Kim, Yun-Jin
(Department of Physical Therapy, General Graduate School, Catholic University of Daegu)
,
Park, Ji-Won
(Department of Physical Therapy, College of Medical Science, Catholic University of Daegu)
Purpose: The purpose of this study was to investigate examine how the kinematics and kinetics of lower limb joints were changed depending on the unstable shoes (US) during sit-to-stand task (SitTS). Methods: Nineteen healthy females were participated in this study. The subjects performed sit-to-stan...
Purpose: The purpose of this study was to investigate examine how the kinematics and kinetics of lower limb joints were changed depending on the unstable shoes (US) during sit-to-stand task (SitTS). Methods: Nineteen healthy females were participated in this study. The subjects performed sit-to-stand task with US and barefoot. The experiment was repeated three times for each tasks with conditions. The kinematics and kinetics of lower limb joint were measured and analyzed using a 3-D motion analysis system. A paired t-test was utilised performed for to identificationy of changes in mean of angle, force, and moment between both the two conditions. Results: The results of this study showed kinematic differences in lower limb joints during SitTS based on the US. The hip, knee, and ankle angle showed statistically significant differences during SitTS. At the initial of SitTS, Tthe force and moment of the hip flexor, hip extensor, knee flexor, knee extensor, ankle flexor, and ankle extensor showed statistically significant differences. At the terminal of SitTS, Tthe force and moment of the hip flexor, hip extensor, knee flexor, knee extensor, ankle flexor, and ankle extensor showed statistically significant differences. At the maximum of SitTS, Tthe moment of the hip extensor showed statistically significant differences. The force and moment of the ankle flexor, extensor moment showed statistically significant differences. Conclusion: Therefore, Wwearing US is considered to influence on the lower limb joints kinematics and kinetics during SitTS movements, and thus suggests the possibility that of reducing the risks of pain, and osteoarthritis caused by changes in the loading of lower limb joints.
Purpose: The purpose of this study was to investigate examine how the kinematics and kinetics of lower limb joints were changed depending on the unstable shoes (US) during sit-to-stand task (SitTS). Methods: Nineteen healthy females were participated in this study. The subjects performed sit-to-stand task with US and barefoot. The experiment was repeated three times for each tasks with conditions. The kinematics and kinetics of lower limb joint were measured and analyzed using a 3-D motion analysis system. A paired t-test was utilised performed for to identificationy of changes in mean of angle, force, and moment between both the two conditions. Results: The results of this study showed kinematic differences in lower limb joints during SitTS based on the US. The hip, knee, and ankle angle showed statistically significant differences during SitTS. At the initial of SitTS, Tthe force and moment of the hip flexor, hip extensor, knee flexor, knee extensor, ankle flexor, and ankle extensor showed statistically significant differences. At the terminal of SitTS, Tthe force and moment of the hip flexor, hip extensor, knee flexor, knee extensor, ankle flexor, and ankle extensor showed statistically significant differences. At the maximum of SitTS, Tthe moment of the hip extensor showed statistically significant differences. The force and moment of the ankle flexor, extensor moment showed statistically significant differences. Conclusion: Therefore, Wwearing US is considered to influence on the lower limb joints kinematics and kinetics during SitTS movements, and thus suggests the possibility that of reducing the risks of pain, and osteoarthritis caused by changes in the loading of lower limb joints.
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문제 정의
따라서 본 연구는 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행하는 동안 불안정성 신발 착용에 따른 하지 관절의 운동형상학 및 운동역학 변화를 분석하여, 임상에서 환자 평가와 치료중재 시 이에 관한 기초자료로 제시할 것이다.
본 연구는 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 발목관절의 자세변화와 무릎관절, 엉덩관절 움직임 및 부하의 관련성에 대한 운동형상학및 운동역학적 기초자료를 제공하는데 의의를 두고자 하였으며, 불안정성 신발 착용이 엉덩관절 앞쪽 통증과 불안정성이 있는 환자와 무릎관절염 환자들에게 통증을 줄여줄 수 있다는 것과 발목관절의 불안정성, 근력 약화가 있는 환자들의 안정성 강화훈련의 치료중재 도구의 가능성을 제시할 수 있다고 생각된다.
본 연구는 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 불안정성 신발 착용에 따른 하지 관절의 운동형상학 및 운동역학적인 변화를 알아보기 위해 3차원 동작 분석 시스템을 통해 측정 및 분석을 하였다.
5,8,9 이와 관련된 선행연구가 많이 이루어지고 있음에도 불구하고, 일상생활에서 가장 일반적으로 요구되는 기능적 과제14인 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 불안정성 신발 착용에 따른 하지 관절의 운동형상학 및 운동역학적인 관점의 연구는 아직 미흡한 것으로 나타났다. 이에 본 연구는 불안정성 신발 착용 시 하지 관절의 각도(angle), 모멘트(moment), 힘(force)을 앉은 자세에서 일어서기 동작의 해당 시점에 따라 알아보고자 하였다.
제안 방법
3차원 동작 분석기(Motion analysis corp, Santa rosa, CA, USA)는 8개의 적외선카메라로 구성되어있고, cortex motion capture software 1.1.4.386 프로그램을 이용하여 카메라 프레임 비율 120 Hz에서 기능적인 동작을 수행하는 동안 대상자의 다리이음뼈, 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절의 움직임을 측정하였다. 3차원 동작 분석기의 표식자(marker)는 Helen-Hayes Marker set 방법으로 부착하여 부착부위는 다음과 같다.
본 실험에 참여한 대상자들은 실험 전 일반적인 특성 (나이, 신장, 체중, 발 길이, 발 너비)을 측정하고, 실험 전 편안한 속도대로 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작을 수행한 후 실험 시 조건 별 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작을 3번씩 반복 수행하였으며, 각 실험조건에서 앉은 자세에서 일어서기 동작의 수행 순서는 대상자마다 무작위 순서대로 진행하였다. 앉은 자세에서 일어서기 및 앉는 동작 수행 시 대상자의 시작자세는 팔을 몸통에 교차해서 의자에 앉은 자세이다.
대상 데이터
본 연구에 참여한 대상자는 여성 19명이며, 평균 나이 22.6세, 키 160.3cm, 체중 50.2kg, 우성발길이 23.5cm, 우성발너비 9.0cm이었다.
본 연구에서는 최근 1년간 하지의 근골격계 이상, 선천적인 기형 및 정형 외과적 질환이나 변형, 신경학적으로 손상이 있는 자는 본 연구에서 제외하였다. 실험에 참여한 대상자 모두 손을 사용하지 않고, 표준 의자에서 독립적으로 앉고 일어설 수 있으며,27 우성 발이 오른발인 자(right-footed)로 차기 동작(kicking)을 수행할 때 사용하는 다리로 오른쪽 다리를 선호하는 자로 선정했다.28 실험하기 전, 전 과정에 대해 충분한 설명을 듣고 실험 참여에 자발적으로 동의를 한 대상자들로 구성하였다.
데이터처리
무릎관절의 평균 각도(angle), 힘(force), 모멘트(moment) 자료는 SIMM biomechanics software 6.0.2 프로그램으로 분석하였고, 통계처리는 PASW 18.0 프로그램을 이용하였다. 연구 대상자의 일반적인 특성은 기술통계량의 빈도분석으로 분석하였고, 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 불안정성 신발의 착용전과 후에 따른 하지관절의 운동형상학 및 운동역학 자료를 비교하기 위해 대응표본 t 검증 (paired t-test)을사용하였다.
본 연구에서 하지 관절의 운동형상학 및 운동역학적 자료는 앉은 자세에서 일어서기 동작을 수행하는 동안 각 동작의 초기 자세 시점, 동작 주기의 최대값, 마지막 자세 시점에서 얻은 하지 관절의 각도(angle), 힘(force), 모멘트(moment)값이며,25 3번씩 반복 측정에 대한 평균값을 대표값으로 하여 통계처리 하였다.
0 프로그램을 이용하였다. 연구 대상자의 일반적인 특성은 기술통계량의 빈도분석으로 분석하였고, 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 불안정성 신발의 착용전과 후에 따른 하지관절의 운동형상학 및 운동역학 자료를 비교하기 위해 대응표본 t 검증 (paired t-test)을사용하였다. 통계학적 유의수준 α= 0.
이론/모형
386 프로그램을 이용하여 카메라 프레임 비율 120 Hz에서 기능적인 동작을 수행하는 동안 대상자의 다리이음뼈, 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절의 움직임을 측정하였다. 3차원 동작 분석기의 표식자(marker)는 Helen-Hayes Marker set 방법으로 부착하여 부착부위는 다음과 같다. 전상장골근(ASIS), 후상장골근(PSIS), 엉치뼈(sacrum), 넙다리(thigh), 안쪽 무릎(medial knee), 바깥쪽 무릎(lateral knee), 정강이(shank), 안쪽 복사뼈(medial malleolus), 바깥쪽 복사뼈(lateral malleolus), 발뒤꿈치(heel), 두 번째와 세 번째 엄지 사이(toe)이다.
성능/효과
15 본 연구 결과에서는 동작 초기 자세 시점과 굽힘 각도의 최대값에서 맨발보다 불안정성 신발 착용 시 엉덩관절과 무릎관절의 움직임이 증가하였고, 발목관절의 움직임은 동작 초기 자세 시점과 마지막 자세 시점에서 발바닥 굽힘의 움직임이 상대적으로 증가하였으며, 굽힘 각도의 최대값에서는 발등 굽힘의 움직임이 증가하였다. 보행 시 불안정성 신발이 발뒤꿈치 닿기에서 발 끝 떼기까지 발을 잡아주어 관절의 움직임을 줄여주고 앞쪽으로 덜 기울어지게 함으로써 최적화된 신체정렬을 가능하게 한다는 선행연구11,12와는 달리 일어서기 동작 시에는 하지 관절의 움직임이 증가하였음을 알수있다.
34-36 본 연구결과에서는 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 초기 자세 시점에서는 불안정성 신발 착용 시 반막근과 반힘줄근의 힘은 증가한 것으로 보아, 동작의 초기 자세 시점에서 슬관절 안정화 및 부하의 원심성 조절 등을 향상시킬 수 있을것이라 생각된다.
5,8,9 신발 밑창에 의해 발생된 불안정성이 발목관절의 움직임과 안정성에 직접적으로 영향을 미치고,10 신체의 안정성이 관절축에서 먼 위치에 있는 큰 근육들(가자미근, 장딴지근 등)의 작용으로 유지된다면, 관절에 가해지는 부하는 증가할 것이고, 관절 축에 가까이 위치하는 작은 근육들의 작용으로 안정성이 유지된다면 이러한 근육들이 빠르게 반응할 수 있을 것이며, 관절 부하는 상당히 많이 감소할 것이다.6 이러한 신발 기능의 개념적인 측면에서 볼 때, 해부학적으로 회전 축에 가까이 위치한 근육을 강화하는 것과 연관되어있다고 보고되었다.
최근에 기능성 혹은 치료적인 도구로 다양한 형태로 개발되고 있는 불안정성 신발은 전·후 방향이 둥근 밑창으로 발목의 움직임에 변화를 유발시키는데,8 서 있는 동안 일반 신발을 착용했을 때보다 불안정성 신발을 착용했을 때 앞정강근의 증가가 나타났다.6 본 연구결과에서는 동작 시 초기 자세 시점에서 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘과 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트가 모두 감소하였고, 앞정강근의 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다. 마지막 자세 시점에서는 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘과 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트는 불안정성 신발 착용 시 모두 감소하였고, 앞정강근의 힘과 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다.
굽힘 모멘트에 영향을 주는 신발 또는 신발 깔창은 외부 무릎관절 모음 모멘트와 모음 각도 충격량(angular impulse)에 영향을 줄 수 있는데,37 불안정성 신발은 하지의 모멘트 감소로 관절에 가해지는 부하를 감소시켜주며,12 다른 선행연구에서도 과체중인 남성이 불안정성 신발의 한 형태인 ‘MBT’ 신발을 착용했을 때 첫 번째 최대 외부 모음 모멘트에서 12% 감소되었다.
6 본 연구결과에서는 동작 시 초기 자세 시점에서 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘과 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트가 모두 감소하였고, 앞정강근의 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다. 마지막 자세 시점에서는 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘과 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트는 불안정성 신발 착용 시 모두 감소하였고, 앞정강근의 힘과 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다. 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행 동안 최대값에서는 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근의 힘과 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트는 모두 감소하였고, 앞정강근의 힘과 앞정강근의 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다.
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 넙다리곧은근과 중간넓은근, 가쪽넓은근의 힘은 유의한 차이가 없었지만, 안쪽넓은근의 힘은 감소하면서 유의한 차이가 있었다 (p < 0.05).
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 넙다리곧은근과 중간넓은근, 가쪽넓은근의 힘은 유의한 차이가 없었지만, 안쪽넓은근의 힘은 증가하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 반막근과 넙다리두갈래근의긴 갈래의 내부 무릎관절 굽힘근 모멘트에서는 유의한 차이가 없었 지만, 반힘줄근의 내부 무릎관절 굽힘근 모멘트 에서는 감소하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 반막근과 반힘줄근, 넙다리두갈래근의 긴 갈래의 내부 무릎관절 굽힘근 모멘트에서는 유의한 차이가 없었고, 넙다리곧은근과 중간넓은근, 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 내부 무릎관절 폄근 모멘트도 모두 유의한 차이가 없었다.
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 반막근과 반힘줄근, 넙다리두갈래근의 긴 갈래의 내부 무릎관절 굽힘근 모멘트에서는 유의한 차이가 없었고, 넙다리곧은근과 중간넓은근, 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 내부 무릎관절 폄근 모멘트도 유의한 차이가 없었다.
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트는 모두 감소하면서 유의한 차이가 있었지만(p < 0.05), 앞정강근의 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05)(Table 3).
맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 중간넓은근과 안쪽넓은근, 가쪽넓은근의 힘은 감소하면서 유의한 차이가 있었고(p < 0.05), 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘도 불안정성 신발 착용 시 모두 감소하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행 동안 힘의 최대값에서는 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 큰볼기근과 엉덩근과 큰 허리근의 힘은 유의한 차이가 없었다. 반막근과 반힘줄근, 넙다리두갈래근의 긴 갈래의 힘도 불안정성 신발 착용 시 유의한 차이가 없었다. 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 넙다리곧은근과 중간넓은근, 가쪽넓은근의 힘은 유의한 차이가 없었지만, 안쪽넓은근의 힘은 증가하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.
반막근과 반힘줄근의 힘은 유의한 차이가 없었지만, 넙다리두갈래근의 긴 갈래의 힘은 감소하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
반막근과반힘줄근의 힘은 증가하면서 유의한 차이가 있었지만(p < 0.05), 넙다리두갈래근의 긴 갈래와 넙다리곧은근의 힘은 유의한 차이가 없었다.
불안정성 신발 착용시 넙다리곧은근과 중간넓은근, 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 내부 무릎관절 폄근 모멘트는모두 감소하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘은 불안정성 신발착용시 모두 감소하면서 유의한 차이가 있었지만(p < 0.05), 앞정강근의 힘은 불안정성 신발 착용 시 증가하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05)(Table 2).
안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근의 힘은 불안정성 신발 착용 시 모두 감소하면서 유의한 차이가 있었지만(p < 0.05), 가자미근은 유의한 차이가 없었다.
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행 동안 굽힘 각도의 최대값은 맨발보다 불안정성 신발 착용 시 엉덩관절과 무릎관절의 굽힘, 발목관절의 발등 굽힘 모두 증가하였고, 유의한 차이가 있었다 (p < 0.05)(Table 1).
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행 동안 내부 모멘트의 최대값은 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 큰볼기근의 내부 엉덩관절 폄근 모멘트는 감소하면서 유의한 차이가 있었고(p < 0.05), 엉덩근과 큰허리근의 내부 엉덩관절 굽힘근 모멘트에서는 유의한 차이가없었다.
마지막 자세 시점에서는 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 힘과 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트는 불안정성 신발 착용 시 모두 감소하였고, 앞정강근의 힘과 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다. 앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행 동안 최대값에서는 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근의 힘과 안쪽장딴지근과 가쪽장딴지근, 가자미근의 내부 발목관절 발바닥 굽힘 모멘트는 모두 감소하였고, 앞정강근의 힘과 앞정강근의 내부 발목관절 발등 굽힘 모멘트는 증가하였다. 또한, 일반적으로 여성이 남성보다 발등 굽힘의 최대 수의적 등척성 힘이 적다.
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 수행 동안 힘의 최대값에서는 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 큰볼기근과 엉덩근과 큰 허리근의 힘은 유의한 차이가 없었다. 반막근과 반힘줄근, 넙다리두갈래근의 긴 갈래의 힘도 불안정성 신발 착용 시 유의한 차이가 없었다.
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 마지막 자세 시점에서는 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 큰볼기근의 내부 엉덩관절 폄근 모멘트에서는 감소하면서 유의한 차이가 있었으며(p < 0.05), 엉덩근과 큰허리근의 내부 엉덩관절 굽힘근 모멘트에서도 감소하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 마지막 자세 시점에서는 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 큰볼기근의 힘은 감소하면서 유의한 차이가 있었고(p < 0.05), 엉덩근과 큰허리근의 힘도 감소하면서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05).
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 마지막 자세 시점에서는 맨발보다 불안정성 신발 착용 시 엉덩관절과 무릎관절의 굽힘 각도는 유의한 차이가 없었으며, 발목관절의 발바닥 굽힘 각도는 증가하였고, 모두 유의한 차이가 있었다(p < 0.05)(Table 1).
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 초기 자세 시점에서는 맨발과 불안정성 신발 착용에 따른 큰볼기근의 내부 엉덩관절 폄근 모멘트에서는 감소하면서 유의한 차이가 있었으며(p < 0.05), 엉덩 근과 큰허리근의 내부 엉덩관절 굽힘근 모멘트에서도 감소하면서 유의한차이가있었다(p < 0.05).
앉은 자세에서 앉은 자세에서 일어서기 동작 시 초기 자세 시점에서는 맨발보다 불안정성 신발 착용 시 엉덩관절과 무릎관절의 굽힘 각도가 증가하였고, 발목관절의 발등 굽힘 각도는 감소하였으며, 모두 유의한 차이가 있었다(p < 0.05)(Table 1).
마지막 자세 시점에서도 큰볼기근과 엉덩근, 큰허리근의 힘이 감소하였다. 큰 볼기근의 내부 엉덩관절 폄근 모멘트와 엉덩근, 큰허리근의 내부 엉덩관절 굽힘근 모멘트에서도 감소하였으며, 동작수행동안 내부 모멘트의 최대값은 큰볼기근의 내부 엉덩관절 폄근 모멘트가 감소하였다. 신체의 안정성이 관절 축에서 먼 위치에 있는 큰 근육들의 작용으로 유지된다면, 관절에 가해지는 부하는 증가할 것이다라고 보고 하였는데,6 큰 근육들의 작용이 감소된다면, 관절 부하는 상당히 많이 감소할 것이며,6 이러한 결과는 엉덩관절에 가해지는 부하를 감소시킬 수 있을 것이다.
후속연구
그러나 본 연구는 실험에 참여한 대상자의 수도 적었으며, 대상자 선정기준을 두어 다소 어려움이 있어 정상 성인 여성으로 제한을 두었다. 그리하여 향후 연구에서는 더 많은 대상자들로 하여금 더 다양 하한 굽 형태의 신발 중재를 적용하여 근 동원 및 균형에 중점을 두어 이러한 변화 차이가 하지 관절의 운동형상학 및 운동역학에 어떠한 영향을 미치는지를 제시할 것이다.
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