척추에서 기인된 요통이나 경부통은 성인에서 가장 흔한 통증 가운데 하나이다. 대부분은 특별한 치료 없이 혹은 보존치료만으로도 증상이 사라지지만 일부에서는 만성통증으로 진행되는 경우가 있다[1].

만성 척추 손상(SCI, Spinal Cord Injury)은 감각 입력과 운동 제어의 상실을 초래하며 종종 만성 통증과 만성 피로와 같은 삶의 질에 상당한 부정적 영향을 미친다. SCI가 있는 성인의 최대 75%가 지속적인 통증을 겪고 있으며 나머지 25%는 통증이 심각하거나 참을 수 없을 정도이다[2].

현대 사회의 척추질환 환자가 급증하는 가운데 현대인들의 생활 방식 및 습관은 집에 머무는 시간이 길어지고, 오래 앉아 있는 문화가 증가함에 따라 척추질환의 주 연령층이었던 중·장년층뿐만 아니라 젊은 20~30대까지 확대되는 추세이다.

과거 허리디스크는 중장년층에게 흔한 척추질환이었다. 그러나 최근 들어 40대 이하 연령층에게도 허리디스크 발병률이 급증해 각별한 주의가 요구되는데, 실제로 건강보험심사평가원에서 발표한 통계자료를 살펴보면 지난해 197만 명이었던 허리디스크 환자 중 18.5%가 40세 미만인 것으로 확인됐다[3].

허리통증 환자의 증가 현상은 기본적인 환경 외에도 과중한 업무, 정신적 스트레스, 운동 부족 등과 같은 개인적인 생활 습관에 의해서도 우리 몸의 기둥인 척추질환의 발생률이 점차적으로 높아지고 있는 실정이다[4].

초기에는 허리 주변이 뻣뻣해지거나 뻐근한 수준의 근육통만 느껴지기 때문에 심각성을 인지하지 못하고 따로 치료받지 않고 방치하는 경우가 대다수이다. 하지만 이를 일시적인 근육통이나 관절통으로 여기고 방치한다면 통증이 악화하거나 만성 디스크 질환으로 이어지게 된다. 만일 척추 또는 관절 부분에 지속적인 통증이 느껴진다면 신속히 내원해 전문적인 치료를 받아 이를 개선하는 것이 좋다.

치료 방법에는 침습적, 비침습적 방법이 있다. 침습적 방법은 시간과 비용이 발생되고, 특히 고령자의 경우 합병증이나 후유증이 동반되기도 한다[5]. 대표적인 침습적 치료의 방법에는 주사, 내시경, 절개술 등 직접적으로 체내에 들어가거나 또는 신체의 절개나 관통이 필요한 치료를 말한다. 비침습적 치료의 대표적인 예로는 마사지, 이완요법, 스트레칭, 운동, 지압 등 체내에 직접적으로 들어가지 않고도 치료가 가능한 방법을 말한다. 마사지는 통증을 달래고 완화하며, 치유와 이완을 촉진하는 다양한 형태의 방식으로 널리 사용되었으며, 불안과 우울증 감소, 피로, 스트레스 완화, 수면 개선 및 통증감소에 이점이 있다[6].

비침습적 치료의 한 종류인 지압은 전통적으로 척추와 몸의 주요 장기 치료에 쓰이는 방법으로 척추 유관 질환자의 통증 감소 및 증상 완화에 효과가 좋은 것으로 알려져 있다. 하지만, 시술하는 사람의 역량, 경험, 체력에 따라 치료 효과가 달라지는 경우가 많아 표준화된 치료를 제공할 수 있는 장치의 필요성이 대두되고 있다.

기존에 나온 근육통증 완화 치료기기들은 대부분 롤링방식으로 되어있고, 대차가 아닌 도자 형태의 바퀴 타입 자극부를 가지고 있다[7]-[9]. 이는 실제로 사용자가 원하는 부위에 기계식 안마를 받지 못하고, 바퀴 타입의 경우 회전하는 도자 사이에 끼여 끼임 현상, 쓸림 현상 등의 부상이 일어날 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해 대차가 이동하며 지압 자극부를 수직으로 눌러주는 방식을 사용하여 사용자가 원하는 부위에 집중적으로 자극을 주어 좀 더 효과적인 자극과 표준화된 치료를 제공할 수 있는 기계식 안마기기가 개발되었다.

그림 1은 수직 상승압 방식의 개념을 보여주고 있으며, 이 방식의 경우 시중의 롤링방식 모델들의 단점을 보완할 수 있었다.

Fig. 1. 
Vertical lift pressure bogie module concept diagram

그러나, 상기 모델은 수평운동을 수직운동으로 변환하면서 고정된 지압봉을 상승시키는 구조로 정해져 있는 경로만 지압을 제공하여 사용자나 의료인이 원하는 부위에 집중적으로 원하는 강도의 힘으로 지압을 제공할 수 없다는 단점이 있다[10][11].

그림 2는 기존의 높이 및 지압력 고정 방식을 보완하여, 높이, 지압력의 조절이 가능한 맞춤형 압력조절 대차 모듈의 개념도이다. 모듈은 모터-베벨기어-볼스크류 구조로 개발하였으며, 모터의 작동으로 베벨기어의 상승 및 하강이 지압 대차 내 스프링의 압축 및 이완을 발생시켜 지압력 조절이 가능하게 개발하였다. 이처럼 높이와 지압력을 자유롭게 조절 가능하도록 침대를 개발 함으로써 사용자가 이용할 시 자신이 원하는 높이와 지압력을 사용할 수 있어 기존의 고정방식 보다 사용의 폭이 넓어져 더욱 자신의 체형에 알맞게 맞추어 사용할 수 있는 지압침대를 개발하였다.

Fig. 2. 
Pressure regulating acupressure bogie module conceptual diagram

먼저 개발 침대(지압력 조절 모듈을 탑재한 지압침대)의 사용성 평가를 위하여 기존 침대와 개발 침대의 비교 실험을 하여 설문조사를 실시하였다. 시험 참여자는 총 10명의 시험자가 참가하였고, 2종의 침대를 10분간 사용 후 Likert 척도 7 첨의 설문조사(그림 15)를 실시하였다. 효율성 부분 설문 결과 개발 침대 6.2점, 기존 침대 5.2점으로 기존 침대 대비 개발 침대는 1.0점 높았고, 만족도 부분 설문 결과 개발 침대 5.9점, 기존 침대 4.6점으로 기존 침대 대비 개발 침대가 1.3점 높게 결과가 나왔다.

Fig. 15. 
7-point Likert scale survey

개발 침대의 성능평가는 세부 평가 항목에 따라서 진행하였고, 전자파 및 전기안전성 시험을 진행하였다.

세부 평가 항목의 첫 번째로 지압력 균일도(오차율)는 지압봉 상단에 푸쉬풀게이지(로드셀)을 배치하고 지압봉의 초기위치 기준 서로 다른 높이의 위치에 대해서 지압력의 균일한 정도를 측정하였다. 결과는(그림16) 초기위치+0.763mm → 11.73kgf(위치 1), 초기위치+3.293mm → 11.96kgf(위치 2), 초기위치+5.725mm → 11.94kgf(위치 3)로 서로 다른 3곳의 위치에서의 평균 지압력은 11.876kgf, 오차율은 1.069%이다. 개발목표치였던 5% 이하의 오차율에 부합하였다(표 1).

Fig. 16. 
acupressure force uniformity(error rate) test results

두 번째로 최대 하중은 강도 및 하중 분포에 대한 구조해석과 시뮬레이션을 Solidworks를 이용해 수행하였고 상부에서 하중이 집중되는 조건에서, 최대 변위 및 변형률을 해석하였다. 결과로는 130kgf 하중인가 조건에서, 변위(0.0483mm) 및 변형률(2.8e-04)로 충분한 구조 검증을 완료하였다.

그리고, 시험 대상품인 침대의 지압파트에 임의의 간격으로 분동을 올려놓은 후 130kg까지 순차적으로 최대 하중 실험을 진행하였다. 결과는 지압봉 상승 및 이동 여부에 육안으로 문제가 없었고, 개발목표치인 130kg에 부합하였다(표 2).

세 번째로 지압력 해상도는 지압봉 상단에 푸쉬풀게이지(로드셀)을 배치하고 지압봉 상승에 의한 구분이 가능한 최소의 지압강도를 측정하였다. 결과는 해상도 –1.138kgf(평균), 0.033kgf(표준편차) 1회 측정 시 1.08kgf, 2회 1.14kgf, 3회 1.15kgf, 4회 1.16kgf, 5회 1.16kgf로 개발목표치인 3kgf 이하에 부합하였다(표 3).

네 번째로 지압 위치 정밀도는 지압봉 상단에 레이저 트래커 센서를 부착하고 정해진 위치를 상하 반복 이동할 때의 위치 값을 측정하였다. 총 30회 반복 측정하였으며, 결과는 위치 정밀도 → 0.04mm로 개발목표치인 10mm 이하에 부합하였다(표 4).

마지막으로 개발 침대의 전자파 및 전기안전성 시험을 진행하였다. 해당 시험 모두 공인 인증 기관의 기준에 맞추어 실험을 진행하였고, 모두 적합 판정 결과를 받았다(표 5).

본 연구에서는 높이 및 지압력 조절이 가능한 대차가 삽입된 지압침대를 개발하고, 침대에 대한 사용성 평가와 전자파 및 전기안전성 시험을 진행하였다. 그 결과를 요약하면 아래와 같다.

개발 침대(지압력 조절 모듈을 탑재한 지압침대)의 사용성 평가는 기존 침대와 개발 침대를 비교 실험하여 Likert 척도 7점의 설문조사를 실시하였다. 사용된 Likert 척도 7점의 설문조사는 효율성 부분과 만족도 부분을 나눠 각각의 침대를 10분간 사용 후 설문에 참여하도록 하였다. 효율성 부분의 결과 개발 침대 6.2점, 기존 침대 5.2점으로 기존 침대 대비 개발 침대의 효율성 부분이 1.0점 높았고, 만족도 부분의 결과 개발 침대 5.9점, 기존 침대 4.6점으로 기존 침대 대비 개발 침대의 만족도 부분이 1.3점 높게 결과가 나왔다(그림 17).

Fig. 17. 
Development bed usability evaluation test results

개발 침대의 성능평가는 세부 평가 항목의 지표에 따라서 진행하였고, 개발 전 목표치에 모두 적합한 결과가 나왔다.

성능평가 세부 결과(표 6)에 관한 내용은 아래와 같다.

첫째 지압력 균일도(오차율)의 경우 지압봉의 초기위치 기준 서로 다른 높이의 위치에 대해서 지압력의 균일한 정도를 측정하였다. 위치 1(초기위치 + 0.763mm)은 11.73kgf, 위치 2(초기위치 + 3.293mm)는 11.96kgf, 위치 3(초기위치 + 5.725mm)은 11.94kgf로 평균 지압력은 11.876kgf, 오차율은 1.069%로 개발목표치인 5% 이하에 적합한 결과가 나왔다.

둘째 최대 하중의 경우 개발 침대의 지압파트에 임의의 간격으로 분동을 올려놓은 후 130kg까지 순차적으로 실험을 진행하였고, 지압봉 상승 및 이동 여부에는 육안으로 문제가 없었으며, 개발목표치인 최대 하중 130kg에 적합한 결과가 나왔다.

셋째 지압력 해상도의 경우 임의의 지압봉 상단에 압력 측정을 위한 푸쉬풀게이지(로드셀)을 배치하고 연속으로 5회 측정하였다. 1회 측정 시 1.08kgf, 2회 1.14kgf, 3회 1.15kgf, 4회 1.16kgf, 5회 1.16kgf, 평균 1.138kgf, 표준편차 0.033kgf로 개발목표치인 3kgf 이하에 적합한 결과가 나왔다.

넷째 지압 위치 정밀도는 지압봉 상단에 레이저 트래커 센서를 부착하고 정해진 위치를 상하 반복 이동하여 위치값을 측정하였으며, 총 30회 반복 측정하였을 때 위치 정밀도 0.04mm로 개발목표치인 10mm 이하에 적합한 결과가 나왔다.

다만 더욱 더 객관적이고, 정확한 결과를 얻기 위해서는 비교군 제품과 피실험자 대상 수를 추가하여 실험을 진행하는 추가 연구가 필요하다.