인솔형 국부 전단력 측정시스템의 설계 및 평가

Abstract

[한글]전단력이란 특정면에 접선방향으로 작용되는 힘으로 신체의 상해를 일으키게

되는 기계적인 자극의 하나이다. 정상인의 경우 피부의 심한 기계적인 자극에 대

하여 적절한 보호기전으로 발휘하여 신체를 보호하나, 신경병성 장애나 말초 질환

장애를 가지는 환자의 경우에는 자극에 적절히 대응하지 못하고 상해를 입게 된

다. 특히 당뇨병성 족부질환자들과 한센병 환자들은 상해를 입은 부위가 감염의

위험도가 높고 그는 궤양으로 쉽게 전이되어 그 치료가 어려울 뿐만 아니라 그

예후가 좋지 않아 절단에 이르는 경우도 많다.

이와 같은 발의 상해를 줄이기 위하여 발바닥에 작용되는 압력분포를 고려하

여 특수하게 제작된 신발을 처방하게 된다. 그러나 전단응력은 상해의 원인과 그

치유에 더 많은 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 발바닥의 주요 상해

부위에 작용되는 전단력을 측정하는 시스템을 설계하고 구현해 보고자 하였다

이를 위해서 우선 발바닥 주위의 전단력을 측정할 수 있은 센서를 제작하고

이 센서를 출력을 보정하기 위한 보정장치를 개발하였다. 제작된 센서는

magnetic-resistive 원리를 이용한 3층의 층상 구조로 이루어져 있으며 센서의 가

로 및 세로 두 방향의 전단력을 측정할 수 있다.

제작된 전단센서를 인솔내 높은 압력이 작용하는 발의 중족골과 뒤꿈치 부분에

삽입하여 신발 내에서 발바닥의 국부 전단력을 측정할 수 있는 시스템을 제작하

였다. 이 센서의 출력신호를 증폭하여 디코딩한 후 이를 블루투스 모듈을 이용하

여 PC로 전송하였다. 개발된 국부 전단력 측정시스템과 인솔형 압력 측정시스템

을 사용하여 각각 보행실험을 수행하고 그 결과들을 비교하여 다음과 같은 결과

를 얻었다.

1. 중족골 부분에 삽입된 센서의 측정범위는 ±5N이었으며, 발뒤꿈치 부분에

삽입된 센서의 측정범위는 ±10N이었다.

2. 보행 시 최대 수직압력이 작용되는 곳은 발뒤꿈치 부분으로 5.0kPa/B.W.였

다.

3. 발바닥 전체에서 압력중심의 이동은 입각기동안 외측 발뒤꿈치에서 출발하

여 발가락의 내측으로 이동한다. 압력중심의 이동속도는 전후방향에서는 초

기접지기와 전유각기에서 큰 정점을 보였으며 내외방향에서는 전유각기에

내측으로 큰 정점을 보였다.

4. 발바닥의 전단응력은 입각기 초기에 발뒤꿈치에서, 전유각기에 중족골에서

크게 작용되었다. 영역별로 전단응력이 크게 작용되는 시기는 발바닥의 압력

중심의 이동속도가 최대 정점을 나타내는 시기와 동일하였다. 압력중심 주위

에서는 전후방향의 전단력이 크게 작용되며, 압력중심선에서 멀리 떨어진 곳

에서는 내외방향의 전단력이 크게 작용함을 확인할 수 있었다.

5. 보행 시 최대전단응력이 작용되는 부분은 두 번째 중족골 부분으로 29.6kPa

이다.

각 영역에서 작용되는 전단응력은 수직압력보다는 발바닥전체의 압력중심의

이동 속도와 높은 상관관계를 보였다. 본 연구를 통해서 개발된 인솔형 국부 전단

력 측정시스템은 당뇨발 환자의 신발이나 발보조기의 재료 및 구조를 설계하는

데 많은 도움이 돨 것으로 생각된다.

핵심이 되는 말 : 당뇨병성 족부질환, 전단센서, 보정장치, 전단응력, 압력,

[영문]Shear stress, a mechanical stress acting tangentially on the surface is a

main cause to skin injuries. It is regarded as all risk factor to predict

ulcerations for diabetic neuropathy or Hansen disease. The goal of this study

was to develop an in-shoe local shear force measurement system to apply

normal walking and to correlate local shear stress patterns with plantar

pressure distributions.

A local shear force transducer based on a magneto-resistive principle, was

a rigid 3-layer circular disc of 16mm diameter and 2.7mm thick. Calibrations of

shear transducers were performed by a specially designed calibration device.

The range of shear transducer output was ±5N in transverse direction and

±10N in longitudinal direction.

Shear transducers were mounted on the locations of four metatarsal heads

and heel in the insole. Sensor outputs were amplified, decorded in the bluetooth

transmission part and then transferred to PC. In order to evaluate the

developed local shear measurement system, shear stress measurements and

plantar pressure measurements were performed on twelve young healthy male

subjects, walking at their comfortable speeds. In addition, motion analysis

system received triggering signals from the local shear measurement system to

determine detailed gait cycles. From the experiments, following results were

obtained.

The maximum peak pressure during gait was 5.00kPa/B.W. at the heel. The

COP trajectory started at the lateral side of the heel and ended at the medial

toes during stance phase. The COP movement velocity in the longitudinal

direction showed two distinct peaks during loading response and pre-swing.

However, the COP movement velocity in the transverse direction had a peak

during pre-swing. Relatively large local shear stresses were observed at the

heel in the early stance and at metatarsal heads in pre-swing. The time of

large shear stresses correlated well with the time of the maximum COP

movement velocity. Anteroposterior component of shear was dominant near the

COP trajectory, but mediolaterial component of shear was significant away

from the COP trajectory. The maximum shear stress, 29.6kPa, was found at

the second metatarsal head during gait. The vector sum of shear stresses

revealed a strong correlation with the COP movement velocity.

The present study will be helped to select the material and to design of the

foot orthoses and orthopedic shoes for diabetic neuropathy or Hansen disease.