마이크로 제어방식과 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 사용 넓적다리 절단자의 트레드밀 경사로 오르막 내리막 보행시 특성

Ⅰ. 서 론

일반적으로 넓적다리의지에 사용되는 무릎관절장치는 효율성(efficiency)을 주된 목표로 하며, 절단장애인의 활동수준(activity level)과 관절가동범위(range of motion) 등 신체조건에 따라 선택하고, 효율성(efficiency)을 주요 목표로 한다. 다양한 무릎관절장치가 임상에서 사용되고 있으며, 최근에는 정상쪽 다리의 움직임에 맞게 작동되는 마이크로 제어방식 무릎관절장치를 많이 사용하고 있다. 마이크로 제어방식 무릎관절장치는 무릎의 안정성과 보행 효율성에 큰 역할을 할 뿐만 아니라, 정상쪽 다리의 움직임에도 긍정적인 영향을 미친다[1]. 따라서 정상쪽 다리의 근육도 의지 보행에 맞게 적절하게 대응 할 수 있도록 훈련이 필요하다[2].

절단장애인은 넓적다리의지 착용 후 새로운 환경에 적응하며 보행 훈련을 시작하게 된다. 경사지와 계단, 언덕길 등에서의 보행은 매우 중요하게 다루어지고 있다. 특히, 경사지 내려가기 보행 시 절단측에 체중을 지지하고, 무릎관절장치의 굽힘 반응은 보행 입각기 안정성 확보를 위해 중요한 동작으로 매우 주의를 요하는 과정이다[3]-[6]. 마이크로 제어방식 무릎관절장치는 넓적다리절단 장애인들의 부족한 기능을 보완하고 대체할 수 있도록 제작되었으며, 비마이크로 제어방식 무릎관절장치보다 안정적인 기능들이 추가되었다[3]-[5],[7]-[9]. 또한, 마이크로 제어방식 무릎관절장치는 보행기능 향상, 안정성, 효율성 등 많은 부분에서 개선되고 발전되고 있다[10]-[12].

다리절단 장애인의 일상생활활동과 스포츠 활동 시 보행 개선을 위해 개발된 마이크로 제어방식 무릎관절장치는 많은 절단장애인의 활동등급 향상에 도움이 되고 있다. 그리고 마이크로 제어방식 무릎관절장치는 비마이크로 제어방식 무릎관절장치보다 여러 가지 첨단장치와 기능을 제공한다. 특히, 보행 입각기 안정성과 유각기 보행속도를 사용자의 환경에 맞추어 실시간 조절이 가능하게 한다. 또한, 마이크로 제어방식 무릎관절장치는 계단, 경사지, 그리고 평지 보행에 최적화 되어 있으며, 균형을 유지하는 기능도 매우 좋다. 그리고 보행 시 에너지소비와 낙상 위험이 감소하고, 인지 노력도 감소하게 된다. 그러므로 마이크로 제어방식 무릎관절장치에 대한 보행만족도가 매우 높게 나타나고 있다[5],[13]-[15].

그러나, 상당수의 넓적다리 절단장애인은 마이크로 제어방식 무릎관절장치보다 비마이크로 제어방식 무릎관절장치를 착용하고 있다. 이는 비용적인 측면의 이유도 있겠지만, 마이크로 제어방식과 비마이크로 제어방식 무릎관절장치에 대한 객관적인 보행분석 및 임상 자료가 없는 부분도 영향을 미친 것으로 생각한다.

넓적다리 절단장애인의 독립적인 활동을 위해서는 보행기능이 우수한 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용을 고려해야 한다. 그러나 마이크로 제어방식 무릎관절장치의 기능 향상과 발전에도 불구하고, 임상에서는 비마이크로 제어방식 무릎관절장치에서 마이크로 제어방식 무릎관절장치로 전환하는데 제작전문가의 경험과 조언에만 의존하는 실정이다. 이처럼, 아직까지 국내에서는 마이크로 제어방식 무릎관절장치와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치에 대한 보행특성 연구가 이루어지지 못하였다. 따라서 본 연구는 마이크로 제어방식 무릎관절장치와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치에 대한 보행특성을 알아보고, 향후 넓적다리 절단장애인들에게 보행개선에 필요한 정보를 제공하여 임상에서 마이크로 제어방식 무릎관절장치의 사용 확대를 위한 임상 자료로 제공하고자 실시하였다.

Ⅱ. 본 론

2-2 연구 절차

1) 트레드밀 경사지(오르막, 내리막)보행

모든 대상자에게 실험에 대한 충분한 설명을 한 후 동작분석을 위한 스판덱스(spandex) 의상을 착용시켰다. 연구대상자는 마이크로 제어방식 무릎관절장치의 넓적다리의지를 착용하고, 의지정렬에 대해 점검 및 수정을 하였다. 보행 적응을 위해 60분간 보행 훈련을 실시한 후 관찰 분석을 수행하였다. 마찬가지로 대상자는 비마이크로 제어방식 무릎관절장치의 넓적다리의지를 착용 한 후 의지정렬에 대해 점검 및 수정을 하고, 동일하게 60분간 보행 훈련을 실시한 후 관찰 분석을 수행하였다.

대상자들은 충분히 적응시간을 거친 후 오르막, 내리막 경사보행 시 대상자가 선택한 편안한 속도를 확인하여 그 속도를 고정 속도로 하여 실험을 진행하였다. 이때, 오르막과 내리막 경사로의 경사는 ±12%(±7도)로 설정하였다. 또한, 숙련된 실험자가 대상자의 하지 관절 및 분절(segment)에 반사마커를 부착하였다. 모든 대상자들은 위와 같은 절차를 두 가지 무릎관절장치를 착용한 후 각각 1회씩 실시하였으며, 안전을 위하여 하네스(harness)를 착용하고, 보행 분석을 실시하였다(그림 1).

Fig. 1.

Marker position

2) 실험장비와 보행 분석

본 연구에서는 적외선 카메라 8대(Oqus 300, Qualisys, Sweden; 100 Hz)를 이용하여 보행 동안 두 가지 무릎관절장치의 차이를 알아보기 위하여 보행 속도, 분속수(cadence), 활보장(stride length), 입각기 비율, 유각기 비율 등 보행 변수를 분석하였다. 또한, 엉덩관절과 무릎관절, 그리고 발목관절의 관절각도, 모멘트 등의 운동역학적 변인을 각각 산출하였다. 모든 데이터는 5번의 활보(stride) 동안 분석하였으며, 관절각도는 해당 하지의 발이 지면에 접촉하는 순간(1st heel-contact)부터 동일한 해당 하지의 발이 다시 지면에 접촉하는 순간(2nd heel-contact)까지의 보행주기(gait cycle)를 분석해 활용하였다. 모멘트는 해당 하지의 발이 지면에 접촉하는 순간부터 해당 하지의 발이 지면으로부터 떨어지는 순간까지의 입각기를 분석하였다. 본 연구에서 엉덩관절, 무릎관절, 그리고 발목관절의 관절각과 모멘트는 x축을 기준으로 양(+)의 값을 굽힘(flexion), 음(-)의 값을 폄(extension)으로 정의하였으며, 발목관절은(+) 발등 굽힘(dorsi flexion), (-) 발바닥 굽힘(plantar flexion)으로 정의하였다(그림 2).

Fig. 2.

Gait analysis

3) 연구의 제한점

본 연구의 대상자는 고가의 마이크로 제어방식 무릎관절장치를 사용하는 넓적다리의지 착용자로, 연구대상자를 구하는데 제한이 있었고, 보행분석을 위한 트레드밀 길이가 짧아 경사지 각도를 ±7°로 제한하여 실시하였다. 그리고 연구에 참여한 연구대상자가 모두 남성이었으므로 연구 결과를 일반화하는데 한계가 있다.

Ⅲ. 연구 결과

3-1 연구대상자의 일반적 특성

본 연구는 총 4명의 넓적다리 절단장애인을 대상으로 연구를 진행하였고, 대상자들의 일반적 특성은 아래 표와 같다(표 1, 표 2).

Table 1.

General characteristic of subjects

Table 2.

Select prosthetic componentry characteristics for MPK & N-MPK

3-2 시간-거리 변수(Spatio-Temporal Parameters)

보행분석 결과, 속도 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.65 m/sec, 0.65 m/sec로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.52 m/sec, 0.52 m/sec로 나타나 유의한 차이가 없었다. 분속수 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절 착용 시 오르막 보행은 각각 98,0 steps/min, 100,5 steps/min 로 나타났고, 내리막 보행은 각각 100,5 steps/min, 100,6 steps/min로 나타났다.

절단측 활보장 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절 착용 시 오르막 보행은 각각 0.87 m, 0.86 m로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.70 m, 0.66 m로 나타나, 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 조금 높게 나타났다. 정상측 활보장 평균값은 마이크로 제어방식 넓적다리의지 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 넓적다리의지 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.87 m, 0.85 m로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.71 m, 0.66 m로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 유의한 차이가 나타났다.

절단측 입각기 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 64.0%, 64.4%로 나타났고, 내리막 보행은 각각 59.1%, 61.7%로 나타났다. 정상측 입각기 시 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 71.9%, 71.4%로 나타났고, 내리막 보행은 각각 68.5%, 70.3%로 나타났다.

절단측 유각기 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절 착용 시 오르막 보행은 각각 35.9%, 34.9%로 나타났고, 내리막 보행은 각각 40.8%, 38.3%로 나타났다. 정상측 유각기 평균값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 넓적다리의지 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 28.0%, 28.5%로 나타났고, 내리막 보행은 각각 31.4%, 29.6%로 나타났다(표 3).

Table 3.

Spatio-temporal parameter during treadmill negotiation MPK & N-MPK

3-3 운동형상학적 변수(Kinematic Parameters)

절단측 엉덩관절 굽힘 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 33.2°, 31.2°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 19.8°, 18.4°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 조금 높게 나타났다. 절단측 엉덩관절 폄 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –8.90°, -11.3° 나타났고, 내리막 보행은 각각 –5.29°, -12.9°로 나타났다.

정상측 엉덩관절 굽힘 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 넓적다리의지 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 37.5°, 36.6°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 24.5°, 23.7°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 조금 높게 나타났다. 정상측 엉덩관절 폄 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –0.40°, -1.39°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄이 감소하였고, 내리막 보행은 각각 –0.85°, -1.39°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 감소가 높게 나타났다.

절단측 무릎관절 굽힘 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 45.5°, 47.2°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 50.1°, 47.6°로 나타났다.

절단측 무릎관절 폄 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –0.76°, -4.33°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄이 감소하였고, 내리막 보행은 각각 0.01°, -2.35°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 감소가 높게 나타났다.

정상측 무릎관절 굽힘 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 53.6°, 54.0°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 52.0°, 54.4°로 나타났다, 정상측 무릎관절 폄 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절 착용 시 오르막 보행은 각각 –3.39°, -2.39°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.98°, -2.93°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 감소가 높게 나타났다.

절단측 발목관절 발등 굽힘 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 9.82°, 8.82°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 7.75°, 4.49°로 나타났다. 절단측 발목관절 발바닥 굽힘 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –3.91°, -4.16°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 발바닥 굽힘이 감소했고, 내리막 보행은 각각 –6.83°, -7.42°로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 발바닥 굽힘 감소가 나타났다.

정상측 발목관절 발등 굽힘 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 10.0°, 12.0°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 6.17°, 7.42°로 나타났다. 정상측 발목관절 발바닥 굽힘 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –21.2°, -16.1°로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –21.1°, -18.7°로 나타났다(표 4).

Table 4.

Kinemetic parameter of treadmill negotiation using MPK & N-MPK

3-4 운동학적 변수(Kinetic Parameters)

절단측 엉덩관절 굽힘 모멘트 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.51 Nm/kg, 0.48 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.50 Nm/kg, 0.60 Nm/kg로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 조금 낮게 나타났다. 절단측 엉덩관절 폄 모멘트 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –0.36 Nm/kg, -0.31 Nm/kg로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 모멘트가 감소하였고, 내리막 보행은 각각 –0.18 Nm/kg, -0.32 Nm/kg로 나타났다.

정상측 엉덩관절 굽힘 모멘트 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.06 Nm/kg, 0.12 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.10 Nm/kg, 0.09 Nm/kg로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 조금 높게 나타났다. 정상측 엉덩관절 폄 모멘트 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –0.60 Nm/kg, -0.51 Nm/kg로 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 모멘트가 감소했고, 내리막 보행은 각각 –0.57 Nm/kg, -0.65 Nm/kg로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 모멘트 감소가 나타났다.

절단측 무릎관절 굽힘 모멘트 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.48 Nm/kg, 0.59 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –0.05 Nm/kg, 0.21 Nm/kg로 나타났고, 절단측 무릎관절 폄 모멘트 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –0.23 Nm/kg, -0.03 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –0.53 Nm/kg, -0.25 Nm/kg로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 폄 모멘트 감소가 나타났다.

정상측 무릎관절 굽힘 모멘트 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.50 Nm/kg, 0.54 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.28 Nm/kg, 0.35 Nm/kg로 나타났다, 정상측 무릎관절 폄 모멘트 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –0.29 Nm/kg, -0.48 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –0.11 Nm/kg, -0.03 Nm/kg로 나타났다.

절단측 발목관절 발등 굽힘 모멘트 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.08 Nm/kg, 0.09 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 0.21 Nm/kg, 0.11 Nm/kg로 나타났다. 절단측 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –1.07 Nm/kg, -1.01 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –0.78 Nm/kg, -0.62 Nm/kg로 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 발바닥 굽힘 모멘트 감소가 나타났다.

정상측 발목 관절 발등 굽힘 모멘트 최댓값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 0.01 Nm/kg, 0.03 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –0.06 Nm/kg, -0.06 Nm/kg 로 나타났다. 정상측 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트 최솟값은 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시와 비마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 오르막 보행은 각각 –1.30 Nm/kg, -1.20 Nm/kg로 나타났고, 내리막 보행은 각각 –1.09 Nm/kg, -1.02 Nm/kg로 나타났다(표 5).

Table 5.

Kinetic parameter of treadmill negotiation using MPK & N-MPK

Ⅳ. 논 의

선행 연구의 비마이크로 제어방식 무릎관절장치는 모두 계단과 경사지 보행 시 무릎관절장치에서 유각기와 입각기 동안 굽힘과 폄 저항을 조절하는 기능(damping, kneeling)이 없는 무릎관절장치를 사용하였다[16]. 그러나 본 연구에서는 굽힘과 폄 저항 조절 기능이 있는 비마이크로 제어방식 무릎관절장치를 실험에 사용하였다. 그리고 경사지 각도를 ±7° 로 제한하여 실시한 보행분석 결과, 시간-거리 변수에서 정상측 오르막 보행 시 활보장과 절단측 내리막 보행 시 활보장은 마이크로 제어방식 무릎관절장치가 높게 나타났지만, 운동형상학적 변수에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다.

본 연구에서 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 나타난 운동학적 변수 중 무릎관절장치 굽힘에 대한 모멘트값은 내리막 보행 시 절단측에서는 –0.05 Nm/kg, 정상측에서는 0.28 Nm/kg 로 각각 나타나 마이크로 제어방식 무릎관절장치 착용 시 무릎관절 굽힘 모멘트가 낮게 나타나, 무릎관절 굽힘 모멘트 감소로 내리막 보행시 안정성이 유지 된다는 선행 연구결과와 일치하였다[17].

이번 실험을 통해 실시간 굽힘과 폄 저항 조절 기능의 마이크로 전자제어식 무릎관절장치가 비마이크로 전자제어식 특히, 비실시간 굽힘과 폄 저항 조절 기능을 갖춘 무릎관절장치보다 경사로 보행 시 월등히 우수 할 것으로 예측하였으나 일부 변수를 제외하고는 전반적으로 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 본 연구에서 트레드밀 기울기 각도를 ±7°로 낮게 설정하여 연구를 진행하여 기대했던 결과가 나타나지 않았지만, 추후 진행되는 연구에서는 트레드밀 경사로 기울기 각도를 ±10° 이상으로 설정하여 실험을 진행한다면, 마이크로 제어무릎관절장치와 비 마이크로 제어 무릎관절장치의 보행시 특성이 유의하게 나타날 수 있을 것으로 판단한다.

Ⅴ. 결 론

넓적다리 절단장애인의 의지착용 보행 시 경사로 보행과 계단 보행 동안 안정성은 매우 중요하다. 본 연구 결과 마이크로 제어방식 무릎관절장치가 비마이크로 제어방식 무릎관절장치보다 경사로 내리막 보행 시 절단측과 정상측에서 안정성이 높게 나타났지만, 대부분의 다른 변수들은 유의한 차이가 나타나지 않았다. 특히, 본 연구에서 사용한 비마이크로 제어방식 무릎관절장치는 실시간 굽힘과 폄 조절 기능이 포함된 무릎관절장치를 사용하여 경사로에서 마이크로 전자제어 무릎관절장치와 유의한 차이가 나타나지 않은 것으로 판단된다. 또한, 보행 분석을 위한 트레드밀 길이가 좁고, 짧았으며, 경사각도도 ±7° 로 낮게 제한되어 이러한 결과가 나온 것으로 판단된다.

Acknowledgments

이 연구는 중앙보훈병원 내부연구과제 연구비(VHSMC21010)와 2023학년도 나사렛대학교 교내연구비 지원에 의해 수행 하였음.

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