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문제 정의
- 본 논문에서는 근피로도, 족저 접촉면적, 최대힘, 최대압력, 평균압력을 분석하여 보행 시 발생하는 근육피로 경감효과 및 발의 충격력 완화, 신체 피로도 경감효과를 알아보았다.
- 본 연구는 한국인 발 측정 데이터를 바탕으로 개발된 라스트를 적용한 트레일 러닝화의 족저압력분포 변화 및 하지의 근피로도에 대한 생체역학적 분석을 실시하였다. 추후 연구에서는 운동학적인 분석을 통한 보행분석이 추가로 이루어져야 할 것으로 생각되며, 장시간 착용 시 착용 시간별로 시간 변화에 따른 근피로도를 알아봄으로써 개발 신발에 대한 추가적인 실험이 필요할 것으로 생각된다.
- 이에 본 연구에서는 기존의 트레일 러닝화의 문제점을 보완하고 트레일 러닝화 개발에 있어 한국인의 족형을 적용한 신발의 라스트와 인솔의 기능적 부분을 고려하여 착용 시 발의 피로감과 압력을 경감시켜주고, 하지의 근 피로도를 감소시킬 수 있는 트레일 러닝화에 대한 생체역학적 분석을 통한 신발의 기능성을 평가하였다.
제안 방법
- 각 신발 착용에 따른 보행 시 근피로도 변화를 분석하기 위하여 각 신발을 착용하고 처음 보행을 시작할 때 근전도를 측정하였으며, 측정이 완료된 후 60분간 착용한 상태로 보행을 실시한 후 근전도 값을 측정하였다. 각 시간별 및 시간변화에 따른 각 신발에 대한 근전도 측정결과는 다음과 같다.
- 개발된 트레일 러닝화는 기존 트레일 러닝화와 달리 구조적인 특성을 가진다(Figure 2). 개발 트레일 러닝화는 한국인 2만명의 발 측정데이터 기반으로 제작된 라스트를 적용하여 발 형상에 가깝도록 설계하였으며, 신발 내부에 삽입되는 인솔(insole) 및 미드솔(midsole), 아웃솔(outsole)이 발바닥의 형태와 유사하게 제작되었다. 본 연구에서는 개발된 트레일 러닝화의 평가를 위해 족저압력분포 측정과 근전도 측정을 실시하였다.
- 근전도 분석은 Noraxon MyoResearch XP System(version 1.04)을 사용하여 측정 근육의 근전도 신호를 검출하였다. 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 PreAmps 회로(Baseline noise < 1 uV RMS, Input impedance > 100 Mohm, CMR > 100 dB, Input range = +/- 3.
- 근전도 측정 근육은 하지 근육 중 전경골근(TA, Tibialis Anterior), 비복근(GA, Gastrocnemius), 외측광근(VL, Vastus Lateralis), 대퇴이두근(BF, Biceps Femoris)을 선정하였으며, 각 피험자는 60분간 보행을 실시한 후 근피로 누적 요인을 최소화하기 위하여 하루 동안 충분한 휴식을 취한 다음 다른 신발을 착용하고 보행을 실시하였으며, 신발은 랜덤으로 선정하여 측정을 하였다.
- 연구대상자의 신체적 특성은 [Table 1]과 같다. 모든 연구대상자는 실험 전 실험의 목적과 내용을 확인하고 참가동의서를 작성 후 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 개발 트레일 러닝화의 생체역학적 분석을 위해 족저압력분포 측정과 근전도 측정을 실시하였다. 연구대상자들은 보행 시 불편함과 데이터 수집 시 오차를 줄이기 위해 몸에 밀착되는 타이즈를 착용하고 트레드밀에서 보행을 실시하였다(Figure 3).
- 개발 트레일 러닝화는 한국인 2만명의 발 측정데이터 기반으로 제작된 라스트를 적용하여 발 형상에 가깝도록 설계하였으며, 신발 내부에 삽입되는 인솔(insole) 및 미드솔(midsole), 아웃솔(outsole)이 발바닥의 형태와 유사하게 제작되었다. 본 연구에서는 개발된 트레일 러닝화의 평가를 위해 족저압력분포 측정과 근전도 측정을 실시하였다.
- 근피로 현상을 규명하기 위한 접근은 EMG신호를 이용하여 진폭(Amplitude)의 크기나 주파수대(Frequency band)의 전이(Shift)현상을 분석함으로서 측정 가능하며(서승록, 우승완, 2000), Dolan, Mannion와 Adams(1995)는 EMG를 이용하여 sub-maximal 상태에서 작업을 실시한 후 근육의 피로 분석 시 사용되는 MF(Mean frequency)의 주파수 천이(Frequency shift)를 이용하여 근육의 피로를 분석 하였으며, MF나 MPF(median power frequency)가 높은 주파수에서 낮은 주파수로 천이가 크게 나타나는 것을 보여 주어 근육의 피로가 더 커진다고 보고하였다. 본 연구에서는 처음 보행 시 측정값과 60분간 보행을 한 후 측정한 값에 대한 주파수 천이를 조사하여 각 신발을 착용하고 60분간 보행을 했을 때의 근피로도를 조사하였다.
- 시간 변화에 따른 보행전과 60분간 보행을 실시한 후의 MPF값에 대한 변화량을 분석하였다. 보행전 각 피험자와 근육별로 MPF값 간에 차이는 normalized된 값을 사용하였으며, normalized MPF 값은 다음의 식으로 도출하였으며, 그 결과는 [Table 3, Figure 9]와 같다.
- 본 연구는 개발 트레일 러닝화의 생체역학적 분석을 위해 족저압력분포 측정과 근전도 측정을 실시하였다. 연구대상자들은 보행 시 불편함과 데이터 수집 시 오차를 줄이기 위해 몸에 밀착되는 타이즈를 착용하고 트레드밀에서 보행을 실시하였다(Figure 3). 보행속도는 한국인의 평균일반 보행속도 0.
- 족저압력분포 측정을 위해 무선 블루투스 형식으로 데이터 전송이 가능한 Novel Gmbh사의 Pedar-X Mobile System를 사용하였으며(Figure 4), 압력 측정이 가능한 인솔형 센서를 오른쪽 신발 내부에 삽입한 후 트레드밀에서 보행을 실시하였다.
- 2 km/h의 속도로 하였다(Ryu, Choi, Choi, & Chung, 2006). 족저압력은 측정은 처음 보행을 시작할 때 실시하였으며, 근전도 측정은 처음 보행 시 1차 측정을 실시한 후 60분간 보행을 실시한 후 2차로 측정을 하였다. 근전도 측정 근육은 하지 근육 중 전경골근(TA, Tibialis Anterior), 비복근(GA, Gastrocnemius), 외측광근(VL, Vastus Lateralis), 대퇴이두근(BF, Biceps Femoris)을 선정하였으며, 각 피험자는 60분간 보행을 실시한 후 근피로 누적 요인을 최소화하기 위하여 하루 동안 충분한 휴식을 취한 다음 다른 신발을 착용하고 보행을 실시하였으며, 신발은 랜덤으로 선정하여 측정을 하였다.
- 24 프로그램을 이용하였다. 측정된 데이터는 먼저 영역(Mask) 생성을 통해 영역을 후족부(M1, Rearfoot), 중족부(M2, Midfoot), 전족부(M3, Forefoot) 그리고 발전체(Total)로 할당하였으며(Figure 6), Group Editing을 통하여 각 신발 종류별로 데이터 그룹을 생성한 다음 Groupmask Evaluation을 통해 각 데이터의 처음 5스텝과 마지막 5스텝을 제외한 15스텝에 대한 접촉면적(Contact areas), 최대힘(Maximum force), 최대압력(Peak pressure), 최대평균압력(Maximum mean pressure)을 비교하였다.
- 표면적극은 2 cm 간격으로 고정되어진 듀얼전극을 사용하였으며 측정오차를 줄이기 위해 약 10분간의 에이징(aging)을 수행하였으며 1,000 Hz의 sampling frequency로 근전도 데이터를 수집하였으며, MPF(Mean Power Frequency)를 이용하여 근피로도를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 신발은 총 4가지로 개발된 트레일 러닝화(Type A), 타사 기존 트레일 러닝화 두 종류(Type B, Type C), 일반 러닝화(Type D)를 선정하였다(Figure 1).
- 본 연구에 참여한 연구대상자는 과거 하지와 발에 질환 경력이 없으며, 정상적인 보행 형태를 가지고 있는 신체 건강한 20~30대 남성 10명을 대상으로 실시하였다. 연구대상자의 신체적 특성은 [Table 1]과 같다.
- 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 PreAmps 회로(Baseline noise < 1 uV RMS, Input impedance > 100 Mohm, CMR > 100 dB, Input range = +/- 3.5 mV, Base gain = 400)를 가진 센서(Pinch-style terminal electrode connections)를 사용하였다.
데이터처리
- 각 신발의 족저압력분포와 근전도 분석은 Minitab 15 프로그램을 이용하여 각 신발별 유의성에 대한 검증은 .05의 유의수준에서 One-way ANOVA 분석을 이용하여 비교하였다.
이론/모형
- 족저압력분포 측정을 위해 무선 블루투스 형식으로 데이터 전송이 가능한 Novel Gmbh사의 Pedar-X Mobile System를 사용하였으며(Figure 4), 압력 측정이 가능한 인솔형 센서를 오른쪽 신발 내부에 삽입한 후 트레드밀에서 보행을 실시하였다. 근전도 측정은 무선 근전도 측정 시스템인 미국 Noraxon사의 TeleMyo DTS Telemetry를 사용하였으며(Figure 5), 전극 부착 부위를 표시하여 측정 근육 위치를 동일하게 하였다.
성능/효과
- 각 신발에 대한 보행 시작 시점에서의 MPF(Mean Power Frequency) 변화를 분석한 결과 다음의 [Table 2, Figure 7]과 같이 각 신발 간 모든 측정근육에서 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(p<.05).
- 각 신발을 60분간 착용한 후 근육별 MPF에서 전경골근에서는 Type A가, 비복근에서는 Type B, 외측광근에서는 Type C, 대퇴이두근에서는 Type D가 가장 작은 값을 보였으며, 근육별로 일반화된 경향을 볼 수 없었다.
- 근피로도에 대한 결과를 살펴보면 보행 시 주로 사용되는 근육 중 대퇴이두근에서는 모든 신발에서 보행에 따른 근피로도가 발생하였으나 외측광근에서는 Type C와 Type D, 전경골근과 비복근에서는 Type B와 Type D에서 근피로도가 발생함을 알 수 있었다. 즉, Type A의 경우 대퇴이두근을 제외한 다른 근육에서 보행에 따른 근피로도가 적게 나타나믈 알 수 있었다.
- 대퇴이두근(BF)에서는 Type B가 59.28±14.43 Hz로 가장 낮게 나타났고, Type C가 73.90±2.66 Hz로 가장 높게 나타났으며, 모든 측정근육에서 각 신발별 평균 MPF가 유의한 차이를 보인다(p<.05).
- 또한 외측광근에서는 Type C와 Type D가, 대퇴이두근에서는 모든 신발이 1보다 작은 값을 보였으며, 모든 측정근육에서 각 신발별로 유의한 차이를 보였다(p<.05).
- 또한, 발의 압력변화에 대한 결과를 살펴보았을 때 Type A의 경우 접촉면적이 다른 신발보다 넓게 나타나 착화감을 향상시켜 줄 것으로 보이며, 최대압력의 경우 발전체에서 다른 신발보다 낮게 나타났으며, 후족부의 경우 유의한 차이를 보여 충격흡수 및 압력분산에 긍정적인 효과를 줄 것으로 사료된다. 또한 한국형 족형을 적용한 라스트 및 인솔, 미드솔, 아웃솔을 사용함으로써, 발과 신발간의 접촉면적 증가로 인해 발에 발생하는 최대힘과 최대압력의 감소로 인해 보행 시 발생하는 발의 피로를 감소시키고, 근전도 측정결과와 같이 하지의 피로 감소와 연관될 수 있을 것으로 사료된다.
- 발전체에 대한 각 신발간의 접촉면적에 대한 분석을 실시한 결과 Type A가 147.64±5.74 cm2로 가장 넓게 나타났고 Type B가 138.59±8.42 cm2로 가장 좁은 접촉면적을 보였다.
- 보행 시작 시점(0분)에서 각 측정 근육별 결과를 살펴보면 전경골근(TA)에서는 Type A가 77.84±16.54 Hz로 가장 낮게 나타났고, Type D가 89.93±11.22 Hz로 가장 높게 나타났다.
- 보행전에서 각 신발별 MPF를 측정한 결과 Type A는 전경골근, 외측광근에서 가장 작은 값을 보였으며, Type B의 경우 비복근과 대퇴이두근에서 가장 작은 MPF 값을 보였다.
- 분석결과 전경골근에서 Type B와 Type D가 1이하로 60분간 보행 후 측정한 MPF 값이 초기 값보다 작은 것을 알 수 있으며, 비복근에서도 Type B와 Type D에서 1보다 작은 값을 보였다. 또한 외측광근에서는 Type C와 Type D가, 대퇴이두근에서는 모든 신발이 1보다 작은 값을 보였으며, 모든 측정근육에서 각 신발별로 유의한 차이를 보였다(p<.
- 분석결과, 전경골근과 비복근에서 Type B와 Type D 신발의 MPF값이 1이하로 나타나 근피로도가 발생하였고, 외측광근에서는 Type C, Type D 신발이 1보다 작은 값을 보여 근피로가 발생하였음을 알 수 있으며, 대퇴이두근에서는 모든 신발이 1보다 작은 값을 보여 신발의 종류와 관계없이 근피로가 발생함을 알 수 있다. 반면 Type A 신발의 경우 전경골근, 비복근, 외측광근에서 MPF값이 1보다 높게 나타나 다른 신발보다 근피로가 적을 것으로 보인다.
- 외측광근에서는 Type C가 27.46±12.11 Hz로 가장 낮게, Type B가 55.01±16.20 Hz로 가장 높게 나타났으며, 대퇴이두근에서는 Type D가 34.02±18.73 Hz로 가장 낮게, Type A가 60.17±34.27 Hz로 가장 높게 나타났다.
- 전체적인 결과는 Type A > Type C > Type B > Type D순으로 나타났으며 통계적 유의한 차이는 없었다.
- 전체적인 결과는 Type A > Type D > Type C > Type B순으로 나타났으며 각 신발들 간에 유의한차이가 나타났다(p Type A > Type B > Type C순으로 나타났으며 유의한 차이는 없었다.
- 전체적인 결과는 Type C > Type B > Type D > Type A순으로 나타났으며 통계적 유의한 차이는 없었다.
- 족저압력 분석결과 접촉면적에서 Type A 신발은 각 영역에서 다른 신발보다 높게 나타났으며, 이는 발바닥 형상에 가깝게 설계된 인솔로 인해 발바닥과의 접촉면적이 증가한 것으로 보인다. 최대힘의 경우 모든 영역에서 각 신발 간에 유의한 차이가 없었으나, 발과 지면이 이지(toe off)되는 순간 힘을 전달하는 전족부에서 Type A가 가장 작은 최대힘 값이 관찰되었다.
- 최대압력 분석 결과를 살펴보면 후족부에서 Type A < Type D < Type B < Type C 순으로 낮은 값이 관찰되었으며 통계적으로도 유의한 차이를 보였다.
- 중족부의 경우 Type C > Type A > Type B > Type D순으로 나타났으며, 전족부에서는 Type D > Type B > Type C > Type A순으로 나타났다. 최대평균압력의 경우 발전체, 후족부, 중족부, 전족부 모두에서 통계적으로 유의한 차이는 없었다.
- 족저압력 분석결과 접촉면적에서 Type A 신발은 각 영역에서 다른 신발보다 높게 나타났으며, 이는 발바닥 형상에 가깝게 설계된 인솔로 인해 발바닥과의 접촉면적이 증가한 것으로 보인다. 최대힘의 경우 모든 영역에서 각 신발 간에 유의한 차이가 없었으나, 발과 지면이 이지(toe off)되는 순간 힘을 전달하는 전족부에서 Type A가 가장 작은 최대힘 값이 관찰되었다. 이러한 결과는 박종진(2009)의 연구결과에서와 같이 전족부위에 발가락의 변형을 유발할 수 있는 높은 압력분포로 인한 구속압을 감소시켜 줄 수 있을 것으로 판단된다.
- 측정 결과 전경골근에서 Type A가 82.48±9.29 Hz로 가장 낮게, Type B가 87.57±11.66 Hz로 가장 높게 나타났다.
- 평균압력에 대한 분석의 결과를 살펴보면 전족부에서 Type A < Type C < Type B, Type D순으로 낮은 값이 관찰되었으나 각 신발의 모든 영역에서 유의한 차이는 보이지 않았다.
후속연구
- 또한, 발의 압력변화에 대한 결과를 살펴보았을 때 Type A의 경우 접촉면적이 다른 신발보다 넓게 나타나 착화감을 향상시켜 줄 것으로 보이며, 최대압력의 경우 발전체에서 다른 신발보다 낮게 나타났으며, 후족부의 경우 유의한 차이를 보여 충격흡수 및 압력분산에 긍정적인 효과를 줄 것으로 사료된다. 또한 한국형 족형을 적용한 라스트 및 인솔, 미드솔, 아웃솔을 사용함으로써, 발과 신발간의 접촉면적 증가로 인해 발에 발생하는 최대힘과 최대압력의 감소로 인해 보행 시 발생하는 발의 피로를 감소시키고, 근전도 측정결과와 같이 하지의 피로 감소와 연관될 수 있을 것으로 사료된다.
- 즉, Type A의 경우 대퇴이두근을 제외한 다른 근육에서 보행에 따른 근피로도가 적게 나타나믈 알 수 있었다. 이로써 Type A 신발 착용 후 보행 시 근피로를 경감시키는데 효과적일 것으로 판단된다.
- 본 연구는 한국인 발 측정 데이터를 바탕으로 개발된 라스트를 적용한 트레일 러닝화의 족저압력분포 변화 및 하지의 근피로도에 대한 생체역학적 분석을 실시하였다. 추후 연구에서는 운동학적인 분석을 통한 보행분석이 추가로 이루어져야 할 것으로 생각되며, 장시간 착용 시 착용 시간별로 시간 변화에 따른 근피로도를 알아봄으로써 개발 신발에 대한 추가적인 실험이 필요할 것으로 생각된다.
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