[논문]성인 계단보행 시 계단 너비에 따른 하지의 운동역학적 분석

전현민; 류지선

doi:10.5103/kjsb.2008.18.4.161

성인 계단보행 시 계단 너비에 따른 하지의 운동역학적 분석
A Kinetic Analysis of the Lower Extremity during Walking on Three Different Stair width in Healthy Adults 원문보기

한국운동역학회지 = Korean journal of sport biomechanics, v.18 no.4, 2008년, pp.161 - 169

초록
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이 연구는 성인 남성을 대상으로 계단 너비에 따른 계단 보행의 지지국면 시 하지분절의 역학적 변인을 정량적으로 분석하여, 보다 효과적인 계단의 너비를 제시하고자 실시하였으며, 이를 위해 20대의 남자 대학생 10명이 참여하였다. 계단의 높이는 18cm, 최소폭은 90cm로 동일하나 디딤면의 너비가 각각 26cm, 31cm, 36cm인 세 개의 계단을 사용 하였다. 이때 사용된 계단의 세 번째 디딤면에 지면반력기를 설치하여 지지구간의 하지관절 모멘트를 분석한바 다음과 같은 결론을 얻었다. 상향계단보행에서 발목관절의 굴곡/신전 모멘트변화를 분석한 결과 계단의 너비가 증가 할수록 pull-up 단계의 peak 모멘트가 감소하였으며(p<.05), 무릎관절에서는 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 계단의 너비가 증가할수록 무릎에 작용하는 신전모멘트가 중지지기에 증가하는 것으로 나타났다(p<.05). 그러나 고관절에서 차이가 없는 것으로 나타났다. 그리고 하향계단보행에서 발목관절의 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 계단의 너비가 증가할수록 지지기 동안 저측굴곡과 배측굴곡의 차이가 확연히 나타나는 것으로 나타났으며(p<.05), 무릎관절과 고관절에서는 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 계단의 너비에 따라 신전 모멘트의 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to investigate kinetic variables of the lower extremity during walking on three different stair widths in healthy adults. Ten healthy college-aged adults($23.5{\pm}3.5$) recruited for this study. Each stairs with the same height and length(l8cm and 90cm) under the Korean Constructional Law but three different widths(26cm, 31cm and 36cm) were conducted for this study. One force plate(9286AA, Kistler Co.) was put on third stairs. One-way ANOVA was performed to find the stair width effects during stair walking and the following findings ware obtained. There was significantly decreased in ankle resultant joint moment at Pull-Up phase(p<.05) and, significantly increased in knee extension moment during mid-stance phase as stair width increase(p<.05), but there was no significance in ankle resultant joint moment was found at Forward Continuance Phase in Ascending Stair Walking and There was significantly increased in ankle resultant joint moment as stair width increase during mid-stance phase(p<.05) and no significance in knee and hip resultant moments among the stair width in descending stair walking.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 계단 보행 시 보다 효율적인 동작을 유도하기 위해서 계단 너비변화에 따른 하지의 운동 역학적 분석을 통해 어떠한 변화를 가져올 수 있는지를 살펴보고자 한다. 이 연구에서 설정한 가설은 첫째, 상향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 발목관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.

가설 설정

셋째, 상향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 고관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 넷째, 하향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 발목관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 다섯째, 하향계단 보행 시계단 너비 변화에 따라 무릎관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.
넷째, 하향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 발목관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 다섯째, 하향계단 보행 시계단 너비 변화에 따라 무릎관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 여섯째, 하향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 고관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.
이 연구에서 설정한 가설은 첫째, 상향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 발목관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 둘째, 상향계단 보행 시 계단너비 변화에 따라 무릎관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 셋째, 상향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 고관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.
둘째, 상향계단 보행 시 계단너비 변화에 따라 무릎관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 셋째, 상향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 고관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 넷째, 하향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 발목관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.
다섯째, 하향계단 보행 시계단 너비 변화에 따라 무릎관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 여섯째, 하향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 고관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.
한다. 이 연구에서 설정한 가설은 첫째, 상향계단 보행 시 계단 너비 변화에 따라 발목관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다. 둘째, 상향계단 보행 시 계단너비 변화에 따라 무릎관절의 모멘트의 차이가 있을 것이다.

제안 방법

그리고 본 실험에서는 영상자료 수집을 위해 진행 방향으로 카메라를 정면에 1대 전 측면에 2대, 후즉면에 2대, 양 즉 가운데 2대, 총 7대의 적외선 카메라와 지면반력 자료를 수집하기 위하여 Kistler 사의 Type 9286A 지면반력기 1대를 설치한 다음 실험 전에 NLT(nonliriear transformation) 방법을 이용하여 각 카메라의 기준좌표계를 설정하였다. 이때 카메라 간 동조 (synchronize)는 컴퓨터에 의해 통제되었으며, 이때 지면반력기의 샘플링율은 1000Hz로 설정하였다 실험 전 모든 피험자들에게 상의를 탈의하고 하의는 타이즈를 입힌 후, 하체에 총 6개의 반사마커를 부착 하였다.
이때 카메라 간 동조 (synchronize)는 컴퓨터에 의해 통제되었으며, 이때 지면반력기의 샘플링율은 1000Hz로 설정하였다 실험 전 모든 피험자들에게 상의를 탈의하고 하의는 타이즈를 입힌 후, 하체에 총 6개의 반사마커를 부착 하였다. 보행 측정에 앞서 대상자의 신체의 해부학적 상태를 고려한 자료를 추춤하기 위해 실험 전 스탠딩 캘리브레이션 (standing calibration) 을 실시한 후 본 실험을 실시하였다. 또한 실험 시 대상자의 자연스러운 보행동작을 유도하기 위항 보행속도는 자신의 선호속도로 실시하였다.
이 실험의 절차는 연구조건에 적합하며, 실험에 동의한 연구대상자를 선정하여 실험의 절차를 설명한 후, 가장 자연스러운 동작을 유도하기 위해 중분한 연습을 실시하였다. 그리고 본 실험에서는 영상자료 수집을 위해 진행 방향으로 카메라를 정면에 1대 전 측면에 2대, 후즉면에 2대, 양 즉 가운데 2대, 총 7대의 적외선 카메라와 지면반력 자료를 수집하기 위하여 Kistler 사의 Type 9286A 지면반력기 1대를 설치한 다음 실험 전에 NLT(nonliriear transformation) 방법을 이용하여 각 카메라의 기준좌표계를 설정하였다.
MCU 240 카메라 7대를 사용했다. 이 카메라는 240frames 까지 촬영할 수 있으며, 촬영과 동시에 실시간으로 3차원 위치 좌표를 얻을 수 있는 적외선 카메라(infrared rays camera)이다 이 연구에서의 샘플링률 (Hz)은 100frames/sec로 설정하였다 또한 실험에 사용한 계단의 구조는 건축법에서 제시하고 있는 계단 높이 l&m이하, 너비 최소 26cm, 최소 폭 90cm을 준수하여 높이는 18cm로하고 너비를 달리한 3가지 종류(26cm 31cm, %cm) 의 계단들을 지면반력기에 맞게 설계하였다(그림 1).
이렇게 설계된 계단구조에 스위스 Kistler 사의 지면반력기 Type 9286A의 반력기(plate) 1대를 세 번째 계단에 설치하였으며, 자료 수집은 Bioware version 3.2(software analysis system) 를 이용하여, 수직 R, 전후(Fy), 좌우(Fx) 방향의 힘을 측정 하였다

대상 데이터

대상자는 최근 6개월 내에 하지에 정형 외과적 이상소견이 없는 20대의 성인 남자 10명을 선정하였고 이들의 신체적 특성은과 같다.
이 연구에서 사용된 촬영 장비는 Qualisys사의 Proreflex MCU 240 카메라 7대를 사용했다. 이 카메라는 240frames 까지 촬영할 수 있으며, 촬영과 동시에 실시간으로 3차원 위치 좌표를 얻을 수 있는 적외선 카메라(infrared rays camera)이다 이 연구에서의 샘플링률 (Hz)은 100frames/sec로 설정하였다 또한 실험에 사용한 계단의 구조는 건축법에서 제시하고 있는 계단 높이 l&m이하, 너비 최소 26cm, 최소 폭 90cm을 준수하여 높이는 18cm로하고 너비를 달리한 3가지 종류(26cm 31cm, %cm) 의 계단들을 지면반력기에 맞게 설계하였다(그림 1).

데이터처리

0Hz로 선정하였다 또한 3차원 좌표 값이 산출된 후 각 피험자 간 데이터의 표준화를 위해 각 대상자 별 소요된 구간별 프레임 수를 구간별 소요시간으로 나눠 백분율로 나타냈다. 또한 이 연구에서는 계단 보행 시 계단 너비변화와 운동 역학적 요인과의 차이를 검증하기 위해 SPSS 120 통계 프로그램의 하위 프로그램인 일원변량분석 (Che-way ANOVA) 을 이용하였으며, 이때 유의한 차가 있을 경우 집단 간에 사후검증으로 Tukey 방법을 사용하였다. 이 연구에서의 가설 유의수준은 a=.

이론/모형

데이터로 변환된다. 이렇게 얻은 데이터를 처리하는데 생긴 노이즈에 의한 오차를 제거하기 위하여 Butterworth 2nd low-pass filtering 방법을 이용하여 스무딩 하였다, 이때 차단 주파수는 6.0Hz로 선정하였다 또한 3차원 좌표 값이 산출된 후 각 피험자 간 데이터의 표준화를 위해 각 대상자 별 소요된 구간별 프레임 수를 구간별 소요시간으로 나눠 백분율로 나타냈다. 또한 이 연구에서는 계단 보행 시 계단 너비변화와 운동 역학적 요인과의 차이를 검증하기 위해 SPSS 120 통계 프로그램의 하위 프로그램인 일원변량분석 (Che-way ANOVA) 을 이용하였으며, 이때 유의한 차가 있을 경우 집단 간에 사후검증으로 Tukey 방법을 사용하였다.

성능/효과

1) 발목관절의 저측굴곡/배측굴곡 모멘트를 분석한 결과 계단의 너비가 증가할수록 지지기 동안 저 측 굴곡과 배즉굴곡의 차이가 확연히 나타나는 것으로 나타났다(μ<05).
1) 발목관절의 저측굴곡/배측굴곡 모멘트변화를 분석한 결과 계단의 너비가 증가할수록 초기 접지 순간과 중지지기의 모멘트가 감소하였으며<.05), 발이 떨어지는 순간에서 모멘트의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
2) 무릎관절의 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 계단의 너비가 증가할수록 무릎에 작용하는 신전 모멘트가 중지지기에 증가하는 것으로 나타났다(<.05).
2) 무릎관절의 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 계단의 너비에 따라 신전 모멘트의 차이가 크지 않은 것으로 나타나 무릎관절 신전근의 역할이 계단의 너비에 따라 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
3) 고관절의 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 전체적인 패턴이 유사하게 나타나 계단의 너비에 따른 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
3) 고관절의 굴곡/신전 모멘트를 분석한 결과 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았으나, 계단의 너비가 증가할수록 지지기 신전모멘트가 급격히 증가한 후지 지기 후반에 굴곡모멘트로의 전환이 서서히 이루어지는 패턴을 보였다.
계단의 너비가 26cm와 31cm인 경우 두 개의 Peak가 나타나는 반면 36cm에서는 한 개의 Peak가 나티나는 것으로 보아 계단의 너비가 증가할수록 1국면에서의 모멘트가 작아지는 것으로 나타났다. 이처럼 계단의 너비가 쟉을 때에는 발의 뒤꿈치를 들고 있다가 계단의 너비가 증가할수록 디디는 면적이 증가하면서 발의 뒤꿈치를 들지 않기 때문에 발목관절에 생성되는 모멘트가 작아지는 것으로 생각된다.
나타났다. 그러나 하향계단보행 시 계단의 너비가 증가할수록 발이 지면에 접촉하는 순간 발목관절의 역할이 증가하였고, 무릎 신전근의 활동에는 변화가 없는 것으로 나타난 반면 고관절의 신전근의 활동은 활발하게 이루어지는 것으로 나타났다. 향후, 상해와 관련 깊은 노인을 대상으로 상해예방을 위해 적절한 계단의 너비 제시를 위한 심층적인 연구가 이루어져야겠다.
그리고 표를 보면 Event2에서 각각의 계단에서 전반적으로 저 즉 굴곡 모멘트의 형태를 보이는 것으로 나타났으며, 31cm일 때가 -0.668±0, 291Nm/kg으로 저즉굴곡 모멘트가 가장 큰 것으로 나타났다. 반면 너비가 36cm일 때 저 즉 굴곡 모멘트가 가장 작은 것으로 나타났다(p<.
또한에서와 같이 계단의 너비가 36cm일 때 다른 너비에 비해 다소 신전 모멘트가 가파르게 증가하고 감소하는 것으로 나타났으나 계단너비에 따른 패턴의 차이는 없는 것으로 나타났다.
<그림 5>은 계단의 너비에 따른 고관절 굴 .신 모멘트의 변화 패턴을 나타낸 것으로써 보는 바와 같이 1국면에서 고관절의 최대 신전 모멘트가 나타났으며, 2 국면에서 최대 굴곡 모멘트가 나타났다.
<그림 4>은 계단의 너비에 따른 무릎의 굴 .신 모멘트의 변화 패턴을 나타낸 것으로써 보는 바와 같이 착지 초기부터 신전모멘트가 급격히 증가하는 것으로 관찰되었으며, 지지기의 75~80%를 지나면서 굴곡 모멘트가 발생하기 시작하였다.
관절의 최대 외번 . 외전 모멘트는 계단 14cm에서 가장 작게 나타났으며, 무릎 관절에서는 계단의 높이가 증가할수록 최대 외전 모멘트의 크기도 함께 증가하였다.
위 표에서 보면 Events 중지지기에서 26cm와 31cm일 때 신전 모멘트가 유사하게 나타난 반면 너비가 36cm일 때 무릎에 가해지는 신전 모멘트가 크게 나타나 계단의 너비가 증가할수록 중지지기 시 무릎에 작용하는 신전 모멘트가 증가하는 것으로 나타났다 (p<-05). McFafyen (1988)에 의하면 계단보행에서 가장 많은 추진이 일어나는 단계는 'pull-up'단계로써 한쪽 다리가 계단에 착지하는 순간부터 반대쪽 다리의 중간스윙기까지의 구간이며, 무릎 관절의 신전근들이 주된 역할을 하는 구간이라 하였다.
생각된다. 위 표에서와 같이 Event5에서 또한 전반적으로 저측굴곡 모멘트의 형태를 보이는 것으로 나티났으며, 36cm일 때가 Q806±0.180Nn/kg으로 저즉굴곡 모멘트가 가장 큰 것으로 나타나 계단 너비의 증가에 따른 저 즉 굴곡 모멘트의 증가는 계단을 내려갈 시 계단의 너비가 작아질수록 발을 디디는 면적이 작아져 지면반력기의 가장자리에 걸쳐 내려가는 형태를 보이 되어 지면 반력 6이 작게 나타나고 넓어질수록 디딤면이 증가하여 지면반력 값이커지기 때문이라 생각된다. 이러한 결과는 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나티났으며 g05), 사후 검증한 결과 Event5에서 26cm가 36cm보다 작은 것으로 나타났다
이상을 종합하여 보면 상향계단보행 시 계단의 너비가 증가할수록 발목관절의 역할이 감소하였고, 무릎 신전근의 활동이 활발하게 이루어지는 것으로 나타났다. 그러나 하향계단보행 시 계단의 너비가 증가할수록 발이 지면에 접촉하는 순간 발목관절의 역할이 증가하였고, 무릎 신전근의 활동에는 변화가 없는 것으로 나타난 반면 고관절의 신전근의 활동은 활발하게 이루어지는 것으로 나타났다.
하향계단보행 시 발목관절의 모멘트 변화 패턴을 나타낸 것으로써에서 보면 Cbntact와 Forward continues 에서 Peak 모멘트를 보이는 유사한 형태를 보이고 있으나 계단의 너비가 증가힐수록 저측굴곡과 배측굴곡의 차이가 확연히 니타나는 것으로 나타났다

후속연구

그러나 하향계단보행 시 계단의 너비가 증가할수록 발이 지면에 접촉하는 순간 발목관절의 역할이 증가하였고, 무릎 신전근의 활동에는 변화가 없는 것으로 나타난 반면 고관절의 신전근의 활동은 활발하게 이루어지는 것으로 나타났다. 향후, 상해와 관련 깊은 노인을 대상으로 상해예방을 위해 적절한 계단의 너비 제시를 위한 심층적인 연구가 이루어져야겠다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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