퇴행성 슬관절염 환자의 통증완화 및 보행능력 향상을 위한 내측 가압식 하지강성 인공건 액추에이터(LeSATA)의 개발 및 보행분 석을 통한 임상적 타당성 평가 = Development of the Leg Stiffness Artificial Tendons Actuator (LeSATA) with Medial Compartment Pressure Type for the Controls of Knee Pain and Gait Movability on the Senile Osteoarthritis, and Their Clinical Validities Approaches using Evaluations of Gait

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It might be possible to revolutionarily store or release elastic strain energy, which is consumed during the gait cycle, and as a result leg stiffness is expected to increase. In this case, it is necessary to design an ankle actuating mechanism as a secondary actuator which will adjusted excessive artificial leg stiffness from the primary actuator by reserving or releasing the elastic strain energy, because the energy, which is a part of kinetic and potential energy generated by human walking and is temporarily reserved in collision phase, will be discharged in rebound phase of elastic recoil. Dissimilar to previous study, we assumed that the leg stiffness could be increased by controlling walking speed with relative angular velocity of two segments and accordingly we are currently developing a knee-ankle two actuator system. As mentioned above, however, the artificial knee actuating will generate a new compensatory mechanism in the ankle part. It suggests that excessive leg stiffness caused by the artificial knee actuating will lead to a stumbling gait in abnormal collision phase accompanied by foot touch-down. Therefore, in designing the actuators we also considered the increase in walking speed and stumbling from repetitive acceleration in swing phase of previous gait cycles, satisfying the conditions with regard to relative angular velocity of two segments, thigh and shank, in order to raise leg stiffness. Furthermore, it might be difficult to confirm the effectiveness of the actuators if kinematic energy from unnecessary human walking is released under artificial deceleration control, which was designed to prevent an increase in walking speed. Therefore, we believed that the solution for the compensatory mechanism in ankle joint would be conversely derived by confirming the effect of changes in metatarsophalangeal joint tilt angle and walking speed on knee movement. Accordingly, we invented a new generation leg stiffness actuator in order to avoid the stumbling gait from the ankle joint compensatory mechanism caused by leg stiffness. The trademark of the device is called Leg Stiffness Artificial Tendon Actuator (LeSATATM). The stiffness between two springs could be variably controlled by adding eccentric mass inside the actuator, LeSATA. We also verify the functionality of the actuator which will automatically transfer between walking and running mode by actively monitoring any changes in gait pattern of LeSATATM and in relative angular velocity between thigh and shank.

국문 초록 (Abstract)

본 사업에서는 1차적으로 퇴행성 슬관절염 및 만성통증기전의 정형외과학적 연구를 수행하였다. 즉, 반월상연골 손상과 퇴행성 슬관절염의 관계 연구 (급성전치환술로의 전환지연을 위한 의공학적 접근), 기존 치료법(약물요법, 물리치료)의 분석 및 문제점 재평가, 슬관절 내측부의 해부학적 하중분포와 오프로딩의 효과가 통증기전에 미치는 영향 분석 등을 초기에 연구하였다. 이후 퇴행성 슬관절염 환자의 보행특성과 하지강성의 관계 평가를 수행했는데 구체적으로는 스프링 모델의 강성 증가를 위한 하지의 공학적 설계, 하지스프링 모델의 Leg Direction GRF와 Leg Length 변화에 대한 강성증가모델 개발, 퇴행성 슬관절염 환자의 보 행특성과 스프링 모델의 관계성 규명 (Spring model vs. Two-segment model), 보행패턴과 하지강성 증가의 관계성 평가, 하지 관절강성(Hip-knee-ankle joint stiffness)과 하지강성의 관계 평가, 퇴행성 슬관절염 환자의 보행속도가 하지강성에 미치는 영 향 연구 등을 성공적으로 수행했다. 이후 Knee DA 환자의 보행에너지를 효율적으로 재환원하기 위한 저장-재방출 시스템의 개 발을 본격적으로 시작한 이후 Hip torque와 Toe-off impulse의 특수성 규명, 입각기 초기 initial contact 시에 발생되는 충격에너지의 연구, initial contact 충격에너지의 효율적 저장 메커니즘 개발, 입각기 말기의 toe-off 시 방출되는 에너지의 저장 시스템 개발, 족관절 발생 에너지를 슬관절 에너지로 전달하는 더블스프링 시스템의 개발 등의 독자적인 연구영역을 구축하였다. 본 연 구 2차년에 접어들어서는 퇴행성 슬관절염 환자의 비정상적 슬내측 가압 분산을 위한 기구학적 설계가 이루어지는데 보행시 건 측 보상기전(compensatory mechanism)에 대한 패턴 분석, 슬관절 내측가압을 통해 슬내측하중 및 내전모멘트를 감소시키기 위한 3점 굽힘 가압 메커니즘 개발, 대퇴경골부(femoro-tibial joint) 프레임 및 착용자 하지의 안정성 증가를 위한 구조설계, 정 상인 슬관절의 해부학적 운동을 구현한 기계식 6자유도 힌지 개발, 슬외측 가압부의 효과적 응력 재분포를 위한 최적설계 등이 그 핵심내용이다. 이상의 연구내용들을 바탕으로 하지강성 인공건 액추에이터(Leg Stiffness Artificial Tendon Actuator, LeSATA)의 시제품 제작이 2차년 중반부터 시작되었다. 즉 4점 가압식 시스템의 최적설계를 통한 슬관절 내외측 응력의 재분포 ( 정상분포) 설계를 통해 1,2차년 연구결과를 종합한 퇴행성 슬관절염 환자를 위한 LeSATA가 자체적인 제작기술로 개발되었다. 본 연구그룹에서 제작한 시작품에 대한 검증으로 인공건 액추에이터(LeSATA)의 보행분석을 수행했고, 보행분석을 통한 슬관절 굴곡-신전각 및 슬내측 모멘트의 변화 평가, LeSATA의 슬내측응력의 재분포 능력 평가를 위한 Hip-Knee-Ankle Joint의 Kinematics 평가 등을 통해 본 연구그룹이 자체 제작한 LeSATA의 상용화 가능성을 타진했다. 이와 같은 연구성과물에 대한 자신감을 바탕으로 식약청 품목허가(신고) 2건을 득한 후 본격적인 양산화 및 고령친화용품으로의 등록을 추진하고 있다.