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문제 정의
- 본 연구는 중족골 패드와 서로 다른 재질의 인솔과 함께 사용된 중족골 패드가 보행에 미치는 영향을 평가하기 위해 보행시 족저압력과 근전도를 측정하였다. 족저압력 측정 장비는 [Figure 4(a)]와 같이 Novel Gmbh사의 Pedar-X System으로 블루투스 시스템 형식으로 데이터 전송이 가능하며, 좌우 각각 99개의 압력 센서를 통해 발의 압력을 측정할 수 있다.
- 이 연구의 목적은 중족골 패드와 서로 다른 재질의 인솔에적용한 중족골 패드가 보행에 미치는 영향과 연관성을 분석하여 생체역학적인 기초자료를 제공하는데 있다. 이 연구에서는 여대생 15명을 대상으로 4가지 조건(BF, MP, SIMP, HIMP)의 중족골 패드가 부착된 인솔이 삽입된 신발을 각각 착용시킨 후보행 시 족저압력의 분포와 근육의 활성도를 각 조건에 따라 측정하여 비교분석 한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 중족골 패드와 서로 다른 재질의 인솔에 적용한 중족골 패드가 보행에 미치는 영향과 연관성을 분석하여 생체 역학적 주요 정보를 제공하고자 하였다. 실험은 다음의 서로 다른 4가지 조건이 설정된 똑같은 신발을 착용하고 수행하였다.
제안 방법
- 4) Rigid 인솔 & 돔 타입 중족골 패드(rigid insole with metatarsal pad, HIMP)로 설정하였으며, 각 조건에서 보행 시 중족골 족저압력 분포 및 근전도를 수집하고 분석하였다.
- 각 근육에 부착된 전극을 통해 측정한 아날로그 신호는 피험자들의 피부 저항에 따른 근전도 노이즈를 피하고 정확한 데이터를 수집하기 위해 Delsys EMG Work System의 권장 필터링 대역 주파수 20-450 Hz로 수집되었고 초당 1,000 Hz로 샘플링 하였다. 근 활성도는 FFT(Fast Fourier Transform) 분석의 결과인파워 스펙트럼 면적 분석에 따라 IEMG(Integrated EMG)값으로 분석하였다(Jung et al.
- 각 실험 조건에서 수집한 족저압력 분석을 위해 데이터를 제 1 중족골(1st metatarsal, 1st MT), 제 2/3 중족골(2/3th metatarsal, 2/3th MT), 제 4/5 중족골(4/5th metatarsal, 4/5th MT)로 나누어 영역(mask)을 구분한 후에 해당 영역의 힘(force), 접촉 면적(contacting area), 최대 압력(peak pressure), 평균 압력(mean pressure)을 분석하였다[Figure 6].
- 중족골 패드는 각 대상자의 발에 맞추어 제 2/3 중족골두 6-10 mm 근위부 아래에 중족골 패드가 오도록 위치 선정을 하고 신발과 인솔에 접착 테이프를 이용하여 탈부착을 하였다. 모든 피험자는 트레드밀에서 보행속도 2.5 km/h, 보폭 50 cm로 하여 60초 간 보행하였으며, 각 조건 당 실험은 5회 실시한 후 평균하였다. 실험에 사용된 트레드밀(Gait Trainer, BIODEX, USA)은 보행속도와 보폭을 설정하면 메트로놈 경보음과 Fast, Good, Slow 메시지를 통해 피험자에게 일정한 속도를 유지하도록 하였다[Figure 3].
- 족저압력 측정 장비는 [Figure 4(a)]와 같이 Novel Gmbh사의 Pedar-X System으로 블루투스 시스템 형식으로 데이터 전송이 가능하며, 좌우 각각 99개의 압력 센서를 통해 발의 압력을 측정할 수 있다. 본 연구에서는 인솔형 압력 센서를 각 신발의 좌우에 삽입하여 족저압력을 측정하였다. 근전도 측정 장비는 [Figure 4(b)]와 같이 8개의 채널로 데이터 수 집이 가능한 Delsys사의 Delsys EMG Work System을 사용하였다.
- 5 km/h, 보폭 50 cm로 하여 60초 간 보행하였으며, 각 조건 당 실험은 5회 실시한 후 평균하였다. 실험에 사용된 트레드밀(Gait Trainer, BIODEX, USA)은 보행속도와 보폭을 설정하면 메트로놈 경보음과 Fast, Good, Slow 메시지를 통해 피험자에게 일정한 속도를 유지하도록 하였다[Figure 3].
- 실험은 총 4가지 조건으로 나누어 수행하였다. 첫 번째 조건은 인솔이나 중족골 패드를 부착시키지 않고 보행(BF)을 하게 하였고, 두 번째 조건은 중족골 패드를 신발에 부착시킨 후 보행(MP)을 하게 하였으며, 세 번째 조건은 중족골 패드를 부착한 Soft 인솔을 신발에 부착시킨 후 보행(SIMP)하게 하였고, 네번째 조건은 중족골 패드를 부착한 Rigid 인솔을 신발에 부착시킨 후 보행(HIMP)하게 하였다[Figure 2].
- 이 연구의 목적은 중족골 패드와 서로 다른 재질의 인솔에적용한 중족골 패드가 보행에 미치는 영향과 연관성을 분석하여 생체역학적인 기초자료를 제공하는데 있다. 이 연구에서는 여대생 15명을 대상으로 4가지 조건(BF, MP, SIMP, HIMP)의 중족골 패드가 부착된 인솔이 삽입된 신발을 각각 착용시킨 후보행 시 족저압력의 분포와 근육의 활성도를 각 조건에 따라 측정하여 비교분석 한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구는 보행에 많은 기여를 하는 전경골근(tibialis anterior, TA), 외측 비복근(lateral gastrocnemius, LG), 대퇴직근(rectus femoris, RF), 대퇴이두근(musculus biceps femoris, MBF)을 선정하여 양쪽 하지의 각 근육 부위에 전극을 부착하였다(Kim, Cho, Jung, Kim & Jung, 2010) (Figure 5).
- 본 연구의 결론은 중족골 패드의 사용과 서로 다른 재질의 인솔에 부착된 중족골 패드가 보행 시 하지의 생체역학적 움직임에 유의한 영향을 미침을 증명하였다. 인간의 발에 미치는영향을 분석하였다. 연구의 결과는 기능성 신발 제작, 하지 보조기, 교정기 제작과 당뇨 신발, 노인 신발 등의 제작 및 하지재활 및 교정 분야에 활용할 수 있으며 특히, 중족골 패드와 인솔로 인한 하지의 근력의 변화를 분석함에 연구의 의의가 있다.
- 중족골 패드는 각 대상자의 발에 맞추어 제 2/3 중족골두 6-10 mm 근위부 아래에 중족골 패드가 오도록 위치 선정을 하고 신발과 인솔에 접착 테이프를 이용하여 탈부착을 하였다. 모든 피험자는 트레드밀에서 보행속도 2.
- 중족골 패드와 인솔이 하지 주요 근육에 어떠한 영향을 미쳤는지를 평가하였고 전경골근, 비복근, 대퇴직근, 대퇴이두근의 근 활성도는 [Table 2]와 같다.
- 실험은 총 4가지 조건으로 나누어 수행하였다. 첫 번째 조건은 인솔이나 중족골 패드를 부착시키지 않고 보행(BF)을 하게 하였고, 두 번째 조건은 중족골 패드를 신발에 부착시킨 후 보행(MP)을 하게 하였으며, 세 번째 조건은 중족골 패드를 부착한 Soft 인솔을 신발에 부착시킨 후 보행(SIMP)하게 하였고, 네번째 조건은 중족골 패드를 부착한 Rigid 인솔을 신발에 부착시킨 후 보행(HIMP)하게 하였다[Figure 2].
대상 데이터
- 신발은 이 연구에 사용된 인솔과 가장 잘 맞으면서 일반적인 신발 형태와 적합한 것으로 Orthotic fitting shoes R901을 선정하였다. 발 사이즈에 따라 3가지의 크기(A1, A2, A3)로 준비하였다.
- 본 연구에서 사용된 중족골 패드는 중족골 돔(metatarsal dome), 소재는 폴리우레탄(poly-urethane), 크기 42 mm × 52 mm × 6.42 mm (가로×세로×높이)을 사용하였다(Figure 1(a)).
- 본 연구에서는 일반 신발에 들어가는 깔창의 형태와 흡사하고 Soft(연성, 경도 59도)와 Rigid(강성, 경도 98도), 두 가지 재질의 2/3 length insole을 사용하였으며, 발 사이즈에 따라 각각 3가지의 크기(A1, A2, A3)로 준비하였다(Figure 1
- 본 연구의 피험자는 20대 대학생 여성 15명이었다. 참여한 피험자의 신발 사이즈는 230-240 mm에 해당되고 평발(pes planus)이나 요족(pes cavus) 등을 포함하여 하지의 근 골격계에질환이나 부상을 입은 적이 없으며, 보행에 장애가 없고 감각이상이 없는 자로 선정하였다.
- 신발은 이 연구에 사용된 인솔과 가장 잘 맞으면서 일반적인 신발 형태와 적합한 것으로 Orthotic fitting shoes R901을 선정하였다. 발 사이즈에 따라 3가지의 크기(A1, A2, A3)로 준비하였다.
- 본 연구의 피험자는 20대 대학생 여성 15명이었다. 참여한 피험자의 신발 사이즈는 230-240 mm에 해당되고 평발(pes planus)이나 요족(pes cavus) 등을 포함하여 하지의 근 골격계에질환이나 부상을 입은 적이 없으며, 보행에 장애가 없고 감각이상이 없는 자로 선정하였다. 연구에 참가한 모든 대상자에게 실험 전 실험 목적과 실험 절차에 대해 충분히 설명하였고, 실험참가동의서 작성 후 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 각 조건에 따른 족저압력 분포와 근 활성도의 차이를 알아보기 위해 본 실험에서 얻어진 원자료(raw data)를 이용하여 평균과표준편차를 산출하였다. 그리고 각 조건 간 통계적인 차이를 규명하기 위해 SPSS ver 19.
- 각 조건에 따른 족저압력 분포와 근 활성도의 차이를 알아보기 위해 본 실험에서 얻어진 원자료(raw data)를 이용하여 평균과표준편차를 산출하였다. 그리고 각 조건 간 통계적인 차이를 규명하기 위해 SPSS ver 19.0을 사용하여 대응표본 t-test를 실시하였다. 통계학적 유의성 검증을 위해 유의수준은 p[.
이론/모형
- 각 근육에 부착된 전극을 통해 측정한 아날로그 신호는 피험자들의 피부 저항에 따른 근전도 노이즈를 피하고 정확한 데이터를 수집하기 위해 Delsys EMG Work System의 권장 필터링 대역 주파수 20-450 Hz로 수집되었고 초당 1,000 Hz로 샘플링 하였다. 근 활성도는 FFT(Fast Fourier Transform) 분석의 결과인파워 스펙트럼 면적 분석에 따라 IEMG(Integrated EMG)값으로 분석하였다(Jung et al., 2010).
성능/효과
- MP의 조건을 BF와 비교할 때, 전체적으로 접촉 면적이 증가함에 따라 힘과 압력이 감소하였다. HIMP의 경우 제 4/5 중족골에서 MP의 경우보다 접촉 면적이 조금 더 증가하면서제 2/3 중족골에서의 힘과 압력이 함께 증가하였으나, 제 1 중 족골과 제 4/5 중족골에서 상대적으로 큰 감소를 하였다. 특히, SIMP의 경우 다른 조건들과 비교하였을 때 중족골의 모든 부위에서 유의하게 접촉 면적이 감소하면서도 힘과 압력에서 가장 큰 감소를 하였다.
- 근전도에서는 배측굴곡에 관여하는 전경골근, 대퇴직근과 저측굴곡에 관여하는 외측 비복근과 대퇴이두근의 활성도를 분석한 결과를 살펴보면, 대퇴이두근에서는 각 조건과 연관된 경향을 발견할 수 없었으나 전경골근, 대퇴직근, 외측 비복근에서 MP, SIMP 그리고 HIMP을 BF와 비교하였을 때 모두 근 활성도가 낮아지는 결과를 보였다. 특히 SIMP와 HIMP의 조건일 때 근 활성도가 많이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 근전도의 분석 결과를 살펴보면, BF와 비교하여 중족골 패드와 인솔을 사용하였을 때 전경골근, 외측 비복근, 대퇴직근에서 근 활성도가 낮아지는 것을 확인하였으며, 중족골 패드만 사용한 MP의 경우보다 인솔과 함께 사용한 SIMP와 HIMP의 경우에 유의하게 더욱 많은 근 활성도의 감소가 있었다. 이는 인솔과 함께 사용된 중족골 패드가 하지의 근 피로를 지연시켜 장시간 보행 시 하지 근육의 부담과 통증을 경감시키는데 도움을 주는 것으로 고찰된다.
- 근전도의 통계분석 결과, 좌측 비복근에서 BF와 MP의 조건을 비교하는 경우와 SIMP와 HIMP의 조건을 비교하는 경우를 제외하고 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p[.05).
- 대응표본 t-test에 따른 힘의 통계분석 결과, 모든 중족골 부위에서 SIMP의 조건을 각각 BF, MP, HIMP와 비교하는 경우에 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p<.05).
- 보행 시 발생하는 족저압력의 분포를 비교 분석한 결과를 살펴보면 BF에 비해 중족골 패드와 인솔을 사용하였을 경우 접촉 면적이 증가하면서, 힘과 압력이 감소하였음을 확인할 수있었다. MP의 조건을 BF와 비교할 때, 전체적으로 접촉 면적이 증가함에 따라 힘과 압력이 감소하였다.
- 본 연구의 결론은 중족골 패드의 사용과 서로 다른 재질의 인솔에 부착된 중족골 패드가 보행 시 하지의 생체역학적 움직임에 유의한 영향을 미침을 증명하였다. 인간의 발에 미치는영향을 분석하였다.
- 우측 대퇴직근에서는 BF 0.0091±0.0041 μV, MP 0.0075±0.0022 μV, SIMP 0.0059±0.0023 μV, HIMP 0.0057±0.0025 μV로 나타났으며, 양쪽 대퇴직근에서 HIMP의 경우에 근 활성도가 낮게 나타났다.
- 이는 Chang, Abu-Faraj, Harris, Nery와 Shereff(1994)의 연구 결과와 같이 중족골 패드의 사용에 따라 접촉 면적이 증가하면서 중족골의 압력을 어느 정도 분산시켰다는 것을 알 수 있다. 인솔과 중족골 패드와의 관련성은 그대로 딱딱한 재질의 인솔에 부착하거나 신발의 밑창에 단독으로 사용하는 것보다 유연한 재질의 인솔과 함께 사용하였을 때, 중족골에 집중되는 족저압력을 발 전체에 가장 효과적으로 분산시켰다. 이는 높은 압력으로 인한 통증을 효율적으로 완화시키고 보행을 보조하는데 필요한 인솔과 중족골 패드의 선택에 도움을 줄 것으로 판단된다.
- 접촉 면적의 통계분석 결과, 제 1 중족골에서 SIMP의 조건을 BF, MP, HIMP와 각각 비교하고 HIMP의 조건을 BF, MP와각각 비교하는 경우, 제 2/3 중족골에서 MP의 조건을 BF와 비교하고 SIMP의 조건을 BF, MP, HIMP와 각각 비교하는 경우, 제 4/5 중족골에서 SIMP의 조건을 MP, HIMP와 각각 비교하는 경우에 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p[.05).
- 제 1 중족골에서 평균 압력은 BF 112.11±31.19 kPa, MP 114.27±35.68 kPa, SIMP 102.65±29.53 kPa, HIMP 108.74±36.94 kPa로 나타났고, 제 2/3 중족골에서 BF 100.05±20.79 kPa, MP 98.38±19.37 kPa, SIMP 94.08±18.03 kPa, HIMP 98.78±21.01 kPa로 나타났다.
- 제 2/3 중족골에서 BF 238.59±55.06 N, MP 234.97±50.62 N, SIMP 22.36±47.79 N, HIMP 235.91±54.10 N으로 나타났으며, 제 4/5 중족골에서 BF 104.82±35.92 N, MP 99.91±31.20 N, SIMP 91.69±24.08 N, HIMP 98.19±26.17 N으로 모두 SIMP일 경우에 작게 나타났다.
- 제 2/3 중족골에서 BF 302.36±58.79 kPa, MP 295.69±65.07 kPa, SIMP 284.52±67.48 kPa, HIMP 299.30 kPa로 나타났고, 제 4/5 중족골에서 BF 283.47±118.12 kPa, MP 247.25±68.60, SIMP 222.637±55.77 kPa, HIMP 238.02±74.19 kPa 로 모두 SIMP의 조건에서 낮게 나타났다.
- 제 4/5 중족골에서 BF 99.04±33.42 kPa, MP 94.15±26.79 kPa, SIMP 86.68±21.5 kPa, HIMP 92.75±23.88 kPa로 나타났으며, 모두 SIMP의 경우에 작게 나타났다.
- 족저압력 측정 시스템을 이용하여 산출한 힘, 접촉 면적, 최대 압력, 평균 압력을 분석한 결과, BF와 비교하여 MP와 HIMP 에서는 유의한 차이는 없었으나 접촉 면적이 증가함에 따라 중족골의 압력이 분산되었다. 특히, SIMP에서 다른 조건에 비해 가장 낮은 족저압력이 유의하게 나타났다(p<.
- 0054 μV로 나타났다. 좌측 비복근에서 SIMP의 경우와 우측 비복근에서 HIMP의 경우에서 근 활성도가 낮아지는 것을 확인하였다.
- 좌측 비복근에서의 근 활성도는 BF 0.0206±0.0116 μV, MP 0.0201±0.0121 μV, SIMP 0.0188±0.0104 μV, HIMP 0.0189±0.0098μV로 나타났으며, 우측 비복근의 경우 BF 0.0208±0.0173 μV, MP 0.0169±0.0059 μV, SIMP 0.0147±0.0063 μV, HIMP 0.0138±0.0054 μV로 나타났다.
- 최대 압력의 통계분석 결과, 제 1 중족골에서 SIMP의 조건을 BF, MP, HIMP와 각각 비교하고 HIMP의 조건을 BF와 비교하는 경우, 제 2/3 중족골에서 SIMP의 조건을 HIMP와 비교하는 경우, 제 4/5 중족골에서는 MP의 조건을 BF와 비교하고 SIMP의 조건을 BF, MP와 각각 비교하는 경우, HIMP의 조건을 BF와 비교하는 경우에 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p<.05).
- 근전도에서는 배측굴곡에 관여하는 전경골근, 대퇴직근과 저측굴곡에 관여하는 외측 비복근과 대퇴이두근의 활성도를 분석한 결과를 살펴보면, 대퇴이두근에서는 각 조건과 연관된 경향을 발견할 수 없었으나 전경골근, 대퇴직근, 외측 비복근에서 MP, SIMP 그리고 HIMP을 BF와 비교하였을 때 모두 근 활성도가 낮아지는 결과를 보였다. 특히 SIMP와 HIMP의 조건일 때 근 활성도가 많이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- HIMP의 경우 제 4/5 중족골에서 MP의 경우보다 접촉 면적이 조금 더 증가하면서제 2/3 중족골에서의 힘과 압력이 함께 증가하였으나, 제 1 중 족골과 제 4/5 중족골에서 상대적으로 큰 감소를 하였다. 특히, SIMP의 경우 다른 조건들과 비교하였을 때 중족골의 모든 부위에서 유의하게 접촉 면적이 감소하면서도 힘과 압력에서 가장 큰 감소를 하였다.
- 평균 압력의 통계분석 결과, 모든 중족골 부위에서 SIMP의조건을 BF, MP, HIMP와 각각 비교하고, 제 2/3 중족골에서 MP 의 조건을 BF와 비교하는 경우 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p<.05).
- 피험자의 신체적인 특성은 평균 연령 22.7±1.35 year, 평균 신장 160±3.4 cm, 평균 체중 48.8±5.52 kg, 평균 신발 사이즈 232.5±6.8 mm이었다.
후속연구
- 이와 같이 중족골 패드는 과도한 족저압을 보이는 환자에서 인솔과 더불어 고통 경감을 위해 많이 사용되고 있으나 그 효과에 있어서 아직 많은 변수들이 존재하기에 이에 대한 더 많은 연구가 필요하다. 선행연구들은 보행 중 특히 중족골 패드가 하지의 근 활성도에 미치는 영향에 대해서는 거의 연구되지 않았으며, 중족골 족저압에 미치는 영향에 관한 연구 또한 자세하게 이루어지지 않았다.
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