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문제 정의
- 경기 중에는 여러 상황에 따라 점프의 높이와 거리가 다양하게 나타날 수 있다. 따라서 본 연구에서는 각각 두 가지 착지의 높이와 거리가 무릎 관절의 부상 메카니즘에 어떠한 영향을 미치는 가를 살펴봄으로써 부상을 예방하기 위한 자료를 제공하는데 목적이 있다.
- 따라서 본 연구에서는 착지 시 수직 높이와 수평 거리가 무릎 관절에 어떠한 영향을 미치는지를 밝히고 이를 스포츠 부상을 예방하기 위한 기초자료로 제시하고자 한다.
- 관절에서의 파워는 관절에서 발생된 모멘트와 각속도를 곱한 것으로 정의하는데, 모멘트와 각속도의 방향이 같은 경우를 단축성 근수축(concentric contraction)에 의한 발현 파워(generation power)를 의미하며, 방향이 다를 경우를 신장성 근수축(eccentric contraction)에 의한 충격흡수파워(absorption power)를 의미한다. 본 연구에서는 착지 무릎 관절의 충격흡수파워를 살펴보았다.
- 본 연구의 목적은 착지의 높이와 거리가 하지관절에 어떠한 영향을 미치는 가를 알아보는데 있었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (2010)은 착지 높이에 따른 하지관절의 부상 메카니즘을 분석하기 위해 착지의 높이를 30 cm와 45 cm로 설정하였다. 높이에 따른 무릎 부상 메카니즘을 알아보기 위해 자체적으로 제작한 목제 점프대를 이용하였으며, 선행연구와 같은 두 가지 높이(30 cm와 45 cm)에서 드롭랜딩을 실시하였다.
- 드롭랜딩 시 경성 착지(stiff landing)를 할 경우 높은 지면반력에 의해 신체에 과도한 부하가 발생함으로써 부상의 위험성을 높아질 수 있기 때문에(Devita & Skelly, 1992; Decker, Torry, Wyland, Strtrett & Steadman, 2003) 본 연구에서는 안전한 실험을 위해 연성 착지(soft landing)를 하도록 지시하였다.
- 드롭랜딩 시 발생할 수 있는 부상을 예방하기 위해 약 15분간의 준비운동과 스트레칭을 통해 워밍업이 충분히 실시되었으며, 점프 전 약 5회의 연습 드롭랜딩을 실시하였다.
- 드롭랜딩의 과정은 점프대 위에서 실시하였으며, 순수한 하지 관절의 움직임만을 분석하기 위해 양손은 양어깨에 교차시켜 고정하였다. 점프대 위에서 “준비”라는 구령에 왼발을 들고, “시작”이라는 구령에 각각의 높이와 거리에서 실시하였고, 시행에 따른 학습효과를 제거하기 위해 각각의 점프는 제비뽑기를 이용하여 랜덤하게 실시되었다.
- 또한 50 cm 이상에서는 착지 후 중심을 잡지 못해 성공적인 착지를 하지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 대상자들의 안전과 성공적인 착지를 위해 20 cm와 그 거리에 2배가 되는 40 cm로 설정하여, 두 가지 거리에서 드롭랜딩을 실시하였다(Figure 1).
- 따라서 본 연구에서는 무릎 관절의 부상 시점을 세분화하여 분석하기 위해 착지순간(IC : initial contact)시점과 최대 수직지면반력 발생 시점(PVGRF : peak vertical ground reation force), 최대 무릎굴곡 시점(MKF : maximum knee flexion) 시 무릎 관절의 시상면(sagittal plane)과 관상면(frontal plane)적 움직임을 분석하였다.
- 복장 및 운동화 착용 후 신장과 체중을 측정하였으며, 각 대상자들의 신체적 특성을 측정하기 위해 줄자와 캘리퍼를 이용하여 상지 및 하지관절의 해부학적 자료를 측정하였다.
- 본 실험에서는 드롭랜딩 시 하지관절의 변화를 살펴보기 위해 8대의 적외선 카메라(Vicon Camera, VICON MX-F20, Oxford Metrics, Oxford, UK)를 사용하여 3차원 동작분석을 실시하였으며, 착지 시 지면반력을 분석하기 위해 1대의 지면반력기(AMTI, OR6, Watertown, MA)를 사용하였다. 영상 데이터는 200 Hz, 지면반력 데이터는 2000 Hz로 샘플링하였다.
- 실제 경기 중에는 양발보다는 한발로 착지하는 경우가 많으며, 특히 무릎의 부상은 한발로 착지할 경우 많이 발생(Olsen, et al., 2004)하기 때문에 본 연구에서는 오른발을 이용한 한발 드롭랜딩(single leg drop landing)을 실시하였다. 드롭랜딩 시 경성 착지(stiff landing)를 할 경우 높은 지면반력에 의해 신체에 과도한 부하가 발생함으로써 부상의 위험성을 높아질 수 있기 때문에(Devita & Skelly, 1992; Decker, Torry, Wyland, Strtrett & Steadman, 2003) 본 연구에서는 안전한 실험을 위해 연성 착지(soft landing)를 하도록 지시하였다.
- 실험에 참가한 모든 대상자들은 실험에 앞서 검정색 스판 재질의 타이즈를 착용하였으며, 자신에 발 사이즈에 맞는 동일한 제품의 운동화(FTY No. CLU 600001, Adidas)를 착용하였다.
- 운동역학적 변인분석으로는 최대 무릎 신전 모멘트(peak knee extension moment), 최대 외반 모멘트(Peak valgus moment), 무릎 충격흡수파워(peak knee absorption power) 그리고 최대 수직지면반력(peak VGRF)를 분석하였다.
- 점프대 위에서 “준비”라는 구령에 왼발을 들고, “시작”이라는 구령에 각각의 높이와 거리에서 실시하였고, 시행에 따른 학습효과를 제거하기 위해 각각의 점프는 제비뽑기를 이용하여 랜덤하게 실시되었다.
- 점프대와 지면반력기까지의 거리를 설정하기 위해 실험 전 5명의 대상자를 상대로 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 cm의 거리로 측정을 실시하였다. 0, 10 cm 거리에서는 거리가 너무 짧아 착지 시 신체의 일부가 점프대와 접촉이 됨으로써 부상의 위험성과 함께 성공적인 착지를 하지 못하였지만 선행연구에서의 20 cm 거리(Goh, Cho, Moon, Lee & Lee, 2011; Cho, Kim, Moon, Cho & Lee, 2010; Lee et al.
- 착지 동작을 수행 중 점프대 보다 높게 점프한 경우, 착지 시 지면반력기 밖으로 발이 나가는 경우, 착지 후 중심을 잃고 넘어지는 경우, 발이 지면반력기에서 회전되거나 점프되는 동작이 나올 경우, 왼발이 지면에 닿는 경우 등의 동작이 나올 경우에는 실패로 간주하고 다시 실시하도록 지시하였다. 이렇게 하여 성공적인 3회의 동작이 나올 때까지 실시하였다.
- 하지 관절의 부상은 착지 과정 중 발생하게 됨으로 본 연구에서는 분석 구간을 착지순간으로부터 최대 무릎굴곡 구간까지로 설정하였다. 착지를 하는 과정 중 발목 및 무릎 관절의 부상은 착지순간 시점(Olsen et al.
대상 데이터
- 본 실험에서는 인체의 3차원적 데이터를 수집하기 위해 Helen Hayes marker set을 수정한 Plung in Gait Full Body Model을 사용하였다. 14 mm 구형 반사 마커는 7th cervical vertebral bone, 10th thoracic vertebral bone, claviculosternal joint, xiphoid process에 한 개씩 부착하였으며, 좌우 forward head, backward head, shoulder acromion, elbow lateral epicondyle, 1st wrist, 2nd wrist, 2nd metacrpophalangeal joint, ASIS, PSIS, mid thigh, knee lateral epicondyle, mid shank, ankle lateral malleolus, heel, 2nd metatarsophalangeal joint등 총 35개의 마커를 부착하였다.
- 본 연구에서는 총 18명의 오른발잡이인 남자 대상자들이 참가하였으며, 이중 최근 6개월 내에 부상 경험이 있고, 하지 관절의 병력이 있는 4명이 제외된 14명(age: 28.86±1.9 yrs, height: 177.00±4.69 cm, weight: 76.50±6.41 kg)을 선정하였다.
- 본 실험에서는 드롭랜딩 시 하지관절의 변화를 살펴보기 위해 8대의 적외선 카메라(Vicon Camera, VICON MX-F20, Oxford Metrics, Oxford, UK)를 사용하여 3차원 동작분석을 실시하였으며, 착지 시 지면반력을 분석하기 위해 1대의 지면반력기(AMTI, OR6, Watertown, MA)를 사용하였다. 영상 데이터는 200 Hz, 지면반력 데이터는 2000 Hz로 샘플링하였다.
데이터처리
- 착지 동작은 각각 3회를 실시하였으며, 모두 평균과 표준편차로 구하였다. 산출된 운동학적, 운동역학적 변인들에 대한 차이를 검증하기 위해 SPSS 18.0 통계패키지 내의 repeated measurement Two-Way ANOVA를 사용하여 분석하였으며, 유의 수준은 .05로 설정하였다.
- 착지 동작은 각각 3회를 실시하였으며, 모두 평균과 표준편차로 구하였다. 산출된 운동학적, 운동역학적 변인들에 대한 차이를 검증하기 위해 SPSS 18.
- 착지에 대한 무릎 관절의 움직임을 분석하기 위해 Vicon Nexus 동작분석 프로그램(Vicon Motion Systems, Oxford Metrics, Oxford, UK)을 이용하여 운동학적, 운동역학적 데이터를 추출한 후 Labview 6.1(National Instruments Co, Texas, USA) 소프트웨어를 활용하여 결과를 산출하였다.
이론/모형
- 본 실험에서는 인체의 3차원적 데이터를 수집하기 위해 Helen Hayes marker set을 수정한 Plung in Gait Full Body Model을 사용하였다. 14 mm 구형 반사 마커는 7th cervical vertebral bone, 10th thoracic vertebral bone, claviculosternal joint, xiphoid process에 한 개씩 부착하였으며, 좌우 forward head, backward head, shoulder acromion, elbow lateral epicondyle, 1st wrist, 2nd wrist, 2nd metacrpophalangeal joint, ASIS, PSIS, mid thigh, knee lateral epicondyle, mid shank, ankle lateral malleolus, heel, 2nd metatarsophalangeal joint등 총 35개의 마커를 부착하였다.
성능/효과
- 1. 착지 높이와 거리의 증가는 무릎의 굴곡각과 외반각을 증가시켰다.
- 2. 착지 높이와 거리의 증가는 무릎의 최대 신전과 내반 모멘트를 증가시켰다.
- 3. 착지 높이와 거리의 증가는 최대 무릎 충격흡수파워를 증가시켰다.
- 4. 착지 높이와 거리의 증가는 최대 수직지면반력을 증가시켰다.
- 관상면에서의 무릎 내반 모멘트를 살펴본 결과 높이가 증가할 경우(F=58.265, p=.000)와 거리가 증가할 경우(F=15.826, p=.002) 최대 내반 모멘트가 증가하였지만, 상호작용은 없는 것으로 나타났다(F=.229, p=.640).
- 관상면에서의 움직임을 살펴본 결과 착지 순간 시점에서의 무릎 내반각은 높이가 낮을 경우 큰 것으로 나타났지만(F=63.620, p=.000), 거리간의 차이(F=3.827, p=.072)와 상호작용은 없는 것으로 나타났다(F=.273, p=.610).
- 착지 중 발생되는 지면반력은 경골의 피로골절(stress fracture), 무릎 슬개골의 슬개골 연골연화증(patellar chondromalacia), 연골파괴, 요추 통증의 원이 될 수 있다(Dufek & Bates, 1990; McNitt-Gray, 1993). 높이와 거리에 따른 최대 수직지면반력을 살펴본 결과 높이와 거리의 증가는 최대 수직지면반력을 증가시킨 것으로 나타났다. 이러한 결과는 착지의 높이가 증가할 경우 최대 수직지면반력이 증가한다고 보고한 Lee et al.
- 두 가지 높이와 거리에 따른 시점별 무릎 관절의 운동학적인 변화를 살펴본 결과 높이가 증가할 경우에는 착지순간 시점에서의 무릎 외반각을 증가시켰고, 최대 수직지면반력 시점에서의 무릎 굴곡각과 외반각을 증가시켰으며, 최대 무릎 굴곡각을 증가시켰다. 거리가 증가할 경우에는 최대 무릎 굴곡각을 증가시키는 것으로 나타났다.
- 하지만 일반적으로 무릎의 심각한 부상은 외부로부터 생성된 외반 모멘트의 크기가 증가할 경우 잘 발생하게 된다. 따라서 외반 모멘트에 대한 인체에서의 반응인 내반 모멘트의 크기를 살펴본 결과 높이와 거리가 증가할 경우 그 크기 또한 증가한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 다음과 같은 원인으로 생각된다.
- 무릎 관절의 모멘트를 살펴본 결과 높이의 증가와 거리의 증가 모두 최대 신전 모멘트와 내반 모멘트를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 무릎 관절의 충격흡수파워를 살펴본 결과 높이가 증가할 경우(F=558.920, p=.000)와 거리가 증가할 경우(F=81.458, p=.000) 최대 무릎 충격흡수파워가 증가하였지만, 상호작용은 없는 것으로 나타났다(F=1.829, p=.199).
- 본 연구의 결과 착지를 하는 동안 높이가 증가할 경우에는 최대 수직지면반력 시점에서의 굴곡각과 최대 무릎 굴곡각이 증가한 것으로 나타났는데, McNitt-Gray(1991)와 Decker et al.(2003)은 착지 시 무릎 굴곡각을 증가시켜주는 것은 착지 시 발생하는 지면반력을 줄여주기 위한 동작으로써 신체에 전달되어지는 충격을 감소하기 위한 것이라고 하였다.
- 본 연구의 전체적인 결과들을 살펴보면 높이의 증가뿐만 아니라 거리의 증가 또한 무릎 부상의 원인이 될 수 있는 것으로 판단된다. 이전 선행연구들에서는 높이의 변화를 통해 높이가 증가하게 되면 부상의 위험성이 높아진다고 하였지만 거리의 증가 또한 무릎 부상 기전에 영향을 줄 수 있다는 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었다.
- 수직지면반력을 살펴본 결과 높이가 증가할 경우(F=210.826, p=.000)와 거리가 증가할 경우(F=21.715, p=.000) 최대 수직지면반력이 증가하였지만, 상호작용은 없는 것으로 나타났다(F=.800, p=.387).
- 시상면에서의 무릎 신전 모멘트를 살펴본 결과 높이가 증가할 경우(F=218.089, p=.000)와 거리가 증가할 경우(F=25.003, p=.000) 최대 무릎 신전 모멘트가 증가하였지만, 상호작용은 없는 것으로 나타났다(F=.462, p=.509).
- 시상면에서의 움직임을 살펴본 결과 착지 순간 시점에서의 무릎 굴곡각은 높이간의 차이와 거리간의 차이는 나타나지 않았으며(p>.05), 상호작용 또한 없는 것으로 나타났다(p>.05).
- 운동역학적 변화를 살펴본 결과 높이와 거리가 증가할 경우 무릎의 최대 신전 모멘트와 최대 내반 모멘트를 증가시켰으며, 최대 충격흡수파워와 최대 수직지면반력을 증가시키는 것으로 나타났다.
- 위와 같은 결과들을 종합해 보면 무릎의 부상 메카니즘에 높이뿐만 아니라 거리 또한 운동학적, 운동역학적으로 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수가 있었다.
- 본 연구의 전체적인 결과들을 살펴보면 높이의 증가뿐만 아니라 거리의 증가 또한 무릎 부상의 원인이 될 수 있는 것으로 판단된다. 이전 선행연구들에서는 높이의 변화를 통해 높이가 증가하게 되면 부상의 위험성이 높아진다고 하였지만 거리의 증가 또한 무릎 부상 기전에 영향을 줄 수 있다는 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었다. 따라서 무릎 부상이 많이 발생하는 운동선수들에게는 경기 중 다양한 착지의 형태가 발생하는 만큼 다양한 방법으로 높이뿐만 아니라 거리의 변화에 대해 대처할 수 있는 운동 프로그램이 필요하다는 것을 보여준 것이라고 할 수 있겠다.
- , 1995). 즉, 전방십자인대 부상에 높이와 거리 모두가 영향을 미치고 있다는 것을 알 수가 있었다.
- 착지 시 발생하는 충격을 흡수하기 위한 무릎 관절의 충격흡수파워를 살펴본 결과 높이의 증가뿐만 아니라 거리의 증가 또한 무릎 관절에서의 충격흡수파워를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 최대 무릎 굴곡 시점에서의 무릎 외반각은 높이간의 차이와 거리간의 차이는 없었으며, 상호작용 또한 없는 것으로 나타났다(p>.05).
- 05). 최대 수직지면반력 시점에서의 무릎 굴곡각은 높이가 높을 경우 증가하였지만(F=6.264, p=.026), 거리간의 차이(F=3.510, p=.084)와 상호작용은 없는 것으로 나타났다(F=.127, p=.727). 하지만 높이가 증가할 경우(F=100.
- 최대 수직지면반력 시점에서의 외반각을 살펴본 결과 높이가 증가할 경우 무릎 외반각이 증가하였지만(F=9.198, p=.010), 거리간의 차이는 없었으며(F=.126, p=.729), 상호작용은 있는 것으로 나타났다(F=5.672, p=.033). 사후검증 결과 가까운 거리(20 cm)에서는 착지의 높이가 높을 경우 외반각이 증가한 것으로 나타났으나(p<.
후속연구
- (2009)은 착지 거리가 증가할 경우에는 하지 관절의 움직임이 감소함으로써 최대 수직지면반력이 증가한다고 하였으나 본 연구에서는 최대 무릎 굴곡각이 증가하였음에도 불구하고 최대 수직지면반력은 증가한 것으로 나타났다. 이러한 차이점은 앞서 언급한 착지 형태의 차이점과 더불어 거리의 증가와 함께 공중에서 몸이 앞으로 나가는 속도가 그만큼 빨라졌기 때문에 최대 수직지면반력이 증가한 것으로 생각되며, 추후 거리에 대한 전진 속도와 지면반력과의 관련성에 대한 연구도 진행되어져야 할 필요성이 있을 것으로 생각된다.
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