경사도와 속도에 따른 트레드밀 보행의 운동역학적 분석

Abstract

본 연구의 목적은 트레드밀 보행시 경사도와 속도에 따른 하지의 운동학적, 운동 역학적 특성을 분석하여 그 메커니즘을 밝히고, 상해를 예방할 수 있는 속도와 경사도 결정을 위한 기초자료를 제공하는데 있다. 연구 대상자는 하지의 상해 경험이 없고 정상족인 여자 대학생 10명이었다. 본 연구에서는 지면반력기가 장착된 트레드밀을 사용하였으며, 3차원 동작분석을 위하여 Vicon 370 시스템을 이용하였다. 실험조건인 트레드밀의 속도는 걷기속도인 1.25m/s와 달리기속도인 2m/s, 2.5m/s, 3m/s였다. 지면의 경사도는 수평(0%), 상향 5%와 10%로 설정하였으며, 실험시 속도와 경사도의 시행순서는 무작위로 배정하였다. 종속변인은 트레드밀 보행(걷기와 달리기)시 경사도와 속도에 따른 보행인자와 하지분절의 각도, 수직지면반력이다. 경사도와 속도에 따른 하지관절의 각도와 수직지면반력변인(달리기시)의 차이는 2요인 피험자내 설계방안(2 factor within subject design repeated measure on two factor design)에 의거하여 2요인 분산분석방법(2way ANOVA(3x4))으로 처리하였으며, 걷기시 경사에 따른 수직지면반력의 차이는 일원변량분석방법(one way ANOVA)으로 검증하였다. Tukey방법으로 사후비교검증 하였으며, 통계적 유의수준은 5%로 하였다. 또한 속도와 경사도에 따른 각 시점별(초기접지, 발이지) 하지관절간의 관계, 수직지면반력의 각 정점과 하지관절간의 관련성을 알아보기 위하여 Pearson의 상관분석방법을 실시하였다. 트레드밀 보행시 경사도와 속도에 따른 하지관절의 운동학적, 운동역학적 변인들을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 경사도에 따른 하지관절의 각도변화패턴은 걷기조건(1.25m/s)시 수평경사와 상향경사(5%, 10%)간에 차이가 있었다. 걷기(1.25m/s)시 골반전후경사각, 고관절굴곡/신전, 발목배/저측굴곡각 등 주로 시상면상에서 차이가 두드러졌다. 또한 골반은 상하경사각, 회전각에서 경사에 따른 차이가 있었다. 2. 속도에 따른 하지관절의 각도변화패턴은 걷기(1.25m/s)와 달리기간(2m/s, 2.5m/s, 3m/s)에 나타났으며 달리기속도간 차이는 없었다. 3. 경사도에 따른 전체동적운동범위는 골반회전각과 무릎굴곡/신전각에서는 수평경사와 10%경사간에 유의한 차이를 보였으며, 고관절굴곡/신전과 발목배/저측굴곡각에서는 수평과 상향경사(5%, 10%)간에 유의한 차이를 보였다. 그 외 하지관절각의 전체동적운동범위는 경사에 따른 유의한 차이가 없었다. 4. 속도에 따른 입각기시 동적운동범위는 골반전후경사각, 골반회전각, 고관절회전각, 무릎굴곡/신전각, 무릎회전, 발목배/저측굴곡각에서 각각의 달리기속도(2m/s, 2.5m/s, 3m/s)간 차이는 없고 걷기(1.25m/s)와 달리기간 차이가 있었다. 5. 무릎의 초기굴곡변화량(IFW)은 충격흡수의 중요한 기능을 하는데 경사가 올라갈수록, 달리기시 상향경사에서는 속도가 빨라질수록 변화량이 적었고 경사와 속도의 상호작용효과도 있었다. 6. 걷기시 수직지면반력의 1정점, 3정점의 크기는 10%경사의 경우 수평, 5%경사시보다 유의하게 작아지는 경향이 있었으며, 2정점의 크기는 경사에 따른 차이가 없었다. 4정점의 크기는 각각의 경사간 유의한 차이를 보이며 상향으로 경사가 올라갈수록 커지는 경향이 있었다. 7. 달리기시 수직지면반력의 1정점은 경사가 올라갈수록 그 크기가 더 작아지고 속도가 빨라질수록 더 커졌다. 1정점까지의 충격량은 경사가 올라갈수록 작아졌으며 속도가 빨라질수록 커졌다. 8. 걷기시 수직지면반력의 1정점 크기는 상향경사시 발목배측굴곡각, 무릎굴곡각, 고관절굴곡각과 정적(+) 상관을 보였다( P < 0.05). 2정점의 크기는 10%경사에서 무릎굴곡각과 부적(-) 상관을 보였다. 따라서 발목은 배측굴곡시킬수록, 무릎은 굴곡시킬수록, 고관절은 굴곡시킬수록 1정점의 크기는 커지며, 무릎을 적게 굴곡시킬수록 2정점의 크기는 커진다. 9. 달리기시 1정점의 크기는 수평경사, 3m/s속도에서 무릎내측회전각(r=0.689, P< 0.028)과 정적 상관이 있었다. 2정점의 크기는 수평경사, 3m/s속도에서 발목배측굴곡각(r=0.699, P<0.025)과 정적(+) 상관이 있었으며, 10%경사, 2m/s속도에서 무릎굴곡각(r=0.680, P<0.030), 발목배측굴곡각(r=0.725, P<0.018)과 정적(+) 상관이 있었다. 이상과 같은 결론을 맺으면서 연구결과의 현장활용이나 차후연구에 도움이 될 수 있도록 다음과 같은 제언을 한다. 현재 병원이나 재활센터, 헬스 센터에서의 운동 처방 시 운동강도의 결정은 심박수나 주관적 자각 증상에 의존하는 경향이 있는데 하지근력이 약한 사람의 경우는 건강을 위해서 실시하는 운동이 오히려 건강을 해치는 결과를 초래할 수도 있다. 따라서 트레드밀 운동을 실시하기 전 트레드밀을 이용하는 사람이나 관리하는 사람은 하지의 근력과 여러 가지 생리적 현상을 점검한 후에 체력수준에 맞도록 속도와 경사도를 조절하여 이용하도록 하여야 할 것이다. 노약자나 초보자뿐 아니라 건강한 사람들에게도 트레드밀 운동을 실시할 경우 수동적으로 돌아가는 트레드밀의 속도에 적응할 수 있는 적응시간이 요구되며 특히 하지근력이 약한 사람의 경우에는 근력증강운동 후에 트레드밀 보행운동을 실시하여야 할 것이다. 그러나 위의 결론은 각 관절에 가해지는 부하를 예측하였을 뿐 실지로 관절에 가해지는 힘이나 모멘트 등 상해의 주요인을 측정, 분석하지는 못하였다. 따라서 이러한 요인은 추후 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 또한 생리적 측면의 변인과 운동역학적 변인을 함께 고려한 통합적인 연구가 추후 이루어져야 할 것이다. ; The purpose of this study is to define the mechanism by comparison analysis of mechanic movement by the inclination and the speed of the treadmill gait(walking and running) and to offer the basic data for the decision of the speed and the inclination to avoid injury. The selected subjects of this study were ten female college students, who had normal foot and no experience of the lower extremity injury. We used treadmill that set with forceplatform and Vicon 370 system for the three dimensional analysis. The treadmill speed was 1.25m/s for walking and 2m/s, 2.5m/s, 3m/s for running. The inclination were level(0%), up 5%, 10%, the speed and the order of the inclination selected random. We analyzed the walking value by the inclination and the speed and the angle of lower extremity, the vertical reaction force during the treadmill gait (walking and running). As follows are the result of the analysis, 1. The variation pattern of the inclination on treadmill has no effects during running(2/ms/, 2.5m/s, 3m/s), but change the movement pattern of lower extremity s on sagittal plane during walking(1.25m/s). 2. The difference by speed on the angle variation pattern of the lower extremity appear between walking(1.25m/s) and running(2m/s, 2.5m/s, 3m/s), and has effects on movement pattern of lower extremity s coronal plane and transverse plane. 3. The changing of the inclination to 5%, the DRM(dynamic range of motion) of the pelvic and ankle s on sagittal plane is increased but the case of the 10% the DRM(dynamic range of motion) of the knee s on sagittal plane and that of the pelvic s on transverse plane is increased. 4. The DRM(dynamic range of motion) by the speed in stance phase has no difference each running speed(2m/s, 2.5m/s, 3m/s), but differ with walking(1.25m/s) at pelvic tilt, pelvic rotation, hip rotation, knee flex/extension, knee rotation, foot dorsi/plantarflexion. So the DRM(dynamic range of motion) of most lower extremity in stance phase when it running is wider than walking, but has no difference each speed of running. 5. The changing value of the IFW that important part of the stroke absorbtion is small by increasing the inclination and the speed, and has related with them. 6. The vertical ground reaction force during walking, the first peak of 10% inclination is lower than the level and 5% inclination, the fourth peak is different as each inclination, and tend to higher by up position. 7. About the vertical ground reaction force during running, the first peak s highest is lower by up inclination, higher by high speed. And the impulse to the first peak is increasing by up inclination and high speed. So the impulse to the first peak that can be main cause of the injury show differences with each inclination, is decreased more up 5% and 10% than the level, and have same result by speed more 2.5m/s and 3m/s than 2m/s. 8. The first peak s highest of the vertical ground reaction force during the walking has no relationship with lower extremity angle on the level, is correlated with knee flexion, hip flexion on 5%, with knee flexion, foot dorsiflexion on 10%. So by the inclination increasing the first peak s highest is correlated with the movement of distal extremity angle on sagittal plane. 9. The first peak s highest during the running is correlated with the knee internal rotation(r=0.689, P< 0.028) at the level, 3m/s speed. The highest of the second peak is correlated with the foot dorsiflexion(r=0.699, P<0.025) at the level, 3m/s speed, the knee internal rotation(r=0.680, P<0.030) and the foot dorsiflexion(r=0.725, P<0.018) are same at 10%, 2m/s speed. We conclude like the above and advised as follow for the practical use of result and next study. In this days, the decision of the exercising strength on exercise prescription in the hospital, recovering center or health center is tend to lean on the heart rate or subjective self-symptoms, but if the man who has weak lower extremity s muscle the exercise injure his health instead of help. So before the treadmill exercising, the user or supervisor should check lower extremity strength and some body conditions, and adjust the speed and the intensity with his physical strength. Include the old and the weak or the novice, when the health person who exercise on the treadmill need the adjustment time for passive rolling treadmill, especially who has weak lower extremity strength need increasing physical strength exercising before treadmill walking. And above conclusion couldn t use the inverse dynamic method that calculate the load to special muscle and joint structure by compounding movement mechanical value and reactive force value, cause couldn t synchronized the angle as mechanical value and reactive force value with the space. So we just estimated the load to each joint, couldn t analyze the main cause like actual power or moment to joint. Therefore it needs the following study for the factor like that continuously. And including the movement mechanical analysis, the changing of the physiological side is also related with the injury on treadmill, so it needs integrated study that consider the physiological factor and the movement mechanical factor.