Biomechanics (생체역학)
생체역학은 주로 기계공학 분야에서 사용되는 역학(mechanics)의 법칙들을 살아있는 생체구조에 적용함으로써 역학적 원리를 응용하여 생체의 기능을 연구하는 분야이다. 생체역학 분야는 생체의 역학적인 특성을 연구하는 기초적인 연구 분야와 기초적인 연구를 이용한 응용 분야로 나눌 수 있다. 생체역학은 기초적인 연구는 의학연구의 아주 넓은 분야를 포함하고 있다. 생체 각 조직의 기계적인 특성에 관한 연구, 심혈관계와 호흡계에서의 유체역학적 특성에 대한 연구, 생체 이식물에 대한 재료적인 특성연구와 생체 이식물의 생체 조직과의 상호작용에 대한 연구, 생체조직에서의 각종 물질에 대한 열적 물질적 교환에 대한 연구 및 생체대사 및 운동에 관여하는 여러 가지 제어 기전에 대한 연구 등 의학적 연구 각 분야에 아주 중요한 기여를 하고 있다. 이러한 기초적인 연구 분야뿐만 아니라 생체역학은 인체에 사용되는 각종 인공장기 등의 여러 가지 의료기기의 설계 및 가공에 수반되는 문제를 해결하는데 활용되고 있으며, 특히 재활의학 분야에서 사용되는 많은 검사 장비와 치료기구의 개발에 필수적인 학문으로서 자리 잡고 있다. 특히 앞으로는 로봇기술 등과 융합되어 손상된 생체의 운동 기능을 보완하거나 대체하는 기술에 대한 연구가 많이 활성화 되리라 기대된다.
생체역학 분야는 의공학의 분야 중에 가장 오래전부터 연구되고 발전되어 온 분야라 할 수 있다. 지금으로부터 100여년 전부터 인간의 운동을 체계적이고 과학적으로 해석하고 모델링하기 위해서 “생체 역학”이라는 용어가 등장하였지만, 인간의 운동에 관한 연구는 B.C. 2600년 전부터 행하여져 왔다. 레오나르도 다빈치는 인체의 구조와 밸런스의 문제에 관심을 가지고 “인체 측정도” 라는 서적을 출간하였고, 갈릴레오는 신체의 평형과 운동과의 관계를 밝히는데 공헌을 하였고, 알폰소 볼레리는 골격은 지렛대와 같은 역할을 하여 수학적 법칙에 따라 근육에 의해 움직여진다는 것을 연구하였다. 뉴톤의 운동법칙과 역학의 대발견을 통하여 생체의 근골격에 관한 연구는 큰 발전을 가져오게 된다.
생체역학의 분야를 세부 연구주제와 응용분야에 따라 분류해 보면 다음과 같다. 경조직(hard tissue)과 생체재료의 역학분야에서는 뼈와 연골등과 같은 경조직과 각종 생체재료의 특성 분석, 심장판막이나 피부와 같은 연조직(soft tissue)의 특성과 기능에 대한 연구, 세포의 각종 생명 현상에 대한 역학적 해석, 심혈관 계통에 대한 유체역학 및 동역학적 해석, 보행분석과 같은 인체의 운동에 대한 역학/동역학적 해석 등을 수행한다. 이를 의학적 응용 분야로 나누어보면 뼈와 관절에 관련된 정형외과 분야 생체역학과 근골격계의 재활의학 분야 생체역학, 스포츠의학 분야 생체역학, 심혈관계 생체역학으로 나누어진다.
생체 역학적 분석을 위해서는 고전적인 역학 분야에서 사용되는 기본적인 원리 및 연구 방법론이 필요하게 된다. 고체역학 분야에서의 기본적인 지식들인 힘과 모멘트(moment), 회전력(torque), 응력(stress)과 변형률(strain)등에 대한 지식과 이와 관련된 역학적 법칙들에 대한 지식이 필요하며 이를 측정하고 분석하는 방법론에 대한 지식 또한 필요하다. 유체역학 분야에서는 유체(fluid)와 유동(flow), 점성(viscosity)과 점성계수(coefficient of viscosity), 전단변형률 등에 대한 개념적 이해와 유체에 관련된 베르누이 방정식(Bernoulli equation) 등의 유체역학적 법칙과 원리에 대한 이해가 필요하다. 특히 유체역학에서 사용되는 연구방법인 입사광을 산란시키는 작은 입자를 사용하여 유체의 흐름을 관찰하는 유동가시화(flow visualization)기법과 유한요소기법(finite element method, FEM)으로 조직이나 혈류를 모델링하고 수학적인방정식의 해를 구하는 전산모사(computer simulation)등의 연구방법에 대한 지식이 필요하다.
생체역학의 기본적인 연구 방법은 다음과 같은 과정을 거치게 된다. (1) 연구하고자 하는 대상의 선정 및 이에 대한 개념적 모델의 구성, (2) 연구 대상의 각 세부 요소에 대한 기계적인 특성에 대한 연구 및 이들의 상호적인 관계를 설명할 수 있는 역학적 이론이나 원리의 적용, (3) 각 세부 요소간의 역학적 모델의 구성, (4) 제한 조건 등을 고려한 모델의 수식화 과정, (5) 수치적 또는 해석적 방법을 통한 모델의 해석, (6) 실험적 방법을 통한 생체시스템에서의 결과와 모델의 결과의 비교, (7) 구성된 생체역학적 모델의 응용. 이와 같은 생체역학적 연구 방법론은 한 번의 시행으로 끝나지 않고 (6)번 과정의 실제 생체시스템과의 비교를 통해서 얻어지는 오차를 최소화하기 위한 반복적인(iterative) 작업이 수행되게 된다. 구성된 개념적 모델이 너무 간단하거나 복잡하지 않은지, 적용된 역학적 법칙들이 적절한지, 사용한 생체 각 요소의 역학적 특성에 대한 데이터가 적절한지, 수식화 과정 및 계산과정에서 오류는 없는지 등을 엄밀히 검정하여 우리가 원하는 실제 생체조직과 유사한 생체역학적 모델을 구성하게 된다. 이렇게 구성된 모델을 이용하여 위에서 언급한 여러 분야에서의 생체에 대한 특성 연구 및 응용 연구를 시행하게 된다.
생체역학 분야에서 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 근골격계에 대한 연구이며, 이에 관련된 많은 의료기기들이 연구되고 활용되고 있다. 근골격계 조직은 주변의 기계적인 환경에 가장 민감하게 반응하는 인체조직이기 때문에 생체역학분야의 관심이 집중되고 있는 분야이다. 인공관절, 척추용 고정기, 재활용 인공의수족의 인체적용 시 주변의 인체조직에 가해지는 응력해석, 미세운동 해석 등이 유한요소법에 의해 연구되었으며, 정적인 상황과 충격하중의 상황에서의 해석도 보고 되고 있다. 그리고 기계적인 전단응력이 연골세포의 생성과 대사에 미치는 영향에 대한 연구, 인공치아 표면의 고분자 피막으로 인한 기계적 특성의 변화가 골세포의 성장에 미치는 영향 연구 등 세포역학 분야의 연구도 보고 되었다. 또한 골다공증에 있어서 약물 및 호르몬의 영향에 따른 골조직의 생체 역학적 특성 변화에 대한 분석, 척추보강술에 따른 골밀도 변화 연구, 골조직의 열처리(멸균 및 면역작용 방지목적)에 따른 골조직의 기계적 특성 변화 고찰, 골다공증 환자의 척추체 골절 위험성에 관한 생체 역학적 연구 등은 임상에서 발생하는 문제점을 기계공학적으로 해석하려는 연구로 의학자-공학자간의 협동연구의 대표적인 예다.
또한 여러 가지 생체적합한 물질을 이용한 골대체물 및 보조물에 대한 연구가 활발히 시행되고 있으며, 이에 대한 생체조직과의 기계적인 적합성에 대한 연구, 새로운 생체적합성이 우수하고 기계적 특성이 우수한 생체재료에 대한 연구 또한 활발히 시행되고 있다. 그리고 교통사고 등 재해의 증가와 인구의 노령화에 따른 사지 운동 장애자가 증가하고 있어서 이들의 재활을 위한 많은 연구가 시행되고 있다. 대표적인 예가 기능적 전기자극법(Functional electrical stimulation, FES)에 대한 연구로, 근전도를 이용한 척추동작에 따른 피로도의 측정, 근전도로부터 근력산정을 위한 수학적 모델의 구축 및 기능적 근육자극에 따른 마비환자의 운동기능 회복을 위한 제어 방법의 연구 등이 시행되고 있다.
위와 같은 생체역학 분야의 연구 및 학술활동을 통해 인체 운동의 원리를 보다 과학적이고 체계적으로 이해할 수 있고 환자들을 위한 재활 기구 및 인공 장기 개발에 중요한 역할을 하고 있다.