[논문]외발서기 시 시각정보 차단에 따른 인체 균형 특성 변화 분석

박정홍; 김광훈; 염창홍; 손권

외발서기 시 시각정보 차단에 따른 인체 균형 특성 변화 분석
Changes in Balance Characteristics Affected by the Visual Information during Single Leg Stance 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.28 no.11, 2011년, pp.1323 - 1329

박정홍 (부산대학교 기계공학부) , 김광훈 (부산대학교 기계기술연구원) , 염창홍 (동아대학교 경기지도학과) , 손권 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of study was to analyze how the visual information affects balance control of individuals during single leg stance. A total of 27 young normal people (20 males and 7 females, age: $13.7{\pm}2.6$, height: $162.3{\pm}13.2$ cm, weight: $53.9{\pm}13.9$ kg) was voluntarily involved in the experiment. The subjects were requested to maintain balance for 20 seconds with eyes both open and closed on a force plate and then foot ground reaction data were collected for that duration. Results showed that mean velocity of COP in closed eyes condition was larger 1.84 times than that of the open-eyes condition and range of vertical angle was increased approximately one degree in the closed eyes condition. To accomplish a balance, the frequency power in mediolateral and anteroposterior components of the foot-ground reaction force was increased by 1.3~1.4 times. Consequently, visual absence during single leg stance can result in critical loss of balance and lead to instability of body control.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^5,6,11 그리고 대표적으로 사용되는 CoP 범위, 속도, 가속도 등의 단순 변수 이외에 다양한 측면을 고려해야 한다.¹² 따라서 본 연구에서는 기존의 CoP 분석 자료뿐 아니라 CoP 벡터 해석과 속도 성분 분포, 그리고 균형을 제어하는 힘에 대한 주파수를 분석하여 시각 정보 차단 전후의 균형 제어 능력 변화를 해석하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 시각을 포함한 균형 제어 능력과 더불어 시각을 차단하여 젊은 정상인의 전정기관과 체성감각으로 제어되는 균형 능력을 정량적으로 분석함으로써 노인이나 환자의 균형 능력과 비교, 평가 등에 사용하기 위한 목적으로 연구를 수행하였다.
본 연구는 외발서기와 같은 매우 불안정한 조건에서 시각을 제거하여 전정기관과 체성감각기관으로만 균형을 이루는 상황에 대한 불안정성의 증가를 살펴보고자 하였다. 정상인 27 명에 대한 실험결과 눈을 감은 경우가 눈을 떴을 경우에 비해 CoP의 범위, 평균 속도에 대해 1.
4 배 증가하였다. 본 연구는 젊은 정상인의 외발서기 조건에서 시각 차단의 영향에 따른 균형 제어 능력을 CoP의 변화와 힘의 주파수 변화를 정량적으로 분석하였다. 이를 활용하여 노인, 전정기관 이상 환자 그리고 체성감각 이상 환자 등과 같은 그룹이 정상 그룹에 비하여 어느 정도 기능을 상실하였는지 혹은 노화에 따라 기능이 감퇴하였는지 비교함으로써 비정상 상태의 낙상위험도나 균형제어 능력을 정량적으로 평가할 수 있는 자료로 활용될 수 있다.
이들 방향의 힘은 힘판으로부터 Fx와 Fy로 얻어진다. 본 연구에서는 눈을 감고 뜬 경우의 안정성 변화를 관찰하고자 두 힘 성분의 주파수를 분석하였다.

제안 방법

균형 제어 능력을 평가하기 위해 양발 지지보다 불안정한 자세인 외발서기 자세에서 균형감각을 평가하였다. 이는 직립자세 중 가장 불안정한 조건이므로 시각까지 차단하게 될 경우 불안정성은 더욱 증폭될 수 있다.
CoP 평균 속도의 계산을 위해 우선 X 축과 Y 축 성분의 속도를 Richardson 외삽법을 사용하여 얻고, 이를 제곱근을 취하여 CoP 속도를 계산하였다. 그리고 이를 평균하여 평균 속도를 구하였다.
이 힘에 대하여 시간에 대한 특성을 알아보기 위해 주파수 분석을 실시하였다. 눈을 뜬 경우에 대비하여 눈을 감았을 때 얼마나 주파수 성분이 변화하였는지를 계산하기 위해 먼저 Fx와 Fy에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 하고 눈을 뜬 경우에 대한 파워스펙트럼을 구하였다.
¹³ 샘플링 주파수는 12 bit A/D 변환보드(DT3002, Data Translation, Marlboro, MA, USA)를 이용하여 100 Hz로 설정하였다. 앰프를 A/D 컨버터(VSAD-102-3C)에 연결하고 측정된 아날로그 신호를 디지털로 변환시켜 컴퓨터에 저장하였다. 측정된 압력중심(CoP, center of pressure)점의 위치 데이터와 3 축방향의 힘 Fx, Fy, Fz 데이터는 Butterworth 4 차 저주파 통과 필터를 이용하여 절단주파수(cutoff frequency) 8 Hz로 설정하여 필터링하였다.
여기서 CoP의 X 축과 Y 축의 각 범위(θ = tan-1(dr/hCOM))는 지면으로부터의 무게중심까지의 높이(hCOM)와 이동범위(dr)를 이용하여 수직을 기준으로 계산하였다.
9). 이 힘에 대하여 시간에 대한 특성을 알아보기 위해 주파수 분석을 실시하였다. 눈을 뜬 경우에 대비하여 눈을 감았을 때 얼마나 주파수 성분이 변화하였는지를 계산하기 위해 먼저 Fx와 Fy에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 하고 눈을 뜬 경우에 대한 파워스펙트럼을 구하였다.
신발은 착용하지 않은 상태에서 맨발로 실험을 진행하였다. 준비된 피실험자는 Fig. 1과 같이 힘판 위에 올라가 가장 안정된 자세를 취한 후 체중을 측정 하였다. 체중 측정 후 다시 실험 진행자의 지시에 따라 힘판에 올라가 양 발을 나란히 붙인 다음, 양 손은 자연스럽게 내리고 시선은 15 도 상단의 표적을 주시하게 한 후, 한 쪽 다리를 들게 하였다.
지면 반력 측정 시 절차에 따라 지면 반력 장비를 가동시킨 후 전기적 잡음을 최소화하기 위해 45 분 이상 예열하였다.¹³ 샘플링 주파수는 12 bit A/D 변환보드(DT3002, Data Translation, Marlboro, MA, USA)를 이용하여 100 Hz로 설정하였다.
체중 측정 후 다시 실험 진행자의 지시에 따라 힘판에 올라가 양 발을 나란히 붙인 다음, 양 손은 자연스럽게 내리고 시선은 15 도 상단의 표적을 주시하게 한 후, 한 쪽 다리를 들게 하였다. 지지 다리는 왼발이나 오른발의 차이가 있을 수있고 주로 사용하는 발의 운동능력에 따라 차이가 있을 수 있으므로 본 연구에서는 공을 찰 때 지지하고 있는 다리를 기준으로 지지 다리를 선정하였다. 피실험자마다 지지 다리를 구별하기 위해 공을 찰 때 어느 발로 차는지를 확인하였으며 확인 결과 피실험자는 모두 오른발로 공을 차는 오른발잡이였으며 지지 다리는 모두 왼발로 하였다.
1과 같이 힘판 위에 올라가 가장 안정된 자세를 취한 후 체중을 측정 하였다. 체중 측정 후 다시 실험 진행자의 지시에 따라 힘판에 올라가 양 발을 나란히 붙인 다음, 양 손은 자연스럽게 내리고 시선은 15 도 상단의 표적을 주시하게 한 후, 한 쪽 다리를 들게 하였다. 지지 다리는 왼발이나 오른발의 차이가 있을 수있고 주로 사용하는 발의 운동능력에 따라 차이가 있을 수 있으므로 본 연구에서는 공을 찰 때 지지하고 있는 다리를 기준으로 지지 다리를 선정하였다.
앰프를 A/D 컨버터(VSAD-102-3C)에 연결하고 측정된 아날로그 신호를 디지털로 변환시켜 컴퓨터에 저장하였다. 측정된 압력중심(CoP, center of pressure)점의 위치 데이터와 3 축방향의 힘 Fx, Fy, Fz 데이터는 Butterworth 4 차 저주파 통과 필터를 이용하여 절단주파수(cutoff frequency) 8 Hz로 설정하여 필터링하였다. 눈을 감은 상태와 눈을 뜬 상태의 균형 자료를 동일한 데이터 개수로 비교하기 위해서 20 초간 얻은 데이터에서 전후 2 초간은 초기 입각 및 균형상실 구간으로 설정하여 삭제하고 2~18 초 구간의 데이터를 이용하여 분석에 사용하였다.

대상 데이터

측정된 압력중심(CoP, center of pressure)점의 위치 데이터와 3 축방향의 힘 Fx, Fy, Fz 데이터는 Butterworth 4 차 저주파 통과 필터를 이용하여 절단주파수(cutoff frequency) 8 Hz로 설정하여 필터링하였다. 눈을 감은 상태와 눈을 뜬 상태의 균형 자료를 동일한 데이터 개수로 비교하기 위해서 20 초간 얻은 데이터에서 전후 2 초간은 초기 입각 및 균형상실 구간으로 설정하여 삭제하고 2~18 초 구간의 데이터를 이용하여 분석에 사용하였다. Fig.
실험장치는 디지털 비디오 카메라(Sony VX2100, Japan), 동조기(VSAD-CB, Visol, Korea), 지면반력 분석 소프트웨어(KwonGRF 2.0, Visol, Korea), 힘판(OR6-7, AMTI, USA) 그리고 힘판 증폭기(MSA-6, AMTI, USA)로 구성하였다.
피실험자마다 지지 다리를 구별하기 위해 공을 찰 때 어느 발로 차는지를 확인하였으며 확인 결과 피실험자는 모두 오른발로 공을 차는 오른발잡이였으며 지지 다리는 모두 왼발로 하였다. 실험진행자는 피실험자에게 눈을 뜬 상태와 눈을 감은 상태에서 균형을 최대한 유지하도록 요청하여 자료를 획득하였다. 이중 눈을 감은 상태에서는 첫번째 시도에서 수초를 넘기지 못하고 넘어지는 경우가 있었으며 이러한 경우에는 재시도 후 성공한 자료를 획득하였다.
피실험자는 젊은 정상인 27 명(남자 20 명, 여자 7 명, 나이 13.7±2.6 세, 키 162.3±13.2 cm 몸무게 53.9±13.9 kg)을 대상으로 하였다.

데이터처리

4는 모든 피실험자에 대해서 눈을 감은 경우와 눈을 뜬 경우에 대해 평균 속도를 나타내었다. 그리고 눈을 뜬 경우(EO)를 평균속도의 크기로 오름차순으로 정열하고 각각에 대해 눈을 감은 경우의 평균을 나타내었다. Fig.

이론/모형

지면에서 무게중심까지의 높이(h_COM)는 Park 등¹⁴의 측정자료를 근거로 키의 57%가 되는 높이를 무게중심의 수직 높이로 산출하였다. CoP 평균 속도의 계산을 위해 우선 X 축과 Y 축 성분의 속도를 Richardson 외삽법을 사용하여 얻고, 이를 제곱근을 취하여 CoP 속도를 계산하였다. 그리고 이를 평균하여 평균 속도를 구하였다.

성능/효과

각각의 파라미터에 대해 눈을 떴을 경우에 대한 눈을 감은 경우의 비를 계산했을 때 평균 속도가 1.84로 가장 큰 차이를 보였다. 이것은 Day 등¹⁵이 시각 차단 시 동요의 증가와 함께 CoP 속도 증가가 일어나는 것과 같은 결과이며 Raymakers 등¹⁶이 CoP 파라미터 중 평균 속도가 가장 큰 구별요소라고 말하고 있는 내용과도 일치한다.
7의 히스토그램에서 전체 데이터의 10~95 %까지 5 %간격과 99 %에 대한 속도를 나타내었다. 결과 그래프 상에서 나타나는 바와 같이 속도분포의 10~50 %까지는 평균 속도의 차이가 4.5 cm/sec 이하로 나타나는데 비하여 85 %이상부터는 9.0 cm/sec로 두 배의 CoP 속도 증가가 나타났다. CoP의 속도가 빠른 것은 Fig.
8 배 가량 증가하였다. 그리고 모든 피실험자에 대해 CoP 평균 속도는 눈을 감은 경우에 대해 모두 증가해 시각정보의 차단이 불안정을 증가시키는 중요한 원인임을 밝혀낼 수 있었다. 그리고 속도 분포의 경우 눈을 감은 경우와 뜬 경우의 차이가 10% 이후 지점부터 서서히 비선형적으로 증가하였다.
8°의 각 범위가 나타났다. 본 실험 값을 토대로 각도의 측면에서 볼 때, 외발서기와 같이 지지영역(base of support)이 좁은 자세에서 균형을 유지하기 위해 인체는 수직선을 중심으로 매우 좁은 범위 안에서 균형을 이루고 있음을 알 수 있다.
이동거리를 각도로 환산하였을 때 눈을 감고 외발서기를 했을 경우 각각 거의 1° 가량 증가한 것으로 나타났다.
0~5 Hz에 대해 1~5 Hz와 2~5 Hz로 갈수록 큰 변화가 없는 것은 0~2 Hz의 저주파 성분은 큰 변화가 없다는 것을 의미하므로 2~5 Hz의 힘 성분들이 눈을 감았을 때 증가하는 주파수 성분임을 알 수 있다. 즉, 눈을 감았을 때가 떴을 때보다 불안정성이 커졌음을 확인할 수 있었다.
지지 다리는 왼발이나 오른발의 차이가 있을 수있고 주로 사용하는 발의 운동능력에 따라 차이가 있을 수 있으므로 본 연구에서는 공을 찰 때 지지하고 있는 다리를 기준으로 지지 다리를 선정하였다. 피실험자마다 지지 다리를 구별하기 위해 공을 찰 때 어느 발로 차는지를 확인하였으며 확인 결과 피실험자는 모두 오른발로 공을 차는 오른발잡이였으며 지지 다리는 모두 왼발로 하였다. 실험진행자는 피실험자에게 눈을 뜬 상태와 눈을 감은 상태에서 균형을 최대한 유지하도록 요청하여 자료를 획득하였다.

후속연구

본 연구는 젊은 정상인의 외발서기 조건에서 시각 차단의 영향에 따른 균형 제어 능력을 CoP의 변화와 힘의 주파수 변화를 정량적으로 분석하였다. 이를 활용하여 노인, 전정기관 이상 환자 그리고 체성감각 이상 환자 등과 같은 그룹이 정상 그룹에 비하여 어느 정도 기능을 상실하였는지 혹은 노화에 따라 기능이 감퇴하였는지 비교함으로써 비정상 상태의 낙상위험도나 균형제어 능력을 정량적으로 평가할 수 있는 자료로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	균형 제어 능력은 일상생활에서 어떤 의미를 가지고 있는가?	균형 제어 능력은 일상생활을 영위하기 위한 기본적인 능력이며 동시에 가장 중요한 기능 가운데 하나이다. 균형감 혹은 평형감각을 잃게 되면 일상생활의 불편함뿐 아니라 사회활동을 하는데 있어 매우 많은 제약이 따르기 때문에 이를 유발 하는 질병이나 외상에 의한 기능상실은 개인과 사회적으로 큰 문제를 일으킬 수 있다.
	균형 제어 능력이 부족하면 어떤 문제가 있는가?	균형 제어 능력은 일상생활을 영위하기 위한 기본적인 능력이며 동시에 가장 중요한 기능 가운데 하나이다. 균형감 혹은 평형감각을 잃게 되면 일상생활의 불편함뿐 아니라 사회활동을 하는데 있어 매우 많은 제약이 따르기 때문에 이를 유발 하는 질병이나 외상에 의한 기능상실은 개인과 사회적으로 큰 문제를 일으킬 수 있다. 특히, 노령화 사회가 되면서 노인들이 일생생활에서 보편적으로 겪게 되는 것이 근력 약화, 감각 기관의 노화로 균형 능력이 크게 떨어져 쉽게 넘어지는 경우가 발생하고 있으며 균형 제어에 영향을 미치는 질병을 앓고 있는 환자의 경우도 이와 동일한 상황에 놓여 있다.
	인체의 균형을 담당하는 기관들은?	인체의 균형은 전정기관(vestibular system), 체성감각기관(somatosensory system) 그리고 시각기관 (visual system)과 같은 감각기에서 받아들여진 정보를 중추신경계에서 판단하여 근육에 신호를 보내어 몸이 넘어지지 않도록 유지하는 일련의 통제에 의해 이루어진다. 이러한 감각기 가운데 전정기관은 균형을 이루는데 있어 가장 중요한 감각기이기 때문에 이에 대한 손상은 즉각적인 균형 능력 상실로 이어지게 된다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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