KR100881116B1

KR100881116B1 - 골격 균형력 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100881116B1
Application number: KR1020047010188A
Authority: KR
Inventors: 베르또노에릭; 디네조안네; 루쑬리삐에르
Original assignee: 워쏘우 오르쏘페딕 인코포레이티드
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-02-02
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: FR2834197B1; US20040228510A1; EP1458279B1; FR2834197A1; DE60224721T2; ES2298430T3; JP2005512718A; WO2003055378A3; ATE383815T1; WO2003055378A2; DE60224721D1; EP1458279A2; KR20040069206A; JP4268051B2; US7361150B2; AU2002364874A1; CA2472388A1

Abstract

본 발명은, 연구하려는 골격의 방사선 화상을 준비하는 단계, 신체의 중력 전체 축(5)의 위치를 결정하는 단계, 연구하려는 골격(S1-S7) 및 관절(A5)을 화상 세그멘트 상에서 선택하고, 메인 주장근(M1-M6)을 위치시키는 단계 및 중력을 보정하기 위하여 주장근에 의하여 가해진 복원력의 강도를 계산에 의하여 결정하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

골격, 방사선 화상, 중력, 관절, 주장근, 복원력

Description

골격 균형력 측정 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR EVALUATING THE SKELETON BALANCE FORCES}

본 발명은 안정된 자세를 취하고 있는 사람의 근육 및 관절의 힘을 측정하는데 관한 것이다.

사람의 해부학적 구조는, 특히 관절 및 상기 관절의 움직임을 제어하는 근육을 가진 골격을 측정하기 위하여 오래 동안 분석되어 오고 있다.

특히, 골격의 형상, 가능한 움직임 범위, 근육의 부착 포인트 및 근육의 움직임 범위는 공지되어 있다.

움직임을 증가시키는 근력값에 관하여는 아직 공지된 것이 실질적으로 없다.

사람의 안정된 자세를 취하고 유지하는데 필요한 근력값이나, 또는 유도된 관절 힘에 관하여도 공지된 것이 없다. 그러나, 근육 및/또는 관절의 힘이 과다해지면 피로, 기능 장애 및 관절 퇴화를 발생시키게 되므로, 이들 힘을 측정하는 것이 중요한 문제이다.

본 발명의 과제는 골격의 균형력, 또는 안정된 자세를 취하고 유지하는데 필요한 근력을 측정하고, 상기 근력으로 인한 관절 힘을 측정하는 신규의 방법, 신규 의 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 안정된 자세를 취하고 있는 사람에 있어서, 신체 세그멘트 각각은 중력의 효과를 상쇄시키는 근력에 의하여 하단 세그멘트 상에서 균형을 이룬다는 관점에 따른 것이다. 세그멘트 간의 상대 운동 분석에 있어서, 다음 세그멘트. 즉 두부, 팔뚝, 팔, 발, 다리, 허벅다리는 변형가능하지 않다. 토르소가 실질적으로 단단한 단일체로 생각되는 운동 분석에 반하여, 본 발명에서는 토르소가 목뼈에 대응하는 경부 세그멘트(cervical segment), 등뼈에 대응하는 척추 세그멘트(dorsal segment), 허리뼈에 대응하는 요추 세그멘트(lumbar segment), 및 골반(pelvis)으로 구성된다. 본 발명은 안정된 자세가 전혀 뻣뻣하지 않고, 경부, 척추, 또는 요추 곡률은 변경시키지 않지만 상대적인 각위치에 영향을 미치도록 순간적으로 자세 교정될 수 있다는 점에 따른 것이다.

근력 및 관절 힘을 측정하기 위하여, 본 발명은 종래 정보 중 두 가지를 이용한다.

제1의 정보는 신체 세그멘트가 균형을 이룰 때 이들 세그멘트의 형상 및 상대 위치에 관한 것이다. 신체 세그멘트 및 이들의 상대 위치의 형태학은 방사선 사진에 의하여 얻어진다. 따라서, 각각의 골격 세그멘트의 관절 말단 및 이들의 상대 위치가 측정된다.

종래의 제2 정보는 신체 구조에 가해져서 이 구조를 불안정하게 하기 쉬운 중력에 관한 것이다. 상기 정보는 사람이 균형 잡힌 자세로 있을 때 그 사람의 중력의 전체 중심을 통과하는 중력의 전체 축 형태이고, 상기 전체 축의 위치는 골격 에 대하여 일반적으로 오프셋된다.

따라서, 전체적인 자세에 있어서, 두부는 경부 세그멘트를 포함하며, 하단 세그멘트에 대하여 면저 균형을 이루는 말단 세그멘트를 구성하는 것으로 생각된다. 또한, 두부 및 경부 세그멘트는 척추 세그멘트를 포함하는 다음 세그멘트 상에서 균형을 이룬다. 또한, 상단 및 하단 세그멘트 그룹 사이의 관절 모두는 밸런스를 하강시킴으로서 균형을 이룬다.

최종적으로, 대체적으로 신체 전부는 발목을 중심으로 균형을 이룬다.

따라서, 피측정자의 골격의 근육 및 관절 균형력을 측정하기 위하여, 본 발명은 다음 단계:

a) 피측정자의 골격의 방사선 화상을 상기 골격의 관절의 회전축과 대체로 직각을 이루는 평면으로 촬영하여 준비하는 단계,

b) 방사선 화상에서 신체의 중력의 전체 축의 위치를 동시에 결정하는 단계,

c) 방사선 화상에서 서로 관절로 연결된 골격 세그멘트를 선택하고, 이들 세그멘트의 위치 및 관절의 위치를 확인하며, 대응하는 신체 세그멘트의 중량을 각 세그멘트에 할당하는 단계,

d) 피측정자의 골격의 균형을 잡는 주장근(main tensor muscle)의 방사선 화상에서 방향 및 고정 포인트를 확인하는 단계,

e) 상기 주장근에 의하여 가해진 복원력의 강도를, 상기 세그멘트의 하단 관절 주위의 각 세그멘트에 가해진 중력의 회전 모멘트를 보정하는 것으로 가정하여, 계산에 의하여 결정하는 단계.

를 포함하는 방법을 제공한다

상기 방법은 세그멘트에 가해진 중력 및 복원력의 합력이 동일한 것으로 가정하여, 각 세그멘트의 자신의 하단 관절 상에서의 지탱력을 계산에 의해 또한 결정하는 것이 바람직하다.

실제로, 상기 측정 방법을 실행하기 위하여 다음 단계가 채택된다:

- 다음 세그멘트, 즉 두부, 목뼈 세그멘트, 등뼈 세그멘트, 허리뼈 세그멘트, 골반 세그멘트, 대퇴골 중 일부 또는 모두가 관절로 연결된 세그멘트로 선택된다.

- 균형을 잡기 위하여, 다음 근육, 즉 메인 횡방향 및 중간 주동근(agonist muscle), 길항근(antagonist muscle)이 메인 균형 장근으로 고려된다. 상기 균형잡는데 관련된 근육은 척추-골반 복합 자세를 함수로서 선택된다.

사람들이 안정적인 균형 위치에 있을 때 약간 움직일 수 있다는 점을 고려하는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위하여, 미리 정해진 기간 동안의 중력의 전체 축의 연속적인 위치는 초당 얻어진 여러 주파수로 기억되고, 기억된 위치 세트는 타원형 위치 클라우드를 포함한다. 상기 위치 클라우드를 둘러싸는 분산 타원(dispersion ellipse)이 결정되고, 위치가 분산 타원에 배치되는 중력의 전체적인 축에 대응하는 방사선 화상이 선택된다.

복원력 또는 지탱력을 측정할 때의 오차는 분산 타원을 함수로 하는 계산에 의하여 결정될 수 있다.

또한, 본 발명은 골격의 균형력을 측정하는 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는:

- X선 소스 및 X선에 민감한 타킷 플레이트 지탱 수단,

- X선 소스와 타깃 플레이트 지탱 수단 사이의 고정 위치에 피측정자를 지탱하고, 피측정자 중력의 전체적인 축의 수평 위치의 화상 위치 신호를 발생시키는 구조를 갖는 피측정자 지탱 플레이트,

- 메모리에 기억되는 디지털화된 방사선 화상을 발생시키도록, 타깃 플레이트 상에 위치된 피측정자의 방사선 화상을 디지털화하는 수단,

- 타깃 플레이트 상의 중력의 전체적인 축에 의하여 던져진 그림자의 방사선 화상을 디지털화된 피측정자의 방사선 화상 상에 중첩시키는 수단,

- 디지털화된 방사선 화상에 따라, 관절로 연결된 골격 세그멘트 및 이들의 관절은 물론 균형을 이루는 장근의 고정 포인트를 선택하는 수단,

- 상기 세그멘트의 하단 관절 둘레의 각 세그멘트에 가해진 중력 힘의 회전 모멘트를 보정한다는 가정 하에, 연산 수단, 및 균형을 잡는 장근에 의하여 가해진 복원력의 강도를 계산하는 프로그램

을 포함한다.

상기 장치는 피측정자가 안정된 위치에 있을 때, 그 피측정자의 중력의 전체 축의 수평 분산 타원의 치수에 의하여 피측정자의 수직 자세에서의 변화를 측정하는 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에 따르면, 프로그램은

- 조작자는 방사선 화상에서 관절, 세그멘트 및 균형을 잡는 장근의 고정 포인트를 찾아내고,

- 피측정자의 방사선 화상을 디지털화하는 수단은 상기 조작자에 의하여 찾아 내어진 위치를 메모리에 기억시키는 하나 이상의 획득 순서를 포함한다.

삭제

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 기재된 특정의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 관절 및 신체 중력의 전체 축의 위치가 예시된, 사람의 신체 세그멘트의 측면도이다.

도 2는 두부와 경부 세그멘트를 포함하는 상부 서브유닛과 하단의 인접하는 신체 세그멘트 사이의 중력, 근력 및 접촉력에 의한 부분적인 균형을 예시하는 측면도이다.

도 3은 두부와 경부 세그멘트를 포함하는 상부 서브유닛의 균형을 맞출 때 힘의 계산을 예시하는 도면이다.

도 4는 사람의 서 있는 자세에 대한 전체적인 균형을 제공하는 주요 근육의 위치 및 방향을 예시하는 측면도이다.

도 5는 무릎 영역의 근력의 합력을 결정하는 방법을 예시하는 측면도이다.

도 6은 무릎 영역의 균형력을 측정하는 기본적인 방법을 예시하는 측면도이다.

도 7은 중력의 전체 축을 측정하기 위하여 방사선으로 촬영하는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 예시한 사시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 균형력을 측정하는 필수적인 연산 수단을 예시하는 이론적인 개략도이다.

도 7에 예시된 장치는, 예를 들면, 피측정자(4)의 서 있는 자세를 분석하는 데이터를 얻을 수 있다.

장치는 X선 소스(1), X선에 민감한 타깃 플레이트를 지탱하며 상기 X선 소스(1)로부터 소정의 수평 거리에 수직으로 배향된 타깃 플레이트(2) 지탱 수단, 및 피측정자(4)를 X선 소스(1)와 타깃 플레이트(2) 지탱 수단 사이의 고정 위치에 지탱하는 피측정자 지탱 수단(3)을 포함한다. 따라서, 장치(1)는 방사선 사진 촬영용 시스템이다. X선 소스(1) 및 타깃 플레이트(2) 지탱 수단은 종래의 의료용 방사선 시스템에 사용되는 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 7에 예시된 장치에서, 피측정자 지탱 수단(3)은 지탱면의 수평 위치를 검출하고, X선 소스(1)가 동작하는 동안 상기 지탱면 내의 피측정자(4)의 중력(5)의 전체 축 또는 피측정자(4)의 중력(G)의 중심을 통과하는 수직축의 순간적인 위치를 확인하는 수단을 포함한다. 중력(5)의 순간적인 전체 축은 방사선 사진을 촬영할 때 얻어지고, 상기 축의 위치는 X선 소스(1)로부터 원뿔형 돌출부를 따라 방사선 화상면 내로 돌출된다. 중력의 전체 축 및 방사선 화상으로 돌출하는 돌출부의 위치 감지 원리는 문헌 WO 01/50956 또는 이에 대응하는 FR 2 803 507 A에 기재되어 있다.

예를 들면, 피측정자 지탱 수단(3)은 복수의 힘 센서가 제공된 변형 균형력 플레이트(15)를 포함하고, 상기 복수의 힘 센서는 프레임(Xb, Yb)에 대하여 확인된 위치에 수평으로 분산되며 피측정자(4)에 의해 프레임(Xb, Yb) 내의 균형력 플레이트(15) 상으로 가해진 힘의 합력에 대한 수평면 내의 위치(Og)를 계산하는 연산 수단(21)과 결합된다. 연산 수단(21)은, 예를 들면, 표시 화면(23) 및 키보드(22)를 또한 구비한 마이크로컴퓨터의 연산 장치일 수 있다.

서 있는 위치에서, 피측정자(4)의 팔(6, 7)은 자유로울 수 있다. 대안으로서, 피측정자(4)의 안정적이며 재연가능한 위치를 결정하기 위하여 피측정자들의 팔을 올려 놓을 수 있는 서포트(8, 9)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

도 7에 예시된 장치에서, 타깃 플레이트(2) 지탱 수단 상에 위치된 피측정자의 방사선 화상을 스캐닝에 의하여 디지털화하기 위한 수단(20)이 또한 제공된다. 이를 위하여 X선에 민감한 타깃 플레이트(2) 상에 생성된 방사선 화상을 스캐닝에 의하여 분석하고 디지털화된 방사선 화상을 포함하는 일련의 디지털 신호를 생성하는데 적합한 스캐너가 사용될 수 있다. 상기 화상은 이 화상을 기억하고 처리하는 연산 수단(21)으로 송신된다.

처리 과정은, 특히, 방사선 화상을 포함하는 타깃 플레이트(2) 상의 피측정자의 중력(5)의 전체 축에 의하여 던져진 그림자(Hg) 화상을 피측정자의 방사선 화상에 중첩시키는 동작을 포함한다. 이러한 중첩은 연산 수단(21)에 의하여 실행되며, 상기 연산 수단은 힘 플레이트(15)로부터 중력(G)의 중심의 수평 돌출부(Og)의 좌표에 관한 정보를 수신하고, 이 정보로부터 던져진 그림자(Hg)의 위치를 추론하며, 이 위치를 메모리에 포함된 디지털화된 화상 내에 삽입시킨다.

상기 장치는 더 상세한 설명을 위하여 참조한 문헌 WO 01/50956에 기재된 장치와 유사할 수 있다.

이제, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 힘 측정 방법 및 도 7에 예시된 장치의 동작을 설명한다.

도 1은 피측정자의 골격의 메인 세그멘트의 형상, 이들 세그멘트의 상대적인 위치 및 관절 포인트가 개략적으로 예시된 도면이다. 예를 들면, 두부(head)에 의하여 형성된 상부 세그멘트(S1), 목뼈(cervical column)에 의하여 형성된 제2 세그멘트(S2), 등뼈(dorsal column)에 의하여 형성된 제3 세그멘트(S3), 허리뼈(lumbar column)에 의하여 형성된 제4 세그멘트(S4), 골반(pelvis)에 의하여 형성된 제5 세그멘트(S5), 대퇴골(femur)에 의하여 형성된 제6 세그멘트(S6), 및 경골(tibia)에 의하여 형성된 제7 세그멘트(S7)의 상단부를 알 수 있다. 각각의 중간 관절(A1, A2, A3, A4, A5 및 A6)을 도면에 예시된 바와 같이 알 수 있다.

골격 및 신체의 동일 높이 영역에 위치된 다른 장기(organ)를 포함하는 신체의 세그멘트는 각각의 세그멘트(S1 - S7)에 해당한다. 일반적으로, 다른 장기는 골격에 대하여 오프셋된다.

신체의 세그멘트 각각의 중력 중심은 신체 전체의 중력 중심(G)을 통과하는 수직선으로 정렬되는 것으로 가정할 수 있다. 상기 수직선은, 전술한 바와 같이, 도 7의 장치에 의하여 측정된 중력의 전체 축(5)으로 표시된다.

두부 세그멘트(S1)는 관절 포인트(A1) 상에 관절로 연결된다. 또한, 두부 세그멘트(S1)와 목뼈 세그멘트(S2)는 관절 포인트(A2) 상에 관절로 연결된다. 또한, 두부 세그멘트(S1), 목뼈 세그멘트(S2) 및 등뼈 세그멘트(S3)는 관절 포인트(A3) 상에 관절로 연결된다. 두부 세그멘트(S1), 목뼈 세그멘트(S2), 등뼈 세그멘트(S3) 및 허리뼈 세그멘트(S4)에 의하여 형성된 유닛은 관절 포인트(A4) 상에 관절로 연결된다.

각각의 신체 세그멘트는 자체 중량을 갖고 있다. 이미 발간된 해부학에 관한 문헌에 따르면 각각의 세그멘트의 중량은 신체의 총 중량에 비례하는 것으로 정의를 내리고 있다.

도 2에 예시된 바와 같이, 제3 세그멘트(S3)의 상부 2개의 세그멘트(S1, S2)의 균형을 잡는 모델을 예로서 설명한다. 유닛(S1, S2)은 도면의 평면에서 척추 세그멘트(S3)의 관절(A2)을 중심으로 회전할 수 있다. 유닛(S1, S2)은 중력 힘(W1 + W2)을 받고, 총 중량(W)에 대한 상대값은 해부학에 관한 종래의 연구 문헌에 공지되어 있다. 이러한 중력 힘(W1 + W2)은 중력의 전체 축(5)의 공지된 방향에 의하여 지탱된 국부적인 중력 중심에 가해진다.

이러한 중력 힘(W1 + W2)으로 인하여 유닛(S1, S2)은 방사선 사진, 즉 디지털화된 방사선 화상에서 확인된 관절 포인트(A2)를 중심으로 회전하게 된다. 회전 작용은 근육에 가해진 힘으로 보정된다. 제안된 예에는 2개의 근육 덩어리가 관련되어 있는데, 하나의 근육 덩어리는 도 2에 도면 부호(B3)로 표기된 제3 흉추(dorsal vertebra)와 레벨을 이루는 세그멘트(S3) 및 관절 포인트(C1)에서 두부(S1) 상에 삽입되며, 다른 하나의 근육 덩어리는 동일한 척추 삽입부(B3)로부터 제 4의 목뼈까지 연장되어 포인트(C2)에서 삽입된다. 근육의 작용이 2개의 근육 덩어리의 작용과 결합되고, 근육의 합력은 방사선 사진으로부터 이렇게 측정된 평균 방향(B3, B2)을 따라가는 것으로 판명되었다.

따라서, 본 발명은 다음의 세 가지 힘에 관련된 2차원 정적 기계 과제를 해소하는 것이다:

- 수직 방향, 즉 중력의 전체 축 방향으로 공지되어 있으며, 그 값은 공지된 값의 표로부터 얻어지는 W1 + W2와 동일한 중력 힘,

- 방향(B3B2)은 방사선 사진 또는 디지털화된 방사선 화상으로부터 정해지고, 그 크기는 공지되어 있지 않은 근력,

- 관절(A2)을 통과하며, 그 크기 및 방향은 공지되어 있지 않은 접촉력.

상기 과제는 방사선 사진 상에서 직접 그래픽으로 해소되거나, 또는 디지털화된 방사선 화상의 데이터를 사용하여 벡터 계산에 의해 해소된다.

근육에 의하여 가해진 균형력의 값을 구하기 위하여, 균형력이 전체에 가해진 중력 힘의 하부 관절(2)를 중심으로 하는 회전 운동을 보정한다는 가정 하에 간단하게 계산된다. 따라서, 두 가지 힘의 방향은 물론 중력의 강도는 공지되어 있고, 이들로부터 근력의 강도는 추론된다.

전체적인 해소 방법으로, 도 3에 예시된 바와 같이, 상기 과제를 해소하는 동시에 근력 및 접촉력을 확인할 수 있다. 이를 위하여, 합력의 근력(B3B2)의 방향은 포인트(K2)에서 중력의 전체 축(5)과 만나는 것으로 생각된다. 또한, 상기 포인트(K2)는, 3가지 힘의 회전 모멘트가 관절(A2)를 중심으로 제로이기 때문에, 접촉력(Fc)의 방향을 정한다.

중력의 전체 축(5)에 의하여 지탱된 중력(W1 + W2), 방향(B3B2)에 의하여 지탱된 근력(Fm), 및 공지된 방향(A2K2)을 가진 접촉력의 기하학적인 힘의 합력은 제로로 기입된다. 이 계산이 도 3에 예시되어 있고, 여기에서 접촉력(Fc)은 방향(A2K2)으로 구성될 수 있고, 다음에 중력(W1 + W2)은 포인트(K2)로부터 시작해서 수직 방향으로 구성되며, 상기 2가지 벡터의 말단과 결합되는 근력(Fm)은 이들로부터 추론된다. 힘(Fm)은 디지털화된 방사선 화상의 데이터를 사용하여 계산에 의해 동일하게 측정될 수 있다. 이와 같은 방식으로 근력(Fm)의 크기 및 접촉력(Fc)의 크기가 얻어진다. 접촉력은 관절(A2)의 접촉 영역과 직각인 법선 성분(FN) 및 접촉 영역(A2)과 평행인 접선 성분(FT)으로 분해된다. 법선 성분(FN)은 유닛(S3) 상의 유닛(S1, S2)으로 인한 압착력을 나타내고, 접선 성분(FT)은 접촉 영역(A2)의 전단력을 나타낸다.

자세의 균형을 잡는데 관련된 모든 근육 중에서, 본 발명은 필수적인 역할을 하는 근육을 선택한다. 이러한 근육이 도 4에 예시되어 있다.

예를 들면, 주요 콤플렉스를 포함하는 근육(M1)이 두부(S1)의 균형을 잡는 것으로 생각된다.

목뼈 세그멘트(S2)의 균형은 광배근(latissimus dorsi) 및 삼각근(trapezius)(A2)과 같은 목의 목덜미의 목뼈 부분이 잡는 것으로 생각된다.

등뼈 세그멘트(S3)의 균형은 척수 이렉터(spinal erector)를 포함하는 근육(M3)이 잡는 것으로 생각된다.

허리뼈 세그멘트(S4)의 균형은 허리선(M4)이 잡는 것으로 생각되며, 상기 허리선은 흉추(D12)로부터 요추(L13)까지 연장된다.

골반(S5)의 균형은 중력의 전체 축이 대퇴골 헤드 중앙 앞쪽을 통과할 때는대둔근(gluteus maximus)을 포함하는 근육(M5)이 잡는 것으로 생각되며, 상기 근육은 천골(sacral vertebra)을 따라 팬 형상으로 삽입되고, 중력의 전체 축이 대퇴골 중앙 뒷쪽을 통과할 때는 대퇴골 둘레에 연장되는 소아스(psoas)를 포함하는 근육(M6)이 잡는 것으로 생각된다.

대퇴골의 균형은 대퇴 직근(rectus femoris)(M62) 및 슬건 근육(hamstring muscle)(M61)(도 6 참조)이 잡는 것으로 생각된다.

제2 예로서, 도 5 및 도 6에는 무릎 관절의 균형력의 측정 방법이 예시되어 있다.

무릎은 대퇴골(F)와 경골(T) 사이의 관절이다. 이것은 특수한 해부학적 특징을 갖는다. 대퇴골은 회전 뿐만 아니라 경골 플래토우(tibial plateau)(Pt)를 따라 이동할 수 있으므로, 회전 및 글라이드한다. 이러한 글라이딩은 드로어 검사(drawer test)에 의하여 임상학적으로 증명된다.

본 발명에 따르면, 대퇴골(F)와 경골(T) 사이에는 롤링 및 글라이딩 조건에 따르도록 마찰없이 접촉될 수 있다. 주동근(agonist muscular) 힘(중력에 의하여 지시된 이동 방향) 및 길항근(antagonist muscular) 힘(반대 방향)은 마찰없이 접촉될 수 있다.

무릎 위에 위치된 세그멘트의 중력 힘(W1-6)의 크기 및 방향은 공지되어 있 다. 이것은 중력 힘(W1, W2, W3, W4, W5, W6)의 합이다. 상기 힘(W1-6)은 중력의 전체 축에 의하여 지탱된다.

접촉력(Fc)의 방향은 공지되어 있고, 이 방향은 대퇴골(F)와 경골(T) 사이의 접촉 포인트(A6)를 관통하여 연장되며 방사선 사진 상에서 확인될 수 있다. 이 방향은 경골 플래토우(Pt)와 직각이며, 방사선 사진 상에서 또한 알 수 있다. 대퇴 직근(M62)은 주동근 힘(Fag)을 생성하는 한편, 길항근(M61)은 길항근 힘(Fat)을 생성하며, 이들이 경골(T) 상에서 작용하는 방향은 도 5에 예시되어 있고 포인트(16)에서 교차한다.

힘을 측정하는 처리 단계는, 다음에 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하는 바와 같이, 전술한 단계와 유사하다. 접촉 포인트(A6)를 통과하는 접촉력(Fc)의 방향은 포인트(K6)에서 중력의 전체 축(5)을 교차한다. 주동근 힘 및 길항근 힘의 합력(Fm)은 중력의 회전 효과를 취소시키도록 포인트(K6)를 반드시 통과해야 한다. 이 합력은 포인트(I6)를 또한 통과한다. 따라서 근력의 합력의 방향은 I6K6이다.

도 6에 예시된 바와 같이, 문제점은 벡터 다이어그램을 사용하고, 균형이 잡힌 조직에 대한 힘의 삼각 관계의 클로저 룰을 적용함으로써 해소될 수 있다. 중력(W1-6)이 공지되어 있고 접촉력(Fc)의 방향이 공지되어 있으므로, 근력(Fm)은 이들로부터 추론된 다음, 주동근 힘(Fag) 및 길항근 힘(Fat)을 구하기 위하여 분해된다. 디지털화된 방사선 화상에서도 동일하게 계산될 수 있다.

이제, 본 발명에 따른 장치가 예시된 도 7을 참조한다.

방사선 화상에서 중력의 전체 축(5)의 위치를 확인한 후, 오퍼레이터는 관절 의 근력 및 압착력을 측정한다.

제1 옵션에 따르면, 피측정자는 지탱 수단의 감광 플레이트(2) 상에 나타난 방사선 화상에 접근하고, 상기 방사선 화상 상에서 관절, 세그멘트 및 균형을 잡는 장근의 고정 포인트를 고른다. 피측정자의 방사선 화상을 디지털화시키는 수단(20)은 오퍼레이터가 지정한 포인트를 동시에 기억시키며, 이들 포인트는 힘 계산을 위하여 추후 사용하게 된다.

다른 옵션에 따르면, 오퍼레이터는 디지털화된 방사선 화상 및 중력의 전체 축(5)의 위치를 화면 상에서 관찰하고, 키보드(22) 또는 마우스를 사용하여 상기 화면 상에서 관절, 세그멘트 및 균형을 잡는 장근의 고정 포인트의 위치를 선택한다. 연산 수단(21) 및 이의 관련 프로그램을 사용하여 오퍼레이터에 의하여 정해진 포인트를 추후 힘 계산을 위하여 기억시킬 수 있다.

특정의 획득 프로그램으로 인하여 사용자는 마우스를 사용하여 필름의 디지털화된 화상에서 해부학적 포인트를 획득할 수 있다. 화상 처리 기술은 포인트 또는 상세부의 획득을 용이하게 하기 위하여 프로그램에 결합된다. 이것은 확대 효과, 흐릿한 사진을 사용가능하도록 하기 위하여 콘트라스트 증가, 뼈 형상과의 접선을 획득하거나 또는 준-원형 만곡부의 중앙을 재생가능하게 확인하기 위한 보조 기구가 있다.

디지털 표시 프로그램으로 인하여 사용자는 자세의 형태에 따라 근력 및 접촉력을 계산하는 여러 가지 접근법을 예상할 수 있다.

연산 수단(21)에 포함된 프로그램으로 인하여 전술한 원리에 따른 힘 계산을 수행할 수 있고, 프로그램은 그 결과를 화면(23) 또는 임의의 다른 적합한 매체 상에 표시한다.

프로그램은 근력 및 접촉력의 계산에서 오차 마진을 계산하기 위하여 중력의 전체 축의 수평-위치 분산 타원의 치수를 고려하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 관절 영역 및 균형을 잡는 근육 작용 방향에 대응하는 방사선 사진 상에서 확인된 소수의 포인트를 사용하고, 피측정자의 중력의 전체 축의 위치를 사용함으로써, 본 발명은 세그멘트 또는 일련의 미리 균형이 잡힌 세그멘트를 다음 세그멘트에 대하여 균형을 잡는 메인 근력값을 계산할 수 있다. 관절 내에 유도된 접촉력의 크기 및 방향 또한 결정된다.

상기 측정은 정역학에서의 간단한 법칙, 및 생리학에서의 관절에 관한 학문적 지식을 이용한다.

본 발명은 인체 내에 센서 또는 다른 측정 기기를 이용하지 않고 관절의 근력 및 압착력을 측정할 수 있다.

본 발명은 소정의 자세를 연구하기 위하여, 힘의 프리오리 측정에 이용될 수 있다.

또한, 본 발명은 동일한 피측정자에 대하여 예를 들면, 수술 전후, 또는 정형 수술 전후의 복수의 연속적인 힘 측정에 이용될 수 있다. 따라서, 형태학에서의 변화를 나타내는 편차보다 훨씬 현저한 편차를 눈에 띄게 할 수 있다.

본 발명은 예시적으로 기재한 실시예에만 한정되지 않고, 특허청구범위에 포함되는 상이한 변형예 및 일반적인 예를 포함한다.

Claims

피측정자의 골격의 균형력 측정 방법에 있어서,

a) 피측정자의 상기 골격의 방사선 화상을 상기 골격의 관절의 회전축과 직각을 이루는 면을 촬영하여 준비하는 단계,

b) 상기 방사선 화상에서 신체의 중력 전체 축(5)의 위치를 동시에 결정하는 단계,

c) 상기 방사선 화상에서 서로 관절로 연결된 골격 세그멘트를 선택하고, 상기 골격 세그멘트의 위치 및 상기 관절의 위치를 확인하며, 대응하는 신체 세그멘트의 중량을 각각의 세그멘트에 할당하는 단계,

d) 피측정자의 상기 골격의 균형을 잡는 주장근(main tensor muscle)의 방향 및 고정 포인트를 상기 방사선 화상에서 확인하는 단계, 및

e) 상기 주장근에 의하여 가해진 복원력의 강도를, 상기 세그멘트의 하단 관절 주위의 각각의 세그멘트에 가해진 중력 힘의 회전 모멘트를 보정한다는 가정 하에, 계산에 의해 결정하는 단계

를 포함하는 골격 균형력 측정 방법.
제1항에 있어서,

각 세그멘트를 하단 관절 상에 지탱시키는 지탱력도 또한, 상기 세그멘트에 가해진 중력과 복원력의 합력과 동일한 것으로 가정하여, 계산에 의해 결정되는 것 을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

- 다음 세그멘트, 즉 두부(S1), 목뼈 세그멘트(S2), 등뼈 세그멘트(S3), 허리뼈 세그멘트(S4), 골반 세그멘트(S5), 대퇴골(S6) 중 일부 또는 전부가 관절 세그멘트로 선택되고,

- 균형을 잡기 위하여, 횡방향 및 중간 주동근, 길항근이 균형을 잡는 주장근으로 사용되며, 균형을 잡는 데 관련된 이들 근육은 등뼈-골반 복합 자세의 함수로서 선택되는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

피측정자는 안정적인 균형 잡힌 위치로 위치되고,

미리 정해진 시간 동안의 중력의 전체 축(5)의 연속적인 위치는 초당 하나 이상의 획득 주파수로 기억되며,

상기 기억된 위치 세트는 타원형의 위치 클라우드를 구성하고,

상기 위치 클라우드를 둘러싸는 분산 타원이 결정되며,

상기 분산 타원에 위치된 중력의 전체 축(5)에 대응하는 방사선 화상이 선택되는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 방법.
제4항에 있어서,

상기 복원력 또는 지탱력의 측정 오차는 상기 분산 타원의 함수로서 계산에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 방법.
골격 균형력의 측정 장치에 있어서,

- X선 소스(1) 및 상기 X선에 민감한 타깃 플레이트(2)용 지탱 수단,

- 피측정자(4)를 상기 X선 소스와 상기 타깃 플레이트(2)용 지탱 수단 사이의 고정 위치에 지탱하고, 상기 피측정자(4)의 중력 전체 축의 수평 위치(Og)의 화상 위치 신호를 발생시키는 구조를 갖는 피측정자 지탱 플레이트(3),

- 적합한 메모리에 기억될 디지털화된 방사선 화상을 생성하기 위하여, 상기 타깃 플레이트 상의 피측정자의 방사선 화상을 디지털화된시키는 수단(20),

- 상기 타깃 플레이트(2) 상의 중력 전체 축(5)에 의하여 던져진, 그림자(Hg)의 디지털화된 화상을 상기 피측정자의 상기 디지털화된 방사선 화상에 중첩시키는 수단(21),

- 상기 디지털화된 방사선 화상에서, 관절로 연결된 골격 세그멘트 및 이들의 관절과, 상기 균형을 잡는 주장근의 고정 포인트를 선택하는 수단(22), 및

- 상기 균형을 잡는 주장근에 의하여 가해진 복원력의 강도를, 상기 세그멘트의 하단 관절 주위의 각 세그멘트에 가해진 중력 힘의 회전 모멘트를 보정하는 것으로 가정하여, 계산하는 연산 수단(21) 및 프로그램

을 포함하는 골격 균형력 측정 장치.
제6항에 있어서,

피측정자가 안정적인 위치에 있을 때, 상기 피측정자의 중력 전체 축(5)의 수평-위치 분산 타원의 치수에 의하여 피측정자의 수직 자세에서의 편차를 측정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 프로그램은

- 오퍼레이터는 상기 균형을 잡는 주장근의 관절, 세그멘트 및 고정 포인트의 위치를 상기 방사선 화상에서 찾아내는 획득 순서,

- 상기 피측정자의 상기 방사선 화상을 디지털화하는 수단(20)이 상기 오퍼레이터에 의하여 찾아 내어진 위치를 메모리 내에 기억시키는 획득 순서

중 하나 이상의 순서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 프로그램은

- 오퍼레이터는 상기 디지털화된 방사선 화상을 화면 상에 표시하는 획득 순서,

- 입출력 장치에 의하여, 오퍼레이터는 상기 디지털화된 방사선 화상에서 상기 균형을 잡는 주장근의 관절, 세그멘트 및 고정 포인트의 위치를 찾아 내는 획득 순서, 및

- 상기 프로그램이 오퍼레이터에 의하여 정해진 포인트의 좌표를 기억시키는 획득 순서

중 하나 이상의 순서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 프로그램은 근력 및 접촉력의 계산 오차의 마진을 계산하기 위하여, 중력 전체 축(5)의 수평-위치 분산 타원의 치수를 사용하는 것을 특징으로 하는 골격 균형력 측정 장치.