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문제 정의
- 이와 같은 관점에서 무릎관절에 근 불균형은 중요한 의미를 갖는다고 생각된다. 따라서 본 연구에서는 체력관련 요인들의 객관적 평가를 통해 선발된 체육영재 아동들을 대상으로 동역학적인 관점에서 하지근력의 불균형이 드롭 랜딩 시 나타날 수 있는 최대지면 반력, 최대무릎각도, 관절 모멘트, 근전도에서의 문제점에 대해 밝히고자 하며, 이를 통해 잠재적 부상원인인 근 불균형에 대한 상해 예측 가능성의 간접적 근거를 제시하고 미성숙 아동들의 운동참여에 따른 상해 예방 프로그램의 필요성을 제시하고자 함에 그 목적이 있다.
- 본 연구는 드롭 랜딩 동작 시 근 불균형에 따른 하지 관절의 변화를 운동역학적으로 분석하여 상해예방과 근 균형의 관련성을 도출하기 위해 실시하였다.
- 본 연구는 드롭 착지 시 하지 불균형이 있는 남자 초등학생들을 대상으로 하지의 생체역학적 차이를 규명하는 것이다. 따라서 근력이 강한 다리(strength leg)를 우성하지(dominant side)로, 근력이 약한 다리(strengthless leg)를 열성하지(non-dominant side)로 결정하였으며, 각 분석은 좌우측이 아닌 우성 및 열성하지를 기준으로 이루어졌다.
- 본 연구의 목적은 체육영재 아동을 대상으로 드롭 착지 시 근 불균형에 따른 우성하지와 열성하지의 생체역학적 변인 차이를 분석하는데 있다. 그 결과 우성하지에서 최대수직지면반력이 유의하게 높았으며, 열성하지 보다 무릎관절 모멘트가 큰 것으로 나타나 무릎굴곡 동작을 보다 안정적으로 제어한 것으로 생각된다.
제안 방법
- 근전도 데이터는 최대 정적수축 근전도치에 대하여 아래의 공식을 사용하여 표준화하였다. 각 피험자와 각 조건에 따라 최대 근전도치와 평균근전도치를 계산하였다.
- 근전도 분석을 위해 대퇴직근(rectus femoris)과 대퇴이두근(biceps femoris), 외측 비복근(lateral gastrocnemius)에 표면전극(surface electrode)을 부착하였으며(Cram, Kasman & Holtz, 1998), 부착하기 전 측정오류를 최소화하기 위하여 알코올로 깨끗이 소독하였다.
- 본 연구는 드롭 착지 시 하지 불균형이 있는 남자 초등학생들을 대상으로 하지의 생체역학적 차이를 규명하는 것이다. 따라서 근력이 강한 다리(strength leg)를 우성하지(dominant side)로, 근력이 약한 다리(strengthless leg)를 열성하지(non-dominant side)로 결정하였으며, 각 분석은 좌우측이 아닌 우성 및 열성하지를 기준으로 이루어졌다. 실험에 참가한 피험자 모두는 실험 중 발생할 수 있는 부상을 예방하기 위해 10분간의 스트레칭과 준비운동으로 웜업과 드롭랜딩을 5회 이상 연습을 실시한 후 실험에 참여하였다.
- 또한 디지타이징하여 얻은 2차원 자표값을 3차원 공간 좌표값으로 변환하기 위하여 Abdel-Aziz와 Kararah(1971)가 개발한 DLT방법을 이용하여 계산하였으며, 각 각의 영상자료를 3차원 스플라인함수(cubic spline function)를 이용, 보간하여 동조하고 노이즈를 제거하기 위해 Butterworth의 2차 저역통과 필터(2nd low-pass filter)를 사용하여 스무딩하였으며, 이때 차단 주파수는 6 Hz로 설정하였다. 또한 근전도 분석은 실험을 통해 얻은 원 자료를 10 Hz의 고역 통과 필터와 500 Hz의 저역 통과 필터를 사용하여 필터링(low-pass filtering) 한 후 사용하였다. 근전도 데이터는 최대 정적수축 근전도치에 대하여 아래의 공식을 사용하여 표준화하였다.
- 드롭 착지 시 넘어지거나 균형을 잃어 손이 지면에 닿는 것을 제외한 성공적인 2회 동작을 기록하였다. 본 실험에서의 구간 설정은 착지 시 순간의 최저 한계치를 8 N으로 하여 그 이상의 값이 나오는 발이 지면에 닿는 시점(initial contact, IC)과 무릎이 최대로 굴곡(maximum knee flexion, MKF) 시점으로 구분하였으며, 두 시점 사이를 landing phase(LP)로 분류하여 분석하였다[Figure 2]. 수집된 지면반력 데이터 값을 일반화하기 위해 각 대상자들의 몸무게(body weight)로 나누었다.
- 본 연구에서 통제점 좌표화와 인체관절 중심점의 좌표화, 동조, DLT방법에 의한 3차원 좌표 계산과 자료의 스무딩은 Kwon3D XP(Visol, Korea) 동작프로그램을 사용하였다. 인체좌표계 설정 및 관절 중심은 Tylkowsky 방식(Tylkowsky, Simon & Mansour, 1982)을 사용하여 계산하였으며, 무릎의 신전 및 굴곡 모멘트는 Winter(1980)방식을 사용하여 계산하였다.
- 본 실험에서의 구간 설정은 착지 시 순간의 최저 한계치를 8 N으로 하여 그 이상의 값이 나오는 발이 지면에 닿는 시점(initial contact, IC)과 무릎이 최대로 굴곡(maximum knee flexion, MKF) 시점으로 구분하였으며, 두 시점 사이를 landing phase(LP)로 분류하여 분석하였다[Figure 2]. 수집된 지면반력 데이터 값을 일반화하기 위해 각 대상자들의 몸무게(body weight)로 나누었다.
- 따라서 근력이 강한 다리(strength leg)를 우성하지(dominant side)로, 근력이 약한 다리(strengthless leg)를 열성하지(non-dominant side)로 결정하였으며, 각 분석은 좌우측이 아닌 우성 및 열성하지를 기준으로 이루어졌다. 실험에 참가한 피험자 모두는 실험 중 발생할 수 있는 부상을 예방하기 위해 10분간의 스트레칭과 준비운동으로 웜업과 드롭랜딩을 5회 이상 연습을 실시한 후 실험에 참여하였다. 피험자 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판 재질의 운동복을 착용하고 피험자의 대퇴 및 하퇴, 견갑부에 직경 1.
- 지면반력 자료의 수집은 지면반력 측정기(AMTI ORG-6, MA) 2대를 사용하였으며, 근전도는 8채널 무선 노락슨(Noraxon Myoresearch, USA)을 사용하여 측정하였다. 영상분석, 지면반력, 근전도 신호의 동조는 동조시스템 박스(VSAD-101USB, Visol, Korea)를 사용하였다. 영상분석 신호와 지면반력 신호는 동조시스템에 2대의 LED와 지면반력 동조(sync)채널에 연결하여 동조시켰다.
- 본 실험은 C대학교 운동역학 실험실에서 이루어졌으며, 실험도구는 고해상도 비디오 카메라(MotionMaster200, visol, korea) 6대를 사용하였으며, 노출시간은 1/500 sec, 카메라의 속도는 100 frame/s로 설정하였다. 지면반력 자료의 수집은 지면반력 측정기(AMTI ORG-6, MA) 2대를 사용하였으며, 근전도는 8채널 무선 노락슨(Noraxon Myoresearch, USA)을 사용하여 측정하였다. 영상분석, 지면반력, 근전도 신호의 동조는 동조시스템 박스(VSAD-101USB, Visol, Korea)를 사용하였다.
- 실험에 참가한 피험자 모두는 실험 중 발생할 수 있는 부상을 예방하기 위해 10분간의 스트레칭과 준비운동으로 웜업과 드롭랜딩을 5회 이상 연습을 실시한 후 실험에 참여하였다. 피험자 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판 재질의 운동복을 착용하고 피험자의 대퇴 및 하퇴, 견갑부에 직경 1.4 cm 크기의 반사마커 21개를 부착하였으며[Figure 1], 지역좌표계 설정과 관절중심점을 찾기 위해 양 발을 20 cm 평행하게 유지한 정지 자세(static trial)를 3초간 촬영하였다. 정지자세에서 관절의 중심점을 찾기 위해서 사용되었던 좌·우 내측상과(medial epicondyle)와 내과(medial malleous) 마커는 랜딩 동작 수행 전에 제거하였다.
대상 데이터
- 본 실험은 C대학교 운동역학 실험실에서 이루어졌으며, 실험도구는 고해상도 비디오 카메라(MotionMaster200, visol, korea) 6대를 사용하였으며, 노출시간은 1/500 sec, 카메라의 속도는 100 frame/s로 설정하였다. 지면반력 자료의 수집은 지면반력 측정기(AMTI ORG-6, MA) 2대를 사용하였으며, 근전도는 8채널 무선 노락슨(Noraxon Myoresearch, USA)을 사용하여 측정하였다.
- 본 연구의 피험자는 G광역시 C대학 체육영재센터에서 영재 프로그램에 참여하는 초등학생 10명(연령 12.28±0.70 year, 신장 1.52±0.1 m, 체중 45.2±4.9 kg)을 대상으로 하였다.
- 9 kg)을 대상으로 하였다. 이들 모두는 최근 1년 동안 하지관절 및 전신에 어떠한 부상경험도 없었으며, 실험 전 등속성 운동기구(60 deg/s)를 사용하여 대퇴사두근 및 대퇴이두근의 최대 근회전력(peak torque)을 측정하여 두 근육군의 좌우 근력 대칭비가 10 % 이상인 피험자를 선정하였다. 하지근력의 좌우 균형비는 굴곡 및 신전 시 좌·우 최대 토크 값을 각각 산출하여, 높은 최대 토크값에서 낮은 최대토크값은 제한 후 높은 최대 토크값으로 나누어 백분율로 산출하였다(Gleim, Nicholas & Webb, 1978).
데이터처리
- 시점 및 구간에 대한 최대무릎각도, 최대수직지면반력, 관절 모멘트, 근전도의 평균과 표준편차를 계산하였다. 우성하지와 열성하지를 독립표본으로 하는 독립표본 t-test를 SPSS 14.
- 우성하지와 열성하지를 독립표본으로 하는 독립표본 t-test를 SPSS 14.0을 이용하여 유의수준 p<.05에서 실시하였다.
이론/모형
- 인체좌표계 설정 및 관절 중심은 Tylkowsky 방식(Tylkowsky, Simon & Mansour, 1982)을 사용하여 계산하였으며, 무릎의 신전 및 굴곡 모멘트는 Winter(1980)방식을 사용하여 계산하였다. 또한 디지타이징하여 얻은 2차원 자표값을 3차원 공간 좌표값으로 변환하기 위하여 Abdel-Aziz와 Kararah(1971)가 개발한 DLT방법을 이용하여 계산하였으며, 각 각의 영상자료를 3차원 스플라인함수(cubic spline function)를 이용, 보간하여 동조하고 노이즈를 제거하기 위해 Butterworth의 2차 저역통과 필터(2nd low-pass filter)를 사용하여 스무딩하였으며, 이때 차단 주파수는 6 Hz로 설정하였다. 또한 근전도 분석은 실험을 통해 얻은 원 자료를 10 Hz의 고역 통과 필터와 500 Hz의 저역 통과 필터를 사용하여 필터링(low-pass filtering) 한 후 사용하였다.
- 인체좌표계 설정 및 관절 중심은 Tylkowsky 방식(Tylkowsky, Simon & Mansour, 1982)을 사용하여 계산하였으며, 무릎의 신전 및 굴곡 모멘트는 Winter(1980)방식을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
- 본 연구의 목적은 체육영재 아동을 대상으로 드롭 착지 시 근 불균형에 따른 우성하지와 열성하지의 생체역학적 변인 차이를 분석하는데 있다. 그 결과 우성하지에서 최대수직지면반력이 유의하게 높았으며, 열성하지 보다 무릎관절 모멘트가 큰 것으로 나타나 무릎굴곡 동작을 보다 안정적으로 제어한 것으로 생각된다.
- 드롭 착지 동작은 양발을 편안하게 벌린 상태에서 50 cm 높이의 박스위에서 2대의 지면반력기 위에 뛰어 내려 양발로 착지하였으며, 본 연구의 주된 분석 대상이 하지인 점을 고려하여 양팔을 가슴을 교차하도록 해 상지의 운동을 억제하였다. 드롭 착지 시 넘어지거나 균형을 잃어 손이 지면에 닿는 것을 제외한 성공적인 2회 동작을 기록하였다.
- 또한 Kaelin, Stacoff, Denoth와 Stuessi(1988)은 착지 시 무릎각도는 지면반력과 중요한 상관관계가 있다고 보고하였다. 본 연구에서는 드롭 랜딩 시 최대 무릎 굴곡각도에서 우성하지와 열성하지 간 통계적 유의차는 없었지만 우성하지의 최대굴곡 각이 상대적으로 큰 경향을 보였다. 본 연구와 선행연구들의 결과를 비추어 볼 때 하지 근력 차이가 착지 시 발생되는 충격력을 감소시키는데 관여하는 무릎 최대 굴곡각도에 영향을 미친 것으로 판단되며, 우성하지가 상대적으로 높은 하지 근력을 바탕으로 관절가동범위를 크게 하여 외부 충격에 대한 효율적인 에너지 흡수 전략을 보인 것으로 판단된다.
- Kim과 Cho(2009), Valiant와 Cavanagh(1985)는 착지 시 충격을 제대로 흡수하지 못하였을 경우 상해를 유발할 수 있으며, 충격의 정도를 수직지면반력(vertical round reaction force)의 크기로 추정할 수 있다고 보고하였다. 본 연구에서는 우성하지가 열성하지 보다 더 큰 충격을 받으면서 착지 동작을 수행하고 있는 것으로 나타났으며, 양 하지로 체중을 분산시키지 못하고 근력이 강한 우성하지로 충격력을 전이 시킨 것으로 판단된다.
- 이를 방지하기 위해서는 인체 근골격계에 작용되는 관절회전력이 적절하게 조절되어야 한다(Nigg & Bobbert, 1990). 본 연구에서는 최대무릎굴곡 시점(MKF)에서 우성하지의 무릎관절 모멘트가 큰 것으로 나타나 열성하지 보다 무릎 관절에 가해지는 회전력이 더 크게 작용하였으며 무릎굴곡 동작을 안정적으로 제어한 것으로 판단된다. 반대로 상대적으로 근력이 약한 열성하지의 낮은 관절 모멘트는 무릎관절의 안정화 능력이 감소되는 것을 의미하는 것으로 하지관절의 근력 불균형이 착지 시 상해를 좌우하는 주요한 요인으로 작용한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 드롭 랜딩 시 최대 무릎 굴곡각도에서 우성하지와 열성하지 간 통계적 유의차는 없었지만 우성하지의 최대굴곡 각이 상대적으로 큰 경향을 보였다. 본 연구와 선행연구들의 결과를 비추어 볼 때 하지 근력 차이가 착지 시 발생되는 충격력을 감소시키는데 관여하는 무릎 최대 굴곡각도에 영향을 미친 것으로 판단되며, 우성하지가 상대적으로 높은 하지 근력을 바탕으로 관절가동범위를 크게 하여 외부 충격에 대한 효율적인 에너지 흡수 전략을 보인 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서 본 연구를 토대로 기존에 이루어지고 있는 체육영재 아동의 운동 수행능력 향상 프로그램뿐만 아니라 하지 근력의 균형에 초점을 맞춘 부상예방 프로그램도 함께 이루어져야 한다고 생각되며, 이러한 결과들은 체육영재 프로그램의 개선방향에 대해 유익한 정보로 제공 되어 질 수 있을 것으로 사료된다. 또한 한발 착지시 상해 발생 비율이 증가된다는 선행연구(Olsen, Myklebust, Engebretsen & Bahr, 2004)를 토대로 동측 H/Q ratio 근력 비율에 따른 상해요인 분석이 이루어져야 할 것으로 사료된다.
- McCaw와 Bates(1992)는 착지 시 신체의 불균형은 부상의 잠재적 원인이 될 수 있다고 하였다. 따라서 본 연구에서 나타난 하지 근력차에 따른 불균형 착지는 상해의 잠재적 요인의 근거로 제시될 수 있다고 판단되며, 미성숙 아동의 부상예방을 위한 근력 강화 프로그램의 객관적 지표를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이와 같은 결과로 미루어볼 때 우성하지와 열성하지의 근전도치를 상대적 비교분석을 통해 좀 더 의미있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 착지 시 이심성 수축 근인 외측광근(vastus laterlis)과 내측광근(vastus medialis)의 비교 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
- 따라서 본 연구를 토대로 기존에 이루어지고 있는 체육영재 아동의 운동 수행능력 향상 프로그램뿐만 아니라 하지 근력의 균형에 초점을 맞춘 부상예방 프로그램도 함께 이루어져야 한다고 생각되며, 이러한 결과들은 체육영재 프로그램의 개선방향에 대해 유익한 정보로 제공 되어 질 수 있을 것으로 사료된다. 또한 한발 착지시 상해 발생 비율이 증가된다는 선행연구(Olsen, Myklebust, Engebretsen & Bahr, 2004)를 토대로 동측 H/Q ratio 근력 비율에 따른 상해요인 분석이 이루어져야 할 것으로 사료된다.
- Lamb(1984)은 신장성 수축에 의한 운동에서는 단축성 수축에 의한 경우보다 근전도 활동(electromyographic activity)이 낮고 활동성 운동단위의 수가 적거나 운동단위를 동원하는 자극 빈도가 낮다고 하였다. 이와 같은 결과로 미루어볼 때 우성하지와 열성하지의 근전도치를 상대적 비교분석을 통해 좀 더 의미있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 착지 시 이심성 수축 근인 외측광근(vastus laterlis)과 내측광근(vastus medialis)의 비교 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
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