[논문]성인 및 청소년의 엄지손가락 반복사용에 따른 근 피로한계 비교

박정홍; 김광훈; 손권

doi:10.9718/jber.2013.34.1.1

성인 및 청소년의 엄지손가락 반복사용에 따른 근 피로한계 비교
Comparison of Muscular Endurance Limit of the Thumb with Repetitive Using Between Adults and Children 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.34 no.1, 2013년, pp.1 - 7

박정홍 (부산대학교 기계공학부 대학원 BK사업단) , 김광훈 (부산대학교 기계공학부) , 손권 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

According to the frequent use of mobile devices, risk of repetitive strain injury for the finger joints was increasing recently. The purpose of this study was to investigate the difference of muscular endurance limit of the thumb between adults and children. A total of thirty subjects (15 adults: $41.0{\pm}7.9$ years and 15 children: $9.5{\pm}2.7$ years) was recruited for this experiment. Maximum voluntary contraction (MVC) of the thumb was measured for 100 trials for each subject by using a push-pull gauge. From the maximum peak value obtained, three main factors (MVC, endurance limit, and fatigue index) were defined to quantify fatigue characteristics of the thumb flexor muscle. The experimental results showed that the mean of MVC, endurance limit, and fatigue index of the children were approximately 50% compared to the adults (p < 0.001). From the results of Pearson correlation test, the endurance limit was highly correlated with weight, age, hand length rather than height. Based on this study, children are more vulnerable to repetitive task using the thumb such as text/SNS messaging, gaming, and scrolling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 버튼이나 화면을 누르는 동작에서 힘이 더 가해지기 때문에 눌렀다 떼는 신전력보다 굴곡력이 입력에 직접적으로 작용한다. 따라서, 본 연구에서는 엄지손가락에 대한 굴곡력(flexion force)에 대한 피로한계를 측정하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 엄지손가락의 RSI 위험성을 알아보기 위한 다른 접근방법으로 근전도를 사용하지 않고 자발적 최대근력을 반복적으로 수행하여 얻어지는 엄지굴근의 근력을 바탕으로 근 피로한계를 구하고 피로곡선을 얻음으로써 굴곡 동작에 대한 근육 특성을 파악하고자 하였다. 근 피로한계는 근육이 피로한 상태에서도 낼 수 있는 최대 힘의 크기가 되며 반대로 모바일 기기를 작동하기 위한 힘의 크기가 반복적으로 사용할 때 피로한계보다 커질 수 없다.
본 연구는 모바일 기기를 사용할 때 자주 사용하는 엄지손가락에 대하여 입력 동작에서 주된 역할을 하는 굴곡근의 근피로 한계를 측정하여 분석함으로써 성인과 어린 청소년에 대한 생체역학적 특성을 비교하였다. 실험 결과 MVC와 피로한계가 모두 어린 청소년이 성인의 약 50% 수준으로 매우 크게 떨어지는 것을 확인하였다.
따라서 피로한계는 반복적 동작을 통해 힘을 가하는 작업에서 한계값이 되고 그 수준을 지속적으로 유지하는 것은 RSI 위험도가 가장 높다고 판단할 수 있다. 본 연구에서는 엄지손가락의 운동 중 버튼을 누르거나 터치 스크린에 타이핑을 할 때 일어나는 주된 동작이 엄지손가락의 굴신 운동이기 때문에 굴곡력에 대한 근피로 한계를 측정하고 연령 그룹을 성인과 어린 청소년 그룹으로 나누어 차이를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 최근 사용이 급증하고 있는 스마트폰을 비롯하여 휴대용 게임기, 스마트패드 등 다양한 모바일 기기 사용시 가장 많이 사용하는 엄지손가락에 대하여 근 피로한계(muscular endurance limit)를 측정하였다. 실험에 참여한 피실험자들의 성별, 연령, 몸무게, 손 길이를 측정하여 자료화 하였으며 모두 자주 사용하는 손은 오른손이었다.
김 등[15]은 성인을 대상으로 모바일 폰의 버튼식 및 터치식 입력 방식에 대하여 반복적인 문자 입력을 가정하여 약 1시간가량 입력 동작을 수행한 후에 손가락의 피로도를 정성적으로 평가하였다. 이 연구는 버튼식과 터치식의 입력 방식의 차이에 따른 손가락 끝에 걸리는 힘의 차이를 측정하기 위해 엄지손가락에 필름형 압력센서를 부착하고 힘을 측정하였다. 그리고 오랜 반복동작을 수행후 근피로에 대한 평가는 설문지를 이용하여 정성적인 방법으로 피로를 파악하였다.

제안 방법

이 연구는 버튼식과 터치식의 입력 방식의 차이에 따른 손가락 끝에 걸리는 힘의 차이를 측정하기 위해 엄지손가락에 필름형 압력센서를 부착하고 힘을 측정하였다. 그리고 오랜 반복동작을 수행후 근피로에 대한 평가는 설문지를 이용하여 정성적인 방법으로 피로를 파악하였다. 분석 결과 엄지손가락의 굴곡근에 해당하는 엄지굴근 (flexor pollicis brevis) 부위에서 피로감과 뻐근함이 나타나 실제로 모바일 기기를 오래 사용할 때 피로감이 나타남을 확인하였다.
엄지손락의 굴곡시 사용되는 힘을 측정하기 위하여 하중 센서로 상용 푸쉬-풀 게이지(push-pull gauge, DN-FGA, Dacell, Korea)를 그림 2와 같이 사각 프레임에 고정하고 RS-232C 통신을 통해 PC에 측정값이 전송되도록 하였다. 그리고 측정 자세는 그림 3과 같이 손을 편 자세에서 전완을 수평면에 붙이고 측정 게이지 상단에 부착된 금속 평판을 최대의 힘으로 누르게 하였다. 이때 측정된 신호는 10 Hz의 샘플링 주기로 PC로 읽어 저장하였다.
본 연구에서는 최근 사용이 급증하고 있는 스마트폰을 비롯하여 휴대용 게임기, 스마트패드 등 다양한 모바일 기기 사용시 가장 많이 사용하는 엄지손가락에 대하여 근 피로한계(muscular endurance limit)를 측정하였다. 실험에 참여한 피실험자들의 성별, 연령, 몸무게, 손 길이를 측정하여 자료화 하였으며 모두 자주 사용하는 손은 오른손이었다.
엄지손락의 굴곡시 사용되는 힘을 측정하기 위하여 하중 센서로 상용 푸쉬-풀 게이지(push-pull gauge, DN-FGA, Dacell, Korea)를 그림 2와 같이 사각 프레임에 고정하고 RS-232C 통신을 통해 PC에 측정값이 전송되도록 하였다. 그리고 측정 자세는 그림 3과 같이 손을 편 자세에서 전완을 수평면에 붙이고 측정 게이지 상단에 부착된 금속 평판을 최대의 힘으로 누르게 하였다.
실험 절차는 모든 피실험자에 대해 최대한 동일한 조건을 설정하기 위해 다음과 같은 순서로 실험을 수행하였다. 우선 피실험자는 실험에 대한 충분한 설명을 듣고, 측정시 그림 4와 같이 제시되는 컴퓨터 프로그램 상의 화면을 보면서 순차적으로 들어오는 신호에 따라 엄지손가락을 움직이도록 하였다. 신호의 색깔은 녹색과 적색으로 녹색 1초간은 엄지손가락을 떼고 적색 2초간은 최대로 엄지손가락에 힘을 주어 게이지를 누르는 동작을 반복하여 총 100회에 대한 데이터를 검출하였다.
7세)으로 선정하였다. 피실험자는 모두 손가락에 특별한 질환이 없으며 휴대용 모바일 기기를 사용해 본 경험이 있는 사람으로서 본 실험에 대한 충분한 설명을 듣고 실험동의서를 작성한 후 자발적으로 실험에 참가하도록 하였다.

대상 데이터

우선 피실험자는 실험에 대한 충분한 설명을 듣고, 측정시 그림 4와 같이 제시되는 컴퓨터 프로그램 상의 화면을 보면서 순차적으로 들어오는 신호에 따라 엄지손가락을 움직이도록 하였다. 신호의 색깔은 녹색과 적색으로 녹색 1초간은 엄지손가락을 떼고 적색 2초간은 최대로 엄지손가락에 힘을 주어 게이지를 누르는 동작을 반복하여 총 100회에 대한 데이터를 검출하였다. 그리고 측정시 피실험자에게 최대한 엄지손가락으로 낼 수 있는 힘을 요구하여 주관적으로 힘을 분배하지 않도록 유도하여 가능한 모든 피실험자들이 동일한 조건을 유지할 수 있도록 하였다.
실험자는 총 30명으로 성인 그룹이 15명(나이 41.0 ± 7.9세), 어린 청소년 그룹이 15명(나이 9.5 ± 2.7세)으로 선정하였다.

데이터처리

피실험자의 나이, 키, 몸무게, 손 길이와 같은 인체 정보에 따른 피로한계는 그림 9와 같다. 부가적으로 산포된 데이터의 상관성을 알아보기 위해 통계적으로 Pearson 상관계수(correlation coefficient)를 구하여 인체 정보에 따른 차이를 알아보았다. 나이의 경우 어린 청소년 그룹의 피로한계가 10~20 N 범위에 있으며 성인의 경우 20 N이상으로 분포되어 있어 그룹 사이의 차이를 쉽게 확인할 수 있었다.
상수 B는 굴곡 근력이 약 해져서 반복 수축 횟수가 증가함에 따라 지수적으로 감소하는 현상을 나타내는데 본 연구에서 이를 피로지수(fatigue index)로 정하여 피로가 얼마나 빠르게 나타나는가를 알 수 있는 척도로 보았다[13-14]. 성인과 어린 청소년 두 그룹간의 평균 비교 및 인자별 상관성에 대한 처리는 상용 통계 프로그램인 SPSS(version 20, IBM, USA)를 이용하여 통계적 유의성을 확인하였다.

성능/효과

최근 통계청에서 2010년 조사한 ‘1일 평균 스마트폰 이용시간’[7]에 대한 자료에 의하면 하루 1~2시간미만의 시간으로 스마트폰을 사용하는 청소년이 평균 49%로 성인 46%에 비해 높게 나타나고 있다. 그리고 스마트폰에서 주로 사용하는 콘텐츠가 게임과 채팅이며, 청소년의 경우 54%, 성인은 31%로 청소년이 이러한 콘텐츠를 즐겨 사용하는 것을 확인할 수 있다.
신호의 색깔은 녹색과 적색으로 녹색 1초간은 엄지손가락을 떼고 적색 2초간은 최대로 엄지손가락에 힘을 주어 게이지를 누르는 동작을 반복하여 총 100회에 대한 데이터를 검출하였다. 그리고 측정시 피실험자에게 최대한 엄지손가락으로 낼 수 있는 힘을 요구하여 주관적으로 힘을 분배하지 않도록 유도하여 가능한 모든 피실험자들이 동일한 조건을 유지할 수 있도록 하였다. 측정시 피실험자에게 자발적인 운동을 수행하기 때문에 제시된 신호에 따라 실험을 수행하지만 피실험자가 신호를 보고 실제로 힘을 주는 동작을 수행하는 데에는 시간지연이 발생하였으며 그림 5는 결과적으로 측정된 신호중 대표적인 경우를 나타내었다.
나이의 경우 어린 청소년 그룹의 피로한계가 10~20 N 범위에 있으며 성인의 경우 20 N이상으로 분포되어 있어 그룹 사이의 차이를 쉽게 확인할 수 있었다. 그리고 키, 몸무게, 그리고 손 길이에 따른 피로한계 그래프에서는 인체 치수가 커짐에 따라 상관성을 나타내었다. 통계적 상관성 처리결과 몸무게 0.
본 연구에서 엄지손가락의 굴곡에 대한 근 피로한계는 나이가 어린 청소년 그룹에서 성인에 비해 매우 낮게 나타났다. 이는 신체적 발달 정도로 볼 수 있는 키, 몸무게, 그리고 손 길이에 따라 피로한계가 상관성을 갖고 있는 것을 통해서도 확인할 수 있다.
그리고 오랜 반복동작을 수행후 근피로에 대한 평가는 설문지를 이용하여 정성적인 방법으로 피로를 파악하였다. 분석 결과 엄지손가락의 굴곡근에 해당하는 엄지굴근 (flexor pollicis brevis) 부위에서 피로감과 뻐근함이 나타나 실제로 모바일 기기를 오래 사용할 때 피로감이 나타남을 확인하였다. 그러나 직접적인 엄지손가락의 굴곡운동에 대한 최대근력과 근 피로한계 등은 알 수 없는 한계가 있다.
본 연구는 모바일 기기를 사용할 때 자주 사용하는 엄지손가락에 대하여 입력 동작에서 주된 역할을 하는 굴곡근의 근피로 한계를 측정하여 분석함으로써 성인과 어린 청소년에 대한 생체역학적 특성을 비교하였다. 실험 결과 MVC와 피로한계가 모두 어린 청소년이 성인의 약 50% 수준으로 매우 크게 떨어지는 것을 확인하였다. 또한 어린 청소년의 근 피로 한계는 10~20 N 사이에 분포하고 있어 모바일 기기를 반복적으로 사용하고 과도한 힘을 주어 사용하는 경우에는 근골격계의 반복사용에 RSI 증후군에 걸릴 위험성이 더욱 클 것으로 판단된다.
표 2는 앞서 제시한 분석 인자들에 대한 결과값을 정리하여 나타내었다. 어린 청소년은 성인에 비하여 MVC가 49.9%, 피로한계 52.3%, 그리고 피로지수는 47.6%로 모두 절반에 가까운 비율로 크게 감소하였다. 여기서 피로지수는 MVC와 피로한계와 달리 지수상수로써 성인이 어린 청소년에 비해 절대값이 크게 나타나 성인이 큰 폭으로 근력이 약화됨을 의미한다.
6%로 모두 절반에 가까운 비율로 크게 감소하였다. 여기서 피로지수는 MVC와 피로한계와 달리 지수상수로써 성인이 어린 청소년에 비해 절대값이 크게 나타나 성인이 큰 폭으로 근력이 약화됨을 의미한다. 측정된 결과로부터 그룹간의 통계적 차이는 일원 분산분석을 통해 MVC와 피로한계의 경우 신뢰수준 99%, 피로지수는 95%이내에서 유의성을 확인하였다.
여기서 피로지수는 MVC와 피로한계와 달리 지수상수로써 성인이 어린 청소년에 비해 절대값이 크게 나타나 성인이 큰 폭으로 근력이 약화됨을 의미한다. 측정된 결과로부터 그룹간의 통계적 차이는 일원 분산분석을 통해 MVC와 피로한계의 경우 신뢰수준 99%, 피로지수는 95%이내에서 유의성을 확인하였다.

후속연구

향후 연구에서는 모바일 기기의 형태의 다양함과 더불어 여러 손가락을 이용한 작업이 가능해짐에 따라 엄지손가락 외에 사용빈도가 높은 손가락에 대한 운동분석과 피로한계실험 등이 필요할 것으로 생각되며 동시에 굴곡/신전 외에 내외전 등 동작 유형을 다양화하여 근피로를 측정하고 분석할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임상적으로 RSI 관련 대표적 질환은 무엇인가?	RSI 증후군은 신체의 특정부위를 과다하게 반복 사용하게 될 경우에 신경, 인대, 근육 등이 손상을 받는 질환을 통칭하는 용어로 사용되며 누적외상증후군, 과사용 증후군, 직업적 근골격 질환 등으로도 표현할 수 있다. 임상적으로 RSI관련 대표적 질환으로는 손목터널 증후군(carpal tunnel syndrome), 드퀘르벵 증후군(de Quervain's syndrome), 방아쇠수지 증후군(trigger finger) 등이 있다[2]. 외국의 경우 모바일 기기 사용 증가로 인해 TMI(Text Messaging Injury), blackberry thumb, gamers thumb, iPhone(iPod) thumb 등과 같이 주로 많은 사람이 사용하고 있는 기기의 이름을 따라 다양하게 불리고 있으며 이로 인한 수관절 근골격계 질환이 보고되고 있다[3].
	RSI 증후군이란 무엇인가?	이와 같은 모바일 기기의 사용 시간 증가는 손가락 및 관절의 과다사용으로 반복성 긴장성 증후군(RSI, Repetitive Strain Injury)을 일으키는 원인이 된다[1]. RSI 증후군은 신체의 특정부위를 과다하게 반복 사용하게 될 경우에 신경, 인대, 근육 등이 손상을 받는 질환을 통칭하는 용어로 사용되며 누적외상증후군, 과사용 증후군, 직업적 근골격 질환 등으로도 표현할 수 있다. 임상적으로 RSI관련 대표적 질환으로는 손목터널 증후군(carpal tunnel syndrome), 드퀘르벵 증후군(de Quervain's syndrome), 방아쇠수지 증후군(trigger finger) 등이 있다[2].
	RSI 증후군이 만성화될 경우 어떠한 문제가 발생하는가?	RSI 증후군은 초기에 특별한 징후없이 단순히 뻐근하거나 약간의 통증만 동반하기 때문에 환자들이 위험을 느끼지 못한다. 그러나 점차 만성화 될 경우 증상이 심해져 통증으로 인해 생활에 큰 불편을 야기하거나 수술적 치료를 받아야 하는 경우까지 있기 때문에 조기에 전문적인 치료가 필요하다.

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

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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