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문제 정의
- 그러나 최근 국내에서 개발된 보행용 기능성 신발에 관한 연구는 여전히 부족한 실정이며 특히 스프링신발 착용 시의 근육활동이나 지지기 동안의 충격흡수양상의 변화를 살펴본 연구는 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 최근의 연구 동향의 연장선상에서 기능성 신발의 충격흡수 효과 및 하지근 활동과의 관계를 살펴보고자 한다.
- 본 연구에서 나타난 세 신발의 후족각에 대한 결과 분석은에 제시하였다.
- 본 연구에서 살펴본 세 신발간의 아킬레스건각에 대한 분석 결과는 에 제시하였다.
제안 방법
- 30～40대 여성 12명을 대상으로 실험용 신발(스프링 신발)과 비교용 신발(일반운동화)을 착용한 후 1.7m/s로 보행 시 이에 따른 운동역학적 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 스프링신발과 일반운동화의 운동역학적 차이를 조사하기 위해 근전도와 지면반력, 영상을 분석하였다. EMG 신호 처리 방법은 주요 근육들의 활동량을 측정하기 위하여 20-500Hz band pass 범위로 필터링 한 후 다시 정류(full-wave rectification)시킨 자료를 이용하여 평균적분근전도 값을 계산하였다. 근전도 측정부위는 정철수와 신인식(2006)과 송주호 등(2008)의 연구에 의거하여 하지근에 <그림 2>와 같이 대퇴직근, 비복근, 전경골근, 대퇴이두근 등 4개의 부위에 표면전극을 붙이고 수축 시 근육의 동원 정도를 파악하였다.
- 분절의 운동학적 변인으로는 착지와 이지구간의 각 이벤트별 발목각, 무릎각, 착지각, 아킬레스건각, 후족각 등을 포함시켰다. 각도 변인에 대한 이벤트의 정의는 착지 시, 제1정점, 제2정점, 이지 시점으로 하였고, 실험을 위해 4대 적외선 카메라를 이용한 영상자료를 통해 3차원 좌표값을 산출하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 근전도 측정부위는 정철수와 신인식(2006)과 송주호 등(2008)의 연구에 의거하여 하지근에 와 같이 대퇴직근, 비복근, 전경골근, 대퇴이두근 등 4개의 부위에 표면전극을 붙이고 수축 시 근육의 동원 정도를 파악하였다.
- 먼저 피험자들을 대상으로 3종류의 신발을 신게 한 후 지정된 속도(5m의 거리를 1.7±0.05m/s의 속도로 이동)로 걷게 한 후 분석을 하였다.
- 발목 각은 지면과의 접촉 시 충격력을 완충시키기 위하여 변화되므로 충격력의 완충 역할이란 측면에서 운동역학적 의미가 있으며, 본 연구를 통하여 얻은 주요 이벤트별 발목 각과 그 값을에 제시하였다.
- 본 연구에서 실험한 스프링신발은 S1과 S3 두 종류로 스프링이 견착된 구조로 이루어져 지면과 접촉하는 바닥의 특이성으로 인해 일반 운동화와는 외형적인 구조에서부터 다른 형태이다. 보행동작은 상지보다는 주로 하지 분절의 상호 협응적 동작에 의해 이루어지기 때문에 하지 분절 상호간의 움직임, 즉 하지 관절의 각도 변화를 통해 운동학적 변인들을 분석 하였다. 분절의 운동학적 변인으로는 착지와 이지구간의 각 이벤트별 발목각, 무릎각, 착지각, 아킬레스건각, 후족각 등을 포함시켰다.
- 본 연구에서의 이벤트 및 국면은 수직지면반력 및 영상자료를 기초로 이벤트(event)와 국면(phase)으로 나누어 설정하였으며 구체적인 정의는 다음과 같다.
- 보행동작은 상지보다는 주로 하지 분절의 상호 협응적 동작에 의해 이루어지기 때문에 하지 분절 상호간의 움직임, 즉 하지 관절의 각도 변화를 통해 운동학적 변인들을 분석 하였다. 분절의 운동학적 변인으로는 착지와 이지구간의 각 이벤트별 발목각, 무릎각, 착지각, 아킬레스건각, 후족각 등을 포함시켰다. 각도 변인에 대한 이벤트의 정의는 착지 시, 제1정점, 제2정점, 이지 시점으로 하였고, 실험을 위해 4대 적외선 카메라를 이용한 영상자료를 통해 3차원 좌표값을 산출하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 스프링신발과 일반운동화의 운동역학적 차이를 조사하기 위해 근전도와 지면반력, 영상을 분석하였다. EMG 신호 처리 방법은 주요 근육들의 활동량을 측정하기 위하여 20-500Hz band pass 범위로 필터링 한 후 다시 정류(full-wave rectification)시킨 자료를 이용하여 평균적분근전도 값을 계산하였다.
- 05m/s의 속도로 이동)로 걷게 한 후 분석을 하였다. 실험참가자들은 신발 종류별로 날짜를 달리하여 실험에 참가 하였으며, 한사람이 동일한 실험을 3회 반복하였다.
- 본 연구의 실험 대상자는 실험 당시 특별한 질환 없고 발바닥이 정상 족궁(arch)인 30∼40대의 정상체중(20<BMI<30)인 여성 12명을 대상으로 하였다. 이들은 편평족이나 고궁족위의 이상 발 소유자를 제외한 정상족의 후족 찾지형을 선정하였으며 지면반력기에 닿는 한쪽 발만을 측정하여 분석하였다. 피험자의 신장은 159.
- 지면반력기의 sampling rate는 1000Hz로 설정하였으며 수직(Fz), 전후(Fy), 좌우(Fx) 3방향의 지면반력 성분을 각 이벤트별로 구분하여 측정하였다. 영상을 분석하기위해 적외선 카메라 4대를 사용하였으며, 촬영속도는 60frames/sec, 노출시간은 1/500초로 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 신발은 스프링신발과 일반신발로 스프링신발은 에서 보듯이 한쪽 중량이 각각 500g(S1), 1150g(S3)으로 S1은 바닥 후족부위에 1개 군의 스프링이 장착되어 있고, S3는 바닥 전면에 3개 군의 스프링 구조물이 장착되어 있는 형태를 지니고 있다.
- 본 연구에 사용된 실험 장비는 하지의 근 활동을 분석하기위하여 Noraxon(USA)사의 TeleMyo 2400T(Noraxon USA, Inc, gain=2000 fixed, input impedance>10 MΩ, CMRR>100dB, center to center distance=17mm)무선 근전도기와 보행 동작 시 착지발의 지면반력을 측정하기 위하여 AMTI(USA)사의 AG ORG 6-3, 보행동작의 촬영을 위해 Motion Analysis사의 Eagle4 적외선 카메라 4대를 사용하였다.
- 본 연구에서 실험한 스프링신발은 S1과 S3 두 종류로 스프링이 견착된 구조로 이루어져 지면과 접촉하는 바닥의 특이성으로 인해 일반 운동화와는 외형적인 구조에서부터 다른 형태이다. 보행동작은 상지보다는 주로 하지 분절의 상호 협응적 동작에 의해 이루어지기 때문에 하지 분절 상호간의 움직임, 즉 하지 관절의 각도 변화를 통해 운동학적 변인들을 분석 하였다.
- 본 연구의 실험 대상자는 실험 당시 특별한 질환 없고 발바닥이 정상 족궁(arch)인 30∼40대의 정상체중(20<BMI<30)인 여성 12명을 대상으로 하였다.
- 지면반력기의 sampling rate는 1000Hz로 설정하였으며 수직(Fz), 전후(Fy), 좌우(Fx) 3방향의 지면반력 성분을 각 이벤트별로 구분하여 측정하였다. 영상을 분석하기위해 적외선 카메라 4대를 사용하였으며, 촬영속도는 60frames/sec, 노출시간은 1/500초로 하였다.
데이터처리
- 본 연구는 보행 시 신발의 유형에 따른 운동역학적 특성의 변화를 살펴보는 것으로서 반복일원분산분석(repeated one-way ANOVA)을 실시하였고 사후검증으로는 Scheffe의 다중비교 방법을 이용하였다. 모든 자료는 .
성능/효과
- 65uV로 나타났다. S3신발이 S1 및 일반운동화에 비해 상대적으로 큰 근활동이 관찰되었으며, S1과 일반운동화의 차이는 거의 나타나지 않았다. 하지만 가속국면에서는 스프링 신발 간에 유의한 차이가 나타났으며, S1과 S3의 평균값은 각각 16.
- 가속국면은 대퇴이두근이 신전되는 시기로 S1과 S3의 8.43±8.09uV, 11.18±8.50uV에 비해 일반운동화는 62.06±32.40uV으로 유의하게 큰 것으로 나타났다.
- 감속국면에서 S1과 S3의 평균값은 각각 150.56±71.00uV, 146.69±70.57uV이며, 일반운동화는 129.85±104.81uV로 기능성 신발인 S1과 S3의 값이 일반운동화에 비해 크게 나타났다.
- 감속국면은 대퇴이두근이 굴곡되는 시기로 S1과 S3는 78.99±41.53uV, 73.18±41.58uV, 일반운동화는 131.75±71.16uV으로 일반운동화가 S1과 S3에 비해 비교적 큰 값의 근육발현을 보였다.
- 즉 착지 각(지면과 하퇴가 이루는 각도)이 커지게 되면서 지면에 대해 수직으로 걷게 되어 직립 보행 동작을 위한 바른 자세를 가질 수 있게 된다는 것이다(곽창수, 김희석, 2004). 결과적으로는 안정성 면에서는 스프링 신발 S3와 일반화간에 보다 차이가 있는 것으로 판단된다. 그러나, 통계적으로 S1과 일반화간에는 이지 시를 제외하고는 비교적 유의한 차이를 보이지 않았으며, S1과 일반화간에 착지 각도에서의 차이는 나타나지 않았다.
- 결론적으로 스프링신발은 일반운동화에 비해 하지근의 근력 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.
- 제2정점에서는 세 종류의 신발 간에 유의한 차이는 없었으나 S3가 다소 큰 발목 각도를 나타내었다. 따라서 뒤꿈치가 지면에 닿는 순간부터 뒤꿈치가 다시 지면에서 떨어지는 순간(제1정점, 제2정점)까지는 일반화에 비해 스프링 신발의 발목 각도가 다소 크게 유지되는 것으로 나타났고, 앞꿈치가 이지되는 순간에서는 일반화와 스프링 신발 간에 비교적 유사한 발목 각도로 유지하는 것으로 나타났다.
- 따라서 보행 시 착지발의 무릎 각은 지지구간에서 증·감 형태를 나타내며, 본 연구에서도 세 신발 모두 유사한 증·감 주기 형태를 나타내었다.
- 일반화에 비해 스프링신발이 비교적 큰 발목각도를 나타내었다. 따라서 사후분석결과 S1, S3과 일반화 간에 유의한 차이가 있었으며, 일반화(M=92.47)가 S1(M=101.92)과 S3(M=97.98)에 비해 발목각도가 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 일반화 보다 스프링신발의 구조상 밑창 높이의 차이에서 기인된 것이라 사료된다.
- (2006)은 일반신발과 불안정성 신발의 연구에서 하지근육의 활동이 다르게 나타난다고 하였으며, 불안정성신발은 발목관절보다는 무릎관절이나 고관절을 이용하여 더 큰 근전도 변화를 발생한다고 하였다. 따라서 이러한 점으로 미루어 볼 때 본 연구에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았지만 스프링신발의 구조적 특성상 감속국면에서의 동작 수행 시 대퇴직근을 통해 안정성 조절이 이루어진다고 볼 수 있으므로 스프링신발이 전면대퇴부의 근력강화에 긍정적인 효과를 미치는 것으로 생각된다.
- 따라서 보행 시 착지발의 무릎 각은 지지구간에서 증·감 형태를 나타내며, 본 연구에서도 세 신발 모두 유사한 증·감 주기 형태를 나타내었다. 따라서 이벤트별로 무릎 각도 변화는 세 신발 간에 통계적으로는 유의한 차이가 없는 것으로 나타나 신발 간의 차이가 없이 비슷한 자세를 나타내는 것으로 나타났다. 그러나 <표 4>에서 보는 바와 같이 S3의 경우 S1과 일반화보다 보행시 다소 작은 무릎 각도를 나타내었다.
- 후족 각도 분석 결과, 착지와 이지 순간을 제외한 시점에서 스프링신발과 일반화간의 후족 각도는 유사하게 나타났다. 따라서 통계적으로 착지 시에서는 스프링 신발과 일반화 간에 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다. 성봉주 등(2008)의 선행연구에 의하면 후족 각도 변화량이 증가하게 되면 관절의 손상을 초래할 위험성이 다소 높다고 보고하였다.
- 이는 대표적인 하지 신전근의 근력 강화라는 측면에서는 긍정적인 영향을 미칠 것으로 생각된다. 또한 전경골근은 스프링 신발을 착용할 경우 일반운동화에 비해 근육의 활동량이 많은 것으로 나타났다. 비복근 역시 스프링신발을 신었을 경우의 근전도 값이 비교적 크게 나타났으며, 이는 전상방으로 굴림을 수행하기위해 발목 관절의 신전에 필요한 근육의 활동량 증가로 인한 것으로 생각된다.
- 또한 지면반력의 제 1정점과 제 2정점에서 실험용신발인 S1과 S3가 일반운동화에 비해 큰 전후성분(Fy) 값을 나타냈다. 이는 신발 밑면에 있는 스프링의 탄성이 일반운동화의 아웃솔에 비해 단단하기 때문에 나타난 결과로 보인다.
- 본 연구의 결과에서 우선 신발의 유형에 따른 국면별 하지근의 활동정도에 대한 결과를 살펴보면 스프링 신발인 S3을 신었을 때 감속국면에서 일반운동화에 비해 상대적으로 큰 근활동량을 보였다. 안송이 등(2007)은 전,후방 굴곡형 기능성 신발의 연구에서 입각기 동안 굴곡형 신발이 일반 신발에 비해 대퇴직근의 활동이 증가하며, 불안전한 지면을 이용한 균형훈련 장비들을 통해 무릎의 근육을 강화하는데 도움을 준다고 하였다.
- 8±10.02N로 나타나 실험용 신발이 일반화에 비해 오른쪽으로 미는 힘이 강한 것으로 나타났다.
- 본 연구 결과에서 각도의 변화가 많지 않음을 알 수 있었다. 아킬레스건 각은 착지 시에 S1, S3보다 일반화가 다소 크게 나타난 반면, 제1정점과 제2정점, 이지 시에는 일반화 보다 S3, S1이 큰 것으로 나타났다. 통계 검정 결과 S1, S3과 일반화 간에 유의한 차이가 있는 것으로 나타나 아킬레스건 각의 변화는 신발 종류에 따라 차이가 있는 것을 의미한다.
- <표 6>에 제시한 바와 같이 일반화의 경우 후족 각은 착지 시 거골하 관절을 중심으로 이루어지는 회내 운동 결과, 착지 초기에서는 작은 각도를 나타내었다. 이후 세 신발 간에 비교적 유사한 값을 나타내다가 이지 시에 크게 증가하는 형태를 나타내었다. 이지 국면에서 후족각이 갑자기 증가하는 것은 발뒤꿈치가 지면에서 떨어지면서 후족부가 안쪽으로 향하고 신발의 뒤축이 오른쪽으로 기울어 각도가 증가하는 것을 의미한다.
- 일반운동화는 26.13±18.60uV로 S3신발이 S1과 일반운동화에 비해 큰 근활동이 나타났으며, S1은 일반운동화에 비해 근육의 활동이 오히려 줄어드는 것으로 나타났다.
- 000). 일반화에 비해 스프링신발이 비교적 큰 발목각도를 나타내었다. 따라서 사후분석결과 S1, S3과 일반화 간에 유의한 차이가 있었으며, 일반화(M=92.
- 전경골근의 근전도값은 각 국면별로 통계적으로 유의한 차이는 없었지만 감속국면에서 S1과 S3의 평균값이 일반운동화에 비해 크게 나타났다. 이러한 결과는 Romkes et al.
- 전후성분(Fy)에서는 S1이 13.7±11.06, S3가 20.1±10.76, 일반화는 6.4±9.07로 일반화가 가장 적은 값을 보였고, 스프링신발이 전방쪽으로 강한 힘을 가하여 더 많은 추진력을 확보하는 것으로 나타났다.
- 전후성분(Fy)에서는 일반화가 가장 적은 값을 보였고, 스프링신발이 전방쪽으로 강한 힘을 가하여 더 많은 추진력을 확보하는 것으로 나타났다. 이는 지지기 이후 발을 이지하기 위해 신발 밑면 중후반부에 위치한 스프링의 탄성에 기인한 것으로 사료된다.
- 전후성분(Fy)의 평균값은 S1이 평균 13.6±7.95N, S3가 19.8±8.76N, 일반화는 평균 7.5±12.83N로 나타나 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
- 전후성분에서 각 신발별 평균값은 S1이 26.6±25.58N, S3가 27.1±20.92N, 그리고 일반화가 11.4±17.28N로 나타나 스프링신발이 일반화에 비해 다소 제동력이 큰 것으로 나타났다.
- 제 1정점의 수직지면반력(Fz)에 대한 결과를 살펴보면 S1이 799.7±108.85N, S3가 766.9±113.41N, 그리고 일반화가 743.6±136.28N로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 보이지 않았다.
- 지면반력과 관련된 내용에서는 제 1정점의 충격력(Fz)은 하지관절의 상해와 깊은 관계가 있는 변인이라 할 수 있는데, 본 연구에서의 측정결과를 살펴보면 통계적으로 유의하지는 않지만, 실험용신발(S1, S3)이 일반화에 비해 충격력을 크게 받는 경향을 알 수가 있다. 성봉주 등(2008)의 연구에서 나타난 기능성 신발인 MS사의 결과치 814.
- 아킬레스건 각은 착지 시에 S1, S3보다 일반화가 다소 크게 나타난 반면, 제1정점과 제2정점, 이지 시에는 일반화 보다 S3, S1이 큰 것으로 나타났다. 통계 검정 결과 S1, S3과 일반화 간에 유의한 차이가 있는 것으로 나타나 아킬레스건 각의 변화는 신발 종류에 따라 차이가 있는 것을 의미한다.
- 96uV으로 S1과 S3가 일반운동화가 비해 근전도 값이 크게 나타났다. 특히 감속국면보다 가속국면에서 스프링신발 및 일반운동화의 근육동원량이 감소하였다.
- 하지근의 활동과 관련해서 대퇴직근의 경우 충격흡수 구간인 감속국면 동안 스프링 신발을 신고 보행할 경우 일반운동화를 신었을 때에 비해 근육의 활동이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 대표적인 하지 신전근의 근력 강화라는 측면에서는 긍정적인 영향을 미칠 것으로 생각된다.
- 하지만 가속국면에서는 스프링 신발 간에 유의한 차이가 나타났으며, S1과 S3의 평균값은 각각 16.27±9.76uV, 36.68±33.55uV로 나타나 스프링이 3개인 경우가 1개인 경우에 비해 큰 대퇴직근의 활동을 발생시키는 것으로 나타났다.
- 이러한 각도의 증가는 부하가 작용하지 않은 상태로 운동역학적인 분석의 의미가 없다고 할 수 있다. 후족 각도 분석 결과, 착지와 이지 순간을 제외한 시점에서 스프링신발과 일반화간의 후족 각도는 유사하게 나타났다. 따라서 통계적으로 착지 시에서는 스프링 신발과 일반화 간에 유의한 차이가 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 스프링신발이 대중화되기 위해서는 신발의 특성에 적합한 보행이나 고유의 운동프로그램 역시 개발되어야 할 것이며, 외형적으로 불안해 보이는 스프링구조물에 대한 내장방법이나 최소한으로 부피를 줄이는 방법이 강구되어야 할 것이다. 또한 추후 연구에서는 스프링신발의 기능성평가에서 운동역학적 고찰뿐만이 아니라 신발을 구성하고 있는 주요 요소인 스프링의 소재나 탄성 강도, 형태 등에 대한 연구가 복합적으로 이루어져야 할 것이다.
- 스프링신발이 대중화되기 위해서는 신발의 특성에 적합한 보행이나 고유의 운동프로그램 역시 개발되어야 할 것이며, 외형적으로 불안해 보이는 스프링구조물에 대한 내장방법이나 최소한으로 부피를 줄이는 방법이 강구되어야 할 것이다. 또한 추후 연구에서는 스프링신발의 기능성평가에서 운동역학적 고찰뿐만이 아니라 신발을 구성하고 있는 주요 요소인 스프링의 소재나 탄성 강도, 형태 등에 대한 연구가 복합적으로 이루어져야 할 것이다.
- 74N에 비해서는 높게 나타났다. 실험용 비교신발인 일반화에 비해 다소 높게 나타난 이유는 기능성신발의밑면에 부착되어 있는 스프링의 탄성강도에 의해 기인된 것으로 사료되며, 그 메카니즘에 대한 연구는 추후 연구과제에서 규명되기를 기대해 본다.
- 이지 시에서는 지면에 힘을 가하고 전,상방향으로 능동적인 추진력을 얻어야 하는 시점이므로 충분한 저측굴곡이 필요하며 스프링신발의 발목 각도가 일반화와 비교 시 비교적 유사하게 나타나 발목관절의 신전근들이 효율적인 운동을 행한 결과라고 판단된다. 충격흡수 측면에서 일반화는 신체내부에서의 충격흡수를 위한 동작을 통해 만들어내지만, 스프링신발의 경우 충격력의 감소는 신체내부에서 이끌어내는 것이 아니라 신발 자체의 구조시스템에 의해 형성되므로 지면반력분석 결과와 함께 살펴보는 것이 보다 합당 할 것으로 사료된다.
- 후족각에서 스프링 신발이 착지 시와 제1정점간에 일반화보다 크며 발목 관절을 중심으로 내측으로 회전하는 회내 운동을 적절하게 제어 하면서 이지 시에 후족 각의 감소에 영향을 미치는 것으로 나타나 과도한 후족 각의 변화를 방지하는데 효과적일 것으로 사료된다.
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