재활 운동 모니터링을 위한 IMU 기반 모션 캡처 시스템 구현

Abstract

과거에는 재활의학 분야에서 일상생활에 영향을 주는 신경/근골격계 질환이나 뇌졸중(stroke)으로 인한 편마비 환자의 움직임을 의사가 육안으로 반복 관찰하는 것이 사실상 유일한 분석 방법이었으나 이는 비정상적인 움직임 양상을 보일 수 있는 여러 요인들 때문에 객관적으로 변화를 밝혀내기는 불가능하였다. 따라서 비정상적인 움직임에 관련된 객관적인 정보를 얻어내어 정확한 치료가 가능하도록 하기 위하여 최근에는 전자, 컴퓨터 기술이 집약된 분석 시스템이 개발되고 있으며, 현재까지 세계적으로 많은 재활의학과, 정형외과, 스포츠의학 및 산업의학과 관련된 병원과 연구소에서 이러한 시스템을 도입하고 있어 그 활용도가 점점 높아지고 있다. 일반적으로 뇌졸중은 지속적인 신경학적 후유증뿐만 아니라 신체적인 상태 악화 장애를 일으키고, 발병 후 한쪽 상지 혹은 하지의 운동 기능을 손상시켜 균형 감각을 상실하게 된다. 뇌졸중 환자들의 삶의 질을 개선시키기 위한 방법으로서 회복단계 동안 사지 및 보행 분석(gait analysis)이 가장 많이 사용되고 있고, 분석 결과로서 뇌졸중 환자는 정상인에 비해 하지의 움직임이 줄어들어 느린 보행속도 및 줄어든 보폭을 보임으로서 보행주기가 일반인보다 증가되는 특성을 보인다. 사지 및 보행 분석 정보를 획득하는 방법으로 모션 트래킹 센서(motion tracking sensor)의 경우 크게 세 가지로 광학식(optical), 기계식(mechanical), 전자식(electrogoniometer)로 나눌 수 있다. 이 중에 전형적인 모션 분석 방법으로 적외선 카메라를 기반으로 사용자에게 마커를 부착하고, 움직일 때 마커를 추적하여 데이터를 분석하는 방법들이 연구되어 오고 있다. 그러나 전문가가 적외선 카메라를 위치에 맞게 설치해야 되고, 제한된 공간에서만 사용할 수 있다는 단점이 있고, 그 밖의 다른 모션 트래킹 방식들도 부정확성 및 공간의 제한, 착용의 불편함 등의 단점이 있다. 본 연구는 뇌졸중 환자들의 회복단계 동안 신체 운동을 객관적으로 평가하기 위해 기존의 방법에서 다양한 환경에서 실험이 불가능한 공간 제약이 있고, 부정확한 단점을 보완하기 위해 관성센서(IMU: Inertial Measurement Units)를 이용한 AHRS(Attitude Heading Reference System)을 구현하는 것을 목표로 한다. 특히, 소형화된 AHRS 모듈을 개발하고, 이들 모듈을 신체의 각 분절(segment)에 부착하여 얻은 방위(quaternion) 정보를 이용하여 바이패드로 만들어진 모델에 적용하여 3차원 모션 캡처를 수행하였다. 또한 재활과 관련된 많은 응용에 있어 중요한 생체역학 측정값인 신체 분절간의 관절각을 추출하는 알고리즘을 제안하였다. 개발한 AHRS 모듈의 성능을 평가하기 위하여 3차원 공간상의 변위 및 방위를 밀리미터 해상도로 제공할 수 있는 Vicon을 참조 측정 시스템으로 이용하였다. 그 결과 2.56도의 평균 제곱근 오차를 얻을 수 있었으며, 오차 범위가 0.8% 이내로 발생하였고, 관절각 추출 알고리즘 성능 평가 결과는 회전 운동에 대한 분석된 관절각의 표준 편차 범위가 1.32도 이내로 발생함을 확인하였다.