Much research has focused on the elderly gait characteristics for a number of years. It is commonly known that the elderly show slower walking speed and walk inefficiently compared to the young. However, few studies have demonstrated on the mechanism of these gait pattern changes among the elderly. Recently, complaint leg model has been proposed to explain the basic dynamics of walking. Researchers have found that the compliance of spring-like leg increased with gait speed to build up greater propulsion energy. Also, they suggested that CoM oscillation during single support phase may take advantage of resonance characteristic for efficient walking as correlation between single support phase duration and the oscillation period of the compliant model were found. In this research, we examine the mechanism of gait pattern change, especially the slower and mechanically inefficient gait characteristics of the elderly. Eight young and eight elderly subjects participated to the test. The subjects walked on a 12 meter long, 1 meter wide walkway at four different gait speeds, ranging from their self-selected speed to maximum speed randomly. Kinetic and kinematic data were collected using three force plates and motion capture cameras, respectively. To calculate the dynamic leg stiffness, we used damped compliant leg model with curved foot. Model parameters were obtained by optimization that best fit the GRFs data. Result showed that the leg stiffness increased as a function of walking speed in the both groups. This founding could support the previous research that the correlation between leg stiffness and walking speed hold similarly for both groups. We observed that maximum leg stiffness of the elderly were significantly smaller than that of the young, implying slower walking speed of the elderly might be due to the limited increase of leg stiffness by reduced muscle strength with aging. Also, correlation between single support phase duration and the oscillation period of the compliant model was smaller in the elderly group. This implies that due to aging effects, gait pattern changes lead the elderly to take less advantage of the resonance characteristic and walk less efficiently. This study could suggest a gait performance assessment for the elderly or patients by quantifying gait parameter changes with regard to compliant leg mechanism.
보행은 일상 생활에서 가장 기본적인 운동 중 하나이다. 최근에 고령화 사회로 진입함에 따라 노인군의 보행 분석 연구도 활발히 진행되어 왔다. 노인군의 보행 특성으로는 청년군에 비해 느린 보행 속도와 더 많은 대사 에너지를 소모함으로써 에너지 측면에서 비효율적인 보행을 한다는 것이다. 기존에 병원이나 클리닉 중심으로 수행된 노인군의 보행 분석은 일반적으로 마커 데이터를 이용하여 각 관절의 운동학적 정보를 측정하는 방식으로 진행되었고, 정상 청년군 데이터를 가지고 만든 정상 범위와 비교하여 보행 주기의 어느 부분에서 차이가 나는지에 초점을 맞췄다. 이러한 연구들은 단순히 현상학적 관점에서 그쳤다는 한계점이 있다. 최근에는 역학적 관점에서 보행을 분석하기 위해 간단한 스프링 모델을 제안함으로써 보행의 기본적인 동역학을 재현할 수 있었다. 이 때 스프링 상수는 하지 강성을 의미하게 되는데, 하지 강성이 속도에 따라 어떻게 변하는지에 대한 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 스프링 보행 모델을 이용하여 노인군의 보행 동역학 특성의 저하와 다리 강성과의 관계를 대해 역학적 관점에서 접근하여 분석하고자 한다. 본 연구에서는 두가지 가설을 세웠는데 첫 번째는 노인군에서 보여지는 현저하게 느린 보행 속도가 아마도 다리 강성을 최대로 증가시키지 못하는 것과 관계가 있을 것이라는 점이다. 두 번째로는 비록 대사 에너지 측면에서 분석할 수 없지만 역학적 에너지 관점에서 노인군은 좀 더 비효율적인 보행을 할 것이라 예상되는데 이는 다리 강성을 제대로 선정하지 못하는 것과 관련이 있을 것이라 보았다. 이러한 가설을 증명하기 위해 보행 실험과 데이터 분석을 수행하였다. 건강한 8명의 청년군과 65세 이상 노인군이 실험에 참여하였다. 피험자들은 12 m 의 보행로 위를 자연스런 걸음 속도와 가장 빠른 걸음 속도 범위에 있는 4가지 속도에 대해 무작위로 걷게 하였다. 3개의 힘판과 5개의 모션 캡쳐 카메라를 이용해서 지면 반력과 운동학적 데이터를 측정하였다. 이 실험 데이터를 가지고 다리 강성을 구하기 위해 보행을 재현할 수 있는 스프링-댐퍼 보행 모델을 사용하였다. 모델 변수 스프링 상수와 댐핑 상수는 실험 데이터를 통해 얻은 세 걸음의 지면 반력 데이터와 모델 시뮬레이션을 통해 재현한 지면 반력 데이터 사이의 최소 자승법 오차를 최소화시키는 조합을 최적화를 통해 찾아 구하였다. 청년군과 노인군 모두 다리 강성은 보행 속도가 증가함에 따라 증가하였다. 이 때 노인군이 낼 수 있는 강성의 최대값은 청년군에 비해 작았는데, 다리 강성이 근력과 관련이 있기 때문에 노인군의 경우 노화로 인해 근력이 약화됨으로써 다리 강성을 증가시키는데 한계가 있어 빨리 걷지 못하는 것이라고 해석할 수 있다. 한편, 선행 연구에 따르면 사람은 시스템의 고유 진동수와 한발 지지구간의 주기가 일치하도록 다리 강성을 조정한다는 결과가 있었는데, 노인군의 경우 노화로 인해 적절한 다리 강성을 선택하지 못함으로써 청년군에 비해 고유 진동수 주기와 한발 지지구간의 주기가 차이가 증가하였는데, 이로 인해 청년군에 비해 공진 효과의 이득을 덜 보게 되고, 비효율적인 보행을 하게 된다는 것을 알 수 있다. 본 연구는 보행 기능을 진단할 수 있는 분석 방법을 제안하기 위한 하나의 기본 연구라는 점에서 의의가 있다. 더 나아가 노인군의 보행 메커니즘을 시스템을 통해 정량화함으로써 재활이나 보행 보조기구를 개발하는데 있어 어느 정도 기여할 수 있을 것이라 예상된다.
