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문제 정의
- 이에 본 논문은 관성센서를 이용하여 수직속도기반으로 낙상을 충격전에 감지함에 있어, 센서의 부착위치, 센서구성에 따른 수직가속도를 구하는 방법, 그리고 수직속도를 구하는 방법에 따른 감지성능의 비교·분석을 통해 최적의 충격전 낙상감지 시스템을 구현하기 위한 연구자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 각각의 경우에 대하여 sensitivity(낙상을 낙상으로 판별하는 비율)와 specificity (ADL을 ADL로 판별하는 비율)의 관점에서 낙상탐지의 정확도를 확인하였다. 또한, sensitivity와 specificity 간의 관계를 확인하기 위하여 ROC(Receiver Operating Characteristic)[16]가 검토되었다.
- 낙상시험의 경우 5가지 방향(전방, 후방, 좌·우 측면, 수직하강)에 대하여 총 14가지의 낙상이 바닥에 매트리스를 설치한 후 시험되었으며(Table 2 참조), ADL의 경우 총 9가지로 구분되어 시험되었다(Table 3 참조).
- 또한, sensitivity와 specificity 간의 관계를 확인하기 위하여 ROC(Receiver Operating Characteristic)[16]가 검토되었다. 낙상용 에어백 설계에 필요한 낙상감지에서부터 충격까지의 소요시간을 의미하는 선행시간 (lead time, Fig. 1 참조)을 조사하였다. 이때 충격시점은 허리센서의 수직가속도가 최대가 되는 시점으로 정하였다[9].
- 본 논문에서는 Table 4에서 보이는 바와 같이, 센서의 부착위치에 따라 두 경우(허리 및 가슴), 수직가속도를 구하는 방법에 따라 두 경우(가속도계 및 자이로를 이용한 정확한 가속도 및 가속도계만을 이용한 근사 가속도), 그리고 수직속도를 계산하는 방법에 따라 두 경우(정적조건시 속도감쇠 이용 및 일정시간동안의 속도차 이용)를 조합하여 총 8가지 경우를 고려하였다. 수직속도가 문턱값(threshold)보다 절대값관점에서 커지는 경우 낙상으로 판단하였다(Fig.
- 본 연구를 통해 수직속도를 이용한 충격전 낙상감지에 있어 센서의 구성 및 속도계산법과 부착위치에 따른 낙상감지의 정확도를 비교 · 분석하였다.
- 본 연구에서는 아래와 같은 식으로 정적조건에서 이전속도와 현재속도간의 감쇠계수(damping factor) α를 이용하여 속도를 초기화시켜 주었다.
- 즉, 가속도와 가속도변화율 모두가 10Δt 동안 기준값 밑에 있을때 비로소 정적조건으로 판별되도록 하였다.
- 첫번째 과정(수직가속도 계산)은 정교한 알고리즘의 경우 칼만필터[11]나 쿼터니언 필터[9] 등을 이용하여 센서의 자세를 계산하고 이를 통해 자세에 따른 중력가속도를 가속도계 신호에서 적절하게 제거하는 과정을 거쳐 정확한 수직가속도(accurate vertical acceleration)를 계산하다. 이러한 알고리즘을 활용하기 위해선 가속도계와 자이로스코프가 모두 필요하다.
대상 데이터
- 데이터 수집을 위하여 네덜란드 Xsens Technology사의 MTw 무선 관성센서가 사용되었다. MTw 센서는 3축 가속도계, 3축 자이로스코프, 3축 지구자기센서(magnetometer)와 바로미터(barometer)를 포함하고 있으나, 본 연구를 위해선 3축 가속도계 신호와 3축 자이로스코프 신호만 사용되었다. 센서는 앞허리([9] 참조)와 앞가슴([10] 참조)에 벨크로(Velcro) 밴드를 이용하여 부착되었으며 100 Hz 주기로 샘플링되었다.
- 낙상 및 일상생활(ADL: activities of daily living) 데이터는 총 11명의 남성 피시험자를 대상으로 추출하였으며 피시험자 정보는 다음과 같다: 평균연령 24±1세; 평균 신장 173.5±7.1 cm; 평균체중 67.8±9.8 kg.
- 데이터 수집을 위하여 네덜란드 Xsens Technology사의 MTw 무선 관성센서가 사용되었다. MTw 센서는 3축 가속도계, 3축 자이로스코프, 3축 지구자기센서(magnetometer)와 바로미터(barometer)를 포함하고 있으나, 본 연구를 위해선 3축 가속도계 신호와 3축 자이로스코프 신호만 사용되었다.
- 낙상시험의 경우 5가지 방향(전방, 후방, 좌·우 측면, 수직하강)에 대하여 총 14가지의 낙상이 바닥에 매트리스를 설치한 후 시험되었으며(Table 2 참조), ADL의 경우 총 9가지로 구분되어 시험되었다(Table 3 참조). 모든 테스트는 두번씩 계측이 되어 낙상과 ADL이 각각 총 308개와 198개의 데이터셋으로 구성되어 해석에 사용되었다. Table 2에서 각 방향의 낙상을 without knee flexion과 with knee flexion으로 나눈 것은 [14]를 따른 것으로 낙상시 자세에 변화를 다양성을 부여한 것이다.
이론/모형
- 즉, 센서좌표계의 z축이 관성좌표계의 Z축과 마찬가지로 위로 향하면 SZ는 [0,0,1]T이며, sA는 [0,0,-g]T가 아닌 [0,0,g]T이다. 본 연구에서는 SZ를 구하기 위하여 [11]에 기술된 가속도계와 자이로스코프의 신호를 이용하는 칼만필터 기반의 알고리즘이 이용되었다.
성능/효과
- 예기치 않은 에어백 전개에 따른 불편함보다는 사용자 안전을 보다 중요시한다는 관점에서 본다면 기준 2는 기준 3보다 그 중요성이 크다. 기준 2에 따라 100%의 sensitivity를 확보하는 경우, Case 3, 4, 7, 8처럼 근사가속도를 사용한 경우는 specificity가 50%에도 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이는 기준 1에서 정확한 가속도 대비 근사가속도가 갖는 성능저하의 폭보다 훨씬 큰 것이 다.
- 6에서 보듯이 sensitivity와 specificity는 일반적으로 상충관계를 보인다. 따라서, 낙상감지의 정확도는 다음의 세가지 기준에서 검토되었다: (기준1) sensitivity와 specificity의 합이 최대가 되는 경우, (기준2) 낙상으로부터 사용자 안전성을 보장되도록 100%의sensitivity가 만족되는 경우의 specificity, (기준3) * fall or ADL type (count) 뜻하지 않은 에어백 전개(ignition)를 없게하는 100%의specificity 가 되는 경우의 sensitivity.
- 수직속도를 구함에 있어, 정적조건에서 0으로 감쇠를 시키는 것이 일정시간동안의 속도차이를 이용하는 경우에 비해 다소 우수한 것으로 나타났다. 센서부착위치에 있어서는 허리와 가슴이 대개 동등한 결과를 보였으나, 100%의 sensitivity가 요구되는 경우에는 가슴에 비하여 허리에 부착하는 것이 보다 높은 specificity를 보였다. 전반적으로 허리에 부착된 가속도 계와 자이로스코프를 이용하여 정확한 가속도를 통해 정적조건감쇠를 적용한 수직속도가 가장 우수한 성능을 보였다.
- 센서의 부착위치와 관련하여, 본 연구에서 검토된 허리와 가슴위치는 모두 여러 문헌을 통해 낙상감지에 우수한 정확도를갖는 것으로 검증되었다. 하지만, 낙상감지 시스템이 실제로 고령자에 의해 사용되는 경우, 언제 발생할지 모르는 낙상위험에 대응하기 위하여 상시로 몸에 부착되어 작동되어야 한다.
- 특히, 100%의 sensitivity가 요구되는 낙상감지의 경우에는 근사 가속도를 이용하는 것은 부적합한 것으로 나타났다. 수직속도를 구함에 있어, 정적조건에서 0으로 감쇠를 시키는 것이 일정시간동안의 속도차이를 이용하는 경우에 비해 다소 우수한 것으로 나타났다. 센서부착위치에 있어서는 허리와 가슴이 대개 동등한 결과를 보였으나, 100%의 sensitivity가 요구되는 경우에는 가슴에 비하여 허리에 부착하는 것이 보다 높은 specificity를 보였다.
- 센서부착위치에 있어서는 허리와 가슴이 대개 동등한 결과를 보였으나, 100%의 sensitivity가 요구되는 경우에는 가슴에 비하여 허리에 부착하는 것이 보다 높은 specificity를 보였다. 전반적으로 허리에 부착된 가속도 계와 자이로스코프를 이용하여 정확한 가속도를 통해 정적조건감쇠를 적용한 수직속도가 가장 우수한 성능을 보였다.
- 낙상감지용 센서는 대개 3축 가속도계만 사용하는 경우와 3 축 가속도계와 3축 자이로스코프를 사용하는 경우로 구분된다. 첫째, 3축 가속도계만 사용하는 경우에는 동적조건에서 자세계산이 불가능한 만큼 반대로 알고리즘이 간단한 장점을 지닌다. 이는 낙상감지시스템이 휴대용 임베디드 마이크로프로세서와 배터리로 작동된다는 점을 고려할 때 계산량과 전력소모량을 생각하면 많은 장점이 된다.
- 센서의 구성에 있어, 가속도계와 자이로스코프를 모두 이용하여 정확한 수직가속도를 이용한 경우가, 가속도계만을 이용하여 근사 수직가속도를 이용한 경우에 비하여 정확도가 뛰어났다. 특히, 100%의 sensitivity가 요구되는 낙상감지의 경우에는 근사 가속도를 이용하는 것은 부적합한 것으로 나타났다. 수직속도를 구함에 있어, 정적조건에서 0으로 감쇠를 시키는 것이 일정시간동안의 속도차이를 이용하는 경우에 비해 다소 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 일단 순수 가속도 성분이 추출되면 본 논문에서 다루어 지듯이 정확한 수직방향 가속도가 계산가능하다. 또한, 본 논문에서 다루어지지는 않았지만 낙상의 방향 정보를 내포하는 센서좌표계 기준 전방향 가속도가 관찰가능하며, 센서의 자세정보 자체가 낙상감지 파라미터로 활용될 수 있다. 정교한 자세계산은 그에 상응하는 계산 알고리즘과 센서(자이로스코프) 추가 및 전력소모를 요구하는 단점을 갖는다.
- 반면, ADL을 낙상으로 잘못 판단한 경우(TN: true negatives)를 살펴보면 A7, A2, A9 같은 수직하강을 동반하는 동작에서 걸린 것을 볼 수 있다. 위의 FN과 TN의 예는 수직속도를 낙상의 판변조건으로 하는 알고리즘의 원천적 문제점으로 생각되며, 이를 자세 등의 정보로 보완할 수 있다면 보다 향상된 정확도를 얻을 수 있을 것이다.
- 둘째, 자이로스코프가 함께 사용되는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 가속도계와 자이로의 신호를 융합하여 자세정보를 계산하고 이를 통해 가속도계 신호에서 중력성분을 소거한 순수 가속 도성분을 추출할 수 있다. 일단 순수 가속도 성분이 추출되면 본 논문에서 다루어 지듯이 정확한 수직방향 가속도가 계산가능하다. 또한, 본 논문에서 다루어지지는 않았지만 낙상의 방향 정보를 내포하는 센서좌표계 기준 전방향 가속도가 관찰가능하며, 센서의 자세정보 자체가 낙상감지 파라미터로 활용될 수 있다.
- 4의 11~12초 부근에서 보이듯 하강에 이어 상승이 나타나는 거울효과(mirroring effect)가 있고, 이 현상에 의해 빠른 상승속도가 있는 동작의 경우 하강속도가 이어지며 이것이 잘못하여 낙상감지의 속도 문턱값을 만족시키는 경우가 있었다. 하지만 정적조건시 감쇠이용법은 동적조건이 지속될 경우 여전히 표류오차가 발생할 소지가 있으므로, 속도차이의 거울효과 문제가 해결된다면 근본적으로 표류오차 문제를 지니지 않는 장점이 있으므로 이에 대한 연구가 추후 이루어 질 것이다.
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