골절 방지 보호복 개발을 위한 인체의 유한요소 모델링과 충격 시뮬레이션 : 고령 여성의 고관절 골절을 중심으로

Abstract

본 연구에서는 보호복의 개발에 있어, 보호복 패턴에 적용이 가능한 정확한 낙상과 골절의 위치 및 특성을 파악하고 실제의 인체를 대상으로 하는 낙상 충격 실험을 대체하기 위한 방안으로 유한요소 모델을 이용한 3차원 시뮬레이션 방법을 개발하고자 하였다. 유한요소모델과 시뮬레이션을 고령 여성의 고관절 모델에 적용하여 요구되는 보호기구의 특성을 분석하여, 이러한 시뮬레이션을 통한 실험이 보호복 개발에 활용될 수 있음을 증명하였다. 한국인의 대표 뼈대 형상에 고령 여성의 외부 바디 형태를 최대한 반영한 고관절 부위의 유한요소 모델을 만들고 낙상 시와 유사한 가상 시뮬레이션을 함으로써, 낙상 시 고관절에 가장 큰 충격을 주는 부위의 위치 및 충격량을 분석하여 고관절을 보호해주는 보호기구의 위치 및 형태 등의 특성을 산출하였다. 충격 시뮬레이션을 위한 유한요소 모델링은 허리에서 무릎 까지의 우측 부위를 대상으로 솔리드(solid)타입의 뼈대 8개, 연골 2개, 연부조직 1개로 구성되었으며, 모든 구성 모델들은 서로 간섭과 빈틈없이 결합된 구조로 완성하였다. 구성 요소간의 접촉 정보와 물성을 설정 후, Fine 크기의 Tetra 메쉬를 적용하여 총 220만개의 노드와 140만개의 요소로 이루어진 유한요소모델을 개발하였다. 유한요소모델은 인체의 여러 외부 지점에 point형식의 힘을 부여하는 방식으로 충격을 가하고, 고관절 전자부와 경부에서 받는 응력의 크기를 비교하는 시뮬레이션에 활용하였다. 시뮬레이션 결과, 인체의 뒷면과 앞면에서는 고관절 전자부와 경부보다는 골반과 엉치뼈, 넙다리 몸통 부위에 더 큰 응력이 가해졌으며 인체 측면의 고관절 부위와 넙다리 중앙부위에서 고관절 전자부와 경부에 가장 큰 응력이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 고관절 보호기구는 선행연구들에서 제안한 바와 같이 고관절의 측면 부위에 위치하는 것이 좋다는 결과는 유사하였으나, 이에 대한 패턴 상의 위치를 엉덩이둘레선과 볼기고랑점 수평둘레선 사이의 측면 부위에 정확히 선정할 수 있었으며 골밀도가 낮은 경우는 골밀도 정상 대상의 패드에 비하여 보호 면적이 넓어지며 넙다리 중앙의 측면부위의 보호도 필요하다는 것을 알 수 있었다. 보호패드의 두께는 골밀도 정상 대상의 경우 패드의 면적을 골밀도 저하대상의 상부 패드와 같게 하였을 경우 0.5cm의 두께로 설정이 가능하나, 골밀도 저하 대상의 경우 1cm 가량으로 두꺼워지는 것이 적합하였으며 보호패드는 중앙에서 패드 사이드로 갈수록 두께가 얇아지는 구조가 적절하였다. 본 연구는 3차원 자동측정과 형상 및 사이즈 정보 분석의 연구 단계에서 더 나아가, 가상 인체를 활용하여 골절 방지용 특수복을 개발하는 새로운 가상 실험을 제안한 데에 의의가 있다. 이러한 유한요소인체 모델은 부위를 확대하여, 어깨 및 척추, 팔 등의 골절율이 높은 타 부위들의 골절 방지용 보호복 개발에 활용할 수 있을 것이라고 기대한다.