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문제 정의
- 보행 시 무릎관절은 세가지 기능적인 역할을 하게 된다. 입각기 단계(stance phase)에서 하지의 충격흡수 기능을 수행하고, 체중부하에 대한 신전근(extensor)의 안정성을 제공하는 것이다. 유각기 단계(swing phase)에서는 하지를 앞으로 이동하기 위하여 빠른 굴곡을 수행한다(Perry, 1992).
- 따라서 본 연구에서는 정상인의 무릎 관절에 인위적인 강직을 유도하고 이 강직현상이 보행시 신체 동작에 미치는 영향을 운동학적 및 운동역학적으로 분석하여 무릎 관절의 강직에서 기인한 신체 활동의 보상작용 형태를 규명하고자 한다. 본 연구의 결과는 신체 동작의 보상 활동 기전을 이해하고 인체 운동 발달에 관련한 많은 연구에 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 생각된다.
- 이에 따라 본 연구에서는 정상인들을 대상으로 무릎관절의 관절가동범위를 제한한 강직 정도를 설정하여 환측 및 건측 하지의 운동학적, 운동역학적 가상보행 분석을 하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 무릎강직의 수준에 따른 가상실험을 위하여 각도 조절(0-120°)이 가능한 의료용 무릎보조기(올그린메디텍 AG-3901)를 이용하여 실험하였다(Figure 1).
- 본 실험 전, 전역좌표계 설정을 위하여 분석구간에 통제점틀 (2×2×1 m)을 설치하여 촬영하였다.
- 무릎보조기를 통하여 완전강직(무릎고정), 부분강직(무릎가동 범위; 30°) 보행과 자유 보행으로 나누어 분석하였다.
- 무릎보조기를 통하여 완전강직(무릎고정), 부분강직(무릎가동 범위; 30°) 보행과 자유 보행으로 나누어 분석하였다. 모든 대상자는 오른쪽 하지에 보조기를 착용하였다.
- 운동학적 분석을 위하여 5대의 적외선 고속 카메라(Motionmaster 100)와 3차원 동작분석시스템(Kwon 3D XP, Visol, Korea)을 이용하였다. 적외선 카메라의 촬영 속도는 100 Hz로 하였다.
- 본 실험 전, 전역좌표계 설정을 위하여 분석구간에 통제점틀 (2×2×1 m)을 설치하여 촬영하였다. 전역좌표계 설정은 대상자의 보행 진행방향을 Y축방향, 수직방향을 Z축 방향, 좌우방향을 X축 방향으로 하였다.
- 보행 시 3차원 운동학적 변인 분석을 위하여 대상자의 신체 각 부위에 21개의 마커를 부착하여 디지타이징(digitizing)하였다. 신체분절의 중심점에 대한 좌표화는 Plagenhoef, Evans와 Abdelnour(1983)의 인체 분절지수 (body segment parameter)를 이용하였고, 카메라에서 얻어진 2차원 좌표값은 DLT(Abdel-Aziz & Karara, 1971) 방식을 사용하여 3차원 공간 좌표값을 산출하였다.
- 신체분절의 중심점에 대한 좌표화는 Plagenhoef, Evans와 Abdelnour(1983)의 인체 분절지수 (body segment parameter)를 이용하였고, 카메라에서 얻어진 2차원 좌표값은 DLT(Abdel-Aziz & Karara, 1971) 방식을 사용하여 3차원 공간 좌표값을 산출하였다. 디지타이징 오차와 피부에 부착된 마커의 움직임에 따라 유발되어지는 문제를 해결하기 위해 모든 3차원 좌표값은 필터 처리하였다. 자료 분석 과정에서 발생할 수 있는 잡음(noise)을 제거하기 위한 스무딩(smoothing)으로 디지털 필터링(digital filtering)을 이용하였고, 저역통과 필터(low-pass filter)의 차단주파수(cut-off frequency)는 10 Hz로 하였다.
- 디지타이징 오차와 피부에 부착된 마커의 움직임에 따라 유발되어지는 문제를 해결하기 위해 모든 3차원 좌표값은 필터 처리하였다. 자료 분석 과정에서 발생할 수 있는 잡음(noise)을 제거하기 위한 스무딩(smoothing)으로 디지털 필터링(digital filtering)을 이용하였고, 저역통과 필터(low-pass filter)의 차단주파수(cut-off frequency)는 10 Hz로 하였다.
- 보행 시 지면반력을 측정하기 위하여 2대의 지면반력기(AMTI OR6-7-2K, USA)를 사용하였고, 1000 Hz로 샘플링 하였다. 2대의 지면반력기로 수집한 자료는 분석프로그램(KwonGRF 2.
- 0, Visol, Korea)을 이용하였고, 20 Hz에서 저역통과 필터를 적용하여 잡음을 제거하였다. 또한, 각 대상자의 체중으로 자료를 표준화하여 처리하였다.
- 실험 전 모든 대상자들에게 연구에 대한 내용을 설명을 하고, 부분강직과 완전강직 보행에 대한 영상을 보도록 하였다. 대상자들은 보조기를 착용한 상태에서 자유보행, 부분강직, 완전강직 보행에 익숙할 수 있도록 각 보행 실험 전, 트레드밀을 이용하여 충분한 연습을 하도록 하였다.
- 실험 전 모든 대상자들에게 연구에 대한 내용을 설명을 하고, 부분강직과 완전강직 보행에 대한 영상을 보도록 하였다. 대상자들은 보조기를 착용한 상태에서 자유보행, 부분강직, 완전강직 보행에 익숙할 수 있도록 각 보행 실험 전, 트레드밀을 이용하여 충분한 연습을 하도록 하였다. 각 대상자에게 랜드마커 부착하였다.
- 보행 동작은 카메라 분석을 통하여 다음과 같이 7개의 이벤트(event)로 설정하였다(Figure 4). 오른발, 왼발에 각각 이벤트를 적용시켜 자료를 산출하여 시상면(sagittal plane)에서 발생되는 운동학적 변인들을 분석하였다.
- 본 연구는 건강한 10명의 남성을 대상으로 보행 시 무릎 관절에 인위적인 강직을 유도하였고 이때 무릎 관절의 강직현상이 신체 동작에 미치는 영향을 운동학적 및 운동역학적으로 분석하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 도출한 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상자는 하지 손상의 병력이 없고, 보행 시 외반족, 내반족 및 특이한 보행 형태를 가진 대상자를 제외하며, 외반슬(genu valgum) 및 내반슬(genu varum) 등 신체 기형으로 인해 보행에 지장이 없는 20대의 건강한 성인 남성 10명을 대상으로 선정하였다(age: 26.0±6.3 yrs, height: 175.5±5.3 cm, weight: 69.1±6.1 kg).
데이터처리
- 보행 시 지면반력을 측정하기 위하여 2대의 지면반력기(AMTI OR6-7-2K, USA)를 사용하였고, 1000 Hz로 샘플링 하였다. 2대의 지면반력기로 수집한 자료는 분석프로그램(KwonGRF 2.0, Visol, Korea)을 이용하였고, 20 Hz에서 저역통과 필터를 적용하여 잡음을 제거하였다. 또한, 각 대상자의 체중으로 자료를 표준화하여 처리하였다.
- 사후검증(post-hoc)은 Turkey HSD 방법을 이용하였고, 모든 통계치의 유의수준은 p<.05로 설정하였다.
- 본 연구의 통계처리는 SPSS 21.0(IBM, USA)을 이용하여 3가지 무릎강직 수준과 좌우 하지 관절 각변위 사이의 운동학적 변인과 지면반력에 대한 차이를 분석하기 위하여 반복측정분석(ANOVA with repeated measure)을 사용하였고, 무릎강직 수준에 따른 관절가동범위, 몸통기울기, 지면반력의 차이 분석은 반복적 일원변량분석(One-way ANOVA with repeated measures)을 사용하였다. 사후검증(post-hoc)은 Turkey HSD 방법을 이용하였고, 모든 통계치의 유의수준은 p<.
이론/모형
- 신체분절의 중심점에 대한 좌표화는 Plagenhoef, Evans와 Abdelnour(1983)의 인체 분절지수 (body segment parameter)를 이용하였고, 카메라에서 얻어진 2차원 좌표값은 DLT(Abdel-Aziz & Karara, 1971) 방식을 사용하여 3차원 공간 좌표값을 산출하였다.
성능/효과
- 이에 대해, Kerrigan, Roth와 Riley (1998)은 정상인을 대상으로 환측부위(affected side)의 강직 보행을 가상실험하여 유각기의 특성을 연구하였다. 이러한 가상실험의 시도는 환자의 특정기전(patients specific mechanism)을 이해할 수 있는 가능성을 보여주었다. Zajac, Neptune와 Kautz (2003)은 역동적 시뮬레이션이 환자와 관련된 더 많은 자료 수집을 통하여 환자에게 도움을 준다고 하였고, Kim 등 (2004)은 환자를 통한 실험에서는 측정할 수 없는 자료를 만들 수 있기 때문에 보다 개선된 치료의 목표를 성취할 수 있다고 제안하였다.
- 자유보행에서는 좌우 고관절 모두 HC에서 굴곡이 가장 크게 나타났고, MS1에서 신전이 가장 크게 나타났다. 부분강직 보행 시에는 HC에서 가장 굴곡이 크게 나타났고, 왼쪽 고관절은 MS1에서, 오른쪽 고관절은 HC2에서 신전이 크게 나타났다.
- 자유보행에서는 좌우 무릎관절 모두 HC1에서 신전이 가장 크게 나타났고, TO2에서 굴곡이 가장 크게 나타났다. 부분강직 보행은 왼쪽 무릎에서 TO1, 오른쪽 무릎은 HC3에서 신전이 크게 나타났지만, 좌우 무릎관절 모두 TO2에서 가장 굴곡이 크게 나타났다.
- 자유보행에서는 좌우 무릎관절 모두 HC1에서 신전이 가장 크게 나타났고, TO2에서 굴곡이 가장 크게 나타났다. 부분강직 보행은 왼쪽 무릎에서 TO1, 오른쪽 무릎은 HC3에서 신전이 크게 나타났지만, 좌우 무릎관절 모두 TO2에서 가장 굴곡이 크게 나타났다. 완전강직 보행은 좌우 무릎 모두 HC1에서 신전이 크게 나타났고, TO2에서 가장 굴곡이 크게 나타났다.
- 부분강직 보행은 왼쪽 무릎에서 TO1, 오른쪽 무릎은 HC3에서 신전이 크게 나타났지만, 좌우 무릎관절 모두 TO2에서 가장 굴곡이 크게 나타났다. 완전강직 보행은 좌우 무릎 모두 HC1에서 신전이 크게 나타났고, TO2에서 가장 굴곡이 크게 나타났다.
- 001). 사후검증 결과, 오른쪽 무릎관절에서는 자유보행이 부분강직과 완전강직 보행보다 가동범위가 크게 나타났지만, 몸통기울기에서는 자유보행이 부분강직과 완전강직 보행보다 가동범위가 작게 나타났다.
- Fy 값은 오른발의 최대힘(추진력)과 최소힘(제동력)에서 차이를 보였고(p<.001), 사후검증 결과, 최대힘은 자유보행이 완전강직 보행보다 크게 나타났고, 최소힘은 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 크게 나타났다.
- 왼발은 최소힘에서 차이를 보였고(p<.05), 사후검증 결과, 최소힘은 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 크게 나타났다.
- 본 연구에서 하지관절 각변위 결과, 보행 시 무릎관절의 가동범위 제한은 양쪽 고관절의 각변위에 영향을 미치지 못하였다. 하지만, 좌우 고관절 각변위에서는 중간입각기(mid-stance: TO1, MS1)에서 왼쪽 고관절이 오른쪽 고관절보다 신전이 크게 나타났다.
- 무릎관절은 유각기 단계에서 자유보행이 부분강직, 완전강직 보행 시보다 굴곡이 크게 나타났다. 좌우 무릎관절각변위는 유각기 단계를 제외한 모든 이벤트에서 왼쪽 무릎관절이 오른쪽 무릎관절보다 신전이 크게 나타났다.
- 무릎관절은 유각기 단계에서 자유보행이 부분강직, 완전강직 보행 시보다 굴곡이 크게 나타났다. 좌우 무릎관절각변위는 유각기 단계를 제외한 모든 이벤트에서 왼쪽 무릎관절이 오른쪽 무릎관절보다 신전이 크게 나타났다. Kim 등 (2007)의 결과 무릎관절 굴곡각 제한이 반대쪽 무릎관절에 영향을 미치는 것으로 나타나 본 연구와 일치하였다.
- Kim 등 (2007)의 결과 무릎관절 굴곡각 제한이 반대쪽 무릎관절에 영향을 미치는 것으로 나타나 본 연구와 일치하였다. 본 연구 결과 보행 시 무릎관절의 제한을 통해 가장 영향을 가장 많이 받는 지점이 유각기로 보인다. 유각기 동안 무릎관절은 발을 들어올리는 중요한 역할을 한다.
- 발목관절에서는 무릎가동범위에 따라 발이 지면에서 떨어지는 지점에서만 차이가 나타났고, 자유보행이 부분 및 완전강직 보행보다 저측굴곡이 크게 나타났다. 좌우 발목관절 각변위는 전유각기를 포함한 유각기에서 오른쪽 발목관절이 왼쪽 발목관절보다 배측굴곡이 크게 나타났다.
- 또한, Kim 등 (2007)의 결과 무릎관절 굴곡각 제한으로 발목관절의 저측굴곡이 감소하였다. 본 연구 결과 가동범위 제한으로 인한 무릎관절의 영향으로 발목관절에서는 부분 및 완전강직 보행에서 충분한 저측굴곡이 수행되지 못하였다. 이는 유각기 동안 무릎관절의 수동적 굴곡과 발목관절 조합으로 하지가 전진되는 동작을 수행하게 되지만, 부분 및 완전강직 보행에서는 무릎관절의 제한 때문에 유각기의 선행 동작에서 발목관절의 과도한 배측굴곡이 나타난 것으로 사료된다.
- 몸통기울기에서는 중간입각기에서 자유보행과 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 후방기울기가 크게 나타났다. 결과에 서, 중간입각기 동안 무릎관절의 강직이 몸통기울기에 영향을 미치고 있는 것으로 나타났고, 보행 시 중간 입각기 지점의 보상작용으로 몸통의 움직임을 이용하는 것으로 사료된다.
- 몸통기울기에서는 중간입각기에서 자유보행과 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 후방기울기가 크게 나타났다. 결과에 서, 중간입각기 동안 무릎관절의 강직이 몸통기울기에 영향을 미치고 있는 것으로 나타났고, 보행 시 중간 입각기 지점의 보상작용으로 몸통의 움직임을 이용하는 것으로 사료된다.
- 관절 가동범위에서는 가동범위에 제한을 두었던 오른쪽 무릎관절을 제외한 대부분 관절에서는 차이를 보이지 않았지만, 몸통기울기에서만 차이가 나타났다. 따라서, 보행시 무릎관절의 강직이 몸통의 움직임을 크게 유발하는 것으로 사료된다.
- 지면반력의 결과는 Fx 값에서 오른발의 외측힘은 자유보행이 부분강직과 완전강직 보행보다 크게 나타났지만, 내측힘은 자유보행과 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 작게 나타났다. 하지만, 왼발에서는 내·외측힘에서 차이가 나타나지 않았다.
- 하지만, 왼발에서는 내·외측힘에서 차이가 나타나지 않았다. Fx 값에서 오른발은 자유보행은 외측 힘이 강하고, 내측힘은 완전강직 보행이 크게 나타났다. 이에 따라 무릎관절의 가동범위에 따라 해당 하지의 지면반력에도 영향을 미치는 것으로 보이며, 무릎관절의 제약에 따라 발의 외번이 발생되어 내측힘이 크게 나타난 것으로 사료된다.
- 이에 따라 무릎관절의 가동범위에 따라 해당 하지의 지면반력에도 영향을 미치는 것으로 보이며, 무릎관절의 제약에 따라 발의 외번이 발생되어 내측힘이 크게 나타난 것으로 사료된다. Fy 값에서 오른발의 추진력은 자유보행이 완전강직 보행보다 크게 나타났고, 제동력은 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 크게 나타났다. 왼발의 제동력은 부분강직 보행이 완전강직 보행보다 크게 나타났다.
- Fy 값은 오른발에서 완전강직 보행이 무릎관절의 수동적 굴곡이 제한되어 발목관절에 전해지는 힘의 감소로 인해 추진력이 작은 나타난 것으로 사료된다. 제동력에서 자유보행은 상대적으로 보행속도가 빠르고, 완전강직 보행은 무릎관절 제한으로 인해 고관절 모멘트 값이 크게 작용하여 좌우 지면반력값이 크게 나타났지만, 부분강직 보행은 보행속도와 고관절 모멘트 값이 작게 나타나 좌우 지면반력값이 가장 작은 것으로 사료된다. Fz 값은 무릎관절 각도에 따른 차이가 나타나지 않았다.
- 1. 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 중간입각기(MS1)에 왼쪽 고관절의 신전각이 크게 나타나는 것으로 판단된다.
- 2. 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 왼쪽 무릎관절의 유각기에서 신전각이 크게 나타나는 것으로 판단된다.
- 3. 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 오른쪽 발목관절의 배측굴곡각이 크게 나타났고, 부분 및 완전강직 보행 시 TO2에서 발목관절 저측굴곡각이 작게 나타나는 것으로 판단된다.
- 4. 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 중간입각기 시 몸통기울기의 후방경사가 작게 나타나는 것으로 판단된다.
- 5. 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 오른쪽 무릎관절은 작게 나타났고, 몸통기울기는 크게 나타나는 것으로 판단된다.
- 6. 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 Fx 값은 오른발에서 발의 외번이 발생되어 외측힘은 자유보행에서 크게 나타났지만, 내측힘은 완전강직 보행에서 발의 외번이 발생되어 크게 나타났다. Fy 값에서 오른발의 추진력은 완전강직 보행이 작게 나타났고, 제동력은 고관절 모멘트 값이 크게 작용한 완전강직 보행이 크게 나타났다.
- 오른쪽 무릎 강직 현상에 대한 신체 활동의 보상 작용으로 Fx 값은 오른발에서 발의 외번이 발생되어 외측힘은 자유보행에서 크게 나타났지만, 내측힘은 완전강직 보행에서 발의 외번이 발생되어 크게 나타났다. Fy 값에서 오른발의 추진력은 완전강직 보행이 작게 나타났고, 제동력은 고관절 모멘트 값이 크게 작용한 완전강직 보행이 크게 나타났다. Fz 값은 무릎강직의 영향이 나타나지 않은 것으로 판단된다.
- Kim 등 (2007)의 연구에서 무릎관절 굴곡각을 30°까지 제한하였을 때 고관절 굴곡각 감소로 나타났다. 본 연구는 왼발의 중간입각기에서 정상적인 무릎관절의 가동범위로 인해 왼쪽 고관절에 영향을 미치지 못하였지만, 중간입각기에서는 무릎관절 가동범위의 제한으로 인해 고관절의 각변위를 제한하는 영향을 미치게 되었다. 특히 오른쪽 무릎관절이 고정되었을 때 오른쪽 고관절의 각변위도 크게 감소되는 경향을 보여 무릎관절의 강직은 고관절의 운동량 감소에도 영향을 미치는 것으로 사료된다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 정상인의 무릎 관절에 인위적인 강직을 유도하고 이 강직현상이 보행시 신체 동작에 미치는 영향을 운동학적 및 운동역학적으로 분석하여 무릎 관절의 강직에서 기인한 신체 활동의 보상작용 형태를 규명하고자 한다. 본 연구의 결과는 신체 동작의 보상 활동 기전을 이해하고 인체 운동 발달에 관련한 많은 연구에 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 생각된다.
- Lee, Lee, Choi, Lee와 Park(2006)의 연구에서는 보조기 착용여부에 따라 지면반력 크기의 차이가 나타나지 않았지만, 발생시점과 기간에 차이가 나타나는 것으로 보고하였다. 본 연구에서는 크기만 비교하여 발생시점과 기간에 대한 분석이 이루지지 못하였다.
- 향후 연구에서는 보다 다양한 관절의 제약과 근전도 분석을 통하여 신체의 과도한 보상작용으로 누적되는 다른 부위의 2차적 상해의 예방과 신체 움직임의 보상적 구조 연구가 필요할 것이다.
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