[논문]발끌림 및 족하수 방지를 위한 능동형 단하지 보조기의 개발

황성재; 김정윤; 김영호

문제 정의

본 연구에서는 보조기 착용자의 정확한 보행주기를 검출하여 보행주기에 따라 발목 관절의 배굴/저굴을 제공하는 능동형 단하지 보조기(active ankle foot orthosis: AAFO)를 개발하고, 기존의 일반 플라스틱 AFO와 AAFO를 비교, 평가하였다.
본 연구에서는 보행주기를 분석하여 보행주기에 따라 발목 관절의 저굴 및 배굴을 발생시키는 능동형 단하지 보조기를 제작하여 정상보행 및 기존의 일반 플라스틱 AFO 보행과 비교, 평가해 보았다. 일반 AFO 보행에서는 전유각기에 추진(push off)과 초기유각기에 배굴이 약해서 발끌림이 발생할 수 있으나, 개발한 AAFO를 착용한 보행에서는 전유각기에 충분한 추진(push off)이 일어나고, 초기유각기에 배굴이 일어남으로써 유각 기의 발끌림(toe drag)현상과 초기 접지기에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot drop)을 방지할 수 있었다.

제안 방법

AAFO의 발바닥부(엄지발가락, 첫째 중족골두, 다섯째 중족골저, 발뒤꿈치)에 FSR(force sensing resistor) 센서를 부착하여 Fig. 2와 같은 알고리즘을 통하여 보행주기를 검출하였다. (HC: Heel contact; FF: Foot flat; HO: Heel off, TO: Toe off)
개발된 능동형 단하지 보조기(AAFO)와 일반 플라스틱 단하지 보조기(SAFO)의 성능을 비교하기 위하여 3차원 운동특성 분석 시스템(Vicon 612 system, Vicon, U.S.A.)을 통해 정상 보행, SAFO 착용보행, AAFO 착용보행의 각각의 운동특성을 분석하였다. 하지 관절 운동특성 분석을 위해 총 16개의 반사마커를 plug-in marker set에 따라 피검자의 몸에 부착하였고, 힘측정판(AMTI, 551 U.
1). 구동부는 DC 모터(RE30, 맥슨모터, 스위스)의 회전운동을 볼스크류와 볼너트를 사용해 직선운동으로 바꾸어 구동부의 길이를 변화시킴으로써 AAFO의 관절각도를 조절하였다[6].
금속 힌지조인트가 삽입된 플라스틱 단하지 보조기를 사용하여 발목관절의 배굴/저굴 운동을 제어할 수 있도록 하였고 발뒤축부과 하퇴 위부분에 구동부의 연결부위를 제작하였다(Fig.1). 구동부는 DC 모터(RE30, 맥슨모터, 스위스)의 회전운동을 볼스크류와 볼너트를 사용해 직선운동으로 바꾸어 구동부의 길이를 변화시킴으로써 AAFO의 관절각도를 조절하였다[6].
)을 통해 정상 보행, SAFO 착용보행, AAFO 착용보행의 각각의 운동특성을 분석하였다. 하지 관절 운동특성 분석을 위해 총 16개의 반사마커를 plug-in marker set에 따라 피검자의 몸에 부착하였고, 힘측정판(AMTI, 551 U.S.A)을 사용하여 각 보행에 대하여 지면반발력을 측정하였다.

성능/효과

일반 AFO 보행에서는 전유각기에 추진(push off)과 초기유각기에 배굴이 약해서 발끌림이 발생할 수 있으나, 개발한 AAFO를 착용한 보행에서는 전유각기에 충분한 추진(push off)이 일어나고, 초기유각기에 배굴이 일어남으로써 유각 기의 발끌림(toe drag)현상과 초기 접지기에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot drop)을 방지할 수 있었다. 그리고 AAFO를 착용한 보행에서 발생된 최대 저굴 모멘트가 기존의 일반 플라스틱 AFO와 비교해 큰 차이를 보였으며 정상보행에 매우 근접했음을알 수 있었다. 이러한 결과를 볼 때, 본 연구에서 개발한 AAFO는보행시 안정성을 제공하며 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴및 배굴을 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
5°의 저굴이 이루어졌다. 또한, 최대 배굴은 중립상태 에서 모터의 10회 정회전(CW)으로 구동부의 길이가 최대로 약 11.9°의 배굴이 일어났다. 전체 ROM(range of motion)은 약 33.
그리고 AAFO를 착용한 보행에서 발생된 최대 저굴 모멘트가 기존의 일반 플라스틱 AFO와 비교해 큰 차이를 보였으며 정상보행에 매우 근접했음을알 수 있었다. 이러한 결과를 볼 때, 본 연구에서 개발한 AAFO는보행시 안정성을 제공하며 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴및 배굴을 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 차후 보행속도에 따른 모터 속도 컨트롤과 구동부의 소형화를할 계획이며 환자군의 임상실험을 통해 아직 발견되지 않은 문제점을 보완한다면 보다 편마비 환자의 정상적인 보행을 보조하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
본 연구에서는 보행주기를 분석하여 보행주기에 따라 발목 관절의 저굴 및 배굴을 발생시키는 능동형 단하지 보조기를 제작하여 정상보행 및 기존의 일반 플라스틱 AFO 보행과 비교, 평가해 보았다. 일반 AFO 보행에서는 전유각기에 추진(push off)과 초기유각기에 배굴이 약해서 발끌림이 발생할 수 있으나, 개발한 AAFO를 착용한 보행에서는 전유각기에 충분한 추진(push off)이 일어나고, 초기유각기에 배굴이 일어남으로써 유각 기의 발끌림(toe drag)현상과 초기 접지기에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot drop)을 방지할 수 있었다. 그리고 AAFO를 착용한 보행에서 발생된 최대 저굴 모멘트가 기존의 일반 플라스틱 AFO와 비교해 큰 차이를 보였으며 정상보행에 매우 근접했음을알 수 있었다.
9°의 배굴이 일어났다. 전체 ROM(range of motion)은 약 33.4°로 정상인의 보행 시 발목관절 ROM인 약 25°에 비해 충분히 큰 ROM을 제어할 수 있었다.
6은 세 가지 유형의 보행에 대한 발목관절의 일률이다. 정상보행의 경우 전유각기에 약 1.7W/kg의 최대 일률을 보였고 SAFO 보행의 경우 약 0.4W/kg, AAFO 보행의 경우 약 1W/kg의 최대 일률을 보였다. 이는 SAFO 보행에 비해 약 2.

후속연구

이러한 결과를 볼 때, 본 연구에서 개발한 AAFO는보행시 안정성을 제공하며 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴및 배굴을 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 차후 보행속도에 따른 모터 속도 컨트롤과 구동부의 소형화를할 계획이며 환자군의 임상실험을 통해 아직 발견되지 않은 문제점을 보완한다면 보다 편마비 환자의 정상적인 보행을 보조하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

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