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문제 정의
- 본 연구는 미드솔의 반발탄성이 러닝화에 미치는 생체역학적 특성을 평가하기 위해 [Figure 1]과 같이 소재가 각기 다른 3가지 종류의 러닝화를 신고 뛰었을 때 나타나는 족저압력의 분포와 하지 근 활성도 및 미드솔의 반발탄성을 측정하였다. 족저압력의 분포 데이터는 Pedar-X System(Novel Gmbh, Germany)을 사용하여 수집하였다.
- 본 연구는 반발탄성의 소재가 적용된 미드솔의 러닝화 착용에 따른 생체역학적 러닝 특성을 평가하기 위한 것으로 족저압력 분포와 근 활성도 분석 및 미드솔 반발탄성 평가를 하였다. 추후 연구에서는 운동학적인 분석과 장시간 착용 시 착용 시간 별로 시간 변화에 따른 근 피로도 분석에 관한 연구를 계획 중이다.
- 본 연구에서는 서로 다른 점탄성의 특성을 지닌 EVA, TPU, TPE와 같은 반발탄성의 소재가 미드솔에 적용된 러닝화를 신고 뛰었을 때 나타나는 족저압력과 근 활성도의 차이를 비교 분석하였다.
- 지금까지 주로 미드솔에 관한 선행 연구들은 충격 흡수성을 중점으로 한 연구가 주로 진행되었을 뿐, 미드솔을 반발탄성의 측면에서 살펴본 연구는 많이 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 충격 흡수성과 추진력을 극대화하기 위하여 미드솔에 쓰이는 점탄성의 EVA, TPU, TPE의 3가지 소재가 적용된 러닝화를 신고 뛰었을 때 나타나는 족저압력의 분포와 하지 근 활성도 및 각각의 러닝화 미드솔의 반발탄성을 평가하고 이를 생체역학적으로 비교 분석하였다.
제안 방법
- EVA, TPU, TPE 미드솔의 내·외측에 일정한 간격의 점을 표시한 후, 초기접지기 시 뒷꿈치만 닿았을 때의 맨 윗점과 맨 아랫점 사이의 간격과 부하반응기 시 발이 지면에 완전히 닿았을 때의 두 점 사이의 간격을 초고속카메라의 화상(pixel)의 차이를 통하여 계산하였다.
- 각각의 EVA, TPU, TPE 미드솔에서 체중이 완전히 실리기 전과 체중이 모두 실린 후에서의 내·외측 변형의 정도를 측정한 결과를 살펴보았다.
- 각각의 실험 조건에 따라 측정된 족저압력 분포의 분석을 위해 Pedar-X Insole Software(Novel, Gmbh, Germany)를 사용하여 전족부(FF), 중족부(MF), 후족부(RF)의 세 부분으로 나누어 영역(mask)을 생성하였으며 [Figure 3], 최대 힘(maximum force), 최대 압력(peak pressure), 평균 압력(mean pressure), 접촉 면적(contact area)을 비교하였다.
- 러닝 속도는 한국인의 평균 일반 보행 속도 0.66 m/step을 참고하여 약 6.5 km/h의 속도로 러닝을 실시하였으며(Ryu, Choi, Choi & Chung, 2006), 각각의 러닝화 마다 총 3회 반복 측정을 수행한 후 평균하였다.
- , USA)을 사용하여 각각의 미드솔을 초고속 촬영 한 후 해당 미드솔의 내·외측 변형률을 측정하여 미드솔의 반발탄성을 관찰하였다. 메트로놈을 이용하여 러닝 속도 6.5 km/h에 피험자들의 속도를 동기화 하였으며, 메트로놈의 박자에 맞추어 보폭과 걷기 보수가 자연스러운 동작이 이루어질 때까지 충분한 연습을 실시한 후 본 실험을 진행하였다.
- 미드솔의 반발탄성은 초 당 5,000프레임(5,000 frames/sec)의 Full HD의 최대 해상도로 촬영이 가능한 초고속 카메라인 Fastcam SA5 System(Photron Inc., USA)을 사용하여 각각의 미드솔을 초고속 촬영 한 후 해당 미드솔의 내·외측 변형률을 측정하여 미드솔의 반발탄성을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 점탄성의 특성을 지니는 EVA, TPU, TPE와 같은 반발탄성의 소재가 미드솔에 적용된 러닝화를 착용 후, 러닝 시 나타나는 족저압력 분포와 하지 근 활성도 및 미드솔의 반발탄성을 측정하고 이를 생체역학적으로 분석하여 각각의 미드솔을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- , Texas, USA)를 통해 처리되었다. 수집된 데이터는 20-450 Hz의 sixth order Butterworth bandpass filter를 거쳐 정류되었으며, 60 Hz의 notch-filter를 통해 전원에 따른 노이즈를 제거하였다. Linear envelope을 생성하기 위해, 데이터를 6 Hz cut-off frequency를 지나는 sixth order Butterworth low-pass filter를 사용하여 필터링하였다.
- 본 연구에서 사용된 점탄성의 특성을 지니는 반발탄성의 소재가 적용된 미드솔의 러닝화는 총 3가지로써 [Figure 1]에 보이는 바와 같이 EVA(Ethyl Vinyl Acetate), TPU (Thermoplastic Polyurethane), TPE(Thermoplastic Elastomer) 소재의 미드솔을 적용한 러닝화이다. 신발의 외형과 아웃솔의 구조가 보행에 미치는 영향을 충분히 고려하여 신발의 미드솔 부분을 제외한 다른 부분이 최대 유사한 러닝화들을 선정하였다.
- 실험 전 피험자에게 해당 러닝화를 착용시킨 후 실험 조건과 같은 속도로 5분간 제자리 뛰기를 하여 실험 시 최대한 자연스럽게 뛸 수 있도록 유도하였다. 실험 간 발생할 수 있는 피험자의 피로를 방지하기 위해, 1회 측정이 끝난 후 10분간의 휴식을 취하고 다시 실험을 진행하였다.
- 실험에 참가한 모든 피험자들은 FDM-T 트레드밀(zebris Inc., USA)에서 3가지 종류의 러닝화를 무작위 순으로 착용하고 러닝을 실시하였다. 러닝 속도는 한국인의 평균 일반 보행 속도 0.
- 이를 토대로 본 연구에서는 [Figure 2]와 같이 보행에 있어 가장 많은 기여를 하는 전경골근(tibialis anterior, TA), 내측비복근(medial gastrocnemius, MG), 대퇴직근(rectus femoris, RF), 대퇴이두근(biceps femoris, BF), 내측광근(medial laterails, ML), 외측광근(vastus lateralis, VL), 가자미근(soleus, SL), 장비골근(peroneus longus, PL)에 DE-3.1 surface electrode(Delsys Inc., USA)를 부착하였다. 전극은 이중 차등(double differential) 전극으로 3개로 구성된 순은 막대가 10 mm 간격으로 나란히 배열되어 있으며, 양쪽 끝 두 개는 활성전극(active electrode), 가운데 하나는 기준 전극(reference electrode)으로 구성되어 있다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 3가지 종류의 신발들의 사이즈는 270 mm로 동일하게 하여, 270 mm 사이즈에 해당하는 피험자를 선별한 후 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서 사용된 점탄성의 특성을 지니는 반발탄성의 소재가 적용된 미드솔의 러닝화는 총 3가지로써 [Figure 1]에 보이는 바와 같이 EVA(Ethyl Vinyl Acetate), TPU (Thermoplastic Polyurethane), TPE(Thermoplastic Elastomer) 소재의 미드솔을 적용한 러닝화이다. 신발의 외형과 아웃솔의 구조가 보행에 미치는 영향을 충분히 고려하여 신발의 미드솔 부분을 제외한 다른 부분이 최대 유사한 러닝화들을 선정하였다.
- 본 연구에서는 하지의 근골격계에 질병이나 부상을 입은 적이 없고 족부전문의(podiatirist)의 족부 질환 진단을 통해 정상족이 아닌 평발(pes planus)이나 요족(pes cavus)을 제외하였으며, 보행에 있어 장애가 없고 감각 이상이 없는 20대의 남성 10명을 대상으로 실험을 진행하였다. 연구 대상자의 신체적 특성은 평균 연령 26.
- 본 연구는 미드솔의 반발탄성이 러닝화에 미치는 생체역학적 특성을 평가하기 위해 [Figure 1]과 같이 소재가 각기 다른 3가지 종류의 러닝화를 신고 뛰었을 때 나타나는 족저압력의 분포와 하지 근 활성도 및 미드솔의 반발탄성을 측정하였다. 족저압력의 분포 데이터는 Pedar-X System(Novel Gmbh, Germany)을 사용하여 수집하였다. 각 인솔은 99개의 정전 용량 센서로 구성되어 있으며, 초당 100 Hz의 샘플 속도로 센서에서 측정된 족저압력 데이터는 무선 블루투스 시스템 형식으로 전송되어 컴퓨터에 저장된다.
- 하지 근전도 데이터는 Bignoli 8 System(Delsys Inc., USA)를 사용하여 측정하였다. Perry (1992)는 보행에 있어 족관절의 배측굴곡(dorsiflexion)과 저측굴곡(plantarflexion)에 각각 전경골근과 비복근이 가장 많은 기여를 하고, 고관절의 신전과 슬관절의 굴곡은 각각 대퇴직근, 대퇴이두근이 가장 많이 쓰인다 하였다.
데이터처리
- 각각의 미드솔 소재에 따른 족저압력의 분포와 근전도, 반발탄성의 차이를 알아보기 위해 통계 프로그램 IBM SPSS Statistics 22(Chicage, IL)을 사용하였다. 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 실시하여 유의 수준 p<.
- 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 실시하여 유의 수준 p<.05에서 통계적 유의성을 검증하였다.
- 측정된 근전도 신호는 EMGwork 3.5 signal acquisition software(Delsys Inc., USA)를 통해 분석되었고, LabVIEW (Nationa Instrument Corp., Texas, USA)를 통해 처리되었다. 수집된 데이터는 20-450 Hz의 sixth order Butterworth bandpass filter를 거쳐 정류되었으며, 60 Hz의 notch-filter를 통해 전원에 따른 노이즈를 제거하였다.
- 측정된 미드솔 내·외측의 반발탄성은 [Figure 4]에 보이는 바와 같이 Photron Fastcam Analysis(Photron Inc., USA)를 통해 분석되었다.
이론/모형
- 수집된 데이터는 20-450 Hz의 sixth order Butterworth bandpass filter를 거쳐 정류되었으며, 60 Hz의 notch-filter를 통해 전원에 따른 노이즈를 제거하였다. Linear envelope을 생성하기 위해, 데이터를 6 Hz cut-off frequency를 지나는 sixth order Butterworth low-pass filter를 사용하여 필터링하였다. 또한 모든 피험자의 각 근육에 대한 근전도 데이터는 입각기 단계의 0%에서 100% 동안의 평균 신호로 표준화(normalization) 되었으며, 근수축의 진폭의 차이를 표준화하기 위해서 MVC(maximum voluntary contraction)에 대한 백분율로 나타내었다.
성능/효과
- BF에서는 TPU 미드솔이 5.56±0.80 %, EVA 미드솔이 3.85±0.87 %로 TPU 미드솔이 적용된 러닝화에서의 근 활성도가 EVA 미드솔이 적용된 러닝화에 비해 통계적으로 유의하게 증가한 반면에 TA에서는 TPU 미드솔은 10.95±1.43 %, EVA 미드솔이 28.81±6.79 %로 TPU 미드솔이 적용된 러닝화에서의 근 활성도가 유의하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- RF에서는 TPE 미드솔이 38.80±1.52 ㎠로 각각 37.40±2.75 ㎠, 38.38±1.84 ㎠의 접촉 면적을 보인 EVA 미드솔과 TPU 미드솔에 비해 가장 높게 나타났지만, 통계적 유의성은 TPE 미드솔과 EVA 미드솔 사이에서만 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서 실험 결과를 통해 TPU 미드솔이 적용된 러닝화가 EVA, TPE 미드솔이 적용된 러닝화에 비해 중족 부분에서의 접촉 면적을 증가시키고 신발 내부 압력을 분산시킴으로 러닝 시 발에 가해지는 충격을 효율적으로 흡수시킬 수 있을 것이라 사료된다. RF의 접촉 면적에서는 TPE 미드솔이 EVA 미드솔에 비해 유의하게 더 넓게 나타났다. Nigg와 Anton (1995)은 신발 내 후족부의 넓은 접촉 면적과 적절한 쿠셔닝은 발에서의 자연적인 충격 흡수를 보조하여 지면과의 충격력의 2/3를 감소시키고, 발의 부상 가능성을 감소시킨다 하였다.
- TPE 미드솔은 내측 미드솔의 변형에서 EVA 미드솔과 TPU 미드솔에 비해 변형의 정도가 유의하게 증가하였다. 이를 통해, 미드솔의 내측 부분에서 TPE 미드솔의 반발탄성이 더 크다고 판단된다.
- 근 활성도 결과에서는 대퇴이두근에서 TPU 미드솔이 EVA 미드솔과 비교하여 근 활성도가 유의하게 높았다. 전경골근에서는 EVA 미드솔이 TPU 미드솔의 근 활성도 보다 유의하게 높음을 확인할 수 있었다.
- 내측 미드솔의 변형에서 TPE 미드솔의 변형의 정도가 EVA 미드솔과 TPE 미드솔에 비해 통계적으로 유의하게 증가하였다. 이를 통해, 미드솔의 내측 부분에서 TPE 미드솔의 반발탄성이 EVA, TPU 미드솔의 반발탄성보다 더 크다고 사료된다.
- 대퇴이두근에서는 TPU 미드솔이 EVA 미드솔과 비교하여 근 활성도가 유의하게 높았다. 또한 전경골근에서는 반대로 EVA 미드솔이 TPU 미드솔의 근 활성도 보다 유의하게 높음을 확인 할 수 있었다.
- Linear envelope을 생성하기 위해, 데이터를 6 Hz cut-off frequency를 지나는 sixth order Butterworth low-pass filter를 사용하여 필터링하였다. 또한 모든 피험자의 각 근육에 대한 근전도 데이터는 입각기 단계의 0%에서 100% 동안의 평균 신호로 표준화(normalization) 되었으며, 근수축의 진폭의 차이를 표준화하기 위해서 MVC(maximum voluntary contraction)에 대한 백분율로 나타내었다.
- 대퇴이두근에서는 TPU 미드솔이 EVA 미드솔과 비교하여 근 활성도가 유의하게 높았다. 또한 전경골근에서는 반대로 EVA 미드솔이 TPU 미드솔의 근 활성도 보다 유의하게 높음을 확인 할 수 있었다. 슬관절 굴곡근의 역할을 하는 대퇴이두근과 족관절 배측굴곡근의 역할을 하는 전경골근 모두 초기 접지기 때 근 활성이 활발히 일어난다.
- Lee, Lee 와 Kim (2010)은 이동 시 발생하는 발의 회내(pronation)로 인해 발의 내측에서의 부하가 증가할 수 있다고 하였으며, Knapik 등(2009)은 신발 내부의 내측 아치를 상승시켜 이동 시 발의 아치가 안쪽으로 무너지는 현상을 막아주고 충격을 흡수할 수 있다고 하였다. 본 연구에서 실험 결과를 통해 TPU 미드솔이 적용된 러닝화가 EVA, TPE 미드솔이 적용된 러닝화에 비해 중족 부분에서의 접촉 면적을 증가시키고 신발 내부 압력을 분산시킴으로 러닝 시 발에 가해지는 충격을 효율적으로 흡수시킬 수 있을 것이라 사료된다. RF의 접촉 면적에서는 TPE 미드솔이 EVA 미드솔에 비해 유의하게 더 넓게 나타났다.
- 기존의 연구를 살펴보면, Nigg 등(2006)은 기능성 신발을 신고 이동 시 하지 근 활성도가 증가한다고 하였지만, Sacco 등(2012)은 기능성 신발을 신고 이동 할 때 오히려 하지 근 활성도가 감소한다고 하였다. 본 연구에서의 근 활성도에 대한 결과에서는 대퇴이두근과 전경골근에서 EVA 미드솔, TPU 미드솔 간의 통계적인 유의성을 발견할 수 있었다.
- 연구 대상자의 신체적 특성은 평균 연령 26.50±1.84 year, 평균 신장 172.22±4.4 cm, 평균 체중 67.51±6.17 kg 이다.
- Nigg와 Anton (1995)은 신발 내 후족부의 넓은 접촉 면적과 적절한 쿠셔닝은 발에서의 자연적인 충격 흡수를 보조하여 지면과의 충격력의 2/3를 감소시키고, 발의 부상 가능성을 감소시킨다 하였다. 이를 통해 TPE 미드솔이 적용된 러닝화를 신고 뛰었을 때 미드솔의 영향으로 인해 지면에 닿는 발의 뒤꿈치의 면적이 증가하면서 발에 가해지는 높은 충격력을 효과적으로 완화시키고, 발을 딛을 때의 부상 가능성을 감소시킬 수 있다고 판단된다.
- RF의 접촉 면적에서는 TPE 미드솔이 EVA 미드솔에 비해 유의하게 더 넓게 나타났다. 이를 통해 TPE 미드솔이 적용된 러닝화를 신고 뛸 때, EVA 미드솔이 적용된 러닝화를 신고 뛸 때보다 초기접지기에서 충격력을 효과적으로 완화시키고, 발을 딛을 때의 부상 가능성을 감소시킬 수 있다고 판단된다. 최대 압력의 결과를 살펴보면, FF에서 TPE 미드솔이 EVA 미드솔보다 통계적으로 유의하게 더 큰 값을 나타냈다.
- 근 활성도 결과에서는 대퇴이두근에서 TPU 미드솔이 EVA 미드솔과 비교하여 근 활성도가 유의하게 높았다. 전경골근에서는 EVA 미드솔이 TPU 미드솔의 근 활성도 보다 유의하게 높음을 확인할 수 있었다. EVA와 TPU 미드솔 모두 초기접지기 시 각각 전경골근과 대퇴이두근을 활성화시키기 때문에 러닝 시 많은 도움을 줄 수 있다고 판단된다.
- 접촉 면적에서의 결과를 살펴보면 MF에서는 TPU 미드솔이 44.14±7.49 ㎠, EVA 미드솔이 40.67±4.71 ㎠, TPE 미드솔이 40.13±5.0 ㎠로 나타났으며, TPU 미드솔의 접촉 면적이 EVA 미드솔과 TPE 미드솔에 비해 통계적으로 유의하게 증가하였다는 것을 알 수 있다.
- 족저압력 분포는 접촉 면적과 최대 압력의 일부분에서만 통계적으로 유의한 차이가 있었을 뿐, 최대 힘과 평균 압력에서는 통계적으로 의미 있는 차이를 보이지 않았다. 접촉 면적의 경우 FF에서는 유의성이 없었지만, MF의 접촉 면적에서는 TPU 미드솔이 EVA, TPE 미드솔에 비해 통계적으로 가장 넓은 것으로 나타났다. 이로 인해, TPU 미드솔이 EVA와 TPE 미드솔 보다 MF에서의 발의 부하를 효과적으로 감소시킬 것이라 사료된다.
- 접촉 면적의 경우 서로 다른 3가지의 미드솔 모두 FF에서는 서로 큰 차이를 보이지 않았으나, MF의 접촉 면적에서는 TPU 미드솔이 EVA와 TPE 미드솔에 비해 통계적으로 유의하게 증가한 것으로 나타났다. Lee, Lee 와 Kim (2010)은 이동 시 발생하는 발의 회내(pronation)로 인해 발의 내측에서의 부하가 증가할 수 있다고 하였으며, Knapik 등(2009)은 신발 내부의 내측 아치를 상승시켜 이동 시 발의 아치가 안쪽으로 무너지는 현상을 막아주고 충격을 흡수할 수 있다고 하였다.
- 족저압력 분포는 접촉 면적과 최대 압력의 일부분에서만 통계적으로 유의한 차이가 있었을 뿐, 최대 힘과 평균 압력에서는 통계적으로 의미 있는 차이를 보이지 않았다. 접촉 면적의 경우 FF에서는 유의성이 없었지만, MF의 접촉 면적에서는 TPU 미드솔이 EVA, TPE 미드솔에 비해 통계적으로 가장 넓은 것으로 나타났다.
- 최대 압력의 결과를 살펴보면, FF에서 TPE 미드솔이 EVA 미드솔보다 통계적으로 유의하게 더 큰 값을 나타냈다. 이는 TPE 미드솔이 적용된 러닝화가 EVA 미드솔이 적용된 러닝화보다 전족부의 면적이 좁을 뿐만 아니라 아웃솔의 구조 또한 EVA 미드솔이 적용된 러닝화는 후족부, 중족부, 전족부가 하나로 이어진 아웃솔의 구조인 반면에 TPE 미드솔이 적용된 러닝화는 하나로 이어지지 않고, 중족부에서 끊어지는 구조로 되어 있다.
- 최대 압력의 분포는 FF에서 TPE 미드솔이 370.63 ± 171.46 kPa, TPU 미드솔이 287.67 ± 75.99 kPa, EVA 미드솔이 277.96 ± 69.18 kPa로 TPE 미드솔에서의 최대 압력 분포가 다른 두 미드솔에 비해 높게 나타났지만, 통계적 유의성은 TPE 미드솔과 EVA 미드솔에서만 발견할 수 있었다.
- 최대 힘과 평균 압력에 대한 결과를 살펴보면 분석된 모든 발의 영역에서 EVA, TPU , TPE 미드솔 소재에 따른 최대 힘과 평균 압력에 대한 통계적 유의성이 없었다.
- 하지만 미드솔의 내측 변형에서는 EVA 미드솔이 0.20±0.07 mm, TPU 미드솔이 1.54±0.87 mm, TPE 미드솔이 4.53±1.38 mm로 변형이 발생하였으며, TPE 미드솔의 변형이 EVA 미드솔과 TPU 미드솔에 비해 통계적으로 유의하게 증가하였다.
후속연구
- 본 연구는 반발탄성의 소재가 적용된 미드솔의 러닝화 착용에 따른 생체역학적 러닝 특성을 평가하기 위한 것으로 족저압력 분포와 근 활성도 분석 및 미드솔 반발탄성 평가를 하였다. 추후 연구에서는 운동학적인 분석과 장시간 착용 시 착용 시간 별로 시간 변화에 따른 근 피로도 분석에 관한 연구를 계획 중이다.
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