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문제 정의
- 또한 보행은 성별, 연령, 신체적 조건에 따라 다른 특징을 나타내기 때문에 보행조건과 특성의 차이를 분석하는 것은 보행을 연구하는데 중요한 과제이기도 하다. 많은 연구자들은 인간의 다양한 보행의 조건과 특성에 따른 보행의 차이를 분석하기 위해 운동학 및 운동역학적 분석방법으로 여러 가지 변인에 대한 메커니즘을 밝히는데 노력을 기울이고 있으며, 본 연구의 목적 역시 의도적으로 디딤 각도에 변화를 주어 보행 하였을 때 하지의 무릎관절의 부하에 어떠한 변화가 생기며, 더 나아가 의도적인 보행패턴으로 인하여 몸통과 골반의 움직임에도 어떠한 영향을 주는지 분석하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 측정되어진 각 측정점 (marker point)의 3차원 공간좌표를 기준으로 각 분절의 지역 좌표계를 생성, 오일러 알고리즘(eular algorithm)을 적용하여 골반과 몸통의 상대각(relative angle)을 구하였다. X축은 시상면(sagittal), Y축은 관상면(coronal), Z축은 수평면(horizontal)의 움직임을 분석하였다.
- 관절의 각도를 얻기 위해 영상분석장비(vicon camera, 100 Hz) 10대로 촬영하여 얻은 자료를 Nexus 1.4 프로그램으로 계산하였으며, 각각의 보행 이벤트에서 고관절, 무릎, 발목의 각도를 구하였다. 고관절의 X축은 시상면(sagittal), Y축은 관상면(coronal), Z축은 수평면(horizontal)의 움직임으로 나타냈고, 굴곡은 +값, 신전은 –값으로 구하였다.
- 본 연구는 일반보행(normal walking : nomal), 안장보행 (toe in walking : in), 팔자보행 (toe out walking : out)으로 연구대상의 발 디딤 각도를 다르게 하여 그에 따른 차이를 분석하였다. 통계방법은 일원변량분석(one-way repeated measure of ANOVA)을 사용하였고, 사후분석 방법으로 Bonferroni를 실시하였다.
- 본 연구는 하지에 수술경력과 질환이 없는 건강한 젊은 이를 대상자로 하여 일반보행, 안장보행, 팔자보행의 세 가지 형태의 보행으로 각각 5회씩 수행, 3차원 영상분석과 지면반력분석을 이용하여 무릎 내전 모멘트의 특성과 몸통과 골반의 움직임을 분석하였다. 이에 본 연구의 결과를 토대로 도출한 결론은 다음과 같다.
- 연구 대상자에게 실험의 목적과 방법을 설명하고, 실험동의서를 작성하게 한 후 운동학적 자료를 얻기 위해 대상의 인체측정을 실시하였다. 실험의 편의를 위해 타이즈를 착용하였으며, 실험 전 보행 주로에 익숙함을 느낄 때까지 보행을 실시하였다. 연구대상자의 속도는 1.
- 연구 대상자들의 디딤 각도변화에 따른 부하를 측정하기 위해 지면반력기(AMTI MSA-6, AMTI, USA) 2대를 사용하였고, 보행 동작을 분석하기 위하여 10대의 3차원 적외선 카메라(VICON T-series, MX-T40, Vicon Inc, UK)를 이용하였다(Figure 1). 동작분석영상의 sampling rate는 100 Hz로 지면반력은 1000 Hz로 데이터를 수집하였으며, 수집된 데이터는 영상분석프로그램 NEXUS 1.
- 연구 대상자에게 실험의 목적과 방법을 설명하고, 실험동의서를 작성하게 한 후 운동학적 자료를 얻기 위해 대상의 인체측정을 실시하였다. 실험의 편의를 위해 타이즈를 착용하였으며, 실험 전 보행 주로에 익숙함을 느낄 때까지 보행을 실시하였다.
- 실험의 편의를 위해 타이즈를 착용하였으며, 실험 전 보행 주로에 익숙함을 느낄 때까지 보행을 실시하였다. 연구대상자의 속도는 1.5 m/s로 제한하였고, 세 종류의 보행을 각각 5회씩 수행하도록 하였다. 발 디딤 시 벌림각(toe out angle)의 정의는 7~15°를 일반보행, 7°이하를 안장보행, 15°이상은 팔자보행으로 정의하였다(Figure 2).
- 일반보행, 안장보행, 팔자보행의 각각의 발 디딤 시 벌림 각도(toe out angle)에 대한 변인을 External angle, Internal angle로 나누고, 그에 따른 내전(inversion)과 외전(eversion)의 각도를 분석하였다. 각 보행형태에 따른 Left Heel Contact(LHC), Left Toe Off(LTO), Right Heel Contact(RHC), Right Toe Off(RTO)의 이벤트에서 내전과 외전의 각도는 통계적으로 유의한 차이가 났으며, 결과 값은[Table 2]와 같다.
- 본 연구는 일반보행을 하는 건강한 20대 성인남자를 대상으로 진행하였다. 일반보행, 의도적인 안장보행과 팔자 보행의 세가지형태의 보행을 하도록 하였고 이때 발생하는 무릎 내전 모멘트와 몸통, 골반의 움직임이 하지관절부하에 어떠한 영향을 미치는가를 분석 하였다.
- 자료 분석을 위하여 오른쪽 뒤꿈치가 지면반력기에 닿는 순간(right heel contact; RHC), 오른쪽 발가락이 지면에서 떨어지는 순간(right toe-off; RTO), 왼쪽 발뒤꿈치가 지면에 닿는 순간(left heel contact; LHC), 왼쪽 발가락이 지면에서 떨어지는 순간(left toe-off; LTO)을 이벤트로 설정하였다(Figure 4).
- )을 분석에 이용했다. 지면반력기로부터 획득한 자료는 역동역학적(inverse dynamics) 방법을 통해 운동학적 자료와 연계하여 각 관절에 작용하는 힘과 모멘트 등을 산출하였으며 각 대상자들 간 몸무게 차이에 의한 오차를 제거하기 위하여 신체질량(body mass)으로 표준화하여 지면반력 값을 사용하였다.
- 지면반력기에서 측정된 각 축에 대한 3가지의 힘 성분 (Fx, Fy, Fz)을 분석에 이용했다. 지면반력기로부터 획득한 자료는 역동역학적(inverse dynamics) 방법을 통해 운동학적 자료와 연계하여 각 관절에 작용하는 힘과 모멘트 등을 산출하였으며 각 대상자들 간 몸무게 차이에 의한 오차를 제거하기 위하여 신체질량(body mass)으로 표준화하여 지면반력 값을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 일반보행을 하는 건강한 20대 성인남자를 대상으로 진행하였다. 일반보행, 의도적인 안장보행과 팔자 보행의 세가지형태의 보행을 하도록 하였고 이때 발생하는 무릎 내전 모멘트와 몸통, 골반의 움직임이 하지관절부하에 어떠한 영향을 미치는가를 분석 하였다.
- 본 연구의 대상자는 20~27세의 발 디딤각도가 7~15º인일반보행(Lin et al., 2001)을 하는 건강한 K 대학교 학생 10명을 선정하였다(Table 1).
- , 2001)을 하는 건강한 K 대학교 학생 10명을 선정하였다(Table 1). 본 연구의 대상자들은 보행주로에서 세 종류의 보행(일반보행, 안장보행, 팔자보행)을 실시하였다.
데이터처리
- 연구 대상자들의 디딤 각도변화에 따른 부하를 측정하기 위해 지면반력기(AMTI MSA-6, AMTI, USA) 2대를 사용하였고, 보행 동작을 분석하기 위하여 10대의 3차원 적외선 카메라(VICON T-series, MX-T40, Vicon Inc, UK)를 이용하였다(Figure 1). 동작분석영상의 sampling rate는 100 Hz로 지면반력은 1000 Hz로 데이터를 수집하였으며, 수집된 데이터는 영상분석프로그램 NEXUS 1.4를 이용하여 처리하였다.
- 모든 영상분석은 3차원 좌표에 포함되는 디지타이징 오차와 기자재 자체에서 발생할 수 있는 노이즈를 제거하기 위해 2차 저역 통과 필터(low path filter)를 사용하였으며, 데이터는 각 대상의 보행주기(gait cycle)를 추출하여 정규화(time normalization)하고 통계처리 하였다.
- 본 연구는 일반보행(normal walking : nomal), 안장보행 (toe in walking : in), 팔자보행 (toe out walking : out)으로 연구대상의 발 디딤 각도를 다르게 하여 그에 따른 차이를 분석하였다. 통계방법은 일원변량분석(one-way repeated measure of ANOVA)을 사용하였고, 사후분석 방법으로 Bonferroni를 실시하였다. 자료 분석을 위해 윈도우용 PASW 20.
- 하지관절의 모멘트는 지면반력 자료 운동학적 자료를 이용하여 역동역학적(inverse dynamics) 해석방법을 사용하며 Nexus 1.4 프로그램을 이용하여 산출하였으며, 하지 관절의 모멘트 산출 공식은 다음과 같다(Zatsiorsky, 2002).
이론/모형
- 골반 회전각(pelvis rotation angles)을 산출하기 위해서 Newington Helen Hayes gait model에 근거한 Plug-in Gait model을 적용하였다(Figure 3). 측정되어진 각 측정점 (marker point)의 3차원 공간좌표를 기준으로 각 분절의 지역 좌표계를 생성, 오일러 알고리즘(eular algorithm)을 적용하여 골반과 몸통의 상대각(relative angle)을 구하였다.
- 발 디딤 시 벌림각(toe out angle)의 정의는 7~15°를 일반보행, 7°이하를 안장보행, 15°이상은 팔자보행으로 정의하였다(Figure 2). 대상자의 보행을 분석하기 위해 VICON에서 제공하는 Plug-in-gait model을 이용, 팔을 제외한 나머지 분절에 다음과 같이 반사마커를 부착하였다(Figure 3).
- 골반 회전각(pelvis rotation angles)을 산출하기 위해서 Newington Helen Hayes gait model에 근거한 Plug-in Gait model을 적용하였다(Figure 3). 측정되어진 각 측정점 (marker point)의 3차원 공간좌표를 기준으로 각 분절의 지역 좌표계를 생성, 오일러 알고리즘(eular algorithm)을 적용하여 골반과 몸통의 상대각(relative angle)을 구하였다. X축은 시상면(sagittal), Y축은 관상면(coronal), Z축은 수평면(horizontal)의 움직임을 분석하였다.
성능/효과
- 일반보행, 안장보행, 팔자보행의 각각의 발 디딤 시 벌림 각도(toe out angle)에 대한 변인을 External angle, Internal angle로 나누고, 그에 따른 내전(inversion)과 외전(eversion)의 각도를 분석하였다. 각 보행형태에 따른 Left Heel Contact(LHC), Left Toe Off(LTO), Right Heel Contact(RHC), Right Toe Off(RTO)의 이벤트에서 내전과 외전의 각도는 통계적으로 유의한 차이가 났으며, 결과 값은[Table 2]와 같다.
- 둘째, 보행 시 무릎 내전 모멘트는 팔자보행에서 가장 작은 내전모멘트가 나타났다(p=.05).
- 또한, Z축에서도 마찬가지로 안장보행, 일반보행의 ROM에서 유의한 차이가 나타나지 않았지만, 팔자보행에서는 유의한 차이를 보였다(p<.05) [Table 4].
- 마지막으로 발 디딤 각에 따른 몸통과 골반의 회전 움직임은 일반보행, 팔자보행의 Z축 ROM값이 유의한 차이를 보였으며(p=.05) 이러한 결과는 팔자걸음의 보행이 몸통과 골반의 움직임에 있어 비대칭적으로 움직인다는 것을 알 수 있다.
- 05). 보행 시 양발의 뒤꿈치 착지 순간에서는 무릎 내전 모멘트의 차이가 나타나지 않았고, 왼발과 오른발의 뒤꿈치가 이지하는 순간에서는 보행형태에 따라 무릎 내전 모멘트가 유의한 차이를 보였다(p=.05).
- 보행형태에 따른 모멘트 값의 결과는 안장보행에서 무릎 내전 모멘트 값이 유의하게 크게 나타났고(p=.05), 의도적인 팔자보행에서 가장 작은 무릎 내전 모멘트의 값이 나타났다(p=.05). 이러한 결과는 Wang et al.
- 셋째, 보행 시 몸통과 골반의 회전 움직임의 변화는 팔자보행에서 가장 크게 나타났다(p=.05).
- 의도적인 일반보행, 안장보행, 팔자보행에 따라 몸통에 대한 골반의 회전 움직임의 Range of Motion(ROM)의 값을 측정한 결과, X, Y축에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 또한, Z축에서도 마찬가지로 안장보행, 일반보행의 ROM에서 유의한 차이가 나타나지 않았지만, 팔자보행에서는 유의한 차이를 보였다(p<.
- 05). 이러한 결과는 HC, TO시기의 안장보행과 팔자보행의 내번과 외번의 차이를 보여주며, 착지와 이지하는 순간의 걸음 패턴이 다르다는 것을 알 수 있었다. 하지만 이러한 결과는 HC되는 순간 보행의 형태를 결정하여 나타나는 결과로 보여 진다
- 또한 Guo, Axe와 Manal(2007)의 연구에서는 무릎관절염환자를 대상으로 보행 시 무릎의 내전 모멘트를 분석한 결과 디딤 각이 클수록 무릎내전모멘트의 두번째 피크값을 유의하게 감소시켰다고 보고하며 그에 따라 팔자보행을 무릎관절염 환자에게 도움을 주는 보행 기법임을 제안하였다. 이러한 결과를 종합적으로 보았을 때 팔자보행이 환자들뿐만 아니라 일반인에게도 무릎통증 및 부하를 줄일 수 있는 보행형태라 판단된다.
- 이상의 결과를 종합하여 내린 결론으로 팔자보행은 무릎내전모멘트를 줄이기 때문에 무릎에 통증이 있는 환자들이 부하를 줄이기 위한 패턴으로 보이지만, 이러한 동작이 반복되게 될 경우 대퇴와 골반에 변형을 가져올 수 있다. 추후 연구에서는 대상자의 보행패턴을 파악 한 뒤 그에 따른 운동역학적 변인을 분석하여, 보행 패턴으로 인해 발생하는 하지 및 요통에 대한 부상기전에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 첫째, 보행 시 내전각은 안장보행에서 가장 크게 나타났으며, 외전각은 팔자보행에서 가장 크게 나타나는 패턴을 보인다(p=.05).
- 첫째로 발 디딤 유형에 따른 내전과 외전의 결과에서 일반보행을 기준으로 HC, TO시기에서 각각의 유의한 차이를 보였다(p=.05). 이러한 결과는 HC, TO시기의 안장보행과 팔자보행의 내번과 외번의 차이를 보여주며, 착지와 이지하는 순간의 걸음 패턴이 다르다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 이상의 결과를 종합하여 내린 결론으로 팔자보행은 무릎내전모멘트를 줄이기 때문에 무릎에 통증이 있는 환자들이 부하를 줄이기 위한 패턴으로 보이지만, 이러한 동작이 반복되게 될 경우 대퇴와 골반에 변형을 가져올 수 있다. 추후 연구에서는 대상자의 보행패턴을 파악 한 뒤 그에 따른 운동역학적 변인을 분석하여, 보행 패턴으로 인해 발생하는 하지 및 요통에 대한 부상기전에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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