시계열 분석 방법을 이용한 정상 보행 가속도 신호의 모델링

Abstract

[한글]본 논문에서는 정상인의 보행 시 체중심에서 얻어진 가속도 데이터를 시계열 분석을 통해 모델링하고, 모형의 계수를 비교함으로써 보행 가속도 신호 분석을 위한 새로운 방법을 제시하였다.시간의 흐름에 따라 변하는 현상을 기록한 시계열 데이터(time series data)를 분석하는 통계적 분석방법을 시계열 분석이라고 한다. 본 논문에서는 시계열 데이터인 보행 가속도 신호를 모형화하기 위해 Box-Jenkins 방법(ARMA 모형)을 이용하였다. 보행 가속도값을 측정하기 위한 휴대용 무선 가속도 측정 시스템은 2축 가속도계와 증폭기 및 16Hz 저역 통과 필터로 구성된 가속도 센서부와 원칩 마이크로프로세서, RF 송신부 및 수신부로 구성되어 있다. 가속도 데이터는 정상인 24명(남자 23명 여자 1명)으로 부터, 요추 3～4번 위치에 부착된 가속도 센서에 의해 획득되었다. 정상인의 경우 20m 동안의 보행 가속도 신호를 60Hz의 샘플링 주파수로 측정하였다. 데이터는 각 보(step)별로 나눈 후, 세 가지 조건-보행 속도(빠름, 보통, 느림), 가속도 축 방향(상하방향, 좌우방향), 좌보(Left step)와 우보(Right step) 들에 의해 12그룹으로 재분류 되었다. 모형화 단계에서 각각의 보별 데이터들에 대한 최적의 모형을 찾고, 그 결과 얻어진 계수들의 그룹별 평균값을 비교함으로써 각 그룹의 신호 형태 차이를 객관적으로 평가하였다. 모형화 결과 보행가속도 신호의 보별 데이터는 1차 차분된 AR(3) 모형으로 가장 잘 표현되었다. 이 결과는 보행 가속도신호 분석 및 평가를 위한 기초 자료로 활용될 수 있는 가능성을 보여주었다.

[영문]In this paper, we analyzed normal gait acceleration signal by time series analysis methods. Accelerations were measured during walking using a biaxial accelerometer. The portable acceleration data acquisition system consists of a biaxial accelerometer, amplifiers, lowpass filter with cut-off frequency of 16Hz, one-chip micro controller and RF (TX/RX) module. Acceleration data were acquired from normal subjects(23 men and one woman) walked on a level corridor of 20m in length in three different walking speeds. Acceleration signals were measured at a sampling frequency of 60Hz from a biaxial accelerometer mounted between L3 and L4 intervertebral area. Each step signal was analyzed using Box-Jenkins method. Almost normal step signals were modeled to ARI(3,1) and the model didn''t show difference with walking speed. But, the model showed difference with direction of signal -vertical, lateral. Based on above results, it showed the possibilities that the proposed model could be applied to gait analysis.