Ⅰ 서 론

앉았다 일어서기 동작(STS: sit to stand)은 보행과 같은 기능적인 활동을 하기 위하여 선행이 되는 중요 한 동작으로 독립적인 움직임과 다른 일상생활 동작에 필수적이며, 기능적인 능력을 확인할 수 있는 지표이 다(Demura et al., 2003; Kanai et al., 2016). 따라서, 안전하게 일어서기 동작을 수행하는 것은 독립적인 일 상생활 수행과 낙상 예방에 중요하여 많은 임상가들이 올바른 동작의 필요성을 인식하고 치료적 목적으로도 많이 응용하고 있다(Alexander et al., 2000; Schenkman et al., 1990).

STS 동작은 걷기와 계단 오르기 동작보다 하지 관절 토크와 가동성에서 운동역학적 기능이 더 요구된다 (Yu et al., 2000). 안전하게 STS 동작을 수행하기 위해 서는 충분한 관절 회전력, 기저면에 무게중심점을 안 전하게 이동시키는 능력, 하지와 체간 근육의 협응된 수축이 필요하며, 이를 통하여 환경적인 제약에 적응 하고 적절한 운동 전략을 사용할 수 있는 능력이 필요 하다(Mak et al., 2003; Shumway-cook, & Woollacott, 2007).

특히 발목관절은 STS 동작 시 기저면과 접촉하고 있 는 발로부터 입력되는 정보로 움직임의 균형능력에 중 요하게 작용한다(Shumway-cook, & Horak, 1986).또 한 발목 관절 근육은 STS 동작 시 체간을 앞으로 가져 가기 전 발을 안정화 시키기 위해 하지에서 가장 빠르 게 작용되며(Goulart, & Valls-sole, 2001; Jang, Kim, & Yoo, 2014), 몸통이 전방으로 가속되어 질 때도 무릎 관절 근육과 함께 우세하게 작용된다(Kim et al., 2006). 발과 발목관절은 STS 동작에 중요한 요소로 작 용하고 있어(Kim, 2003b), 신발 굽의 높이와 형태 (Edwards et al., 2008; Kim, & Park, 2013), 발의 위치 (Farqalit, & Shahnawaz, 2013), 발의 조건(Kim, 2017), 발목 각도(Lee, & Park, 2017)등 발목관절에 영향을 미 치는 다양한 변수에 대한 선행 연구들이 진행되었다.

이렇듯 발목관절의 동적인 움직임에 영향을 미치는 다양한 변수들에 대한 STS 동작 분석의 선행연구가 임 상적인 가치를 제시하고 있으나, 다양한 발목관절의 조건하에서 동작 분석이 지속적으로 보고되어야 한다. 따라서 본 연구는 건강한 성인을 대상으로 발목관절 움직임 제한에 따른 STS 동작 시 발생되는 하지 관절 의 역학적 요소를 살펴보고, 발목관절 움직임 제한이 있는 환자의 안전하고 효율적인 STS 동작 방법에 임상 적 기초자료를 제시하고자 하였다.

Ⅱ 연구 방법

1 연구 대상자

본 연구에서는 척추, 관절, 신경, 근육 계통에 특별 한 질환이 없는 건강한 성인 남녀 총 18명을 대상자로 선정하였다. 실험 전 본 연구의 절차에 대하여 충분히 설명을 하고 자발적인 동의를 한 대상자에게 연구를 실시하였다. 대상자들의 일반적인 특성은 다음과 같다 (Table 1).

2 측정도구 및 실험방법

1) 측정도구

자세 조절은 기저면에서 체성감각정보를 유용하게 받아들여야지만 유동성 있는 움직임을 나타낸다. 기저 면에서 체성감각정보를 올바르게 받아들이지 못하면 다른 감각적 정보를 받아 자세 조절을 수행하게 된다. 따라서, 발목관절 움직임 제한 보조기를 착용한 발은 기저면으로부터 올바른 체성감각정보가 입력되지 않 아, 건측 하지의 체성감각정보를 통한 움직임 조절이 이루어질 것으로 생각되어, 본 연구에서는 건측 하지 관절의 생체역학적 요소를 측정하였다(Nashner, Black, & Wall, 1982). 이러한 생체역학적 요소를 측정 분석하 기 위하여 지면 반발력 측정기(BP400600, Bertec, 미 국)와 6대의 적외선 카메라(Osprey, MotionAnalysis corp, 미국)를 사용하였다. 하지 관절의 3차원 좌표 데 이터를 측정하기 위하여 신체 좌･우 방향은 X 축, 전･ 후 방향은 Y 축, 상･하 방향은 Z 축으로 설정한 후, 좌 우 측 위뒤엉덩뼈가시, 엉치뼈 중앙, 좌우 측 위앞엉덩 뼈가시, 좌우 측 전면 넙다리, 좌우 측 안가쪽융기, 좌 우 측 정강이, 좌우 측 안가쪽복사뼈, 좌우 측 뒤꿈치, 좌우측 발등 21곳에 마커를 부착하였다. 표본추출률을 지면 반발력 측정기는 1200㎐, 적외선 카메라는 120㎐ 로 설정한 후 얻어진 데이터를 Kintool RT 분석프로그 램을 이용하여 관절 모멘트, 지면 반발력, 무게중심점 의 변위 차, 관절 각도를 구하였다. 대상자의 일반적인 특성은 자동 신장계(BSM330, Inbody, 대한민국)와 체 지방측정기(Inbody720, Inbody, 대한민국)를 이용하여 신장, 체중, BMI를 측정하였다.

3) 실험절차

STS 동작 프로그램은 선행연구를 재구성하여 "폭 45 ㎝, 너비 42 ㎝, 높이 42 ㎝"의 표준 나무형 의자에서 실시하였다(choi, 2006; Jeng et al., 1990; Wbeerler et al., 1991). 연구에 앞서 대상자를 발목 움직임 제한에 따라 엑셀의 난수 함수를 이용하여 무작위로 3그룹 (NFR: non flexion restriction, DFR: dorsi flexion restriction, PFR: plantar flexion restriction)으로 분 류하였으며, 우세 측 발목의 관절가동범위를 제한하였 다. DFR 그룹은 대상자의 능동적인 최대 발바닥 굽힘 상태에서 석고부목으로 발등 굽힘을 제한하였으며, PFR 그룹은 대상자의 능동적인 최대 발등 굽힘 상태에 서 발바닥 굽힘 제한 보조기를 이용하여 발바닥 굽힘 을 제한하였으며, NFR 그룹은 발목관절 움직임에 제 한을 두지 않았다(Figure 1).

대상자는 하지에 마커를 부착 후 평소 일어나는 편 안한 자세로 발을 위치시키고, 팔의 대상작용을 최소 화하기 위하여 양팔을 가슴에 모으는 준비 자세를 취 한다. 대상자가 의자에 앉아 실험 준비가 끝난 후 ‘준비 완료’라고 하면, 지시자의 ‘일어나세요’ 구두 지시에 따 라 정면을 응시하면서 안정되게 선호하는 속도로 양발 움직임 없이 평소 일어나는 습관에 맞추어 동작을 실 시하였다. 최대한 일어섰을 때 약 2초간 유지하고 각 동작을 3회 반복 측정하였다. 각 동작 간에는 근 피로 를 최소화하기 위하여 1분간의 휴식시간을 주었으며 3 회 중 최대 지면 반발력이 중간값을 가지는 동작을 분 석하였다. STS 동작 시 움직임 전략에 따른 건측 하지 관절의 생체역학적 요소를 살펴보았다.

3 자료분석

발목관절 움직임 제한에 따른 하지 관절의 생체역학 적 요소의 변화를 알아보기 위하여 Kruskal wallis test 를 실시하였다. 유의성에 따른 사후분석은 Mann Whitney U test를 실시하였다. 연구 대상자의 일반적 인 특성은 기술 통계를 통하여 평균값과 표준편차를 산출하였다. 본 연구의 통계적 분석은 SPSS(Statistical Package for the Social Sciences) 18.0 통계 프로그램을 이용하였으며, 모든 통계적 유의수준은 α= .05 이하 로 하였다.

Ⅲ 연구 결과

1 그룹 간 최대 관절 굽힘 각도 비교

발목관절 움직임 제한에 따른 하지 관절의 최대 굽 힘 각도를 비교 분석한 결과, 엉덩관절 최대 굽힘 각도 는 NFR 그룹은 73.79ﾟ, DFR 그룹은 70.92ﾟ, PFR 그룹 은 78.13ﾟ으로 통계학적으로 유의한 차이가 없었다 (p>.05). 무릎관절 최대 굽힘 각도는 NFR 그룹은 74.74ﾟ, DFR 그룹은 71.22ﾟ, PFR 그룹은 74.41ﾟ으로 통계학적 으로 유의한 차이가 없었으며(p>.05), 발목관절 최대 굽힘 각도 또한 NFR 그룹은 16.39ﾟ, DFR 그룹은 15.56ﾟ, PFR 그룹은 14.46ﾟ으로 통계학적으로 유의한 차이가 없었다(p>.05)(Table 2).

2 그룹 간 무게중심점 변위 차 비교

발목관절 움직임 제한에 따른 무게중심점 변위 차를 비교 분석한 결과, 시상축(전-후)으로 변위 차는 NFR 그룹은 182.07 ㎜, DFR 그룹은 308.67 ㎜, PFR 그룹은 194.54 ㎜으로 통계학적으로 유의한 차이를 보였다 (p<.05). 이마축(좌-우)으로 변위 차는, NFR 그룹은 13.58 ㎜, DFR 그룹은 56.07 ㎜, PFR 그룹은 58.53 ㎜ 으로 통계학적으로 유의한 차이를 보였으나(p<.05), 수직축(상-하)으로 변위 차는, NFR 그룹은 167.08 ㎜, DFR 그룹은 186.01 ㎜, PFR 그룹은 170.43 ㎜으로 통계 학적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(p>.05)(Table 3). 사후 검정 결과, 시상축에서 DFR 그룹이 유의한 차 이를 보였고(p<.05), 이마축에서는 DFR 그룹과 PFR 그 룹에서 유의한 차이를 보였다(p<.05)(Table 3).

3 그룹 간 최대 지면 반발력 비교

발목관절 움직임 제한에 따른 최대 지면 반발력을 비교 분석한 결과, NFR 그룹은 359.39 ㎏f, DFR 그룹 은 579.42 ㎏f, PFR 그룹은 496.42 ㎏f으로 통계학적으 로 유의한 차이를 보였다(p<.05)(Table 4). 사후 검정 결과, DFR 그룹에서 유의한 차이를 보였다(p<.05) (Table 4).

4 그룹 간 최대 관절 모멘트 비교

발목관절 움직임 제한에 따른 하지 관절의 최대 관 절 모멘트를 비교 분석한 결과, 엉덩관절 최대 모멘트 는 NFR 그룹은 194.93 Nm, DFR 그룹은 395.58 Nm, PFR 그룹은 334.00 Nm으로 통계학적으로 유의한 차 이를 보였다(p<.05). 무릎관절 최대 모멘트는 NFR 그 룹은 303.50 Nm, DFR 그룹은 526.87 Nm, PFR 그룹은 440.75 Nm으로 통계학적으로 유의한 차이를 보였으나 (p<.05), 발목관절 최대 모멘트는 NFR 그룹은 130.66 Nm, DFR 그룹은 212.81 Nm, PFR 그룹은 149.52 Nm으 로 통계학적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.(p>.05)(Table 5). 사후 검정 결과, 엉덩관절 최대 모멘트 는 DFR 그룹과 PFR 그룹에서 유의한 차이를 보였으며 (p<.05), 무릎관절 최대 모멘트는 DFR 그룹에서 유의 한 차이를 보였다(P<.05)(Table 5).

Ⅳ 고 찰

본 연구는 정상 성인을 대상으로 발목관절의 움직임 제한에 따른 STS 동작 시 하지 관절의 생체역학적 요 소를 알아보기 위해 수행되었으며, 그 결과 발목관절 움직임 제한에 따라 최대 관절 모멘트, 최대 지면 반발 력, 무게중심점의 변위 요소에 의미 있는 변화를 살펴 볼 수 있었다.

STS 동작은 하지의 근력을 이용하여 일어서는 방법 과 엉덩이를 들기 전에 상체를 구부려 엉덩이 들기 이 후 무게중심을 조절하기 위한 원심성 수축이 필요하는 두 가지 전략이 있다(Carr, & Shepherd, 2003). 정상적 인 STS 동작보다 발목관절을 발바닥 굽힘 상태에서 STS 동작을 수행할 경우 이를 보상하기 위하여 무릎과 엉덩관절은 적게 굽힘 시키고, 몸통은 좀 더 굽힘 시켜 동작을 수행한다(Hwang et al., 2008). DFR 그룹은 STS 동작 시 발바닥 굽힘이 시작자세이므로 체간의 굽 힘을 통해 무게중심을 조절하기 위한 하지관절의 적절 한 움직임을 만들어내기 어렵다. 따라서 엉덩관절과 무릎관절의 굽힘 각도를 감소시켜 하지의 근력을 이용 한 일어서기 전략을 사용한 것으로 생각된다.

STS 동작 초기 단계에서 기저면내로 무게중심점을 위치시키기 위하여 몸통과 골반이 앞으로 기울어지게 되며 이때 앞정강근과 넙다리곧은근이 우세하게 사용 된다(kim et al., 2006). 특히 발등 굽힘 자세에서 STS 동작을 수행하게 되면 앞 정강근이 선행되어 활성화되 게 된다(Lee, & Park, 2017). PFR 그룹은 발등 굽힘이 시작자세로 앞정강근이 선행되어 활성화되어, STS 동 작 시 엉덩관절의 굽힘을 통하여 무게 중심점을 기저 면내로 위치시키는 전략을 사용하는 것으로 생각된다.

정상 성인도 STS 동작 시 우세 측으로 상체 무게중 심을 이동하는 전략을 사용하기 때문에 양쪽 하지의 비대칭률이 증가한다(Jeong, 2014). 특히 발등 굽힘 제 한이 있는 편마비 환자가 STS 동작을 수행할 경우 환 측 하지는 몸무게의 25%~38%만 지지하는 불균형을 초 래하기 때문에, 양쪽 하지에 작용하는 힘이 크게 차이 가 나게 된다. 이로 인하여 내외 측으로의 압력 중심의 이동거리가 커지게 된다(Hesse et al., 1998; Chu et al., 2003). DFR 그룹은, 편마비 환자의 경우처럼 발등 굽힘 움직임을 제한하므로, 정상 쪽으로의 체중이동과 체간을 앞으로 가져가는 발목관절의 보상전략을 사용 하게 된다. 이로 인하여 내외 측과 전후방향으로의 무 게중심점의 변위가 증가한 것으로 사료된다. Yu(2004)의 선행연구에서도 편마비 환자가 STS 동작을 실시할 경 우 하지 관절의 근력 약화와 가해지는 힘의 차이로 인 하여 정상인 보다 내외 측 전후방향으로의 압력 중심 이동이 증가한다고 하여 본 연구결과와 비슷한 양상을 보였다. 의자 높이가 낮아지게 되면 무릎관절과 발목 관절의 굽힘 각도가 증가된 시작자세를 보이게 되며, 이때 STS 동작을 실시하게 되면 체간을 앞으로 가져 가고, 들어 올리는 동작에서 균형유지를 위해 높은 의 자에서 동작을 수행하는 경우보다 좌우 방향의 지면 반발력이 증가하게 된다(Lee, 2006). 이렇듯 발등 굽힘 이 시작자세인 PFR 그룹은 하지 관절의 근력을 이용한 전략이 아닌 체간을 기저면으로 가져가 무게중심점을 조절하는 전략을 사용하기에, 좌우 방향으로의 무게중 심점 변위가 증가된 것으로 생각된다.

발바닥 굽힘 상태에서는, STS 동작을 수행할 경우 상대적으로 건측 발목의 배측 굴곡이 증가하게 되어 장딴지 근육의 신장 반사(stretching reflex)를 자극하 여 보다 강한 폄 수축의 힘을 발휘하게 되어(Park, 2015), 하지 근육의 활성을 증가시켜 동적인 안정화 전 략을 취하게 된다. 또한 무게중심점을 건측으로 이동 하게 되고 불안정한 기저면을 형성하게 되는데, 불안 정한 면에서의 동작은 하지의 근 활성도와 족저압을 증가시키게 된다(Kim et al., 2010). 따라서 발등 굽힘 제한이 있는 편마비 환자의 STS 동작 시 최대 지면 반 발력이 증가되는 선행 연구 결과와 같이 DFR 그룹도 같은 양상을 보이는 것으로 생각된다(Yu, 2004). 또한 발등 굽힘 자세에서는 건측 발목의 배측 굴곡이 감소 하게 되어 폄 전 단계를 빨리 가져가는 동적인 안정화 를 취함으로써 DFR 그룹처럼 하지 관절의 근육이 활성 화되어 최대 지면 반발력이 증가되는 경향이 있는 것 으로 생각된다(Shepherd, & Koh, 1996).

앉았다 일어서기 동작은 체중을 엉덩이에서 발로 이 동하기 위하여, 무게 중심점이 전 상방으로 이동하는 움직임이다. 이를 위하여 체간의 움직임 조절과 더불 어 하지의 충분한 근력이 필요로 한다(Kim, 2003a). 특 히 앉아서 일어서기 동안 신체의 움직임은 근육의 힘 에 의해 발생되는 가속에 의해 조절되는데(Fujimoto, & Chou, 2012), 발목관절을 이용하여 제일 먼저 자세조 절을 하게 된다(Shumway-cook, & Woollacott, 2007). 하지만, STS 동작 시 발목관절 움직임이 제한되면, 발 목관절 전략이 아닌 하지 근육의 협력 수축을 통하여 자유도가 큰 움직임을 조절하게 되어 하지 관절의 모 멘트가 증가된 것으로 생각된다(Donath et al., 2016).

본 연구는 20대의 건강한 성인만을 대상으로 하여 발목관절 움직임을 제한한 후 연구를 시행하여 모든 성인 혹은 질환을 갖은 대상자에게 일반화 시키는데 어려움이 있다. 또한 발목의 움직임 각도를 최대 발등 굽힘 및 발바닥 굽힘으로 제한하여 다양한 발목 각도 에서의 데이터 분석이 이루어지지 못하였다. 추후 연 구에서는 폭넓은 연령층과 발목관절의 병리적 손상이 있는 환자를 대상으로 다양한 발목관절 각도 제한에 따른 생체역학적 요소 분석이 요구된다. STS 동작은 보행으로 가기 위한 선행 동작일 뿐만 아니라 일상생 활에 많이 쓰이는 동작으로서 발목관절은 이러한 STS 동작을 실행하는데 있어 하지 관절 근육의 활성도와 기계적인 부하 등 많은 생체역학적 요소에 중요한 영 향을 미치게 된다. 따라서 발목관절 손상에 따른 STS 동작 시 효율적이고 안전한 중재 방법을 위하여, 발목 관절 각도뿐만 아니라 더 많은 요소에 관한 연구가 이 루어져야 할 것으로 생각된다.

Ⅴ 결 론

본 연구는 20대 성인을 대상으로 ‘NFR’, ‘DFR’, ‘PFR’ 그룹으로 분류하여 STS 동작을 실시한 후 생체역학적 요소를 분석하였다. 그 결과 발등 굽힘 제한 상태에서 STS 동작 수행 시 체중을 건측으로 이동하여 건측 하 지의 힘을 이용한 전략을 사용함을 알 수 있었다. 이에 따라, 하지의 굽힘 각도가 감소하고 시상축, 이마축으 로 무게중심점의 변화가 증가하였으며, 하지 관절의 최대 모멘트가 높게 나타났다. 또한, 발바닥 굽힘 제한 상태에서 STS 동작을 수행하게 되면, 기저면 내로 무 게중심점을 이동하는 전략을 수행하기 위하여, 엉덩관 절과 무릎관절의 굽힘 각도를 증가시키고, 이마축으로 무게중심점의 변위를 증가시킴을 알 수 있었다.

이러한 결과를 바탕으로, 발등 굽힘 제한이 있을 경 우 효율적으로 STS 동작을 수행하기 위하여 자세 동요 에 따른 동적인 균형능력과 더불어 하지 근력이 필요 하며, 발바닥 굽힘 제한이 있는 경우 기저면 내로 무게 중심점을 위치시키기 위해 엉덩관절과 무릎관절 모멘 트의 조절이 필요할 것으로 생각된다.