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문제 정의
- 본 연구에서는 건강한 여성을 대상으로 서로 다른 굽 높이의 신발을 착용하여 보행분석 실험을 수행하고 시뮬레이션을 통하여 얻은 근 길이의 변화와 roll-over 특성을 살펴보았다. 결과로 굽높이가 증가할수록 전체의 roll-over 모양은 원위방향으로 이동하고 roll-over 특성은 굽 높이에 관계없이 일정한 원호의 형태로 나타낼 수 있음을 알 수 있었으며 특히 굽 높이가 증가할수록 가자미근의 더 많은 수축과 앞정강근의 더 많은 이완으로 보행을 시작함을 볼 수 있었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 건강한 여성을 대상으로 서로 다른 굽 높이의 신발을 착용하여 보행분석 실험을 수행하고 시뮬레이션을 통하여 얻은 근 길이의 변화와 roll-over 특성을 비교 분석하였다.
- 1). 신발을 바꾸어 측정할 때마다 그 신발에 적응하도록 실험실에서 약간의 보행연습을 하였고, 보행속도는 각 피검자의 편안한 보행속도로 하여 실험을 수행하였다.
- 하이힐을 신고 보행하는 동안 6 대의 적외선 카메라를 사용한 삼차원 동작분석시스템(VICON Motion Systems Ltd., 영국) 및 2 개의 힘측정판(force plate; AMTI, 미국)을 연동하여 120Hz 로 샘플링하여 운동학적 데이터를 얻었다. 실험 직전 삼차원 실험공간의 절대 좌표를 정의하기 위해 보정 작업을 시행하였다.
- , 영국) 및 2 개의 힘측정판(force plate; AMTI, 미국)을 연동하여 120Hz 로 샘플링하여 운동학적 데이터를 얻었다. 실험 직전 삼차원 실험공간의 절대 좌표를 정의하기 위해 보정 작업을 시행하였다. Helen-Hayes marker set11에 입각하여 Fig.
- 2와 같이 반사마커를 부착하였다. 각 피검자는 먼저 평평한 신발(0cm shoe)을 신고 걸은 후 3cm(3cm shoe), 6cm(6cm shoe), 9cm(9cm shoe) 의 굽이 있는 신발을 착용하고 보행하였다.
- , 미국)을 사용하였다. 시상면에서 엉덩관절을 제어하는 근육으로 큰볼기근(gluteus maximus)과 대요근 (psoas) 을, 무릎관절을 제어하는 근육으로 넙 다리 곧은근(rectus femoris), 넙 다리 두갈래 근(biceps femoris short head) 을, 발목관절을 제어하는 근육으로 가자미 근 (s 이 eus), 앞정강근 (tibialis anterior)을 선정하였다. 각 근육들은 Zajac12 의 modified Hill-type 모델을 사용하였다.
- 삼차원 동작분석 시스템을 통해 측정된 운동데이터를 모델에 적용하여 보행 시 하지 주요근육들의 길이 변화를 비교하였다. 근 길이 변화는 해부학적 자세에서의 근 길이를 기준으로 퍼센트 비율로 나타내었다.
- Fig. 4와 같이, 시상면에서 관찰되는 발/발목의 이차원적인 roll-over 모양을 나타내기 위해 초기접지기와 발가락들림기 사이의 발목과 무릎에 부착된 수직방향 (Z) 및 진행방향(X)의 마커궤적과 진행방향의 압력중심(center of pressure)을 사용하였다. Roll-over 모양의 계산은 동작분석실좌표계(X, Z) 에서 발목을 기준으로 정의된 정강이 (Sx, Sz) 로 압력중심을 변환함으로써 이루어지며 그 방법은 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구를 위해서, 근골격계 및 발 질환이 없는 건강한 성인 여성들 중 평소 하이힐을 자주 신는 15 명을 대상으로 실험을 진행하였다(Table 1).
- 실험에 사용된 신발의 크기는 235mm 로 통일하였고 굽 없는 평평한 신발과 디자인은 동일하나 굽 높이가 각각 3cm, 6cm, 9cm 인 총 4 종의 신발을 사용하였다(Fig. 1). 신발을 바꾸어 측정할 때마다 그 신발에 적응하도록 실험실에서 약간의 보행연습을 하였고, 보행속도는 각 피검자의 편안한 보행속도로 하여 실험을 수행하였다.
데이터처리
- , 미국)으로 최소자승법 (least-square method) 을 이용하여 roll-over 모양을 원호로 나타내고 원호의 곡률반경(R)과 곡률중심(X0, Y0)을 구하였다. 굽 높이에 따른 roll-over 모양의 곡률반경과 곡률중심의 통계적 분석을 위해 SPSS(SPSS Inc., 미국)로 ANOVA < 이용하였다.
이론/모형
- 하이힐 보행 시 하지 근육의 길이 변화와 근력을 분석하기 위해 SIMM(Musculographics Inc., 미국)을 사용하였다. 시상면에서 엉덩관절을 제어하는 근육으로 큰볼기근(gluteus maximus)과 대요근 (psoas) 을, 무릎관절을 제어하는 근육으로 넙 다리 곧은근(rectus femoris), 넙 다리 두갈래 근(biceps femoris short head) 을, 발목관절을 제어하는 근육으로 가자미 근 (s 이 eus), 앞정강근 (tibialis anterior)을 선정하였다.
- 시상면에서 엉덩관절을 제어하는 근육으로 큰볼기근(gluteus maximus)과 대요근 (psoas) 을, 무릎관절을 제어하는 근육으로 넙 다리 곧은근(rectus femoris), 넙 다리 두갈래 근(biceps femoris short head) 을, 발목관절을 제어하는 근육으로 가자미 근 (s 이 eus), 앞정강근 (tibialis anterior)을 선정하였다. 각 근육들은 Zajac12 의 modified Hill-type 모델을 사용하였다.
- 모든 데이터는 MATLAB(Mathworks Inc., 미국)으로 최소자승법 (least-square method) 을 이용하여 roll-over 모양을 원호로 나타내고 원호의 곡률반경(R)과 곡률중심(X0, Y0)을 구하였다. 굽 높이에 따른 roll-over 모양의 곡률반경과 곡률중심의 통계적 분석을 위해 SPSS(SPSS Inc.
성능/효과
- 6 은 근육들의 근 길이 변화를 한 보행주기를 100%로 하여 나타낸 것이다. 0cm, 3cm, 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에 대한 발목관절의 저굴 운동은 0cm 에 비하여 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에서 유의하게 지연되었으며(p<0.05), 이때 근 길이는 0cm, 3cm, 6 cm 에 비하여 9 cm 굽 높이의 신발에서 가자미근의 수축이 일어나지 않았음을 볼 수 있었다. 배굴 각도는 3cm, 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에서 유의하게 증가하고(p<0.
- 05), 이때 근 길이는 0cm, 3cm, 6 cm 에 비하여 9 cm 굽 높이의 신발에서 가자미근의 수축이 일어나지 않았음을 볼 수 있었다. 배굴 각도는 3cm, 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에서 유의하게 증가하고(p<0.05), 특히 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에서 입각기 최대 배굴이 유의하게 지연됨을 알 수 있었다(p<0.05).
- 이때 근 길이는 0cm, 3cm, 6cm 에 비하여 9cm 굽높이의 신발에서 넙다리두갈래근의 수축이 증가함을 볼 수 있었다. 엉덩관절의 최대 신전은 0cm 에 비하여 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에서 유의하게 증가됨을 알 수 있었다(p<0.05). 이때 근길이는 0cm, 3cm, 6cm 에 비하여 9cm 굽 높이의 신발에서 큰볼기근의 최대 수축이 지연됨을 볼 수 있었다.
- 이때 근길이는 0cm, 3cm, 6cm 에 비하여 9cm 굽 높이의 신발에서 큰볼기근의 최대 수축이 지연됨을 볼 수 있었다. 이 결과로 비장애인은 어느 정도의 굽높이의 신발에 대해서는 발목관절의 배굴을 통해 몸을 안정하게 유지하지만, 신발의 굽이 너무 높으면 발목관절만으로 적응하기 어려워져서 무릎관절과 엉덩관절의 보상작용이 필요함을 알 수 있었다.
- 7(b)은 발뒤꿈치가 지면에 닿은 후(보행주기의 약 0-10%) 하중수용기 동안의 rollover 궤 적으로써 heel rocker 부분을 나타낸 것이다. 발목관절의 저굴 운동이 일어나는 동안 초기접지 시 진행방향인 roll-over X 는 발목관절로부터 뒤쪽 방향으로 멀어지다가 급격히 발목관절에 가까워지는 방향으로 이동하며 수직방향인 rollover Y 는 발목관절쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있는데, 굽 높이가 높을수록 변화가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이때 근 길이는 Ocm, 3cm, 6cm 굽 높이의 신발에 비하여 9cm 굽 높이의 신발에서 앞정강근의 편심성 수축이 적게 일어나는 것을 볼 수 있었다.
- 7(c)는 발 전체가 지면에 평평하게 닿은 후 보행주기 중 입각기를진행하는 동안(보행주기의 약 10~45%)의 roll-over 궤적으로써 ankle rocker 부분을 나타낸 것이다. 발목관절의 배굴 운동이 일어나는 동안 진행방향인 roll-over X 는 발목관절에서 멀어지는데 신발 굽이 높아질수록 COPX 의 이동 변화가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이때 근 길이는 Ocm, 3cm, 6cm, 9cm 굽 높이의 신발에 비하여 9cm 굽 높이의 신발에서 가자미근의 편심성 수축이 잘 일어나지 않았음을 볼 수 있었다.
- 7(d) 는 발뒤꿈치가 지면에서 떨어져 발가락들림기를 진행하는 동안(보행주기의 약 45%~60%)의 roll-over 궤적으로써 forefoot rocker 부분을 나타낸 것이다. 배굴 운동이 일어나는 동안 진행방향인 roll-over X 는 발목관절에서 멀어지는데 신발 굽이 높아질수록 발목관절방향으로 가까워지며, 또한 수직방향인 roll-over Y 는 발목관절에서 멀어지는데, 신발굽이 높아질수록 발목관절에서 멀어지는 것을 확인할 수 있었다. 이때 근 길이는 0cm, 3cm, 6cm 굽 높이의 신발에 비해 9cm 굽 높이의 신발에서 가자미근의 수축이 크지 않음을 확인할 수 있었다.
- Fig. 8(a)와 같이, 굽 높이가 증가할수록 발/발목 복합체의 roll-over 모양의 곡률반경은 감소하는 추세를 보이나 굽 높이가 가장 높은 9cm 신발을 제외하고 Ocm, 3cm, 6cm 높이 의 세 종류 신발에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 또한 Fig.
- 8(b)에서와 같이, 굽 높이가 증가할 수록곡률중심의 수직방향 위치가 현저하게 낮아짐을 알 수 있었다. 이는 시뮬레이션을 통한 근 길이의 변화로도 알 수 있는데, 가자미근과 앞정강근의 수축과 이 완을 통하여 3cm, 6cm 굽 높이 의 신발에서 0cm 굽 높이와 유사하게 발목관절의 배굴 운동과 저굴 운동을 만들어줌으로써 비장애인은 6cm 이하의 굽 높이의 신발에 대해서 발/발목 복합체의 보상작용을 통해 자동적으로 적응하며 보행할 수 있도록 일정한 roll-over 모양을 유지한다는 것을 알 수 있었다. 그러나 굽 높이가 매우 높은 9cm 신발의 경우 가자미근과 앞정강근이 굽 높이에 적응하지 못하고 초기입각기 동안 넙다리 두갈래근의 수축을 통해 보상을 받고 있음을 확인할 수 있고, 이를 통해 높은 굽에서는 발목관절만으로 충분한 균형을 보장할 수 없으므로 Gard13의 연구결과와 유사하게 무릎관절의 보상작용이 동시에 일어남을 확인할 수 있었다.
- roll-over 특성을 살펴보았다. 결과로 굽높이가 증가할수록 전체의 roll-over 모양은 원위방향으로 이동하고 roll-over 특성은 굽 높이에 관계없이 일정한 원호의 형태로 나타낼 수 있음을 알 수 있었으며 특히 굽 높이가 증가할수록 가자미근의 더 많은 수축과 앞정강근의 더 많은 이완으로 보행을 시작함을 볼 수 있었다. 이는 굽높이가 다른 신발을 신고 보행할 때 발/발목 복합체에서 저굴을 통해서 굽 높이에 적응할 수 있음을 의미한다.
- 이는 굽높이가 다른 신발을 신고 보행할 때 발/발목 복합체에서 저굴을 통해서 굽 높이에 적응할 수 있음을 의미한다. 또한 6cm 이하의 신발 굽높이에 대해서 전체 roll-over 곡률반경은 차이를 보이지 않았고 곡률중심이 수직방향으로 이동함으로써 일정한 roll-over 특성을 유지하도록 발/발목 복합체에서 적응하고 있음을 알 수 있었으며, 굽 높이가 매우 높은 9cm 신발의 경우 초기입각기 동안 넙다리두갈래근의 수축을 통하여 무릎관절의 보상작용이 동시에 일어남을 확인 할 수 있었다. 본 연구결과는 인간의 보행에 관한 새로운 이해를 제공하고 나아가 재활기기 특히 특수 신발 및 하지 보조기 또는 의족의 설계에 적용할 수 있는 기초를 마련할 것으로 기대한다.
- 굽 높이가 증가할수록 앞정강근의 최대 수축이 지연됨을 볼 수 있었다. 무릎관절은 0cm, 3cm, 6cm 굽 높이의 신발에 비해서 9cm 굽 높이 신발이 입각기 초기의 굴곡 운동과 신전 운동이 유의하게 크게 나타남을 알 수 있었다(p<0.05). 이때 근 길이는 0cm, 3cm, 6cm 에 비하여 9cm 굽높이의 신발에서 넙다리두갈래근의 수축이 증가함을 볼 수 있었다.
후속연구
- 또한 6cm 이하의 신발 굽높이에 대해서 전체 roll-over 곡률반경은 차이를 보이지 않았고 곡률중심이 수직방향으로 이동함으로써 일정한 roll-over 특성을 유지하도록 발/발목 복합체에서 적응하고 있음을 알 수 있었으며, 굽 높이가 매우 높은 9cm 신발의 경우 초기입각기 동안 넙다리두갈래근의 수축을 통하여 무릎관절의 보상작용이 동시에 일어남을 확인 할 수 있었다. 본 연구결과는 인간의 보행에 관한 새로운 이해를 제공하고 나아가 재활기기 특히 특수 신발 및 하지 보조기 또는 의족의 설계에 적용할 수 있는 기초를 마련할 것으로 기대한다.
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