[논문]균형 재활 훈련을 위한 특정 회전 움직임에서 피검자 동작 분석을 위한 깊이 센서 기반 키넥트 시스템의 정확성 및 부정확성 평가

김충연; 정호현; 전성철; 장경배; 전경진

doi:10.9718/jber.2015.36.5.228

균형 재활 훈련을 위한 특정 회전 움직임에서 피검자 동작 분석을 위한 깊이 센서 기반 키넥트 시스템의 정확성 및 부정확성 평가
Evaluation of Accuracy and Inaccuracy of Depth Sensor based Kinect System for Motion Analysis in Specific Rotational Movement for Balance Rehabilitation Training 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.36 no.5, 2015년, pp.228 - 234

김충연 (한국생산기술연구원 의료복지그룹) , 정호현 (세종대학교 기계공학과) , 전성철 (부산테크노파크 고령친화센터) , 장경배 (고려사이버대학교 기계제어공학과) , 전경진 (한국생산기술연구원 의료복지그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The balance ability significantly decreased in the elderly because of deterioration of the neural musculature regulatory mechanisms. Several studies have investigated methods of improving balance ability using real-time systems, but it is limited by the expensive test equipment and specialized resources. Recently, Kinect system based on depth data has been applied to address these limitations. Little information about accuracy/inaccuracy of Kinect system is, however, available, particular in motion analysis for evaluation of effectiveness in rehabilitation training. Therefore, the aim of the current study was to evaluate accuracy/inaccuracy of Kinect system in specific rotational movement for balance rehabilitation training. Six healthy male adults with no musculoskeletal disorder were selected to participate in the experiment. Movements of the participants were induced by controlling the base plane of the balance training equipment in directions of AP (anterior-posterior), ML (medial-lateral), right and left diagonal direction. The dynamic motions of the subjects were measured using two Kinect depth sensor systems and a three-dimensional motion capture system with eight infrared cameras for comparative evaluation. The results of the error rate for hip and knee joint alteration of Kinect system comparison with infrared camera based motion capture system occurred smaller values in the ML direction (Hip joint: 10.9~57.3%, Knee joint: 26.0~74.8%). Therefore, the accuracy of Kinect system for measuring balance rehabilitation traning could improve by using adapted algorithm which is based on hip joint movement in medial-lateral direction.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

그러나 이 연구에서는 피검자의 동적 움직임 유도를 위하여 임의적인 무작위방향으로 기저면을 제어하는 조건에서 진행 되어, 어느 방향의 회전 움직임에서 깊이 센서 기반 키넥트 시스템의 정확성이 담보되는지 그리고 어느 방향의 회전 움직임에서 깊이 센서 기반 키넥트 시스템의 오류가 어느 정도 발생되는지에 대한 평가가 고려되지 않은 한계점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에 있어서는 특정 기저면의 움직임 방향에 따른 균형 훈련 시 피검자의 균형 능력을 평가하기 위한 동작 분석에 있어 특정 방향의 회전 움직임에서 깊이 센서 기반의 키넥트 시스템이 어느 정도 정확성과 오류를 가질 수 있는지에 대하여 검증하고자 하였다.

제안 방법

이때 적외선 카메라 기반 삼차원 모션 캡쳐 시스템은 깊이 센서 기반 키넥트 시스템의 피검자 동적 움직임 측정 정확성을 검증하기 위하여 사용하였다. 그리고 피검자 동적 움직임의 정량화를 위하여, 각 시스템으로부터 획득된 동적 움직임 정보를 기반으로 인체 질량 중심 및 주요 하체 관절인 엉덩이 관절과 무릎 관절의 각도 변화를 분석 평가하였다. 깊이 센서 기반 키넥트 시스템을 통하여 획득된 동적 움직임에 대한 분석은 iPi motion capture studio(iPi soft, Russia)와 Biomech addon (iPi soft, Russia)을 사용하여 수행하였으며, 적외선 카메라를 기반 삼차원 모션 캡쳐 시스템을 통하여 획득된 동적 움직임에 대한 분석은 Nexus (NEXUS, VICON Motion System Ltd.
1 m 수직 방향으로 이동하여 발판 부위가 최대 ± 15º범위 내에서 다양한 축을 기준으로 자유로이 회전이 가능하도록 제작하고 안전을 위하여 기저면의 최대 회전 동작 범위를 회전축을 중심으로 ± 9º로 제한하였다. 시험은 피검자의 AP 방향(Anterior-Posterior)과 ML 방향 (Medial-Lateral)과 두 방향이 결합된 좌측 및 우측 대각선 방향(Diagonal), 총 4가지 방향의 피검자 동적 움직임이 유도되도록 기저면이 제어되도록 설정하여 진행하였으며, 피검자는 가능한 스스로 균형을 유지 할 수 있는 범위 내에서 동적 움직임을 허용하였다. 또한 측정 및 시험 오류를 최소화하기 위하여 피검자당 한 방향에서 3번 반복적으로 수행하여 총 6번의 실험을 진행하였으며, 이전 시험으로 인한 피검자의 운동피로도 영향을 가능한 최소화하기 위하여 각 시험 사이간 10분의 휴식 시간을 피검자에게 부여하였다.

대상 데이터

피검자는 근골격/신경계에 장애가 없으며, 균형 능력이 정상 범주에 속하는 건강한 성인 남성 6명(나이: 26.2세 ± 3.7)으로 선정하였다. 평균 신장, 체중 그리고 체질량 지수(BMI, Body Mass Index)는 175.

데이터처리

깊이 센서 기반 키넥트 시스템과 적외선 카메라 기반 삼차원 모션 캡쳐 시스템을 통하여 획득된 피검자의 하체 관절 각도 변화의 에러율을 각도 변화 범위에 대한 차이로 정의하였다. 또한, 피검자의 운동 방향에 대해 발생한 에러율에 대한 유의한 차이를 확인하기 위하여, 통계 분석 프로그램 SPSS(IBM SPSS Software, USA)을 사용하여 일원배치 분산분석(One-way ANOVA: Analysis of variance)를 실시하였다. 이때 유의수준인 p < 0.

이론/모형

그리고 피검자 동적 움직임의 정량화를 위하여, 각 시스템으로부터 획득된 동적 움직임 정보를 기반으로 인체 질량 중심 및 주요 하체 관절인 엉덩이 관절과 무릎 관절의 각도 변화를 분석 평가하였다. 깊이 센서 기반 키넥트 시스템을 통하여 획득된 동적 움직임에 대한 분석은 iPi motion capture studio(iPi soft, Russia)와 Biomech addon (iPi soft, Russia)을 사용하여 수행하였으며, 적외선 카메라를 기반 삼차원 모션 캡쳐 시스템을 통하여 획득된 동적 움직임에 대한 분석은 Nexus (NEXUS, VICON Motion System Ltd., UK)을 이용하여 수행하였다. 마지막으로 각 시스템으로부터 최종적으로 획득된 주요 하체 관절 각도 변화를 서로 비교 평가하여 깊이 센서 기반 키넥트 시스템을 검증하였다.

성능/효과

깊이 센서 기반 키넥트 시스템의 정면에 해당하는 피검자의 Frontal Plane 평면에서의 Medial-Lateral 방향의 엉덩이 관절 변화 특성 분석에서 적외선 카메라 기반 3차원 동작분석 장비와 비교 했을 때 오차율이 최소 10.9% 에서 최대 57.3% 로 발생하였다. 동일 조건에서 무릎 관절의 경우, 오차율이 최소 26.
3% 로 발생하였다. 동일 조건에서 무릎 관절의 경우, 오차율이 최소 26.0% 에서 74.8% 로 발생하였다. 따라서 균형 재활 훈련을 위해 기저면이 움직이는 조건에서 사용자의 하체 관절 각도 변화 측정값의 정확성을 향상시키기 위해서는 ML 방향의 엉덩이 관절 측정값을 기준으로 하는 알고리즘 개선과 측정값 보정이 필요한 것으로 판단되며, 정확도가 향상된 키넥트 카메라를 이용하여 비주기적이고 복합적인 균형 훈련간 사용자의 하체 관절 움직임에 대한 분석 평가가 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

8% 로 발생하였다. 따라서 균형 재활 훈련을 위해 기저면이 움직이는 조건에서 사용자의 하체 관절 각도 변화 측정값의 정확성을 향상시키기 위해서는 ML 방향의 엉덩이 관절 측정값을 기준으로 하는 알고리즘 개선과 측정값 보정이 필요한 것으로 판단되며, 정확도가 향상된 키넥트 카메라를 이용하여 비주기적이고 복합적인 균형 훈련간 사용자의 하체 관절 움직임에 대한 분석 평가가 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	균형 능력 평가를 위해 요구되는 것은?	특히, Hur 등[10]은 피검자 골반의 후방 방향에서 하중을 주어 동요(perturbation)를 일으킨 후 발생하는 COM과 COP의 특성 변화를 복합적으로 활용하여 분석한 균형 지수를 제시하였으며, Mayagoita 등[11]과 Yang 등[12]은 관성 센서 기반 시스템을 사용하여 직립상태에서 측정된 가속도 및 속도 변화와 COP의 특성 변화를 활용한 균형 지수를 제시하였고, Clark 등[13]은 양발에 걸친 체중 부하 대칭도(Weight bearing asymmetry)와 COP를 복합적으로 활용한 균형 지수를 제시하고 각 연구 결과에서 이러한 균형 지수 변화 특성을 분석하여 균형 능력 정도를 평가하고자 하였다. 그러나 이러한 균형 능력 평가를 위해서는 기본적으로 고가의 적외선 카메라 기반 삼차원 모션 캡쳐 시스템 또는 관성 센서 기반 시스템 등의 특수 시험 장비가 요구되고 있으며, 이러한 시험 장비 설치를 위한 공간 및 숙련된 인력 제공의 제약과 실시간 데이터 분석을 통한 결과 제공이 제한되는 점 등의 한계점을 내포하고 있다. 결과적으로 지속적이고 최적화된 균형 훈련 제공을 위한 실시간 균형 능력 평가 및 반영에 있어 본질적인 제약성을 가지고 있다.
	지속적이고 최적화된 균형 훈련 제공을 위한 실시간 균형 능력 평가 및 반영에 대한 제약성을 해결하기 위한 시도된 것은?	결과적으로 지속적이고 최적화된 균형 훈련 제공을 위한 실시간 균형 능력 평가 및 반영에 있어 본질적인 제약성을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 가격이 다소 저렴한 깊이 센서 기반 키넥트 시스템을 적용한 균형 훈련과 동작 분석 평가를 위한 시스템으로 개발 활용하고자 하는 시도가 이루어지고 있으나[14-17], 깊이 센서 기반 키넥트 시스템이 피검자의 운동 방향에서 정량적으로 평가된 검증 연구가 다소 미비한 실정이다.
	균형 능력이 감소된 고령자의 균형 능력 증진을 위한 일반적인 방법은?	고령화에 따른 신경 근육계 조절기전의 약화로[1], 균형 능력이 감소된 고령자의 균형 능력 증진을 위하여 가변 기저면 위에 피검자를 위치시켜 피검자의 신경계 및 근골격계 기능을 증진시키는 방법이 현재 일반적으로 사용되고 있다[2-5]. 또한 이러한 방법에 있어 생체역학적 관점의 균형 능력 평가를 위하여, 기본적으로 인체 질량 중심(Center of Body Mass, COM) 및 압력 중심(Center of Body Pressure, COP)과 관절 가동 범위(Range of Joint Motion, ROM) 변화 특성들에 대한 분석이 기본적으로 이루어지고 있으며[6-9], 이를 기반한 보다 고도화된 균형 지수(Balance Index) 개발과 이를 활용한 연구가 수행되고 있다[10-13].

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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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