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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김영은
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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인체의 상체와 하체를 연결하는 요추는 신체에서 기둥과 같은 역할을 하며 주변 근육의 작용에 의해 유연하게 움직인다. 척추 주변 근육은 척추의 동작을 만들어내는 힘의 근원이 되며 척추 주변 및 추골에 부착되어 척추의 안정성을 높여준다. 이러한 척추 주변 근육에 파열, 염좌 등 부상이 발생하면 척추의 안정화가 무너지게 되며 신체활동에 장애가 발생한다. 따라서 척추 주변 근육에 대한 연구의 필요성이 높아지고 있으며, 척추 주변 근육에 대한 연구 및 분석 등에 활용할 수 있는 유한 요소 해석 모델이 요구되고 있다. 본 연구에서는 척추 주변 근육의 동적 해석을 통해 거동표현 및 응답특성 분석이 가능한 3차원 능동 연속체 척추 주변근 모델을 개발하였다.
요추 및 흉부, 천골, 골반, 대퇴골 등을 2차원 강체 요소로 표현하였으며 다관절 운동이 가능하도록 6자유도 거동을 표현하는 1차원 빔 요소를 통해 추간판을 단순화하였고 동적 해석에 활용하기위해 무게중심, 무게, 관성모멘트를 설정하여 골격 모델을 구성하였다. 개발 모델을 구성하고 있는 총 10종류의 근육모델 중 7종류의 요추 주변 근육에 대해 비선형 점탄성 3차원 솔리드 요소와 1차원 힐-타입 근육모델 요소를 절점 공유하여 결합한 3차원 능동 연속체 근육 모델로 표현하였다. 각 척추 주변 근육의 해부학적 구조에 맞게 형태와 부착점을 상세하게 표현하도록 유한 요소 모델을 생성하였으며 근육간 접촉조건을 부여하여 근육간 상호작용 표현이 가능한 3차원 능동 연속체 요추 주변근 모델을 완성하였다.
개발된 모델에 실험을 통해 구한 굽힘-신전 운동 시 발생하는 시간에 따른 근전도 신호를 입력하여 자의적 거동을 하는 해석을 진행하였다. 이때 발생하는 흉부의 거동과 실험을 통해 측정한 흉부의 거동을 비교하여 검증하였다. 해석 결과 상체의 최대 굽힘각도는 62.33°로 나타났으며 굽힘-신전 거동이 실험과 유사한 경향으로 나타났다.
해석을 통해 척추 주변근 모델의 거동 중 응력 분포를 살펴본 결과, 근육의 수동요소에서는 최대 굽힘자세 직전에 1.74 MPa로 가장 큰 응력이 발생했으며, 건에서는 신전거동 시작 직후에 1.21 MPa로 가장 큰 응력이 발생하였다.
본 연구를 통해 개발된 3차원 능동 연속체 요추 주변근 모델은 기존 척추 주변근 모델과 비교하여 근육의 3차원적 형태를 갖추고 있으며 근육간 상호작용 표현이 가능하다는 차별점이 있다. 개발된 모델을 이용하여 다양한 입력조건에서 근육에 대한 분석연구가 가능하며, 조건에 의한 근육의 작용이 시각적으로 표현되어 현상에 대한 이해가 쉽도록 한다. 이러한 이유로 산업 및 차량 사고 등으로 인한 각종 상해분석, 근육의 부상으로 인한 힘의 불균형 발생시 척추의 안정성에 대한 연구 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
요추 및 흉부, 천골, 골반, 대퇴골 등을 2차원 강체 요소로 표현하였으며 다관절 운동이 가능하도록 6자유도 거동을 표현하는 1차원 빔 요소를 통해 추간판을 단순화하였고 동적 해석에 활용하기위해 무게중심, 무게, 관성모멘트를 설정하여 골격 모델을 구성하였다. 개발 모델을 구성하고 있는 총 10종류의 근육모델 중 7종류의 요추 주변 근육에 대해 비선형 점탄성 3차원 솔리드 요소와 1차원 힐-타입 근육모델 요소를 절점 공유하여 결합한 3차원 능동 연속체 근육 모델로 표현하였다. 각 척추 주변 근육의 해부학적 구조에 맞게 형태와 부착점을 상세하게 표현하도록 유한 요소 모델을 생성하였으며 근육간 접촉조건을 부여하여 근육간 상호작용 표현이 가능한 3차원 능동 연속체 요추 주변근 모델을 완성하였다.
개발된 모델에 실험을 통해 구한 굽힘-신전 운동 시 발생하는 시간에 따른 근전도 신호를 입력하여 자의적 거동을 하는 해석을 진행하였다. 이때 발생하는 흉부의 거동과 실험을 통해 측정한 흉부의 거동을 비교하여 검증하였다. 해석 결과 상체의 최대 굽힘각도는 62.33°로 나타났으며 굽힘-신전 거동이 실험과 유사한 경향으로 나타났다.
해석을 통해 척추 주변근 모델의 거동 중 응력 분포를 살펴본 결과, 근육의 수동요소에서는 최대 굽힘자세 직전에 1.74 MPa로 가장 큰 응력이 발생했으며, 건에서는 신전거동 시작 직후에 1.21 MPa로 가장 큰 응력이 발생하였다.
본 연구를 통해 개발된 3차원 능동 연속체 요추 주변근 모델은 기존 척추 주변근 모델과 비교하여 근육의 3차원적 형태를 갖추고 있으며 근육간 상호작용 표현이 가능하다는 차별점이 있다. 개발된 모델을 이용하여 다양한 입력조건에서 근육에 대한 분석연구가 가능하며, 조건에 의한 근육의 작용이 시각적으로 표현되어 현상에 대한 이해가 쉽도록 한다. 이러한 이유로 산업 및 차량 사고 등으로 인한 각종 상해분석, 근육의 부상으로 인한 힘의 불균형 발생시 척추의 안정성에 대한 연구 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
목차
Ⅰ. 서론 11.1 연구배경 11.2 선행연구 21.3 연구목적 5Ⅱ. 척추 근골격계 모델 개발 62.1 골격 모델 62.1.1 흉부 및 대퇴골 모델 62.1.2 팔 모델 62.1.3 요추부 모델 72.2 능동 연속체 척추 주변근 모델 132.2.1 능동 연속체 근육 모델의 구성 132.2.1.1 능동 연속체 모델의 기본 구성 132.2.1.2 능동부 물성 정의 142.2.1.3 수동부 물성 정의 162.2.2 능동 연속체 근육 모델 검증 182.2.2.1 검증 방법 182.2.2.2 검증 결과 192.2.3 근육의 접촉 현상 모델링 222.2.4 상세 척추 주변근육 모델 개발 232.2.4.1 척추 주변근육 생성 231) 형상 생성 242) 근육의 유한 요소 생성 272.2.4.2 척추 주변근육의 해부학적 구조와 개발 모델 비교 281) 척추 기립근(erector spinae) 282) 다열근(multifidus) 313) 요방형근(quadratus lumborum) 324) 대요근(psoas major) 335) 복근(abdominal muscle) 34Ⅲ. 3차원 능동 연속체 요추 주변근 모델 검증 373.1 자의적 굽힘-신전(flexion-extension)에 대한 거동 검증 373.1.1 모델 검증 조건 37Ⅳ. 해석 결과 404.1 자의적 굽힘-신전(flexion-extension) 거동에 대한 검증 결과 404.2 자의적 굽힘-신전(flexion-extension) 거동시 근육내의 응력변화 41Ⅴ. 토의 51Ⅵ. 결론 53참고문헌 55Abstract 59
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