본 연구의 목적은 소아마비, 하지 근력약화 등의 장애인이 사용하는 잠금형 보조기무릎관절을 대체하기 위하여, 4절 연쇄 방식의 입각기조절형 보조기무릎관절을 개발하는 것이다. 본 연구에서 개발한 4절 연쇄 보조기무릎관절은 기존의 입각기조절형 보조기무릎관절과 달리, 기하학적으로 잠금상태가 제어되어 전기제어 부품 등이 필요하지 않으며 부피를 최소화하였다. 평가를 위하여, 소아마비로 진단받고 잠금형 보조기무릎관절을 사용해온 소아마비자가 대상자로 참여하였다. 대상자의 걸음걸이를 3차원으로 분석한 결과, 4절 연쇄 보조기무릎관절을 착용했을 때 입각기 동안 무릎관절의 신전이 유지되고 유각기 동안 무릎관절이 굴곡되며 자연스러운 걸음걸이를 보여주었다.
본 연구의 목적은 소아마비, 하지 근력약화 등의 장애인이 사용하는 잠금형 보조기무릎관절을 대체하기 위하여, 4절 연쇄 방식의 입각기조절형 보조기무릎관절을 개발하는 것이다. 본 연구에서 개발한 4절 연쇄 보조기무릎관절은 기존의 입각기조절형 보조기무릎관절과 달리, 기하학적으로 잠금상태가 제어되어 전기제어 부품 등이 필요하지 않으며 부피를 최소화하였다. 평가를 위하여, 소아마비로 진단받고 잠금형 보조기무릎관절을 사용해온 소아마비자가 대상자로 참여하였다. 대상자의 걸음걸이를 3차원으로 분석한 결과, 4절 연쇄 보조기무릎관절을 착용했을 때 입각기 동안 무릎관절의 신전이 유지되고 유각기 동안 무릎관절이 굴곡되며 자연스러운 걸음걸이를 보여주었다.
This study aims to develop the stance-control typed 4-bar linkage orthotic knee joint that replace the locked orthotic knee joint for the disabled with poliomyelitis and muscle weakness of lower limb. Unlike the existing stance-control orthotic knee joint, there are no needs of electric power, conne...
This study aims to develop the stance-control typed 4-bar linkage orthotic knee joint that replace the locked orthotic knee joint for the disabled with poliomyelitis and muscle weakness of lower limb. Unlike the existing stance-control orthotic knee joint, there are no needs of electric power, connecting circuit, bulky compomnets, etc, because this 4-bar linkage orthotic knee joint is controled by geometric locking. To evaluate the 4-bar linkage orthotic knee joint, a subject participated in this study who has been diagnosed with lower limb poliomyelitis and have used locked type orthotic knee joint. In the results of analysis of subject's gait using 3-dimentional motion analysis system, this 4-bar linkage orthotic knee joint provide the stability during stance phase and knee flexion during swing phase.
This study aims to develop the stance-control typed 4-bar linkage orthotic knee joint that replace the locked orthotic knee joint for the disabled with poliomyelitis and muscle weakness of lower limb. Unlike the existing stance-control orthotic knee joint, there are no needs of electric power, connecting circuit, bulky compomnets, etc, because this 4-bar linkage orthotic knee joint is controled by geometric locking. To evaluate the 4-bar linkage orthotic knee joint, a subject participated in this study who has been diagnosed with lower limb poliomyelitis and have used locked type orthotic knee joint. In the results of analysis of subject's gait using 3-dimentional motion analysis system, this 4-bar linkage orthotic knee joint provide the stability during stance phase and knee flexion during swing phase.
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문제 정의
본 연구에서 개발한 4절 연쇄 보조기무릎관절은 현재 사용되고 있는 잠금형 장하지보조기의 단점은 물론 지금까지 개발된 입각기조절형 장하지보조기가 가지고 있는 특성을 보완하고 경제적인 보조기를 제공하고자 개발되었다.
본 연구에서는 이러한 4절 연쇄 의지무릎관절의 기전을 보조기무릎관절에 적용하여 기존의 입각기 조절형 보조기무릎관절이 가지는 특성을 구현하고자 하였다. 본 연구에서 개발한 4절 연쇄 입각기조절형 보조기무릎관절은 근위부, 원위부, 전방연결부, 후방연결부인 네 개의 뼈대(link)로 크게 나뉘며, 4개의 핀(pin)을 사용하여, 연쇄(linkage)를 이루는 구조이다.
본 연구의 목적은 기존의 잠금형은 물론 입각기조절형 보조기무릎관절이 가지는 몇 가지 단점을 보완하는 새로운 4절 연쇄(4-bar linkage) 기전의 입각기조절형 보조기무릎관절을 개발하는 것이다.
제안 방법
1차 시작품을 제작한 후 소아마비자를 대상으로 간단한 착용 및 성능시험을 실시하였다. 그 결과 움직임과 관련 소음은 없었으며, 부드럽게 작동되었다.
개발된 4절 연쇄 보조기무릎관절은 입각기에서 무릎관절을 신전상태로 유지하며 유각기에서 무릎관절의 굴곡을 구현하였다. 센서나 모터 등의 복잡한 장비를 사용한 기존의 입각기조절형 장하지보조기에 비교하여 더 가볍고 작아진 외관으로도 소아마비의 보행에 성공적으로 사용할 수 있었다.
개발한 4절 연쇄 보조기무릎관절을 적용한 장하지보조기를 기존에 연구대상자가 착용하고 있는 보조기와 동일한 설계로 새로 맞춤 제작하여 제공하였다. 연구대상자는 4주 동안 4절 연쇄 장하지보조기를 착용하고 연습하였다.
단일등가힘까지의 수직 거리를 구하기 위하여 필요한 무릎관절 굴곡 모멘트 값과 관절반력은 정상인의 걸음걸이 분석 수치를 기준으로 하였으며, 이를 단일등가힘으로 변환하여 보조기무릎관절 회전중심의 위치를 결정하였다. 정상인의 걸음에서 무릎관절 모멘트 값은 0.
또한 무릎관절의 신전을 보완하기 위하여 보조기무릎관절 원위부 내에 스프링을 사용한 신전 보조장치(extension assist)를 적용하여 무릎관절의 신전을 도울 수 있도록 보완하였다[그림 3]⑨. 신전 보조장치의 적용에 따라 말기 입각기에서 무릎관절 신전에 따라 부품간의 충돌 시 나는 소음 및 충격을 제거하기 위해 플라스틱 재질의 범퍼를 적용하여 이를 보완하였다[그림 3]②.
보조기무릎관절에서 순간회전중심의 위치 조건을 알기 위하여, 정상적인 걸음걸이에서의 무릎관절 모멘트와 관절반력(joint reaction force)이 전개되는 원리를 참고하였다. 역학적 이론에 의하면, 관절에 작용하는 반력과 모멘트(M)는 관절에서 임의의 거리(d)만큼 떨어져서 작용하는, 평행하고 크기가 같은 단일등가힘(single equivalent force, Q)으로 대치될 수 있으며, 아래의 공식으로 나타낼 수 있다[21].
본 연구는 입각기 동안 무릎관절을 신전상태로 유지하고 유각기 동안 무릎관절 굴곡을 허용하는 4절 연쇄보조기무릎관절을 개발하고, 이를 잠금형 무릎관절과 비교 평가하여 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서 개발된 보조기무릎관절이 입각기에서 신전 유지, 유각기에서 굽힘이 제대로 구현되는지 확인하기 위해 6대의 적외선 카메라가 적용된 3차원 동작분석기(Vicon, Oxford, UK)로 표본 추출률(sampling frequency) 120 ㎐를 적용하여 측정하였다. 평가대상자는 잠금형과 4절 연쇄 장하지보조기를 각각 착용하고 본인에게 편한 속도로 걷도록 하였으며, 3회 측정하고 평균값을 구하였다.
본 연구에서는 이러한 4절 연쇄 의지무릎관절의 기전을 보조기무릎관절에 적용하여 기존의 입각기 조절형 보조기무릎관절이 가지는 특성을 구현하고자 하였다. 본 연구에서 개발한 4절 연쇄 입각기조절형 보조기무릎관절은 근위부, 원위부, 전방연결부, 후방연결부인 네 개의 뼈대(link)로 크게 나뉘며, 4개의 핀(pin)을 사용하여, 연쇄(linkage)를 이루는 구조이다. 각각의 뼈대의 치수가 본 보조기무릎관절의 특성을 결정하게 된다.
본 연구에서는 새로 개발된 4절 연쇄 보조기무릎관절에 적응할 수 있도록 4주간의 적응기간을 주었다. 연구대상자가 27년 이상 잠금형 장하지보조기를 착용하고 있었기 때문에 4절 연쇄 보조기무릎관절에 완전히 적응하기에 4주의 적응기간은 부족할 수도 있다.
개발한 4절 연쇄 보조기무릎관절을 적용한 장하지보조기를 기존에 연구대상자가 착용하고 있는 보조기와 동일한 설계로 새로 맞춤 제작하여 제공하였다. 연구대상자는 4주 동안 4절 연쇄 장하지보조기를 착용하고 연습하였다.
유각기 동안 자유로운 무릎관절 동작을 제공하기 위하여 마찰방식의 벨트-죔쇠(friction-based belt-clamping)기전을 적용한 Ottawalk 입각기조절형 보조기무릎관절은 상부 및 하부 업라이트에 부착되어 무릎관절 축까지 연결된 벨트와 발목관절 각도에 의해 작동되는 푸시로드를 이용하여, 입각기 동안 무릎관절에 저항을 주며 어떠한 무릎관절 각도에서도 자유롭게 무릎관절이 신전되도록 하였다. Ottawalk 장하지보조기를 착용한 결과, 무릎관절의 관절가동범위가 증가하였고 골반경사 및 고관절 외전각도가 감소하였다[2].
5 Nm 범위이며 관절반력은 10 N 이내이므로, 이를 이용하여 계산하면 50 ㎜의 모멘트 팔을 가지는 단일등가힘을 산출할 수 있다. 이 결과를 바탕으로 무릎관절이 완전하게 신전된 상태에서 순간회전중심을 뒤로 52㎜(위로는 161 ㎜) 이격시킨 기구학 설계가 이루어졌다. 순간회전중심은 전방 및 후방 바의 연장선이 교차하는 지점이다[그림 2].
본 연구에서 개발된 보조기무릎관절이 입각기에서 신전 유지, 유각기에서 굽힘이 제대로 구현되는지 확인하기 위해 6대의 적외선 카메라가 적용된 3차원 동작분석기(Vicon, Oxford, UK)로 표본 추출률(sampling frequency) 120 ㎐를 적용하여 측정하였다. 평가대상자는 잠금형과 4절 연쇄 장하지보조기를 각각 착용하고 본인에게 편한 속도로 걷도록 하였으며, 3회 측정하고 평균값을 구하였다.
대상 데이터
본 연구에서 개발한 보조기무릎관절의 재질은 알루미늄 합금 6061계열로 하였으며, 무게는 한쪽이 116.2 g으로, 내외측에 모두 적용해도 232.4 g이며, 길이 114 ㎜(연결부 포함), 폭 40 ㎜, 두께 11 ㎜이다[그림 4]. 지금까지 개발된 입각기조절형 보조기무릎관절들이 다양한 부가장치를 포함하느라 1.
본 연구에서는 잠금형 장하지보조기를 착용해 온 편측 소아마비를 연구대상자로 하였다. 연구대상자는 평지와 계단에서 걷기가 가능하고, 편측 대퇴사두근의 이완성 마비가 있으며 고관절 및 무릎관절 굴곡 근력이 3등급(fair) 이상이었다.
본 연구에서는 잠금형 장하지보조기를 착용해 온 편측 소아마비를 연구대상자로 하였다. 연구대상자는 평지와 계단에서 걷기가 가능하고, 편측 대퇴사두근의 이완성 마비가 있으며 고관절 및 무릎관절 굴곡 근력이 3등급(fair) 이상이었다. 또한 보행보조기구를 사용하지 않고 독립적으로 걸을 수 있었다.
성능/효과
그 밖에 본 연구에서 개발한 보조기무릎관절의 특징은 기존 장하지보조기에 사용되고 있는 보조기 세움대(upright) 부품과 호환이 가능하도록 하여, 보급성도 우수하다는 점이다. 현재까지 연구된 입각기조절형 보조기무릎관절에 비하여 순수하게 기구학적으로 해결한 획기적인 방법을 적용하고 무릎관절 내부에 전자제어장치, 스프링클러치, 벨트, 별도의 배터리 팩 등을 적용하지 않아 두께나 무게가 가볍다.
개발된 4절 연쇄 보조기무릎관절은 입각기에서 무릎관절을 신전상태로 유지하며 유각기에서 무릎관절의 굴곡을 구현하였다. 센서나 모터 등의 복잡한 장비를 사용한 기존의 입각기조절형 장하지보조기에 비교하여 더 가볍고 작아진 외관으로도 소아마비의 보행에 성공적으로 사용할 수 있었다.
지금까지 언급한 주요 입각기조절형 장하지보조기들의 특징과 비교할 때, 본 연구의 4절 연쇄 보조기무릎관절을 적용하면 입각기조절형 장하지보조기로서의 기본적인 기능을 갖추고 있다. 본 4절 연쇄 보조기무릎관절은 신전보조장치를 적용한 특징도 갖고 있다.
후속연구
이상의 모든 특징들로 볼 때, 본 4절 연쇄 보조기무릎관절의 개발은 가치가 있다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
장하지보조기는 어떠한 사람들에게 처방되는가?
이런 장하지보조기에는 일반적으로 잠금장치(lock)가 있는 잠금형 보조기무릎관절(orthotic knee joint)이 포함되어 있으며, 하지가 구부러져 주저앉는 것(collapsing)을 막고 입각기 안전성을 제공하기 위하여 완전히 신전된 자세에서 잠금 상태로 사용하거나 무릎관절의 자유로운 굴곡을 위하여 풀림 상태로 사용한다[1]. 장하지보조기는 소아마비, 퇴행성 근 질환, 뇌졸중, 불완전 척수손상, 선천성 결손, 노화 등과 같이 대퇴사두근에 약화를 보이는 사람에게 처방되며, 일반적으로 무릎관절이 완전히 신전되어야 잠금 상태가 유지되는 장하지보조기를 사용한다[2].
장하지보조기는 무엇을 위해 사용된는가?
무릎관절-발목관절-발 보조기(knee-ankle-foot orthosis, KAFO)는 장하지보조기라고도 하며, 무릎관절과 발목관절의 비정상적인 기능이나 기형을 예방 및 교정하고 체중지지를 위하여 사용된다. 이런 장하지보조기에는 일반적으로 잠금장치(lock)가 있는 잠금형 보조기무릎관절(orthotic knee joint)이 포함되어 있으며, 하지가 구부러져 주저앉는 것(collapsing)을 막고 입각기 안전성을 제공하기 위하여 완전히 신전된 자세에서 잠금 상태로 사용하거나 무릎관절의 자유로운 굴곡을 위하여 풀림 상태로 사용한다[1].
잠금형 보조기무릎관절이 적용된 장하지보조기를 착용한 후 고정된 무릎관절로 걸으면 어떠한 경향이 나타나는가?
잠금형 보조기무릎관절이 적용된 장하지보조기를 착용하였을 때, 착용자의 무릎관절은 완전히 신전되므로 체중지지 문제는 해결되지만, 직선으로 뻗은 하지로 걷기 때문에 입각 초기에 무릎관절 굴곡이 일어나지 않아 하중 충격을 급격히 받게 되고 신체의 체중심(center of mass, COM)이 부드럽게 진행되지 않는다[1]. 또한 고정된 무릎관절로 걸으면 걸음걸이의 효율성을 떨어지고 보조기 착용자의 에너지 소모를 증가시키는 경향이 있다[3][4]. 또한 유각기 동안 상체의 외측 이동(lateral sway), 입각 쪽 발목관절 저굴(vaulting), 유각 쪽 고관절 거상(hip hiking), 또는 하지 선회(circumduction) 등의 보상작용을 활용하게 된다[5].
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