중량물 취급 보행 시 하지의 역학적 정렬에 따른 생체역학적 변화 분석 Analysis of Biomechanical Changes According to Mechanical Alignment of the Lower Limbs when Gait with a Material Handling원문보기
Objective : Walking with a Material handling is an activity frequently undertaken by agricultural workers in Korea, due to the nature of their work. This study aimed to investigate differences in biomechanical variables according to the mechanical alignment of the lower limbs when walking with a hea...
Objective : Walking with a Material handling is an activity frequently undertaken by agricultural workers in Korea, due to the nature of their work. This study aimed to investigate differences in biomechanical variables according to the mechanical alignment of the lower limbs when walking with a heavy load, and to use this as basic data in the design of various working environments to reduce the skeletomuscular burden on the knee joint. Method : The study subjects comprised of 22 right-foot dominant adult men and women aged between 20 and 23 years. The subjects were divided into a varus or valgus group according to the mechanical alignment of the lower limb by using radiographic findings. The subjects walked without any load and with a load of 10%, 20%, or 30% of their body weight held in front of them. The Kwon3d XP program was used to calculate biomechanical variables. Results : The flexion/extension moment of the knee joint showed a decreasing trend with increased load, irrespective of the mechanical alignment of the lower limb, while the varus group did not show normal compensatory action when supported by one leg at the point of maximum vertical ground reaction force. In addition, in terms of the time taken, subjects showed no difficulties in one-foot support time up to 20%/BW, but at 30%/BW, despite individual differences, there was an increase in single limb. The increased load resulted in a decrease in the ratio of standing phase to ensure physical stability. The valgus group showed a trend of increasing the stability of their center of mass with increasing load, through higher braking power in the early standing phase. Conclusion : In conclusion, although there was no statistical difference in biomechanical variables according to the mechanical alignment of the lower limbs, the varus group showed a more irregular walking pattern with a Material handling than the valgus group, partially proving the association between lower limb alignment and walking with a Material handling.
Objective : Walking with a Material handling is an activity frequently undertaken by agricultural workers in Korea, due to the nature of their work. This study aimed to investigate differences in biomechanical variables according to the mechanical alignment of the lower limbs when walking with a heavy load, and to use this as basic data in the design of various working environments to reduce the skeletomuscular burden on the knee joint. Method : The study subjects comprised of 22 right-foot dominant adult men and women aged between 20 and 23 years. The subjects were divided into a varus or valgus group according to the mechanical alignment of the lower limb by using radiographic findings. The subjects walked without any load and with a load of 10%, 20%, or 30% of their body weight held in front of them. The Kwon3d XP program was used to calculate biomechanical variables. Results : The flexion/extension moment of the knee joint showed a decreasing trend with increased load, irrespective of the mechanical alignment of the lower limb, while the varus group did not show normal compensatory action when supported by one leg at the point of maximum vertical ground reaction force. In addition, in terms of the time taken, subjects showed no difficulties in one-foot support time up to 20%/BW, but at 30%/BW, despite individual differences, there was an increase in single limb. The increased load resulted in a decrease in the ratio of standing phase to ensure physical stability. The valgus group showed a trend of increasing the stability of their center of mass with increasing load, through higher braking power in the early standing phase. Conclusion : In conclusion, although there was no statistical difference in biomechanical variables according to the mechanical alignment of the lower limbs, the varus group showed a more irregular walking pattern with a Material handling than the valgus group, partially proving the association between lower limb alignment and walking with a Material handling.
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문제 정의
따라서 본 연구는 우리나라 농작업 현장의 작업 특성상 많이 취하고 있는 중량물 취급 보행 시 하지 정렬에 따라 하지에 미치는 생체역학적 변인 차이를 밝히고자 하며, 역학적으로 슬관절의 근골격계의 부담을 줄일 수 있는 다양한 작업환경 설계에 기초자료로 활용하고자 한다.
본 연구에서는 중량물 취급 보행 시 하지의 역학적 정렬에 따른 생체역학적 변인 변화를 파악하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 반해 농작업 종사자들은 20 kg 이상의 중량물 즉, 한국 성인남성 평균 체중의 약 34%에 해당하는 높은 중량물을 취급하며, 이러한 중량물 취급 보행은 허리는 물론 슬관절에 부정적 영향을 미칠 것이다. 이에 본 연구는 농작업 현장에 빈번히 발생하는 짐을 앞으로 들고 보행 시 체중의 10%, 20%, 30%의 부하 증가가 슬관절에 미치는 영향을 보고자 하였으며 그 결과를 토대로 다음과 같이 논의하고자 한다.
제안 방법
각 대상자의 관절점과 하지 분절 좌표를 얻기 위하여 6대의 적외선 카메라(Motion Master 200, Visol, Korea)를 사용하여 정적자세(static)를 1초간 촬영하였으며, 보행 동작은 100 Hz/s로 영상을 수집하였다. 측정 당일 연구대상자들에게 본 측정의 목적, 주의사항 및 측정방법 등을 충분히 설명하고, 보행연습을 수차례 실시하였다.
본 실험 시 대상자들은 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판(spandex)재질의 운동복을 착용하고 측청에 참여하였으며, 이때 보행속도는 사전에 고정된 속도에서 야기될 수 있는 신체의 잠재적인 불편을 최소화하기 위해 자신의 선호속도로 보행하도록 하였다. 동작 선정은 각 부하별로 부자연스러운 동작이라고 판단되는 시도(trial)를 제외하고 자연스러운 동작이라고 판단되는 1회 동작을 수집하였다. 실험 수행은 [Figure 2]와 같이 농작업 현장에서 주로 사용하는 중량물을 앞으로 들고 보행 동작을 실시하였으며, 중량물 부하는 무부하(0%/w)와 사전 검사를 통해 측정된 각 대상자의 체중에 10%, 20%, 30%를 모래주머니를 이용해 적용하였다.
측정 당일 연구대상자들에게 본 측정의 목적, 주의사항 및 측정방법 등을 충분히 설명하고, 보행연습을 수차례 실시하였다. 본 실험 시 대상자들은 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판(spandex)재질의 운동복을 착용하고 측청에 참여하였으며, 이때 보행속도는 사전에 고정된 속도에서 야기될 수 있는 신체의 잠재적인 불편을 최소화하기 위해 자신의 선호속도로 보행하도록 하였다. 동작 선정은 각 부하별로 부자연스러운 동작이라고 판단되는 시도(trial)를 제외하고 자연스러운 동작이라고 판단되는 1회 동작을 수집하였다.
본 연구는 대상자의 평상 시 중량물 취급 보행에 대해 고려하지 못하고 대상자를 편의 추출하여 평소 중량물 취급 방법에 따른 신체적 변화에 대해 통제하지 못하였으며, 연구 환경의 특성상 한쪽 하지만을 분석하여 양쪽 발의 보행을 비교하지 못하였다. 이러한 연구의 제한점에도 불구하고 하지의 역학적 정렬에 따른 특성을 확인하였고, 부하량 증가에 따라 내반모멘트의 증가를 확인한 것에 의의가 있다.
본 연구는 역학적 정렬이 측정된 하지가 지면반력기에 닿는 시점부터 발끝이 지면에서 떨어지는 시점까지에서 나타나는 최대수직지면반력을 기준으로 최대굴곡 및 최대 내전모멘트값을 산출하였고, 전체 소요시간과 부하량을 분석변인으로 설정하였다(Figure 5).
본 연구에서 하지의 역학적 정렬은 전두면을 기준으로 측정되었다. 따라서 중량물 증가에 따라 외반/내반 모멘트를 분석하였는데 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았지만 서로 다른 특성을 보였다.
본 연구의 그룹설정은 오른발이 사전 검사된 X-ray를 통해 역학적 하지정렬이 내반(Varus)된 대상자와 외반(Valgus)된 대상자들을 각각 내반그룹과 외반그룹으로 분류하였다.
슬관절의 역학적 정렬과 중량물 취급에 따른 보행 시 하지의 생체역학적 요인을 분석하기 위하여 연구대상자들은 C대학병원을 방문하여 슬관절 정렬 사진(X-ray)을 촬영하여 슬관절 역학적 정렬을 측정하였다. 촬영된 사진은 정형외과 전문의에 의해 평가되었다.
동작 선정은 각 부하별로 부자연스러운 동작이라고 판단되는 시도(trial)를 제외하고 자연스러운 동작이라고 판단되는 1회 동작을 수집하였다. 실험 수행은 [Figure 2]와 같이 농작업 현장에서 주로 사용하는 중량물을 앞으로 들고 보행 동작을 실시하였으며, 중량물 부하는 무부하(0%/w)와 사전 검사를 통해 측정된 각 대상자의 체중에 10%, 20%, 30%를 모래주머니를 이용해 적용하였다. 이때 보행에 영향을 미칠 수 있는 체지방량과 골격근량, 슬관절 등속성 최대근력을 측정하여 사전 상관분석을 실시하였다.
하지의 역학적 정렬은 X-ray를 통해 평가되었다. 역학적 정렬은 관상면(frontal Plane)에서 대퇴골두(Head of Femur)와 원위 대퇴부의 과간절흔(Femur intercondylar notch center)을 직선으로 연결하고 경골 중앙부(Tibial Spine center)와 거골의 중앙부(center of talus)를 직선을 연결한 후 슬관절에서 발생하는 각도를 역학적 정렬로 설정하였다[Figure 3]. 이때 –각을 나타낸 그룹을 내반그룹, +값을 나타낸 그룹을 외반그룹으로 정의하였다.
지면반력은 한 대의 지면반력기를 사용하였으며 5 m의 보행 구간 중앙에 설치하여 초당 1000 Hz로 샘플링 하였다. 영상과 지면반력 동조는 동조시스템 박스(VSAD-101USB, Visol, Korea)를 사용하여 2대의 LED와 지면반력 동조(sync)채널에 연결하여 동조시켰다.
실험 수행은 [Figure 2]와 같이 농작업 현장에서 주로 사용하는 중량물을 앞으로 들고 보행 동작을 실시하였으며, 중량물 부하는 무부하(0%/w)와 사전 검사를 통해 측정된 각 대상자의 체중에 10%, 20%, 30%를 모래주머니를 이용해 적용하였다. 이때 보행에 영향을 미칠 수 있는 체지방량과 골격근량, 슬관절 등속성 최대근력을 측정하여 사전 상관분석을 실시하였다.
인체 관절은 대상자에게 부착된 해부학적 마커정보를 이용하여 발목관절(ankle joint), 무릎관절(knee joint)의 관절과 발(foot), 하퇴(shank), 대퇴(thigh), 골반(pelvis)의 4개 분절을 강체로 모델링하였으며, 인체분절 지수(Body Segment Paramenters)는 Plagenhoef, Evans & Abdelnour(1983)의 자료를 사용하였다.
촬영된 사진은 정형외과 전문의에 의해 평가되었다. 중량물 보행 분석은 C대학 운동역학 실험실에서 실시하였으며, 켈리브레이션(calibration)을 1ｘ2ｘ2로 설치하여 촬영하였다. 반사마커는 [Figure 1]과 같이 인체관절의 중심점과 하지 분절에 각각 지름 2 cm인 마커 총 11개를 부착하였다.
지면반력은 한 대의 지면반력기를 사용하였으며 5 m의 보행 구간 중앙에 설치하여 초당 1000 Hz로 샘플링 하였다. 영상과 지면반력 동조는 동조시스템 박스(VSAD-101USB, Visol, Korea)를 사용하여 2대의 LED와 지면반력 동조(sync)채널에 연결하여 동조시켰다.
각 대상자의 관절점과 하지 분절 좌표를 얻기 위하여 6대의 적외선 카메라(Motion Master 200, Visol, Korea)를 사용하여 정적자세(static)를 1초간 촬영하였으며, 보행 동작은 100 Hz/s로 영상을 수집하였다. 측정 당일 연구대상자들에게 본 측정의 목적, 주의사항 및 측정방법 등을 충분히 설명하고, 보행연습을 수차례 실시하였다. 본 실험 시 대상자들은 모두 신발을 착용하지 않은 상태에서 스판(spandex)재질의 운동복을 착용하고 측청에 참여하였으며, 이때 보행속도는 사전에 고정된 속도에서 야기될 수 있는 신체의 잠재적인 불편을 최소화하기 위해 자신의 선호속도로 보행하도록 하였다.
측정 보행에 영향을 미칠 수 있는 슬관절 근기능 측정은 등속성 근기능 측정장비(CSMI, U.S.A)를 사용하였으며, 대상자는 장비에 앉은 후 다른 신체부위에 의한 근력 발생을 방지하기 위하여 허리, 대퇴, 가슴 부위에 벨트로 착용하고, 팔은 서로 교차하여 가슴에 붙도록 하였다. 무릎관절의 가동범위는 신전각도 0º에서 굴곡각도 90º까지 하였으며, 각속도는 30/s 으로 설정하고(Fagenbaum and Darling, 2003), 최대값을 산출하였다.
하지의 정렬 측정은 경골의 변형(Specogna et al., 2004)과 성별(Lee, Lee, Kim &Oh, 2011)에 의해 영향을 받는 요인이므로 그룹간 동질성 검정을 실시하였다.
대상 데이터
중량물 보행 분석은 C대학 운동역학 실험실에서 실시하였으며, 켈리브레이션(calibration)을 1ｘ2ｘ2로 설치하여 촬영하였다. 반사마커는 [Figure 1]과 같이 인체관절의 중심점과 하지 분절에 각각 지름 2 cm인 마커 총 11개를 부착하였다.
본 연구는 최근 6개월 동안 하지관절 및 전신에 어떠한 부상경험이 없고 오른발이 우성인 20세∼23세의 성인남녀 22명을 선정하였으며, 이들의 일반적 특성은 [Table 1]과 같다.
본 연구에 사용된 실험장비는 영상분석 분석 시스템(Kwon3d XP, Korea)과 지면반력 시스템(AMTI OR6, AMTI, USA)이다.
데이터처리
하지의 역학적 정렬에 따른 중량물 취급 보행시 운동역학적 변인들에 대한 차이를 검정하기 위하여 이변량 반복측정분산분석(two-way repeated ANOVA)를 실시하였다. 또한 보행에 영향을 미치는 BMI, 체지방량, 골격근량, 슬관절 등속성 근기능과의 상관관계 및 하지정렬에 영향을 미치는 경골휨각과 성별에 따른 동질성 검정을 위해 pearson 상관분석과 Mann whitney을 실시하였다. 모든 통계처리는 SPSS 20.
하지의 역학적 정렬에 따른 중량물 취급 보행시 운동역학적 변인들에 대한 차이를 검정하기 위하여 이변량 반복측정분산분석(two-way repeated ANOVA)를 실시하였다. 또한 보행에 영향을 미치는 BMI, 체지방량, 골격근량, 슬관절 등속성 근기능과의 상관관계 및 하지정렬에 영향을 미치는 경골휨각과 성별에 따른 동질성 검정을 위해 pearson 상관분석과 Mann whitney을 실시하였다.
하지의 역학적 정렬은 X-ray를 통해 평가되었다. 역학적 정렬은 관상면(frontal Plane)에서 대퇴골두(Head of Femur)와 원위 대퇴부의 과간절흔(Femur intercondylar notch center)을 직선으로 연결하고 경골 중앙부(Tibial Spine center)와 거골의 중앙부(center of talus)를 직선을 연결한 후 슬관절에서 발생하는 각도를 역학적 정렬로 설정하였다[Figure 3].
이론/모형
관절의 중심점은 촬영된 영상에서 Tylkowsky 방식(Tylkowski, Simon & Mansour, 1982)을 이용해 찾았으며, 무릎관절과 발목관절은 mid-point(secondary point)방식으로 관절중심을 설정하였다.
노이즈(nosie)를 제거하기 위하여 저역 통과 필터(lowpass filter) 방법으로 스무딩을 하였으며, 차단 주파수는 6 Hz로 설정하였다(Ford, Myer & Hewett, 2003).
영상 분석에서는 통제점 및 인체관절의 중심점의 좌표화와 동조를 거쳐 Abdel-Aziz Karara(1971)의 일차선형변환방법(DLT : Direct Linear Transformation method)을 이용해 3차원 좌표를 계산하였다. 노이즈(nosie)를 제거하기 위하여 저역 통과 필터(lowpass filter) 방법으로 스무딩을 하였으며, 차단 주파수는 6 Hz로 설정하였다(Ford, Myer & Hewett, 2003).
노이즈(nosie)를 제거하기 위하여 저역 통과 필터(lowpass filter) 방법으로 스무딩을 하였으며, 차단 주파수는 6 Hz로 설정하였다(Ford, Myer & Hewett, 2003). 자료에 대한 평활화(smoothing)는 Kwon3D XP 프로그램을 사용하였다.
성능/효과
결론적으로 통계적 유의차는 나타나지 않았지만 중량물 취급 보행 시 하지의 역학적 정렬에 따라 내반 그룹에서 상대적으로 부정적 형태의 보행 패턴을 보여 하지 정렬과 중량물 보행의 관련성이 부분적으로 입증되었다고 하겠다.
넷째, 외반 그룹은 부하량 증가에 따라 초기 입각기 시 높은 제동력을 통해 신체중심의 안정성을 높이는 경향이 나타났다.
둘째, 하지의 내반 역학적 정렬은 보행 중 수직지면반력이 최대인 시점에서 외발로 지지할 때 정상적인 보상작용이 나타나지 않았다.
본 연구에서는 중량물의 증가에 따라 부하율 또한 증가하는 것으로 나타났으나, 통계적으로 그룹 간 차이는 보이지 않았다. 그러나 [Figure 8]과 같이 외반그룹이 상대적으로 부하량이 증가하는 경향이 나타났는데 이는 외반 그룹은 부하량 증가에 따라 초기 입각기시 높을 제동력을 통해 신체중심의 안정성을 취한 동작이 이루어졌기 때문으로 생각되며 보행 시 부하의 증가에 따라 한쪽 발에 걸리는 부하가 증가하기 때문에 한쪽 발로 부하를 지탱해야하는 시간을 줄여서 인체에 작용하는 부하를 줄이기 위한 전략으로 사료된다(Woo, 2001).
셋째, 20%/BW까지 한발지지 시간의 여유를 보였지만 30%/BW에서 개인차와 함께 지지시간의 증가가 나타났고, 부하증가로 인한 신체 안정성 확보를 위한 입각기 비율이 감소하였다.
본 연구는 대상자의 평상 시 중량물 취급 보행에 대해 고려하지 못하고 대상자를 편의 추출하여 평소 중량물 취급 방법에 따른 신체적 변화에 대해 통제하지 못하였으며, 연구 환경의 특성상 한쪽 하지만을 분석하여 양쪽 발의 보행을 비교하지 못하였다. 이러한 연구의 제한점에도 불구하고 하지의 역학적 정렬에 따른 특성을 확인하였고, 부하량 증가에 따라 내반모멘트의 증가를 확인한 것에 의의가 있다.
또한 Bin, Yu, Choe, Ju(2003)은 슬관절 전치환술(Total Knee Arthroplasty:TAK)을 통한 하지의 역학적 내반각 감소가 보행능력을 개선시켰다고 보고하였고, Lee(2012)는 농작업 종사자들의 작업 특성상 대부분 내반각이 증가하여 내측 반월상 연골마모가 상대적으로 높다고 보고하였다. 이러한 이론적 근거들을 종합해 볼 때 중량물 취급 보행 시 하지의 역학적 정렬은 슬관절의 역학적 메카니즘의 변화를 초래하여 상해의 위험성을 증가시킬 것이다.
첫째, 슬관절 굴곡/신전모멘트는 하지의 역학적 정렬과 관련없이 부하량 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
또한 착지 시 시상면 상에서 근피로 후 최대 수직지면반력 시점에서 신전 모멘트가 감소하였다는 Kim &Youm(2013)연구와 체중당 중력을 적용한 보행에서 중력의 증가에 따라 슬관절 각도가 증가한다는 Ryu(2008)의 연구와 같이 중량물 증가에 따라 보상 작용에 의해 슬관절을 신전한 상태에서 보행이 이루어진 것이며, 중량물이 앞쪽에 위치함으로써 상체에서는 굴곡이 일어나게 되는데 이를 상쇄하기 위해 신전이 일어나면서 수직지면 벡터가 신체중심선으로 가까워졌기 때문에 위와 같은 결과가 나온 것으로 사료된다. 그러나 높은 표준편차는 개인차를 의미하는데 이러한 결과는 연구대상자들이 평상 시 중량물 취급 보행을 하지 않았기 때문이며 향후 연구에서 이를 고려한 연구가 필요하다고 하겠다.
향후 연구에서는 실제 농작업 종사자들과 하지의 역학적 정렬을 의학적 기준에서 평가하여 병적(morbid) 정렬에 따라 중량물 취급 보행 시 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
농작업 종사자의 재해율이 지속적으로 증가하는 이유는?
우리나라 농작업 종사자의 재해율은 지속적인 증가 추세를 보이고 있는데 이는 부적절하고 부자연스러운 작업자세가 빈번하게 취해지고, 다양한 무게의 중량물을 취급함에 따라 생체역학적 위험요인에 노출되기 때문이다. 이와 관련한 농업진흥청(2012)의 보고에 의하면 농업인의 가장 큰 작업관련성 질환은 근골격계 질환(Musculoskeletal disorders, MSD)이며, Osborne et al.
농작업 종사자의 근골격계질환으로 어떤 증상이 제일 많았는가?
6%가 근골격계질환을 경험한다고 보고하였다. 이중 허리와 함께 무릎 통증이 50.9%로 가장 많았으며, 이러한 수치는 사무직, 기능기술직의약 6~7배, 이동이 많은 판매서비스직보다 2배 이상 높은 수치이다. 위의 내용들을 종합해 볼 때 농작업 종사자들의 MSD의 위험요인 평가는 MSD 예방에 있어서 중요한 과정이며, 작업부하를 경감시키기 위한 중요한 과정이라고 할 수 있다.
농업인의 가장 큰 작업관련성 질환은?
우리나라 농작업 종사자의 재해율은 지속적인 증가 추세를 보이고 있는데 이는 부적절하고 부자연스러운 작업자세가 빈번하게 취해지고, 다양한 무게의 중량물을 취급함에 따라 생체역학적 위험요인에 노출되기 때문이다. 이와 관련한 농업진흥청(2012)의 보고에 의하면 농업인의 가장 큰 작업관련성 질환은 근골격계 질환(Musculoskeletal disorders, MSD)이며, Osborne et al.,(2012)은 농작업 종사자들의 직업성 질환에 대한 24개의 연구를 바탕으로 메타 분석을 실시한 결과 90.
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