[논문]비대칭무게중심을 지닌 물체 들기 작업시 허리부위 등근육 부하 및 피로 분석

한승조; 김선욱

비대칭무게중심을 지닌 물체 들기 작업시 허리부위 등근육 부하 및 피로 분석
The Analysis of Low Back Loading and Muscle Fatigue while Lifting an Asymmetric Load 원문보기

산업경영시스템학회지 = Journal of society of korea industrial and systems engineering, v.35 no.2, 2012년, pp.30 - 36

한승조 (단국대학교 공학대학 산업공학과) , 김선욱 (단국대학교 공학대학 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is aimed to show that an asymmetric load in the frontal plane leads to an increase in low back loading and fatigue in comparison with a symmetric load when workers lift an external weight by investigating previous studies and verifying the phenomenon with an experiment. Ten male subjects are required to lift and hold an given external load at 70cm height during 50sec, then the EMG amplitude and median frequency on bilateral low back muscle groups (Longissimus, Iliocostalis, and Multifidus) are recorded and analyzed. Independent variables are two-level load weight (13kg, 20kg) and three-level LCG (Center, 6.5cm to the right, and 13cm to the right), and dependent variables are EMG amplitude average, difference, and Fatigue Index (FI). Results show that load weight increases significantly amplitude average and FI, but LCG does significantly amplitude difference and FI significantly (P-value < 0.05). Also the correlation coefficient between amplitude difference and FI is over 0.99. These implies that trunk loading should be explained by not EMG amplitude but muscle fatigue aspect since the association between an external load and amplitude is linear, but the relationship between an external load and median frequency as muscle fatigue index is almost exponential.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 Symmetric load를 드는 경우와 Asymmetric load를 드는 경우 등근육의 부하 및 피로를 측정하여 비교하는데 목적이 있다. 본론에서는 기존연구를 바탕으로 이론적 가설을 설정하고, 이를 실제 피실험자를 대상으로 EMG를 이용한 실험을 통해 검증한다.
본 연구는 쌍으로 이루어진 요추부위 등근육의 부하 및 근피로에 외부 무게 및 물체의 무게중심이 어떠한 영향을 미치는지를 알기 위해 이론적인 접근과 실험을 통한 검증을 실시하였다. 실험결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

즉, 무게가 증가할수록 LCG가 증가할수록 전체적인 요추부근 등근육의 피로는 증가한다고 볼 수 있다. 따라서 세 번째 가설은 기각되지 않는다.

제안 방법

EMG의 Raw Data의 Sampling Frequency는 1,500Hz이며, 진폭은 Bandpass Filter(10~500Hz)를 사용하여 필터링을 한 후, 양의 값과 음의 값의 평균이 “0”이 되는 것을 방지하기 위해 Full Wave Rectification을 실행한 후 분석되었다[4]. MF는 Bandpass Filtering과 Rectification에 추가하여 Smoothing 기법(RMS 100ms)을 이용하여 Linear Envelope를 형성하고, 심장박동으로 인한 신호(Electrocardiogram, ECG)의 간섭을 줄이기 위해 심장 박동 관련 주파수를 제거하였다[22, 23].
각 시행 전에 모든 피실험자들에게 LCG의 위치 및 무게를 변화시키는 실험진행자의 행동을 보게 함으로써 사전 인지 효과(Knowledge Effect)가 일어나지 않도록 하였다. 이는 물체에 대한 정보가 없는 경우 작업자는 개인의 능력보다 더 많은 노력을 기울이게 되어 비정상적으로 높은 데이터들이 나올 수 있기 때문이다[6, 8].
개인당 총 시행 횟수는 6회(2×3)이며, 시행 조건은 개인별로 랜덤하게 부여하여 순서효과(Order effect)를 배제하였다.
통제변수로는 LCG가 측면으로 이동함에 따라 물체와 상체가 한쪽으로 기울어지는 것을 방지하기 위해 물체 위해 공기방울 수평계를 설치하여 피실험자가 물체를 수평으로 최대한 유지하도록 하였으며, 발의 위치 또한 어깨 넓이로 고정하도록 하도록 하다. 물체를 들고 있는 높이는 들기 테크닉(Back, Squating, and Freestyle lifting)에 모두 적용되는 양 무릎이 굽혀지지 않은 상태인 70cm로 고정시키도록 사전에 주지시켰으며, 물체가 하체에 닿지 않도록 3cm 이상 간격을 유지시키도록 하였다.
따라서 본 연구는 Symmetric load를 드는 경우와 Asymmetric load를 드는 경우 등근육의 부하 및 피로를 측정하여 비교하는데 목적이 있다. 본론에서는 기존연구를 바탕으로 이론적 가설을 설정하고, 이를 실제 피실험자를 대상으로 EMG를 이용한 실험을 통해 검증한다.
즉, LCG가 우측에 있는 물체를 다룰 때 좌측 등근육의 증가된 부하는 MF를 감소시키고 우측 등근육의 감소된 부하는 MF를 증가시키지만, 좌측의 감소된 MF는 우측의 증가된 MF보다 절대값이 크다[13]. 위 연구는 쌍으로 이루어진 요추부위의 등근육을 대상으로 하지 않았으며(좌측 하나의 근육만을 평가), LCG를 독립변수로 사용하지 않고 단지 Load에 따른 MF의 변화만 연구되었다. 하지만 등근육의 MF가 변화되는 부하에 따라 선형의 관계를 보이지 않는 다는 것은 본 연구에서 중요한 고려사항이다.
종속변수는 6개 근육에서 발생한 진폭의 평균을 LCG가 Center인 Low 무게의 시행시 나온 각 근육의 진폭 평균으로 나눈(Normalized) 값(Amp. Ave.)과 좌측 3개의 근육에서 발생한 진폭의 평균에서 우측 3개 근육으로부터 얻어진 진폭의 평균의 차이(Amp. Diff., μV)(좌측 진폭의 평균에서 우측 진폭의 평균을 뺀 값이 개인별로 음수값이 나오는 경우가 발생하여 Low-Center의 경우로 정규화하지 않았다), 그리고 피로도 지수(Fatigue Index, FI)이다.
통제변수로는 LCG가 측면으로 이동함에 따라 물체와 상체가 한쪽으로 기울어지는 것을 방지하기 위해 물체 위해 공기방울 수평계를 설치하여 피실험자가 물체를 수평으로 최대한 유지하도록 하였으며, 발의 위치 또한 어깨 넓이로 고정하도록 하도록 하다. 물체를 들고 있는 높이는 들기 테크닉(Back, Squating, and Freestyle lifting)에 모두 적용되는 양 무릎이 굽혀지지 않은 상태인 70cm로 고정시키도록 사전에 주지시켰으며, 물체가 하체에 닿지 않도록 3cm 이상 간격을 유지시키도록 하였다.
피실험자는 [Figure 3]과 같이 주어진 LCG와 무게에 따른 상자를 허리 높이에서 50sec 동안 유지하는(Holding) 시행을 6회 시행하며, 각 시행간 휴식시간은 3min으로 전 시행이 다음 시행에 영향을 미치는 것을 최소화하였다.

대상 데이터

21(2004)을 사용하였다. 또한 표면전극(Surface Electrode)은 3M사의 Ag/AgCl 전극이 이용되었다.
본 실험에 사용된 독립변수는 13kg(Low)과 20kg(High)인 외부 물체 무게, LCG가 중앙(Center), 오른쪽으로 중심으로부터 6.5cm 이동된 경우, 그리고 13cm 위치한 경우를 포함하는 LCG 위치이다. 물체 내에서 LCG가 앞 · 뒤인 경우는 물체로부터 L5/S1까지의 거리(MAexternal)가 늘어나므로 EMG 진폭, F_c, F_m가 증가하는 것은 이론적으로도 쉽게 확인할 수 있기 때문에 본 실험에서는 고려되지 않았다.
피실험자는 지난 6개월 동안 LBP를 포함한 MSD를 경험하지 않은 성인 남성 10명을 대상으로 하였다. 피실험자의 평균 연령, 신장, 체중은 각각 26.
피실험자들이 들기 작업을 위해 가로 ⨉ 세로 ⨉ 높이가 60 ⨉ 40 ⨉ 25cm인 6kg의 목재 상자가 이용되었으며, 무게 및 LCG를 변화시키기 위해 내부에 직육면체의 7kg의 물체 2개가 준비되었다.

데이터처리

두 개의 독립변수에 대한 각각의 종속변수 데이터를 바탕으로 Minitab 16 통계 분석용 S/W를 이용하여 Tow-Way ANOVA 분석을 실시하였으며, 통계적 유의 수준은 모두 0.05로 설정하여 분석하였다.

이론/모형

EMG의 Raw Data의 Sampling Frequency는 1,500Hz이며, 진폭은 Bandpass Filter(10~500Hz)를 사용하여 필터링을 한 후, 양의 값과 음의 값의 평균이 “0”이 되는 것을 방지하기 위해 Full Wave Rectification을 실행한 후 분석되었다[4].
등근육의 진폭과 MF를 측정하기 위한 EMG는 Noraxon사의 TeleMyo 2004 G2를 사용하였고, 분석 S/W는 같은 회사의 MyoResearch XP Master 1.06.21(2004)을 사용하였다. 또한 표면전극(Surface Electrode)은 3M사의 Ag/AgCl 전극이 이용되었다.

성능/효과

첫째, 진폭을 통한 Asymmetric load와 Symmetric load 비교에 있어서는 균형 효과가 발생한다. 둘째, LCG가 커질수록 양측 진폭의 차이는 커진다. 셋째, 양측 진폭의 차이로 인해 Asymmetric load가 더 큰 근피로를 발생시킨다.
이러한 결과를 통해 LCG가 증가할수록 LCG에 반대편에 있는 등근육의 진폭 증가폭은 LCG쪽에 있는 등근육의 진폭 감소폭에 의해 선형적으로 감쇄되는 효과(Blancing Effect)가 나타난다고 볼 수 있으며, 이는 EMG의 양쪽 진폭의 합으로 LCG의 효과를 비교할 수 없음을 나타낸다. 따라서 첫 번째 가설은 기각되지 않는다.
FI 공식에서 Final MF가 작아지면, 분모는 커지게 되므로 전체적인 FI는 증가된다. 즉, LCG가 우측으로 갈수록, 좌측 등 근육의 Load는 증가되지만 Final MF 감소폭이 증가되고, 우측 등근육은 Load가 좌측에서 증가한 것 만큼 감소하지만 Final MF는 상대적으로 증가폭이 감소폭보다 적게 되어 전체적인 근피로는 증가된다고 예상할 수 있다.
첫째, 외부 물체의 무게 증가는 좌·우 등근육의 진폭 평균과 근피로를 증가시키지만, LCG의 물체내 이동은 진폭 평균에는 영향을 주지 못하고 좌·우 등근육의 진폭의 차이의 증가와 이로 인해 발생하는 근피로 증가시킨다.
따라서 동일한 무게이면서 LCG만 차이가 나는 경우 Symmetric load와 Asymmetric load를 진폭과 근피로를 통해 비교할 때 다음과 같은 가설이 설정될 수 있다. 첫째, 진폭을 통한 Asymmetric load와 Symmetric load 비교에 있어서는 균형 효과가 발생한다. 둘째, LCG가 커질수록 양측 진폭의 차이는 커진다.
피실험자의 평균 연령, 신장, 체중은 각각 26.5(±1.3)세, 176.5(±6)cm, 75.6(±10.1)kg이었으며, 모두 오른손잡이였다.

후속연구

따라서 동적인 자세에서 LCG가 등근육 부하 및 피로에 미치는 영향을 좀 더 발전시킬 필요가 있다. 또한, 앞서 설명했듯이 Administrative Controls 측면에서 등근육에 부담을 주는 LCG의 변화에 대응되는 적절한 작업자 자세에 대한 연구도 이루어질 가치가 있다.
Diff와 FI의 상관관계가 상당한 양의 관계를 나타낸다는 것에 주목한다. 본 연구에서는 Asymmetric load가 주는 부하 및 피로만을 다루었지만, 이에 대응하는 작업자의 자세를 좀 더 연구 할 가치가 있다. 하지만 들기 작업의 Kinematic한 데이터들은 1회 실행이 1sec 미만으로 아주 짧기 때문에 근피로가 반영되지 않을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MMH는 작업자에게 어떤 질환을 야기할 수 있는가?	산업에서 다양한 산업용 기계에 의해 인력물자 취급(Manual Material Handling, MMH)을 대체하고 있다고 하더라도 완전히 MMH를 대신할 수는 없다. MMH는 어떠한 형식으로든 이를 수행하는 작업자에게 근골격계 질환(Musculoskeletal Disorder, MSD)을 야기시킬 수 있으며, 이로 인해 인간공학, 물리치료학, 의학전문가들의 연구가 지속되고 있다.
	본 연구에서는 MSD의 중요한 원인 중 하나로 무엇을 언급하였는가?	MSD의 중요한 원인 중 하나는 과도한 근력 사용이며, MSD 중 약 60% 이상이 들기 작업과 연관이 있다[1]. 들기 작업의 특성은 들고 있는 물체로부터 발생하는 부하가 대부분 허리에 집중됨으로써 요통(Low Back Pain, LBP)으로 이어질 수 있다는 것이다.
	들기와 관련된 요통의 원인에는 어떤 것이 있으며, 이와 관련하여 본 연구에서 주목한 사항에 대해 예를 들어 설명하시오.	들기 작업과 관련되어 LBP를 일으키는 원인으로써는 물체의 무게, 들어 올리는 속도, 물체와 상체와의 거리, 반복 횟수, 물체의 크기 등 다양하지만, 여기서 주목할 만한 것은 대부분의 연구들이 물체의 무게중심(Load Center of Gravity, LCG)을 물체의 중앙에 위치한 것에 중점을 맞추고 이루어졌다는 것이다. 하지만 산업체 및 일상생활에서 발생하는 MMH가 좌·우 대칭적인 무게중심의 물체(Symmetric load)를 다루는 것뿐만 아니라, 비대칭무게중심을 지닌 물체(Asymmetric load)의 경우도 많이 포함한다[17]. 예를 들어 전제레인지의 경우 조작부가 위치한 좌측 혹은 우측이 더 무거운 관계로 무게 중심이 물체 중앙에서 옆으로 비껴가 있으며, 군에서 사용하는 대부분의 탄약의 경우 추진체보다 탄환의 무게가 비행의 안정성을 유지하기 위해 더 무겁게 제작된다.

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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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