[논문]달리기 속도와 경사가 하지관절의 생체역학에 미치는 영향

김종빈

doi:10.22156/cs4smb.2020.10.04.160

달리기 속도와 경사가 하지관절의 생체역학에 미치는 영향
The Effect of Running Speed and Slope on the Lower Extremity Biomechanics 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.10 no.4, 2020년, pp.160 - 167

김종빈 (한국체육대학교 모션이노베이션센터)

초록
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본 연구는 달리기 시 속도와 경사변화가 하지관절의 생체역학적 요인에 미치는 영향을 보고자 한다. 이를 위해 20대 성인남성 15명이 트레드밀에서 2.7, 3.3 m/s와 -9°, -6°, 0°, 6°, 9°로 달리기를 실시하였고, 속도와 경사 변화에 따른 주행특성(보장, 보빈도), 생체역학적 변인(발목, 무릎, 엉덩관절의 가동범위, 모멘트, 관절파워), 지면반력(수직지면반력, 부하율, 제동력, 추진력)을 측정하였다. 연구결과, 주행특성은 오르막 달리기(UR)가 내리막 달리기(DR)에 비해 크게 나타났다(p<.05). 하지관절의 가동범위와 수직지면반력은 UR에서 크게 나타났고(p<.05), 하지관절의 모멘트와 제동력, 추진력, 부하율은 DR에서 크게 나타났다(p<.05). 관절파워는 발목관절은 DR에서 크고, 엉덩관절에서는 UR이 크게 나타났다(p<.05). 이러한 결과로부터 3.3m/s의 속도로 DR을 달리는 경우에서 발목관절 부상의 영향이 클 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes the effects of changes in running velocity and slope on the biomechanical factors of the lower limb joints. For this purpose, 15 adult males in their 20s ran according to changes in running speed (2.7, 3.3 m/s) and slope ( -9°, -6°, 0°, 6°, 9°) on the treadmill, and their running characteristics (stride length, stride frequency). The range of motion of the lower limb joint and the vertical ground reaction force were greater in UR (p <.05), and the moment of the lower limb joint, braking force, thrust and load factor was large in DR (p <.05). In joint power, the ankle joint was greater in DR, and hip joint was greater in the UR (p <.05). These results show that the injuries of the ankle joint will be greater than other cases when running DR at a speed of 3.3 m/s.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Reflective marker set
표 Table 1. Characteristics of participants M (SD)
그림 Fig. 2. Running biomechanics
그림 Fig. 3. Defintion of the Lab coordinate joint angle
표 Table 2. Comparisons of running parameters between speed and slope conditions N=15
표 Table 3. Comparisons of ankle joint between speed and slope conditions N=15
표 Table 4. Comparisons of knee joint between speed and slope conditions N=15
표 Table 5. Comparisons of Hip joint between speed and slope conditions N=15
표 Table 6. Comparisons of GRF between speed and slope conditions N=15

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 지속적으로 달리기를 실시하는 20대 성인 남성을 대상으로 다양한 속도와 경사변화로 인해 하지관절에 미치는 영향 살펴보았다. 이를 위해 하지관절의 생체역학적 특성과 지면반력을 측정하였다.
본 연구는 지속적으로 운동을 실시한 젊은 성인남성을 대상으로 달리기 시 속도와 경사기울기의 변화에 따라 발생되는 주행특성과 하지관절 가동범위 및 관절 모멘트, 관절 파워, 지면반력 차이를 비교하였다. 이를 통해서 달리기 시 속도변화와 경사변화 따라 하지관절에 미치는 효과를 파악하여 건강증진과 상해예방에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
본 연구는 지속적으로 운동을 실시한 젊은 성인남성을 대상으로 달리기 시 속도와 경사기울기의 변화에 따라 발생되는 주행특성과 하지관절 가동범위 및 관절 모멘트, 관절 파워, 지면반력 차이를 비교하였다. 이를 통해서 달리기 시 속도변화와 경사변화 따라 하지관절에 미치는 효과를 파악하여 건강증진과 상해예방에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.

제안 방법

달리기 동작을 측정하기 위해 8대 적외선 카메라 (Oqus 300, Qualisys, Sweden)를 사용하였으며, 촬영속도는 100 Hz 으로 설정하였다. 그리고 지면반력기 2대가 내장된 트레드밀(Instrumented treadmill, Bertec, USA) 위에서 달리기를 수행하였고 이때 샘플링율 1000 Hz 로 설정하였다.
달리기의 속도와 경사는 트레드밀 소프트웨어(Bertec, USA)를 통해 통제하여 2.7, 3.3 m/s 로 설정 하였고 경사는 DR –6°, -9°, LR 0°, UR] 6°, 9° 로 실시하였다[20].
대상자의 신체적 특성을 관찰하기 위하여 신장과 체중을 측정한 후, 안전한 달리기의 동작을 위해 준비운동을 5분간 실시하였다. 자신의 신발을 신게 한 후 움직임을 정확하게 측정하기 위해 하의 타이즈를 착용하고 하지관절에 구형 반사마커를 15개와 하지분절의 움직임을 파악하기 위해 허벅지와 종아리에 각각 1개씩 반사마커가 붙어 있는 클러스터를 2개를 부착하였다.
먼저 달리기 시 속도와 경사변화에 따른 주행특성을 살펴보았다. 보장(Stride length)을 하지장길이로 표준화하여 비교하였을 때[21] 보장은 3.
본 연구에서는 EMG를 이용하여 근육의 활성도와 신체특성에 따른 관계를 배제시켰다. 후속연구에서는 다양한 연령과 성별 그리고 속도의 변화요인 등을 연구가 지속적으로 이루어져 병원이나 재활 센터, 헬스 센터에서의 운동 처방에 중요한 기초 자료가 될 것이다.
본 측정을 수행하기 전에 자연스러운 달리기를 유도하기 위해 초기 5분 동안 속도를 조금씩 증가하여 경사 별로 달리기를 연습 후, 근육의 피로를 최소화하기 위하 여 충분한 휴식을 갖은 후 실제 실험을 진행하였다. 달리기의 속도와 경사는 트레드밀 소프트웨어(Bertec, USA)를 통해 통제하여 2.
달리기 시 지면반력 변인에 차이는 Table 6과 같다. 속도 2.7 m/s와 3.3 m/s에서 수직지면반력과 부하율, 제동력과 추진력을 살펴보았다. 속도별 차이에서는 수직지면반력과 부하율에서는 DR 9°, DR 6°, LR 0°, UR 6°에서 차이가 나타났으며(p<.
본 연구는 지속적으로 달리기를 실시하는 20대 성인 남성을 대상으로 다양한 속도와 경사변화로 인해 하지관절에 미치는 영향 살펴보았다. 이를 위해 하지관절의 생체역학적 특성과 지면반력을 측정하였다.
대상자의 신체적 특성을 관찰하기 위하여 신장과 체중을 측정한 후, 안전한 달리기의 동작을 위해 준비운동을 5분간 실시하였다. 자신의 신발을 신게 한 후 움직임을 정확하게 측정하기 위해 하의 타이즈를 착용하고 하지관절에 구형 반사마커를 15개와 하지분절의 움직임을 파악하기 위해 허벅지와 종아리에 각각 1개씩 반사마커가 붙어 있는 클러스터를 2개를 부착하였다.
달리기 동작분석 자료처리는 Qualisys사의 Qualisys Track Manager 프로그램을 이용하여 각 관절의 위치 데이터와 지면반력 자료를 획득하였다. 취득한 자료의 노이즈를 제거하기 위해 Butterworth 2nd order low-pass filter를 하였고, 이때 3차원 위치좌표 데이터는 차단주파수 12 Hz(Heiderscheit et al., 2011)로 지면반력 자료는 차단주파수 100 Hz로 실시하였다. Visual3D (C-Motion, USA)와 Matlab R2014a (The Mathworks, USA)를 이용하였다.
트레드밀 위에서 대상자가 오른발의 뒤꿈치 부위가 지면에 닿는 순간(heel strike)부터 발가락 부위가 지면으로부터 떨어지는 시점(toe off)까지의 지지국면 (stance phase)을 생체역학적 변인의 분석구간으로 설정하였다.

대상 데이터

, 2011)로 지면반력 자료는 차단주파수 100 Hz로 실시하였다. Visual3D (C-Motion, USA)와 Matlab R2014a (The Mathworks, USA)를 이용하였다.
달리기 동작분석 자료처리는 Qualisys사의 Qualisys Track Manager 프로그램을 이용하여 각 관절의 위치 데이터와 지면반력 자료를 획득하였다. 취득한 자료의 노이즈를 제거하기 위해 Butterworth 2nd order low-pass filter를 하였고, 이때 3차원 위치좌표 데이터는 차단주파수 12 Hz(Heiderscheit et al.
달리기 동작을 측정하기 위해 8대 적외선 카메라 (Oqus 300, Qualisys, Sweden)를 사용하였으며, 촬영속도는 100 Hz 으로 설정하였다. 그리고 지면반력기 2대가 내장된 트레드밀(Instrumented treadmill, Bertec, USA) 위에서 달리기를 수행하였고 이때 샘플링율 1000 Hz 로 설정하였다.
본 연구의 대상자는 최근 12개월 이내에 하지 근 골격계 문제로 치료 및 수술 이력이 없고, 주 3회, 2시간 이상 달리기를 실시하는 20대 성인남성 15명을 선정하였다. 모든 대상자는 자발적 참여하였고 본 연구는 K 대학 연구윤리 위원회(IRB)에서 승인 후 실험을 실시하였다(1263-201907-HR-038-01).

데이터처리

통계 처리는 SPSS Ver. 25.0 software (IBM, USA)을 이용하여 달리기 시 속도와 경사 변화에 따른 하지관절의 생체역학적인 변인의 특징을 찾기 위하여 Two-way repeated ANOVA를 실시하였고, 사후분석은(post-hoc)은 Bonferroni 사용하였다. 이때 유의 수준은 α =.

성능/효과

이는 UR이 더 큰 달리기 효율성을 가지고 있으며, 많은 에너지를 사용하고 있어 보장은 작고 보빈도는 크게 나타났다. DR과 LR의 주행특성은 비슷하나 UR에서는 하지관절을 더 높이 들어서 더 큰 힘으로 달리기를 실시하려는 경향을 알 수 있었다
결론적으로 속도증가에 따라 모든 변인은 2.7 m/s 보다 3.3 m/s가 크게 나타났으며, 주행특성인 보장은 DR이 보빈도는 UR이 LR와 DR에 비해 크게 나타났다. 경사면에 따라 지면의 충격인 수직지면반력은 UR가 크게 나타났고(p<.
경사면에 따라 지면의 충격인 수직지면반력은 UR가 크게 나타났고(p<.05), 충격을 흡수 하는 발목, 엉덩관절모멘트, 제동력과 추진력, 부하율은 DR에서 크게 나타났다(p<.05).
경사별 차이에서는 가동범위, 신전모멘트, 관절파워에서 통계적 유의한 차이 나타났으며(p<.05), 사후검증 결과 가동범위 와 관절파워는 UR 9°이 크게 나타났으며(p<.05), 신전모멘트는 DR 9°에서 크게 나타났다(p<.05).
경사별 차이에서는 지면반력 변인 모두 유의한 차이가 나타났으며, 수직지면반력에 서는 UR 6°이 UR 9°보다 크게 나타났으며(p<.05), 부하율에서는 UR 9°이 다른 경사보다 작게 나타났다 (p<.05).
관절파워는 DR 6°, LR 0°, UR 6°, UR 9°에서 속도별 차이가 나타났고, 경사별 차이에서는 DR 9°, DR 6°, LR 0°, UR 6°, UR 9° 순으로 크기가 크게 나타났다(p<.05).
무릎관절의 가동범위와 관절파워는 속도에 차이는 나타나지 않았고, 신전모멘트에서는 LR에서만 차이가 나타났다. Roberts & Belliveau[26]는 무릎관절의 모멘트와 파워는 경사의 따라 영향이 없을 수 있다고 하였다.
발목관절의 저측굴곡모멘트는 DR 6°, LR 0°, UR 6°에서 속도별 차이가 나타났고, 경사별 차이에서는 DR 9°, DR 6°, LR 0°, UR 6°, UR 9° 순으로 크기가 커지는 것을 관찰하였다(p<.05).
보빈도에서 경사별 차이는 DR 9°, LR 0°이 UR 9°보다 크게 나타났으며, DR 6°이 UR 6°보다 작게 나타났으며(p<.05), 속도별 차이도 UR 9° 이 크게 나타났다(p<.05).
이유인 즉 엉덩관절의 짧은 모멘트 암이 신전근을 통해 움직임이게 하여 UR가 더 관절파워가 크게 하였다. 본 연구를 통해 빠른 속도로 경사 있는 달리기를 실시하면 전신에 전이될 수 있는 충격을 엉덩관절을 많이 사용할수록 충격의 흡수를 많이 될 수 있다고 사료된다.
그리고 저측굴곡 모멘트에서 DR 6° , LR 0° UR 6° 에서 차이가 나타났는데 선행연구에서는 운동시간에 따라 DR은 배측굴곡 모멘트는 작아지고, UR은 저측굴곡 모멘트가 커진다고 하였다[25]. 본 연구에서는 경사의 기울기가 커지면 저측굴곡 모멘트가 커지는 것을 알 수 있었다. 관절파워는 모든 속도와 경사에서 차이가 나타났으며, 경사에 따라서는 UR 9° 에서 크게 나타났다.
그리고 DR은 LR[26,27]와 UR[27]의 빠른 속도에서 접촉 시 실질적으로 더 많은 무릎관절이 신장되며, 제동단계[26,27]를 유지하면서 무릎관절 가동범위의 크기와 연관되어 있다고 하였다. 본 연구에서는 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았지만 DR에서 LR과 UR보다 무릎관절 가동범위가 커짐에 따라 신전모멘트와 관절파워도 증가하였다. 이는 같은 속도로 달리기 시 경사에 따라 무릎 관절에서 더 큰 에너지 흡수로 인한 것일 수 있음을 관찰되었다.
상호작용효과 검증 결과 보장과 보빈도는 속도와 경사에 따라 통계적 차이가 나타났다 (p<.05).
속도별 차이에서 무릎관절 신전모멘트가 LR 0°에서 3.3m/s가 크게 나타났으며(p<05), 경사별 차이에서는 유의한 차이는 나타나지 않았지만 가동범위는 DR 9° 이 크게 나타났고, 신전모멘트는 UR 9°가 크게 나타났으며, 관절파워는 DR이 크게 나타났다.
속도별 차이에서 발목관절 가동범위가 DR 9° 와 UR 6° 에서 3.3m/s가 크게 나타났으며(p<.05), 경사별 차이에서는 DR 9°, DR 6°, LR 0°, UR 6°, UR 9° 순으로 크기가 커지는 것을 관찰하였다(p<.05).
속도별 차이에서 엉덩관절 가동범위와 관절파워에서는 DR 6°, LR 0°, UR 6°, UR 9°에서 3.3m/s 크게 나타났으며(p<05), 신전모멘트는 DR 9°, LR 0°, UR 6°, UR 9°에서 3.3m/s 크게 나타났다(p<05).
속도별 차이에서는 수직지면반력과 부하율에서는 DR 9°, DR 6°, LR 0°, UR 6°에서 차이가 나타났으며(p<.05), 제동력과 추진력에서는 DR 9°, DR 6°, LR 0°, UR 6°, UR 9°에서 차이가 나타났다(p<.05).
3 m/s로 달리는 충격력 피크는 경사의 감소에 따라 크기도 감소하지만 active 피크는 동일하게 유지된다고 하였고, LR은 추진력과 제동력은 속도에 따라 증가한다고 하였다[13]. 즉, 추진력은 LR과 비교했을 때 DR에서 57 % 더 낮았고, UR에서 68 % 더 높았다. 또한 Lussiana 등[27]은 러너가 경사가 LR에서 UR로 변경됨에 따라 중족과 전족으로 달리기를 실시한다고 하였다.
하지장길이로 표준화 하여 살펴본 결과, 3.3 m/에서 보장이 길게 나타났으며, 경사면에서는 DR 9° DR 6° LR 0°이 UR 9° 보다 크게 나타났 다(p<.05).

후속연구

이에 따라 본 연구는 20세 이상 지속적으로 운동한 젊은 성인남성을 대상으로 다양한 속도 (2.7 m/s, 3.3 m/s)와 경사 기울기로(-9°, -6°, 0°, 6°, 9°) 달리기 시 하지관절의 생체역학적 변화와 지면반력의 크기를 분석하여, 기본적인 이동 메커니즘을 평가하고, 올바른 운동 방법과 운동강도에 대한 기초적인 자료를 제공함으로써 달리기 시 발생할 수 있는 부상 발생 가능성을 예측하는데 중요한 정보로 활용 될 수 있다.
본 연구에서는 EMG를 이용하여 근육의 활성도와 신체특성에 따른 관계를 배제시켰다. 후속연구에서는 다양한 연령과 성별 그리고 속도의 변화요인 등을 연구가 지속적으로 이루어져 병원이나 재활 센터, 헬스 센터에서의 운동 처방에 중요한 기초 자료가 될 것이다.

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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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