편마비 환자의 상지 재활 기기 운용을 위한 관절 각 추정 기법에 관한 연구 II Study on The Estimation Method of the Joint for the Operation of the Upper Limb Rehabilitation Equipment for Hemiplegic Patients II원문보기
본 논문은 편마비환자들의 상지재활 기기 운용방법으로 건측에서 관성측정장치를 기반으로 한 관절각 추정 기법과 착용 과정에서 발생하는 측정축 뒤틀림을 보정하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법을 검증하기 위해 실험자 왼팔의 상완과 전완에 관성측정장치를 부착하였으며, 임의의 자세를 촬영하여 검출한 실제 관절 각과 관절각 추정한 각과 비교하여 검증 하였다. 그리고 측정축 뒤틀림을 보정하는 기법을 적용 전/후를 비교하여 검증하였다. 실험 결과 측정축 뒤틀림 보정을 적용전은 관절각 일치율이 89.16%로 저조한 일치율을 보였으나, 측정축 뒤틀림을 보정한 후에 관절각 일치율은 93.28%의 일치율로 4.12% 개선되었음을 확인 하였다.
본 논문은 편마비환자들의 상지재활 기기 운용방법으로 건측에서 관성측정장치를 기반으로 한 관절각 추정 기법과 착용 과정에서 발생하는 측정축 뒤틀림을 보정하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법을 검증하기 위해 실험자 왼팔의 상완과 전완에 관성측정장치를 부착하였으며, 임의의 자세를 촬영하여 검출한 실제 관절 각과 관절각 추정한 각과 비교하여 검증 하였다. 그리고 측정축 뒤틀림을 보정하는 기법을 적용 전/후를 비교하여 검증하였다. 실험 결과 측정축 뒤틀림 보정을 적용전은 관절각 일치율이 89.16%로 저조한 일치율을 보였으나, 측정축 뒤틀림을 보정한 후에 관절각 일치율은 93.28%의 일치율로 4.12% 개선되었음을 확인 하였다.
In this paper, we propose a method for correcting the measurement axis twist that occurs in the process of wearing and each estimation method of joint in which the inertial measurement unit based in health arm by the method of operation upper limb rehabilitation equipment of hemiplegic patients. In ...
In this paper, we propose a method for correcting the measurement axis twist that occurs in the process of wearing and each estimation method of joint in which the inertial measurement unit based in health arm by the method of operation upper limb rehabilitation equipment of hemiplegic patients. In order to verify the proposed method, it is fitted with a inertial measurement unit of the upper arm and forearm of the experimenter left arm, verified by comparing actual joint angle is detected by photographing the arbitrary posture, the angle that the estimated joint. Then, it was verified by comparing the applied front / rear techniques for correcting the measurement axis twist. A result of the experiment, before applying the measurement axis twist correction, joint, after but each match rate showed a weak concordance rate in 89.16% and were corrected, measurement axis twist, each concordance rate of joint agreement of 93.28% I understand that it has been 4.12% improvement in the rate.
In this paper, we propose a method for correcting the measurement axis twist that occurs in the process of wearing and each estimation method of joint in which the inertial measurement unit based in health arm by the method of operation upper limb rehabilitation equipment of hemiplegic patients. In order to verify the proposed method, it is fitted with a inertial measurement unit of the upper arm and forearm of the experimenter left arm, verified by comparing actual joint angle is detected by photographing the arbitrary posture, the angle that the estimated joint. Then, it was verified by comparing the applied front / rear techniques for correcting the measurement axis twist. A result of the experiment, before applying the measurement axis twist correction, joint, after but each match rate showed a weak concordance rate in 89.16% and were corrected, measurement axis twist, each concordance rate of joint agreement of 93.28% I understand that it has been 4.12% improvement in the rate.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 관성측정장치를 기반으로 한 관절각 추정 기법과 착용하는 과정에서 발생하는 측정측 뒤틀림을 보정 기법을 제안한다.
1 절에서 제시한 관절 회전 각와 센서의 회전 각의 동위각 관계는 성립하지 않기 때문에 오차발생 된다. 따라서 본 절에서는 뒤틀린 관성측정장치의 측정축을 보정기법을 제안한다.
본 논문에서 재활기기 운용을 위한 관절각 추정 기법을 제안하였다. 이를 수행 하기 위해서는 관성측정장치를 이용하여 상완과 전완 자세를 검출 하여 주관절 각을 추정 하는 기법으로 다음 그림 1과 같다.
본 논문은 편마비환자들의 상지재활 기기 운용방법으로 건측 상지에서 관성측정장치를 통해 검출한 자세를 통해 주관절각을 검출하는 기법과 관성측정장치의 착용에 의한 측정 축의 뒤틀림을 보정하는 기법을 제안 하였다. 이를 수행 하기 위해 상완과 전완에 팔찌형태의 관성측정장치를 착용하여 상지자세를 검출 하였다.
가설 설정
그림 3의 좌측 그림과 같이 어깨와 팔꿈가 중력 방향으로 펴져 있는 초기자세에서 관절 회전각을 0°라고 가정한다.
제안 방법
2.1절에서 상완과 전완에서 검출한 관절 회전 각을 통해 팔꿈치 관절의 내각을 검출하는 기법을 서술하였다. 관절각 추정 기법에 대한 개념도는 다음 그림 3과 같다.
3.1절에서 제시한 실험방법을 통해 측정 축 보정기법을 적용하기전 관절각 추정 결과와 실험자가 취한 임의의 자세와 실제 주관절 내각을 비교하여 일치율을 검증하였다. 그림 7은 실험자가 취한 임의의 자세와 실제 내각을 나태낸다.
이를 수행 하기 위해 상완과 전완에 팔찌형태의 관성측정장치를 착용하여 상지자세를 검출 하였다. 검출한 상지자세를 통해 상지 주관절의 내각을 추정하였다. 관성측정장치의 착용 위치에 의해 발생되는 오차를 개선하기 위해 초기 자세를 통해 검출한 오차각을 제거하여 오차를 개선하였다.
검출한 상지자세를 통해 상지 주관절의 내각을 추정하였다. 관성측정장치의 착용 위치에 의해 발생되는 오차를 개선하기 위해 초기 자세를 통해 검출한 오차각을 제거하여 오차를 개선하였다.
관절각 추정을 위해 관성측정장치를 건측의 전완과 상완에 착용하여 건측상지 움직임을 추정하여 편마비 환자들의 움직임의 제약없이 쉽게 의도를 파악할 수 있도록 고안하였으며, 착용에 의한 측정측 뒤틀림 보정을 위해 초기자세에서 오차를 미리 검출하여 이를 제거한 후 관절각 추정을 보정하는 방법을 제안하였다.
굽힘 센서를 통한 의도파악 기법은 반복적인 굽힘과 폄 동작을 수행함에 따라 굽힘 센서가 복원되지 않아 각도를 측정에서 오류가 발생하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 굽힘 센서의 복원력에 의한 문제를 해결하기 위해서 광섬유의 광굴절율을 변화 특성을 이용하여 관절의 각을 검출 하였다. 이러한 기법은 광섬유가 고정 되는 형태로써 환자들의 움직임을 방해하는 요소로 작용하여 불편함을 갖는다[8].
건측상지 자세를 검출 하기 위해 관성측정 장치의 부착위치는 관절 회전축에 부착하는 것이 데이터 취득에 용이 하지만 정확한 회전축에 부착하는 것이 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 훈련자의 탈부착 및 움직임이 용이 하도록 상완과 전완의 위치를 선정 하였다. 관성측정장치 부착 위치는 다음 그림 2같다.
본 논문에서 제안 하는 상지 관절각 추정 기법을 검증 하기 위해 20대 남성의 왼팔 상완과 전완에 관성 측정 장치를 부착하여 검출한 주관절 내각과 비디오 촬영을 통한 훈련자의 실제 내각을 비교실험으로 구성하였다.
촬영한 사진을 통해 실제 실험자의 주관절 각과 관성측정장치를 통해 추정한 주관절의 각을 비교하여 검증하는 실험으로 구성하였다. 이러한 실험 방법을 통해 관성측정센서의 측정축 보정 기법을 적용전의 관절각 추정 일치율과 적용 후 일치율을 비교하여 검증하는 실험으로 구성하였다.
본 논문은 편마비환자들의 상지재활 기기 운용방법으로 건측 상지에서 관성측정장치를 통해 검출한 자세를 통해 주관절각을 검출하는 기법과 관성측정장치의 착용에 의한 측정 축의 뒤틀림을 보정하는 기법을 제안 하였다. 이를 수행 하기 위해 상완과 전완에 팔찌형태의 관성측정장치를 착용하여 상지자세를 검출 하였다. 검출한 상지자세를 통해 상지 주관절의 내각을 추정하였다.
제안한 기법을 검증하는 실험 방법은 표 1과 같은 사양을 갖는 관성측정장치를 왼팔의 상완과 전완에 착용하여 실험자가 임의로 상지의 자세를 취하게 하였다. 임의의 상지자세를 약 5초정도를 유지하는 중 사진을 촬영하였다.
제안한 기법을 검증하기위해 20대 남성 실험자의 왼팔의 상완과 전완에 관성측정장치를 부착하여 임의의 자세를 촬영하여 실제 주관절 내각을 검출하여 추정한 관절각과 비교 검증하는 실험방법을 구성하였다. 측정축 보정 기법의 적용 전과 적용 후의 검증 결과를 비교 하여 개선정도를 분석 하였다.
제안한 기법을 검증하는 실험 방법은 표 1과 같은 사양을 갖는 관성측정장치를 왼팔의 상완과 전완에 착용하여 실험자가 임의로 상지의 자세를 취하게 하였다. 임의의 상지자세를 약 5초정도를 유지하는 중 사진을 촬영하였다.
촬영한 사진을 통해 실제 실험자의 주관절 각과 관성측정장치를 통해 추정한 주관절의 각을 비교하여 검증하는 실험으로 구성하였다. 이러한 실험 방법을 통해 관성측정센서의 측정축 보정 기법을 적용전의 관절각 추정 일치율과 적용 후 일치율을 비교하여 검증하는 실험으로 구성하였다.
제안한 기법을 검증하기위해 20대 남성 실험자의 왼팔의 상완과 전완에 관성측정장치를 부착하여 임의의 자세를 촬영하여 실제 주관절 내각을 검출하여 추정한 관절각과 비교 검증하는 실험방법을 구성하였다. 측정축 보정 기법의 적용 전과 적용 후의 검증 결과를 비교 하여 개선정도를 분석 하였다.
대상 데이터
관성측정장치의 부착 위치는 훈련자의 탈부착 및 움직임이 용이하도록 견관절과 주관절의 아래 10cm 이내로 하였다. 실험에 사용된 센서는 소형 관성측정장치를 이용하여 제작 하였으며, 표 1과 그림 4와 같다.
성능/효과
2.2절에서 상지 관절각 추정 기법을 통해 주관절의 내각을 추정 할 수 있었다. 하지만 실제 훈련자에게 상완과 전완의 관성측정장치를 착용을 할 경우 매번 같은 위치에 착용을 한다는 것은 불가능하다고 하며 측정축의 틀어지게 작용을 할 수 있다.
관성측정장치의 축보정 기법 적용 후 주관절 내각 추정 결과에서는 최대 오차각이 약 6.6°정도 나타났으며, 약 93.28%의 일치율을 보였다.
관성측정장치의 축보정 기법을 적용하기전 주관절 내각 추정 결과의 최대 오차각은 12.3°를 보였으며, 약 89.16%의 일치율 보였다.
그 결과 상지를 감사는 형태의 관성측정장치 착용방식은 주관절 각에 따라 상완의 이두근이 수축/이완에 의해 오차 발생의 원인으로 확인 하였다.
실험 결과 측정 축 보정 기법을 적용 전 관절각 추정 기법에 대한 일치율은 89.16%의 저조한 일치율을 보였으나, 측정축 보정 기법을 적용 후 일치율은 93.28%의 일치율로 4.12% 개선되었음을 확인 하였다.
28%의 일치율을 보였다. 이는 보정 기법을 적용하여 상지 주관절 각의 일치율이 4.12% 개선 되었음을 확인하였다. 보정 후 나타나는 오차는 상지를 감사는 형태의 관성측정장치 착용방식은 주관절 각에 따라 상완의 이두근이 수축/이완에 의해 오차 발생의 원인으로 보이며, 추후 관성측정장치의 부착위치 변경함으로 개선이 가능할 것으로 보인다.
측정축 보정 기법을 적용하기 전에 상완과 전완에서 실제로 관성측정장치에서 측정되는 각도로 상완에서는 7.88°, 전완에서는 5.32° 정도 검출 되었으며 주관절 추정에 대한 오차의 원인으로 확인 하였다.
후속연구
12% 개선 되었음을 확인하였다. 보정 후 나타나는 오차는 상지를 감사는 형태의 관성측정장치 착용방식은 주관절 각에 따라 상완의 이두근이 수축/이완에 의해 오차 발생의 원인으로 보이며, 추후 관성측정장치의 부착위치 변경함으로 개선이 가능할 것으로 보인다.
향후 제안한 기법을 적용한 인터페이스 개발시 외형을 통해 개선하거나 관성측정장치의 측정위치 변경을 통해 관절각 추정 일치율이 개선 될 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라에서 재활치료사의 직접적인 접근훈련이 장기적으로 이루어지지 못하는 이유는 무엇인가?
이러한 재활훈련방법은 재활치료사의 직접적인 접근훈련이 장기적으로 이루어져야 한다[5]. 그러나 현재 우리나라에서는 재활치료사들의 수가 부족한 실정으로 한명의 치료사가 다수의 환자들을 지원하기 때문에 훈련의 집중도를 보장할 수 없다. 이러한 문제로 부족한 재활 치료사를 대신할 수 있는 재활 훈련기기에 대한 관심이 높아지고 있다[6].
편마비 증상이란 무엇인가?
편마비 증상은 신체의 한쪽 근육이 경직되거나 근력이 저하되는 증상으로 주로 합병증으로 인한 2차 발병이나 사고로 인한 근육손상에서 비롯된다[1].
상지 편마비환자들의 재활훈련으로는 무엇이 있는가?
상지 편마비 환자들의 재활훈련은 크게 신경발달 치료, 운동치료, 신경근 전기자극 치료, 과제 수행 훈련등이 있다[2]. 이러한 재활훈련방법은 재활치료사의 직접적인 접근훈련이 장기적으로 이루어져야 한다[5].
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