[논문]달리기 중 신발 중저의 경도가 인체를 따라 흡수되는 충격에 미치는 영향

이용구; 김윤혁

doi:10.9718/jber.2010.31.1.033

달리기 중 신발 중저의 경도가 인체를 따라 흡수되는 충격에 미치는 영향
Influence of the Midsole Hardness on Shock Absorption along the Human Body during Running 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.31 no.1, 2010년, pp.33 - 39

이용구 (경희대학교 공과대학, 기계공학과) , 김윤혁 (경희대학교 공과대학, 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

During running, the human body experiences repeated impact force between the foot and the ground. The impact force is highly associated with injury of the lower extremity, comfort and running performance. Therefore, shoemakers have developed shoes with various midsole properties to prevent the injury of lower extremity, improve the comfort and enhance the running performance. The purpose of this study is to investigate influence of midsole hardness on shock absorption along the human body during running. Thirty two expert runners consented to participate in the study and ran at a constant speed with three different pairs of shoes with soft, medium and hard midsole respectively. Using accelerometers we measured the shock absorption from shoe heel to cervical vertebral column. In conclusion, at the shoe heel, shock was the greatest with the hard midsole. However because most shock was absorbed between shoe heel and the knee, notable influence of midsole was not detected upper knee. At shoe heel, regardless of midsole hardness, the shock of younger female was the greatest. The authors expect to apply this result for providing a guideline for utilizing proper midsole hardness for manufacturing age and gender-specific shoe.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

등속 달리기 중인 피험자의한 디딤에서 발생하는 충격의 전달을 인체 각 부위에 미리 부착된 가속도계의 최대값들의 순차적인 변화를 이용하여 분석하였다. 본 실험을 통하여 달리기 중 충격의 흡수가 가장 많이 발생하는 신체 부분과 그 양상이 연령과 성별에 따라 어떻게 달라지는지 살펴보았다.
본 연구의 목적은 신발 중저의 경도가 다른 신발을 착용하고 달리기 할 시에 신발 뒤 굽에서 경추까지 전달되는 충격의 양상이 피험자의 성별과 연령에 따라 어떻게 달라지는지를 관찰하는데 있었다. 이를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구의 목표는 가속도의 변화를 이용하여 다양한 경도의 신발을 신고 달리는 중 발생하는 충격이 몸을 따라 전달되는 양상을 연령과 성별에 따라 정량화 하고자 하는 것이다. 이를 위하여 청년층, 노년층, 남녀 피험자가 연질, 중질, 경질의 중저를 가진 신발을 각각 착용하고 달릴 때에 신발 뒤 굽에서 경추까지 전달되는 충격을 계측하였다.
또한 뒤꿈치의 두께는 나이가 들수록 두꺼워진다고 하는데[38] 이는 여자의 경우 모든 신발에서 남자의 경우 딱딱한 신발에서 노년층에서 충격이 작게 나타나는 원인의한 가지를 설명할 수 있다. 하지만 뒤꿈치의 두께는 충격 전달에 영향을주는 많은 요인 중의 하나로 인체에 전달되는 충격의 크기에 따른 달리기 패턴의 변화가보다큰 영향을줄 것이라 예상하는 바이다. 향후 이러한 현상에 대한 원인을 알기 위하여 달리기 시 뒤꿈치 닿기의 패턴과 그 순간의 발목 관절의 운동학(kinetic), 운동역학(kinematic), 그리고 관절 주변 근육의 근전도(electromyography) 패턴에 남녀 및 노소의 차이가 존재하는지에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.

제안 방법

원위에서 근위로의 길이(longitude) 방향 충격 크기의 변화만을 고려하기 위하여 단축(uni-axial) 가속도계를 사용하였다. 가속도 값이 근육의 움직임에 영향을 적게 받게 하기 위하여 부착 위치는 피부가 골격과 가까운 위치로 선정하였고 피부의 혼들림을 최소화 하고자 양면테이프(3M, St. Paul,USA)로 위치를 고정한 후 신축성 있는 의료용 테이프(3M, St. Paul, USA)를 사용하여 고정 부위 위에 덧붙여 부착하였다. 무릎 부위의 경골 조면의 경우에는 그 위에 신축성 압박붕대(3M, St.
수 있도록 하였다. 가속도계의 전압값을 가속도 값(G)으로 환산 하기 위하여 각 가속도계의 상하 방향 자세를 뒤집음에 따라서 달라지는 전압의 차이가 2G에 해당한다는 사실을 이용하여 각가속도계의 환산비율을 구하였다. 한 디딤 단계(stance phase) 중에 발생하는 각 가속도계에서 계측한 전압의 최대값을 구하여 G 값으로 환산하였다.
이를 위하여 청년층, 노년층, 남녀 피험자가 연질, 중질, 경질의 중저를 가진 신발을 각각 착용하고 달릴 때에 신발 뒤 굽에서 경추까지 전달되는 충격을 계측하였다. 등속 달리기 중인 피험자의한 디딤에서 발생하는 충격의 전달을 인체 각 부위에 미리 부착된 가속도계의 최대값들의 순차적인 변화를 이용하여 분석하였다. 본 실험을 통하여 달리기 중 충격의 흡수가 가장 많이 발생하는 신체 부분과 그 양상이 연령과 성별에 따라 어떻게 달라지는지 살펴보았다.
속도 적응을 위한 예비 실험을 실험 대상자의 적응도에 따라 5~10회 가량 수행하였다. 본 실험은 연질, 중질, 경질의 순으로 한 가지 경도에 대하여 각각 5회 반복을 수행하였다. 각 경도의 실험 사이에는 실험자가 신발을 교환하고 착용시키는 5분이 주어졌다.
본 연구의 달리기 실험에서 각 피험자들은 신발의 중저의 경도가 연질(ASKER C 40), 중질(ASKERC 52), 경질(ASKER C 65) 의 서로 다른 세 가지 중저 타입의 운동화(prototype, Decathlon Co., Villeneuve, France)를 착용하도록 하였다. 신발에서 중저의 형상과 위치는 그림 1 에서 나타난 것과 같다.
동의서를 읽고 서명을 하도록 하였다. 속도 적응을 위한 예비 실험을 실험 대상자의 적응도에 따라 5~10회 가량 수행하였다. 본 실험은 연질, 중질, 경질의 순으로 한 가지 경도에 대하여 각각 5회 반복을 수행하였다.
광센서 방식의 구간속도 측정 장치에서 계측된 두 구간의시간 차이를 이용하여 계산하였다. 속도가 측정되는 구간에서 한디딤이 발생하는 동안의 충격의 전달을 계측하였다.
연질조직(soft tissue)의 진동의 영향을 적게 하기 위하여 피부가 얇아 뼈에 가까운 부분을 위와 같이 선정하였다. 신발 뒤 굽에는 상대적으로 큰 가속도가 예상되므로 측정범위가 ±120G 인 가속도계(AD22282, Analog Devices Inc., Norwood, USA)를 사용하였으며 나머지 부위에는 정밀한 측정범위가 ±35G인 가속도계(ADXL78, Analog Devices Inc., Norwood, USA)를사용하였다. 원위에서 근위로의 길이(longitude) 방향 충격 크기의 변화만을 고려하기 위하여 단축(uni-axial) 가속도계를 사용하였다.
충격의 전달을 측정하기 위하여 실험 수행 전 피험자의 신발 뒤 굽(shoe heel), 경골조면(tibial tuberosity), 대퇴골 상부돌기(greater trochanter), 요추(lumber vertebral column), 경추(cervical vertebral column)에 총 다섯 부위에 가속도계를 (그림 2)과 같이 부착하였다. 신발과 바닥과 충돌에 의한 충격이 원위(distal)에서 근위(proximal) 방향으로 전달되므로 해당 충격의 전달과 흡수를 관찰하기 위하여 가속도계를 하체와 상체에 모두 부착을 하였다. 연질조직(soft tissue)의 진동의 영향을 적게 하기 위하여 피부가 얇아 뼈에 가까운 부분을 위와 같이 선정하였다.
신발과 바닥과 충돌에 의한 충격이 원위(distal)에서 근위(proximal) 방향으로 전달되므로 해당 충격의 전달과 흡수를 관찰하기 위하여 가속도계를 하체와 상체에 모두 부착을 하였다. 연질조직(soft tissue)의 진동의 영향을 적게 하기 위하여 피부가 얇아 뼈에 가까운 부분을 위와 같이 선정하였다. 신발 뒤 굽에는 상대적으로 큰 가속도가 예상되므로 측정범위가 ±120G 인 가속도계(AD22282, Analog Devices Inc.
, Norwood, USA)를사용하였다. 원위에서 근위로의 길이(longitude) 방향 충격 크기의 변화만을 고려하기 위하여 단축(uni-axial) 가속도계를 사용하였다. 가속도 값이 근육의 움직임에 영향을 적게 받게 하기 위하여 부착 위치는 피부가 골격과 가까운 위치로 선정하였고 피부의 혼들림을 최소화 하고자 양면테이프(3M, St.
성별에 따라 정량화 하고자 하는 것이다. 이를 위하여 청년층, 노년층, 남녀 피험자가 연질, 중질, 경질의 중저를 가진 신발을 각각 착용하고 달릴 때에 신발 뒤 굽에서 경추까지 전달되는 충격을 계측하였다. 등속 달리기 중인 피험자의한 디딤에서 발생하는 충격의 전달을 인체 각 부위에 미리 부착된 가속도계의 최대값들의 순차적인 변화를 이용하여 분석하였다.
08mm 반구 압자가 측정면 방향으로 ASKER 경도계의 기준 깊이만큼 들어간 정도임을 의미한다. 충격의 전달을 측정하기 위하여 실험 수행 전 피험자의 신발 뒤 굽(shoe heel), 경골조면(tibial tuberosity), 대퇴골 상부돌기(greater trochanter), 요추(lumber vertebral column), 경추(cervical vertebral column)에 총 다섯 부위에 가속도계를 (그림 2)과 같이 부착하였다. 신발과 바닥과 충돌에 의한 충격이 원위(distal)에서 근위(proximal) 방향으로 전달되므로 해당 충격의 전달과 흡수를 관찰하기 위하여 가속도계를 하체와 상체에 모두 부착을 하였다.
피험자가 뒤꿈치부터 바닥에 닿는 편안한 주법으로 일정한 속도 (12 km/h ±5%)로 달리도록 하였고 속도는 달리 기 구간 중앙부에 설치된 광센서 방식의 구간속도 측정 장치에서 계측된 두 구간의시간 차이를 이용하여 계산하였다. 속도가 측정되는 구간에서 한디딤이 발생하는 동안의 충격의 전달을 계측하였다.
피험자가 정지 상태일 때의 가속도계 전압 값을 0으로 보정하여 중력 성분 (또는 정적7]속도(static acceleration))는 소거하고 동작 상태에서 나오는 값은 동적 7}속도(dynamic acceleration) 만을 측정할 수 있도록 하였다. 가속도계의 전압값을 가속도 값(G)으로 환산 하기 위하여 각 가속도계의 상하 방향 자세를 뒤집음에 따라서 달라지는 전압의 차이가 2G에 해당한다는 사실을 이용하여 각가속도계의 환산비율을 구하였다.

대상 데이터

본 연구의 피험자로는 10km 이상의 장거리 달리기 대회의 개인기록을 보유한 달리기 숙련자이면서 실험 당시 달리기에 영향을 줄 수 있는 물리적 병변이 없는 20~29세의 청년층 남녀 각각 8명과 60~67세의 노년층 남녀 8명, 총 32명을 대상으로 하였다. 피험자의 신체적 특성은 (표 1)과 같다.

성능/효과

남녀노소 공히 ①번 위치, 즉 신발 뒤 굽에서 최대 가속도 값이 가장 컸으며 연질, 중질, 경질 순으로 그 크기가 증가하였다. (그림 1)의 (a)의 청년층 남자의 경우 신발 뒤 굽에서 발생한충격의 크기는 연질과 중질 그리고 중질과 경질의 차이는 근소한 차이로 유효한 차이가 아닌 것으로 검정되 었으나(p = .69, .51) 연질과 경질의 차이는 매우유효한 것으로 검정되었다가 = .005). 한편, (b)~(d)의 모든 경우 즉, 청년층 여자, 노년층 남녀의 경우 신발 뒤 굽에서 발생한 충격의 크기는 연질과 중질, 중질과 경질 모두 매우 유효한 차이가 발생하는 것으로 검정되었다(P < .
각 번호와 위치 정보는 (그림 1)에서와 같다. 남녀노소 공히 ①번 위치, 즉 신발 뒤 굽에서 최대 가속도 값이 가장 컸으며 연질, 중질, 경질 순으로 그 크기가 증가하였다. (그림 1)의 (a)의 청년층 남자의 경우 신발 뒤 굽에서 발생한충격의 크기는 연질과 중질 그리고 중질과 경질의 차이는 근소한 차이로 유효한 차이가 아닌 것으로 검정되 었으나(p = .
첫째 계측된 가속도의최대값의 크기는 전달 방향으로 가면서 줄어들며 그 변화는 신발 뒤 굽과 무릎 구간에서 가장 컸다. 둘째, 신발 뒤 굽에서 계측된 최대 가속도의 크기는 신발중저의 경도가 연질, 중질, 경질의 순으로 증가하였다. 셋째, 신발뒤 굽에서 이러한유효한차이가 발생 함에도 불구하고 무릎부터 경추까지 전달되는 충격의 크기는 신발 중저와 관계없이 상대적으로낮은값을보였다.
청년층과 노년층을 비교해보면, 남자의 경우는 연질과 중질에서 노년층이, 경질에서는 청년층이 크게 관찰되었고 여자의 경우는 모든 경도에서 청년층이 더 크게 관찰되었다. 따라서 모든 연령과 성별에서 연질의 중저를 사용하는 것이 충격이 적어 부상의 위험이 적다는 것을 알 수 있다. 그리고 연령을 통틀어서 연질 경질의 경우는 언제나 청년층 여자에서 가장 큰 충격이 관찰 되었다.
발과 무릎사이에서 효과적인 충격 흡수가 발생할 수 있는 곳인 발목 관절 주변의 근육 인대가 상호 작용하여 상당한 충격 흡수를 가능하게 한 것으로 보인다. 마지막으로 신발 중저의 경도에 관계없이 신발뒤 굽에서 측정된 충격의 크기는 청년층 여자의 경우가 항상 가장 크게 나타났다. 저자들은 본 연구의 결과가 성별, 연령별 신발의 경도 적응을 고려한 맞춤형 신발을 제작하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
이는 중저의 경도 차이에서 비롯한신발뒤 굽에서의 충격의 차이가 무릎까지 전달 되는 동안에 대부분 흡수되어 그 이후에는 중저의 경도 차이 와 무관해 보이 게 된다고 추론할 수 있다. 본 연구의 결과로부터 무릎 이하에서 발생하는 충격흡수의 메커니즘이나 인체의 영향을 알 수는 없었다. 다만 충격 흡수의 경우, 신발 뒤 굽에서 발생한 충격이 경골조면에 이르기 까지는 신발 내부 구조물, 발바닥, 발, 발목관절, 경골(tibia)등의 많은 비균질(heterogeneous) 경계를 통과하면서 상당량 흡수된 것으로 생각한다.
둘째, 신발 뒤 굽에서 계측된 최대 가속도의 크기는 신발중저의 경도가 연질, 중질, 경질의 순으로 증가하였다. 셋째, 신발뒤 굽에서 이러한유효한차이가 발생 함에도 불구하고 무릎부터 경추까지 전달되는 충격의 크기는 신발 중저와 관계없이 상대적으로낮은값을보였다. 달리기 시 충격은 대부분 신발과무릎 사이에서 흡수 되고 충격의 크기에 비례하여 더 많은 충격을 흡수하여 무릎 이후 전달되는 충격의 크기를 크게 줄이는 것으로 보인다.
이를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다. 첫째 계측된 가속도의최대값의 크기는 전달 방향으로 가면서 줄어들며 그 변화는 신발 뒤 굽과 무릎 구간에서 가장 컸다. 둘째, 신발 뒤 굽에서 계측된 최대 가속도의 크기는 신발중저의 경도가 연질, 중질, 경질의 순으로 증가하였다.
남자와 여자를 비교해보면, 청년층에서는 모든 경도의 중저에 대하여 여자가 크게 관찰되었고 노년층에서는 연질과 경질에 대하여는 여자가 크게, 중질에 대하여는 남자가 크게 관찰되었다. 청년층과 노년층을 비교해보면, 남자의 경우는 연질과 중질에서 노년층이, 경질에서는 청년층이 크게 관찰되었고 여자의 경우는 모든 경도에서 청년층이 더 크게 관찰되었다. 따라서 모든 연령과 성별에서 연질의 중저를 사용하는 것이 충격이 적어 부상의 위험이 적다는 것을 알 수 있다.

후속연구

이 결과에 의하면 모든 경도의 중저에서 여자의 경우충격에 의한 달리기 부상에 취약 할 가능성이 높다고 생각할 수 있다. 신발 뒤 굽에서의 충격이 왜 여자의 경우에 대체로 크게 나타나는지에 대한 이유는 본 연구를 통해서는 알 수 없었지만 발의 뒤꿈치가 지면에 닿을 때의 패턴에 있어서 남자와 여자가 다른 것이 원인 중 하나가 될 수 있을 것으로 생각한다. 또한 인체의 뒤꿈치가 충격흡수에 효과적인 구조물이고[37] 그 두께는 여자가 남자보다 얇다[38]는 보고가 있다.
마지막으로 신발 중저의 경도에 관계없이 신발뒤 굽에서 측정된 충격의 크기는 청년층 여자의 경우가 항상 가장 크게 나타났다. 저자들은 본 연구의 결과가 성별, 연령별 신발의 경도 적응을 고려한 맞춤형 신발을 제작하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
또한 뒤꿈치가 닿은 직후 전경골근(tibialis anterior) 이 작용하여 족저굴곡(plantar flexion)이 되는 시간을 늦추게 되는 과정이 많은 충격을홉수하였다고추정할 수 있다. 한편, 인체의 영향을 살펴보기 위해서는 발목의 내부부하(internal loading) 을 모델링 하는 방법이 있을 수 있겠으며 이는 향후 좋은 연구 주제가 될 것으로 생각한다.
하지만 뒤꿈치의 두께는 충격 전달에 영향을주는 많은 요인 중의 하나로 인체에 전달되는 충격의 크기에 따른 달리기 패턴의 변화가보다큰 영향을줄 것이라 예상하는 바이다. 향후 이러한 현상에 대한 원인을 알기 위하여 달리기 시 뒤꿈치 닿기의 패턴과 그 순간의 발목 관절의 운동학(kinetic), 운동역학(kinematic), 그리고 관절 주변 근육의 근전도(electromyography) 패턴에 남녀 및 노소의 차이가 존재하는지에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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