본 논문에서는 편마비 환자는 정상인과 다른 보행 특성을 가지므로 본 논문에서는 이들의 특성을 반영하여 보행자세를 측정하고 실시간 3차원 그래픽으로 보여주는 시스템을 개발하였다. 환자는 허벅지, 종아리 및 발에 각각 센서 모듈을 착용하며, 측정 정밀도를 높이기 위하여 각 모듈에는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 조합하여 적용하였다. 보행자세 디스플레이를 위하여 센서 모듈들로부터 수신한 데이터를 활용하여 허벅지, 종아리 및 발을 3차원 모형으로 모델링하여 실시간으로 화면에 보여주도록 하였으며, 편마비 환자의 특이한 보행 자세를 분석하기에 편리하도록 사용자의 보는 각도를 임의로 변화시킬 수 있도록 하였다. 또한 측정된 자세 정보를 활용하여 RLA(Rancho Los Amigos) 보행 주기의 단계별 진행되는 과정을 실시간으로 판단하여 화면에 표시할 수 있도록 함으로써 진행 단계 및 단계별 소요시간을 통하여 보행의 특성을 평가할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 편마비 환자는 정상인과 다른 보행 특성을 가지므로 본 논문에서는 이들의 특성을 반영하여 보행자세를 측정하고 실시간 3차원 그래픽으로 보여주는 시스템을 개발하였다. 환자는 허벅지, 종아리 및 발에 각각 센서 모듈을 착용하며, 측정 정밀도를 높이기 위하여 각 모듈에는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 조합하여 적용하였다. 보행자세 디스플레이를 위하여 센서 모듈들로부터 수신한 데이터를 활용하여 허벅지, 종아리 및 발을 3차원 모형으로 모델링하여 실시간으로 화면에 보여주도록 하였으며, 편마비 환자의 특이한 보행 자세를 분석하기에 편리하도록 사용자의 보는 각도를 임의로 변화시킬 수 있도록 하였다. 또한 측정된 자세 정보를 활용하여 RLA(Rancho Los Amigos) 보행 주기의 단계별 진행되는 과정을 실시간으로 판단하여 화면에 표시할 수 있도록 함으로써 진행 단계 및 단계별 소요시간을 통하여 보행의 특성을 평가할 수 있도록 하였다.
TIn this paper, Hemiplegic patients have gait characteristics different from normal persons. This paper presents a posture measuring and display system reflecting their characteristics. Patients wear 3 sensor modules on thigh, calf and foot. To enhance measuring precision of each sensor module, 3D a...
TIn this paper, Hemiplegic patients have gait characteristics different from normal persons. This paper presents a posture measuring and display system reflecting their characteristics. Patients wear 3 sensor modules on thigh, calf and foot. To enhance measuring precision of each sensor module, 3D accelerometer and 3D gyroscope are combined. Gait posture is displayed in 3D by modeling thigh, calf and foot as connected 3D objects based on data of the sensor modules. For convenience in inspecting unusual gait posture of hemiplegic patients, any view angle of the 3D display can be selected. In addition, the current gait phase of RLA(Rancho Los Amigos) gait cycle is determined and displayed in real-time by utilizing the posture information, The phase sequence and duration of each phase can be used in evaluating gait quality of patients.
TIn this paper, Hemiplegic patients have gait characteristics different from normal persons. This paper presents a posture measuring and display system reflecting their characteristics. Patients wear 3 sensor modules on thigh, calf and foot. To enhance measuring precision of each sensor module, 3D accelerometer and 3D gyroscope are combined. Gait posture is displayed in 3D by modeling thigh, calf and foot as connected 3D objects based on data of the sensor modules. For convenience in inspecting unusual gait posture of hemiplegic patients, any view angle of the 3D display can be selected. In addition, the current gait phase of RLA(Rancho Los Amigos) gait cycle is determined and displayed in real-time by utilizing the posture information, The phase sequence and duration of each phase can be used in evaluating gait quality of patients.
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문제 정의
또한 본 논문에서는 센서 모듈에서 측정된 각을 실시간으로 컴퓨터로 전송하여 3차원 그래픽으로 보여주는데 있어서 대상이 편마비 환자라는 점을 고려하여 허리를 기준점으로 하여 허벅지와 종아리 및 발이 어떤 방향으로 자세를 취하고 있는지를 보여주도록 하였다. 정상적인 사람의 보행에서는 정면의 한 방향에 대한 데이터만 처리하면 되지만 편마비 환자는 다리의 움직임에 여러 방향의 성분이 포함될 수 있기 때문이다.
한 걸음을 움직이는 과정을 처음 발을 앞으로 내미는 단계부터 한걸음이 완성되는 단계까지를 총 8단계 (initial contract, loading response, mid-stance, terminal stance, pre-swing, initial swing, mid-swing, terminal swing)로 구분하고 있다. 본 논문에서는 방대한 보행분석 장비가 없이도 측정된 자세 정보를 기준으로 보행 주기의 8단계가 진행되는 과정을 실시간으로 판단하여 화면에 표시할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 저가이면서도 사용하기 편리한 보행 자세측정 및 디스플레이 시스템을 개발하였다. 가속도 센서와 자이로 센서의 결합을 통해서 자세측정의 정밀도를 높였으며, 보행자세를 3차원으로 시각 방향을 원하는 대로 선택하여 디스플레이 할 수 있게 함으로써 편마비 환자의 보행 특성을 측정하고 분석하는 데에 편리하도록 하였다.
제안 방법
각 단계별 관절의 각도 범위는 문헌에 따라 약간의 차이가 있는데, 표 1은 본 논문에서 적용한 값을 보여준다. 3개의 모듈에서 수집한 x축 방향의 각도를 사용하며, 고관절의 각도는 허벅지 모듈, 슬관절의 각도는 종아리 모듈, 그리고 족관절의 각도는 발 모듈에서 수집한 값을 적용하였다. Midstance 상태의 측정 값을 기본 값으로 설정하고 이후 보행을 통한 값의 변화를 측정하여 적용하였다.
3개의 센서 모듈로부터 수집된 각도를 이용하여 보행 자세를 실시간으로 3차원으로 표시하는 3차원으로 표시하는 프로그램을 LabView를 기반으로 개발하였다. 특히 편마비 환자의 이상 보행 자세를 확인할 수 있도록 임의의 시각에서 3차원으로 볼 수 있도록 하였으며, 발 부분은 접질리는 경우와 같은 뒤틀림을 확인할 수 있도록 별도로 3차원으로 표시하였다.
3개의 모듈에서 수집한 x축 방향의 각도를 사용하며, 고관절의 각도는 허벅지 모듈, 슬관절의 각도는 종아리 모듈, 그리고 족관절의 각도는 발 모듈에서 수집한 값을 적용하였다. Midstance 상태의 측정 값을 기본 값으로 설정하고 이후 보행을 통한 값의 변화를 측정하여 적용하였다.
본 논문에서는 저가이면서도 사용하기 편리한 보행 자세측정 및 디스플레이 시스템을 개발하였다. 가속도 센서와 자이로 센서의 결합을 통해서 자세측정의 정밀도를 높였으며, 보행자세를 3차원으로 시각 방향을 원하는 대로 선택하여 디스플레이 할 수 있게 함으로써 편마비 환자의 보행 특성을 측정하고 분석하는 데에 편리하도록 하였다.
전체 시스템의 구성은 그림 1과 같다. 각 모듈은 각도를 계산하기 위해서 가속도 센서와 자이로 센서의 데이터를 결합하고 Kalman 필터를 적용하여 각 축별 경사각을 계산한다. 보행자세 디스플레이 장치는 각 부위별, 축별 각도를 받아서 LabView를 이용하여 보행 자세를 3차원으로 보여주고, 보행 단계별로 진행되는 과정을 판단하여 표시해 준다.
다른 연구로는 기울기 센서, 자이로 센서, 및 가속도 센서를 복합적으로 사용하여 정상 보행과 편마비 보행시의 출력 곡선의 특징적인 정점을 이용하여 보행주기를 검출하고, 정상 보행과의 비교를 통하여 이상 여부를 분석하였다. 기울기 센서와 가속도 센서는 무릎 아래에 부착하고, 자이로 센서는 발뒤꿈치에 부착하여 각각의 데이터를 분석 시스템으로 전송하여 Matlab으로 분석하였다[10].
정상적인 사람은 정면으로 진행하는 방향의 자세만 측정하면 되지만 편마비 환자는 좌우 방향의 움직임이 수반된다. 따라서 각 부위별로 3차원의 각도를 측정할 필요가 있으므로 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 하나의 모듈에 결합하여 사용하였다. 2가지 센서를 결합하여 사용함으로써 정밀도를 높이면서 각 센서의 특성으로 인한 오차를 줄일 수 있다.
따라서 센서의 기본 방향을 보행시의 기본자세를 기준으로 설정함으로써 90도 근방까지 기울어지는 상황이 발생하지 않도록 하였다.
본 논문에서는 편마비 환자의 특성을 고려하여 보행 중에 허벅지, 종아리 및 발의 자세를 측정하고 실시간으로 3차원 그래픽으로 보여주도록 하였다. 또한 측정된 자세 정보를 기준으로 보행 주기의 단계별 진행되는 과정을 실시간으로 화면에 표시할 수 있도록 하였다.
센서로는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 하나의 모듈로 구성하고 이러한 모듈을 허벅지와 종아리 및 발에 각각 착용하도록 하였다. 보행자의 자세를 측정하는 데 있어서 가속도 센서와 자이로 센서의 데이터를 결합함으로써 정밀도를 높였다. 이들을 결합함으로써 3차원 각의 측정 정밀도를 높일 수 있음은 기존 논문에서 확인할 수 있다[12].
본 논문에서 개발한 프로그램은 3개의 센서 모듈로부터 수집된 보행자세 정보를 이용하여 각 단계를 순차적으로 진행하는 과정을 판단하여 표시하였다. 보행주기는 RLA 방식의 8단계를 적용하였다.
본 논문에서는 편마비 환자의 특성을 고려하여 보행 중에 허벅지, 종아리 및 발의 자세를 측정하고 실시간 3차원 그래픽으로 보여주도록 하였다. 센서로는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 하나의 모듈로 구성하고 이러한 모듈을 허벅지와 종아리 및 발에 각각 착용하도록 하였다.
본 논문에서는 편마비 환자의 특성을 고려하여 보행 중에 허벅지, 종아리 및 발의 자세를 측정하고 실시간으로 3차원 그래픽으로 보여주도록 하였다. 또한 측정된 자세 정보를 기준으로 보행 주기의 단계별 진행되는 과정을 실시간으로 화면에 표시할 수 있도록 하였다.
압력센서를 자이로 센서 및 가속도 센서와 결합하여 활용한 예로는 신발에 3축 가속도 센서와 2축 자이로 센서를 부착하고, 발가락 부분과 발꿈치 부분에 압력 센서들을 배치하여 수집된 데이터를 컴퓨터로 수집하여 분석하였다. 분석 방법은 좌우의 데이터에 대한 대칭성을 분석하여 보행의 비정상 정도를 구분하였다[11].
본 논문에서는 편마비 환자의 특성을 고려하여 보행 중에 허벅지, 종아리 및 발의 자세를 측정하고 실시간 3차원 그래픽으로 보여주도록 하였다. 센서로는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 하나의 모듈로 구성하고 이러한 모듈을 허벅지와 종아리 및 발에 각각 착용하도록 하였다. 보행자의 자세를 측정하는 데 있어서 가속도 센서와 자이로 센서의 데이터를 결합함으로써 정밀도를 높였다.
센서로는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 하나의 모듈로 구성하여 결합함으로써 측정 각도의 정밀도를 높였다. 보행자세의 3차원 디스플레이에서는 원하는 방향의 시각을 자유롭게 조절할 수 있게 함으로써 편마비 환자의 보행자세를 분석하는데 편리하도록 하였다.
압력센서를 자이로 센서 및 가속도 센서와 결합하여 활용한 예로는 신발에 3축 가속도 센서와 2축 자이로 센서를 부착하고, 발가락 부분과 발꿈치 부분에 압력 센서들을 배치하여 수집된 데이터를 컴퓨터로 수집하여 분석하였다. 분석 방법은 좌우의 데이터에 대한 대칭성을 분석하여 보행의 비정상 정도를 구분하였다[11].
따라서 센서의 기본 방향을 보행시의 기본자세를 기준으로 설정함으로써 90도 근방까지 기울어지는 상황이 발생하지 않도록 하였다. 즉, 허벅지 모듈과 종아리 모듈은 착용한 상태로 서 있을 때에 자이로 센서가 수평이 되도록 제작하고, 발 모듈은 발이 수평을 유지할 때 자이로 센서가 수평이 되도록 제작하였다. 그림 2는 모듈별로 센서의 방향을 달리한 외관을 보여준다.
3개의 센서 모듈로부터 수집된 각도를 이용하여 보행 자세를 실시간으로 3차원으로 표시하는 3차원으로 표시하는 프로그램을 LabView를 기반으로 개발하였다. 특히 편마비 환자의 이상 보행 자세를 확인할 수 있도록 임의의 시각에서 3차원으로 볼 수 있도록 하였으며, 발 부분은 접질리는 경우와 같은 뒤틀림을 확인할 수 있도록 별도로 3차원으로 표시하였다.
데이터처리
다른 연구로는 기울기 센서, 자이로 센서, 및 가속도 센서를 복합적으로 사용하여 정상 보행과 편마비 보행시의 출력 곡선의 특징적인 정점을 이용하여 보행주기를 검출하고, 정상 보행과의 비교를 통하여 이상 여부를 분석하였다. 기울기 센서와 가속도 센서는 무릎 아래에 부착하고, 자이로 센서는 발뒤꿈치에 부착하여 각각의 데이터를 분석 시스템으로 전송하여 Matlab으로 분석하였다[10].
이론/모형
#와 #를 결합하여 x축 방향의 각 θx를 구하기 위해서 널리 사용되는 Kalman 필터를 적용하였다.
본 논문에서 개발한 프로그램은 3개의 센서 모듈로부터 수집된 보행자세 정보를 이용하여 각 단계를 순차적으로 진행하는 과정을 판단하여 표시하였다. 보행주기는 RLA 방식의 8단계를 적용하였다. 그림 11은 수집한 각도의 값을 이용하여 RLA 보행주기에 따라 단계별로 현재의 보행자세 (각 화면의 오른쪽)와 보행주기 단계 (각 화면의 왼쪽 표시등)를 표시하고 있는 예를 보여주고 있다.
후속연구
기존의 제품이나 연구결과와의 비교는 대상 장비와 동일한 조건하에서 평가가 이루어져야 하는데 이러한 비교평가는 대상장비를 확보할 수 없어서 현실적으로 쉽지 않다. 대신에 향후 연구로서 임상 데이터를 확보하여 보행 주기별 시간에 따른 보행 자세의 이상 정도를 수치화하고 이를 환자의 보행 자세 평가와 개선 정도를 판정하는 데에 활용할 수 있도록 할 필요가 있다. 또한 발목이 접질리는 상황 등을 자동으로 인식하고 알려주는 기능과 편마비 환자가 일상생활에서 착용하여 자료를 수집할 수 있도록 센서의 데이터를 스마트폰 등의 휴대형 기기를 통하여 수집하고 분석 및 전송하는 기능도 보완이 필요하다.
대신에 향후 연구로서 임상 데이터를 확보하여 보행 주기별 시간에 따른 보행 자세의 이상 정도를 수치화하고 이를 환자의 보행 자세 평가와 개선 정도를 판정하는 데에 활용할 수 있도록 할 필요가 있다. 또한 발목이 접질리는 상황 등을 자동으로 인식하고 알려주는 기능과 편마비 환자가 일상생활에서 착용하여 자료를 수집할 수 있도록 센서의 데이터를 스마트폰 등의 휴대형 기기를 통하여 수집하고 분석 및 전송하는 기능도 보완이 필요하다.
정상적인 보행주기를 기준으로 편마비 환자의 보행주기를 비교하면 보행의 이상 정도를 자동으로 판별할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 포함되어있지 않지만 추가적인 임상실험 결과를 반영하면 가능할 것이다. 8단계를 정상적으로 거치지 않는 경우는 비정상적인 보행으로 판단할 수 있고, 각 단계별 소요시간의 비율을 비정상 정도를 판단하는데 활용할 수 있을 것이다.
논문 [15]에서는 정상보행과 비정상 보행을 구분하는 방법의 하나로서 양다리의 보행자의 보폭, 보행속도, 소요시간을 측정하고 양 발간의 유사성 여부를 통해서 정상보행과 그렇지 않은 비정상 보행을 구분하였다. 본 논문에서와 같이 보행주기의 단계별 진행 과정을 분석하게 되면 임상 분석 자료를 통하여 진행단계의 순서, 단계별 소요시간의 비율 등을 통하여 보행의 특이점을 구별해 낼 수 있게 될 것이다.
8단계를 정상적으로 거치지 않는 경우는 비정상적인 보행으로 판단할 수 있고, 각 단계별 소요시간의 비율을 비정상 정도를 판단하는데 활용할 수 있을 것이다. 환자의 재활 치료 과정에서는 보행주기 데이터의 변화 과정을 비교함으로써 재활 훈련에 따른 개선 정도를 추적 분석할 수도 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인체의 자세를 정확하게 측정하는 시스템의 목적은 무엇인가?
인체의 자세를 정확하게 측정하는 시스템은 모션 캡쳐를 목적으로 하거나 인체의 운동역학적인 정보를 수집하기 위한 것이다. 이를 위한 시스템으로는 인체에 마커를 부착하고 영상 장치를 이용하여 마커의 이동을 추적하는 방법과 [6] 인체에 직접 센서를 부착하여 움직임에 대한 데이터를 수집하는 방법이 있다[7,8].
일상생활에서 무심코 이루어지는 보행은 어떻게 이루어지는가?
일상생활에서 무심코 이루어지는 보행은 근육의 활동과 관절의 움직임이 역학적으로 그리고 시간적으로 잘 조화되어야 이루어질 수 있는 매우 정교한 운동 과정이다. 편마비 환자의 운동형상학적 분석으로서 보행 자세를 측정하고 분석하는 것은 보행이상 여부, 이상 정도, 및 재활 훈련에 의한 개선 정도 등을 파악하는데 아주 중요하다.
인체의 자세를 정확하게 측정하는 시스템에는 무엇이 있는가?
인체의 자세를 정확하게 측정하는 시스템은 모션 캡쳐를 목적으로 하거나 인체의 운동역학적인 정보를 수집하기 위한 것이다. 이를 위한 시스템으로는 인체에 마커를 부착하고 영상 장치를 이용하여 마커의 이동을 추적하는 방법과 [6] 인체에 직접 센서를 부착하여 움직임에 대한 데이터를 수집하는 방법이 있다[7,8]. 영상장치를 사용하기 위해서는 제한된 공간 내에서만 측정이 가능하다는 한계가 있다.
참고문헌 (15)
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J. Favre, B. M. Jolles, O. Siegrist and K. Aminian, "Quaternion-based fusion of gyroscopes and accelerometers to improve 3D angle measurement," Electronics Letters, vol. 42, no. 11, pp. 612-614, May. 2006
Jong Woo Choi, Sei Joo Kim, Sung Bum Ko, Joon Shik Yoon, "The Result of Gait Analysis of Hemiplegic Patients with the Newly Developed Three Dimensional Electrogoniometer Domotion," Korean Journal of Clinical Neurophysiology, 6(1), pp. 35-38, May. 2004
J. Perry and J. Burnfield, Gait Analysis: Normal and Pathological Function, 2nd ed., Slack Inc., 2010
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