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문제 정의
- 본 연구는 계단 하향 보행 시 부하에 따라 구간별 소요시간, 하지 관절에서의 각도와 모멘트 및 지면반력의 크기를 비교, 분석하는 데에 그 목적이 있다. 이를 위하여 20대 후반의 건강한 남성 12명을 대상으로 지면반력 2대와 3단 높이의 계단을 만든 후 체중의 0%, 10%, 20%의 중량을 들고 계단을 내려오는 동작을 3차원 영상분석을 통하여 구간별 소요시간, 하지 관절의 각도, 지면반력, 하지의 관절 모멘트를 산출한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구는 계단 하향 보행 시 부하에 따라 하지 관절에서의 각도와 모멘트, 구간별 소요시간 및 지면반력의 크기를 비교, 분석하는 데에 그 목적이 있다. 계단 오르내리기는 일상생활에서 독립적인 생활을 위해서 필수적인 활동으로 젊은이뿐만 아니라 특히 노인에게 있어서 낙상으로 인한 많은 위험에 노출되어 있다(Novak & Brouwer, 2011).
제안 방법
- 착지방법에 따른 차이를 배제하기 위하여 모든 계단을 내려가면서 좌우측 하지 발 모두 전족으로 착지할 수 있도록 유도하였다. 12명의 연구대상자는 위에서 설명한 동일한 방법으로 동일한 무 중량, 체중의 10% 중량, 체중의 20% 중량 3회씩 총 9회의 동작을 수행하였으며, 순서는 무작위 방법에 의하여 진행하였다. 모든 실험을 마친 연구대상자는 순서는 본인의 복장으로 환복한 후 귀가 조치하였다.
- 다만, 연구 대상자가 중량을 앞으로 들고 있기 때문에 시야를 가리고 있는 관계로 연구대상자의 안전을 고려하여 19°의 기울기로 계단을 설계하였다.
- 모든 준비를 마친 연구대상자는 제일 높은 계단에서 연구진이 준비한 65×50×20 cm 크기의 상자 안에 부하(무 중량, 체중의 10% 중량, 체중의 20% 중량)를 받은 후, 두 상완을 굽혀 앞으로 들어 올린 상태로 4개의 계단을 내려가는 동작을 촬영하였다(Figure 1).
- 분석 변인은 양발의 지면반력 접촉시간, 양발의 발목, 무릎, 고관절의 각도, 최대 충격력, 양발의 발목, 무릎, 고관절의 모멘트이다. 최대 충격력은 연구대상자 개개인의 체중과 부하를 합하여 표준화하였고 모멘트의 경우도 연구대상자 개개인의 체중과 부하의 합에 신장을 곱하여 표준화하였다.
- 실험 전 연구진은 연구대상자의 안전을 고려하여 일반적인 계단 보다 낮고 넓은 높이 17 cm, 너비 50 cm, 기울기가 19°인 4단 계단을 제작하여 2대의 지면반력 측정 장비를 2-3단 높이에 해당하는 목재 계단 틀에 각각 고정하였다.
- 본 연구는 계단 하향 보행 시 부하에 따라 구간별 소요시간, 하지 관절에서의 각도와 모멘트 및 지면반력의 크기를 비교, 분석하는 데에 그 목적이 있다. 이를 위하여 20대 후반의 건강한 남성 12명을 대상으로 지면반력 2대와 3단 높이의 계단을 만든 후 체중의 0%, 10%, 20%의 중량을 들고 계단을 내려오는 동작을 3차원 영상분석을 통하여 구간별 소요시간, 하지 관절의 각도, 지면반력, 하지의 관절 모멘트를 산출한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 계단 내리기 동작에서는 중량에 따라 소요시간과 하지의 관절 각도에서는 영향을 미치지 않았다.
- 인체분석모델은 골반의 경우 Coda pelvis를 사용하였고 대퇴(thigh), 하퇴(shank), 발(foot) 분절은 Visual3D에서 제공하는 모델을 사용하였다. 이벤트 설정은 지면반력 수직방향의 힘 값으로 정의하였으며 분석 구간은 오른발이 제일 높은 위치에 있는 3단 계단에서 떨어지기 시작한 시점부터 왼발이 1단 계단에서 떨어지는 시점까지로 하였으며, 구체적인 시점은 다음과 같이 구분하였다.
- 이와 같은 연구 동향을 볼 때 선행 연구에서 제시하지 못한 부하를 앞으로 들어 올린 자세에서 계단 내리기 동작을 할 때 체중의 0%, 10%, 20%의 부하를 적용하여 구간별 소요시간 및 하지의 관절각도와 지면반력, 관절의 모멘트를 분석하고자 하였다. 다만, 연구 대상자가 중량을 앞으로 들고 있기 때문에 시야를 가리고 있는 관계로 연구대상자의 안전을 고려하여 19°의 기울기로 계단을 설계하였다.
- 체중을 측정한 후, 해부학적자세로 내측 관절의 마커(medial marker)를 부착한 상태로 약 5초간 static 촬영 후 동작 수행에 방해가 되는 내측관절의 마커(medial marker)는 제거하였다. 이후 부상방지를 위한 준비운동을 약 15분 정도 실시한 후 제작한 계단을 오르내리며 높이에 적응할 수 있도록 하였다. 모든 준비를 마친 연구대상자는 제일 높은 계단에서 연구진이 준비한 65×50×20 cm 크기의 상자 안에 부하(무 중량, 체중의 10% 중량, 체중의 20% 중량)를 받은 후, 두 상완을 굽혀 앞으로 들어 올린 상태로 4개의 계단을 내려가는 동작을 촬영하였다(Figure 1).
- 실험에 참가한 모든 연구대상자는 신체에 적합한 동일한 형태의 실험복과 신발 재질의 차이에서 발생하는 데이터 변질을 배제하기 위해 동일한 운동화를 착용한 후 신체 주요 관절에 반사마커를 직접 부착하였고 좌우 대퇴와 하퇴에는 cluster 마커를 부착하였다(Cappozzo, Cappello, Croce, & Pensalfini, 1997). 체중을 측정한 후, 해부학적자세로 내측 관절의 마커(medial marker)를 부착한 상태로 약 5초간 static 촬영 후 동작 수행에 방해가 되는 내측관절의 마커(medial marker)는 제거하였다. 이후 부상방지를 위한 준비운동을 약 15분 정도 실시한 후 제작한 계단을 오르내리며 높이에 적응할 수 있도록 하였다.
- 분석 변인은 양발의 지면반력 접촉시간, 양발의 발목, 무릎, 고관절의 각도, 최대 충격력, 양발의 발목, 무릎, 고관절의 모멘트이다. 최대 충격력은 연구대상자 개개인의 체중과 부하를 합하여 표준화하였고 모멘트의 경우도 연구대상자 개개인의 체중과 부하의 합에 신장을 곱하여 표준화하였다. 전역좌표계는 좌우방향을 X, 전후방향을 Y, 수직방향을 Z로 설정하였고 지역좌표계는 Cardan Sequence(X-Y-Z)로 정의하였다(Figure 2).
대상 데이터
- 본 연구의 연구대상자는 최근 6개월간 상지와 하지에 부상이 없고, 오른발을 주로 사용하는 20대 후반의 건강한 남성 12명을 대상으로 하였다. 실험에 참가한 연구대상자는 실험의 목적과 절차를 충분히 이해할 수 있도록 설명한 후 참여 의사를 밝힌 대상만을 연구대상으로 포함하였다.
- 본 연구의 연구대상자는 최근 6개월간 상지와 하지에 부상이 없고, 오른발을 주로 사용하는 20대 후반의 건강한 남성 12명을 대상으로 하였다. 실험에 참가한 연구대상자는 실험의 목적과 절차를 충분히 이해할 수 있도록 설명한 후 참여 의사를 밝힌 대상만을 연구대상으로 포함하였다. 구체적인 신체 정보는 다음 [Table 1]과 같다.
- 실험은 2013년 3월 서울시에 위치한 S대학교 운동역학실험실에서 진행하였다. 실험 전 연구진은 연구대상자의 안전을 고려하여 일반적인 계단 보다 낮고 넓은 높이 17 cm, 너비 50 cm, 기울기가 19°인 4단 계단을 제작하여 2대의 지면반력 측정 장비를 2-3단 높이에 해당하는 목재 계단 틀에 각각 고정하였다.
데이터처리
- 사후분석은 LSD 분석을 사용하였으며 유의수준은 α=.05로 설정하였다.
- , USA).을 사용하여 기술통계분석과 반복이 있는 일원변량분산분석(One-way ANOVA for repeated measure)을 실시하였다. 사후분석은 LSD 분석을 사용하였으며 유의수준은 α=.
이론/모형
- 0을 이용하였으며 분석 가능한 모든 마커에는 Butterworth 4th order low-pass filter 6 Hz를 적용하였다. 인체분석모델은 골반의 경우 Coda pelvis를 사용하였고 대퇴(thigh), 하퇴(shank), 발(foot) 분절은 Visual3D에서 제공하는 모델을 사용하였다. 이벤트 설정은 지면반력 수직방향의 힘 값으로 정의하였으며 분석 구간은 오른발이 제일 높은 위치에 있는 3단 계단에서 떨어지기 시작한 시점부터 왼발이 1단 계단에서 떨어지는 시점까지로 하였으며, 구체적인 시점은 다음과 같이 구분하였다.
- 자료 분석은 Visual3D Standard ver. 4.91.0을 이용하였으며 분석 가능한 모든 마커에는 Butterworth 4th order low-pass filter 6 Hz를 적용하였다. 인체분석모델은 골반의 경우 Coda pelvis를 사용하였고 대퇴(thigh), 하퇴(shank), 발(foot) 분절은 Visual3D에서 제공하는 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 첫째, 계단 내리기 동작에서는 중량에 따라 소요시간과 하지의 관절 각도에서는 영향을 미치지 않았다. 둘째, 1단에 설치된 지면반력에서 10% 중량일 때 가장 큰 지면반력 값을 보였다. 마지막으로, 0% 중량일 때 오른쪽 엉덩이의 굴곡 모멘트의 크기가 가장 작았고 왼쪽 엉덩이의 신전 모멘트의 크기가 가장 크게 나타났다.
- 또한, 관절의 모멘트에서는 오른쪽 엉덩이 관절이 신전할 때 0% 중량에서 다른 부하와 통계적으로 유의한 차이를 나타났고, 왼쪽 엉덩이 관절이 굴곡할 때는 0% 중량에서 다른 부하에서와 통계적으로 유의한 차이를 보였다(ρ<.05).
- 이러한 결과를 바탕으로 [Table 3]에서 보는 바와 같이 0% 중량에서 오른쪽 엉덩이 관절의 신전 모멘트가 다른 중량에서 보다 작게 나타났는데, 이는 중량 차이로 인한 결과로 나타난 것으로 사료된다. 또한, 엉덩이 관절의 신전 모멘트에서 오른발과 왼발을 비교할 때 중량에 따라서는 양쪽 모두 증가하는 추세를 보였지만, 같은 중량에서는 오른쪽 엉덩이 관절의 신전 모멘트가 왼쪽보다 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 유사한 결과로 Novak과 Brouwer (2011)은 계단을 내려올 때 엉덩이의 신전 모멘트에서 잘 쓰는 발이 크게 나타난 결과와 일치한다.
- 둘째, 1단에 설치된 지면반력에서 10% 중량일 때 가장 큰 지면반력 값을 보였다. 마지막으로, 0% 중량일 때 오른쪽 엉덩이의 굴곡 모멘트의 크기가 가장 작았고 왼쪽 엉덩이의 신전 모멘트의 크기가 가장 크게 나타났다. 이를 종합하면, 20%의 중량까지는 계단을 내려오는 동작에 있어 하지 관절의 변인에 큰 변화는 없으나 중량을 앞쪽에 들고 계단을 내려갈 때 안전사고 예방을 위하여 반드시 시야를 확보하고, 허리의 부상 방지를 위하여 허리를 똑바로 세우고 걸어야 할 것이다.
- 소요시간에서 오른발과 왼발의 지지기 시간(contact time)과 체공기 시간(flight time)은 중량에 따라 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다(ρ>.05).
- 40°보다 작게 나타났는데, 이는 무릎이 덜 굴곡되면 힘팔의 길이가 짧아지기 때문에 모멘트 값이 줄어든다고 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 [Table 3]에서 보는 바와 같이 0% 중량에서 오른쪽 엉덩이 관절의 신전 모멘트가 다른 중량에서 보다 작게 나타났는데, 이는 중량 차이로 인한 결과로 나타난 것으로 사료된다. 또한, 엉덩이 관절의 신전 모멘트에서 오른발과 왼발을 비교할 때 중량에 따라서는 양쪽 모두 증가하는 추세를 보였지만, 같은 중량에서는 오른쪽 엉덩이 관절의 신전 모멘트가 왼쪽보다 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 마지막으로, 0% 중량일 때 오른쪽 엉덩이의 굴곡 모멘트의 크기가 가장 작았고 왼쪽 엉덩이의 신전 모멘트의 크기가 가장 크게 나타났다. 이를 종합하면, 20%의 중량까지는 계단을 내려오는 동작에 있어 하지 관절의 변인에 큰 변화는 없으나 중량을 앞쪽에 들고 계단을 내려갈 때 안전사고 예방을 위하여 반드시 시야를 확보하고, 허리의 부상 방지를 위하여 허리를 똑바로 세우고 걸어야 할 것이다. 추후 연구에서는 분석 범위를 몸 전체, 특히 허리 근육을 포함하도록 하고, 계단의 수를 더 늘려야 할 것으로 판단된다.
- 이를 위하여 20대 후반의 건강한 남성 12명을 대상으로 지면반력 2대와 3단 높이의 계단을 만든 후 체중의 0%, 10%, 20%의 중량을 들고 계단을 내려오는 동작을 3차원 영상분석을 통하여 구간별 소요시간, 하지 관절의 각도, 지면반력, 하지의 관절 모멘트를 산출한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 계단 내리기 동작에서는 중량에 따라 소요시간과 하지의 관절 각도에서는 영향을 미치지 않았다. 둘째, 1단에 설치된 지면반력에서 10% 중량일 때 가장 큰 지면반력 값을 보였다.
후속연구
- 이러한 결과로 볼 때 본 연구에서의 분석 구간이 가장 높은 곳에서 처음 계단을 내려오는 오른발과 그 다음 주기인 왼발에 대해서만 분석하였기 때문에 분석 구간이 다소 짧은 이유 때문인 것으로 사료된다. 또한, 관절 모멘트는 수직축에 대한 신체중심의 위치에 따라 달라지기 때문일 수도 있다는 결과(Protopapadaki et al., 2007)가 있어 추후 연구에서는 몸통의 움직임을 고려하여 분석해야할 것으로 생각된다.
- 이를 종합하면, 20%의 중량까지는 계단을 내려오는 동작에 있어 하지 관절의 변인에 큰 변화는 없으나 중량을 앞쪽에 들고 계단을 내려갈 때 안전사고 예방을 위하여 반드시 시야를 확보하고, 허리의 부상 방지를 위하여 허리를 똑바로 세우고 걸어야 할 것이다. 추후 연구에서는 분석 범위를 몸 전체, 특히 허리 근육을 포함하도록 하고, 계단의 수를 더 늘려야 할 것으로 판단된다.
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