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문제 정의
- , USA)을 기반으로 수행한 역기구학해석 결과를 비교하여 시뮬레이션 기술의 타당성을 확인하였다. 그리고 노인이 두 가지 대표적인 하지동작들을 수행할 때(보행과 앉기-서기 동작) 보행기가 관절 기구학 및 근활성치에 미치는 영향을 살펴 보았다.
- 본 연구에서는 인체 동작 분석이 가능한 인체 모델을 개발하였고, 이를 수집된 동작 데이터와 연계하여 RecurDynTM 기반에서 인체 운동을 구현하였다. 수행 결과를 MatlabⓇ 기반의 역기구학해석 프로그램 결과와 비교함으로써 인체 모델과 시뮬레이션 기술의 타당성을 확인하였다.
제안 방법
- 기반으로 개발된 골격계 모델과 연동되었다. RecurDynTM 시뮬레이션을 위해 동작데이터에서 넘어온 실제 마커와 동일한 위치에 가상 마커를 골격계 위에 생성하였다. 실제 마커 위치는 동작 분석 시스템을 통해 얻어진 3 차원상의 값이고, 가상 마커의 위치는 RecurDynTM 기반에서 골격계에 위치한 마커의 3차원 정보이다.
- 강성 스프링을 사용하여 실제 마커의 위치와 가상 마커 위치를 연결하였고, 동작이 발생할 때마다 스프링 길이를 “0”으로 구속하였다.
- 개발한 인체 모델을 이용하여 기본적인 보행과 앉기-서기 동작을 구현해 보았다(Fig. 2). MatlabⓇ기반 역기구학해석 프로그램을 통해 계산된 각도와 개발된 인체 골격 모델의 시뮬레이션을 통해 얻은 각도를 비교한 결과 엉덩관절의 경우 최대 3%, 무릎관절은 2%, 발목관절에서는 4%의 각도차이를 보이므로, 전반적인 각도의 변화는 매우 유사하였다(Fig.
- 수행 결과를 MatlabⓇ 기반의 역기구학해석 프로그램 결과와 비교함으로써 인체 모델과 시뮬레이션 기술의 타당성을 확인하였다. 검증된 인체 모델을 기반으로 보행기 사용 유무에 따른 정상노인의 앉기-서기와 보행할 때 발생하는 관절기구학 변인 변화와 근활성치도 살펴보았다. 보행기 사용 결과 앉기-서기 동작에서는 관절기구학적 변인들의 변화가 거의 없었지만 앉기-서기 동작시 신전 시작시점이 조금 빨라졌다.
- 척추 부위의 경우 목과 흉추에서 단순 경첩관절을 적용하여 1 자유도 운동이 가능하였다. 관절을 묘사할 때, 엉 덩 관절, 어깨 관절과 같이 2 자유도 이상일 경우 질량이 없는 가상 물체를 이용하고, 2 개 이상의 경첩관절을 적용하여 원하는 관절 운동을 구현하였다(Fig. 1). 또한 각각의 경첩관절에 강성 스프링을 적용하여 인대와 골격의 형상 등으로 인한 각 관절의 강성과 운동 범위가 존재하였다.
- 또한 7 개의 근육들(전경골근, 내비복근, 가자미근, 대퇴직근, 외측광근, 대퇴이두근, 반건양근) 위에 근전도 전극을 부착하여 근활성치도 파악하였다. 근전도 신호의 에러값을 최소화 하기 위하여 부착 부위에 면도를 실시한 후 알코올 솜을 이용해 닦아 내고 전극을 부착하였다. 두가지 측정 동작은 보행과 앉은 자세에서 일어서기 동작(앉기-서기)이었다.
- 동작 분석을 위하여 8 대의 카메라로 구성된 동작 분석 시스템(Vicon T20 camera, Oxford, UK)을 통해 신체에 부착된 반사마커 위치를 획득하였고(120Hz 획득률), 4 대의 지면반력기(AMTI OR6-6, Massachusetts, USA)를 사용하여 지면반력데이터도 동시에 획득하였다. 또한 7 개의 근육들(전경골근, 내비복근, 가자미근, 대퇴직근, 외측광근, 대퇴이두근, 반건양근) 위에 근전도 전극을 부착하여 근활성치도 파악하였다. 근전도 신호의 에러값을 최소화 하기 위하여 부착 부위에 면도를 실시한 후 알코올 솜을 이용해 닦아 내고 전극을 부착하였다.
- 이에 따라 가상 마커들이 실제 마커들의 위치로 옮겨 가면서 각 관절의 움직임을 생성하였고, 기구학적인 정보도 생성하였다. 또한 MatlabⓇ 기반 역기구학해석 프로그램을 이용하여 동일한 동작(보행과 앉기-서기 동작)에서 발생하는 기구학적 변인을 계산하였다. 보행 동작을 분석하여 RecurDynTM 기반 인체동작 시뮬레이션 결과와 비교하여 개발한 인체 모델 및 운동 시뮬레이션의 정확성과 타당성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 한국인 표준체형과 유사한 사람의 의료 영상 자료를 활용하여 상지 및 하지 그래픽 모델을 구현하였고, 이것을 국내에서 개발된 동역학 해석용 상용 소프트웨어인 RecurDynTM(FunctionBay Inc., Korea)에 탑재하여 인체 시뮬레이션을 구현하였다.(11) 특히 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과와 수치 해석 소프트웨어인 MatlabⓇ(MathWorks Inc.
- 한국인 표준체형(디지털 코리안 모델)과 유사한 체형을 지니고 상지 및 하지 병변이 없는 21 세 남성(신장 170cm, 몸무게 65kg)을 선택하여 1 mm 간격으로 컴퓨터 단층촬영(Computer Tomography: CT)을 수행하였다. 상용 프로그램인 3D-doctor Ⓡ(Able software Corp., USA)에서 경계 추출법(edge detection)으로 골격의 외곽선을 추출한 후 적층하여 3 차원 골격계 그래픽 모델을 만들었다. 표면은 RapidFormTM(InusTechology Inc.
- , Korea)을 이용하여 매끄럽게 하였다. 이렇게 구성된 인체 전신 골격계 모델은 15 개의 분절(상지 6 분절, 하지 6 분절, 척추 3 분절)로 구성되었으며(Table 1), RecurDynTM에 탑재하여 해석이 가능한 3 차원 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 분절의 질량, 관성모멘트 등 인체분절물성치는 DeLeva(1996)(12)의 값을 따랐다.
- 인체 골격 모델을 이용하여 노인의 보행과 일어나기 동작 시(Fig. 4) 보행기 사용 유무에 따른 하지 관절각의 굴곡/신전 패턴을 분석 하였다(Fig. 5).
- 피험자는 실험 전 본 실험의 목적과 내용에 대하여 숙지하였고, 실험 동의서에 자발적인 서명 후 실험에 참여하였다. 정확한 동작 데이터의 측정을 위하여 몸에 밀착하는 반바지를 피험자에게 입힌 후 35 개의 반사 마커들을 해부학적 중요위치 표면에 부착하였다. 동작 분석을 위하여 8 대의 카메라로 구성된 동작 분석 시스템(Vicon T20 camera, Oxford, UK)을 통해 신체에 부착된 반사마커 위치를 획득하였고(120Hz 획득률), 4 대의 지면반력기(AMTI OR6-6, Massachusetts, USA)를 사용하여 지면반력데이터도 동시에 획득하였다.
- 한국인 표준체형(디지털 코리안 모델)과 유사한 체형을 지니고 상지 및 하지 병변이 없는 21 세 남성(신장 170cm, 몸무게 65kg)을 선택하여 1 mm 간격으로 컴퓨터 단층촬영(Computer Tomography: CT)을 수행하였다. 상용 프로그램인 3D-doctor Ⓡ(Able software Corp.
대상 데이터
- 정확한 동작 데이터의 측정을 위하여 몸에 밀착하는 반바지를 피험자에게 입힌 후 35 개의 반사 마커들을 해부학적 중요위치 표면에 부착하였다. 동작 분석을 위하여 8 대의 카메라로 구성된 동작 분석 시스템(Vicon T20 camera, Oxford, UK)을 통해 신체에 부착된 반사마커 위치를 획득하였고(120Hz 획득률), 4 대의 지면반력기(AMTI OR6-6, Massachusetts, USA)를 사용하여 지면반력데이터도 동시에 획득하였다. 또한 7 개의 근육들(전경골근, 내비복근, 가자미근, 대퇴직근, 외측광근, 대퇴이두근, 반건양근) 위에 근전도 전극을 부착하여 근활성치도 파악하였다.
- 본 연구의 피험자는 57 세 노인 남성(68 kg, 167 cm)이었다. 피험자는 실험 전 본 실험의 목적과 내용에 대하여 숙지하였고, 실험 동의서에 자발적인 서명 후 실험에 참여하였다.
- 인체동작을 구현하기 위해 동작 분석 카메라 시스템에서 얻어진 마커 위치 데이터를 이용하였고, 얻어진 데이터는 MatlabⓇ의 SimulinkⓇ를 사용하여 RecurDynTM 기반으로 개발된 골격계 모델과 연동되었다. RecurDynTM 시뮬레이션을 위해 동작데이터에서 넘어온 실제 마커와 동일한 위치에 가상 마커를 골격계 위에 생성하였다.
데이터처리
- 보행기 없이 실험하는 앉기-시기 동작은 팔을 앞쪽 가슴에 모은 상태에서 실행 하였다. 각 조건에서 3 회씩 반복 측정하였으며 그 평균결과를 통해 기구학적 변인을 도출하였다.
- 또한 MatlabⓇ 기반 역기구학해석 프로그램을 이용하여 동일한 동작(보행과 앉기-서기 동작)에서 발생하는 기구학적 변인을 계산하였다. 보행 동작을 분석하여 RecurDynTM 기반 인체동작 시뮬레이션 결과와 비교하여 개발한 인체 모델 및 운동 시뮬레이션의 정확성과 타당성을 분석하였다.(13)
이론/모형
- 이렇게 구성된 인체 전신 골격계 모델은 15 개의 분절(상지 6 분절, 하지 6 분절, 척추 3 분절)로 구성되었으며(Table 1), RecurDynTM에 탑재하여 해석이 가능한 3 차원 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 분절의 질량, 관성모멘트 등 인체분절물성치는 DeLeva(1996)(12)의 값을 따랐다.
성능/효과
- (1) 이러한 경우 노인들은 신체 활동 유지를 위해 보조 기구 중 하나인 보행기(elderly walker)를 사용한다.(2) 보행기는 노인들의 관절 통증을 줄여 주며, 하지 근력이 약한 노인들에게 자발적인 보행을 가능케 한다. 또한 넓은 기저면을 갖게 됨으로 안정성이 향상되어 노인들이 안정감있게 앉기-서기 및 보행 동작을 할 수 있게 해 준다.
- 2). MatlabⓇ기반 역기구학해석 프로그램을 통해 계산된 각도와 개발된 인체 골격 모델의 시뮬레이션을 통해 얻은 각도를 비교한 결과 엉덩관절의 경우 최대 3%, 무릎관절은 2%, 발목관절에서는 4%의 각도차이를 보이므로, 전반적인 각도의 변화는 매우 유사하였다(Fig. 3). 초기 관절각에서 약간의 차는 실제 동작 측정에서 사용된 마커의 위치와 인체 모델에 삽입된 마커의 위치 차이에 때문이며, 인체 근골격 모델을 구성하는 골격의 길이 차이에 의해서 하지관절각 차이가 나타나게 된 것으로 판단된다.
- 보행기의 영향은 분석 결과 크지 않았다. 각 관절에서의 가동 범위(range of motion)는 매우 유사하였고, 단지 보행기를 이용했을 경우 하지 관절 신전 시작 시점이 빨라졌다(Fig. 5(a)).
- 그 이유는 보행기 사용으로 무게중심이 안정되었기 때문에 빨리 일어서는 것이 가능하였다. 관절 가동범위에서 뚜렷한 차이가 없었지만 발목각을 살펴보면 신전시 보행기를 사용한 경우 보행기를 사용하지 않을때 관절의 가동범위에 대비하여 6% 증가하였고, 반면 엉덩관절의 가동범위는 6% 감소함으로 볼 수 있다. 즉, 보행기 사용 시 엉덩관절보다는 발목관절을 사용하는 경향이 약간 더 나타난다고 볼 수 있다.
- 6 는 보행기 사용시 하지 근육들의 근활성치변화를 보여준다. 뒤꿈치가 닿은 직후 발목관절 움직임에 관여하는 전경골근(Tibialis anterior)과 내비복근(Gastronemius medial), 뒤꿈치가 닿기 직전 엉덩관절의 신전과 무릎의 굴곡에 관여하는 반건양근(Semitendinosus)에서 근활성치의 패턴 차이가 발생하였다. 보행기 사용으로 인하여 발꿈치가 닿을 때 충격 완화 역할을 수행하는 경골근의 배측 굴곡 근활 성치가 줄어들었고, 내비복근에서는 보행기 도움으로 발목관절의 배측굴곡 근활동시간량이 줄어들었다.
- 뒤꿈치가 닿은 직후 발목관절 움직임에 관여하는 전경골근(Tibialis anterior)과 내비복근(Gastronemius medial), 뒤꿈치가 닿기 직전 엉덩관절의 신전과 무릎의 굴곡에 관여하는 반건양근(Semitendinosus)에서 근활성치의 패턴 차이가 발생하였다. 보행기 사용으로 인하여 발꿈치가 닿을 때 충격 완화 역할을 수행하는 경골근의 배측 굴곡 근활 성치가 줄어들었고, 내비복근에서는 보행기 도움으로 발목관절의 배측굴곡 근활동시간량이 줄어들었다. 또한 반건양근의 근활성치도 보행기를 사용한 경우 현저하게 줄었다.
- 기반에서 인체 운동을 구현하였다. 수행 결과를 MatlabⓇ 기반의 역기구학해석 프로그램 결과와 비교함으로써 인체 모델과 시뮬레이션 기술의 타당성을 확인하였다. 검증된 인체 모델을 기반으로 보행기 사용 유무에 따른 정상노인의 앉기-서기와 보행할 때 발생하는 관절기구학 변인 변화와 근활성치도 살펴보았다.
- 이렇듯 보행기 사용으로 인하여 앉기-서기 동작과 보행 동작의 패턴변화가 발생하였고, 하지 관절의 생체역학적 협응에 의해 변화한 것을 볼 수 있었다. 이러한 변화는 근전도 분석을 통해서 살펴볼 수 있는데 보행시 보행기 사용으로 전경골근과 반건양근의 경우 근활성치가 줄어들었고, 내비복근의 경우 근활동시간이 감소함으로 보행기 사용시 일부 하지 근육의 역할을 덜어 주는 것을 살펴볼 수 있었다.
후속연구
- 본 연구 결과는 보행기 사용이 노인들에게 미치는 영향을 판단하거나 보행기 설계 시 필요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이며, 향후 기능성과 안전도가 향상된 보행기 디자인에도 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 더 나아가 본 연구는 한국형 인체 모델을 기반으로 하였기 때문에 도구를 이용한 인체 운동이나, 재활 훈련 분석 등에도 매우 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구 결과는 보행기 사용이 노인들에게 미치는 영향을 판단하거나 보행기 설계 시 필요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이며, 향후 기능성과 안전도가 향상된 보행기 디자인에도 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 더 나아가 본 연구는 한국형 인체 모델을 기반으로 하였기 때문에 도구를 이용한 인체 운동이나, 재활 훈련 분석 등에도 매우 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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