내림 경사로 보행 시 발 전족부 탈-부착형 아웃솔의 각도 및 형태 변화가 하지 근골격계에 미치는 영향

목적: 본 연구의 목적은 내림 경사로 보행 시 발 전족부 탈-부착형 아웃솔의 각도 및 형태 변화가 하지 근골격계에 미치는 영향에 있다.

방법: 본 연구에 참여한 연구 대상자는 근골격계에 질환이 없는 K대학교 남학생 15명(나이: 23.5±2.1 yrs, 키: 175.7±4.6 cm, 몸무게: 651.9±55.5 N)을 선정하였으며, 피험자는 전족부 탈-부착 아웃솔을 착용하여 여섯 번의 내림 경사로 보행을 실시하였으며, 이때 전족부 탈-부착 아웃솔의 각도(5°, 10°, 20°) 및 형태(Type-A, Type-B)에 따른 아웃솔의 착용 순서는 무작위 순으로 선택하였다. 피험자의 보행 속도차에 따른 가변 요인을 통제하기 위해 포토셀을 이용하여 1.0±0.1 m/s 의 보행 속도로 내림 경사로 보행 동작을 수행하였다. 3차원 동작분석을 위해 경사로 좌우측에 5대의 디지털 캠코더(60 Hz, HDV1080i, Sony., Japan)를 설치하였고 촬영 속도는 60 fields/s, 셔터속도는 1/500 sec로 설정하여 운동학적 분석을 하였다. 경사로의 중앙 지점에 AMTI(OR6-5) 지면반력기를 2대 설치하여 내리막 보행을 실시하였다. 지면반력기의 샘플링 속도는 1,000 Hz로 설정하고 GRF, 부하율, 부하감소율 및 연역적해법을 통한 무릅과 발목의 관절합성근회전력을 분석하였다.
근전도 자료 수집을 위해 유선 근전도기기(QEMG8, Laxtha Inc. korea, sampling frequency = 1,024 Hz, gain = 1,000, input impedance > 1012 Ω, CMRR > 100 dB)를 사용하였다. 내림 경사로 보행 시 신전족부 탈-부착형 아웃솔의 각도 변화가 하지 근육과 척추기립근의 근활성도에 미치는 영향을 분석하기 위해 좌측 척추기립근, 왼쪽 하지의 대퇴직근, 내측광근, 외측광근, 대퇴이두근, 전경골근, 외측비복근, 내측비복근에 표면전극을 부착하였다. 적분근전도 값은 신체 동작 사이클 내의 최대 근전도 값을 사용하여 표준화 시키고 구간별 평균적분근전도 값과 최대적분근전도 값을 산출 하였다.
통계 처리 내용은 아웃솔의 두 가지 형태(A, B)와 세 가지 각도(5°, 10°, 20°) 변화가 운동역학적 변인에 어떠한 영향을 미치는지 분석하기 위해 반복측정을 통한 이원배치분산분석(two-way ANOVA with repeated measure)을 실시하였다. 이 때 유의 수준은 p<.05로 하였고 Mauchly의 구형성을 만족하지 않을 경우 Greenhouse-Geisser로 검정하였다. 상호작용 효과가 통계적으로 유의하지 않을 경우 사후검정(post-hoc test)은 bonferroni를 통해 다중비교를 하였으며, 상호작용 효과가 통계적으로 유의할 경우 단순 주 효과(simple main effect)를 알아보기 위해 집단간 변인인 아웃솔의 형태는 일원분산분석(one-way ANOVA)으로 검증하였고, 집단내 변인인 아웃솔의 각도는 대응표본 t-검증(paired t-test)을 실시하였다.

결과: 족관절 사이각은 RTO 국면에서 B형태 아웃솔이 A형태 아웃솔과 비교하여 유의하게 증가하였다. 이러한 결과는 B형태가 A형태보다 중족지절관절의 굴곡 동작을 용이하게 만들어 신체중심의 전하방 진행에 도움이 되는 것으로 판단된다. 족관절 내외번 각은 LTO 국면에서 10°-A 아웃솔은 10°-B 아웃솔과 비교하여 외번각이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 10°-A 아웃솔 착용이 편향된 무게중심의 안정성 확보를 위해 바깥쪽에서 중심 쪽으로 밀어내는 동작을 취하기 때문인 것으로 판단된다.
수직지면반력 및 지면반력 합성력은 RHC 국면에서 10° 아웃솔의 경우 B형태가 A형태보다 통계적으로 유의하게 증가한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 B형태의 아웃솔에서 제동력이 적절하게 발생되었다는 것을 의미하며, 10°-B 아웃솔은 10°-A 아웃솔보다 슬립현상을 효과적으로 제어하기 때문에 제동력이 증가한 것으로 판단된다. 부하율은 20°-B 아웃솔이 20°-A 아웃솔보다 통계적으로 유의하게 증가하였다. 이러한 결과는 내림 경사로 보행 시 20°-B 아웃솔 착용이 20°-A 아웃솔 착용과 비교하여 급격한 충격력이 발생되며, 상대적으로 큰 상해 유발의 위험성을 내포하고 있다고 할 수 있다.
IDLS 구간에서 척추기립근의 근육활동은 5° 아웃솔에서 A형태가 B형태 보다 통계적으로 유의하게 증가하였다. 이러한 결과는 내리막 보행 시 체간의 균형 유지를 위해 5°-B 아웃솔 보다 5°-A 아웃솔 착용 시 전방으로 치우친 인체 중심선을 후방으로 이동시켜, 의도적인 몸통 신전을 위한 척추기립근의 근육활동을 증가시킨 것으로 판단된다. 대퇴직근의 경우 B형태의 아웃솔에서 10° 아웃솔이 5° 아웃솔과 비교하여 근육활동이 통계적으로 유의하게 증가하였다. 이러한 결과는 10°-B 형태의 아웃솔 착용은 무게중심의 좌우 이동을 최소화하고 자연스러운 무게중심의 상하 이동을 위해 대퇴직근의 근활성도가 증가된 것으로 판단된다. TDLS 구간에서 대퇴직근의 근육활동은 20° 아웃솔이 5° 아웃솔과 비교하여 유의하게 감소하였으며, 외측비복근의 최대적분근전도는 10° 아웃솔과 비교하여 20° 아웃솔에서 통계적으로 유의하게 감소하였다. 이러한 결과는 5° 아웃솔과 비교하여 20° 아웃솔 착용 시 전족부 앞부분이 상대적으로 높아져 추진력 발생 시간을 감소시키며, 이러한 이유 때문에 슬관절 신전의 주동근인 대퇴직근의 근육활동을 감소시킨 것으로 판단된다. 외측비복근의 최대적분근전도 값은 20° 아웃솔이 10° 아웃솔과 비교하여 통계적으로 유의하게 감소하였다. 외측비복근의 경우 일반보행에서는 추진력을 발생시키기 위해 매우 중요한 역할을 수행하지만, 경사로 보행에서는 전하방의 무게 중심이동이 중력의 작용에 의해 발생되어져 추진력으로써 비복근의 역할은 상대적으로 감소한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 20° 아웃솔이 10° 아웃솔보다 전족부 말단부위가 높아 족관절 저측 굴곡을 감소시키고, 이로 인하여 20° 아웃솔에서 비복근의 근활동이 감소된 것으로 판단된다.

결론: B형태 아웃솔이 A형태 아웃솔보다 신체의 균형과 안정성을 높이는 것으로 판단되며, 과도한 전족부 말단부의 너비는 불안정성을 증가시키는 것으로 사료된다. 이들 중 10°-B 아웃솔은 내림 경사로 보행 중 안정성 향상과 인체 중량 부하에 따른 동작 제어에 가장 유용성 있는 아웃솔로 판단되어진다. 하지만 10°-B 아웃솔 착용이 입각기 말의 발의 이지 동작과 이지 후, 하지 근육의 원활한 근육 활동을 통한 적절한 힘 분배에 있어서는 효용성이 떨어진다고 판단된다.

The effect the change of angle and type of detachable outsole for forefoot had on the musculoskeletal system of lower extremity during walking on descending ramp

Objective: The purpose of this study was to evaluate the effect the change of angle and type of detachable outsole for forefoot had on the musculoskeletal system of lower extremity during walking on descending ramp.

Method: Thirteen male university students (age: 23.5±2.1 yrs, height: 175.7±4.6 cm, weight: 651.9±55.5 N) who have no musculoskeletal disorder were recruited as the subjects. Each subject walked down 20° ramp with forefoot’s design for the detachable outsole’s angle(5°, 10° and 20°) and type(A and B) in random order at a speed of 1.0±0.1 m/s.
Five digital camcorders(60 fields/s, Sony HDV1080i, Japan) and two force plates(AMTI OR6-5, 1000 Hz) were used to obtain 3-d data and kinetics of the lower extremity. For each trial being analyzed, five critical instants were identified from the video recordings. In order to conduct 3D motion analysis, thirty-one reflective markers were attached to body joints and this research used Kwon3D program version 3.10. Ground reaction force, loading rate, decay rate, and resultant joint moment of the ankle and the knee were determined by the inverse dynamics analysis.
To assess the myoelectric activities of selected muscles, six of surface EMG(QEMG8, Laxtha Inc. korea, sampling frequency = 1,024 Hz, gain = 1,000, input impedance > 1012 Ω, CMRR > 100 dB) electrodes with on-site pre-amplification circuitry were attached to erector spinae(ES), rectus femoris(RF), biceps femoris(BF), tibialis anterior(TA), lateral gastrocnemius(LG), and medial gastrocnemius(MG). For electromyogram (EMG), the average IEMG value and peak IEMG per phase were calculated by the normalization using the peak EMG within dynamic movement cycle (DMC).
For each dependent variable, two-way ANOVA with repeated measures was used to determine whether there were significant differences among forefoot’s design for the detachable outsole’s angle and type (p<.05). When correlation effect was not statistically significant, post hoc analyses were performed using the multiple comparison through bonferroni, and if correlation effect was statistically significant, one-way ANOVA was performed as for the form of outsole which is an inter-group variable in order to find out simple main effect, and the paired t-test was performed to find out the angle of outsole, which is an intra-group variable.

Results: In perspective of RTO, type-B outsole showed a significant increasement in the angle between ankle joints than type-A outsole. This result indicated that type-B provided more advantage in the flexion movement of the metatarsal phalangeal joint than type-A, therefore, it made more convenient for the center of mass to move antero-inferior than type-A. In terms of LTO, 10°-A outsole showed increasement in eversion angle than 10°-B. These result determined that wearing 10°-A outsole pushed from the outside to the center in order to secure the stability of the center of mass.
In perspective of RHC, 10°-B showed statistically more significant increase in the value of the vertical GRF and resultant GRF than 10°-A. This result indicated that type-B outsole provided break force more effectively than type-A outsole, and 10°-B outsole had more advantage in controlling slip-effect than 10°-A outsole. In terms of a loading rate, 20°-B outsole indicated higher statistical increasement than 20°-A outsole. In other words, 20°-B created more radical impact force than 20°-A outsole and thus had relatively a higher chance of injury.
In IDLS phase, 5°-A outsole showed a higher statistic increasement of Erector Spinae muscle movement than 5°-B outsole. This result indicated that wearing 5°-A outsole increased the movement of back bone erector muscle for flexion and extension by creating a tendency to move the center of mass that was weighted forward to backward. In terms of Rectus Femoris, 10°-B outsole showed statistically higher muscle movement than 5°-B. This result indicated that 10°-B outsole minimized the left and right movement of center of mass, and increased the muscle activity of the rectus femoris for natural up-down movement of center of mass.
In TDLS phase, 20° outsole showed more significant decrease in the activity of Rectus Femoris than 5° outsole, and 20° outsole showed statistically significant decrease in the Peak EMG''s of Lateral Gastrocnemius compared to 10° outsole. This result indicated that wearing 20° outsole made subject''s forefoot to have relatively higher position to gain less propelling force when its compared to 5° outsole, therefore, the movement of rectus femoris, which is the agonist of the knee extensor thigh muscle. 20° outsole showed a statically significant decrease in the value of EMG''s largest integration of Lateral Gastrocnemius than 10° outsole. It was determined that the Lateral Gastrocnemius played a significant role in creating propelling force, however, when it comes to normal walking, the role of the Lateral Gastrocnemius as a propelling force diminished relatively in downhill walking because of the generation of the shift of anterior-inferior center of weight due to gravity. Therefore, the test result indicated that 20° outsole reduced the plantar flextion due to higher forefoot-terminal point than 10° outsole, which led to a reduction of muscle movement of gastrocnemius in 20° outsole.

Conclusion: The test result concluded that type-B outsole enhanced stability and balance of body more than type-A outsole and the over size of width of forefoot increased unstability. Among these outsoles, 10°-B outsole was found to the most useful outsole for improving stability and controlling the bodily movement due to the body weight load when walking down the ramp. However, wearing 10°-B outsole was determined not to be so useful in the proper force distribution of power through the smooth muscle activity of lower limb muscle, after leaving the ground movement of foot at the end of stance phase and leaving the ground.