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문제 정의
- 류마티스 환자나 오십견 환자 등 관절염 증세가 있다고 움직이지 않으면 관절이 약해져 더 증세가 악화될 수 있기 때문에 굳은 관절을 풀어주고 관절의 움직이는 범위가 커지도록 근육 운동이 포함된 물리적 재활 운동이 필수적으로 요구된다. 띠라서 본 연구에서는 관절 강화를 위해 처방된 재활 운동을 수행하도록 하기 위해 모션 센싱 장치인 키넥트를 이용한 스마트 원격 재활 운동 시스템과 실시간 건강 체크 피드백을 제공하는 모니터링 설계와 프로타입 단계의 개발을 하고자 한다. 의사나 물리치료사에 의해 처방된 운동을 따라하면서 정확한 동작을 수행하도록 하며 환자들인 경우 무리한 운동을 자제해야 하므로 건강이상 유무를 실시간 판단할 수 있도록 웨어러블 셔츠(wearable shirts)에 장착된 ECG센서를 이용한 심박수 체크를 할 수 있다.
- 본 연구는 다양한 재활 환자 중 류마티스 관절염(rheumatoid arthritis) 환자나 무릎 관절 수술 후 재활을 필요로 하는 환자나 오십견과 같은 어깨 통증 환자를 위한 재활 운동을 수행하도록 한다. 대한류마티스학회에서 2014년 발표에 따르면 우리나라 류마티스 관절염 환자는 진단받는 속도가 선진국에 비해 3~5배 정도 느리며 초기부터 관절 손상이 시작돼 치료가 불충분할 경우 증상발현의 2년이내 환자들 중 70%가 관절 손상이 발생되어 일상생활 기능장애를 앓는다고 한다.
- 본 연구의 스마트 원격 재활 운동 시스템을 구성하고 있는 중요한 2가지 모듈인 생체신호의 가장 기본 신호인 심박수 측정 및 칼로리량 측정을 위해 자체 설계 및 제작된 웨어러블 ECG 모듈과 재활운동 동작 치료를 위해 마이크로소프트사의 모션 센싱 장치인 키넥트 센서 모듈 부분에 대해 다음 절부터 상세히 살펴본다.
- 또한 ECG센서가 부착된 웨어러블 셔츠를 착용하여 실시간으로 입력되는 환자의 심박동수를 좌하단 위치의 그래프 화면으로 표시한다. 환자의 심박동수 값을 저장하여 재활 운동 치료 결과값과 같이 의사 및 재활센터에 전달 할 수 있는 기능을 제공하기 위해 저장된다. 이러한 기능은 환자가 재활 운동 시 시간에 따른 심박동수를 계산하여 화면에 출력시키며, 환자의 칼로리 소모량도 재활 운동 중 환자의 생체 신호를 확인할 수 있 는 피드백 기능을 제공한다.
제안 방법
- ECG신호의 경우 앞서 말했듯이 신호 자체가 아주 낮은 전압이므로 주변에 사소한 잡음에도 신호에 영향을 미칠 수 있다. 그래서 우선 사용자의 호흡이나 운동 등으로 인해 발생하는 잡음을 제거하기 위하여 0.34 Hz의 차단 주파수를 가지는 고주파 통과 필터(high pass filter, HPF)회로를 설계하였고, 능동소자(OPA379, TI Inc. USA)를 이용해서 신호를 27.6배 증폭시켰다.
- 계산된 기울기 값은 비연속적인 파형의 위치나 Peak같이 극치값을 가지는 부분에서 크게 나타난다. 네 번째 단계인 Squaring operation은 이전 단계를 거친 후 크기가 작아서 비교하기 힘든 신호를 제곱하여 모두 양의 값으로 전환하고, Peak신호를 제곱하여 다른 신호들과 구분하기 용이하도록 설계하였다. 마지막으로 다섯 번째 단계인 Moving window integrator는 윈도우 영역을 해당 윈도우의 크기로 나누어 해당 영역의 평균을 구하는 방식을 사용하여 신호에 앞의 과정을 거친 후에도 남아있는 기타 잡음을 제거하도록 하였다.
- 획득된 각 관절의 값은 의사가 처방한 동영상과 더불어 처방된 참조 관절값 정보를 담고 있는 스켈레탈 데이터(skeletal data)와 환자의 재활 운동 수행에서 획득된 관절 값들을 포함한 스켈레탈 데이터와 비교하여 수행 정확도 평가를 위해 유사도 측정을 시행한다. 또한 물리 재활 운동 치료 중 건강 상태 체크를 위한 ECG 신호를 활용하여 환자의 심박동 수를 측정하고 시간에 따른 심박동 수 움직임을 측정함으로써 무리한 운동을 할 경우 환자에게 경고를 알리는 메시지나 비프 사운드 같은 알림 피드백을 주도록 하였다.
- 네 번째 단계인 Squaring operation은 이전 단계를 거친 후 크기가 작아서 비교하기 힘든 신호를 제곱하여 모두 양의 값으로 전환하고, Peak신호를 제곱하여 다른 신호들과 구분하기 용이하도록 설계하였다. 마지막으로 다섯 번째 단계인 Moving window integrator는 윈도우 영역을 해당 윈도우의 크기로 나누어 해당 영역의 평균을 구하는 방식을 사용하여 신호에 앞의 과정을 거친 후에도 남아있는 기타 잡음을 제거하도록 하였다.
- 의사나 재활 센터에서 환자에게 필요한 재활 운동 비디오 및 평가를 위해 필요한 스켈레탈 데이터를 인터넷을 통해 환자에게 보내오면 환자는 처방받은 동영상의 재활운동을 따라 물리적 재활 치료과정을 수행한다. 먼저 시스템은 키넥트를 통해 환자 등의 사용자를 검출하고, 움직이는 사용자의 포즈 측정을 위해 스켈레탈 캘리브레이션(skeletal calibration) 단계를 수행한다. 이 단계는 관절의 위치 정보 획득과 사용자의 뼈대 형태인 스켈레탈 추적을 위한 몸을 구성하는 각 관절 검출을 위해 필요한 단계이며, 사용자의 스켈레탈 데이터 검출이 성공한 다음은 환자의 포즈 검출 및 추적을 하며 수행 후 정확히 수행했는지의 유사도 측정을 위한 분석을 하게 된다.
- 모션 센싱 장치인 키넥트 센서를 이용하여 칼라영상 및 깊이 영상을 캡쳐하여 3차원 물체영상 정보를 추출하여 재활 운동을 수행하는 환자의 움직임에 따른 각 관절의 값을 획득한다. 획득된 각 관절값은 의사나 물리치료사에 의해 처방된 참조 동영상 및 처방된 참조 스켈레탈 정보의 관절값과 획득된 관절값을 비교하여 수행 정확도 평가를 하게 된다.
- 모션 센싱 장치인 키넥트와 웨어러블 ECG 센서를 활용한 스마트 원격 재활 운동 시스템을 제안하였다. 운동 재활을 위해 환자가 어색해하는 환경보다 친숙한 환경인 가정에서 재활운동을 지속적으로 훈련이 가능함으로써 보다 효과적인 결과를 도출해낼 수 있다고 본다.
- 본 논문에서 사용된 ECG모듈은 자체 제작하여 웨어러블 셔츠에 부착하여 사용자가 옷을 착용한 후 측정하여 원 데이터 (raw data)신호를 Pan & Tomkins 알고리즘을 적용시킨 후 블루투스 통신으로 PC에 전송하여 수신된 신호의 크기인 R-R peak 값을 프로그램 좌측 하단 그래프에 실시간으로 표시하도록 하였다.
- 본 논문에서 제안하는 스마트 원격 재활 운동 시스템 전체 구성은 Fig. 1과 같으며 가정에서 재활운동 치료를 받는 환자영역과 재활 치료를 위한 진료 및 처방을 하는 의료 영역으로 크게 구분될 수 있다.
- 본 연구에서 사용된 재활 운동 동작은 양팔벌리고 왼발들고 서있기, 양팔벌리고 오른발 들고 서있기, 의자에 앉았다 일어서기, 양팔모으고 왼발들고 서있기, 양팔모으고 오른팔들고 서있기, 스쿼트로 구성된 6가지 동작으로 구성된 재활운동을 실시하였다.
- 운동 재활을 위해 환자가 어색해하는 환경보다 친숙한 환경인 가정에서 재활운동을 지속적으로 훈련이 가능함으로써 보다 효과적인 결과를 도출해낼 수 있다고 본다. 본 연구에서는 관절 강화 및 신체 균형 유지를 위해 처방된 재활 운동을 수행하도록 하기 위해 모션 센싱 장치인 키넥트를 이용한 스마트 원격 재활 운동 시스템과 실시간 건강 체크 피드백을 제공하는 모니터링 시스템을 구현하였으며 의사나 물리치료사에 의해 처방된 운동을 따라 하면서 정확한 동작을 수행하도록 하며 환자들인 경우 무리한 운동을 자제해야 하므로 건강이상 유무를 실시간 판단할 수 있으며 운동하는 동안 느끼는 불편을 해소하기 위해 웨어러블 셔츠(wearable shirts)를 착용하여 가슴부위에 장착된 ECG센서를 이용한 심박수 체크를 할 수 있다. 환자 개인의 재활 수행 후 획득된 건강 정보 데이터를 의사나 재활치료센터에 피드백을 제공함으로써 개인맞춤형 최적의 재활운동량과 강도를 설정하여 처방될 수 있도록 하는 중요한 정보로 활용될 수 있다.
- 본 연구에서는 위의 식을 사용하여 이용자의 심박수에 따른 칼로리를 성별에 따라 구할 수 있도록 하였다[13].
- 본 연구에서의 자체 제작된 웨어러블 ECG신호 감지 모듈은 사용자의 착용성 향상을 위해 가슴 벨트형으로 구성되어있다. ECG센서는 Fig.
- 의사나 물리치료사에 의해 처방된 운동을 따라하면서 정확한 동작을 수행하도록 하며 환자들인 경우 무리한 운동을 자제해야 하므로 건강이상 유무를 실시간 판단할 수 있도록 웨어러블 셔츠(wearable shirts)에 장착된 ECG센서를 이용한 심박수 체크를 할 수 있다. 사용자가 운동하는 동안 느끼는 불편을 해소하기 위해 ECG센서를 가슴 부위에 탈부착 가능한 웨어러블 장치를 이용하여 건강상태 체크하였다.
- 블루투스의 경우 Slave Mode 3으로 설정하여 마스터와 통신연결이 끊겼을 경우 마스터와 재연결이 가능한 상태로 제작하였다. 신호의 샘플링의 경우 1초에 100번 측정을 기준하여 0.01초마다 1회 샘플링 하도록 설계하였다.
- 심박수를 이용한 운동에 의한 소모 칼로리 계산의 경우 운동별 지수나 BMI 등 추가적인 자료를 필요로 하는 다른 칼로리 계산 방법과는 달리 사용자의 나이와 몸무게 등의 기본적인 신체정보와 심장박동수를 이용하여 소모한 칼로리의 양을 간단히 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 오십견이나 류마티스 관절염 환자를 위한 관절강화 재활 운동의 한 종류인 스쿼트(squat, 기마자세)에 대한 재활 동작을 다양한 연령대에 실시하여 측정하였다. 해당 실험을 통해 Fig.
- 또한 실시간 입력되는 환자의 심박동수를 스마트 원격 재활운동 시스템 화면에서 신호 출력 화면 및 심박동수 확인이 가능하다. 의사에 의해 처방된 재활 동영상의 관절의 위치값을 저장하고 있는 스켈레탈 데이터와 환자의 스켈레탈 데이터의 정확도 검증을 위해 템플리트 매칭(template matching) 기법을 사용하여 비교 분석하였으며 측정된 유사도값이 80% 이상 나온다면 수행 성공을 알려주고, 그렇지 않은 경우 재수행하도록 피드백 정보 메시지를 표시해준다. 환자가 재활 운동 수행 시 심박수와 칼로리 소모량을 실시간 알려주고 정상 심박수 범위를 벗어날 경우 비프 사운드나 경고 메시지를 알려주도록 한다.
- 먼저 시스템은 키넥트를 통해 환자 등의 사용자를 검출하고, 움직이는 사용자의 포즈 측정을 위해 스켈레탈 캘리브레이션(skeletal calibration) 단계를 수행한다. 이 단계는 관절의 위치 정보 획득과 사용자의 뼈대 형태인 스켈레탈 추적을 위한 몸을 구성하는 각 관절 검출을 위해 필요한 단계이며, 사용자의 스켈레탈 데이터 검출이 성공한 다음은 환자의 포즈 검출 및 추적을 하며 수행 후 정확히 수행했는지의 유사도 측정을 위한 분석을 하게 된다. 또한 실시간 입력되는 환자의 심박동수를 스마트 원격 재활운동 시스템 화면에서 신호 출력 화면 및 심박동수 확인이 가능하다.
- Tompkins가 개발한 Pan and Tompkins 알고리즘을 현재까지도 널리 사용되고 있다[9]. 이에 본 논문에서는 Pan and Tompkins 알고리즘과 유사한 개선된 알고리즘을 사용하여 ECG 신호에서 QRS파형을 검출하고 심장박동수를 측정 및 분석함으로써 환자의 재활운동 시 건강상태와 칼로리 소모량을 측정하도록 하였다. Pan and Tompkins 알고리즘은 측정된 ECG신호를 Fig.
- 다음 단계로 234 Hz의 차단 주파수를 가지는 저주파 통과 필터(low pass filter, LPF)로 신호를 통과시키고 난 후에 능동소자 2개에 각각 입력되게 되는데, 각각의 능동소자는 다른 역할을 한다. 첫 번째 능동소자의 경우 입력된 신호를 다시 10배 증폭하여 234 Hz의 차단 주파수를 가지는 저주파 통과 필터에 통과 시켜 원하는 ECG신호를 추출하는 역할을 하고, 두 번째 능동 소자의 경우 ECG신호의 출력 범위 조절 및 기타 잡음을 제거 하는 역할을 하도록 설계하였다. Fig.
- 모션 센싱 장치인 키넥트 센서를 이용하여 칼라영상 및 깊이 영상을 캡쳐하여 3차원 물체영상 정보를 추출하여 재활 운동을 수행하는 환자의 움직임에 따른 각 관절의 값을 획득한다. 획득된 각 관절값은 의사나 물리치료사에 의해 처방된 참조 동영상 및 처방된 참조 스켈레탈 정보의 관절값과 획득된 관절값을 비교하여 수행 정확도 평가를 하게 된다.
- 환자의 재활 운동 측정은 3차원 영상 정보를 제공하는 모션 센싱기반 키넥트 센서를 이용하여 환자의 움직임에 따른 각 관절의 값을 획득한다. 획득된 각 관절의 값은 의사가 처방한 동영상과 더불어 처방된 참조 관절값 정보를 담고 있는 스켈레탈 데이터(skeletal data)와 환자의 재활 운동 수행에서 획득된 관절 값들을 포함한 스켈레탈 데이터와 비교하여 수행 정확도 평가를 위해 유사도 측정을 시행한다. 또한 물리 재활 운동 치료 중 건강 상태 체크를 위한 ECG 신호를 활용하여 환자의 심박동 수를 측정하고 시간에 따른 심박동 수 움직임을 측정함으로써 무리한 운동을 할 경우 환자에게 경고를 알리는 메시지나 비프 사운드 같은 알림 피드백을 주도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서의 자체 제작된 웨어러블 ECG신호 감지 모듈은 사용자의 착용성 향상을 위해 가슴 벨트형으로 구성되어있다. ECG센서는 Fig. 2와 같이 2개의 보드를 결합하는 형태로 제작하였고, 결합 시 상단에 위치한 보드에는 MCU와 블루투스 모듈(FB155BC, Firmtech Co., Korea) 그리고 ECG모듈의 배터리 장착을 위한 소켓으로 제작되었다. MCU의 경우 센서에서 측정된 신호의 잡음을 없애고 원하는 신호를 얻기 위한 작업과 A/ D변환, 타이머와 카운터 기능 등을 수행하기 위하여 마이크로프로세서(ATmega128, Atmel Co.
이론/모형
- 8. ECG signal processing using the Pan and Tompkins algorithm.
성능/효과
- 12와 같이 스쿼트 동작인 정자세와 기마자세를 10초간 60회를 반복하여 총 10분간 수행하는 동안 측정된 심박수와 평균 심박수의 비교 결과를 Table 2와 같이 동일한 운동량과 강도로 측정을 하였음에도 불구하고 피실험자에 따라 다양한 결과를 보여주고 있으며, 재활 운동 수행 후 총 칼로리 소모량을 나타내고 있다. 각 피실험자들의 평균 심박수와 재활 운동 시 측정된 심박수 비교에서 실험자A와 실험자B의 경우 실험자의 평균 심박수와 재활운동 시의 심박수가 40 bpm정도의 증가를 보였으나 연령에 따른 적정운동량으로 비교하면 최대운동량의 50~60% 정도로 낮게 나온 반면에 실험자C와 실험자D의 경우에는 70~80% 정도의 운동강도로 측정되었다. 또한 실험자F의 경우에는 80~90%의 운동강도를 초과하여 거의 최대 심박수와 운동량 강도에 도달하여 실시된 결과를 보였다.
- 그러나 환자를 대상으로 재활 운동을 수행하는 본 논문의 실험 결과를 바탕으로 각 개인의 최대 심박수에 도달할 정도의 극한 운동을 요구하지는 않기 때문에 보편적으로 분당 120∼140회 정도까지 상승하게 된다.
- 각 피실험자들의 평균 심박수와 재활 운동 시 측정된 심박수 비교에서 실험자A와 실험자B의 경우 실험자의 평균 심박수와 재활운동 시의 심박수가 40 bpm정도의 증가를 보였으나 연령에 따른 적정운동량으로 비교하면 최대운동량의 50~60% 정도로 낮게 나온 반면에 실험자C와 실험자D의 경우에는 70~80% 정도의 운동강도로 측정되었다. 또한 실험자F의 경우에는 80~90%의 운동강도를 초과하여 거의 최대 심박수와 운동량 강도에 도달하여 실시된 결과를 보였다. 따라서 환자들마다 재활 운동 수행 시 측정된 재활운동량 강도가 다른 결과를 보였으며 이러한 정보들을 의사나 재활치료센터에 피드백을 제공함으로써 개인맞춤형 최적의 재활운동량과 강도를 설정하여 처방될 수 있도록 하는 중요한 정보로 활용될 수 있다.
- 564 kcal 이다. 마지막으로 스트레칭을 5분간 하였을 때는 분당 90회에서 70회까지로 심박수가 점점 감소하면서 운동 전의 정상 심박수로 하락하였고, 칼로리 소모량은14.523 kcal로 나타났다. 30분동안 재활 운동을 수행한 후 총 칼로리 소모량은 170.
- 또한 현재의 의료장비의 경우 원격진료를 위해 필요한 장비가 고가의 장비이기 때문에 의료시설 구축하는데 경제적 부담이 클 것으로 본다. 이러한 부담을 충분히 해소하기 위해 본 연구에서는 가정에 데스크탑이나 랩탑이 있는 경우에 키넥트를 설치하여 큰 어려움 없이 재활을 돕기 위한 시스템 구축이 가능하다는 장점을 준다.
- 11은 27세 남성 실험자가 수행한 시작 스트레칭 5분, 재활 운동 20분, 마무리 스트레칭 5분으로 구성된 총 30분 동안의 재활운동 과정에서 발생하는 심박수의 변화를 구간별로 측정한 그래프 결과 화면이다. 처음 재활운동을 시작하기 전에 스트레칭을 5분간 수행하였을 때는 평상시의 심박수 분당 60회와 거의 차이가 없는 분당 65~75회의 심박수와 6.983 kcal의 칼로리 소모량을 나타내었고, 본격적으로 재활운동을 20분간 실시하였을 때에는 보다 증가한 분당 100~120회의 심박수 변화를 나타내었으며 칼로리 소모량은 148.564 kcal 이다. 마지막으로 스트레칭을 5분간 하였을 때는 분당 90회에서 70회까지로 심박수가 점점 감소하면서 운동 전의 정상 심박수로 하락하였고, 칼로리 소모량은14.
- 오십견이나 류마티스 관절염 환자를 위한 관절강화 재활 운동의 한 종류인 스쿼트(squat, 기마자세)에 대한 재활 동작을 다양한 연령대에 실시하여 측정하였다. 해당 실험을 통해 Fig. 12와 같이 스쿼트 동작인 정자세와 기마자세를 10초간 60회를 반복하여 총 10분간 수행하는 동안 측정된 심박수와 평균 심박수의 비교 결과를 Table 2와 같이 동일한 운동량과 강도로 측정을 하였음에도 불구하고 피실험자에 따라 다양한 결과를 보여주고 있으며, 재활 운동 수행 후 총 칼로리 소모량을 나타내고 있다. 각 피실험자들의 평균 심박수와 재활 운동 시 측정된 심박수 비교에서 실험자A와 실험자B의 경우 실험자의 평균 심박수와 재활운동 시의 심박수가 40 bpm정도의 증가를 보였으나 연령에 따른 적정운동량으로 비교하면 최대운동량의 50~60% 정도로 낮게 나온 반면에 실험자C와 실험자D의 경우에는 70~80% 정도의 운동강도로 측정되었다.
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