Multi-player Contents for Upper Limb Rehabilitation based on VR

VR 기반의 상지 재활 훈련용 멀티플레이 콘텐츠

Abstract

Hemiplegic patients who suffered from a stroke struggle with a deterioration in upper limb functions, which can both be psychologically and physically discomforting; this can also limit patients' daily tasks involving any upper limb motions. In this study, we developed an assistive device for hemiplegic patients to improve their upper limb functions. It was manufactured to train patients by using their grip strength and the range of motion of the arm. Furthermore, we produced game contents in virtual reality to induce users' immersion and interaction. It was configured as a multi-player game to help ease the mental burden of receiving the training alone, hence allowing the patient and the caregiver to join the rehabilitation training simultaneously. The assistive device and game contents developed in this study enables patients and caregivers to easily check the degree of improvements in upper limb function by viewing quantitative analysis and visualized results.

뇌졸중 후 편마비(Hemiplegic) 환자들의 상지기능 저하는 손을 많이 쓰는 일상생활 수행에 있어서 신체적 동작뿐만 아니라 심리적인 불편함이 매우 크다. 본 논문에서는 편마비 환자들의 상지기능 개선을 위하여 자체 제작한 상지 재활 보조장치를 이용하였다. 이 장치는 팔이 움직일 수 있는 관절가동범위(Range Of Motion)와 손의 악력 크기를 사용하여 훈련 콘텐츠를 수행할 수 있다. 이 장치를 이용한 훈련 콘텐츠는 환자의 흥미와 능동적인 참여를 유도하기 위해 VR(Virtual Reality)로 구현되었으며, 환자 혼자서 훈련하는 심리적 부담을 덜어주기 위해 멀티플레이 환경으로 구성하여 환자의 재활훈련에 간병인이 함께 참여할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제작된 장치와 훈련 콘텐츠를 사용하여 손의 악력 크기와 팔의 관절가동범위의 변화를 정량적으로 측정하고 시각적으로 보여줌으로써 환자나 간병인이 쉽게 상지기능 개선정도를 확인할 수 있는 장점이 있다.

Ⅰ. 서론

최근 평균 수명의 연장으로 뇌졸중 환자의 발병률이 높아짐에 따라, 비정상적인 근육긴장도로 인해 뇌손상 측의 팔다리 또는 안면이 마비되는 편마비환자들이 증가하고 있다^[1-2]. 특히, 상지기능의 장애를 동반한 편마비 환자들은 일상생활 수행에서 손과 팔을 많이 사용하기 때문에 신체적, 심리적인 불편함이 더 크다^[3-4]. 이러한 상지기능의 장애는 시간이 지날수록 회복이 어려워지기 때문에 발병 초기에 재활치료가 이루어져야 하며 회복을 위해서는 정확하고 반복적인 훈련과 능동적인 참여가 요구된다^[5-6].

일반적인 상지 재활치료 방법으로는 건측 제한 운동 치료법(Constraint-induced Movement Therapy), 거울 치료법(Mirror Therapy), 기능적 전기 자극법 (Functional Electrical Stimulation) 등이 있지만, 이와 같은 방법들은 단순 반복적인 훈련으로 환자들의 능동적인 재활 참여를 기대할 수 없으며, 중도에 포기하는 경향이 있다^[7]. 그래서 재활 훈련이 신체적 기능 및 환자의 집중력과 참여도를 증가시킬 수 있도록 HMD(Head Mounted Display)를 이용한 VR 기능성 게임이 많이 연구되고 있다^[8]. HMD 기반의 VR 기능성 게임은 기존의 컴퓨터 화면을 통한 기능성 게임과는 달리 환자의 몰입을 유도해줄 수 있으며, 환자에게 실시간으로 결과를 피드백 해줌으로써 환자가 훈련하는 동안 보다 높은 흥미와 동기를 유발시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 환자 혼자서 수행하는 재활훈련은 환자에게 사회적 고립감을 느끼게 할 수 있으며, 이로 인해 스트레스를 받아 우울증으로 심화될 수 있다^[9]. 이러한 환자의 사회적 고립감을 해결하기 위해서는 환자가 신체적 제약에도 불구하고 사회적 장벽을 극복할 수 있도록 사람들과 상호 작용하며 훈련할 수 있는 방법이 필요하다.

따라서 본 논문에서는 편마비 환자들이 VR 환경에서 손과 팔을 동작하는 데 겪는 어려움을 감소시키기 위하여 보조 장치를 제작하고, 이를 사용한 HMD 기반의 콘텐츠를 개발하였다. 콘텐츠들은 환자의 손의 악력과 팔의 관절가동범위를 측정할 수 있는 페그보드 콘텐츠와 팔꿈치와 어깨의 움직임 훈련이 가능한 에어하키 콘텐츠를 구현하였다. 특히, 에어하키 콘텐츠는 환자가 재활 훈련을 진행하는 동안 느끼는 사회적 고립감을 최소화하고 능동적인 재활 훈련 참여를 유도할 수 있도록 가족이나 치료사가 함께 상호 작용하여 훈련 할 수 있는 멀티플레이 환경으로 구성하였다. 이에 대한 콘텐츠 수행 결과는 사용자들이 직관적으로 알 수 있도록 시각화하였다.

Ⅱ. 상지 보조장치 구성

일반적으로 편마비 환자들은 근력 저하 및 근육의 공동운동(Synergy) 등으로 팔을 움직이거나 물건을 움켜쥐는 것이 어렵기 때문에 보조 장치를 제작하여 간병인과 함께 VR 환경에서 재활 훈련 콘텐츠를 수행할 수 있도록 하였다. 보조 장치는 상지 이동 경로와 관절가동범위를 측정하기 위하여 HTC사의 VIVE와 연동하였고, 손의 악력을 측정하기 위해 고무 튜브와 연결된 공기압 센서를 이용한 악력 측정 모듈로 구성하여 그림 1에 나타냈다. VIVE Controller를 통해 측정되는 보조 장치의 이동거리 및 회전각은 콘텐츠 수행에 필요한 값으로 이용 되거나 훈련 효과에 대한 정량적인 향상도 분석으로 사용된다. 또한, 편마비 환자들은 손을 쥐는 힘이 약하므로 가볍게 쥐는 동작을 통해 악력의 변화를 측정하고 훈련할 수 있도록 고무튜브와 압력센서를 연결하였다.

그림 1. 훈련 보조 장치 및 손의 악력 측정을 위한 PCB 모듈

Fig. 1. Assistive Devices & PCB Module to Measure Hand Grip Strength

보조 장치의 최대 관절가동 측정 범위는 앞/뒤 60cm 와 좌/우 100cm로, 수평면에서 팔을 자유롭게 움직일 수 있게 함으로써 팔꿈치의 신전, 굴곡(Flexion, Extension)과 어깨의 내회전, 외회전(internal rotation, external rotation)으로 팔꿈치와 어깨의 결합된 동작을 훈련할 수 있다^[10]. 또한, 악력은 국내 60대 이상의 평균 악력이 약 25psi인 것을 고려하여 최대 50psi까지 측정 가능하도록 하였으며^[11-12], 보조 장치의 높낮이 조절을 통해 환자의 체격에 따라 편안한 자세로 콘텐츠를 수행할 수 있도록 하였다.

Ⅲ. 콘텐츠 구성

본 논문에서 구현한 콘텐츠는 환자의 관절가동범위와 악력을 측정하기 위한 페그보드 콘텐츠와 측정된 결과를 보정하여 간병인과 함께 훈련할 수 있는 에어하키 콘텐츠로 구성되어 있다. 보조 장치를 사용한 훈련은 그림 2에서 보여주는 순서로 수행된다.

그림 2. 콘텐츠 훈련 흐름도

Fig. 2. Flow chart of Training Contents

VR환경의 페그보드 콘텐츠에서는 사용자가 페그를 옮기는 동안 관절가동범위와 악력이 측정되며, 이에 대한 결과 값들은 에어하키 콘텐츠 수행 시 필요한 파라미터로 사용된다. 환자의 파라미터들은 간병인들에 비해 낮은 값들을 가지기 때문에 간병인의 실제 동작 범위에 비례하여 환자의 파라미터들을 증가시키는 매핑 과정을 거친 후 간병인과 동등한 수준에서 에어하키 콘텐츠를 수행할 수 있도록 하였다. 이것은 환자가 간병인과 함께 콘텐츠를 수행하는 동안 관절 가동범위와 악력 차이로 인한 불균형성을 적절한 보정을 통해 이질감이 느껴지지 않도록 하기 위한 것이다. 예를 들어 환자의 측정값이 간병인의 30% 수준이라면, 콘텐츠에서는 간병인과의 같은 범위의 움직임을 수행할 수 있도록 보정한다는 것이다^[13]. 에어 하키 콘텐츠가 종료되면 환자는 다시 페그보드 콘텐츠를 수행하고 관절가동범위와 악력을 측정하여 변화량을 정량적으로 확인할 수 있다. 이를 통해 훈련 전후에 대한 향상도를 시각적으로 피드백 해줌으로써 환자에게 동기를 부여할 수 있고, 간병인과의 수행에서 발생되는 경쟁심은 재활에 긍정적인 영향을 줄 수 있다.

Ⅳ. VR 페그보드 콘텐츠

일반적으로 상지 편마비 환자의 재활 훈련 및 작업 치료 도구에는 손 뻗기, 잡기, 운반하기, 놓기 등 일상생활 동작과 관련된 손 기능 훈련을 수행할 수 있는 페그보드가 널리 사용되어 왔다.

작업치료용 페그보드의 종류에는 눈-손 협응력 훈련을 위한 Depth Perception Peg Board, 인지기능 및 미세동작훈련을 위한 Graded Pegboard, 상지기능이 제한적인 환자를 위한 Graded ROM arc 등이 대표적인 것으로 알려져 있다. 하지만 위와 같은 작업치료용 페그보드들은 반복되는 훈련 과정에서 환자에게 단조롭게 느껴질 뿐만 아니라 전문 재활 치료사의 도움 없이 스스로 수행하기에는 많은 어려움이 있다고 보고되었다^[14].

따라서 본 논문에서는 치료사의 도움 없이 손의 악력 및 팔의 관절가동범위의 측정이 가능한 VR기반의 페그 보드 콘텐츠를 그림 3과 같이 구현하였다. 콘텐츠에서 페그가 제시되는 방향은 환측 부위에 따라 왼쪽 또는 오른쪽으로 설정하여 옮기는 방향을 선택할 수 있도록 하였다.

그림 3. 악력 측정용 페그보드(a), 관절가동범위 측정용 페그보드 (b), 악력 및 관절가동범위 측정용 페그보드(c)

Fig. 3. Pegboards for measuring grip strength (a), Pegboards for measuring ROM (b), Pegboards for measuring grip strength and ROM (c)

그림 3 (a)는 악력의 크기를 측정하기 위한 콘텐츠로 페그의 크기에 따라 요구되는 악력의 크기를 각각 다르게 하였다. 가장 큰 페그를 옮기기 위해 필요한 악력의 크기는 10psi, 중간 크기의 페그를 옮기기 위한 악력의 크기는 5psi, 가장 작은 페그를 옮기기 위한 악력의 크기는 1psi로 설정하였고, 사용자의 악력 값은 우측에 표시된 게이지를 통해 실시간으로 확인할 수 있다^[15].

그림 3 (b)는 관절가동범위를 측정하기 위한 콘텐츠로 페그보드간 간격을 최대 x 방향으로 50cm, y 방향으로 30cm까지 증가시켰다. 콘텐츠 수행 시 사용자가 페그를 3번 떨어뜨리거나 동일한 위치에서 1분이 지나면 측정이 자동 종료된다. 측정 결과는 그림 4에서 보여주는 것과 같이 콘텐츠를 수행하는 동안 팔의 전체 이동 경로는 화면 중앙에 파란색 실선으로 표시되며, Detail 버튼을 통해 최대 관절가동범위와 악력의 정량적인 값을 확인할 수 있다. 또한 우측 상단의 날짜를 선택하면 해당 날짜와 현재의 관절가동범위의 이동 경로를 비교할 수 있다. Detail 버튼 실행 시 그림 5와 같이 날짜별 관절가동범위와 악력 크기 변화를 볼 수 있다. 그림 5의 결과들은 정상인을 대상으로 테스트한 결과이므로 관절가동범위와 악력 크기의 변화가 거의 없음을 보여주고 있다. 하지만 그림 4와 그림 5를 통해 사용자의 관절가동범위와 악력 크기 변화에 대한 정량적인 표현이 가능하다.

그림 4. 페그보드 이동 경로

Fig. 4. Hand Route of Peg Board

그림 5. 페그보드 측정 결과 세분화

Fig. 5. Details of pegboard measurement results

Ⅴ. VR 에어 하키 콘텐츠

상지 편마비 환자들은 팔의 경직(Spasticity)으로 인해 팔을 몸쪽으로 당기기는 굴곡 동작보다 바깥쪽으로 뻗는 신전 동작이 어렵다^[16]. 그래서 본 논문에서는 굴곡 동작보다 신전 동작을 많이 사용하는 실제 에어하키 게임을 기반으로 훈련 콘텐츠를 설계하였으며, 가족이나 간병인이 함께 훈련에 참여할 수 있도록 VR 기반의 멀티플레이 환경을 구성하였다.

콘텐츠 수행 전, 환자의 관절가동범위는 가장 최근에 측정된 페그보드 콘텐츠의 파라미터 값을 통해 간병인과의 보정이 이루어지며, 이는 앞에서 설명한 내용과 같다.

콘텐츠 수행은 상지의 수평면 움직임을 바탕으로 탁자 양 끝에 위치한 두 사람이 탁자 표면에 높인 퍽을 채로 밀고 받으며 진행되며, 상대방의 골대에 퍽을 넣는 것이 목표이다. 그래서 환자는 자신의 골대를 방어하고 움직이는 퍽을 맞춰 상대 골대에 넣음으로써 팔꿈치와 어깨의 결합된 움직임을 통해 상지훈련이 이루어진다^[17]. 또한, 게임적인 요소로 게임 도중 상자가 임의의 위치에 나타나도록 하였으며 손의 악력을 증가시킬 때 공의 속도도 이에 비례하여 더 빠르게 움직이도록 하였다. 퍽으로 상자를 맞추면 퍽이 2개로 증가하므로 팔의 정밀한 움직임과 순발력을 훈련할 수 있으며 이에 대한 에어하키 콘텐츠를 그림 6에서 보여주고 있다.

그림 6. 에어하키 실행 중 등장하는 상자

Fig. 6. Random Box of Air Hockey

환자의 악력은 화면 우측에 실시간으로 표시되는 악력 게이지를 통해 확인할 수 있으며, 퍽이 손에 닿지 않는 위치에서 멈추게 될 경우, 컨트롤러의 터치패드 우측버튼을 누르면 사용자 정면에 퍽이 재배치되도록 하였다. 퍽을 상대방의 골대에 넣을 시 그림 7에서 보여주는 효과와 함께 1점을 획득하며 실행 화면 중단에 있는 점수가 올라가게 되고, 10점을 먼저 획득하면 훈련이 종료된다. 가상 환경에서의 콘텐츠 수행은 보조장치에 고무튜브를 잡으면 에어하키 스틱을 잡게 되고, 팔을 움직여 퍽을 타격하는 것이다.

그림 7. 에어하키 득점화면

Fig. 7. Score Screen of Air Hockey

Ⅵ. 결론

본 논문은 뇌졸중으로 인한 편마비 환자의 상지 재활 훈련을 위한 보조장치와 이를 활용한 VR 기반의 게임 콘텐츠를 제작하였다. 보조장치는 HTC사의 VIVE와 고무 튜브 및 공기압 센서를 이용한 악력 측정 모듈로 구성하여 환자의 악력과 팔의 관절가동범위의 정량적인 측정이 가능하도록 하였다.

재활훈련의 효과를 향상시키기 위하여 VR 기반으로 환자의 악력과 팔의 관절가동범위를 측정할 수 있는 페그보드 콘텐츠와 간병인과 함께 훈련할 수 있는 에어하키 콘텐츠로 제작하였다. VR기반의 기능성 게임 콘텐츠를 구현한 것은 환자에게 특정 감각을 자극시켜 몰입을 유도시켜주며 이를 통해 훈련에 대한 높은 흥미와 동기 부여를 제공하고자 하였다. 또한, 가상 환경 내에서의 사회적 상호 작용을 통해 재활 훈련의 효과를 극대화 시킬 수 있도록 간병인이나 가족, 일반인 등과 함께 멀티플레이 게임이 가능하도록 구현하였다. 멀티플레이 콘텐츠 수행을 위해서 환자와 정상인들과의 동등한 수준에서 경쟁할 수 있도록 환자의 악력 및 관절가동범위를 측정하여 적절한 보정을 통해 훈련과 도움간의 균형을 유지 시켜 경쟁 심리 유도와 흥미를  유발함으로서 보다 재활 훈련에 적극적으로 참여 할 수 있도록 하였다. 이를 통해 신체적 제약에도 불구하고 사회적 장벽을 극복할 수 있도록 하였으며, 자신의 능력에 대한 인식을 바꾸는 것뿐만 아니라 움직임의 질과 관절 가동 범위의 향상과 더 높은 동기 부여, 자기 효능감 그리고 사회적 수용의 느낌으로 이어질 수 있다.

향후 게임 종류의 다양화를 통해 보다 다양한 환경에서 재활 훈련을 수행할 수 있도록 하며 환자의 현재 상태에 맞춰 수행해야 할 콘텐츠를 추천해주거나 환자의 개선 정도에 따라 VR 환경에서의 보정이 가능한 맞춤형 VR 기능성 게임 연구가 필요할 것이다. 또한, 실제 환자를 대상으로 임상 시험이 가능한 병원과 연계한 실험을 통하여 확인해야 할 것이다.