초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
[최종목표]
사용자의 보행 및 신체 밸런스를 측정할 수 있는 스마트 인솔을 이용하여 퇴행성 뇌질환 및 당뇨족부 궤양 등 보행 관련 질병을 조기 진단 및 예방할 수 있는 디지털 헬스케어 솔루션을 제공하기 위한 멀티 모달 센서 데이터 분석 및 가공 기술 개발
[세부목표]
1. 스마트 인솔에 내장된 센서 데이터로부터 보행 패턴 분류에 필요한 특징을 추출하는 딥러닝 모델 기술
2. 스마트 인솔에 내장된 센서 데이터로부터 클래스별 보행 패턴 정보에 대한 딥러닝 기반의

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
[최종목표]
사용자의 보행 및 신체 밸런스를 측정할 수 있는 스마트 인솔을 이용하여 퇴행성 뇌질환 및 당뇨족부 궤양 등 보행 관련 질병을 조기 진단 및 예방할 수 있는 디지털 헬스케어 솔루션을 제공하기 위한 멀티 모달 센서 데이터 분석 및 가공 기술 개발
[세부목표]
1. 스마트 인솔에 내장된 센서 데이터로부터 보행 패턴 분류에 필요한 특징을 추출하는 딥러닝 모델 기술
2. 스마트 인솔에 내장된 센서 데이터로부터 클래스별 보행 패턴 정보에 대한 딥러닝 기반의 설명 가능한 분석 기술
3. 스마트 인솔에 내장된 센서 데이터로부터 보행 관련 질환의 진단 및 예후 추적을 위한 대표적 바이오 지표로서의 보폭(stride length)을 자동으로 산출하는 기술
4. 보행 측정 및 분석 서비스를 위한 최적의 UI/UX 개발

◼ 전체 내용
◾ 사용자의 보행 및 신체 밸런스를 측정할 수 있는 스마트 인솔을 이용하여 퇴행성 뇌질환 및 당뇨족부 궤양 등 보행 관련 질병을 조기 진단 및 예방할 수 있는 디지털 헬스케어 솔루션을 제공하기 위한 멀티 모달 센서 데이터 분석 및 가공 기술
필요기술 1 : 보행 패턴 분류에 필요한 특징을 추출하는 딥러닝 모델 기술
필요기술 2 : 클래스별 보행 패턴 정보에 대한 딥러닝 기반의 설명 가능한 분석 기술
필요기술 3 : 보폭(stride length)을 자동으로 산출하는 기술
필요기술 4 : 보행 측정 및 분석 서비스를 위한 최적의 UI/UX
◾ 최종적으로 개발하는 제품은 다음의 최종 제품의 구성을 갖는다.
- 스마트 인솔에 내장된 센서에서 얻은 데이터로부터 사용자를 식별하는 멀티모달 앙상블 딥러닝 모델(SW)
- 스마트 인솔에 내장된 센서 데이터로부터 설명 가능한 딥러닝 분석 기술들을 이용하여 데이터 내 정보의 유용성 분포를 파악하고, 이를 바탕으로 하드웨어 설계가이드 제작(SW)
- 고가의 보행 패턴 분석 장비 없이 스마트 인솔 데이터만으로 보폭을 측정하는 기술(SW)
- 스마트 인솔을 이용한 사용자 식별 및 보폭 측정 기술을 이용한 서비스 UI/UX 개발 (SW)

◼ 1단계
❏ 목표
◾ 주관연구개발기관 솔티드(주) :
- 보행측정 및 분석 서비스에 대한 사용자/제품 요구사항 정의
- 디지털헬스케어 서비스에 최적화된 보행측정 및 분석 UI/UX 설계 및 서비스 디자인
- 보행 분석 알고리즘 서비스 적용 검토 및 상용화
◾ 공동연구개발기관 단국대학교 산학협력단:
- 기존 딥러닝 기반의 보행패턴 분류 기술의 트렌드 분석 및 최적 모델 설계
- 사용자 판별을 위한 딥러닝 기반의 스마트 인솔 데이터 분류 모델 개발
- 보행 패턴 분석에 최적화된 스마트 인솔 모델 설계
- 데이터 분석 결과를 설명할 수 있는 XAI 방법 개발
- 스마트 인솔 데이터로부터 사용자의 보폭을 자동으로 측정하는 기술 개발
❏ 내용
◾ 주관연구개발기관 (솔티드(주)) :
○ 보행 측정 요구사항 정의
○ 기존 장비 측정 소프트웨어의 복잡성, 사용성 개선 필요사항 정의
○ 디지털 헬스케어 서비스에 최적화된 보행측정 및 UI/UX 설계 및 서비스 디자인
○ 보행 분석 알고리즘 서비스 검토 및 상용화
○ 데이터 분석을 위한 GPU 서버 구축 진행
◾ 공동연구개발기관 (단국대학교 산학협력단) :
보행 분석을 위한 대규모 보행 데이터 측정
- 솔티드(주) 사의 스마트 인솔과 트레드밀을 활용하여 인솔 데이터 및 카메라 데이터를 수집하고, 압력 센서를 이용한 단위 걸음 분리 방법의 효용성 검정
- 데이터 수집을 위한 IRB 심사 승인
- 보행 데이터 수집을 위하여 측정 보행 종류, 측정 길이, 측정 방법에 대해 정의
- 고가의 매트형 보행 분석 장비(GaitRite)를 이용하여 총 50명에 대한 보행 데이터 수집
- 측정한 데이터에 대하여 인원별 분리 후 단위걸음 분할 작업 진행
- 매트형 보행 분석 장비(GaitRite)에서 측정된 보폭 데이터와 스마트 인솔에서 측정된 센서 데이터를 결합하는 작업 수행
사용자 판별을 위한 딥러닝 기반의 스마트 인솔 데이터 분류 모델 개발
- 스마트 인솔에서 취득된 센서 데이터 labeling 작업 진행
- 각 센서에서 추출된 데이터에 대하여 가우시안 필터를 적용하여 센서에서 발생할 수 있는 오차로 인한 불안정성 제거
- 본 과제를 통해 취득된 보행(보통 걸음) 데이터를 이용하여 앙상블 네트워크 학습 후, 95% 이상의 높은 성능을 얻음
- 해당 네트워크 성능에 대한 KTL 인증 취득
데이터 분석 결과를 설명할 수 있는 XAI 방법 개발
- 네트워크 내 특징 중요도를 계산하는 알고리즘을 설계하여 Grad-CAM을 구현하고, 추출된 Grad-CAM 시각화 진행
- 단위 걸음별로 Grad-CAM을 적용하여 각 단위 걸음별 모델이 집중하는 부분을 시각화하고, 모든 사람에 대해 구한 Grad-CAM의 평균을 구하여 모델이 단위 걸음 중 어떤 부분에 집중하는지 확인함.
보행 패턴 분석에 최적화된 스마트 인솔 모델 설계
- 단국대학교 라이프케어 AI융합 연구소가 기 보유한 고 성능 스마트 인솔 프로토타입을 이용하여 총 10명에 대한 걷기 데이터 확보
- 딥러닝 네트워크에서 압력 레벨, 샘플링 율, 압력 센서 개수를 변화시키며 총 5~10회 학습 진행 후 각 조건에서 사용자 분류율 및 모델의 loss 값의 추세를 확인하고, 실험 결과에 대한 내용을 정리하여 스마트 인솔에 대한 하드웨어 제작가이드를 작성함.
보행 데이터의 특성을 고려한 멀티모달 네트워크 설계
- 3종(가속도, 각속도, 압력)의 센서 정보를 통합적으로 고려할 뿐만 아니라 각 센서별 고유한 정보를 반영하여 보폭을 추정 할 수 있는 멀티 모달 네트워크 구조를 설계함.
- 1D Convolution Layer를 활용하여 시간적 특성과 공간적 특성을 동시에 포함하는 센서 데이터의 특징을 고려한 네트워크를 설계함.
보폭 추정 모델 고도화
- 개별 보폭을 사용하는 대신 측정이 용이한 인원별 평균 보폭을 활용하여 각 걸음들의 보폭 분포를 추정하는 접근 방법으로 측정의 어려움을 개선
- 인원별로 보폭 분포의 분산을 동시에 추정하는 노드를 네트워크에 추가하여 단순히 평균 보폭으로 맞추지 않고 분포의 형태까지 고려하여 보폭을 추정
- 각 센서별 측정 단위에 따른 불필요한 영향력을 최소화하기 위해 최대-최소 정규화를 적용하고, 예측 보폭 분포와 실제 보폭 분포의 차이를 나타내는 KL-Divergence 지표를 도입하여 보폭 분포 추정 성능에 대해 객관적으로 판단할 수 있도록 함

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
< 연구개발성과 활용계획 >
- 본 연구개발성과는 스마트 인솔 데이터 분석을 통한 보행 패턴 기술 분류를 통해 디지털 헬스케어 영역에 활용하는 것을 목표로 함.
- 스마트 인솔을 통해 수집된 다양한 보행 패턴 및 정보들을 라벨링하여 저장하고 보행을 패턴별로 자동 문류할 수 있도록 알고리즘 구축.
- 스마트 인솔 뉴로게이트는 1등급 의료기기 허가 및 비급여 치료재로 등록되었으며, 이를 기반으로 본격적인 의료기기 시장 진입을 시작함.
- 국내 유명 제약회사와의 유통계약을 통해 하반기 본격적인 판매 및 매출 기대.
< 기대효과 >
o 기술적 측면
- 과제를 통해 개발된 센서기술, 보행패턴 분류 기술, 질병 분류 기술등은 병원 중심의 헬스케어에서 스마트 인솔을 이용한 일상생활에서의 헬스케어로 나아가는 토대를 마련하는 계기가 될 수 있음.
- 한국의 선진화된 기술력과 제조 능력을 바탕으로 해외의 스마트 인솔 대비 고품질 저비용의 높은 상품 경쟁력을 가진 제품을 출시하여 글로벌 스탠다드로 발돋움할 가능성이 매우높음.
o 경제적 ․ 산업적 측면
- 현재 국내외 시장에 나온 깔창 관련 기술들은 활동 추적과 같은 간단한 기능만을 제공하기 때문에 인공지능 기술 기반의 고성능 보행 패턴 분석과 질병 판별기능을 탑재한 스마트 인솔 제품은 국내시장뿐만 아닌 해외시장으로의 진출도 성공적일 것으로 전망됨.
o 사회적 측면
- 개발한 제품을 통해 바쁜 현대인들의 보행 분석을 통해 더 건강한 삶을 영위할 수 있도록 도움을 줄 수 있고, 이를 통해 사회적으로 국민의 건강 수준의 증대를 기대할 수 있음.
- 대형병원에서 고가의 장비를 통해서만 측정이 가능했던 보행 데이터를 일반인이 합리적인 가격으로 일상생활 중에서 스스로 취득할 수 있고, 전문적인 인공지능 분석 플랫폼을 이용한 분석 결과를 이용함으로써 있어 보편적 복지증진에 도움을 줄 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1) 연구개발 목적 ... 9
• 2) 연구개발의 필요성 ... 9
• 3) 연구개발 범위 및 개발목표 ... 10
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 11
• 1) 1차년도 연구개발과제 수행 과정 및 내용 ... 11
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 17
• 1) 연구수행 결과 ... 17
• 2) 목표 달성 수준 ... 24
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 24
• 5. 연구개발성과의 활용 및 사업화 계획 ... 25
• 1) 연구개발성과의 활용 ... 25
• 2) 사업화 계획 ... 25
• 끝페이지 ... 28