동적 하네스 체중지지율에 따른 일상생활 동작 시 인체영향평가 Evaluation of Human Body Effects during Activities of Daily Living According to Body Weight Support Rate with Active Harness System원문보기
본 연구에서는 다자유도 동적 하네스 시스템을 개발하고 동적 하네스 체중지지에 따른 인체 영향평가를 하고자 한다. 건강한 성인 남성 20명을 대상으로 실험을 진행하였으며 평지보행, 앉기, 서기, 계단 오르기, 계단 내려오기 5가지 일상생활 동작을 수행하였다. 일상생활 동작 수행 시 각 피험자 체중의 0%, 30%, 50%에서의 근육 활성도와 족압 분포를 측정하였다. 근육 측정부위는 대퇴직근, 대퇴이두근, 전경골근, 외측 비복근이다. 하네스 체중지지율 증가에 따라 족압의 평균값은 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 평지보행에서는 체중지지율 증가에 따른 전족부의 압력의 감소폭이 크게 나타났으며 비복근과 대퇴이두근의 활성 감소를 보였다. 앉기 동작에서는 후족부의 족저 압력 감소폭이 크게 나타났으며 체중지지율에 따라 전경골근의 근육 활성이 감소하였다. 계단 내려오기 동작에서는 체중지지율 증가에 따라 전족부의 압력이 크게 감소하였고 대퇴직근의 활성감소가 크게 나타났다. 의자에서 일어나기동작과 계단 오르기 동작에서는 동적 하네스 체중지지효과가 미비하였으며 이는 속도가 건강한 성인 남성의 동작 수행 속도보다 느리기 때문이다. 후속 연구에서는 본 시스템을 개선하기 위한 연구가 지속되어져야 할 것이다.
본 연구에서는 다자유도 동적 하네스 시스템을 개발하고 동적 하네스 체중지지에 따른 인체 영향평가를 하고자 한다. 건강한 성인 남성 20명을 대상으로 실험을 진행하였으며 평지보행, 앉기, 서기, 계단 오르기, 계단 내려오기 5가지 일상생활 동작을 수행하였다. 일상생활 동작 수행 시 각 피험자 체중의 0%, 30%, 50%에서의 근육 활성도와 족압 분포를 측정하였다. 근육 측정부위는 대퇴직근, 대퇴이두근, 전경골근, 외측 비복근이다. 하네스 체중지지율 증가에 따라 족압의 평균값은 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 평지보행에서는 체중지지율 증가에 따른 전족부의 압력의 감소폭이 크게 나타났으며 비복근과 대퇴이두근의 활성 감소를 보였다. 앉기 동작에서는 후족부의 족저 압력 감소폭이 크게 나타났으며 체중지지율에 따라 전경골근의 근육 활성이 감소하였다. 계단 내려오기 동작에서는 체중지지율 증가에 따라 전족부의 압력이 크게 감소하였고 대퇴직근의 활성감소가 크게 나타났다. 의자에서 일어나기동작과 계단 오르기 동작에서는 동적 하네스 체중지지효과가 미비하였으며 이는 속도가 건강한 성인 남성의 동작 수행 속도보다 느리기 때문이다. 후속 연구에서는 본 시스템을 개선하기 위한 연구가 지속되어져야 할 것이다.
In this paper, we measured human body signals in order to verify a active harness system that we developed for gait and balance training. The experimental procedure was validated by tests with 20 healthy male subjects. They conducted motions of Activities of Daily Living(ADL)(Normal Walking, Stand-t...
In this paper, we measured human body signals in order to verify a active harness system that we developed for gait and balance training. The experimental procedure was validated by tests with 20 healthy male subjects. They conducted motions of Activities of Daily Living(ADL)(Normal Walking, Stand-to-Sit, Sit-to-Stand, Stair Walking Up, and Stair Walking Down) according to body weight support rates (0%, 30%, 50% of subjects' body weight). The effectiveness of the active harness system is verified by using the results of foot pressure distribution. In normal walking, the decrease of fore-foot pressure, lateral soleus muscle and biceps femoris muscle were remarkable. The result of stand-to-sit results motion indicated that the rear-foot pressure and tibialis anterior muscle activities exceptionally decreased according to body weight support. The stair walking down show the marked drop of fore-foot pressure and rectus femoris muscle activities. The sit-to-stand and stair walking up activities were inadequate about the effect of body weight support because the velocity of body weight support system was slower than male's activity.
In this paper, we measured human body signals in order to verify a active harness system that we developed for gait and balance training. The experimental procedure was validated by tests with 20 healthy male subjects. They conducted motions of Activities of Daily Living(ADL)(Normal Walking, Stand-to-Sit, Sit-to-Stand, Stair Walking Up, and Stair Walking Down) according to body weight support rates (0%, 30%, 50% of subjects' body weight). The effectiveness of the active harness system is verified by using the results of foot pressure distribution. In normal walking, the decrease of fore-foot pressure, lateral soleus muscle and biceps femoris muscle were remarkable. The result of stand-to-sit results motion indicated that the rear-foot pressure and tibialis anterior muscle activities exceptionally decreased according to body weight support. The stair walking down show the marked drop of fore-foot pressure and rectus femoris muscle activities. The sit-to-stand and stair walking up activities were inadequate about the effect of body weight support because the velocity of body weight support system was slower than male's activity.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 단점들을 보완하기 위해 천장에 레일을 설치하여 이 위를 움직이는 보행훈련시스템을 기반으로 한 다자유도 동적 하네스 시스템을 개발하였다. 그리고, 레일 주행형 다자유도 동적 하네스 시스템을 통해 걷기, 앉기 등의 일상생활동작을 수행하고, 하지 근육 패턴과 족압 분포 변화를 관찰하고자한다. 또한 다자유도 동적 하네스 시스템의 문제점을 파악하고 이를 개선하기 위한 방안을 찾고자 한다.
그리고, 레일 주행형 다자유도 동적 하네스 시스템을 통해 걷기, 앉기 등의 일상생활동작을 수행하고, 하지 근육 패턴과 족압 분포 변화를 관찰하고자한다. 또한 다자유도 동적 하네스 시스템의 문제점을 파악하고 이를 개선하기 위한 방안을 찾고자 한다.
본 연구에서는 이러한 단점들을 보완하기 위해 천장에 레일을 설치하여 이 위를 움직이는 보행훈련시스템을 기반으로 한 다자유도 동적 하네스 시스템을 개발하였다. 그리고, 레일 주행형 다자유도 동적 하네스 시스템을 통해 걷기, 앉기 등의 일상생활동작을 수행하고, 하지 근육 패턴과 족압 분포 변화를 관찰하고자한다.
제안 방법
그림 1은 이동형 레일에 장착 된 동적 하네스 시스템의 모습이다. 각도 센서를 사용하여 사용자와 동적 하네스 시스템의 주행 속도가 같도록 설계하였으며, 로드셀을 이용하여 피험자의 체중지지율을 측정 및 조절 가능하도록 하였다. 본 실험에 사용된 이동형 레일(이지스텝 코리아)은 높이 2,500 mm, 레일 총 길이 15 m이다.
그림 5는 근전도 측정부위를 나타내고 있다 [15-16]. 대퇴부에서는 좌, 우 대퇴직근(Rectus Femoris, RF), 대퇴이두근(Biceps Femoris, BF), 하퇴부에서는 좌, 우 전경골근(Tibialis Anterior, TA), 외측 비복근(Lateral Gastrocnemius, Lat.Ga)의 근육 활성도를 측정하였다. 근전도 데이터는 대역필터(Bandpass Filter, cut ff frequency : 10 Hz ∼ 250 Hz)를 사용하였으며, RMS 분석법을 사용하였다.
동적 하네스 시스템의 체중지지 효과를 검증하기 위해 일상생활동작 수행 시 족압을 측정하였다. Pedar-x System(Novel Gmbh, Germany)의 인솔형 족압센서(그림 6)를 사용하여 피험자의 자연스러운 동작을 유도하였다.
Ga)의 약자로 표기 하였다. 또한 각 피험자 체중의 0%, 30%, 50%체중 지지율을 약자로 %bw로 표기 하였다.
레일 주행형 다자유도 동적 하네스 시스템을 이용한 일상생활동작 수행과 이에 따른 인체영향 평가를 하고자 하지근육 패턴 및 족압 분포 패턴 변화를 관찰하였다. 동적 하네스 시스템에 의한 체중 지지의 효과는 족압의 결과를 통해 검증 하였으며 체중 지지율이 증가함에 따라 족압의 값이 감소하였다.
피험자들의 신체적 특성은 표1과 같다. 모든 피험자는 실험에 참여하기 전에 실험 시 발생할 수 있는 위험 사항 및 실험 진행에 대하여 충분히 숙지하고 최종적으로 동의서에 서명 한 후 진행하였다. 본 실험은 전북대학교 생명 윤리심의위원회의 승인을 받아 진행하였다.
일상생활 동작(ADL : Activities of Daily Living)은 평지보행, 앉기, 서기, 계단 오르기, 계단 내리기 총 5가지 동작으로 선정하였으며 그림 3에 나타내고 있다. 실험 순서는 체중지지의 0%, 30%, 50% 순서로 진행 하였으며 일상생활동작 순서는 무작위로 진행하였다. 실험은 체중의 0%, 30%, 체중지지 시 평지보행, 앉기, 서기, 계단 오르기, 계단 내리기 5가지 동작을 3번씩 수행하였으며 체중의 50% 지지일 때는 정상인을 대상으로 진행하는 연구의 한계점으로 인해 계단 오르기, 서기동작은 진행하지 않고 걷기, 앉기, 계단 내리기 3가지 동작만 진행 하였다.
실험 순서는 체중지지의 0%, 30%, 50% 순서로 진행 하였으며 일상생활동작 순서는 무작위로 진행하였다. 실험은 체중의 0%, 30%, 체중지지 시 평지보행, 앉기, 서기, 계단 오르기, 계단 내리기 5가지 동작을 3번씩 수행하였으며 체중의 50% 지지일 때는 정상인을 대상으로 진행하는 연구의 한계점으로 인해 계단 오르기, 서기동작은 진행하지 않고 걷기, 앉기, 계단 내리기 3가지 동작만 진행 하였다.
Pedar-x System(Novel Gmbh, Germany)의 인솔형 족압센서(그림 6)를 사용하여 피험자의 자연스러운 동작을 유도하였다. 족압 분석은 발의 3영역인 전족(Fore-foot), 중족(Mid-foot), 후족(Rear-foot)과 양발 전체로 나누어 족압 평균값을 보았다.
피험자들의 일상생활동작 수행 시 측정에 의한 움직임 제한을 해소하고자 무선 근전도 센서를 사용하여 하지 근육활성도를 측정하였으며 그림 4는 측정에 사용된 EMG(TeleMyo Desktop DTS System, Noraxon, USA)이다.
대상 데이터
각도 센서를 사용하여 사용자와 동적 하네스 시스템의 주행 속도가 같도록 설계하였으며, 로드셀을 이용하여 피험자의 체중지지율을 측정 및 조절 가능하도록 하였다. 본 실험에 사용된 이동형 레일(이지스텝 코리아)은 높이 2,500 mm, 레일 총 길이 15 m이다. 본 제품은 하지재활 훈련이 필요한 환자에게 보행과 균형 훈련을 안전하게 수행할 수 있도록 하며 천장위의 레일을 따라 가는 보행 훈련과 레일 위의 이동을 정지한 상태에서 보행하는 전통적인 체중지지 보행 훈련 등 다용도로 사용이 가능하다.
피험자는 보행 장애의 병력이 없는 건강한 성인 남성 20명으로 선정하였다. 피험자들의 신체적 특성은 표1과 같다.
이론/모형
근전도 데이터는 대역필터(Bandpass Filter, cut ff frequency : 10 Hz ∼ 250 Hz)를 사용하였으며, RMS 분석법을 사용하였다.
성능/효과
체중지지에 따라 근육 활성도 또한 전반적으로 감소하였으며 특히 전경골근의 활성의 감소가 크게 나타났다.
계단 내리기 동작에서의 동적 하네스 체중지지율에 따라 족부 체중부하 압력이 크게 감소한 것을 알 수 있었으며 특히 계단 내리기 동작에서 가장 큰 역할을 하는 전족부의 감소율이 가장 크게 나타났다.
계단 오르기 동작에서의 족압 패턴 결과는 그림 15이며 근육 활성도 그래프는 그림 16이다. 계단 오르기 동작은 평지 보행과 계단 내리기 동작과 비교하여 전족과 후족에 부하되는 압력이 감소한 것을 알 수 있었다. 이는 중력에 역행하는 방향으로 이동하기 위해 근육 활성도는 계단 내리기에 비해 증가된 반면 체중 부하 압력은 감소하였기 때문이다.
레일 주행형 다자유도 동적 하네스 시스템을 이용한 일상생활동작 수행과 이에 따른 인체영향 평가를 하고자 하지근육 패턴 및 족압 분포 패턴 변화를 관찰하였다. 동적 하네스 시스템에 의한 체중 지지의 효과는 족압의 결과를 통해 검증 하였으며 체중 지지율이 증가함에 따라 족압의 값이 감소하였다. 체중 지지가 위에서 신체를 들어주는 방식을 택함에 따라 주로 슬관절의 신전과 족관절의 저측굴곡을 보조 해 주었으며, 이로인해 오히려 족관절의 배측굴곡과 슬관절의 굴곡을 요구하는 동작들에서는 근육들의 활성이 더 증가한 것을 알 수 있었다.
하네스 체중지지율이 증가함에 따라 보행 중 발의 전족부의 압력이 크게 감소된 것을 알 수 있었으며, 이는 체중지지를 통해 슬관절의 신전과 족관절 저측굴곡을 보조 해 준 것으로 사료된다. 따라서 족관절의 저측굴곡에 관여하는 비복근은 체중지지율 증가에 따라 활성이 감소된 것을 알 수 있었다. 슬관절의 굴곡에 관여하는 대퇴이두근의 활성이 감소하는 경향을 보였다.
본 제품은 보행 장애를 가진 환자들의 체중지지를 위해 제작되었기 때문에 체중지지에 반응하는 속도가 정상인들이 동작 수행 속도보다 느리게 설정되어있다. 따라서 피험자들은 하네스 체중지지 보조를 받기 전에 이미 일어나기 동작을 완료하여 일어나기 동작에서의 체중지지 효과는 미비한 것을 알 수 있었다. 또한 일어나기 초기 동작에서 체중지지효과를 극복하고자 피험자들은 의도적으로 하지에 힘을 주어 일어나게 되므로 하지의 근육활성도는 일어나기 동작에서 체중지지 전보다 후에 오히려 증가한 것을 알 수 있었다.
따라서 이를 위해 대퇴직근의 활성 또한 걷기 동작에 비해 증가한다. 또한 계단 내리기 동작은 중력방향으로의 이동이므로 다른 동작들에 비해 전반적인 근육 활성도는 작게 나타났다.
따라서 피험자들은 하네스 체중지지 보조를 받기 전에 이미 일어나기 동작을 완료하여 일어나기 동작에서의 체중지지 효과는 미비한 것을 알 수 있었다. 또한 일어나기 초기 동작에서 체중지지효과를 극복하고자 피험자들은 의도적으로 하지에 힘을 주어 일어나게 되므로 하지의 근육활성도는 일어나기 동작에서 체중지지 전보다 후에 오히려 증가한 것을 알 수 있었다.
그러나 체중지지율 증가에 따른 감소경향은 미비하였다. 이는 50% 체중지지 시 보폭이 감소하는 경향을 보였으며 이에 따라 슬관절의 굴곡이 30%에 비해 소폭 증가하였고 대퇴이두근 또한 소폭 증가하는 경향을 보였다. 체중지지로 인한 족관절 저측굴곡 보조는 반대 방향인 족관절 배측굴곡을 더 어렵게 함으로 인해 족관절 배측 굴곡에 직접적으로 관여하는 근육인 전경골근과 간접적으로 관여하는 대퇴직근은 체중지지율 증가에 따라 증가한 것을 알 수 있었다.
이는 의자에서 일어서기 동작과 마찬가지로 정상인들의 속도에 비해 시스템의 반응속도가 느리게 설정되어있어 체중지지 효과가 미비하게 나타났다. 전체적인 하지 근육 활성도는 체중지지 전에 비해 증가하였으며 이는 초기 동작에서 체중지지를 극복하고자 피험자들이 의도적으로 하지근육 사용을 증가한 것으로 사료된다.
동적 하네스 시스템에 의한 체중 지지의 효과는 족압의 결과를 통해 검증 하였으며 체중 지지율이 증가함에 따라 족압의 값이 감소하였다. 체중 지지가 위에서 신체를 들어주는 방식을 택함에 따라 주로 슬관절의 신전과 족관절의 저측굴곡을 보조 해 주었으며, 이로인해 오히려 족관절의 배측굴곡과 슬관절의 굴곡을 요구하는 동작들에서는 근육들의 활성이 더 증가한 것을 알 수 있었다. 이는 정상성인들 대상으로 진행 한 원인으로 사료된다.
그림 13는 계단 내리기 동작에서의 족압 패턴 그래프이며 그림 14는 내리기 동작에서의 근육 활성도 그래프이다. 체중지지율 0%일 때 계단 내리기 동작에서는 걷기 동작과 비교하여 전족부의 체중부하 압력 분포가 크게 나타난 것을 알 수 있었다. 이는 계단 내리기 동작에서 유각기 상태의 발이 중력에 의해 유도 된 저측굴곡의 결과로 전족부에 먼저 닿아 체중을 지지를 하기 때문이다.
하네스 체중지지율 증가에 따라 앉기 동작에서의 전체적인 체중부하 압력이 감소한 것을 알 수 있었으며, 특히 앉기 동작에서 체중부하 압력이 가장 크게 부하되는 후족의 경우 더 큰 감소폭을 보였다. 체중지지에 따라 근육 활성도 또한 전반적으로 감소하였으며 특히 전경골근의 활성의 감소가 크게 나타났다.
후속연구
본 실험에 사용된 이동형 레일(이지스텝 코리아)은 높이 2,500 mm, 레일 총 길이 15 m이다. 본 제품은 하지재활 훈련이 필요한 환자에게 보행과 균형 훈련을 안전하게 수행할 수 있도록 하며 천장위의 레일을 따라 가는 보행 훈련과 레일 위의 이동을 정지한 상태에서 보행하는 전통적인 체중지지 보행 훈련 등 다용도로 사용이 가능하다. 또한 보행 훈련 뿐 아니라 앉기, 서기, 계단 오르기, 계단 내리기 동작 등 다양한 일상생활 동작이 가능하다는 장점이 있다.
또한 정상성인들의 동작 속도가 동적하네스 체중 지지속도보다 빨라 중력방향과 반대방향으로 움직이는 동작들(일어서기동작, 계단오르기동작)에서의 체중지지율 효과를 보기 어려웠다. 이는 동적하네스 시스템의 체중지지율 속도가 고정되어있어 다양한 환자들에 적용시키기 어려운 것으로 판단되며, 추후 연구에서는 체중지지율속도를 조절하는 추가적인 작업이 필요할 것이며 다양한 환자군들의 동작 분석과 인체패턴 연구를 통해 환자 맞춤형 재활 훈련이 가능한 시스템으로 개선이 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
KineAssist와 WalkTrainer의 단점은 무엇인가?
또 다른 실제 지면 보행 훈련 로봇으로는 WalkTrainer(Swortec SA, Switzerland)가 있으며 이는 하지 마비 환자의 보행훈련 보조를 목적으로 하며 전기 자극 신호와 결합하여 구동된다[11-13]. 그러나 이 두 제품 모두 체중지지와 보행 보조 장치들의 부피가 크므로 공간적 제약이 존재하며 보행 이외의 일상동작에는 보조를 할 수 없다는 단점이 있다.
현재 로봇 기반 재활훈련 장치 연구로는 재활 목적에 따라 어떻게 구분되는가?
보행재활로봇은 체중부하를 지지하는 시스템을 통해 체중을 지지하고 관절의 움직임을 돕는 로봇과 제어시스템으로 구성된다[5-8]. 현재 로봇 기반 재활훈련 장치 연구로는 재활 목적에 따라 크게 트레드밀 방식 훈련 로봇, 발판제어 기반 보행훈련로봇, 고정식 하지 재활훈련 로봇, 지면보행 훈련 로봇방식의 4가지로 구분할 수 있다. 그 중 일상생활 복귀에 가장 밀접한 연관이 있는 지면보행 훈련 로봇의 대표적인 제품으로는 KineAssist(Kinea Design, USA)가 대표적이다[9-10].
보행재활로봇은 어떻게 구성되는가?
보행재활로봇은 체중부하를 지지하는 시스템을 통해 체중을 지지하고 관절의 움직임을 돕는 로봇과 제어시스템으로 구성된다[5-8]. 현재 로봇 기반 재활훈련 장치 연구로는 재활 목적에 따라 크게 트레드밀 방식 훈련 로봇, 발판제어 기반 보행훈련로봇, 고정식 하지 재활훈련 로봇, 지면보행 훈련 로봇방식의 4가지로 구분할 수 있다.
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