어깨 동작 분석을 위한 해부학적 기준자세 기반 3차원 관절가동범위 측정 방법

Ⅰ. 서 론

최근, 스포츠 트레이닝 및 운동 재활 분야에서는 훈련 및 회복 결과를 평가하기 위해 인체의 동작을 정량적으로 분석 연구하고 있다. 특히, 인체에서 가동범위가 가장 큰 어깨 관절은 복잡한 동작 구조에 따른 주변 근육들과의 상호작용으로 인해 직관적인 분석이 어려운 문제가 있다[1], [2]. 기존 연구들에서는 이러한 어깨 관절의 동작을 정량적으로 분석하기 위해 모션 캡처 장치 및 의료 영상을 이용한 3차원 동작 분석 방법을 적용하고 있다.

모션 캡처 장치를 이용한 3차원 동작 분석 방법[3], [4]은 고속 카메라를 통해 피부에 부착된 광학 마커의 운동 궤적을 추적함으로써 사용자의 동적 동작(Dynamic motion)을 분석한다. 이 방법은 실시간 촬영된 영상을 반복적으로 얻을 수 있는 장점이 있으나, 피부 위에 부착된 센서의 측정오차로 인해 관절의 움직임 측정시 정확도가 낮다[5]. 또한, 골격의 형상을 추적하지 못하기 때문에 근골격 간의 충돌 및 이에 따른 손상을 분석할 수 없는 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 골격의 형상을 추적할 수 있는 의료 영상을 이용한 3차원 동작 분석 방법이 제안되었다.

의료 영상을 이용한 3차원 동작 분석 방법은 일반적으로 3차원 모델 정합 방법[6]과 동적 X-ray 방법[7], [8]으로 구분된다. 3차원 모델 정합 방법은 어깨 동작의 다양한 위치(초기 자세, 최종 자세 등)에서 촬영된 의료 영상(CT, MR 영상)으로부터 재현(reconstruction)된 3차원 골격 모델들(상완골, 견갑골 등)을 기준 모델(견갑골)에 겹침(overlay)으로써 골격의 3차원 동작을 생성하고 이를 통해 관절운동을 분석하는 방법이다. 이 방법은 방사선 피폭량에 따른 의료 영상의 촬영 횟수 제한으로 인해 다양한 자세에서 촬영된 의료 영상 수집이 어렵다. 또한, 의료 영상 촬영 장치 내부의 좁은 공간이 촬영 자세를 제한하는 단점이 있다. 동적 X-ray 방법은 3차원 골격 모델을 Biplane C-arm을 통해 녹화된 2차원 X-ray 영상(video)에 겹치는 2D/3D 정합을 통해 골격의 3차원 동작을 추적하고 이를 통해 관절운동을 분석하는 방법이다. 이 방법은 골격의 연속적인 3차원 위치를 추적할 수 있는 장점이 있다. 그러나 동적 X-ray 영상 촬영으로 인한 방사선 피폭량이 누적되고 2D/3D 정합 과정에서 많은 시간이 소모되는 단점이 있다.

기존 방법들은 어깨 동작에 따른 상완골의 회전 각도를 측정함으로써 관절가동범위를 측정하였다. 그러나 사용자의 체형 및 초기 자세 불일치에 따른 측정 오차가 발생하는 문제가 있었다. 이로 인해, 기존 방법들의 문제점들로부터 어깨의 초기 자세를 동기화하기 위한 기준이 요구되고 있다[9]-[12].

본 논문에서는 기존 방법들의 문제점을 개선하기 위해 어깨 동작 분석을 위한 해부학적 기준자세 기반 3차원 관절가동범위 측정 방법을 제안한다. 제안된 방법은 어깨의 해부학적 특징들(anatomical landmarks)에 기초한 기준자세를 생성하고, 해부학적 기준자세를 이용하여 3차원 관절가동범위를 측정한다. 제안된 방법의 성능은 기존 방법과의 비교를 통해 검토된다.

Ⅱ. 해부학적 기준자세 기반 3차원 관절가동범위 측정 방법

본 장에서는 제안된 해부학적 기준자세 기반 3차원 관절가동범위 측정 방법을 설명한다. 제안된 방법은 해부학적 기준자세를 생성하고, 이를 이용하여 3차원 관절가동범위를 측정한다.

2-1 해부학적 기준자세 생성

해부학적 기준자세는 견갑골의 상완골을 포함하는 골격의 초기 위치이며, 해부학적 특징들(anatomical landmarks)에 기초하여 생성된다. 해부학적 기준자세 생성 과정은 그림 1과 같이 상완골의 수직 정합(shaft registration), 방향 정합(orientation registration), 높이 정합(altitude registration)과 같이 3가지 단계로 이루어진다.

Fig. 1.

Generate process of the anatomical criteria posture

상완골 수직 정합 단계에서는 그림 2와 같이 상완골 장축이 관절와 평면에 투영된 벡터 TS-AI에 정합된다. 여기서, 상완골 장축은 상완골의 Shaft의 중심을 지나는 벡터이다. 그리고 관절와 평면은 견갑골의 관절와에 최적하는 평면이다. 마지막으로 벡터 TS-AI는 견갑골의 TS(trigonum spinae) 와 AI(angulus inferior) 잇는 벡터이다. 상완골이 정합되면, 상완골 장축은 견갑골의 AI와 평행하게 된다.

Fig. 2.

Humeral shaft registration

상완골 방향 정합 단계에서는 그림 3과 같이 상완골을 상완골 중심선(HCL; humeral center line)에서 견갑골 중심선(SCL; scapular center line) 방향으로 회전시킨다. 이는 상완골 장축과 직교하는 2차원 평면에서 이뤄진다. 상완골 중심선은 상완골두의 소결절(LT; lesser tubercle)의 양측 중심과 대결절(GT; greater tubercle)을 잇는 벡터와 직교하는 벡터이다[13]. 상완골 중심선은 상완골두와 극상근 흔적(footprint)의 중심을 지난다. 견갑골 중심선은 TS와 관절와 중심점(GC; glenoid center)을 지나는 벡터이다. 상완골 방향이 정합되면 상완골의 상완골 중심선은 견갑와(scapular fossa)와 극상근의 방향과 평행하게 된다.

Fig. 3.

Humeral orientation registration

상완골 높이 정합 단계에서는 그림 4와 같이 상완골두 중심점(HHC; humeral head center)이 벡터 GC-TS에 투영된 견갑골의 견봉 중점(AC; acromion center)에 정합된다. 상완골두 중심점은 상완골두에 최적하는 구의 중심점과 같다. 상완골의 높이가 정합되면 3가지 정합(장축 저합, 방향 정합, 높이 정합)을 통해 도출된 해부학적 기준 자세가 완성된다.

Fig. 4.

Humeral altitude registration

2-2 3차원 관절가동범위 측정 방법

3차원 관절가동범위 측정 방법은 그림 5와 같이 초기 자세와 최종 자세(예: 외전) 사이의 3차원 회전 각도를 측정하는 것이다. 이를 위해, 기존 방법들의 성능을 비교하고, 성능 비교 결과로부터 측정 오차가 낮은 3차원 모델 정합 방법을 선정하여 해부학적 기준자세를 적용하였다.

Fig. 5.

Three dimensional range of motion measurement method for shoulder joint

기존 방법들의 성능 비교 결과는 표 1과 같다. 모션 캡처 장치의 병진운동 오차는 0.6~1.3 mm, 회전운동 오차는 3~5 ° 미만이다[14]-[16]. 3차원 모델 정합의 병진운동 오차는 0.5 mm, 회전운동 오차는 0.5 °이다[6]. 2D/3D 정합 기법에서 병진운동 오차는 0.5 mm, 회전운동 오차는 0.6 °이다[7], [8]. 성능분석 결과로부터 의료영상을 이용한 3차원 모델 정합 방법의 측정 오차가 가장 낮은 것으로 확인되었다.

Table 1.

Performance comparison of conventional methods for three dimensional motion analysis

제안된 방법은 해부학적 기준자세를 적용함으로써 개선된 3차원 모델 정합 방법이며, 이를 통해 3차원 관절가동범위를 측정할 수 있다. 3차원 관절가동범위 측정 결과는 대표적인 자세 표현(attitude representation) 방법인 오일러 각도(euler angle)와 헬리컬 각도(helical angle)로 표현된다[17]. 오일러 각도는 초기 자세부터 최종자세까지의 3차원 변위로부터 추출된 각도이며, JCS(joint coordinate system)[18]을 기준으로 elevation(ELV), horizontal extension(HE), external rotation(ER)과 같은 해부학적 의미를 갖는 각도로 해석된다. 이 각도는 임상에서 쉽게 이해할 수 있는 측정 결과로써 제공된다. 헬리컬 각도는 관절 운동을 특정 축(screw axis)에 대한 회전과 이 축을 따라 발생하는 병진 운동의 결합으로 간주하여 추출된 각도이며, 초기 자세와 최종 자세에서의 상완골 장축들 사잇각으로 측정된다. 이 각도는 일반인이 직관적으로 이해할 수 있도록 단순화된 측정 결과로써 제공된다.

Ⅲ. 실험 및 결과

제안된 방법의 성능은 기존 방법과의 3차원 관절가동범위 측정 결과 비교를 통해 검토된다. 본 실험은 정상인 5명의 어깨를 대상으로 수행되었다. 피험자들은 해부학적 기준자세 적용에 따라 실험군과 대조군으로 배정되었다. 실험군은 피험자들을 대상으로 제안된 방법을 이용하여 어깨 관절의 관절가동범위를 측정하였다. 대조군은 실험군과 동일한 피험자들을 대상으로 기존 방법인 3차원 모델 정합 방법을 이용하여 어깨 관절의 관절가동범위를 측정하였다.

식 1의 RMSE(root mean squares error) 기법은 실험군과 대조군을 비교하기 위한 측정 오차로 이용되었다. 식 1에서 n은 피험자의 수, θ_i은 각 피험자들의 측정값, θ_avg은 평균 측정값이다.

3-1 어깨 관절의 오일러 각도 측정 결과 비교

어깨 관절의 오일러 각도 측정 결과는 표 2와 같다. 실험군의 평균 측정 값은 ELV에서 102.34 °, HE에서 12.23 °, ER에서 29.51 °으로 나타났다. 대조군의 평균 측정 값은 ELV에서 102.64 °, HE에서 26.22 °, ER에서 59.51 °으로 나타났다. 실험군의 RMSE는 ELV에서 7.75, HE에서 6.64, ER에서 15.70으로 나타났다. 대조군의 RMSE는 ELV에서 17.33, HE에서 15.75, ER에서 18.91으로 나타났다. 실험군과 대조군의 어깨 관절가동범위를 비교한 결과, 실험군의 RMSE가 대조군보다 낮게 나타났다(ELV: 0.30, HE: 13.99, ER: 30.00).

Table 2.

Measurement result of euler angle on shoulder joint

3-2 어깨 관절의 헬리컬 각도 측정 결과 비교

어깨 관절의 헬리컬 각도 측정 결과는 표 3과 같다. 실험군의 평균 측정값은 104.36 °로, 대조군의 평균 측정값은 115.17 °로 각각 나타났다. RMSE는 실험군에서 5.80, 대조군에서 13.79로 각각 나타났다. 실험군과 대조군의 어깨 관절 회전 각도를 비교한 결과 실험군의 RMSE가 낮게 나타났다(10.81).

Table 3.

Measurement result of helical angle on shoulder joint

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 어깨 동작 분석을 위한 해부학적 기준자세 기반 3차원 관절가동범위 측정 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 어깨 특징 기반 해부학적 기준자세를 생성하고, 이를 이용하여 3차원 관절가동범위를 측정하였다.

제안된 방법의 성능은 기존 방법과의 비교를 통해 검토되었다. 성능 검토 결과로부터, 어깨 관절의 관절가동범위(ELV: 0.30, HE: 13.99, ER: 30.00)와 회전 각도(10.81)에서 기존 방법 보다 낮은 측정 오차를 보이는 것을 확인하였다. 이는 제안된 방법의 정밀도가 기존 방법보다 높음으로써 성능의 개선을 의미한다.

향 후, 본 논문의 연구 결과들은 스포츠 재활 및 트레이닝 분야에 활용됨으로써 어깨 관절가동범위의 측정 정확도 향상에 기여할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구는 2018년도 한국기술교육대학교 교육연구진흥과제 및 ㈜현대엔지비의 연구비 지원에 의하여 연구되었습니다.

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