인공관절 치환술을 위한 무릎 관절 내/외측 간격 측정 센서 개발● 무릎 관절 간격 측정 센서 개발(1) 무릎 관절의 굴곡(flexion)-신전(extension) 각도의 변화에 따라, 무릎 뼈를 절단하지 않은 상태에서 수 mm 수준의 무릎 관절 간격을 실시간으로 측정할 수 있는 센서 개발(2) 매우 좁은 관절 내 공간에서 작동하도록 전자기 유도 현상을 이용...

1) 기립 자세 모사를 위한 하중 발생장치 개발 □ 착용형 하중 발생장치 - 상의와 하의가 결합된 오버롤(overall) 형태로 내부의 탄성 와이어를 제어하여 하중의 크기와 방향을 변화할 수 있는 디자인 - 탄성 와이어 조절을 통해 환자에 따른 적정 하중량에 대한 데이터베이스 구축 - 최대 일반인 몸무게 (60 kgf) 정도의 하중 발생이 가능하도록 설계 □ 굴곡 베드 - 환자의 기립 자세 척추 굴곡을 모사하기 위한 상체지지 및 요추, 흉추, 경추의 굴곡을 유지할 수 있는 굴곡 베드 개발 - 요추부터 경추까지의 곡률을 다관절 연속 구조체로 모사하고, 누운 자세에서 체중에 의해 발생하는 엉덩이 부분의 지면반력과 요추 굴곡의 왜곡을 보상할 수 있는 디자인 배치 2) 하중 발생장치로 모사된 기립 자세의 척추 상태 검증 - 정상인 4명을 대상으로 ‘포항 우리병원’에서 보유한 국내 유일의 WB-MRI 촬영을 통해 기립 자세에서의 척추 전만각, 골반 경사도, 전체 요추 길이, 추간판의 높이, 신경관 단면적 측정 - 본 연구를 통해 개발된 하중 장치 착용 후 누운 자세의 MRI 촬영으로 측정된 척추 전만각, 골반 경사도, 전체 척추 길이, 추간판의 높이, 신경관 단면적 등을 WB-MRI 결과와 비교 검증 - 위 지표들의 오차가 10% 이내가 되도록 하중 발생장치 최적화 - 최종적으로 하중 발생장치를 통해 모사된 기립 자세의 척추 상태가 인공지능 진단 시스템을 위한 학습자료로 사용 가능한 수준인지 검증

본 과제는 3축 가속도 센서 기반 운동자세 측정 센서 모듈과 비대면 코칭 플랫폼을 개발해, 고가 장비 없이 운동능력을 평가·코칭하는 무인 서비스를 구현하는 연구임. 연구 목표는 저가 센서로 운동량 측정 수집 정확도 및 재연성, 데이터 전송속도 120Hz, 각도 분해능 ±0.1°를 확보하고 센서 캘리브레이션 및 운동자세 분석 프로토콜을 수립하는 데 있음. 핵심 연구 내용은 웨어러블 IoT 디바이스 H/W 설계, 운동능력 측정 알고리즘·패턴 분석(머신 러닝) 개선, 애플리케이션·데이터 처리 서버 개발, RF 성능 확보임. 기대효과는 일반인·아마추어 선수·노인까지 사용 가능한 운동평가 기술 확대로 센서 보급률 증가 및 비대면 운동지도, 영세 피트니스 업계·노인복지 건강 증진 기여임.

1차년도 고분자 재료에 적용 가능한 저온 ALD 코팅을 위해, 본 연구에 적합한 형태의 장비 구축을 진행한다. 장비는 chamber 가열 후 feed부에서 공급하는 반응가스와 purge 가스를 이용하는 자기 제한적 반응에 의한 박막 증착 방식을 사용한다. 고분자 재료의 특성을 고려하여 안정된 화학 반응을 유도하기 위해 ex-situ plasma 처리를 함께 진행한다. 인체 삽입 형 의료 장치에 널리 쓰이고 있는 두 가지 재료인 UHMWPE와 PEEK를 대상으로 본 연구를 진행한다. 두 소재는 우수한 기계적 물성과 생체 적합성으로 현재 인공관절에 활발히 쓰이고 있는 소재이다. 박막소재는 생체적합성을 인정받은 Aluminum Oxide, Zinc Oxide, Zirconium Oxide, Titanium Nitride 등의 소재를 사용하여 다양한 조건에서의 내마모 특성을 비교 연구한다. 고분자 재료의 amorphous 구조로 인하여 ALD 공정 시 확산(diffusion) 현상으로 인한 공정 신뢰도 저하에 대한 확인이 필요하다. 그러므로 박막 표면의 품질 및 신뢰도 확인을 위해 박막 표면 품질 확인을 위한 optical 장비로 SEM을 이용하고 동시에 표면의 조성을 확인하기 위해 EDX 검사를 실시한다. 이후 박막이 가지는 기계적 물성 평가를 위해 Nano Indentation 실험과 이를 통한 박막의 Hardness 및 Elastic Moudulus를 확인하고 마모식을 이용하여 박막의 마모 거동을 유추한다. 2차년도 코팅 물질이 동일함에도 불구하고 두께에 따라 박막의 기계적 성질이 달라지므로 다양한 두께의 ALD 박막에 대한 기계적 특성 평가가 필요하다. 이를 통해 본 연구에서 목표로 하는 모재에 맞는 최적의 두께 연구를 진행한다. 또한 초기 단일 박막 연구에서 발전하여 최적의 효율을 낼 수 있는 다층 구조의 박막 연구가 진행되고 있으므로 박막 내부의 층별 소재의 조합, 각 층의 두께 그리고 층의 순서에 따라 박막의 기계적 특성 및 모재와의 adhesion 특성을 연구한다. 실제 관절내부에서는 단순한 회전 운동만이 존재하는 것이 아니므로 관절 내 반복적인 움직임을 모사하기 위해 선형 직선 운동과 회전 운동을 동시에 수행할 수 있는 마모 시험 장비 구축을 진행한다. 이를 통해 복잡한 환경에서의 마모 특성을 확인한다. 3차년도 고안된 다축 마모 시험 장비를 이용하여 박막의 내마모도 시험을 진행하고 인공관절에 적용 가능성을 판단한다. 마모 시험 이후에 생기는 박막의 화학적 변화를 확인하기 위하여 FTIR을 이용하여 박막에서 나타나는 변화를 확인한다. 표면의 거칠기는 tribological mechanism에 영향을 미치는 주요한 인자이므로, 모재의 표면 상태에 따른 마모 시험을 진행하여 모재의 표면 가공 조건에 따른 마모 및 박막과의 adhesion 특성을 분석한다. 인공관절 분야의 적용을 위해 체내 환경과 유사한 조건의 실험이 필요하므로 윤활 조건에서의 마모 시험을 수행한다. 소의 혈청을 윤활제로 사용하여 각 코팅 소재의 친수성과 소수성이 마모에 미치는 영향을 분석한다.