Digital Elderly Human Body Modeling Part I : Standard Anthropometry and Exterior/Interior Geometries

Copyright

2009 KSAE 1225-6382/2009/097- 13 Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 1, pp.96-104 (2009)

디지털 고령 인체 모델 구축

Part I : 표준 Anthropometry 및 내외형상

한 지 원¹⁾․최 형 연^*1)․윤 경 한²⁾․박 요 한²⁾

홍익대학교 기계시스템디자인공학¹⁾․한국자동차성능연구소²⁾

Digital Elderly Human Body Modeling

Part I : Standard Anthropometry and Exterior/Interior Geometries

JiWon Han¹⁾․HyungYun Choi^*1)․KyongHan Yoon²⁾․YoHan Park²⁾

1)

Department of Mechanical and System Design Engineering, Hongik University, Seoul 121-791, Korea

2)

Korea Automobile Testing & Research Institute, 625 Samjon-ri, Songsan-myeon, Hwasung-si, Gyeonggi 445-870, Korea (Received 9 May 2008 / Accepted 25 July 2008)

Abstract : An anatomically detailed elderly human body model is under development. Using the anthropometric database of domestic nation-wide size survey, SizeKorea, a standard size and shape of 50th %tile elderly was constructed. Through the local recruitment process, a male volunteer with 71 years of age, 163cm of height and 63kg of weight has been selected. The exterior (skin) and interior (skeleton and organ) geometries were acquired from whole body 3D laser scan and various medical images such as CT, X-ray, and Ultrasonic of the volunteer. A particular attention has been paid into the combining process of exterior and interior geometries especially for joint articulation positions since they were measured at different postures (sitting vs. supine). A whole ribcage of PMHS which possessed similar anthropometry and age of standard 50th %tile elderly was prepared and dissected for the precise gauge of cortical rib bone thickness distributions. After completing the morphological construction of elderly human body, the finite element modeling will be processed by meshing elements and assigning mechanical properties to various biological tissues which reflect the aging effect.

Key words : Human body model, SizeKorea, Whole body 3D laser scan, CT scan, Finite element human body model

1.

¹⁾

우리 사회의 고령화가 급속히 진행되고 있다. 따 라서 고령자들의 교통사고 부상 및 사망률이 중요한 사회적 문제점으로 대두되고 있는 실정이다. 고령자 의 뚜렷한 골 강도 감소를 고려해 볼 때 자동차 승객 충돌 보호장구의 설계는 젊고 건강한 승객을 대상으 로 할 때와 차별화 되어야 할 것이다. Wang 등¹⁾은 CIREN(Crash Injury Research and Engineering

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

Network) 데이터 중 7,750건의 사고로 발생한 상해를 39세 이하, 40-59세, 그리고 60세 이상으로 분류하여 분석하였다. 흉부 상해가 고령 그룹에서 가장 빈번 한 상해 패턴으로 나타난 반면 머리 상해는 젊은 층 에서 가장 많이 발생하였다. 고령 그룹에서는 정면 충돌사고 시 늑골절의 수가 확연하게 증가함을 보이 고 있었다. Welsh²⁾ 등 역시 United Kingdom Co-operative Crash Injury Study의 사고 데이터를 조 사하였으며, 연령층을 상대적으로 젊은층(17-39 years), 중간층(40-64 years), 그리고 고령층(65-84

디지털 고령 인체 모델 구축 Part I : 표준 Anthropometry 및 내외형상

years) 등으로 분류하여 안전띠를 착용한 운전자와 앞좌석 승객의 상해 위험도를 분석하였다. 정면 충 돌사고 시 흉부 상해의 경우 고령층에서 다른 연령층 에 비하여 월등히 높은 상해률을 보인 반면 머리 상 해는 두드러진 차이가 발견되지 않았다. 이러한 결 과들은 현재의 안전띠 설계가 고령층에서는 그 승객 보호 효과가 미약하다는 것을 알려주고 있다. 따라 서 Mertz 등³⁾은 상대적으로 취역한 승객 보호를 위하 여 2.5 kN으로 줄어든(참고로 현재는 4.5 kN정도가 사용되고 있음) 벨트 한계 하중(belt limit force) 제안 하고 있다. 하지만 안전 벨트 시스템이 충돌 상황에 서 최적의 승객보호 역할을 하기 위해서는 에어백과 같은 보충 구속장치 및 차체의 충돌 성능 등이 모두 함께 설계에 고려되어야 한다. 이렇듯 복잡한 충돌 안전 설계에는 승객의 거동을 묘사해 주는 대용물이 필요하나 현재까지는 고령자의 신체특성을 묘사하 는 승객 대용물이 없는 실정이다. 현재 활용 가능한 충돌 더미는 다양한 크기와 형태를 띠고 있으나 주로 젊고 (또는 어린) 건강한 사람들을 바탕으로 설계되 어 있다. 따라서 승객안전 구속장치를 설계하고 검 증하는데 디지털 인체모델을 사용하는 것은 컴퓨터 충돌 해석의 효율적인 측면을 고려 해 볼 때 좋은 옵 션이 될 것이다. Kent 등⁴⁾은 충돌해석 전용 유한요소 인체 모델인 H-model⁵⁾의 흉곽을 고령 인체의 특성을 나타낼 수 있도록 변경하였다. Kent 등⁴⁾의 수치 해석 적 연구에서는 늑골의 각도, 늑골피질 및 해면질의 물성, 그리고 피질의 쉘(shell) 두께 등을 조절하여 노 화가 반영된 흉곽 특성을 묘사하였다. 그들은 지표 검증 해석을 통하여 고령자의 경우 물성 및 형태 변 화 등의 복합적인 노화의 영향으로 늑골 골절 한계치 가 감소된다고 주장하였다. Tamura 등⁶⁾은 THUMS (Total Human body Model for Safety, http:// www.tytlabs.

co.jp/english/tech/ saf.html)를 기초로 한 고령 승객의 흉부 유한요소 모델을 개발 하였으며, 고령화로 기 인한 골 강도 저하를 모델에 반영하여 고령 인체 모 델이 흉부의 경질 조직 상해 예측을 위하여 효과적으 로 사용될 수 있음을 확인하였다.

한국인을 대상으로 고령 인체 모델 개발을 목표로 하고 있는 본 연구는 정부 지원 연구개발 프로젝트인

“고령자 친화형 자동차 안전성 향상 기술개발” 의 일 부분이며 국내 고령 인구의 대표적인 신체 크기 및 형태를 결정하는 것이 그 첫 번째 과업이다. 본 연구 의 고령 인구 대상 군은 65세 이상의 한국인 남성이 며 제5차 인체치수조사사업(사이즈코리아) 의 데이 터를 바탕으로 표준화 작업을 진행하였다. 사이즈코 리아는 2003년부터 2004년까지 수행된 한국인 인체 치수 조사 사업으로 내국인 14,200명을 대상으로 직 접측정, 동 측정, 그리고 3차원측정을 실시하여 구축 된 데이터이다. 사이즈코리아 내 고령자 대상 군의 50th %tile신장 및 몸무게는 각각 162.8cm, 63kg이었 다. 58개의 신체 각 부위 직접 측정 항목들에 대한 통 계학적 요인분석을 수행하여 주요 인체측정학적 변 수들을 결정하였다. 신장과 몸무게 이외의 4가지 항 목, 즉 허리 높이, 허리 둘레, 가슴 둘레, 그리고 앉은 키 등을 주요 변수로 정하였다. 표준 고령자 선출을 위한 첫 단계인 지원자 모집에는 50th %tile신장 및 몸무게의 ±1/3 표준편차 범위가 적용되었으며 지역 광고를 통하여 모집이 진행되었다. 두 번째 단계인 지원자 선출 과정에서는 모집된 지원자들의 나머지 4가지 주요 치수 항목에 대한 검토를 수행하여 표준 에 가장 근접한 지원자 한 명을 최종 선출하였다.

이렇게 선출된 지원자에 대한 운전자세의 외부 스킨 형상은 3차원 전신 레이저 스캐너를 통하여 확 보 하였다. 또한 내부 해부학적 구조 즉 골격 및 장 기들의 정밀한 형상과 위치 등 역시 CT 스캔, X선 촬영, 그리고 초음파 스캔과 같은 다양한 의료 영상 기술을 적용하여 측정하였다. 늑골 피질부의 국부 적인 두께 분포는 지원자의 나이 및 신체 크기와 유 사한 사체를 확보하여 그 늑골 시편으로부터 직접 측정하였다. 늑골 해면질의 밀도분포 파악을 위해 서 확보된 늑골 시편의 마이크로 CT 영상으로부터 HU(Hounsfield Units) 번호를 추출할 예정이다. 선출 된 표준 고령 지원자에 대한 이와 같은 내외 부 형상 등의 형태학적 정보는 해부학적으로 정밀한 고령자 유한요소 모델을 구축하는 자료로써 사용될 것이 다. 유한요소 고령 인체 모델링과 관련한 내용은 본 논문의 다음 편인 Part II “유한요소 모델링 및 검증 결과”에서 확인할 수 있다.

JiWon Han․HyungYun Choi․KyongHan Yoon․YoHan Park

2.

대한민국은 2000년도에 65세 이상의 고령자가 전 체 인구의 7.2%를 넘어서게 되면서 고령화 사회 (aging society)에 진입하게 되었다. 또한 2018년과 2026년에는 고령자의 비율이 각각 14%와 20%를 넘 어설 것으로 예상되어 고령사회(aged society) 및 초 고령사회(super aged society)로 들어설 전망이다. 우 리 사회는 저 출산율의 문제점을 같이 겪고 있어 이 러한 급속한 고령화 속도는 Table 1에서와 같이 다 른 경쟁 대상국에 비하여 매우 빠른 속도로 진행 중 에 있다. 최근의 운전면허 소지자 및 교통 사고자의 연령 분포를 관찰한 결과 고령자의 증가 폭이 두드 러짐을 볼 수 있다(Fig. 1참조). 또한 과거 10년 동안 60세 이하에서는 교통사고 승객 사망률이 지속적으 로 줄어들고 있으나 61세 이상의 차량 승객 사망률 이 지속적으로 증가 하고 있음을 Table 2에서와 같 이 알 수 있다.

Table 1 Societal aging mileston

Country

Prospects for the Elderly (persons aged 65years or over)

Time period required to increase 7%

(Aging society)

14%

(Aged society)

20%

(Super aged society)

7%

→ 14%

14%

→ 20%

France 1864 1979 2018 115 39

Italy 1927 1988 2006 61 18

Germany 1932 1972 2009 40 37

United

States 1942 2015 2036 73 21

Japan 1970 1994 2006 24 12

Korea 2000 2018 2026 18 8

Source: KoreaNationalStatisticalOffice (2006)

Fig. 1 Rates of licensed drivers and accidents in 2006 in comparison with 2003

Table 2 Injuries and fatalities of vehicle occupants

Year

Total 60 years or below 61 years or over Injured Fatality Injured Fatality

(%) Injured Fatality (%) 1998 222,289 3,714 215,139 3,496

(94.1) 7,150 218 (5.9) 2000 303,782 4,372 293,163 4,098

(93.7) 10,619 274 (6.3) 2002 251,182 2,593 240,121 2,386

(92.0) 11,061 207 (8.0) 2004 239,982 2,315 226,983 2,039

(88.1) 12,999 276 (11.9) 2006 248,305 2,312 233,197 1,949

(84.3) 15,108 363 (15.7)

Sources: Road Traffic Safety Authority of Korea

3.

3.1

3.2

3.2.1

바디스캔을 위한 지원자 선출을 위하여 사이즈코 리아 데이터 내 국내 고령 50th %tile남성의 추가적 인 신체 치수에 대한 상세한 통계적 분석을 수행하 였다. 앉은 키, 허리 둘레(배꼽 높이), 가슴 높이, 그 리고 가슴 둘레가 신장 및 몸무게에 추가되어 총 6 개의 치수가 통계적 요인 분석을 통하여 전체 58개 의 측정 항목들 중 주요 치수로써 선택되었다. 6개 의 주요 치수는 서로 높은 직교성(orthogonality)을 보이는 3가지 요인들로 분류되며 따라서 이는 대상 모집단의 크기 이외에도 전체적인 형상 정보를 제 공하고 있다. 통계적 요인 분석에 대한 상세한 과정 은 Kim 등⁷⁾의 연구에서 찾아 볼 수 있다.

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3.2.2모집 및 선출 과정

주요 치수의 상세한 범위를 설정하였으며 이를 바탕으로 바디 형상 데이터 수집을 위한 지원자 모 집 기준을 마련하였다. 지원자 모집은 두 단계로 진 행되었다. 사람들은 일반적으로 본인의 신장과 몸 무게는 잘 인지하고 있으나 그 이외의 주요 치수들 에 대하여는 그렇지 못 하고 있어 주어진 나이, 신 장, 그리고 몸무게 범위를 만족하는 지원자들이 일 차적으로 모집되었다. 신장과 몸무게의 경우 각 평 균치로부터 ±s/3(표준편자의 1/3) 값을 갖도록 그 범 위(Table 3 참조)를 정하였다. 서울 지역에 거주하는 65세 이상의 고령자를 대상으로 지역광고를 통하여 20명 이상을 모집 하였으며 그 들을 대상으로 나머 지 4가지 주요 치수들을 측정하여 각 치수가 요구하 는 범위의 만족 여부를 확인하였다. 4가지 주요 치 수의 상한, 하한 범위는 사이즈코리아 데이터 내 고 령 남성 대상 군의 신장과 몸무게 조건을 모두 만족 하는 47명들의 각 치수 최대, 최소값으로 취하였으 며 Table 4에서 보여 주고 있다.

지원자들에 대한 간단한 의료 진료 기록 검사를 수행하여 외형 그리고 내부 골격 및 장기의 위치, 크 기 그리고 형상에 이상이 있는지를 파악한 후 최종 적으로 71세의 남성 지원자를 내외 형상 축출을 위 하여 선발하였다. 선발된 지원자의 주요 측정 치수 는 Table 5와 같다.

Table 3 Required height and weight ranges for volunteer recruitments

Height

(cm) 50th %tile 162.8

Weight (kg)

Range 160.9 ~ 164.7 (33.5th%tile ~ 62.1th%tile)

50th %tile 63.0

Range 59.8 ~ 66.2 (39.5th%tile ~ 64.1th%tile) Number of subjects in

SizeKorea* 47

* Number of subjects who satisfied both height and weight ranges

Table 4 Ranges for other primary dimensions for volunteer selection

Dimensions (mm) Min Max

Sitting height 787 917

Waist height (belly button level) 914 1005

Bust girth 847 973

Waist girth 780 932

Table 5 Anthropometry of select volunteer

Items SizeKorea Volunteer

Age 72.4 71

Height (cm) 162.8 162.7

Weight (kg) 63.0 63.9

Sitting height (mm) 787 ~ 917 856 Waist height (mm, belly button level) 914 ~ 1005 977 Bust girth (mm) 847 ~ 973 920 Waist girth (mm) 780 ~ 932 873

4.

4.1 3차원 전신 레이저 스캔

선발된 지원자의 운전 자세에서의 외부 즉 표피 형상을 3차원 레이저 스캐너(모델명: Body Line Scanner, Hamamatsu)를 이용하여 측정하였다. 변형 되지 않은 둔부 및 대퇴부 형상은 지원자를 의자에 둔부와 대퇴부의 접촉 없이 앉은 않은 상태에서 팔 꿈치로 체중을 지지하고 고관절 및 무릎 관절 각도 를 운전자세와 같이 유지 시킨 상태에서 스캔 하여 별도로 확보 하였다. 3차원 스캔 모델링 소프트웨어 인 RapidForm [www.rapidform.com]을 사용하여 전 신 스캔 표피 모델과 둔부 및 대퇴부 패치를 합성하 였으며 Fig. 2와 같은 지원자 외부 형상 모델을 완성 하였다.

Fig. 2 Whole body 3D scanning of a volunteer in a driving posture (left) and scanned images (right)

4.2

지원자의 골격 및 내부 장기의 형상을 취득하기 위하여 Fig. 3에서와 같은 반듯이 누운 자세에서 촬 영한 CT 이미지(CT 장비 모델명: Sensation64 from

한지원․최형연․윤경한․박요한

Fig. 3 Axial section CT images (head was separately scanned)

Siemens)를 확보하였다. 골격의 각 체절과 주요 장 기들의 형상은 0.75mm간격의 축 방향 단면 이미지 들로부터 재구축되었다. 또한 CT 단면 이미지의 화 소 해상도(pixel resolution)는 0.977mm(512 × 512 pixels for 500mm × 500mm field of view)이며 따라서 검출 가능한 요소의 최소 치수(예를 들어 피질 골의 두께)는 0.977mm 이상이 된다. 지원자의 CT 촬영은 가톨릭 대학병원의 IRB승인 거쳐서 진행되었다.

4.3 X선 촬영

지원자의 자세에 따라 주요 관절들의 분절 각도 와 관절 내 골격들의 상대 위치는 상당히 바뀌게 된 다. 어깨 관절 내 상완골, 쇄골, 견갑골, 허리 부위 요 추의 전후 전만 곡률, 고관절 내 골반, 대퇴골, 슬관 절 내 대퇴골 원위부, 슬개골, 경골 등이 누운 자세 와 앉은 자세에서 큰 접합 형상의 차이를 보이는 부 위들이다. 누운 자세의 CT 이미지로부터 축출된 골 격 형상에 이렇듯 분절 각도의 변화를 반영하여 앉 은 자세의 골격 형상을 정밀하게 재구성하기 위하 여 다양한 각도에서 신체 각 부위에 X선 촬영을 하 여 주요 관절 내 골격들의 상대위치 정보를 파악하 였다. 예를 들어 앉은 자세에서의 요추 전만 곡률과 굴곡된 무릎 관절 내 슬개골 위치 및 대퇴골/경골 간 격 (knee gap) 등은 Fig. 4에서와 같은 측면 X선 이미 지를 통하여 확보하였다.

Fig. 4 Volunteer in sitting posture (left) and X-ray images (middle, right)

4.4

Fig. 5 Points on skin surface where the ultrasonic scanning was applied

4.5

Kemper 등⁸⁾은 사체의 늑골 시편으로부터 피질 골 두께 분포 등을 측정하여 그 결과를 보고하였다. 6 구의 사체(42-81세)로부터 4번~7번 좌우 늑골을 추 출하여 전방 및 측면 부위에서 48개의 시편을 3점 굽힘 시험을 위하여 절단하였다. 늑골 시편의 마이 크로 CT 이미지로부터 전방 부위 늑골의 피질 골 평 균 두께가 0.46mm(하측 면, 표준편차=0.13mm)부터 0.87mm(내측 면, 표준편차=0.26mm)로 분포함을 파 악하였다. 전반적으로 늑골 측면의 피질 골이 전방 에 비하여 30% 정도 두껍게 측정되었으며 특히 내 측 면(p<0.01), 상부 면(p=0.03), 그리고 하측 면 (p<0.01)에서 통계적으로 유의성 있음을 관찰하였 다. 또한 늑골 번호에 따른 전방 부위 피질 골 두께 는 내측 면과 외측 면에서 통계적 유의성(p<0.01)을 지니고 현저하게 변화되나 측면 부위에서는 그렇지

디지털 고령 인체 모델 구축 Part I : 표준 Anthropometry 및 내외형상

Fig. 6 Cross sections of the 5th rib of a PMHS

않았다. Kemper 등⁸⁾은 결론적으로 개개인 내 늑골 별 피질 골의 인장 물성이 큰 차이를 보이지 않음⁹⁾ 에 따라 두께와 같은 형상 변수가 흉부의 변형 및 파 단 거동에 중요한 인자가 된다고 보고 하였다.

본 연구에서 지원자 내부 골격 형상 축출을 위하 여 사용한 CT 이미지의 화소 해상도는 앞에서 언급 된 것과 같이 0.97mm이며 따라서 이로써는 서브 밀 리미터 치수의 늑골 피질 두께를 정밀하게 포획할 수 없다. 현재 본 연구진은 지원자와 유사한 나이 (65~75세)와 체형(50th %tile)을 띠고 있는 국내 사체 를 확보하고 이로부터 늑골 피질 두께 분포를 직접 측정하고 있다. 이러한 두께 정보는 지원자의 CT 이 미지로부터 재 구성된 늑골 외곽 형상에 보완적으 로 적용되어 피질 골 안쪽 표면 생성 자료로써 활용 될 예정이다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 각 늑골은 축 방향을 따라 3 지점, 즉 1) 후부 단면은 과 angle 상부 모서리의 중간지점, 2) 측면 부 단면은 angle 하부 모 서리와 방향 말단부까지 거리의 30% 지점, 3) 전면 부 단면은 2) 측면 부 단면으로부터 흉골 방향으로 30% 더 진행된 지점에서 각각 절단하였다. 정밀 선 형 다이아몬드 톱(BUEHLER, IsoMet 5000)을 사용 하여 2mm두께로 절단된 단면 시편은 광학적으로 스캔되어 중립 축, 2차 면적 관성 모멘트, 회전 반경, 피질 골 면적 및 두께 분포 등이 계산된다. 절단 되 고 남은 늑골 부위는 마이크로 CT 촬영을 통하여 각 부위 별 해면 골의 밀도 측정을 하게 된다.

5. CAD 모델링

5.1

전신 바디 레이저로3차원 스캔된 표피 모델은 시 상면을 기준으로 반사되어 대칭 모델로 만들어 졌 다. 오른쪽 이미지를 사용하여 만든 대칭 이미지가 왼쪽 이미지를 사용했을 경우에 비하여 보다 원본 에 가깝게 일치함을 보였으며 세부 거친 지엽적 부 분들을 다듬은 후 Fig. 7과 같은 표피 요소 망(55,242 polygons, maximum edge length: 10mm)모델로 전환 하였다.

Fig. 7 Skin mesh model of 50th %tile elderly

5.2

골, 장기, 그리고 인대 등의 생리학적 성분들에 따 라 분류된 다양한 그레이 색채 경계치들이 각 CT 단 면 이미지 상의 화소에 자동으로 지정되며 따라서 각기 다른 성분의 영역(즉 화소 군)이 바디의 각 이

JiWon Han․HyungYun Choi․KyongHan Yoon․YoHan Park

Fig. 8 Combining process of exterior and interior CAD geometries 미지에 만들어진다. 소위 “thresholding-and-region growing technique”으로 명명된 기법을 이용한 같은 단면 위에 놓인 동일한 성분을 구별해 내는 자동 처 리 방법이며, 여기서는 각 영역 내 한 화소가 선택된 후 다른 경계치를 만나 더 이상 성장하지 못 할 때까 지 성장을 시키는 것이다. 이러한 방법을 사용하면 같은 타입으로 분리된 성분들 사이의 적절한 구별 이 가능하게 된다. 골격 역시 시상면을 중심으로 오 른쪽 형상을 반사시켜 표피 모델과 같이 좌우 대칭 으로 구축하였다.

누운 자세에서 촬영된 CT 이미지들을 바탕으로 운전자세의 내부 장기 형상을 생성하기 위하여는 자세에 따른 내부 장기의 위치, 크기, 및 형상 등의 변화를 고려해야 하며 따라서 다음과 같이 장기를 분류하였다.

- 고형 (solid) 장기: 내부 장기 중 모양 및 위치가 대 체로 고정된 것들 (간, 콩팥, 비장 등)

- 유연성 (pliant) 장기: 자세 변화, 호흡, 그리고 소화 진행 등에 따라 위치, 크기, 및 형상이 현저하게 변 화하는 것들 (허파, 심장, 위, 장, 방광, 대동맥, 대정 맥 등)

고형 및 유연성 장기들 모두 지원자의 CT 이미지 로부터 축출하여 그 형상을 재구축하였으나 유연성 장기들의 경우 운전자세의 표피 모델 내에서 해부 학적 정밀도를 잃지 않는 수준으로 그 형상과 위치 를 수정하였다.

5.3

해면골의 경우 방사농도를 나타내는 HU(Houns-

field Units) 번호가 골 밀도를 정량적으로 나타내며 따라서 탄성계수 및 강도와 같은 기계적 물성과 밀 접한 상관 관계를 갖는다고 알려져 있다.^4,8) HU 번 호가 부여된 마이크로 CT 이미지 내 늑골 해면질의 각 화소를 HU 번호 크기에 따라 10단계 분류하여 축 방향 영역별로 구분할 것이며 이는 본 연구의 2 단계인 유한요소 요소 망 생성에 중요한 정보로 사 용될 예정이다.

5.4

운전자세의 내부 및 외부 형상 CAD모델을 합체 하는 과정(내부 골격 및 장기 CAD 모델을 표피 CAD 모델에 삽입) 에서 인접한 성분 사이에 간섭이 발생하게 되면 사소한 형상 수정과 같은 다소의 데 이터 정리가 필요하였다. 전 절에서 언급된 초음파 탐상을 통하여 확보된 지원자 신체 각 부위 살 두께 즉 표피에서 골 표면까지의 거리 정보가 조립 과정 에서 활용되었다. 내외 형상의 합체 과정 흐름도는 Fig. 8에서 보여 주고 있다. CAD 모델로 구축된 지 원자의 누운 자세와 운전 자세에서의 골격 및 표피 형상을 Fig. 9에서 볼 수 있으며, 각 자세에서 요추 전만 곡률과 고관절/슬관절/어깨관절/팔꿈치관절 등의 접합 각도에 현저한 변화를 있음을 알 수 있다.

6.

고령 지원자의 내외 형상 스캔을 통하여 완성된 CAD 모델을 바탕으로 유한요소 인체 모델을 만들 기 위하여는 일반적인 인체 모델링 기법이 적용될

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Skeleton in supine posture Skin section line Skeleton in sitting posture

것이다. 요소 종류의 선택, 물성 타입, 그리고 접촉 면 정의 등과 같은 상세한 모델링 공정은 해부학적 으로 정밀한 50th %tile성인 인체 모델인 H-model^5,12) 을 참조 할 예정이다. 하지만 고령 인체 모델링에는 해부학적 구조와 조직 물성에 미치는 노화 효과를 고려해야 할 것이다. 노화에 따른 형태적(morpho- logical) 변화는 이미 고령 지원자 내외 바디 형상의 CAD 모델에 반영이 되었으나 물성 변화 즉, 생리학 적 경질 그리고 연질 조직의 강성 및 강도의 저하 등 은 유한요소 모델링 과정에서 고려되어야 한다.

Kent 등⁴⁾은 고령자의 흉부 상해 한계를 조사하기 위 하여 늑골의 추골 접합 각도와 피질 부분 두께의 변 화 이외에도 늑골의 피질과 해면질 부분의 탄성 및 소성 계수 그리고 항복 강도의 30% 그리고 파단 변 형률의 40%를 줄여서 “젊은” 기준 모델로부터 “고 령” 모델을 개발하였다. Zhou 등¹⁰⁾은 30세 에서 40 세 사이에서 연질 조직의 극한 인장 강도가 줄어 들 기 시작한다고 보고 하였으며 60세 이상에서는 젊 은 사람 대비 60-65% 정도의 복직근 및 심근의 강도 를 유지한다고 하였다. 그들은 또한 노화와 함께 유 리질 갈비 연골의 커다란 강도 저하를 지적하였으 며 이는 늑골과 흉골을 연결하는 조직으로써 흉곽 의 전체적인 구조적 저항 감소를 야기한다.

노화와 함께 몇몇 관절에서는 동작범위의 현저한 감소가 진행된다. 한국표준과학연구원에서 1,460명 의 지원자들을 대상으로 직접 측정한 동작범위¹¹⁾에 의하면, 나이에 따른 요추의 굴곡 각도는 Fig. 10과 같이 변화함을 알 수 있다. 65세 이상의 고령자의 경 우 상부 몸통의 굴곡 동작 범위가 남녀 모두에서 20 대를 대비하여 80% 이상 현저하게 줄어듦을 볼 수

Fig. 10 Range of motion for trunk (lumbar spine) flexion

있다. 이는 추골의 퇴행적 형상 변화와 더불어 연결 연질 조직(인대, 연골 등)의 경화(석회화)에 기인한 것이다. 이러한 노화에 따른 동작 범위의 축소 경향 역시 적절히 정량화 되어 유한요소 모델링 과정에 반영될 예정이다.

7.

고령화로 인하여 약화된 경질 및 연질의 생리조 직과 변화된 골격형상은 자동차 충돌 사고 시 고령 운전자의 높은 상해 위험도를 유발하게 된다. 특히 국내외 교통사고 및 상해 통계에서 보여지는 고령 자의 높은 흉부 상해는 취약해진 늑골 물성과 높아 진 늑골각도로부터 기인한다고 보고되고 있어 기존 의 승객 보호 장구, 즉 안전 밸트와 에어백 등의 설 계가 고령승객을 고려하여 변화될 필요가 있다. 현 재까지 자동차 충돌 시험과 해석에 사용되고 있는 충돌더미와 인체 모델들의 승객대용물은 모두 젊고 건강한 사람들을 대상으로 설계, 제작되어 있으며 따라서 고령승객의 형상, 거동, 그리고 물성을 대변 할 승객대용물이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 국내 남성 65세 이상의 고령자 표준 형상과 크기를 통계적으로 확보하고 그에 해당하는 지원자를 선발

한지원․최형연․윤경한․박요한

하여 내외 형상을 획득하였다. 이러한 형상 정보는 추후에 확보될 물성 정보와 함께 고령승객의 유한 요소 모델링에 사용될 예정이다.

후 기

저자들은 가톨릭 응용 해부학 교실의 곽대순박사 에게 사체 늑골 시편 준비에 감사드립니다. 본 연구 는 건설교통부의 교통체계효율화사업(과제번호

#06 교통핵심 C01, “안전 지향형 교통 환경 개선 기 술개발: 고령자 친화형 자동차 안전성 향상 기술개 발”)에 의해 수행되었습니다.

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