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인간 흉곽 모형: 표준과 참조 모델 재검토

EU 집행위원회는 젠더 혁신 프로젝트 진행연구원에게 제7차 유럽연합 공동연구 프로그램(FP7 프로젝트)하에 진행되고 있는 프로젝트 분석을 요청했다. 젠더 혁신 프로젝트팀은 그 중 인간 흉곽 및 상지의 한정요소모델 개발에 대한 프로젝트인 THOMO(Development of a Finite Element Model of the Human Thorax and Upper Extremities)프로젝트를 분석했다. 본 사례연구에서는 젠더 혁신 사례, 성•젠더 분석 방법 및 젠더 혁신 분석 방법을 적용해 얻을 수 있는 부가가치 분야를 탐색했다.

도전과제

´생체 정확도 모델(biofidelic models)´은 탑승자 안전성 제고를 위한 중요한 도구이다. 생체 정확도 모델은 자동차 엔지니어, 자동차 제조업체 및 정부관계기관에서 사용된다. 1997년부터 2002년 사이 EU 집행위원회의 FP4 산하 기금으로 진행된 HUMOS-1(Human Model for Safety) 프로젝트는 ´남성의 앉은 키의 50 퍼센타일´을 대표하는 남성 사체에 대한 연구를 기반으로 진행되었다(Pajon et al., 2002). 2002년부터 2006년 사이 FP5 산하 기금으로 진행된 후속 연구인 HUMOS-2를 진행할 때는, 탑승자 체중의 5, 50, 95 퍼센타일에 해당하는 사람들까지 포함해 인체측정자료가 취합됐다. 따라서 대다수 여성처럼 몸무게가 가벼운 사람들과 대다수 남성처럼 몸무게가 무거운 사람들의 체중을 포함한 포괄적인 자료를 얻을 수 있었다(Toma et al., Acart et al., 2009a; Dupont-Kerlan et al., 2006). 그러나 생체 정확도 모델은 여전히 체격이 매우 작거나 큰 사람들은 제외한 채, 남성의 50 퍼센타일에 해당되는 체격을 기준으로 개발된다.

연구 방법: 표준과 참조 모델 재검토

기존 사람 신체 모델은 유럽 및 북미 남성 체격 중 50퍼센타일에 해당하는 남성을 기준으로 개발되었다. (관련 사례연구: 충돌시험용 임산부 모형) 하지만 연구진은 이 표준을 재검토하기 시작했으며, 다양한 남성과 여성의 신체적 특징을 연구해 인간 신체에 더 가까운 모델을 만들기 위해 노력하고 있다.

젠더 혁신

    1. 여성, 남성 흉곽 모델 개발. THOMO 프로젝트 연구진은 다수의 여성과 남성을 대표할 수 있는 인간 흉곽 모델을 개발하고 있다.

    2. 여성, 남성 흉곽에 일관적인 생체역학적 테스트 수행

젠더 혁신 분석 적용을 통해 후속연구에서 얻을 수 있는 부가가치:

    1. 노화와 폐경 여부가 흉곽골 구조에 끼치는 영향 연구

    2. 연구에 지리적으로 다양한 인구 포함

    3. 유방 조직 모델 개발

전체 사례연구 보기
도전과제
배경: EU FP7 (Framework Programme 7) 흉곽모델 (THOMO) 프로젝트
젠더 혁신 1: 여성, 남성의 흉곽 모델 개발
성•젠더 분석 방법: 연구 우선순위 및 결과 재검토
젠더 혁신 2: 여성, 남성 흉곽에 일관적인 생체역학적 테스트 수행
성•젠더 분석 방법: 표준 및 참조 모델 재검토
젠더 혁신 분석 적용을 통해 후속연구에서 얻을 수 있는 부가가치
부가가치 1: 노화와 폐경 여부가 흉곽골 구조에 끼치는 영향 연구
성•젠더 분석 방법법: 성•젠더와 교차하는 요소 분석
부가가치 2: 연구에 지리적으로 다양한 인구 포함
성•젠더 분석 방법: 성•젠더와 교차하는 요소 분석
부가가치 3: 유방조직 모델 개발
성•젠더 분석 방법: 연구문제 개발
 

도전과제

교통사고는 EU 및 미국에서 주요 사망 및 부상 원인이다. 2009년 EU 27개국에서 교통사고로 34,500명, 미국에서 30,862명이 사망했다. EU와 미국 모두 남성의 교통사고 사망률이 여성보다 2.6배 높았다(DG Energy and Transport, 2009; Kposowa et al., 2009).

안전공학을 고도화시키기 위해 인체의 한정요소모델(finite-element model) 개발을 목표로 다수의 연구 프로젝트가 진행되었다. 초기에 이 모델들은 남성의 50퍼센타일에 해당하는 신체의 인체 측정학을 기반으로만 일관적으로 진행되었다. 그 이후 일부 모델들이 큰 체격과 작은 체격을 포함하도록 범위가 확대되었다(Yang et al., 2006). 이러한 현상을 바탕으로 1997년부터 2000년까지 EU 집행위원회의 FP4 산하 기금으로 진행된 HUMOS-1(Human Model for Safety) 프로젝트는 ‘남성의 앉은 키의 50 퍼센타일’을 대표하는 남성 사체에 대한 연구를 기반으로 진행되었다(Pajon et al., 2002).

2002년부터 2006년 사이 FP5 산하 기금으로 진행된 후속 연구인 HUMOS-2를 진행할 때는, 탑승자 체중의 5, 50, 95 퍼센타일에 해당하는 사람들까지 포함해 인체측정자료가 취합됐다. 따라서 대다수 여성처럼 몸무게가 가벼운 사람들과 대다수 남성처럼 몸무게가 무거운 사람들의 체중을를 포함한 포괄적인 자료를 얻을 수 있었다(Toma et al., 2010; Acart et al., 2009a; Dupont-Kerlan et al., 2006). 그러나 생체 정확도 모델은 여전히 체격이 매우 작거나 큰 사람들은 제외한 채, 남성의50 퍼센타일에 해당되는 체격을 기준으로 개발된다. 그러한 예가 바로 GHMBC (the Global Human Body Models Consortium 모델이다(GHMBC, 2012).

배경

EU의 FP7 THOMO (European Union Framework Programme 7 Thorax Model) 프로젝트의 목적은 수치에 기반한 ‘인간 흉곽 및 상지의 한정요소모델’을 개발하는 것이다(THOMO, 2012). THOMO 및 관련 연구팀의 자료 취합 절차는 아래 두 카테고리로 분류될 수 있다.

  • A. CT(computed tomography), 레이저스캔, 마이크로 CT(μCT)로 흉부 골격(갈비뼈, 흉골, 척추뼈, 연골 이미지) 측정 (Mayeur et al., 2010)
    measuring technologies for obtaining anthropometric data
  • B. 사체의 갈비뼈에 생체역학적 스트레스 테스트 수행. 동적 테스트의 종료점은 압력이 가해졌을 때 나타나는 흉곽 기형 및 골절을 포함한다. technology for measuring deformation of Human Thorax
생체역학적 테스트는 교통사고 시 흉곽 전면과 측면에서 가해지는 힘을 시뮬레이션하기 위해서 설계되었다. 이 테스트에는 다양한 시나리오가 포함되어 있다.
  • - 3/4점식 안전벨트를 착용한 운전자/탑승객의 시나리오
  • - 안전벨트를 착용하지 않은 운전자/탑승객의 시나리오
  • - 에어백이 설치/미설치된 상황에서 교통사고가 난 경우의 시나리오

THOMO 프로젝트에서 사용한 측정 및 생체역할적 테스트는 인체의 체중의 50 퍼센타일(남성 사체 11구, 여성 사체 1구)과 5 퍼센타일(여성 사체 6구)에 해당하는 프랑스의 사체에서 진행되었다:

THOMO 프로젝트는 다른 퍼센타일에 속하는 신체의 모델을(other size percentiles) 개발하기 위해 비율제(scaling)를 활용했다.

THOMO 프로젝트는 EU의 COVER (Coordination of Vehicle and Road Safety Initiatives) 컨소시엄 산하의 4 가지 생체역학 모델 개발 프로젝트 중 하나이다. 모든 COVER 프로젝트는 FP7에서 기금을 받으며, 각 프로젝트는 뚜렷한 주안점을 갖고 있다(Lemmen et al., 2009) – 아래 도표 참고:

relationship between the four FP7 projects under the COVER consortium

THOMO 프로젝트는 사설 기금으로 설립된GHMBC (Global Human Body Models Consortium: 미국 고속도로 교통안전국(NHTSA: U.S. National Highway Traffic Safety Administration), EU〮미국〮한국〮일본 자동차 제조사 9곳으로 구성)를 위한 여러 전문센터(Centers of Expertise) 중 한 곳이다(GHBMC, 2012).

자동차 제조업체들은 안전공학적인 자동차 개발을 위해 지속적으로 한정요소모델을 개발한다(Leonardi, 2009). 한 가지 예로 Toyota Motor Corporation의 THUMS (Total Human Model for Safety)를 들 수 있다(Maeno et al., 2001). THUMS의 초기 버전은 미국 남성 50 퍼센타일에 속하는 남성의 인체측정학에 기반을 두었다(Chawala et al., 2005; Oshita et al., 2002). 현재 엔지니어들은 THUMS 모델을 95 퍼센타일에 속하는 미국 여성, 5 퍼센타일에 해당하는 미국 남성 및 임신부까지 포함하도록 확장하고 있다(Iwamoto et al., 2007).

젠더 혁신 1: 여성, 남성의 흉곽 모델 개발

THOMO 프로젝트는 5-50 퍼센타일 체중 범위에 해당하는 인체에 대한 자료를 취합해 남성과 여성의 흉곽 모델을 개발한다(THOMO, 2012).

성•젠더 분석 방법: 연구 우선순위 및 결과 재검토

교통사고에 대한 연구에서 신장, 체중, 안전벨트 착용여부, 충돌 강도와 같은 요소들을 통제했을 때, 여성 운전자가 남성 운전자보다 더 심한 부상을 경험할 가능성이 47% 높은 것으로 나타났다. 즉 안전벨트를 착용한 여성 운전자가 같은 신장, 체중, 연령의 안전벨트를 착용한 남성 운전자보다 같은 사고에서 다칠 위험이 더 크다는 것이다(Dipan et al., 2011; Evans, 1999). 여러 성•젠더 요소가 상기 언급된 차이에 영향을 미쳤을 수 있다:

  • 1. 부상에 대한 임계값: 여성이 남성보다 목뼈 손상과 같은 부상에 대한 임계값이 평균적으로 낮지만, 젊은 남성은 젊은 여성보다 속도로 인한 부상의 임계값(velocity injury threshold) 이 낮다(Talmor et al., 2010; Stemper et al., 2004).
  • 2.디자인: ‘탑승자 안전기기의 효과성이 남성 탑승자에 맞춰져 있기’ 때문에 여성이 더 큰 위험을 직면할 수 있다(Dipan et al., 2011).
  • 3. 운전 자동차 유형: 운전 자동차 유형에 대한 자료가 존재하는 미국에서는, 여성이 남성보다 안전평가결과가 높은 차를 운전하는 경향을 보인다고 나타났다(Ryb et al., 2010).

 

젠더 혁신 2: 여성, 남성 흉곽에 일관적인 생체역학적 테스트 수행

THOMO 연구자들은 대부분 남성 흉곽에 적용되었던 자료 보고 프로토콜 및 기기장치와 일관성을 유지하는 동시에 작은 체격의 흉곽, 주로 여성의 흉곽에 테스트를 진행했다. 이 방법으로 성별간의 압박 특징을 비교(cross-sex comparison of strain profile)할 수 있으며 더 포괄적인 참조 모델의 개발이 가능하다.

성•젠더 분석 방법: 표준 및 참조 모델 재검토

물리적 압박 테스트는 생체정확도 모델 개발에 매우 중요하다.

오랫동안 남성 50퍼센타일에 속하는 남성 사체의 흉곽은 EU 지원 하에 진행됐던 전면 충격 충돌시험의 참조 모델로 이용되었다(Behr et al., 2003). 이 참조 모델은 50 퍼센타일에 속하는 남성보다 가벼운 사람들의 인체적 특징을 고려하지 않고 개발됐다. 이 모델을 개발한 연구자들은 ´여성, 노인 운전자 및 탑승객을 위한 부상위험 기능(injury risk function)을 개발´하기 위해 더 많은 연구가 진행되도록 권고했다(Carroll, 2010). 이 참조 모델은 또한 50퍼센타일에 속하는 남성보다 체격이 더 큰 사람들의 인체적 특징도 포함하지 못하기 때문에, 자동차 안전연구의 ‘부상 감소 가능성’을 평가하는 연구자들은 ‘평균 이상의 큰 사이즈 인체 모형 사용이 큰 도움이 될 것이다’고 주장한다(Carrol et al., 2010). THOMO연구자들은 50 퍼센타일을 넘어 95 퍼센타일에 속하는 사람들의 인체적 특징까지 포함할 수 있는 참조 모델을 확장하는 작업에 노력을 기울여왔다. 이에 따라 THOMO 연구자들은 남성과 여성의 인체적 특성을 더 잘 반영하는 생체정확도 및 비율 모델을 만드는데 우선순위를 두었다.

 

젠더 혁신 분석 적용을 통해 후속연구에서 얻을 수 있는 부가가치

부가가치 1: 노화와 폐경 여부가 흉곽골 구조에 끼치는 영향 연구

개인간 흉곽 차이는 신체 사이즈와 성별에서만 비롯되지 않는다. 연령과 폐경 여부와 같은 요소도 골밀도(BMD)와 뼈의 미세구조에 영향을 미쳐서 생체역학적 특성을 변화시킨다.

성•젠더 분석 방법: 성•젠더와 교차하는 요소 분석

THOMO 프로젝트에서 연구한 요소는 다음과 같다.

  • 1. 연령: 골밀도는 출생에서 사춘기까지 천천히 증가하다가 사춘기 후 몇 년간 급속히 증가하며, 30대에는 평행선을 유지하다가 노화와 함께 점차적으로 감소한다. 골밀도 발달 경향(developmental BMD trends)에도 성별 차이가 존재한다. 예를 들어 남성은 20-23세에 요추 BMD가 최고치에 도달한다. 하지만 남성보다 여성의 사춘기가 더 빨리 시작되기 때문에 여성은 18-20세에 요추 BMD가 최고치에 도달한다(Boot et al., 2010). BMD 감소에도 성별 차이가 존재한다. 남성의 BMD는 여성보다 더 빨리 감소되기 시작되지만, 여성의 경우 폐경 이후 남성보다 BMD가 더 급속하게 감소한다(Min et al., 2010; Li et al., 2003).

    사체에 진행된 생체역학적 실험과 부상에 대한 역학적 연구 모두 연령, BMD, 뼈 강도간의 상관관계를 잘 보여준다. 생체역학적으로 체적BMD는 골절 임계값을 예측해 주는 변수이다(Diederichs et al., 2009). 역학적으로 보면, ‘(노화에 따라) 골격 및 생리적 회복력이 감소되기 때문에, 65세 이상 인구 사이에 외상을 입거나 그에 따른 후유증으로 사망하는 사람들이 많다. 대부분 외상의 주요 원인은 교통사고이며, 65세 이상 인구의 주요 10대 사망원인 중 하나가 교통사고 등으로 인한 외상과 그에 따른 후유증이다.’ (Gayzik et al., 2008).

    이러한 이유로 다양한 연령대의 남녀 사체 모두에 생체역학적 실험을 수행하는 것이 흉곽 모델 개발에 중요할 수 있다.

  • 2. 폐경 여부: 여성의 경우 폐경 이후 BMD가 급격하게 감소되며 뼈 미세구조에 변화가 일어난다(Sowers et al., 2010; Müller, 2005). 이러한 이유로 여성 사체의 폐경 전과 후 골격을 수집해 이 골격에 생체역학 테스트를 수행해야 THOMO의 생체정확도를 높여 더 폭넓은 인구층에게 맞는 THOMO 모델을 개발할 수 있다.

 

이용 가능한 사체의 수와 가용자원이 제한되어 있기 때문에 상기 언급된 요소들을 분석하기 어려울 수 있다. 이러한 요소들이 개발 단계에서 THOMO모델에 포함될 수 없다면, 모델 검증 과정에서 이런 요소를 고려할 수 있다.

부가가치 2: 지리적으로 다양한 인구를 피험자로 포함

THOMO 연구자들이 사용한 체격 퍼센타일은 체중별로 나눠 정립한 것이다. 평균체중에 성별에 따른 차이가 존재하긴 하지만, 성별은 체중을 예측할 수 있는 유일한 변수도 아니고 가장 중요한 변수도 아니다. 체중은 국가별로 차이를 보이며, 다양한 사체를 대상으로 연구하면 THOMO 모델의 적용성이 확대될 수 있다.

성•젠더 분석 방법: 성•젠더와 교차하는 요소 분석

체계적으로 국가간의 체중을 비교하기는 어렵다. BMI(체질량지수: body mass index)가 비만 및 영양실조 역학을 더 잘 나타내는 지표이기 때문에, 대부분 데이터베이스는 체중보다는 BMI 정보를 포함하고 있다(Finucane et al., 2011). 그럼에도 불구하고 기존 자료는 국가간 체중에 상당한 차이가 있으며, 국가간 체중 차이가 성별간 체중 차이보다 더 클 수 있다는 점을 보여준다. 예를 들어 미국 남성의 평균 체중이 미국 여성의 평균 체중보다 16% 더 무겁다(Ogden et al., 2004). 그리고 한국 남성의 평균 체중은 한국 여성의 평균 체중보다 21% 더 무겁다(Nam-Kyu, 2009). 미국과 한국 인구의 성별 비율이 동일하다고 가정한다면, 미국인의 평균 체중이 한국인의 평균 체중보다 29% 더 무겁다. 실제로 미국 여성의 평균 체중은 74kg로 한국 남성의 평균 체중인 69kg보다 더 무겁다(Nam-Kyu, 2009; Ogden et al., 2004).

 

부가가치 3: 가슴조직 모델 개발

연구자들은 교통사고 부상에서 가슴조직의 중요성에 대한 연구질문을 검토하여 생체정확도 모델을 강화할 수 있다.

성•젠더 분석 방법: 연구문제 개발

가슴조직은 가슴에 입는 직접적인 부상과 관련되어 있기 때문에 중요하며, 사고 시 탑승자와 운전자의 안전 여부에 영향을 미칠 수 있는 안전벨트 착용 위치 차이와 관련되어 있기 때문에 중요하다.

  • A. 교통사고로 인한 가슴 부상
    충돌사고가 일어났을 때 탑승자가 안전벨트를 착용하고 있으면 안전성이 배로 증가하지만 3점식 안전벨트를 착용한 경우 안전벨트가 가하는 압축 및 전단 강도로 인해 가끔 가슴조직이 손상을 입는 등 흉부 부상을 입을 수도 있다(Paddle et al., 2009). 가슴조직의 부상 범위는 멍이 드는 경미한 부상에서, 늑골 내부 혈관 파열로 인해 흉벽에서 가슴이 분리되거나 내부출혈에 이르는 심각한 부상까지 다양하다(Paddle et al., 2009).

    가슴 부상은 수유관 파열을 유발할 수 있기 때문에, 특히 수유여성에게 문제가 될 수 있다(Sircar et al., 2010). 유방이식수술을 받은 여성도 같은 위험에 노출될 수 있다(Gatta et al., 2006).

    가슴 부분 연조직의 부상은 여성에만 국한되지 않는다. 몬도르병은 흉벽 혈관 손상으로 비롯되는데, 교통사고 이 후 안전벨트를 착용한 남성, 여성 탑승자에게 모두 일어난 것으로 알려져 있다(Gatta et al., 2006).

  • B. 가슴과 안전벨트 위치
    일부 여성은 안전벨트가 가슴 위를 눌러 불편하다는 이유로 안전벨트를 올바르게 착용하지 않는다. 그러나 안전벨트를 제대로 착용하지 않으면 사고가 났을 때 전반적인 부상의 위험이 증가한다(Nordhoff, 2005).

    임신 기간에는 '복부뿐만 아니라 신체 전반에 변화가 일어난다.' 특히 유방 크기의 변화는 '안전벨트가 잘 맞는지의 여부와 위치에 영향을 미칠 수 있기 때문에 특히 중요'하다(Acar et al., 2009). 비임신여성의 앉은 배 두께 최대 95퍼센타일까지만 수용하는 안전벨트는 앉은 배 두께가 훨씬 큰 임신 6개월 이후 여성의 38%를 수용하지 못한다(Acar et al., 2009a). 연구자들은 임신부의 안전 강화를 위해 한정요소모델 개발에 박차를 가하고 있다(Acar et al., 2009b) (관련 사례연구: 충동시험용 임신부 모형).

     



EU 집행위원회는 젠더 혁신 프로젝트 진행연구원에게 제7차 유럽연합 공동연구 프로그램(FP7 프로젝트)하에 진행되고 있는 프로젝트 분석을 요청했다. 젠더 혁신 프로젝트 팀은 그 중 인간 흉곽 및 상지의 한정요소모델 개발에 대한 프로젝트인 THOMO(Development of a Finite Element Model of the Human Thorax and Upper Extremities)프로젝트를 분석했다. THOMO 프로젝트의 목적은 운전자의 안전성 제고이다. 본 사례연구에서는 젠더 혁신 사례, 성〮젠더 분석 방법 및 젠더 혁신 분석 방법을 적용해 얻을 수 있는 부가가치 분야를 탐색했다. technology for measuring deformation of Human Thorax

참조 모델은 자동차, 안전벨트 설계 및 충돌 시험용 모델 디자인하는 데 있어 중요한 역할을 한다. 과거에는 신장과 체중이 전체 남성 인구의 50퍼센타일에 속하는 사체의 흉곽이 충돌 시험에 사용되었다. 그리고 아래 도표에서 볼 수 있듯이 표준은 자동적으로 남성에게 맞춰 정립되었다.

Le Corbusier Modulator and Gray's anatomy male body

젠더 혁신:

THOMO 프로젝트는 여성 신체를 표준으로 정립해 연구를 진행했다. 또한 5퍼센타일에 해당하는 사람들(평균보다 작은 신체)도 표준의 범위에 포함했다. 5 퍼센타일에 해당하는 사람들은 대부분의 여성뿐만 아니라 신체가 작은 남성까지 포함한다. 여성에게 혜택을 주는 혁신 기술은 대개 남성에게도 혜택을 주며, 다양한 민족 집단의 남녀를 표준으로 정립해 연구를 진행하면 혁신적인 과학기술을 낳을 수 있다. 그리고 광범위한 인구를 대상으로 제품, 기기 및 치료법을 개발하면 더 많은 사람들의 안전을 보장할 수 있다.

젠더 혁신 분석 적용을 통해 후속연구에서 얻을 수 있는 부가가치:

성〮젠더와 교차하는 요소 분석 을 통해 후속 연구에서 사용할 수 있는 가설 3개를 도출할 수 있다.

  • 1. 노화와 폐경 여부가 흉곽골 구조에 끼치는 영향을 연구하는 것이 중요한 이유는 노화와 함께 골격이 약해지고 특히 여성의 경우 폐경 이후 골격이 급격하게 약해지기 때문이다.
  • 2. 지리적으로 다양한 인구를 포함하는 것이 중요하다. 인구마다 체격이 모두 다르다. 예를 들어 아시아계 남성의 신체와 체중은 유럽계 남성보다 유럽계 여성의 신체 및 체중에 더 비슷하다.
  • 3. 가슴조직 모델을 개발하는 것이 중요할 수 있다. 가슴조직은 교통사고 등으로 인해 손상이 될 수 있으며, 특히 모유수유를 하는 여성에게 가슴조직 손상은 더 큰 문제가 될 수 있다. 또한 가슴조직에 따라 안전벨트의 위치나 갈비뼈의 외상 충돌 흡수력이 좌우되기 때문에 가슴조직 모델을 개발해야 한다.
본 웹사이트는 Gendered Innovations(http://genderedinnovations.stanford.edu)의 책임자(Londa Schiebinger) 허가를 받아 제작 되었습니다.
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