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문제 정의
- 일정한 작업 하중에 따른 요추 부위 압축력에 대하여 작업 빈도수는 통계적으로는 유의하지 않을 수는 있으나 약간의 차이는 있을 수 있다고 알려져 있다(Kim, 1991). 따라서 본 연구는 압축력에 주 초점을 둔 관계로 작업 빈도수를 독립 변수로 고려하지 않았고 낮은 작업 빈도수에 국한시켜 실험하였다. 그러나 압축력은 작업 속도에 따라서도 영향을 받기 때문에 추 후 다양한 작업 속도와 작업 시간, 그리고 작업 높이에 따른 연구가 수행되었으면 한다.
- 본 연구의 목적은 들기 작업과 내리기 작업에 있어서 요추 부위에 미치는 스트레스를 생체역학적, 생리학적, 정신물리학적 관점에서 종합적으로 비교 분석해 보는 것 이었다. 특히 생체역학적 관점에서는 Davis 등에 의한 결과와 Troup 등에 의한 결과가 상반된 것으로 나타나 이에 대한 검증을 시도해 보고자 하였다.
- 특히 생체역학적 관점에서는 Davis 등에 의한 결과와 Troup 등에 의한 결과가 상반된 것으로 나타나 이에 대한 검증을 시도해 보고자 하였다. 생리학적, 정신물리학적 방법에 대해서는 문헌 조사를 통한 기존의 자료들을 비교하여 이들 결과들이 생체역학적 방법에 의한 결과와 유사한 경향을 나타내는가를 알아보고자 하였다.
- 본 연구의 목적은 들기 작업과 내리기 작업에 있어서 요추 부위에 미치는 스트레스를 생체역학적, 생리학적, 정신물리학적 관점에서 종합적으로 비교 분석해 보는 것 이었다. 특히 생체역학적 관점에서는 Davis 등에 의한 결과와 Troup 등에 의한 결과가 상반된 것으로 나타나 이에 대한 검증을 시도해 보고자 하였다. 생리학적, 정신물리학적 방법에 대해서는 문헌 조사를 통한 기존의 자료들을 비교하여 이들 결과들이 생체역학적 방법에 의한 결과와 유사한 경향을 나타내는가를 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 7.5kg과 15kg의 작업 상자(손잡이 높이는 상자 바닥으로부터 10cm 높이)를 바닥으로부터 피 실험자들의 손가락 관절 높이까지 들기 작업과 피 실험자들의 손가락 관절 높이로부터 바닥으로 내리는 작업을 각각 2회 무작위로 실행하였다. 실행 간의 휴식 시간은 10분이었다.
- 8명의 피 실험자에 대하여 두 가지 작업 형태(들기 작업, 내리기 작업), 두 가지 작업 하중(7.5kg, 15kg)의 2×2 요인 난괴법(factorial randomized complete block design) 을 반복 2회 적용하였다.
- Davis 등의 결과와 Troup 등의 결과를 본 실험 결과와 가능한 공통 요인을 발췌하여 비교하였다. Davis 등의 들기 내리기 작업의 높이 범위는 무릎 높이로부터 팔꿈치 높이 범위였고 작업 하중은 9.
- 각 근육들의 왼쪽, 오른쪽에 양극 표면 전극들을 부착한 다음 저항을 측정하여 왼 쪽과 오른 쪽 표면 전극의 저항 차이가 50% 이내가 되지 않거나 각각의 저항이 500ohm 이상이 되면 표면 전극을 다시 부착하도록 하였다. 데이터 샘플링 빈도는 원래의 EMG 신호에 적합한 1000Hz로 하였다.
- 0보다 큰 이유는 생체역학적 접근방법과 생리학적 접근방법에서는 작업 부하에 따른 스트레스로 비교하였으나, 정신 물리학적 접근방법에서는 스트레스 보다는 MAWL이라는 능력으로 비교했기 때문이라고 할 수 있다. 그러나 이를 스트레스 비율로 고려해 보기 위하여 들기 작업과 내리기 작업의 MAWL에 대한 작업 하중 값들의 비로 비교해 보았다. 이 비율은 대략 0.
- 들기 내리기 작업과 관련된 근육 활동 data를 수집하기 위해서 EMG를 사용하였다. 관련 근육들은 요부 척주기립근(Erector Spinae), 광배근(Latissimus Dorsi), 외복사근(External Oblique), 내복사근(Internal Oblique), 복직근(Rectus Abdominis)으로서 좌 우 각 5개, 총 10개의 허리 관련 근육들이다.
- 본 실험의 결과는 생체역학적인 측면에서만 고려된 것이므로 이러한 결과가 생리학적 측면, 정신물리학적 측면에서도 나타날 수 있는가를 알아보기 위하여 다음과 같은 비교 분석을 하였다.
- 생리학적인 측면에서 들기 작업과 내리기 작업을 비교해 보기 위해서 본 연구의 작업 조건에 Garg(Garg, 1976; Garg et al., 1978)의 에너지 소모량 식을 적용해 보았고, Mital(1980), Asfour(1980), Ciriello와 Snook(1983)의 연구 결과에서 본 실험 조건과는 작업 빈도에 차이가 있지만 들기 내리기 작업의 작업 빈도가 6 lifts/min의 동일한 경우의 실제 산소 소모량을 비교해 본 결과는 다음과 같다 (표 7).
- 생체역학적인 접근방법으로 요추 부위에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모우멘트, 전단력, 압축력을 추정하였다. 여러 학자들은(De Looze et al.
- 생체역학적인 접근방법으로 요추 부위에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모우멘트, 전단력, 압축력을 추정하였다. 여러 학자들은(De Looze et al., 1993; Gagnon and Gagnon, 1992; Gagnon and Smyth, 1991; Fischer, 1967) 들기 작업과 내리기 작업을 평가하는데 요추 부위에 미치는 몸통 모우멘트를 비교하였다. 이들은 서로 다른 들기 작업과 내리기 작업의 형태에 따라 몸통 모우멘트의 차이가 있다고 보고 하였다.
- 피 실험자는 요부 몸통 관련 10개의 근육에 EMG 피부 표면 전극들을 부착한 다음 LMM을 착용하고 PSS(Pelvic Support System)에 찍찍이(Velcro)를 이용하여 허리 부위를 고정시키고 ARF(Asymmetric Reference Frame)에 어깨 높이의 상체 부위를 고정시켰다. 이 위치에서 네가지 종류의 허리 몸통 근력 발휘(trunk exertion), 즉 굴전(flexion), 신전(extension)과 오른쪽 비틀기(right (clockwise) twist), 왼쪽 비틀기(left(counter clockwise) twist)를 실시하여 MVC(Maximum Voluntary Contraction)들을 측정하였다. 이 MVC는 허리 몸통 관련 근육들에 대한 정규화(normalization)에 사용되었다.
- 이 MVC는 허리 몸통 관련 근육들에 대한 정규화(normalization)에 사용되었다. 이들 기초 실험이 끝나면 의도했던 실험계획법에 따라 독립 변수들의 조합에 따른 실제 실험을 수행하였다.
- 지금까지 비교한 세 가지 인간공학적 접근방법들을 종합한 것으로 알려진 NIOSH의 Guideline과의 비교를 하였다. 본 연구의 작업 조건에 해당하는 NIOSH의 AL(Action Limit)은 14.
- 피 실험자는 요부 몸통 관련 10개의 근육에 EMG 피부 표면 전극들을 부착한 다음 LMM을 착용하고 PSS(Pelvic Support System)에 찍찍이(Velcro)를 이용하여 허리 부위를 고정시키고 ARF(Asymmetric Reference Frame)에 어깨 높이의 상체 부위를 고정시켰다. 이 위치에서 네가지 종류의 허리 몸통 근력 발휘(trunk exertion), 즉 굴전(flexion), 신전(extension)과 오른쪽 비틀기(right (clockwise) twist), 왼쪽 비틀기(left(counter clockwise) twist)를 실시하여 MVC(Maximum Voluntary Contraction)들을 측정하였다.
- 현재 요통이 있거나 과거에 요통 경력이 있는 대학생은 제외하였다. 피 실험자들의 인체 측정을 마치고 EMG 측정을 위한 피부 표면 전극 (surface electrode)을 부착한 다음 피 실험자는 실험 시작 전까지 약 30분간의 휴식과 안정을 취하도록 하였다.
대상 데이터
- 들기 내리기 작업과 관련된 근육 활동 data를 수집하기 위해서 EMG를 사용하였다. 관련 근육들은 요부 척주기립근(Erector Spinae), 광배근(Latissimus Dorsi), 외복사근(External Oblique), 내복사근(Internal Oblique), 복직근(Rectus Abdominis)으로서 좌 우 각 5개, 총 10개의 허리 관련 근육들이다.
- 대학생 8명을 대상으로 하였다. 현재 요통이 있거나 과거에 요통 경력이 있는 대학생은 제외하였다.
- 반발력(Ground reaction force)을 측정하기 위하여 Bertec 4060A force plate(Bertec Corporation, Columbus, Ohio, U.S.A.)가 사용되었다.
- 본 실험에 참여한 인원은 8명으로서 20~29세 사이의 대학생 또는 대학원생이었다. 평균 신장은 179.
이론/모형
- 이 모델을 이용하기 위해서는 관련되는 총 10개의 근육 활동에 대한 EMG 데이터가 필요하고, 몸통의 위치와 속도를 추적하기 위한 Lumbar Motion Monitor(LMM)가 사용되었다. 또한 EMG 보조 자유 동적 생체역학 모델을 사용하는데 필수적인 항목들에 대한 입력과 각 종 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환시키는 데이터 획득 하드웨어(data acquisition hardware, NIDAQ)를 조절하고 수집된 데이터를 분석하기 위해서 Laboratory Information Management System(LIMS, version 1.24)이 사용되었다.
- 본 실험을 위하여 미국의 Ohio State University의 Biodynamics Lab에서 개발한 EMG 보조 자유 동적 생체 역학 모델(EMG-assisted Free-dynamic Biomechanical Model)을 이용하였다. 이 모델을 이용하기 위해서는 관련되는 총 10개의 근육 활동에 대한 EMG 데이터가 필요하고, 몸통의 위치와 속도를 추적하기 위한 Lumbar Motion Monitor(LMM)가 사용되었다.
- 본 실험을 위하여 미국의 Ohio State University의 Biodynamics Lab에서 개발한 EMG 보조 자유 동적 생체 역학 모델(EMG-assisted Free-dynamic Biomechanical Model)을 이용하였다. 이 모델을 이용하기 위해서는 관련되는 총 10개의 근육 활동에 대한 EMG 데이터가 필요하고, 몸통의 위치와 속도를 추적하기 위한 Lumbar Motion Monitor(LMM)가 사용되었다. 또한 EMG 보조 자유 동적 생체역학 모델을 사용하는데 필수적인 항목들에 대한 입력과 각 종 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환시키는 데이터 획득 하드웨어(data acquisition hardware, NIDAQ)를 조절하고 수집된 데이터를 분석하기 위해서 Laboratory Information Management System(LIMS, version 1.
- 허리 몸통(Lumbar Trunk)의 3차원 동작 분석을 위하여 일종의 3축 고니오미터(tri-axial goniometer)에 해당하는 Lumbar Motion Monitor(LMM)가 사용되었다(그림 1). 이 장치의 재원과 정확도는 이미 학계에 보고되어 있다 (Marras et al.
성능/효과
- Davis 등은 내리기 작업의 압축력은 들기 작업의 압축력의 약 124%라고 주장하였으나 본 실험 및 여러 연구 결과를 종합적으로 비교해 본 결과, 간헐적인 들기 내리기 작업에 있어서 생체역학적 관점, 특히 압축력 관점에서는 내리기 작업의 스트레스는 들기 작업의 스트레스의 약 65~93%, 생리학적 관점에서는 약 87~97%, 정신물리학적 관점에서는 약 87~96%라고 할 수 있다. 이들 종합적 결과로 미루어 볼 때 내리기 작업의 스트레스는 들기 작업의 스트레스보다 작다고 할 수 있을 것이다.
- 5kg, 15kg)의 2×2 요인 난괴법 디자인을 반복 2회 적용을 한 실험 결과에 따른 모우멘트, 좌-우측 전단력, 전-후방 전단력, 압축력들에 대하여 ANOVA 분석을 한 결과 각 인자에 대한 유의확률만을 정리한 결과는 표 3과 같다. 모우멘트, 전-후방 전단력, 압축력들은, 작업의 종류와 작업 하중에 따라 유의수준 5%에서 유의한 차이를 나타내었다. 좌-우측 전단력의 경우는 유의수준 5%에서 작업의 종류에는 유의한 차이는 없었으나 작업 하중에 대해서는 유의한 차이가 있었다.
- Gagnon과 Smyth도 내리기 작업의 요부 최대 모우멘트는 들기 작업의 경우의 약 88%라고 하였다(Gagnon, Smyth, 1991). 본 실험 결과는 이러한 비가 평균 72%였다(표 4). 이러한 비교 결과로 미루어 볼 때 Davis 등의 결과는 위에 언급한 다른 연구 결과들과는 상반된 결과를 나타내고 있다.
- Gagnon과 Smyth도 내리기 작업의 압축력은 들기 작업의 경우의 약 93%라고 하였다(Gagnon, Smyth, 1991). 본 실험 결과는 평균 67%였다(표 6). 이러한 비교 결과로 미루어 볼 때 Davis 등의 결과는 위에 언급한 다른 연구 결과들과는 상반된 결과를 나타내고 있다.
- Troup 등의 실험에서는 전-후방 전단력을 고려하지 않았다. 본 실험 결과에서는 이 비율이 평균 62%였다(표 5). 이러한 비교 결과로 미루어 볼 때 Davis 등의 결과는 위에 언급한 다른 연구 결과들과는 상반된 결과를 나타내고 있다.
- 본 실험의 작업 하중 7.5kg은 NIOSH의 AL 또는 RWL값 보다 작은데도 불구하고 들기 작업과 내리기 작업의 경우 모두 기준치를 상회했다. 그러므로 낮은 작업 빈도에 대한 NIOSH의 AL 또는 RWL에 해당하는 작업 하중 또는 생체역학적 기준치에 대한 재고가 필요하다고 생각한다.
- 7kg이다. 실험 결과 작업 하중 7.5kg에 대한 들기 작업의 압축력은 5405N, 내리기 작업의 경우는 3715N으로서 NIOSH의 AL 또는 RWL에 해당하는 압축력의 기준치 3430N을 초과하였다. 작업 하중이 7,5kg인 경우 들기 작업의 경우는 AL 해당 기준치 3430N의 약 158%, 내리기 작업의 경우는 약 108%였다.
- Davis 등은 내리기 작업의 압축력은 들기 작업의 압축력의 약 124%라고 주장하였으나 본 실험 및 여러 연구 결과를 종합적으로 비교해 본 결과, 간헐적인 들기 내리기 작업에 있어서 생체역학적 관점, 특히 압축력 관점에서는 내리기 작업의 스트레스는 들기 작업의 스트레스의 약 65~93%, 생리학적 관점에서는 약 87~97%, 정신물리학적 관점에서는 약 87~96%라고 할 수 있다. 이들 종합적 결과로 미루어 볼 때 내리기 작업의 스트레스는 들기 작업의 스트레스보다 작다고 할 수 있을 것이다. 그러므로 NIOSH의 Guideline을 들기 작업과 내리기 작업이 동일하다고 가정하여 사용하는 것은 문제가 있다고 생각하며 이에 대한 보정이 필요할 것이다.
- 작업의 종류와 작업 하중에 따라 모우멘트, 좌-우측 전단력을 비교한 결과 들기 작업에서 작업 하중이 7.5kg에서 15.0kg으로 2배 증가했을 때 모우멘트는 약 26%, 압축력은 약 22% 증가하였다. 내리기 작업에서는 모우멘트는 약 5%, 압축력은 약 16% 증가하였다(그림 2).
후속연구
- 따라서 본 연구는 압축력에 주 초점을 둔 관계로 작업 빈도수를 독립 변수로 고려하지 않았고 낮은 작업 빈도수에 국한시켜 실험하였다. 그러나 압축력은 작업 속도에 따라서도 영향을 받기 때문에 추 후 다양한 작업 속도와 작업 시간, 그리고 작업 높이에 따른 연구가 수행되었으면 한다. 본 연구의 피 실험자 대상은 남성에만 국한되었으므로 여성에 대한 실험으로도 확장하여 성별의 차이에 대한 연구도 고려하여야 할 것이다.
- 그러나 압축력은 작업 속도에 따라서도 영향을 받기 때문에 추 후 다양한 작업 속도와 작업 시간, 그리고 작업 높이에 따른 연구가 수행되었으면 한다. 본 연구의 피 실험자 대상은 남성에만 국한되었으므로 여성에 대한 실험으로도 확장하여 성별의 차이에 대한 연구도 고려하여야 할 것이다.
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