[논문]전방십자인대 재건수술 환자와 정상인의 보행 연구

고재훈; 문병영; 서정탁; 손권

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.4.435

전방십자인대 재건수술 환자와 정상인의 보행 연구
Gait Study on the Normal and ACL Deficient Patients After Ligament Reconstruction Surgery Using Chaos Analysis Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.4 = no.247, 2006년, pp.435 - 441

고재훈 (부산대학교 대학원 기계설계공학과) , 문병영 (부산대학교 동남권부품소재 산학협력혁신사업단) , 서정탁 (부산대학교 의과대학 정형외과) , 손권 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The anterior cruciate ligament(ACL) is an important stabilizer of knee joint. The ACL injury of knee is common and a serious ACL injury leads to ligament reconstruction surgery. Gait analysis is essential to identify knee condition of patients who display abnormal gait. The purpose of this study is to evaluate and classify knee condition of ACL deficient patients using a nonlinear dynamic method. The nonlinear method focuses on understanding how variations in the gait pattern change over time. The experiments were carried out for 17 subjects(l2 healthy subjects and five subjects with unilateral deficiency) walking on a motorized treadmill for 100 seconds. Three dimensional kinematics of the lower extremity were collected by using four cameras and KWON 3D motion analysis system. The largest Lyapunov exponent calculated from knee joint flexion-extension time series was used to quantify knee stability. The results revealed the difference between healthy subjects and patients. The deficient knee was significantly unstable compared with the contralateral knee. This study suggests an evaluation scheme of the severity of injury and the level of recovery. The proposed Lyapunov exponent can be used in rehabilitation and diagnosis of recoverable patients.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 정상인과 전방십자인대재건수술후의 환자에 대한 보행 분석을 실시하고 무릎의 안정성을 평가하고자 한다. 무릎 굴곡 각시계열로부터 끌개 (attractor) 와 리아프노프 지수 (Lyapunov exponent)를 구하고 이를 바탕으로 정상인과 환자에 대한 수치적 차이를 정량적으로 규명하고자 한다.
안정성을 평가하고자 한다. 무릎 굴곡 각시계열로부터 끌개 (attractor) 와 리아프노프 지수 (Lyapunov exponent)를 구하고 이를 바탕으로 정상인과 환자에 대한 수치적 차이를 정량적으로 규명하고자 한다. 또한 재활 진단 시스템의 개발에 필요한 정상인의 .
또한 재활 진단 시스템의 개발에 필요한 정상인의 .범위를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 전방십자인대 재건수술을 받은 환자에 대해 재활 및 진단 시스템 개발을 위해 정량적인 분석 방법을 제시하였다. 제시된 방법에 의하면 5명 중 1명은 완전히 정상으로 회복되었음을 알 수 있다.
본 연구에서는 전방십자인대 재건수술후의 환자에 대해 회복의 정도를 매달 간격으로 리아프노프 지수를 이용해 평가하고자 하였다. 그러나 대상자의 부족으로 그들의 자료를 정확히 획득할 수 없었다.
본 연구에서는 정상인과 전방십자인대 재건수술을 받은 환자에 대한 무릎의 안정성을 평가하였다. 그리고 재건수술을 받은 환자에 대해 회복의 정도를 정량적으로 진단하기 위하여 카오스이론을 이용한 새로운 진단법을 제시하였다.

가설 설정

Fig. 7(a), (b), ©를 비교해보면 정상 보행에 가까울수록 오른쪽과 왼쪽 하지의 끌개는 유사한 형상과 간격을 보인다. 뿐만 아니라 Fig.

제안 방법

이를위해서 보행실험은 트레이드 밀에서 수행하였다. 하지의 운동을 기록하기 위해 Fig. 2와 같이 양쪽 하지의 대전자(greater trochanter), 외즉상과 (lateral femoral epicondyle), 외괴"(lateral malleolus)세 곳의 피부 표면에 표식을 부착시켰다. 보행은 피 실험자마다 느끼는 안정한 속도로 보행하도록 하였다.
그리고 재건수술을 받은 환자에 대해 회복의 정도를 정량적으로 진단하기 위하여 카오스이론을 이용한 새로운 진단법을 제시하였다.
4는 보행실험으로부터 얻어진 무릎 굴곡각의 시계열을 나타낸 것이다. 기존의 연구를 통해시계열수 N이 5,000 이상이면 리아프노프 지수가수렴함을 확인하였다尸가 따라서 본 연구에서는시계열의 수 N을 5,000으로 설정하여 비선형 해석을 수행하였다.
3은 비선형 해석에서 리아프노프 지수를 구하는 흐름도를 나타낸다. 무릎 굴곡 각 시계열 데이터를 바탕으로 지연시간과 임베이딩 차원을 설정하였다. 그리고 끌개를 그리기 위한 위상공간을 구성하고 리아프노프 지수를 계산하였匸"
무릎의 안정성을 평가하기 위하여 시상면 (sagittal plane)의 무릎 굴곡 각을 이용하여 시계열을 구성하였다. 시상면의 굴곡 각을 선정한 이유는 굴곡-신전이 무릎 관절에서 가장 큰 운동범위를 가지고 있기 때문이다.
이를 바탕으로 끌개를 구성하고 리아프노프 지수를 계산하였다. 보행 실험을 통해 얻어진 무릎의 운동 데이터를 바탕으로 시계열을 구성하고, 각각의 지연시간과 임베이딩차원을 구하였다. 이를 바탕으로 끌개를 구성하고 리아프노프 지수를 구하였다.
보행분석을 통하여 시계열을 얻은 후에 데이터의 규칙성을 평가하기 위하여 지연시간과 임베이딩 차원을 계산하였다. 이를 바탕으로 끌개를 구성하고 리아프노프 지수를 계산하였다.
보행이 안정된 상태에서 표식의 운동을 4대의 영상획득 장치를 이용하여 120초 동안 획득하였다. 얻어진 영상 자료는 KWON 3D 동작 분석 프로그램을 사용하여 표식의 3차원 좌표 데이터를 계산하고 무릎 굴곡 각을 얻어냈다.
시계열로부터 위상궤적을 얻어 그로부터 동역학적 비선형 특성을 구한다. 본 연구에서는 위상궤적 위에서 인접한 두 점이 시간이 지남에 따라 멀어져 가는 정도를 정량화한 척도인 리아프노프지수를 사용하였다.
1과 같이 3차원 운동 측정 장치를 구성하여하지 요소와 무릎의 굴곡각 자료를 획득하였다. 실험 장치는 영상획득 장치(DCR-VX2100) 4대, 트레이드 밀, 3차원 공간자, KWON 3D(Visol Corp, Korea) 동작분석 프로그램으로 구성하였다. 카오스 이론을 적용한 보행 분석을 위해서는 충분한 수의 굴곡각 데이터가 요구되어진다.
차원을 계산하였다. 이를 바탕으로 끌개를 구성하고 리아프노프 지수를 계산하였다. 보행 실험을 통해 얻어진 무릎의 운동 데이터를 바탕으로 시계열을 구성하고, 각각의 지연시간과 임베이딩차원을 구하였다.
보행 실험을 통해 얻어진 무릎의 운동 데이터를 바탕으로 시계열을 구성하고, 각각의 지연시간과 임베이딩차원을 구하였다. 이를 바탕으로 끌개를 구성하고 리아프노프 지수를 구하였다. 구해진 리아프노프 지수는 무릎의 안정성을 평가하는 지표가 되고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
7과 같은 끌개의 형상으로 보행의 불안정정도를 확인할 수는 있었지만 이를 정량적으로나타내는 데는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해리아프노프 지수를 구하여 안정성을 정략적으로평가하였다.
카오스 이론을 적용한 보행 분석을 위해서는 충분한 수의 굴곡각 데이터가 요구되어진다. 이를위해서 보행실험은 트레이드 밀에서 수행하였다. 하지의 운동을 기록하기 위해 Fig.

대상 데이터

하였다. Fig. 1과 같이 3차원 운동 측정 장치를 구성하여하지 요소와 무릎의 굴곡각 자료를 획득하였다. 실험 장치는 영상획득 장치(DCR-VX2100) 4대, 트레이드 밀, 3차원 공간자, KWON 3D(Visol Corp, Korea) 동작분석 프로그램으로 구성하였다.
실험은 전방십자인대 재건수술을 받은 5명의환자와 정상인 12명(남자'6, 여자 6)을 대상으로하였다. 정상인은 무릎 관절의 변형이나 질환이없는 사람을 의미한다.
실험은 정상인과 전방십자인대 재건수술 후 회복단계에 있는 환자를 대상으로 정상 보행을 실시하였다. 정상인과 전방십자인대 재건수술을 받은 환자의 보행분석 결과는 다음과 같다.

데이터처리

Stergiou 등。)은 전방십자인대 손상이 발생한 무릎의 상태를 보행분석을 통한 리아프노프 지수로 무릎의 안정성을 평가하였다. Dingwell 등㈤ 과 Dingwell과 Cusumano⑺는 트레드밀과 지면 보행의 차이점, 말초신경장애환자의 보행특성을 비선형 시계열 분석방법으로 분석하였다. Buzzi 등 的은 비선형 동역학 이론을 이용하여 나이에 따른 무릎의 안정성을 평가하였다.
평가하여 왔다.°) 전방십자인대 재건수술의 결과를 판단할 때 주관적인 의견을 배제하고 무릎의 상태를 정량적으로 분석하기 위해 보행분석을수행한다.
얻어진 영상 자료는 KWON 3D 동작 분석 프로그램을 사용하여 표식의 3차원 좌표 데이터를 계산하고 무릎 굴곡 각을 얻어냈다.

이론/모형

한다.(", ")본 연구에서는 최적의 지연시간을 결정하기 위하여 AMI(Average Mutual Infbnna- tion) 방법을 이용하였다.(3)8)
비선형 특성을 구한다. 본 연구에서는 위상궤적 위에서 인접한 두 점이 시간이 지남에 따라 멀어져 가는 정도를 정량화한 척도인 리아프노프지수를 사용하였다. 무릎 굴곡 각에 대해서 리아프노프 지수가 0이면 주기함수와 같이 규칙적인 운동, 0.

성능/효과

(2) 무릎의 상태에 따라 얻어진 리아프노프 지수를 이용하여 안정성을 평가할 수 있었다. 정상인과 환자를 비교해 본 결과, 무릎의 상태가 불안정할수록 리아프노프 지수가 증가함을 알 수 있었다.
(3) 정상적인 한국인의 보행에서 남자는 0.109, 여자는 0.113의 리아프노프 지수 값을 가졌다. 이수치를 이용하여 환자에 대해 정상보행여부를 판별하는 기준으로 사용할 수 있었다.
(4) 양발의 리아프노프 지수를 비교해 본 결과정상인은 지수의 차이가 거의 없으나, 전방십자인대 재건 수술을 받은 환자는 평균 0.01 정도의큰 차이를 보였다. 이는 정상인의 자료가 없는경우에 환자만으로 정상 보행 여부를 판별할 수있는 기준으로 사용할 수 있다.
차원이다. 계산한 결과, 모든 실험자에 대한 최소 임베이딩차원은 4임을 알 수 있었다.
01 정도의 지수 차이가 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 본연구에서 얻은 결과인 양발의 지수 차이는 정상 보행의 여부를 판별하는 기준으로 사용할 수 있다고 판단된다.
154의 값을 보인다고 발표하였다. 이 두 결과는 무릎의 상태가 정상인 경우에 비해불안정 할수록 리아프노프 지수가 증가한다는 본연구 결과와 일치함을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 전방십자인대 재건수술을 받은 환자의 진단을 위한 새로운 기준을 다음과 같이 제시하였다.
정상인의 경우 양발의 리아프노프 지수가 비교적 유사한 값을 가졌다. 전방십자인대 재건수술후의 환자는 수술을 받은 하지가반대편보다 높은 리아프노프 지수를 나타내었다. 이는 무릎의 상태가 불안정할수록 리아프노프 지수가 증가한다는 것을 나타낸다.
정상인과 환자를 비교해 본 결과, 무릎의 상태가 불안정할수록 리아프노프 지수가 증가함을 알 수 있었다.
정상인의 경우 양발의 평균 지수 차이가 0에 가까운 값을 나타내었고, 전방십자인대재건수술을 받은 환자의 경우는 0.01 정도의 지수 차이가 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 본연구에서 얻은 결과인 양발의 지수 차이는 정상 보행의 여부를 판별하는 기준으로 사용할 수 있다고 판단된다.

후속연구

제시된 방법에 의하면 5명 중 1명은 완전히 정상으로 회복되었음을 알 수 있다. 그러나 P2의 경우처럼 복합적인 무릎과 인대의 손상에 대해서는 더 깊은 연구가 필요할 것으로 사료된다.
따라서 본 논문에서 얻어진 연구 결과를 바탕으로 계속적인 임상실험을 수행하여 재활등급 분류에 활용하는 연구가 요구된다. 또한 실험 데이터의 처리 과정을 자동화 하여 많은 양의 데이터를 일괄 처리하는 연구가 요망된다.
따라서 본 논문에서 얻어진 연구 결과를 바탕으로 계속적인 임상실험을 수행하여 재활등급 분류에 활용하는 연구가 요구된다. 또한 실험 데이터의 처리 과정을 자동화 하여 많은 양의 데이터를 일괄 처리하는 연구가 요망된다.
본 연구에서는 피 실험자의 수의 제한으로 인하여 환자에 대한 통계학적인 자료를 얻어내지 못하였다. 따라서 본 논문에서 얻어진 연구 결과를 바탕으로 계속적인 임상실험을 수행하여 재활등급 분류에 활용하는 연구가 요구된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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