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문제 정의
- 본 연구는 인체 족저굴곡근의 근력과 아킬레스건의 경도 간 상관관계를 정량화 하고 경도 수준이 동작 시 탄성에너지 사용률과 기능적 동작에 미치는 영향의 정도를 파악하기 위하여 초음파 영상 장비와 동력계, 영상분석 장비와 지면반력기를 사용하여 근력, 경도, 탄성에너지 사용률, 수직점프의 높이를 비교 분석하였다. 그 결과 근력 수준에 따른 건의 경도는 높은 상관관계를 가지는 것으로 나타났으나(r=0.
- 발목관절의 움직임 중에서도 특히 족저굴곡은 족저굴곡근의 수축과 아킬레스건의 신장에 의해 이루어지므로 근육과 건의 상호작용 및 유기적인 관계를 분석하고 이해하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 족저굴곡근의 근력과 아킬레스건의 경도 간의 상관관계를 분석하여 이를 정량화 하고자 하였으며 동시에 건의 경도가 기능 및 운동 수행에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과 근력과 건의경도는 높은 수준의 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
- 이에 본 연구에서는 인체 족저굴곡근의 근력 수준에 따른 아킬레스건의 경도 차이가 어느 정도인지 상관관계를 분석하여 정량화하고자 하였다. 또한 실제 경도 수준에 따라 기능적 동작의 수준에 차이가 있는지, 아울러 경도 수준에 따른 기능적 동작 수준 간 상관관계가 있는지를 탄성에너지 사용률(Use of stored elastic energy [USEE])과 기능적 동작인 수직반동 점프의 높이를 측정하여 분석하였다.
제안 방법
- 실험 진행 시 자체 제작한 근력 측정기에서 발목관절의 족저굴곡 10°로 설정 후 최대 등척성 족저굴곡을 3회 수행하게 하였다. 각 횟수 사이에는 피로를 예방하기 위한 충분한 휴식시간이 제공되었고, 수직점프는 다른 날에 동일한 절차로 3회씩 측정하였다(Figure 1).
- 또한 수직반동점프 시 신체 무게중심의 이동 방향이 지면을 향하는 구간을 신장성 수축 구간으로, 신체 무게중심의 이동 방향이 수직 위 방향으로 전환되는 시점부터 점프 시 지면에서 발이 떨어지는 순간을 단축성 수축 구간으로 정의하였다. 구간에 따른 지면 반력의 크기와 신체 무게중심의 속도를 이용하여 일률(Power)을 구하여 탄성 에너지 사용률을 구하였다. 수직 반동점프 시 신장성 수축이 일어나는 과정에서 저장된 탄성에너지를 점프 수행 시 사용할 수 있는 에너지의 양이라 설정한다.
- 근력 측정기에서는 보조 출력 단자를 통하여 발목관절 모멘트 값을 아날로그 신호(input range: ±5 voltage)로 확인하였다. 근력 측정기로부터의 발목관절 모멘트와 근전도 신호를 Analog/Digital Board (Multifunction DAQ Model NI6036E, National Instrument, USA)를 거쳐 Labview 8.5(National Instrument, USA) 를 이용하여 제작한 데이터 수집 프로그램으로 확인하였다. 수집빈도는 등척성 근력측정기의 경우 2000 Hz, 근전도 2000 Hz(대역폭 20-450 Hz), 그리고 초음파 영상장치는 40 Hz로 각각 설정한 후 측정하고 컴퓨터에 저장하였다.
- 총 3회의 등척성 최대 족저굴곡 수행 중 [Figure 4]와 같이 초반의 점진적인 근력 발현 증가구간과 후반의 최대 족저굴곡근력 유지구간이 각 3초씩 성공적으로 이루어진 1회 자료를 선정하여 분석에 사용하였다. 또한 수직 점프 동작 역시 3회 중 가장 높은 기록을 나타낸 수행 1회를 바탕으로 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 인체 족저굴곡근의 근력 수준에 따른 아킬레스건의 경도 차이가 어느 정도인지 상관관계를 분석하여 정량화하고자 하였다. 또한 실제 경도 수준에 따라 기능적 동작의 수준에 차이가 있는지, 아울러 경도 수준에 따른 기능적 동작 수준 간 상관관계가 있는지를 탄성에너지 사용률(Use of stored elastic energy [USEE])과 기능적 동작인 수직반동 점프의 높이를 측정하여 분석하였다.
- 또한 아킬레스건에 작용하는 힘의 크기를 추정할 경우 피험자 개인의 아킬레스건 모멘트 암을 적용하여 계산하여야 했으나, 모든 피험자를 대상으로 MRI를 촬영하는 데 어려움이 있었으므로 선행연구(Maganaris, 2004; Maganaris, Baltzopoulos, & Sargeant, 1998)에서 제시한 모멘트 암의 값을 인용하였다.
- 수집빈도는 등척성 근력측정기의 경우 2000 Hz, 근전도 2000 Hz(대역폭 20-450 Hz), 그리고 초음파 영상장치는 40 Hz로 각각 설정한 후 측정하고 컴퓨터에 저장하였다. 사후 분석 시 수집빈도를 맞추기 위해 등척성 근력측정기 및 근전도 자료는 Labview 8.5를 이용하여 제작한 프로그램을 바탕으로 40 Hz를 기준, 리 샘플링 하였다.
- 5(National Instrument, USA) 를 이용하여 제작한 데이터 수집 프로그램으로 확인하였다. 수집빈도는 등척성 근력측정기의 경우 2000 Hz, 근전도 2000 Hz(대역폭 20-450 Hz), 그리고 초음파 영상장치는 40 Hz로 각각 설정한 후 측정하고 컴퓨터에 저장하였다. 사후 분석 시 수집빈도를 맞추기 위해 등척성 근력측정기 및 근전도 자료는 Labview 8.
- 신체의 무게중심점을 이용하여 Z축 방향으로 동작중의 최저점과 최고점을 확인하여 수직점프와 수직 반동점프 간 높이 차이를 확인하였다.
- 실험 진행 시 자체 제작한 근력 측정기에서 발목관절의 족저굴곡 10°로 설정 후 최대 등척성 족저굴곡을 3회 수행하게 하였다.
- 아킬레스건의 경도는 근-건 교차점의 변위와 족저굴곡근력의 크기로 계산하였다. 초음파 영상을 통해 족저굴곡근력의 크기가 0일 때 근-건 교차점의 위치를 파악한 후 족저굴곡근력이 최대일 때의 교차점 위치를 확인하였다.
- 아킬레스건의 신장 정도를 측정하기 위해 족저굴곡근-건 교차점의 이동거리를 초음파 영상장치(LogicScan 128 EXT-1Z kit, TELEMED UAD, Lithuania) 및 프로브(LV7.5/60/96Z, Samsung Medison, Korea)를 이용하여 실시간으로 확인하였다(Figure 2).
- 초음파 영상을 통해 족저굴곡근력의 크기가 0일 때 근-건 교차점의 위치를 파악한 후 족저굴곡근력이 최대일 때의 교차점 위치를 확인하였다. 이후 근력이 0인 구간부터 최대인 구간까지 14등분 하여 각각의 근력 값에서의 근-건 교차점의 변위를 구하여 경도를 계산하였다. 건의 경도는 근력 발현 수준이 50% 이하일 경우 곡선 형태를 나타내다가 그 수준을 넘어서면 직선형으로 나타난다.
- 족저굴곡 수행 시 자체 제작한 등척성 근력 측정기(로드셀 장착, SBS-500L, CAS, Korea)에서 출력되는 관절 모멘트 값을 다음 공식을 사용하여 근력을 산출하였다.
- 족저굴곡근-건 복합체의 기계학적 특성을 파악하기 위해 근력측정기와 근전도 측정 장비에서 출력되는 신호 및 초음파 영상장치를 동기화 하여 데이터를 얻었다. 근력 측정기에서는 보조 출력 단자를 통하여 발목관절 모멘트 값을 아날로그 신호(input range: ±5 voltage)로 확인하였다.
- 아킬레스건의 경도는 근-건 교차점의 변위와 족저굴곡근력의 크기로 계산하였다. 초음파 영상을 통해 족저굴곡근력의 크기가 0일 때 근-건 교차점의 위치를 파악한 후 족저굴곡근력이 최대일 때의 교차점 위치를 확인하였다. 이후 근력이 0인 구간부터 최대인 구간까지 14등분 하여 각각의 근력 값에서의 근-건 교차점의 변위를 구하여 경도를 계산하였다.
- 총 3회의 등척성 최대 족저굴곡 수행 중 [Figure 4]와 같이 초반의 점진적인 근력 발현 증가구간과 후반의 최대 족저굴곡근력 유지구간이 각 3초씩 성공적으로 이루어진 1회 자료를 선정하여 분석에 사용하였다. 또한 수직 점프 동작 역시 3회 중 가장 높은 기록을 나타낸 수행 1회를 바탕으로 분석하였다.
- 측정 건의 경도에 따라 기능의 차이를 보기 위해 수직점프와 수직반동점프 시 사용되는 탄성에너지의 사용률을 지면반력(OR6-7, AMTI, MA)과 신체 무게중심의 속도를 동작분석기(Vicon NEXUS Systems, Oxford Metric Ltd, UK)를 이용하여 측정하였다. 수직점프는 스쿼트 자세에서 시작하였으며, 신체 무게중심의 이동방향이 수직 위 방향으로 향하는 구간부터 지면에서 발이 떨어지는 순간까지 수직점프의 단축성 수축구간이라 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위하여 하지 및 건 관련 부상 경험이 없는 20-30대의 건강한 남성 피험자 22명을 모집하였다. 실험에 필요한 피험자 수를 통계적으로 검정하기 위해 G-power(G*Power, HEINRICH HEINE, Dusseldorf, Germany)프로그램을 이용하였고 선행연구(Boisen-Moller, Magnusson, Rasmussen, Kjaer, & Aagaard, 2005)를 바탕으로 확인된 효과크기는 0.
데이터처리
- 실험에 필요한 피험자 수를 통계적으로 검정하기 위해 G-power(G*Power, HEINRICH HEINE, Dusseldorf, Germany)프로그램을 이용하였고 선행연구(Boisen-Moller, Magnusson, Rasmussen, Kjaer, & Aagaard, 2005)를 바탕으로 확인된 효과크기는 0.7로 고려하여 산출하였다.
- 아킬레스건의 경도에 따른 족저굴곡근의 근력 관계는 SPSS 18.0(IBM, USA)을 이용하여 선형 회귀 분석 및 상관관계 분석을 실시하였고, 이후 건의 경도 수준이 기능적 동작에 미치는 영향을 알아보기 위해 상관관계분석을 실시하였다. 유의수준은 α=.
성능/효과
- 건의 경도 수준에 따라 수직점프와 수직반동점프 간 높이 차이 간 상관관계가 없다는 결과를 바탕으로 두 종류의 점프가 아킬레스건의 기계학적 특성을 확인하기에 적합하지 않은 척도임을 확인할 수 있었다. 수직 점프와 수직 반동 점프 간 높이 차이는 체중과 근육의 두께(muscle thickness)와 상호 연관성이 있다는 결과를 보고한 선행연구에서도 건의 경도는 점프 높이와는 독립적인 것으로 보고된 바 있으며, 이를 확인하기 위해 건의 경도 수준이 높고 낮음에 따라 피험자를 두 그룹으로 나눈 후 체중과 근육의 두께 등 점프 높이와 상관성이 있는 요소들과 비교한 연구에서도 유의하게 다르지 않은 것으로 나타났다(Kubo et al.
- 따라서 건의 경도 수준이 높을수록 탄성에너지를 저장하고 방출하는데 효율적이라고 할 수 있다. 공식을 이용하여 산출했을 때 탄성에너지 사용률의 차이가 클수록 에너지를 저장하고 사용하는 능력이 효율적임을 나타내는데, 본 실험 결과 건의 경도 수준에 따른 탄성에너지 사용률 차이가 나타나지 않았다. 모델링을 이용하거나, 사람이 아닌 동물들의 건을 대상으로 한 선행연구결과와 차이를 보이는 원인은 탄성에너지 사용률 추정 방식에 대한 차이에서 비롯된 것이라 판단된다.
- 본 연구는 인체 족저굴곡근의 근력과 아킬레스건의 경도 간 상관관계를 정량화 하고 경도 수준이 동작 시 탄성에너지 사용률과 기능적 동작에 미치는 영향의 정도를 파악하기 위하여 초음파 영상 장비와 동력계, 영상분석 장비와 지면반력기를 사용하여 근력, 경도, 탄성에너지 사용률, 수직점프의 높이를 비교 분석하였다. 그 결과 근력 수준에 따른 건의 경도는 높은 상관관계를 가지는 것으로 나타났으나(r=0.85), 경도 수준에 따른 탄성에너지 사용율의 차이(r=0.117)와 수직 점프의 높이( r=0.33)는 상관관계가 높지 않은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 족저굴곡근의 근력과 아킬레스건의 경도 간의 상관관계를 분석하여 이를 정량화 하고자 하였으며 동시에 건의 경도가 기능 및 운동 수행에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과 근력과 건의경도는 높은 수준의 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
- [Figure 7]은 건의 경도 수준에 따른 수직점프와 수직 반동점프 간 높이 차이를 의미한다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 아킬레스건의 경도는 운동 수행 차이를 설명하지 못하는 것으로 나타났고 선형회귀분석 결과 r2값은 0.1117이며, 상관계수 r값은 0.33(p=.128)이었다.
- 근력과 건의 경도 간 정량화 된 기울기는 여러 가지로 적용 될 수 있는데 특히, 근력 수준을 바탕으로 근력 크기에 상응하는 건의 경도 수준을 유추할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다. 본 연구 결과는 근력 크기 대비 0.11 정도의 수준이 정상 성인일 경우의 값으로 도출 되었고 만일 이 수준보다 높거나 낮다면 상해의 위험이 높아질 가능성이 있을 것으로 추측 할 수 있다. 근력 크기 대비 건의 경도수준이 0.
- 본 연구의 족저굴곡 근력과 건의 경도 간 비율은 0.11로, 실험방법과 근력추정방식이 유사한 선행연구(Kubo, 2011; Kubo, Akima, et al., 2004; Kubo, Kanehisa, & Fukunaga, 2002; Kubo, Tabata, et, al., 2010)에서 제시한 평균값과 비교했을 때 유사성을 확인할 수 있었다(Figure 8).
- 측정된 결과는 [Table 2]에서 확인할 수 있다. 족저굴곡근의 근력 수준이 다양한 피험자를 대상으로 실험한 결과 족저굴곡근의 근력과 아킬레스건의 경도 사이에 높은 수준의 상관관계가 나타났다(r=0.85, p=.000). 그에 따라 상관관계에서 비롯된 특정 기울기가 확인되었고 약 0.
후속연구
- 이와 같은 결과는 근력-경도 관계 그래프를 사용하여 근력과 이에 상응하는 적절한 건의 경도를 추정하는 것이 가능하며 이를 현장에서 평가 기준 자료로 활용할 수 있음을 의미한다. 그러나 기능적 동작과 수준의 차이에 대한 연구는 여전히 여러 연구결과가 상반되게 제시되고 있는 만큼 다른 기능적 동작과 분절의 관계 등 다양한 접근을 통한 지속적인 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 서로 다른 근육군들이 이루어내는 협응 및 동작의 기술적 요인이 복합적으로 작용하여 순수한 건의 경도를 확인하는데 방해요인이 되었을 가능성이 있다. 또한 건의 경도와 기능적 차이 간 관계를 밝히기 위해 구조적인 특성을 반영한 건의 경도에서 나아가 재료학적으로 접근하여 건의 경도를 확인해 볼 필요가 있을 것으로 요구된다. 건의 구조적인 특성은 비슷하더라도 건에 작용하는 힘을 같은 단면적 기준으로 계산하여 확인한다면 그 결과가 달리 나타날 가능성이 있기 때문이다.
- 인체 내 조직을 최대한 실제 조직과 유사하게 설정하여 가동하고자 하는 모델링에서 건을 강체로 보거나 혹은 사체에서 얻은 자료를 기반으로 건을 묘사한다(Maceri, Marino & Vairo, 2012; Ali, Andersen, Rasmussen, Robertson, & Rouhi, 2013). 본 연구 결과를 이용한다면 근력에서 건의 경도 수준을 추정하여 모델링을 수행할 시 건에 대한 정보를 개인 특성에 더 가깝게 구현해 낼 수 있을 것이다.
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