[논문 리뷰] Three-dimensional Torques and Power of Horse Forelimb Joints at Trot

Hilary M. Clayton, Daohang Sha외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 19.

Veterinary Equine Medical Research참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 말의 앞다리 관절에서 트로트 동안 3차원 역역학 분석을 수행하여, 팔꿈치, 손목, 발목, 발목 뒷부분, 코피나 관절에서 3차원 토크와 일의 계산을 위해 단순화된 링크-세그먼트 모델을 사용한다. 주요 발견은 총 에너지 생성의 70%가 지상 단계 동안 발생하며, 팔꿈치 관절이 지상 단계에서 생성 에너지의 77%, 휘두르기 단계에서 88%를 기여하는 것으로 나타났다. 또한, 발목 관절은 지상 단계에서 에너지의 65%를 흡수하고, 손목 관절은 휘두르기 단계에서 74%를 흡수한다.

ABSTRACT

Reasons for Performing Study: Equine gait analysis has focused on 2D analysis in the sagittal plane, while descriptions of 3D kinetics and ground reaction force could provide more information on the Equine gait analysis. Hypothesis or Objectives: The aim of this study was to characterize the 3D torques and powers of the forelimb joints at trotting. Methods: Eight sound horses were used in the study. A full 3D torque and power for elbow, carpus, fetlock, pastern and coffin joints of right forelimb in horses at trot were obtained by calculating the inverse kinetics of simplified link segmental model. Results: Over two third of energy (70%) generated by all joints come from stance phase, and most of energy generated was by elbow joint both in stance (77%) and sway (88%) phases. Energy absorbed by all joints during stance (40%) and sway (60%) phases respectively is not a big difference. During stance phase, all most two third of energy (65%) absorbed was by fetlock joint, while over two third of energy (74%) absorbed was by carpus joint during sway phase. Conclusions & Clinical Relevance: This study presents a full 3D kinetic analysis of the relative motion of the humerus, radius, cannon, pastern and coffin segments of the forelimb at the trot. The results could provide for a more sensitive measure for kinetic analysis.

연구 동기 및 목표

• 2D coronal 평면 연구를 넘어서 전체 3D 운동역학을 통합하여 말의 걸음걸이 분석을 확장하기 위해.
• 트로트 동안 앞다리에서 3차원 관절 토크와 일 생성/흡수를 정량화하기 위해.
• 말의 운동 능력 평가를 위한 임상적 및 생체역학적 분석의 민감도 향상하기 위해.
• 지상 및 휘두르기 단계에서 에너지 전달과 흡수에 기여하는 주요 관절을 특정하기 위해.

제안 방법

• 팔꿈치, 뼈, 쐐기 뼈, 발목 뒷부분 뼈, 코피나 뼈로 구성된 앞다리 세그먼트를 나타내기 위해 단순화된 링크-세그먼트 모델을 구축하였다.
• 운동역학 및 지면 반력 데이터를 이용하여 역역학을 적용하여 3차원 관절 토크와 일 계산을 수행하였다.
• 8匹의 건강한 말이 트로트를 달리는 동안 운동 데이터를 촬영하였다.
• 관절 일은 세 개의 수직 평면에서의 관절 토크와 각속도의 곱으로 계산되었다.
• 에너지 생성과 흡수를 구분하기 위해 지상 및 휘두르기 단계로 나누어 데이터를 분석하였다.
• 통계 분석은 각 단계에서의 토크 및 일 크기와 관절 간 분포에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 말의 트로트 걸음걸이에서 어떤 앞다리 관절이 에너지 생성에 가장 기여하는가?
• RQ2 팔꿈치, 손목, 발목, 발목 뒷부분, 코피나 관절에서 에너지 생성과 흡수의 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 지상 및 휘두르기 단계에서 각 관절의 3차원 토크와 일에 대한 상대 기여도는 무엇인가?
• RQ4 지상 단계와 휘두르기 단계에서 에너지 흡수 분포는 어떻게 다를까?
• RQ5 팔꿈치 관절은 트로트에서 전체 앞다리 운동역학적 행동에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 총 관절 에너지 생성의 70%가 지상 단계에서 발생하며, 나머지 30%는 휘두르기 단계에서 발생한다.
• 지상 단계에서 팔꿈치 관절은 에너지 생성의 77%를 기여하고, 휘두르기 단계에서는 88%를 기여하여 주요 기여자이다.
• 지상 단계에서는 발목 관절이 에너지 흡수의 65%를 담당하고, 손목 관절은 휘두르기 단계에서 74%를 흡수한다.
• 지상 단계(40%)와 휘두르기 단계(60%)에서의 에너지 흡수 분포는 전반적으로 균형을 이루고 있다.
• 휘두르기 단계에서 손목 관절이 에너지 흡수의 주요 기여자로 나타나, 상당한 동적 제어 기능을 수행한다.
• 본 연구는 앞다리 관절의 종합적인 3차원 운동역학 프로파일을 제공하여, 말의 걸음걸이에 대한 보다 민감한 임상적 및 생체역학적 평가를 가능하게 한다.