Development of Cyclic Pressure Offloading Insole for Diabetic Foot Ulcer Prevention

당뇨병성 발궤양 예방을 위한 순환 압력 오프로딩 깔창 개발

Veysel Erel, PhD, Aida Nasirian, MS, Yixin Gu, PhD, Larry Lavery, MD, and Muthu B. J. Wijesundara, PhD

 

Int J Low Extrem Wounds. 2024 Feb DOI: 10.1177/15347346241234825

1. Introduction

- 당뇨병환자에서 평생동안 당뇨병성 족부궤양(DFU)이 발생할 가능성은 19%~34%정도로 보고되고 있다.

- DFU의 병인은 다양하지만, 당뇨병성 신경병증(DN)이 있을 때의 생체역학적 스트레스가 주요원인으로 알려져있다. 원인이 되는 생체역학적 요인에는 static pressure, shear & dynamic pressure, shear & skin, tissue mechanical properties가 포함된다. 따라서 DFU의 위험을 줄이려면 족부에 가해지는 압력을 완화하고 피부와 연조직의 반복적인 스트레스를 최소화하는 것이 중요하다.

- 본 연구에서 저자들은 욕창 예방을 위한 시트 쿠션 기술의 closed-loop control에 인사이트를 얻어 새로운 pressure alternating shoe insole을 설계하였다.

2. Material and Methods

1) Description of Pressure Alternating Shoe Insole System

- Fig. 1은 pressure alternating shoe insole의 도식을 보여준다. air cell array insole, pneumatic control unit 및 운영 알고리즘이 포함된 graphical user interface로 구성된다. 깔창은 7개의 air cell로 구성되어 있다: 엄지발가락(cell 1), 둘째 발가락에서 다섯번째 발가락(cell 2), 중족골 헤드(cell 3, 4), 중족부(cell 5, 6), 발뒤꿈치(cell 7). 각 air cell은 pnumatic control 하드웨어에 개별적으로 연결되어 있으며, 지정된 압력센서와 솔레노이드 밸브를 통해 내부 압력을 모니터링하고 제어할 수 있다.

- Fig. 2: Fig. 2A와 2B는 나타내는 기하학적 특징을 포함한 깔창의 디자인을 보여준다. Fig. 2C는 polyurethane으로 제작된 깔창형태이다.  Fig. 2D 사진은  pneumatic 라인과 연결되어 신발에 통합된 깔창이다.

2) Operation and Testing

(1) Operation: air cell array insole은 peak pressure를 줄이고 족저의 주어진 영역에서 압력을 선택적으로 offload하는 것을 목표로 한다:

1. Initial pressurization (IP) 2. Equalizing pressure (EP) 3. Cyclic offloading

(2) Testing: 실험자의 체중을 기준으로 보행 중 cell이 바닥을 드러내지 않도록 적절한 IP를 결정하기 위해 6.9, 10.3, 13.8 kPa의 세 가지 IP 설정으로 테스트하였다. Test는 (1) 정적 및 (2) 동적 두 가지 조건에서 평가되었다. 정적 테스트의 경우, 개인은 총 3분간 서 있었고, 30초마다 1,3,4,7 cell를 순차적으로 오프로드하였다. 동적 테스트의 경우, 개인은 러닝머신을 시속 2km로 총 6분동안 걷게 하여 기본 테이터를 수집한 후 1,3,4,7 cell을 60초마다 순차적으로 오프로드하였다.

- Fig. 3: Average interface pressure (AIP), maximum average pressure (MAP), Peak pressure (PP)

3. Results

1) Static (Standing) Test

- Fig. 6: offloading이 3가지 IP조건 모두에서 족저의 특정 영역(cell 1,3,4,7)에서 AIP를 감소시킨 것을 보여준다. 전반적으로 IP가 증가함에 따라 AIP 감소비율이 더 높아졌다. 결과에 따르면 IP가 6.9에서 10.3, 13.8 kPa로 변경됨에 따라 cell 1과 7의 offloading 효과가 증가하였다.

- Table 3: 6.9, 10.3, 13.8kPa의 IP에 대한 오프로드 전후 cell 1,3,4,7 족저영역의 peak pressure값의 평균차이를 보여준다. 엄지발가락(cell 1), 중족골 헤드(cell 3, 4), 발뒤꿈치(cell 7)에 해당하는 cell 1,3,4,7에서 cyclic offloading이 peak pressure를 유의하게 감소시켰고, 엄지발가락 영역에서 평균 peak pressure차이가 12.9 kPa로 가장 높았다.

2) Dynamic (Walking) Test

- Table 4: 10.3, 13.8kPa의 IP에 대한 오프로드 전후 cell 1,3,4,7 족저영역의 peak pressure값의 평균차이를 보여준다. 동적압력데이터에서 또한 cyclic offloading는 cell 1,3,4,7 영역에서 peak pressure를 유의하게 감소시켰으며 (p < .05), 엄지발가락 영역에서 평균 peak pressure차이가 36.98 kPa로 가장 높았다.

4. Conclusions

- 본 연구에서 저자들은 air cell array insole 시스템을 제시하였고, 족저영역을 cyclic offloading하여 연부조직의 부하와 반복적인 스트레스를 줄이는 효과를 입증하였다. 즉, air cell array insole이 해당 air cell을 감압하여 일부 족저영역의 하중을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 상기 깔창은 발의 연부조직에 지속적인 정적 하중이나 반복적인 스트레스를 받는 DN 환자에게 사용될 수 있는 잠재력을 보여주었다.