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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 보행 속도의 차이에 따른 무릎과 힙 관절 최대 관절 모멘트와 최대 관절 모멘트가 발생하는 시점의 무릎, 힙 각도의 상관관계를 규명하는데 있다.
- 본 연구에서는 보행 속도가 증가함에 따라 무릎 관절의 최대 신전 모멘트 값도 함께 증가하여 위의 선행 연구들과 같은 결과를 도출하였다. 그러나 무릎의 신전과 굴곡각도에서는 선행연구와 다른 결과를 나타내었다.
- 본 연구에서는 보행 속도에 따라 발생하는 최대 하지 관절 모멘트와 발생시점이 같은 각도에 미치는 영향과 보행 속도에 따른 하지 관절 모멘트와 각도의 상관관계를 분석하였다.
- 본 연구의 목적은 보행 속도의 차이에 따른 최대 관절 모멘트와 최대 모멘트 발생 시점의 관절 각도 상관 관계를 규명하는데 있다. 본 연구는 8명의 20~30대 남성을 대상으로 보행 속도의 3가지 단계(1.
제안 방법
- 그리고 보행 속도가 증가함에 따른 하지 관절 각도와 모멘트의 상관관계를 분석하기 위하여 1.8 ± .05m/s, 2.1 ± 0.05m/s로 0.3 m/s 씩 2단계에 걸쳐 증가시킨 속도를 설정하여 실험을 실시하였다.
- 3 m/s 씩 2단계에 걸쳐 증가시킨 속도를 설정하여 실험을 실시하였다. 보행 속도를 측정하기 위하여 보행로에 지면반력기를 중심으로 전ㆍ후 2m 위치에 2대의 이벤트 동조기(photoelectric sensor, Visol)를 설치하여 통제하였다.
- 보행 시 지면에서 발생하는 수직, 수평, 전후 반발력과 인체 무게에서 지면반발력에 적용하여 계산되는 압력중심을 산출하기 위하여 지면반력기(BP400800, AMTI; 1000㎐)를 이용하였다.
- 본 실험에 참여한 피험자들에게 실험 목적과 주의사항을 전달하고, 양질의 데이터와 부상방지를 위해 피험자들에게 준비운동을 시킨 후, 보행 동작 분석을 위해 외부마커를 14곳 오른발 두 번째 중족골두, 뒤꿈치, 내ㆍ외측외과, 하퇴 중앙지점, 내ㆍ외측상과, 대퇴 중앙지점, 대전자, 좌ㆍ우 상전장골극, 좌ㆍ우 상후장골극의 1/2 지점, 좌ㆍ우 어깨 관절점에 부착하였다. 그리고 피험자들의 해부학적 정보를 얻기 위하여 Zatsiorsky(2002)의 geometric scaling 방법을 이용하여 각 분절의 무게와 무게중심 그리고 관성치를 계산하였다.
- 본 연구의 목적은 보행 속도의 차이에 따른 최대 관절 모멘트와 최대 모멘트 발생 시점의 관절 각도 상관 관계를 규명하는데 있다. 본 연구는 8명의 20~30대 남성을 대상으로 보행 속도의 3가지 단계(1.5m/s, 1.8m/s, 2.1m/s)를 나누어 각각의 속도에 따른 보행을 실시하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 본 연구를 통해 보행 속도가 무릎과 힙 관절의 최대 모멘트와 각도에 미치는 영향을 분석하였을 뿐만 아니라 무릎 관절에서 발생된 최대 신전, 굴곡, 외전 모멘트와 최대 모멘트 발생 시점의 무릎과 힙 관절 각도의 상관관계를 설명할 수 있는 근사식을 제시하였다. 이와 같은 결과는 보행 속도에 따른 하지관절에 미치는 영향을 알아보는데 도움이 될 뿐만 아니라, 운동처방 및 재활프로그램에 적용되어 신체적 특성과 능력에 맞는 보행 속도를 제시함으로써 무릎 관절의 상해 방지 그리고 재활 프로그램의 기초 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 그리고 피험자들의 해부학적 정보를 얻기 위하여 Zatsiorsky(2002)의 geometric scaling 방법을 이용하여 각 분절의 무게와 무게중심 그리고 관성치를 계산하였다. 본 연구에서 직접 측정법을 사용하는 것은 인체 분절 모수치에 대한 피험자 간의 오차를 최소화하기 위하여 마틴 계측기로 직접측정 한 뒤 이에 대한 비율로써 계산하였다. 외부 마커의 3차원 좌표를 얻기 위하여 6대의 카메라(Samsung SHC-650A, Korea; 60fields/sec)를 이용하였다.
- 본 연구에서는 14m거리의 보행로에서 보행동작을 분석하였으며, 평균보행 속도는 피험자들이 평소에 걷는 보행 속도와 DeVita & Hortobagyi(2003)의 선행연구를 기초로 하여 1.5±0.05m/s로 설정하였다.
- 본 연구에서는 보행 속도에 따라 발생하는 최대 하지 관절 모멘트와 발생시점이 같은 각도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 3단계의 보행 속도에서 피험자들은 각각 6회의 보행동작을 수행하게 하였고, 그 중 3회 동작을 선별하여 자료를 수집하였으며, 그 평균값으로 자료처리를 하였다. 보행 속도에 따른 차이를 검증하기 위하여 1-way ANOVA(3RM)실시하였으며, 보행 속도간의 차이에 대한 대비검증을 실시하였다.
- <그림 1>에서와 같이 하지 관절의 역학적 해석을 하기 위해서 지면반력기와 발이 접촉하고 있는 구간인 오른발 접지에서 오른발 이지까지를 측정된 자료를 개인별 3회씩 분석하였다.
- 외부 마커의 3차원 좌표를 얻기 위하여 6대의 카메라(Samsung SHC-650A, Korea; 60fields/sec)를 이용하였다. 카메라에 저장된 영상을 3차원 좌표로 바꾸기 위해서 DLT(direct linear transformation)방식을 이용한 Kwon3D 소프트웨어(Visol, Korea)를 사용하였으며, DLT 변인들을 얻기 위해서 46개의 통제점을 이용하였고, DLT 방식에 의해서 재구성된 기전역좌표계는 X를 좌ㆍ우 축, Y를 전ㆍ후 축, Z를 상ㆍ하 축으로 설정되었으며, 실제 통제 점과의 오차는 약 0.17cm이었다. 외부마커들은 차단 주파수 6Hz로 설정된 2nd Order Btterworth Filter에 의해 필터링 된 후 3차원으로 좌표화 되었다.
- 하지 관절의 각도는 Cardan Angles를 이용하여 산출하였으며, 관절 모멘트가 최대 값을 나타낸 지점의 관절 각도를 산출하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 정형외과적 병력과 신경학적 병력을 경험하지 않은 20~30대의 남자를 대상으로 하였으며, 먼저 신체 조성 검사를 실시하여 여기서 측정된 BMI에 따라 정상집단 8명(나이; 26.2 ± 4.6years, 신장; 177 ± 4.4㎝, 몸무게; 69.4 ± 4.4㎏, BMI; 22.9 ±1 ㎏/㎡)을 선정하였다.
- 본 연구에서 직접 측정법을 사용하는 것은 인체 분절 모수치에 대한 피험자 간의 오차를 최소화하기 위하여 마틴 계측기로 직접측정 한 뒤 이에 대한 비율로써 계산하였다. 외부 마커의 3차원 좌표를 얻기 위하여 6대의 카메라(Samsung SHC-650A, Korea; 60fields/sec)를 이용하였다. 카메라에 저장된 영상을 3차원 좌표로 바꾸기 위해서 DLT(direct linear transformation)방식을 이용한 Kwon3D 소프트웨어(Visol, Korea)를 사용하였으며, DLT 변인들을 얻기 위해서 46개의 통제점을 이용하였고, DLT 방식에 의해서 재구성된 기전역좌표계는 X를 좌ㆍ우 축, Y를 전ㆍ후 축, Z를 상ㆍ하 축으로 설정되었으며, 실제 통제 점과의 오차는 약 0.
데이터처리
- 05로 설정하였다. 그리고 보행 속도에 따른 하지 관절 모멘트와 각도의 상관관계를 분석하기 위하여 least square method를 이용하여 적합도(fitness)가 가장 높은 2차 곡선으로 근사된 곡선식의 값을 산출하였다.
- 본 연구에서는 보행 속도에 따라 발생하는 최대 하지 관절 모멘트와 발생시점이 같은 각도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 3단계의 보행 속도에서 피험자들은 각각 6회의 보행동작을 수행하게 하였고, 그 중 3회 동작을 선별하여 자료를 수집하였으며, 그 평균값으로 자료처리를 하였다. 보행 속도에 따른 차이를 검증하기 위하여 1-way ANOVA(3RM)실시하였으며, 보행 속도간의 차이에 대한 대비검증을 실시하였다. 이때 유의수준은 α=.
이론/모형
- 본 실험에 참여한 피험자들에게 실험 목적과 주의사항을 전달하고, 양질의 데이터와 부상방지를 위해 피험자들에게 준비운동을 시킨 후, 보행 동작 분석을 위해 외부마커를 14곳 오른발 두 번째 중족골두, 뒤꿈치, 내ㆍ외측외과, 하퇴 중앙지점, 내ㆍ외측상과, 대퇴 중앙지점, 대전자, 좌ㆍ우 상전장골극, 좌ㆍ우 상후장골극의 1/2 지점, 좌ㆍ우 어깨 관절점에 부착하였다. 그리고 피험자들의 해부학적 정보를 얻기 위하여 Zatsiorsky(2002)의 geometric scaling 방법을 이용하여 각 분절의 무게와 무게중심 그리고 관성치를 계산하였다. 본 연구에서 직접 측정법을 사용하는 것은 인체 분절 모수치에 대한 피험자 간의 오차를 최소화하기 위하여 마틴 계측기로 직접측정 한 뒤 이에 대한 비율로써 계산하였다.
- 하지 관절 모멘트는 지면반력 데이터와 운동학적 데이터를 이용한 역동역학적(Inverse Dynamics) 해석방법을 사용하여 산출하였고, 공식은 다음과 같다.
성능/효과
- 1. 보행 속도가 증가함에 따라 무릎 최대 신전 모멘트도 증가하였고, 굴곡, 외전 모멘트는 큰 영향을 받지 않았다.
- 2. 보행 속도가 증가함에 따라 최대 신전 모멘트가 발생하는 시점의 무릎 관절 각도는 1.8m/s까지 굴곡의 움직임이 커졌으나, 최대 굴곡, 외전 모멘트가 발생하는 시점의 무릎 관절 각도에는 변화가 없었다.
- 3. 보행 속도가 증가함에 따라 힙 최대 신전, 굴곡, 외전 모멘트는 증가하였다.
- 4. 보행 속도가 증가함에 따라 최대 굴곡과 신전 모멘트가 발생하는 시점의 힙 관절 각도에서 신전과 굴곡의 증가 현상을 보였으나, 최대 외전 모멘트가 발생하는 시점의 무릎 관절 각도에는 변화가 없었다.
- 5. 무릎 최대 신전, 굴곡, 외전 모멘트와 각 모멘트의 발생 시점의 무릎 관절 각도는 least square method를 이용하여 적합도를 실시한 결과 R2값이 높게 나타나 상관관계의 설명력이 높았다. 이렇게 근사된 곡선의 근사식은 보행 속도에 따른 무릎 관절의 평가 자료로 이용될 것으로 기대된다.
- 그러므로 관절에서 작용하는 모멘트와 각도의 상관 관계를 본 연구에서 보다 명확하게 설명할 수 있을 것으로 생각된다. 그 결과 무릎 관절 최대 신전 모멘트는 속도가 증가함께 따라 무릎 관절이 더욱 굴곡되면서 발생한다는 것을 알 수 있었다.
- 힙 관절 최대 신전 모멘트, 굴곡 모멘트와 발생 시점의 힙 관절 각도는 보행 속도가 증가함에 따라 그정도의 차이는 있었으나 모멘트와 각도의 증가를 보였다. 그러나 least square method를 이용하여 적합도를 실시한 결과 R2의 수치가 평균 0.2-0.3으로 근사곡선의 설명력이 매우 낮게 나타나 근사된 곡선식을 산출할 수 없었다.
- 그러나 에서 보는 바와 같이 무릎 관절 최대 굴곡 모멘트와 발생 시점의 각도를 적합도가 가장 높은 2차 곡선으로 근사된 곡선식 (Y=-17.8X-10.41)의 값을 산출한 결과 설명력(R2=0.73)이 높았다.
- 그리고 1.5m/s(32.29±6.23°)보다 1.8m/s(34.09±6.72°), 2.1m/s(36.91±7.42°)의 보행 속도가 증가할수록 약 2°씩 증가하는 패턴을 보였다.
- 그리고 에서 보는 바와 같이 무릎 관절 최대 내전 모멘트와 발생 시점의 각도를 적합도가 가장 높은 2차 곡선으로 근사된 곡선식(Y=-39.85X-9.85)의 값을 산출한 결과 설명력(R2=0.79)이 높았다.
- 보행 속도의 증가는 신체 운동량의 증가를 가져오며, 이렇게 증가된 신체 운동량은 보행주기 중 초기단계, 발이 지면에 딛는 입각기에서 무릎과 힙의 관절 모멘트에 영향을 주어 최대 신전과 굴곡 모멘트의 상승을 발생시킨다. 그리고 최대 모멘트의 발생 시점 무릎 관절 각도는 보행 속도가 증가함에 따라 무릎 관절의 굴곡 현상을 보였다. 힙 관절 각도는 초기 접지기의 굴곡 각도가 커지고 후기 접지기에는 신전 각도가 커지는 현상을 보였다.
- 무릎 관절 최대 굴곡 모멘트와 발생 시점의 각도는 , 에서 보는 바와 같이 보행 속도가 증가함에 따라 무릎 관절 최대 굴곡 모멘트는 감소하는 반면 조금씩 굴곡되는 경향을 보였지만 그 변화가 그리 크지 않아 무릎 관절 각도는 통계적으로도 유의한 차이는 없었다.
- 무릎 관절 최대 신전 모멘트는 보행 속도에 따라 유의한 차이를 나타냈으며(F=13.85, p=.01), 1.5m/s(0.64±0.21Nm/Kg), 1.8m/s(0.79±0.24Nm/Kg), 2.1m/s(1.03±0.38Nm/Kg)로 보행 속도가 빨라질수록 무릎 관절 최대 신전 모멘트는 증가하였다.
- 무릎 관절 최대 외전 모멘트와 발생 시점의 각도는 에서 보는 바와 같이 보행 속도가 증가함에 따라 무릎 관절 최대 외전 모멘트와 각도가 조금씩 상승되었으나, 그 변화의 폭이 매우 적었다.
- 보행 속도가 1.5m/s(-0.89±0.13Nm/Kg), 1.8m/s(-0.98±0.14Nm/Kg), 2.1m/s(-1.01±0.12Nm/Kg)로 증가함에 따라 힙 최대 외전 모멘트도 조금씩 증가하는 유형을 보였다.
- 힙 관절 최대 신전 모멘트, 굴곡 모멘트와 발생 시점의 힙 관절 각도는 보행 속도가 증가함에 따라 그정도의 차이는 있었으나 모멘트와 각도의 증가를 보였다. 그러나 least square method를 이용하여 적합도를 실시한 결과 R2의 수치가 평균 0.
- 힙 관절 최대 외전 모멘트 발생 시점의 힙 관절 각도는 보행 속도에 따라 유의한 차이가 없었으며(F=0.36 p=.7), 무릎각도의 변화와 같이 1.5m/s(4.65±3.57°), 1.8m/s(4.29±3.34°), 2.1m/s(4.22±2.92°)로 보행 속도가 증가하였음에도 불구하고 최대 외전 모멘트 발생 시점의 힙 관절 각도는 변화하지 않았다.
후속연구
- 그리고 최근 많은 이들이 건강을 유지와 체력 강화를 위해 빠르게 걷기와 조깅을 실시하고 있다. 따라서 보행 속도에 따른 역학적 변인들의 상관관계에 대해서 다양하게 접근하여, 무릎, 힙 관절의 능력을 평가할 수 있다면 무릎과 힙 관절의 상해 예방 및 재활 운동으로써도 운동의 효과를 극대화 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이와 같이 보행 속도에 따른 신체에 미치는 영향은 다양하게 나타날 수 있기 때문에, 속도차 이에 의한 동작의 메카니즘의 변화와, 생체역학적 변인들의 상관관계를 이해하는 것이 중요하다. 이런 보행에 대한 높은 관심과 그에 대한 정확한 보행을 위해서는 양적, 질적으로 보다 많은 연구가 필요할 것으로 본다.
- 무릎 최대 신전, 굴곡, 외전 모멘트와 각 모멘트의 발생 시점의 무릎 관절 각도는 least square method를 이용하여 적합도를 실시한 결과 R2값이 높게 나타나 상관관계의 설명력이 높았다. 이렇게 근사된 곡선의 근사식은 보행 속도에 따른 무릎 관절의 평가 자료로 이용될 것으로 기대된다.
- 본 연구를 통해 보행 속도가 무릎과 힙 관절의 최대 모멘트와 각도에 미치는 영향을 분석하였을 뿐만 아니라 무릎 관절에서 발생된 최대 신전, 굴곡, 외전 모멘트와 최대 모멘트 발생 시점의 무릎과 힙 관절 각도의 상관관계를 설명할 수 있는 근사식을 제시하였다. 이와 같은 결과는 보행 속도에 따른 하지관절에 미치는 영향을 알아보는데 도움이 될 뿐만 아니라, 운동처방 및 재활프로그램에 적용되어 신체적 특성과 능력에 맞는 보행 속도를 제시함으로써 무릎 관절의 상해 방지 그리고 재활 프로그램의 기초 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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