KR20170135459A - 환자 맞춤형 재활을 위한 거대자료 기반 지능형 로봇 치료사 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상지 재활 훈련 장치에 관한 것이다. 본 발명은 상지 재활 훈련을 진행 중인 사용자의 뇌, 근육 등에서 측정된 생체 신호를 이용하여 훈련 집중 여부를 판단하고, 훈련 집중 상태를 실시간으로 사용자에게 감각적으로 피드백하여 훈련 참여 의지를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 다수의 사용자로부터 수집된 생체 신호 및 운동 능력을 기반으로 개인 별 운동 기능을 평가하고, 평가 결과를 분석하여 재활 치료를 보조하기 위한 특징을 추출하고, 추출된 특징과 의료 정보를 비교 학습하여 개인 별로 적합한 훈련 모드를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 상지 재활 훈련 장치에 관한 것으로, 특히 로봇을 이용한 상지 재활 훈련 장치에 관한 기술이다.
일상 생활에 불편을 느끼는 정도로 근력이 약화된 노인들이나 뇌졸중 등에 의한 마비 환자의 경우 상지 재활 훈련용으로 로봇 매개 치료를 적용하고 있다. 로봇 매개 치료는 환자의 상지를 로봇 장치에 고정하고, 구동 장치를 사용하여 상지 회전 운동 등을 지원하는 방식을 적용한다.
일반적으로 상지 기능에 문제가 있는 마비 환자의 경우 일상 생활에 불편함을 느끼기 때문에 일상 생활 동작과 관련된 재활 동작/과제 등을 반복적으로 수행하여 뇌 가소성을 향상시킬 필요가 있다. 뇌 가소성은 뇌의 손상된 부분이 담당하던 운동 제어 등의 능력을 다른 부분이 학습하여 신체의 기능을 회복시킬 수 있는 현상을 말한다.
그런데, 로봇 매개 치료의 경우 환자가 훈련에 집중하지 않더라도 로봇이 환자의 상지를 움직여주기 때문에 재활 효과가 증진되지 않고, 훈련 과제를 계속적으로 달성하지 못하는 경우 환자가 재활 훈련에 참여하고자 하는 의지가 저하될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 상지 재활 훈련을 진행 중인 사용자의 훈련 참여 의지를 향상시키고, 개인 별로 적합한 훈련 모드를 제공할 수 있는 상지 재활 훈련 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 장치는 훈련 모드에 따라 사용자의 상지 운동을 제어하고, 상기 상지 운동에 대한 상기 사용자의 운동 능력을 감지하여 운동 능력 정보를 생성하는 재활 훈련 수단; 상기 사용자의 생체 신호를 측정하여 생체 활성화 정보를 생성하는 생체 신호 측정 수단; 상기 생체 활성화 정보에 따라 상기 사용자의 집중력을 판단하여 피드백 정보를 생성하고, 복수의 사용자에 대한 사용자 정보, 의료 정보, 상기 운동 능력 정보 및 상기 생체 활성화 정보를 수집 및 분석하여 상기 사용자 별 훈련 모드를 결정하는 재활 관리 수단; 및 상기 훈련 모드에 대응하는 인터페이스를 제공하고, 상기 피드백 정보에 따라 상기 사용자에게 생체 감각을 피드백하는 인터페이스 수단을 포함한다.
여기서, 상기 재활 관리 수단은 상기 운동 능력 정보 및 상기 생체 활성화 정보에 따라 상기 사용자의 상지 기능을 평가하고, 상기 평가 결과로부터 치료 보조에 필요한 적어도 하나의 특징을 추출하고, 상기 사용자 정보 및 의료 정보를 이용하여 상기 추출된 특징을 학습하여 상기 훈련 모드를 결정한다.
그리고, 상기 훈련 모드는 일상 생활 동작 및 목표 동작을 수행하기 위한 요구 경로, 강도 및 빈도를 제공한다. 상기 운동 능력 정보는 상기 사용자에 의해 발생되는 저항력의 크기와 방향, 팔의 위치, 각도, 이동 속도, 가속도 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 상기 재활 훈련 수단은 착좌 상태, 두 발을 지면에 지지한 상태, 보행 상태 중 적어도 어느 하나의 자세를 제공한다. 그리고, 상기 생체 활성화 정보는 근육 및 뇌의 활성도를 포함한다.
그리고, 상기 인터페이스 장치는 상기 사용자의 상지를 촬영하여 사용자 영상을 생성하는 영상 촬영 수단; 상기 훈련 모드에 대응하는 영상, 상기 사용자의 시각을 자극하는 피드백 영상 및 상기 사용자 영상을 표시하는 디스플레이 수단; 상기 훈련 모드에 대응하는 가상 현실 영상 및 증강 현실 영상을 표시하는 두부 장착형 디스플레이 수단; 및 상기 사용자의 청각, 촉각 및 후각 중 적어도 어느 하나를 자극하는 피드백 모듈을 포함한다.
본 발명은 상지 재활 훈련을 진행 중인 사용자의 뇌, 근육 등에서 측정된 생체 신호를 이용하여 훈련 집중 여부를 판단하고, 훈련 집중 상태를 실시간으로 사용자에게 감각적으로 피드백하여 훈련 참여 의지를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 다수의 사용자로부터 수집된 생체 신호 및 운동 능력을 기반으로 개인 별 운동 기능을 평가하고, 평가 결과를 분석하여 재활 치료를 보조하기 위한 특징을 추출하고, 추출된 특징과 의료 정보를 비교 학습하여 개인 별로 적합한 훈련 모드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템의 일부 구성을 도식화한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 로봇부(110)를 도시한 도면.
도 4는 도 2에 도시된 좌석 부재(132)를 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 신체 지지부(130)의 다른 실시 예를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템의 일부 구성을 도식화한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 로봇부(110)를 도시한 도면.
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도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 신체 지지부(130)의 다른 실시 예를 설명하기 위해 도시한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템의 일부 구성을 도식화한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 로봇부(110)를 도시한 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 좌석 부재(132)를 도시한 도면이고, 도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 신체 지지부(130)의 다른 실시 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템(1)은 재활 훈련 장치(100), 인터페이스 장치(200), 생체 신호 측정 장치(300) 및 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 상지 재활 훈련 시스템(1)은 뇌졸중(Stroke), 뇌성 마비(Cerebral palsy), 척수 손상(Spinal cord injury), 다발성 경화증(Multiple sclerosis), 근육위축가쪽경화증(Amyotrophic lateral sclerosis), 회전근개파열(Rotator cuff tear), 유착성관절낭염(adhesive capsulitis) 등과 같은 신경 손상과 근골격계 손상에 의한 병명으로 진단받은 환자에 적용할 수 있다. 여기서, 상지는 어깨 관절, 위팔, 아래팔, 팔꿉 관절(elbow joint), 손목 관절을 포함한다.
구체적으로, 재활 훈련 장치(100)는 시스템 제어 장치(400)로부터 요구 경로, 강도 및 빈도를 포함하는 훈련 모드를 실시간으로 전달 받고, 훈련 모드에 따라 사용자에게 재활 훈련을 실시한다. 여기서, 요구 경로는 재활 훈련 프로그램 상에서 제공하는 일상 생활 동작 또는 과제(목표 동작)의 수행을 하기 위해 3차원 공간 상에서 상지가 움직여야 하는 운동 경로이다.
그리고, 훈련의 강도는 사용자가 요구 경로를 벗어난 경우 요구 경로로 회귀하도록 하거나, 또는 사용자가 요구 경로에 따라 움직임을 수행하지 못하는 경우 움직임을 도와주는 보조력의 크기, 요구 경로 상에서 움직임을 방해하는 저항력의 크기, 요구 경로에 따른 움직임의 반복 횟수 등을 포함할 수 있다.
예컨대, 보조력은 힘이 부족한 환자가 요구 경로를 따라 움직일 수 있도록 로봇 등에 의해 요구 경로 방향으로 가해지는 힘이며, 저항력은 움직임은 가능하나 근력이 약한 환자를 훈련 시키는 경우 요구 경로의 반대 방향이나 다른 방향으로 가해지는 힘이다.
그리고, 훈련의 빈도는 훈련 세션(session)의 횟수 및 기간 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 훈련의 빈도는 1주일에 훈련을 2회 진행할지, 3회 진행할지 등을 나타낸다.
또한, 재활 훈련 장치(100)는 사용자의 운동 능력을 감지하여 운동 능력 정보를 생성하고, 운동 능력 정보를 실시간으로 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500)에 전달한다. 여기서, 운동 능력 정보는 사용자에 의해 발생되는 저항력의 크기와 방향, 팔의 위치, 각도, 이동 속도, 가속도 등을 포함한다.
구체적으로, 재활 훈련 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 로봇부(110), 운동 능력 감지부(120) 및 신체 지지부(130)를 포함한다. 로봇부(110)는 사용자의 손과 물리적으로 결합되고, 시스템 제어 장치(400)로부터 제공되는 훈련 모드에 따라 구동되어 사용자가 재활 훈련을 수행하게 한다.
여기서, 훈련 모드는 훈련 프로그램에 따라 스스로 움직이는 수동 모드(passive mode), 환자의 움직임을 따라 저항 없이 움직이는 능동 모드(active mode), 환자의 움직임을 보조하고, 조절 가능한 보조력을 제공하는 능동 보조 모드(active assistive mode), 환자가 움직이는 방향과 다른 방향으로 조절 가능한 저항력을 제공하는 능동 저항 모드(active resistive mode), 환자의 팔이 조절 가능한 일정 속도로 움직이도록 하는 능동 등속성 모드(active isokinetic mode), 환자의 팔이 움직이지 않는 고정된 상태로 일정한 또는 변화되는 크기의 저항력을 제공하는 등척성 모드(isometric mode), 가상의 환경 하에서 가능한 가상의 역장(force field)을 제공하는 가상 역장 모드(virtual force field mode) 중 적어도 하나의 모드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고, 본 발명의 실시 예에 따른 훈련 모드는 훈련 환경을 변화시켜 훈련의 난이도를 조절하는 모드를 포함할 수 있다. 예컨대, 규제된 일정한 환경으로부터 규제되지 않고, 일정하지 않은 환경으로 훈련 환경을 변화시켜 훈련의 난이도를 상승시킬 수 있다.
여기서, 규제된 일정한 환경은 물체의 크기나, 형태, 무게, 지지면 등이 변하지 않아 예측이 가능한 환경이다. 그리고, 규제되지 않고, 일정하지 않은 환경은 운동 기능을 방해할 수 있는 요소, 예컨대 주변 밝기, 소음, 지지면 등이 변화하는 요소로 인해 예측이 불가능한 환경이다.
즉, 가만히 앉은 자세나 선 자세와 같이 예측된 환경 하에서 일차적으로 훈련을 하고, 보행을 하거나 불안정한 지면 상에서 훈련을 하여 훈련의 난이도를 상승시킴으로써 운동 조절 기능을 더욱 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 로봇부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 로봇 암(112), 손 지지 부재(114), 구동부(116) 및 제어부(118)를 포함한다. 로봇 암(112)은 손 지지 부재(114)를 통해 사용자의 손과 결합되고, 요구 경로 및 요구 강도에 따라 구동된다. 로봇 암(112)은 적어도 한 개 이상의 자유도를 가질 수 있다.
손 지지 부재(114)는 로봇 암(112)의 단부에 연결되어 있고, 사용자가 손으로 잡고 이동시킬 수 있도록 사용자의 손을 지지한다. 구동부(116)는 로봇 암(112)의 회동 축에 연결되어 로봇 암(112)을 구동시킨다. 구동부(116)는 x축 방향으로 구동하는 x축 구동 부재(116a), y축 방향으로 구동하는 y축 구동 부재(116b) 및 z축 방향으로 구동하는 z축 구동 부재(116c)를 포함한다. 여기서, x, y, z축 구동 부재(116a, 116b, 116c) 각각은 모터를 포함할 수 있다. 제어부(118)는 시스템 제어 장치(400)에 의해 제어되어 구동부(116)의 구동을 제어한다.
운동 능력 감지부(120)는 로봇 암(112)에 결합되어 있고, 로봇 암(112)을 지지하는 사용자의 운동 능력을 감지하여 운동 능력 정보를 생성한다. 여기서, 운동 능력 정보는 사용자에 의해 발생되는 저항력의 크기와 방향, 팔의 위치, 각도, 이동 속도, 가속도 등을 포함한다.
이를 위해, 운동 능력 감지부(120)는 저항력을 측정하는 6축 힘-토크 센서(미도시), 로봇 암(112)의 말단 위치를 측정하는 위치 센서(미도시) 및 로봇 암(112)의 관절 각도를 측정하는 관절 각도 측정 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 6축 힘-토크 센서는 손 지지 부재(114) 상에 배치될 수 있다. 운동 능력 감지부(120)는 운동 능력 정보를 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500)에 각각 전달한다.
신체 지지부(130)는 사용자 체중의 적어도 일부가 대퇴부를 포함하는 다리에 작용하도록 사용자의 신체 일부를 지지한다. 신체 지지부(130)는 사용자에게 착좌 상태, 두 발을 지면에 지지한 상태, 걷기, 뛰기 등의 보행 상태 중 적어도 어느 하나의 자세를 제공할 수 있다. 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 신체 지지부(130)는 사용자의 훈련에 필요한 다양한 자세를 제공할 수 있다.
예컨대, 신체 지지부(130)는 사용자의 둔부 및 등을 지지하여 사용자를 착좌 상태로 지지하는 좌석 부재(132)를 포함할 수 있다. 좌석 부재(132)는 위치, 높이 및 회전 각도 중 적어도 하나가 조절될 수 있다. 예컨대, 좌석 부재(132)는 도 4에 도시된 바와 같이, 앞뒤 좌우 방향으로 위치가 조절되거나, 상하 방향으로 높이가 조절되거나, 좌우 방향으로 회전될 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고, 좌석 부재(132)가 몸의 앞뒤 축 또는 좌우 축을 기준으로 일정 각도로 틸팅(tilting)될 수 있다.
좌석 부재(132)는 사용자에 의해 수동으로 조절되기 위한 레버(미도시) 등을 포함할 수 있고, 모터(미도시)를 포함하여 시스템 제어 장치(400)에 의해 자동으로 조절될 수도 있다. 예컨대, 재활 관리 장치(500)를 통해 수집된 사용자 별 의자 위치 정보에 따라 좌석 부재(132)가 자동으로 조절될 수 있다.
또한, 신체 지지부(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 사용자의 발을 지지하여 사용자를 두 발로 선 상태로 지지하는 발판 부재(134), 사용자의 상체를 지지하는 제1 및 제2 상체 지지 부재(136a, 136b)을 포함할 수 있다.
제1 상체 지지 부재(136a)는 발판 부재(134)와 결합되어 제2 상체 지지 부재(136b)를 고정시킨다. 제2 상체 지지 부재(136b)는 사용자의 상체와 결합되어 재활 치료 중 사용자의 체중을 보조하거나, 사용자가 부상을 입지 않도록 보호한다. 여기서, 발판 부재(134)는 도 6에 도시된 바와 같이, 트레드밀 장치로 구성되어 걷기, 뛰기 등 사용자의 보행 자세를 제공할 수 있다.
다시, 도 1 및 도 2를 참조하면, 인터페이스 장치(200)는 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500) 중 어느 하나와 사용자 간에 입력 및 출력 인터페이스를 제공한다. 인터페이스 장치(200)는 디스플레이부(210), 영상 촬영부(220), 두부 장착형 디스플레이부(230) 및 피드백 모듈부(240)를 포함한다.
디스플레이부(210)는 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500)에 의해 제어되어 영상을 표시한다. 디스플레이부(210)는 로봇 베이스(B)를 기준으로 수직 방향에 배치되는 제1 스크린(212) 및 수평 방향에 배치되는 제2 스크린(214)을 포함한다. 제1 및 제2 스크린(212, 214) 각각은 터치 스크린이나 입체 영상 스크린을 구현할 수 있다.
이러한 터치 스크린에 의해 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500) 중 어느 하나와 사용자 간의 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공할 수 있다. 예컨대, 사용자 정보, 훈련 프로그램 인터페이스 정보 등을 입력 받거나, 훈련 프로그램에서 제공하는 영상, 훈련 프로그램에 연계된 가상 및 증강 현실 영상, 사용자의 상지 모션을 캡쳐한 사용자 영상, 사용자의 시각을 자극하는 피드백 영상 등을 출력할 수 있다.
여기서, 훈련 영상은 예컨대, 훈련 프로그램이 식사하기, 머리 빗기, 양치질, 컵 옮기기 등의 일상 생활 동작/과제와 관련된 경우 식사 테이블, 빗, 거울, 컵 등을 포함하는 영상일 수 있다. 그리고, 가상 및 증강 현실 영상은 사용자가 훈련에 흥미를 느낄 수 있도록 제공되는 영상이다.
또한, 피드백 영상은 사용자의 집중을 유도하기 위한 영상, 사용자를 격려(encourage)하기 위한 영상 등 사용자가 훈련에 적극적으로 참여할 수 있도록 제공되는 영상이다.
또한, 피드백 영상은 사용자의 훈련 진행 상황, 예컨대 사용자의 상지가 요구 경로 상에서 움직일 때 로봇 암(112)으로부터 사용자에게 저항력이 가해질 경우 운동 능력 감지부(120)를 통해 측정된 저항력의 크기와 방향을 표시할 수 있다.
또한, 터치 스크린에 의해 터치 동작을 포함하는 훈련 과제를 수행할 수 있다. 예컨대, 평면 상에서 미로를 탈출하거나, 계산식의 결과를 선택하거나, 제시되는 그림과 동일한 그림을 찾거나, 동일한 두 장의 카드를 기억하여 선택하는 등 사용자의 인지 능력이 필요한 훈련 과제를 수행할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 스크린(212, 214) 각각은 시스템 제어 장치(400)에 의해 제어되어 방향 및 높이 중 적어도 하나가 조정될 수 있다.
영상 촬영부(220)는 사용자의 상지를 촬영하여 사용자 영상을 생성하고, 재활 관리 장치(500)에 전달한다. 영상 촬영부(220)는 사용자의 상지 모션을 실시간으로 캡쳐하여 사용자 영상을 생성할 수 있다. 이를 위해, 영상 촬영부(220)는 카메라 등을 포함할 수 있다.
두부 장착형 디스플레이(230)는 사용자의 두부에 장착되고, 재활 관리 장치(500)에 의해 제어되어 훈련 프로그램에 연계된 가상 현실 영상 및 증강 현실 영상을 제공할 수 있다. 예컨대, 두부 장착형 디스플레이(230)는 사용자의 주변 환경을 촬영하고, 훈련 영상에 주변 환경 영상이 증강된 증강 현실 영상을 제공할 수도 있다. 이러한 가상 현실 영상 및 증강 현실 영상을 통해 사용자의 흥미가 유발되어 재활 치료의 효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고, 제1 및 제2 스크린(220, 230)을 통해 가상 현실 영상 및 증강 현실 영상 중 어느 하나를 제공할 수도 있다. 또한, 두부 장착형 디스플레이(230)를 통해 피드백 영상을 제공할 수도 있다.
피드백 모듈부(240)는 재활 관리 장치(500)로부터 피드백 정보를 전달 받고, 피드백 정보에 따라 사용자에게 피드백 감각을 제공한다. 예컨대, 피드백 모듈부(240)는 사용자의 청각, 촉각, 후각 등의 감각을 자극할 수 있다. 이를 위해, 피드백 모듈부(240)는 음향 출력 수단, 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다.
즉, 사용자는 제1 스크린(212), 제2 스크린(214), 두부 장착형 디스플레이(230) 등을 통해 피드백 영상을 제공받고, 피드백 모듈부(240)를 통해 소리, 진동, 향기 등을 제공받아 시각, 청각, 촉각, 후각 등을 자극 받는다. 따라서, 사용자는 눈, 귀, 피부 감각 등으로 자신의 움직임, 훈련 참여 정도 및 훈련 몰입도 등을 확인할 수 있다. 이로 인해, 중추 신경 손상 환자의 경우 신경 가소성(neuro-plasticity) 이론을 바탕으로 하는 운동 학습의 필수 요소인 집중력을 높여 재활 치료의 효율을 향상시킬 수 있다.
생체 신호 측정 장치(300)는 사용자의 생체 신호를 실시간으로 측정하여 생체 활성화 정보를 생성하고, 생체 활성화 정보를 시스템 제어 장치(400) 및 재활 관리 장치(500)에 전달한다. 여기서, 생체 활성화 정보는 사용자의 근육 및 뇌의 활성도를 포함할 수 있다.
예컨대, 생체 신호 측정 장치(300)는 사용자의 상지 근육에 부착된 센서(310)로부터 근전도 신호를 취득하고, 근전도 신호를 이용하여 근육 활성도를 검출할 수 있다.
또한, 생체 신호 측정 장치(300)는 사용자의 두피 침습(invasive) 및 비침습(noninvasive) 전극을 포함하는 센서(320)로부터 대뇌에서 일어나는 전위 변동을 통한 뇌전도 신호를 취득하고, 뇌전도 신호를 이용하여 부위별 뇌 활성도를 검출할 수 있다. 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 근육 및 뇌 활성도를 검출하는 방법은 다양하게 적용될 수 있다. 예컨대, 근적외분광법(fNIRS), 뇌자도(MEG), 기능적자기공명영상(fMRI), 뇌피질전도(ECoG: Electrocorticogram) 등을 통해 뇌 활성도를 검출할 수도 있다.
시스템 제어 장치(400)는 재활 관리 장치(500)와 통신하여 재활 관리 장치(500)로부터 훈련 모드를 전달 받고, 훈련 모드에 따라 재활 훈련 장치(100) 및 인터페이스 장치(200)를 제어한다.
시스템 제어 장치(400)는 생체 신호 측정 장치(300)로부터 생체 활성화 정보를 전달 받고, 생체 활성화 정보에 따라 로봇 암(112)으로부터 사용자에게 제공되는 보조력 및 저항력의 크기를 실시간으로 조절한다. 예컨대, 시스템 제어 장치(400)는 생체 활성화 정보를 이용하여 사용자의 훈련 몰입도를 실시간으로 판단하고, 훈련 몰입도가 저하된 경우 보조력의 크기를 감소시켜 사용자가 훈련에 적극적으로 참여할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 시스템 제어 장치(400)는 생체 활성화 정보에 따라 위급 상황을 판단하여 재활 훈련 장치(100)의 구동을 중지시킬 수 있다. 예컨대, 사용자의 근육에 경련이 발생하는 등의 위급 상황이 발생하면 시스템 제어 장치(400)는 강제로 훈련을 중단시킬 수 있다.
재활 관리 장치(500)는 빅데이터 기반의 인공지능 장치로서, 복수의 재활 훈련 장치(100)로부터 유/무선 네트워크를 통해 빅데이터를 수집하고, 빅데이터를 분석하여 사용자 각각에 적합한 훈련 모드를 관리한다.
구체적으로, 재활 관리 장치(500)는 운동 능력 감지부(120)로부터 운동 능력 정보를 전달 받고, 인터페이스 장치(200)를 통해 사용자의 기본 정보를 전달받고, 생체 신호 측정 장치(300)로부터 생체 활성화 정보를 전달받는다. 여기서, 기본 정보는 각 국가 별로 관련 법이 허용하는 내에서 사용자의 이름, 환자 등록 번호 등 사용자를 식별할 수 있는 정보를 포함할 수 있다.
재활 관리 장치(500)는 사용자의 기본 정보를 이용하여 사용자 정보 및 의료 정보를 수집한다. 여기서, 사용자 정보는 성별, 나이, 질환, 병변의 정도, 경과 기간 등을 포함하며, 의료 정보는 의사 등의 의료진의 진단/재활 훈련 처방 등을 포함할 수 있다. 사용자 정보 및 의료 정보는 재활 관리 장치(500) 내부의 데이터베이스(미도시)에 저장되어 있을 수 있고, 별도의 외부 서버(미도시)로부터 추출된 정보일 수 있다.
재활 관리 장치(500)는 운동 능력 정보 및 생체 활성화 정보에 따라 사용자의 상지 기능을 평가하고, 평가 결과를 저장한다. 예컨대, 재활 관리 장치(500)는 개인적인 운동 기능을 평가하기 위한 지각 평가, 인지 평가 및 행동 평가를 수행할 수 있다. 여기서, 지각 평가는 시각, 촉각, 고유 수용 감각 등의 말초 감각 입력에 대한 상위 중추에서의 해석 능력을 평가하는 것이고, 인지 평가는 목적 있는 움직임을 위한 집중력, 동기 부여 여부, 감성적인 요소 등을 평가하는 것이다.
행동 평가는 근력, 근 긴장도, 관절의 자유도, 근육-관절의 조화로운 움직임, 기능적인 움직임 등을 평가하는 것이다. 이러한 평가 결과에는 근력, 가동 범위, 고유 수용 감각, 근 긴장도, 관절의 자유도, 근육-관절의 조화로운 움직임, 안정성, 관절의 기계적 저항 등이 포함될 수 있다.
재활 관리 장치(500)는 데이터 마이닝, 기계학습, 패턴인식, 군집 분석, 다변량 통계(multivariate statistics) 등의 거대자료분석(big data analytics) 기술 등을 통해 복수의 사용자에 대한 평가 결과를 분석하여 재활 치료를 보조하기 위한 특징을 추출한다.
예컨대, 평가 결과로 질환을 분석하는 판별 분석(discriminant analysis)을 수행하거나, 질환 별 평가 결과에 대한 요인 분석(factor analysis)을 통해 환자의 운동 기능 문제에 대한 근본적인 요인(예컨대, 근력, 감각, 인지, 가동 범위 등)을 파악하거나, 질환 별로 기 분석된 데이터를 회귀 분석(regression analysis) 하여 질환의 경과와 회복을 예측할 수 있다. 여기서, 질환 별로 기 분석된 데이터는 질환의 경중, 시간 경과에 따른 회복의 정도 등이 포함된 데이터일 수 있다.
재활 관리 장치(500)는 추출된 특징들을 의료 정보와 비교하여 학습하고, 학습 결과에 따라 사용자 각각의 훈련 모드를 결정한다. 재활 관리 장치(500)는 결정된 훈련 모드를 시스템 제어 장치(400)에 전달한다.
여기서, 훈련 모드는 요구 경로, 환자에게 제공되는 저항력 및 보조력의 크기, 훈련의 빈도 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 재활 관리 장치(500)는 일상 생활 동작 또는 과제 기반의 재활 훈련 프로그램에서 제시되는 요구 경로 상에서 상지가 움직이도록 보조할 것인지, 반대로 요구 경로로 사용자가 움직이기 어렵게 저항할 것인지 등을 정량적으로 조절할 수 있다. 또한, 사용자의 질환, 치료 경과, 과거의 훈련 성과 등에 따라 재활 훈련 프로그램에 참여하는 횟수를 조절할 수 있다.
또한, 재활 관리 장치(500)는 실제 재활 치료사의 선행 동작을 학습하여 재활 학습 프로그램에서 제공하는 요구 경로와 다른 경로를 생성할 수도 있다. 즉, 재활 관리 장치(500)는 환자 맞춤형으로 재활 훈련을 처방하고, 치료 시기를 환자에게 알리고, 치료 성과를 보여줄 수 있는 의사나 재활 치료사와 같은 역할을 수행할 수 있다. 또한, 재활 관리 장치(500)는 재활 훈련에 필요한 요구 경로, 저항력, 보조력 등을 조정하는 메커니즘을 관리할 수 있다.
그리고, 재활 관리 장치(500)는 생체 활성화 정보에 따라 사용자의 집중력을 판단하여 생체 피드백을 제공하기 위한 피드백 정보를 생성하고, 인터페이스 장치(200)에 전달한다. 예컨대, 재활 관리 장치(500)는 사용자의 근육 또는 뇌 활성도에 따라 훈련의 참여 정도, 훈련의 몰입도 등을 판단하고, 훈련의 참여 정도가 낮거나 훈련의 몰입도가 저하되는 경우 사용자의 시각, 청각, 촉각, 후각 등을 자극하는 생체 피드백을 통해 사용자가 적극적으로 훈련에 참여할 수 있도록 인터페이스 장치(200)를 제어한다.
예컨대, 사용자가 훈련에 집중하지 못하는 경우 사용자의 집중을 유도하는 피드백 영상을 생성하거나, 경고 음성 등을 생성할 수 있다. 또한, 사용자가 훈련 결과에 낙담한 경우 사용자를 격려하는 문구를 담은 피드백 영상을 생성할 수 있다. 그리고, 요구 경로 상에서 사용자 자신의 움직임을 직접 확인할 수 있도록 훈련 영상과 사용자의 상지 모션을 실시간으로 캡쳐한 사용자 영상을 합성시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 재활 훈련 장치
200: 인터페이스 장치
300: 생체 신호 측정 장치
400: 시스템 제어 장치
500: 재활 관리 장치
200: 인터페이스 장치
300: 생체 신호 측정 장치
400: 시스템 제어 장치
500: 재활 관리 장치
Claims (7)
- 훈련 모드에 따라 사용자의 상지 운동을 제어하고, 상기 상지 운동에 대한 상기 사용자의 운동 능력을 감지하여 운동 능력 정보를 생성하는 재활 훈련 수단;
상기 사용자의 생체 신호를 측정하여 생체 활성화 정보를 생성하는 생체 신호 측정 수단;
상기 생체 활성화 정보에 따라 상기 사용자의 집중력을 판단하여 피드백 정보를 생성하고, 복수의 사용자에 대한 사용자 정보, 의료 정보, 상기 운동 능력 정보 및 상기 생체 활성화 정보를 수집 및 분석하여 상기 사용자 별 훈련 모드를 결정하는 재활 관리 수단; 및
상기 훈련 모드에 대응하는 인터페이스를 제공하고, 상기 피드백 정보에 따라 상기 사용자에게 생체 감각을 피드백하는 인터페이스 수단
을 포함하는 상지 재활 훈련 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 재활 관리 수단은
상기 운동 능력 정보 및 상기 생체 활성화 정보에 따라 상기 사용자의 상지 기능을 평가하고, 상기 평가 결과로부터 치료 보조에 필요한 적어도 하나의 특징을 추출하고, 상기 사용자 정보 및 의료 정보를 이용하여 상기 추출된 특징을 학습하여 상기 훈련 모드를 결정하는 상지 재활 훈련 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 훈련 모드는 일상 생활 동작 및 목표 동작을 수행하기 위한 요구 경로, 강도 및 빈도를 제공하는 상지 재활 훈련 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 운동 능력 정보는 상기 사용자에 의해 발생되는 저항력의 크기와 방향, 팔의 위치, 각도, 이동 속도, 가속도 중 적어도 어느 하나를 포함하는 상지 재활 훈련 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 재활 훈련 수단은 착좌 상태, 두 발을 지면에 지지한 상태, 보행 상태 중 적어도 어느 하나의 자세를 제공하는 상지 재활 훈련 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 생체 활성화 정보는 근육 및 뇌의 활성도를 포함하는 상지 재활 훈련 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 인터페이스 장치는
상기 사용자의 상지를 촬영하여 사용자 영상을 생성하는 영상 촬영 수단;
상기 훈련 모드에 대응하는 영상, 상기 사용자의 시각을 자극하는 피드백 영상 및 상기 사용자 영상을 표시하는 디스플레이 수단;
상기 훈련 모드에 대응하는 가상 현실 영상 및 증강 현실 영상을 표시하는 두부 장착형 디스플레이 수단; 및
상기 사용자의 청각, 촉각 및 후각 중 적어도 어느 하나를 자극하는 피드백 모듈
을 포함하는 상지 재활 훈련 장치.
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