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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 키높이 인솔 착용으로 인한 족저면 압력 및 족부내부의 응력 변화를 분석하여 전족부 통증이나 무지외반 등 족부질병 예방의 가이드라인에 적용가능한 키높이 인솔의 적절한 두께를 제안하고자 하였다. 이를 위하여 족저압센서를 이용한 피검자의 보행 실험을 통하여 두께 변화에 따른 족저면에서의 구역별 압력분포, COP, peak contact pressure(최대 접촉 압력, PCP)를 측정하였으며, 다양한 두께의 키높이 인솔이 착용된 족부유한요소모델을 구축하여 최대하중이 가해지는 toe-off phase 상에서의 전족부 내부 응력 변화, peak von Mises stress(최대 등가 응력, PVMS) 및 중족족지관절의 lateral abduction moment(외전 모멘트)를 예측하였다.
가설 설정
- 족저압력 측정 실험을 위해 선정된 피험자는 키높이 인솔을 많이 착용하는 연령층으로 남성 대학생(20~29세)의 한국인 인체표준정보 database(데이터베이스, DB)인 사이즈코리아에서 제시한 사분위수를 기준으로 제 1 분위수와 제 3분위수 사이 범위 내에 있는 키(169.6~177.3 cm), 체중(63.8~76.8 kg) 그리고 발사이즈(248.5~263.5 mm) 내의조건에 부합되는 6명을 선출하였으며, 신발사이즈는 발사이즈보다 10 mm 크다고 가정하였다. 족저압력 실험간 보행속도는 Richard 등(1997)의 연구를 참고하여 피험자 선정과 동일한 연령구간인, 20~29세 남성이 편안함을 느끼는 보행 속도(139.
제안 방법
- 골조직은 sesamoid(종자골)를 포함한 30개의 골조직으로 이루어졌으며, 각각의 골구조물은 균질한 물질로 가정하여, 골 구조물 사이의 상호 작용을 부여하기 위해 마찰이 없는 15 쌍의 ABAQUS 'small sliding' 조건을 부여하였다.
- 하중조건은 족저압력 실험에서 6명의 F-scan data로부터 획득된 결과 data중 toe-off 시점에서 측정된 ground reaction force(지면반발력, GRF)를 유한요소 모델의 솔과 접촉하는 지면 하부면에 F-scan과 수직방향으로 분포하중을 부여하였다(그림 4, 표 2). 구속조건은 tibia(경골), fibula(비골), 연부조직의 최상위 면의 모든 node(절점)을 모든 방향에 대해 고정하였으며 솔은 수직방향으로만 움직임이 가능하도록 구속하였다. 족저면과 키높이 인솔 사이의 경계조건은 기존 문헌에서 제시한 바와 같이 양말을 신고 신발을 착용한 상태를 의미하는 0.
- PCP는 족저면에 발생하는 가장 높은 압력의 크기를 의미 하는 것으로, 족저면에 과도한 하중이 발생할 경우 족부 내부에 응력집중현상을 유발하여 연부조직을 손상시키는 요인으로 작용한다. 따라서, 본 연구에서는 모델의 검증을 위해 족저압력 실험에서 F-scan system(Tekscan Inc., Bostone)으로 부터 획득된 결과 데이터 중 toe-off 시점에서 측정된 전족부의 PCP 데이터와 예측된 족부유한요소 모델의 PCP 족저압력 결과 차이율을 비교하여 타당성을 검증하였다.
- 키높이 인솔을 삽입하여 보행할 경우 키높이 인솔과 신발 밑창간에 움직임이 발생하여 불안정성을 일으킬 수 있으나 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 전족부에 발생하는 응력변화 확인에 목적이 있어 유한요소 모델 구축시 키높이 인솔과 신발 밑창의 경계조건을 tied contact으로 적용하였다. 또한 기존의 족부유한요소 모델의 검증은 모델구축에 사용된 CT 영상자료와 동일한 피험자를 대상으로 족저압력 결과값을 비교하였으나[2,8,9], 본 연구에서는 총 6명의 피험자의 족저압력 데이터를 이용하여 모델의 타당성을 확인하였다.
- 본 연구에서 사용된 유한요소 모델의 구축과정은 다음과 같다. 먼저 족부 질병이나 형태학적 이상이 없는 남성(170 cm, 65 kg, 27세) 우측 발을 관상면을 따라 1 mm 간격으로 computer tomography(컴퓨터 단층 영상, CT)을 촬영 한 후(그림 1(A)), 소프트웨어(Mimics v8.1, Materialize, Inc., Louvain, Belgium)를 이용하여 gray-scale threshold 조절을 통해 CT로부터 획득된 data를 골조직과 연부조직으로 구분하였다(그림 1(B)). 구분된 영역을 바탕으로 line data와 surface model을 획득한 후(그림 1(C)), 족부 골조직과 연부조직의 재구성 및 mesh 생성을 위해 전·후처리 프로그램인 PATRAN(MacNeal Schwendler Corporation, USA)을 이용하였다(그림 14(D, E)).
- 보행 시 족저면에 나타나는 압력분포를 획득하기 위해 insole type(안창 형태)의 F-scan system(Tekscan Inc., Bostone)을 이용하여 트레드밀(Tunturi Oy Ltd, Poland) 상에서 보행을 유도하였다.
- 보행 시점별 COP 변화를 확인하기 위해 Perry의 gait analysis 책의 보행주기 비율을 참고하여 initial contact(초기접지기, IC), Loading response(하중 반응기, LR), Midstance(중간입각기, MS), terminal stance(말기 입각기, TS), 그리고 pre-swing(전유각기, PS) 시점을 선정하였다[12]. IC은 발뒤꿈치가 지면에 닿는 시점, LR는 발바닥이 닿는 시점, MS는 신체의 무게 중심이 발바닥의 중심을 지나는 시점, TS는 발뒤꿈치가 떨어지는 시점, PS은 발가락 끝이 지면에서 떨어지는 시점을 의미한다.
- 보행주기 내에서의 COP 와 PCP의 결과에 대한 분석은 족저면의 압력 분포를 기초로 수행되었다.
- COP는 압력이 발생되는 영역 내부에 하나의 점으로 압력의 총합을 대표한다. 본 연구에서 COP는 센서에서 측정되는 값을 바탕으로 보행 시 발생하는 지면반발력에 의해 족저면에서 발생되는 압력의 중심을 나타내며, PCP는 센서에서 측정되는 가장 높은 접촉 압력 값으로, 보행 데이터를 획득 후 족저면을 구역별(M1-M7)로 나누어 압력을 분석하였다. 그림 6은 10 mm 두께의 키높이 인솔을 착용하였을 때 보행 시점별 족저면 압력분포, 족저면 전체의 COP와 구역별 PCP의 위치를 나타낸 예시다.
- 본 연구에서는 정상인의 족부 3차원 유한 요소 모델을 검증하기 위하여 족저압력 실험을 통해 하중조건을 적용하고, 기존 문헌을 바탕으로 경계조건을 설정한 후 그 결과를 기존연구와 비교하였다. Cheung 등(2008)의 연구에서 사용된 유한 요소 모델은 Yu 등(2008)이 업그레이드 하였으며, 이후 Chen 등(2010)의 공저자가 개선한 족부 유한 요소 모델을 이용하여 연구가 진행되어, 본 연구의 바탕이 되는 족부 유한 요소 모델들과 검증에 대한 상대적 차이를 비교를 실시 하였다[2,8,9].
- 골조직은 sesamoid(종자골)를 포함한 30개의 골조직으로 이루어졌으며, 각각의 골구조물은 균질한 물질로 가정하여, 골 구조물 사이의 상호 작용을 부여하기 위해 마찰이 없는 15 쌍의 ABAQUS 'small sliding' 조건을 부여하였다. 연부 조직은 생리학적 특징인 strain이 커짐에 따라 elastic modulus(탄성계수)가 증가하도록 비선형 물성 특징을 구현하였다. 인대와 족저근막을 포함한 족부 골조직의 수동적 안정화 구조물은 Primal Picture 2006(ANATOMY.
- metatarsal(제 1 중족골)의 longitudinal axis(장축)을 y축으로, 제 1 중족족지관절의 중점을 원점으로 해부학적 좌표축 x, y를 설정하였다. 외전모멘트는 각 element(요소)의 중점으로 부터 작용하는 주응력과 moment arm(모멘트 암)을 이용하여 Equation[2]와 같이 lateral abduction moment를 산출하였다(그림 5). 이때, σesi 는 i번째 element에 걸리는 주응력의 크기, dmai 는 i번째 element의 moment arm 길이를 나타낸다.
- 외전모멘트는 제 1 중족족지관절을 중심으로 무지가 외측으로 작용하는 힘을 분석하는 것으로 0 mm를 기준으로 각각의 높이에 정규화 하였다. 인솔두께가 변화함에 따라 증가(0 → 50 mm, 150%↑)하는 경향을 예측하였으며, 특히 30 mm 이상일 경우 0 mm 높이와 비교하여 100% 이상 증가하는 것을 확인하였다(그림 11).
- 게다가 기존에는 동인인의 CT 자료와 족저압력 데이터를 기반으로 유한 요소법을 적용시켰으나, 이는 일반적인 결과를 얻지 못하는 단점을 포함하고 있다. 이를 위하여 본 연구팀에 의해 사전에 구축되고 검증된 족부 유한요소모델과 앞서 실시한 족저압력 데이터를 이용하여 키높이 인솔 두께 변화에 따른 족부내의 생체역학적 거동 변화를 보편적인 사람들에게 통용 가능하도록 분석하였다[9]. 본 연구에서 사용된 유한요소 모델의 구축과정은 다음과 같다.
- 따라서, 본 연구에서는 키높이 인솔 착용으로 인한 족저면 압력 및 족부내부의 응력 변화를 분석하여 전족부 통증이나 무지외반 등 족부질병 예방의 가이드라인에 적용가능한 키높이 인솔의 적절한 두께를 제안하고자 하였다. 이를 위하여 족저압센서를 이용한 피검자의 보행 실험을 통하여 두께 변화에 따른 족저면에서의 구역별 압력분포, COP, peak contact pressure(최대 접촉 압력, PCP)를 측정하였으며, 다양한 두께의 키높이 인솔이 착용된 족부유한요소모델을 구축하여 최대하중이 가해지는 toe-off phase 상에서의 전족부 내부 응력 변화, peak von Mises stress(최대 등가 응력, PVMS) 및 중족족지관절의 lateral abduction moment(외전 모멘트)를 예측하였다.
- , London, UK)소프트웨어를 기초로 해부학적 특징을 반영하여 총 5개의 족저근막과 134개의 인대로 구성시켰다. 인대는 인장하중에만 반응하는 tension only truss elements(2차원 다발 요소)로 단면적을 적용하였다(그림 1(E)).
- 연부 조직은 생리학적 특징인 strain이 커짐에 따라 elastic modulus(탄성계수)가 증가하도록 비선형 물성 특징을 구현하였다. 인대와 족저근막을 포함한 족부 골조직의 수동적 안정화 구조물은 Primal Picture 2006(ANATOMY.TV, Primal Pictures Ltd., London, UK)소프트웨어를 기초로 해부학적 특징을 반영하여 총 5개의 족저근막과 134개의 인대로 구성시켰다. 인대는 인장하중에만 반응하는 tension only truss elements(2차원 다발 요소)로 단면적을 적용하였다(그림 1(E)).
- 족부 내부의 응력 집중현상에 대한 분석을 위하여 종자골(제 1 중족골두, sesamoid) 내 · 외측을 구분하여 중족골두 하부면의 연부조직에서 PVMS를 예측하였다.
- 측정된 족저압 데이터는 Research foot version 5.23(Tekscan Inc., USA)을 이용하여 족저면의 구역별 영역에 따른 압력 분포를 확인하였다. 족저면은 해부학적으로 heel(후족부, M1), midfoot(중족부, M2), 그리고 forfoot(전족부, M3-M7) 으로 나누었으며, 전족부는 medial forefoot(전족부 내측, M3), central forefoot(전족부 중앙, M4), lateral forefoot(전족부 외측, M5), hallux(엄지발가락, M6), lesser toes(나머지 발가락, M7) 영역으로 구분하였다[11].
- 이 때, 유한요소의 하중조건 결정을 위해 측정되는 지면반발력의 차이를 최소화 하기위해 보행속도를 140 cm/s로 제한하였다[10]. 키높이 인솔 두께에 따른 족저압력의 변화를 측정하기 위하여 두께가 다른 키높이 인솔 교체와 함께 10분간의 휴식을 취하게 한 후, 다시 족저압 측정을 반복 수행하였다.
- 키높이 인솔(10 mm 단위, 10~50 mm) 착용에 대한 이질감을 최소화하기 위해 각 실험마다 10분간의 예비보행을 실시 하였으며, 족저압 데이터는 예비보행 직후 3분간 동일한 방법으로 측정하였다. 이 때, 유한요소의 하중조건 결정을 위해 측정되는 지면반발력의 차이를 최소화 하기위해 보행속도를 140 cm/s로 제한하였다[10].
- 키높이 인솔두께 변화에 따른 전족부(M2, M3, M4)의 영향을 확인하기 위해 보행주기 중 가장 큰 지면반발력을 갖는 toe-off phase를 선정하여 신발밑창이 착화된 족부 유한요소 모델링을 실시하였다(그림 2(C))[12]. 키높이 인솔과 아웃솔의 물성치는 압축 실험을 통한 stress-strain 결과를 바탕으로 hyperelastic(고탄성)특성을 적용하고자 하였으며(그림 3), 압축 실험 데이터는 만능재료 시험기(MTS 858 Bionix system, MTS Inc., USA)를 이용하여 한 변의 길이가 10 mm인 정육면체 솔 시편을 1 mm/s의 displacement control을 통해 20 Hz 간격으로 데이터를 획득하였다[13].
- 이때, 키높이 인솔은 피검자 족저압 실험의 상황과 동일하도록 아웃솔의 최후방에 위치하도록 하였다(그림 2(A,B)). 키높이 인솔두께 변화에 따른 전족부(M2, M3, M4)의 영향을 확인하기 위해 보행주기 중 가장 큰 지면반발력을 갖는 toe-off phase를 선정하여 신발밑창이 착화된 족부 유한요소 모델링을 실시하였다(그림 2(C))[12]. 키높이 인솔과 아웃솔의 물성치는 압축 실험을 통한 stress-strain 결과를 바탕으로 hyperelastic(고탄성)특성을 적용하고자 하였으며(그림 3), 압축 실험 데이터는 만능재료 시험기(MTS 858 Bionix system, MTS Inc.
- 키높이 인솔에 대한 유한요소모델의 구축과정은 시중에서 쉽게 구매할 수 있는 urethane poly-acetyl(우레단 폴리-아세칠) 재질의 wedge 형태 제품의 실제 사이즈를 버니어캘리퍼스(CD-15CP, Mitutoyo, Japan)로 측정 하여 10 mm부터 50 mm까지 10 mm 단위로 두께를 변화시켜 총 5개의 키높이 인솔 모델을 구현하였고, 아웃솔은 운동화의 두께인 30 mm로 일정하게 적용시켰다. 이때, 키높이 인솔은 피검자 족저압 실험의 상황과 동일하도록 아웃솔의 최후방에 위치하도록 하였다(그림 2(A,B)).
- 키높이 인솔을 삽입하여 보행할 경우 키높이 인솔과 신발 밑창간에 움직임이 발생하여 불안정성을 일으킬 수 있으나 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 전족부에 발생하는 응력변화 확인에 목적이 있어 유한요소 모델 구축시 키높이 인솔과 신발 밑창의 경계조건을 tied contact으로 적용하였다. 또한 기존의 족부유한요소 모델의 검증은 모델구축에 사용된 CT 영상자료와 동일한 피험자를 대상으로 족저압력 결과값을 비교하였으나[2,8,9], 본 연구에서는 총 6명의 피험자의 족저압력 데이터를 이용하여 모델의 타당성을 확인하였다.
- 피험자간 상이한 발사이즈 차이를 고려하여 피험자의 COP 좌표를 Equation[1]과 같이 각 피검자의 width(발폭)과 length(길이)를 이용하여 normalization(정규화)하였다. 이때, COPt 는 t높이의 키높이 인솔을 착용하였을 때의 COP를 의미하며 xi는 i번째 입각기에서 후족부 내측에서 부터 내 · 외측 방향의 길이, yi는 i번째 입각기에서 후족부 내측에서 부터 전 · 후 방향의 길이를 의미한다.
대상 데이터
- 본 연구에 참여한 연구 대상자는 과거 하지 및 족부에 병력이 없고 정상적인 족부 형태를 가지며 보행 동작에 무리가 없는 정상인 남성 6명을 피험자로 선정하였다. 피험자의 신체적 특징은 표 1 과 같다.
데이터처리
- FE 모델에 대한 타당성 검증을 위해 유한요소 분석을 통한 전족부의 PCP 예측 결과와 F-scan을 이용하여 실제 M3, M4에서 측정된 PCP값의 상대비교를 실시하였다. 유한요소 분석 결과는 실험 결과의 오차범위 내에 분포함을 확인하였으며 모델의 타당성을 확인하였다(그림 9).
- 3 cm/s) 구간에 있는 140 cm/s 속도를 동일하게 유도하였다. 실험에 대한 결과 분석은 각 피험자의 0 mm를 기준으로 각 높이에 대한 상대비교를 실시하였으며 이때 구역별로 통계적 유의치를 만-위트니 U 검증을 통해 확인하였다.
- 키높이 인솔 두께 변화에 따른 족저압력 특성을 파악하기 위해 통계처리 프로그램(SPSS v12.0, SPSS INC., USA)을 이용하여 만-위트니 U 검증을 실시하였으며, 0 mm 기준으로 각 두께 변화에 따른 COP와 PCP의 통계적 차이를 a = .05의 유의수준에서 확인하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 정상인의 족부 3차원 유한 요소 모델을 검증하기 위하여 족저압력 실험을 통해 하중조건을 적용하고, 기존 문헌을 바탕으로 경계조건을 설정한 후 그 결과를 기존연구와 비교하였다. Cheung 등(2008)의 연구에서 사용된 유한 요소 모델은 Yu 등(2008)이 업그레이드 하였으며, 이후 Chen 등(2010)의 공저자가 개선한 족부 유한 요소 모델을 이용하여 연구가 진행되어, 본 연구의 바탕이 되는 족부 유한 요소 모델들과 검증에 대한 상대적 차이를 비교를 실시 하였다[2,8,9]. 기존 연구에서의 PCP 값은 유한요소와 족저압 실험의 오차율은 10~111% 값을 보였으나, 본 연구에서는 0.
- 구분된 영역을 바탕으로 line data와 surface model을 획득한 후(그림 1(C)), 족부 골조직과 연부조직의 재구성 및 mesh 생성을 위해 전·후처리 프로그램인 PATRAN(MacNeal Schwendler Corporation, USA)을 이용하였다(그림 14(D, E)).
성능/효과
- PCP는 전족부(M3, M4, M5)에서 키높이 인솔의 두께가 0 mm에서 30 mm로 증가 할 때 각각 96.8 kPa에서 135.6 kPa, 135.8 kPa에서 193.2 kPa, 135.4 kPa에서 169 kPa의 증가(9.0, 9.4, 5.3% 증가율)를 보였으며, 특히 40 mm 이후에서는 M3과 M4(제 1, 2 중족지골)에서 137.8 kPa에서 177.4 kPa, 208.8 kPa에서 256.4 kPa로 변화함에 따라 급격한 증가율(28%, 22%)를 확인하였다(p < .05).
- PCP는 키높이 인솔의 두께 변화(0 → 50 mm)에 따라 전족부(M3, M4, M5)에서 상대적으로 높은 증가율(9.0%, 9.4%, 5.3%)을 나타냈었으며, 특히 40 mm 이후에서는 M3과 M4(제 1, 2 중족지골)에서 급격한 증가율(28%, 22%)을 확인하였다.
- Yu 등(2008)등은 하이힐 착용에 따른 무지외반을 분석하기 위해 제 1중족족지관절에서 발생하는 주응력의 방향이 무지외반으로 작용할 것으로 분석하였다[2]. 그러나 피로변형은 시간적으로 변동하는 하중에서 발생되는 소성변형을 의미함에 따라 주응력의 방향이 아니라 외전모멘트의 크기를 분석하는 것이 무지의 외반현상을 예측하는데 적절할 것으로 사료되었다. 또한 족저압력을 통한 족부궤양 가능성 예측의 부정확성을 극복하고자 Chen 등(2010)은 유한요소법을 이용하여 중족골두와 같은 돌출된 골구조물에 의해 족저면 연부조직에 발생되는 응력집중현상 예측하였다.
- Cheung 등(2008)의 연구에서 사용된 유한 요소 모델은 Yu 등(2008)이 업그레이드 하였으며, 이후 Chen 등(2010)의 공저자가 개선한 족부 유한 요소 모델을 이용하여 연구가 진행되어, 본 연구의 바탕이 되는 족부 유한 요소 모델들과 검증에 대한 상대적 차이를 비교를 실시 하였다[2,8,9]. 기존 연구에서의 PCP 값은 유한요소와 족저압 실험의 오차율은 10~111% 값을 보였으나, 본 연구에서는 0.8~5.5%의 오차율을 보여, 유한요소 모델을 통해 기존연구보다 정확한 결과값을 예측할 수 있을 것으로 사료된다(표 5). 족저면 연부조직에 발생하는 응력집중 효과를 확인하기 위해 주변 연부조직에서 예측한 PVMS의 경우 키높이 인솔두께가 두꺼워짐에 따라 제 1 중족골 외측골두와 제 2~4 중족골 골두 족저면 연부조직에서 응력이 증가하는 경향을 확인하였다.
- 특히 제 1 중족골 외측 골두에서 가장 높은 증가(0 → 30 mm, 106%↑)를 보였으며, 제 1 중족골 내측 골두 지점은 0~30 mm까지 증가한 후 50 mm까지 감소하는 경향을 보임에 따라 키높이 인솔의 사용은 족저면에 발생하는 압력이 외측에서 내측으로 이동하는 것을 예측 할 수 있었다. 또한 제 1 중족족지관절에서 발생하는 외전 모멘트는 키높이 인솔의 두께 변화에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며 30 mm 이상일 경우 0 mm 대비 최대 150% 증가를 확인함에 따라 30 mm 이상의 두께를 갖는 키높이 인솔 사용은 무지가 굽어질 가능성을 높여 줄 것으로 사료된다.
- 94 kPa로 약 106% 증가를 보였다. 반면에 제 5 중 족골두에서는 0 mm에서 1.23 kPa이 측정되었으며 인솔의 두께가 변화함에 따라 족저면 내부의 응력이 점차적으로 감소하여 50 mm일 때 0.39 kPa로 약 68% 감소하는 것을 확인하였다(표 4).
- 또한 Chang 등(2010)은 보행시 변화하는 arch의 높이를 조사한 연구에서 toe-off phase에서 GRF가 감소하기 직전 arch의 높이가 가장 낮다고 보고 하였다[20]. 본 연구에서 키높이 인솔의 두께가 두꺼워 짐에 따라 1st metatarsal과 지면이 이루는 각도는 증가하고, 보행시 toe-off 시점에서 arch 높이가 가장 낮을 것으로 추측되어 무지외반 가능성이 높아질 것으로 사료된다.
- 본 연구에서의 키높이 인솔 착용에 따른 족저면에 발생하는 압력 변화 양상 예측과 족부 내부의 응력변화 및 무지를 외반 시키는 크기를 정량적으로 평가함에 따라, 30 mm 미만의 키높이 인솔의 두께를 사용할 경우 족저면의 궤양이나, 전족부의 통증 등 족부질병 예방에 기여할 것으로 사료되어, wedge 형태의 키높이 인솔 선택시 30 mm 미만이 적절하다고 판단된다. 또한 본 연구에서는 족저면에 발생하는 압력변화를 중심으로 분석하여 추후 발목관절에 대한 연구 진행이 필요할 것으로 사료되며, 키높이 인솔은 하이힐과 달리, 고정식이 아닌 솔 위에 얹는 형태로 보행시 솔의 움직임에 의해 균형유지능력 저하와 같은 문제점이 예상됨에 따라, 차후 고정식 · 탈착식 키높이 인솔 및 하이힐과의 직접적인 비교에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- FE 모델에 대한 타당성 검증을 위해 유한요소 분석을 통한 전족부의 PCP 예측 결과와 F-scan을 이용하여 실제 M3, M4에서 측정된 PCP값의 상대비교를 실시하였다. 유한요소 분석 결과는 실험 결과의 오차범위 내에 분포함을 확인하였으며 모델의 타당성을 확인하였다(그림 9).
- 족저면 내부의 응력 집중효과에 따른 응력의 분포는 그림 13과 같이 나타났다. 인솔 두께가 두꺼워짐에 따라 엄지발가락, 종자골 내측 및 제 5 중족골두를 제외한 전반적인 응력 증가를 보였다. 특히 제 1 중족골 외측 골두에서 가장 민감한 변화가 나타났으며 0~50 mm로 변화할 때 3.
- 인솔두께가 변화함에 따라 증가(0 → 50 mm, 150%↑)하는 경향을 예측하였으며, 특히 30 mm 이상일 경우 0 mm 높이와 비교하여 100% 이상 증가하는 것을 확인하였다(그림 11).
- 5%의 오차율을 보여, 유한요소 모델을 통해 기존연구보다 정확한 결과값을 예측할 수 있을 것으로 사료된다(표 5). 족저면 연부조직에 발생하는 응력집중 효과를 확인하기 위해 주변 연부조직에서 예측한 PVMS의 경우 키높이 인솔두께가 두꺼워짐에 따라 제 1 중족골 외측골두와 제 2~4 중족골 골두 족저면 연부조직에서 응력이 증가하는 경향을 확인하였다. 특히 제 1 중족골 외측 골두에서 가장 높은 증가(0 → 30 mm, 106%↑)를 보였으며, 제 1 중족골 내측 골두 지점은 0~30 mm까지 증가한 후 50 mm까지 감소하는 경향을 보임에 따라 키높이 인솔의 사용은 족저면에 발생하는 압력이 외측에서 내측으로 이동하는 것을 예측 할 수 있었다.
- 키높이 인솔을 삽입 보행시 발생하는 족저압력의 분포를 비교 분석한 결과를 살펴보면 PS 국면에서 COP는 인솔두께가 30 mm 이상일 경우 전방과 내측으로 이동하는 경향을 보였으며, 이는 이전 Shimizu 등(1999)이 하이힐 착용에 따라 COP가 전방 내측으로 이동하는 것과 동일한 양상을 나타내었다[18]. 따라서 뒷굽이 높아지는 형태의 신발을 착용할 경우 비정상적인 족저압력에 의해 족부질환이 발생될 가능성이 높아질 것으로 사료된다.
- 특히 제 1 중족골 외측 골두에서 가장 높은 증가(0 → 30 mm, 106%↑)를 보였으며, 제 1 중족골 내측 골두 지점은 0~30 mm까지 증가한 후 50 mm까지 감소하는 경향을 보임에 따라 키높이 인솔의 사용은 족저면에 발생하는 압력이 외측에서 내측으로 이동하는 것을 예측 할 수 있었다.
- 인솔 두께가 두꺼워짐에 따라 엄지발가락, 종자골 내측 및 제 5 중족골두를 제외한 전반적인 응력 증가를 보였다. 특히 제 1 중족골 외측 골두에서 가장 민감한 변화가 나타났으며 0~50 mm로 변화할 때 3.36 kPa에서 6.94 kPa로 약 106% 증가를 보였다. 반면에 제 5 중 족골두에서는 0 mm에서 1.
후속연구
- 본 연구에서의 키높이 인솔 착용에 따른 족저면에 발생하는 압력 변화 양상 예측과 족부 내부의 응력변화 및 무지를 외반 시키는 크기를 정량적으로 평가함에 따라, 30 mm 미만의 키높이 인솔의 두께를 사용할 경우 족저면의 궤양이나, 전족부의 통증 등 족부질병 예방에 기여할 것으로 사료되어, wedge 형태의 키높이 인솔 선택시 30 mm 미만이 적절하다고 판단된다. 또한 본 연구에서는 족저면에 발생하는 압력변화를 중심으로 분석하여 추후 발목관절에 대한 연구 진행이 필요할 것으로 사료되며, 키높이 인솔은 하이힐과 달리, 고정식이 아닌 솔 위에 얹는 형태로 보행시 솔의 움직임에 의해 균형유지능력 저하와 같은 문제점이 예상됨에 따라, 차후 고정식 · 탈착식 키높이 인솔 및 하이힐과의 직접적인 비교에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 피검자를 이용한 족저압 측정 실험은 족저면에서의 정확한 압력분포를 도출할 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면, 보다 유용한 결과도출을 위해서 다수의 피검자를 통한 생체역학적 시험 분석이 요구된다. 또한, 이러한 실험적 결과는 족저면에서 측정되는 족저압 데이터에 국한되어 실제 족부 관절 내에서 관절의 손상, 통증, 기형유발 등과 관련된 생체역학적 요소인 골조직 또는 연부조직 내에서 응력변화와 같은 생체역학적 분석에 한계를 가지고 있다. 게다가 기존에는 동인인의 CT 자료와 족저압력 데이터를 기반으로 유한 요소법을 적용시켰으나, 이는 일반적인 결과를 얻지 못하는 단점을 포함하고 있다.
- 외모에 대한 관심이 높아짐에 따라 여성들의 하이힐 착용이 빈번해지고 있으며, 최근 이러한 현상은 여성에 국한되지 않고 남성들 또한 키높이 인솔 착용을 통해 자신의 신체에 대한 불만족을 충족 시키고자 하는 추세가 증가되어지고 있다. 키높이 인솔은 하이힐과 동일하게 high-heeled position로 하이힐과 유사한 문제점이 발생될 것으로 예상되어 남성들의 키높이 인솔 착용에 대한 체계적 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 피검자를 이용한 족저압 측정 실험은 족저면에서의 정확한 압력분포를 도출할 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면, 보다 유용한 결과도출을 위해서 다수의 피검자를 통한 생체역학적 시험 분석이 요구된다. 또한, 이러한 실험적 결과는 족저면에서 측정되는 족저압 데이터에 국한되어 실제 족부 관절 내에서 관절의 손상, 통증, 기형유발 등과 관련된 생체역학적 요소인 골조직 또는 연부조직 내에서 응력변화와 같은 생체역학적 분석에 한계를 가지고 있다.
- 또한 족저압력을 통한 족부궤양 가능성 예측의 부정확성을 극복하고자 Chen 등(2010)은 유한요소법을 이용하여 중족골두와 같은 돌출된 골구조물에 의해 족저면 연부조직에 발생되는 응력집중현상 예측하였다. 하지만 족저면에 발생하는 체중의 절반만 작용하는 static standing balance상황을 표현하여, 보행시 체중의 2~3배로 발생하는 지면 반발력과 하이힐 착용시 발생하는 비정상적 족저압력에 의해 족저면에 발생되는 응력을 추가적으로 분석해볼 필요가 있을 것으로 사료되었다[8,16]. 외모에 대한 관심이 높아짐에 따라 여성들의 하이힐 착용이 빈번해지고 있으며, 최근 이러한 현상은 여성에 국한되지 않고 남성들 또한 키높이 인솔 착용을 통해 자신의 신체에 대한 불만족을 충족 시키고자 하는 추세가 증가되어지고 있다.
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