KR102214913B1 - 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법 - Google Patents

수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인체의 손가락(수지)의 근위지 관절의 신전에 기여하는 외인성 및 내인성 근육의 생역학을 측정하여 각각의 근육계의 기여 정도를 분석하기 위한 기술에 관한 것이다.

Description

수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법{Methods for biomechanical analysis of muscular systems contributing to the proximal joint kidney of human fingers}
본 발명은 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인체의 손가락(수지)의 근위지 관절의 신전에 기여하는 외인성 및 내인성 근육의 생역학을 측정하여 각각의 근육계의 기여 정도를 분석하기 위한 기술에 관한 것이다.
인간의 손은 다른 동물이나 인체 다른 부위에 비해 높은 정밀도와 조작 능력을 가지고 있기 때문에 산업 현장과 일상 생활에서의 일차적인 생산 수단 및 도구로서 중요한 위치를 차지한다.
하지만 현대 과학 기술의 눈부신 발전으로 사회 여러 분야에서 자동화가 빠른 속도로 전개되어 인간의 손을 대신할 수 있는 장치를 필요로 하게 되었다. 인간의 손을 대신할 장치들은 다양하고 복잡한 동작이 요구되므로 대체로 손의 기능을 모방한다. 손의 기능을 모방하기 위해서는 손의 구조와 신경의 명령체계 등에 대한 연구가 선행되어야 하며 이러한 연구 결과를 바탕으로 손의 생체역학적 모델을 개발하여 동작해석, 하중해석 등과 같은 다양한 공학적 해석을 수행할 필요가 있다.
이러한 손가락을 움직이는 근육은 손가락 위쪽에서 신전을 주관하는 근육(신전근)과 손가락 아래쪽에서 굽힘을 주관하는 근육(굽힘근)으로 분류된다(표 1, 그림 1). 원위지 관절의 신전근은 종말신건(terminal extensor, TE)이며, 굽힘근은 심지굴근(flexor digitorum profundus, FDP)이다. 근위지관절의 신전근은 요측밴드(radial band, RB), 척측밴드(ulnarband, UB), 중앙신건(extesor slip, ES)이며, 굽힘근은 심지굴근과 천지굴근(flexor digitorum superficialis, FDS)이다. 또한 중수수지 관절의 신전근은 장신전근(long extesor,LE)이며, 굽힘근은 심지굴근, 천지굴근, 내재근(intrinsic muscles of hand, INT)이다. 내재근은 요측내재근(radial interosseous, RI), 척측내재근(ulnar interosseous, UI), 충양근(lumbrical, LU)으로 나뉜다. 또한 요측내재근과 척측내재근은 손가락의 측면에 위치하는 근육으로 중수수지관절의 척골 운동도 주관한다.
이와 같은 손가락의 생체역학 모델에 관한 연구는 1970년대부터 시작되었으며, 일반적으로 근육의 에너지 소비와 관련된 것으로 알려진 근육의 응력을 최소화하는 근육 작용을 찾기 위한 최적화 기법 등이 사용되어 왔다(Chao 등, 1989; Dennerlein 등, 1998). 또한 손가락 끝에 하중이 가해질 때, 각 관절의 굽힘 각도에 따른 관절력과 근력을 계산하고, 피아노를 칠 때 등 특정 작업에 적합한 자세를 찾는 연구가 수행되었다(Harding 등, 1993;Li 등, 2000).
그러나 종래에는 손가락의 원위지 관절의 신전에 대한 분석은 이루어지고 있었으나, 근위지 관절의 신전에 관여하는 근육계의 기여 정도를 분석하는 연구가 없었기 때문에, 본 발명과 같은 분석 방법의 개발이 필요하였다.
등록특허 제10-1571314호 '손가락 관절의 회전각 계측 장치'
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 인체의 손가락(수지)의 근위지 관절의 신전에 기여하는 외인성 및 내인성 근육의 생역학을 측정하여 각각의 근육계의 기여 정도를 분석하기 위한 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법은 신선 동결 카데바 수지를 준비하는 단계(S100); 준비된 신선 동결 카데바 수지를 분석 장치에 장착하는 단계(S200); 장착된 카데바 수지에 하중을 부과하여 수지의 관절 각도를 측정하는 단계(S300); 상기 측정된 각도값에 따라, 카데바 수지의 내인성 신전근육 및 외인성 신전근육의 평균 경사각을 측정하는 단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 신선 동결 카데바 수지는, 힘줄 중 5개의 힘줄(Extensor digitorum communis, intrinsic ulnar interosseous, radial interosseous, lumricalis, flexor digitorum superficialis)이 보존된 가운데 손가락인 것을 특징으로 하되, 상기 보존된 힘줄에 프로린 봉합(prolene suture)실을 연결하고, 상기 카데바 수지의 길이방향과 직교되는 방향으로 4개의 강선이 카데바 수지의 각 골구조물에 삽입된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분석 장치는, 지면에 설치되도록 프로파일 조립체로 이루어진 지지대(100); 상기 지지대의 일측에 결합되며, 체결부재(200)를 매개로 연결되는 다수의 고정블록(300) 및 유동블록(400); 상기 고정블록에 결합되는 엑추에이터부재(500); 및 상기 엑추에이터부재를 제어하기 위한 제어부(600);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 인체의 손가락(수지)의 근위지 관절의 신전에 기여하는 외인성 및 내인성 근육의 생역학을 측정하여 각각의 근육계의 기여 정도를 정확하게 측정 및 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 손가락(수지)에 작용하는 다양한 근육들의 기여도와 힘, 나악 효율성까지 분석할 수 있는 효과가 있음은 물론, 추후 지속적인 개량을 통해 족지, 팔, 종아리 또는 허벅지 등 다양한 근육 연구에 사용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 카데바 수지의 강선 위치를 개략적으로 나타낸 예시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 카데바 수지의 힘줄 봉합고리를 개략적으로 나타낸 예시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 분석 장치를 나타낸 예시도,
도 5 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 측정하는 상태를 나타낸 예시도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다. 각 도면에 제시된 동일한 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 블록도, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 카데바 수지의 강선 위치를 개략적으로 나타낸 예시도, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 카데바 수지의 힘줄 봉합고리를 개략적으로 나타낸 예시도, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 측정하는 상태를 나타낸 예시도이다.
본 발명은 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법에 있어서,
신선 동결 카데바 수지를 준비하는 단계(S100); 준비된 신선 동결 카데바 수지를 분석 장치에 장착하는 단계(S200); 장착된 카데바 수지에 하중을 부과하여 수지의 관절 각도를 측정하는 단계(S300); 상기 측정된 각도값에 따라, 카데바 수지의 내인성 신전근육 및 외인성 신전근육의 평균 경사각을 측정하는 단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 신선 동결 카데바 수지는, 힘줄 중 5개의 힘줄(Extensor digitorum communis, intrinsic ulnar interosseous, radial interosseous, lumricalis, flexor digitorum superficialis)이 보존된 가운데 손가락인 것을 특징으로 하되, 상기 보존된 힘줄에 프로린 봉합(prolene suture)실을 연결하고, 상기 카데바 수지의 길이방향과 직교되는 방향으로 4개의 강선이 카데바 수지의 각 골구조물에 삽입된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 4개의 강선은 카데바 수지의 앞쪽부터 제1강선, 제2강선, 제3강선 및 제4강선으로 구성되는 것으로 자세한 내용은 다음과 같다.
- 1번 강선: 추를 달아서 근위지 관절 (PIP joint) 을 굴곡시키는 실험을 위한 초기 zero position을 잡는 용도
- 2번 강선: 근위지 관절의 굴곡 신전 운동시 회전의 중심이 되는 용도
- 3번 강선: 2번과 3번 강선으로 실험 기구에 각각의 실험용 수지를 탑재하는 역할
- 4번 강선: 이 강선은 자유롭게 회전하며 중수수지관절의 굴곡 정도를 조절
이때, 상기 강선들은 바람직하게는 1.6mm Kirschner 강선을 사용한다.
한편, 상기 분석 장치는, 지면에 설치되도록 프로파일 조립체로 이루어진 지지대(100); 상기 지지대의 일측에 결합되며, 체결부재(200)를 매개로 연결되는 다수의 고정블록 및 유동블록; 상기 고정블록에 결합되는 엑추에이터부재(500); 및 상기 엑추에이터부재를 제어하기 위한 제어부(600);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 지지대는 도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이, 지면에 설치되도록 프로파일 조립체로 구성되는 것으로, 바람직하게는 통상의 알루미늄프로파일로 형성될 수 있으며, 분석 장치가 지면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어질 수 있도록 하기 위한 부재이다.
한편, 상기 체결부재는 상기 고정블록 및 유동블록을 각각 체결하기 위한 매개체로서, 단면이 원형 또는 다각형으로 이루어진 바(bar)형태로 형성되며, 바람직하게는 제1체결부재(210), 제2체결부재(220), 제3체결부재(230), 제4체결부재(240) 및 제5체결부재(250)을 포함한다.
또한, 상기 고정블록은 도 3에서 보는 바와 같이, 제1고정블록(310), 제2고정블록(320), 제3고정블록(330), 제4고정블록(340), 제5고정블록(350) 및 제6고정블록(360)을 포함한다.
이때, 상기 제1고정블록은 바람직하게는 상기 지지대의 상부 일측에 중앙을 기준으로 대칭되도록 한 쌍의 제1고정블록이 결합된다.
또한, 상기 제2고정블록은 상기 제1고정블록에 관통되는 제1체결부재(210)의 외측에 결합되며, 부채꼴 형상으로 형성되어 면상에 다수의 위치조절홈(321)이 구비되어 이루어진다.
이때, 상기 위치조절홈은 후술되는 제4유동블록의 양측 단부에 체결된 보조체결부재가 결합될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제3고정블록은 상기 제1고정블록에 관통되는 제1체결부재의 내측에 결합된다.
또한, 상기 제4고정블록은 상기 제3고정블록에 상기 제1체결부재와 직교되는 방향으로 제2체결부재(220)가 결합되며, 상기 제2체결부재가 관통되도록 결합되도록 이루어진다.
또한, 상기 제5고정블록은 상기 제2체결부재의 단부에 결합되도록 이루어진다.
이때, 상기 제5고정블록은 상기 제2체결부재의 길이방향을 따라 이동가능하되, 필요 시 고정이 가능하도록 별도의 고정레버부재(351)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제6고정블록은 상기 제5고정블록에 상기 제2체결부재와 직교되는 하부방향으로 제3체결부재(230)가 결합되며, 상기 제3체결부재를 매개로 결합되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제6고정블록은 일측에 상기 엑추에이터부재가 결합되어 측정대상물(10)에 연결되는 와이어부재(510) 권취되도록 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 유동블록은 도 4에서 보는 바와 같이, 제1유동블록(410), 제2유동블록(430), 제3유동블록(430), 제4유동블록(440) 및 제5유동블록(450)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1유동블록은 바람직하게는 상기 한 쌍의 제1고정블록의 내측에 결합되어 이루어진다.
또한, 상기 제2유동블록은 상기 제1유동블록에 제4체결부재(240)를 매개로 연결되도록 이루어진다.
여기서, 상기 제1유동블록 및 제2유동블록은 바람직하게는 상기 제1고정블록과 마찬가지로 한 쌍으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 한 쌍의 제2유동블록 중 어느 하나의 블록에는 보조유동블록(460)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3유동블록은 상기 제4체결부재에 관통되어 상기 제1유동블록 및 제2유동블록 사이에 왕복이송가능하도록 결합되어 이루어진다.
또한, 상기 제4유동블록은 상기 제2체결부재에 관통되어 결합되며, 상기 제4고정블록 및 제5고정블록 사이에 결합되어 이루어진다.
또한, 상기 제5유동블록은 상기 제4고정블록의 하부방향으로 제5체결부재(250)를 매개로 결합되어 이루어진다.
한편, 상기 엑추에이터부재는 통상적으로 사용되는 엑추에이터로 적용이 가능하며, 이에 한정하지 아니한다.
한편, 상기 제어부는 도 1에서 보는 바와 같이, 컴퓨터, 노트북 또는 스마트단말기가 해당될 수 있으며, 상기 엑추에이터의 제어 및 측정된 데이터를 별도의 소프트웨어를 통해 분석하도록 한다.
한편, 본 발명의 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법의 실시예에 따른 측정 결과 및 분석은 다음과 같다.
먼저, 신선 동결 카데바 수지를 분석 장치에 장착하여 PIP(proximal inter-phalangeal) 관절 각도를 20°와 60°로 설정하여 측정을 수행하였다.
Fingers Extrinsic group Intrinsic group p value
#1 -0.119 -0.077
#2 -0.130 -0.109
#3 -0.143 -0.117
#4 -0.117 -0.074
#5 -0.204 -0.189
#6 -0.201 -0.131
#7 -0.124 -0.122
Mean -0.148(SD, 0.04) -0.117(SD, 0.04) 0.01
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 총 7개의 카데바 중수지를 이용하여 측정을 수행한 결과, PIP 관절의 각도가 20°인 경우, 외인성 신전근육과, 내인성 신전근육의 평균 경사각은 각각 -0.148, -0.117로 측정되었다.
Fingers Extrinsic group Intrinsic group p value
#1 -0.095 -0.078
#2 -0.091 -0.079
#3 -0.150 -0.068
#4 -0.108 -0.071
#5 -0.252 -0.158
#6 -0.185 -0.145
#7 -0.146 -0.131
Mean -0.147(SD, 0.06) -0.104(SD, 0.04) 0.015
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 총 7개의 카데바 중수지를 이용하여 측정을 수행한 결과, PIP 관절의 각도가 60°인 경우, 외인성 신전근육과, 내인성 신전근육의 평균 경사각은 각각 -0.147, -0.104로 측정되었다.
즉, 이와 같은 측정 결과는 관절 수지의 근위지 관절 신전에 외인성 신전근육보다 내인성 신전근육이 보다 많은 기여를 한다는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 인체의 손가락(수지)의 근위지 관절의 신전에 기여하는 외인성 및 내인성 근육의 생역학을 측정하여 각각의 근육계의 기여 정도를 정확하게 측정 및 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 손가락(수지)에 작용하는 다양한 근육들의 기여도와 힘, 나악 효율성까지 분석할 수 있는 효과가 있음은 물론, 추후 지속적인 개량을 통해 족지, 팔, 종아리 또는 허벅지 등 다양한 근육 연구에 사용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도면과 명세서에서 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
S100 ... 준비 단계
S200 ... 장착 단계
S300 ... 관절 각도 측정 단계
S400 ... 평균 경사각 측정 단계

Claims (3)

  1. 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법에 있어서,
    신선 동결 카데바 수지를 준비하는 단계(S100);
    준비된 신선 동결 카데바 수지를 분석 장치에 장착하는 단계(S200);
    장착된 카데바 수지에 하중을 부과하여 수지의 관절 각도를 측정하는 단계(S300);
    상기 측정된 각도값에 따라, 카데바 수지의 내인성 신전근육 및 외인성 신전근육의 평균 경사각을 측정하는 단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 신선 동결 카데바 수지는,
    힘줄 중 5개의 힘줄(Extensor digitorum communis, intrinsic ulnar interosseous, radial interosseous, lumricalis, flexor digitorum superficialis)이 보존된 가운데 손가락인 것을 특징으로 하되,
    상기 보존된 힘줄에 프로린 봉합(prolene suture)실을 연결하고, 상기 카데바 수지의 길이방향과 직교되는 방향으로 4개의 강선이 카데바 수지의 각 골구조물에 삽입된 것을 특징으로 하는 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분석 장치는,
    지면에 설치되도록 프로파일 조립체로 이루어진 지지대(100); 상기 지지대의 일측에 결합되며, 체결부재(200)를 매개로 연결되는 다수의 고정블록(300) 및 유동블록(400); 상기 고정블록에 결합되는 엑추에이터부재(500); 및 상기 엑추에이터부재를 제어하기 위한 제어부(600);로 구성되는 것을 특징으로 하는 수지의 근위지 관절 신전에 기여하는 근육계에 대한 생역학 분석 방법.

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