KR20140061170A

KR20140061170A - 재활 훈련 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140061170A
Application number: KR1020120128419A
Authority: KR
Inventors: 안진웅; 진상현; 이승현; 문전일; 아비불라예브 베르닥; 안재현; 장광희
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-21
Also published as: US9081890B2; US20140135873A1

Abstract

본 발명은, 재활 치료를 요하는 환자에게 능동적인 재활 훈련을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 환자에게 재활 관련 정보를 제공하여 환자의 재활 의도를 유발하고 환자의 생체신호를 지속적으로 측정하여 상태를 모니터링함으로써, 능동적이고 환자의 상태에 적합한 재활 훈련을 제공하는 재활 훈련 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

재활 훈련 시스템 및 방법 {Rehabilitation Training System and Method}

본 발명은, 뇌손상이나 척추손상으로 인한 중추신경계 손상 환자, 근골격계 질환 환자 또는 스포츠 재활이 필요한 환자 등에게 재활 훈련을 제공하는 재활 훈련 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는, 능동적인 자가 훈련을 통해 재활에 이르게 하는 재활 훈련 시스템 및 방법에 관한 것이다.

재활 치료란, 질병, 사고 또는 재해 등으로 인하여 신체 부위에 손상을 입거나 심한 수술을 받고 회복기에 접어든 환자가 손상 부위 또는 기능이 약화된 부위의 기능적 회복을 위하여 수행하는 일련의 처치 과정을 의미한다.

종래의 재활 치료는 치료사, 로봇 또는 전기 자극기 등에 의하여 실시되고 있어 환자에게 일방적이고 수동적으로 실시되는 것이 일반적이다.

따라서, 뇌신경학적 관점에서 볼 때 완전한 감각-운동 선순환 재활이 이루어지지 않고 있으므로, 급성기 또는 아급성기 환자에게는 적용이 가능한 방법이라고 볼 수 있지만, 재활의 정체기(Plateau : 수동적인 재활로는 더 이상 재활 효과가 증진되지 않고 그 상태를 그대로 유지하는 시기)를 겪는 만성기 환자에게는 적합하지 않은 치료 방법이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 환자에게 적절한 재활 훈련을 시각 등의 감각 정보로 제시하고 그에 따른 중추신경계, 근골격계 또는 감각계 등과 관련된 생체신호를 측정하여 환자의 상태를 추정하며, 이 상태에 적합한 자극 또는 운동을 제공할 수 있는 방법들을 활용함으로써 환자 스스로 감각-운동 선순환 재활(Sensory-motor Looped Rehabilitation)을 통해 뇌가소성, 근골격회복성 및 운동가능범위를 개별 혹은 동시에 향상시킬 수 있도록 하는 재활 훈련 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 사용자에게 재활과 관련된 정보를 제공하여 상기 사용자의 감각을 자극하는 재활의도유발부; 상기 사용자의 생체 신호를 측정하는 생체신호검출부; 상기 생체신호검출부로부터 상기 사용자의 생체 신호를 입력받고, 상기 생체 신호에 기초하여 상기 사용자의 상태 정보를 생성하는 상태추정부; 상기 상태추정부가 생성한 상기 사용자의 상태 정보에 기초하여, 상기 사용자에게 자극 또는 운동을 제공하는 자극운동제시부; 상기 사용자의 재활 훈련 중 상기 상태추정부가 생성하는 상기 사용자의 상태 정보에 기초하여, 상기 사용자에게 제공되는 자극 또는 운동을 조정하는 자극운동조정부; 및 재활 훈련 중인 상기 사용자에게 가상현실 또는 증강현실 등을 이용하여 사용자 체험 환경을 제공하는 재활동기활성부를 포함하는 재활 훈련 시스템을 제공한다.

본 발명의 일면에 따르면, 상기 재활의도유발부는 상기 사용자에게 재활과 관련된 인지 정보 및 감각 정보를 영상 또는 소리를 통해 제공하고, 상기 생체신호검출부는 중추신경계 관련 생체신호 측정법, 근골격계 관련 생체신호 측정법 및 감각계 관련 생체신호 측정법 중 적어도 하나의 측정법을 이용하여 상기 생체 신호를 측정한다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 사용자에게 재활 관련 정보를 제공하여 상기 사용자의 감각을 자극하는 단계; 상기 사용자의 생체 신호를 측정하는 단계; 상기 생체 신호에 기초하여 상기 사용자에게 자극 또는 운동을 제공하는 단계; 상기 사용자의 생체 신호를 지속적으로 측정하고, 상기 생체 신호의 변화가 감지되면, 상기 사용자에게 제공되는 자극 또는 운동을 조정하는 단계; 및 상기 사용자에게 가상 현실 등을 이용하여 사용자 체험 환경을 제공하는 단계를 포함하는 재활 훈련 방법을 제공한다.

본 발명은 뇌손상, 척수손상으로 인한 중추신경계손상환자 뿐만 아니라 근골격계 질환 및 스포츠 재활이 필요한 환자가 스스로 동기와 의도를 가지고 능동적인 자가 훈련을 할 수 있게 함으로써 환자의 재활에 효과가 있다.

환자가 자기 주도로 뇌의 운동 지령을 생성(Feedforward)하고 감각 정보를 되먹임(Feedback)하여 뇌의 감각-운동영역을 활성화시켜 환자 스스로 감각-운동 선순환 재활(Sensory-motor Looped Rehabilitation)을 가능하게 함으로써 뇌가소성, 근골격회복성 및 운동가능범위를 개별 혹은 동시에 향상시키는 데 효과가 있다.

환자의 상태에 따라 훈련의 강도와 시간을 환자 스스로 조절이 가능함으로써, 환자 맞춤형의 탄력적인 재활 훈련에 효과가 크다.

환자가 자신의 재활 훈련 효과를 실시간으로 확인할 수 있고, 환자 취향의 사용자체험환경을 손쉽게 제공할 수 있어 재활 훈련에의 몰입감과 동기를 고취시켜 재활 훈련의 성과를 높이는 데 효과가 크다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 시스템의 구조를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 방법의 과정을 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 시스템 및 방법 수행시 사용자에게 제공되는 모니터링 화면의 일실시예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 시스템 및 방법 수행시 혈류대사에 따른 헤모글로빈의 농도를 측정한 신호와 잡음을 제거한 신호를 나타낸 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 시스템(100)은 재활의도유발부(101), 생체신호검출부(102), 상태추정부(103), 자극운동제시부(104), 자극운동조정부(105) 및 재활동기활성부(106)를 포함한다.

재활의도유발부(101)는 환자의 재활 부위에 따라 환자에게 재활 의도를 유발하기 위한 것으로서, 환자에게 재활과 관련한 상상, 기억 등의 인지 정보와 관찰, 듣기, 만지기, 몸짓, 냄새, 맛 등의 감각 정보를 제시하여 재활 의도를 유발한다. 재활의도유발부(101)는 환자의 재활 의도를 유발하기 위하여 화면, 향수, 스피커 등의 다양한 장치를 활용할 수 있다.

생체신호검출부(102)와 상태추정부(103)는 재활 의도가 제시될 때나 재활이 수행될 때 환자의 상태를 측정하고 추정한다.

생체신호검출부(102)는 재활의도유발부(101)에 의하여 환자의 재활 의도가 발생할 때 또는 환자가 재활 훈련을 하고 있을 때 환자의 다양한 신체 상태를 측정하기 위한 것으로서, 뇌전도(EEG), 뇌자도(MEG), 재활훈련근적외선분광법(fNIRS), 기능적자기공명영상(fMRI), 뇌피질전도(ECoG : Electrocorticogram) 등의 중추신경계 관련 생체신호 측정법이나 근전도(EMG), 심전도(EKG), 맥박계(pulsimeter), 측각기(goniometer), 호흡계, 가속도계 등의 근골격계 관련 생체신호 측정법이나 망막전위도(ERG), 안구전위도(EOG), 전기 피부 반응(GSR), 전기와우도(ECoG : Electrocochleogram), 체온계, 압력계 등의 감각계 관련 생체신호 측정법을 활용하여 환자의 생체 신호를 측정할 수 있다.

상태추정부(103)는 생체신호검출부(102)에 의해 측정된 생체신호를 해석하여 환자의 상태를 추정하는 것으로서, 생체신호를 정제하고, 요구되는 특징들을 추출하며, 이 특징들을 분류하여 적합한 형태의 수치로 가공한다. 상기 수치를 가공함에 있어서, 다양한 확정적(Deterministic) 혹은 통계적 최적화 기법 등을 활용할 수 있다.

또한, 생체신호검출부(102)와 환자상태추정부(103)는 재활의도가 제시될 때 재활의도를 검출하여 이에 따른 환자의 상태를 추정하는 재활의도추출기와 환자가 재활을 하고 있을 때 재활에 따른 환자의 생체신호를 검출하여 환자의 재활 상태를 추정하는 재활상태추출기로 분리되어 구성될 수 있다.

자극운동제시부(104)는 상태추정부(103)에 의해 결정된 수치대로 환자에게 자극이나 운동을 제공하기 위한 것으로서, 매니퓰레이터, 햅틱장치 및 이동로봇 등의 로봇이나 기능적 전기 자극(FES), 경두개직류자극(tDCS), 경두개자기자극(TMS), 및 심부두뇌자극(DBS), 경두개초음파자극(MRgFUS) 등의 생체자극기술 등을 활용하여 환자에게 자극 또는 운동을 제공할 수 있다.

자극운동조정부(105)는 재활 훈련에 요구되는 자극이나 운동이 자극운동제시부(104)에 의하여 환자에게 제공되는 동안, 재활 훈련의 강도나 지속시간에 따른 환자의 신체 양상이 변하는 경우 환자에게 제공되는 자극이나 운동을 조절한다.

자극운동조정부(105)는 생체신호검출부(102)와 상태추정부(103)를 통해 환자의 상태를 지속적으로 모니터링하고, 환자의 양상이 변화하는 경우 변화된 상태를 적응적으로 결정하여 계속 변화하는 환자 상태에 적합한 자극 또는 운동으로 조절한다.

자극운동조정부(105)는 최적제어, 관찰학습기(Observer) 등 다양한 제어기법 등을 활용할 수 있고, 자극운동조정부(105)에 의하여 조정된 자극 또는 운동은 바로 환자에게 제공될 수도 있지만, 자극운동조정부(105)가 변화된 상태에 적응하기 위한 자극 또는 운동을 자극운동제시부(104)에게 명령함으로써 환자가 받는 자극 또는 운동을 조절할 수도 있다.

재활동기활성부(106)는 환자가 재활 훈련을 하는 동안 훈련에 집중하고 일관성 있는 훈련을 지속할 수 있도록 다양한 사용자체험(UX : User Experience) 환경을 환자에게 제공하기 위한 것으로서, 몰입감, 즐거움, 훈련 계속욕구 등을 촉진할 수 있는 가상현실, 증강현실 등을 활용하여 환자의 재활 훈련의 효율을 높일 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.

재활 훈련을 시작하기에 앞서 환자의 상태를 측정하고 효과적인 재활 훈련을 제공하기 위하여 환자의 생체신호를 측정할 준비를 한다(S200). 그리고, 환자가 재활 훈련을 시작하고자 하면, 재활 관련 영상, 소리 등의 정보를 환자에게 제공함으로써 환자의 재활 의도를 유발한다(S210).

재활 의도 유발에 따라 환자가 재활 훈련을 시작하면, 환자의 생체신호를 측정하고(S220) 상기 생체신호를 분석하여 환자의 상태를 추정한다(S230).

환자의 생체신호에 따라 추정된 환자의 상태에 기초하여 환자의 재활을 위해 요구되는 자극 또는 운동을 환자에게 제공한다(S240). 환자의 재활 훈련이 종료되기 전까지(S250), 환자의 생체신호를 지속적으로 측정하고(S220) 상태를 모니터링 하여(S230), 환자의 상태가 변화될 경우에는 환자에게 제공되는 자극 또는 운동을 조정한다(S240).

이하는, 본 발명의 일실시예에 따른 재활 훈련 방법이 적용되는 하나의 실시예를 설명한 것이다.

환자는 정해진 재활 지침에 따라 화면에 제시되는 재활 동작을 관찰하거나 스피커 또는 치료사의 육성으로 제시되는 재활 동작을 상상함으로써 재활 의도를 스스로 유발하고, 재활의도를 유발하는 동안 기능적근적외선분광법에 의해 환자의 뇌피질신호를 비침습적 방법으로 측정하며, 측정된 뇌피질신호로부터 현재의 환자의 의도를 추출하여, 이 의도에 적합한 기능적전기자극을 적절한 재활 부위에 인가함으로써 자가 재활이 가능한 능동형 재활 방법을 제공한다. 이때 화면에 재활 효과를 점수 등으로 수치화하여 환자에게 제시하여 환자의 재활 동기를 활성화시키고, 환자의 근수축 정도를 근전도로 측정하여 재활에 따른 근활성도에 맞도록 기능적전기자극의 세기를 조절할 수 있다.

기능적근적외선분광법 측정을 위해 환자의 두피에 측정용 탐침이 꽂혀 있는 캡을 착용하게 하고, 기능적전기자극 인가를 위해 적절한 재활 부위를 찾아 피부에 패치를 부착하며, 이와 근접한 피부 부위에 근전도 측정을 위한 패치를 함께 부착한다.

환자가 편안한 상태를 유지하도록 하고 재활 동작을 화면을 통해 환자에게 제시한다. 환자는 제시된 재활 동작을 일정 시간 동안 관찰 또는 상상을 반복한다. 환자가 두피에 착용한 캡을 통해 기능적근적외선분광법을 활용하여 뇌피질의 혈류대사를 측정한다.

뇌피질의 혈류대사 측정을 통해 도 3에 도시된 바와 같이 뇌의 활성도를 숫자와 색깔로 표시한 뇌영상 형태로 모니터링할 수 있으며, 이는 수치가 클수록 활성화되는 빈도가 높음을 표시하는 것으로서 환자가 재활 훈련을 하는 동안 부위별 뇌활성 정도를 육안으로 확인할 수 있다.

혈류대사에 따른 산화헤모글로빈과 불산화헤모글로빈의 농도를 수치로 측정하고, 측정된 농도 신호를 다양한 전처리기법을 통해 잡음을 제거할 수 있다. 도 4에서 측정된 원래 신호와 잡음이 제거된 신호 중의 일부를 표시한다.

원래 측정 신호 또는 잡음이 제거된 신호를 이용하여 다양한 학습기법에 따라 특징을 추출하고, 이에 따른 재활 의도를 분류하고 이를 이진화하여 자극 제시를 위한 명령으로 만든다.

이진화된 명령에 따라 기능적전기자극의 세기와 시간 등을 환자에게 허용된 최대 크기로 인가하여 환자의 재활 부위를 동작시킨다. 이때, 근전도로 환자의 근수축 정도를 측정하여 근활성도가 일정한 수준에 다다르면 기능적전기자극의 세기와 시간 등을 차츰 완화시킬 수 있다. 또한, 재활 의도 인식율과 근활성도 크기를 화면에 표시하여 환자의 재활 의지를 북돋운다.

의사의 재활 지침에 따라 정해진 시간이 경과하면 재활 훈련을 종료한다. 환자가 착용하고 있는 각종 장비를 환자로부터 제거하고, 환자가 일정 시간 동안 편안한 상태가 될 때까지 기다린다. 환자에게 재활 훈련의 내용과 결과에 대해 설명 및 설문하고 다음 재활 훈련 시간을 스스로 준비할 수 있게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 재활 훈련 시스템
101 : 재활의도유발부
102 : 생체신호검출부
103 : 상태추정부
104 : 자극운동제시부
105 : 자극운동조정부
106 : 재활동기활성부
200 : 사용자

Claims

사용자에게 재활과 관련된 정보를 제공하여 상기 사용자의 감각을 자극하는 재활의도유발부;
상기 사용자의 생체 신호를 측정하는 생체신호검출부;
상기 생체신호검출부로부터 상기 사용자의 생체 신호를 입력받고, 상기 생체 신호에 기초하여 상기 사용자의 상태 정보를 생성하는 상태추정부;
상기 상태추정부가 생성한 상기 사용자의 상태 정보에 기초하여, 상기 사용자에게 자극 또는 운동을 제공하는 자극운동제시부; 및
상기 사용자의 재활 훈련 중 상기 상태추정부가 생성하는 상기 사용자의 상태 정보에 기초하여, 상기 사용자에게 제공되는 자극 또는 운동을 조정하는 자극운동조정부
를 포함하는 재활 훈련 시스템.
제1항에 있어서, 상기 재활의도유발부는
상기 사용자에게 재활과 관련된 인지 정보 및 감각 정보를 영상 또는 소리를 통해 제공하는 것
인 재활 훈련 시스템.
제1항에 있어서, 상기 생체신호검출부는
중추신경계 관련 생체신호 측정법, 근골격계 관련 생체신호 측정법 및 감각계 관련 생체신호 측정법 중 적어도 하나의 측정법을 이용하여 상기 생체 신호를 측정하는 것
인 재활 훈련 시스템.
제1항에 있어서,
재활 훈련 중인 상기 사용자에게 가상현실 또는 증강현실 등을 이용하여 사용자 체험 환경을 제공하는 재활동기활성부
를 더 포함하는 재활 훈련 시스템.
사용자에게 재활 관련 정보를 제공하여 상기 사용자의 감각을 자극하는 단계;
상기 사용자의 생체 신호를 측정하는 단계;
상기 생체 신호에 기초하여 상기 사용자의 상태를 추정하는 단계; 및
상기 사용자의 상태 정보에 기초하여 상기 사용자에게 자극 또는 운동을 제공하는 단계
를 포함하는 재활 훈련 방법.
제5항에 있어서,
상기 사용자의 생체 신호를 지속적으로 측정하고, 상기 생체 신호의 변화가 감지되면, 상기 사용자에게 제공되는 자극 또는 운동을 조정하는 단계
를 더 포함하는 재활 훈련 방법.
제5항에 있어서,
상기 사용자에게 가상 현실 등을 이용하여 사용자 체험 환경을 제공하는 단계
를 더 포함하는 재활 훈련 방법.