고령자용기립지원의자개발을위한고령자와젊은이들간의좌면각도별 STS(Sit-to-stand) 동작에대한평가 김종현 1 전경진 1 홍재수 1 이나리 1 김창원 1 서정준 1 1 한국생산기술연구원실버기술개발단 A Study on Evaluation of Seat pan inclination during Sit-to-stand for development of elderly lifting-chair Jong Hyun Kim 1, Keyoung Jin Chun 1, Jae Soo Hong 1, Na Ri Lee 1, Chang Won Kim 1, Jung Joon Seo 1 1 Gerontechnology Center, KITECH, 331-825 ABSTRACT The purpose of this study in tilting seat of the elderly lift-chair is to set the direction of the appropriate design. In this study, On the seat pan's angle of nine stages during sit-to-stand(sts) motion were experimented using three-dimension motion capture camera, force-plate and wireless EMG(electromyography) for biomechanical evaluation of elderly people and young people. In the result, adjustable at various angles of seat pan rather than the only optimal angle to enable the elderly were more favorable in terms of usability. In addition, these results tilting the seat pan angle adjustment of the optimal range was derived. Keywords: Sit-to-stand(STS), Elderly lift chair, Motion Analysis, Tilting Seat, Electromyography 1. 서론 세계적으로고령화가진행중인가운데한국은세계적으로도유례가없는급격한고령화가진행중이다. 한국의인구통계는 2008년기준전체인구의 10.3% 가 65 세이상인고령자로나타났다 (2008, Statics Korea). 이런급격한고령화로인해고령자의일상생활을지원하는다양한고령친화기기개발의중요성이대두되고있는시점이다. 고령자의대표적인특성중에하나인신체적기능저하는실내에서의안전사고로이어지고있다. 대표적인 실내안전사고가낙상사고이고, ' 한국의노인낙상사고실태조사 ' 에따르면실내에서낙상사고가가장많이발생하는장소는기립이나이승 이동이잦은화장실 (29.9%), 침실 (17%), 계단 (15%) 에서자주발생하고있다 (2008, SAFIA Korea). 따라서, 낙상사고를예방하고고령자의안전한이승 기립을보조할수있는틸팅기능을갖춘기립보조의자의개발이매우필요한시점이며, 고령자의기립동작특성을파악하고자실시하는사용성평가는제품개발에있어매우중요한절차중에하나이다. 또한고령자의상황이나환경개선문제에대한해결의지가약한심리적인특성으로인해제품사용시발생하는문제점을해결하거나개선하려는의지가부족하여설
문조사나인터뷰를통한요구사항도출이어렵다 (2008, Kim JongHyun). 따라서, 고령친화제품의개발시에는제품의사용상의문제점이나특성을파악하고, 사용자의잠재적 Needs를도출할수있는실험적사용성평가가효과적이다 (2007, Jung KwangTae). 본연구에서는 EMG 측정장비와 3차원모션캡쳐시스템, 지면반력기을활용하여좌면각도에따른 STS 동작에대한실험을실시하였다. 피실험자는여자고령자 7명과젊은여자 7명을대상으로실험을진행하였다. 이러한실험을통해좌면의각도에따른 STS동작에서의근육활성도및관절모멘트에대한결과값을제시하였다. 또한 STS 동작에서의고령의여자와젊은여자그룹간비교분석후고령자의 STS동특성을분석하였다. 이러한결과값들을토대로고령자용기립보조의자의개발시효과적인기립보조를위한좌면의틸팅기능에대한적합한설계방향을설정하는것을본연구의목적으로한다. 그림 1. 실험장치설계 2. 실험방법 본연구에서는젊은여자 7명과고령의여자 7명이렇게총 7명을대상으로실험을진행하였다. 기립지원을위한틸팅각도별사용동작에대한분석은 Knee joint moment와 Hip joint moment의분석을통해결과값을도출하였다. 틸팅각도별 EMG에대한측정및분석은기립과관련된근육인 Erector spinae(bazrgari B), Rectus femoris, Vastus lateralis(marks S. Thompson) 이렇게 3가지근육을총 6개의채널을활용하여측정하였고, %MVC 를통하여근육의활성도를분석하였다. 2.1 피검자정보본연구에서는한국인의표준체형 (2010, SIZE KOREA) 에근접하는젊은여자 7명과고령의여자 7명, 총 14 명을대상으로실험을진행하였다. 2.2 실험장비좌면의틸팅각도별 Sit-to-stand 동작에대한실험평가를위해실험에필요한실험장치를직접제작하였다. 본연구에서실험장치의목표는좌면의정확한틸팅각도를구현함에있다. 따라서좌면의각도를 -5도부터 35도까지 5도씩총 9단계의각도를구현할수있게설계 / 제작하였다 ( 그림 1). 의자의높이 ( 오금높이최소값 : 고령자여성의 5% tile) 는성인의인체최소치수를기준으로설계하여실험시에피실험자의오금높이위치할수있도록설계하였고, 좌면의너비 ( 엉덩이너비최대값 : 여성의 95% tile) 는모든피실험자가넓게앉을수있도록인체치수최대값보다더크게설계하였다. 의자의깊이는인체치수와상관없이각도조절의공간을포함하여충분히넓게설계하였다. 첫번째로 3차원모션캡쳐는 VICON INC. UK. 의 MX-T20 카메라 10기를활용하여캡쳐하였다. 두번째로지면반력은 AMTI INC. OR6_7-2000 Force plate 2기를통해기립시발판의 3차원지면반력 (Ground reaction force) 을측정하였다. 세번째로 EMG측정은 Delsys INC. 의 Trigno Wireless EMG System의 6개채널을사용하여 Erector spinae(bazrgari B), Rectus femoris, Vastus lateralis 이렇게 3가지근육을측정하였으며, EMG Works Analysis 이용하여분석하였다. 위의지면반력기와 EMG 측정장비는측정값을아날로그신호형태로출력하여 VICON INC. 의모션캡쳐소프트웨어인 Nexus를통하여동기화하여실험을진행하였다. 2.3 실험절차실험의절차는먼저 MVC(Maximum Voluntary Contraction) 측정을시작으로진행되었다. MVC의측정동작 (2005, Peter Konrad) 3가지를통해측정되었고, 동작별로 3초씩 5번반복측정하였다. MVC를측정한후피실험자는 1시간이상의충분한휴식을취한이후에실험
에참여하였다. 실험진행자는피실험자에게실험의목적및실험의절차에대한충분히설명하였고, 피실험자가실험방법과절차를충분히인지하고연습한후에는피실험자의몸무게, 키등의신체사이즈를측정하였다. 실험에들어가기앞서 3차원모션캡쳐를위해피실험자의몸에 VICON 장비의일반적인마커셋인 Plug in gait full body marker set을활용하여총 35개의 maker 를부착하였고, 3가지근육 (Erector spinae, Rectus femoris, Vastus lateralis) 의 EMG 측정을위해좌우양쪽에 Wireless EMG Electrode 6개채널을부착하였다. 실험은총 9단계의각도 (-5deg~35deg) 에서 STS 모션을 3번씩반복하여총 27번동작을캡쳐 / 측정하는것으로실험이진행되었다. STS동작중에서자세의차이로오는실험결과값의오류를피하기위하여의자의높이는의자발판에받침대를대어피실험자의오금높이에맞추었고, 발의위치또한기준이되는지점에발이위치할수있도록하였다. 좌면에서의엉덩이위치또한항상동일한위치에위치할수있도록각도가바뀔때마다몇번의반복된연습을통해위치를익힌후다음각도에대한실험을진행하였다. 또한팔동작으로인한차이를제거하기위하여양팔은어깨와가슴사이에올려서고정시키고, 모든피실험자가동일한자세를취할수있게하였다. 그리고피실험자간의동작의속도차이를줄이기위하여실험진행보조자가피실험자앞에서앉는동작과일어서는동작의동작타이밍을알려주어피실험자간의 STS동작속도의차이를최소화하였다. 동작분석장비를통한 3차원모션캡쳐와지면반력기의데이터를 VICON NEXUS를통해동기화하여수집하고, 후처리하였다. 이렇게후처리된데이터는 19개의 Segments와 19개의 Joints 로이루어진가상모델을통해동작에대한관절특성분석이가능하다. 그리고모든조인트는관절마다 x, y, z 방향으로세개씩구성되어있다 ( 그림 2). 이처럼실험 ( 모션캡쳐 ) 을통해생성된모델의 Knee Joint(left, right) 와 Hip Joint(left, right) moment 의 Peak 값을분석하였다. EMG데이터의분석과정은 Filtering, Rectification, Smoothing(RMS(Root Mean Square), MVC에의한 Normalization 이렇게 4단계로이루어진다. 첫번째로필터링은 Bandpass 타입 (10Hz~350Hz) 의 FIR 필터를사용하여필터링하였다. 두번째로전파정류 (full wave rectification) 과정을수행하였다. 세번째로 Smoothing은 50ms로 Sampling 하여 RMS(Root Mean Square) 를취하였다. 네번째로 Normalization은 %MVC 값을취하였으며 MVC는측정값의 Peak 값 (300ms) 을취하였다. 3. 실험결과 3.1 Joint moment 분석결과 2.4 데이터수집및분석방법 그림 3. 고령자의조인트모멘트실험결과 그림 4. 젊은층의조인트모멘트실험결과 그림 2. Plug in gait full body model 과골격모델 좌면의틸팅각도변화에따른관절모멘트 (Knee, Hip) 결과값을보면고령의여자와젊은여자들의실험결과가
다르게나타난것을알수있다. 엉덩이관절의모멘트값은두그룹모두전체적으로낮아지는경향을보이고있으며, 고령자그룹은 10deg 에서 610Nmm 로가장높게나타났으며 35deg에서 494Nmm로가장낮게나타났다. 그리고젊은여성그룹은 5deg에서 870Nmm로가장높게나타났으며, 고령자그룹과마찬가지로 35deg 에서 734Nmm로가장낮게나타났다. 그러나 Knee joint 에서는고령자그룹의모멘트결과값은각도가높아짐에따라오히려증가하는경향을보였다. 5deg에서 595Nmm로가장낮았고 0deg~5deg까지는 613Nmm 로약간높아졌다가 10deg에서다시 604Nmm낮아지고다시점점높아져 25deg에서 656Nmm로가장높았다가 35deg 까지완만하게유지하는경향으로나타났다. 반면에젊은여자의경우에는 -5deg, 689Nmm에서시작하여 5deg에서 15deg에서 730Nmm로가장높게나타났으나 35deg에서 662Nmm가장낮게나타나 15deg 이후에는각도가높아질수록낮아지는경향을나타냈다 ( 그림 3, 4). 3.2 근활성도분석결과 는 20deg에서 19% 로가장높게나타났으며, 35deg에서가장낮은 16.5% 로나타났다. 세번째로 Vastus lateralis는상대적으로가장높은값을보였으며 -5deg 에서 40.1% 로가장높게나타났으며, 상승과하강을반복하면서 30deg 에서 36.4% 로가장낮게나타났다 ( 그림 5). 젊은여자그룹의근육별결과를첫번째로 Erector spinae는 30.4%(-5deg) 에서시작하여 30deg에서 23.3% 로가장낮게나타났으며, 5deg~35deg사이에서아주완만한기울기로낮아지는경향을보이고있다. 두번째로 Rectus femoris는 0deg 에서 32.2% 로가장높게나타났으며, 35deg 에서가장낮은 20.8% 로나타났다. 세번째로 Vastus lateralis는고령자와마찬가지로상대적으로가장높은값을보였으며 -5deg 에서 53.7% 로가장높게나타났으며, 35deg에서 42.6% 로가장낮게나타났다 ( 그림 6). 4. 결론 그림 5. 고령자의근활성도분석결과그림 6. 젊은층의근활성도분석결과좌면의틸팅각도변화에따른근육활성도결과값을보면젊은여자그룹은결과값이크고, 모든근육에서낮아지는경향이뚜렷하게나타난반면에고령여자그룹은아주낮은기울기로낮아지는것을알수있다. 고령여자그룹의근육별결과를보면첫번째로 Erector spinae 는 25.1%(-5deg) 에서시작하여 30deg 에서 20.6% 로가장낮게나타났으며, 완만한기울기로낮아지는경향을보이고있다. 두번째로 Rectus femoris 본연구에서는 3차원모션캡쳐카메라와지면반력기, 무선근전도장비를활용하여고령여자 7명과젊은여자 7명을대상으로 STS동작에서좌면의틸팅각도별관절모멘트 (Knee, Hip) 와근육활성도변화를분석하였다. 실험결과값은좌면의각도가높아질수록대부분이결과값들이낮아지는경향을보였지만, 고령의여자그룹과젊은여자그룹간에는많은차이점이나타났다. 먼저고령여자그룹의경우에는젊은여자보다모멘트나근육활성도값이적게나타났고, 결과값의변화의정도도적었다. 또한 Knee joint moment의결과값에서는젊은여자그룹과는다르게고령여자그룹의관절모멘트결과값은무릎관절모멘트와엉덩이관절모멘트가각기반대의곡선을그리고있었다. 물론이러한차이점의원인은앞으로연구해야할숙제이기도하다. 하지만고령자를대상으로한실험결과에서기립보조의자의개발에있어좌면틸팅기능의최적각도를도출하기는어렵다. 따라서고령자의관절모멘트결과값에나타난결과를반영한기립보조의자의개발에서는기립시좌면의틸팅각도의변화가최적각도에서만구현되는것이아니라사용자가편한높이에서기립이이루어질수있도록틸팅각도를조절할수있게설계해야한다. 고령자의근육활성도결과값에서는 10도에서부터 30 도까지대체적으로완만한곡선을그리고있고, 15도와 30도에낮은결과값을나타내고있다. 또한고령자의관
절모멘트결과그래프에서도 10도에서부터두그래프 (Knee, Hip) 의곡선이나누어지기시작한다. 따라서이러한 EMG와관절모멘트결과를반영하여틸팅각도의조절범위가 10도 ~30도사이에서조절될수있도록설계하는것이적합함을알수있었다. 향후에는현재의모션캡쳐결과를활용하여고령여자그룹과젊은여자그룹간의관절모멘트결과차이의원인을분석하기위해서, STS동작에서체절들의각도변화와동작, 자세, 동작속도에대하여고령여자와젊은여자그룹간의차이점을분석할계획이다. 또한본연구에서는고령의여자와젊은여자만을대상으로실험을진행하였기때문에본연구의실험결과가모든고령자와일반인을대변한다고할수없다. 따라서향후에는고령의남자와젊은남자에대한실험도진행할계획이다. 따라서, 본연구와같은고령친화제품에대한실험적사용성평가는고령친화제품을개발하는데있어, 고령자에게가장적합한제품의설계가이루어질수있도록평가 / 분석하는과정이얼마나중요한지보여주는좋은사례라고사료된다. 참고문헌 통계청, 2008년고령자통계, 2008 통계청, 2008년고령자통계, 2008 정광태외 4인, 고령친화제품에대한사용성평가방법, 대한인간공학회 2007년추계학술대회논문집, 2007 Bazrgari B, Shirazi-Adl A, Arjmand N, Analysis of squat and stoop dynamic liftings: muscle forces and internal spinal loads. Eur Spine J vol. 16(5) pp. 687-99 Mak S. Thompson, Michael Voigt and Mark de Zee, Evaluation of Lower Extremity Musculo -skeletal Model Using Sit To Stand Movement Peter Konard, A Practical Introduction to Kinesiological Electromyography, Peter Konard, Noraxon Inc. 32p, 2005