본 논문은 하지의 움직임을 측정하고 분석할 수 있는 관성센서 기반 보행분석 시스템에 관한 것이다. 본 시스템 구현을 위해 자이로스코프, 가속도계 및 지자계 신호를 이용한 자세 방위 측정장치 모듈을 일체형으로 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하여 공간상에서 각 분절의 방위각을 제공할 수 있도록 하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 자세 방위 측정장치 모듈의 성능을 평가하기 위하여 3차원 공간상의 변위 및 방위를 밀리미터 해상도로 제공할 수 있는 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였으며, yaw와 pitch에서 1.08, 1.72도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었다. 보행 분석 시스템의 성능 검증을 위하여 7개의 AHRS 모듈을 하지에 부착하고 고관절, 무릎, 발목에 대한 관절각을 계산하여, Vicon과의 비교 실험을 수행하였다. 실험 결과 본 연구에서 개발한 시스템은 뇌졸중 후 회복단계 동안 사지 및 보행 동작을 실시간으로 분석, 제공함으로서 재활의 효과, 난이도 조절 및 피드백 요소를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문은 하지의 움직임을 측정하고 분석할 수 있는 관성센서 기반 보행분석 시스템에 관한 것이다. 본 시스템 구현을 위해 자이로스코프, 가속도계 및 지자계 신호를 이용한 자세 방위 측정장치 모듈을 일체형으로 개발하였으며, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하여 공간상에서 각 분절의 방위각을 제공할 수 있도록 하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 자세 방위 측정장치 모듈의 성능을 평가하기 위하여 3차원 공간상의 변위 및 방위를 밀리미터 해상도로 제공할 수 있는 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였으며, yaw와 pitch에서 1.08, 1.72도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었다. 보행 분석 시스템의 성능 검증을 위하여 7개의 AHRS 모듈을 하지에 부착하고 고관절, 무릎, 발목에 대한 관절각을 계산하여, Vicon과의 비교 실험을 수행하였다. 실험 결과 본 연구에서 개발한 시스템은 뇌졸중 후 회복단계 동안 사지 및 보행 동작을 실시간으로 분석, 제공함으로서 재활의 효과, 난이도 조절 및 피드백 요소를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
In this paper, we present an inertial sensor-based gait analysis system to measure and analyze lower-limb movements. We developed an integral AHRS(Attitude Heading Reference System) using a combination of rate gyroscope, accelerometer and magnetometer sensor signals. Several AHRS modules mounted on ...
In this paper, we present an inertial sensor-based gait analysis system to measure and analyze lower-limb movements. We developed an integral AHRS(Attitude Heading Reference System) using a combination of rate gyroscope, accelerometer and magnetometer sensor signals. Several AHRS modules mounted on segments of the patient's body provide the quaternions representing the patient segments's orientation in space. And a method is also proposed for calculating three-dimensional inter-segment joint angle which is an important bio-mechanical measure for a variety of applications related to rehabilitation. To evaluate the performance of our AHRS module, the Vicon motion capture system, which offers millimeter resolution of 3D spatial displacements and orientations, is used as a reference. The evaluation resulted in a RMSE(Root Mean Square Error) of 1.08 and 1.72 degree in yaw and pitch angle. In order to evaluate the performance of our the gait analysis system, we compared the joint angle for the hip, knee and ankle with those provided by Vicon system. The result shows that our system will provide an in-depth insight into the effectiveness, appropriate level of care, and feedback of the rehabilitation process by performing real-time limb or gait analysis during the post-stroke recovery.
In this paper, we present an inertial sensor-based gait analysis system to measure and analyze lower-limb movements. We developed an integral AHRS(Attitude Heading Reference System) using a combination of rate gyroscope, accelerometer and magnetometer sensor signals. Several AHRS modules mounted on segments of the patient's body provide the quaternions representing the patient segments's orientation in space. And a method is also proposed for calculating three-dimensional inter-segment joint angle which is an important bio-mechanical measure for a variety of applications related to rehabilitation. To evaluate the performance of our AHRS module, the Vicon motion capture system, which offers millimeter resolution of 3D spatial displacements and orientations, is used as a reference. The evaluation resulted in a RMSE(Root Mean Square Error) of 1.08 and 1.72 degree in yaw and pitch angle. In order to evaluate the performance of our the gait analysis system, we compared the joint angle for the hip, knee and ankle with those provided by Vicon system. The result shows that our system will provide an in-depth insight into the effectiveness, appropriate level of care, and feedback of the rehabilitation process by performing real-time limb or gait analysis during the post-stroke recovery.
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문제 정의
본 연구에서는 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 동역학적 움직임을 객관적으로 측정할 수 있는 관성센서 기반 자세·방위 측정장치 모듈을 설계 제작하였다.
본 연구에서는 관성센서를 이용하여 재활 시 해당 신체 부위의 동역학 정보를 정량적으로 분석, 제공하기 위한 보행 분석 시스템을 개발하였다. 특히, 기 개발 되어진 AHRS(Attitude Heading Reference System)을[10] 기반으로 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체 및 소형화된 AHRS 모듈을 개발하였으며, 이들 모듈을 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 방위 정보를 블루투스 무선통신을 통해 PC로 전송하고 움직임을 분석 할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 인체 각 분절에 부착한 AHRS 모듈로부터 전송된 각 분절의 방위각인 오일러각을 기반으로 하여 신체 분절간의 관절각을 보행 주기별로 처리 할 수 있도록 하였다[1,13]. 보행주기는 무릎관절각을 기반으로 구분한 것이다.
본 연구는 뇌졸중 후 회복단계 동안 보행 분석을 실시간으로 제공하기 위하여 관성센서 기반 보행분석 시스템을 개발하였다. 특히, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하여 공간상에서 각 분절의 방위각을 제공할 수 있도록 하였다.
제안 방법
특히, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하여 공간상에서 각 분절의 방위각을 제공할 수 있도록 하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다.
본 연구에서는 관성센서를 이용하여 재활 시 해당 신체 부위의 동역학 정보를 정량적으로 분석, 제공하기 위한 보행 분석 시스템을 개발하였다. 특히, 기 개발 되어진 AHRS(Attitude Heading Reference System)을[10] 기반으로 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체 및 소형화된 AHRS 모듈을 개발하였으며, 이들 모듈을 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 방위 정보를 블루투스 무선통신을 통해 PC로 전송하고 움직임을 분석 할 수 있도록 하였다. 재활에 있어 중요한 요소인 신체 각 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 추출하는 알고리즘을 이용하여 보행 패턴 및 관절각을 분석하였다.
특히, 기 개발 되어진 AHRS(Attitude Heading Reference System)을[10] 기반으로 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체 및 소형화된 AHRS 모듈을 개발하였으며, 이들 모듈을 신체의 각 분절에 부착하여 각 분절의 방위 정보를 블루투스 무선통신을 통해 PC로 전송하고 움직임을 분석 할 수 있도록 하였다. 재활에 있어 중요한 요소인 신체 각 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 추출하는 알고리즘을 이용하여 보행 패턴 및 관절각을 분석하였다. 또한 개발한 시스템을 재활 및 운동 능력 평가에 객관적인 지표로 적용하기 위해 기존에 상용화 된 제품을 이용하여 검증 및 평가하였다.
재활에 있어 중요한 요소인 신체 각 분절(segment)간의 관절각(joint angle)을 추출하는 알고리즘을 이용하여 보행 패턴 및 관절각을 분석하였다. 또한 개발한 시스템을 재활 및 운동 능력 평가에 객관적인 지표로 적용하기 위해 기존에 상용화 된 제품을 이용하여 검증 및 평가하였다.
본 모듈에서 관성센서는 자이로스코프(range ±2000°/s)와 가속도계(range ±2g) 그리고 지자계(range ±12Gauss) 일체형 센서(MPU9150, Invensense, USA)를 이용하였으며, 이들 신호는 각각 100hz로 I2C 통신을 통해 마이크로컨트롤러로 전송되도록 프로그래밍하였다.
보행 분석을 하는데 있어 AHRS 모듈들을 신체의 각 분절에 부착하여 모션을 분석하기 위해서는 모듈간에 구분이 되어야 하므로 헤더(header)에 모듈 아이디로 0x81∼0x87를 부여할 수 있도록 하였다.
본 모듈에서 관성센서는 자이로스코프(range ±2000°/s)와 가속도계(range ±2g) 그리고 지자계(range ±12Gauss) 일체형 센서(MPU9150, Invensense, USA)를 이용하였으며, 이들 신호는 각각 100hz로 I2C 통신을 통해 마이크로컨트롤러로 전송되도록 프로그래밍하였다. 획득된 각속도, 가속도, 지자계 값들을 조합하여 기울기 하강법(gradient descent algorithm)을 이용하여 AHRS 모듈의 방위값인 오일러각(Euler angle) yaw, pitch, roll 값을 구하고, 이들 값들을 블루투스 모듈(PAN1321i, Panasonic, Japan)을 통해 무선으로 PC로 전송하도록 하였다.
보행 분석을 하는데 있어 AHRS 모듈들을 신체의 각 분절에 부착하여 모션을 분석하기 위해서는 모듈간에 구분이 되어야 하므로 헤더(header)에 모듈 아이디로 0x81∼0x87를 부여할 수 있도록 하였다. 오일러 각은 yaw, pitch, roll 각각에 대하여 3바이트를 할당하여, 소숫점 3자리까지 제공할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 기울기 하강법을[10] 기반으로 지구 자기장의 정보를 제공하는 지자계 센서 정보 및 중력 가속도 정보를 제공하는 가속도계 정보를 이용하여 자이로스코프가 제공하는 부정확한 각속도를 보정하면서 적분을 수행하여야 신뢰할 수 있는 방위각, 즉 오일러각을 구할 수 있도록 하였다.
재활 시 보행 분석 동안에 신체 분절 간의 관절각을 측정하기 위해 총 7개의 AHRS system을 부착하였다. 부착 위치는 그림 3과 같이 요추를 포함하여 양쪽 하지의 대퇴골(femur) 및 경골(tibia), 발영역에 스트레치 밴드와 함께 부착하여 AHRS 모듈을 각 모듈에서 전송되는 오일러 각을 이용하여 관절각을 계산하였다.
재활 시 보행 분석 동안에 신체 분절 간의 관절각을 측정하기 위해 총 7개의 AHRS system을 부착하였다. 부착 위치는 그림 3과 같이 요추를 포함하여 양쪽 하지의 대퇴골(femur) 및 경골(tibia), 발영역에 스트레치 밴드와 함께 부착하여 AHRS 모듈을 각 모듈에서 전송되는 오일러 각을 이용하여 관절각을 계산하였다.
식 (9)와 같이 TFATA 행렬의 항들을 이용하여 관절각인 굴곡/신전(flexion/extension), 외전/내전 (abduction/adduction), 내/외회전(internal/external rotation) 구하였다.
보행 분석을 함에 있어 신체 분절 간의 관절각을 주기 별로 분석하기 위해 2.2 절의 예시와 같이 경골 및 대퇴골 에 AHRS 모듈을 각각 부착하여 모듈에서 전송되는 오일러 각을 실제로 획득 및 관절각을 계산하였으며, 무릎 관절각을 기반으로 보행 주기를 구분하였다.
본 논문의 연구는 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하기 위해서 개발한 AHRS에서 전송된 오일러 각신뢰성을 평가하고자 제작한 강체 모델(rigid body model)에 카메라 인식용 마커와 AHRS 모듈을 셋팅하고, Vicon(T-Series, Vicon Motion System, UK)과 결과 값을 비교하였으며, 관절각 추출 알고리즘을 적용한 보행분석 성능을 평가하기 위해 7 개의 AHRS 모듈을 부착해 고관절, 무릎, 발목 에 대한 관절각을 분석하였다.
AHRS와 Vicon 시스템의 샘플링 주파수는 100Hz로 동일하게 설정하였으며, 실험은 2분 동안 강체 모델의 회전에 대한 오일러 각을 각각 측정하였다. 그림 9는 각 시스템으로부터 측정된 결과를 동시에 보여주고 있다.
두 시스템 간의 동기화를 맞추기 위해 실험 시작 시 트리거(trigger)를 준 시점부터 데이터를 비교하였으며, 동일한 프로토콜로 10회 실험을 반복하였다. 실험 결과 평균 제곱근 오차는 yaw 에서 1.
보행 분석 동안에 양쪽 하지의 분절 간의 관절각을 측정하기 위해 총 7개의 AHRS system을 부착하였다. 부착 위치는 요추를 포함하여 양쪽 하지의 경골 및 대퇴골, 발에 부착하여 AHRS 모듈을 각 모듈에서 전송되는 오일러 각을 기반으로 2.
보행 분석 동안에 양쪽 하지의 분절 간의 관절각을 측정하기 위해 총 7개의 AHRS system을 부착하였다. 부착 위치는 요추를 포함하여 양쪽 하지의 경골 및 대퇴골, 발에 부착하여 AHRS 모듈을 각 모듈에서 전송되는 오일러 각을 기반으로 2.2절에서 기술한 관절각 추출 알고리즘을 이용하여 계산하였다. 실험은 15미터의 거리를 보행하면서 각각의 분절에 부착된 AHRS로부터 얻어진 오일러 각을 이용하여 관절각을 계산하였으며, 동일한 프로토콜로 10명을 대상으로 10회 실험을 반복하였다.
2절에서 기술한 관절각 추출 알고리즘을 이용하여 계산하였다. 실험은 15미터의 거리를 보행하면서 각각의 분절에 부착된 AHRS로부터 얻어진 오일러 각을 이용하여 관절각을 계산하였으며, 동일한 프로토콜로 10명을 대상으로 10회 실험을 반복하였다.
본 연구는 뇌졸중 후 회복단계 동안 보행 분석을 실시간으로 제공하기 위하여 관성센서 기반 보행분석 시스템을 개발하였다. 특히, 다수의 모듈을 환자의 분절에 부착하여 공간상에서 각 분절의 방위각을 제공할 수 있도록 하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다.
대상 데이터
그림 2는 제작한 AHRS 모듈의 외관도 및 3축 방향을 보여주고 있다. 본 모듈은 무선시스템으로 효율적인 소모 전력 관리를 위하여 저전력을 지원하는 마이크로컨트롤러(MSP430F5338, TI, USA)를 사용하였으며, 배터리는 마이크로컨트롤러의 적정 구동 전압 및 장시간의 데이터 측정을 위하여 휴대폰에서 사용되는 충전 가능한 리튬이온 배터리를 사용하였다. 본 모듈에서 관성센서는 자이로스코프(range ±2000°/s)와 가속도계(range ±2g) 그리고 지자계(range ±12Gauss) 일체형 센서(MPU9150, Invensense, USA)를 이용하였으며, 이들 신호는 각각 100hz로 I2C 통신을 통해 마이크로컨트롤러로 전송되도록 프로그래밍하였다.
데이터처리
그림 8은 강체 모델을 이용하여 AHRS에서 전송된 오일러 각을 평가하기 위한 실험으로서, 1개의 AHRS 모듈과 Vicon 모션 캡처 시스템(10대의 적외선 카메라와 12개 마커를 이용)과의 비교함으로서 성능 평가를 수행하였다.
성능/효과
두 시스템 간의 동기화를 맞추기 위해 실험 시작 시 트리거(trigger)를 준 시점부터 데이터를 비교하였으며, 동일한 프로토콜로 10회 실험을 반복하였다. 실험 결과 평균 제곱근 오차는 yaw 에서 1.08, pitch에서 1.72 도로서 동작함을 확인할 수 있었다.
실험결과 보행 주기 마다 양쪽 하지에서의 관절각 패턴이 안정적으로 얻을 수 있음을 확인하였다.
관절각 오차에 대한 성능 검증은 4.1 절에서 기술한 것과 같이 Vicon 모션캡처 시스템을 이용하였으며, 7개의 AHRS 모듈을 그림3과 같이 배치하여 3명을 대상으로 각각 10회 보행을 실행한 결과 평균 제곱근 오차는 고관절, 무릎, 발목에서 각각 2.21, 3.19, 3.64 도로서 동작함을 알 수 있었다.
개발한 시스템 검증을 위하여 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였으며, yaw 와 pitch에서 1.08, 1.72도의 평균 제곱근 오차가 발생함을 확인하였다. 또한 7개의 분절로 이루어진 전신(하지) 모델을 만들어 실시간 모션 캡처링이 가능함을 확인하였고, 관절각 추출 알고리즘 성능 평가 결과는 제작한 지그를 이용하여 45, 90, 135, 180도 회전에 대해 각도계를 놓고 10회 반복 실험을 수행하였으며, 실험 결과 최대 1.
72도의 평균 제곱근 오차가 발생함을 확인하였다. 또한 7개의 분절로 이루어진 전신(하지) 모델을 만들어 실시간 모션 캡처링이 가능함을 확인하였고, 관절각 추출 알고리즘 성능 평가 결과는 제작한 지그를 이용하여 45, 90, 135, 180도 회전에 대해 각도계를 놓고 10회 반복 실험을 수행하였으며, 실험 결과 최대 1.32도의 오차를 보였으며, Vicon 시스템을 이용하여 실제 보행을 통한 추가적인 검증 결과 평균 제곱근 오차는 고관절, 무릎, 발목에서 각각 2.21, 3.19, 3.64 도로서 동작함을 알 수 있었다. 결과에서 얻은 관절각 오차는 사지 및 보행 분석에 있어 허용오차 범위라고 판단되며, 제작한 AHRS에서 사용하는 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체함으로서 센서간의 정합상의 어긋남에서 오는 오차를 줄일 수 있게 되었다.
64 도로서 동작함을 알 수 있었다. 결과에서 얻은 관절각 오차는 사지 및 보행 분석에 있어 허용오차 범위라고 판단되며, 제작한 AHRS에서 사용하는 자이로스코프와 가속도계/지자계 센서를 일체형으로 교체함으로서 센서간의 정합상의 어긋남에서 오는 오차를 줄일 수 있게 되었다.
후속연구
본 연구를 통해 개발 된 보행 분석 시스템을 활용한다면 착용의 불편함과 제한된 환경 조건이 없고, 저가의 비용으로 사지 및 보행 동작에 대해 실시간으로 객관적인 데이터를 제공함으로서 재활의 효과를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
편마비란 무엇인가?
편마비는 CVA (Cerebral Vascular Accident)에 따라 발생하는 전형적인 장애이다. 뇌의 영역에 공급하는 동맥의 혈액이 급격히 응고 또는 파열에 의해 중단되었을 때 뇌졸중이 생긴다.
기존의 광학식 카메라의 단점을 보완하기 위해 어떠한 보행 분석을 사용하는가?
이러한 단점을 보완하기 위하여 최근 연구에서는 관성센서(IMU: Inertial Measurement Units)를 이용한 보행 분석 연구들이 진행되어 오고 있다[7-9]. 관성센서 즉, 자이로스코프(Gyroscope), 가속도계(Accelerometer), 지자계(Magnetometer) 센서를 이용하여 중력과 각속도 등을 측정할 수 있으며, 자이로스코프를 이용한 오일러각 yaw, pitch, roll 축 각도에 대한 변화를 검출 할 수 있다. 관성센서는 상기 기술한 모션 트래킹 센서와 달리 작은 사이즈와 적은 비용, 높은 정확성을 가지고 있으며, 휴대하기가 용이해 뇌졸중 환자로 하여금 보행 분석을 하는데 공간적 제약이 없다는 장점이 있다.
뇌졸중의 원인에는 어떠한 것들이 있는가?
뇌의 영역에 공급하는 동맥의 혈액이 급격히 응고 또는 파열에 의해 중단되었을 때 뇌졸중이 생긴다. 뇌졸중의 가장 빈번한 원인은 내경동맥이나 중대뇌 동맥 (76 %) 또는 대뇌 반구 운동 영역의 혈전증, 추골 동맥의 유사한 병리은 뇌간손상 (15 %)을 일으키며. 출혈은 뇌졸중 (9 %)로서 드문 원인이다[1]. 이러한 증상들은 심혈관 질환의 악화와 뇌졸중을 일으키는 원인이 되며, 발병 후 한쪽 상지 혹은 하지의 운동 기능을 손상시켜 균형 감각을 상실하게 된다[2].
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