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문제 정의
- 본 연구는 드롭랜딩 시 착지형태에 따른 충격흡수구간의 운동역학적 특성을 고찰하는 것으로 3차원 관절모멘트와 무게중심점을 종속변인으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구는 드롭랜딩 시 착지형태에 따른 충격흡수구간의 운동역학적 특성을 동력학적 접근으로 고찰하는 것이다. 이를 위하여 지면접지구간을 두 개의 기능적 구간으로 나누어 어떻게 외력과 내력이 작용하여 충격흡수와 안정된 운동제어를 수행하는지 종속변인으로 CoM 변인과 하지관절모멘트를 중심으로 드롭랜딩 시 자세안정성과 자세균형성을 해석함으로서 부상방지와 스포츠상해예방을 위한 연구토대가 되고자 하였다.
가설 설정
- 본 연구에서 착지형태에 따른 충격흡수의 운동역학적 특성은 다음과 같다. 본 연구의 가정 중 하나인 양발 착지 시 주동하지의 존재를 확인하는 것이다. 주동하지란 상대적으로 힘을 많이 발휘하며, 제1구간과 제2구간에서 크게 기능을 하거나 또는 제1구간보다는 능동수축구간인 제2구간에서 집중적으로 큰 힘을 보인다면 확실시 되는 주동하지라 할 수 있다(Yoo, Kim, & Park, 2012).
- 그리고 CoM과 GRF에 대한 중력선(GL)의 양의 방향과 음의 방향에 따라 착지전반부의 동심성수축과 착지후반부의 편심성수축으로 세분하였다. 착지동작의 체간진동(body sway)을 역진자운동모델로 가정하고 시상면의 앞방향과 뒷방향의 움직임을 자세안정성(posture stability)으로 정의하고, 관상면 상의 좌측과 우측방향의 움직임을 자세 균형성(posture balance)으로 정의하였다. 이 때 종속변인으로는 하지관절모멘트와 인체무게중심(CoM)을 계산하여 해석하였다(Winter, et al.
제안 방법
- 실험참여자들은 30 cm 박스 위 높이에서 양팔은 상반신에 고정한 상태로 맨발로 지정된 전방 표식지점에 착지하도록 훈련하였으며 기마자세를 취하도록 하였다. 10명의 실험대상자들은 일상적인 자연스런 동작으로 양발 착지를 2회씩 총 4회로 하였으며 순서는 무작위로 하였다. 이 후 한 발 착지 과제는 박스 위에서 편안한 한 발로 하도록 하였다.
- , 1998; Winter, 2005; Yoo, Kim, & Park, 2012). CoM과 하지말단 접지점과의 상대적 위치와 방향을 상호 비교하여 자세안정성과 자세균형성을 정량적으로 평가하였다. 안정성 원리(principle of stability)에 따라 하지 지지점과 중력선(GL)과의 시상면의 전방(+)과 후방(-) 및 관상면의 좌측(+)와 우측(-) 간 위치와 방향의 차이값이 ‘0’에 근접하게 계측될수록 자세 안정성과 자세 균형성이 높은 것으로 평가하였다.
- 제1구간은 외력에 의한 척수반사(spinal reflex)의 운동을 보이는 편심성(원심성) 구간으로 하였으며, 제2구간은 근골격계의 수의운동 반응을 보이는 동심성(구심성) 운동구간으로 설정하였다. 그리고 CoM과 GRF에 대한 중력선(GL)의 양의 방향과 음의 방향에 따라 착지전반부의 동심성수축과 착지후반부의 편심성수축으로 세분하였다. 착지동작의 체간진동(body sway)을 역진자운동모델로 가정하고 시상면의 앞방향과 뒷방향의 움직임을 자세안정성(posture stability)으로 정의하고, 관상면 상의 좌측과 우측방향의 움직임을 자세 균형성(posture balance)으로 정의하였다.
- 드롭랜딩 시 지면접지 구간을 중심으로 각변위와 GRF의 1차 데이터를 취득 후 CoM과 관절모멘트를 종속변인으로 2차 데이터로 피험자들의 양측 하지 간 주동발을 검증하였으며, 이후 주동발을 중심으로 최대값과 최소값 그리고 두 집단의 평균값을 계산하였다. 통계처리는 SPSS(ver.
- 본 연구는 착지형태에 따른 충격흡수의 지면접기 구간을 제1구간과 제2구간으로 세분하여 관측하였다. 제1구간은 외력에 의한 척수반사(spinal reflex)의 운동을 보이는 편심성(원심성) 구간으로 하였으며, 제2구간은 근골격계의 수의운동 반응을 보이는 동심성(구심성) 운동구간으로 설정하였다.
- +Mmax는 모멘트 최대값이다. 본 연구에서는 하지관절모멘트의 수동모멘트 최저값(-Min값), 능동모멘트 최대값(+Max값)의 평균값(N=10)을 산출하여 자료분석을 하였으며, 각 연구대상자들의 체중(kg)으로 표준화하여 비교하였다.
- 본 연구의 분석구간은 착지 시 1차적인 주요 이벤트 시점(event)으로는 지면접지 최초시점(E3, foot ground contact), 착지 후 최대지면반발력 시점(E4, Max. ground force) 그리고 최대 무릎굴곡시점(E5, Max. knee flexion)의 3개 시점을 중심으로 하였다. 이 때 관찰구간(Phase)은 다음과 같다.
- 연구대상자들은 연구의 목적과 주의사항을 주지시키고 준비운동을 하면서 실험참가 서면동의서를 받은 후 본 실험에 착수하였다. 실험참여자들은 30 cm 박스 위 높이에서 양팔은 상반신에 고정한 상태로 맨발로 지정된 전방 표식지점에 착지하도록 훈련하였으며 기마자세를 취하도록 하였다. 10명의 실험대상자들은 일상적인 자연스런 동작으로 양발 착지를 2회씩 총 4회로 하였으며 순서는 무작위로 하였다.
- 8 3D과 Matlab(Mathworks, USA)를 사용하였다. 이 때 관찰주요 시점은 운동학적 분석과 지면반력(GRF)의 관찰값을 기초로 지면접지구간을 구분하였으며, 최초접지시점은 하지말단 접지 순간에 지면반력이 발현되는 시점을 기준으로 하였다.
- 이 때 종속변인으로는 하지관절모멘트와 인체무게중심(CoM)을 계산하여 해석하였다(Winter, et al., 1998; Winter, 2005; Yoo, Kim, & Park, 2012).
- 이에 본 연구는 드롭랜딩 시 착지형태에 따른 충격흡수구간의 운동역학적 특성을 동력학적 접근으로 고찰하는 것이다. 이를 위하여 지면접지구간을 두 개의 기능적 구간으로 나누어 어떻게 외력과 내력이 작용하여 충격흡수와 안정된 운동제어를 수행하는지 종속변인으로 CoM 변인과 하지관절모멘트를 중심으로 드롭랜딩 시 자세안정성과 자세균형성을 해석함으로서 부상방지와 스포츠상해예방을 위한 연구토대가 되고자 하였다.
대상 데이터
- 마커표식점은 하지관절 권장 표식점인 골반 4개 표식점 RIAS(right ilium anterior superior), LIAS(left ilium anterior superior), RIPS(right ilium posterior superior), LIPS(right ilium posterior superior), 하지 대퇴 1/3위치점(LT/Rt), 무릎관절(LT/Rt), 하퇴 1/3위치점(LT/Rt), 발목관절 제1, 2지절골 중간점(LT/Rt), 발뒤꿈치(LT/Rt) 포함하여 상지 및 체간(Trunk, Head) 등 Vicon Modlue 프로토콜에 따라 3차원 데이터를 취득하였다.
- 본 연구에 참가한 연구대상자는 병력이 없는 신체 건강한 C대학 축구특기생 2학년을 대상으로 하였다(N=10, 신장 175.24±3.51 cm, 체중 63.17±2.84 kg, 나이 21±0.0 yrs).
- 이 후 한 발 착지 과제는 박스 위에서 편안한 한 발로 하도록 하였다. 실험장비는 3D VICON Motion Capture Systems(VICON MX-T160, UK)의 1600만 화소급카메라 14대, 샘플링 100Hz이다. 지면반력기(AMTI OR6-7-2000, USA) 2대, 샘플링은 1000Hz이며 분석프로그램은 VICON Nexus 1.
데이터처리
- 실험장비는 3D VICON Motion Capture Systems(VICON MX-T160, UK)의 1600만 화소급카메라 14대, 샘플링 100Hz이다. 지면반력기(AMTI OR6-7-2000, USA) 2대, 샘플링은 1000Hz이며 분석프로그램은 VICON Nexus 1.8 3D과 Matlab(Mathworks, USA)를 사용하였다. 이 때 관찰주요 시점은 운동학적 분석과 지면반력(GRF)의 관찰값을 기초로 지면접지구간을 구분하였으며, 최초접지시점은 하지말단 접지 순간에 지면반력이 발현되는 시점을 기준으로 하였다.
- 드롭랜딩 시 지면접지 구간을 중심으로 각변위와 GRF의 1차 데이터를 취득 후 CoM과 관절모멘트를 종속변인으로 2차 데이터로 피험자들의 양측 하지 간 주동발을 검증하였으며, 이후 주동발을 중심으로 최대값과 최소값 그리고 두 집단의 평균값을 계산하였다. 통계처리는 SPSS(ver. 20)을 이용하였으며, 두 착지 간 비교는 각각 독립표본 t-검정(Independent samples t-test)과 일원배치분산분석(ANOVA)을 하였으며 분산의 동질성은 Levene 검증과 사후처리(post-hoc)는 Turkey HSD로 각각 수행하였다.
성능/효과
- 즉 본 실험대상자들은 한발착지 형태인 G3가 착지 전 몸통제어의 예비동작으로 착지 전 무게중심의 가슴과 골반 선 상 위에 확보하는 것은 자세 안정성과 충격흡수에 보다 주요할 것으로 판단된다. 결과적으로 한발착지형태는 앞뒤 방향에서 자세 안정성이 크지만 통계적 차이는 없었고, 오히려 좌우방향의 체간기울기에 의한 자세 균형성이 통계적으로 유의한 차이가 나타난 것은 자세균형성 조절이 보다 주요하다고 할 수 있다(Table 4, Table 5). 본 논의에서 CoM 균형제어로서 전방 및 후방위치 신체안정성과 좌우측 밸런스에 대한 자세조절 시 CoM의 변위와 속도변화 예측이 가능하다(Pai & Patton, 1997).
- 또한 하지관절의 기능적 측면에서 시상면의 충격흡수는 제1구간(편심성구간)과 제2구간(동심성구간)의 무릎관절에서 주로 나타난 반면 관상면은 제1구간과 제2구간에서 주로 엉덩관절에서 충격흡수 및 자세안정성에 기여도가 높은 것으로 나타났고, 제1구간과 제2구간의 충격흡수에서는 자세균형과 자세안정성이 각각 나타났다. 결론적으로 충격흡수구간 초기는 제 1종 지레로서 편심성수축 특성에 의한 수동구간이 특징으로 나타났으며, 제2구간은 제1구간에 의한 능동적 관절운동이 자세 안정성과 균형성으로 제 2종 지레배열로 힘에서 이득을 보는 구간으로 분석되었다. 따라서 이와 관련하여 하지관절의 근골격계 부상과 상해가 제1구간에 집중될 것으로 추정되기에 충격흡수 전략 상 편심성구간을 포함하는 자세 안정성과 균형성의 운동 프로그램이 강조되어야 할 것이다.
- 이에 본 연구결과 시상면의 능동구간인 제2구간에서 우측 하지(엉덩관절, 무릎관절, 발목관절)에서 통계적으로 유의한 차이가 있었고, 엉덩관절은 수동구간인 제1구간에서도 또한 주동적으로 큰 힘이 나타났다(Table 2). 관상면 제1구간과 제2구간에서 모두 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 엉덩관절의 경우 제2구간의 우측 하지에서도 충격흡수에 기여하고 있었다(Table 3). 이에 본 연구결과를 종합하면 양발 착지 시 편안한 발이 관절모멘트 피크값이 크게 나타났으며, 한발 뛰기 시 선호하는 발이 우성발인 것으로 나타남으로서 본 연구 결과의 관절모멘트 크기가 충격흡수와 자세안정성 해석에 척도가 된다고 판단된다.
- 두발 착지 시 좌측하지와 우측하지 간 주동하지의 존재를 확인할 수 있었다. 착지형태와 관련하여서는 한발 착지형태가 두발착지보다 CoM 변동이 크고 하지관절모멘트의 최대값이 크기에 보다 큰 스트레스에 노출된 것으로 나타났다.
- 착지형태와 관련하여서는 한발 착지형태가 두발착지보다 CoM 변동이 크고 하지관절모멘트의 최대값이 크기에 보다 큰 스트레스에 노출된 것으로 나타났다. 또한 하지관절의 기능적 측면에서 시상면의 충격흡수는 제1구간(편심성구간)과 제2구간(동심성구간)의 무릎관절에서 주로 나타난 반면 관상면은 제1구간과 제2구간에서 주로 엉덩관절에서 충격흡수 및 자세안정성에 기여도가 높은 것으로 나타났고, 제1구간과 제2구간의 충격흡수에서는 자세균형과 자세안정성이 각각 나타났다. 결론적으로 충격흡수구간 초기는 제 1종 지레로서 편심성수축 특성에 의한 수동구간이 특징으로 나타났으며, 제2구간은 제1구간에 의한 능동적 관절운동이 자세 안정성과 균형성으로 제 2종 지레배열로 힘에서 이득을 보는 구간으로 분석되었다.
- 반면 제2구간에서 양(+)의 관절모멘트는 엉덩관절(Rt, +0.66 Nmm), 무릎관절(Rt +0.34Nmm), 발목관절(Rt +0.12Nmm) 순으로 나타났으며, 엉덩관절(p<.040), 무릎관절(p<.017) 그리고 발목관절(p<.010) 모두 통계적으로 유의한 차이가 나타났다.
- , 2009). 시상면 상에서 착지형태에 따른 무게중심궤적이 통계적 차이는 발견되지 않았지만, 관상면 상에서는 모두 능동적인 수축구간인 제2구간에서 통계적으로 유의하게 나타났다(Table 6). 특히 신체중심선 위에 무게중심이 있을 경우와 신체중심선 위에 무게중심이 없을 경우 관절모멘트의 영향이 지대하게 되는데 이는 지렛대 원리로 설명이 가능하다.
- 시상면의 편심성구간인 제1구간에서 한발착지 G3의 무릎관절(p<.020)이 안정성 기능에 주요한 역할을 하는 것으로 나타났다(Table 4).
- 안정성 원리(principle of stability)에 따라 하지 지지점과 중력선(GL)과의 시상면의 전방(+)과 후방(-) 및 관상면의 좌측(+)와 우측(-) 간 위치와 방향의 차이값이 ‘0’에 근접하게 계측될수록 자세 안정성과 자세 균형성이 높은 것으로 평가하였다.
- 한발 착지 경우는 본 실험 결과 전반부는 하중(저항점)인 무게중심 위치가 뒤쪽에 위치하여 중력중심선이 발바닥 축 선 상이나 중간위치에서 중립기마자세로 마무리 되는 것이 중요하다. 위의 결과들로부터 하지관절의 근골격계 부상과 상해가 착지전반 시점인 제1구간이 주요하며 충격흡수전략 상 편심성구간의 자세 안정성과 균형성이 보다 강조되어야 할 것이다.
- 000). 이 때 양발 착지 시 편안한 발이 관절모멘트 피크값이 크게 나타났으며 본 연구결과 한발 뛰기 시 선호하는 우성 발로 나타났다.
- 양발 착지형태는 두 발 간 넓은 기저면 때문에 전후방향의 충격흡수로서 굴곡모멘트가 주요하다. 이에 본 연구결과 시상면의 능동구간인 제2구간에서 우측 하지(엉덩관절, 무릎관절, 발목관절)에서 통계적으로 유의한 차이가 있었고, 엉덩관절은 수동구간인 제1구간에서도 또한 주동적으로 큰 힘이 나타났다(Table 2). 관상면 제1구간과 제2구간에서 모두 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 엉덩관절의 경우 제2구간의 우측 하지에서도 충격흡수에 기여하고 있었다(Table 3).
- 관상면 제1구간과 제2구간에서 모두 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 엉덩관절의 경우 제2구간의 우측 하지에서도 충격흡수에 기여하고 있었다(Table 3). 이에 본 연구결과를 종합하면 양발 착지 시 편안한 발이 관절모멘트 피크값이 크게 나타났으며, 한발 뛰기 시 선호하는 발이 우성발인 것으로 나타남으로서 본 연구 결과의 관절모멘트 크기가 충격흡수와 자세안정성 해석에 척도가 된다고 판단된다. 이외에도 착지동작 시 무릎의 십자인대 부상이 많이 발생하는데 선행연구를 보면 주동다리의 우성 하지(dominant leg)에서 빈번하게 발생됨을 확인할 수 있다(Cruz et al.
- 제2구간의 경우 한발 착지 G3가 두발 착지 G1과 G2보다 엉덩관절, 무릎관절 그리고 발목관절에서 모두 통계적으로 유의한 차이로 크게 발현되었다. 제 1구간의 경우와 정반대 현상이다.
- 위의 현상은 한발 착지 시 접지하지 위에 중력선이 위치시킴으로서 자세 균형성의 성공여부가 운동상해 및 부상예방과 결부될 수 있다. 즉 본 실험대상자들은 한발착지 형태인 G3가 착지 전 몸통제어의 예비동작으로 착지 전 무게중심의 가슴과 골반 선 상 위에 확보하는 것은 자세 안정성과 충격흡수에 보다 주요할 것으로 판단된다. 결과적으로 한발착지형태는 앞뒤 방향에서 자세 안정성이 크지만 통계적 차이는 없었고, 오히려 좌우방향의 체간기울기에 의한 자세 균형성이 통계적으로 유의한 차이가 나타난 것은 자세균형성 조절이 보다 주요하다고 할 수 있다(Table 4, Table 5).
- 두발 착지 시 좌측하지와 우측하지 간 주동하지의 존재를 확인할 수 있었다. 착지형태와 관련하여서는 한발 착지형태가 두발착지보다 CoM 변동이 크고 하지관절모멘트의 최대값이 크기에 보다 큰 스트레스에 노출된 것으로 나타났다. 또한 하지관절의 기능적 측면에서 시상면의 충격흡수는 제1구간(편심성구간)과 제2구간(동심성구간)의 무릎관절에서 주로 나타난 반면 관상면은 제1구간과 제2구간에서 주로 엉덩관절에서 충격흡수 및 자세안정성에 기여도가 높은 것으로 나타났고, 제1구간과 제2구간의 충격흡수에서는 자세균형과 자세안정성이 각각 나타났다.
- , 2013; Elphinston, 2013). 한발 착지의 무릎관절은 엉덩관절과 발목관절보다 1차적 충격흡수의 완충작용을 하는 것으로 나타났다. Kernozeok, et al.
후속연구
- 결론적으로 충격흡수구간 초기는 제 1종 지레로서 편심성수축 특성에 의한 수동구간이 특징으로 나타났으며, 제2구간은 제1구간에 의한 능동적 관절운동이 자세 안정성과 균형성으로 제 2종 지레배열로 힘에서 이득을 보는 구간으로 분석되었다. 따라서 이와 관련하여 하지관절의 근골격계 부상과 상해가 제1구간에 집중될 것으로 추정되기에 충격흡수 전략 상 편심성구간을 포함하는 자세 안정성과 균형성의 운동 프로그램이 강조되어야 할 것이다.
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