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문제 정의
- 본 연구에서는 5가지 일상생활동작과 체중지지율 변화에 따른 하지근육 패턴 및 족압 분포를 알고자 하여 실험 및 분석결과 다음과 같은 결론은 얻었다.
- 본 연구에서는 다자유도 동적 하네스 시스템 개발을 위해 필요한 일상생활동작에서의 하지근육 패턴 및 일상생활 동작에 따라 변화하는 족압 분포와 더불어 기존 수동하네스 체중지지율 변화에 따른 하지 근육 패턴과 족압 분포를 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 연속동작의 걷기 동작의 경우 3m 보행을 진행하였고 계단 오르기 동작과 계단 내려오기 동작은 각각 4계단의 계단보행을 수행하도록 하였다. 구분 동작에서의 걷기 동작의 경우 5m 보행을 진행하였으며 계단 오르기 동작과 계단 내려오기 동작은 연속동작과 동일하게 각각 4계단의 계단 보행을 수행하도록 하였다.
- % bw는 체중지지율로 피험자 체중(body weight)지지 비율을 나타낸다.또한 체중지지효과를 검증하고자 일상 생활동작과 하네스 체중 지지에 따른 족압을 측정하였다. 족압 측정은 피험자들의 동작 수행 시 움직임에 대한 간섭을 최소화하기 위해 인솔형 Pedar-x system을 사용하여 무선으로 측정하였다.
- 무선 EMG(TeleMyo Desktop DTS System, Noraxon, USA)를 이용하여 보행 시 하지 근육활성도를 측정하였다. 무선 근전도 센서를 이용하여 보행 시 움직임에 대한 간섭을 최소화 하였으며 보행 및 일상생활 동작 시 가장 많이 사용하는 하지근육을 선정하여 측정하였다.
- 무선 EMG(TeleMyo Desktop DTS System, Noraxon, USA)를 이용하여 보행 시 하지 근육활성도를 측정하였다. 무선 근전도 센서를 이용하여 보행 시 움직임에 대한 간섭을 최소화 하였으며 보행 및 일상생활 동작 시 가장 많이 사용하는 하지근육을 선정하여 측정하였다. 근육 측정부위[23-27]는 좌, 우 대퇴직근(rectus femoris, RF), 외측광근 (vastus lateralis, VL), 전경골근(tibialis anterior, TA), 외측비복근(Lateral gastrocnemius, Lat.
- 실험은 체중지지율의 0%, 10%, 20%, 30% 4가지 경우에 대해 각 3번씩 보행을 진행하여 총 12번의 실험을 진행하였다. 보행속도는 3 km/h를 제공하였고, 0%, 10%, 20%, 30%의 순서로 체중지지율을 증가시키며 실험을 진행하였다. % bw는 체중지지율로 피험자 체중(body weight)지지 비율을 나타낸다.
- 본 연구에서는 Biodex사의 하네스 장치를 이용하여 피험자의 몸무게의 0%, 10%, 20%, 30%의 체중을 계산하여 하네스 장치의 하중센서(load cell)의 값(kg)으로 체중지지율을 조정하였다. 보행을 위한 트레드밀(㈜싸이버메딕의 GAT SYSTEM Pro)을 사용하여 3 km/h의 속도로 보행하였다[28-29].(그림4)
- 그림 1은 자율 주행 및 균형 훈련 시스템 개발의 기초자료로 활용될 일상생활 동작 및 하네스 체중 지지율에 따른 인체패턴 연구 수행과정을 나타내고 있다. 본 연구에는 크게 일상생활 동작(ADL)실험과 수동 하네스 체중지지율 변화에 따른 실험으로 나누어지며 두 실험 모두 하지 근육과 족압 분포를 측정하였다.
- 본 연구에서는 Biodex사의 하네스 장치를 이용하여 피험자의 몸무게의 0%, 10%, 20%, 30%의 체중을 계산하여 하네스 장치의 하중센서(load cell)의 값(kg)으로 체중지지율을 조정하였다. 보행을 위한 트레드밀(㈜싸이버메딕의 GAT SYSTEM Pro)을 사용하여 3 km/h의 속도로 보행하였다[28-29].
- 실험은 체중지지율의 0%, 10%, 20%, 30% 4가지 경우에 대해 각 3번씩 보행을 진행하여 총 12번의 실험을 진행하였다. 보행속도는 3 km/h를 제공하였고, 0%, 10%, 20%, 30%의 순서로 체중지지율을 증가시키며 실험을 진행하였다.
- 연속동작의 걷기 동작의 경우 3m 보행을 진행하였고 계단 오르기 동작과 계단 내려오기 동작은 각각 4계단의 계단보행을 수행하도록 하였다. 구분 동작에서의 걷기 동작의 경우 5m 보행을 진행하였으며 계단 오르기 동작과 계단 내려오기 동작은 연속동작과 동일하게 각각 4계단의 계단 보행을 수행하도록 하였다.
- 그림 2은 일상생활 연속동작 실험 절차를 나타내고 있다. 일상생활 동작(ADL: Activities of Daily Living) 실험에서는 보행 재활에 필요한 동작[19-22]으로 앉기, 일어서기, 걷기, 계단 오르기, 계단 내려오기 동작[23-24]을 연속동작과 각각의 구분 동작으로 나누어 한 피험자 당 6개의 실험을 각각 5번씩 진행하였다.
- 족압 측정은 피험자들의 동작 수행 시 움직임에 대한 간섭을 최소화하기 위해 인솔형 Pedar-x system을 사용하여 무선으로 측정하였다. 족압 분석은 양발 전체의 족압의 평균값과 발의 전족(fore-foot), 중족(mid-foot), 후족(rear-foot) 3가지 영역으로 나누어 각각의 영역에 부하되는 힘의 평균값을 분석하였다.
- 하네스 체중지지율에 따른 근전도 결과를 분석하였다. 그림 12는 피험자 체중지지 0%, 10%, 20%, 30%를 나타내고 있으며, (a) 좌측 하지근육 활성도와 (b) 우측 하지근육 활성도를 나타내고 있다.
대상 데이터
- 20대 성인 남성 5명을 대상으로 실험을 진행하였으며 피험자들의 신체적 특성은 표 1과 같다. 실험에 참여하기 전 모든 피험자들은 목적과 방법 및 절차에 대해 충분히 숙지한 후 실험에 참여하였다.
데이터처리
- Ga)이다(그림3). 근전도 데이터는 대역필터(bandpass filter, cut-off frequency : 10Hz - 250Hz)를 사용하였으며 RMS(Root Mean Square) 분석법을 이용하여 일상생활동작과 체중지지율에 따른 분석을 실시하였다.
이론/모형
- 또한 체중지지효과를 검증하고자 일상 생활동작과 하네스 체중 지지에 따른 족압을 측정하였다. 족압 측정은 피험자들의 동작 수행 시 움직임에 대한 간섭을 최소화하기 위해 인솔형 Pedar-x system을 사용하여 무선으로 측정하였다. 족압 분석은 양발 전체의 족압의 평균값과 발의 전족(fore-foot), 중족(mid-foot), 후족(rear-foot) 3가지 영역으로 나누어 각각의 영역에 부하되는 힘의 평균값을 분석하였다.
성능/효과
- 그림 9는 계단오르기 동작에서의 (a)좌, (b)우측근 활성도를 나타내고 있다. 계단오르기 동작 시 대퇴직근, 외측광근, 전경골근, 비복근 모두 활성화 되었고 다른 동작들과 비교하여 상대적으로 모든 근육에서 최대 값이 크게 측정되었다. 마지막으로 그림 10(a), (b)에서는 계단 내려오기 동작에서의 좌측과 우측 하지 EMG 값을 나타내며, 오르기 동작과 비교하여 상대적으로 근육 활성도가 적게 나타났다.
- 체중지지를 통한 근육 사용량 감소는 하퇴부보다 대퇴부에서 더 두드러진 것으로 보아 체중지지를 위해 주로 쓰이는 하지 근육은 대퇴부 근육인 것으로 사료된다. 또한 다른 근육들에 비해 외측광근 활성은 두드러진 감소를 보였다. 이는 외측광근의 역할인 고관절과 슬관절의 굴곡 및 신전이 체중지지에 의해 관절의 가동범위가 감소되었기 때문이라고 사료된다.
- 이 결과로 미루어 보아 외측광근의 과도한 발달의 원인으로 인한 슬개대퇴통증 증후군(PFPS) 환자들의 재활 훈련에 체중지지 보행 재활훈련 시스템이 적용 가능하다고 판단된다. 또한, 자신의 정상보행에 영향을 주지 않는 체중의 10% 지지에서는 체중지지 효과를 통해 근육 활성 감소를 보였으나, 피험자들이 대퇴부 안쪽에 불편함을 느낀 체중지지 20%에서는 근육 활성이 오히려 미비한 증가를 보였다.
- 이는 외측광근의 역할인 고관절을 구부리거나 무릎관절을 펴는 정도가 체중지지를 통해 감소된 것으로 사료된다. 이 결과로 미루어 보아 외측광근의 과도한 발달의 원인으로 인한 슬개대퇴통증 증후군(PFPS) 환자들의 재활 훈련에 체중지지 보행 재활훈련 시스템이 적용 가능하다고 판단된다. 또한, 자신의 정상보행에 영향을 주지 않는 체중의 10% 지지에서는 체중지지 효과를 통해 근육 활성 감소를 보였으나, 피험자들이 대퇴부 안쪽에 불편함을 느낀 체중지지 20%에서는 근육 활성이 오히려 미비한 증가를 보였다.
- 체중 지지율에 따른 족압 분포 결과는 체중 지지율 증가에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 발의 3영역으로 나누어 본 분석해 본 결과 또한 전체적으로 감소하였다. 이러한 결과들은 동적 하네스 재활 훈련 시스템이 비정상적으로 특정 부위의 근전도나 족압이 크게 활성화되는 환자들의 운동 치료에도 효과적으로 적용 가능 할 것이라 판단된다.
- 그림 13은 하네스 체중지지율에 따른 족압 분석 결과로써 양발 전체의 족압 분석 결과를 나타내고 있다. 체중의 0% 지지일 때 930.5 N, 체중의 10%지지일 때 768.81 N, 체중의 20% 지지일 때 693.4 N, 체중의 30% 지지일 때 624.4 N으로 하네스의 체중지지에 따라 피험자의 발에 부하되는 족압 분포의 평균값이 감소되었다.
- 체중지지 시 EMG 분석 결과, 체중지지 전보다 체중지지 후의 근육 활성도가 작게 활성화 되는 것으로 알 수 있었다. 이는 체중지지를 통하여 하지에 체중부하가 감소함으로써 중력에 대항하는 하지근육의 활성수준이 감소된 것으로 판단된다.
- 체중지지에 따른 근육 활성도는 체중지지 제공 시 하지 근 활성도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 특히 체중지지로 인한 외측광근의 근활성 감소가 두드러졌다.
- 체중지지율이 증가함에 따라 양발 전체의 족압 분석 결과에서 힘과 압력 모두 감소하는 경향을 보였으며 전족, 중족, 후족으로 나누어 족압 분석을 진행한 결과 또한 전체적으로 감소하는 효과를 보였다. 족부의 3영역으로 나누어 분석 했을 때의 결과 에서는 보행에서 가장 많이 쓰이는 전족과 후족의 압력의 감소폭이 더 크게 발생하였다.
- 또한 각 동작에서 하지근육 활성도는 각각 동작에 따라 특이한 경향을 보였다. 특히 앉기 동작과 서기 동작에서는 동작 수행 시 활성된 근육 위치는 동일하게 나타났으나 근육 활성 지속 시간의 차이를 보였으며, 계단 오르기와 계단 내려오기 동작에서는 중력의 영향으로 계단 내려오기 동작에서의 근육 활성도는 계단 오르기에 비해 감소된 것을 알 수 있었다. 또한 전경골근은 모든 동작 수행 시 큰 활성을 보였다.
후속연구
- 로봇 기반 재활훈련 장치는 치료사의 역할을 보조 또는 대체 가능함에 따라 비용절감 효과를 기대할 수 있고, 환자들의 자발적 참여를 통한 극대화 된 재활효과를 볼 수 있다. 또한, 다양한 알고리즘을 적용하여 하나의 기기로 맞춤화된 훈련이 가능해 진다.
- 본 연구에서는 체중지지율 10%, 20%, 30%의 지지에 따른 하지근육 및 족압 분포를 연구했으나 앞으로의 연구에서는 더 큰 체중지지율에 따른 인체영향평가가 필요할 것이라 생각되며 정상성인이 아닌 다양한 환자에게 체중지지율에 따른 인체영향평가 연구가 필요할 것이라 판단된다.
- 체중 지지율에 따른 족압 분포 결과는 체중 지지율 증가에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 발의 3영역으로 나누어 본 분석해 본 결과 또한 전체적으로 감소하였다. 이러한 결과들은 동적 하네스 재활 훈련 시스템이 비정상적으로 특정 부위의 근전도나 족압이 크게 활성화되는 환자들의 운동 치료에도 효과적으로 적용 가능 할 것이라 판단된다.
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