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목 차 회사현황 1. 회사개요 2. 회사연혁 3. 회사업무영역/업무현황 4. 등록면허보유현황 5. 상훈현황 6. 기술자보유현황 7. 시스템보유현황 주요기술자별 약력 1. 대표이사 2. 임원짂 조직 및 용도별 수행실적 1. 조직 2. 용도별 수행실적

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https://doi.org/10.7236/jiibc.2019.19.1.279 JIIBC 2019-1-37 요추관절가동범위와신체압력중심을이용한신체균형능력분석및훈련콘텐츠 구세진 *, 김동연 *, 신성욱 **, 정성택 *** Sejin Goo *, Dong-Yeon Kim *, Sung-Wook Shin **, Sung-Taek Chung *** 요약본논문에서는신체의움직임정보와족압분포의변화를측정하여신체균형능력을분석하고자하였다. 그래서관성측정장치와 FSR 센서를사용하여관절가동범위와신체압력중심을측정하고분석할수있는프로그램을개발하였고, 이에대한결과를바탕으로균형능력개선에도움을줄수있는콘텐츠를제작하였다. 이프로그램에서측정된관절가동범위와신체압력중심의정량적인값을실시간으로시각화하여사용자가결과를쉽게알수있도록하였다. 또한콘텐츠는측정된균형정보를바탕으로난이도가조절되며균형능력을개선하고자하는방향에맞춰수행할수있도록제작되었다. 이것은사용자의동작에따라움직이는물체를보면서진행하는시각되먹임방법을이용하여집중력과참여의지를높여더욱효과적인균형훈련결과를기대할수있다. Abstract In this paper, we attempted to analyze the balance ability of the body by measuring changes in body motion and plantar pressure distribution. So we developed a program that can measure and analyze range of motion and center of body pressure using inertial measurement unit(imu) and FSR(Force Sensing Resistor) sensor, we also produced a contents that can help improve the balance ability. The quantitative values of range of motion and center of body pressure measured by this program are visualized in real time so that the user can easily recognize the results. In addition, the contents were designed to be adjusted according to the direction of improving the balance ability by adjusting the difficulty level based on the measured balance information. This can be achieved by increasing the concentration and participation will by using visual feedback method that proceeds while watching moving objects according to the user's motion. Key Words : Balance Ability, Plantar Pressure, Range of Motion, Center of Body Pressure, Visual Feedback Ⅰ. 서론 현대인들의신체활동이감소된생활습관은여러가지척추질환을발병시키고있으며, 이로인한통증은사 * 준회원, 한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과 ** 정회원, 한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과 *** 정회원, 한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과접수일자 2018 년 9 월 5 일, 수정완료 2019 년 1 월 3 일게재확정일자 2019 년 2 월 8 일 회활동을어렵게하거나의료비의증가로심각한사회경제적손실을초래하고있다 [1]. 척추질환은외형적인신체변화, 요통, 심폐기능장애와같은합병증을유발할뿐만아니라주변장기들의기능장애를일으켜수명단축 Received: 5 September, 2018 / Revised: 3 January, 2019 / Accepted: 8 February, 2019 *** Corresponding Author: unitaek@kpu.ac.kr Professor, Dept. of Computer Engineering, Korea Polytechnic University, Korea - 279 -

에도영향을끼칠수있다 [2]. 또한요추의불안정으로발생하는만성요통은허리부분의움직임과신체의안정성이감소하거나근력과지구력, 유연성에문제가발생되어운동반응저하로인한균형능력의문제와만성통증질환을수반할수있다 [3]. 이들중에균형능력은신체자세와균형을조절하는일상생활활동을위한과제들의가장기본이되는필수요소이기때문에이에대한정확한진단평가와재활훈련방법연구가요구되고있다 [4]. 일반적으로균형능력은정적균형능력과동적균형능력으로구분하고있으며, 정적균형능력은고정된지면에서신체의균형을유지하는능력이고동적균형능력은보행동작을수행하는동안에균형을유지하는능력을의미한다 [5]. 대표적인균형능력평가방법에서의정적균형능력은양발을움직이지않고팔을올린상태에서팔을앞으로최대한뻗는동안균형유지를측정하는 FRT(Functional Reach Test) 가있으며, 동적균형능력은균형을잃지않고한발서기상태에서 45도로이루어진여덟방향의교차점중앙에서균형을잃지않은채로각방향으로가능한멀리도달하는지를측정하는 SEBT(Star Excursion Balance Test) 가있다 [6-7]. 이와같은방법들은정상인들의균형능력을측정하는데매우편리하지만척추질환환자들의균형능력을측정하는데있어서주어진동작들을수행하는것이어렵고정량적인값을얻을수없다. 그래서어려운동작수행없이정량적인값을획득하는방법으로는척추형태를측정하는 3D 스캐너를사용하거나압력센서가배열된압력판으로족압을측정한후신체균형능력을평가하고있다 [8]. 하지만 3D 스캐너나압력판은비교적개인이구입하여사용하기에는고가의장비일뿐만아니라균형능력평가만을위하여장비를보유한의료시설에방문해야하는번거로움이있다. 그러므로균형능력평가를장소에구애받지않고저가의장비를통해많은척추질환자들이사용하고동시에재활훈련을병행할수있는방법이요구된다. 일반적으로균형능력향상및재활을위한운동법으로는골반경사운동, 유연성증진운동, 지구력증진운동, 코어근육 (core muscle) 강화훈련, 교각운동, 슬링운동등이있다 [9-12]. 특히코어근육강화운동은근력강화및유연성증대, 균형잡힌바른자세등만성질병예방및신체의통증및불편함을감소시키는데유용하다고알려져있다. 이운동은코어근육을반복적으로신장시키고강화함으로써몸통의운동성과안정성을극대화할수 있다고한다 [13]. 여기서코어근육은인체중심의안정성획득에중요한역할을하는척추, 배, 골반주위근육들을의미한다 [14]. 그래서본연구에서의재활훈련콘텐츠를코어근육강화운동과관련된내용으로설계하여더욱효과적인균형능력향상을돕고자하였다. 위에서언급된대부분의재활운동법들은신체가불편한환자들이수행하기에는어려운동작들이많고단순한반복운동과정으로재활에대한참여도가떨어질뿐만아니라재활하는동안얼마나신체균형능력이향상되었는지정량적으로확인하는것이어렵다. 그래서신체의균형능력향상을위한재활훈련연구방법들중에불안정판을이용하거나압력판을사용하여시각적되먹임방식의균형훈련이효과가높다고하였다 [15]. 불안정판을이용한균형훈련은체간의안정성과자세조절에관여하는근육의활성도가증가하여자세조절능력, 동적균형, 근력등이향상되었다고보고되었다 [16]. 압력판을사용한시각적되먹임훈련은실시간으로화면에제시되는위치에사용자의신체압력중심 (center of pressure) 을이동시키는자세균형훈련을수행함으로써자세균형조절운동에대한실시간평가가가능하다. 시각적되먹임훈련은뇌졸중환자들의대부분겪고있는후유증인자세균형문제를개선시키는효과적인훈련방법으로알려져있다 [17]. 이와같은연구결과들을바탕으로본연구에서는장소에구애받지않고저렴한가격의장비를활용하여많은척추질환자들이쉽게사용할수있는방법을제안하고자한다. 최근저렴하고소형화된센서들중에신체의움직임정보를쉽게측정하고분석할수있는관성측정장치 (IMU: Inertial Measurement Unit) 와압력판에사용되는센서보다훨씬저렴한 FSR(Force-sensing resistor) 센서를사용하여신체균형능력을정량적으로측정하여평가하고자하였다. 관성측정장치를이용한균형능력측정은편마비또는척추질환환자의동적균형운동에대한관절가동범위 (ROM: Range of Motion) 를정량적으로측정하여코어운동하는동안신체유연성과관절움직임에대한저항정도를평가하고실시간으로환자의운동상태를모니터링하고자하였다. 또한 FSR 센서는신체자세를유지하기위한특정신체부위의움직임, 근육의동작등을분석하거나양발이지면을누르는신체압력중심 (COP : Center of Pressure) 의실시간위치이동을분석하여정량적으로균형능력을측정하는 - 280 -

데사용하였다. 추가적으로정량화된환자의균형능력정보를바탕으로환자맞춤형기능성게임을구현함으로써흥미를유발시키고재활의참여도와집중력을높여효과적인재활훈련을돕고자하였다. Ⅱ. 연구방법 1. 요추관절가동범위측정 정량적인값으로사용하였다. 또한개발된프로그램은모든결과들을시각화하여사용자가현재자신의상태를실시간으로확인할수있도록설계되어위에서언급된코어근육강화운동전 후를쉽게비교할수있도록하였다. 구현된측정프로그램의시작화면은그림 1(b) 에서보여주는것처럼 아이디, 생년월일, LOG IN, SIGN IN,?, X 등으로구성된다. 사용자는정보 ( 아이디, 생년월일 ) 를입력한후반복적인측정이나평가, 훈련결과를개인관리가가능하다. 또한, SIGN IN 은신규등록,? 은요추가동범위측정에관한여러가지사용방법, X 은프로그램종료를나타낸다. (a) (a) 관상면 (b) 그림 1. (a) 관절가동범위측정기기 (b) 요추가동범위시작화면 Fig. 1. (a)range of motion device attached to the body (b) Home screen for ROM measurement (b) 시상면 요추관절가동범위측정은그림 1(a) 과같이상용화제품의무선 IMU를부착하여신체에맞게조절이가능한벨트를제작하였다. 사용된 IMU는 LP-Research 사의 LPMS-B2이고, 신체의회전각을구하는데필요한오일러각은 x, y, z축각방향에서측정하였다. 균형능력측정과훈련콘텐츠에서사용자의움직임에방해요소가없도록데이터획득및전송시무선을적용하였다. 측정된데이터들은본연구에서구현된요추관절가동범위측정프로그램에적용하여관상면 (Coronal), 시상면 (Sagittal), 횡단면 (Transverse) 방향에서의요추관절가동범위의 (c) 횡단면 그림 2. 요추관절가동범위측정화면 Fig. 2. Example of ROM measurement of lumbar spine - 281 -

관상면, 시상면, 횡단면방향에따라신체를기우는동작을수행하면실시간으로신체의기울기의변화량을빨간색영역으로그림 2와같이보여준다. 신체를기우는동작을반복적으로수행하는동안신체의기울기변화를색상으로보여줌으로써사용자가쉽게시각적으로인지할수있다. 이것은사용자가최대요추관절가동범위에도달하기위한적극적인노력과도전성을가질수있도록도움을줄수있을것이다. 더불어화면아래의막대그래프는사용자에대한평균관절가동범위와현재측정되고있는관절가동범위의정량적인값을나타내어이전결과와비교할수있도록하였다. 요추관절가동범위측정프로그램실행순서 (a) 준비 (b) 측정시작 (c) 측정 (d) 결과 (e) 데이터저장 (f) 이전기록조회 (g) 레포트 - 282 - 그림 3. 요추관절가동범위측정프로그램실행순서 Fig. 3. The sequences for ROM measurement of lumbar spine

전체적인요추관절가동범위측정프로그램실행순서는그림 3과같으며, 사용자는 Coronal, Sagittal, Transverse 중측정하고자하는방향을선택한후그림 3(a) 에서제시되는 차렷자세를 2초동안유지해주세요. 라는문구에따라자세정렬을취한다. 이때사용자에따라신체의기울어져있는정도가근원적으로다르기때문에이에대한오일러각을 2초동안측정하고, 평균값을계산하여요추가동범위측정에서필요한기준값으로사용되어진다. 측정할준비가완료되면그림 3(b) 에서 START 를선택하여그림 3(c) 에서신체의방향에따라요추관절가동범위에대한측정을할수있다. 사용자가최대한유연성을가지고동작수행을하였다고판단되면 CAPTURE 를선택하여측정을종료한다. 이에대한결과는위에서언급된것처럼관절가동범위에대한영역은빨간색으로보여주고, 하단의막대그래프에서는측정된평균값과현재측정값을비교할수있다. 측정결과에대한정보들은그림 3 (d), (e), (f), (g) 와같이결과화면, 데이터저장, 이전기록조회, 레포트등으로나타냈다. 그림 3(d) 은측정된관상면, 시상면, 횡단면의요추가동범위의변화를시각화하여한눈에비교할수있도록함으로써재활훈련시유연성이부족한방향을집중적으로훈련해야할필요성을쉽게인지할수있다. 또한각각측정과정에서획득한모든오일러각과각방향의최대요추관절가동범위값을 MS Excel 파일로저장하여추가적인데이터를분석할수있고 ( 그림 3(e)), 지금까지의관절가동범위값의변화를조회하여비교하거나 ( 그림 3(f)), 결과를출력 ( 그림 3(g)) 등을할수있다. 2. 신체압력중심 (COP: Center of Pressure) 측정 그림 4. 족압측정을위한 FSR 센서배열 Fig. 4. FSR sensor array for plantar pressure measurement 그림 4는 FSR 센서를사용하여족압을측정하기위한발판으로 Tekscan 사의 A201-25(0 11kg) 를사용하였고, 정량적인족압분포측정을위하여중족골, 입방골, 종골위치에좌우 7개씩 14개의센서를부착하였다. 이들 14개의센서로부터데이터를동시에측정하기위해서 14 채널의 12bit ADC를사용할수있는 Cortex M3로제작하였다. 여기서획득한데이터들을사용하여 COP를계산하기위하여본연구에서는 COP 측정프로그램을그림 5와같이구현하였다. 가능한모든데이터를시각화하여자신의 COP 위치를확인하여신체균형이어느방향으로기울어져있는지를쉽게알수있다. 그림 5. 신체압력중심 (COP) 측정프로그램 Fig. 5. Center of pressure measurement program COP 측정프로그램화면은그림 5의 1에서사용자가압력판위에서있을때상하좌우또는사분면방향에서의족압분포비율과배열된각센서에가해지는힘의크기에따라컬러매핑으로보여주었다. 동시에빨간색선이만나는지점인 COP 좌표가측정이되고, 만약신체의움직임이있을경우 COP의위치변화를실시간으로확인할수있다. 이를통해사용자는족압분포와 COP 위치를바탕으로신체중심이어느방향으로치우쳐있는지를확인할수있다. 그림 5의 2에서는족압측정장치와 COP 측정프로그램연결포트를선택할수있으며, 3에서는측정된 COP의좌표, 영역, 표준편차, 이동속도등을나타낸다 [18]. COP 좌표는족압센서의 x, y의좌표상위치를이용하여식 (1) 과같이계산된다. 여기서 Sensor x 와 Sensor y 는족압센서들의좌표상위치를나타내고, Sensor p 는족압센서로부터측정된압력값 (kg) 을의미한다. 또한 N 은본논문에서사용된전체센서개수로써 14이고, 각각 k(k=1, 2, 3,, 12, 13, 14) 번째센서의좌표상위치와압 - 283 -

력값을나타낸다. 집중적으로할수있으며난이도의조절로인해콘텐츠에흥미와집중도를높이도록하였다. COP 영역은측정간에 COP가이동한영역의너비와높이를의미하고, ML( 좌우 ) 과 AP( 전후 ) 두요소로구분하여식 (2) 와같이계산되어진다. (a) 또한, COP 이동속도는측정시간동안 COP의이동거리를이용하여식 (3) 과같이계산할수있다. 여기서 D는현재 COP 위치와이전 COP 위치간의이동거리를나타낸다. (b) 3. 코어근육강화운동훈련콘텐츠훈련콘텐츠는관절가동범위또는신체압력중심을측정후인체중심의안정성획득에중요한역할을하는척추, 배, 골반주위근육들을강화하기위한코어근육강화운동과관련된내용으로설계하였다. 콘텐츠를시작하면그림 6(a) 와같이사용자의요추관절가동범위와신체압력중심의측정결과데이터를콘텐츠의환경설정에사용하게된다. 정량적으로측정된사용자의균형능력의정보를바탕으로사용자에필요한운동방향과난이도가설정된다. 예를들어 COP의결과가그림 6(a) 와같이 COP 위치 (ML: -0.25, AP: 4.98), COP 영역 (ML: 1.65, AP: 2.58) 이고, 이때의전체족압분포는뒤쪽에서 73% 로뒤쪽으로치우쳐져나타났다. 그러므로 COP의중앙으로유도하기위하여앞쪽으로움직이는콘텐츠운동이필요하다는것을알수있다. 사용자각각의상태에맞춰콘텐츠의환경을구성함으로써본인에게필요한운동을 (c) 그림 6. (a) COP 데이터수신 (b) 진행화면 (c) 결과화면 Fig. 6. (a) COP data receive (b) Progress screen (c) Result screen 콘텐츠내용은그림 6(b) 의화면중앙에위치한양동이에서손걸레를빨고얼룩진창문으로위치를이동하여청소하는과제로서게임모드선택에따라요추관절가동범위 (ROM) 이나신체압력중심 (COP) 을이동시켜콘텐츠를수행한다. 다시정리하면손걸레의위치변화는신체를관상면, 시상면, 횡단면방향으로기울이는정도에따라변하는 ROM이나사용자의족부에가하는압력분포의변화에따른 COP 좌표이동으로수행된다. 콘텐츠의난이도는기본적으로쉬움, 보통, 어려움세단계로구성되어있으며, 사용자의상태에맞춰설정이 - 284 -

되고직접난이도를선택하고싶을경우설정버튼을통해수정이가능하다. 난이도는한번에나타나는얼룩의수와발생빈도, 창문과손의크기를설정된다. 쉬움 에서는한번에하나의얼룩이발생하고이것을청소한후에다음얼룩이나타나게하여콘텐츠를처음진행하는사용자들도쉽게즐길수있도록하였다. 난이도가올라갈수록창문과손의크기가작아져서더욱세밀한균형조절이필요하고얼굴의생성빈도가빨라지므로빠르고정확한움직임을요구하여훈련난이도를조절하였다. 주어진시간내에정확한위치에이동하여창문을청소하면점수는증가하며주어진시간이모두끝나면콘텐츠종료된다. 콘텐츠를수행하는동안얼룩진창문으로이동하고화면중앙에위치한양동이로복귀하는과정의반복으로요추의유연성과기립시의신체압력중심이동능력개선에도움을주어균형능력을향상과실시간으로화면을보면서자신의동작결과를시각적으로확인이되므로시각적되먹임에따른재활효과도기대할수있다. 콘텐츠진행이종료되면그림 6(c) 와같은결과화면이제공되며훈련한모드, 진행시간, 점수, 콘텐츠수행후 COP 위치, COP 영역값이기록된다. 콘텐츠수행후의 COP 위치는 COP 위치 (ML: -0.15, AP: 2.46), COP 영역 (ML: 1.06, AP: 1.24), 뒤쪽의족압분포는 67% 로감소하여운동효과가있음을알수있다. Ⅲ. 결론본논문은균형능력평가에사용되는기존의장비들의문제점으로지적하고있는고가의장비및측정장소에대한기회비용을최소화하고자하였다. 이를위하여소형화되고저렴한관성측정장치와압력센서를사용하여척추질환자들이간편하면서정량적으로평가할수있는소프트웨어를개발하였다. 관성측정장치를사용하여동적균형운동에대한관절가동범위를정량적으로측정하고신체유연성및관절의움직임에대하여실시간으로모니터링할수있었다. 특히, 균형운동에중요한요추의변화를시각화하여재활훈련시필요한운동에대하여쉽게인식할수있게하였다. 압력센서를이용하여신체압력중심을측정할수있는 프로그램을개발하여사용자의 COP 위치와신체균형의틀어짐을쉽게알수있도록하였다. 이프로그램수행결과는균형능력평가로활용할수있으며, 이를바탕으로사용자의신체균형개선을위한맞춤형훈련이가능하도록콘텐츠를개발하였다. 개발된콘텐츠는인체중심의안정성에중요한역할을하는코어근육강화운동이가능하도록설계하였으며, 균형훈련에서효과가높다고알려진시각적되먹임을이용하여기능성게임형태로훈련할수있도록하였다. 사용자의동작에맞춰움직이는물체를보고요추의유연성과신체중심이동훈련게임을진행하는과정에서재미를느끼고집중력과참여의지를높여지속적인훈련을통한효율적인균형능력개선이가능하도록하고자하였다. 전체적으로콘텐츠수행은측정프로그램에서얻어진결과를기준으로설정되는난이도와신체균형을개선하고자하는훈련방향설정을한후진행할수있으며, 훈련전후에대하여정량적으로균형능력개선정도를확인이가능하기때문에사용자들은훈련에대한성취감과만족감을가질수잇을것이다. 더불어 ROM측정에사용된관성측정장치는불균형판에부착하여불균형판위에서중심잡기, 외발서기, 보행등을통한다양한균형능력훈련에활용될수있을것이다. 이는훈련방법의다양성을높이고개인별로적절한방법의훈련을제공하여효과적인재활결과를기대할수있을것이다. 향후연구에서는제작된균형능력측정프로그램과훈련콘텐츠를편마비, 척추질환환자를대상으로기존의지표들과의상관관계를비교하여균형능력측정과향상에도움이되는지에대한검증연구가이루질것이다. 덧붙여서관성측정장치와 FSR 발판을이용한다양한훈련콘텐츠를제공함으로써사용자의콘텐츠선택의폭을늘리고, 여러가지형태의훈련환경을제공하여사용자의신체균형정도에따라쉽게훈련을할수있는방법연구를진행할것이다. References [1] M.C. Jensen, M.N, Brant-Zawadzki, N. Obuchowski, M.T. Modic, D. Malkasian, J.S. Ross, Magnetic resonance imaging of the lumbar spine - 285 -

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