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문제 정의
- 이에 따라 본 연구에서는 정상인을 대상으로 발목관절에 단측 및 양측 첨족을 인위적으로 야기하여, 보행 시 신체에 미치는 영향을 운동학적 변인과 지면반력 변인을 통하여 가상 분석을 하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 정상인을 대상으로 발목관절에 첨족을 인위적으로 야기시켜, 동측성 작용을 통한 단측 첨족보행과 대측성 작용을 통한 양측 보행 시 신체 동작에 미치는 영향을 운동학적 변인과 지면반력 변인 분석을 통하여 신체 활동을 규명하고자 한다.
제안 방법
- 6대의 적외선 고속 카메라(Motionmaster 100, Visol, Korea)로 3차원 동작분석시스템(Kwon 3D XP, Visol, Korea)을 이용하여 운동학적 분석하였고, 적외선 카메라의 촬영 속도는 100 Hz로 하였다. 실험을 수행하기 전, 전역좌표계 설정을 위하여 통제점틀 (2×2×1 m)을 설치하여 촬영하였다.
- 각 대상자마다 단측 및 양측 첨족보행 사이에 충분한 휴식과 연습을 통하여 5회씩 첨족보행을 수행하였고, <Figure 2>의 실험구성에 나타난 바와 같이 5m의 보행로를 주어진 보행에 따라 수행하였다.
- 신체분절의 중심점에 대한 좌표화는 Plagenhoef, Evans와 Abdelnour (1983)의 인체 분절지수(body segment parameter)를 이용하였고, 각 카메라에서 얻어진 2차원 좌표값은 DLT (Abdel-Aziz &Karara, 1971) 방식을 사용하여 3차원 공간 좌표값을 산출하였다. 디지타이징 오차에 따라 유발되어지는 문제의 해결을 위해 모든 3차원 좌표값은 필터 처리하였다. 자료 분석 과정에서 발생할 수 있는 잡음(noise)을 제거하기 위한스무딩(smoothing)은 디지털 필터링(digital filtering)을 이용하였고, 저역통과 필터(low-pass filter)의 차단주파수(cutoff frequency)는 10 Hz로 하였다.
- 첨족을 유도하기 위하여 발목보조기를 통하여 족저굴곡 방향으로 –45o− −10o로 발목관절 가동범위를 제한시켜 보행하도록 하였다. 모든 대상자는 양발 모두 발목보조기를 착용한 양측 첨족보행과 오른쪽 발목만 발목보조기를 착용한 단측 첨족보행으로 나누어 수행하였다.
- 0, Visol, Korea)을 이용하였고, 20 Hz에서 저역통과 필터를 적용하여 잡음을 제거하였다. 모든 지면반력 자료는 각 대상자의 체중으로 자료를 표준화하여 처리하였다.
- 실험 전 대상자들에게 연구 내용과 목적을 설명을 하여자연스러운 첨족보행을 유도하였다. 발목 보조기를 이용하여 오른발만 착용한 단측 첨족보행과 양발 모두 착용한 양측 첨족보행으로 충분히 연습한 후 실험에 참가하도록 하였다.
- 보행 시 지면반력을 측정하기 위하여 2대의 지면반력기(OR6-7-2K, AMTI, USA)를 사용하였고, 1000 Hz로 샘플링 하였다. 2대의 지면반력기로 수집한 자료는 분석프로그램(KwonGRF 2.
- 본 연구에서는 첨족을 유발하기 위하여 각도 조절(−45o-+45o)이 가능한 의료용 발목보조기(Ottobock-50S15-1=M, Ottobock, Germany)를 이용하여 실험하였다(Figure 1).
- 실험을 수행하기 전, 전역좌표계 설정을 위하여 통제점틀 (2×2×1 m)을 설치하여 촬영하였다.
- 첨족보행 수행 시 운동학적 분석을 위하여 다음과 같이7개의 이벤트(event)로 나누어 설정하였다(Figure 3). 오른발, 왼발에 각각 이벤트를 적용시켜 자료를 산출하여 운동학적 변인들을 분석하였다.
- 인위적으로 유도하였고, 이때 영향을 미치는 하지의 보상작용을 관찰하여 운동학적 및 운동역학적으로 분석하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 도출한 결론은 다음과 같다.
- 디지타이징 오차에 따라 유발되어지는 문제의 해결을 위해 모든 3차원 좌표값은 필터 처리하였다. 자료 분석 과정에서 발생할 수 있는 잡음(noise)을 제거하기 위한스무딩(smoothing)은 디지털 필터링(digital filtering)을 이용하였고, 저역통과 필터(low-pass filter)의 차단주파수(cutoff frequency)는 10 Hz로 하였다.
- 첨족보행 시 운동학적 변인 분석을 위하여 대상자의 천골(sacrum), 좌우 상전장골극(anterior superior illiac spine[ASIS]), 좌우 무릎, 좌우발목, 좌우 발뒷꿈치, 좌우 발가락,좌우 어깨, 좌우 팔꿈치, 좌우 손목, 이마에 18개의 마커를 부착하여 디지타이징(digitizing)하였다. 신체분절의 중심점에 대한 좌표화는 Plagenhoef, Evans와 Abdelnour (1983)의 인체 분절지수(body segment parameter)를 이용하였고, 각 카메라에서 얻어진 2차원 좌표값은 DLT (Abdel-Aziz &Karara, 1971) 방식을 사용하여 3차원 공간 좌표값을 산출하였다.
- 첨족을 유도하기 위하여 발목보조기를 통하여 족저굴곡 방향으로 –45o− −10o로 발목관절 가동범위를 제한시켜 보행하도록 하였다.
대상 데이터
- 연구에 참가한 대상자는 하지 근골격계의 병력이 없고, 정상 보행이 가능한 20대의 신체 건강한 성인 남성 10명을 대상으로 선정하였다(age: 23.8±2.8 yrs, height: 177.3±4.3 cm, weight: 70.8±4.6 kg).
데이터처리
- 보행 시 지면반력을 측정하기 위하여 2대의 지면반력기(OR6-7-2K, AMTI, 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. 모든 지면반력 자료는 각 대상자의 체중으로 자료를 표준화하여 처리하였다.
- 본 연구의 통계처리는 SPSS 21.0(IBM, USA)을 이용하였고, 단측과 양측 첨족보행에 따른 신체의 운동학적 변인과 지면반력 변인에 대한 차이를 분석하기 위하여 대응표본 t-검정(paired t-test) 이용하였고, 모든 통계치의 유의수준은 p<.05로 설정하였다.
이론/모형
- 신체분절의 중심점에 대한 좌표화는 Plagenhoef, Evans와 Abdelnour (1983)의 인체 분절지수(body segment parameter)를 이용하였고, 각 카메라에서 얻어진 2차원 좌표값은 DLT (Abdel-Aziz &Karara, 1971) 방식을 사용하여 3차원 공간 좌표값을 산출하였다.
성능/효과
- 1. 신체중심 변위는 좌우, 전후 변위에서는 차이가 없었지만, 수직변위에서 양측 첨족보행 시 신체중심이 상승되는 것으로 나타났다.
- 2. 왼쪽 고관절 각변위는 단측 첨족보행 시 발이 지면에 접촉하는 지점(FC1, FC2)에서 신전을 크게 일어났지만, 오른쪽 고관절에서는 차이가 나타나지 않았다.
- 3. 왼쪽 무릎 각변위는 단측 첨족보행 시 왼발이 지면에 접촉하는 지점(FC2)에서만 신전이 크게 일어났고, 오른쪽무릎관절 각변위는 모든 보행구간에서 단측 첨족보행 시굴곡이 크게 일어났다.
- 4. 몸통기울기는 단측 첨족보행 시 발이 떨어지는 지점(TO1, TO2)에서 전방굴곡이 크게 일어났다.
- 5. 관절 가동범위는 첨족보행 간 차이가 없었다.
- 6. 골반 경사각 변위는 X축에서 단측 첨족보행 시 왼발이 착지되는 구간부터(FC2, TO2, MS2) 좌측방향으로 골반 경사각이 증가하였다. Y축에서는 단측 첨족보행 시 왼발이 착지하는 중간구간부터(MS1, Fc2, MS2) 골발의 전방경사각이 급격이 증가하였다.
- 7. 지면반력에서 오른발의 Fx 는 첨족보행 모두 외측힘이 나타났고, Fy 는 첨족보행 모두 제동력이 나타났다. Fz 는 양측 첨족보행 시 수직힘이 크게 나타났다.
- 각관절의 관절가동범위는 고관절, 무릎관절, 몸통기울기에서 단측 첨족보행 시 다소 크게 나타났지만, 통계적 차이는 나타나지 않았다.
- 그들의 결과는 감소된 족저굴곡근력 요구에서 증가된 첨족 자세 결과가 나타났다. 감소된 족저 굴곡근력(비복근과 가자미근)은 지면반력 힘 벡터결과 인접에서 족저 굴곡의 큰 각도로 발목관절 중심까지 나타났다. Kerrigan, Riley, Rogan과 Burke (2000)은 정상보행(뒤꿈치-발가락 보행)과 비교한 첨족보행은 말기 입각기와 초기 유각기에서 발목 최고토크와 파워 감소가 나타났기 때문에 첨족보행이 족저 굴곡근 약화에 대한 보상 전략이라고 결론 내렸다.
- 이를 통해 오른발의 Fx는 첨족으로 인한 지지면 감소로 신체 안정성유지를 위하여 내측힘보다 외측힘이 강하게 작용한 것으로 사료된다. 또한 Fy도 첨족의 영향으로 보행속도를 감소하기 위해 추진력보다 제동력이 강하게 작용된 것으로 사료된다. Fz는 단측 첨족보행 시 오른발에 체중을 지지하기 힘들기 때문에, 양측 첨족보행 시 보다 수직힘이 약하게 나타난 것으로 사료된다.
- Z축에서는 단측 및 양측 첨족보행 모두 왼발이 착지하는 중간구간부터 왼쪽방향으로 골반회전이 발생하였다. 본 연구결과 단측 첨족보행 시 골반 경사각의 좌우 및 전후 변위에 큰 회전을 유발하는 것으로 판명났다. 양측 첨족보행에서는 양발의 첨족으로 인해 신체중심의 높이 상승을 유발하여 안정성은 감소하였지만, 골반 경사각이 단측 첨족보행보다 좌우, 전후 불균형은 나타나지 않기 때문에 부가적인 악영향이 유발되지 않을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 신체중심 변위 결과, 좌우변위와 전후변위는 첨족보행 간 차이가 나타나지 않았지만, 수직변위에서는 양측 첨족보행이 보행 전 구간에서 높은 신체중심을 보였다. 수직변위에서는 양측 첨족보행이 양발 모두 첨족형태로 보행을 수행하여 단측 첨족보행보다 신체중심이 높아진 것으로 사료된다.
- 신체중심의 X축과 Y축 변위 결과는 모든 이벤트에서 차이가 나타나지 않았지만, Z축 변위 결과에서는 모든 이벤트에서 유의한 차이를 보였다(p<.05, p<.01, p<.001).
- 001), Fy 값과 Fz 값에서는 차이를 보이지 않았다. 오른발의 Fx 에서는 첨족보행 모두 내측힘보다 외측힘이 우세하게 나타났고, Fy 에서는 첨족보행 모두 추진력보다 제동력이 우세하게 나타났다. 또한, Fz 에서는 양측 첨족보행 시 더 큰 수직힘이 나타났다.
- 지면반력의 결과는 오른발의 Fx 에서 첨족보행 모두 내측힘보다 외측힘이 우세하게 나타났고, Fy 에서는 첨족보행 모두 추진력보다 제동력이 우세하게 나타났다. 또한, Fz 에서는 양측 첨족보행 시 더 큰 수직힘이 나타났다.
- 몸통기울기는 TO1, TO2, MS2에서 단측 첨족보행시 전방굴곡이 크게 일어났다. 특히 오른발과 왼발에 지면에서 떨어지는 이벤트에서 전방굴곡이 크게 나타났는데, 이는 단측 첨족의 좌우 불균형과 한쪽 하지로 체중이 급격이 이동되는 불안정성을 줄이기 위하여 전방기울기가 증가된 것으로 사료된다.
후속연구
- 이러한 첨족보행은 신체의 불안정을 야기하며, 비정상적인 보행패턴으로 인한 근약화를 유발할 수 있게 되어 신체불균형을 가지고 오게 될 것이다. 이러한 이유로 첨족보행에 대한 연구를 통하여 발목관절의 첨족으로 인한 신체불균형이 다른 관절에 어떠한 영향을 미치는지 연구할 필요성이 있다.
- 향후 연구에서는 보다 첨족의 관절가동범위에 따른 신체의 보상작용을 근전도 분석을 통하여 신체의 과도한 보상작용으로 저하되는 신체부위를 분석하여, 그에 따른 예방과 신체 보상적 구조 연구가 필요할 것이다.
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