[논문]어깨손상 환자의 자가 재활을 위한 기능성 게임 연구

김기훈; 이우석; 오규환

doi:10.7583/jkgs.2019.19.3.87

어깨손상 환자의 자가 재활을 위한 기능성 게임 연구
A Research on Serious Game for Self-Rehabilitation of Patients with Shoulder injury 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.19 no.3, 2019년, pp.87 - 100

김기훈 (아주대학교 일반대학원 라이프미디어협동과정) , 이우석 (아주대학교 일반대학원 라이프미디어협동과정) , 오규환 (아주대학교 일반대학원 라이프미디어협동과정)

초록
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가상현실과 동작인식 기술을 기반으로 한 기능성 게임은 물리치료를 위한 분야에 적용되어 상당한 긍정적 효과를 보여주고 있다. 기존의 개발된 게임 기반 물리치료 시스템은 재활이 필요한 환우보다는 건강한 일반인을 대상으로 적용되어 왔다. 본 논문에서는 어깨 손상 환자의 현재 상태를 측정하여 적절한 강도의 운동을 제안하는 자가 재활 기능성 게임을 제안한다.

Serious games based on VR(Virtual Reality) and motion recognition technologies have been studied in physical therapy and have shown significant positive effects. These existing systems have focused on measuring performance for the general public rather than patients which need rehabilitation. In the paper, We propose a serious game of self-rehabilitation that measures the patient's current physical state to generate appropriate difficulty levels to aid patients with shoulder injury.

주제어

표/그림 (21)

그림 [Fig. 1] Fruit Ninja Kinect 2 play screen
그림 [Fig. 2] Nike+Kinect Training paly screen(L) Information input screen(R)
그림 [Fig. 3] Kinect Adventure! play screen
그림 [Fig. 4] Patients using NEURO REHAB VR
표 [Table 1] Comparison of the precedents and our study
그림 [Fig. 5] Abduction[27]
그림 [Fig. 6] Flexion[27]
그림 [Fig. 7] Internal rotation(L) External rotation(R)[27]
그림 [Fig. 8] Skeleton positions relative to the human body
그림 [Fig. 9] Flexion and Stretching (L) Abduction and Adduction (R)[28]
그림 [Fig. 10] Two vectors to obtain angles of external rotation and internal rotation
그림 [Fig. 11] Main menu of self-shoulder exercise training program
그림 [Fig. 12] Self-angle measurement screen (Abduction(L) and Flexion(R))
그림 [Fig. 13] Self-angle measurement screen (Measurement completed)
그림 [Fig. 14] Serious game using abduction
그림 [Fig. 15] Serious game using flexion
그림 [Fig. 16] Serious game using external and internal rotation
표 [Table 2] Type of obstacle in Serious game using abduction
그림 [Fig. 17] History view screen
그림 [Fig. 18] Evaluation of experts
표 [Table 3] Patient Survey Results(Bad(1) to Good(5))

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재 출시된 대부분의 헬스 케어 게임들은 상업적인 게임의 요소를 답습하고 있어 게임성을 위해 빠른 동작과 과도한 동작을 요구하는 경향이 있다[7]. 본 연구는 환자의 동작을 현재 몸 상태에 맞게 어깨 관절의 가동범위를 제한하고, 제한된 관절의 범위에서 가능한 운동을 제시하여 운동능력이 떨어지는 사람들을 위한 자가 어깨 재활운동 기능성 게임을 제안한다. 본 연구에서 개발한 가상현실 재활운동 시스템은 다음과 같은 특징을 가진다.
본 연구에서는 체감형 기기를 활용하여 사용자가 자발적으로 운동을 하는 기능성 게임에 대한 연구들을 분석하고, 어깨 운동능력이 저하된 사용자가 스스로 어깨의 운동능력을 측정하여 개인의 상태를 고려한 맞춤형 게임을 제공하는 어깨 운동 훈련 시스템을 제안한다. 사용자의 관절 가동 범위를 측정하여 관절 가동 범위 내에서 게임을 진행할 수 있도록 구성하였으며, 스트레칭수준의 저강도 운동을 반복하게 디자인했다.
또한, 각 게임의 최고 점수와 어깨 가동 범위로 측정한 운동 기록을 시간 추이에 따라 확인할 수 있도록 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공하여 성취감을 유발한다. 지루할 수 있는 재활운동을 게이미피케이션을 활용하여 안전하고, 꾸준한 재활운동을 돕는 것이 이 연구의 목적이다.

제안 방법

병원 내 따로 마련된 공간에서 47인치 TV와 키넥트를 환자의 앞에 두고 간단한 작동 방법을 설명한 뒤 보조자 없이 VR재활 시스템을 실행하도록 했다. 게임을 시작하기 전, 기본동작을 제시하여 현재 자신의 어깨의 가동범위를 측정할 수 있도록 하였다. 게임의 난이도는 여기서 측정한 데이터를 기반으로 자동으로 설정되었다.
자가 재활을 위하여 HMD를 사용하지 않아 시야 확보가 가능하여 추가적인 사고를 방지하여 보조자가 필요하지 않으며, 전문가의 의견을 반영하여 상업성을 주축으로 한 게임들과 달리 환자 개인의 상태데이터에 기반 하여 적합한 동작만을 수행하도록 개발하였다. 게임을 통해 지루함을 덜어 반복적인 운동에 대한 자발적 동기를 주고자하였으며, 즉각적인 피드백을 사용하여 성취감을 유발하도록 디자인 하였다.
모든 진행이 끝나면 자신의 기록을 확인하게 하였다. 기록 확인이 끝난 참가자는 리커트 척도(5점)를 사용한 5개의 문항으로 이루어진 설문조사를 진행하였다. 5개의 문항은 기존의 치료실에서 재활치료를 돕는 치료보조사를 대동한 방식에 대하여 본 연구에서 개발한 기능성게임을 크게 시간적 제약과 공간적 제약 2가지와, 치료 순응도(compliance)에 영향을 미치는 반복적인 재활치료의 지루함, 재활치료에 대한 동기 그리고 운동효과 3가지를 비교하는 것으로 이루어져 있다.
사용 도구로는 일상생활과 게임 진행 중 사용자의 움직임을 비교하기 위해 마이크로소프트의 키넥트(Kinect)를 활용하였다[8,9,10,11]. 모든 게임은 전문의 4인의 의견을 받아 개발하였으며, 개발 완료 후 자발적인 실험 참여 의사를 밝힌 환자 11명의 사용자 평가와 전문의의 평가를 진행하였다.
게임의 난이도는 여기서 측정한 데이터를 기반으로 자동으로 설정되었다. 모든 게임의 반복은 시스템 설정대로 좌, 우 각 2세트씩 진행하였다. 모든 진행이 끝나면 자신의 기록을 확인하게 하였다.
병원 내 따로 마련된 공간에서 47인치 TV와 키넥트를 환자의 앞에 두고 간단한 작동 방법을 설명한 뒤 보조자 없이 VR재활 시스템을 실행하도록 했다. 게임을 시작하기 전, 기본동작을 제시하여 현재 자신의 어깨의 가동범위를 측정할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발한 어깨손상 환자를 위한 자가 재활을 위한 기능성 게임은 키넥트를 사용하여 실제 사용자의 움직임을 측정한 데이터를 기반으로 진행한다. 자가 재활을 위하여 HMD를 사용하지 않아 시야 확보가 가능하여 추가적인 사고를 방지하여 보조자가 필요하지 않으며, 전문가의 의견을 반영하여 상업성을 주축으로 한 게임들과 달리 환자 개인의 상태데이터에 기반 하여 적합한 동작만을 수행하도록 개발하였다.
본 연구에서 사용하는 근력강화 운동은 몸의 중심축으로부터 멀어지는 외전운동, 신체 부위 간 각도를 감소시키는 굴곡운동, 몸의 중심축으로 도는 내회전운동, 몸의 중심에서 바깥으로 도는 외회전 운동 4가지로 구성되어 있다[27].
본 연구에서는 체감형 기기를 활용하여 사용자가 자발적으로 운동을 하는 기능성 게임에 대한 연구들을 분석하고, 어깨 운동능력이 저하된 사용자가 스스로 어깨의 운동능력을 측정하여 개인의 상태를 고려한 맞춤형 게임을 제공하는 어깨 운동 훈련 시스템을 제안한다. 사용자의 관절 가동 범위를 측정하여 관절 가동 범위 내에서 게임을 진행할 수 있도록 구성하였으며, 스트레칭수준의 저강도 운동을 반복하게 디자인했다. 게임 기반 자가 어깨 운동 훈련 프로그램이 제공하는 게임을 통하여 지속해서 운동할 수 있을 것으로 기대된다.
둘째, 이 데이터를 기반으로 훈련을 위한 어깨 관절 가동 범위를 설정한다. 셋째, 게임 플레이 중 사용한 어깨의 움직임에 대한 결과 데이터를 스크린을 통해 환자에게 제공한다. 제공되는 자료는 게임 시작 전후와 일자별 기록을 선택할 수 있어서 자신의 운동능력 변화가 어떤 시간적 추이로 일어나는지 판단할 수 있도록 한다.
기능성 게임들을 모두 마친 후 게임 진행 중 최고 각도와 점수기록을 확인할 수 있다. 어깨 트레이닝을 진행 중에는 장애물과 부딪히는 경우 게임이 종료되는 것이 아니라 점수가 100점 차감되는 방식으로 규칙이 변경되어 트레이닝에 방해되지 않도록 하였다.
Khosla는 키넥트를 활용해 유착성 관절낭염의 재활을 위한 시스템을 개발하였다. 외전 및 굴곡 운동의 범위를 측정하여 사용자에게 맞게 입력 범위를 설정하는 게임 Labyrinth Game, Bird Game를 개발하였다. 사용자에게 주는 피드백이 없으며, 재활 운동 동작을 반영하지 않았다[24].
8]과 같다. 위 관절들을 사용하여 굴곡과 신전, 외전과 내전의 각도와 외회전과 내회전의 각도를 측정한다.
본 연구에서 개발한 어깨손상 환자를 위한 자가 재활을 위한 기능성 게임은 키넥트를 사용하여 실제 사용자의 움직임을 측정한 데이터를 기반으로 진행한다. 자가 재활을 위하여 HMD를 사용하지 않아 시야 확보가 가능하여 추가적인 사고를 방지하여 보조자가 필요하지 않으며, 전문가의 의견을 반영하여 상업성을 주축으로 한 게임들과 달리 환자 개인의 상태데이터에 기반 하여 적합한 동작만을 수행하도록 개발하였다. 게임을 통해 지루함을 덜어 반복적인 운동에 대한 자발적 동기를 주고자하였으며, 즉각적인 피드백을 사용하여 성취감을 유발하도록 디자인 하였다.
본 연구에서 개발한 가상현실 재활운동 시스템은 다음과 같은 특징을 가진다. 첫째, 깊이와 모션을 인식하는 키넥트와 블루투스 컨트롤러를 활용하여 어깨 운동 능력을 측정한다. 둘째, 이 데이터를 기반으로 훈련을 위한 어깨 관절 가동 범위를 설정한다.
어깨손상 환자의 자가 재활을 위한 기능성 게임은 깊이와 모션을 인식할 수 있는 카메라인 키넥트를 활용하여 기능성 게임을 시작하기 전 환자의 어깨 운동능력을 측정한다. 측정된 데이터를 바탕으로 환자의 어깨에 통증을 유발하지 않는 관절 가동 범위를 자동으로 설정하여 어깨 운동 훈련 게임을 제공한다. 또한, 각 게임의 최고 점수와 어깨 가동 범위로 측정한 운동 기록을 시간 추이에 따라 확인할 수 있도록 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공하여 성취감을 유발한다.

대상 데이터

질병의 단계가 경증이지만 지속적인 재활치료를 요하는 환자 중 자발적인 참여의사를 밝힌 30∼50대 환자 11명을 선출하였다.

이론/모형

제공되는 자료는 게임 시작 전후와 일자별 기록을 선택할 수 있어서 자신의 운동능력 변화가 어떤 시간적 추이로 일어나는지 판단할 수 있도록 한다. 사용 도구로는 일상생활과 게임 진행 중 사용자의 움직임을 비교하기 위해 마이크로소프트의 키넥트(Kinect)를 활용하였다[8,9,10,11]. 모든 게임은 전문의 4인의 의견을 받아 개발하였으며, 개발 완료 후 자발적인 실험 참여 의사를 밝힌 환자 11명의 사용자 평가와 전문의의 평가를 진행하였다.

성능/효과

참여자들의 지루함과 동기에 대한 데이터는 치료순응도가 증가 한다는 점을 시사한다. 또한 시간과 공간의 제약이 적어 사회생활을 하는 사람들이 병원에 직접 찾아와야 한다는 부담감을 줄여주는 것을 확인하였다. 이는 결국 비용적인 측면에서 환자에게 부담을 줄여준다는 것이라고 할 수 있다.
이러한 점을 볼 때 본 연구에서 개발한 어깨손상 환자의 자가 재활을 위한 기능성 게임은 기존 치료와 비슷하거나 일부 면에서는 기존 치료의 불편했던 점을 보완할 수 있을 것으로 보인다. 이는 환자의 치료 순응도를 개선시키는데 긍정적인 작용을 할 것으로 생각된다.
전문의 4인의 평가결과는 기존 치료실 밖에서 재활치료를 하기 어려운 이유를 보완하였다는 점에서 본 연구의 결과가 환자의 치료 순응도를 올리고, 비교적 바른 자세를 할 수 있도록 도움이 된다는 평가를 받았다. 스트레스 부하 운동과 바른 자세가 계속 유지되는지 지속적으로 모니터링 하는 부분에 대한 보완을 한다면 자가 재활치료에 효과적으로 작용할 것이라고 생각된다.
측정한 결과가 있는 경우 재측정, 기록 보기, 어깨 트레이닝과 기능성 외전, 굴곡, 내외전과 외회전을 활용한 게임 3가지를 진행할 수 있다. 메뉴의 하단에는 가장 최근에 측정한 각도들과 측정한 날짜가 표기된다.
재활치료의 동기 역시 기존 치료방식과 유사하거나 높다는 결과를 받았다. 환자가 느끼는 운동효과의 경우 기존 치료와 큰 차이가 나타나지 않는 것으로 나타났다.

후속연구

③ 본 연구에서 개발한 기능성 게임은 환자의 치료 순응도를 개선시키고 비교적 바른 운동 자세를 제시하는데 도움이 될 것으로 생각된다.
사용자의 관절 가동 범위를 측정하여 관절 가동 범위 내에서 게임을 진행할 수 있도록 구성하였으며, 스트레칭수준의 저강도 운동을 반복하게 디자인했다. 게임 기반 자가 어깨 운동 훈련 프로그램이 제공하는 게임을 통하여 지속해서 운동할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 11명이라는 적은 인원과 짧은 기간 동안 진행한 테스트 이므로 통계학적으로 확실한 결론을 내리기에는 다소 부족한 측면이 있다. 그러나 차후 더 많은 표본을 가지고 일정 기간 이상 반복 측정한다면 더 정확한 VR 재활치료 시스템의 효과를 검증할 수 있을 것이다.
본 프로그램이 제공하는 4가지 운동 기반의 게임들뿐만 아니라 스트레스가 부하 되는 상태의 운동방법이나, 사용자가 올바른 자세로 운동을 수행하고 있는지에 대한 모니터링 시스템을 보완하면 게임을 통한 운동을 더 효과적으로 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 11명이라는 적은 인원과 짧은 기간 동안 진행한 테스트 이므로 통계학적으로 확실한 결론을 내리기에는 다소 부족한 측면이 있다.
전문의 4인의 평가결과는 기존 치료실 밖에서 재활치료를 하기 어려운 이유를 보완하였다는 점에서 본 연구의 결과가 환자의 치료 순응도를 올리고, 비교적 바른 자세를 할 수 있도록 도움이 된다는 평가를 받았다. 스트레스 부하 운동과 바른 자세가 계속 유지되는지 지속적으로 모니터링 하는 부분에 대한 보완을 한다면 자가 재활치료에 효과적으로 작용할 것이라고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	게임 기반 자가 어깨 운동 훈련 프로그램에서 키넥트의 역할은 무엇인가?	게임 기반 자가 어깨 운동 훈련 프로그램은 윈도우즈10 환경에서 동작하며, 키넥트와 블루투스 컨트롤러를 사용하여 체감형 게임을 플레이 할 수 있다. 키넥트를 통하여 몸의 관절들을 움직임을 받아와 각 게임에서 필요로 하는 정보로 변환하여 캐릭터를 조종한다. 추가적인 입력은 한 손으로 사용할 수 있는 소형 블루투스 컨트롤러를 사용하여 조작한다.
	게임 기반 자가 어깨 운동 훈련 프로그램은 무엇을 사용하여 체감형 게임을 플레이할 수 있는가?	게임 기반 자가 어깨 운동 훈련 프로그램은 윈도우즈10 환경에서 동작하며, 키넥트와 블루투스 컨트롤러를 사용하여 체감형 게임을 플레이 할 수 있다. 키넥트를 통하여 몸의 관절들을 움직임을 받아와 각 게임에서 필요로 하는 정보로 변환하여 캐릭터를 조종한다.
	가상현실 재활운동 시스템이 가지는 특성은 무엇인가?	본 연구에서 개발한 가상현실 재활운동 시스템은 다음과 같은 특징을 가진다. 첫째, 깊이와 모션을 인식하는 키넥트와 블루투스 컨트롤러를 활용하여 어깨 운동 능력을 측정한다. 둘째, 이 데이터를 기반으로 훈련을 위한 어깨 관절 가동 범위를 설정한다. 셋째, 게임 플레이 중 사용한 어깨의 움직임에 대한 결과 데이터를 스크린을 통해 환자에게 제공한다. 제공되는 자료는 게임 시작 전후와 일자별 기록을 선택할 수 있어서 자신의 운동능력 변화가 어떤 시간적 추이로 일어나는지 판단할 수 있도록 한다.

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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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