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문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 인체의 이동 동작 중 하퇴 근-건 복합체내에서 근육과 건의 상호작용 패턴의 차이를 알아보기 위하여 보행과 한발 및 두발 수직점프 수행 시 하지관절의 운동학적, 운동역학적 변인과 더불어 근-건 복합체의 길이, 근섬유다발의 길이, 근활성화를 동시에 영상분석 기법과 초음파영상기법을 사용하여 측정 및 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 전형적인 영상분석만을 통해 접근이 어려운 근-건 복합체의 생체역학적 특성에 대한 보다 깊이 있는 정보를 도출하고자, 보행과 한발 수직점프 및 두발 수직점프에서 신장-단축 주기 동작 중 신장 구간의 부하 정도에 따른 하지 하퇴삼두근과 아킬레스건의 상호작용에 대하여 알아보았다.
제안 방법
- 근-건 복합체의 기준 길이는 무릎과 발목 관절이 모두 90°인 자세에서 슬와(popliteal fossa)와 아킬레스건과 종골(calcaneus)이 만나는 지점까지의 거리를 측정하여 사용하였으며, 보행의 HC 시 길이에 표준화 하였다.
- 근육 내부 구조 변화를 관찰하기 위해 근골격계용 선형 프로브(LV7.5/60/96Z, Samsung Medison, Seoul, Korea)와 초음파 영상 장치(LogicScan 128 EXT-1Z kit, TELEMED UAD, Vilnius, Lithuania)를 사용하여 초당 30 frames으로 오른쪽 다리 내측비복근의 근복(muscle belly)에서 근섬유다발의 길이 변화를 실시간으로 수집하였다(Han, Lee, & Lee, 2014).
- 48(Wayne Rasband, National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA)를 이용하여 분석하였다. 내측비복근의 근섬유다발 길이(fascicle length)는 표면근막(superficial aponeurosis)과 심부근막(deep aponeurosis) 사이를 선으로 연결하여 측정하였다.
- 보행은 각 대상자가 선호하는 속도(1.22±0.30 m/s)로 수행하였으며, 오른발지지 시 지면반력측정기 안을 밟는 성공적인 3회의 동작을 분석하였다.
- 보행의 경우 오른발의 heel-contact(HC) 시점부터 toe-off (TO) 시점까지의 구간을 분석하였으며, 수직점프의 경우 무릎관절의 굴곡이 시작되는 시점(KF)부터 toe-off(TO)까지의 구간을 분석하였다. 수집된 영상 자료와 지면반력 자료를 바탕으로 VICON Plug-In-Gait Lower body model을 사용하여 고관절, 무릎관절, 발목관절의 운동학적, 운동역학적 변인을 시상면(sagittal plane)에서 분석하였다.
- 본 실험에서 실시하는 보행 및 점프 동작 시 하지 분절의 3차원 영상 자료를 수집하기 위해 16개의 14mm 구형 반사 마커를 좌우측 전상장골극(anterior superior iliac spine, ASIS), 상후장골극(posterior superior iliac spine, PSIS), 대퇴(thigh), 대퇴 골내측상관절융기(lateral epicondyle of femur), 하퇴(shank), 비골외과(lateral malleolus of fibula), 두 번째 중족골두(the 2nd metatarsal head), 종골(calcaneus)에 부착하고 신장, 체중, 각 관절의 폭을 측정하여 입력한 후, 8대의 적외선 카메라(Vicon MX-F20, Oxford Metrics, Oxford, UK)와 동작분석시스템(Vicon Motion Capture Systems, Oxford Metrics Ltd, Oxford, UK)을 사용하여 200 Hz 동작을 촬영하였으며, 12m 보행로 중간지점에 위치한 2대의 지면반력기(AMTI, OR6-7, Watertown, MA)를 사용하여 1000 Hz의 빈도로 동작 수행 시 지면반력 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터는 VICON Plug-In-Gait Lower body model을 사용해 운동학적, 운동역학적 분석을 수행하였다.
- 본 실험에서는 보행, 양발 수직 반동점프, 한발 수직점프의 세 가지 동작을 실시하였다. 보행은 각 대상자가 선호하는 속도(1.
- 본 연구에서는 보행과 비교하여 두발 수직점프와 한발 수직점프 수행 시 시상면에서 관절의 운동학적, 운동역학적 변인 및 근육, 특히 근-건 복합체와 근섬유다발의 길이 변화의 형태를 동작분석 시스템과 실시간 초음파영상 기법을 사용하여 알아보았다.
- 30 m/s)로 수행하였으며, 오른발지지 시 지면반력측정기 안을 밟는 성공적인 3회의 동작을 분석하였다. 수직점프 시 양팔의 움직임에 의한 영향을 최소화하기 위해 양손은 허리에 위치하였으며, 최대의 힘을 발현하여 동작을 수행하도록 각 동작 사이에 최소 3분 이상의 충분한 휴식시간을 갖도록 하였다.
- 보행의 경우 오른발의 heel-contact(HC) 시점부터 toe-off (TO) 시점까지의 구간을 분석하였으며, 수직점프의 경우 무릎관절의 굴곡이 시작되는 시점(KF)부터 toe-off(TO)까지의 구간을 분석하였다. 수집된 영상 자료와 지면반력 자료를 바탕으로 VICON Plug-In-Gait Lower body model을 사용하여 고관절, 무릎관절, 발목관절의 운동학적, 운동역학적 변인을 시상면(sagittal plane)에서 분석하였다.
- 본 실험에서 실시하는 보행 및 점프 동작 시 하지 분절의 3차원 영상 자료를 수집하기 위해 16개의 14mm 구형 반사 마커를 좌우측 전상장골극(anterior superior iliac spine, ASIS), 상후장골극(posterior superior iliac spine, PSIS), 대퇴(thigh), 대퇴 골내측상관절융기(lateral epicondyle of femur), 하퇴(shank), 비골외과(lateral malleolus of fibula), 두 번째 중족골두(the 2nd metatarsal head), 종골(calcaneus)에 부착하고 신장, 체중, 각 관절의 폭을 측정하여 입력한 후, 8대의 적외선 카메라(Vicon MX-F20, Oxford Metrics, Oxford, UK)와 동작분석시스템(Vicon Motion Capture Systems, Oxford Metrics Ltd, Oxford, UK)을 사용하여 200 Hz 동작을 촬영하였으며, 12m 보행로 중간지점에 위치한 2대의 지면반력기(AMTI, OR6-7, Watertown, MA)를 사용하여 1000 Hz의 빈도로 동작 수행 시 지면반력 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터는 VICON Plug-In-Gait Lower body model을 사용해 운동학적, 운동역학적 분석을 수행하였다.
- 실험에 참가한 모든 대상자들은 동일한 제품의 타이즈와 운동화를 착용하였으며, 측정에 필요한 장비 부착 후 실험실 내부 상황에서 자연스러운 동작이 가능할 수 있도록 약 12 m의 보행로 안에서 충분한 연습 후 본 실험을 실시하였다.
- 최대 수직지면반력(GRF)의 경우, 보행과 두발 수직점프가 유사하고, 이와 비교하여 유의하게 큰 값을 한발 수직점프에서 관찰하였다.
- 하퇴 근육의 근활성 수준을 알아보기 위해 무선 근전도시스템(Trigno Wireless System, Delsys, Inc, Boston, MA, USA)을 사용하였으며, 내측비복근(medial gastrocnemius, MG), 외측비복근(lateral gastrocnemius, LG), 가자미근(soleus, SOL), 전경골근(tibialis anterior, TA) 총 4군데에 전극을 부착하여 근전도 신호를 수집하였다. 근전도 신호는 차단 주파수(bandwidth)는 20-450 Hz, 전극의 공통성분 제거비율(CMRR)은 110 dB로 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 근골격계 질환 및 과거 병력이 없는 건강한 성인 6명(남자 3명, 여자 3명: Table 1)을 대상자로 선정하였으며, 실험 전 대상자들에게 연구의 목적과 절차에 대해 설명하고 자발적으로 서명 후 제출한 참가 동의서를 받은 후 실험을 실시하였다.
- 영상과 함께 지면반력, 근전도, 초음파 영상은 A/D Board (DAQCard-6036E, National Instrument, Korea)를 통하여 모두 동기화하여 데이터를 수집하였다.
데이터처리
- 세 가지 이동 동작 간 하지 관절의 운동학적, 운동역학적 변인, 지면반력, 하퇴 삼두근의 근활성화 수준, 근-건 복합체의 길이, 내측비복근 근섬유다발 길이 변화의 차이를 알아보기 위하여 반복측정 일원변량분석(repeated measure one-way ANOVA) 및 Bonferroni 사후 분석을 사용하여 그 차이를 유의수준 α = .05에서 분석하였다.
- 수집한 내측비복근의 초음파 영상은 무료 영상 분석 프로그램인 ImageJ 1.48(Wayne Rasband, National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA)를 이용하여 분석하였다. 내측비복근의 근섬유다발 길이(fascicle length)는 표면근막(superficial aponeurosis)과 심부근막(deep aponeurosis) 사이를 선으로 연결하여 측정하였다.
- 측정한 근전도는 분석 구간 내에서 Root Mean Square (RMS)값을 window length 50 ms와 window overlap 25 ms로 설정하여 계산한 후 진폭 변인에 대한 분석을 수행하였다.
이론/모형
- 하퇴삼두근 근-건 복합체의 길이 변화는 Grieve, Pheasant, & Cavanagh(1978)의 방법으로 발목과 무릎관절의 각도를 사용하여 추정하였다.
성능/효과
- 보행과 점프 모두 인체의 기본적인 이동 동작(locomotion)으로 동작의 수행 시 기계학적인 힘을 발현하는 근육과 직렬로 연결된, 탄성 특성을 갖는 건의 상호작용에 의해 생체역학적 특성이 결정된다(Fukunaga, Kawakami, Kubo, & Kanehisa, 2002; Ishikawa & Komi, 2008; Ishikawa, Niemelä, & Komi, 2005). 결과적으로 [Table 2]에 나타난 바와 같이 보행 시 운동학적, 운동역학적 변인들은 점프 시와 유의한 차이를 보였으며, 더불어 한발 수직점프와 두발 수직점프 간에도 유의한 차이가 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.
- 두 가지 형태의 수직점프 수행 중 전체적인 근-건 복합체와 근섬유다발의 길이 변화를 살펴보면, 두 변인의 변화 패턴이 동기화되지 않음을 쉽게 알 수 있다. 근-건 복합체의 길이는 두발 수직점프 수행 시 더 큰 변화를 나타내었고, 특히 무릎관절의 굴전과 발목관절의 족배굴곡이 나타나는 신장 혹은 준비 구간 (stretching or preparatory phase)이후 추진 구간에서 근-건 복합체의 길이 변화와 비교하여 근섬유다발의 길이 변화는 등척성 수축을 유지하거나 단축이 수행되더라도 근-건 복합체의 길이 변화보다는 적게 나타남을 관찰할 수 있었다.
- )의 경우, 발목관절에서는 보행과 두발 수직점프보다 한발 수직점프에서 더 큰 값을 나타냈다. 무릎관절에서는 보행, 두발 수직점프, 한발 수직점프는 순서로 유의한 차이를 보였다. 엉덩관절에서는 세 동작 간 유의한 차이를 보이지 않았다.
- 무릎관절의 최대 굴곡각은 보행, 두발 수직점프, 한발 수직점프 수행 시 추진구간에서 보행과 비교하여 두 가지 점프 동작에서 유의하게 크게 나타났으며(p<.05), 두 점프 간의 비교에서 두발 수직점프가 한발 수직점프 보다 유의하게 큰 값을 보였다(p<.05).
- 보행과 점프의 추진구간에서의 내측비복근 근섬유다발의 길이 변화는 보행 시와 비교하여 한발, 두발 수직점프에서 크게 나타났다(Table 3).
- , 1985)에서는 동작 중 일관되게 근-건 복합체와 근섬유다발 길이 변화의 비일치성(asynchrony)을 제시하고, 특히 근섬유다발의 등척성 유지 경향이 건의 신장을 도모하여 동작의 역학적 효율성 향상 기전으로 설명하고 있다. 본 연구에서는 선행 연구의 결과에 부가적으로 과제의 부하가 다른 한발과 두발 점프 시 [Figure 5]에 나타난 바와 같이 근-건 복합체 내 상호작용 전략이 차이를 나타냄을 관찰할 수 있었다.
- 엉덩관절의 최대 굴곡각은 보행, 두발 수직점프, 한발 수직점프 수행 시 추진구간에서 보행과 비교하여 두 가지 점프 동작에서 유의하게 크게 나타났으며(p<.05), 두 점프 간의 비교에서 두발 수직점프가 한발 수직점프 보다 유의하게 큰 값을 보였다.
- [Figure 5]에서는 보행에서 HC 시점에서의 근-건 복합체 길이와 근섬유다발 길이를 기준으로 표준화하여 각각의 길이 변화를 X-Y 그래프로 표현하였다. 우선 보행과 비교하여 두 가지 수직점프 동작에서 근건 복합체와 근섬유다발의 길이 변화가 상당히 크다는 점을 확인할 수 있다[Table 3]. 두 가지 형태의 수직점프 수행 중 전체적인 근-건 복합체와 근섬유다발의 길이 변화를 살펴보면, 두 변인의 변화 패턴이 동기화되지 않음을 쉽게 알 수 있다.
- 최대 관절파워(PPeak)의 경우 발목관절에서는 보행, 두발 수직 점프, 한발 수직점프는 순서로 유의한 차이를 보였으며, 무릎관절에서는 보행과 비교하여 두 형태의 점프에서 유의하게 높은 값을 나타냈다. 엉덩관절에서는 통계적으로는 유의하지 않지만 보행과 비교하여 두 형태의 점프에서 높은 값을 나타내었다.
- 하지 관절 각도를 살펴보았을 때, 발목에서는 보행과 수직 점프 간에 차이를 보였으며, 무릎과 엉덩관절에서는 보행과 수직점프 그리고 한발과 두발 수직점프 간에도 차이를 보였다. 운동학적 변인의 경우, 두발 수직점프의 경우 발목관절에서의 최대 모멘트가 보행과 유사한 값을 나타낸 점이 눈에 띄는 현상이나 이는 선행 연구(van Soest, Roebroeck, Bobbert, Huijing, & van Ingen Schenau, 1985)에서 관찰된 바와 유사한 경향을 보였다.
- 하퇴삼두근을 구성하는 내·외측 비복근과 전경골근의 최대 root mean square(RMS) 값은 보행과 비교하여 두 형태의 수직점프에서 유의하게 높게 나타났다(Table 2).
- 한발과 두발 수직점프 수행 시 무릎관절과 발목관절의 각도로부터 계산한 내측비복근의 근-건 복합체 길이 변화는 근섬유다발의 길이 변화와 상이한 패턴을 보였으며, 두 수직점프 유형 간에도 상이한 패턴을 보였음을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구 결과는 후속 연구에서 근-건 복합체의 상호작용 패턴 변화 평가를 한 트레이닝의 효과, 재활 경과, 노화의 영향 등에 활용할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
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