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문제 정의
- 본 연구는 달리기 선호속도, 선호속도의 120%, 선호 속도의 80%의 3가지 속도 조건에서 맨발로 트레이드 밀(tread-mill) 달리기 시 발의 전족(metatarsus), 중족(mid-foot), 후족(calcaneus)분절의 3차원 움직임의 변화 양상을 운동학적으로 관찰하고자 후족 착지 유형을 지닌 정상적인 남성 22명을 선정해 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구는 달리기 시 속도의 증감이 발의 전족(metatarsus), 중족(mid-foot), 후족(calcaneus) 분절의 3차원 움직임 변화에 미치는 영향을 관찰하고자 분절 내, 분절 간의 움직임을 비교 분석했다.
- 이에 본 연구는 달리기 시 속도의 증감에 따라 발의 전족 (metatarsus), 중족(mid-foot), 후족(calcaneus) 분절의 3차원 움직임의 변화 양상을 분석해 비교하고자 했다.
제안 방법
- 모든 대상자들에 대해 실제 주행에 앞서 발 분절에 대한 기준 방향을 설정하기 위해 발의 장축을 전역 좌표의 전후 축에 정렬한 상태에서 3초 동안 서 있는 자세(standing calibration)를 촬영했다. 각 대상자별로 대상자 내 자료의 Variability를 최소화하기 위한 목적으로 자료 획득은 각 주행 조건별 무작위로 시도되었으며, 최소한 10번의 지지 오른발을 분석해 그 중에서 평균에 가장 가까운 오른발 하나를 선정해 분석했다. 실험에 앞서 모든 대상자는 실험 상황에 적응하기 위한 목적으로 충분한 연습(warm-up)시간이 주어졌다.
- 모든 대상자들에 대해 실제 주행에 앞서 발 분절에 대한 기준 방향을 설정하기 위해 발의 장축을 전역 좌표의 전후 축에 정렬한 상태에서 3초 동안 서 있는 자세(standing calibration)를 촬영했다. 각 대상자별로 대상자 내 자료의 Variability를 최소화하기 위한 목적으로 자료 획득은 각 주행 조건별 무작위로 시도되었으며, 최소한 10번의 지지 오른발을 분석해 그 중에서 평균에 가장 가까운 오른발 하나를 선정해 분석했다.
- 발 분절의 3차원 각 계산을 위해 우선 발 분절에서 얻은 캘 리브레션 자료를 평균했으며, 이를 이용해 발 분절의 지역 좌표 방향을 정의하는 i, j, k 단위 벡터를 계산했다. 계산된 값은 역 행렬로 전환하여 전역좌표에 적(積)해 PCS(provisional coordinate system)에 설정했다.
- 발 분절에 대한 지역 좌표축 x, y, z는 전역 좌표와 같은 방향에 설정했다. 발의 후족(calcaneus), 중족 (mid-foot), 전족 (metatarsus) 3분절의 3차원 운동학적 정보를 얻기 위하여 반사 마커는 해부학적 특성을 고려해 종골 후면의 위 중앙 돌기, 재거돌기의 가장 내측 첨, 발 비골 결절의 외측 첨, 주상골의 조면의 가장 내측 정점, 다섯 번째 중족 관절의 기부, 두 번째 중족 관절의 기부, 첫째 중족의 기부, 첫째 중족골 두, 두 번째 중족 관절 두, 다섯 번째 중족 관절 골두 등에 10개를 부착했[Figure 1].
- 우선 실험에 참여한 각 대상자들의 선호 주행 속도를 관찰한 후 실험 조건으로 선호속도(정상 주행 속도), 선호 속도의 120%(빠른 주행 속도), 선호 속도의 80 %의 주행 속도(느린 주행 속도)를 결정한 후 이들 3가지 조건에서 맨발로 트레이드밀(Cosmed p170de, Italy) 주행 실험을 실시했다. 선호 주행 속도는 트레이드 밀 위에서 대상자가 달릴 때 트레이드 밀의 속도 증감을 반복해 대상자가 가장 편하다고 느끼는 속도를 선정했으며, 이런 과정을 3번 반복해서 얻은 속도를 평균해 선호 주행속도로 설정했다[Table 1]
- 중족의 축 기준은 비골 결절의 외측 첨과 재거돌기의 가장 내측 첨의 중간점을, 전족의 축 기준은 두 번째 중족 관절의 기부에 설정했다. 실제 달리기 시 발 분절 움직임에 대한 지역 단위 벡터도 이런 캘리브레션 절차와 같은 방법을 통해 산출했으며, 산출된 값은 이미 얻은 PCS에 다시 적해 이를 활용해서 분절의 오일러(Euler) 각 정의에 이용했다.
- 주행 시 발 분절의 3차원 움직임을 관찰하기 위해 적어도 2대 이상의 카메라가 피험자 오른발이 모두 촬영되도록 8대의 적외선 카메라(Oqus 300, Qualisys, Switzerland)를 트레이드 밀 주변에 설치했으며, 카메라는 컴퓨터에 연결해 지정된 프로그램에 의해 초당 200 Hz로 작동하도록 했다. 알려진 4개의 마커를 갖고 있는 L-프레임 강체는 트레이드 밀 뒤쪽 오른쪽에 놓아 전역 좌표 시스템(room coordinate system)으로 활용했으며, 이 때 축 방향은 상방 수직 쪽을 +Z, 운동방향 쪽을 +Y, +Y에서+Z 방향으로 크로스(cross)한 쪽을 좌우 운동 방향인 +X 축으로설정했다. 발 분절에 대한 지역 좌표축 x, y, z는 전역 좌표와 같은 방향에 설정했다.
- 우선 실험에 참여한 각 대상자들의 선호 주행 속도를 관찰한 후 실험 조건으로 선호속도(정상 주행 속도), 선호 속도의 120%(빠른 주행 속도), 선호 속도의 80 %의 주행 속도(느린 주행 속도)를 결정한 후 이들 3가지 조건에서 맨발로 트레이드밀(Cosmed p170de, Italy) 주행 실험을 실시했다. 선호 주행 속도는 트레이드 밀 위에서 대상자가 달릴 때 트레이드 밀의 속도 증감을 반복해 대상자가 가장 편하다고 느끼는 속도를 선정했으며, 이런 과정을 3번 반복해서 얻은 속도를 평균해 선호 주행속도로 설정했다[Table 1]
- 주행 시 발 분절의 3차원 움직임을 관찰하기 위해 적어도 2대 이상의 카메라가 피험자 오른발이 모두 촬영되도록 8대의 적외선 카메라(Oqus 300, Qualisys, Switzerland)를 트레이드 밀 주변에 설치했으며, 카메라는 컴퓨터에 연결해 지정된 프로그램에 의해 초당 200 Hz로 작동하도록 했다. 알려진 4개의 마커를 갖고 있는 L-프레임 강체는 트레이드 밀 뒤쪽 오른쪽에 놓아 전역 좌표 시스템(room coordinate system)으로 활용했으며, 이 때 축 방향은 상방 수직 쪽을 +Z, 운동방향 쪽을 +Y, +Y에서+Z 방향으로 크로스(cross)한 쪽을 좌우 운동 방향인 +X 축으로설정했다.
대상 데이터
- 본 연구에 참여한 대상자는 실험 참여 동의서를 받은 남자 22명으로 이들은 발에 어떠한 상해를 경험하지 않은 후족 착지형을 지닌 자들이며, 이들의 신체적 특징과 실험정보는 [Table 1]과 같다.
- 획득된 자료는 4차 Butterworth 반복 필터를 이용해 저역 필터링했으며, 이때 Cut-off 주파수 결정은 신호파워의 99%수준을 각 신호 특성의 대표 값으로 간주해 준거로 사용했다(Stergiou, Giakas, Byrne & Pomeroy, 2002).
데이터처리
- 각기 다른 3가지 조건의 달리기 속도 하에서 지지 구간 발의 전족, 중족, 후족의 3차원 각의 최대 값, 움직임 범위(ROM)에 대한 통계적 유의 수준을 결정하기 위해 One-way ANOVA 기법이 적용되었으며, 이 때 유의 수준은 a=.05로 설정했다.
성능/효과
- 그러나 통계적 의미는 없지만 평균 내·외전 움직임 범위는 후족에서 전족으로 갈수록 느린 속도에서 빠른 속도로 갈수록 조금씩 증가하는 양상을 보였다.
- 이것 역시 유의한 통계적 차이는 없지만, 모든 발의 분절은 발의 굴신 움직임과 같이 정상적인 속도 달리기가 느린 혹은 빠른 속도 달리기보다 적은 움직임의 특징을 보였다. 달리기 속도 조건별 발의 동일 분절 내 내반의 평균 최대 크기는 별다른 특징을 보이지 않았다.
- 보행 속도 감소에 따라 이지 시 최소 경골 족근골 관절 저측 굴곡과 최대 엄지발가락 배측 굴곡은 유의하게 3-9°사이로 감소했다고 보고했으나, 후족의 전두면 운동은 보행 속도에 유의하게 영향을 받지 않았다고 보고해 본 연구 후족의 움직임 관찰 결과와 일치했다. 또한 낮은 보행 속도는 착지 시 중족의 적은 회내 운동을 유발했다고 주장했는데 본 연구 결과는 통계적 차이는 없지만 느린 속도 달리기가 빠른 속도 달리기보다 발 3분절 공히 적은 회내 운동을 보였다. 역시 유의한 통계적 차이는 보이지 않지만 특징적인 것 중에 하나는 정상 속도 달리기 조건은 다른 느린, 빠른 달리기 조건에서보다 전족, 중족, 후족 모든 분절에서 배·저측 굴곡, 내·외반 움직임 범위가 가장 작게보였다.
- 발의 최대 배측과 저측 운동에 의해 결정되는 발 분절 굴곡의 범위는 달리기 속도의 증가에 따라 후족에서 전족으로 갈수록 증가 추세를 보였으나, 이 또한 유의한 통계치는 보이지 않았다. 발의 3 분절 굴곡의 범위 또한 최대 저측 굴곡각과 같이 정상 달리기 속도에서 가장 적은 값을 보였다. 이상과 같이 달리기 속도 증가에 따라 동일 발 분절 내 최대 배측 굴곡, 최대 저측 굴곡, 굴곡 움직임 범위에서 유의한 통계적 값은 보이지 않았다.
- 001). 발의 동일 분절 내 후족, 중족, 전족의 최대 평균 외전과 내전은 속도 조건에서 별다른 특징과 유의한 통계적 차이는 보이지 않았다. 그러나 통계적 의미는 없지만 평균 내·외전 움직임 범위는 후족에서 전족으로 갈수록 느린 속도에서 빠른 속도로 갈수록 조금씩 증가하는 양상을 보였다.
- 001). 발의 동일 분절 내 후족의 최대 평균 외반은 후족에서 전족으로 갈수록 느린 속도 달리기보다 빠른 속도 달리기에서 큰 값을 보였다. 이것 역시 유의한 통계적 차이는 없지만, 모든 발의 분절은 발의 굴신 움직임과 같이 정상적인 속도 달리기가 느린 혹은 빠른 속도 달리기보다 적은 움직임의 특징을 보였다.
- 여기서 통계적인 유의한 차이는 없지만 특징적인 것 중에 하나는 발의 3분절 평균 최대 저측 굴곡 각은 정상속도 달리기에서 가장 적은 움직임을 보였다. 발의 최대 배측과 저측 운동에 의해 결정되는 발 분절 굴곡의 범위는 달리기 속도의 증가에 따라 후족에서 전족으로 갈수록 증가 추세를 보였으나, 이 또한 유의한 통계치는 보이지 않았다. 발의 3 분절 굴곡의 범위 또한 최대 저측 굴곡각과 같이 정상 달리기 속도에서 가장 적은 값을 보였다.
- 본 연구 결과 발의 3 분절이 3차원적으로 각기 다른 움직임 양상을 보이는 것은 달리기 속도를 조절하는 전후 지면반력(Peterson, et al., 2011)발휘는 발의 복잡한 상호 관계에 의해 이루어지는 것으로 판단된다. 향후 이동운동의 메카니즘을 이해하기 위한 통찰력을 얻기 위해 발의 움직임에 따라 제동과 추진 충격력이 어떻게 달라지는가를 관찰하는 것도 필요한 일이라 하겠다.
- 본 연구 결과 주행 시 발의 움직임은 전반적으로 배·저측 굴곡은 내·외반과 내·외전 움직임 범위보다 개인차이가 큰것으로 확인되었는데 이는 주행 시 굴신 동작은 다른 두 동작보다 운동의 가동 범위가 큰 결과로 인한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 달리기 속도 증감이 지지구간에서 발 분절 내 최대 배·저측 굴곡, 내·외반, 내·외전과 배·저측 굴곡, 내·외반, 내·외전 움직임 범위에는 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다.
- 발의 동일 분절 내 후족의 최대 평균 외반은 후족에서 전족으로 갈수록 느린 속도 달리기보다 빠른 속도 달리기에서 큰 값을 보였다. 이것 역시 유의한 통계적 차이는 없지만, 모든 발의 분절은 발의 굴신 움직임과 같이 정상적인 속도 달리기가 느린 혹은 빠른 속도 달리기보다 적은 움직임의 특징을 보였다. 달리기 속도 조건별 발의 동일 분절 내 내반의 평균 최대 크기는 별다른 특징을 보이지 않았다.
- 이들 결과에 의하면, 발 후족 분절의 최대 평균 배측 굴곡은 느린 속도 달리기에서 6.1°, 정상 속도 달리기에서 6.4°, 빠른 달리기 속도에서 6.6°씩 증가 추세를 보였으나, 통계적으로 유의한 수준은 보이지 않았다.
- 발의 3 분절 굴곡의 범위 또한 최대 저측 굴곡각과 같이 정상 달리기 속도에서 가장 적은 값을 보였다. 이상과 같이 달리기 속도 증가에 따라 동일 발 분절 내 최대 배측 굴곡, 최대 저측 굴곡, 굴곡 움직임 범위에서 유의한 통계적 값은 보이지 않았다. 전족, 중족, 후족간의 발 분절 간 굴신 움직임은 최대 배측 굴곡을 제외하고 굴곡 범위, 최대 저측 운동에서 통계적으로 유의한 값을 보였다(p<.
- 이와는 달리 발 분절 간 3분절 간의 내·외전 움직임은 최대 외전을 제외하고, 3가지 달리기 조건 모두에서 평균 최대 내전과 내·외전 움직임 범위는 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<.001).
- 전반적으로 달리기 속도 증감에 관계없이 발분절의 배·저측 굴곡은 내·외반과 내·외전 움직임 범위의 Variability보다 크게 나타났다.
- 전족, 중족, 후족간의 발 분절 간 굴신 움직임은 최대 배측 굴곡을 제외하고 굴곡 범위, 최대 저측 운동에서 통계적으로 유의한 값을 보였다(p<.001).
- 3°으로 속도의 증가에 따라 원위 분절로 갈수록 내·외반 움직임은 크게 나타났으나, 유의한 통계적 차이는 없었다. 정상속도 달리기 조건에서 발의 3분절 움직임은 다른 느린 혹은 빠른 달리기 속도 조건에서보다 적은 움직임을 나타내었다. 발의 굴곡 동작과 같이 달리기 속도 증가에 따라 동일 발 분절 내 최대 내반, 최대 외반 , 내·외반 움직임 범위는 통계적 차이를 보이지 않았다.
- 중족의 최대 저측 굴곡 각은 속도의 증가에 따라 59.8°, 57.5°, 60.5°로 후족보다 증가 양상을 보였으며, 이런 증가 현상은 원위 분절로 갈수록 커졌으나 분절 내 유의한 통계 차이는 없었다.
- 한편 발이 지면에서 이지하는 순간에 나타나는 후족의 최대 저측 굴곡 각은 느린 속도 달리기에서 평균 56.5°, 정상달리기 속도에서는 54.0°, 빠른 달리기 속도에서는 56.7°을 보였다.
- 한편 본 연구에서 느린, 정상, 빠른 달리기 속도 모든 조건에서 배·저측 굴곡, 내·외반, 내·외전 움직임 범위는 발의 3분절간 모두 차이를 보였다.
후속연구
- 이들 상황에서 이동운동의 주체가 되는 발의 움직임을 정량화하는 것은 앞서 언급한 대로 다양한 통찰력을 얻기 위해 필요한 일이라 하겠다. 달리기의 목적은 경기력뿐만 아니라 건강을 도모하는 신체 활동이므로 이와 관련한 발의 운동역학적 정보를 위한 연구가 더 필요하리라 본다.
- 특히 이동운동에서 발 움직임 관찰은 대부분 운동화를 신은 상태에서 이루어졌기 때문에 단순히 후족, 중족, 전족 3분절 모두를 하나의 강체나 벡터로 고려해 분석했는데 비정상적인 발 기능의 정량적 평가와 영향을 판단하고자 할 때 혹은 발의 다 분절 동력학 모델을 구축할 때는 운동화에도 3분절 정보를 획득하는 마커 부착 방법을 강구해야 할 것을 시사한다. 또한 달리기 시 야기 될 수 있는 상해 유발 가능성을 예측하고, 효과적인 에너지 소비 패턴을 평가하고, 횡단면에서 전족 각들의 크기 정보를 통해 평발과 같은 병리학적 판단에 유용한 정보를 제공하기 위한 수단뿐만 아니라 정상 발과 병리학적 발의 기능 구별과 다양한 발의 장애 수준을 평가해 임상적인 성과를 정량화하기 위한 시도로 발의 해부학적 움직임에 입각해 다 분절 시스템으로 분석하는 것이 필요하다 하겠다.
- 그 결과 보다 큰 근력 발휘를 위한 필요성 때문에 보행 속도에 따라 근 활동의 크기는 증가 한다고 볼 수 있지만(Den Otter, Geurts, Mulder & Duysens, 2004), 본 연구에서는 속도 증가에 따른 발의 동일 분절 내 근 활동 크기는 별다른 차이가 없는 것으로 판단된다. 향후 달리기 속도의 증감 폭을 보다 크게 하고, 본 연구에서 제외된 발가락 움직임 등을 살펴보는 또다른 연구의 시도도 필요하리라 본다.
- , 2011)발휘는 발의 복잡한 상호 관계에 의해 이루어지는 것으로 판단된다. 향후 이동운동의 메카니즘을 이해하기 위한 통찰력을 얻기 위해 발의 움직임에 따라 제동과 추진 충격력이 어떻게 달라지는가를 관찰하는 것도 필요한 일이라 하겠다. 비록 이동운동 유형은 다르지만 본 연구 결과는 보행 속도의 증가에 따라 후족에 대해 중족의 피크 회외 각이 유의하게 증가 했고, 후족에 대한 전족 내전이 운동이 크게 일어났다는 Dubbeldam et al.
- 향후 이와 관련된 연구를 수행하기 위해서는 발의 3 분절뿐만 아니라 기절골, 중절골, 말절골을 포함하는 발분절의 3차원 움직임과 이동운동의 속도를 조절하는 전후 지면 반력과의 관계를 분석할 필요성이 요구되며, 달리기 속도 조건을 보다 다양하게 설정해 관찰할 필요성 또한 제언하고자 한다.
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