[논문]관성센서 기반 신발형 보행 분석기의 신뢰성 연구

주지용; 김영관; 박재영

doi:10.5103/kjsb.2015.25.1.123

관성센서 기반 신발형 보행 분석기의 신뢰성 연구
Reliability of 3D-Inertia Measurement Unit Based Shoes in Gait Analysis 원문보기

한국운동역학회지 = Korean journal of sport biomechanics, v.25 no.1, 2015년, pp.123 - 130

주지용 (전남대학교 대학원 체육학과) , 김영관 (전남대학교 사범대학 체육교육과) , 박재영 (동신대학교 보건복지대학 운동처방학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose : The purpose of this study was to investigate the reliability of 3D-inertia measurement unit (IMU) based shoes in gait analysis. This was done with respect to the results of the optical motion capturing system and to collect reference gait data of healthy subjects with this device. Methods : The Smart Balance$^{(R)}$ system of 3D-IMU based shoes and Osprey$^{(R)}$ motion capturing cameras were used to collect motion data simultaneously. Forty four healthy subjects consisting of individuals in 20s (N=20), 40s (N=13), and 60s (N=11) participated in this study voluntarily. They performed natural walking on a treadmill for one minute at 4 different target speeds (3, 4, 5, 6 km/h), respectively. Results : Cadence (ICC=.998), step length (ICC=.970), stance phase (ICC=.845), and double-support phase (ICC=.684) from 3D-IMU based shoes were in agreement with results of optical motion system. Gait data of healthy subjects according to different treadmill speeds and ages were matched to previous literature showing increased cadence and reduced step length for elderly subjects. Conclusion : Conclusively, 3D-IMU based shoes in gait analysis were a satisfactory alternative option in measuring linear gait parameters.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구의 목적은 동일한 대상으로 보행을 실시하였을 때 신발바닥에 탑재한 관성센서에서 측정한 보행변인 결과가 광학식 장비 결과와 얼마나 일치도가 있는가를 파악하는 것이다. 또한 20대, 40대, 60대 연령별로 보행특성을 파악하여 연령대에 따른 정상인 보행 자료를 축적하고자 하였다.
본 연구에서는 광학식 장비의 대안으로 개발된 관성센서기반 신발형 보행 분석기의 신뢰성을 파악하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
최근에 대안으로 관성센서 또는 가속도계를 이용한 보행분석 장비들이 많이 나오고 있다. 본 연구에서는 새롭게 시도되는 신발형 보행 분석기의 신뢰성을 파악하고자 하였다. 44명의 피험자를 대상으로 4가지 다른 보속 조건에서 보행을 수행하도록 하였다.
본 연구의 목적은 동일한 대상으로 보행을 실시하였을 때 신발바닥에 탑재한 관성센서에서 측정한 보행변인 결과가 광학식 장비 결과와 얼마나 일치도가 있는가를 파악하는 것이다. 또한 20대, 40대, 60대 연령별로 보행특성을 파악하여 연령대에 따른 정상인 보행 자료를 축적하고자 하였다.

가설 설정

Figure 3. Definition of stride time, stance phase, and double-support phase. Heel strike (□) was local minimum and toe-off (○) was local maximum point during heel and toe markers' anterior-posterior position(Zeni et al.

제안 방법

3차원 마커 위치 자료를 컴퓨터에 내려 받아 상용소프트웨어인 Matlab®(ver. 2009b, MathWorks Inc., USA)에서 광학식 카메라에서 얻어지는 선형보행 계수들은 도출해 내었다.
Smart Balance® 프로그램 내에서는 Greene 등(2010)과 Sabatini 등(2005)의 자동 발뒷꿈치 착지(heel strike: HS)와 발끝 이지(toe-off: TO) 감지 로직에 따라 발생하는 보행 주요 시점들을 기준으로 시계열 변인인 보폭시간(stride time), 보빈도(cadence), 입각기(stance time), 양발지지지(double-support time) 등을 계산해 내었다.
◦보폭(step length) : 트레드밀 속력을 고정 변인으로 설정하고 ‘속력 = 보빈도 × 보폭’의 관계식에서 구하였다.
44명의 피험자를 대상으로 4가지 다른 보속 조건에서 보행을 수행하도록 하였다. 관성센서 기반 신발형 보행 분석기에서 획득한 선형보행계수 결과를 광학식 시스템 결과와 비교하여 그 신뢰성을 파악하였다.
관성센서 기반 신발형 보행 분석기의 신뢰성을 측정하기위해 광학식 장비 결과값을 기준으로 두 방법의 급내 상관계수(intra-class correlation, ICC)를 살펴보았다. ICC가 0.
대표적인 선행보행계수인 보빈도(cadence), 보폭(step length), 양발지지기(double-support phase), 입각기(stance phase)를 살펴보았다. 피험자들의 전체 보행 주기를 다 고려한 ICC에서 보빈도는 0.
본 실험에서는 4가지 보속 조건(3, 4, 5, 6 km/h)을 설정하였다. 각 조건의 순서는 역균형설계법(counter-balance design)에 따라 정하였다.
본 연구에서는 두 가지 장비를 이용하여 보행분석을 각각 실시하였다. 첫째 신발형 관성센서 기반 보행 분석기로는 Smart Balance® SB-1 (JEIOS, USA)을 사용하였다.
◦트레드밀 계측 속력(measured treadmill speed): 트레드밀 메뉴판에서 속력을 설정하고 보행을 실시하지만, 피험자의 질량이나 트레드밀 모터의 성능에 따라 실측값(real value)이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 뒷꿈치 마커의속력 그래프를 구한 후 HS부터 뒷꿈치 마커가 지면을 떠나는 순간까지 평균 속력을 구한 후 트레드밀 계측 속력으로 정의하였다.
첫째 신발형 관성센서 기반 보행 분석기로는 Smart Balance® SB-1 (JEIOS, USA)을 사용하였다.
, USA)와 20개의 반사마커를 사용하였다. 하지 운동학적 자료 취득을 위해 양쪽 다리 부위의 대전자, 허벅지, 무릎, 종아리, 발목, 신발의 앞꿈치, 전족의 좌우, 뒤꿈치 위와 아래에 마커를 위치시켰다(Figure 2). 3차원 마커 위치 자료를 컴퓨터에 내려 받아 상용소프트웨어인 Matlab®(ver.

대상 데이터

본 연구에서는 새롭게 시도되는 신발형 보행 분석기의 신뢰성을 파악하고자 하였다. 44명의 피험자를 대상으로 4가지 다른 보속 조건에서 보행을 수행하도록 하였다. 관성센서 기반 신발형 보행 분석기에서 획득한 선형보행계수 결과를 광학식 시스템 결과와 비교하여 그 신뢰성을 파악하였다.
근신경계 이상이 없고 최근 6월간 근골격계 부상이 없는 성인 44명이 연구 대상자로 본 연구에 참여하였다. 실험 전에 연구 대상자들에게 실험 목적과 방법에 대해 설명하였으며 C대학 연구윤리위원회의 허락을 득한 연구 참여 동의서로 서면 동의를 받은 후 실험을 실시하였다.
둘째, 관성센서의 신뢰성을 측정하기 위해 4대의 광학식 카메라(Osprey®, Motion Analysis Coorp., USA)와 20개의 반사마커를 사용하였다.
실험 전에 연구 대상자들에게 실험 목적과 방법에 대해 설명하였으며 C대학 연구윤리위원회의 허락을 득한 연구 참여 동의서로 서면 동의를 받은 후 실험을 실시하였다. 연령대 별 효과를 파악하기 위해 연구대상자들을 20대, 40대, 60대로 제한하였다. 참여자들의 인구통계학적 변인과 신체적 정보는 [Table 1]과 같았다.
피험자는 ‘시작’ 구령에 따라 설정된 보속으로 트레드밀 위에서 보행을 실시하였고, 30초 이상 흐른 후 안정적인 보행 형태를 보이면 60초 동안 자료를 수집하였다.

데이터처리

True error and % error were based on the results of optical motion measurement system. DS stands for double support.
◦보빈도(cadence) : 60초 측정구간 내에서 발생한 첫 번째 HS 시점과 마지막 HS 시점의 시간차를 구하고 전체 HS 갯수에서 한 개를 뺀 수의 비율로서 계산하였다.

이론/모형

본 실험에서는 4가지 보속 조건(3, 4, 5, 6 km/h)을 설정하였다. 각 조건의 순서는 역균형설계법(counter-balance design)에 따라 정하였다. 피험자는 ‘시작’ 구령에 따라 설정된 보속으로 트레드밀 위에서 보행을 실시하였고, 30초 이상 흐른 후 안정적인 보행 형태를 보이면 60초 동안 자료를 수집하였다.
정상인 보행 자료 데이터 분석은 이원혼합분산분석(two-waysmixed analysis of variance)을 따랐으며, 보속과 연령대를 요인으로 설정하였다. 통계처리는 상용 소프트웨어인 SPSS(ver.

성능/효과

결론적으로 관성센서 기반 신발형 보행 분석기는 ‘만족’ 또는 ‘탁월’한 선형보행계수 신뢰도를 보여 저비용으로 빠르게 보행변수를 측정해야하는 곳에서 카메라 장비를 대신할 만하다고 하겠다.
넷째, 동일 보속에서 60대 피험자는 20대 피험자보다 노인은 젊은이보다 빠른 보빈도와 줄어든 보폭을 보여 주었다.
이원혼합분산분석결과 양발지지기와 입각기 모두 상호작용효과와 주효과과 없었다. 단지 평균값에서 보속이 빨라짐에 따라 양발지지기와 입각기가 감소하였고, 동일 보속 조건에서는 연령대가 올라감에 따라 양발지지기와 입각기가 증가하는 추세를 보여 주었다.
둘째, 유각기와 양발지지기의 급내 상관계수는 TO 정의 알고리즘의 차이에 기인한 것으로 생각되었다.
광학식 장비의 단점은 HS과 TO 시점이 필터링할 때 차단주파수(cutoff frequency)에 따라 매우 민감하게 달라진다는 것이다(Tirosh & Sparrow, 2003). 따라서 유각기와 양발지지기의 ICC 결과는 TO 시점을 정의할 때 관성센서나 광학식 시스템이 지니고 있는 알고리즘 때문에 발생한 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 동일 보속 조건을 유지 시켰을 경우 20대와 60대 결과 비교해 보면 60대의 보빈도가 유의하게 빨라졌고, 보폭이 유의하게 감소하였다. 또한 통계적으로 유의하지 않았지만 연령대가 높아짐에 따라 입각기와 양발지지기가 증가함을 알 수 있었다. 이러한 증가 현상은 연령대가 높을수록 보행 안정성(stability) 확보를 위한 순응으로 해석되었다.
보속에 따른 ICC를 살펴보면 저속보다는 고속 조건에서 관성센서 기반 신발형 보행 분석기의 일치도가 증가함을 알 수 있었다. 이는 관성센서가 지닌 내재적인 문제에 일부 기인한 것으로 볼 수 있었다.
Winter 등(1990)의 결과를 보면 연령대가 높아지면서 균형감과 근력이 많이 떨어져 편하게 여기는 보속과 보폭이 유의하게 줄었다. 본 연구에서는 동일 보속 조건을 유지 시켰을 경우 20대와 60대 결과 비교해 보면 60대의 보빈도가 유의하게 빨라졌고, 보폭이 유의하게 감소하였다. 또한 통계적으로 유의하지 않았지만 연령대가 높아짐에 따라 입각기와 양발지지기가 증가함을 알 수 있었다.
보행에 있어서는 뒷꿈치 보다는 앞끝 움직임을 기준으로 시점을 정하는 것이 더 어렵다. 본 연구에서도 뒷꿈치 움직임으로 정의되는 보빈도의 ICC는 상당히 높았다. 하지만, 발끝으로 정의되는 TO 시점은 일관성이 떨어졌기 때문에 입각기와 양발지지기에서 낮은 ICC가 나타났다.
셋째, 정상인들은 보속이 증가함에 따라 보빈도와 보폭이 커졌다.
실험 결과 관성센서 기반 신발형 보행 분석기의 신뢰도는 ‘만족(good)’또는 ‘탁월(excellent)’ 수준이라고 할 수 있었다.
이원혼합분산분석 결과 상호작용효과는 없었고, 보속에 의한 주효과만 나타났다(F=4.93, p<.01).
[Table 4와 5]는 보속과 연령대에 따라 변화하는 양발지지기와 입각기에 대한 결과를 나타낸 것이다. 이원혼합분산분석결과 양발지지기와 입각기 모두 상호작용효과와 주효과과 없었다. 단지 평균값에서 보속이 빨라짐에 따라 양발지지기와 입각기가 감소하였고, 동일 보속 조건에서는 연령대가 올라감에 따라 양발지지기와 입각기가 증가하는 추세를 보여 주었다.
정상인의 보행 특성을 보면 보속이 증가함에 따라 보빈도와 보폭이 모두 증가하였다. 이는 기존 연구 결과와 유사하며 신발형 보행 분석기가 광학식 장비와 유사한 결과를 얻어 낼 수 있다고 하겠다(Eun & Lee, 2004; Yoon, Park, & Damiano,2012).
첫째, 보빈도(ICC=.998)와 보폭(ICC=.970) 결과는 광학식 장비와 일치도가 ‘탁월(excellent)’했으며, 유각기(ICC=.845)와 양발지지기(ICC=.684) 결과는 일치도가 ‘만족(good)’ 수준이었다.

후속연구

보속이 증가하면서 상대오차는 줄었지만 지정된 보속과 12% 이상 상대오차가 발생하였다. 따라서 캘리브레 이션이 잘 된 트레드밀을 사용하거나 지면보행을 통한 데이터 획득이 더 정확한 보행자료 분석이 될 것으로 생각되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광학식 측정 시스템의 장점은?	, 2013). 광학식 측정 시스템은 신체 움직임을 잘 추적하고 세세한 변인까지 정확히 도출할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 하지만, 장비가 고가이고 큰 공간 확보가 필요하며 실험 전 카메라 셋팅과 캘리브레이션 작업, 실험 후 수정작업에 상당히 많은 시간이 소비되는 단점이 있어 빠른 진단 결과를 요하는 임상 현장에서는 구축하기가 어렵다.
	광학식 측정 시스템의 단점에 대한 대안은?	하지만, 장비가 고가이고 큰 공간 확보가 필요하며 실험 전 카메라 셋팅과 캘리브레이션 작업, 실험 후 수정작업에 상당히 많은 시간이 소비되는 단점이 있어 빠른 진단 결과를 요하는 임상 현장에서는 구축하기가 어렵다. 이에 대한 대안으로 최근 가격이 저렴하고 사용하기 쉬우면서 적은 공간에서 효과적으로 사용할 수 있는 관성센서나 전자기장센서 기반의 웨어러블 센서 타입 보행 측정장비가 많이 개발되고 있다(Brandes, Zijlstra, Heikens, vanLummel, & Rosenbaum, 2006; Choi, Kang, Mun, Bang, &Tack, 2009; Liu, Inoue, & Shibata, 2009; Takeda, Tadano,Natorigawa, Todoh, & Yoshinari, 2009)
	보행이란?	보행(gait)은 무게중심을 이동하는 행위로 인간에게는 걷기와 뛰기 형태가 있다. 보행은 자유로운 삶을 유지할 수 있게 하는 기본 동작이기 때문에 보행분석 연구는 동작분석 역사와 함께 100여년 넘게 이루어져 왔다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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