발 질환으로 어려움을 겪는 환자들이 증가하면서 이에 대응할 수 있는 교정용 인솔에 대한 연구가 점점 요구되고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 형상기억합금의 특성 중 하나인 초탄성 효과를 이용하여 평발교정용 인솔 설계에 관한 연구를 진행하였다. 신발에 인솔을 부착하는 방식을 도입하여 설치된 인솔이 발 구조 중 가장 중요한 근육인 족저근막을 자극할 수 있도록 유도하였다. 족저근막에서 인솔에 의해 유발되는 접촉압을 유한요소법으로 예측하는 방법을 통해 교정 효과를 기대할 수 있는 평발교정용 인솔을 설계하고자 하였다. 이를 위해 인솔의 형상을 결정하는 설계 인자로 세 가지 즉, 인솔의 두께, 최고높이, 앞뒤의 비대칭률을 채택하였다. 세 가지 설계 인자의 영향도를 평가하기 위해 다구찌 최적화 기법을 도입하여 각 인자 간 조합에 따른 족저근막에서의 최대 접촉압을 계산하고 이를 분석하였다. 분석 결과 접촉압을 결정하는데 영향을 많이 주는 설계인자를 순서대로 나열하면 최고높이, 두께, 비대칭률의 순으로 나타났다. 또한, 접촉압을 실제 사람이 느낄 수 있는 인지압으로 변환한 후 교정 효과를 기대할 수 있으면서도 족저근막에 무리를 주지 않는 안전 교정 범위를 설정하였다. 이를 통해 안전 교정 범위에 드는 가장 좋은 설계안을 제안하였다. 본 연구를 통해 확립한 중요인자를 고려한 설계방법은 향후 개인별 맞춤형 교정 인솔을 설계하는 기반이 될 수 있다.
발 질환으로 어려움을 겪는 환자들이 증가하면서 이에 대응할 수 있는 교정용 인솔에 대한 연구가 점점 요구되고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 형상기억합금의 특성 중 하나인 초탄성 효과를 이용하여 평발교정용 인솔 설계에 관한 연구를 진행하였다. 신발에 인솔을 부착하는 방식을 도입하여 설치된 인솔이 발 구조 중 가장 중요한 근육인 족저근막을 자극할 수 있도록 유도하였다. 족저근막에서 인솔에 의해 유발되는 접촉압을 유한요소법으로 예측하는 방법을 통해 교정 효과를 기대할 수 있는 평발교정용 인솔을 설계하고자 하였다. 이를 위해 인솔의 형상을 결정하는 설계 인자로 세 가지 즉, 인솔의 두께, 최고높이, 앞뒤의 비대칭률을 채택하였다. 세 가지 설계 인자의 영향도를 평가하기 위해 다구찌 최적화 기법을 도입하여 각 인자 간 조합에 따른 족저근막에서의 최대 접촉압을 계산하고 이를 분석하였다. 분석 결과 접촉압을 결정하는데 영향을 많이 주는 설계인자를 순서대로 나열하면 최고높이, 두께, 비대칭률의 순으로 나타났다. 또한, 접촉압을 실제 사람이 느낄 수 있는 인지압으로 변환한 후 교정 효과를 기대할 수 있으면서도 족저근막에 무리를 주지 않는 안전 교정 범위를 설정하였다. 이를 통해 안전 교정 범위에 드는 가장 좋은 설계안을 제안하였다. 본 연구를 통해 확립한 중요인자를 고려한 설계방법은 향후 개인별 맞춤형 교정 인솔을 설계하는 기반이 될 수 있다.
As the number of patients suffering from Pes Planus increases, research on a correctional insole that can cope with them is increasingly required. Therefore, the design of an insole for Pes Planus Correction was studied using the superelastic effect, which is one of the characteristics of the shape ...
As the number of patients suffering from Pes Planus increases, research on a correctional insole that can cope with them is increasingly required. Therefore, the design of an insole for Pes Planus Correction was studied using the superelastic effect, which is one of the characteristics of the shape memory alloy in this paper. To design an effective insole, the effect of the contact pressure induced by the insole on the plantar fascia, which is the most important muscle in the foot structure, was evaluated. Three parameters (thickness, max. height and asymmetric ratio) were set as the main design factors of the insole, and the maximum contact pressure appearing on the plantar fascia was calculated by finite element analysis and analyzed using the Taguchi method. As a result of the analysis, it was confirmed that the contact pressure was influenced in the order of max. height, thickness, and asymmetric ratio. In addition, the contact pressure was converted to a feeling pressure that could be felt by a person, and then a safety correction range was established that would not cause any irritation to the plantar fascias, even though the correction effect could be expected. This indicates the best design for the safety correction range. The design method considering the important factors established through this study can form the basis for designing a personalized correctional insole in the future.
As the number of patients suffering from Pes Planus increases, research on a correctional insole that can cope with them is increasingly required. Therefore, the design of an insole for Pes Planus Correction was studied using the superelastic effect, which is one of the characteristics of the shape memory alloy in this paper. To design an effective insole, the effect of the contact pressure induced by the insole on the plantar fascia, which is the most important muscle in the foot structure, was evaluated. Three parameters (thickness, max. height and asymmetric ratio) were set as the main design factors of the insole, and the maximum contact pressure appearing on the plantar fascia was calculated by finite element analysis and analyzed using the Taguchi method. As a result of the analysis, it was confirmed that the contact pressure was influenced in the order of max. height, thickness, and asymmetric ratio. In addition, the contact pressure was converted to a feeling pressure that could be felt by a person, and then a safety correction range was established that would not cause any irritation to the plantar fascias, even though the correction effect could be expected. This indicates the best design for the safety correction range. The design method considering the important factors established through this study can form the basis for designing a personalized correctional insole in the future.
이에 본 연구에서는 형상기억합금의 초탄성 효과를 이용하여 탄성 회복성이 높은 평발교정용 인솔을 설계하기 위한 주요 인자에 대해 연구하였다. 선정된 설계 인자를 바탕으로 다구찌 최적화법을 적용하여 유한요소해석을 통해 족저근막에서 발생하는 접촉압을 계산한 후 실제 족저근막의 파열 응력 값과의 비교 및 분석을 통해 인솔 제작 시 고려해야 할 설계 변수의 영향도를 보이고 이를 실제에 적용할 수 있는 설계 case를 제안하고자 한다.
이론/모형
발바닥 피부는 hyperelastic 재료로 간주하고 Ogden 1 st order 모델을 사용하였으며 물성값인 MU1, A1은 매개변수들로서 Sherglod et al.[18]의 피부 관련 실험을 참고하였다.
위와 같은 절차로 다구찌 테이블의 18가지 설계 case에 맞춰 유한요소해석을 수행하였으며 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench v.17.2를 사용하였다.
성능/효과
1) 형상기억합금 초탄성 평발교정용 인솔을 설계함에 있어서 세 가지 설계 인자인 t(두께), h(최고높이),Q:X(비대칭률) 중 발바닥 족저근막의 인지압의 크기에 가장 큰 영향을 주는 인자는 유의수준 p=0.05에서 h이며 영향력의 순서는 h > t > Q:X로 나타났다.
2) 평발 교정 효과를 기대할 수 있으면서도 족저근막에 무리를 주지 않는 안전 교정 범위로 응력 값 4.8~7.2 MPa 범위를 정하였으며, 인지압 결과 중에서 이 범위에 드는 5가지 설계 case 중에서 case 17 (t=0.7 mm, h=4 mm, Q:X=1:1.5)을 설계안으로 제안하였다.
후속연구
3) 본 연구를 통해 확립한 중요인자를 고려한 인솔 설계법은 향후 개인별 족형에 따른 맞춤형 교정 인솔을 설계 및 제작하는데 응용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
평발을 가지고 있는 사람이 정상인 보다 피로감과 통증을 더 쉽게 느끼는 원인은?
평발을 가지고 있는 사람의 경우, 발바닥 아래쪽 근육인 족저근막(Plantar Fascia)이 정상 발에 비해 낮게 위치되어 있어 장시간 보행 및 운동 시 정상 발보다 피로감과 통증을 쉽게 느끼게 된다. 일반적으로 평발은 보조기기 사용 및 수술방법 외에도 맞춤 교정 인솔(insole),시중 판매되고 있는 기성품 인솔을 구입해 교정하는 방법 등 다양한 치료법이 사용되고 있다.
평발이란 무엇인가?
최근 평발(Pes Planus)로 병원을 찾는 환자가 증가하면서 평발 질환에 대한 관심도가 높아지고 있다[4]. 평발은 정상 발보다 발바닥 안쪽 아치가 비정상적으로 낮거나 소실되는 변형 질환을 말한다. 평발이 발생하는 원인은 불분명하지만, 대표적으로 유전 혹은 뇌성마비 등 다양한 원인을 가지고 발생하고 있다[5].
형상기억합금의 초탄성 효과를 이용해 탄성 회복성이 높은 인솔을 설계한 이유는 무엇인가?
일반적으로 맞춤 교정 인솔은 신발 전체에 삽입되어 착용하는 구조이며, 아치 쿠션 부분은 실리콘 또는 메모리폼으로 제작되고 있으며,아치 쿠션 효율성에 대한 실험 증명도 많이 보고되고 있다[7-8]. 하지만 기존 평발교정용 인솔의 경우에는 신발 형태(등산화, 하이힐, 운동화 등)에 따라 인솔을 공용화할 수 없으며 메모리폼의 경우에도 장기간적 사용 및 하중에 크게 영향을 받는다. 평발 인솔은 발의 통증과 충격을 흡수하고 신체 및 관절을 보호하는 역할을 하지만, 인솔 기능이 미비할 경우 불편함을 초래하고 보행 동작에 대해 비정상적인 형태를 발생시키게 된다[9-10].
참고문헌 (22)
Jae-Ung Cho, "Analytical Study on Durability due to the Load of Artificial Knee Joint", Journal of the Korea Convergence Society, vol. 5, no. 2, pp. 7-11, 2014. DOI: https://doi.org/10.15207/JKCS.2014.5.2.007
Jaewoo Lee, "Research of Colonoscope Robot with Rotary Inertia Type Locomotion Mechanism", Journal of the Korea Academic-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 6, pp. 521-526, 2016. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.6.521
Hyun-Chul Ko, SeungHwan Lee, JungHyun Heo, Jeong-Jick Lee, Woo-Hyuk Choi1, Sung-Hwan Choi, TaeMin Shin, Young-Ro Yoon, "The Development of 12 channel ECG Measurement and Arrhythmia Discrimination System with High Performance Medical Analog Front-End(AFE)", Journal of the Korea Academic-Industrial cooperation Society, vol. 15, no. 4, pp. 2217-2224, 2014. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.4.2217
National Health Information Portal, Healthinfo[Internet], http://health.mw.go.kr/HealthInfoArea/HealthInfo/View.do?idx4360
Jin-Hyun Park, Jin-Seop Kim, Kyoung Kim, "The Effect of Foot Strengthening Exercise to Young of Hallux Valgus with Flexible Flatfoot", Journal of the Korea Academic-Industrial cooperation Society, vol. 13, no. 11, pp. 5211-5217, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.11.5211
Seung Nam Min, Jae Young Cho, Se Jin Park, Murali Subramaniyam, Sung Eun Kim, Kyung Sung Lee, "Ergonomic evaluation of functional insole with arch air cushion", Ergonomics Society of Korea, vol. 2016, no. 6, pp. 543-546, 2016.
Seon-Chil Kim, Jin-Woo Bae, Ji-Pil Jang, "Effect of Transverse and Longitudinal Arch Support of Individual Discount Rate on the Balance Ability of the Body", Korean Journal of Digital Imaging in Medicine, vol. 16 no. 1 pp. 7-11, 2014.
Chang-Min Lee, Kyun-Deuk Lee, Yeon-Ju Oh, Jin-Hoon Kim, "The Study on Workload Reducing Effects of MultiElastic Insoles" Journal of the Ergonomics Society of Korea, vol. 26, no. 2, pp. 157-165, 2007. DOI: https://doi.org/10.5143/JESK.2007.26.2.157
Seung-Bum Park, Kyung-Deuk Lee, Dae-Woong Kim, Jung-Hyeon Yoo, Kyung-Hun Kim, "Comparative Analysis of Foot Pressure Distribution by Functional Insole to be Transformed and Restored During Walking" Korean Journal of Sport Biomechanics, vol. 21, no. 2, pp. 231-241, 2011. DOI: https://doi.org/10.5103/KJSB.2011.21.2.231
Tamer Seyhan, "Split-Thickness Skin Grafts", vol. 29, pp. 1-16, 2011.
Jerry M. Fabricant, Tae Soon Park, "PLANTAR FASCIITIS (FASCIOSIS) TREATMENT OUTCOMES STUDY: Plantar Fascia Thickness Measured by Ultrasound and Correlated with Patient Self Reported Improvement", The Foot, vol. 21, no. 2, pp. 79-83, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foot.2011.01.015
John Loveluck, Tom Copeland, Jason Hill, Allan Hunt, Robin Martin, "Biomechanical Modeling of the Forces Applied to Closed Incisions During Single-Use Negative Pressure Wound Therapy", Eplasty, vol. 16, pp. 183-195, 2016.
Enrique Morales-Orcajo, Javier Bayod, Estevam Barbosa de Las Casas, "Computational Foot Modeling: Scope and Applications", Archives of Computational Methods in Engineering, vol. 23, no. 3, pp. 389-416, 2016. DOI: https://doi.org/10.1007/s11831-015-9146-z
Ching-Hsuan Chen, Ching-hua Hung, Chen-Sheng Chen, Chao-Ching Chiang, "Biomechanical Evaluation of Reconstruction Plates with Locking and Nonlocking Screws Configurations in Calcaneal Fracture: A Finite Element Model Study", 40th Annual Meeting of the American Society of Biomechanics, pp. 1-9 2016.
ANSYS Inc, "Ansys 14.5 Mechanical APDL Material Reference", 2013.
Oliver A. Shergold, Norman A. Fleck, "Experimental investigation into the deep penetration of soft solids by sharp and blunt punches, with application to the piercing of skin", Journal of Biomechanical Engineering - Transactions of the ASME, vol. 127, no. 5, pp. 838-886, 2005. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1992528
Yan Wang, Zengyong, Duo Wai-Chi Wong, Ming Zhang, "Effects of Ankle Arthrodesis on Biomechanical Performance of the Entire Foot", PLoS One, vol. 10, no. 7, pp. 1-22 2015. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0134340
Hsin-Yi Kathy Cheng, Chun-Li Lin, Shih-Wei Chou, Hsien-Wen Wang, "Nonlinear Finite Element Analysis of the Plantar Fascia due to the Windlass Mechanism", Foot and Ankle International, vol. 29, no. 8, pp. 845-896, 2008. DOI: https://doi.org/10.3113/FAI.2008.0845
William C. Whiting, Ronald F. Zernicke, "Biomechanics of Musculoskeletal Injury", p.199, 2008.
B. Kitaoka, Z. P. Luo, E. S. Growney, L. J. Berglund, K. N. An, "Material properties of the plantar aponeurosis", Foot and Ankle International, vol. 15, pp. 557-560, 1994.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.