부산대학교 도서관

Digital human models have been developed to evaluate the effects of various human activities and external factors on human body. It is classified into rigid body dynamic model and finite element(FE) model. In generally, rigid body dynamic analysis evaluates the joint moments, joint forces, and muscle forces of the human body in motion, and FE analysis evaluates the stresses in articular cartilages and ligaments for a static posture. Contact pressures in the articular cartilage during gait affect injuries and the degenerative arthritis of knee and ankle joints. However, only joint contact forces at the lower extremity joints during gait can be estimated by using a rigid dynamic analysis. The contact pressure distribution at the lower extremity cartilages can be obtained for a static posture by using FE analysis in most cases.The purpose of this study is to assess the contact pressure distribution at the knee and ankle joints during gait by integrating FE analysis with rigid body dynamic analysis. In this method, a reference FE model of the lower extremity is constructed first and is then transformed to each stance phase of the gait obtained from dynamic analysis by using homogeneous transformation. The muscle forces and ground reaction force during gait obtained from the dynamic analysis were used as loading conditions for FE analysis. Finally, the contact pressure distribution at the tibia plateau cartilage and talus cartilage were estimated at the 1st peak, mid-stance, and the 2nd peak at the same time. The present method can provide the contact pressure distribution at the knee and ankle joints over the entire gait.
디지털 인체 모델은 다양한 인간 활동 및 외부 요인이 인체에 미치는 영향을 평가하기 위해 개발되었다. 강체 동역학 모델과 유한 요소 (FE) 모델로 구분된다. 일반적으로 강체 동역학 해석은 인체의 관절 모멘트, 관절력 및 근육 힘을 평가하고, 유한요소해석은 정적 자세에 대한 관절 연골 및 인대의 응력을 평가한다. 보행 중 관절 연골에서 발생하는 접촉 압력은 무릎 및 발목 관절의 부상이나 퇴행성 관절염에 영향을 미치게 된다. 그러나 보행 중에 하체 관절의 접촉력 만이 강체 동역학 해석을 사용하여 추정 할 수 있다. 반면, 유한요소 해석을 사용하여 정적 자세에 대한 하체 연골에서 접촉 압력 분포를 얻을 수 있다.본 연구의 목적은 유한요소 해석과 강체 동역학 해석을 통합하여 보행 중 무릎 및 발목 관절의 접촉 압력 분포를 평가하는 것이다. 이 방법에서는 먼저 하지의 기준 유한요소 모델을 구성한 후 변환 매트릭스를 이용하여 동작 분석을 통해 얻은 보행의 각 자세에 맞게 변환한다. 동작 분석으로부터 얻어진 보행 중 근육 힘 및 지면 반발력은 유한요소 해석을 위한 초기 조건 및 하중 조건으로 사용하였다. 결과로 경골 고관절 연골과 거골 연골의 접촉 압력 분포는 첫 번째 정점, 중간 자세 및 두 번째 정점에서 유한요소 해석을 수행하였고, 동적 해석을 통해 보행 전반에 대해서도 무릎에 대한 유한요소해석이 이루어졌다. 본 연구에서 제시된 방법은 전체 보행에 걸쳐 무릎 및 발목 관절에서의 접촉 압력 분포를 제공 할 수 있다.