발 유형과 운동화 종류가 보행의 운동역학에 미치는 영향

Abstract

The purpose of this study was to analyze the differences in gait biomechanics according to foot and shoe type. Nine students representing three different foot types were selected for this study. Three students with pes rectus(average RCSP=0°), three students with pes planus(average RCSP=-4°) and three students with pes cavus(average RCSP=3°) were selected. Independent variables were foot type(3) and shoe type(5). Shoe type included barefeet, flexible grid outsole lightweight shoes, variable outsole anti-supination shoes, arch supported anti-pronation shoes, and five-toed shoes. Dependent variables were kinematic and kinetic variables. Three dimensional kinematic variables of the angle and angular velocity at the pelvic, hip, knee, and ankle joints were measured using 3D motion capture (Motion Analysis, USA). The three dimensional kinetic variables of force(active force peak, impulse, loading rate, and decay rate, restraining period force, propelling period force) were measured via force platform(Kistler 9287BA, Switzerland). Statistical analysis according to foot and shoe type was performed using MANOVA and LSD for pos hoc(p<.05) via the SPSS 20.0. 1. Compared to other foot types, pes planus had the most joint movement. Pes planus values were greatest for flexion and extension angle at the pelvis, hip, and knee; adduction and abduction angle at the hip and ankle; internal rotation angle at the pelvis, hip, and knee. However, pes planus also had the lowest value for internal rotation at the ankle. Except for adduction / abduction, ankle flexibility for pes planus was low. As a result, greater movement was noticeable at the pelvis, hip, and knee. Since the hip, pelvis, and knee joints require stability and not mobility, this exaggerated movement can result in fatigue, discomfort, and pain. Therefore, subjects with pes planus should practice ankle flexibility and mobility exercises, especially in the sagittal and transverse plane. 2. According to shoe type, inner arch support shoe exhibited the highest external rotational angular velocity at the pelvis for subjects with pes planus at the moment of toe off. Therefore, inner arch support could effect on hip joint outer rotational movement. Barefoot, flexible grid outsole lightweight shoes, and five fingers had lower adduction/abduction and flexion/extension angular velocity at the hip and ankle than the variable outsole anti-supination shoes, and arch supported anti-pronation shoes. Since the five-toed and flexible out soled shoes were designed to mimic barefeet, angular velocity for these shoes most closely resembled barefeet. Therefore, natural movement at the ankle joint could affects hip joint movement. 3. Pes planus had the lowest second vertical active force peak. Since this peak corresponds with push-off during gait, subjects with pes planus tend to have maximum gluteal underdevelopment. Pes planus had the lowest breaking force(y direction), Therefore, subject with pes planus was not well adapted to breaking during the break phase of the walking cycle. Barefeet and five toed shoes exhibited the largest propulsive force peak. This reflects the full articulation of foot bones during the push off phase, especially the toes. flexible grid outsole lightweight shoes did nothaveahighpropulsiveforce.Thisshows flexible grid outsole lightweight shoes did not allow efficient toe movement. 4. Medial and lateral impulses were highest for pes rectus. There were the biomechanical differences according to foot and shoe type. Therefore for gait analysis, researcher should use subject with pes rectus. There was relationship between ankle joint and hip joint movement. A limitation in ankle joint movement can lead to excessive flexion/extension, and inner rotation at the hip joint. That could cause pain and discomfort.;본 연구의 목적은 발 유형별로 운동화 종류가 보행에 미치는 영향을 운동역학적으로 규명하는 것이다. 연구의 대상은 발 유형을 판별하는 RCSP 측정법에 따라 정상족 3명(0°), 평족 3명(-4°), 요족 3명(3°)의 총 9명이다. 독립 변인은 발 유형과 운동화 종류이다. 발 유형은 세 가지로 정상족, 평족, 요족으로 구분하였다. 운동화 종류는 맨발(shoe1), 아웃솔을 가로·세로로 나누어 움직임을 자유롭게 만드는 운동화(shoe2), 밑창의 좌우 강도가 다른 운동화(shoe3), 내측족궁(inner arch)이 있는 운동화(shoe4) 그리고 발가락을 분리시킨 신발(shoe5)의 5종류이다. 종속변인은 운동학적 변인과 운동역학적 변인으로 하였다. 운동학적 변인은 3차원 동작분석 시스템(3D Motion capture system)을 사용하여 골반(pelvic), 엉덩이 관절(hip joint), 무릎관절(knee joint), 발목관절(ankle joint)의 좌우, 수직, 전후 방향의 각도와 각속도를 분석하였고, 운동역학적 변인은 지면 반력기(force plate)를 이용하여 좌우 힘(Fx), 전후 힘(Fy), 수직 힘(Fz)을 분석하였다. 자료처리는 Window용 SPSS 20.0 통계 프로그램을 활용하여 발 유형(3)과 운동화 종류(5)에 따른 운동 역학적 변인들의 차이를 보기 위해 다변량분산분석(MANOVA)을 실시하였고 각각의 독립변인에 대한 집단 내 차이를 보기 위해 LSD로 사후검정 하였다. 모든 통계적 검증에 대한 유의수준은 p<.05로 설정하였다. 결론은 다음과 같았다. 1. 발의 형태에 따른 시상면, 전두면, 횡단면에서의 구간별, 관절별 움직임을 보면, 평족은 골반, 엉덩이, 무릎관절의 굴곡·신전각, 엉덩, 발목 관절의 내외전각, 골반, 엉덩이, 무릎 관절의 내회전각이 크게 나타났다. 그러나 발목 관절에서는 정상족의 내회전각이 크게 나타나고 평족은 제일 작게 나타났다. 이상의 결과로부터 평족은 골반, 엉덩, 무릎관절은 과도하게 굴곡·신전, 내외전하나, 발목관절에서는 내회전이 부족함을 알 수 있다. 이는 발목 관절의 부족한 내회전 움직임을 보상하기 위해 발목관절 위의 무릎과 엉덩, 골반을 과도하게 움직이는 것으로 보인다. 그러므로 평족에게는 발목관절의 굴곡·신전, 내회전 운동을 통한 발목관절의 유연성 (flexibility)과 가동성(mobility)을 높이는 것이 필요함을 알 수 있다. 이러한 움직임이 확보되면 무릎, 엉덩, 골반의 움직임이 정상범위로 돌아올 것으로 유추해 볼 수 있다. 이것에 관한 연구는 추후과제로 한다. 2. 신발의 종류에 따른 차이를 보면 내측 족궁지지 신발 착용 시 발가락 들기 시점(event)의 골반의 외회전 각속도가 크게 나타나, 내측 족궁의 높이를 높여주는 것이 골반의 외회전 움직임에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 맨발, 밑창을 격자로 나눈 운동화 그리고 발가락을 분리시킨 운동화는 엉덩이, 발목관절의 굴곡·신전 움직임과 내외전에서 각속도가 낮게 나타났다. 이들은 모두 맨발의 특징을 강조한 신발들인데 기존에 운동화는 하나의 세그먼트(segment)로 되어있어 발의 움직임을 제어하는데 비해 위와 같이 맨발과 최대한 유사하게 만든 운동화는 보행 시 발목관절의 움직임을 최대한 자연스럽게 만들어주면서 엉덩이 관절의 움직임도 과도하지 않게 움직이게 만드는 결과라고 볼 수 있다. 이러한 결과는 발목을 포함한 발의 움직임이 엉덩이 관절에도 영향을 미침을 알 수 있다. 3. 보행 시 수직으로 발생하는 힘에서 평족은 처음 능동 최대 힘은 가장 높았는데 비해 두 번째 능동 최대 힘은 가장 낮게 나타났다. 이는 평족의 경우, 발이 지면에 닿았을 때 발목 관절의 과도한 내전으로 내리 누르는 면적이 커지면서 수직 방향의 힘이 커지게 되나, 발목관절의 외회전이나 저굴 등의 움직임이 제한되어 중족골과 발가락의 움직임이 부족하여 두 번째 능동 수직 힘이 적게 나타나고 있다. 수직 힘의 운동량은 요족과 맨발에서 제일 낮게 나타났다. 평족을 가진 사람은 보행 시 초기에 제동을 걸어주는 제동기에서 가장 적은 힘을 나타내었다. 이는 평족의 경우 발바닥의 굴곡이 다른 발에 비해 적어 상대적으로 힘을 분산시켜 이와 같은 결과를 나타내었다고 볼 수 있다. 반면 맨발과 발가락 신발은 몸을 앞으로 나아가기 위해 뒤 방향으로 밀어주는 힘을 발생시키는 추진기에서 큰 힘을 나타내었다. 맨발의 특징을 가지고 있지만 발가락을 분리시키지 않고 밑창을 격자로만 분리시킨 운동화의 경우에는 맨발보다 작은 힘을 보였다. 이와 같은 결과는 이 두 가지 모두 몸을 앞으로 진행시키는데 발가락까지 이용하여 추진하기 때문이라 사료된다. 4. 보행 시 발의 내·외측에 발생하는 모든 운동량은 정상족에서 가장 높게 나타났다. 밑창의 좌우 강도가 다른 운동화에서 발의 외측에 발생하는 힘이 가장 크게 나타났다. 이는 이 신발의 특징이 밑창의 외측이 강도가 크고 내측이 강도가 낮아 보행 시 발의 힘이 외측으로 가해지면 이 밑창이 단단하게 받쳐주어 발이 과내반(inversion)되지 않도록 막아주는 것으로 보인다. 지금까지의 대부분의 보행 연구는 발 유형에 관계없이 수술한 경험이 없는 성인의 보행을 정상 보행으로 간주하는 경우가 대부분이었다. 그러나 본 연구에서 나타난 바와 같이 수술한 경험이 없고, 정상 보행을 하는 성인의 경우에도 발 유형에 따라 보행 형태가 매우 다르다는 것을 보여주었다. 그러므로 앞으로의 보행 연구에서는 발의 형태를 객관적이고 과학적으로 명확하게 분석하여 제시할 필요가 있을 것이다. 또한 지금까지의 보행 연구들은 발 변형이 발목이나 무릎 관절의 움직임에 어떻게 영향을 미치는 가를 규명한 것이 대부분이었다. 본 연구에서는 발의 형태가 발목과 무릎 관절뿐 만 아니라 엉덩이 관절과 골반에서의 움직임에 미치는 영향도 규명하여, 발의 유형에 따라 허리나 골반의 움직임의 차이를 규명하였다. 현대 사회에서의 신발은 단순히 발을 보호하는 기능에서 벗어나 패션의 일부분으로 자리 잡고 있어 발의 불편함을 더해주고 있다. 그러므로 발의 움직임을 최대한 자연스럽게 유도하는 신발의 개발이 필요하다. 또한 발 유형별로 발의 변형을 보완하고, 기능을 높여줄 수 있는 신발을 선택하는 것이 필요하다. 본 연구는 발 유형별 운동화 종류에 따른 보행 시 하지 관절의 운동역학적 분석을 통해 발 유형별 보행 시 신발의 종류에 따라 보행 형태가 달라지는 기전(mechanism)을 설명하였다. 이러한 결과는 향후 운동화 구매 시 자신의 발 유형에 따른 적절한 신발 선택을 위한 참고자료로, 나아가 발 유형별 신발의 구조를 개발하는 기초자료로도 유용할 것이다.