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실시간 걸음걸이 분석을 통한 무릎관절염 진단
의학약학 UNIST (2019-08-14 10:49)

엑스레이와 의사의 판단으로만 진행되었던 무릎관절염 진단을 정량적으로 보완해줄 수 있는 시스템이 개발되었다. 향후 실시간 데이터 분석을 통해 무릎관절염 환자의 비수술적 치료와 재활훈련에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

 UNIST 기계항공 및 원자력공학부 강상훈 교수는 한국과학기술연구원(KIST), 미국 매릴랜드주립대학교, 코넬대학교 의과대학 교수진과의 공동 연구를 통해 걷는 동안 무릎관절염을 진단하고, 걸음걸이 분석을 통해 치료 및 재활을 실시간으로 보정해 줄 수 있는 시스템을 개발했다.

 무릎관절염은 무릎 관절에 오랜 시간 동안 큰 힘이 가해지면서 무릎 연골이 닳아져서 통증 등이 발생하는 질환이다. 기존 엑스레이 판독과 의사의 소견으로 진행되는 5등급 진단 방법만으로는 통증 등 다양한 증상들을 객관적으로 판단하기엔 어려움이 있었다.

 기존에는 동작분석실에서 무릎 내전 회전힘을 측정하였으나, 고가의 장비를 이용하여 장시간에 걸친 데이터 수집 및 처리 과정 등으로 환자에게 많은 부담을 주었기 때문에 실제로 활용되기 어려웠다.

 강상훈 교수팀은 로봇시스템과 신경생체역학을 결합하여 장소에 구애받지 않고 운동기구 설치가 가능한 시설에서 사용 가능한 로봇시스템을 만들었다. 환자가 걷는 동안 운동기구 발판에 가해지는 힘과 발목의 움직임을 측정하여 무릎 관절에 가해지는 모든 힘을 실시간 계산하여 관절염의 심각한 정도를 파악할 수 있게 되었다.

 실시간으로 관절에 가해지는 힘과 내전회전힘을 파악할 수 있기 때문에 환자에게 효율적인 걸음걸이 방법을 안내해 줄 수 있으며, 이에 따라 수술하지 않는 치료 및 재활 방법 개발을 기대할 수 있다. 

 이 시스템은 기존 동작분석실보다 저렴한 비용으로 구축할 수 있고, 데이터 수집 및 분석이 실시간으로 이루어져 무릎관절염 진단을 보완할 수 있는 객관적인 데이터 제공이 가능하다. 또한 실시간 걸음걸이 분석을 통해 환자에게 필요한 치료 및 재활에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.

 강상훈 교수는 “이 기술은 무릎관절염 환자 등의 객관적 데이터 제공을 통한 진단 보조 및 첨단 바이오피드백 재활훈련을 제공할 수 있다”며, “울산 공공산재병원을 비롯한 재활 병원 등에서 환자 및 장해 맞춤형 정밀 로봇재활의 새 장을 여는데 기여할 것”이라고 밝혔다.

 연구결과는 ‘전기전자공학회 신경시스템 및 재활공학(IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering)’ 2019년도 6월 호(Volume 27)에 출판되었으며, 국립재활원 ‘재활로봇연구용역사업’, 한국연구재단 개인기초 연구사업, 국가과학기술연구회, 미국 국립보건원, 그리고 미국 장애·독립적 삶·재활연구원의 연구 지원을 통해 이뤄졌다

(논문명: Real-Time Three-Dimensional Knee Moment Estimation in Knee Osteoarthritis: Toward Biodynamic Knee Osteoarthritis Evaluation and Training)

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경
무릎관절염은 65세 이상의 약 40%에서 발병할 만큼 매우 흔하며, 심한 통증과 기능적인 장해를 일으키며, 독립적인 삶을 곤란하게 하며, 노년층에 만성적인 장애를 초래하기도 한다. 이러한 무릎관절염은 무릎 관절에 가해지는 큰 힘과 관계가 있는데, 이를 센서 등의 체내 삽입이 없이 직접 측정하는 것은 매우 어려워서, 무릎 관절의 힘과 큰 상관관계가 있는 무릎 내전 방향의 회전힘(모멘트)를 대신 측정하여 사용하여왔다.

그러나 이러한 내전회전힘을 측정하는 것은 고가의 동작분석 카메라 세트와 이 카메라 세트가 세팅된 별도의 동작분석실을 요구하며, 많은 경우 긴 시간의 후처리 작업을 거쳐야 했다. 아주 최근에는 동작분석 카메라로 실시간으로 내전회전힘을 측정할 수 있는 연구가 진행되기도 하였으나, 체육관이나 병원 등의 동작분석실 바깥에서는 사용이 불가능하였다.

따라서, 특별히 설계된 동작분석실이 아닌 일반적인 체육관이나 병원 등에서 사용가능하며, 실시간으로 무릎의 내전회전힘을 측정할 수 있어서, 이를 진단 및 훈련 등에 사용이 가능한 로봇형 재활시스템의 필요성이 대두되었다.

2. 연구내용
이번 연구에서는 걷는 동안 무릎의 내전방향 회전힘을 실시간으로 장소의 구애 없이 구할 수 있는 로봇형 재활훈련 시스템을 개발하였다. 환자가 이 시스템에서 걷는 동안 발판에 가해지는 힘과 발목관절의 움직임을 측정하여 생체역학에 기반하여 무릎에 가해지는 모든 힘과 회전힘을 실시간으로 구할 수 있게 되었다. 이와 더불어 관절염 환자들의 임상평가 척도와 이러한 회전힘과의 상관관계 등을 구하여 무릎에 걸리는 힘이 어느 정도일 때 어느 정도로 관절염이 심각하다는 것을 파악할 수 있게 되었다. 더불어 재활훈련 중에도 환자의 걸음걸이에 따라 무릎에 걸리는 모든 힘과 회전힘을 실시간으로 파악하여 환자에게 알려줌으로서 환자가 신경역학적으로 더 효과적으로 환자에게 좋은 걸음걸이를 훈련할 수 있게 하였다. 즉, 실시간으로 진단이 가능하고, 실시간으로 걸음걸이를 교정할 수 있는 로봇형 무릎환자 재활훈련 시스템이 개발되었다.

3. 기대효과
이번 연구로 무릎에 문제가 없는 사람들과 무릎관절염 질환자의 무릎에 걸리는 힘들과 이의 임상적인 척도와의 관계 등이 보고되었다. 일단 무릎에 문제가 없는 사람의 값은 환자의 값과 비교할 수 있는 기준 값(baseline value)로 사용될 수 있다.

이 방법은 특히 무릎관절염 환자를 위해 개발되었으나, 다른 무릎질환자들에게도 사용이 가능할 것으로 보이며, 진단에 따라 환자맞춤형(patient-specific), 장해맞춤형(impairment-specific) 정밀 재활치료에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 관절치환 등의 수술적인 방법이 아닌, 재활 훈련 치료를 함으로서 보존적인 재활이 가능하다.

개발된 무릎관절염 진단 및 재활훈련 로봇 시스템
[그림1] 개발된 무릎관절염 진단 및 재활훈련 로봇 시스템. (a) 관절염 환자(오른쪽 다리)가 올라탄 무릎관절염 진단 및 재활훈련 로봇 시스템 측면(정중면; sagittal plane)도. 무릎관절염 진단 및 재활 로봇 시스템은 발판 밑의 6축 힘센서(PF/T)로부터 재활로봇시스템 위에서 걷는 동안 발에 걸리는 힘을, 앞쪽의 가변저항(potentiometer)으로부터 발판의 위치 및 기울어진 각도를, 그리고 발목에 착용하는 6자유도 각도기(그림 (b)의 goniometer)로 발판에 대한 하퇴부의 움직임을 측정한다. 이러한 측정데이터로부터 생체역학을 통하여 무릎 관절에 걸리는 모든 방향의 힘과 회전 힘을 계산한다.

올바른 걸음걸이 자세
[그림2] 올바른 걸음걸이 자세. 환자가 무릎 관절에 걸리는 힘을 줄이기 위해서 재활로봇시스템 위에서 걸을 때 권고되는 발목의 외번(eversion), 내회전(internal rotation), 배굴(dorsiflexion) 방향 자세. 화살표 향과 같이 발목을 움직이는 것이 도움이 될 것으로 예상됨.

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