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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 상하진동방식 진동 운동기 사용 시 인체에 미치는 전신진동의 영향 정확히 분석할 수 있는 3차원 가상 골격계 모델을 개발 그리고 검증하고자 한다.
제안 방법
- , USA)를 이용하여 실제 치수에 근거한 전신진동운동기를 모델링하였다(Fig 3(a)). 3차원 가상 진동운동기는 총 3 개의 체절로 이루어지도록 모델링 하였다. 진동 발생 시 움직이는 발판은 병진 조인트(Translation Joint)를 사용하여 지면에서 수직 방향으로 병진운동을 할 수 있게 하였다.
- 3차원 전신진동 평가용 인체모델을 개발하기 위하여 실험에 참여한 피검자들의 평균 신체 치수를 기초하여 BRGLifeMOD(Biomechanics research Group, Inc., USA)에서 19 개의 체절로 이루어진 3 차원 가상 골격모델을 생성하였다(Fig 2(a)).
- 가상모델의 검증을 위하여 실험에서 획득된 가속도와 정동역학해석을 이용해 가상모델로부터 계산된 가속도를 비교하였다. 이를 위해 실험에서 측정된 최대 가속도를 기준으로 하여 가상모델에서 계산된 최대 가속도와의 오차율을 분석하여 가상모델의 검증을 정량적으로 분석하였다.
- 가속도 센서에 의한 전신진동의 평가를 위해실험에 사용된 전신진동운동기의 기준으로 3Hz (진폭: 10, 30, 50, 80), 5Hz (진폭: 10, 30, 50, 80), 10Hz (진폭: 10, 30), 25Hz (진폭: 10)의 진동을 피검자에게 가하였다. 진폭은 실험에서 사용된 진동운동기가 최대로 가할 수 있는 진동의 크기를 100 (34 Voltage 인가)으로 가정하였을 때 상대적인 크기를 나타낸다.
- 가하였다. 각 피검자의 자세에 의한 실험 결과의 오차를 줄이기 위해 진동이 가해지는 동안에 진동이 가해지지 않을 때와 같은 자세를 유지할 정도의 근육긴장을 유도하였다. 또한 피검자가 전신 진동 운동기에 부착된 손잡이를 잡는 위치를 일정하게 고정하였고 진동이 가해지는 동안 피검자는 정면을 바라보도록 하였다.
- 각 피검자의 자세에 의한 실험 결과의 오차를 줄이기 위해 진동이 가해지는 동안에 진동이 가해지지 않을 때와 같은 자세를 유지할 정도의 근육긴장을 유도하였다. 또한 피검자가 전신 진동 운동기에 부착된 손잡이를 잡는 위치를 일정하게 고정하였고 진동이 가해지는 동안 피검자는 정면을 바라보도록 하였다.
- 모델링 된 진동운동 기와 기존에 생성된 3차원 가상 인체모델을 피검자가 실험에서 수행한 것과 동일한 자세로 모델링하였다 (Fig 3
- 본 연구의 실험에서 사용된 전신진동운동기 TT2590 X7 (TurboSonic, Korea) 을 실측한 후 MSC.ADAMS (MSC Software Corp., USA)를 이용하여 실제 치수에 근거한 전신진동운동기를 모델링하였다(Fig 3
- 생성된 모든 조인트는 경첩조인트(Hinge Joint)로서 관절마다 X, y, z 방향으로 세 개씩 구성되고 X, y, z 방향의 회전 자유도(Rotational Degree of Freedom)< 갖도록 하였다. 이때 관절의 조인트 강성 (Joint Stiffness) 은 10, 000N/m, 조인트 댐핑 (Joint Damping)은 1,000 N, sec/m 를 인가하였다.
- 진동 발생 시 움직이는 발판은 병진 조인트(Translation Joint)를 사용하여 지면에서 수직 방향으로 병진운동을 할 수 있게 하였다. 이때 정동역학 해석 (Forward Dynamic Analysis)을 위한 병진 운동은 실험을 통하여 결정된 진동운동기 바닥의 수직 변위값을 이용하여 결정하였다. 모델링 된 진동운동 기와 기존에 생성된 3차원 가상 인체모델을 피검자가 실험에서 수행한 것과 동일한 자세로 모델링하였다 (Fig 3(b)).
- 가속도를 비교하였다. 이를 위해 실험에서 측정된 최대 가속도를 기준으로 하여 가상모델에서 계산된 최대 가속도와의 오차율을 분석하여 가상모델의 검증을 정량적으로 분석하였다.
- 전신진동 시 인체의 가속도 측정을 위해 기존연구 022 등을 기초하여 센서 부착 위치를 Fig. 1(b)와 같이 선정하여 피검자에게 부착하였으며, 전신진동이 가해질 때 진동에 의해 가속도계가 이탈되지 않도록 고정하였다.
- 3차원 가상 진동운동기는 총 3 개의 체절로 이루어지도록 모델링 하였다. 진동 발생 시 움직이는 발판은 병진 조인트(Translation Joint)를 사용하여 지면에서 수직 방향으로 병진운동을 할 수 있게 하였다. 이때 정동역학 해석 (Forward Dynamic Analysis)을 위한 병진 운동은 실험을 통하여 결정된 진동운동기 바닥의 수직 변위값을 이용하여 결정하였다.
- . 진폭의 진동을 입력하여 MSC.ADAMS(MSC Software Corp., USA)를 이용해 정동역학 해석을 수행하여 가속도를 결정하였다. 이때 해석은 3 초 동안 300 스텝 (step)으로 설정하여 수행하였고 실험에 측정된 동일한 위치에서 가속도 값을 획득하였고 획득된 데이터는 FFT(Fast Fourier Transform)을통하여 주파수 분석을 수행하였다.
- 피검자에게 실험 전에 본 연구의 목적을 충분히 인지할 수 있도록 하였으며 전신진동 운동기의 손잡이를 잡고 편한 자세로 서 있는 상태에서 진동을 가하였다. 각 피검자의 자세에 의한 실험 결과의 오차를 줄이기 위해 진동이 가해지는 동안에 진동이 가해지지 않을 때와 같은 자세를 유지할 정도의 근육긴장을 유도하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험을 위하여 근골격계 질환이 없는 건강한 성 인 남성 10명 (나이 (세): 25.83±2.14, 키 (cm) : 171.17±6.07, 체중(kg) : 64.88±5.82)을 피검자로 선정하였다(Table 1). 모든 실험은 실험 전 피검자가 전신진동에 무리가 없음을 확인한 후 수행되었다.
- 전신진동운동기 사용 시 인체 전신진동을 측정하기 위해 6 개의 가속도계(CXL02LF3(Crossbow, U.S.A)를 사용하였으며, 데이터는 16Ch, ±200mV to ± 10V, 16-bit, Analog Input for Fuel Cells 성능을 가진 Module 9206(National Instrument Korea, Korea) DAQ 를 이용하여 수집 되 었다(Fig. 1(a)).
데이터처리
- , USA)를 이용해 정동역학 해석을 수행하여 가속도를 결정하였다. 이때 해석은 3 초 동안 300 스텝 (step)으로 설정하여 수행하였고 실험에 측정된 동일한 위치에서 가속도 값을 획득하였고 획득된 데이터는 FFT(Fast Fourier Transform)을통하여 주파수 분석을 수행하였다.
성능/효과
- 반면에, 10 Hz-진폭 80 이가 해진 경우에는 무릎관절에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다. 10 ㎐-진폭 30, 또는 50 의 진폭이 가해진 경우에 진폭의 크기가 증가 할 수록 최대가속도의 크기가 증가하는 반면, 머리를 제외한 다른 부분의 최대 가속도는 진폭 80 의 진동을 가하였을 때 감소하였다.
- 5(d)는 20 Hz 주파수로 진폭의 크기를 10, 30, 50 또는 80 으로 조절하여 전신진동을 가하였을 때 최대 가속도를 나타내는 결과이다. 20 Hz-진폭 30, 50, 또는 80 의 진폭이 가해진 경우에는 무릎관절에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다. 25 Hz의 진동이 가해졌을 경우에도 무릎관절에서 가장 큰 최 대 가속도가 측정되었다.
- 25 Hz의 진동이 가해졌을 경우에도 무릎관절에서 가장 큰 최 대 가속도가 측정되었다. 20 Hz-진폭 30, 또는 50 의 진폭이 가해진 경우에 진폭의 크기가 증가 할수록 최대가속도의 크기가 증가하는 반면, 머리의 최대 가속도는 감소하다가 진폭 80 의 진동을 가하였을 때 증가하였다.
- 큰 최대 가속도가 측정되었고, 25 Hz의 진동이가 해졌을 경우에도 무릎관절에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다.
- 4(a)는 3 Hz의 전신진동이 가해졌을 때 머리, C7, T10, L4, 무릎관절에서의 최대 가속도 값에 대한 결과이다. 3 Hz-진폭 10, 30 또는 50 의 진동이 가해졌을 경우 다른 해부학적 부위보다 머리에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다. 반면에, 3 Hz-진폭 80 의 진폭이 가해진 경우에는 L4(4 번 요추) 에서가장 큰 최대 가속도가 측정되었다.
- 4(a)는 3 Hz의 전신진동이 가해졌을 때 머리, C7, T10, L4, 무릎관절에서의 최대 가속도 값에 대한 결과이다. 3 Hz-진폭 10, 30 또는 50 의 진동이 가해졌을 경우 다른 해부학적 부위보다 머리에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다. 반면에, 3 Hz-진폭 80 의 진폭이 가해진 경우에는 L4(4 번 요추) 에서가장 큰 최대 가속도가 측정되었다.
- 0%의 오차를 보였다. 따라서 본 연구에서 모델링 된 3차원 가상골격 모델은 전체적으로 실제 실험 대비 73.2±19.2%의 정확성을 가지는 것으로 사료된다.
- 이때 가장 큰 변화폭은 L4 에서 나타났다. 또한 최소 진폭 10 과 최대 진폭 80 간의 최대 가속도 차이는 약 9 배로 나타났으며, 3 Hz 의 같은 크기의 진폭으로 전신진동을 가한 경우와 비교한 경우에 있어서는 머리는 3 배, C7 은 6 배, T10 은 7 배, L4 는 6 배, 무릎관절은 3.5 배 최대 가속도의 값의 차이를 보였다.
- 82)을 피검자로 선정하였다(Table 1). 모든 실험은 실험 전 피검자가 전신진동에 무리가 없음을 확인한 후 수행되었다. 또한 전신진동은 몸무게에 따라 영향을 받을 수 있기 때문에 피검자 선정 시 피검자간의 몸무게 편차를 최소화하였다.
- 25 Hz-진폭 80 의진 폭이 가해진 경우에는 무릎관절에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다. 반면에, 25 Hz-진폭 30, 50, 또는 80 의 진폭이 가해진 경우에는 T10(10 번 흉추)에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다.
- 본 연구 결과에 따르면, 낮은 주파수 진동에 의한 가속도 특성은 가상 인체모델을 이용한 결과와 가속도계 센서를 이용하여 실측한 결과 사이에 유사한 특성을 보였다. 그러나 특정 값 이상의 높은 주파수에서는 결과 간 상대적으로 유의성을 찾을 수가 없었다.
- 본 연구에서는 주파수와 진폭을 변화시켜 전신진동을 가하였을 때 진동의 종류에 따라 영향을 받는 부분이 다르다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 진동의 종류와 크기에 따라 자극되는 인체 부위가 변화될 수 있다는 것을 의미하며, 가속도의 변화를 통해 자극시키고자 하는 근육을 조절 할 수 있다는 것을 의미한다.
- 실험에 의해 측정된 가속도를 기준으로 3 차원 가상인 체 모델에서 계산 된 최대 가속도 값을 비교한 결과, 3 Hz의 전신진동이 가해진 경우에는 16.6±1L8%(평균土표준편차), 5 Hz는 40.7±19.7%, 10 Hz는 22.4±16.3%, 20 Hz는 18.5±19.2%, 25 Hz는 31.1±29.0%의 오차를 보였다. 따라서 본 연구에서 모델링 된 3차원 가상골격 모델은 전체적으로 실제 실험 대비 73.
- 반면에, 5 Hz-진폭 30, 50, 또는 80 의 진폭이 가해진 경우에는 L4 에서 가장 큰 최대가속도가 측정되었다. 전반적으로 5 Hz의 전신진동이 가해진 경우에는 진폭의 증가에 따른 최대 가속도 변화가 3 Hz의 전신진동이 가해진 경우보다 크게 나타났다. 이때 가장 큰 변화폭은 L4 에서 나타났다.
- 5(a)는 3 Hz의 전신진동이 가해졌을 때 머리, C7, T10, L4, 무릎관절에서의 최대 가속도 값에 대한 결과이다. 진폭이 증가할수록 각 부분의 가속도의 크기는 증가했으며, 3 Hz-진폭 10, 30, 50 또는 80 의 진동이 가해졌을 경우 다른 해부학적 부위보다 머리에서 가장 큰 최대 가속도가 측정되었다. 이때 최소 진폭 10 과 최대 진폭 80 간의 최대 가속도의 차이는 약 5 배로 나타났다.
후속연구
- 그러나 이는 기존의 적외선카메라와 반사 마커를 이용한 방법, 가속도계를 이용한 측정법 등의 실제 실험으로는 측정이 어려운 고 영역 대의 주파수로 향후 근육을 비롯한 연조직 요소를 주가한다면 실측을 통해 평가할 수 없는 다양한 진동상황에서 의 인체 내 영향을 평 가하는데 있어서 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 이러한 연구를 통하여, 인체에 미치는 진동운동의 부정적 효과를 최소화하면서 치료 및 운동의 효용성을 높일 수 있는 진동 특성을 결정할 수 있을 것이라 판단된다. 그러나, 이러한 연구는 다양한 전신진동에 따른 인체에 대한 그 효과를 실험 적 으로 분석(가속도, 겉보기 질 량, 변위, 근력, 관절토크의 분석)하는데 있어서 한계점을 가지고 있다.'2 따라서, 이러한 실험적 한계를 극복하기 위하여 인체를 수학적으로 단순화 시킨 모델을 이용하여 다양한 전신진동이 인체에 미치는 영향을 분석하고자 하는 연구가 시도되었다 그러나 이러한 연구에서 개발되고 이용된 수학적 인체모델은 낮은 자유도 그리고 실제 인체 특성에 대한 사실적 표현의 어려움 등으로 연구 결과에 대한 정확성이 낮은 한계점을 내포하고 있다” 따라서 전신진동이 인체에 미치는 영향을 정확히 분석하기 위하여서는, 실제 인체의 자유도를 최대한 모사할 수 있는 수학적 인체 모델의 개발이 필요한 실정이다.
- 있게 한다. 또한 안전하고 우수한 성능의 전신진동 운동기기를 개발하는데 있어서도 반드시 선행 연구 되어야 할 부분이다.
- 3,5따라서 전신진동운동에 대한 운동 및 치료 효과에 반하는 부작용에 관한 연구의 필요성이 최근 대두되었다. 이러한 연구를 통하여, 인체에 미치는 진동운동의 부정적 효과를 최소화하면서 치료 및 운동의 효용성을 높일 수 있는 진동 특성을 결정할 수 있을 것이라 판단된다. 그러나, 이러한 연구는 다양한 전신진동에 따른 인체에 대한 그 효과를 실험 적 으로 분석(가속도, 겉보기 질 량, 변위, 근력, 관절토크의 분석)하는데 있어서 한계점을 가지고 있다.
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