[논문]편평족 달리기 시 충격 쇼크의 성분과 흡수

류지선; 임가영

doi:10.5103/kjsb.2015.25.3.283

편평족 달리기 시 충격 쇼크의 성분과 흡수
Impact Shock Components and Attenuation in Flat Foot Running 원문보기

한국운동역학회지 = Korean journal of sport biomechanics, v.25 no.3, 2015년, pp.283 - 291

류지선 (한국체육대학교 생활체육대학 운동건강관리학과) , 임가영 (한양대학교 보건대학원 직업 및 환경보건 전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Objective : The purpose of this study was to determine the differences in the head and tibial acceleration signal magnitudes, and their powers and shock attenuations between flat-footed and normal-footed running. Methods : Ten flat-footed and ten normal-footed subjects ran barefoot on a treadmill with a force plate at 3.22m/s averaged from their preferred running speed using heel-toe running pattern while the head and tibial acceleration in the vertical axis data was collected. The accelerometers were sampled at 2000 Hz and voltage was set at 100 mv, respectively. The peak magnitudes of the head and tibial acceleration signals in time domain were calculated. The power spectral density(PSD) of each signal in the frequency domain was also calculated. In addition to that, shock attenuation was calculated by a transfer function of the head PSD relative to the tibia PSD. A one-way analysis of variance was used to determine the difference in time and frequency domain acceleration variables between the flat-footed and normal-footed groups running. Results : Peaks of the head and tibial acceleration signals were significantly greater during flat-footed group running than normal-footed group running(p<.05). PSDs of the tibial acceleration signal in the lower and higher frequency range were significantly greater during flat-footed running(p<.05), but PSDs of the head acceleration signal were not statistically different between the two groups. Flat-footed group running resulted in significantly greater shock attenuation for the higher frequency ranges compared with normal-footed group running(p<.05). Conclusion : The difference in impact shock magnitude and frequency content between flat-footed and normal-footed group during running suggested that the body had different ability to control impact shock from acceleration. It might be conjectured that flat-footed running was more vulnerable to potential injury than normal-footed running from an impact shock point of view.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

달리기 시 발과 지면 사이의 운동량 교환으로 발생하는 충격 쇼크의 크기와 흡수에 발 분절은 직ㆍ간접적으로 관여하는 것으로 알려졌지만, 발의 아치 형태에 따른 이들 내용을 제시한 것은 부족하다. 따라서 발 분절의 구조적 특성이 정상족과 다른 편평족 달리기가 충격의 발생과 흡수의 메카니즘이 어떻게 다른지에 대한 정량적인 제시는 달리기 시 피로와 잠재적 상해를 예측하고 진단하는데 필요한 연구라 하겠다.
이 연구의 목적은 달리기 시 정상족과 편평족간의 충격 쇼크의 성분 차이와 이의 흡수를 분석하고자 했다. 연구 목적을 실현하기 위해 다음과 같은 구체적인 내용들은 산출되었다.
이 연구의 목적은 정상족과 편평족 달리기 패턴 간 충격 쇼크의 차이를 규명하고자 머리와 경골에서 수집된 가속도 신호를 이용해 시간함수에서 가속도 크기와 주파수 함수에서 파워 및 충격 흡수를 분석했다. 본 연구 결과 시간 함수에서 가속도 크기는 머리와 경골 가속도가 정상족 달리기 집단보다 편평족 달리기 집단이 모두 컸다.

가설 설정

셋째, 저주파와 고주파수에서 쇼크 흡수 크기를 살펴봤다. 본 연구에서 분석된 변인들의 차이는 편평족을 판단하는 발길이에 대한 주상골 높이의 비 차이에 의한 것으로 가정해 해석했다.

제안 방법

경골과 머리 가속도계의 시간 함수 파라메타들은 각 대상자들에 의해 수행된 20 스트라이드 지지국면으로부터 분석했다. 지지국면은 수직 지면 반력 값이 5 N이상일 때를 지면 접촉 순간으로 5 N이하일 때를 이지(離地) 순간으로 간주해 결정했으며, 가속도 자료는 신호에서 평균값을 빼는 방법으로 직류 성분을 제거한 후 4차 Butterworth 반복 필터를 이용해 저역 필터링했다.
첫째, 시간함수에서 경골과 머리 가속도의 양적 피크 크기를 산출했다. 둘째, 머리와 경골 가속도 신호의 저주파와 고주파 범위 내에서 파워 크기를 계산했다. 셋째, 저주파와 고주파수에서 쇼크 흡수 크기를 살펴봤다.
둘째, 머리와 경골 가속도 신호의 저주파와 고주파 범위 내에서 파워 크기를 계산했다. 셋째, 저주파와 고주파수에서 쇼크 흡수 크기를 살펴봤다. 본 연구에서 분석된 변인들의 차이는 편평족을 판단하는 발길이에 대한 주상골 높이의 비 차이에 의한 것으로 가정해 해석했다.
이 연구는 달리기 시 정상족과 편평족간의 충격 쇼크의 성분 차이와 이의 흡수를 알아보고자 달리기 시 후족 착지형을 가진 10명의 편평족 집단과 10명의 정상 집단을 대상으로 경골과 머리에 가속도계를 부착해 시간함수에서 경골 가속도의 양적 피크 크기와 머리 가속도의 피크 크기, 저주파 범위 내에서 경골과 머리 신호파워 크기와 고주파수 범위 내에서 경골과 머리 신호파워 크기, 저주파와 고주파수에서 쇼크 흡수 크기를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
저주파와 고주파 범위에 대해 경골과 머리 피크 신호 파워와 신호 크기는 각 대상자로부터 수집된 20 스트라이드 자료 중 5와 15번째 지지 국면에 대해 평균했고, 각 집단에 대해 평균 했다. 쇼크 흡수 크기에 대한 집단 평균들 또한 같은 방법으로 수행했다.
81 m/s=1 g), 신호의 주파수 분석은 시간에 기초한 신호들을 FFT(fast fouriertransform) 기법을 활용해 실시했다(Shorten & Winslow,1992;Ryu, 2010). 주파수 함수에서 지지국면에서 머리와 가속도의 파워는 Rectangular window 함수를 적용 신호 자료의 파워 스팩트럼 밀도(power spectrum density: PSD)를 결정했다. 이때 주파수 성분의 파워는 주파수 크기의 제곱으로 계산되었으며(Ryu,2005), PSD는 지지국면에 대해 표준화했다.
경골과 머리 가속도계의 시간 함수 파라메타들은 각 대상자들에 의해 수행된 20 스트라이드 지지국면으로부터 분석했다. 지지국면은 수직 지면 반력 값이 5 N이상일 때를 지면 접촉 순간으로 5 N이하일 때를 이지(離地) 순간으로 간주해 결정했으며, 가속도 자료는 신호에서 평균값을 빼는 방법으로 직류 성분을 제거한 후 4차 Butterworth 반복 필터를 이용해 저역 필터링했다. 이때 Cut-off 주파수 결정은 신호파워의 99.
연구 목적을 실현하기 위해 다음과 같은 구체적인 내용들은 산출되었다. 첫째, 시간함수에서 경골과 머리 가속도의 양적 피크 크기를 산출했다. 둘째, 머리와 경골 가속도 신호의 저주파와 고주파 범위 내에서 파워 크기를 계산했다.
, 1995). 충격흡수 크기(shock attenuation magnitude)는 저주파수 범위와 고주파 범위 내 전이 함수 결과를 적분해서 정량화했다. 경골과 머리 가속도로부터 얻은 모든 시간 함수와 주파수 파라메타들은 MatLab 프로그램(Mathworks, Inc.

대상 데이터

발 분절은 26개의 불규칙한 뼈와 31개의 관절, 20개의 근육으로 구성되어 있다. 이동운동 시 신체 분절 중에서 발은 외부와 유일하게 상호 작용하는 신체의 일부분으로 하지와 지면 사이의 중요한 역학적 기능을 담당하는 매우 복잡하고 견고한 해부학적 구조물이다(Leardini, Benedetti, Catani, Simoncin & Giannini, 1999).
본 연구에 참여한 대상자는 달리기 시 후족 착지 형을 가진 10명의 편평족 집단과 10명의 정상 집단으로 구성되었다. 모든 대상자들의 편평족과 정상족 구분은 뒤꿈치에서 첫번째 중족 관절까지의 발길이에 대한 바닥에서 주상골 중심 높이까지의 길이 비를 계산해 이 비의 범위가 0.
이때 주파수 성분의 파워는 주파수 크기의 제곱으로 계산되었으며(Ryu,2005), PSD는 지지국면에 대해 표준화했다. 본 연구에서 분석 범위는 주파수 성분의 50 Hz 범위 내에서 고려되었다.PSD 분석 결과 9-20 Hz 범위 내에 존재하는 주파수를 충격 쇼크의 고주파로, 3-8 Hz 범위 내에 존재하는 주파수를 저주파로 이용했다(Gruber, Boyer, Derrick, & Hamill, 2014).
가속도계의 샘플 율은 2000 Hz로 설정 했고, 전압 100 mv, 게인 1 인수로 했다. 자료가 수집될 때 스텝 변형이 최소화 되도록 대상자가 인지하지 못한 상태에서 각 대상자 별로 최소한 20 스트라이드 이상에 대해 수집했다.

데이터처리

one-way ANOVA는 정상족과 편평족 달리기 집단의 시간과 주파수 영역 가속도 변인들 사이의 차이를 검증하기 위해 사용했다(α=.05).
충격흡수 크기(shock attenuation magnitude)는 저주파수 범위와 고주파 범위 내 전이 함수 결과를 적분해서 정량화했다. 경골과 머리 가속도로부터 얻은 모든 시간 함수와 주파수 파라메타들은 MatLab 프로그램(Mathworks, Inc., Natick, MA, USA)을 이용해 분석했다.

이론/모형

이마와 경골에 부착한 가속도계에서 수집된 신호에 사전 설정된 전압을 고려해 가속도 크기를 산출했으며(9.81 m/s=1 g), 신호의 주파수 분석은 시간에 기초한 신호들을 FFT(fast fouriertransform) 기법을 활용해 실시했다(Shorten & Winslow,1992;Ryu, 2010).

성능/효과

따라서 편평족 집단은 정상족 집단보다 경골에 보다 큰 충격이 가해진다고 볼 수 있다. 달리기 시 수직 피크 경골 가속도는 수직 지면반력 부하율과 함께 경골의 스트레스 골절에 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 선행 연구(Milner et al.
달리기 시 평편족 집단은 정상족 집단보다 충격 쇼크에 크게 노출되었으며, 또한 충격 쇼크의 고주파를 신체에 더 많이 흡수해 잠재적 상해의 가능성이 큰 것으로 확인되었다.
본 연구 결과 저주파 영역뿐만 아니라 고주파 영역에서 신호 파워의 게인 없이 모든 주파수가 흡수되었다. 두 집단 간 흡수의 차는 저주파에서는 유의한 차이는 나타나지 않았지만, 고주파에서 흡수의 크기는 편평족 집단이 컸다. 달리기 시 충격 쇼크 흡수는 능동과 수동 메카니즘의 결합으로 일어난다.
발 분절의 구조적 차이에 따른 수직 지면반력 특성과 운동학의 차이로 정상족과 편평족 달리기 유형으로부터 야기되는 충격 쇼크의 주파수 내용이 다를 것이라는 가정 하에 분석된 본 연구에서 편평족 달리기는 정상족 달리기에 비해 시간함수에서 관찰된 보다 큰 피크 양의 가속도 때문에 경골 가속도의 고주파 범위에서 유의하게 큰 파워 크기가 확인되었다. 또한 경골 가속도의 저주파 범위에서도 파워 크기가 편평족 집단이 정상족 집단보다 유의하게 큰 값을 보였다. 달리기 시 높은 주파수 피크(9-20 Hz)는 충격을 나타낸다(Derrick, Hamill, & Caldwell, 1998).
달리기 시 임팩트 순간 나타나는 주파수 내용은 임팩트 쇼크를 흡수하고 전달하기 위한 신체 조직들의 용량과 기전을 반영하기 때문에 달리기로 인한 상해를 추정하는데 이용하는 요인이다(Smeathers,1989). 발 분절의 구조적 차이에 따른 수직 지면반력 특성과 운동학의 차이로 정상족과 편평족 달리기 유형으로부터 야기되는 충격 쇼크의 주파수 내용이 다를 것이라는 가정 하에 분석된 본 연구에서 편평족 달리기는 정상족 달리기에 비해 시간함수에서 관찰된 보다 큰 피크 양의 가속도 때문에 경골 가속도의 고주파 범위에서 유의하게 큰 파워 크기가 확인되었다. 또한 경골 가속도의 저주파 범위에서도 파워 크기가 편평족 집단이 정상족 집단보다 유의하게 큰 값을 보였다.
이 연구의 목적은 정상족과 편평족 달리기 패턴 간 충격 쇼크의 차이를 규명하고자 머리와 경골에서 수집된 가속도 신호를 이용해 시간함수에서 가속도 크기와 주파수 함수에서 파워 및 충격 흡수를 분석했다. 본 연구 결과 시간 함수에서 가속도 크기는 머리와 경골 가속도가 정상족 달리기 집단보다 편평족 달리기 집단이 모두 컸다. 달리기 시 발이 지면에 접촉할 때 하지는 빠른 시간 내에 0으로 감소한다.
달리기 시 발과 지면 충돌로부터 발생하는 가속도 신호의 주파수 성분들의 흡수는 신체의 작용 결과이다. 본 연구 결과 저주파 영역뿐만 아니라 고주파 영역에서 신호 파워의 게인 없이 모든 주파수가 흡수되었다. 두 집단 간 흡수의 차는 저주파에서는 유의한 차이는 나타나지 않았지만, 고주파에서 흡수의 크기는 편평족 집단이 컸다.
본 연구 결과 저주파 크기에서 큰 편평족 집단이 정상 집단보다 달리기 시 다리의 상하 움직임이 크다고 간접적으로 판단할 수 있지만, 보다 구체적인 정량적 판단은 향후 하지의 운동학적 관찰을 통해 분석할 필요성이 요구된다. 본 연구에서 머리 가속도 충격 주파수가 매우 낮은 파워 스팩트럼을 보였다. 머리 파워 스팩트럼에서 대부분의 파워는 3-9Hz 범위 내에 존재하고, 피크는 다리의 파워 스팩트럼에서 관찰된 저주파수 피크보다 낮은 주파수를 보였다.
이들 결과에 의하면 평편족 집단이 경골의 저주파 PSD 크기가 0.59±0.21 g^2·Hz 로 정상족 집단의 0.39±0.09g^2·Hz 보다 유의하게 큰 것으로 나타났으며(p<.05), 고주파 영역에서도 편평족 집단이 0.20±0.01 g^2·Hz로 정상족 집단의 0.17±0.01 g^2·Hz보다 큰 값을 보여 유의한 차이가 확인되었다(p<.05).
이들에 의하면 달리기 시 최대 경골 가속도 크기는 편평족 집단이 평균 8.2±0.97 g으로 정상족 집단의 5.5±1.5 g보다 유의하게 큰 것으로 나타났으며(p<.05), 최대 머리 경골 가속도 크기 또한 편평족 집단이 평균 1.1±0.2 g으로 정상족 집단의 0.9±0.1 g 유의한 차이로 큰 값을 보였다(p<.05)

후속연구

, 2006). 본 연구 결과 저주파 크기에서 큰 편평족 집단이 정상 집단보다 달리기 시 다리의 상하 움직임이 크다고 간접적으로 판단할 수 있지만, 보다 구체적인 정량적 판단은 향후 하지의 운동학적 관찰을 통해 분석할 필요성이 요구된다. 본 연구에서 머리 가속도 충격 주파수가 매우 낮은 파워 스팩트럼을 보였다.
달리기 상해는 충격 쇼크뿐만 아니라 과도한 관절 움직임, 관절 모멘트, 보다 큰 수직 지면반력 능동 피크, 근 위축과 같은 많은 변인들의 복잡한 상호 작용으로 야기된다(Messier, Davis, Curl, Lowery, & Pack, 1991; Gruber, Boyer, Derrick, & Hamill,2014). 본 연구에서는 달리기 시 발생하는 상해의 여러 요인 중 단지 충격 쇼크만 살펴본 바 이를 통해 상해의 발생 여부를 진단하는 것은 어려운 일이지만 상해의 잠재적 가능성을 추측하는 것은 가능하리라 본다. 본 연구에서 편평족 달리기가 경골의 가속도 크기와 고주파 성분의 크기가 정상족보다 큰 것은 발 분절 아치의 상실로 지면 접촉 시 지면 충돌로부터 야기되는 충격력 흡수를 위한 발의 기능적 메카니즘을 이용하지 못해 발에서 흡수될 충격 부분이 충격 흡수에 대한 용량을 갖지 않은 다른 조직, 뼈, 연골 등으로 전환된 결과라 보여 진다.
향후 본 연구와 관련된 연구를 지속하기 위해서는 표본 크기를 더 확대할 필요가 있으며, 편평족 달리기 시 충격 쇼크 흡수를 위한 하지분절과 관절의 특징을 살펴 운동학과 충격 쇼크와의 관계를 규명할 필요성을 제언하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	걷기와 달리기와 같은 이동운동에서 발의 역할은 무엇인가?	이동운동 시 신체 분절 중에서 발은 외부와 유일하게 상호 작용하는 신체의 일부분으로 하지와 지면 사이의 중요한 역학적 기능을 담당하는 매우 복잡하고 견고한 해부학적 구조물이다(Leardini, Benedetti, Catani, Simoncin & Giannini, 1999). 걷기와 달리기와 같은 이동운동에서 발은 지면에 접촉해 추진력을 얻어 신체를 이동 시키는 역할 뿐만 아니라 접촉 시 발생하는 충격을 흡수하거나 전달해 주는 역할을 하고 있다. 운동 시 발의 형태에 따라 발과 발목의 상해에 미치는 위험 정도는 차이가 있는 것으로 보고되고 있다(Murphy,Connolly, & Beynnon, 2003).
	발의 형태는 어떻게 구분되는가?	운동 시 발의 형태에 따라 발과 발목의 상해에 미치는 위험 정도는 차이가 있는 것으로 보고되고 있다(Murphy,Connolly, & Beynnon, 2003). 발의 형태는 아치(arch)의 높이에 의해 편평한 아치, 정상 아치, 높은 아치로 구분된다(Kim,2003). 편평족은 발바닥의 안쪽 세로 아치가 소실되어 편평하게 변형된 상태이다.
	편평족 상태가 심해지면 어떤 문제가 나타날 수 있는가?	편평족은 체중지지 시 내측 아치가 낮아져 회내된 상태로 외반, 배측굴곡, 외전 동작을 포함한다(Jung, 2006). 발이 크게 회내 되면 경골과 대퇴골의 내회전을 유발하여 슬개골의 움직임을 외측으로 쏠리게 해 슬개 대퇴 관절 상해 위험도를 높일 뿐만 아니라(Levinger & Gilleard, 2006), 중족골 골절, 요통, 하지와 척추의 근 골격계 문제를 일으킨다(Starkey & Ryan, 2002).또한 편평족은 발의 아치를 형성하는 족궁이 낮아져 지면으로부터 받는 충격을 충분히 흡수, 분산시키지 못해 정상 발에 비해 쉽게 피로를 느끼는 것으로 보고되고 있다(Kim, 2011;Andreasen et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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