멀리뛰기를 위한 지면과 경골 보철물 사이의 기계적 상호작용에 대한 새로운 특성화 프로토콜

Jan 25, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5226(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

RSP(러닝 특정 보철물)에 대한 기계적 연구는 종종 블레이드로 제한됩니다. 여기에서 개발 및 제시된 설정은 기계식 테스트 기계와 카메라를 기반으로 하는 간단한 실험으로, 운동 분야의 코치 및 운동선수와 관련된 두 가지 지표인 할선 강성과 에너지 소산을 평가합니다. 전체 보철물 거동에 대한 네 가지 매개변수의 영향이 평가됩니다: 하중선 오프셋, 보철물-지면 각도, 밑창 유형 및 바닥재 유형. 하중선 오프셋과 바닥 유형은 거동에 거의 영향을 미치지 않습니다. 의지-지면 각도는 강성에 영향을 미칩니다. 각도가 증가하면 강성이 크게 감소하여 성능에 큰 영향을 미칩니다. 밑창의 유형은 블레이드 팁과 지면의 상호 작용에 대한 운동학을 수정합니다. 그러나 육상 경기에서는 스파이크 사용이 요구되기 때문에 이러한 효과는 스포츠 연습을 향상시킬 가능성이 적습니다. 카메라 이미지를 통해 밑창의 국지적 동작을 평가할 수 있으므로 압축 과정에서 발바닥의 변형을 추적할 수 있습니다.

절단 수술을 받은 사람 수에 대한 정확한 데이터를 찾는 것이 어렵음에도 불구하고, 최근 연구1에 따르면 전 세계적으로 6,500만 명이 외상적 원인과 암으로 인해 사지 절단을 받고 살고 있는 것으로 추정됩니다. 그 중 최소 3,530만 명 이상이 보철 장치를 사용해야 하는 하지 절단 수술을 받았습니다. 또 다른 연구2에서는 2012년에 하지 절단 중 60%가 경골 절단을 했으며 이는 약 2,120만 명에 해당합니다. 이 모든 사람들은 일상 생활의 모든 활동을 위해 의지가 필요합니다.

지난 수십 년 동안 일상생활용 보철물 디자인의 개선으로 대부분의 사람들이 절단 후 정상적인 삶을 찾을 수 있게 되었습니다. 더욱이, 1980년대 복합 재료 분야의 발전으로 스포츠 전용 보철물 디자인이 크게 개선되었고 더 많은 절단 장애인이 sport3에 접근하여 성능을 향상시킬 수 있었습니다.

하지 절단을 위해 운동 경기에 사용되는 보철물을 달리기 전용 보철물(RSP)이라고 합니다. 절단 수준4 또는 올림픽 선수와 패럴림픽 선수5 사이의 스포츠 동작 차이부터 보철물 동작 및 보철물과 사지 사이의 상호 작용6에 이르기까지 광범위한 연구가 이에 전념하고 있습니다.

경골 RSP(무릎 아래 절단)를 자세히 살펴보면 소켓, 블레이드 및 밑창의 세 가지 다른 부분을 정의할 수 있습니다(그림 1a 참조). 첫 번째는 운동선수의 팔다리와 연결을 가능하게 하고, 두 번째는 에너지를 저장 및 방출하여 앞으로 나아갈 수 있도록 하며, 마지막은 지면과 연결을 만듭니다. 블레이드는 RSP의 본체이며 현재는 스프링처럼 작동하는 단일 탄소 섬유 조각으로 만들어집니다(그림 1b 참조). 밑창은 지면에 대한 그립과 접촉점 주위의 블레이드 회전을 지배합니다. 발목의 역할을 하는 경첩이 없기 때문에 밑창과 결합된 블레이드 팁의 형태만이 선수가 앞으로 나아갈 수 있도록 해줍니다.

(a) 다양한 RSP 구성 요소 및 하중선(경골 축 확장). (b) 다리 및/또는 보철물 강성에 대한 문헌에 사용된 스프링 질량 모델(보폭의 터치다운을 위한 TD 및 이륙을 위한 TO).

소켓은 완전히 개인적이며 의료 및 생체 역학 팀에서 최소 20년 동안 잘 연구되었습니다7. 디자인의 주요 문제는 편안함을 보장하고 부상 위험을 방지하기 위해 각 운동선수나 환자에게 적합한 모양을 찾는 것입니다8,9. 이를 위해 그루터기의 압력 재분할이 일반적으로 연구되고 소켓 모양과 재료를 최적화하기 위해 다양한 센서 또는 방법이 개발됩니다.

선수의 성능에 가장 적합한 블레이드를 선택하기 위해 제조업체는 체중과 달리기 거리(장거리 또는 단거리 경주)에 따라 권장 강성 범주를 제안합니다. 그러나 이 선택은 연습 수준과 선수가 스스로 조정할 수 있는 기타 모든 매개변수에 따라 크게 달라지기 때문에 제조업체의 제안으로 남아 있습니다. 예를 들어, 부하선(그림 1a 참조)은 보철 기사가 정의한 매개변수입니다. 소켓을 기준으로 블레이드를 배치하는 데 사용됩니다. 부하선은 경골 축에 해당하며 블레이드 끝의 특정 지점과 교차하도록 되어 있습니다. 이 설정은 블레이드 모양에 따라 다르며 제조업체에서 지정합니다. 운동선수의 보행이 건강한 다리와 균형을 이루도록 돕기 위해 시행됩니다. 그러나 하중선은 정지한 지면과 접촉하는 블레이드의 영역을 정의하는 성능 매개변수이기도 하며 선수는 자신의 성능을 향상시키기 위해 이를 조정할 수 있습니다.