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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 우선 흉추와 요추로 구분된 3차원 몸통 인체 기구학 모델을 이용하여 하중이 어깨에 작용할 때 흉추와 요추에서 발생하는 기구학적 변인의 변화가 전체 몸통 기구학 변인 변화에 어떻게 영향을 미쳤는지 파악하는데 있다. 이를 위해 본 연구에서는 몸통과 흉추 그리고 요추의 전방기울기(trunk forward lean), 측방기울기 (trunk lateral lean), 요추만곡, 요추분절사이각들의 변화를 조사하였다.
- 최근 많은 연구자들이 가방메기의 생체역학적 영향 평가를 수행하였지만[1-3] 대부분의 연구들은 몸통 분절을 허리부터 어깨까지 하나로 해석하여 세부적인 척추 자세를 분석하기에 한계점을 갖고 있었다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하고자 몸통을 흉추(thorax)와 요추(lumbar)로 나누고, 요추부에 집중 마커를 부착하여 분절사이각을 파악하였다.
제안 방법
- 10명의 피험자는 7가지 실험 조건(2가지 하중방식 × 3가지 무게와 통제조건)을 임의 순서로 반복하여 수행하였다.
- 3, Motion Analysis System, Santa Rosa, CA, USA)과 수치해석 프로그램(MATLAB R2009a, The MathWorksTM, MA, USA) 을 이용하여 인체분절각을 계산하였다. 바로 선 자세에서 조건별 몸통의1) 전방기울기, 2) 측방기울기, 요추의3) 만곡과4) 분절사이각, 그리고 흉추와 요추의5) 수평면 축회전 및6) 측방기울기를 계산하고 비교하였다. 몸통의 움직임을 세분화하기 위하여 전상장골극(anterior superior iliac spine; ASIS)과 후상장골극(posterior superior iliac spine; PSIS) 부위에 붙인 마커를 사용하여 골반선(그림 1의 ③)을 정의하였고, L1의 좌우측에 붙인 마커를 연결한 요추선(그림 1의 ②)과 골반선(그림 1의 ③)을 이용하여 요추를 구분하였다.
- 자세변인들을 산출하기 위해 반사마커를 이용하여 몸통 분절을 정의하였고[18-20], 요추만곡의 변화를 정량화하기 위하여 요추 부위 L1, L2, L3, L4, L5, L1왼쪽, L1오른쪽에 마커 7개를 추가하였다(그림 1). 가방을 실험에 사용하면 등과 요추에 붙인 마커들이 가려 지기 때문에 본 연구에서는 웨이트 트레이닝 운동기구인 덤벨 디스크를 이용하여 그림 2와 같은 방법으로 가방을 대체 하였다. 끈을 가지고 덤벨 디스크를 결박한 후 어깨 끈을 짧게 조절하여 요추 마커가 가리지 않도록 조절하였고, 피부에 압박이 적게 가해지도록 가능한 넓은 끈을 사용하여 어깨에 멜 수 있도록 하였다.
- 3회 반복 실시한 후 평균값을 대표값으로 사용 하였다. 같은 방법으로 BC방법과 UC방법일 때 무게를 변화시켜가면서 측정하였다. 세 가지 하중 조건은 무작위로 배정 하여 무게에 의한 피로도의 영향을 배제하였다.
- 몸통의 움직임을 세분화하기 위하여 전상장골극(anterior superior iliac spine; ASIS)과 후상장골극(posterior superior iliac spine; PSIS) 부위에 붙인 마커를 사용하여 골반선(그림 1의 ③)을 정의하였고, L1의 좌우측에 붙인 마커를 연결한 요추선(그림 1의 ②)과 골반선(그림 1의 ③)을 이용하여 요추를 구분하였다. 그리고 흉추를 양 어깨 위의 마커를 연결한 어깨선(그림 1의 ①)과 요추선(그림 1의 ②)으로 구분하였다. 이때 각분절의 기울기와 회전각은 하위분절을 기준으로 한 상대각으로 정의되었고 전방기울기는 시상면에서 두 분절의 수직축, 측방기울기는 전두면에서의 좌우축, 그리고 회전각은 수평면에서의 좌우축을 기준으로 계산되었다(그림 1).
- 가방을 실험에 사용하면 등과 요추에 붙인 마커들이 가려 지기 때문에 본 연구에서는 웨이트 트레이닝 운동기구인 덤벨 디스크를 이용하여 그림 2와 같은 방법으로 가방을 대체 하였다. 끈을 가지고 덤벨 디스크를 결박한 후 어깨 끈을 짧게 조절하여 요추 마커가 가리지 않도록 조절하였고, 피부에 압박이 적게 가해지도록 가능한 넓은 끈을 사용하여 어깨에 멜 수 있도록 하였다. 가방 무게 조건은 웨이트 트레이닝 운동기구인 5 kg의 덤벨 디스크 3개를 이용한 5 kg, 10 kg, 15 kg이었다.
- 10명의 피험자는 7가지 실험 조건(2가지 하중방식 × 3가지 무게와 통제조건)을 임의 순서로 반복하여 수행하였다. 먼저 피험자는 타이즈 바지를 입고 상의를 탈의한 후 해부학적 자세를 취하였다. 그 후 실험자가 하지 및 골반에 21개 반사마커와 몸통에 요추 집중 마커셋(7개)을 포함한 16개의 반사마커를 부착하였다.
- 본 연구에서는 가방 무게가 증가할 때 척추 자세가 어떻게 변화하는지를 알아보기 위해 가방 메는 방법과 하중의 크기를 달리하였다. 몸통은 요추와 흉추 두 분절로 구분하였고, 추가적인 마커를 요추 부위에 부착하여 요추만곡 변화를 구체적으로 살펴보았다.
- 몸통의 수평면 축회전과 측방기울기는 수평면과 관상면에서 골반선, 요추선, 어깨선 을 이용하여 분석되었다. 결과는 통제조건을 기준으로 실험 조건 별 변화각으로 표시하였다.
- 바로 선 자세에서 조건별 몸통의1) 전방기울기, 2) 측방기울기, 요추의3) 만곡과4) 분절사이각, 그리고 흉추와 요추의5) 수평면 축회전 및6) 측방기울기를 계산하고 비교하였다. 몸통의 움직임을 세분화하기 위하여 전상장골극(anterior superior iliac spine; ASIS)과 후상장골극(posterior superior iliac spine; PSIS) 부위에 붙인 마커를 사용하여 골반선(그림 1의 ③)을 정의하였고, L1의 좌우측에 붙인 마커를 연결한 요추선(그림 1의 ②)과 골반선(그림 1의 ③)을 이용하여 요추를 구분하였다. 그리고 흉추를 양 어깨 위의 마커를 연결한 어깨선(그림 1의 ①)과 요추선(그림 1의 ②)으로 구분하였다.
- 세 가지 하중 조건은 무작위로 배정 하여 무게에 의한 피로도의 영향을 배제하였다. 바닥에 발뒤꿈치 위치를 표시하여 바로 선 자세의 발 위치를 일정하게 위치시킬 수 있도록 하였고, 전방에 표식을 설치하여 시선도 고정시킬 수 있도록 하였다.
- 본 연구결과에서는 다른 가방 연구결과에서 볼 수 없었던 복합적 자세변화(coupling motion)를 볼 수 있었다. 즉, 요추와 흉추의 자세 변화가 단순하게 하나의 해부학적 평면 상에서만 이루어지는 것이 아니고, 3차원 공간상에서 복합적으로 발생하였다.
- 본 연구는 몸통을 흉추와 요추로 구분하여 두 개 분절의 움직임을 3차원 공간상에서 파악할 수 있는 모델에 적용하였고, 가방을 메는 방법과 무게에 따라 몸통의 전방기울기, 측방기울기, 요추만곡, 분절사이각, 두 분절(요추, 흉추)의 기울기와 회전각을 분석하였다.
- 본 연구에서는 가방 무게가 증가할 때 척추 자세가 어떻게 변화하는지를 알아보기 위해 가방 메는 방법과 하중의 크기를 달리하였다. 몸통은 요추와 흉추 두 분절로 구분하였고, 추가적인 마커를 요추 부위에 부착하여 요추만곡 변화를 구체적으로 살펴보았다.
- 같은 방법으로 BC방법과 UC방법일 때 무게를 변화시켜가면서 측정하였다. 세 가지 하중 조건은 무작위로 배정 하여 무게에 의한 피로도의 영향을 배제하였다. 바닥에 발뒤꿈치 위치를 표시하여 바로 선 자세의 발 위치를 일정하게 위치시킬 수 있도록 하였고, 전방에 표식을 설치하여 시선도 고정시킬 수 있도록 하였다.
- 요추 반사마커의 위치좌표를 시상면 상에 투영하여 각 실험 조건에서 자세변화를 살펴보았다. 그림 3은 요추 반사마커들의 시상면 좌표값(수평축값)을 표시한 그래프들이며, 요추만곡(L1에서 S1까지) 변화를 비교하기 위해 각 무게조건 별로 나타내었다.
- 요추부에는 6개 반사마커(L1, L2, L3, L4, L5, S1)를 이용하여 각 실험조건에서 요추전만(lordosis) 형태가 어떻게 변화하는지를 알아보았다. θ1은 S1-L5-L4 마커를 이용하여 정의한 분절사이각으로 요추의 하단이고, θ2는 L5-L4-L3, θ3은 L4-L3-L2, θ4는 L3-L2-L1 마커들을 이용하여 정의되며, θ4는 요추 상단부 분절사이각이다(그림 4).
- 하지만 UC방법에서는 좌우불균형을 극복하기 위해 시계 반대방향으로 몸통을 회전하였다(표 2), 이는 하중 작용선을 신체 중심선에 더 가까이 붙여 저항 모멘트를 줄이기 위한 노력으로 보였다. 이때 몸통자세의 변화를 흉추와 요추로 구분하여 기술하였다. 흉추는 수평면과 전두면에서의 유의한 변화가 없었으나, 요추는 수평면상에서 반시계방향의 유의한 회전 움직임이 발생하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 몸통과 흉추 그리고 요추의 전방기울기(trunk forward lean), 측방기울기 (trunk lateral lean), 요추만곡, 요추분절사이각들의 변화를 조사하였다. 이때 실험 조건으로는 두 가지 가방메기 방식(양쪽메기(bilateral carrying: BC)와 한쪽메기(unilateral carrying: UC))과 4가지 하중 무게(0 kg, 5 kg, 10kg, 15 kg)를 선택하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 우선 흉추와 요추로 구분된 3차원 몸통 인체 기구학 모델을 이용하여 하중이 어깨에 작용할 때 흉추와 요추에서 발생하는 기구학적 변인의 변화가 전체 몸통 기구학 변인 변화에 어떻게 영향을 미쳤는지 파악하는데 있다. 이를 위해 본 연구에서는 몸통과 흉추 그리고 요추의 전방기울기(trunk forward lean), 측방기울기 (trunk lateral lean), 요추만곡, 요추분절사이각들의 변화를 조사하였다. 이때 실험 조건으로는 두 가지 가방메기 방식(양쪽메기(bilateral carrying: BC)와 한쪽메기(unilateral carrying: UC))과 4가지 하중 무게(0 kg, 5 kg, 10kg, 15 kg)를 선택하였다.
- 동작 분석을 위해 8대의 적외선 카메라로 구성된 3차원 동작분석시스템(Hawk® System, Motion Analysis System, Santa Rosa, CA)을 이용하여 신체에 부착된 반사마커 데이터를 획득하였다(100 Hz 획득률). 자세변인들을 산출하기 위해 반사마커를 이용하여 몸통 분절을 정의하였고[18-20], 요추만곡의 변화를 정량화하기 위하여 요추 부위 L1, L2, L3, L4, L5, L1왼쪽, L1오른쪽에 마커 7개를 추가하였다(그림 1). 가방을 실험에 사용하면 등과 요추에 붙인 마커들이 가려 지기 때문에 본 연구에서는 웨이트 트레이닝 운동기구인 덤벨 디스크를 이용하여 그림 2와 같은 방법으로 가방을 대체 하였다.
대상 데이터
- 먼저 피험자는 타이즈 바지를 입고 상의를 탈의한 후 해부학적 자세를 취하였다. 그 후 실험자가 하지 및 골반에 21개 반사마커와 몸통에 요추 집중 마커셋(7개)을 포함한 16개의 반사마커를 부착하였다.
- 동작 분석을 위해 8대의 적외선 카메라로 구성된 3차원 동작분석시스템(Hawk® System, Motion Analysis System, Santa Rosa, CA)을 이용하여 신체에 부착된 반사마커 데이터를 획득하였다(100 Hz 획득률).
- 피험자는 요추 및 하지의 근골격계 질환이 없는 건강한 대학생 남자 중에서 체중이 70 kg 내외인 10명이었다. 이들의 평균 체중은 70.
데이터처리
- 3차원 동작분석 프로그램(Cortex® ver.1.3, Motion Analysis System, Santa Rosa, CA, USA)과 수치해석 프로그램(MATLAB R2009a, The MathWorksTM, MA, USA) 을 이용하여 인체분절각을 계산하였다.
- 피험자가 하중을 메지 않고 선 자세 (upright posture)를 30초간 측정한 후 통제조건(0 kg)이라 정의하였다. 3회 반복 실시한 후 평균값을 대표값으로 사용 하였다. 같은 방법으로 BC방법과 UC방법일 때 무게를 변화시켜가면서 측정하였다.
- 무게에 따른 주효과가 감지되면 Bonferroni의 다중비교방법을 통해 각 무게조건 간의 평균값을 비교하여 주효과의 원인을 찾아내었다. 모든 표본을 대상으로 Mauchly의 구형성 검정(sphericity test)을 실시하였고, 구형성 가정에 위배되었을 때 Huynh-Feldt 보정법을 통해 유의확률을 얻어내었다[21]. 전체 통계의 유의 확률은 0.
- 통계분석은 일원반복측정분산분석과 이원반복측정분산분석을 사용하여 가방 메는 방법과 가방무게에 따른 주효과 및 상호작용을 조사하였다. 무게에 따른 주효과가 감지되면 Bonferroni의 다중비교방법을 통해 각 무게조건 간의 평균값을 비교하여 주효과의 원인을 찾아내었다.
이론/모형
- 통계분석은 일원반복측정분산분석과 이원반복측정분산분석을 사용하여 가방 메는 방법과 가방무게에 따른 주효과 및 상호작용을 조사하였다. 무게에 따른 주효과가 감지되면 Bonferroni의 다중비교방법을 통해 각 무게조건 간의 평균값을 비교하여 주효과의 원인을 찾아내었다. 모든 표본을 대상으로 Mauchly의 구형성 검정(sphericity test)을 실시하였고, 구형성 가정에 위배되었을 때 Huynh-Feldt 보정법을 통해 유의확률을 얻어내었다[21].
성능/효과
- 가방 무게가 증가 할 때 BC방법과 UC방법 모두 몸통전방기울기가 증가하는 경향을 나타냈으나, 각각 다른 기전에 의해 발생한 것으로 판단되었다. BC방법에서 요추의 변화에 의해서만 몸통전방기울기가 발생한 데 반하여, UC방법에서는 요추의 측방기울기와 축회전, 그리고 흉추의 전방기울기 변화에 의해 발생하였다.
- 본 연구에서는 무게 증가에 따른 몸통 기구학적 변인을 분석한 결과 BC방법에서 15 kg의 하중이 작용할 경우 요추만곡과 분절사이각에서 유의한 변화를 보였고, UC방법에서 10, 15 kg의 하중에서 유의한 수평면 회전각 변화를 보였다. 따라서 15 kg(체중 대비 약 21%)의 하중은 BC방법과 UC방법 모두에서, 10 kg(체중 대비 약 14%)의 하중은 UC방법에서 몸통자세의 변화를 일으키며, 이러한 몸통자세의 변화는 근골격계 질환의 원인을 찾기 위한 단서가 될 수 있을 것이다.
- 몸통전방기울기는 BC방법에서 각각 4.16 ± 3.04º (5 kg), 5.99 ± 3.50º (10 kg), 8.15 ± 7.40º (15 kg)로 유의하게 증가하였다(p < 0.01).
- 몸통측방기울기는 BC방법에서 무게 조건에 따라 유의한 차이(p = 0.91)가 없었지만 UC방법에서는 무게가 증가할수록 하중 반대 방향으로 측방기울기가 유의하게 증가하였다 (p < 0.01).
- 인체의 근골격계 질환을 예방하기 위한 적절한 가방 무게를 찾으려는 기존의 연구들은 가방을 멨을 때 유의한 자세 변화를 일으키는 무게값을 기준으로 가방무게의 적절성을 판단하였다[5,10-14]. 본 연구에서는 무게 증가에 따른 몸통 기구학적 변인을 분석한 결과 BC방법에서 15 kg의 하중이 작용할 경우 요추만곡과 분절사이각에서 유의한 변화를 보였고, UC방법에서 10, 15 kg의 하중에서 유의한 수평면 회전각 변화를 보였다. 따라서 15 kg(체중 대비 약 21%)의 하중은 BC방법과 UC방법 모두에서, 10 kg(체중 대비 약 14%)의 하중은 UC방법에서 몸통자세의 변화를 일으키며, 이러한 몸통자세의 변화는 근골격계 질환의 원인을 찾기 위한 단서가 될 수 있을 것이다.
- 본 연구의 결과를 살펴보면 몸통의 전방기울기와 측방기울기는 가방을 메는 방법(BC방법과 UC방법)에 따라 다르게 나타났다. BC방법에서는 무게가 증가함에 따라 몸통전방기울기만 증가한 반면, UC방법에서는 측방기울기와 전방기울기 모두 증가하였다(표 2).
- 사후분석 결과 15 kg 무게를 들 때의 몸통측방 기울기값이 통제조건(0 kg)(p < 0.01)과 5 kg의 무게조건(p< 0.05)일 때의 값들보다 유의하게 크게 나왔다(표 2).
- 요추 자세변화를 보면 하중이 증가할수록 UC방법보다 BC 방법에서 요추전만이 커지고 만곡은 평평해졌다(그림 3). 이러한 현상은 스쿼트(squat)운동 연구에서도 보고되었으며, 요추에서 전단력(sheer force)을 감소시키기 위한 보상작용으로 여겨진다[22].
후속연구
- 이렇듯 척추에서 굴곡과 축회전각 변화가 동시에 발생하므로 하중에 따른 척추 영향 평가 시 복합적 자세변화를 반드시 고려해야 할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 지속적인 가방메기로 인해 발생할 수 있는 만성적 자세 변형과 요통 등의 상관성을 평가할 때 중요한 근거가 될 수 있을 것이며, 척추의 구체적인 하중 적응 패턴과 척추 시뮬레이션 연구의 기초 자료로 제공될 수 있을 것이다.
- 또한 Fowler 등[17]은 한쪽 어깨에 멘 하중에 따라 흉추와 요추의 움직임이 전두면과 시상면에서 다르게 나타난다고 보고 하였다. 이 연구는 흉추와 요추의 움직임을 구분하였다는 점에서 중요한 의미를 갖지만, 흉추와 요추의 수평면 움직임을 분석하지 못했다는 한계점을 가지고 있다. 또한 요추 마커의 수가 적어(3개) 자세한 분절사이각 변화는 파악할 수 없었다.
- 즉, 한쪽 어깨에 메는 가방은 요추의 측방기울기와 축회전각 변화를, 그리고 흉추의 전방 기울기 변화를 일으켰다. 이렇듯 척추에서 굴곡과 축회전각 변화가 동시에 발생하므로 하중에 따른 척추 영향 평가 시 복합적 자세변화를 반드시 고려해야 할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 지속적인 가방메기로 인해 발생할 수 있는 만성적 자세 변형과 요통 등의 상관성을 평가할 때 중요한 근거가 될 수 있을 것이며, 척추의 구체적인 하중 적응 패턴과 척추 시뮬레이션 연구의 기초 자료로 제공될 수 있을 것이다.
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