골밀도 개선에 영향을 미치는 신발 구조체 개발에 관한 연구

Abstract

지금까지의 많은 신발개발들은 족부충격이 인체의 상해를 유발할 수 있다는데 초점을 두고 진행되어왔다. 그러나 체중부하운동이 골밀도에 좋은 영향을 미친다는 다양한 연구도 진행되어지고 있다. 본 연구는 후자인 결과에 주목해 보행 시 적절한 충격을 족부에 가하여 하지의 골밀도 개선에 영향을 미치는 플렉스케이지 신발 구조체 개발에 관한 연구이다. 고안된 구조체에 대한 검증을 위해 유한요소법을 도입하여 실제 필드테스트에서의 성능검증 대체와 기술개발에 소요되는 시간과 비용을 절감하고자 하였다. ANSYSTM LS_DYNA 충격 유한요소 해석프로그램을 사용하여 동해석을 수행하였다. 그 결과 고안된 구조체 삽입 모델이 미삽입 모델에 비해 골의 추출위치(15곳) 대부분영역에서 유효응력이 약 20~100% 더 큰 값을 얻었다. 또한 착화의 편안함과 부하량을 분석하기위해 19~25세(24.2±1.7) 건강한 남성 10명을 대상으로 구조체 삽입신발(X)과 미삽입 일반신발(N)의 측정요소별 족저압력 분포의 변화를 측정한 실험을 진행하였다. 구조체가 삽입된 후족부의 데이터에서 볼 때 접촉면적 분석결과 X평균값(38.259cm2)이 N평균값(37.785cm2)보다 0.474cm2 더 넓게 나온 것으로 보아 부하량이 감소하여 착화의 편안함을 제공하는 구조체라 판단된다. 그리고 최대압력 분석결과에서도 X평균값 (196.458kPa)이 N평균값(151.281kPa)보다 유의수준 내에서 45.177kPa 높게 나타나 충격력을 가할 수 있는 구조라고 유추된다. 따라서 골의 질량증가 및 골밀도 개선에 영향을 미치도록 구성된 구조체에 대해 인체-연계모델을 이용한 유한요소해석 데이터 값이 직접적인 골밀도 측정을 통한 값이 아닌 충격에 대한 골의 유효응력에 대한 값이란 한계는 있으나 예측한 설계구조가 골밀도 개선에 영향을 미친다는 개연성을 찾을 수 있었다. 한편 본 연구가 가격한 신체활동의 제약이 있는 계층에게 걷기 등 일상적인 보행 중에 충격력이 높은 운동을 수행하는 것과 같은 긍정적인 효과를 제공하기 위해서는 보다 구체적인 임상에 대한 검증연구가 추가되어야 할 것이다.

Shoes have been developed focusing on the fact that the impact on feet may cause damage on the human body. On the other hand, many studies report that the weight bearing exercise has good effect on the bone density. This study focused on the latter, and addressed the development of the flexcage shoe apparatus, in which appropriate impact is applied to the feet to improve the bone density of lower limbs. The performance of the proposed structure was verified in the actual field test to reduce the time and cost for technical development. The ANSYSTM LS_DYNA impact FEM(Finite Element Analysis) program was used for the dynamic analysis. As a result, the model with the proposed structure had an effective stress that was approximately 20–100% higher than that of the model without it, across most of the 15 bone extraction points. In addition, to analyze the comfort and load of the shoes, changes in the plantar pressure distribution of the shoes with the structure (X) and the ones with out it (N) were measured by element for 10 healthy males aged 19-25(24.2±1.7). The data from the heels of the shoes with the proposed structure showed that the average X(38.259 cm2) was 0.474 cm2 larger than the average N(37.785 cm2), indicating that the structure provided wearing comfort with reduced load. The maximum pressure analysis results also showed that the average X(196.458 kPa) was 45.177 kPa higher than the average N(151.281 kPa) within the significant level, indicating that the structure applied impact force. Therefore, there was a probability that the proposed structure, which was designed to influence the increase in bone mass and to improve the bone density, actually influenced the improvement of bone density, although there was a limitation that the finite element analysis data from the human body model were not the direct bone density measurements but the effective bone stress values against impact. Further clinical verification studies are required for this study results to provide positive effects, such as those of the exercises with high impact during normal walking, to the people whose physical movements are limited.