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문제 정의
- 본 연구에서는 균형요인 변수값, 신체 주요 부위의 관절 각도 및 힘의 크기를 기준으로 고령자가 신체적 무리없이 보행 가능한 계단 높이를 실험을 통해 측정하고자 하였다. 낮은 높이의 계단을 오르 내릴때의 신체적 특성값 대비 특정 변수값이 증가 할 때의 계단 높이를 도출하고자 하였다. 이를 위해 다음과 같이 계단 높이를 가변적으로 변경할수 있는 가변 계단 보행로를 제작하여 연구에 활용하였다.
- 본 연구에서는 고령자의 계단보행 중 계단(챌면) 높이에 따른 보행특성만을 측정하고, 이를 통해 계단 설계기준에 적용할 수 있는 방안을 제시하였다. 본 연구의 한계로는 계단 바닥판의 너비 및 폭, 손잡이의 높이 및 재질, 디딤판 및 계단코 등 계단시설을 구성하는 타 요소에 대한 연구는 제외되어 있다.
- 본 연구에서는 균형요인 변수값, 신체 주요 부위의 관절 각도 및 힘의 크기를 기준으로 고령자가 신체적 무리없이 보행 가능한 계단 높이를 실험을 통해 측정하고자 하였다. 낮은 높이의 계단을 오르 내릴때의 신체적 특성값 대비 특정 변수값이 증가 할 때의 계단 높이를 도출하고자 하였다.
- 이에 본 논문은 고령자의 실제 보행 능력을 운동역학에서 사용하는 동작분석시스템을 활용하여 알아보았다. 이를 통하여 계단과 관련된 고령자의 보행특성을 나타내는 보행변수 값을 실측·분석하여 현재의 계단관련 설계기준을 고령자의 실제 보행특성을 반영하여 재정립하고자 한다.
- 그러나 이와 같은 조사는 고령자를 대상으로 정확한 결론을 끌어내는 것이 어려울 뿐만 아니라, 객관적인 수치에 의한 적정 시설 기준을 도출하기에는 무리가 있다. 이에 본 연구에서는 운동역학 및 재활공학 분야에서 신체의 움직임을 분석함에 있어 최근 첨단 기법으로 활용하고 있는 동작분석시스템(Press release(The Kyunghyang Shinmun, 2016)을 적용하여 계단 보행시 보행특성을 측정하여 분석하고자 하였다.
- 이와 같은 고령자 보행시 불편함 및 사고 위험도 경감을 위해 본 연구에서 본 연구에서는 고령자 보행특성을 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 고령자 계단 보행시 적절한 계단 높이(챌면)를 제시하였다. 결과로 도출된 15cm는 기존 보행시설물의 시설 기준인 18cm보다 3cm 낮은 높이로, 고령자 이용시 균형, 하지 관절의 각도 및 근력에 큰 무리가 가지 않는 범위 내에서 이용 가능하다.
제안 방법
- 피측정자는 동일 높이의 계단 보행로를 3회 걷도록 하였으며, 총 3개 챌면 높이에 대해 보행특성을 측정하였다. 1개의 챌면 높이당 3회의 반복 측정값의 평균값을 피측정자의 해당 챌면 높이의 측정 값으로 활용하였다.
- 신체 전반적인 각도(Angle of Pelvic Frontal Tilt, Angle of Shoulder Flexion)를 통해 비정상적인 신체각도 유지 여부를 관찰하였다. 계단 높이의 적절성 판단을 위해 하지 중 무릎(knee)과 족저근(Plantal)의 각도를 측정하여 분석하였다. 힘의 크기(Moments) 변화에 대한 측정 또한 신체 관절 측정 부위(Knee, Ankle, Shoulder)를 대상으로 시행하였다.
- 계단보행의 측정은 총 5개 단의 계단을 연속적으로 오르고 내릴 때의 보행특성을 측정하였다. 실제 측정시에는측정 및 분석의 한계로 인하여 계단 한 단의 높이(챌면 높이)를 시설기준인 18cm와 10cm, 15cm 등 총 3개 높이만을 대상으로 시행하였다.
- 계단의 챌면(계단면)의 높이를 가변적으로 조절할 수 있는 형태의 가변 계단 보행로를 별도 제작하여 본 연구에 활용하였다. 가변 계단 보행로는 크게 계단부, 챌면 높이 조작부, 핸드레일부, 계단참부로 구성하되 다음과 같은 요소별 설계원칙을 수립하여 Figure 2와 같이 제작하였다.
- 고령자 보행시설물 중 계단 시설물에 대한 적정 설계기준 수립을 위해 피측정 고령자를 선별하여 보행특성을 측정하였다. 계단 보행 측정시 균형감각이 크게 저하된 고령자는 낙상의 위험이 매우 크므로 다양한 계단 높이에 대한 측정이 불가능하므로 측정에서 제외하였다.
- 도출된 보행변수들 중에 고령자의 계단 보행능력을 알아보기에 적절한 보행변수를 운동역학 전문가의 자문과 문헌을 활용하여 선정하고 통계분석을 통하여 계단 챌면 높이 관련 설계기준에 반영될 수 있는 요소를 알아보았다.
- 따라서 총 39명의 피측정 대상자 중 Table 6에 제시한 측정 결과의 적정성을 검토하기 위하여 개별 2인의 보행자의 특성을 보다 상세히 비교 · 검토하였다.
- 피험자들은 상지 관절이 보이는 민소매와 타이즈를 착용하였으며, 발목관절의 움직임을 정확히 측정하기 위하여 신발은 미착용 하였다. 또한, 영상 분석 시 관절부위의 좌표획득과 분절 축 형성을 위해 Figure 4와 같이 Helen- Hayes marker set 방법에 따라 신체 부위에 총 29개의 마커를 부착하였으며, 직립자세를 취하게 한 후 신체분절 지수 산출을 위한 정적 촬영 후 무릎과 발목 내측에 부착된 마커들을 제거하고 총 25개의 마커가 부착된 상태에서 본 실험을 진행하였다.
- 이와 같은 결과와 일반적인 계단 관련 시설 지침을 기반으로 다음과 같이 고령자 보행변수 실측 기반의 계단 보행로 설계 기준이 마련되어야 한다. 본 연구에서는 계단 보행로 설계 기준(안)을 예시로 제시하였다.
- 계단 보행시 신체 주요 부위의 관절 각도 또한 주요한 변수로 선정하였다. 신체 전반적인 각도(Angle of Pelvic Frontal Tilt, Angle of Shoulder Flexion)를 통해 비정상적인 신체각도 유지 여부를 관찰하였다. 계단 높이의 적절성 판단을 위해 하지 중 무릎(knee)과 족저근(Plantal)의 각도를 측정하여 분석하였다.
- 지면반발력은 KISTLER 사의 힘측정판(Force plate, Type 9260AA6) 2대(600m×500mm×50mm)를 계단의 3단 및 4단의 중앙부에 설치하여 측정하였으며, 취득률은 1200Hz로 설정 하였다. 영상장비와 지면반력기의 동조는 전기적 동조(electrical sync.)를 이용하여 두 장비의 시작 시점을 동일화 하였다. 영상에서 추출된 좌표 데이터는 2차 Butterworth 저역통과 필터를 이용하여 평활화를 하였으며 사용된 차단주파수는 6Hz이었다.
- Perry(2010)는 그의 저서에서 보행관련 변수를 규정하고, 각 변수의 특징을 제시하였다. 이를 바탕으로 Roh(2016)는 평지보행 및 교통시설과 관련하여 활용할 수 있는 보행변수를 제시하였으며, 본 연구에서는 이를 기본적으로 검토하고 운동역학 전문가의 자문을 통해 계단보행에 적합한 변수를 최종 선별하였다. 그 결과는 Table 3과 같다.
- 낮은 높이의 계단을 오르 내릴때의 신체적 특성값 대비 특정 변수값이 증가 할 때의 계단 높이를 도출하고자 하였다. 이를 위해 다음과 같이 계단 높이를 가변적으로 변경할수 있는 가변 계단 보행로를 제작하여 연구에 활용하였다.
- 이를 통하여 계단과 관련된 고령자의 보행특성을 나타내는 보행변수 값을 실측·분석하여 현재의 계단관련 설계기준을 고령자의 실제 보행특성을 반영하여 재정립하고자 한다.
- 특히 균형이 무너질 경우 낙상사고의 위험이 크므로 이와 관련된 변수의 측정이 필수적이다. 이에 본 연구에서는 무게중심점(Center of Mass, COM) 및 압력중심점(Center of Pressure, COP)를 측정하여 분석하였다. Jung (2005)에 따르면 COM은 인체 질량의 중심으로, 인체의 각 부위에 분포된 질량의 평균위치이다.
- McFadyen and Winter(1988)가 제시한 보행시 발생하는 신체의 들림(lifting)은 계단(챌면)의 높이에 따라 크고 적은 정도가 발생하며, 이에 따라 신체 능력 대비 과대한 챌면의 높이를 갖는 계단을 보행할 경우 낙상의 위험은 커지게 된다. 이에본 연구에서는 적정한 계단 챌면 높이를 도출하기 위한 보행변수, 측정 방법을 다음과 같이 검토하여 분석을 시행하였다.
- 지면반발력은 KISTLER 사의 힘측정판(Force plate, Type 9260AA6) 2대(600m×500mm×50mm)를 계단의 3단 및 4단의 중앙부에 설치하여 측정하였으며, 취득률은 1200Hz로 설정 하였다.
- 평시 보행의 특성 측정을 위해 피측정자는 마커 부착 후 3-5회 왕복 연습보행을 시행하였으며, 이후 본측정을 시작하였다. 피측정자는 동일 높이의 계단 보행로를 3회 걷도록 하였으며, 총 3개 챌면 높이에 대해 보행특성을 측정하였다.
- 평시 보행의 특성 측정을 위해 피측정자는 마커 부착 후 3-5회 왕복 연습보행을 시행하였으며, 이후 본측정을 시작하였다. 피측정자는 동일 높이의 계단 보행로를 3회 걷도록 하였으며, 총 3개 챌면 높이에 대해 보행특성을 측정하였다. 1개의 챌면 높이당 3회의 반복 측정값의 평균값을 피측정자의 해당 챌면 높이의 측정 값으로 활용하였다.
- 피험자들은 상지 관절이 보이는 민소매와 타이즈를 착용하였으며, 발목관절의 움직임을 정확히 측정하기 위하여 신발은 미착용 하였다. 또한, 영상 분석 시 관절부위의 좌표획득과 분절 축 형성을 위해 Figure 4와 같이 Helen- Hayes marker set 방법에 따라 신체 부위에 총 29개의 마커를 부착하였으며, 직립자세를 취하게 한 후 신체분절 지수 산출을 위한 정적 촬영 후 무릎과 발목 내측에 부착된 마커들을 제거하고 총 25개의 마커가 부착된 상태에서 본 실험을 진행하였다.
- 계단 높이의 적절성 판단을 위해 하지 중 무릎(knee)과 족저근(Plantal)의 각도를 측정하여 분석하였다. 힘의 크기(Moments) 변화에 대한 측정 또한 신체 관절 측정 부위(Knee, Ankle, Shoulder)를 대상으로 시행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 보행동작 동작 분석을 위한 영상 장비로 4대의 Raptor-E 및 8대의 Eagle-4 적외선 카메라를 사용하였다. 카메라의 촬영속도는 120frames/sec으로 하였으며, 셔터속도는 1/1000sec로 하였다.
- 계단보행의 측정은 총 5개 단의 계단을 연속적으로 오르고 내릴 때의 보행특성을 측정하였다. 실제 측정시에는측정 및 분석의 한계로 인하여 계단 한 단의 높이(챌면 높이)를 시설기준인 18cm와 10cm, 15cm 등 총 3개 높이만을 대상으로 시행하였다.
- )를 이용하여 두 장비의 시작 시점을 동일화 하였다. 영상에서 추출된 좌표 데이터는 2차 Butterworth 저역통과 필터를 이용하여 평활화를 하였으며 사용된 차단주파수는 6Hz이었다.
- 계단 보행 측정시 균형감각이 크게 저하된 고령자는 낙상의 위험이 매우 크므로 다양한 계단 높이에 대한 측정이 불가능하므로 측정에서 제외하였다. 이와 같은 피측정자 선별 원칙을 기준으로 모집된 총 170명의 피측정대상자 중 측정 및 최종 분석에 활용한 고령자 데이터는 39명으로 한정하였다.
- 일반인을 기준으로 시설물의 설계 및 운영지침이 마련되어 있기 때문에, 고령자는 보행 및 신체능력 저하에 따라 본인의 신체 특성에 맞지 않는 시설 이용시 불편함과 함께 위험도가 증가한다. 이의 논거로 Table 7에 MOHW(2016)에 제시된 19-29세 및 60-69세, 70+세의 신장 및 체중 분포를 제시하였다. Table 7과 같이 고령자는 신장의 경우 최대 8%(11.
이론/모형
- 고령자의 챌면높이에 따른 Table 3에 제시된 보행변수 측정을 위해 Motion Analysis사의 Motion capture system 을 사용하였으며, 사용된 장비와 하드웨어 및 소프트웨어는 Table 4와 같다.
- 이와 같은 계단 챌면 높이를 설정한 근거는 다음과 같다. 현 시설기준에 해당하는 계단을 보행시의 보행특성을 측정하고자 하였으며(18cm), 가장 낮은 10cm는 운동역학 및 보행분석 분야의 기존 문헌의 계단 보행시 가장 낮은 계단 챌면의 높이로 설정하는 값으로 Eun (2004)의 연구방법을 차용하였다. 운동역학 및 보행분석 분야에서는 계단 1 단의 높이가 10cm인 계단 보행시에는 평지보행과 보행특성에 있어 큰 차이가 발생하지 않으므로 이를 기준으로 타높이의 계단과 비교를 시행하고 있다.
성능/효과
- KICT(2016)에서 제시한 건강한 고령자1)를 대상으로 계단, 지하도, 육교, 경사로, 횡단보도, 지하철역, 버스정류장, 일반보도 및 에스컬레이터 등 일상생활 중 접하게 되는 시설물에 대한 종합 불편도 분석 결과, 계단에 대한 불편도가 가장 높은 것으로 나타났다. 여기서 계단 시설 이용시 고령자의 불편사항을 세부적으로 조사한 결과는 Table 1 과 같다.
- 또한 그래프의 최고점을 통해 보행특성의 변화가 발생한 계단(챌면) 높이를 도출할 수 있다. 각 그림별 그래프의 경향은 계단(챌면) 높이에 관계없이 유사한 것으로 판단되며, 이에 따라 본 측정에 참여한 고령자의 계단 보행은 정상적으로 이루어진 것으로 분석되었다.
- 이와 같은 고령자 보행시 불편함 및 사고 위험도 경감을 위해 본 연구에서 본 연구에서는 고령자 보행특성을 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 고령자 계단 보행시 적절한 계단 높이(챌면)를 제시하였다. 결과로 도출된 15cm는 기존 보행시설물의 시설 기준인 18cm보다 3cm 낮은 높이로, 고령자 이용시 균형, 하지 관절의 각도 및 근력에 큰 무리가 가지 않는 범위 내에서 이용 가능하다.
- 계층적 군집분석 시행 결과 계단 높이별 보행특성은 2개의 군집으로 구분됨을 확인하였다. 계층적 군집 분석 결과(2개 군집)를 기준으로 비계층적 군집분석을 시행하였으며, 오름보행 및 내림보행 모두 계단(챌면)의 높이가 10cm인 경우가 별도의 군집으로 분리되었으며, 15cm와 18cm인 경우가 1개의 군집으로 도출되었다. 즉, 계단(챌면) 높이별 보행특성은 높이 15cm 및 18cm인 경우 오름보행 및 내림보행 모두 유사한 보행특성이 나타남을 의미한다.
- 무릎의 각도 변화(Figure 5, 8, 11, 14)를 분석한 결과, 계단(챌면) 높이 10cm 보행시 무릎의 각도가 가장 좁은 각도를 사용하며, 18cm일때 무릎을 가장 많이 사용한다. 또한 무릎 각도만을 기준으로 분석한 결과, 계단(챌면) 높이 15, 18cm에서 유사한 peak값을 갖는 것으로 도출되었다. 이는 15cm 이상 계단(챌면) 높이의 계단 보행시 사용 가능한 무릎 각도가 제한적임을 의미한다.
- 고령자 평균값으로 제시된 값은 보건복지부에서 2016년 12월에 발간한 2015 국민건강통계에서 제시한 60세 이상 고령자의 평균 신장 및 체중값이다. 본 연구에 참여한 고령자 피측정자와 국민건강통계의 고령자 평균은 최대오차 5.4% 이내이며, 특히 신장은 0.3%의 오차율로, 고령자 기준치와 유사하다고 판단된다.
- 상기 분석 내용을 종합적으로 판단한 결과, 고령자의 보행시설 중 계단(단차) 시설은 15cm를 넘지 않도록 시설한계로 설정하여야 한다는 결과를 도출하였다.
- 우리나라 고령자의 보행 교통사고 비율은 OECD 국가 중에 최고수준이며 고령자의 교통사망사고의 약 50%는 보행 중 발생되는 것으로 조사되었다. 또한 한국소비자원 소비자안전국의 ‘계단 사고 관련 위해정보 분석 결과’(2011)에 따르면 조사기간(2009-2011년) 내 위해정보 수집 건수 상위 1위가 계단이며, 미국의 경우 2009년 NEISS (National Electronic Injury Surveillance System, 전미 위해 감시 시스템)에 접수된 위해정보 중 위해품목상위 1위가 계단으로 조사되었다.
- 따라서 총 39명의 피측정 대상자 중 Table 6에 제시한 측정 결과의 적정성을 검토하기 위하여 개별 2인의 보행자의 특성을 보다 상세히 비교 · 검토하였다. 제시된 결과치는 보행능력 기준 상위 10% 이내(39명 측정자 중 상위 4명 중 1인) 및 평균치에 유사한 고령자의 계단보행 특성 결과이다. Figure 5-10은 보행능력이 좋은 고령자(피험자 A)의 보행특성이며, Figure 11-16은 측정 대상자의 평균치에 유사한 보행특성을 보유한 고령자(피험자 B)의 특성이다.
후속연구
- 본 연구의 한계로는 계단 바닥판의 너비 및 폭, 손잡이의 높이 및 재질, 디딤판 및 계단코 등 계단시설을 구성하는 타 요소에 대한 연구는 제외되어 있다. 그러나 고령자가 가장 불편을 호소하는 시설요소에 대한 기준 재정립이 이루어 졌음에 본 연구의 의의가 있다고 판단되며, 본 연구에서 제외된 시설요인의 설계기준에 대한 추가 후속 연구가 필요하다. 뿐만 아니라 계단 이외 경사로 시설의 설계기준에 대한 제시가 필요하다.
- 따라서 고령자 수의 폭발적인 증가와 더불어 고령자의 경제활동 증가를 고려한다면, 향후 고령자의 통행빈도가 더욱 큰 폭으로 증가될 것이 예상된다. 좀 더 현실적으로 표현하면, 미래의 대한민국은 예전의 고령자보다 통행빈도 수가 증가된 1,000만 명의 고령자가 보행과 관련된 교통시설물들(이하, 보행시설물)을 이용하고, 이들 중 약 120만 명의 고령자는 경제활동을 지속적으로 진행하므로 보행시설물들을 현재의 일반인 수준으로 이용하게 될 것이다.
- 또한 보행분석시스템을 이용하여 계단 이외 경사로 등 타 보행시설에 대한 분석 및 설계기준 정립으로 확대를 통해 고령자의 건강하고 안전한 보행자립여건 확보가 가능할 것이다.
- 본 연구에서는 고령자의 계단보행 중 계단(챌면) 높이에 따른 보행특성만을 측정하고, 이를 통해 계단 설계기준에 적용할 수 있는 방안을 제시하였다. 본 연구의 한계로는 계단 바닥판의 너비 및 폭, 손잡이의 높이 및 재질, 디딤판 및 계단코 등 계단시설을 구성하는 타 요소에 대한 연구는 제외되어 있다. 그러나 고령자가 가장 불편을 호소하는 시설요소에 대한 기준 재정립이 이루어 졌음에 본 연구의 의의가 있다고 판단되며, 본 연구에서 제외된 시설요인의 설계기준에 대한 추가 후속 연구가 필요하다.
- 뿐만 아니라 계단 이외 경사로 시설의 설계기준에 대한 제시가 필요하다. 이와 같은 내용은 향후 추가 연구를 통해 제시할 예정이다.
- 이는 일반인에게는 큰 변화는 아니나, 고령자에게는 활동 범위를 넓힐 수 있고 보다 많은 사회·경제 활동을 촉진시킬 수 있다고 판단된다. 이와 같은 변화를 통해 앞으로 맞이 할 고령사회, 초고령사회를 보다 적극적으로 대응할 수 있는 기초가 될 것으로 기대한다.
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