바이오인

핵심내용

근골격 모델을 사용한 이족보행 재현기술 개발
― 뇌성마비 환자 등에 대한 수술 치료효과, 사전 예측이 가능해 질 듯 ―


□ 국내 연구진이 컴퓨터 시뮬레이션으로 사람이 보행하는 움직임을 가상으로 정밀하게 재현하는 기술을 개발했다. 보행에 중요한 근육이 모두 포함된 사람의 근골격 모델을 바탕으로 한 것으로 정형외과 수술결과 예측 및 가상수술 시스템 등 인체 근육의 움직임에 대한 재현이 필요한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

o 서울대 컴퓨터공학부 이제희 교수 연구팀 이윤상 박사(현 삼성전자 소프트웨어 센터 책임연구원, 제1저자), 한양대 컴퓨터공학부 권태수 교수 연구팀, 분당서울대병원 박문석 교수 연구팀 등이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 컴퓨터 그래픽스 분야 학술지 ACM Transactions on Graphics 11월 19일자에 게재되었으며, 12월 6일 개최된 국제학술회의 SIGGRAPH Asia 2014*에서 발표되었다.
(논문명 : Locomotion Control for Many-Muscle Humanoids)
* 14.12.4-6일 중국 심천에서 개최된 미국계산기학회 컴퓨터그랙픽 분과회의

□ 사람이 두 발로 균형을 잡으며 움직이는 원리에 대해 많은 연구가 이뤄지고 있다.
o 하지만 인체의 근골격 모델을 사용해 보행을 제어하려는 연구는 비교적 최근에 본격화되기 시작했다. 그조차 10여개의 근육을 사용한 단순화된 모델의 보행에 대해서만 시뮬레이션이 가능했다.

□ 연구팀은 실제 사람의 보행을 분석한 데이터에 기반하여 보행에 중요하게 관여하는 근육 100여개를 갖는 모델을 사용, 주어진 동작 데이터를 온라인으로 물리적으로 재현하는 제어기술을 개발했다.
o 이 제어기술을 적용하면 입력하는 데이터를 바꾸는 것으로 걷기, 뛰기 등 다양한 보행동작을 비교적 자연스럽게 표현할 수 있어 인체의 움직임에 대한 재현이 필요한 분야에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 각 근육의 특성 값을 조절함으로써 근육이 이탈된 경우나 통증으로 불편한 경우, 발이 땅에 부딪힐 때 충격을 최소화할 필요가 있는 경우 등 보행에 불편을 겪는 다양한 상황에 대해 재현할 수 있다는 설명이다.
o 이 교수는 “이번에 개발된 제어 알고리즘은 보행에 어려움을 겪는 환자의 수술 후 보행 예측에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 새로운 수술법 발굴을 위한 가상수술 시스템을 구축하는 기반이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

사람이 움직이는 원리에 대하여 지금까지 많은 연구들이 진행되어 왔지만, 사람의 움직임에 대한 이해는 여전히 부분적으로만 이루어지고 있다. 이는 사람의 움직임이 시각, 촉각 등의 지각 능력, 두뇌의 사고능력, 근골격의 운동 능력이 복잡하게 어우러져 발생하기 때문이다.

특히, 두 발로 균형을 유지하며 역동적으로 걷는 인간의 이족 보행에 대한 분석과 시뮬레이션은 수 십 년간 미해결 난제로 남겨져 있다가, 최근 부분적으로 그 작동 원리와 응용 방법이 밝혀지고 있다. 대표적인 응용 분야로서 이족 보행 휴머노이드 로봇은 지난 30년 간 집중적으로 연구되어왔지만 아직도 전형적인 로봇의 걸음걸이를 보일 뿐 사람의 사실적인 걸음걸이와는 차이가 있다.

의료 분야에서도 보행에 어려움을 겪는 환자들에 대한 정형외과적 수술이 필요한 경우 수술 후 보행 동작을 미리 예측하기 위해 이족 보행 시뮬레이션이 필수적이며 이에 관한 활발한 연구가 진행되고 있다.

2. 연구내용

의료 보행 분석 및 시뮬레이션에 있어서 가장 중요한 요소는 인체의 해부학적 구조를 최대한 반영한 근골격 구조와 움직임을 물리 시뮬레이션을 통해 컴퓨터로 재연하는 것이다. 근골격 모델에 대한 이족 보행 시뮬레이션은 불과 2~3년 전부터 연구 결과를 보이기 시작했고, 기존의 연구 결과는 불과 10여 개의 근육이 있는 단순화된 모델에 대해서만 시뮬레이션이 가능했다.

이번 연구에서는 실제 사람의 해부학적 기준을 충족하는 수십 개의 골격과 보행에 중요하게 사용되는 100여 개의 하체 근육을 포함하는 근골격 모델에 대한 이족 보행 시뮬레이션에 성공하였다. 이러한 정교한 수준의 시뮬레이션은 특정 근육이나 관절의 손상이 걸음걸이에 어떤 영향을 미치는지, 그 인과관계를 밝히는데 중요한 역할을 하고, 더 나아가 환자의 걸음걸이가 어느 원인으로부터 생긴 것인지를 밝히는데도 사용될 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구는 궁극적으로 뇌성마비 환자를 위한 수술 후 보행 예측 시뮬레이션 시스템을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 뇌성마비는 태내에서 뇌에 손상을 입어 생기는 병으로 근골격의 변형에 의해 많은 환자들이 보행에 어려움을 겪고 있다. 근골격 변형에 의한 비정상적 보행은 정형외과적 수술을 통해 보정한다.

일반적으로 한 번에 엉덩이부터 발목까지 여러 부위를 한꺼번에 수술하는 경우가 많고, 수술 후 상처가 아물고 재활을 거쳐 수술 결과를 확인하는 데까지 짧게는 1년에서 길게는 2년까지 걸리는 경우도 있다. 컴퓨터 모델을 이용한 이족 보행 시뮬레이션을 통해서 수술 결과를 미리 예측할 수 있다면 어떤 부위를 어떤 방식으로 수술할지에 대한 계획을 수립하는데 큰 도움이 될 수 있다.

이번에 제안된 시스템을 기반으로 하면, 구체적인 수술 데이터와 수술 전 환자의 보행 데이터를 받아 수술 후 환자의 걸음걸이가 어떻게 개선될지 시뮬레이션 하여 보여주도록 발전시키는 것도 가능할 것이다. 연구진은 더 나아가 수술 결과에 대한 예측을 바탕으로 수술 계획을 수정하고 보완하는 것이 가능해지게 되면, 궁극적으로는 새로운 수술법을 시험하는 테스트베드(testbed) 역할을 수행하는 것을 목표로 하고 있다.

연 구 결 과 문 답