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문제 정의
- 본 연구에서는 근전도와 저항 센서를 이용하여 정상인의 보행과 관련된 근육을 밝히고, 정상적인 보행 주기와 보행단계를 확인하고자 하였다. 걷는 동안 승모근과 반건양근을 제외한 상지 및 하지 근육에서 유의하게 진폭이 증가하였는데(대흉근: p<.
- 정상적이고 자연스러운 보행을 구현하기 위하여 보다 세분화된 보행 단계를 구분하여 단계에 따라 나타나는 생체 역학적 특성을 밝히고, 이를 실제 제품에 적용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 근전도와 저항 센서를 활용하여 보행 동안 나타나는 상․하지 근육의 활동과 발바닥에 가해지는 압력의 변화를 확인하고, 이를 토대로 보행 주기와 보행 단계를 분류하였다.
제안 방법
- 근전도 전극은 Noraxon Inc.(USA)에서 발간된 근전도 매뉴얼(Konrad, 2005)에 제시된 근전도 전극 부착 부위에 대한 해부학적 위치를 참고하여, 우측 상지의대흉근(pectoralis major)과 승모근(trapezius), 우측 허벅지의 대퇴직근(rectus femoris), 대퇴이두근(biceps femoris), 내측광근(vastus medialis), 외측광근(vastus lateralis), 반막양근(semimembranosus), 반건양근(semitendinosus)과 우측 종아리의 가자미근(soleus), 장비골근(peroneus longus), 내비복근(gastrocnemius medialis)과 외비복근 (gastrocnemius lateralis)에 부착하여 신호를 측정하였다.
- 식 분류에 따라 보행의 8단계로 나누고 각 단계에서의 특성을 나타낸 것이다. R.L.A.식 분류는 보행동안 한쪽 발의 변화에 따라 단계를 제안하고 있으나, 본 연구에서는 양쪽 발의 저항 신호를 이용하여 각 보행 단계를 분류하였다.
- 근전도 분석 소프트웨어는 TeleScan ver.2.92(락싸, 한국), 저항 분석 소프트웨어는 자체 제작된 FSRM 소프트웨어를 이용하였다.
- 분석은 걷기 전 안정 상태와 걷는 동안에 측정된 근전도 생리신호를 rectify하여 RMS(root mean square) 진폭(amplitude) 값을 구하였다. 저항 신호는 양쪽 8개의 센서에서 측정된 값을 이용하여 한 발이 다시 닿을 때까지의 시간을 이용하여 보행시간을 확인하였고, 8개의 센서의 최소, 최대 압력값을 이용하여 보행 패턴을 분석하였다.
- 실험은 측정에 필요한 전극을 실험참여자에게 부착하고 안정을 취할 수 있도록 하였다. 실험참여자가 제자리에 서 있는 동안 안정 상태의 근전도를 측정하고, 30보씩 2회 편평한 지면을 걷는 동안 근전도와 저항을 측정하였다.
- 실험은 측정에 필요한 전극을 실험참여자에게 부착하고 안정을 취할 수 있도록 하였다. 실험참여자가 제자리에 서 있는 동안 안정 상태의 근전도를 측정하고, 30보씩 2회 편평한 지면을 걷는 동안 근전도와 저항을 측정하였다.
- 분석은 걷기 전 안정 상태와 걷는 동안에 측정된 근전도 생리신호를 rectify하여 RMS(root mean square) 진폭(amplitude) 값을 구하였다. 저항 신호는 양쪽 8개의 센서에서 측정된 값을 이용하여 한 발이 다시 닿을 때까지의 시간을 이용하여 보행시간을 확인하였고, 8개의 센서의 최소, 최대 압력값을 이용하여 보행 패턴을 분석하였다. 통계분석은 SPSS 12.
대상 데이터
- 본 연구에서는 8채널 무선 근전도 측정시스템(샘플링 주파수 1024Hz)인 WENG-8(락싸, 한국) 2대와 원형의 저항 센서(지름 0.72cm, 두께 0.46mm, Interlink Electronics Inc., USA)를 신발 안창에 부착한 자체 제작된 저항 센서 시스템을 사용하였다.
- 심장질환이나 다리 손상 경험이 없다고 자기 보고한 20∼30대 남녀 대학원생 15명(남 7명, 여 8명, 나이 26.3±3.2세)이 본 연구에 참여하였다.
데이터처리
- 정지 상태와 걷는 동안 각 근육의 RMS 진폭 값을 이용하여 paired t-검증을 실시하였다. 그 결과 승모근과 반건양근을 제외한 모든 근육에서 정지 상태에 비하여 걷는 상태 동안의 RMS 진폭이 유의하게 크게 나타났다(표 2).
- 저항 신호는 양쪽 8개의 센서에서 측정된 값을 이용하여 한 발이 다시 닿을 때까지의 시간을 이용하여 보행시간을 확인하였고, 8개의 센서의 최소, 최대 압력값을 이용하여 보행 패턴을 분석하였다. 통계분석은 SPSS 12.0을 이용하여 paired t-검증을 실시하였다.
이론/모형
- 보행 시 나타나는 생체역학적 특성을 확인하기 위해서는 보행과 관련된 움직임을 민감하게 측정할 수 있는 센서의 활용이 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 근전도와 저항 센서를 활용하였는데, 근전도(Electromyogram, EMG)는 움직임 동안 근육의 수축에 의해 발생하는 전기적 활동을 기록한 것으로(Jansen et al., 2003), 보행 장애를 평가하는데 유용한 측정도구로 사용된다(Hof et al., 2005). 근육의 활동이 증가하면 진폭(amplitude)이 증대되고 주기(duration)가 연장되는데(Astrand & Kaare Rodahl, 1970), 표면 근전도 분석에서는 실효치 진폭(root mean square: RMS)과 주파수 스펙트럼 분석에 의한 중앙 주파수(median frequency), 평균 주파수(mean frequency) 등을 활용하는데(Ament et al.
성능/효과
- 유각기에는 내측광근, 내비복근과 외비복근의 활용도가 증가하다가 후기에 감소하였고, 장비골근, 반막양근과 대퇴직근의 활용도가 큰 것으로 나타났다. 각 근육 중에서 대퇴직근은 다른 다리 근육과는 달리 전체 보행 주기 동안 근수축의 활동을 보이며, 허벅지 근육의 대퇴이두근과 내측광근은 말기 입각기와 전유각기에서 근수축이 증가했다가 감소한 후, 중간 유각기와 말기유각기에서 다시 유의하게 증가하였다. 종아리 근육의 내 비복근과 외비복근은 말기입각기에서 유의한 근수축이 나타났으며, 내비복근은 중간유각기에서도 큰 근수축을 보였다.
- 정지 상태와 걷는 동안 각 근육의 RMS 진폭 값을 이용하여 paired t-검증을 실시하였다. 그 결과 승모근과 반건양근을 제외한 모든 근육에서 정지 상태에 비하여 걷는 상태 동안의 RMS 진폭이 유의하게 크게 나타났다(표 2).
- , 2001; 강성재 등, 2002). 그 결과, 발뒤꿈치와 발바닥에만 저항 센서를 부착하고 발 뒤쪽에 자이로 센서를 이용하여 걷는 동안의 보행 주기를 분류하고 일반적인 보행의 4단계와 병적 보행의 3단계를 확인하였다(표 1).
- 발이 바닥에 닿아 있는 입각기 동안 초기 접지기와 하중반응기에서는 모든 근육이 수축하면서 특히 외측 광근과 반막양근의 수축이 증가하다가 중간입각기와 후기입각기로 갈수록 이들의 수축이 감소하였다. 발이 공중에 떠 있는 유각기 중, 전유각기와 초기유각기 동안에는 내측광근, 내비복근과 외비복근의 수축이 증가하다가 중간유각기, 말기유각기로 갈수록 감소하고 장비골근, 반막양근과 대퇴직근의 수축이 증가하는 양상을 보였다.
- 그림 3의 보행 주기 동안의 활동을 볼 때, 보행 주기에서 각 근육은 입각기 동안은 모든 근육의 활동이 증가하면서 외측광근과 반막양근의 활동이 증가하다가 후기에 이들의 활용도가 감소하였다. 유각기에는 내측광근, 내비복근과 외비복근의 활용도가 증가하다가 후기에 감소하였고, 장비골근, 반막양근과 대퇴직근의 활용도가 큰 것으로 나타났다. 각 근육 중에서 대퇴직근은 다른 다리 근육과는 달리 전체 보행 주기 동안 근수축의 활동을 보이며, 허벅지 근육의 대퇴이두근과 내측광근은 말기 입각기와 전유각기에서 근수축이 증가했다가 감소한 후, 중간 유각기와 말기유각기에서 다시 유의하게 증가하였다.
- 각 근육 중에서 대퇴직근은 다른 다리 근육과는 달리 전체 보행 주기 동안 근수축의 활동을 보이며, 허벅지 근육의 대퇴이두근과 내측광근은 말기 입각기와 전유각기에서 근수축이 증가했다가 감소한 후, 중간 유각기와 말기유각기에서 다시 유의하게 증가하였다. 종아리 근육의 내 비복근과 외비복근은 말기입각기에서 유의한 근수축이 나타났으며, 내비복근은 중간유각기에서도 큰 근수축을 보였다.
후속연구
- 그러나 단계별 특성을 보다 정확하게 구분하고 안정성을 증명하기 위해서는 더 많은 사례수에 대한 근전도와 저항 신호의 동시분석을 통하여 이들 신호의 조합을 이용한 단계 구분이 필요할 것이다. 본 연구에서는 근전도와 저항 신호를 따로 분석하여 결과를 보고하였으나, 이들 두 신호를 조합하여 보행단계를 분류하는 작업이 진행 중이다.
- 나아가 정상인의 보행단계를 구체적으로 제시함으로써 하지마비환자 또는 근력이 약하거나 비정상적 보행을 하는 사람들이 정상적이고 자연스러운 보행을 할 수 있는 보조제품 및 보행보조를 위한 재활로봇 개발 등에 보다 정확한 근거를 제공하여 사용자 편의성 및 만족도에 기여할 수 있다. 보행 단계별 생체역학적 특성을 구분하는 작업은 추후 병적 보행의 특성을 검출하고 이를 재활 치료 등의 임상 장면 뿐 아니라 재활에 필요한 보행보조제품 개발에도 적용 가능할 것이다.
- 본 연구에서 획득된 연구결과는 걸음새의 정량적 분석을 통하여 비정상 보행을 파악하고 육안으로 식별이 어려운 보행문제를 진단하는데 활용이 가능하다. 나아가 정상인의 보행단계를 구체적으로 제시함으로써 하지마비환자 또는 근력이 약하거나 비정상적 보행을 하는 사람들이 정상적이고 자연스러운 보행을 할 수 있는 보조제품 및 보행보조를 위한 재활로봇 개발 등에 보다 정확한 근거를 제공하여 사용자 편의성 및 만족도에 기여할 수 있다.
- 추후, 정상 보행 뿐 아니라 경사로, 계단 등의 보행, 병적 보행 등의 다양한 상황에서의 보행 분석이 필요하며, 여러 임상평가를 통하여 보행 장애자의 보행 분석 및 치료에도 기여할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 정상적인 보행 단계별 특성과 감성 유발 시 감성과 관련된 보행 패턴의 비교를 통하여 특성 감성과 관련된 보행 패턴을 확인하는 작업이 필요하다.
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