 정신적 불편과, 보전적 치료의 효율성 측면, 척추 주변 근육의 약화 현상 등에 대한 연구가 진행되어 경직성 보조기가 지닌 문제점을 보완함으로서 사용자의 제약을 줄여주고, 사용자의 척추 주변 근육운동 능력을 향상 시킬 수 있는 신축성 밴드를 활용한 유동성 보조기가 개발되었다. 또한 보조기는 통신 전자 기술들의 발전과 함께 지속적 모니터링이 가능한 형태의 보조기로 발전하고 있다.
- 입력된 정보는 "확인” 단계에서 기준 값으로 활용하였다. 또한 X-ray나 MRI와 같은 영상 의료 장비를 통해 확인된 사용자의 측만각이 시작되는 위치와 끝나는 지점에 각각 가속도 센서를 위치하도록 부착하고, 해당 지점에위치한 두 개의 가속도 센서들의 중력 가속도 차를 이용하여 계산된 측만각이 영상 의료 장비를 통해 측정된 값과 동일하도록 설정한다.
- 표시 모듈은 장치의 analog-toedigital converting(ADC)과 장치의 시작/정지를 제어하며, 센서 모듈과의 통신 및 신호 처리를 담당하는 MCU 보드 1개와 터치 기능을 활용하여 입력이 가능한 TFT-LCD 모듈, 그리고 메모리 카드로 구성되어 있다. 또한 센서 모듈과 표시 모듈 간에는 블루투스 장치 (ACODE- 300B)를 이용하여 Wireless USART 통신 프로토콜을, 센서 모듈의 2개의 MCU간의 통신은 Wire USART 통신 프로토콜을 사용하였고, 센서 모듈에서 각각의 가속도 센서와 MCU간의 통신은 SPI 통신 프로토콜을 사용하였다.
- 부분에 고정 시키고 실험을 진행하였다. 또한 센서 모듈의 가속도 센서는 척추의 만곡점에 고정 시 센서의 외형을 고려하여 Z축 방향은 전방 혹은 후방의 자세 변화량을 측정하였으며, Y축은 좌측 혹은 우측 방향의 자세 변화량을 즉정하였다. 그림 7은 장치를 착용한 상태에서 착용자의 상체 전후, 좌우 운동 시 LCD창에 출력되는 정보를 나타낸 것이다.
- 본 실험에서 사용된 가속도 센서 모듈은 3축 방위 방향을 가지고 있으므로, 본 실험에서도 해당 방위 방향과 일치하도록 센서를 교차점에 고정시키고 실험을 실시하였다. 실험은 ATmega 128 프로세서를 이용하여 가속도 센서 모듈을 제어하고, USART 통신을 이용해 PC의 하이퍼 터미널에서 결과를 확인하였다.
- 센서 모듈의 가속도 센서는 신축성 밴드를 이용하여 척추의 만곡점에 위치하도록 고정하였으며, 센서 모듈은 하의 벨트 부분에 고정 시키고 실험을 진행하였다. 또한 센서 모듈의 가속도 센서는 척추의 만곡점에 고정 시 센서의 외형을 고려하여 Z축 방향은 전방 혹은 후방의 자세 변화량을 측정하였으며, Y축은 좌측 혹은 우측 방향의 자세 변화량을 즉정하였다.
- 실험은 ATmega 128 프로세서를 이용하여 가속도 센서 모듈을 제어하고, USART 통신을 이용해 PC의 하이퍼 터미널에서 결과를 확인하였다. 하이퍼 터미널을 이용하여 가속도 센서의 출력 값을 2개의 축을 고정한 상태에서 한쪽 축방향의 회전운동을 실시하고, 약 5° 간격으로 경사각을 변화시키며, 가속도 센서의 X축 데이터, Y축 데이터, Z축 데이터를 각각 수집하였다.
- 또한 보조기는 통신 전자 기술들의 발전과 함께 지속적 모니터링이 가능한 형태의 보조기로 발전하고 있다. 이러한 추세에 따라 본 연구에서는 3축 가속도 센서를 활용하여 사용자가 자신의 자세를 지속적으로 모니터링하고 올바른 자세를 취하도록 유도할 수 있는 자세 교정 유도 장치를 개발했다.
- 이를 위해서 자세 교정 유도 장치에서 사용된 가속도 센서의 특성과 경사각 변환을 위한 일반식 도출 실험을 실시하였다.
- 그림 4와 같은 실험 장비를 제작하였다. 제작된 장치는 고정된 위치에서 교차된 2개의 축이 축 방향으로 각각 회전운동을 할 수 있으며, 가속도 센서는 2개의 축이 교차하는지 점에 위치하도록 하였으며, 정확한 경사각을 알기 위하여각 축을 기준으로 원통형 각도계를 부착하였다. 중력가속도 -경사각 변환식은 2개의 축이 고정된 상태에서 지정된 축 방향으로 회전운동을 실시하였을 때 획득한 데이터와 실제 각도 간의 선형 회귀 분석을 통해 도출하였다.
- 제작된 장치는 고정된 위치에서 교차된 2개의 축이 축 방향으로 각각 회전운동을 할 수 있으며, 가속도 센서는 2개의 축이 교차하는지 점에 위치하도록 하였으며, 정확한 경사각을 알기 위하여각 축을 기준으로 원통형 각도계를 부착하였다. 중력가속도 -경사각 변환식은 2개의 축이 고정된 상태에서 지정된 축 방향으로 회전운동을 실시하였을 때 획득한 데이터와 실제 각도 간의 선형 회귀 분석을 통해 도출하였다.
대상 데이터
- 1 절의 실험을 통해 도출된 변환식을 제작된 장치에 포팅한 후, 실제 사용자에게 착용하여 자세 교정 모의실험을 실시하였다. 정상인 3명(남자 3명, 나。] : 26.7±1.2세)을 대상으로 장치 성능을 평가하였으며, 모의된 자세는 상체를 "전후로 구부리는 행동”, "좌우로 구부리는 행동”, "어깨 틀기”, 앉았다 일어나기” 등이다.
- 실험은 ATmega 128 프로세서를 이용하여 가속도 센서 모듈을 제어하고, USART 통신을 이용해 PC의 하이퍼 터미널에서 결과를 확인하였다. 하이퍼 터미널을 이용하여 가속도 센서의 출력 값을 2개의 축을 고정한 상태에서 한쪽 축방향의 회전운동을 실시하고, 약 5° 간격으로 경사각을 변화시키며, 가속도 센서의 X축 데이터, Y축 데이터, Z축 데이터를 각각 수집하였다. 가속도 센서를 수평상태에서 왼쪽(정방향, +), 오른쪽(역방향, -)으로 각 90°의 범위 운동을 실시하였다.
이론/모형
- 왼쪽으로 구부리면 좌측 요추만곡이 풀리게 된다. 만곡은 방사선사진에서 즉만증 연구회(The Scoliosis Research Society) 가선호하는 콥스법을 사용한다. 콥스각(Cobb's angle)은 만곡이 발생된 상단의 끝 척추의 위 경계와 하단 척추 아래 경계로부터 수평선을 그린 후 수직선을 그려 수직선이 만나는 각을 측정한다.
성능/효과
- 자세 교정 유도 장치 개발하였다. 경사각의 변화에 따른 가속도 센서의 출력 데이터 변화추이를 관찰하여 가속도 센서의 출력 값의 특성상 단일 센서로 활용할 경우 약±60° 의 범위 내에서는 선형성이 보장되는 것을 확인하였고, 이러한 특성을 이용하여 3축 방향에 해당되는 변환식을 도출하였다. 또한 모의실험을 통해 연속적인 Cobb's 각 측정이 가능함을 확인하였으며, 이를 이용해 착용자의 비정상적인 자세 감지 시 경고 메시지를 전달함으로써 측만증을 예방할 수 있는 장치로의 적용 가능성을 확인하였다.
- 경사각의 변화에 따른 가속도 센서의 출력 데이터 변화추이를 관찰하여 가속도 센서의 출력 값의 특성상 단일 센서로 활용할 경우 약±60° 의 범위 내에서는 선형성이 보장되는 것을 확인하였고, 이러한 특성을 이용하여 3축 방향에 해당되는 변환식을 도출하였다. 또한 모의실험을 통해 연속적인 Cobb's 각 측정이 가능함을 확인하였으며, 이를 이용해 착용자의 비정상적인 자세 감지 시 경고 메시지를 전달함으로써 측만증을 예방할 수 있는 장치로의 적용 가능성을 확인하였다. 본 장치를 활용할 경우 척추 측만증 치료는 물론, 자세 불균형을 호소하는 청소년들과 일반인들의 척추 측만증 예방을 위한 보조 장치로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 실험 결과는 그림 5와 같이 고정된 2개의 축이 약간씩의 미세한 운동이 발생되는 것은 확인되었지만, 대체적으로 정적인 상태에서 운동을 실시한 한 개의 축 데이터가 약 60° 의 범위에서는 선형성을 보였으며, 그 이상의 범위에서는 비선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 것으로 생각된다. 또한 ±60도 이상의 각도에서는 3 축 가속도에서 측정된 값과 실제 각도 간의 비선형적인 특성이 보였는데, 별도의 관성센서(자이로 센서나 기울기 센서)를 함께 사용하여 이를 보완할 수 있는 신호처리 방법의 개발이 필요하다. 또한 제작된 장치를 척추 측만증 환자 및 일반인에 적용하여 자세 교정 유도 장치로서의 유용성과 치료 효과에 대한 정량적 평가를 실시할 계획이다.
- 또한 ±60도 이상의 각도에서는 3 축 가속도에서 측정된 값과 실제 각도 간의 비선형적인 특성이 보였는데, 별도의 관성센서(자이로 센서나 기울기 센서)를 함께 사용하여 이를 보완할 수 있는 신호처리 방법의 개발이 필요하다. 또한 제작된 장치를 척추 측만증 환자 및 일반인에 적용하여 자세 교정 유도 장치로서의 유용성과 치료 효과에 대한 정량적 평가를 실시할 계획이다.
- 또한 모의실험을 통해 연속적인 Cobb's 각 측정이 가능함을 확인하였으며, 이를 이용해 착용자의 비정상적인 자세 감지 시 경고 메시지를 전달함으로써 측만증을 예방할 수 있는 장치로의 적용 가능성을 확인하였다. 본 장치를 활용할 경우 척추 측만증 치료는 물론, 자세 불균형을 호소하는 청소년들과 일반인들의 척추 측만증 예방을 위한 보조 장치로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 추후 연구 과제로는 잘못된 자세 감지 시 이를 착용자에게 전달할 수 있는 청각적 또는 촉각적 경고 장치의 추가가 필요할 것으로 생각된다. 또한 ±60도 이상의 각도에서는 3 축 가속도에서 측정된 값과 실제 각도 간의 비선형적인 특성이 보였는데, 별도의 관성센서(자이로 센서나 기울기 센서)를 함께 사용하여 이를 보완할 수 있는 신호처리 방법의 개발이 필요하다.
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