Measurement of the Forefoot Position by Induction Current Method in Walking Normal Cat.

Chae, Sa Yong; Lee, Heung Youp

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 42(4); 1999 > Article

Original Article

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1999;42(4): 423-428.

Measurement of the Forefoot Position by Induction Current Method in Walking Normal Cat.

Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, School of Medicine, The Catholic University of Korea, Seoul, Korea. vinent@shinbiro.com

유도전류 방법을 이용한 정상 고양이 보행시 앞발의 위치측정

채세용 · 이흥엽

가톨릭대학교 의과대학 이비인후과학교실

주제어: 정상 고양이ㆍ보행측정ㆍ유도전류법.

ABSTRACT

BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Walking is an indispensable daily locomotion and requires highly organized and dynamic body balance which is maintained by visual, vestibular and proprioceptive system. This study was designed to measure the forefoot position and walking speed in normal cats.
MATERIALS AND METHODS:
Five normal cats were selected and trained to walk over a platform (188 cm long, 65 cm wide) of different upward and downward slope up to 15 degrees in a natural way. When a cat walks, the magnetic field generated from AC generators of two different frequencies through a coil in a cat's shoes was changed. The induced current of detecting coils under the platform was repeatedly measured. The sensitivity (minimal distance required to be separated in a different position) was 5 mm in the right and left axis, 10 mm in anterior and posterior axis.
RESULTS:
The mean crossing time over platform was 1.9+/-0.3 seconds. Mean walking speed was 648.2+/-76.5 mm/sec without significant differences between individuals or degrees of slope. The range of mean deviation was in between 4.4+/-48.8 mm to the right and 5.6+/-42.8 mm to the left with a different slope. There was a significant difference between 0 degree and upward 10, 15 degrees and downward 5, 15 degrees of slope but no difference between individuals. Walking distance in right-left and anterior-posterior axis were 53.1+/-10.3 and 213.1+/-79.4 mm, respectively, without a significant difference between individuals or degrees of slope. There was no change of foot position in standing 30 degrees upward or 30 dgrees downward.
CONCLUSION:
These results could be a baseline data for both normal and pathologic cat walking and this precise method will be also useful in clinical settings.

Keywords: Normal catㆍWalkingㆍInduction current

서론 동물이 자연스럽게 걸을 때, 몸의 균형을 적절히 유지할 수 있는 것은 개체가 내이의 전정기, 시각기, 체성감각기 등의 말초 감각수용체를 통해 정보를 수집하고 중추신경계에서 통합하여 사지, 몸통, 목, 안구 근육들을 조절함으로써 이루어진다.1)2) 이때 조절과정은 하나의 특정한 신경해부학적 기관에서 일어나는 것은 아니지만 전정핵이 중요한 구성요소임은 틀림이 없다.3) 내이의 전정기관은 전정-척수반사를 사용하여 중력에 대항하는 근육을 조절하여 신체의 평형에 중요한 역할을 한다. 이와 밀접하게 관계된 걸음걸이에 대한 지금까지의 연구는 제자리에서 걸음걸이를 측정하거나 평면을 걸을 때 치우치는 정도를 측정하거나4-6) 다양한 보폭의 레일위를 걷거나 회전대 위를 걸을 때 그 위에서 떨어지는지 여부를 기준으로 평가하는 방법 등이 있으며7-9) 보다 정량적인 것은 평면위에서 동물이 달릴 때 발의 위치 변화를 측정하는 방법이 있었고,10) 사람에서 똑바로 선 자세에서 발의 지지대를 움직이거나 기울일 때 나타나는 자세변화를 정량적으로 평가하는 방법인 postulography가 임상에 사용되고 있다.11-13) 그러나 고양이에서 정량적인 방법으로 걸음걸이를 평가한 보고는 아직 없다. 따라서 이 연구의 목적은 전류 유도장치를 이용하여 정상적인 고양이가 실내 조명 아래서 걸을 때 두 앞발의 위치변화와 시간을 정량적으로 측정함으로써 앞으로 전정기관의 손상 후 동물에서 전정-척수반사의 회복과정을 정량적으로 평가하는데 기초자료를 얻고 나아가서 임상에서 보행시 평형기능의 이상을 호소하는 경우에 정량적인 평가방법으로 사용하려는 데 있다. 방법 동물의 선택 건강하고 평형기능과 관계되는 신경계 선별검사(neurologic screening test, Table 1)에 정상이며, 실내 조명 아래서 눈을 뜬 상태와 빛이 차단된 캄캄한 실내에서 눈을 뜬 조건에서 자발안진, 두위안진, 두위변환안진 및 두진후안진을 자기장 탐지 코일 장치(magnetic search coil system)를 이용한 3차원적 안구운동 측정장치를14)15) 이용하여 안진이 없는 것을 확인한 고양이 중 사람에게 길들여진 5마리(체중：1.9∼3.7 kg)를 암수 구별없이 선택하였다. 걸음걸이 검사 방법 걸음걸이 측정대과 고정대 측정대는 크기가 65×188 cm인 바닥과 천정, 높이 30 cm의 벽으로 짜여진 직육면체 상자로 바닥과 벽은 검은색 아크릴 판자(두께：3 mm)로 만들고 양 끝벽에 동물이 드나드는 입구와 출구를 냈다. 천정은 망사로 덮고 중앙에 30×30 cm 크기의 개폐식 문을 달았으며, 출구밖에 먹이(통조림)를 흰색접시 위에 놓아 고양이가 쉽게 발견할 수 있게 하였다. 이 측정대를 지면에 놓인 고정대 위에 부착하였으며 수동 조작으로 측정대를 지면에 대하여 위 아래로 각각 5, 10, 15, 30도까지 기우려 고정할 수 있게 하였다(Fig. 1). 측정대 바닥과 감지코일 설치 측정대 아크릴 바닥면 위에 고양이가 걷는 좌우방향(좌우축)으로 각개의 감지 코일은 굵기 0.12 mm 에나멜 동선을 U자형으로 양 간격이 2.5 mm로 배치하고 양단을 주 회로와 연결하는 위치에 두 개의 스위치로 연결하였으며 각 개의 코일을 2.5 mm 간격으로 배열하여 총 125개의 단자에 연결한 후 그 위에 에폭시 수지를 칠했다. 이 위에 고양이가 걷는 방향(전후축)으로 설치한 각 개의 감지코일은 같은 굵기의 에나멜 동선을 사용하여 W자형으로 양 간격이 7.5 mm로 배치하고 양단을 주 회로와 연결하는 위치에 두 개의 스위치로 연결하였으며 각 개의 코일을 2.5 mm 간격으로 배열하여 총121개의 단자에 연결한 후 그위에 다시 에폭시 수지를 칠하였다(Fig. 2). 교류 전류와 자계 발생장치 고양이의 앞발에 고정이 가능하고 나일론천으로 만든 두 개의 신발 바닥면에 굵기 0.04 mm 동선을 100회 감아 직경이 16 mm인 원형코일을 만든 후 실리콘으로 고정한 다음 44 KHz와 86 KHz의 교류발생장치에 각각 연결하였다(Fig. 3). 이때 전원으로 1.4볼트 아연-공기전지(R312 ZA-4, Rayovac Co., USA)를 사용하였으며 아연-공기 전지는 계속 사용하는 경우 약 25분 동안 안정적인 교류 전류를 공급할 수 있었으므로 20분씩 사용후 교환하였다. 고양이 앞발의 위치 측정 신발에 위치한 교류 발생장치에서 생성된 교류 전류가 원형 코일에 흐르면 그 주위에 자계가 형성되며 고양이가 걸으면 자계의 이동이 일어나서 좌우 앞발 근처에 위치한 감지코일에 전류가 유도된다. 이 때 초당 100회씩 스위치들이 연결되게 조작되어 전류가 유도된 감지 코일에 전류가 흐르게 되며 이 전류를 필터한 후 증폭하여 컴퓨터에 입력한다. 고양이의 훈련 벽면이 0.2 mm 동판으로 외부 자장이 차단된 실험실 내에 측정대를 놓고 불을 켠 상태에서 훈련시켰다. 먼저 걷는 훈련을 위해 고양이의 앞발에 신발을 신키고 측정대 밖의 실험실 바닥에 먹이를 놓으면서 걷게 유인하여 약 5분 가량 걷게 하고, 그후 10분가량 자유롭게 걸어다니는 것을 확인한 다음(Fig. 4), 측정대 입구부터 먹이가 놓여있는 출구를 향해 걷는 동작을 하루 30분씩 일주일간 반복하여 걸음걸이중 측정대위에서 서거나 주저앉지 않고 먹이가 있는 출구를 향해 걸어갈 수 있게 하였다. 제자리에 서있는 훈련을 위해 신발을 신은 상태에서 측정틀의 천정문을 열고 측정대 중앙에 고양이를 서게 한 후 밖에 놓인 먹이를 먹게 하면서 고정대를 이용하여 측정대를 기울일 때 균형을 잃지 않고 서 있는 훈련을 하루 10분씩 일주일간 반복하여 고양이가 먹이가 놓인 방향으로 앞발을 움직이지 않고 서있는 자세를 유지할 수 있었다. 고정대의 위치변화와 앞발 위치 변화 측정 걸을 때 두 발의 위치 변화 측정은 고정대의 바닥면이 지면과 평행인 상태와 걸을 때와 바닥면이 전후축을 중심으로 앞 쪽이 각각 5도, 10도, 15도 위로 기울일 때 및 아래로 5도, 10도, 15도 기울인 7가지 상태에서 하였다. 제자리에 있을 때 두 발의 위치 변화 측정은 지면과 고정대가 평행인 상태에서 중앙에 고양이를 서게 한 후 전후, 좌우 방향으로 바닥면을 초당 15도의 속도로 상하 각각 30도까지 기울였다. 걸음걸이 측정은 하루에 한번, 한 기울기마다 연속으로 8회 걷게 하였고, 약 30분후 제자리에 서있는 자세에서 앞발 위치를 8회 측정하였다. 3∼4일 간격으로 같은 방법으로 다시 측정하여 각 조건에서 한 고양이당 총 50개씩의 자료를 얻었다. 자료의 처리 발이 위치한 근처의 3개 감지코일에 동시에 유도전류가 발생하였으며 이들 중 중간에 위치한 감지코일에서 가장 큰 전압을 나타내어(Fig. 5), 이 위치를 앞발의 위치로 삼았다. Matlab(version 4.2, Math Works Inc., Natick, Massachusetts, USA) 분석 프로그램에서 한쪽 발의 위치에 따라 전후축과 좌우축상에 위치한 감지 코일에서 유도되는 전압을 이용 4개의 채널에 각각 위치신호로 그리고(Fig. 6), 이 위치 신호들을 다시 앞발의 위치좌표로 평면상에 표시하였다(Figs. 7 and 8). 자료의 분석 걷는 조건에서는 발판의 기울기에 따른 걸음수와 걸리는 시간, 양발 사이의 거리와 좌우로 편위 정도를, 서있는 조건에서는 발판의 기울기에 따른 위치변화를 분석하였으며 통계분석은 반복이 있는 이원 분산분석법를 이용하였다. 측정장치의 민감도 서로 다른 두 위치로 나타날 수 있는 앞발의 위치 변화는 일정한 자계를 형성하고 세기를 결정하는 주 요소인 코일의 크기와 모양 및 이에 따르는 감지 코일의 배치간격에 달려 있으며 본 장치에서는 좌우축 5 mm, 전후축 10 mm였다. 결과 걸음걸이 속도 측정대 위에서 고양이는 평균 684.2±76.5 mm/초의 속도로 걸었으며, 기울기(p＝0.0934)와 개체(p＝0.5198)에 따른 차이는 없었다. 통과시간 측정대를 0도 기울였을 때 평균 통과 시간은 1.8±0.3초였고(Fig. 9). 기울기 변화에 따른 평균 통과 시간은 1.9±0.3 초로 각도에 따른 차이(p＝0.0621)나, 개체사이의 차이(p＝0.087)는 없었다(Fig. 10). 앞발 위치의 평균 편위 측정대를 0도 기울였을 때 고양이는 중앙으로부터 편위는 우측으로 24.1±44.0 mm, 좌측으로 25.9±50.9 mm 사이 범위를 걸었으며(Fig. 11), 기울기에 따라서는 우측으로 4.4±48.8 mm에서 좌측으로 5.6±42.8 mm 사이의 범위로 개체에 따른 차이는 없었으나(p＝0.1516) 기울기에 따라 차이를 보였다. 즉 기울기 0도와 비교할 때 앞 쪽을 위로 10도(p＝0.0301)와 15도(p＝0.0139), 아래로 10도(p＝0.0219)와 15도(p＝0.0209) 기울였을 때 유의한 차이를 보였으며(Fig. 12) 개체와 기울기 사이에 교호작용(interaction effect)은 없었다. 좌우축 및 전후축의 보폭 두 앞발사이 좌우축 보폭은 0도 기울기였을때 60.4±13.8 mm로서 가장 넓었으며 평균보폭은 53.1±10.3 mm였고 기울기에 따른 통계학적 차이는 없었다(p＝0.1332, Fig. 13). 또 전후축으로의 평균보폭은 213.1±79.4 mm이며, 기울기(p＝0.2141) 및 개체 사이의(p＝0.4922) 차이는 없었다. 서있는 자세에서 바닥판 기울기 변화에 따른 앞발의 위치변화 서있는 자세에서 바닥판 기울기 변화에 따른 앞발의 위치는 전후, 좌우 방향으로 상하 각각 30도 범위안에서 변화가 없었다. 고찰 걸음걸이는 일상의 생활에서 빼 놓을 수 없는 중요한 동작으로 말초전정계는 움직이지 않는 상태보다 걸을 때와 같이 움직이는 상태에서 몸의 균형을 유지하는데 더 큰 역할을 하며,16) 사지동물에서 앞발은 전체체중의 약 60%를 지탱하는 것으로 알려져 있고,17) 걷는 동안 몸의 방향을 결정한다. 사람에서 평형기능과 관계된 걸음걸이 연구인 제자리 걸음걸이 검사는 눈을 가린채 팔을 앞으로 뻗고 평상시 걸음걸이 속도(110보/분)로 50에서 100보 가량 걷게 한 후 몸의 회전각도와 처음 위치에서 마지막 발의 위치 사이의 거리를 측정하는 방법으로4)5) 말초전정기관의 병변측을 예측하는데 유용하나 검사값의 정상범위가 너무 넓고 검사간 오차가 커서6) 정량적인 비교검사로 임상에서 이용하는데 한계가 있다. 동물 또는 사람에서 실제 걸음걸이에 대한 연구는 1890년대에 시작되어 1960년대 후반까지 주로 폭이 다양한 레일 위를 걷게 하는 방법들을7)8) 사용하여, 레일에서 떨어지는 횟수를 점수로 표시해 평가하거나, 레일을 여러 속도(50∼1050 rpm)로 회전시킬때 떨어지지 않고 지나갈 수 있는 회전역치를 측정하였으며,8)16) 1970년대 전반에는, 전기 자극을 준 동물(squirrel monkey)이 압력감지기(pressure-sensor)가 장치된 바닥 위를 뛰어갈 때 발의 위치를 비교적 정확히 측정한 연구가 있었는데 좌우축으로 2 inch 단위로 발의 위치를 측정하였고, 입구와 출구의 광감지장치(photo-sensor)를 이용해 통과 시간을 측정하였다.10) 본 연구에서는 비교적 넓은 바닥면(65×188 cm)위를 최대한 자연스럽게 걸을 수 있는 환경에서 측정하였으며, 두가지 교류 주파수(44 KHz, 86 KHz) 발생장치를 이용해 양발 각각의 위치변화를 좌우 5 mm, 전후 10 mm까지 정확히 측정할 수 있어 압력감지장치를 사용했을 때보다 더 정확히 측정하였고, 걸음걸이의 질을 평가하는데 요소가 되는 발의 위치가 변화하는 시간을10) 정확히 표시할 수 있어 실험적 연구와 임상에서 모두 유용하게 사용할 수 있다. 또 지지면의 경사를 변화시키고 발의 위치를 관찰하였는데 경사면을 걷는 것은 일상에서 흔히 경험하므로 중요한 조건이 될 수 있다. 이 연구는 이전의 방법들과 비교해볼 때, 질적으로 평상 걸음걸이에 더 비슷한 조건에서, 양적으로 보다 정밀한 평가가 가능한 검사방법을 사용하였다고 할 수 있다. 걸음걸이의 수는 평균 약6회로서 걷는 거리가 짧은 느낌이 들지만 측정대위에서 걷는 거리가 길때, 공간의 제약과 먼 거리에 놓인 먹이를 보면 뛰어가는 고양이의 습성으로 걸음걸이를 관찰하는데 적합하지 않았다. 수평면을 걸을 때에 비해 각도가있는 걸음걸이시, 특히 오르막보다 내리막 걸음걸이시 전후축 보폭이 작아지거나 좌우로의 편위의 정도가 작아지는 조심스런 걸음걸이를 예상하였으나, 오르막과 내리막 또는 기울기가 커짐에 따른 통계적 차이는 없었다. 서있는 자세에서 상하 30도까지 경사를 주어도 이에 따른 앞발 위치 변화가 없었는데, 앞으로 경사도를 증가시키고 모터를 이용하여 정확한 경사와 경사속도에 따른 보다 동적인 걸음걸이를 측정하는 것이 필요하고, 시각이 차단되거나 바닥면의 변형으로 심부체성감각이 감소된 조건에서 걷게 하여 전정기능의 보다 독자적인 역할을 평가할 수 있을 것으로 생각한다. 결론 정상인 고양이에서 자연적인 걸음걸이시 앞발의 위치를 정밀한 유도전류 감지 장치를 고안하여 평가하였으며, 아래와 같은 결과를 얻었다. 보행시 평균 속도는 684.2±76.5 mm/초로 기울기나 개체에 따른 유의한 차이는 없었으며 앞발의 좌우 편위는 발판의 기울기에 따라서는 좌측으로 4.4±48.8 mm, 우측으로 5.6±42.8 mm 범위로 개체에 따라 차이는 없었으나 기울기에 따라 차이를 보였다(p＝0.0302). 두 앞발사이 좌우축 보폭은 발판 기울기가 0도일 때 60.4±13.8 mm로서 가장 넓었고 기울기가 클수록 49.9±8.5 mm까지 좁아지는 경향을 보였으나 유의한 차이는 없었다. 서있는 자세에서 앞발의 위치는 전후, 좌우방향으로 상하 30도까지 발판 기울기를 변화하여도 안정하게 유지하였다. 이 연구결과로 미루어 유도전류를 이용하는 방법은 동물의 발 위치를 시간 변화와 동시에 정밀하게 측정할 수 있어 동물의 평형기능을 평가하는데 기여할 수 있으며 임상에서도 활용할 수 있을 것으로 생각한다.
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