[논문 리뷰] Patterns of Selection of Human Movements II: Movement Limits, Mechanical Energy, and Very Slow Walking Gaits

Stuart Hagler|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Balance, Gait, and Falls Prevention참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기계적 에너지 보존과 힘 제약 조건을 사용하여 인간의 보행 자세의 상한선과 하한선을 정의하기 위해 생체역학 모델을 개발한다. 평균 보행 속도의 하한선(~0.45 m/s)과 보폭 길이의 상한선(~1.5 m)을 규명하며, 매우 느린 보행 자세(0.45–0.6 m/s)가 별개의 보행 유형임을 보여주며, 노화 및 신경퇴행성 질환에서 임상적으로 관찰되는 속도는 이 범위 내에 속함을 밝힌다.

ABSTRACT

The biomechanics of the human body allow humans a range of possible ways of executing movements to attain specific goals. This range of movement is limited by a number of mechanical, biomechanical, or cognitive constraints. Shifts in these limits result in changes available possible movements from which a subject can select and can affect which movements a subject selects. Therefore by understanding the limits on the range of movement we can come to a better understanding of declines in movement performance due to disease or aging. In this project, we look at how models for the limits on the range of movement can be derived in a principled manner from a model of the movement. Using the example of normal walking gaits, we develop a lower limit on the avg. walking speed by examining the process by which the body restores mechanical energy lost during walking, and we develop an upper limit on the avg. step length by examining the forces the body can exert doing external mechanical work, in this case, pulling a cart. Making slight changes to the model for normal walking gaits, we develop a model of very slow walking gaits with avg. walking speeds below the lower limit on normal walking gaits but that also has a lower limit on the avg. walking speed. We note that the lowest avg. walking speeds observed clinically fall into the range of very slow walking gaits so defined, and argue that forms of bipedal locomotion with still lower speeds should be considered distinct from walking gaits.

연구 동기 및 목표

• 인간 보행 자세의 범위를 제한하는 기계적 및 생체역학적 제약 조건을 모델링하는 것.
• 에너지 및 힘 제약 조건을 사용하여 평균 보행 속도와 보폭 길이의 하한선과 상한선을 유도하는 것.
• 생체역학적 제약 조건을 바탕으로 매우 느린 보행 자세와 정상 보행 자세를 구분하는 것.
• 이러한 제약 조건을 노화 및 신경퇴행성 질환(예: 파킨슨병 및 알츠하이머병)에서의 임상 관찰과 연결하는 것.

제안 방법

• 보행 운동 역학을 시뮬레이션하기 위해 N개의 세그먼트와 관절을 포함한 인간 신체의 세그먼트 기반 모델을 개발한다.
• 근육 힘과 속도 항목을 조합한 대사 에너지 모델을 사용하여 에너지 소비를 추정한다.
• 기계적 에너지 보존 원리를 적용하여 보행 중 에너지 손실과 외부 일의 모델을 수립한다.
• 보행 주기 동안 기계적 에너지 복구 분석을 통해 보행 속도의 하한선을 유도한다.
• 지지 다리가 몸통에 가할 수 있는 최대 힘을 제약 조건으로 삼아 보폭 길이의 상한선을 설정한다.
• 외부 하중을 지닌 보행 데이터를 기반으로 Atzler & Herbst (2005)의 경험적 자료와 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 보행에서 평균 보행 속도의 하한선을 정의하는 생체역학적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 지지 다리에서 최대 힘을 생성할 때 도출되는 보폭 길이의 상한선은 무엇인가?
• RQ3 기계적 에너지 손실 및 외부 일 모델이 매우 느린 보행 자세의 별개의 범주를 어떻게 정의하는가?
• RQ4 왜 파킨슨병 환자 및 노인에서의 임상적 보행 속도가 정상 보행 이하의 특정 범위 내에 위치하는가?
• RQ5 노화 또는 질병으로 인한 힘 생성 능력의 변화가 보행 속도 및 보폭 길이의 한계에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 정상 보행에서 평균 보행 속도의 하한선은 기계적 에너지 손실 및 복구 제약 조건으로부터 유도된 약 0.45 m/s이다.
• 평균 보폭 길이의 상한선은 지지 다리의 최대 힘 용량 370 N으로부터 도출된 1.5 m이다.
• Atzler & Herbst의 피실험자가 보폭 길이가 0.90 m를 초과할 경우 F_ext = 160 N에서 보행에 실패했으며, 이는 모델의 힘 제약 조건과 일치한다.
• 모델은 외부 하중 증가 시 효과적인 보폭 길이의 상한선이 하향 이동함을 예측하며, 하중에 의한 보행 곤란을 설명한다.
• 매우 느린 보행 자세(0.45–0.6 m/s)는 정상 보행과 생체역학적으로 구별되며, 노화 및 신경퇴행성 질환에서 임상적으로 관찰되는 속도를 포함한다.
• 노화 또는 질병에 의한 보행 속도 및 보폭 길이 감소는 최대 힘 생성 능력(F_max) 감소와 일치하며, 이는 짧은 보폭과 느린 보행을 초래한다.