[논문]특집 : IT 융복합의료기기 기술 - 가상현실과 연동된 전신 진동기의 운동효과 및 관련 동향

정경열; 임병주; 박창대; 이병권; 천승철

문제 정의

본 논문에서는 진동 운동기를 이용한 운동 효과를 분석하고 전신 진동운동에 적합한 가상현실 컨텐츠를 제시한다. 또한 국내외 개발 및 연구 중인 기기와 컨텐츠 개발 동향을 제시하고자 한다.
제시한다. 또한 국내외 개발 및 연구 중인 기기와 컨텐츠 개발 동향을 제시하고자 한다.
. 흔들림을 통한 진동운동은 수동적 인 형태의 등척성 운동으로 골다공증 환자의 치료를 목적으로 개발되었다. 이러한 진동운동의 효과는 초당 50/1000(20 Hz) 진동을 이용하여 지속적으로 알파-운동신경 fo-motor neuron)을 자극함으로 근복(muscle belly) 두께를 증가시키는 생리학적 기전의 원리를 근거로 최근 많은 연구들이 진행되고 있다 이러한 근복이나 건(tendon)에 대한 기계적 진동 자극은 반사적 근수축을 일으키는데 이것을 강직성 진동반사(tonic vibration reflex)라 한다또한 진동운동은 근골격근의 근육길이에 작은 변화들을 주며, 대퇴사두근(quadriceps femoris)에 대한 진동자극을 하여 척수반사 흥분 능력의 촉진시키고, 진동이 모든 운동신경 유입에서 짧은 방추 운동신경 연결고리 (short spindle motomeurons connection)를 통해 흥분성 자극의 흐름을 야기하는 것으로 보고되고 있다".
진동운동이 신체에 미치는 다양한 영향을 좀 더 세분화시켜 근기능, 골격계, 순환계에 주는 영향 다음에 제시한다.

제안 방법

진동기의 경우 현재 개발된 부품들의 조합에 의해 쉽게 개념 설계가 가능하다. 통합된 기능의 3차원 운동기구 디자인으로 가로, 세로 및 높이 방향으로 설계된 새로운 진동 구조로써 현수 장치와 사용이 편리한 디자인으로 내구성과 친환경적 소재를 사용하여 구성된다. 또한 주파수 변동이 가능한 진동발생 모듈은 BLDC 모터를 사용하여 control driver로 진동 주파수를 5~30 Hz로 조절하고, 진동발생 시 전정기관에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 탄성 스프링 배치 및 최대 진동 파고점에서 진동을 흡수시키는 장치를 추가로 부착한다(그림 6 참조).

성능/효과

새로운 운동방법으로 주목을 받고 있다. 가상현실의 가장 큰 장점은 흥미와 재미를 유발하며 사용자에 대한 동기부여에 있어 다른 프로그램의 적용보다 효과가 있다는 것이다 또한 노인을 포함하여 일반 환자들의 경우 이동의 불편과 함께 운동에 있어서의 안정성이 무엇보다 중요한데 가상현실을 이용한 운동 프로그램은 쉽고 간편하게 다양한 운동적용이 가능한 것으로 나타났다 이러한 가상현실을 이용한 연구는 참여하는 대상자가 매우 다양하게 나타나고 있는 특징을 가지고 있는데, 일반노인을 비롯하여 주의력부족 행동과다 장애아동(ADHD), 뇌성마비아동, 파킨슨씨병, 뇌졸중환자 등 국내외로 폭넓게 이루어지는 것으로 나타났으며, 그 효과 역시 통계적으로 유의하게 효과가 있는 것으로 보고되었다
소뇌 (Cerebellum)에 각인시킬 수 있는 효과적이고 안전한 운동 방법으로 보고되고 있다. 전신에 대한 다양한 진동자극은 근육조직과 신경조직 모두 새로운 적응을 유도하여 근력 이 순발력 과 균형능력 등 다양한 기능을 향상시키는 것으로 나타났다. 특히 노인의 낙상예방, 파킨슨 및 뇌졸중 환자와 같은 신경학적 질환자의 자세조절 및 기능향상을 위한 재활치료 방법으로 다른 관련된 선행연구들에서도 지속적으로 밝혀지고 있다.
비교를 통해 효과를 검증한 자료이다. 진동운동을 수행한 실험군은 무릎 신전근력과 점프 수행력의 증가, 골밀도 증가 등의 효과를 나타내었다. 또한 위 약진동 운동, 저항운동 보다 진동운동이 훨씬 더 효과적 이다는 연구 결과를 보여주고 있다.
진동운동을 수행한 실험군은 무릎 신전근력과 점프 수행력의 증가, 골밀도 증가 등의 효과를 나타내었다. 또한 위 약진동 운동, 저항운동 보다 진동운동이 훨씬 더 효과적 이다는 연구 결과를 보여주고 있다.
움직임의 속도 역시 증가된 것으로 나타났으며 이러한 진동운동의 경우 여성 노인에게 근력 운동 시 발생할 수 있는 상해에 대해 안전하고 알맞으며, 효과적인 운동방법으로 증명되 었다 특히 힘을 측정할 수 있는 기준이 되는 점프 테스트의 경우 전신 진동운동과 웨이트 트레이닝을 비교한 결과 전신 진동운동에서만 유의하게 증가된 것으로 보고되었다. 노인들에 있어 빈번하게 나타나는 낙상의 경우 하지 근력과 밀접한 상관관계가 잇는 것으로 나타났으며, 특히 노인에게서 주로 나타나는 하지의 근위축이 진동운동을 통해 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 전신 진동운동은 근기능에 있어 근력과 더불어 순발력 그리고 협조성까지 개선되는 것으로 단순한 기능학적 효과뿐만 아니라 형태적, 신경학적 등 다양한 측면에서 근기능의 발달에 긍정적인 영향을 주는 것으로 나타났다.
노인들에 있어 빈번하게 나타나는 낙상의 경우 하지 근력과 밀접한 상관관계가 잇는 것으로 나타났으며, 특히 노인에게서 주로 나타나는 하지의 근위축이 진동운동을 통해 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 전신 진동운동은 근기능에 있어 근력과 더불어 순발력 그리고 협조성까지 개선되는 것으로 단순한 기능학적 효과뿐만 아니라 형태적, 신경학적 등 다양한 측면에서 근기능의 발달에 긍정적인 영향을 주는 것으로 나타났다.
전신 진동운동에 대한 최근 연구에서는 순환계에도 효과적인 것으로 나타났다. 각기 다른 주파수에 따라 전신 진동운동을 실시한 결과 4.5에서 산소섭취량과 혈류량이 가장 많이 증가한 것으로 나타났으며, 호흡과 관련하여 환기량이 유의하게 증가되었다고 하였다. 하지만근골격계에 미치는 영향을 연구한자료에 비하여 순환계에 미치는 영향은 부족한 것으로 조사되어 , 앞으로 순환계에 초점을 맞춘 연구가 활발하게 진행되 어야 할 것으로 사료된다.
이러한 특수성은 정상인을 비롯한 신체적 장애를 가진 대상자가 불가능한 기능적 동작을 실현할 수 있도록 만들어 주는 장점을 가지고 있다특히 3차원 가상현실은 실제 환경과 거의 유사한 상황을 구현할 수 있기 때문에 신체 움직 임 이 불편한 노인 및 장애 인의 재활치료 적용시에 매우 유용하다고 보고되었다. 이러한 3차원 가상현실은 기능적 자기공명영상(functional MRD장비와 같은 최첨단 장비를 통하여 장애인 및 신경학적 질환자의 뇌가소성 (brain plasticity)에도 긍정적인 효과를 보이는 것으로 나타났다. 또한 가상현실은 사용자에게 실제와 비슷한 경험을 하도록 제공하고 이러한 상황에서의 훈련을 통해 실제 생활의 적응력을 빠르게 회복할 수 있다는 것이다.
전신 진동기의 신체 기능적 증가효과는 다수의 연구 결과로 입증이 되 었다 우선 근 기능에 대한 영향을 볼 때 진동운동은 알파-운동섬유를 지속적으로 자극하여 근력을 강화시키고, 근복 두께를 증가시킨다. 또한 노년 여성의 하지 근력과움직임의 속도를 향상시키고, 정적 근력뿐만 아니라동적 근력까지 향상되는 것으로 나타났다. 진동운동은 근력뿐만 아니라 골밀도를 증가시켜 일상 생활동작 능력을 향상시킨다.

후속연구

5에서 산소섭취량과 혈류량이 가장 많이 증가한 것으로 나타났으며, 호흡과 관련하여 환기량이 유의하게 증가되었다고 하였다. 하지만근골격계에 미치는 영향을 연구한자료에 비하여 순환계에 미치는 영향은 부족한 것으로 조사되어 , 앞으로 순환계에 초점을 맞춘 연구가 활발하게 진행되 어야 할 것으로 사료된다.
3차원 가상현실과 연계된 진동기 개발은 편리성, 효과성 및 다양성 측면에서 재활 및 건강관련 분야에서 다양하게 적용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 재활, 의용 및 전자공학과 유기 적 인 협조를 구축하여 고령 친화산업으로의 응용도 가능하다.

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