[논문]드롭랜딩 동작 시 다운증후군 아동들의 수직 강성과 하지 운동학적 특성

Koo, Dohoon; Maeng, Hyokju; Yang, Jonghyun

doi:10.5103/kjsb.2019.29.3.137

드롭랜딩 동작 시 다운증후군 아동들의 수직 강성과 하지 운동학적 특성
Vertical Stiffness and Lower Limb Kinematic Characteristics of Children with Down Syndrome during Drop Landing 원문보기

한국운동역학회지 = Korean journal of sport biomechanics, v.29 no.3, 2019년, pp.137 - 143

Koo, Dohoon (Department of Physical Education, Seoul National University) , Maeng, Hyokju (Department of Kinesiology and Health, Georgia State University) , Yang, Jonghyun (Department of Physical Education, Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Objective: Ligament laxity and hypotonia are characteristics of Down syndrome patients. The aim of this study was to compare the landing pattern between Down syndrome patients and typically developing subjects. To compare the landing pattern, variables related to ligament laxity and hypotonia i.e. vertical stiffness and lower extremities kinematics were investigated. Method: Five subjects with Down syndrome (age: $14.6{\pm}1.8years$, mass: $47.6{\pm}6.94kg$, height: $147.9{\pm}6.0cm$) and six able-bodied subjects (age: $13.2{\pm}0.4years$, mass: $54.7{\pm}6.7kg$, height: $160.1{\pm}9.8cm$) participated in this study. Results: The vertical displacement of the center of mass, vertical reaction force, leg stiffness and range of ankle angle range among Down syndrome patients were significantly different than typically developing group. The youth with Down's syndrome appeared to receive greater vertical impact force at landing than normal youth. Conclusion: The differences in the biomechanical characteristics suggest the delay in motor development among Down syndrome patients and an increased risk of injury to the lower extremity during movement execution such as drop landing.

주제어

표/그림 (3)

그림 Figure 1. Drop-landing task
표 Table 1. Result of adolescent with down syndrome and able bodied
그림 Figure 2. Ankle joint angle (A), knee joint angle (B), and hip joint angle (C) changes during drop landing are shown with DS (Down syndrome (solid line)) and AB (able-bodied adolescent (dashed line)) groups. Upward arrows show event of ground contact of the DS group, and downward arrows show event of ground contact of the other group.

AI 본문요약
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문제 정의

다운증후군의 움직임 특성을 이해하기 위한 다수의 연구들이 보고되어 왔으나, 근긴장저하, 인대 이완과 직접적 연관이 있는 하지의 강성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 착지 동작 시 다운증후군과 비장애 아동의 수직 강성과 하지의 움직임을 비교 분석하여 다운증후군 움직임 특성에 대한 생체역학적 이해를 높이는데 그 목적이 있다.
본 연구는 다운증후군 아동의 생체역학적 특성을 이해하기 위하여 수행되었다. 이를 위해 드롭랜딩 동작 시 하지 수직 강성, 최대 수직 지면반력, 하지 질량 중심 수직 이동 변위, 하지 관절 가동범위, 하지 관절 굴곡 시점을 비장애인과 비교 분석하였다.

가설 설정

1. 다운증후군 아이들의 수직 강성은 비장애 아이들보다 크게 나타날 것이다.
2. 다운증후군 아이들은 착지 동작 시 비장애 아이들보다 더 작은 충격 흡수 동작을 보일 것이다.
7개의 분절(좌우 발 분절, 좌우 하퇴 분절, 좌우 대퇴 분절, 골반 분절)을 강체로 가정하였고, 모든 관절은 상위 분절에 정의된 좌표계를 기준으로 하위 분절의 상대각도로 산출하였다. 이 때 모든 관절에 정의된 좌표계는 해부학적 자세를 기준으로 우측을 x-축, 앞쪽을 y-축, 위쪽을 z-축의 +방향으로 정의하였다.

제안 방법

체공 구간은 점프 후 신체 중심의 높이가 가장 높은 지점부터 착지 시점까지를 의미하고, 착지 구간은 착지 시점부터 신체 중심이 가장 낮아지는 지점 사이까지의 구간을 의미한다. 각 구간에서 족관절, 슬관절, 고관절의 굴곡/신전 각도의 가동범위를 산출하였다. 하지 관절의 가동 시점(joint movement on-set)은 착지 전 체공기에서 최대 신전 후 굴곡이 시작되는 시점의 시간을 산출하여 제시하였다.
다운증후군과 비장애 아동의 드롭랜딩 동작의 특성을 비교하기 위하여, 하지 수직 강성(vertical stiffness), 최대 수직 지면반력(VGRF, vertical ground reaction force), 하지 질량 중심 수직 이동 변위(COM vertical displacement), 족관절, 슬관절, 고관절 가동범위, 착지 전 족관절, 슬관절, 고관절 최대 굴곡 시점을 산출하였다.
준비 동작 시 들고 있는 비우세 다리(non-dominant leg)의 하퇴와 대퇴는 90도를 유지하도록 하였으며, 동작 중 손의 간섭을 통제하기 위하여 손은 허리 위에 올려놓은 상태로 모든 동작을 수행하도록 요청하였다(Figure 1). 박스의 위치는 착지지점인 지면반력판 모서리에 최대한 가깝게 하여 수직 착지 동작이 나타나도록 유도하였다. 착지 후 바로 움직이지 않고 약 2초 이상 판위에서 균형을 회복한 후 전방으로 걸어가도록 하였다.
먼저 3차원 동작 분석을 위해 피험자의 하지에 적외선 반사 마커를 부착하였다. 실험 대상자들은 마커 부착이 용이하고, 데이터의 왜곡을 줄일 수 있는 전신 타이즈를 착용하였고, 마커들은 벨크로 형태로 대상자들의 각 관절점 및 분절에 부착되었다. 마커는 좌우 양 측의 ASIS, PSIS, 슬관절 내/외측, 족관절 내/외측, heel, toe, 대퇴/하퇴 분절 추적 마커를 포함하여 총 32개를 부착하였다.
착지 시 발이 판에서 벗어나거나, 착지 후 2초 이상 자세 유지를 하지 못한 경우, 착지 후 전방이 아닌 좌우 방향으로 걸어간 경우는 실패로 간주하고 다시 과제를 수행하였다. 언급한 과제 동작 요건에 부합한 5회의 드롭랜딩 동작을 분석에 활용하였다.
본 연구는 다운증후군 아동의 생체역학적 특성을 이해하기 위하여 수행되었다. 이를 위해 드롭랜딩 동작 시 하지 수직 강성, 최대 수직 지면반력, 하지 질량 중심 수직 이동 변위, 하지 관절 가동범위, 하지 관절 굴곡 시점을 비장애인과 비교 분석하였다.
피험자의 우세 다리를 결정하기 위해 실험 전 한 다리로 서있는 동작을 좌우측 모두 실시하고, 피험자 본인이 더 편하다고 느끼는 다리를 우세 다리로 정하였다. 준비 동작 시 들고 있는 비우세 다리(non-dominant leg)의 하퇴와 대퇴는 90도를 유지하도록 하였으며, 동작 중 손의 간섭을 통제하기 위하여 손은 허리 위에 올려놓은 상태로 모든 동작을 수행하도록 요청하였다(Figure 1). 박스의 위치는 착지지점인 지면반력판 모서리에 최대한 가깝게 하여 수직 착지 동작이 나타나도록 유도하였다.
지면반력을 측정하기 위하여 1대의 지면반력기(AMTI OR 6-7, USA)를 사용하였으며, Sampling rate는 1,500 Hz, Gain은 4,000, 전압의 범위는 ±10V 내에서 자료를 수집하였다.
하지 수직 강성을 계산하기 위하여 최대 수직 지면반력과 하지 질량 중심 수직 이동 변위를 우선 산출하였다. 최대 수직 지면반력은 피험자들이 드롭랜딩 시 발생하는 수직 충격력 중 가장 큰 최대값으로 하였으며, 연구대상자의 체중으로 일반화 하였다. 하지 질량 중심점 위치는 각 분절의 질량 중심점과 질량을 통해 아래와 같이 산출을 하였다.
본 연구에서 실시한 드롭랜딩은 50 cm (length) × 50 cm (width) × 30 cm (height) 크기의 박스에서 한 발을 들고 우세 다리(dominant leg)로만 서있는 상태에서 우세 다리로 점프하여 박스 앞에 위치한 지면반력기 위로 우세 다리로 착지하는 동작이었다. 피험자의 우세 다리를 결정하기 위해 실험 전 한 다리로 서있는 동작을 좌우측 모두 실시하고, 피험자 본인이 더 편하다고 느끼는 다리를 우세 다리로 정하였다. 준비 동작 시 들고 있는 비우세 다리(non-dominant leg)의 하퇴와 대퇴는 90도를 유지하도록 하였으며, 동작 중 손의 간섭을 통제하기 위하여 손은 허리 위에 올려놓은 상태로 모든 동작을 수행하도록 요청하였다(Figure 1).
하지 관절의 가동 범위(ROM, Range of Motion)는 체공 구간과 착지 구간을 구분하여 산출하였다. 체공 구간은 점프 후 신체 중심의 높이가 가장 높은 지점부터 착지 시점까지를 의미하고, 착지 구간은 착지 시점부터 신체 중심이 가장 낮아지는 지점 사이까지의 구간을 의미한다.
각 구간에서 족관절, 슬관절, 고관절의 굴곡/신전 각도의 가동범위를 산출하였다. 하지 관절의 가동 시점(joint movement on-set)은 착지 전 체공기에서 최대 신전 후 굴곡이 시작되는 시점의 시간을 산출하여 제시하였다.
하지 수직 강성을 계산하기 위하여 최대 수직 지면반력과 하지 질량 중심 수직 이동 변위를 우선 산출하였다. 최대 수직 지면반력은 피험자들이 드롭랜딩 시 발생하는 수직 충격력 중 가장 큰 최대값으로 하였으며, 연구대상자의 체중으로 일반화 하였다.
하지 질량 중심 수직 이동 변위는 점프 후 지면에 착지하는 시점부터 하지 질량 중심의 수직 변위가 가장 낮아지는 지점까지의 거리로 산출하였으며 연구대상자의 키로 일반화하였다.

대상 데이터

8대의 적외선 카메라를 통해 얻은 적외선 반사 마커의 시계열 자료와 지면반력기 신호는 A/D 보드(Qualisys USB analog acquisition interface, Sweden)를 통해서 컴퓨터의 Qualisys Track Manager 2.4 (Build 540) 소프트웨어를 통해 실시간으로 동조되어 수집되었다. 수집된 자료는 Visual3D (Professional v6.
실험 대상자들은 마커 부착이 용이하고, 데이터의 왜곡을 줄일 수 있는 전신 타이즈를 착용하였고, 마커들은 벨크로 형태로 대상자들의 각 관절점 및 분절에 부착되었다. 마커는 좌우 양 측의 ASIS, PSIS, 슬관절 내/외측, 족관절 내/외측, heel, toe, 대퇴/하퇴 분절 추적 마커를 포함하여 총 32개를 부착하였다.
본 연구에는 S대 장애인체육 프로그램에 참가하고 있는 다운증후군(DS, Down Syndrome) 아동 5명(age: 14.6±1.8 years, mass: 47.6±6.94 kg, height: 147.9±6.0 cm)과 비장애인(TD, Typical Development) 아동 6명(age: 13.2±0.4 years, mass: 54.7±6.7 kg, height: 160.1±9.8 cm)이 참여하였다.
본 연구에서는 동작을 분석하기 위하여 적외선 카메라(QualisysOqus 500, Sweden) 8대를 사용하였다. 카메라는 모든 동작을 촬영할 수 있도록 배치하였으며, Sampling rate는 150 frames/sec으로 하였다.
카메라는 모든 동작을 촬영할 수 있도록 배치하였으며, Sampling rate는 150 frames/sec으로 하였다. 총 38개의 반사 마커를 부착하였다. 지면반력을 측정하기 위하여 1대의 지면반력기(AMTI OR 6-7, USA)를 사용하였으며, Sampling rate는 1,500 Hz, Gain은 4,000, 전압의 범위는 ±10V 내에서 자료를 수집하였다.

데이터처리

다운증후군 아동들과 비장애인 아동들의 drop landing 동작 시 산출된 변인들의 비교를 위하여 독립 t검증(independent t-test)을 실시하였으며 통계적 유의 수준은 α=.05로 설정하였다.
4 (Build 540) 소프트웨어를 통해 실시간으로 동조되어 수집되었다. 수집된 자료는 Visual3D (Professional v6.00.20, C-Motion Inc., USA)과 Excel 2010 (Microsoft Inc., USA) 프로그램을 사용하여 분석하였다. 카메라를 통해 얻어 계산되어진 3차원 위치 좌표 중 카메라가 정확한 수집을 하지 못하였다고 판단되는 부분에서는 3차 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)을 사용하여 최적의 위치 좌표 복원하였다.

이론/모형

카메라를 통해 얻어 계산되어진 3차원 위치 좌표 중 카메라가 정확한 수집을 하지 못하였다고 판단되는 부분에서는 3차 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)을 사용하여 최적의 위치 좌표 복원하였다. 3차원 위치 좌표 자료와 지면반력 자료를 수집하면서 발생된 노이즈를 제거하기 위하여 차단주파수(cut-off frequency)는 6 Hz의 4차 계수 저역 통과 버터워스 필터링(4th order low-pass butterworth filtering)을 적용하였다.
, USA) 프로그램을 사용하여 분석하였다. 카메라를 통해 얻어 계산되어진 3차원 위치 좌표 중 카메라가 정확한 수집을 하지 못하였다고 판단되는 부분에서는 3차 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)을 사용하여 최적의 위치 좌표 복원하였다. 3차원 위치 좌표 자료와 지면반력 자료를 수집하면서 발생된 노이즈를 제거하기 위하여 차단주파수(cut-off frequency)는 6 Hz의 4차 계수 저역 통과 버터워스 필터링(4th order low-pass butterworth filtering)을 적용하였다.
하지의 수직 강성은 계산된 최대 수직 지면반력과 하지 질량 중심 수직 이동 변위값을 사용하여, McMahon & Cheng(1990)이 제시한 방법에 따라 아래와 같이 산출하였다.

성능/효과

드롭랜딩 시 시간에 따른 하지 관절 각도 변화 시점을 비교한 결과 비장애 아동은 족관절과 슬관절 굴곡이 동시에 먼저 나타나고, 고관절 굴곡이 그 이후에 나타나는 패턴을 보였다. 그러나 다운증후군 아동 그룹은 슬관절 굴곡이 우선 나타나고, 그 이후 족괄절, 고관절 굴곡의 순으로 착지 전 공중 동작 시 관절 굴곡 시작 시점이 다르게 나타난 것으로 나타났다. 이 중 슬관절 굴곡이 다운증후군 아동 그룹에서 유의하게 빠르게 나타났다[t=3.
다운증후군 비장애 아동의 최대 수직 지면반력은 3.74±0.58 N/kg으로 일반 아동의 최대 수직 충격력 2.98±0.44 N/kg에 비하여 유의하게 큰 것으로 나타났다[t=2.482, p<0.05].
다운증후군 아동의 하지 질량 중심 수직 이동 변위는 0.10±0.02로 비장애 아동의 하지 질량 중심 수직 이동 변위 0.12±0.01 보다 유의하게 작게 나타났다[t=-2.597, p<0.05] (Table 1).
드롭랜딩 시 다운증후군 아동의 하지 수직 강성은 25.71± 6.00 N/kg로 비장애 아동의 하지 수직 강성 15.87±2.54 N/kg보다 유의하게 큰 것으로 나타났다[t=3.677, p<0.01].
, 2003). 본 연구에 참여한 다운증후군 아동은 점프 착지 동작 시 충격 흡수를 위한 하지의 상하 움직임이 비장애 아동보다 작게 나타났고, 충격력 또한 더 크게 나타나며 높은 수직 강성을 보였다. 다운증후군 아동에게 나타나는 높은 수직 강성은 일상 동작 시 계단 내려가기와 같이 신체 중심이 수직하 방향을 향하는 동작을 할 때 발생하는 하지의 충격력에 적절하게 대응하기 어렵게 하기 때문에 부상 위험성을 높이는 요인이 될 수 있다고 생각된다.
05]. 점프 후 착지까지 관절의 가동범위에서는 두 그룹간 차이가 나타나지 않았으나, 착지 후 발목 관절 가동범위에서만 차이가 나타났다(Table 1).
착지 구간에서는 슬관절과 고관절 가동범위는 유의한 차이가 나타나지 않았지만, 족관절에서 다운증후군 아동 그룹의 가동범위는 33.0±9.01°, 비장애 아동 그룹의 가동범위는 43.59±4.32°로 나타나 다운증후군 아동의 족관절 가동범위가 유의하게 작게 나타났다[t=-2.568, p<0.05].
체공 구간에서 다운증후군 아동과 비장애 아동의 족관절, 슬관절, 고관절 가동범위는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 착지 구간에서는 슬관절과 고관절 가동범위는 유의한 차이가 나타나지 않았지만, 족관절에서 다운증후군 아동 그룹의 가동범위는 33.

후속연구

본 연구는 근긴장저화와 인대의 이완의 신체적 특성을 가지고 있는 다운증후군들의 하지 강성과 착지 동작의 특성을 밝히고자 하였지만, 근긴장저화와 인대의 이완이 비장애인과 얼마나 차이가 나타나는지에 대한 직접적인 검증을 이루지는 못하였다. 또한 충분한 피험자 확보를 못하였기에 본 연구의 결과를 모든 다운증후군의 특성이라고 일반화하기에는 한계가 있다고 생각된다. 추후 연구에서 충분한 피험자를 확보한 후 다운증후군과 비장애 아동의 수직 강성과 더불어 근긴장도와 관절의 이완을 직접적으로 평가하여, 이를 바탕으로 각 관절의 근력과 관절 강성을 비교한다면 다운증후군의 동작의 생체역학적 이해를 더욱 높일 수 있을 것이라 기대한다.
본 연구는 근긴장저화와 인대의 이완의 신체적 특성을 가지고 있는 다운증후군들의 하지 강성과 착지 동작의 특성을 밝히고자 하였지만, 근긴장저화와 인대의 이완이 비장애인과 얼마나 차이가 나타나는지에 대한 직접적인 검증을 이루지는 못하였다. 또한 충분한 피험자 확보를 못하였기에 본 연구의 결과를 모든 다운증후군의 특성이라고 일반화하기에는 한계가 있다고 생각된다.
또한 충분한 피험자 확보를 못하였기에 본 연구의 결과를 모든 다운증후군의 특성이라고 일반화하기에는 한계가 있다고 생각된다. 추후 연구에서 충분한 피험자를 확보한 후 다운증후군과 비장애 아동의 수직 강성과 더불어 근긴장도와 관절의 이완을 직접적으로 평가하여, 이를 바탕으로 각 관절의 근력과 관절 강성을 비교한다면 다운증후군의 동작의 생체역학적 이해를 더욱 높일 수 있을 것이라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다운증후군의 특징은 무엇인가?	염색체 이상으로 인해 나타나는 다운증후군은 작은 키, 특이한 얼굴 생김새, 낮은 지능, 운동 발달 지연 등의 특징을 가지고 있다(Sherrill, 1998). 특히 다운증후군의 일반적 특성으로 알려져 있는 운동 발달 지연은 모터뉴런(motoneuron) 활성 저하와 신장 반사의 문제로 인해 비정상적인 근육 활성화가 유발되는 근긴장저하(hypotonia)와 인대 이완(ligament laxity)에 기인한다(Carr, 1970; Gilman, Bloedel & Lechtenberg, 1981).
	다운증후군 아동들의 점프 동작 시 보이는 형태는 어떠한가?	다운증후군은 보행 시 짧은 보폭과 낮은 보행 속도를 가지고 있으며(Galli et al., 2008), 점프 동작 시에는 느린 준비 동작과 최대 점프 높이가 낮게 나타난다(Yu et al., 2008).
	높은 수직 강성의 문제점은 무엇인가?	높은 수직 강성은 하지의 움직임 가동범위를 작게 하고 착지 시 발생하는 충격력을 높이기 때문에 상해에 쉽게 노출되는 원인이 될 수 있다(Butler et al., 2003).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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