[논문]건강한 성인의 슬개건 반사 시 무릎 감쇠효과를 고려한 대퇴사두근의 근력 및 근활성도 예측

강문정; 조영남; 유홍희

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.1.057

건강한 성인의 슬개건 반사 시 무릎 감쇠효과를 고려한 대퇴사두근의 근력 및 근활성도 예측
Identification of Muscle Forces and Activation of Quadriceps Femoris Muscles of Healthy Adults Considering Knee Damping Effects during Patellar Tendon Reflex 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.1 = no.340, 2014년, pp.57 - 62

강문정 (한양대학교 기계공학과) , 조영남 (한양대학교 기계공학과) , 유홍희 (한양대학교 기계공학과)

초록
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인체 해석모델은 주로 인간이 의식적으로 행하는 운동을 중심으로 발전해 왔다. 의식적 운동과 달리 슬개건 반사는 뇌를 거치지 않고 일어난다. 본 연구는 건강한 성인의 슬개건 반사로 인한 대퇴부의 근력과 근활성도를 해석적으로 예측하고자 하였다. 해석 모델은 시상면에서 평면운동을 하고, 앉은 자세에서 상체와 허벅지를 고정시켜 종아리만 진자 운동이 가능하도록 모델링 하였다. 무릎은 레볼루트 조인트로 모델링 하였고, 발목관절은 고정시켜 종아리와 발을 하나의 강체로 가정하였다. 근력은 Mamizuka 의 실험 결과로부터 얻은 운동학 정보를 이용하여 역동역학 해석을 통해 구하였으며, 근활성도는 Hill-type 근육 모델을 이용하여 예측하였다. 해석 결과는 실험결과를 통해 검증되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most analytical models of the human body have focused on conscious responses. A patellar tendon reflex, a representative example of spinal reflexes, occurs without a neural command. Muscle forces and activation of the quadriceps femoris muscles in healthy adults during patellar tendon reflex are identified in this study. The model is assumed to move in the sagittal plane, and the thigh and the trunk are assumed to be fixed in a sitting position so that the shank can move similar to a pendulum. The knee joint is modeled as a revolute joint, and the ankle joint is modeled as a fixed joint so that the shank and the foot can be regarded as one rigid body. Muscle forces are calculated following the inverse dynamic approach. Kinematic data obtained from an experiment (Mamizuka, 2007) are used as input data. Muscle activations are identified using a Hill-type muscle model. The obtained simulation results are compared with experimental results for validating the model and the underlying assumptions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 지금까지 수행된 슬개건 반사에 대한 연구는 슬개건 반사를 유도하여 정강이가 자유 스윙하는 동작에 대한 실험과 해석을 통한 무릎의 모멘트 예측에 한정되어 있다. 따라서 본 연구에서는 슬개건 반사로 인한 대퇴부의 근력과 근육의 활성도 변화를 해석적으로 예측하는 것을 연구의 목적으로 하였다.

가설 설정

이러한 손실을 고려하기 위하여 감쇠를 추가로 고려하였다. 선형 감쇠로 가정하고 아래와 같이 무릎의 감쇠 효과를 고려한 운동방정식을 유도하였다.
슬개건 반사를 구현하기 위해 앉은 자세에서 슬개건을 자극하여 종아리가 튀어 오르는 운동을 가정하였다. 이 운동은 슬개건 반사에 의해서만 일어나는 운동이므로 슬개건 반사와 근력과의 관계를 파악하기에 용이하다.
슬개건에 작용하는 힘의 모멘트 팔 길이는 무릎의 각도에 따라 달라지며, 이 값은 기존 연구결과에서⁽¹⁴⁾ 인용하였다. 슬개건에 작용하는 힘은 다시 대퇴직근(RF)과 광근(VAS)의 건으로 분배되며, 두 근육의 단면적 비(pCSA)로 힘이 분배된다고 가정하였다. 이 때 사용된 각 근육의 단면적은 기존의 연구결과를⁽¹⁵⁾ 이용하였다.
이 운동은 슬개건 반사에 의해서만 일어나는 운동이므로 슬개건 반사와 근력과의 관계를 파악하기에 용이하다. 해석 모델은 시상면에서 평면운동을 한다고 가정하고, 무릎을 레볼루트 조인트(revolute joint)로 모델링 하였다(Fig. 1). 이 때 앉은 자세에서 상체, 골반과 허벅지는 고정시키고, 종아리와 발은 하나의 강체로 간주하여 진자 운동이 가능하도록 하였다.
해석모델은 시상면 운동에 관여하는 근육만을 고려하였다. 햄스트링 근육은 슬개건 반사를 보조하기 위해 길항근으로 작용하지만 그 효과가 미미하다고 가정하여 대퇴사두근만 고려하였다. 대퇴사두근은 대퇴직근(RF)과 광근(VAS)으로 이뤄져 있으며, 슬개건에 연결되어 뼈에 근력을 전달한다.

제안 방법

4). Ohtaki 의 연구에는 피실험자의 신체정보가 구체적으로 나와있지 않으므로, 본 연구에서는 Mamizuka 의 논문에 나온 피실험자의 신체정보를 이용하여 Ohtaki 의 가속도 그래프 개형을 따르도록 정강이의 각속도 정보를 유추하였다(Fig. 5). 또한, 유추한 각속도를 간단한 미적분을 이용하여 무릎의 각도와 종아리의 각가속도 정보를 생성하였다(Fig.
3). 또한 피실험자의 종아리의 길이를 포함한 신체정보와 각속도의 최대값 및 최대값에 도달하는 시간정보를 정리하여 함께 제시하였다. Ohtaki는 같은 실험을 더 정밀한 센서를 이용하여 종아리가 자유스윙하는 구간까지 포함하여 가속도를 측정하였다(Fig.
5). 또한, 유추한 각속도를 간단한 미적분을 이용하여 무릎의 각도와 종아리의 각가속도 정보를 생성하였다(Fig. 5).
무릎을 구성하는 구조물간의 마찰로 인한 에너지 손실을 고려하기 위해 감쇠 계수에 따른 무릎 관절의 모멘트 변화를 예측해 보았다(Fig. 7). 감쇠 계수가 커질수록 진폭이 작아지다가 약 0.
본 연구는 슬개건 반사가 일어나는 동안 대퇴사두근의 근력과 근활성도를 Hill-type 근육 모델을 이용하여 해석적으로 예측하였다. 해석 결과의 정확성과 가정을 검증하기 위해 무릎에 작용하는 모멘트와 근활성도를 각각 실험 결과와 비교하였다.
1). 이 때 앉은 자세에서 상체, 골반과 허벅지는 고정시키고, 종아리와 발은 하나의 강체로 간주하여 진자 운동이 가능하도록 하였다. 종아리와 발의 질량과 길이 등의 물성치는 기존 연구자료를⁽⁸⁾ 바탕으로 해석에 사용된 피실험자의 신체조건에 맞게 보정하여 사용하였다(Table 1).
이 때 앉은 자세에서 상체, 골반과 허벅지는 고정시키고, 종아리와 발은 하나의 강체로 간주하여 진자 운동이 가능하도록 하였다. 종아리와 발의 질량과 길이 등의 물성치는 기존 연구자료를⁽⁸⁾ 바탕으로 해석에 사용된 피실험자의 신체조건에 맞게 보정하여 사용하였다(Table 1).
해석은 역동역학(Inverse dynamics)을 이용하여 수행하였다. 즉, 실험결과로부터 얻은 인체 하지의 운동 정보를 이용해 운동방정식을 풀고, 기하학적 정보를 바탕으로 근력을 구한 뒤 Hill-type 근육 모델을 이용하여 근육의 활성도를 예측하였다.

대상 데이터

운동정보는 Mamizuka 와 Ohtaki 의 실험 결과^(11,12)를 토대로 해석조건에 필요한 정보를 생성하여 사용하였다. Mamizuka 는 슬개건을 고무 망치로 두드려 종아리가 튀어 오르게한 후, 종아리의 초기 가속도 정보를 발목 관절에 부착된 센서를 통해서 얻었다(Fig.
해석모델은 시상면 운동에 관여하는 근육만을 고려하였다. 햄스트링 근육은 슬개건 반사를 보조하기 위해 길항근으로 작용하지만 그 효과가 미미하다고 가정하여 대퇴사두근만 고려하였다.

데이터처리

5 를 기준으로 위상이 반전되는 것을 확인할 수 있다. 적절한 감쇠계수 값을 찾기 위해 본 연구를 통해 구한 모멘트 결과와 실험을 통하여 얻은 모멘트 결과⁽¹²⁾를 비교하였다. Fig.
본 연구는 슬개건 반사가 일어나는 동안 대퇴사두근의 근력과 근활성도를 Hill-type 근육 모델을 이용하여 해석적으로 예측하였다. 해석 결과의 정확성과 가정을 검증하기 위해 무릎에 작용하는 모멘트와 근활성도를 각각 실험 결과와 비교하였다. 해석 결과 슬개건 반사가 일어날 경우 그렇지 않을 경우에 비해 근력과 근활성도가 5 배정도 크게 발생하는 것을 확인하였다.
해석을 통해 얻은 근육의 활성도(Activation)를 실험을 통해 측정한 대퇴직근의 EMG 신호 결과⁽¹⁰⁾와 비교 하였다(Fig. 9). EMG 신호는 필터링과 정규화의 과정을 거쳐서 근 활성도로 전환되기 때문에 두 결과의 경향이 일치하면 해석결과를 검증할 수 있다.

이론/모형

이 때 사용된 각 근육의 단면적은 기존의 연구결과를⁽¹⁵⁾ 이용하였다. 각 근육으로 분배된 힘에 우모각을고려하여 근력을 구하였으며 근활성도는 Hill-type 근육모델을^(6,7) 이용하여 예측되었다. 해석에 사용된 근육 물성치들은 Table 2 에 나타나 있다.
근력을 계산하기 위하여 Zajac 이⁽⁵⁾제안한 Hilltype 근육 모델을 이용하였다. 이 모델은 근력을 발생시키는 근육과 근력을 뼈에 전달하는 건으로 구성되어 있으며, 근육과 건은 우모각( φ )을 이루며 연결되어있다(Fig.
해석은 역동역학(Inverse dynamics)을 이용하여 수행하였다. 즉, 실험결과로부터 얻은 인체 하지의 운동 정보를 이용해 운동방정식을 풀고, 기하학적 정보를 바탕으로 근력을 구한 뒤 Hill-type 근육 모델을 이용하여 근육의 활성도를 예측하였다.

성능/효과

그래프에서 초반에 회색 음영부분은 실질적으로 신장반사가 일어난 부분을 의미하며, 이후의 구간에서 정강이는 자유 스윙 운동을 하게 된다. 이 범위를 근력 및 근 활성도의 결과와 함께 보면 슬개건 반사가 일어난 초기의 약 350ms 동안의 값이 그 이후의 값보다 약 5배가량 크다는 것을 확인할 수 있다. 이를 종합하면 슬개건 반사가 일어나면 반사가 일어나지 않을 때보다 근수축이 훨씬 크게 일어난다는 것을 알 수 있다.
이 범위를 근력 및 근 활성도의 결과와 함께 보면 슬개건 반사가 일어난 초기의 약 350ms 동안의 값이 그 이후의 값보다 약 5배가량 크다는 것을 확인할 수 있다. 이를 종합하면 슬개건 반사가 일어나면 반사가 일어나지 않을 때보다 근수축이 훨씬 크게 일어난다는 것을 알 수 있다. 이 현상은 슬개건 자극으로 인해 순간적으로 과신장된 근육이 해당근육의 파열을 막기 위해 강하게 수축하는 것으로 해석된다.
해석 결과의 정확성과 가정을 검증하기 위해 무릎에 작용하는 모멘트와 근활성도를 각각 실험 결과와 비교하였다. 해석 결과 슬개건 반사가 일어날 경우 그렇지 않을 경우에 비해 근력과 근활성도가 5 배정도 크게 발생하는 것을 확인하였다. 이는 슬개건의 신장반사로 인해 일어나는 대퇴사두근의 근수축을 정량적으로 구한 값이다.

후속연구

따라서 근력의 최대값과 정강이가 자유 스윙하는 동안의 근력의 비는 추후 경직(spasticity)와 같은 질병을 판단하는 척도로 활용될 수 있다. 또한, 착지와 같은 동작의 해석에 신장반사의 효과를 고려하기 위해서는 근육의 순간적인 길이변화와 근력 간의 관계를 정량화할 수 있는 모델에 대한 연구가 필요할 것이다. 본 연구는 신장반사로 인한 근력과 근활성도를 정량적으로 제안함으로써 앞서 말한 신장반사 해석모델 개발에 활용될 수 있다.
또한, 착지와 같은 동작의 해석에 신장반사의 효과를 고려하기 위해서는 근육의 순간적인 길이변화와 근력 간의 관계를 정량화할 수 있는 모델에 대한 연구가 필요할 것이다. 본 연구는 신장반사로 인한 근력과 근활성도를 정량적으로 제안함으로써 앞서 말한 신장반사 해석모델 개발에 활용될 수 있다. 향후 본 연구의 정확도를 향상시키고 보다 신뢰할만한 결과를 얻기 위해 대퇴사두근의 길항근인 햄스트링 근육의 영향을 추가하여 고려한 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구는 신장반사로 인한 근력과 근활성도를 정량적으로 제안함으로써 앞서 말한 신장반사 해석모델 개발에 활용될 수 있다. 향후 본 연구의 정확도를 향상시키고 보다 신뢰할만한 결과를 얻기 위해 대퇴사두근의 길항근인 햄스트링 근육의 영향을 추가하여 고려한 연구가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직업과 관련된 근골격계 질환이 증가한 이유?	산업이 발전함에 따라 직업과 관련된 근골격계 질환이 기하급수적으로 증가해왔다. (1) 또한, 스포츠에 대한 관심이 높아짐에 따라 운동선수들의 경기 능력을 향상시키고, 근골격계 부상을 사전에예방하는 것은 중요한 화두로 떠올랐다.
	슬개건 반사로 인해 무의식적으로 근력이 발생되어 인체의 균형을 잡는 운동을 해석하기 위해 필요한 것?	슬개건 반사로 인해 무의식적으로 근력이 발생되어 인체의 균형을 잡는 운동을 해석하기 위해서는 먼저 슬개건 반사가 근육에 미치는 영향을 파악해야 한다. 그러나 지금까지 수행된 슬개건 반사에 대한 연구는 슬개건 반사를 유도하여 정강이가 자유 스윙하는 동작에 대한 실험과 해석을 통한 무릎의 모멘트 예측에 한정되어 있다.
	인체 해석모델을 이용한 근골격계 부상 및 질환에 대한 연구에서 사용되는 모델은 무엇을 중심으로 발전되었는가?	따라서 인체 해석모델을 이용한 근골격계 부상 및 질환에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 때 사용되는 인체 해석모델은 뇌의 명령에 의해서 의식적으로 행해지는 운동을 중심으로 발전되어 왔다. (2,3)신장반사는 척수반사의 일종으로 뇌의 명령 없이 근육을 수축시킨다는 점에서 기존의 운동과 다르다.

참고문헌 (15)

Kim, C. H., 2007, "Work-related Musculoskeletal Disorders (WMSDs) in Korea and Other Countries," J. of the Society of Korea Industrial and Systems Engineering, Vol. 30, No. 2, pp. 106-112.

원문보기 상세보기
Pandy, M. G. and Zajac, F. E., 1991, "Optimal Muscular Coordination Strategies for Jumping," J. Biomechanics, Vol. 24, No. 1, pp. 1-10.

상세보기
Kim, Y. H. and Phuong B. T. T., 2010, "Estimation of Joint Moment and Muscle Force in Lower Extremity During Sit-to-Stand Movement by Inverse Dynamics Analysis and by Electromyography," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A., Vol. 34, No. 10, pp. 1345-1350.

원문보기 상세보기
Hill, A. V., 1938, "The Heat of Shortening and Dynamics Constants of Muscles," Proceedings of the Royal Society of London, Series B, Biological Sciences, Vol. 126, No. 843, pp. 136-195.

상세보기
Zajac, F. E., 1989, "Muscle and Tendon: Properties, Models, Scaling, and Application to Biomechanics and Motor Control," Critical Reviews in Biomedical Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 395-411.
Hoy, M. G., Zajac, F. E. and Gordon, M. E., 1990, "A Musculoskeletal Model of the Human Lower Extremity: the Effect of Muscle, Tendon and Moment Arm on the Moment-Angle Relationship of Musculotendon actuators at the Hip, Knee and Ankle," J. Biomechanics, Vol. 23, No. 2, pp.157-169.

상세보기
Menegaldo, L. L., Fleury, A. T. and Weber, H. I., 2004, "Moment Arms and Musculotendon Lengths Estimation for a Three-dimensional Lower-limb Model," J. Biomechanics, Vol. 37, pp. 1447-1453.

상세보기
Ma, Y., Kwon, J., Mao, Z., Lee, K., Li, L. and Chung, H., 2011, "Segment Inertial Parameters of Korean Adults Estimated from Three-dimensional Body Laser Scan Data," J. Industrial Ergonomics, Vol. 41, pp. 19-29.

상세보기
Simons, D. G. and Lamonte, R. J., 1971, "Automated System for the Measurement of Reflex Responses to Patellar Tendon Tap in Man," American Journal of Physical Medicine, Vol. 50, No. 2, pp. 72-79.

상세보기
He, J., 1998, "Stretch Reflex Sensitivity: Effects of Postural and Muscle Length Changes," IEEE Trans. Rehab. Eng., Vol. 6, No. 2, pp. 182-189.

상세보기
Mamizuka, N., Sakane, M., Kaneoka, K., Hori, N. and Ochiai, N., 2007, "Kinematic Quantitation of the Patellar Tendon Reflex Using a Tri-axial Accelerometer," J. Biomechanics, Vol. 40, pp. 2107-2111.

상세보기
Ohtaki, Y., Mamizuka, N., Fard, M., Harada, Y., Minakuchi, Y. and Ochiai, N., 2009, "Identification of Patellar Tendon Reflex based on Simple Kinematic Measurement," J. Biomechanical Science and Engineering, Vol. 4, No. 2, pp. 265-273.

상세보기
Buchanan, T. S., Lloyd, D. G., Manal, K. and Beiser, T. F., 2004, "Neuro-musculoskeletal Modeling: Estimation of Muscle Forces and Joint Moments and Movements from Measurements of Neural Command," J. Applied Biomechanics, Vol. 20, pp. 367-395.

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Krevolin, J. L., Pandy, M. G. and Pearce, J. C., 2004, "Moment Arm of the Patellar Tendon in the Human Knee," J. Biomechanics, Vol. 37, pp. 785-788.

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Narici, M. V., Landoni, L. and Minetti, A. E., 1992, "Assessment of Human Knee Extensor Muscles Stress from in vivo Physiological Cross-sectinal Area and Strength Measurement," Eur. J. Applied. Physiol., Vol. 65, pp. 438-444.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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