KR102572600B1 - 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법 - Google Patents

척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마사지 장치의 안전성 및 유효성을 예측하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따른 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법은 사용자 신체의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계와, 척추 온열 기기의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계와, 상기 척추 온열 기기의 설정값을 설정하는 단계와, 설정된 값으로 상기 척추 온열 기기가 작동함에 따라 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계와, 사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계, 및 사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법{Methods for predicting safety and effectiveness of spinal thermal devices}
본 발명은 마사지 장치의 안전성 및 유효성을 예측하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법에 관한 것이다.
척추 견인은 요추에 일정하거나 간헐적인 스트레칭 축력을 제공하여 척추 조직을 더 나은 정렬로 분산시키고, 추간판(intervertebral disc, IVD)의 압력을 감소시키며, 요통(lower back pain, LBP)을 관리하는 물리적인 치료이다.
그러나 종래의 척추 견인 장치는 사용자의 두개골 방향으로 척추에 축 방향(길이 방향) 견인력을 인가하는 방식으로 사용자의 척추를 견인했으나, 이러한 축 방향 견인은 정상적인 전만 곡률(normal lordotic curvature)을 변화시키거나, 요추 전만 각도(lumber lordotic angle)를 감소시킬 수 있으며, 잠재적으로 근육통, 경련, 관절이나 인대 손상 및 추간판의 압력 감소가 충분하지 않게 되는 다양한 문제가 있을 수 있다.
또한, 사용자의 신체 체형(정상, 과체중, 중등도 비만, 극단적 비만 등)을 고려하지 않고 척추 견인을 진행할 경우 견인 효과가 일정하지 않을 수 있고, 견인 효과 향상을 위해 척추를 지나치게 견인할 경우 사용자가 부상을 입게 될 우려도 있다.
일본 공개특허 공보 제2019-517886호에는 종래의 경락 온열 치료기의 치료용 열에너지의 계측 시스템과 그 방법과 그 응용이 개시되나, 사용자의 신체 체형을 고려한 견인 정도에 대한 정량적인 정보는 개시되지 않는다. 따라서 척추 온열 기기를 통해 제공되는 견인 효과를 최적화할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 척추 온열 기기를 통해 높이 방향을 따라 뒤쪽에서 앞쪽으로(posteroanterior, PA, 후전방) 상승하면서 견인 효과를 제공하되, 사용자의 신체 체형에 따라 견인 효과를 최적화할 수 있고, 이를 통해 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 사용자 신체의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계와, 척추 온열 기기의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계와, 상기 척추 온열 기기의 설정값을 설정하는 단계와, 설정된 값으로 상기 척추 온열 기기가 작동함에 따라 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계와, 사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계, 및 사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계를 포함하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법이 제공된다.
이때, 상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계는, 사용자 신체의 응력 및 변형율을 시각화하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계는, 상기 척추 온열 기기의 도자가 높이 방향을 따라 상승함에 따라 사용자의 신체가 길이 방향을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계는, 상기 척추 온열 기기의 도자가 높이 방향을 따라 상승함에 따라 사용자의 신체가 길이 방향을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 척추 깊이에 해당하는 부분의 응력 및 변형율을 계산하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계는, 사용자의 신체 위치별 척추 간격 데이터를 반영해서 사용자 신체의 변형율 값을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 사용자 신체의 응력 및 변형율을 계산하는 단계는, 동적 명시적 공식화(dynamic explicit formulation)를 통해 계산하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 척추 온열 기기의 설정값을 설정하는 단계는, 도자 온도, 도자 높이, 발열체 온도를 설정하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계 이후에는, 설정된 도자 온도, 도자 높이, 발열체 온도의 범위 내에서 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계는, 사용자 신체 체형에 따른 구조 변화에 따라 사용자 체형별 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 사용자 신체의 3차원 구조 데이터는, 표피, 피하지방, 연조직, 근육, 척추, 추간판, 경막외 지방, 뇌척수액, 척수로 구분되는 3차원 구조 데이터일 수 있다.
상기의 구성에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법은 사용자 신체의 3차원 구조 데이터와 척추 온열 기기의 3차원 구조 데이터를 생성하고, 척추 온열 기기가 설정값에 따라 작동하는 과정에서 사용자 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산한 후 이를 견인 정도로 변환함으로써 사용자의 신체 체형에 따라 견인 효과를 최적화할 수 있고, 이를 통해 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측할 수 있게 된다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기를 도시한 평면도이다.
도 4는 사용자의 허리 모델을 도시한 도면으로, (a)는 정상 BMI 사용자의 허리 MRI 스캔 결과를 도시한 도면이고, (b)는 조직 분할(Segmentation of tissues)을 도시한 도면이고, (c)는 요추 디스크와 척추의 3D 랜더링 도면이며, (d)는 요추 디스크와 척추의 유한 요소 메쉬(Finite element mesh)를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기 및 침대 매트 레이어를 도시한 도면으로, 다양한 견인 수준에서 도자의 수직 위치를 나타내고 있으며, (a)는 정지 위치(resting position)를 나타내고, (b)는 견인 수준 3(TL3)에서 도자의 수직 변위를 나타내고, (c)는 견인 수준 6(TL6)에서 도자의 수직 변위를 나타내며, (d)는 견인 수준 9(TL9)에서 도자가 도달할 수 있는 최대 높이(정지 위치보다 62mm 상승)를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기 및 모델 어셈블리를 도시한 도면으로, (a)는 인가되는 응력(stress)을 도시한 도면이고, (b)는 척추 온열 기기에 의해 생성된 후전방 견인에 의해 정상 BMI 사용자의 조직에 발생하는 변형(strain)을 도시한 도면이다.
도 7은 다양한 BMI 모델에 대한 3D 응력을 도시한 도면으로, (a)는 정상 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이고, (b)는 과체중 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이고, (c)는 중등도 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이며, (d)는 극단적 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이다.
도 8은 다양한 BMI 모델에 대한 평균 응력을 양적으로 비교한 도면으로, (a) 내지 (f)는 각 요추 디스크의 위치별 견인 수준(TL1 ~ 9)에 따른 평균 응력을 BMI(정상, 과체중, 중등도 비만, 극단적 비만)에 따라 분류하여 도시한 도면이다.
도 9는 다양한 BMI 모델에 대한 3D 변형을 도시한 도면으로, (a)는 정상 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이고, (b)는 과체중 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이고, (c)는 중등도 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이며, (d)는 극단적 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이다.
도 10은 다양한 BMI 모델에 대한 변형을 양적으로 비교한 도면으로, (a) 내지 (f)는 각 요추 디스크의 위치별 견인 수준(TL1 ~ 9)에 따른 변형을 BMI(정상, 과체중, 중등도 비만, 극단적 비만)에 따라 분류하여 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어와 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 않고, 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 발명자가 용어와 개념을 정의할 수 있는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법을 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기를 도시한 평면도이고, 도 4는 사용자의 허리 모델을 도시한 도면으로, (a)는 정상 BMI 사용자의 허리 MRI 스캔 결과를 도시한 도면이고, (b)는 조직 분할(Segmentation of tissues)을 도시한 도면이고, (c)는 요추 디스크와 척추의 3D 랜더링 도면이며, (d)는 요추 디스크와 척추의 유한 요소 메쉬(Finite element mesh)를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기 및 침대 매트 레이어를 도시한 도면으로, 다양한 견인 수준에서 도자의 수직 위치를 나타내고 있으며, (a)는 정지 위치(resting position)를 나타내고, (b)는 견인 수준 3(TL3)에서 도자의 수직 변위를 나타내고, (c)는 견인 수준 6(TL6)에서 도자의 수직 변위를 나타내며, (d)는 견인 수준 9(TL9)에서 도자가 도달할 수 있는 최대 높이(정지 위치보다 62mm 상승)를 나타낸 도면이다. 여기서 X 축은 길이 방향(축 방향)으로, 척추 온열 기기가 사용자를 온열 마사지하기 위해 사용자의 신체를 따라 이동하는 방향을 의미하고, Y 축은 폭 방향으로, 사용자의 좌우 방향을 의미하며, Z 축은 높이 방향으로, 척추 온열 기기의 도자가 사용자를 가압하기 위해 상승하는 방향을 의미한다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 컴퓨터를 이용하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법으로서, 이러한 컴퓨터를 이용해서, 사용자 신체의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계(S100)와, 척추 온열 기기(10)의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계(S200)와, 상기 척추 온열 기기(10)의 설정값을 설정하는 단계(S300)와, 설정된 값으로 상기 척추 온열 기기(10)가 작동함에 따라 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계(S400)와, 사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계(S500), 및 사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계(S600)를 포함하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법이 제공된다.
이때, 사용자의 신체와 관련된 데이터는 기 보유하고 있는 사용자의 신체 데이터일 수 있으며, 이는 CT(Computed Tomography)나 MRI(magnetic resonance imaging) 데이터일 수 있다. 또한, 사용자의 신체 데이터는 표피, 피하지방, 연조직, 근육, 척추, 추간판, 경막외 지방, 뇌척수액, 척수로 구분되는 3차원 구조 데이터일 수 있다. 이와 같이 사용자의 신체 데이터를 모델링해서 시뮬레이션을 수행하면 다양한 사용자의 체형에 대한 안전성 및 유효성 예측이 가능하게 된다. 즉, BMI 수치에 따라 응력 및 변형율이 달라지고, 이와 동시에 부상을 입을 위험이 있는지 여부가 달라지게 되며, 이를 통해 BMI 수치에 따라 최적의 견인 효과를 제공할 수 있는 응력 및 변형율을 도출할 수 있으며, 이를 척추 온열 기기(10)에 반영하면 다양한 사용자에게 최적의 견인 효과를 제공할 수 있게 될 뿐만 아니라 부상을 피할 수 있는 주의사항 전달도 가능하게 된다.
CP Spine 어레이 코일이 장착된 3T Siemens MAGNETOM Prisma 스캐너를 사용하여 건강한 성인 남성(BMI: 25kg/m2, 연령: 42세)의 T2-가중 MRI(T2-weighted MRI)를 수행(미국 펜실베니아주 지멘스 헬시니어스, Siemens Healthineers, PA, USA)했다. 이미지 수집 매개변수는, TE = 99ms, TR = 7040ms, 플립 각도 = 130°, FOV = 256mm, SNR = 1, 면내 해상도 = 256 x 256, 슬라이스 두께 = 1mm, 복셀 크기: 1 x 1 x 1mm로 설정되었다.
MRI는 영상 강도에 따라 피부, 피하지방, 연조직, 근육, 추간판, 척추, 경막외 지방, 뇌척수액, 척수의 9개 조직 마스크로 분할되었다. 수동 조직 분할은 먼저 이미지 임계값을 지정하여 수행한 다음 플러드 필(flood fill), 팽창(dilation) 및 침식(erosion)과 같은 형태학적 필터링을 Simpleware ScanIP(Synopsys Inc., CA, USA)에서 수행했다. 철저한 검토와 조정을 통해 대상의 척추와 주변 조직의 최첨단 정밀도를 보장했다.
정상 BMI 사용자의 피하 지방(두께: 13mm)을 인공적으로 더 확장하여 다른 BMI 값, 즉 과체중(25 < BMI < 30, 두께: 26mm), 중등도 비만(30 < BMI < 40, 두께: 52mm), 극단적 비만(40 < BMI < 65, 두께: 86mm)으로 설정하였다. 확장 절차(dilation procedure)를 위해 정상 BMI 척추 모델의 피하지방을 먼저 피부와 병합한 후, 앞서 언급한 지방 두께로 등척성(isometrically) 확장시킨 후 병합된 마스크를 피부의 원래 두께(~ 1mm)만큼 더 확장하여 새로운 스킨 마스크를 형성했다.
4개의 BMI 모델은 적응 사면체 복셀 기반 메싱 알고리즘(adaptive tetrahedral voxel-based meshing algorithm)을 사용하여 Simpleware ScanIP에서 더 미세한 메시로 형성되었다. 그 결과 정상 BMI 모델은 > 3.36M의 사면체 요소(tetrahedral elements)로 구성되었고, 과체중 BMI 모델은 > 3.43M 요소, 중등도 비만 모델은 > 3.46M 요소, 그리고 극단적 비만 모델은 > 3.68M 요소를 포함했다. 4개의 모델은 나중에 FEM(유한 요소 방법) 모델을 계산적으로 해결하기 위해 Abaqus(v.2019, Dassault Systems, MA, USA)로 가져왔다.
후전방 견인력을 제공하는 척추 온열 기기(10)(Master 4, CGM MB-1901, CERAGEM Co. Ltd., 천안)의 수치 모델링을 사용하여 적용했다. 척추 온열 기기(10)의 부품 위치 지정을 위해 Abaqus(v.2019, Dassault Systems, MA, USA)로 가져와 여러 가동 구성 요소의 회전 연결(힌지)을 생성했으며, 적응형 사면체 복셀 기반 메쉬 알고리즘을 사용하여 형성되었다. 척추 온열 기기(10)는 장치 침대 위에 앙와위 자세로 누워 있는 환자의 두개골 방향인 길이 방향(X)을 따라 수평으로 이동할 수 있다. 또한, 척추 온열 기기(10)는 장치 매트 아래에 위치한 4개의 마사지 도자(11)로 구성되며, 4개의 도자(11)는 직사각형의 꼭짓점 위치에 배열된다. 도자(11) 사이의 폭 방향(Y) 거리(a)는 56mm이고, 상단 및 하단 도자(11) 사이의 길이 방향(X) 거리는 32mm이다. 4개의 도자(11)에 대한 폭(c)은 65mm, 원형 끝의 직경(d)은 45mm, 두 원형 끝 사이의 간격(e)은 30mm이다.
척추 온열 기기(10)에는 도자(11)의 길이 방향(X) 위치를 조정하는 구동부(12)가 구비될 수 있고, 도자(11)를 지지하기 위한 지지부(13)가 구비될 수 있다. 지지부(13)는 길이 방향(X) 일측에 배치되는 도자(11)를 지지하는 제1 지지 부재(13a)와, 길이 방향(X) 타측에 배치되는 도자(11)를 지지하는 제2 지지 부재(13b)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 척추 온열 기기(10)의 3차원 구조 데이터를 생성한 후에 척추 온열 기기(10)의 설정값을 설정하게 된다. 이러한 설정값은 사용자가 선택한 온열 마사지 모드에 따른 도자(11) 온도, 도자(11) 높이, 발열체 온도 등 일 수 있다.
이후 설정된 값으로 척추 온열 기기(10)가 작동함에 따라 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하게 된다. 이때, 사용자의 표피, 근육, 척추, 추간판의 응력 및 변형율을 계산할 수 있다.
도자(11)는 사용자의 척추 곡률을 식별하기 위해 높이 방향(Z)을 따라 수직으로 이동한다. 그런 다음 도자(11)는 사용자 척추의 요추 또는 경추 부위의 특정 위치로 이동하고 점차적으로 높이 방향(Z)으로 마사지 롤러를 들어 올린다. 도자(11)의 수직 변위는 척추 온열 기기(10)의 견인 수준(TL) 설정에 의해 제어된다. 전체 동작 범위는 9개의 연속 TL 값으로 나뉜다. 여기서 도자(11)의 수직 변위는 각 견인 수준에서 약 6.9mm 증가하여 TL9에서 최대 수직 변위가 62mm가 된다. 도 5는 초기 위치(도 5의 (a))와 견인 수준 3, 6 및 9에 해당하는 세 가지 수직 위치 수준(도 5의 (b), (c), (d))에서 척추 온열 기기(10)와 침대 매트를 도시한다.
Abaqus에서 사용자 모델과 척추 온열 기기(10)의 어셈블리가 생성되었다. 대상 모델은 0.1mm의 간격을 두고 척추 온열 기기(10)와 침대 매트 바로 위에 위치했다. 도자(11)의 표면과 침대 매트 하면 사이에 접촉 조건을 구현하고, 침대 매트의 상면과 사용자의 후면 사이에 두 번째 접촉 조건을 구현했다. 도자(11)와 침대 매트의 상면을 마스터 표면으로 정의하고 침대 매트의 하면과 대상자의 등 피부를 접촉 조건에 대한 슬레이브 표면으로 식별했다. 이러한 표면 사이의 접촉은 접선 방향에서 마찰이 없는 것으로 정의되고 법선 방향에서 "하드 접촉"으로 정의된다. 사용자의 전방 측면인 상단과 하단에서 노드 세트를 선택하고 3개의 공간 좌표에서 평행이동이 0인 경계 조건으로 정의했고, 임의의 방향으로 자유롭게 회전할 수 있다. 각 조직 구성 요소에는 선형 탄성 재료 속성이 할당되었다. (1) 피부(E = 160 MPa; ν = 0.49; ρ = 1020 kg m-3), (2) 근육(7 MPa, ν = 0.49, ρ = 1100 kg m-3), (3) 연조직(E = 23.5 MPa, ν = 0.49, ρ = 1057 kg m-3), (4) 척추(E = 17 GPa, ν = 0.30, ρ = 1,800kg m-3), (5) 추간판(E = 17 MPa, ν = 0.49, ρ = 1100kg m-3), (6) 피하 지방/경막외 지방: (E = 3 MPa, ν = 0.49, ρ = 920kg m-3), (7) CSF: (K = 2.25GPa, ν = 0.499, ρ = 1000kg m-3), (8) 척수/경막: (E = 10 MPa, ν = 0.49, ρ = 1057 kg m-3). 도자(11)의 변위에 의해 사용자 모델에서 생성된 변형(deformation), 응력(stress) 및 변형(strain)을 해결하기 위해 동적 명시적 공식화(dynamic explicit formulation)가 사용되었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 척추 온열 기기 및 모델 어셈블리를 도시한 도면으로, (a)는 인가되는 응력(stress)을 도시한 도면이고, (b)는 척추 온열 기기에 의해 생성된 후전방 견인에 의해 정상 BMI 사용자의 조직에 발생하는 변형(strain)을 도시한 도면이다.
견인 수준 9에서 정상 BMI 대상 모델의 조직에 대한 기계적 작동에 의해 생성된 효과의 중간 시상 뷰는 도 6에 도시된 바와 같으며, 길이 방향 일측(전방)에 배치된 제1 지지 부재(13a)는 지방 조직층에 가장 큰 변형을 일으킬 뿐만 아니라 척추 L2 ~ L4 위치 바로 아래에서 최대 견인력을 생성하는 것을 확인할 수 있다. 3D 응력은 도 6의 (a)에 도시되고, 변형율은 도 6의 (b)에 도시된다. 이 결과는 L2 ~ L4 요추의 중심에서 가장 큰 응력과 변형이 발생함을 보여준다. 응력 플롯은 von Mises 응력(von Mises stresses)을 보여주며 기계적 견인 작용에 따른 허리의 응력 이질성을 보여준다. 예상대로 석회화된 조직(calcified tissues)은 가장 높은 탄성 계수를 가지고 있기 때문에 가장 높은 응력과 가장 작은 변형이 척추에서 발생한다. 추간판의 내부 응력은 견인 수준의 함수로 증가한다. 이러한 응력은 기계적 견인 전에 디스크의 압축 응력 수준을 상쇄한다.
도 7은 다양한 BMI 모델에 대한 3D 응력을 도시한 도면으로, (a)는 정상 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이고, (b)는 과체중 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이고, (c)는 중등도 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이며, (d)는 극단적 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 응력을 도시한 도면이다.
정상, 과체중, 중등도 비만 및 극단적 비만(열 패널) 사용자에 대한 견인 수준 5, 7 및 9(행 패널)에서의 응력은 도 7에 도시된 바와 같다. 가장 높은 응력은 가장 높은 견인 수준일 경우 정상 BMI 모델에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 기계적 견인의 효과는 과체중, 중등도 비만 및 극단적 비만 모델에서도 확인할 수 있지만, 응력의 상대적 강도는 BMI의 함수로 감소한다. 다양한 BMI 모델의 요추 디스크 및 척추의 3D 응력 분석은 기계적 견인의 효과가 모든 모델에서 분명함을 보여준다. 정상 BMI는 요추 추간판에서 가장 높은 응력 완화가 있는 모델이며 응력 완화 강도는 모델의 BMI에 반비례한다. 극단적 비만 BMI 모델에서도 여전히 척추 온열 기기(10)의 기계적 견인이 존재한다.
도 8은 다양한 BMI 모델에 대한 평균 응력을 양적으로 비교한 도면으로, (a) 내지 (f)는 각 요추 디스크의 위치별 견인 수준(TL1 ~ 9)에 따른 평균 응력을 BMI(정상, 과체중, 중등도 비만, 극단적 비만)에 따라 분류하여 도시한 도면이다.
도 8에는 정상, 과체중, 중등도 비만 및 극단적 비만에 대해 견인 수준(TL1 ~ 9)의 함수로 도시되어 있다. 이 곡선은 기계적 견인 수준의 함수로 6개의 요추 디스크 각각의 모든 노드(디스크당 약 20,000개 노드)에서 응력을 평균화하여 얻었다. 요추 디스크에서 발생하는 내부 응력은 BMI와 견인 수준에 따라 0.075 ~ 1.7MPa 범위의 가변성을 나타내며, 이러한 내부 응력은 정상 BMI 모델에서 최대이며, BMI가 증가함에 따라 내부 응력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도자(11)가 TL4에서 허리와 접촉하기 시작하기 때문에 모델의 응력은 TL4 이하의 경우 0 값에 가깝게 유지된다. 요추 디스크에서 발생하는 내부 응력은 BMI와 견인 수준(TL5 ~ TL9)에 따라 0.075 ~ 1.7MPa 범위의 가변성을 나타낸다. 정상 BMI 모델은 T12-L1 디스크(~ 0.35MPa)에서 가장 낮은 응력을 나타내고, L5-S 디스크(~ 0.8MPa)가 그 뒤를 잇는다. L1-L2 및 L4-L5 디스크(~ 1.2MPa)에서 유사한 수준의 최대 응력이 확인되었으며, L3-L4 디스크(~1.5MPa)에서 약간 더 높았고 L2-L3 디스크(~ 1.8MPa)에서 가장 높은 응력이 확인되었다. 다양한 요추 추간판에서 견인 수준에 따라 응력은 비선형으로 증가하며, 이는 선형 탄성 모델을 사용하여 정의된 조직의 기계적 특성에도 불구하고 모델 및 척추의 형태/곡률과 모델에서 고려된 여러 조직의 복합적 / 비균질적 변형(complex / inhomogeneous deformation)으로 인한 것일 수 있다. 허리 뒤쪽에 지방 조직이 있으면 추간판에서 볼 수 있는 스트레스의 크기가 줄어들게 된다. 과체중 BMI 모델은 일반 BMI 모델과 비교할 때 디스크 응력에서 유사한 경향을 나타내지만 응력의 크기는 약 10 ~ 20% 감소한다. 중등도 및 극단적 BMI 모델에 대해 동등한 행동이 확인되지만, 응력의 크기는 각각 약 50% 및 75% 감소합니다. 이 정량적 결과는 마사지 침대의 기계적 견인과 각 요추 디스크의 응력 완화 사이의 인과 관계를 나타낸다. 일반적으로 L2-L3 디스크가 가장 높은 응력을 받았고 T12-L1 디스크가 가장 낮은 응력을 받았다. 도 8에 도시된 바와 같이, 디스크의 내부 응력이 정상 BMI 모델에서 최대이며, BMI가 증가함에 따라 감소함을 나타내는 정성적 결과를 확인했다.
일 예로, 디스크에 인가되는 응력이 0.1MPa 일 때 사용자가 부상을 입을 수 있다고 가정하면 사용자의 신체 체형에 따라 사용할 수 있는 견인 수준이 정해지며, 이러한 수준을 넘어서는 경우 사용자에게 경고할 수 있다. 또한, 디스크의 위치별로 사용할 수 있는 견인 수준이 달라지게 되므로 이를 반영하여 사용자에게 적합한 견인 수준을 제공할 수 있다.
도 9는 다양한 BMI 모델에 대한 3D 변형을 도시한 도면으로, (a)는 정상 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이고, (b)는 과체중 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이고, (c)는 중등도 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이며, (d)는 극단적 비만 BMI 사용자에 대해 견인 수준 5, 7 및 9에서의 변형을 도시한 도면이다. 가장 높은 변형은 정상 BMI 사용자에 대해 가장 높은 견인 수준에서 발생하나, 중등도 및 극단적 비만 BMI 사용자의 지방 및 연조직은 가장 많은 변형이 발생할 뿐만 아니라 이러한 변형으로부터 추간판을 보호한다는 것을 확인할 수 있다.
기계적 긴장의 거동은 견인 수준 및 BMI의 함수로서 모든 조직 및 모델의 응력과 동일하다. 도 9는 견인 수준 5, 7, 9(행 패널)에서 정상, 과체중, 중등도 비만 및 극단적 비만(열 패널)과 같은 다양한 BMI 모델에 대한 3D 변형을 보여준다. 응력 결과와 유사하게, 도자(11)가 TL4에서 TL5로 이동할 때 도자(11)가 허리 조직에 닿기 때문에 TL4 이하의 모든 모델에서 변형은 실질적으로 0이다. TL5에서 우리는 허리의 변형을 쉽게 관찰할 수 있다. 최대 변형은 가장 높은 견인 수준일 경우 정상 BMI 모델에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 중등도 및 극단적 비만 모델의 지방 및 연조직은 가장 많이 변형될 뿐만 아니라 이러한 변형으로부터 추간판에서 인가되는 응력을 감소시킨다는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 다양한 BMI 모델에 대한 변형을 양적으로 비교한 도면으로, (a) 내지 (f)는 각 요추 디스크의 위치별 견인 수준(TL1 ~ 9)에 따른 변형을 BMI(정상, 과체중, 중등도 비만, 극단적 비만)에 따라 분류하여 도시한 도면이다. 요추 디스크에서 발생하는 변형은 BMI와 견인 수준에 따라 0.005 ~ 0.1 범위의 가변성을 나타내며, 이러한 변형은 정상 BMI 모델에서 최대이며, BMI가 증가함에 따라 내부 응력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 추간판의 평균 변형 수준을 정량화하는 접근 방식은 내부 응력 측정에 대해 앞서 설명한 것과 유사하다. 전반적으로, TL9에서 평균 변형 범위가 다양한 BMI 모델에 대해 각각 0.004에서 0.1 사이이지만 디스크에 따라 다르다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 이러한 결과는 L2-L3 디스크가 가장 높은 변형률(최대 0.1 변형률)을 갖는 디스크이고, T12-L1 디스크가 가장 낮은 변형률을 갖는 것을 나타낸다. 다른 디스크에 대한 곡선은 실제로 응력에 대해 얻은 곡선과 유사하므로 경향도 유사하다. T12-L1 디스크의 최대 변형률은 모든 요추 디스크 중에서 가장 작고(~ 0.018), L5-S 디스크(~ 0.045)가 그 뒤를 잇는다. 최대 변형률은 L1-L2 디스크(~ 0.06), L4-L5 디스크(~ 0.07) 및 L3-L4 디스크(~ 0.08)에서 더 크고 L2-L3 디스크(약 0.1)에서 최대로 변형에 도달한다. 응력과 유사하게 과체중 BMI 모델의 변형은 정상 BMI 모델보다 10 ~ 20% 낮다. 중등도 비만 BMI 모델은 정상 BMI 모델과 비교할 때 약 50% 더 낮은 변형률을 가지며, 극단적 비만 BMI 모델은 정상 모델보다 ~ 75% 더 낮은 변형을 보여준다. 따라서 이 곡선을 통해 디스크의 내부 변형이 정상 BMI 모델에서 가장 높고, BMI가 증가함에 따라 감소한다는 것을 확인할 수 있다.
일 예로, 디스크의 변형이 0.05 일 때 사용자가 부상을 입을 수 있다고 가정하면 사용자의 신체 체형에 따라 사용할 수 있는 견인 수준이 정해지며, 이러한 수준을 넘어서는 경우 사용자에게 경고할 수 있다. 또한, 디스크의 위치별로 사용할 수 있는 견인 수준이 달라지게 되므로 이를 반영하여 사용자에게 적합한 견인 수준을 제공할 수 있다.
이때, 상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계(S400)는, 사용자 신체의 응력 및 변형율을 시각화하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 사용자의 신체는 계산된 표피, 근육, 척추, 추간판 등 사용자 신체의 어느 하나 이상의 부위일 수 있다.
또한, 상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계(S400)는, 상기 척추 온열 기기(10)의 도자(11)가 높이 방향(Z)을 따라 상승함에 따라 사용자의 신체가 길이 방향(X)을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계일 수 있다. 즉, 후전방 견인을 통해 사용자의 신체가 길이 방향(X)을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하도록 구성되는 것이다.
이때, 상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계(S400)는, 상기 척추 온열 기기(10)의 도자가 높이 방향(Z)을 따라 상승함에 따라 사용자의 신체가 길이 방향(X)을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 척추 깊이에 해당하는 부분의 응력 및 변형율을 계산하는 단계일 수 있다. 일 예로, 정상 BMI의 사용자는 피부 표면으로부터 3cm 깊이에 해당하는 부분에 척추 및 이를 감싸는 근육(일 예로, 척추 기립근)이 위치하므로 이러한 부분의 응력 및 변형율을 계산함으로써 최적의 견인 효과를 제공할 수 있게 된다.
한편, 상기 사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계(S500)는, 사용자의 신체 위치별 척추 간격 데이터를 반영해서 사용자 신체의 변형율 값을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 사용자의 신체 위치별 척추 간격 데이터는 CT, MRI 등 다양한 기술을 통해 확보할 수 있으며, 이와 같은 방식으로 사용자 신체의 변형율 값을 보정할 경우 더욱 정확한 견인 정도를 도출할 수 있게 되어 사용자에게 적합한 척추 온열 기기(10)의 설정값 도출이 가능하게 된다.
또한, 상기 사용자 신체의 응력 및 변형율을 계산하는 단계는, 동적 명시적 공식화(dynamic explicit formulation)를 통해 계산하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 척추 온열 기기의 설정값을 설정하는 단계는, 도자(11) 온도, 도자(11) 높이, 발열체 온도를 설정하는 단계일 수 있으며, 사용자가 선택한 온열 마사지 모드에 따라 변경될 수 있다.
한편, 상기 사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계(S600) 이후에는, 설정된 도자(11) 온도, 도자(11) 높이, 발열체 온도의 범위 내에서 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 사용자 신체의 견인 정도를 시각화함으로써 사용자에게 적합한 견인 정도를 얻을 수 있도록 설정값을 도출하는 것이다.
이때, 상기 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계는, 사용자 신체 체형에 따른 구조 변화에 따라 사용자 체형별 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계일 수 있다. 즉, BMI 수치에 따라 견인 정도가 달라지고, 이와 동시에 부상을 입을 위험이 있는지 여부가 달라지게 되므로 BMI 수치에 따라 최적의 견인 정도를 도출할 필요가 있으며, 이를 척추 온열 기기(10)에 반영하면 다양한 사용자에게 최적의 견인 효과를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 온열 마사지 과정에서 사용자가 부상을 피할 수 있도록 주의사항 전달도 가능하게 된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법은 사용자 신체의 3차원 구조 데이터와 척추 온열 기기(10)의 3차원 구조 데이터를 생성하고, 척추 온열 기기(10)가 설정값에 따라 작동하는 과정에서 사용자 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산한 후 이를 견인 정도로 변환함으로써 사용자의 신체 체형에 따라 견인 효과를 최적화할 수 있고, 이를 통해 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 척추 온열 기기 11 : 도자
12 : 구동부 13 : 지지부
13a : 제1 지지 부재 13b : 제2 지지 부재
X : 길이 방향 Y : 폭 방향
Z : 높이 방향

Claims (10)

  1. 컴퓨터를 이용하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법으로서,
    상기 컴퓨터를 이용해서,
    사용자 신체의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계;
    척추 온열 기기의 3차원 구조 데이터를 생성하는 단계;
    상기 척추 온열 기기의 설정값을 설정하는 단계;
    설정된 값으로 상기 척추 온열 기기가 작동함에 따라 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계;
    사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계; 및
    사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계;
    를 포함하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계는,
    사용자 신체의 응력 및 변형율을 시각화하는 단계를 포함하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계는,
    상기 척추 온열 기기의 도자가 높이 방향을 따라 상승함에 따라 사용자의 신체가 길이 방향을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계인 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 신체를 가압하는 과정에서 사용자의 신체에 인가되는 응력 및 사용자 신체의 변형율을 계산하는 단계는,
    상기 척추 온열 기기의 도자가 높이 방향을 따라 상승함에 따라 사용자의 신체가 길이 방향을 따라 견인되는 과정에서 사용자의 척추 깊이에 해당하는 부분의 응력 및 변형율을 계산하는 단계인 척추 온열 치료 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 신체의 변형율 값을 견인 정도로 변환하는 단계는,
    사용자의 신체 위치별 척추 간격 데이터를 반영해서 사용자 신체의 변형율 값을 보정하는 단계를 더 포함하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 신체의 응력 및 변형율을 계산하는 단계는,
    동적 명시적 공식화(dynamic explicit formulation)를 통해 계산하는 단계인 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 척추 온열 기기의 설정값을 설정하는 단계는,
    도자 온도, 도자 높이, 발열체 온도를 설정하는 단계인 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 신체의 견인 정도를 시각화하는 단계 이후에는,
    설정된 도자 온도, 도자 높이, 발열체 온도의 범위 내에서 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계를 더 포함하는 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계는,
    사용자 신체 체형에 따른 구조 변화에 따라 사용자 체형별 최적의 견인 효과를 얻을 수 있는 설정값을 도출하는 단계인 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 신체의 3차원 구조 데이터는,
    표피, 피하지방, 연조직, 근육, 척추, 추간판, 경막외 지방, 뇌척수액, 척수로 구분되는 3차원 구조 데이터인 척추 온열 기기의 안전성 및 유효성 예측 방법.
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