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문제 정의
- 다운증후군 아동 6명의 점프 및 착지 동작 시 근육의 근전도는 피험자별로 다양한 패턴으로 나타났다. 따라서 다운증후군 아동 중 점프 높이가 가장 높은 아동(D2), 점프 높이가 가장 낮은 아동(D6), 건강한 아동의 근전도 그래프를 제시하여 비교하고자 한다.
- 본 연구는 다운증후군 아동들의 점프와 착지 능력 향상을 위해 다운증후군 아동의 점프와 착지 동작 수행 시 지면반력과 근육의 활동을 규명하고자 하였으며, 결론은 다음과 같다.
- 이에 본 연구자는 다운증후군 아동의 점프 동작 시 근육이 어떤 활동을 하며, 정상아동과는 어떤 차이가 있는지, 점프하기 위해 지면을 미는 힘은 어떠한지, 착지 시 지면반력은 어떠한지 알아보고자 한다. 본 연구의 목적은 다운증후군 아동의 점프 및 착지 동작 수행 시 근육의 활동과 지면반력을 분석하는 것이다.
- 정상인에 비해 근력과 자세조절 능력이 저하된 다운증후군 환자의 점프 및 착지 동작은 정상인과는 다른 특성을 나타낼 것이다. 이에 본 연구자는 다운증후군 아동의 점프 동작 시 근육이 어떤 활동을 하며, 정상아동과는 어떤 차이가 있는지, 점프하기 위해 지면을 미는 힘은 어떠한지, 착지 시 지면반력은 어떠한지 알아보고자 한다. 본 연구의 목적은 다운증후군 아동의 점프 및 착지 동작 수행 시 근육의 활동과 지면반력을 분석하는 것이다.
제안 방법
- 전극이 부착 될 부위를 의료용 알코올로 깨끗이 닦은 후 전극을 부착하였고, 전극의 쌍은 작용하는 근육의 선에 평행하게 부착하였다. 대상자는 양발을 두 대의 지면반력기 위에 놓은 후 양발을 어깨 넓이로 벌리고 점프하여 천장에 매달아 놓은 풍선을 잡는 동작을 수행하였다. 풍선의 높이는 각 대상자가 최대의 수직점프를 발휘할 수 있는 위치에 매달았다.
- 대상자에게 실험방법, 주의사항 등을 설명하였으며, 대상자가 자연스러운 동작을 수행할 수 있도록 충분한 연습을 실시하였다.
- 실험을 통해 얻은 근전도 자료(raw EMG)를 정류(full wave rectification)하고, 10Hz로 low pass 필터링하였다. 표준화된 근전도(normalized EMG)는 점프와 착지 동작 동안 나타난 최대값으로 나눈 값의 백분율(%Maximum)로 나타내었다.
- 점프와 착지 동작을 네 구간으로 나누었다. 움직임이 시작되고 무릎의 최대 굴곡이 나타나는 순간까지를 굴곡1구간으로 정의하였으며, 무릎의 신전이 시작되고 발앞꿈치가 이지되는 시점까지를 추진구간, 발앞꿈치 이지부터 발앞꿈치의 착지까지를 착지구간, 발앞꿈치의 착지부터 무릎의 최대 굴곡이 나타나는 시점까지를 굴곡2구간으로 설정하였다.
- 점프와 착지 동작을 네 구간으로 나누었다. 움직임이 시작되고 무릎의 최대 굴곡이 나타나는 순간까지를 굴곡1구간으로 정의하였으며, 무릎의 신전이 시작되고 발앞꿈치가 이지되는 시점까지를 추진구간, 발앞꿈치 이지부터 발앞꿈치의 착지까지를 착지구간, 발앞꿈치의 착지부터 무릎의 최대 굴곡이 나타나는 시점까지를 굴곡2구간으로 설정하였다.
- 점핑 및 착지 시 작용하는 대퇴이두근(Biceps femoris), 대퇴직근(Rectus femoris), 전경골근(Tibialis anterior), 비복근(Gastrocnemius)의 활동을 측정하기 위해 4쌍의 표면 전극을 다운증후군 아동의 우측 하지에 부착하였다. 전극이 부착 될 부위를 의료용 알코올로 깨끗이 닦은 후 전극을 부착하였고, 전극의 쌍은 작용하는 근육의 선에 평행하게 부착하였다.
- 지면반력 결과의 시간자료를 이용하여, 포물선 공식을 통해 점프 높이를 구하였다. 다운증후군 아동 중 D2의 점프 높이는 9.
- 지면반력 자료는 Kwon GRF 2.0 프로그램을 이용하여 분석하였고, 결과값을 대상자의 몸무게로 일반화하였다(N/BW). 우측 하지의 지면반력 자료만을 결과에 제시하였다.
- 지면반력 자료를 얻기 위해 지면반력기(AMTI, ORG-6) 2대를 사용하였으며, 1000Hz로 세팅하였다.
- 제 1 수직지면반력의 발생시간(tF1)은 발 앞꿈치의 착지순간까지 걸리는 시간이고, 제 2 수직지면반력의 발생시간(tF2)은 뒤꿈치의 착지순간까지 걸리는 시간이다. 충격량(Imp0.3s)은 인체가 공중으로 떠오르기 전, 발 앞꿈치가 이지(toe off)되기 전 0.3초 동안 지면을 딛고 있는 동안 발생된 수직지면반력값으로 구하였다. 수직지면반력의 제 1 및 2 부하율은 다음의 공식(Yu, 2001)으로 구하였다.
대상 데이터
- 근육의 활동을 측정하기 위해 무선 노락슨 (NORAXON MyoResearch, USA) 8채널 시스템, 점핑동작과 근육의 활동을 동조하기 위해 비디오 카메라 1대(Sony TRV 940, JAPAN)를 사용하였다. 4개 채널은 근육의 활동을 기록하였고, 1개 채널은 동작구간을 구분하기 위한 풋스위치 신호로 사용하였다. 신호의 왜곡을 최소화하기 위해, 프리앰프 회로(on-site preamplification circuitry)를 가진 전극(Liberty Technology MYO115 electrode, gain = 1000, input impedance > 1014Ω, CMRR > 90dB, frequency response = bandpass 3 dB at 90 and 500 Hz, 중심 간의 거리 = 1.
- 5 cm)을 사용하였다. 노락슨(Noraxon USA, Inc)사의 소프트웨어 프로그램(MyoResearch v4.0)을 이용하여 근전도 자료를 기록하였다.
- 실험 전에 부모의 동의를 얻었다. 다운증후군 아동의 점프와 착지 동작의 비교를 위해 건강한 아동1인이 연구에 참여하였다(연령: 13세, 신장: 145.2cm, 체중: 40.7kg).
- 본 연구의 대상은 S대학교 장애아동체육교실의 다운증후군 남자 초등학생 6명이며, 신체적 특성은 표1과 같다. 실험 전에 부모의 동의를 얻었다.
- 신호의 왜곡을 최소화하기 위해, 프리앰프 회로(on-site preamplification circuitry)를 가진 전극(Liberty Technology MYO115 electrode, gain = 1000, input impedance > 1014Ω, CMRR > 90dB, frequency response = bandpass 3 dB at 90 and 500 Hz, 중심 간의 거리 = 1.5 cm)을 사용하였다.
이론/모형
- 근육의 활동을 측정하기 위해 무선 노락슨 (NORAXON MyoResearch, USA) 8채널 시스템, 점핑동작과 근육의 활동을 동조하기 위해 비디오 카메라 1대(Sony TRV 940, JAPAN)를 사용하였다. 4개 채널은 근육의 활동을 기록하였고, 1개 채널은 동작구간을 구분하기 위한 풋스위치 신호로 사용하였다.
성능/효과
- 1. 다운증후군 아동의 점프 및 착지 동작 수행 시 근육의 활동은 다양하게 나타났다.
- 2. 다운증후군 아동들은 추진구간에서 비복근을 제대로 사용하지 못하는 것으로 나타났다. 이러한 비복근의 소극적인 활동은 다운증후군 아동의 발 앞꿈치 이지 전 0.
- 3. 다운증후군 아동의 제 2 수직지면반력은 정상 아동에 비해 늦게 나타나, 다운증후군 아동들은 건강한 아동에 비해 무릎을 더 많이 굴곡 시켜 착지했음을 알 수 있다.
- 4. 다운증후군 아동의 제 1 및 제 2 수직지면반력, 다운증후군 아동 D3을 제외한 다운증후군 아동의 제 2 부하율은 정상아동 보다 작게 나타났다. 운동기술이 저하된 다운증후군 아동은 착지 시 지면으로부터 발생되는 충격을 흡수하는 능력이 정상아동에 비해 떨어지는 것으로 나타났다.
- 건강한 아동의 추진구간에서 근전도를 분석해 보면, 무릎의 신전이 시작되면서 대퇴이두근의 활동이 감소하기 시작하였고, 대퇴직근의 활동이 활발해 졌으며, 발 앞꿈치가 저측굴곡을 이루며 지면을 밀 때 비복근의 활동이 활발하게 나타났다. 측정 된 네 근육의 적분 값을 살펴보았더니, 건강한 아동의 네 근육 중 비복근의 적분값이 가장 크게 나타났다<표 3>.
- 결론적으로 다운증후군 아동들의 비복근 근력이 향상된다면 점프 동작 수행 시 발 앞꿈치로 지면을 힘있게 밀것이며, 지면을 딛는 동안의 충격량은 증가되고 점프 높이 또한 향상될 것이다. 또한 다운증후군 아동의 운동기술이 향상된다면 착지 동작 수행 시 지면으로부터 발생되는 충격 흡수 능력도 높아질 것이다.
- 다운증후군 아동 6명의 점프 및 착지 동작 시 근육의 근전도는 피험자별로 다양한 패턴으로 나타났다. 따라서 다운증후군 아동 중 점프 높이가 가장 높은 아동(D2), 점프 높이가 가장 낮은 아동(D6), 건강한 아동의 근전도 그래프를 제시하여 비교하고자 한다.
- 다운증후군 아동 중 점프 높이가 가장 높은 D2만이 건강한 아동과 유사하게 네 근육 중 비복근의 적분값이 가장 크게 나타났으며, D2의 비복근 적분값은 실험에 참여한 다운증후군 아동들에 비해 월등히 컸다. 그러나 다운증후군 아동 D4, D5, D6의 비복근 적분값은 다른 아동들에 비해 상대적으로 작게 나타났는데<그림 4>, 영상자료를 통해 그들의 점프동작을 살펴보았더니 D4와 D5는 과다체중으로 점프동작을 수행하기가 힘들었으며, D6는 뒤꿈치만 살짝 들었다 다시 제자리로 돌아왔다.
- 다운증후군 아동과 정상아동 모두 제 1부하율이 제 2부하율보다 크게 나타나 점프 후 착지 동작 수행 시발 앞꿈치가 지면에 닿는 순간 큰 충격을 받는 것으로 나타났다.
- 다운증후군 아동과 정상아동의 제 1부하율은 차이가 없었으나, D3을 제외 한 다운증후군 아동의 제 2부하율은 정상아동 보다 작게 나타났다<;표 6>. 이는 비숙련 그룹의 제 2부하율이 숙련 그룹 보다 낮게 나온 염 창홍 등(2007)의 연구결과와 부분적으로 일치한다.
- 다운증후군 아동의 제 1수직지면반력은 정상 아동의 제 1수직 지면반력에 비해 더 빠르게 나타났다. 점프 높이가 가장 낮은 D6의 제 1 수직지면반력은 실험에 참여한 다운증후군 아동들 중 가장 빨리 나타났다.
- 3초 동안의 충격량은 <표 4>와 같다. 다운증후군 아동의 충격량은 정상아동에 비해 작게 나타나, 다운증후군 아동은 건강한 아동에 비해 동일한 시간에 지면을 힘 있게 딛고 점프 하는 것이 불가능하였다. 이러한 결과는 추진구간에서 다운증후군 아동의 비복근 적분값이 건강한 아동에 비해 작게 나타난 결과와 일치하는 것이다.
- 3초 동안 충격량이 정상아동에 비해 작게 나타난 결과와 일치한다. 따라서 다운증후군 아동은 점프 동작 시 추진구간에서 발 앞꿈치를 이용해 지면을 힘 있게 밀지 못하는 것으로 나타났다.
- 이처럼 제 2 수직지면반력의 빠른 발생은 착지 동작의 종류를 달리하여 지면반력의 차이를 비교한 Devita 와 Skelly(1992)의 연구결과로 설명가능한데, 무릎의 굴곡 각도가 큰 연성착지(soft landing) 수행 시 착지 구간(impact phase)의 평균 시간은 126ms, 경성착지(stiff landing) 시 113ms로, 연성 착지 시 제 2 수직지면반력이 늦게 나타나는 것으로 보고 되었다. 따라서 본 연구의 제 2 수직지면반력이 늦게 나타난 다운증후군 아동들은 건강한 아동에 비해 무릎을 더 많이 굴곡시킨 연성착지로 지면에 착지했음을 추측할 수 있다.
- <그림 1>은 건강한 아동의 점프 및 착지 동작 수행 시 근육의 패턴이다. 무릎의 굴곡근인 대퇴이두근은 움직임 시작 시 무릎을 굽히기 위해 활발한 활동을 하며, 무릎이 신전되는 추진과 착지 구간에선 활동이 저하되었다가 착지동작이 이루어지는 굴곡2구간에서 활발한 활동을 하는 것으로 나타났다. 대퇴직근은 굴곡1구간과 추진구간에서 활발히 활동하는 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 염창홍, 박영훈과 서국응(2007)의 연구결과와 일치한다. 배구 제자리 점프 블로킹 착지 시 숙련자와 비숙련자 간 제 2 수직지면반력의 발생시간은 유의한 차이가 나지 않았으나, 숙련자 그룹의 제 2 수직지면반력이 비숙련자에 비해 더 빨리 나타났다. 이처럼 제 2 수직지면반력의 빠른 발생은 착지 동작의 종류를 달리하여 지면반력의 차이를 비교한 Devita 와 Skelly(1992)의 연구결과로 설명가능한데, 무릎의 굴곡 각도가 큰 연성착지(soft landing) 수행 시 착지 구간(impact phase)의 평균 시간은 126ms, 경성착지(stiff landing) 시 113ms로, 연성 착지 시 제 2 수직지면반력이 늦게 나타나는 것으로 보고 되었다.
- 다운증후군 아동의 제 1 및 제 2 수직지면반력, 다운증후군 아동 D3을 제외한 다운증후군 아동의 제 2 부하율은 정상아동 보다 작게 나타났다. 운동기술이 저하된 다운증후군 아동은 착지 시 지면으로부터 발생되는 충격을 흡수하는 능력이 정상아동에 비해 떨어지는 것으로 나타났다.
- 이지(toe-off) 시 발의 저측굴곡이 발생함에도 불구하고 다운증후군 아동의 비복근 적분값은 배측굴곡 시 활동하는 근육인 전경골근의 적분값 보다 작게 나타났는데, 이는 근육의 긴장저하로 인해 다운증후군 아동의 비복근이 제대로 활동하지 못한 것으로 생각된다. 이처럼 다운증후군 아동의 약화된 비복근은 보행뿐 아니라 점프 및 착지 동작에도 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 임비오 등(2007)의 연구에서 보행 향상을 위해 제안된 비복근 강화 훈련은 점프 동작 향상에도 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.
- 건강한 아동의 추진구간에서 근전도를 분석해 보면, 무릎의 신전이 시작되면서 대퇴이두근의 활동이 감소하기 시작하였고, 대퇴직근의 활동이 활발해 졌으며, 발 앞꿈치가 저측굴곡을 이루며 지면을 밀 때 비복근의 활동이 활발하게 나타났다. 측정 된 네 근육의 적분 값을 살펴보았더니, 건강한 아동의 네 근육 중 비복근의 적분값이 가장 크게 나타났다<;표 3>. 이러한 결과는 몸을 수직으로 추진시키기 위해선 무릎의 신전근 역시 필요하나, 발 앞꿈치로 바닥을 힘 있게 미는 비복근의 역할이 중요하다는 것이다.
후속연구
- 결론적으로 다운증후군 아동들의 비복근 근력이 향상된다면 점프 동작 수행 시 발 앞꿈치로 지면을 힘있게 밀것이며, 지면을 딛는 동안의 충격량은 증가되고 점프 높이 또한 향상될 것이다. 또한 다운증후군 아동의 운동기술이 향상된다면 착지 동작 수행 시 지면으로부터 발생되는 충격 흡수 능력도 높아질 것이다. 추후 다운증후군 아동의 운동 프로그램 수행 후 점프 동작 수행 시 점프 높이 및 충격 흡수 능력의 변화를 살펴보는 연구가 필요하다.
- 본 연구는 다운증후군 아동의 점프 및 착지 능력 향상을 위한 운동 프로그램 작성 시 기초 자료로 사용될 것이며, 다운증후군 아동의 재활을 담당하는 의사, 물리치료사 및 운동지도자에게 다운증후군 아동의 점프 및 착지 능력을 평가하는 자료로 사용될 것이다.
- 60cm)와 점프 높이가 가장 높은 다운증후군 아동D2 간의 수직지면반력값 차이가 거의 나타나지 않았다. 이는 착지 시 하지의 관절각도, 모멘트 및 관절파워와 관련이 있을 것으로 추측되며 향후 자세에 따른 힘값의 변화에 대한 연구가 필요하다.
- 또한 다운증후군 아동의 운동기술이 향상된다면 착지 동작 수행 시 지면으로부터 발생되는 충격 흡수 능력도 높아질 것이다. 추후 다운증후군 아동의 운동 프로그램 수행 후 점프 동작 수행 시 점프 높이 및 충격 흡수 능력의 변화를 살펴보는 연구가 필요하다.
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