It is widely accepted that the postural balance of human beings is achieved by integrating information from the visual, vestibular and somatosensory systems. However, the role of each individual sensory system in that task of maintaining a balanced posture is not fully understood.
From these sensory information, somatosensory signals are known to have an important role in human postural responses. To clarify the role of somatosensory information from the lower limbs of humans in postural response we applied external perturbation to the subject in two different conditions; control condition and constraint condition. In control condition, subjects stood barefoot on a firm supporting surface, a servo-controlled dynamic platform, which can translate in posterior horizontal direction and in constraint condition we inserted a layer of foam between sole and hard platform surface to make a compliant surface. Magnitude of applied backward translation was varied from 3 cm to 15 cm to test the subjects’ ability to scale their postural responses to the magnitude of the translation. 5 healthy volunteers (4 men, 1 woman) aged 25-29 years were volunteered in this research. We set the scaling of feedback control gain as the criterion to estimate the changes of human postural responses induced by constrained somatosensory cues. Human body, in sagittal-plane, was modeled as 2-segment inverted pendulum and linear full-state feedback control model was used to analyze the human postural balance. Joint torque was calculated using redundant least square method and optimization method was used to find best-fit feedback control gains for each trial. The results showed that joint angle gains were scaled with perturbation magnitude both in control condition and constraint condition. Ankle gains scaled downward and hip gains scaled slightly downward as the perturbation magnitude increases. In constrained somatosensory condition, the gain slope of ankle joint was steeper than controlled condition. From kinematic data, we also found that changes of hip angle with respect to ankle angle were increased as well as changes of hip torque with respect to ankle torque. These results demonstrate that, the altered somatosensory cues made the ankle gain decreased and consequently made contribution of angle strategy decreased relative to hip strategy.
본 연구에서는 인체의 감각중의 하나인 체성감각이 저하 되었을 때 인체의 자세대응전략의 변화를 postural feedback gain scaling으로 나타내고자 하였다. 인체를 공학적인 관점에서 선형 시스템으로 모델링한 후 토크 피드백 컨트롤 하게되면 게인값을 통해 자세대응전략을 표현 할 수 있게 된다. 기존에는 직립자세에서 미끄러짐에 대한 균형유지 능력을 압력중심의 변화거나 압력 최대치의 변화와 같은 단변수적인 물리량으로 나타내었는데 이런 분석방법에는 제한점이 있다. 인체는 여러개의 세그먼트로 되어 있어 압력중심의 변화가 같더라도 세그먼트 각도가 다양하게 변화함으로써 인체의 자세전략이 달라 질 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 인체를 2세그먼트 역진자로 측면 모델링 한 후 이를 Full-state feedback 컨트롤 하는 관점으로 접근하여 인체의 자제전략의 변화를 gain scaling나타내고자 하였다.
발바닥 체성감각이 인체의 균형기능에 미치는 영향을 고찰하고자 본 연구에서는 아무구속이 없는 대조군 실험 조건과 체성감각을 저하시키는 비교군 실험 조건을 디자인 하고 총 5명의 피험자를 대상으로 실험을 진행 하였다. 피험자에게 크기가 3~ 15 cm 고 frequency 가 2.5 Hz 인 미끄러짐(후방외란) 외란을 가하고 자세응답의 변화를 고찰 하였으며 비교군 실험 조건에서 피험자의 지지면을 폼을 사용하여 compliant surface로 변화 하였다.
본 연구결과 인체의 감각기관인 시각, 정전기관, 그리고 체성감각기관 중, 발바닥 체성감각이 제한되었을 때 인체는 자세균형을 잡는 과정에 힙 전략에 더욱 많이 의존하고 발목 전략에 덜 의존 한다는것을 알 수 있었다. 또한 이런 인체의 자세대응전략의 변화는 발목 게인이 줄어드는 것으로 나타난다는 것을 확인 하였다.
본 연구에서 발바닥 체성감각신호가 인체의 균형기능에 미치는 영향을 feedback gain scaling으로 나타냄으로써 이런 분석 방법은 인체의 균형기능을 진단하는 중요한 지표로 활용 될 수 있다. 또한 인체는 시각, 정전기관 그리고 체성감각의 신호를 통합하여 균형을 유지하기 때문에 각각의 감각기관의 독립적인 기능을 진단하는데 어려움을 격고 있다. 때문에 feedback gain scaling 분석방법은 이런 개개의 감각기관의 기능을 진단 하는데 활용 될 수 있을 것이다.
