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가설 설정
- 족부 모델에서 많은 가정들을 제시하였는데, 그 가정들이 모델에 어떠한 결과를 미치는지 고려해야한다. 가장 쟁점이 되고 있는 가정은 해부학석으로 정의된 몇 개의 관절들만이 움직임을 지배한다는 것인데, 그렇다면 모델에서 고려되지 않은 관절이 실제로 오차에 영향을 주었는지 고려해 보아야 할 것이다..
제안 방법
- 본 연구에서는 Scott과 Winter의 모델을 향상시켜 9 개의 세그먼트, 10 개의 단일중심, 1자유도 힌지 관절로 족부 모델을 구성하였다. 각 세그먼트는 강체로 모델링하였다(Fig. 1).
- 본 연구에서는 Scott과 Winter[2]의 수학적 모델을 향상시켜 피험자의 족부와 인체측정학적으로 일치되는 컴퓨터 족부 모델을 구성하고, 4대의 카메라를 사용한 모션측정기로 보행 시 족부의 주요 세그먼트들의 공간상의 좌표 값을 측정하였다. 그리고 모션측정 실험에서 측정된 족부 주요 세그먼트의 공간 좌표를 컴퓨터 모델의 입력 값으로 하여 시뮬레이션 함으로써 족부의 각 관절의 움직임을 정량적으로 표현하는 기구학적 데이터를 제시하였다.
- 또한, 보행 시 주목할 만한 운동은 족저-족배굴곡(plantar-dorsiflexion)이다[19]. 따라서 발목발허리와 발목뼈중간의 관절 또한 힌지 관절로 모델링 하였다.
- 모델에서 각 세스먼트마다 지역좌표계(local reference fra me)른 정의하고 이 좌표계를 기준으로 각 세그먼트들의 데이터를 제시하였다(Fig. 2). 각 지역좌표계의 원점의 위치, 해부학적인 놘절의 위치로 정하였다[16].
- 본 연구에서는 Scott과 Winter[2]의 수학적 모델을 향상시켜 피험자의 족부와 인체측정학적으로 일치되는 컴퓨터 족부 모델을 구성하고, 4대의 카메라를 사용한 모션측정기로 보행 시 족부의 주요 세그먼트들의 공간상의 좌표 값을 측정하였다. 그리고 모션측정 실험에서 측정된 족부 주요 세그먼트의 공간 좌표를 컴퓨터 모델의 입력 값으로 하여 시뮬레이션 함으로써 족부의 각 관절의 움직임을 정량적으로 표현하는 기구학적 데이터를 제시하였다.
- 본 연구에서는 Scott과 Winter의 모델을 향상시켜 9 개의 세그먼트, 10 개의 단일중심, 1자유도 힌지 관절로 족부 모델을 구성하였다. 각 세그먼트는 강체로 모델링하였다(Fig.
- 시뮬레이션은 입각기 약 0.9초 동안, 발꿈치닿음(heelstriking)부터 발가락떨어짐(toe-off)까지, 200 프래임(frame)으로 이루어졌다. 시뮬레이션 시 모션은 3차 곡선 보간법에 의해 200 프레임에 맞는 좌표 값을 돌려준다.
- Scott과 Winter[2]는 이러한 한계를 극복하고 이전의 연구와 해부학적 근거를 바탕으로 8개의 세그먼트(segment), 8개의 단일중심(monocentric), 1 자유도 힌지 관절(sing)e-deg- ree-of-freedom hinge joint)로 구성된 3차원적 모델을 제시하였다. 이 모델을 바탕으로 모션 측정기와 지면 반발력 측정기를 이용하여 족부의 움직임과 순 모멘트(net moment)를 수학적으로 계산하였다.
- 이렇게 만들어진 보델의 각 세그먼트는 피험자의 표면마크의 움직임을 측정한 3차원 자료를 바탕으로 피험자의 족부에 맞게 스케일링(scaling) 되었다.
- 발허리발가락관절은 굴곡(flexion), 신전(extension)이 주로 일어나며, 미소하나 대전과 외전 또한 일어나는 것으로 알려져 있다[16]. 특히, 첫 번째 발허리발가락관절은 정상보행을 하는 젊은 남성의 경우 체중의 최대 80% 가까이 하중이 가해지고 보행 시 40° 이상 회전하는 것으로 나타나 보행 시 가장 중요한 역할을 한다고 할 수 있다[2, 8, 9] 따라서 본 연구에서는 첫번째 발허리발가박관절을 힌지 관절로 모델링하여 고려하였다. 한편, 첫 번째 발허리발가락관선을 제외한 발허리발가락놘절과 반가락뼈사이관절은 족부의 운동에 기여하는 바가 미비함으로 모델에서 제외하였다[18].
대상 데이터
- 실험은 4대의 CCD 카메라를 이용하여 입각기(stance pha se) 동안 11개의 표면마m들의 움직임을 촬영하였다(Fig. 3). 11개의 마크 종 8개는 각 세그먼트들에 부착되었고 나머지 3개는 내측 복사(lateral malleolus)와 외측 복사(medial mal leolus), 정강이뼈의 외측에 각각 부착되었다.
- KWON 3D는 DLT (Direct Linear Transformation) 방식을 통해서 표면마크들의 좌표를 3차원으로 재구성한다. 이러한 좌표의 기순 좌표(global reference frame)를 정의하기 위해 12개의 마크가 붙어있는 가로 0.6m, 세로 0.6m, 높이 0.4m의 통제틀(control box)을 사용하였다(Fig. 3).
- 카메라로 촬영된 영상은 비디오테이프에 저장되었고(60Hz), 이 영상 데이터는 KWON 31)((주)비솔, 한국)라, 소프트웨어에 의해 3차원 좌표로 변환되었다. KWON 3D는 DLT (Direct Linear Transformation) 방식을 통해서 표면마크들의 좌표를 3차원으로 재구성한다.
데이터처리
- 5). 데이터의 정확성을 높이기 위해서 피험자의 기준 좌표계에서 측정된 값을 4회 평균하여 사용했다. 이 값들이 X, Y, Z 각 방향으로 공간상에서 궤적을 그리게 되고 그 궤적을 따라 컴퓨터 상의 마크들이 움직임으로서 실제 보행 시 족부의 움직임과 같은 동작을 얻을 수 있었다(Fig.
이론/모형
- 보행 시 표면마크들의 데이터는 3차원 곡선 보간법(cubic spline interpolation)으로 내삽된 후, 시뮬레이션 시 입력 값으로 사용되었다(Fig. 5). 데이터의 정확성을 높이기 위해서 피험자의 기준 좌표계에서 측정된 값을 4회 평균하여 사용했다.
성능/효과
- 이 값들은 Scott과 Winter[2]의 연구 결과와 비교할 때 발목발허리관절들에서 *5° 의 차이가 있었으며 결과값의 경향은 대체적으로 비슷하였다. 또한, 첫 번째 발허리발가락관절에서는 입각기의 95%에서 관절이 최대로 신전이 일어나는 것을 볼 수 있는데, 이는 남은 5%의 입각기 동안 관절이 빠르게 회전한다는 것을 알 수 있다. 첫 번째 발허리 발가담관절에서의 결과값은 Scott 과 Winter의 연구에서의 발허리발가락관절의 최대 회전값 40° ~50° 과 유사하였다 (Fig.
- 7 (a)). 첫 번째 발허리발가락관절에서는 -13° ~48° 의 범위를 나타내며, 발가락 떨어짐이 될 때의 값이 최대인 것을 알 수 있다(Fig. 7 (b)).
후속연구
- 그러나 보행 시 족부를 기구학적으로 해석하기 위해 카메라를 이용한 단순한 모션 분석은 족부 관절의 움직임이 미소하고 정확한 뼈의 움직임을 표면마크들이 나타내지 못하는 한계점이 있다[2]. 그러므로 근육과 인대 등의 영향 또한 모델링하여 보행의 동역학적인 상황을 고려할 때에 관절에 대한 정확한 기구학적 특성과 데이터를 파악할 수 있을 것이다.
- 좀 더 정확한 기구학적 데이터를 얻기 위해서는 피험자의 개인적 뼈 형상과 특징을 고려해서 컴퓨터 모델을 구현해야 한다. 또한, 영상데이타를 3차원 좌표로 변환하는 디지타이징(digitazing)과정에서도 오차가 발생하는지 고려되어야 할 것이다.
- 컴퓨터 모델과 시뮬레이션을 이용한 족부 관절의 기구학적 해석 방법은 실제 족부를 컴퓨터 모델링으로 완벽하게 구현하는 데에 어려움이 있으나, 복잡한 수학적 계산을 필요로 하지않는다는 장점이 있고 여러 가지 근골격계 병변이 생긴 족부의 생체역학적 해석에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
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