[논문]입식과 좌식을 고려한 일어서기 동작의 생체역학적 분석

신기영; 김효신; 이규승; 문정환

입식과 좌식을 고려한 일어서기 동작의 생체역학적 분석
Biomechanical analysis of the stand-up with respect to stand and sit life pattern 원문보기

신기영 (성균관대학교 생명공학부 바이오메카트로닉스학과) , 김효신 (성균관대학교 생명공학부 바이오메카트로닉스학) , 이규승 (성균관대학교 생명공학부 바이오메카트로닉스학) , 문정환 (성균관대학교 생명공학부 바이오메카트로닉스학과)

일어서는 동작은 일상생활에서 하는 가장 일반적인 행동 중의 하나이며, 다른 동작으로의 전환을 위한 준비자세이기도 하다(Riley PO 등 1991). Corrigan D 등(2001)에 따르면 1987년 65세 이상의 공공시설(병원, 재활시설 등)에서 기거하지 않는 약 2백만 명의 노인이 일어서는 동작에서 어려움을 느낀다고 한다. 또한 무릎의 신근(신전을 담당하는 근육)이 약화된 환자들에게도 앉은 자세에서 일어서는 동작은 무릎에 가장 무리를 주는 동작 중의 하나로 작용한다. (중략)

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문제 정의

따라서 본 논문의 목적은 한국의 좌식 생활을 전제로 한 쭈그려앉은 자세에서 일어서기와 많은 연구가 선행된 의자에서 일어서기를 비교하고, 무릎의 신근에 무리를 줄이기 위한 방법으로 손을 짚고 일어서는 동작을 추가함으로써 하체의 생체역학적 분석을 근거로 한 무릎의 신근에 걸리는 부하를 줄일 수 있는 자세를 알아보는 것이다.

제안 방법

실험은 1) 쭈그려앉아 일어서기, 2) 쭈그려앉아 땅짚고 일어서기, 3) 의자에서 일어서기,4) 의자에서 팔걸이 짚고 얼어서기, 총 4가지로 나누어 실시하였다. 모든 실험은 10회 반복 시행하였다.
Force plateform으로 측정받은 데이터는 몸무게로 나누어 정상화(normalization)하였다. EMG 데이터는 측정받은 데 이터(raw data)를 전파정류(full-wave rectification)하고 cut-off 주파수 6Hz 저역 필터(low pass filter)를 사용하여 처리하였다(Winter 1990).
Force plateform으로 측정받은 데이터는 몸무게로 나누어 정상화(normalization)하였다. EMG 데이터는 측정받은 데 이터(raw data)를 전파정류(full-wave rectification)하고 cut-off 주파수 6Hz 저역 필터(low pass filter)를 사용하여 처리하였다(Winter 1990).
실험 장비로는 인체의 움직임을 포착하기 위한 생체 운동 분석 시스템(Vicon 460, Oxford Metrics, UK)과 외부로부터의 지면 반력을 측정하기 위한 2개의 Force platform(AMTI, Watertown, MA), 근육의 활동을 측정하기 위해 근전도(Electromyography, EMG) 시스템 (MA-300-16, Motion Lab Systems, Inc., Baton Rouge, LA)을 사용했다.
실험시 발이 놓이는 위치(Denis Brunt 등 2002, M.M. Khemlani 등 1999)와 의자의 높이 (Corrigan D 등 2001, Schenkman M 등 1996)가 실험 결과에 영향을 주기 때문에 실험 1),2)의 경우 피실험자가 두 번째 force platform 위에 앉은 상태에서 두 발은 첫 번째 force platform 위에 불편함을 느끼지 않는 범위에서 50°각도(초기 상태의 COM(center of mass) 을 지나는 횡단면을 기준으로 좌우 25°유지)로 표시한 곳에 위치하도록 하였고, 실험 2), 3)의 경우 높이와 팔걸이 높이가 고정된 의자(높이 : 43.5cm, 팔걸이 높이 : 62cm)를 두 번째 force platform 위에 위치시키고 피실험자는 두 발을 첫 번째 force platform 위에 표시된 곳(실험 1), 2)와 동일에 위치하도록 실험을 설계하였다. 실험 2)의 경우에는 두 번째 force platform 오른쪽에 손을 짚는 위치를 고정시켰으며, 실험 4)의 경우에도 역시 손을 짚는 위치를 표시하였다.

대상 데이터

피실험자는 근골격계나 신경계 질환이 없는 신체 건강한 21살의 성인 남자로 키는 169.4cm, 몸무게 66kg이다.

데이터처리

데이터의 통계적 처리를 위해 S AS (Statistical analysis system) 소프트웨어를 이용하였고 MATLAB 6.5를 이용하여 그래프로 도시화하였다.

성능/효과

Table. 1에서 보듯이 모든 실험에서의 수직 지면 반력의 평균을 계산한 결과 쭈그려앉은 상태에서 손을 짚지 않고 일어나기, 손을 짚고 일어나기, 의자에 앉은 상태에서 손을 짚지 않고 일어나기, 손을 짚고 일어나기 순으로 점차 감소함을 알 수 있었다.
4에 나타내었다. 슬관절의 경우 쭈그려앉아 일어나기보다 의자에 앉아 일어나기에서 확연한 모멘트 값의 감소를 보이고 각각의 경우 팔을 짚었을 경우 모두 모멘트가 감소하는 결과를 보였다. 이에 반해 고관절과 과관절의 경우 일정한 규칙성을 보이지 않고 있다.
쭈그려앉아 일어서는 동작 에서는 수직 지면 반력에는 큰 차이가 없었지만 손을 짚었을 경우 20%(움직임이 시작되는 순간에서 직립까지를 100%로 봄)지점에서 손의 지지로 인하여 수직 지면 반력이 일정시간 동안 변화를 보이지 않는 순간이 나타났다. 의자에서 일어서는 동작에서는 손을 짚는 과정에서 약간의 지연이 있었으며 수직 지면 반력이 손을 짚지 않은 경우보다 약 2N/kg 정도 적게 나타났다. Table.
쭈그려앉아 일어서기와 의자에 앉아 일어서기의 두 경우에서 COM을 앞쪽으로 이동시키는 방법과 팔의 지지로 COM에 작용하는 힘을 줄이는 방법 모두 모멘트를 감소시켰지만 이 중 팔의 지지가 더 효과적이다. 특히 의자에서 팔걸이를 짚고 일어서는 동작이 슬관절에 작용하는 모멘트를 줄이는 가장 효과적인 방법이다.
3은 각각의 경우에 대한 수직 지면 반력을 표현한 것이다. 쭈그려앉아 일어서는 동작 에서는 수직 지면 반력에는 큰 차이가 없었지만 손을 짚었을 경우 20%(움직임이 시작되는 순간에서 직립까지를 100%로 봄)지점에서 손의 지지로 인하여 수직 지면 반력이 일정시간 동안 변화를 보이지 않는 순간이 나타났다. 의자에서 일어서는 동작에서는 손을 짚는 과정에서 약간의 지연이 있었으며 수직 지면 반력이 손을 짚지 않은 경우보다 약 2N/kg 정도 적게 나타났다.

후속연구

이는 손을 짚는 동작이 새로운 변수로 추가되었기 때문에 하체만의 보상작용에 대한 일정한 패턴을 보이지 않은 것이라 할 수 있다. 견갑관절(shoulder joint)나 상완과 전완을 연결하는 관절(elbow joint) 등의 모멘트를 알 수 있다면 그러한 관계가 성립되는지를 증명할 수 있을 것이다.

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