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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 위험요인인 조도변화와 보행 주로 변화를 복합적으로 적용하였을 때 낙상과 관련된 신체 내에 어떻게 영향을 미치는가를 분석하기 위해서 노인여성이 일반 보행과 내리막 보행 시 조도에 변화에 따라 시공간적 변인과 운동역학적 변인인 하지 관절의 모멘트, 파워, 지면반력 그리고 동적 안정성 변인인 COM-COP의 각도, 각속도를 산출하여 이를 토대로 낙상 위험 요소가 복합적으로 영향을 주었을 때 하지 관절 운동 능력의 변화와 낙상의 위험성을 예측하고 평가하는데 중요한 척도가 될 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 이 연구는 노인을 대상으로 조도의 변화에 따른 보행의 특성에 미치는 영향과 낙상관련 요소들의 변화에 대한 분석을 통하여 위험요소가 복합적으로 영향을 주었을 때 노인에 대한 하지관절의 운동역학적 특성과 낙상과 관련된 동적 안정성의 변화를 구명하고자 하는데 이 연구의 목적이 있다.
- 따라서 본 연구에서는 위험요인인 조도변화와 보행 주로 변화를 복합적으로 적용하였을 때 낙상과 관련된 신체 내에 어떻게 영향을 미치는가를 분석하기 위해서 노인여성이 일반 보행과 내리막 보행 시 조도에 변화에 따라 시공간적 변인과 운동역학적 변인인 하지 관절의 모멘트, 파워, 지면반력 그리고 동적 안정성 변인인 COM-COP의 각도, 각속도를 산출하여 이를 토대로 낙상 위험 요소가 복합적으로 영향을 주었을 때 하지 관절 운동 능력의 변화와 낙상의 위험성을 예측하고 평가하는데 중요한 척도가 될 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 이 연구는 노인을 대상으로 조도의 변화에 따른 보행의 특성에 미치는 영향과 낙상관련 요소들의 변화에 대한 분석을 통하여 위험요소가 복합적으로 영향을 주었을 때 노인에 대한 하지관절의 운동역학적 특성과 낙상과 관련된 동적 안정성의 변화를 구명하고자 하는데 이 연구의 목적이 있다.
- 이 연구는 노인집단 대상으로 조도의 변화와 보행주로 변화에 따른 보행의 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 병적 결함이 없는 65세 이상의 여성노인집단 15명씩을 선정하였으며, 소요시간, 보장, 보폭, 하지관절의 관절모멘트, 관절파워, 지면반력 변화, 동적안정성 변화를 산출하였으며, 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 이 연구는 조도 변화와 주로 변화가 노인에게 빈번히 일어날 수 있는 낙상의 원인으로써 노인 낙상예방을 위하여 조도 변화와 주로 변화에 따라 변화되는 하지관절의 생체역학적 변화를 분석하여 낙상에 영향을 미치는가를 구명하기 위하여 실시되었다.
제안 방법
- 2) 관절의 모멘트 : 오른쪽 지지구간의 시상면의 모멘트를 산출하였으며, 방향 정의는 (+)가 신전(extension) 및 발바닥 굽힘(plantar flexion), (-)가 굴곡(flexion) 및 발등굽힘(dorsi flaexion) 모멘트로 정의하였다.
- 4) 지면반력 : 오른쪽 지지구간의 수직, 수평을 체중으로 표준화하여 산출하였다.
- 5) 동적안정성 : 동적 안정성을 평가하기 위해서 관상면의 좌 우 기울기 각도(XCoM-CoP)는 Hof 등 (2007)이 제한한 공식으로 산출하였으며, 기울기 각도는 각 프레임에서 XCoM과 CoP를 연결한 벡터가 CoP의 수칙축과 이루는 각도로 정의될 수 있고, 각도를 미분하여 각속도를 산출하였다.
- 이 실험의 연구 대상자는 최근 6개월 간 하지의 정형외과적 병력과 시각적 병력이 없는 65세 이상 여성 노인 15명을 선정하였다. 그리고 실험에 앞서 대상자들에게 실험의 목적과 중요성 및 실험 절차에 대한 충분한 이해를 구하고 실험참여 동의서를 획득한 후 실험을 실시하였다. 이들의 신체 특성은 [Table 1]과 같다.
- 이후 실험 전 모든 대상자들에게 상·하의 타이즈를 착용 시킨 후 전신의 관절점 및 분절 표면에 총 77개의 반사마커를 부착하고 보행 측정에 앞서 대상자 신체의 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 스탠딩 캘리브레이션(standing calibration)을 실시하였다. 또한 스탠딩 캘리브레이션이 끝난 후 분절의 위치 추적을 위한 45개의 트레킹마커(tracking marker)를 제외하고 모두 제거하였으며, 런닝머신에서 자연스러운 보행 동작을 위해서 실험에 앞서 5분 정도의 연습 뒤 근육의 피로에 대한 부분을 최소화하기 위해 충분한 휴식 후 본 실험을 실시하였다. 이때 보행 속도는 대상자가 선호하는 속도(self-selected speed)로 하였다.
- 실험에 앞서 자연스러운 보행동작을 유도하기 위하여 충분한 연습 후 본 실험을 실시하였으며, 조도 측정을 위한 디지털 조도계는 IS09001을 획득한 LT사(Taiwan)의 LM-81Lx을 사용하였고, 조도 조절을 위해 전등과 조광기를 사용하였다. 또한 실험 중 예기치 못한 낙상을 예방하기 위해서 천장에 연결하여 안전장치(자체제작)를 설치하였다.
- 보행 측정에 앞서 대상자 신체의 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 스탠딩 캘리브레이션(standing calibration)을 실시한 후 본 실험을 실시하였다. 실험 전에 영상자료 수집을 위해서 트레이드밀 전 측면에 2대, 후 측면에 2대, 좌우 측면 가운데 3대, 총 7대의 적외선 카메라를 [Figure 1]과 같이 설치하였으며, NLT (Non-Linear Transformation)방법을 이용하여 각 카메라의 기준좌표계를 설정한 다음, 지면반력의 캘리브레이션을 위해서 두 개로 분할된 트레이드밀의 각각 4개 모서리에 마커를 부착하여 지면반력의 좌표계를 설정하였다.
- 본 연구에서 조도변화에 따른 노인의 보행 시 낙상 관련 운동역학적 위험요인에 미치는 영향을 규명하기 위한 분석 구간은 오른쪽 발 닿는 순간부터 오른쪽 발이 떨어지는 순간까지 지지국면만을 분석하였다(Figure 2).
- 보행 측정에 앞서 대상자 신체의 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 스탠딩 캘리브레이션(standing calibration)을 실시한 후 본 실험을 실시하였다. 실험 전에 영상자료 수집을 위해서 트레이드밀 전 측면에 2대, 후 측면에 2대, 좌우 측면 가운데 3대, 총 7대의 적외선 카메라를 [Figure 1]과 같이 설치하였으며, NLT (Non-Linear Transformation)방법을 이용하여 각 카메라의 기준좌표계를 설정한 다음, 지면반력의 캘리브레이션을 위해서 두 개로 분할된 트레이드밀의 각각 4개 모서리에 마커를 부착하여 지면반력의 좌표계를 설정하였다. 이후 실험 전 모든 대상자들에게 상·하의 타이즈를 착용 시킨 후 전신의 관절점 및 분절 표면에 총 77개의 반사마커를 부착하고 보행 측정에 앞서 대상자 신체의 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 스탠딩 캘리브레이션(standing calibration)을 실시하였다.
- 운동역학적 변인들을 측정하기 위하여 Bertac(USA) 사의 Instrumented Treadmill을 사용하였으며, 이때 샘플링율은 1000 frames/sec로 설정하고 영상장비와 동조하여 데이터를 획득하였다. 실험에 앞서 자연스러운 보행동작을 유도하기 위하여 충분한 연습 후 본 실험을 실시하였으며, 조도 측정을 위한 디지털 조도계는 IS09001을 획득한 LT사(Taiwan)의 LM-81Lx을 사용하였고, 조도 조절을 위해 전등과 조광기를 사용하였다. 또한 실험 중 예기치 못한 낙상을 예방하기 위해서 천장에 연결하여 안전장치(자체제작)를 설치하였다.
- 앞에 서술한 방법으로 조도변화가 노인 여성의 보행 시 낙상 관련 운동역학적 위험요인에 미치는 영향을 살펴보고 위하여 소요시간, 보장, 보폭, 하지관절의 관절모멘트, 관절파워, 지면반력 변화, 동적안정성 변화를 산출하여 다음과 같이 나타났다.
- 연구대상자는 프레임에 설치한 고정식 안전장치(harness)를 착용 후 대상자가 현장에서 현실적으로 대하게 되는 조도의 보행환경을 만들기 위하여 한국표준기준(KSA 3011, 1998; 표 2)을 이용하여 심야 병실, 복도(3-4, 4-6 Lx), 공부, 독서, 재봉식 및 식품/잡화 점두, 중점부분(300, 400, 600 Lx) 및 계단, 복도 (150, 200, 300 Lx)에 해당되는 6 Lx, 150 Lx, 300 Lx의 총 3종류의 조도 변화에서 평지보행을 먼저 실시한 후 충분한 휴식을 취하고 트레이드밀 경사 각도를 15°로 변경하여 내리막 보행을 실시하였으며, 이는 평지 보행으로 인해 피로에 의해서 평지보행보다 낙상이 많은 내리막 보행 전에 피로에 의해 나타날 변수들을 제거하기 위해서 충분한 휴식을 실시하였다.
- 촬영은 걷기 시작 10초 후에 양발의 10걸음을 촬영하였다. 이때 조도 변화는 무작위 순서로 실시하였으며, 조도 변화를 준 후 암적응(dark adaptation)을 위해 5분 후 보행을 실시하였다.
- 이후 실험 전 모든 대상자들에게 상·하의 타이즈를 착용 시킨 후 전신의 관절점 및 분절 표면에 총 77개의 반사마커를 부착하고 보행 측정에 앞서 대상자 신체의 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 스탠딩 캘리브레이션(standing calibration)을 실시하였다.
대상 데이터
- 보행 시 조도변화와 주로 변화에 대한 대상자들의 동작을 촬영하기 위해 Qualisys (Sweden)사의 Proreflex MCU 240 적외선 카메라 7대를 사용하였으며, 이때의 샘플링율은 100Hz로 설정하였다. 운동역학적 변인들을 측정하기 위하여 Bertac(USA) 사의 Instrumented Treadmill을 사용하였으며, 이때 샘플링율은 1000 frames/sec로 설정하고 영상장비와 동조하여 데이터를 획득하였다.
- 보행 시 조도변화와 주로 변화에 대한 대상자들의 동작을 촬영하기 위해 Qualisys (Sweden)사의 Proreflex MCU 240 적외선 카메라 7대를 사용하였으며, 이때의 샘플링율은 100Hz로 설정하였다. 운동역학적 변인들을 측정하기 위하여 Bertac(USA) 사의 Instrumented Treadmill을 사용하였으며, 이때 샘플링율은 1000 frames/sec로 설정하고 영상장비와 동조하여 데이터를 획득하였다. 실험에 앞서 자연스러운 보행동작을 유도하기 위하여 충분한 연습 후 본 실험을 실시하였으며, 조도 측정을 위한 디지털 조도계는 IS09001을 획득한 LT사(Taiwan)의 LM-81Lx을 사용하였고, 조도 조절을 위해 전등과 조광기를 사용하였다.
- 이 실험의 연구 대상자는 최근 6개월 간 하지의 정형외과적 병력과 시각적 병력이 없는 65세 이상 여성 노인 15명을 선정하였다. 그리고 실험에 앞서 대상자들에게 실험의 목적과 중요성 및 실험 절차에 대한 충분한 이해를 구하고 실험참여 동의서를 획득한 후 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 노인집단의 평지와 내리막 보행 시 조도변화에 따른 통계적 차이를 검증하기 위하여 반복측정변량분석(one-way ANOVA with repeated measures)을 실시하였다. 이때 통계적 차이가 있을 경우 사후검증은 Bonferroni 방법으로 실시하였으며 통계적 유의수준은 α=.
- 이때 통계적 차이가 있을 경우 사후검증은 Bonferroni 방법으로 실시하였으며 통계적 유의수준은 α=.05로 설정하였고 원활한 통계 분석을 위하여 SPSS 12.0 통계 패키지를 이용하였다.
- 이렇게 획득된 자료는 Visual3D software(C-motion Inc., USA)를 이용하여 인체 분절을 모델링하고 산출한 평균치를 사용하였으며, 각 대상자 간 표준화를 위해 대상자 별 국면의 프레임수를 국면의 소요시간으로 나눠 백분율로 나타냈다.
- 적외선 카메라 7대에서 들어온 2차원 평면상의 데이터는 NLT(Nonlinear transformation)방식으로 3차원 좌표화 하였으며, Qualisys 사의 Qualisys Track Manager 프로그램을 이용하여 위치 좌표(raw data)를 획득하였다.
이론/모형
- 이렇게 얻은 데이터는 노이즈에 의한 오차를 제거하기 위하여 저역통과필터(low-pass filtering)를 이용하여 필터(filtering) 하였으며, 필터링 시 발생되는 위상지연(phase lag)을 제거하기 위하여 버터워쓰 2차 양방필터(second order Butterworth Bidirectional Filter)를 사용하였다. 이때 차단주파수 (cut-off frequency)는 7Hz로 설정하였다.
성능/효과
- 그리고 최대 배측 굴곡에서는 5 Lx가 평지와 내리막 보행에서 가장 큰 것으로 나타났으나 평지 보행에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증을 실시한 결과 300 Lx와 150 Lx에서 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.007).
- 이로 인해서 노인들은 근력약화로 좌우 움직임이 커지면 지지하는 능력이 떨어져 낙상의 위험성이 증가될 것으로 생각된다. 그러나 내리막 보행에서는 정중면 COM-COP각도와 각속도가 평지보다 증가될 것으로 생각되었으나, 조도변화에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 내리막 보행에서는 노인이 평지보행과 달리 안정성을 확보하여 내리막 보행을 실시하기 때문에 외부환경이 어두워진다고 하여도 좌우의 움직임을 작게 하여 안정성을 확보하는 것으로 생각된다.
- 조도 변화에 대한 지면반력 변화는 [Table 5]과 같으며, 체중 수용기 최대 수직지면반력이 평지 보행에서는 5 Lx가 가장 작은 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 그러나 말기 입각기 최대 수직지면반력에서는 통계적으로 조도 변화에 대한 유의한 차이가 나타나 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증을 실시한 결과 5 Lx와 150 Lx에서 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.011).
- 조도 변화에 대한 동적안정성은 [Table 6]과 같으며, 동적 안정성 변인인 관상면의 좌우 기울기 각도(COM-COP)에서는 평지보행과 내리막보행 모두에 미세하게 5 Lx에서 작게 나타났으나 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 그러나 정중면 COM-COP 내측 최대 각속도에서는 평지 보행에서 조도가 어두워질수록 빨라지는 것으로 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증 실시 결과 5 Lx가 300 Lx와 150 Lx 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.025, p=.005). 그러나 내리막 보행에서는 150 Lx가 가장 작은 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 그러나 경사로 보행에서는 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 그리고 보폭(step wide)에서는 평지와 내리막 보행에서 300 Lx와 150 Lx에서 0.16 m로 가장 짧은 보폭으로 나타났고 5 Lx에서 0.17 m로 넓은 보폭으로 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증 결과는 평지는 300 Lx와 5 Lx에서 차이가 있다(p=.018). 그리고 내리막은 5 Lx와 300 Lx, 150 Lx에서 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.
- 넷째, 동적안정성의 변화에서는 COM-COP 최대 내측각속도에서 평지 보행 시 5 Lx보다 150 Lx와 300 Lx에서 작게 나타났고 COM-COP 최대 외측 각속도에서는 평지 보행 시 5 Lx보다 150 Lx에서 작게 나타났다.
- 동적안정성에 관련된 COM-COP 외측 최대 각속도에서는 평지 보행에서 5 Lx에서 가장 큰 것으로 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증 실시 결과 5 Lx와 150 Lx가 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.046). 그러나 내리막 보행에서는 150 Lx가 가장 작은 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 둘째, 하지관절의 모멘트 중 발목관절 최대 저측굴곡 모멘트가 내리막 보행에서 5 Lx보다 300 Lx에서 크게 나타났고 최대 배측굴곡 모멘트가 평지 보행에서 300 Lx에서 크게 나타났다. 그리고 엉덩관절의 최대 굴곡 모멘트가 내리막 보행에서 300 Lx보다 150 Lx와 5 Lx에서 크게 나타났다.
- 68초로 가장 길게 지지하였다. 또한 내리막에서 또한 300 Lx에서 0.62초로 짧게 나타났고 150 Lx에서 0.65 초로 가장 길게 나타났으며, 스윙 시간에서는 평지보행에서 300 Lx에서 0.36초로 가장 짧게 소요하였고 내리막 보행에서는 5 Lx에서 0.34초로 짧게 소요하였으나, 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았다.
- 조도 변화에 대한 하지관절의 모멘트는 [Table 4]과 같으며, 발목관절의 최대 파워인 방출이 평지에서는 5 Lx에서 가장 큰 것으로 나타났고 내리막 보행에서는 조도가 어두워질수록 방출이 커지는 것으로 나타났으나 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았으며, 발목관절 최대 신장성수축 파워에서는 평지와 내리막 보행에서는 조도가 어두워질수록 작아지는 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 무릎관절의 최대 단축성수축 파워가 평지 보행에서는 5 Lx에서 가장 큰 것으로 나타났으나 신장성 수축 파워는 가장 작은 것으로 나타났고 내리막 보행에서는 조도가 어두워질수록 작아지는 형태를 보이고 있으나 신장성 수축 파워는 5 Lx에서 가장 작은 것으로 나타났다. 그러나 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았다.
- 셋째, 지면반력의 변화에서는 말기입각기 최대 수직지면반력에서 평지 보행에서 150 Lx보다 5 Lx에서 작게 나타났다.
- 그러나 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 엉덩관절의 최대 단축성수축 파워와 최대 신장성수축 파워가 평지와 내리막 보행 모두에서 5 Lx에서 가장 큰 것으로 나타났으나 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았다.
- 이상 살펴본 바와 같이 조도 변화에 따른 하지관절의 모멘트, 파워, 지면반력에서는 조도에 영향을 받지 않고 비슷한 보행을 실시하였으나 동적안정성에서는 어두워질수록 좌우의 움직임이 커지는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 결과적으로 조도가 어두워지면 보행 속도가 낮추어 안정성이 확보하게 된다.
- 이상을 종합하여 보면, 조도 변화에서는 보행속도의 변화가 트레드밀에 의해서 속도가 고정되어 운동역학적 변인인 모멘트, 파워, 지면반력에서는 차이가 거의 없는 것으로 나타났으나, 동적안정성 평가항목인 정중면 COM-COP각도 및 각속도에서는 조도가 어두워질수록 최대각도가 커지는 형태를 보이고 있으며, 각속도의 내측과 외측에서는 점점 각속도가 커지는 것으로 나타났다. 이처럼 조도가 어두워질수록 노인집단은 좌우로 움직임이 커지고 빠르게 움직이는 것으로 나타나 성인보다 노인이 노화로 인해 하지근력이 약해지므로 좌우 흔들림을 버텨줄 수 있는 근력이 낮기 때문에 어두워질수록 낙상의 위험성이 높아질 것으로 판단된다.
- 조도 변화에 대한 하지관절의 모멘트는 [Table 3]과 같으며, 발목관절의 최대 저측굴곡 모멘트에서 평지와 내리막 모두에서 5 Lx에서 가장 작은 것으로 나타났으나 내리막 보행에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증을 실시한 결과 300 Lx와 5 Lx에서 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.045). 그리고 최대 배측 굴곡에서는 5 Lx가 평지와 내리막 보행에서 가장 큰 것으로 나타났으나 평지 보행에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나 사후검증을 실시한 결과 300 Lx와 150 Lx에서 차이가 있는 것으로 나타났다(p=.
- 조도 변화에 대한 하지관절의 모멘트는 [Table 4]과 같으며, 발목관절의 최대 파워인 방출이 평지에서는 5 Lx에서 가장 큰 것으로 나타났고 내리막 보행에서는 조도가 어두워질수록 방출이 커지는 것으로 나타났으나 통계적으로는 유의한 차이가 나타나지 않았으며, 발목관절 최대 신장성수축 파워에서는 평지와 내리막 보행에서는 조도가 어두워질수록 작아지는 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 무릎관절의 최대 단축성수축 파워가 평지 보행에서는 5 Lx에서 가장 큰 것으로 나타났으나 신장성 수축 파워는 가장 작은 것으로 나타났고 내리막 보행에서는 조도가 어두워질수록 작아지는 형태를 보이고 있으나 신장성 수축 파워는 5 Lx에서 가장 작은 것으로 나타났다.
- 지면반력 변인 중 첫 번째 최대수직지면반력에서 추진력에 의미를 지니고 있는데 평지 보행에서 더 크게 나타났으며, 내리막 보행에서 추진력을 줄여 내리막을 보행하는 것으로 나타났으며, 두 번째 최대수직지면반력은 그와 반대로 나타났다. 그러나 조도변화에 대한 변화는 나타나지 않았다.
- 첫째, 시공간적 변인에서는 평지에서 5 Lx보다 150 Lx에서 보장의 소요시간이 길게 나타났고 보폭에서는 평지보행에서 5 Lx보다 300 Lx에서 좁게 나타났고 내리막 보행에서는 5 Lx보다 300 Lx와 150 Lx에서 좁게 나타났다.
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