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문제 정의
- 따라서 본 연구는 행군 시 발보장구 착용 유, 무에 따른 하지 근육의 변화를 살펴봄으로써 전투화에 맞춤형 발보장구의 적용 가능성에 대한 평가를 하는데 그 목적이 있다.
- 본 연구의 실험은 근육 활동 시 나타나는 전기적 신호인 EMG 자료를 이용하여 평균적분근전도(averaged integrate electromyography)분석과 평균 주파수(mean power frequency)분석을 통해 행군 시 지지구간에서의 정상족과 과회내족 간의 과도한 회내 동작이 하지 근육 피로에 미치는 영향과 맞춤형 발보장구 착용 유, 무에 따른 하지 근육 활동의 차이를 알아보기 위해 2번의 실험을 실시하였다. 1차 실험은 정상족과 발보장구를 착용하지 않은 상태에서의 과회내족의 행군 시 근전도 신호를 측정하였고 2차 실험은 (주)alfoots사에서 제작한 발보장구를 과회내족에게 제공하였다.
- 본 연구는 전투화에 발 보장구의 적용을 통해 하지 근육 활동에 어떤 영향을 미치는지에 대해 살펴보기 위해 정상족과 과회내족으로 발 형태를 나누었고 행군 시 하지 근육의 평균적분근전도값과 평균주파수값을 비교하여 분석한 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구의 실험에 부합되는 대상자를 선발하기 위해 현재 육군사관학교에서 의무 복무 중인 병사 중 50명을 무작위 추출하였고 문진을 통해 과거나 현재 하지의 특별한 근육 및 골격계 손상 소견이 없는 28명을 선정하였다. 선정된 예비대상자들 중에서 정상족보다 발목 동작에서 과도하게 회내가 일어나는 과회내족을 선정하기 위해 족저압 분석기를 이용하여 발의 형태를 관찰하고 주상골 하강 검사(navicular drop test)를 실시하였다. 첫 번째로 alfoots사의 족저압분석기(gait-view)를 이용하여 발이 지면에 닿는 동안 체중이동 형태를 통해 발의 회내 동작을 검사하였다.
- 선정된 예비대상자들 중에서 정상족보다 발목 동작에서 과도하게 회내가 일어나는 과회내족을 선정하기 위해 족저압 분석기를 이용하여 발의 형태를 관찰하고 주상골 하강 검사(navicular drop test)를 실시하였다. 첫 번째로 alfoots사의 족저압분석기(gait-view)를 이용하여 발이 지면에 닿는 동안 체중이동 형태를 통해 발의 회내 동작을 검사하였다.
- 주상골 하강 검사는 검사 발에 체중 지지 시와 비체중 지지 시의 주상골의 변화를 측정하여 과도한 회내 여부를 결정할 수 있는 방법으로 이는 거골하관절에서 외번과 외전 동작으로 인한 회내 동작이 일어날 때 발의 내측종족궁의 높이가 함께 낮아지게 되기 때문이다. 본 연구에서는 Broody(1980)가 개발한 방법을 이용하여 대상자를 의자에 앉아 무릎을 90도를 유지시킨 후 검사자가 대상자의 검사발의 거골하관절을 중립위치에 위치시킨 후 발아치 높이 측정기를 이용하여 주상골 높이를 측정하고 이어서 의자에서 일어나 한발로 체중을 지지하도록 한 후 다시 주상골 높이를 측정하여 그 차이가 10mm 이상 나는 경우를 과회내족으로 구분하였다(김승재, 2006; Magee, 2002). 내측종족궁의 높이는 지면에서 주상골까지의 거리로 정의하고 측정 단위는 밀리미터(mm)로 하였다.
- 본 연구의 실험은 근육 활동 시 나타나는 전기적 신호인 EMG 자료를 이용하여 평균적분근전도(averaged integrate electromyography)분석과 평균 주파수(mean power frequency)분석을 통해 행군 시 지지구간에서의 정상족과 과회내족 간의 과도한 회내 동작이 하지 근육 피로에 미치는 영향과 맞춤형 발보장구 착용 유, 무에 따른 하지 근육 활동의 차이를 알아보기 위해 2번의 실험을 실시하였다. 1차 실험은 정상족과 발보장구를 착용하지 않은 상태에서의 과회내족의 행군 시 근전도 신호를 측정하였고 2차 실험은 (주)alfoots사에서 제작한 발보장구를 과회내족에게 제공하였다. 그리고 보장구 착용 시 발목 구조의 교정으로 인한 통증이 나타날 수 있기 때문에 일주일 간의 발보장구 적응기간을 주었고 보장구로 착용으로 인한 통증이나 불편함이 없는 것을 확인한 후 1차 실험과 동일한 조건으로 실시하였다.
- 1차 실험은 정상족과 발보장구를 착용하지 않은 상태에서의 과회내족의 행군 시 근전도 신호를 측정하였고 2차 실험은 (주)alfoots사에서 제작한 발보장구를 과회내족에게 제공하였다. 그리고 보장구 착용 시 발목 구조의 교정으로 인한 통증이 나타날 수 있기 때문에 일주일 간의 발보장구 적응기간을 주었고 보장구로 착용으로 인한 통증이나 불편함이 없는 것을 확인한 후 1차 실험과 동일한 조건으로 실시하였다. 대상자에게 제공된 발 보장구는 부드러운 반경성(semirigid)의 재질을 이용하여 제작되었고 이는 단단한 재질의 발 보장구는 교정에는 효과가 있으나 지면 접촉 시 받는 충격력이 커져 역효과를 나타낼 수 있다는 선행 논문에 근거하였다(Nachbauer & Nigg, 1992; Shiba, Kitaoka, Cahalan, 1995).
- 과회내족과 정상족의 피로 전, 후 그리고 보장구 착용 시 근육활동의 변화를 알아보기 위하여 하지의 대퇴직근(rectus femoris), 내측광근(vastus medialis), 외측광근(vastus lateralis), 대퇴이두근(biceps femoris), 비복근(gastrocnemius), 장비골근(peroneus longus), 전경골근(tibialis anterior)을 선정하였다. 근육 신호 측정을 위해 사용된 전극은 Ag-Ag/Gi의 표면전극을 사용하였고 양질의 데이터를 얻기위해 알코올과 면도기를 이용하여 피부표면의 이물질을 제거한 후 근육의 기시점과 부착점의 중간 부위의 가장 발달된 근복에 부착하였고 이때 전극 사이의 거리는 2cm를 유지하였다.
- 근전도 신호의 주파수 범위는 20~500Hz 사이로, 전극의 공통성분 제거비는 110dB로 설정하였고 1000Hz의 비율로 샘플링 하였다.
- 5 소프트웨어에 의해 저장되고 산출하였다. 또한 수집된 근전도 신호에서 다리의 지지구간을 구분하기 위하여 6mm 디지털비디오 카메라(GR-DVR9500, JVC)를 이용하여 60frames/sec로 촬영하였다. 또한 근전도 신호와 영상자료의 동조를 위해 카메라 후레쉬를 이용하여 후레쉬가 터지는 순간에 근전도 신호에 시작점을 나타내는 마커가 자동 표시되도록 하였다.
- 또한 수집된 근전도 신호에서 다리의 지지구간을 구분하기 위하여 6mm 디지털비디오 카메라(GR-DVR9500, JVC)를 이용하여 60frames/sec로 촬영하였다. 또한 근전도 신호와 영상자료의 동조를 위해 카메라 후레쉬를 이용하여 후레쉬가 터지는 순간에 근전도 신호에 시작점을 나타내는 마커가 자동 표시되도록 하였다. 대상자의 업무와 일정 그리고 실험실 상황이라는 것을 고려하여 대상자들은 실험 측정 전 1.
- 또한 근전도 신호와 영상자료의 동조를 위해 카메라 후레쉬를 이용하여 후레쉬가 터지는 순간에 근전도 신호에 시작점을 나타내는 마커가 자동 표시되도록 하였다. 대상자의 업무와 일정 그리고 실험실 상황이라는 것을 고려하여 대상자들은 실험 측정 전 1.9km/h의 속도로 약 2분간 워밍업을 한 후 4.5km/h 속도로 트레드밀 위를 행군하게 하였고 행군 중 10초간 근전도 신호를 수집하였다. 보행의 동작 구간은 발이 지면에서 떨어지는 스윙 구간과 발이 지면에 닿는 지지 구간으로 나눌 수 있는데 본 연구에서는 발뒤꿈치가 지면에 닿는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지로 설정하였고 수집된 10초 동안의 자료에서 지지구간만 선정하였는데 이는 발이 지면에 닿는 동안 발의 회내 동작의 영향을 받기 때문이다.
- 5km/h 속도로 트레드밀 위를 행군하게 하였고 행군 중 10초간 근전도 신호를 수집하였다. 보행의 동작 구간은 발이 지면에서 떨어지는 스윙 구간과 발이 지면에 닿는 지지 구간으로 나눌 수 있는데 본 연구에서는 발뒤꿈치가 지면에 닿는 순간부터 발이 지면에서 떨어지는 순간까지로 설정하였고 수집된 10초 동안의 자료에서 지지구간만 선정하였는데 이는 발이 지면에 닿는 동안 발의 회내 동작의 영향을 받기 때문이다.
- 0 for Windows 소프트웨어를 이용하여 실험 1의 행군 시 정상족과 과회내족간의 근 활성도와 근육 피로도에 대한 집단 간 비교를 위해 독립표본 T 검정(independent t-test)를 실시하였고, 실험 2에서의 행군 시 하지 근육의 활동에 대한 발보장구의 효과를 검증하기 위해 대응표본 T 검정(paired t-test)를 실시하였다. 또한 통계적 유의성 검증과 함께 실제적 유의성 검증을 위해 효과크기(effect size)를 함께 구하였다. 실제적 유의성은 실험결과가 변인이 많거나 적은 표본수로 인해 통계적으로 유의하지 않은 경우 실제 실험 상황에서 얻은 추정치 즉, 집단 간 평균과 표준편차를 이용하여 대조군의 평균에 실험군의 평균을 표준화시킴으로써 집단 간 평균차이를 크기로 표현한 것으로 여기서 ES는 효과크기(effect size), #는 실험군의 평균값, #는 대조군의 평균값, Sc는 대조군의 표준편차를 의미한다.
- 본 연구는 완전군장으로 4.5km/h의 속도로 행군 시 정상적인 회내 동작을 보이는 정상족과 과도한 회내 동작을 보이는 과회내족간 지지구간에서의 하지 근육의 변화와 과도한 회내 동작을 조절해 줄 수 있는 발보장구 착용 유, 무에 따른 하지 근육의 활성과 피료에 대한 효과를 알아보기 위해 근전도기를 이용하여 평균주파수(mean power frequency)와 평균적분근전도(averaged integrated EMG)를 분석한 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험에 부합되는 대상자를 선발하기 위해 현재 육군사관학교에서 의무 복무 중인 병사 중 50명을 무작위 추출하였고 문진을 통해 과거나 현재 하지의 특별한 근육 및 골격계 손상 소견이 없는 28명을 선정하였다. 선정된 예비대상자들 중에서 정상족보다 발목 동작에서 과도하게 회내가 일어나는 과회내족을 선정하기 위해 족저압 분석기를 이용하여 발의 형태를 관찰하고 주상골 하강 검사(navicular drop test)를 실시하였다.
- 28명의 예비대상자 중에서 위의 두 가지 검사에서 과회내 조건을 충족하는 8명과 본 연구에서 비교군으로 8명을 대상자로 선정하였으나 실험 중 휴가 등의 업무로 인해 정상적으로 실험에 참가하지 못한 대상자를 제외시킴으로써 연구결과 처리에서 과회내족 5명과 정상족 4명으로 최종 선정되었다. 선정된 대상자들의 키는 평균 173.
데이터처리
- 수집된 자료에 대한 통계 처리는 SPSS 12.0 for Windows 소프트웨어를 이용하여 실험 1의 행군 시 정상족과 과회내족간의 근 활성도와 근육 피로도에 대한 집단 간 비교를 위해 독립표본 T 검정(independent t-test)를 실시하였고, 실험 2에서의 행군 시 하지 근육의 활동에 대한 발보장구의 효과를 검증하기 위해 대응표본 T 검정(paired t-test)를 실시하였다. 또한 통계적 유의성 검증과 함께 실제적 유의성 검증을 위해 효과크기(effect size)를 함께 구하였다.
이론/모형
- 근전도 신호의 표준화는 특정 동작의 근수축을 기준으로 삼아 표준화하는 %RVC(Reference Voluntary Contraction) 방법을 사용하였다(Cram 등, 1998).
성능/효과
- 두 번째 방법으로 주파수 스펙트럼 분석에 의한 평균주파수(mean power frequency)로 이는 국소적인 근육의 피로도를 정량화 하여 분석하는 방법으로 정해진 시간 내의 근전도 신호를 FFT(fast fourier transform) 방식을 이용하여 평균주파수를 얻었고 회귀식에 의한 기울기, 즉 일정 시간동안의 평균주파수 변화량을 알 수가 있다. 이는 지속적인 근육 수축 시에 발생하는 피로로 인해 주파수 스펙트럼의 주파수 대역대가 고주파에서 저주파대로 이동하여 시간경과에 따라 평균주파수가 변화하기 때문이다(남기석, 이영희, 이충휘 및 조상현 1999; 윤두식, 김택훈, 신헌석 및 노정석, 2005).
- 행군 시 정상족과 과회내족(발보장구 미착용, 착용 시)간 각 근육의 근 활성도는 <그림 4>와 같이 나타났다. 행군 시 과회내족(발보장구 미착용)이 정상족보다 모든 근육에서 더 많은 근 수축 활성을 나타냈으며 발 보장구 착용했을 때 착용 하지 않았을 때보다 외측광근과 전경골근에서 근수축 활성 감소가 통계적으로 유의한 차이를 나타냈고(t=3.54, t=3.45), 대퇴직근과 전경골근에서는 통계적으로는 유의하지 않았으나 효과차이가 0.89와 1.7로 실제적 유의성이 있는 것으로 나타났다. 정상족과 보장구 착용 시 과회내족의 근 수축 활성에서는 모든 근육에서 유의한 차이가 나타나지 않았다.
- 7로 실제적 유의성이 있는 것으로 나타났다. 정상족과 보장구 착용 시 과회내족의 근 수축 활성에서는 모든 근육에서 유의한 차이가 나타나지 않았다.
- 84). 과회내족의 발보장구 착용 시에도 미착용 시 보다 평균주파수의 변화량이 크게 감소하는 것으로 나타났으며 대퇴이두근과 장비골근에서는 평균주파수의 변화가 통계적으로 유의한 차이를 나타냈다(t=3.00, t=3.56). 그리고 외측광근과 가자미근에서는 통계적으로 유의하지 않지만 효과크기는 0.
- 56). 그리고 외측광근과 가자미근에서는 통계적으로 유의하지 않지만 효과크기는 0.89와 1.94로 실제적 유의성이 있는 것으로 나타났다. 정상족과 발보장구 착용 시 과회내족 간의 평균주파수 변화에서는 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다.
- 94로 실제적 유의성이 있는 것으로 나타났다. 정상족과 발보장구 착용 시 과회내족 간의 평균주파수 변화에서는 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다.
- 실험 2(발 보장구 착용 유무)에서는 각각의 근육에서 발보장구 착용 시 미착용과 비교하여 %RVC가 감소하는 경향이 나타났는데 이는 달리기 시 지지구간에서 발 보장구 착용 시 하지 근육의 적분근전도 값이 감소한다는 Nawoczenski & Ludewig(1999)의 연구와 김로빈(2006)의 4.0km/h의 속도로 보행 시 발 보장구를 착용하였을 때 대퇴이두근, 외측광근, 전경골근에서 근육 활성도가 유의하게 감소하였다는 연구 결과와 일치하는 결과이다.
- 본 연구에서 행군 시 지지구간에서의 하지 근육의 근수축 활성을 의미하는 %RVC는 실험 1(정상족과 과회내족)에서는 각각의 근육 모두 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았지만 모든 측정 근육에서 %RVC가 증가하는 경향을 나타냈다. 실험 2(발 보장구 착용 유무)에서는 각각의 근육에서 발보장구 착용 시 미착용과 비교하여 %RVC가 감소하는 경향이 나타났는데 이는 달리기 시 지지구간에서 발 보장구 착용 시 하지 근육의 적분근전도 값이 감소한다는 Nawoczenski & Ludewig(1999)의 연구와 김로빈(2006)의 4.
- 그리고 이러한 근육 활동의 감소는 발보장구 착용을 통한 편안함에 기인하며 발뼈들의 움직임 감소와 충격력 감소에도 중요한 요인으로 생각하고 있다(Mundermann, Nigg, Stefanyshyn, 2003; 김승재, Stefanyshyn, 김로빈, 2005). 이러한 선행연구 결과를 토대로 실험 1과 2에서 과회내족의 하지 근육에서 더 큰 %RVC의 변화는 동작 시 주상골 떨어짐의 증가를 막기 위해 정상족보다 근육이 더 많이 사용된다고 사료되며 이는 정상족에 비해 비효율적인 근육 사용이라고 말할 수 있을 것이다. 한편 발 보장구 착용 시 근육 활성이 정상족의 근육 활성 정도와 유사하게 감소되는 것은 발 보장구의 착용이 과도한 회내 동작을 감소시켜주어 골격계의 정상적인 움직임을 통해 근육을 효율적으로 사용할 수 있게 해주는 것으로 생각 할 수 있을 것이다.
- 두 번째로 실험 1과 2에서 행군 시 스펙트럼 분석을 이용한 하지 근육의 평균 주파수의 변화를 살펴보았는데 평균 주파수 감소량의 증가는 근육의 피로도 증가를 의미하는 것이다. 실험 1에서 대퇴직근을 제외한 모든 근육에서 과회내 집단의 평균주파수 변화가 정상족보다 큰 것으로 나타났으며, 특히 대퇴이두근과 장비골근에서는 유의한 차이를 보였고 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않은 근육 중 외측광근과 비복근에서 효과크기가 0.
- 두 번째로 실험 1과 2에서 행군 시 스펙트럼 분석을 이용한 하지 근육의 평균 주파수의 변화를 살펴보았는데 평균 주파수 감소량의 증가는 근육의 피로도 증가를 의미하는 것이다. 실험 1에서 대퇴직근을 제외한 모든 근육에서 과회내 집단의 평균주파수 변화가 정상족보다 큰 것으로 나타났으며, 특히 대퇴이두근과 장비골근에서는 유의한 차이를 보였고 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않은 근육 중 외측광근과 비복근에서 효과크기가 0.8보다 크게 나와 실제적 유의성이 있는 것으로 나타났다. 이것으로 실험 대상자 수가 많아지면 통계적으로 유의한 차이가 나타날 것을 예상할 수 있다.
- 또한 이세용(2002)은 트레드밀에서 30분 간 달리기를 실시하였을 때 젖산 농도가 발보장구를 착용했을 때 덜 축적 된다고 하였다. 실험 1에서 정상족보다 과회내족의 평균주파수 감소량의 증가는 거골하 관절의 비정상적인 과도한 회내 동작으로 인한 관절의 움직임의 변화는 주변 근육의 수축 방향의 변화 를 가져오며 이러한 변화가 근육 활동에 영향을 미친다고 볼 수 있다. 이러한 근수축 방향의 변화는 과회내족의 근육 활성도가 정상족의 근육 활성보다 더 크며 과회내족이 발 보장구를 착용했을 때 근수축 활성이 감소하는 것과도 연관 지을 수 있다.
- 본 연구의 결과에서 대부분의 실험 자료가 비록 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았지만 평균적분 근전도와 평균주파수분석을 통해 정상족보다 과회내족이 발목의 과도한 회내 움직임으로 인해 근육 사용이 많아진다는 것과 이러한 움직임을 빠른 근수축의 변화가 더 많은 운동 단위를 동원시키므로 장시간 동작 시 하지 근육에 피로가 더 빨리 올 수 있다는 것을 시사한다. 반면에 과회내족의 발 보장구 착용 시 근수축 활성의 감소와 평균주파수의 감소가 줄어드는 것은 장시간의 행군 시 발보장구의 착용이 근육의 피로를 감소시킬 수 있을 것으로 사료되며 이러한 결과는 발보장구의 착용이 기존의 내구성만이 강조된 경질 전투화의 단점을 보완하고 과도한 회내 동작을 막아줌으로써 전투력 보존에 도움이 될 것으로 예상된다.
- 1. 행군 시 과회내족은 정상족보다 근수축 활성이 증가하고 근육의 피로도도 증가하는 경향을 보였다.
- 2. 발 보장구의 적용은 동작 시 근육의 활성을 감소시키고 근육의 피로도도 감소시키는 경향을 보였다.
- 본 연구를 통하여 행군 시 과도한 회내 동작은 근육 사용과 피로를 증가시킬 수 있고 반대로 발 보장구의 착용은 근육 활성과 피로를 감소시키는데 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이러한 발보장구의 착용은 장시간 행군이나 장시간 전투화 착용 시 적용할 필요성을 시사해준다.
후속연구
- 한편 본 연구의 제한점으로는 실험 시 실제 행군과 비슷하게 조건을 만들었으나 지면이 아닌 트레드밀에서 실시했다는 것과 행군 시간도 15분 이내였다는 것, 그리고 적은 대상자수(n=9)가 통계적 유의성에 영향을 미친 것으로 사료된다. 향후 본 연구의 결과를 토대로 충분한 실험 대상자의 확보와 실제 행군 상황을 통한 데이터의 수집의 필요성을 느끼며 이를 통한 발보장구의 적용에 대한 추후 연구가 필요하다고 생각된다.
- 한편 본 연구의 제한점으로는 실험 시 실제 행군과 비슷하게 조건을 만들었으나 지면이 아닌 트레드밀에서 실시했다는 것과 행군 시간도 15분 이내였다는 것, 그리고 적은 대상자수(n=9)가 통계적 유의성에 영향을 미친 것으로 사료된다. 향후 본 연구의 결과를 토대로 충분한 실험 대상자의 확보와 실제 행군 상황을 통한 데이터의 수집의 필요성을 느끼며 이를 통한 발보장구의 적용에 대한 추후 연구가 필요하다고 생각된다.
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