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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 서로 다른 발끝 자세로 드롭 랜딩할 때 관절각 변화와 지면반력, 관절모멘트를 분석하여 3가지 자세 중 비접촉 ACL 부상에 취약한 착지 자세를 찾고자 하였다. 또한, 결과를 바탕으로 올바른 착지 자세 지도에 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 서로 다른 발끝 자세로 드롭 랜딩할 때 관절각 변화와 지면반력, 관절모멘트를 분석하여 3가지 자세 중 비접촉 ACL 부상에 취약한 착지 자세를 찾고자 하였다. 또한, 결과를 바탕으로 올바른 착지 자세 지도에 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구는 17명 남자 대학생을 대상으로 드롭 랜딩할 때 발끝자세에 따른 무릎관절의 운동역학적 분석을 시행하고 그 결과를 통해 비접촉 ACL 부상에 취약한 착지 자세 여부를 파악하였다. 세 가지 발끝자세는 발끝을 안쪽으로 하는 TI(toe-in) 자세, N(neutral) 자세, 바깥쪽으로 하는 TO(toe-out) 자세로 하였으며 각 자세에서 5회씩 드롭 랜딩한 것을 평균하여 통계처리한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구는 드롭 랜딩 시 어떤 발끝자세가 무릎에 과부하를 주어 비접촉 ACL 부상에 취약한 것인지 알기 위해의도적으로 발끝자세를 달리하여 착지하는 실험을 실시하였다. 이에 따라 17명의 남자 대학생들이 35 cm 높이 박스에서 맨발로 바닥에 5회씩 착지하였다.
가설 설정
- 역동역학(inverse dynamics) 해석에 사용된 피험자 신체 분절 모수치(body segment parameter)는 de Leva (1990)의 관성 모멘트, 무게중심 위치, 분절 질량이었다. 양발착지이기 때문에 대칭성이라고 가정하고 오른쪽 다리 결과만을 분석하였다.
제안 방법
- 8대의 적외선 고속 카메라(Eagle®, Motion Analysis, USA)와 업체 제공 소프트웨어인 Cortex 4.0®(Motion Analysis, USA)를 이용하여 드롭 랜딩 동작을 정밀하게 측정하였다.
- 그리고 실험 설계상 TI, N, TO 발끝자세 사이에 각각 30° 차이를 요구하였으나 실제 착지할 때 발끝 각도가 요구한 것과 다를 것이 예상되어 실제 착지발끝 각도를 계산하였다.
- 먼저 연구 대상자에게 실험에 대한 정보를 충분히 전달하였고, 실험 전 10분 정도 자유롭게 워밍업과 스트레칭을 실시하게 하였다. 이후 대상자는 35 cm 높이의 박스 위에 올라가 지면 위로 떨어지는 드롭 랜딩을 각 발끝자세 당 5회씩 실시하였고 그 평균값을 통계에 활용하였다.
- 그리고, N 자세에서 발앞끝을 밖으로 30° 벌린(외전시킨) 착지 자세를 TO 자세(toe-out), 발앞끝을 안으로 30° 오므린(내전시킨) 착지 자세를 TI 자세(toe-in)로 정의하였다(Figure 2). 발끝을 내전(adduction)과 외전(abduction) 시킬 때 중족(제 2 중족지절관절 마커와 뒷꿈치의 중점)을 기준으로 중족 사이 거리를 어깨넓이로 유지시켰다. 일관된 착지 발끝자세를 이끌기 위해 바닥에 흰색 테잎을 붙였고, 신발의 특성으로 발생되는 외부 요인들을 배제하려고 맨발로 착지토록 하였다.
- 본 연구는 17명 남자 대학생을 대상으로 드롭 랜딩할 때 발끝자세에 따른 무릎관절의 운동역학적 분석을 시행하고 그 결과를 통해 비접촉 ACL 부상에 취약한 착지 자세 여부를 파악하였다. 세 가지 발끝자세는 발끝을 안쪽으로 하는 TI(toe-in) 자세, N(neutral) 자세, 바깥쪽으로 하는 TO(toe-out) 자세로 하였으며 각 자세에서 5회씩 드롭 랜딩한 것을 평균하여 통계처리한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 카메라 영상 취득률은 120 Hz이었고, 지면반력 취득률은 1,200 Hz이었다. 연구 대상자는 몸에 흡착되는 반바지를 착용한 상태에서 실험에 임하게 하였고, 영상자료 수집을 위해 19 개의 19 mm 반사마커를 해부학적 주요점들 위에 고정하였다(Figure 1, Table 1).
- 이에 따라 17명의 남자 대학생들이 35 cm 높이 박스에서 맨발로 바닥에 5회씩 착지하였다. 이 때 발앞꿈치를 안쪽으로 30o 회전시킨 TI (toe-in) 자세, 바깥쪽으로 30o 회전시킨 TO (toe-out) 자세를 인위적으로 만들어, 정상적인 중립(N) 자세 착지 결과와 함께 비교하였다. 실험 결과 발끝자세가 FC 시점부터 다르기 때문에 3차원 관절각은 물론 다른 변인들에 있어서도 유의한 상호작용효과나 주효과를 발생시켰다.
- 본 연구는 드롭 랜딩 시 어떤 발끝자세가 무릎에 과부하를 주어 비접촉 ACL 부상에 취약한 것인지 알기 위해의도적으로 발끝자세를 달리하여 착지하는 실험을 실시하였다. 이에 따라 17명의 남자 대학생들이 35 cm 높이 박스에서 맨발로 바닥에 5회씩 착지하였다. 이 때 발앞꿈치를 안쪽으로 30o 회전시킨 TI (toe-in) 자세, 바깥쪽으로 30o 회전시킨 TO (toe-out) 자세를 인위적으로 만들어, 정상적인 중립(N) 자세 착지 결과와 함께 비교하였다.
- 먼저 연구 대상자에게 실험에 대한 정보를 충분히 전달하였고, 실험 전 10분 정도 자유롭게 워밍업과 스트레칭을 실시하게 하였다. 이후 대상자는 35 cm 높이의 박스 위에 올라가 지면 위로 떨어지는 드롭 랜딩을 각 발끝자세 당 5회씩 실시하였고 그 평균값을 통계에 활용하였다. 발끝자세 순서는 교차균형설계(counter-balanced design)에 따라 진행하였다.
- 발끝을 내전(adduction)과 외전(abduction) 시킬 때 중족(제 2 중족지절관절 마커와 뒷꿈치의 중점)을 기준으로 중족 사이 거리를 어깨넓이로 유지시켰다. 일관된 착지 발끝자세를 이끌기 위해 바닥에 흰색 테잎을 붙였고, 신발의 특성으로 발생되는 외부 요인들을 배제하려고 맨발로 착지토록 하였다. 반복 측정에 따른 피로를 최소화하기 위해 30초 간의 휴식이 각 드롭 랜딩 시기 사이에 주어졌다.
- 착지 동작을 2개의 주요 시점(event)와 1개의 국면(phase)으로 나누어 세부적인 비교를 진행하였다. 첫 번째 시점은 발이 지면에 닿는 발접촉(foot contact [FC])으로 수직지면반력이 나타나기 시작하는 때이고, 두 번째 시점은 무릎관절 굴곡각이 최대가 되는 최대무릎굴곡(maximum knee flexion [MK])이었다(Figure 3).
- 0®(Motion Analysis, USA)를 이용하여 드롭 랜딩 동작을 정밀하게 측정하였다. 착지할 때 발생하는 지면반력은 2대의 지면반력기(Type 9281E, Kistler, USA)를 이용하여 측정하였다. 카메라 영상 취득률은 120 Hz이었고, 지면반력 취득률은 1,200 Hz이었다.
- 측정된 반사마커 위치 자료는 Cortex 4.0®에서 차단주파수(cutoff frequency) 8 Hz의 저역통과필터(Butterworth low pass 4th order filter)를 통과하였고, 지면반력자료는 차단주파수 50 Hz의 저역통과필터를 통과하였다.
- 평활화를 마친 마커 위치 자료를 가지고 각 분절의 3차원 지역 좌표축을 정의하였고, Kinetic 2.0® (Motion Analysis, USA) 모듈을 이용하여 무릎 관절각(joint angle), 관절모멘트(resultant joint moment)를 계산하였다.
대상 데이터
- 연구의 대상자들은 C대학 남학생 17명(age: 20.5±1.1 yrs, height: 175.2±6.4 cm, body mass: 68.8±5.8 kg)으로 최근 1년 동안 하지 근골격계 질환이 없었던 학생이었다.
데이터처리
- 귀무가설 검증을 위해 착지 발끝각, 무릎 사이 거리, 무릎관절각에 대해서는 이원반복측정분산분석(two-way repeated measure ANOVA, 시점×발끝자세)을 실시하였고, 하강국면 소요시간, 최대지면반력, 관절모멘트에 대해서는 일원반복측정분산분석(one-way repeated measure ANOVA, 발끝자세)을 실시하였다.
- 귀무가설 검증을 위해 착지 발끝각, 무릎 사이 거리, 무릎관절각에 대해서는 이원반복측정분산분석(two-way repeated measure ANOVA, 시점×발끝자세)을 실시하였고, 하강국면 소요시간, 최대지면반력, 관절모멘트에 대해서는 일원반복측정분산분석(one-way repeated measure ANOVA, 발끝자세)을 실시하였다. 이 때 유의수준은 .05로 설정하였고, 유의한 주효과가 나타나면 Bonferroni 다중비교 방법을 통해 사후검증(post-hoc)을 실시하여 주효과 발생 원인을 파악하였다.
이론/모형
- 이후 대상자는 35 cm 높이의 박스 위에 올라가 지면 위로 떨어지는 드롭 랜딩을 각 발끝자세 당 5회씩 실시하였고 그 평균값을 통계에 활용하였다. 발끝자세 순서는 교차균형설계(counter-balanced design)에 따라 진행하였다. 박스의 높이는 선행연구들(Cho & Kim, 2011; Eun, Yang, Kim, Kang, & Kwak, 2012; Ishida et al.
성능/효과
- 이것은 17번째 대상자가 5회씩 드롭 랜딩한 것을 평균하여 나타낸 것으로 시간 축은 하강국면(FC 시점부터 MK 시점까지)을 표준화하여 100%로 나타내었다. 17번째 대상자의 결과를 보면 FC 이후 시상면에서 굴곡이 발생하였고, 관상면에서는 외반, 수평면에서는 내회전이 발생하였으나 밭끝자세에 따라 조금씩 다른 양상을 보여주었다(Figure 4(a)-(c)). [Figure 4(d)]에서 [Figure 4(f)]는 무릎관절에서 발생하는 관절력을 나타낸 것으로 전후면에서는 후방지면반력이 감소하고 수평면에는 외측지면반력이 증가하거나 감소하는 모습을 보여 주었다.
- 01). FC에서 TI 자세는 내회전각, TO 자세는 외회전각을 보여 주었고, 하강국면에서 모든 자세에 걸쳐 내회전각이 발생하였다. TI 자세는 내회전각이 작게 발생하였지만, TO 자세는 내회전각이 크게 발행하여 상호작용호과를 나타내었다.
- TI 자세에서 발생하는 굴곡모멘트(0.30±0.12 BW·HT)가 N 자세(0.22±0.09 BW·HT)와 TO 자세(0.19±0.06 BW·HT)에서 나온 값보다 유의하게 컸다.
- 5o)가 유의하게 차이가 발생하였다. TI 자세에서는 FC 값 대비 39.4o의 굴곡각이 MK에서 증가한 반면, TO 자세에서는 MK에서 46.8o의 굴곡각 증가하였다.
- 하지만, 발끝자세에 따라 다른 결과가 나왔다. TI와 N 자세에서는 하강하면서 외반각이 유의하게 발생한 반면, TO 자세에는 통계적으로 유의한 변화가 없었다.
- 각 조건에서 정확히 30° 간격을 유지하지 못했지만 착지할 때 TI 자세의 경우 N 자세에 비해 평균 27.0° 내전, TO 자세는 평균 30.0°외전을 유지하였다.
- 결론적으로 비접촉 ACL 부상 방지를 위해서 착지 시 중립자세가 추천되는 바이고, 되도록이면 과도한 TI 자세나 TO 자세는 착지할 때 피해야 할 것이다.
- 둘째, TI 자세는 FC 이후 과도한 외반각을 유도하였고, 다른 자세에 비해 굴곡모멘트와 외반모멘트가 컸지만, 내·회전모멘트값이 무척 작아 복합하중으로 비접촉 ACL 부상을 유발할 수 있는 가능성이 매우 낮았다.
- 30o 안쪽인 TI 자세와 30o 바깥쪽인 TO 자세를 요구하고 바닥면에 테이핑을 하여 가이드를 하였지만, 개인에 따라 완벽히 30o 조건을 유지하기 힘들었었다. 또한, 실험할 때 참여자들이 의식적으로 발끝자세를 가져가다 보니 자연스러운 착지보다는 어색한 착지가 발생하는 경우도 있었다. 따라서, 본 연구결과는 비접촉 ACL 부상 원인 파악의 기초자료로 활동될 수 있으나 실제 부상 상황과는 거리가 있을 것으로 생각되었다.
- 특히 줄어든 무릎 사이 간격 때문에 TI 자세에서는 무릎 잠김(locking) 현상이 발생하면서 굴곡각이 다른 두 가지 조건에 비해 유의하게 작았고 하강국면 소요시간도 유의하게 짧았다. 반면에 TO 자세로 인한 무릎 사이 거리 증가는 더 큰 굴곡각 변화를 유도하였고, 대퇴경골관절의 스크류 홈(screwhome) 메커니즘에 따라 내회전각이 TI 자세보다 월등이 크게 나왔다. 하지만, 관상면에서는 작은 내반각을 유도하여 TI 자세와는 다른 양상을 보여 주었다.
- 이러한 결과는 관절모멘트에도 영향을 미치게 된다. 본 실험 결과 착지 후 최대수직지면반력에 이르기 전까지 TI 자세의 굴곡모멘트가 다른 두 조건들보다 유의하게 컸으며, 외반모멘트 역시 다른 조건들보다 통계적으로 유의하지는 않았지만 컸었다(p=.06). 이는 TI 자세가 운동역학적으로 좋은 착지자세가 아님을 알 수 있었다.
- 사후검증 결과 FC에서는 N 자세(28.3±5.1o)와 TO 자세(22.2±4.6o)가 유의하게 차이가 났었는데, MK에서는 TI 자세(65.3±9.0o)와 N 자세(72.1±12.5o)가 유의하게 차이가 발생하였다.
- 사후검증 결과 TI 자세는 무릎이 유의하게 모아졌고(FC 시점에서 0.26±0.07 m와 MK 시점에서 0.21±0.03 m), TO 자세는 무릎이 유의하게 벌어졌다(FC 시점에서 0.36±0.13 m와 MK 시점에서 0.47±0.14 m).
- 사후검증 결과 TI 자세에서 TO 자세로 갈수록 착지할 때 내반각이 유의하게 증가하였다(p<.05).
- 사후검증 결과 TI와 N 자세에서는 초기값 대비 각각 2.54°와 1.55° 외전이 발생하였지만(p<.05), TO 자세에서는 변화가 없었다.
- 셋째, TO 자세에서는 FC 이후 굴곡각이 증가하면서 무릎에 부하는 줄여주었다. 하지만, 과도한 내회전각을 이끌어 내었기에 무릎관절에 부하를 줄 수 있는 자세로 여겨졌다.
- 01). 수직방향의 최대지면반력은 TO 자세의 평균값이 다른 조건에 비해 조금 컸지만 발끝자세에 따라 유의한 평균차이가 없었다.
- 이 때 발앞꿈치를 안쪽으로 30o 회전시킨 TI (toe-in) 자세, 바깥쪽으로 30o 회전시킨 TO (toe-out) 자세를 인위적으로 만들어, 정상적인 중립(N) 자세 착지 결과와 함께 비교하였다. 실험 결과 발끝자세가 FC 시점부터 다르기 때문에 3차원 관절각은 물론 다른 변인들에 있어서도 유의한 상호작용효과나 주효과를 발생시켰다.
- , 2011). 실험 결과 위험요소인 복합하중에 가장 취약한 자세는 착지 직 후 외반모멘트와 내회전모멘트가 동시에 걸리는 자세인데, 본 연구에서는 내회전모멘트가 매우 작게 걸려 복합하중 위험성은 낮다고 볼 수 있었다. 하지만, TI 자세는 내측방향의 최대지면반력을 유도하여 ACL 이외에도 연골 부위에 발생하는 전단력(shear force)으로도 영향을 줄 수 있을 것으로 생각되었다.
- 연구결과 착지 후 쉽게 눈에 띄는 반응은 무릎 사이 거리 변화이었다. TI 자세로 착지할 때는 무릎 사이 거리가 유의하게 줄었고.
- 첫째, 착지 시 발끝자세에 따라 두 무릎사이가 모아지거나(TI 자세), 벌어지거나 하였다(TO 자세). 이에 따라 FC 직 후 관절각, 최대지면반력, 관절모멘트 등에서 발끝자세와 시점에 의한 상호작용효과나 주효과를 볼 수 있었다.
- 이원반복측정분산분석을 실시한 결과 상호작용효과가 있었다(F2,32=84.7, p<.01).
- 이원반복측정분산분석을 실시한 결과, 시점과 발끝자세에 의한 상호작용효과가 있었다(F2,32=8.25, p<.01).
- 착지 후 발생하는 내반·외반각 변화에 있어서도 발끝자세와 시점에 의한 유의한 상호작용효과가 나타났다(Figure 8, F2,32=3.76, p<.05).
- 착지 후 후방으로 작용하는 TO 자세의 최대지면반력은 TI 자세와 N 자세에 의한 후방 최대지면 반력값보다 유의하게 작았다(p<.01).
- 운동학 변인 측면에서 보면 무릎 사이 거리 변화로 인해 관상면에서 외반각이 커지게 하기도 하고(TI 자세), 작지만 내반각이 발생하기도 하였다(TO 자세). 특히 줄어든 무릎 사이 간격 때문에 TI 자세에서는 무릎 잠김(locking) 현상이 발생하면서 굴곡각이 다른 두 가지 조건에 비해 유의하게 작았고 하강국면 소요시간도 유의하게 짧았다. 반면에 TO 자세로 인한 무릎 사이 거리 증가는 더 큰 굴곡각 변화를 유도하였고, 대퇴경골관절의 스크류 홈(screwhome) 메커니즘에 따라 내회전각이 TI 자세보다 월등이 크게 나왔다.
- 착지 시 발끝자세는 운동역학 변인들에도 영향을 주었다. 후방으로 작용하는 최대지면반력에서는 TI 자세와 N 자세의 값이 TO 자세가 이끌어낸 값보다 유의하게 컸다. 또한, 내측으로 발생하는 내외측방향 최대지면반력에서는 TI 자세에 의한 값이 다른 두 가지 조건들보다 유의하게 컸다(Yeow et al.
후속연구
- 또한, 실험할 때 참여자들이 의식적으로 발끝자세를 가져가다 보니 자연스러운 착지보다는 어색한 착지가 발생하는 경우도 있었다. 따라서, 본 연구결과는 비접촉 ACL 부상 원인 파악의 기초자료로 활동될 수 있으나 실제 부상 상황과는 거리가 있을 것으로 생각되었다.
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