[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

무릎관절염은 65세 이상의 약 40%에서 발병할 만큼 매우 흔하며, 심한 통증과 기능적인 장해를 일으키며, 독립적인 삶을 곤란하게 하며, 노년층에 만성적인 장애를 초래하기도 한다. 이러한 무릎관절염은 무릎 관절에 가해지는 큰 힘과 관계가 있는데, 이를 센서 등의 체내 삽입이 없이 직접 측정하는 것은 매우 어려워서, 무릎 관절의 힘과 큰 상관관계가 있는 무릎 내전 방향의 회전힘(모멘트)를 대신 측정하여 사용하여왔다.

그러나 이러한 내전회전힘을 측정하는 것은 고가의 동작분석 카메라 세트와 이 카메라 세트가 세팅된 별도의 동작분석실을 요구하며, 많은 경우 긴 시간의 후처리 작업을 거쳐야 했다. 아주 최근에는 동작분석 카메라로 실시간으로 내전회전힘을 측정할 수 있는 연구가 진행되기도 하였으나, 체육관이나 병원 등의 동작분석실 바깥에서는 사용이 불가능하였다.

따라서, 특별히 설계된 동작분석실이 아닌 일반적인 체육관이나 병원 등에서 사용가능하며, 실시간으로 무릎의 내전회전힘을 측정할 수 있어서, 이를 진단 및 훈련 등에 사용이 가능한 로봇형 재활시스템의 필요성이 대두되었다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 걷는 동안 무릎의 내전방향 회전힘을 실시간으로 장소의 구애 없이 구할 수 있는 로봇형 재활훈련 시스템을 개발하였다. 환자가 이 시스템에서 걷는 동안 발판에 가해지는 힘과 발목관절의 움직임을 측정하여 생체역학에 기반하여 무릎에 가해지는 모든 힘과 회전힘을 실시간으로 구할 수 있게 되었다. 이와 더불어 관절염 환자들의 임상평가 척도와 이러한 회전힘과의 상관관계 등을 구하여 무릎에 걸리는 힘이 어느 정도일 때 어느 정도로 관절염이 심각하다는 것을 파악할 수 있게 되었다. 더불어 재활훈련 중에도 환자의 걸음걸이에 따라 무릎에 걸리는 모든 힘과 회전힘을 실시간으로 파악하여 환자에게 알려줌으로서 환자가 신경역학적으로 더 효과적으로 환자에게 좋은 걸음걸이를 훈련할 수 있게 하였다. 즉, 실시간으로 진단이 가능하고, 실시간으로 걸음걸이를 교정할 수 있는 로봇형 무릎환자 재활훈련 시스템이 개발되었다.

3. 기대효과

이번 연구로 무릎에 문제가 없는 사람들과 무릎관절염 질환자의 무릎에 걸리는 힘들과 이의 임상적인 척도와의 관계 등이 보고되었다. 일단 무릎에 문제가 없는 사람의 값은 환자의 값과 비교할 수 있는 기준 값(baseline value)로 사용될 수 있다.

이 방법은 특히 무릎관절염 환자를 위해 개발되었으나, 다른 무릎질환자들에게도 사용이 가능할 것으로 보이며, 진단에 따라 환자맞춤형(patient-specific), 장해맞춤형(impairment-specific) 정밀 재활치료에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 관절치환 등의 수술적인 방법이 아닌, 재활 훈련 치료를 함으로서 보존적인 재활이 가능하다.

[붙임] 용어설명

1. 무릎 관절염: 퇴행성관절염이 가장 흔하며 나이가 들면서 중 노년층에 흔하게 나타남. 외상 후 (십자인대파열 등)에도 수년 후에 발생 할 수 있음.

2. 무릎 내전(內轉, adduction): 무릎을 정면에서 보았을 때 몸 중심쪽으로 회전시키는 것

3. 내전회전힘(adduction moment): 내전방향으로 관절을 돌리려 하는 바깥에서 가해지는 회전힘(모멘트)

4. 신경생체역학 (Neuromechanics): 생체역학(Biomechanics)와 신경생리학(Neurophysioogy)의 개념들을 합친 연구분야로 인간의 움직임을 연구함. 신경생체역학은 골격, 근육, 그리고 신경 시스템의 복합적인 역할과, 어떠한 작업을 수행하기 위해 골격, 근육, 그리고 신경계가 어떻게 상호작용하는지를 연구함.

5. 바이오피드백 (Biofeedback): 바이올로지 (biology)와 피드백 (feedback)의 합성어. 생체의 신경/생리상태 등을 어떤 형태의 자극 정보로 바꾸어서 그 생체에 전달하는 조작.

6. 동작 분석실 (Motion analyis laboratory): 동작분석실에서는 능동/수동 마커 등을 해부학적 랜드마크(landmark)들에 붙이고, 미리 위치가 정해진 고가의 특수 카메라를 아용하여 인체의 움직임을 기록하고, 걸음걸이의 경우 지면에 힘판(force plate)등을 설치하여 걷는동안 지면과 발바닥 사이의 힘을 기록한다. 이러한 기록된 움직임과 힘으로부터 인체의 움직임과 각 관절에 걸리는 힘 및 회전 힘 등을 보통 긴 후처리 과정을 거쳐서 얻게 됨.

7. 발목 외번 (eversion): 발을 바깥쪽으로 돌려서 새끼발까락이 들리는 방향으로 하는 운동

 8. 발목 배굴 (dorsiflexion): 족관절의 발등 방향으로의 운동

9. 발목 내회전(internal rotation): 발을 몸의 중심 쪽으로 돌림

[붙임] 그림설명

[그림1] 개발된 무릎관절염 진단 및 재활훈련 로봇 시스템. (a) 관절염 환자(오른쪽 다리)가 올라탄 무릎관절염 진단 및 재활훈련 로봇 시스템 측면(정중면; sagittal plane)도. 무릎관절염 진단 및 재활 로봇 시스템은 발판 밑의 6축 힘센서(PF/T)로부터 재활로봇시스템 위에서 걷는 동안 발에 걸리는 힘을, 앞쪽의 가변저항(potentiometer)으로부터 발판의 위치 및 기울어진 각도를, 그리고 발목에 착용하는 6자유도 각도기(그림 (b)의 goniometer)로 발판에 대한 하퇴부의 움직임을 측정한다. 이러한 측정데이터로부터 생체역학을 통하여 무릎 관절에 걸리는 모든 방향의 힘과 회전 힘을 계산한다.

[그림2] 올바른 걸음걸이 자세. 환자가 무릎 관절에 걸리는 힘을 줄이기 위해서 재활로봇시스템 위에서 걸을 때 권고되는 발목의 외번(eversion), 내회전(internal rotation), 배굴(dorsiflexion) 방향 자세. 화살표 향과 같이 발목을 움직이는 것이 도움이 될 것으로 예상됨.