[논문]하체서포터 착용 이동 시의 운동역학적 분석

이경일; 홍완기; 이철갑

doi:10.5103/kjsb.2011.21.2.215

하체서포터 착용 이동 시의 운동역학적 분석
Biomechanical Analysis on Locomotion with Lower Extremity Supporter 원문보기

한국운동역학회지 = Korean journal of sport biomechanics, v.21 no.2, 2011년, pp.215 - 222

이경일 (조선대학교 체육대학 체육학부) , 홍완기 (조선대학교 대학원 체육학과) , 이철갑 (조선대학교 의과대학 산업의학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to analyze the effects of the use of the lower extremity supporter to ground reaction force(GRF) & EMG in women. Five women participated in the experiment conducted in the study(age: $46.7{\pm}3.5$ yrs, weight: $52.3{\pm}2.2$ kg, lower extremity height: $74.1{\pm}0.9$ cm, knee height: $40.7{\pm}1.4$ cm). The Ground reaction force was measured by AMTI ORG-6 and the Muscle activity of the lower extremity was measured by an 8-channel surface EMG system(Noraxon Myoresearch, USA, 1000Hz). We statistically compared muscle activity and ground reaction force with and without the lower-extremity supporter by one-way repeated ANOVA. The results were as follows. First, the use of the lower extremity supporter affects the ground reaction force along the anterior-posterior axis(Y). Second, the vertical(Z-axis) reaction force on the upper part of the lower extremity supporter increase because of the difference between the interval of vertical movement. Third, the muscle activity of the lateral gastrocnemius and rectus femoris was higher in the upper part of the lower extremity supporter. Further research for example, on a comparative analysis of joint moments, the effects of direct stressor on joints. and the relationship between muscle activity and joint movement, is necessary for a better understanding of the effects of the lower-extremity supporter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

근전도 분석은 근육동원 양상 및 최대근파워, 근육질환의 진단 및 임상 의학적 진단을 할 수 있으며, 개인의 근력 및 근피로 등을 과학적으로 예측할 수 있기 때문에 상해를 방지할 수 있다(Gu, Chae, Kang, Yoon & Jang, 2009). 따라서 쪼그려 앉아 앞으로 움직임에서 나타나는 근활성도와 하체서포터를 이용한 정적인 쪼그려 앉기 근활성도의 비교를 통해 근피로도의 차이를 알아보고자 하였다.
이와 같은 관점에서 쪼그려 앉은 자세에서 이동성을 고려한 정량적 분석이 매우 중요한 의미를 갖는다고 생각된다. 본 연구는 쪼그려 앉은 자세에서 나타나는 문제점에서 나아가 쪼그려 앉은 자세의 움직임이 근육활동과 지면반력에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보는데 있다. 이를 위해 쪼그려 앞으로(fron) 움직임을 하체서포터 높이에 따라 실시하고, 하지 관절에 작용하는 운동역학적 변인과 근육활동 정도를 비교 분석하여 부하를 줄여주기 위하여 개발된 하체서포터 착용 시 나타날 수 있는 문제점에 대해 조사하고자 한다.
본 연구의 목적은 하체서포터 착용이 쪼그려 이동 시 지면 반력과 근육활성도에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 쪼그려 앉은 자세에서 나타나는 문제점에서 나아가 쪼그려 앉은 자세의 움직임이 근육활동과 지면반력에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보는데 있다. 이를 위해 쪼그려 앞으로(fron) 움직임을 하체서포터 높이에 따라 실시하고, 하지 관절에 작용하는 운동역학적 변인과 근육활동 정도를 비교 분석하여 부하를 줄여주기 위하여 개발된 하체서포터 착용 시 나타날 수 있는 문제점에 대해 조사하고자 한다.
그러나 하체서포터 착용 후 이동 동작 시 나타나는 하지관절의 역학적 변인이 달라질 수 있다. 이에 대해 본 연구는 하체서포터 착용 후 움직임 동작에서 나타나는 운동역학적 변인들을 비교 분석해 보고자 하였다. 쪼그려 앉은 자세에서 앞으로 이동 시 한발 입각기(stance)에서 발생하는 지면반력은 신체 무게 중심의 변화로 인해 정상보행과 다르게 나타날 수 있으며, 대부분의 힘이 무릎관절에 전달되게 된다.

제안 방법

근전도 데이터는 최대 정적수축 근전도치에 대해 아래 공식을 사용하여 표준화하였다. 각 피험자와각 조건에 따라 최대 근전도치와 평균근전도치를 계산하였다.
수집된 지면반력 데이터 값을 일반화하기 위해 각 대상자들의 몸무게(body weight)로 나누었다. 근전도 분석은 실험을 통해 얻은 근전도를 10 Hz의 차단주파수(cutoff frequency)로 필터링 (low-pass filtering)하였다. 근전도 데이터는 최대 정적수축 근전도치에 대해 아래 공식을 사용하여 표준화하였다.
근전도 분석을 위해 척추기립근(erector spinae) 중 요추 4번에서 양쪽으로 2 cm지점과 외측 비복근(lateral gastrocnemius), 대퇴직근(rectus femoris), 대둔근(gluteus maximus)에 표면전극(surface electrode)을 부착하였다(Cram, Kasman & Holtz, 1998).
본 실험에서의 이벤트 및 국면설정은 수직 지면반력 및 영상자료를 기초로 지지발이 지면에 닿는 순간(E1), 첫 번째 수직지면반력의 정점(E2), 두 번째 수직반력의 정점(E3)으로 구분하였으며, E1과 E3시점 사이를 stance phase(SP)으로 설정하여 분석하였다(Figure 2).
수집된 지면반력 데이터 값을 일반화하기 위해 각 대상자들의 몸무게(body weight)로 나누었다. 근전도 분석은 실험을 통해 얻은 근전도를 10 Hz의 차단주파수(cutoff frequency)로 필터링 (low-pass filtering)하였다.
실험에 들어가기 전 피험자의 부자연스러운 동작을 방지하기 위해 쪼그려 이동 동작을 충분히 연습한 후 실시하였으며, 3회 반복하여 측정한 자료 중 영상을 통해 가장 자연스러운 동작 2회를 분석하였다. 피험자 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판 재질의 운동복을 착용하고 촬영하였다.
, 2003)를 유지할 수 있는 높이인 11 cm 선정하여 사용하였다[Figure 1], [Table 2]. 움직임은 하체서포터를 허리벨트를 이용해 엉덩이에 밀착되게 고정한 후 쪼그려 앞으로(Y-axis) 이동하는 동작을 실시하였다.
하지 근육의 활동정도를 밝히기 위해서 8채널 무선 노락슨(Noraxon Myoresearch, USA)을 1000 Hz로 샘플링하여 측정하였다. 지면반력과 근전도 신호 동조는 고해상도 비디오 카메라(MotionMaster 200, visol, korea) 1대와 동조시스템 박스(VSAD-101USB, visol, korea)를 사용하여 1대의 LED와 지면반력 동조(sync)채널에 연결하여 동조시켰으며, 근전도 신호는 마지막 채널을 동조(sync)채널로 설정하여 동조버튼을 누르면 TTL 신호가 발생되게 하여 동조시켰다.
실험에 들어가기 전 피험자의 부자연스러운 동작을 방지하기 위해 쪼그려 이동 동작을 충분히 연습한 후 실시하였으며, 3회 반복하여 측정한 자료 중 영상을 통해 가장 자연스러운 동작 2회를 분석하였다. 피험자 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판 재질의 운동복을 착용하고 촬영하였다. 근전도 분석을 위해 척추기립근(erector spinae) 중 요추 4번에서 양쪽으로 2 cm지점과 외측 비복근(lateral gastrocnemius), 대퇴직근(rectus femoris), 대둔근(gluteus maximus)에 표면전극(surface electrode)을 부착하였다(Cram, Kasman & Holtz, 1998).
본 실험은 C대학교 운동역학 실험실에서 이루어졌으며, 지면 반력 측정기(AMTI ORG-6, MA) 1대를 1000 Hz/s의 샘플링 속도로 Kwon 3D XP(visol, korea)을 사용하여 수집하였다. 하지 근육의 활동정도를 밝히기 위해서 8채널 무선 노락슨(Noraxon Myoresearch, USA)을 1000 Hz로 샘플링하여 측정하였다. 지면반력과 근전도 신호 동조는 고해상도 비디오 카메라(MotionMaster 200, visol, korea) 1대와 동조시스템 박스(VSAD-101USB, visol, korea)를 사용하여 1대의 LED와 지면반력 동조(sync)채널에 연결하여 동조시켰으며, 근전도 신호는 마지막 채널을 동조(sync)채널로 설정하여 동조버튼을 누르면 TTL 신호가 발생되게 하여 동조시켰다.

대상 데이터

본 실험은 C대학교 운동역학 실험실에서 이루어졌으며, 지면 반력 측정기(AMTI ORG-6, MA) 1대를 1000 Hz/s의 샘플링 속도로 Kwon 3D XP(visol, korea)을 사용하여 수집하였다. 하지 근육의 활동정도를 밝히기 위해서 8채널 무선 노락슨(Noraxon Myoresearch, USA)을 1000 Hz로 샘플링하여 측정하였다.
하체 서포터 높이 선정은 하지길이와 무릎길이를 측정하여 유사한 신체특성을 가진 47명의 성인여성을 대상으로 4가지 높이(11 cm, 15 cm, 18 cm, 21 cm)의 하체서포터를 2주간 사용하게 한 후 사용빈도가 가장 높은 18 cm와 21 cm 높이의 하체서포터와 무게중심이 뒤쪽으로 쏠리지 않는 안정된 자세(chung et al., 2003)를 유지할 수 있는 높이인 11 cm 선정하여 사용하였다[Figure 1], [Table 2]. 움직임은 하체서포터를 허리벨트를 이용해 엉덩이에 밀착되게 고정한 후 쪼그려 앞으로(Y-axis) 이동하는 동작을 실시하였다.

데이터처리

각 작업유형별 시점 및 구간에 대한 지면반력과 근전도의 평균과 표준편차를 계산하였다. 하체서포터 착용 높이에 따른 차이 비교는 SPSS 17.
본 연구는 자발적으로 참여의사를 밝힌 성인 여성 47명을 연구대상자로 선정하였으며, 하체서포터 높이를 선정하기 위해 빈도분석을 실시하였다. 이들 피험자 중 하지길이와 무릎높이가 평균과 가장 근접한 5명이 실험에 참여하였다 실험을 수행한 피험자의 신체적 특성은 [Table 1]과 같다.
각 작업유형별 시점 및 구간에 대한 지면반력과 근전도의 평균과 표준편차를 계산하였다. 하체서포터 착용 높이에 따른 차이 비교는 SPSS 17.0을 사용하여 반복 측정을 통한 일원 분산분석(one-way analysis of variance: ANOVA)을 실시하였으며, 유의수준 a=.05 수준에서 검증하였다.

성능/효과

둘째, 수직지면 반력은 시상면에서 일어나는 상하 움직임의 차이로 인해 하체서포터의 높이가 높을수록 증가함을 알 수 있었다.
실험 결과, 전후 지면반력에서 지지발이 지면에 닿는 순간 (E1) 상대적으로 높은 하체서포터를 착용한 type C와 type D는 후측(+)방향으로 힘을 보이고 있는 반면, 쪼그려 이동한 type A 와 낮은 하체서포터의 type B는 전측(-)방향의 힘을 보였다. 또한 체중 이동이 지지발로 옮겨진 E2와 E3에서도 하체서포터의 높이가 상대적으로 높은 type C와 type D에서 후측(+)방향 힘이 나타났다. 이는 type C와 D는 발바닥 닿기(foot flat) 형태가 발생하여 신체 무게 중심이 지지발의 수직선상보다 앞쪽 또는 동일 선상에 위치하는 것을 의미하고, type A와 상대적으로 낮은 하체서포터를 착용한 type B는 뒤꿈치 닿기(heel contact) 형태가 발생하여 일반적인 보행과 같은 신체 무게 중심이 지지발의 수직선상보다 뒤쪽에 위치하는 것을 의미하며, 수직지면반력의 정점인 E2와 E3에서도 유사한 패턴이 나타났다.
정상보행에서 체중 수용기 중 뒤꿈치 닿기(heel contact) 구간은 전측(-)방향으로 지면반력이 발생하며, 뒤꿈치 이지(heel off)에는 후측(+)방향으로 지면반력이 전환되어 발의 roll-over 메커니즘이 발생한다(Neumann, 2004). 본 연구에서는 하체서포터의 높이가 높을수록 정상보행과 상반 되는 전후지면 반력의 패턴이 나타나 하체서포터 높이가 전후 지면반력에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 뒤꿈치 닿기(heel contact) 구간에서 나타나는 후측(+)방향 힘은 고정된 경골에 대해 대퇴골의 미끄러짐(slide) 현상이 나타나 지지발의 무릎 전단력을 증가시켜 무릎관절의 후방십자인대와 반월연골조직에 부정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.
셋째, 외측 비복근과 대퇴직근의 근전도치는 하체서포터의 걸림을 방지하기 위해 슬관절 신전과 족관절 저측굴곡이 증가하여 상대적으로 높은 하체서포터에서 높게 나타나는 것을 알 수 있었다.
실험 결과, 전후 지면반력에서 지지발이 지면에 닿는 순간 (E1) 상대적으로 높은 하체서포터를 착용한 type C와 type D는 후측(+)방향으로 힘을 보이고 있는 반면, 쪼그려 이동한 type A 와 낮은 하체서포터의 type B는 전측(-)방향의 힘을 보였다. 또한 체중 이동이 지지발로 옮겨진 E2와 E3에서도 하체서포터의 높이가 상대적으로 높은 type C와 type D에서 후측(+)방향 힘이 나타났다.
대둔근과 척추기립근에서 유의한 차이가 나타나지 않은 것은 무릎신전 움직임에 있어 하지 관절 운동의 상당부분이 대퇴직근, 반건양근, 비복근의 작용에 의해 슬관절 뿐만 아니라 고관절과 족관절이 동시에 영향을 받기 때문에(Doorenbosch, Harlar, Roebroeck & Lankhorst, 1994) 두 근육의 근전도는 이동 형태에 따라 큰 변화가 없는 것으로 판단된다. 위의 논의를 종합해 보면 하지장(leg length)에 대한 24.3% 이상 높이의 하체서포터는 한발 입각기(stance) 시 전후 및 수직 신체무게중심의 변화를 발생시킴으로써 지지축인 무릎관절 조직에 부정적 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이를 제어하기 위한 근활성도 또한 하체서포터의 높이에 따라 증가함으로써 동적 효율성에 부정적 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 동적 효율성을 고려한 하체서포터 개발이 필요하며 하지장에 대한 하체서포터 높이 또한 중요한 요인으로 작용할 수 있다고 사료된다.
첫째, 하체서포터 착용이 전후지면반력에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이는 뒤꿈치 닿기(heel contact) 구간에서 나타나는 후측(+)방향 힘은 고정된 경골에 대해 대퇴골의 미끄러짐 (slide) 현상이 나타남으로 인해 지지발의 무릎 전단력을 증가시켜 무릎관절 조직에 부정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.

후속연구

이러한 결과는 지지발이 지면에 닿는 순간부터 지지발이 전체 체중을 완전히 지지하기까지 신체 무게중심의 좌우 이동변화가 미미하기 때문으로 판단된다. 그러나 하체서포터 높이가 높을수록 상대적으로 좌측(+)지면 반력이 높아지는 것으로 나타나 향후 연구에서 관절에 가해지는 직접적인 스트레스 요인인 관절모멘트를 비교분석하여 좀 더 정확한 정보를 제공해야 할 것이다.
이를 종합해 보면 움직임에서 나타나는 문제점을 고려하여 하지관절에 부하를 줄일 수 있는 하체서포터 개발이 필요하며, 후속 연구로 관절에 가해지는 직접적인 스트레스 변인인 관절 모멘트를 비교 분석하여 좀 더 정확한 정보를 제공 할 필요가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하체서포터 착용이 쪼그려 이동 시 지면 반력과 근육활성도에 미치는 영향을 분석한 결과는?	첫째, 하체서포터 착용이 전후지면반력에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이는 뒤꿈치 닿기(heel contact) 구간에서 나타나는 후측(+)방향 힘은 고정된 경골에 대해 대퇴골의 미끄러짐 (slide) 현상이 나타남으로 인해 지지발의 무릎 전단력을 증가시켜 무릎관절 조직에 부정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다. 둘째, 수직지면 반력은 시상면에서 일어나는 상하 움직임의 차이로 인해 하체서포터의 높이가 높을수록 증가함을 알 수 있었다. 셋째, 외측 비복근과 대퇴직근의 근전도치는 하체서포터의 걸림을 방지하기 위해 슬관절 신전과 족관절 저측굴곡이 증가 하여 상대적으로 높은 하체서포터에서 높게 나타나는 것을 알 수 있었다.
	정적자세를 오래 유지할 경우 생기는 문제는?	7 N/kg으로 증가하고(Stacey, Rober, Andrea, Rebecca & Urs, 2008), 이러한 자세를 지속적으로 취하는 경우 무릎의 퇴행성관절염이나 통증을 유발하는 원인이 될 수 있다 (Reillly & Martens, 1972). 또한 건강한 사람이라도 정적자세를 오래 유지 할 경우에는 근 섬유질에 대한 잘못된 하중 분포로 인해 기능적 결함과 퇴행성 변화를 유발할 수 있다고 보고되고 있으며(McAtamney & Corlett, 1993), 이런 이유로 미국에서는 쪼그려 앉는 자세를 근골격계 질환의 주요 위험요인으로 분류하고 있다(NIOSH, 1981).
	쪼그려 앉은 자세가 가져오는 문제점은?	이중 쪼그려 앉은 자세는 중량물 취급 작업에 비해 순간적인 인체 역학적 부하는 크지 않지만, 1일 2시간 이상 쪼그려 앉아 일을 하는 경우 2시간 미만 일을 하는 작업들보다 무릎 관절에 2.77배(Kim & Yu, 2005) 높은 부하를 받으며, 150°로 굴곡한 상태에서 형성되는 최고 무릎 압박력(peak tibiofemoral joint contact force)은 49.7 N/kg으로 증가하고(Stacey, Rober, Andrea, Rebecca & Urs, 2008), 이러한 자세를 지속적으로 취하는 경우 무릎의 퇴행성관절염이나 통증을 유발하는 원인이 될 수 있다 (Reillly & Martens, 1972). 또한 건강한 사람이라도 정적자세를 오래 유지 할 경우에는 근 섬유질에 대한 잘못된 하중 분포로 인해 기능적 결함과 퇴행성 변화를 유발할 수 있다고 보고되고 있으며(McAtamney & Corlett, 1993), 이런 이유로 미국에서는 쪼그려 앉는 자세를 근골격계 질환의 주요 위험요인으로 분류하고 있다(NIOSH, 1981).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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