Measurement of viscoelastic properties of the human lower limb soft tissue using a stretch reflex activation model and vibration test

Abstract

인체 진동 해석과 같이 신체 전체의 반응을 확인해야하는 연구의 경우 피부나 근육과 같은 각 세부 조직의 물성치보다는 피하조직 전체의 물성치가 유용하다. 연부 조직 중 피부나 근육에 대한 점탄성 물성치 연구에 비해 지방이나 근막과 같은 다른 피하조직을 포함한 연구는 상대적으로 많지 않다. 또한, 탄성 물성치에 비해 점성 물성치에 대한 연구는 상대적으로 많지 않다. 점성 물성치는 고속 충돌이나 진동에 의한 인체의 영향을 파악하기 위한 시뮬레이션을 수행할 때 필요하다. 본 연구에서는 인체 하지부 연부 조직 전체의 점탄성 물성치를 측정할 수 있는 새로운 체내 측정 방법을 개발하였다. 하지의 진자 실험을 수행하고, 이에 대한 수학적 모델을 개발하여 물성치를 계산하였다. 진자 실험을 해석적으로 구현하기 위해 허벅지의 연부 조직은 Kelvin–Voigt 모델로 모델링하고, 새로 개발된 신장반사 근활성도 예측 모델이 사용되었다. 점성 물성치는 진동 해석에서 많이 활용되는 손실 계수로 정리하였다. 제안된 체내 방법을 검증하기 위해 체외 측정을 추가로 수행하였다. 체외 측정 방법으로는 기존에 개발된 점탄성 물질에 대한 물성치 측정 방법인 진동 실험을 이용하였다. 제안된 체내 측정 방법으로 얻어진 탄성 계수의 평균값은 12.6±1.8 kPa이고, 손실 계수는 0.45±0.1였다. 손실 계수의 산포가 영률의 산포보다 더 큰 것으로 나타났다. 진동 실험을 통해 얻은 인체 피부의 탄성계수는 진자 실험을 통해 얻은 피하조직 전체의 탄성계수보다 1.9배 컸다. 하지만 사체 피부의 탄성 계수를 측정한 타 문헌의 결과는 100배 이상 차이가 나기 때문에 이 결과는 상대적으로 유사한 범위인 것으로 확인되었다. 반면에 진동 실험으로 얻은 인체 피부 및 근육의 손실 계수는 체내 측정을 통해 얻은 값보다 작았다. 일반적으로 탄성 계수가 커지면 손실 계수는 작아진다. 사체 조직의 탄성 계수가 체내 측정 방법의 결과보다 크게 측정되었기 때문에, 사체 조직의 손실 계수는 체내 측정 방법의 결과보다 작게 나온 것으로 생각된다. 타 문헌과 비교했을 때, 본 연구의 측정 결과 중 탄성계수는 비틀림이나 인장 방법보다 진보한 측정 방법인 체내 인덴테이션 (압입) 측정 방법의 결과와 가장 유사한 결과를 얻었다. 기존의 인덴테이션 방법과 진동 실험 방법은 측정 위치에 따른 물성치의 편차가 생기는 단점이 있다. 본 연구에서 제안된 체내 연부 물성치 측정 방법은 허벅지 아래 전체에 대한 평균적인 물성치를 측정한다. 따라서 측정 위치에 따른 물성치 편차를 최소화 할 수 있다. 본 연구에서 제안된 체내 측정 방법은 뼈를 제외한 피하조직 전체를 대상으로 한다. 따라서, 이 방법은 인체 진동 해석 또는 승차감 평가에 사용될 수 있는데, 이는 각각의 연조직보다는 전체 피하 조직의 점탄성 특성이 유용한 상황이다. 또한, 인체의 진동 해석에는 손실 계수가 필요한데, 본 연구의 결과는 이러한 해석에 활용될 수 있다. 손실 계수는 가진 주파수에 따라 값이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 높은 영역의 주파수에 노출되는 상황, 예를 들어 굴착기를 사용할 때 인체에 미치는 영향을 시뮬레이션 할 때 활용될 수 있다. 본 연구에서 제안된 체내 측정 방법은 비교적 간단하기 때문에 개인의 신체 특성을 반영한 인체 해석이 필요한 상황에서 활용될 수 있다.; In the case of studies that need to identify the whole body response such as vibration analysis, viscoelastic properties of whole subcutaneous tissues are useful rather than those of each tissue such as skin or muscle. There are relatively few studies involving other subcutaneous tissues such as fats and fascia compared to the study of viscoelastic properties of skin or muscle among soft tissues. In addition, there are relatively few studies on viscous properties in comparison with elastic properties. Viscous properties are necessary to carry out a simulation to grasp the response of the human body due to high-speed collision or vibration. In this study, a new in vivo methods was proposed to measure the viscoelastic properties of whole soft tissues of a human lower limb. The pendulum tests of the lower limb were performed, and a mathematical model of them was developed to calculate the viscoelastic properties. In order to implement the pendulum experiment analytically, the soft tissue of the thigh was modeled by the Kelvin–Voigt model, and the newly developed stretch reflex activation model was used. The viscous properties were summarized by the loss factor widely used in vibration analysis. To verify the proposed in vivo method, in vitro measurements were additionally performed. For the in vitro method, previously developed vibration tests for measuring viscoelastic properties was employed. The mean Young’s modulus obtained by the proposed in vivo method was 12.6 ± 1.8 kPa, and the loss factor obtained by the method was 0.45 ± 0.1. The scattering in the loss factor was greater than that of the Young’s modulus. The Young’s modulus of skin obtained using the vibration tests was 1.9 times higher than that obtained using the in vivo method. However, this result was found to have a relatively similar range, since the results of other literature measuring the elastic modulus of cadaver skin differ by more than 100 times. On the other hand, the loss factors of human skin and muscle obtained by the vibration experiment were smaller than those obtained by the in vivo method. Generally, as the elastic modulus increases, the loss factor decreases. Since the elastic modulus of the cadaver tissue was measured to be larger than that of the in vivo method, the loss factor of the cadaver tissue was thought to be smaller than that of the in vivo method. Compared with other literature, the elastic modulus of this study was the most similar to the result of the in vivo indentation method, which is more advanced method than the torsion and tension method. The indentation method and the vibration test have a disadvantage in that the viscoelastic properties vary depending on the measurement position. In this study, the average viscoelastic property of whole soft tissue of the thigh was measured. Therefore, it is possible to minimize the variation of the viscoelastic properties according to the measurement position. The proposed in vivo method estimated the viscoelastic properties of a human thigh, predominately comprising skin, fat, and muscles, under compression. Therefore, this method can be used in body vibration analysis or riding comfort assessment, which is the situations that the viscoelastic properties of the whole subcutaneous tissue rather than those of each soft tissue are useful. In addition, the loss factor is required for the vibration analysis of human body, and the results of this study can be utilized for such analysis. The loss factor of the soft tissue versus excitation frequency slightly increased as the excitation frequency increased. These results can be used to simulate situations that are exposed to high frequency areas, such as impacts on the human body when using an excavator.