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문제 정의
- 본 연구를 통해 얻어진 결과는 신체가 완전히 발달하지 않은 어린이의 운동상해 발생 가능성과 이를 보정할 수 있는 방법을 개발하는데 기초자료로 활용되어질 수 있을 것이다. 따라서 본 연구의 목적은 하지 근력의 좌우 비대칭성이 초등학생의 보행 동적안정성에 미치는 영향에 대해 비교 분석하는데 있다.
- 본 연구는 초등학생을 대상으로 하지 근력의 불균형비가 실제 보행 시 나타나는 보행패턴에 어떠한 영향을 미치는 지를 밝히는데 목적이 있다. 이를 위해 보행 시 실제적인 동적 안정성을 평가하고 관련된 지면반력 패턴을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 본 실험의 3차원 동작분석을 위해 5대의 고감도 디지털 카메라(Sony HDV1080I, Japan)를 설치하였다[Figure 1]. 3차원 좌표 계산을 위한 기준척(control point)과 동조용 발광다이오드가 촬영 범위 내에 들어오도록 초점을 맞추고, 촬영 속도는 60 fields/s, 셔트 속도는 1/750 sec로 설정하였다. 또한 하지에 작용하는 지면반력을 측정하기 위하여 지면반력기(AMTI, OR6-5) 2대가 사용되었으며, 데이터는 1000 Hz의 샘플링 속도로 수집하였다.
- 주요 이벤트는 왼발이 지면에 닿는 순간(left heel contact 1; LHC1), 오른발이 지면에서 떨어지는 순간(right toe takeoff; RTO), 오른발이 지면에 닿는 순간(right heel contact; RHC), 왼발이 지면에서 떨어지는 순간(left toe takeoff; LTO), 다시 왼발이 지면에 닿는 순간(left heel Contact 2; LHC2)이다. 또한 첫 번째와 두 번째 이벤트 사이를 초기 양발 지지구간(initial double limb stance; IDLS), 두 번째와 세 번째 이벤트 사이를 초기 한발 지지구간(initial single limb stance; ISLS), 세 번째와 네 번째 이벤트 사이를 후기 양발 지지구간(terminal double limb stance; TDLS), 네 번째와 다섯 번째 이벤트를 사이를 후기 한발 지지구간(terminal single limb stance; TSLS)으로 분류하였다.
- 보행은 정상 보행을 실시하였으며, 실험 시 보행의 불안정성을 의도적으로 유발하기 위해 각 피험자 하지장의 30% 높이의 장애물을 보행로의 중앙에 설치하였다. 보행은 보행속도 차에 따른 변인들의 결과를 통제하기 위해 1.1 m/s의 보행속도로 실시하였고, 장애물 전 설치되어 있는 지면반력기를 왼발로 지지한 후 오른발로 장애물을 극복하는 순으로 진행되었다.
- 실험 간 인체 관절 중심의 좌표화를 위해 직경 1 cm의 반사마커를 좌·우 8개 지점(shoulder, elbow, wrist, knee, hip, toe, heel, ankle)에 부착하였다. 보행은 정상 보행을 실시하였으며, 실험 시 보행의 불안정성을 의도적으로 유발하기 위해 각 피험자 하지장의 30% 높이의 장애물을 보행로의 중앙에 설치하였다. 보행은 보행속도 차에 따른 변인들의 결과를 통제하기 위해 1.
- 영상 좌표화 과정에서 나타나는 노이즈(noise)를 최소화하기 위해서 차단주파수는 6 Hz의 2차 Butterworth low-pass digital filter가 사용되었다. 본 연구에서는 X축 방향을 좌우축, Y축 방향을 전후축, Z축 방향을 수직축으로 설정하였다. 인체 질량 중심의 위치값은 아래의 공식에 의해 계산되었다.
- 실험 전 피험자의 하지 근력은 등속성 운동기구(60 deg/s, Humac Norm, USA)를 사용하여 대퇴사두근 및 대퇴이두근의 최대 근회전력(peak torque)을 측정하였다. 하지근력의 좌우 균형비는 높은 최대토크값에서 낮은 최대토크값을 제한 후 높은 최대토크값으로 나누어 백분율로 산출하였다(Gleim, Nicholas & Webb, 1978).
- 압력 중심 변위는 왼발이 지면에 착지 할 때를 압력 중심 원점으로 계산하여 오른발이 지면에서 떨어질 때, 오른발이 지면에 착지할 때와 오른발이 지면에 착지 할 때를 압력 중심 원점으로 계산하여 왼발이 지면에서 떨어질 때, 왼발이 지면에 착지할 때 압력중심 변위값을 비교 분석하였다. 좌·우 압력 중심 변위에서는 RHC-LHC1 구간 시 AG가 7.
- 본 연구는 초등학생을 대상으로 하지 근력의 불균형비가 실제 보행 시 나타나는 보행패턴에 어떠한 영향을 미치는 지를 밝히는데 목적이 있다. 이를 위해 보행 시 실제적인 동적 안정성을 평가하고 관련된 지면반력 패턴을 비교 분석하였다.
- 하지근력의 좌우 균형비는 높은 최대토크값에서 낮은 최대토크값을 제한 후 높은 최대토크값으로 나누어 백분율로 산출하였다(Gleim, Nicholas & Webb, 1978). 이를 통해 좌우 근력 대칭비가 10% 이상인 비대칭 집단(asymmetric group; AG)과 좌우 근력 대칭비가 10% 이하인 대칭 집단(symmetric group; SG)으로 구분하였다. 또한 선발된 피험자는 모두 오른발을 주동발로 사용하는 집단이며, 왼발의 근력이 오른발의 근력에 비해 낮은 집단으로 구성하였다.
- 자료 분석을 위하여 영상 분석을 통해 주요 이벤트 및 구간을 설정하였다[Figure 2]. 주요 이벤트는 왼발이 지면에 닿는 순간(left heel contact 1; LHC1), 오른발이 지면에서 떨어지는 순간(right toe takeoff; RTO), 오른발이 지면에 닿는 순간(right heel contact; RHC), 왼발이 지면에서 떨어지는 순간(left toe takeoff; LTO), 다시 왼발이 지면에 닿는 순간(left heel Contact 2; LHC2)이다.
- 자료 분석을 위하여 영상 분석을 통해 주요 이벤트 및 구간을 설정하였다[Figure 2]. 주요 이벤트는 왼발이 지면에 닿는 순간(left heel contact 1; LHC1), 오른발이 지면에서 떨어지는 순간(right toe takeoff; RTO), 오른발이 지면에 닿는 순간(right heel contact; RHC), 왼발이 지면에서 떨어지는 순간(left toe takeoff; LTO), 다시 왼발이 지면에 닿는 순간(left heel Contact 2; LHC2)이다. 또한 첫 번째와 두 번째 이벤트 사이를 초기 양발 지지구간(initial double limb stance; IDLS), 두 번째와 세 번째 이벤트 사이를 초기 한발 지지구간(initial single limb stance; ISLS), 세 번째와 네 번째 이벤트 사이를 후기 양발 지지구간(terminal double limb stance; TDLS), 네 번째와 다섯 번째 이벤트를 사이를 후기 한발 지지구간(terminal single limb stance; TSLS)으로 분류하였다.
대상 데이터
- 3차원 좌표 계산을 위한 기준척(control point)과 동조용 발광다이오드가 촬영 범위 내에 들어오도록 초점을 맞추고, 촬영 속도는 60 fields/s, 셔트 속도는 1/750 sec로 설정하였다. 또한 하지에 작용하는 지면반력을 측정하기 위하여 지면반력기(AMTI, OR6-5) 2대가 사용되었으며, 데이터는 1000 Hz의 샘플링 속도로 수집하였다.
- 피험자의 좌우 근력의 비대칭성 정도를 측정하기 위하여 등속성 운동기구(Humac Norm, USA)를 사용하였다. 본 실험의 3차원 동작분석을 위해 5대의 고감도 디지털 카메라(Sony HDV1080I, Japan)를 설치하였다[Figure 1]. 3차원 좌표 계산을 위한 기준척(control point)과 동조용 발광다이오드가 촬영 범위 내에 들어오도록 초점을 맞추고, 촬영 속도는 60 fields/s, 셔트 속도는 1/750 sec로 설정하였다.
- 본 연구를 위해 K대학의 2010년 체육영재로 선발된 초등학생 16명을 피험자로 선정하였다. 피험자는 비대칭 집단(남학생 5명, 여학생 3명)과 대칭 집단(남학생 6명, 여학생 2명)으로 구성되어 있으며, 평균 연령은 12.
- 피험자는 비대칭 집단(남학생 5명, 여학생 3명)과 대칭 집단(남학생 6명, 여학생 2명)으로 구성되어 있으며, 평균 연령은 12.3±0.7 yrs, 신장 149.4±9.7 cm, 체중 40.6±7.8 kg이다.
데이터처리
- 본 연구에서는 Kwon3D 3.1 Program(Visol Inc, Korea)을 사용하여 3차원 동작분석을 실시하였다. 통제점, 발광마커가 부착된 인체의 각 관절점의 3차원 좌표값을 얻기 위해 직접 선형 변환 방법(Abdel-Aziz와 Karara, 1971)을 사용하였다.
- 주요 이벤트 및 구간별 전·후, 좌·우, 수직 지면반력값의 평균값을 계산하였다.
- 주요 이벤트 및 구간에 대한 시간 변인, XCoM-CoP의 좌·우 최대기울기각, 전·후, 좌·우, 수직지면반력값, 압력 중심 변위, 좌·우측 발의 부하율(loading rate)과 감소율(decay rate)의 평균과 표준편차를 계산하였다.
- 지면반력 데이터 분석은 KwonGRF 2.0 program(Visol Inc, Korea)을 사용하여 전·후(Y), 좌·우(X), 수직(Z) 지면 반력 값을 측정하였으며, 수집 된 지면 반력 데이터는 20 Hz 저역 통과 필터링을 실시하였다.
- 집단 간 통계적 유의성을 검증하기 위해 SPSS 17.0을 이용하여 독립표본 t검정(independent-sample t-test)을 실시하였으며, 이때 유의성 수준은 p<.05에서 검증하였다.
이론/모형
- (2007)이 제안한 공식을 사용해 좌우측 하지에 대한 XCoM-CoP의 좌·우 기울기각을 산출하여 평가하였다.
- 압력중심 변위는 Tillman와 Chow(2002)에 제안된 방법에 의해 계산하였다[Figure 4]. 압력중심은 전후와 좌우 방향으로 변위 값이 측정되었다.
- 통제점, 발광마커가 부착된 인체의 각 관절점의 3차원 좌표값을 얻기 위해 직접 선형 변환 방법(Abdel-Aziz와 Karara, 1971)을 사용하였다. 영상 좌표화 과정에서 나타나는 노이즈(noise)를 최소화하기 위해서 차단주파수는 6 Hz의 2차 Butterworth low-pass digital filter가 사용되었다. 본 연구에서는 X축 방향을 좌우축, Y축 방향을 전후축, Z축 방향을 수직축으로 설정하였다.
- 1 Program(Visol Inc, Korea)을 사용하여 3차원 동작분석을 실시하였다. 통제점, 발광마커가 부착된 인체의 각 관절점의 3차원 좌표값을 얻기 위해 직접 선형 변환 방법(Abdel-Aziz와 Karara, 1971)을 사용하였다. 영상 좌표화 과정에서 나타나는 노이즈(noise)를 최소화하기 위해서 차단주파수는 6 Hz의 2차 Butterworth low-pass digital filter가 사용되었다.
- 피험자의 좌우 근력의 비대칭성 정도를 측정하기 위하여 등속성 운동기구(Humac Norm, USA)를 사용하였다. 본 실험의 3차원 동작분석을 위해 5대의 고감도 디지털 카메라(Sony HDV1080I, Japan)를 설치하였다[Figure 1].
성능/효과
- LTO 시 오른발에 발현되어지는 전·후 지면반력값과 수직지면반력값은 통계적인 유의차는 나타나지 않았지만 AG가 SG에 비해 감소하는 형태를 보였다(Table 4).
- 또한 XCoM-CoP 좌·우 최대 기울기각은 두 집단 모두 통계적인 유의성은 없었지만, 오른발이 장애물을 극복한 후 왼발이 최종적으로 장애물을 극복할 때 상대적으로 큰 기울기각을 보였으며, 이때 AG의 최대 기울기각(14.4±6.2)은 SG(13.8±2.5)에 비해 상대적으로 증가하는 경향을 보였다.
- 또한 전·후 압력 중심 변위에서도 마찬가지로 RHC-LHC1 구간에서 5.1±9.7cm, SG가 13.9±1.5로 통계적으로 유의하게 감소하였다(p=.004).
- 근력의 균형비는 운동 수행능력을 가늠할 수 있는 하나의 지표이며, 실제적인 운동수행능력과 잘못된 자세로 인한 부상 유발의 가능성을 평가할 수 있는 것으로 알려져 왔다. 본 연구의 장애물 극복을 통한 보행 시 동적 안정성에서는 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 하지만 전반적으로 AG가 장애물을 넘을 때 오른쪽 다리에 비해 왼쪽다리의 근력이 상대적으로 약해 왼발의 추진력을 정상적으로 얻어내지 못한 것으로 나타났다.
- 왼발에 의해 발생되어지는 지면반력에서는 통계적인 유의차는 발생하지 않았지만, RHC에서는 수직 지면반력값이 증가하는 결과를 보였다(Table 3).
- Robbins와 Waked(1997)는 수직지면반력과 안정성의 관계 연구에서 수직 지면반력값이 높을수록 신체의 안정성은 약 20% 낮게 나타났다고 하였으며, 신체 균형과 수직 지면반력값은 매우 밀접한 관계가 있다고 보고하였다. 이와 마찬가지로, 본 연구의 지면 반력 분석을 통한 보행 패턴을 분석한 결과, 오른발이 지면에 착지 순간(RHC) 발현되어지는 왼발의 수직 지면반력값이 AG가 SG에 비해 다소 높은 경향을 보였다. 장애물을 극복한 오른발이 착지하는 순간 AG는 자연스럽게 다음 동작으로 연결되지 못하고 여전히 인체무게중심이 후방에 남아 있었기 때문인 것으로 사료된다.
- 주요 동작 구간에 대한 시간변인은 통계적인 유의성은 나타나지 않았지만, AG가 SG에 비해 전체적으로 증가하는 경향을 보였다. 또한 XCoM-CoP 좌·우 최대 기울기각은 두 집단 모두 통계적인 유의성은 없었지만, 오른발이 장애물을 극복한 후 왼발이 최종적으로 장애물을 극복할 때 상대적으로 큰 기울기각을 보였으며, 이때 AG의 최대 기울기각(14.
- 하지만 두 집단 모두 오른발 착지 후 왼발이 장애물을 극복할 때 XCoM-CoP 좌·우 최대 기울기각이 증가하는 경향을 보였으며, AG집단이 상대적으로 증가하는 결과를 보였다(Table 2).
- 본 연구의 장애물 극복을 통한 보행 시 동적 안정성에서는 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 하지만 전반적으로 AG가 장애물을 넘을 때 오른쪽 다리에 비해 왼쪽다리의 근력이 상대적으로 약해 왼발의 추진력을 정상적으로 얻어내지 못한 것으로 나타났다. 오른발이 장애물을 극복할 때 XCoM-CoP 좌·우 기울기각도와 왼발 수직 지면반력 값의 증가는 신속한 이동을 의도적으로 줄여 왼발에 무게중심을 남겨놓으면서 보행 안정성을 높이기 위한 보상 전략인 것으로 판단된다.
후속연구
- 오른발이 장애물을 극복할 때 XCoM-CoP 좌·우 기울기각도와 왼발 수직 지면반력 값의 증가는 신속한 이동을 의도적으로 줄여 왼발에 무게중심을 남겨놓으면서 보행 안정성을 높이기 위한 보상 전략인 것으로 판단된다. 본 실험에서는 초등학생을 대상으로 실험하면서 각자의 보행 특성이나 걸음걸이 습관 등을 완벽히 제어하지 못하였지만, 추후의 실험에서는 이러한 가변요인에 대한 통제가 보다 정확하게 이루어진다면 보다 유의한 결과를 도출해 낼 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 지금까지 선행연구에 제시되어진 평가 분석 방법과는 달리 동적 상황에서의 보다 정확하고 객관적인 보행 안정성 평가 방법을 활용할 것이다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 신체가 완전히 발달하지 않은 어린이의 운동상해 발생 가능성과 이를 보정할 수 있는 방법을 개발하는데 기초자료로 활용되어질 수 있을 것이다. 따라서 본 연구의 목적은 하지 근력의 좌우 비대칭성이 초등학생의 보행 동적안정성에 미치는 영향에 대해 비교 분석하는데 있다.
- 이에 대한 연관성을 검증하기 위해서는 정확하고 현실적인 보행안정성의 측정이 요구되고 있다. 본 연구에서는 지금까지 선행연구에 제시되어진 평가 분석 방법과는 달리 동적 상황에서의 보다 정확하고 객관적인 보행 안정성 평가 방법을 활용할 것이다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 신체가 완전히 발달하지 않은 어린이의 운동상해 발생 가능성과 이를 보정할 수 있는 방법을 개발하는데 기초자료로 활용되어질 수 있을 것이다.
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