발 유형별 계단 내려가기 보행의 운동역학적 분석

Abstract

The purpose of this study was to biomechanical analyze the difference in stair descending gait according to foot types. Twenty seven female students representing three different foot types were selected for this study, of which seven students with pes cavus(RCSP≥+3°), ten students with pes rectus(RCSP=±2°) and ten students with pes planus(RCSP≤-3°). In the experiment conducted, the independent variables were foot types (i.e. pes cavus, pes rectus, and pes planus) and dependent variables were kinematic and kinetic variables during stair descending. Three dimensional kinematic variables of the angle, angular velocity, and coordination at the knee and ankle joints were measured by 3D motion capture system. The kinetic variables of the force were measured via a force platform which is placed on the 3rd step of a 5 step-stairs. Statistical analysis according to foot was performed using one-way ANOVA, Scheffé for post hoc(p<.05), and correlation analysis via the SPSS 18.0. The findings of this study are as follows: 1. Compared to other foot types, subjects with pes planus had the lowest value for plantar flexion and internal rotation at the ankle, but subjects with pes planus knee angle of varus-valgus and external rotation were greatest. The moment of the heel off and toe off, subjects with pes planus had the greatest knee flexion angle. The ankle of the subjects with pes cavus had the lowest value for plantar flexion at the heel off, and the lowest value for internal rotation and the greatest eversion at the toe off. The knee of subjects with pes cavus had the lowest value for valgus at the toe contact and heel contact, and had the lowest value for flexion from heel off to toe off. 2. The angular velocity of subjects with pes planus varus had the greatest value from heel off to toe off. The angular velocity of subjects with pes cavus had the lowest value of the dorsi flexion and knee flexion from heel contact to heel off. 3. Subjects with pes cavus had correlations between knee joint of the frontal plane and sagittal plane, and between knee joint and ankle joint of the sagittal plane. Subjects with pes rectus had correlations between knee joint and ankle joint of the frontal plane, and between knee joint and ankle joint of the frontal plane. Subjects with pes planus had correlations between knee joint of the frontal plane and ankle joint of the sagittal plane, and between knee joint of the transverse plane and ankle joint of the frontal plane. 4. Subjects with pes cavus had the greatest forward and backward force, but there was not significant difference in medial and lateral force. It could be considered that forefoot and toe which were out of the stair when stairs descending affected the force plate. To conclude, based on the summary above, a person with pes planus had relatively lack of ankle movement affected knee movement widely as a compensation. Thus, a person with pes planus could have pain and discomfort of knee joint. Also, a person with pes cavus extended their legs by reducing the flexion of knee and ankle to push ahead next stair, and it lift center of gravity. Accordingly, it can cause the subject to fall when he/she is walking down the stairs. This study showed that stair descending gait had biomechanical difference according to foot types. Therefore, future studies should expand on these results to make knee and ankle strength and flexibility exercise programs in order to control stair descending gait according to foot types.;본 연구의 목적은 발 유형에 따른 계단 내려가기 보행 시 나타나는 운동학, 운동역학적 변인들을 분석하고 이를 통해 발 유형에 따른 계단 내려가기 보행 전략 기전(mechanism)을 규명하는 것이다. 연구의 대상은 RCSP 측정방법을 사용하여 발 유형별로 요족 7명, 정상족 10명, 평족 10명으로 총 27명의 여자 대학생이다. 독립 변인은 발 유형(요족, 정상족, 평족)이며, 종속변인은 계단 내려가기 보행 시 하지 관절의 운동학, 운동역학적 변인으로 하였다. 운동학적 변인은 3차원 동작분석 시스템(3D Motion Capture System)을 사용하여 시상면, 관상면, 횡단면에서의 무릎과 발목 관절의 각도와 각속도, 협응 관계를 분석하였고, 운동역학적 변인은 지면반력기(force plate)를 사용하여 좌우(), 전후(), 수직()방향 힘을 분석하였다. 자료처리는 Window용 SPSS 18.0을 사용하여 발 유형에 따른 운동역학적 변인들의 차이를 보기 위하여 일원배치분산분석(ANOVA)을 실시하였고 각각의 독립변인에 대한 집단 내 차이를 보기 위해 Scheffé 사후검정을 하였다. 또한 발 유형별 무릎과 발목의 협응을 알아보기 위하여 상관분석을 실시하였다. 모든 통계 검증은 유의수준 p<.05로 설정하였다. 계단 내려가기 시 평족은 발목 관절의 저측굴곡과 내회전이 작게 나타났으나, 무릎 관절의 내외반 각이 크고, 외회전도 가장 크게 나타났다. 또한 뒤꿈치 들기와 발가락 구간에서는 무릎의 굽힘 각도가 가장 크게 나타났다. 무릎의 각속도는 뒤꿈치 들기부터 발가락 들기까지 내반 각속도가 가장 빨랐으며, 평족의 구간별로 유의한 상관관계가 많이 나타난 것은 관상면에서의 무릎과 시상면에서의 발목관절, 횡단면에서의 무릎과 관상면에서의 발목관절 간의 관계였다. 이를 통해, 평족은 발목의 움직임을 줄이고 그에 대한 보상작용으로 무릎의 움직임을 과도하게 사용하였음을 알 수 있다. 반면 요족은 뒤꿈치 들기 시에 발목의 배측굴곡이 가장 작아지고, 발가락 들기 순간에는 내회전 각이 작아지며, 가장 많이 외전을 하는 것으로 나타났다. 또한, 무릎 관절은 발가락 닿기부터 뒤꿈치 닿기까지의 외반이 가장 작게 나타났으며, 뒤꿈치 들기부터 발가락 들기까지 무릎 굽힘 각도가 가장 작게 나타났다. 발목 배측굴곡 각속도와 무릎 굴곡 각속도는 뒤꿈치 닿기부터 발가락 들기까지 구간에서 가장 느리게 나타났다. 요족은 관상면의 무릎관절과 시상면의 무릎관절 간의 관계, 시상면에서 무릎관절과 발목관절간의 관계가 유의하게 나타났으며, 지면반력에서 요족의 전후힘이 크게 나타났다. 그러나 좌우와 수직힘에서는 차이가 나타나지 않았다. 이는 계단 내려가기 보행 시 전족과 발가락이 밖으로 나와 지면반력 결과에 영향을 미친 것으로 사료된다. 이를 통해 요족은 무릎과 발목의 굽힘을 덜 하는 만큼 관상면과 횡단면에서의 움직임을 더욱 유발하고 높은 무게중심을 앞으로 크고 빠르게 추진하여 계단에서의 불안성이 더 높아지는 것을 알 수 있다. 즉, 계단 내려가기 보행 시 정상족은 시상면과 횡단면에서 무릎과 발목 간의 움직임 협응이 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 이에 비해 평족의 발목 관절의 움직임이 떨어지는 반면, 무릎의 움직임은 과도하게 일어났다. 이는 평족은 발목의 움직임이 상대적으로 적은만큼 보상작용으로 무릎의 움직임이 크게 나타난 것으로 예상되며, 따라서 평족은 무릎 관절에 통증과 불편함이 더 할 것으로 예측할 수 있다. 반면, 요족은 앞으로 나아가는 순간 발목을 외전 시켜 앞으로 크게 밀어서 추진력 있게 나아가는 것으로 이해 할 수 있다. 요족은 다음 칸 계단으로 추진하는 구간에서 무릎과 발목의 굽힘을 적게 하여 다리의 길이를 길게 사용하고 있고, 이것이 무게중심을 위로 들어 올려 불안정성을 야기하고 계단보행 시 넘어짐의 원인이 될 수 있을 것이다. 그러므로 발 유형별로 계단 내려가기 보행 전략이 다름을 알 수 있었다. 따라서 평족은 발목의 움직임이 떨어지고 과도한 무릎의 사용이 나타났으므로 발목의 가동범위를 증가시킬 수 있는 유연성 강화 운동이 필요하고, 이와 더불어 무릎 관절의 안정성을 높여 줄 수 있는 주변근육(대퇴근, 비복근, 전경골근 등)을 강화하는 훈련 프로그램이 개발되어져야 할 것이다. 반면 무릎과 발목 굽힘이 적게 나타난 요족의 경우는 무게중심을 낮춰 안정적으로 보행 할 수 있도록 무릎의 굽힘과 발목의 굴곡을 향상시켜주는 근육(전경골근, 장지신근, 장비골근 등)강화 운동 프로그램이 필요하다 할 수 있겠다. 발 형태에 따라 잘못된 자신의 이상 계단보행을 제어 할 수 있도록 부위별, 관절별 근력 강화 및 유연성 강화 운동 프로그램은 추후 연구과제로 한다.