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문제 정의
- 추후 실험에 편마비와 파킨슨병 등 병적인 기전으로 인하여 좌우의 보행이 비대칭인 환자들을 상대로 실험을 실시하여 보행 불균형의 정확도와 신뢰성을 높일 수 있을 것이라고 생각한다. 또한 임상에서의 실용을 위해 더 좋은 성능의 센서, 착용했을 때의 편리함을 고려한 디자인을 구상 중이며, 기존의 3차원동작 분석기와 비교 분석하여 보행 불균형 환자의3차원 보행 특성을 더욱 명확하게 분석하고자 한다.
- 이에 반해 발목 가속도 등을 이용한 연구는 비교적 공간적인 제한도 적을뿐더러 비용 측면에서도 여러 장점을 나타낸다. 본 논문에서는 3축 가속도 센서기반의 무선 보행 측정 시스템을 제안하여 보행 시 발목 가속도를 측정하였고, 비교적 분석이 간단한 좌우 비대칭인 비정상보행을 판단하였다. 3축 가속도 센서로부터 획득한 데이터를 정규화 처리한 후, ROCC를 이용하여 정상적인 보행의 대칭성과 비정상적인 보행의 대칭성을 비교 분석하였다.
- 이를 해결하기 위해 최근에 가볍고 비용이 저렴한 가속도 센서를 이용하여 일상생활에서 인간의 행동을 인식하고 동작을 분석하여 여러 분야에 활용하려는 노력들이 다양하게 진행되고 있다[3][5-8]. 본 연구에서는 효율적으로 보행 진단을 할 수 있는 가속도센서 기반의 3축 무선 보행 측정 시스템을 제안한다.
제안 방법
- 전송된 신호는 장치에서 연동된 데이터 수집용 응용 프로그램을 이용하였다. 30초 동안 획득한 데이터를 정규화 및 동기화로 처리하여 왼발, 오른발 가속도 데이터의 상호상관계수를 계산하였다.
- 3축 가속도 센서로부터 획득한 데이터를 정규화 처리한 후, ROCC를 이용하여 정상적인 보행의 대칭성과 비정상적인 보행의 대칭성을 비교 분석하였다. 3축 가속도 센서 기반의 무선 보행 측정 시스템을 통해 측정된 정상보행과 1.5cm의 굽을 차례로 추가하여 최대 6cm 까지 임의의 불균형을 만들어 실험을 실시한 비정상 보행의 발목 가속도의 값을 상하방향, 전후방향, 좌우방향으로 나누어 결과를 고찰하였다. 결과를 보면 보행 불균형이 발생할수록 ROCC의값이 점차 기준에서 멀어졌으며 제안된 시스템을 이용하여 보행 불균형 판단이 가능한 것으로 분석되었다.
- 본 논문에서는 3축 가속도 센서기반의 무선 보행 측정 시스템을 제안하여 보행 시 발목 가속도를 측정하였고, 비교적 분석이 간단한 좌우 비대칭인 비정상보행을 판단하였다. 3축 가속도 센서로부터 획득한 데이터를 정규화 처리한 후, ROCC를 이용하여 정상적인 보행의 대칭성과 비정상적인 보행의 대칭성을 비교 분석하였다. 3축 가속도 센서 기반의 무선 보행 측정 시스템을 통해 측정된 정상보행과 1.
- 그림 3은 본 연구에서 제안한 보행분석 시스템의 블록도를 보여준다. ATMEL사의 ATmega2560 CPU 칩으로 구성된 마이크로 컨트롤러 보드 Arduino Mega2650이 3축 가속도센서로부터 데이터를 획득한 후 ITEAD사의 블루투스 모듈 HC-05를 이용하여 컴퓨터에 전송하면, 컴퓨터는 전송된 데이터를 이용하여 상호상관분석 방법으로 보행 대칭성을 판단하도록 하였다.
- 본 연구에서는 보행에서의 좌, 우의 보행불균형을 판단하는 실험으로써, 또한 신뢰도와 비교실험을 위하여 정상 보행과 비대칭성을 나타내는 불균형 보행이 필요하다. 따라서 피 실험자는 먼저정상 보행을 실시한 후, 충분한 휴식을 가지고 보행 불균형을 만드는 1.5cm, 3.0cm, 4.5cm, 6.0cm인 굽을 이용하여 총 5회 실험을 반복 진행하였다.
- 발목의 가속도에 의해서 보행의 불균형이 올바르게 판단하는지 확인하기 위해 보행 불균형을 만드는 굽의 높이를 0cm ∼ 6cm 까지 1.5cm 간격으로 조절하여 총 5회 실험의 결과를 서로 비교하였다.
- 본 논문에서는 그림 5와 같이 발목 가속도 측정기기에서 연동된 데이터 수집용 응용 프로그램을 이용하여 발목 가속도 신호를 확인하고 저장한다. 이 윈도우 응용 프로그램은 자체 개발한 Qt Creator 기반의 C++언어로 작성하는 다 채널 데이터 수집 소프트웨어이며, 데이터 모니터 기능, 그래프 모니터 기능, 데이터 저장 기능 총 세 부분으로 구성되었다.
- 본 논문에서는 발목의 가속도 측정을 위하여 3축 가속도 측정기를 사용하였으며, 3축 가속도 측정기는 사람이 보행 시의 전진방향을 전 방향으로 정하여 사람의 상하방향 (x축), 전후방향 (y축), 좌우방향 (z축)의 보행 가속도를 측정한다. 3축 가속도 센서를 붙인 부위는 그림 8과 같다.
- 본 연구에서는 보행 시 발목의 가속도를 이용하여 보행의 불균형을 판단한다. 불균형 보행을 할 때는 좌우가 대칭되지 않고 발목이 상하방향, 전후방향, 좌우방향에 있는 가속도가 다르다는 것을 착안하여 연구를 시작하였다.
- 본 연구에서는 왼발과 오른발의 발목 가속도를 측정한 후 양발의 상호상관계수를 계산한다. 두 랜덤 프로세스 X(t) 및 Y(t)의 상호상관함수(cross-corr elation function)는 식(1)로 정의되었다.
- 본 연구에서는 보행 시 발목의 가속도를 이용하여 보행의 불균형을 판단한다. 불균형 보행을 할 때는 좌우가 대칭되지 않고 발목이 상하방향, 전후방향, 좌우방향에 있는 가속도가 다르다는 것을 착안하여 연구를 시작하였다. 발목의 가속도에 의해서 보행의 불균형이 올바르게 판단하는지 확인하기 위해 보행 불균형을 만드는 굽의 높이를 0cm ∼ 6cm 까지 1.
- 인간의 육체 활동의 가속도 범위는 ±12g이며[10], 본 연구에서는 가속도 센서는 3축의 가속도성분을 측정할 수 있는 Invensense사의 MPU6050를 사용하였고 ±16g의 범위에 해당하는 값을 ±32768의 데이터로 출력하여 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신으로 Arduino 보드와 연결하였다.
대상 데이터
- 인간의 육체 활동의 가속도 범위는 ±12g이며[10], 본 연구에서는 가속도 센서는 3축의 가속도성분을 측정할 수 있는 Invensense사의 MPU6050를 사용하였고 ±16g의 범위에 해당하는 값을 ±32768의 데이터로 출력하여 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신으로 Arduino 보드와 연결하였다. 가속도 센서의 표본화율은 100Hz이고 본 연구에서는 16bits인 아날로그디지털 변환기를 이용하여 가속도의 디지털 신호를 받는다. 또한 5Hz 저역통과 필터를 사용하여 전처리를 한다.
- 각 실험자는 총 30초의 보행을 실시하였다. 측정된 데이터는 100Hz로 표본화되어 Bluetooth로 측정기기와 연결된 PC로 전송된다.
- 병적보행과 관련된 외상이나 질병이 없는 20대의건강한 성인 남성 10명을 대상으로 실험을 진행하였다. 표 1은 실험 대상자의 특성을 보여준다.
데이터처리
- 각 활보의 상관계수를 이용하여 정상보행의 상관계수와 비정상보행의 상관계수의 비인 ROCC을 계산하였다. 본 연구에서는 보행에서의 좌, 우의 보행불균형을 판단하는 실험으로써, 또한 신뢰도와 비교실험을 위하여 정상 보행과 비대칭성을 나타내는 불균형 보행이 필요하다.
- 그리고 통계적으로 paired t-test를 이용하여 0∼6cm의 보행 상태에서 p < 0.05의 값을 가지므로 제안된 3축 가속도를 이용한 보행 편위 분석시스템으로 보행 불균형 평가를 할 수 있다는 것을 통계 유의성 검정에 의하여 확인하였다.
- 본 논문에서는paired t-test를 이용하여 표 3과 같이 정상상태와 비교할 때 굽 1.5cm인 보행 상태 시 p-value는 x축1,000 × 10-4, y축 4,000 × 10-4, z축 3.336 × 10-8, 굽3.0cm인 보행 상태 시 p-value는 x축 5.8389 × 10-11,y축 1.6083 × 10-9, z축 2.310 × 10-11, 굽 4.5cm인 보행 상태 시 p-value는 x축 7.3919 × 10-11, y축3.8347 × 10-14, z축 4.251 × 10-11, 굽 6.0cm인 보행상태 시 p-value는 x축 4.2593 × 10-11, y축1.3418 × 10-11, z축 6.133 × 10-8으로 계산하였으며, 모두에서 p < 0.05의 값을 가지므로 제안된 3축 가속도를 이용한 보행 편위 분석 시스템으로 보행 불균형 평가를 할 수 있다는 것을 통계 유의성 검정에 의하여 확인하였다.
- 제안한 3축 가속도 센서를 이용하여 ROCC 값을통한 보행 편위 평가 방법의 성능을 검증하기 위하여 통계적이 유의성을 판단하였다. 본 논문에서는paired t-test를 이용하여 표 3과 같이 정상상태와 비교할 때 굽 1.
이론/모형
- 보행 시 발생하는 편위를 정량화하기 위하여 보행 불균형 지표를 사용하였다. 보행 불균형을 정량화하기 위해 사용되는 지표는 여러 가지가 있으며[11-14], 본 연구에서는 가속도 신호에 적용할 수 있는 ROCC(ratio of correlation coefficient)[6][15]를 이용하여 좌우 불균형을 판단하였다.
- 보행 시 발생하는 편위를 정량화하기 위하여 보행 불균형 지표를 사용하였다. 보행 불균형을 정량화하기 위해 사용되는 지표는 여러 가지가 있으며[11-14], 본 연구에서는 가속도 신호에 적용할 수 있는 ROCC(ratio of correlation coefficient)[6][15]를 이용하여 좌우 불균형을 판단하였다.
성능/효과
- 1.5cm 간격으로 보행 불균형을 만들어 보행 가속도를 비교하였을 경우 왼발과 오른발의 발목 가속도의 상호상관계수가 달라져 보행의 불균형이 발생하였으며, 이를 이용하여 ROCC값을 계산한 결과그림 10에서 보는 바와 같이 정상보행 시의 경우ROCC의 값은 기준값으로 1이 되고 보행불균형이 발생할수록 ROCC의 값이 점차 기준에서 감소하였다. 이러한 변화의 추이를 쉽게 표현하기 위해 거듭제곱을 사용하였고 거듭제곱 곡선을 보면 Y축인 전후방향의 값의 변화량이 많음을 알 수 있다.
- 5cm의 굽을 차례로 추가하여 최대 6cm 까지 임의의 불균형을 만들어 실험을 실시한 비정상 보행의 발목 가속도의 값을 상하방향, 전후방향, 좌우방향으로 나누어 결과를 고찰하였다. 결과를 보면 보행 불균형이 발생할수록 ROCC의값이 점차 기준에서 멀어졌으며 제안된 시스템을 이용하여 보행 불균형 판단이 가능한 것으로 분석되었다. 그리고 통계적으로 paired t-test를 이용하여 0∼6cm의 보행 상태에서 p < 0.
- 5cm 간격으로 보행 불균형을 만들어 보행 가속도를 비교하였을 경우 왼발과 오른발의 발목 가속도의 상호상관계수가 달라져 보행의 불균형이 발생하였으며, 이를 이용하여 ROCC값을 계산한 결과그림 10에서 보는 바와 같이 정상보행 시의 경우ROCC의 값은 기준값으로 1이 되고 보행불균형이 발생할수록 ROCC의 값이 점차 기준에서 감소하였다. 이러한 변화의 추이를 쉽게 표현하기 위해 거듭제곱을 사용하였고 거듭제곱 곡선을 보면 Y축인 전후방향의 값의 변화량이 많음을 알 수 있다.
- 표 2와 같이 0∼6.0cm의 비정상 보행 시의 왼발과 오른발을 비교하여 얻은 ROCC 지수는 1.5cm의비정상 보행의 경우 상하방향 0.8996, 전후방향0.9344, 좌우방향 0.8929, 3.0cm의 비정상 보행의 경우 상하방향 0.741, 전후방향 0.6512, 좌우방향0.7475, 4.5cm의 비정상 보행의 경우 상하방향 0.627, 전후방향 0.4, 좌우방향 0.6975, 6.0cm의 비정상 보행의 경우 상하방향 0.4367, 전후방향 0.2055, 좌우방향0.6165로 보행 불균형을 판단 할 수 있었다.
후속연구
- 각 활보의 상관계수를 이용하여 정상보행의 상관계수와 비정상보행의 상관계수의 비인 ROCC을 계산하였다. 본 연구에서는 보행에서의 좌, 우의 보행불균형을 판단하는 실험으로써, 또한 신뢰도와 비교실험을 위하여 정상 보행과 비대칭성을 나타내는 불균형 보행이 필요하다. 따라서 피 실험자는 먼저정상 보행을 실시한 후, 충분한 휴식을 가지고 보행 불균형을 만드는 1.
- 05의 값을 가지므로 제안된 3축 가속도를 이용한 보행 편위 분석시스템으로 보행 불균형 평가를 할 수 있다는 것을 통계 유의성 검정에 의하여 확인하였다. 추후 실험에 편마비와 파킨슨병 등 병적인 기전으로 인하여 좌우의 보행이 비대칭인 환자들을 상대로 실험을 실시하여 보행 불균형의 정확도와 신뢰성을 높일 수 있을 것이라고 생각한다. 또한 임상에서의 실용을 위해 더 좋은 성능의 센서, 착용했을 때의 편리함을 고려한 디자인을 구상 중이며, 기존의 3차원동작 분석기와 비교 분석하여 보행 불균형 환자의3차원 보행 특성을 더욱 명확하게 분석하고자 한다.
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