족하수 방지를 위한 능동형 단하지 보조기의 개발 및 평가

Abstract

[한글]

족하수(foot drop)란 신경계의 마비로 발목주위의 근육활동이 작아지거나 없어짐으로 인해 발을 들어올리지 못하는 증상을 말한다. 족하수가 발생하는 원인은 중추 및 말초신경계의 마비로 인해 발목 주위에 있는 앞정강이근의 활동이 정상적으로 이루지지지 않아서 발생되며 특히, 경련성 마비환자들에게 자주 발생된다. 족하수 환자의 경우 발목관절의 근육활동이 미비하여 발목의 배굴 및 외번이 자발적으로 이루어지지 않은 특징적인 보행형태를 나타난다.이러한 족하수 환자의 보행양상을 증진시키기 위해 기능적 전기자극과 단하지 보조기를 적용한다. 그러나, 단하지 보조기는 발목관절의 효율적인 저굴/배굴 운동을 제공하지 못하므로 정상적인 보행과 많은 차이를 보이고 있고 전기 자극법은 계속적인 시행착오를 통한 개인맞춤형 장비일 뿐 아니라 보행 시 근육의 피로로 인하여 근육의 기능이 변화하므로 오랫동안 착용하지 못하는 단점이 있다. 또한, 단하지 보조기와 기능적 전기자극은 환경과 보행속도에 따라 보행주기 및 근육의 기능이 변화하는 보행에서는 적용하는데 어려움이 있다.이에 본 연구에서는 족하수 환자의 정확한 보행주기를 분석, 검출하여 보행주기에 따라 발목관절의 저굴/배굴를 제공하는 능동형 단하지 보조기를 개발하였다. 개발한 능동형 단하지 보조기는 크게 폴리프로필렌 재질의 힌지 발목 조인트를 삽입한 단하지 보조기부, 보행주기를 결정하도록 입력신호를 제공하는 센서부, 센서의 출력신호를 이용하여 실제로 발목관절의 저굴/배굴를 제어하는 제어부, 제어부에서 발생된 제어신호에 따라 발목관절의 굴곡각도를 조절하는 구동부로 구성되어 있다.위와 같이 개발한 능동형 단하지 보조기의 효용성을 확인하기 위하여 비장애인을 대상으로 구동부의 동작 토크 측정과 삼차원 보행 분석을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.1. 인가되는 무게에 따라 저항센서의 저항값은 비선형적으로 감소하였고 증폭 회로에의 출력 전압은 저항센서에 인가되는 하중에 비례하여 증가하였다.2. 개발한 단하지 보조기의 발목관절의 가동 범위는 정상인의 발목관절의 가동범위 -10～20도보다 넓은 범위인 -11.57～27.78도를 만족하였다.3. 구동부에 의해서 발생하는 최대 동적 토크값은 97.2Nm로, 전유각기에 발생되는 발목관절의 최대 저굴모멘트인 90Nm 이상의 값을 만족하였다.4. 일반 플라스틱 AFO 보행에서는 말기입각기에 추진(push off)과 초기유각기에 배굴이 일어나지 않았지만 개발한 단하지 보조기를 착용한 보행에서는 말기입각기에 추진(push off)이 일어나고, 초기유각기에 배굴이 일어남으로써 발끌림(toe drag)현상을 방지할 수 있었다.5. 개발한 단하지 보조기를 착용한 보행에서 말기입각기에 급격한 저굴를 통하여 추진(push off)이 성취되고 이 때 발생된 최대 저굴모멘트는 다른 유형의 보행보다 크고 정상보행에 보다 근접함을 알 수 있었다.

[영문]Foot drop is a symptom that the muscular activities around an ankle become weak due to paralysis of a nervous system. As a result, a foot can''t be raised. The phenomenon of foot drop frequently occurs in case of a spastic palsy patients. The foot drop patient shows a distinctive gait pattern in which dorsiflexion and eversion of an ankle can not be voluntarily done.A method of increasing the gait pattern of the foot drop patient, there are functional electrical stimulation and ankle-foot orthosis. But the AFO not only can''t change for the better but shows lots of differences from normal gait, because it does not provide the efficient dorsiflexion/plantarflexion of ankle joints.The functional electrical stimulation is not only a personal custom device through continuous trial and error, but also has the function of the muscle change due to its fatigue during walking, so that it is impossible to wear for a long time. Also, there are plenty of difficulties in applying this method in case of walking in which the gait phase and function of the muscle change according to environment and walking speed.Accordingly, it is required to develop an ankle-foot orthosis which detects the gait phase of the foot drop patient and induces normal gait by actively leading to dorsiflexion/plantarflexion of an ankle according to the detected gait phase.In this study, it developed an active ankle-foot orthosis(AAFO) that provides dorsiflexion/plantarflexion of an ankle by analyzing and detecting of the exact gait phase of the foot drop patient. Also, it compared and evaluated existing general plastic AFO and AAFO through an optical motion analysis system of the healthy subjects.Differently from the existing general plastic AFO gait, in the developed AAFO gait, the push-off appeared in the terminal stance phase, remarkable dorsiflexion occurred in the initial swing phase and the maximum momentof the terminal stance phase was similar to that of normal gait.It is expected that the developed AAFO can be applied to foot drop patients as well as various rehabilitation engineering fields such as an orthosis, a prosthes, etc, through various clinical experiments on patients.