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Archives of Orthopedic and Sports Physical Therapy Vol.14 No.2 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.24332/aospt.2018.14.2.01

The Influence of Augmented Reality based Knee Exercise in Short Period on Range of Motion and Balance - Pilot study

JongHun Im, JaeHo Yu*
Dept. Physical Therapy, Sun Moon University, Asan-si, Chungnam, Republic of Korea
교신저자: 유재호 (선문대학교 물리치료학과) E-mail: naresa@sunmoon.ac.kr
September 4, 2018 October 28, 2018 December 15, 2018

Abstract

Purpose:

This study investigated the effect of the augmented reality (AR)-based knee joint short period exercise program and used a motion analyzer with a 3D camera to determine the range of motion and dynamic balance and further investigate the effects of therapeutic exercise on patients.


Methods:

This study used AR-based motion analysis and a Y-balance test to measure the range of motion (ROM) of each joint: the hip joint and the knee joint. After the measurements, an exercise program was applied to the subjects, using the knee motion program function, and the muscles of the quadriceps femoris and the hamstring were stretched or strengthened.


Results:

Our results showed knee joint extension at the dominant hip joint flexion position. While there was no significant difference (p>.05) at this position, there were significant differences in the non-dominant hips, unbalanced knee joint flexion, and superior knee joint flexion (p<.05). The Y-balance test using the non-dominant leg supported by the dominant legs showed that the absolute reach was 69.70±7.06 cm before the exercise, and the absolute reach after the exercise was 77.56±6.09 cm (p<.05).


Conclusions:

There was a significant difference when the movement of the lower limbs supported the superior limbs, and a significant difference was found in the ROM when the non-dominant side supported the dominant side. Therefore, the AR-based exercise program improves the balance of the human body and the range of motion of the joints, and research that aims to improve patients abilities should continue



증강현실 기반의 단기간 무릎운동이 관절가동범위와 균형에 미치는 영향 - 예비연구

임 종훈, 유 재호*
선문대학교 물리치료학과

초록


    National Research Foundation of Korea
    2017R1D1A3B03035187

    Ⅰ. 서 론

    증강현실(Augmented reality)은 카메라를 통해 보이 는 화면과 컴퓨터 내의 3차원, 2차원 물체를 합성하여 보여주는 기술로서, 최근 게임이나 광고에 활용되고 있다(Suh, 2015). 스마트폰의 대중화와 소비자들의 수 요가 늘어나면서 누구나 활용 가능한 콘텐츠로 발전되 고 있으며, 평소에 접하지 않았던 생활에 대해서 간접 적으로 체험 할 수 있다는 점에서 현재 산업의 원동력 이 되고 있다. 최근 4~5년 동안 증가 되는 증강현실의 연구에서는 증강현실 환경에서 가시화되는 가상의 개 체와 사용자가 어떻게 자연스럽게 상호작용 하여, 더 자연스럽게 접근 할 수 있을 것인지에 대해서 꾸준히 연구가 진행 되고있다(Odin et al., 2018). 증강현실에 대한 기술과 연구가 증가함에 따라 실상황에서 직접적 으로 구현하기 힘들거나 연습이 필요한 활동에서 증강 현실을 통해 실질적인 교육 상황이 적용되고 있고(이 태수, & 류재연, 2014), 증강현실은 게임, 광고, 문화 뿐만 아니라 스포츠(Sports) 또는 의료(Medical) 환경 등 소비자의 신체적 능력을 향상 시키기 위한 운동 분 야에 대한 영역에서도 급증하고 있는 추세이다(Nolin et al., 2015).

    증강현실 기반의 연구에서는 노인들 대상으로 오타 고 운동을 12주간 적용하였을 때 노인 여성의 균형, 보 행, 낙상의 효과에 대한 연구에서는 대상자의 보폭과 낙상 예방에 효과가 있었다고 하였고, 버그 균형 척도 (Berg balance scale)에서도 유의한 차이가 있다고 하였 다(Yoo, Chung, & Lee, 2013). 오타고 운동은 지팡이나 지지대를 잡은 뒤 신체 전체적인 움직임을 하는 운동으 로 균형과 보행능력 향상에 유의한 차이가 있다는 연구 결과가 있다(Song, & Yoon, 2016). 증강현실을 화면을 통해 시각 되먹임(Visual feedback)을 포함한 3차원 증 강현실 시스템(3D augmented reality system) 연구에 서는 18~74세 연령의 상지에 신경학적 통증이 있는 22 명의 대상자로 하여 1주일 동안 하루에 20분간의 상지 운동을 진행 하였을 때 시각적 통증 척도(Visual analog scale)가 감소되었다(Dominique et al., 2017). 또한 어 린아이들 대상으로 한 연구에서는 주의력결핍 과잉행 동장애(Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder)가 있는 14명의 어린아이들을 대상으로 6주간, 주 3회 총 18번의 트레드밀(Treadmill)에서 보행 훈련을 한 결과, 사회 참여적인 능력이나, 보행에서의 이중 동작, 장기 기억에 대한 능력에서 유의한 차이가 있었다(Shema et al., 2018). 이렇게 증강현실에 대한 연구는 다양한 연 령대와 의료 전반적으로 걸쳐 운동 효과에 대한 연구가 있었다. 또한 현대 사회에서는 노인 인구가 증가하면 서 노인의 무릎관절 수술 환자가 급증하고 있고, 보행 (Gait)과 일상생활(Activity of daily living) 활동을 향 상시키기 위해 무릎관절의 증강현실 기반으로 한 운동 에 대한 연구가 나타나고 있다(Luna et al,. 2018).

    무릎관절 치환술(Total knee arthroplasty)을 대상자 로 한 연구에서는 비디오를 이용한 재활을 사용 하여 수술 후 유의한 효과가 있다는 연구가 있었고, 비디오 기반 소프트웨어 플렛폼(Software platform)과 직접 외래 환자를 비교 한 무작위 대조 연구를 수행한 결과 비디오 기반 소프트웨어가 더 많은 효과를 보였다고 하였다(Bini, & Mahajan, 2017). 66명의 무릎관절 치환 술을 한 대상자들에게 증강현실을 활용한 자가 원격재 활(Tele-rehabilitation) 한 그룹과 병원의 일반 통원 치료를 한 그룹을 2개월 동안 비교를 하였을 때 원격 재활한 그룹이 큰 효과가 나타났고, 본 연구를 통해 물 리치료사가 가정방문에 대한 가장 실용적인 대안으로 원격재활이라고 언급되었다(Tousiqnant et al., 2011). 이렇게 증강현실 기반의 원격재활에 대한 수요도 관심 을 생기면서 키네틱(Kinect) 기반의 재활 시스템에서 도 물리치료에 대해 편의가 증가되고 있고, 치료사의 지도 보다는 환자의 재활 참여를 유도하는 연구가 있 었다(Yao, Xu, & Li, 2014).

    기존의 연구에서 증강현실 기반만 중점으로 하여 원 격 재활에 대한 연구가 진행되었고, 장・단기적으로 운 동 프로그램을 적용 하였을 때의 효과를 알아보는 연 구가 있었다. 본 연구에서는 환자의 일상생활의 빠른 복귀와 증강 현실을 활용한 단기적 운동 프로그램을 활성화 하기 위해, 증강현실 기반의 무릎관절 운동 프 로그램을 단기적으로 적용하였을 때 관절 가동 범위 (Range of motion)와 균형(balance)에 미치는 영향을 알아보는데 그 목적이 있다.

    Ⅱ. 연구 방법

    1. 연구 대상자

    본 연구는 아산시에 위치한 S대학교의 평균 연령 21±2.1 세 건강한 성인 10명을 대상으로 실시하였다. 대상자들의 선정 기준은 마커 부착식 동작분석기 (Motion analysis)의 연구에 참여한 자, 엉덩관절, 무릎 관절의 관절가동범위가 정상 범위로 나오는 자로 설정 하였으며, 제외 기준으로는 고관절, 무릎관절에 근골 격계 통증이 있는 자, 최근 6개월 간 수술을 한 자로 하였다. 모든 연구 대상자는 실험 전에 연구의 목적과 실험 방법에 대해서 충분한 설명을 듣고 실험에 동의 하였고 연구 참여 동의서에 서명하였다. 연구 대상자 들의 일반적인 특성은 다음과 같다(Table 1).

    2. 측정도구 및 실험도구

    1) 동작분석기

    하지 관절의 각도를 측정하기 위하여 동작분석기 (Motion analysis, UINCARE-82B, KOREA, 2016)을 사 용하였다. 동작분석기의 카메라로 대상자 관절을 X축, Y축, Z축의 거리를 측정하여 관절 가동 범위의 값을 측정 하였고, 기존의 마커 부착형 동작분석기가 아닌 마커를 부착하지 않고 카메라 1대로 측정이 가능하다. 측정 후 무릎관절 운동 프로그램 기능을 사용하여 대 상자들에게 운동을 적용하였으며, 넙다리네갈래근 (Quadriceps femoris), 뒤넙다리근(Hamstring)의 근육 을 스트레칭 또는 강화를 시켜주었다(Figure 1).

    2) Y-균형 검사(Y-balance test)

    무릎관절 운동에 따른 동적 균형을 보기 위하여 Y-균 형 검사를 실시하였다. 진행 중 지지하는 다리의 균형을 보기 위해 우세 다리로 진행 하였으며, 비우세 다리의 발가락으로 1) 앞쪽(anterior), 2) 뒤안쪽(posterior medial), 3) 뒤가쪽(posterior lateral)에서 지지하는 다 리의 발바닥이 떨이지지 않은 상태로 최대한 갈 수 있는 만큼 길이를 측정하였고 이 때 계산 방법은 절대 도달 거리(Absolute reach distance) = (reach1 + reach2 + reach3)/3으로 계산 하였다(Lee et al., 2015)(Figure 2).

    3) 증강현실 기반의 무릎운동 프로그램

    균형의 변화와 관절 가동 범위의 변화를 알아보기 위한 실험으로 무릎관절 운동 프로그램은 동작분석기 (Motion analysis, UINCARE-82B, KOREA, 2016)으로 사용하였고 관절가동범위 및 균형의 전・후 평가를 비 교하기 위한 요인으로 적용하였다. 프로그램 내용은 다음과 같다.

    • 1) 서서 상체 숙이기

    • 2) 서서 무릎 구부려 당기기

    • 3) 의자에 앉아 한 쪽 다리 펴고 상체 숙이기

    • 4) 한발 서서 상하지를 교차하여 앞뒤 몸통 움직이기

    • 5) 한발 서서 무릎 구부리기

    • 6) 서서 스텝 박스 위에 한 발 짚고 무릎 들어올리기

    • 7) 옆으로 서서 스텝 박스 위에 무릎 들어올리기

    이렇게 총 7개의 운동으로 선정하였고 화면에 보여 지는 운동 프로그램을 환자가 실시간으로 직접 적용을 하였을 때, 운동 프로그램이 대상자의 관절을 인식 하 고 즉각적으로 피드백이 올 수 있도록 하여, 대상자들 의 관절의 움직임을 증강현실을 통해 수정 및 보완을 할 수 있도록 하였다. 관절의 움직이는 시간(도달시간) 은 4초, 유지시간 3초, 복귀시간 4초로 하나의 운동 당 3회씩 총 3세트를 진행하였으며, 총 운동시간은 10~15 분 사이이다. 1주일에 총 3번을, 3주간 실시하였다 (Figure 4). Figure 3

    3. 실험절차

    실험 전 충분한 작동원리와 설명 및 사용법을 교육 하였고 총 10명을 대상으로 실험을 진행하였다. 측정 된 변인은 1) 엉덩관절 굽힘, 2) 엉덩관절 폄, 3) 엉덩관 절 벌림, 4) 엉덩관절 모음, 5) 무릎관절 굽힘, 6) 무릎 관절 폄의 관절 가동 범위를 측정하였고 Y-균형 검사 는 1) 앞쪽(anterior), 2) 뒤안쪽(posterior medical), 3) 뒤가쪽(posterior lateral)의 거리를 측정 하였다. 전체 적인 연구 과정은 다음과 같다(Figure 3). 무릎 관절 운 동 프로그램 후 실험 전과 같이 동작분석기로 똑같은 방법으로 관절 가동 범위를 측정하고, Y-균형 검사를 통해 동적 균형을 측정하였다.

    4. 자료분석

    본 연구에서 수집된 자료는 SPSS/PC ver.22.0 for windows programs(SPSS INC. Chicago. IL)을 이용하여 산출하였다. 모든 변인들의 정규성 검정은 Sapiro-wilk test를 수행하였고, 대상자의 관절가동범위 변화와 균 형의 전후 비교를 Wilcoxon signed-rank test를 실시하 였으며. 통계적 유의성을 검정하기 위한 유의수준은 p<.05로 하였다.

    Ⅲ. 연구 결과

    1. 관절 가동 범위

    7가지의 무릎관절 운동 프로그램을 진행 하고 난 뒤 각 동작 마다의 엉덩관절, 무릎관절의 각동범위를 측 정한 결과, 우세쪽 엉덩관절 벌림, 우체쪽 무릎관절 굽힘, 우세쪽 앉은 자세에서 무릎관절 폄에서는 유의 한 차이가 나타나지 않았지만(P>.05), 비우세쪽 엉덩 관절 벌림, 비우체쪽 무릎관절 굽힘, 우세쪽 선 자세 에서 무릎관절 굽힘에서는 유의한 차이가 나타났다 (p<.05)(Table 2).

    2. Y-균형 검사

    우세쪽 다리를 지지하여 비우세쪽 다리를 이용하여 Y-균형 검사 한 결과 운동 전에는 절대 도달 거리는 69.70±7.06cm, 운동 후 절대 도달 거리는 77.56 ±6.09cm으로 유의한 차이가 나타났다(p<.05)(Table 3).

    Ⅳ. 고 찰

    본 연구는 증강현실 기반의 운동 프로그램을 바탕으 로 젊은 성인을 대상으로 하여 무릎관절 운동 프로그 램을 적용하였을 때 하지 관절의 관절 가동범위와 동 적 균형의 변화를 알아보고자 하였다. 본 연구의 결과, 7가지의 운동 프로그램을 적용하고 전・후 비교를 하였 을 때 우세쪽으로 지지하였을 때의 관절 가동 범위에 서 유의한 차이가 있었으며, 비우세쪽으로 지지하였을 때의 관절 가동 범위에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 또한, Y-균형 검사로 알아본 동적 균형에서도 유의한 차이가 나타났다.

    인체의 움직임이 시작되고 기능적인 활동을 수행하 기 위해서는 정적인 균형 능력과 동적인 균형 능력으 로 자세를 조절하여야 한다고 언급되었다(Jeong, 2011). 우선적으로 체간을 구성하는 근육이 척추의 안 정성을 유지하여 균형에 영향을 미치며, 하지 쪽의 근 육에서는 대퇴사두근(Quadriceps femoris muscle), 슬 괵근(hamstring muscle)의 활성화로 체간의 안정화를 위해 작용을 한다(Arokoski et al., 2001). 또한 인체의 자세를 유지하기 위해서는 시각, 체성감각, 고유수용 성 감각, 근피, 관절 수용기, 전정감각의 자극으로 인 체의 위치를 결정하는 정보를 제공하고, 특히 시각은 자세 안정을 위한 다양한 감각과정에 중요한 역할을 하는 기관이다(Kiburn, & Thoronton, 1995).

    이와 같이 일상 생활 활동에서 균형이 중요하기 때문에 균형에 대한 연구가 많이 진행 되었다. 6주간 정적인 무릎 관절 근력 강화 운동을 진행하였을 때, 무릎관절의 굽힘, 폄근의 최대 근 활성도(maximal voluntary contractions) 와 무게 중심점(centre of pressure)의 움직임(sway)에 유의한 차이가 나타났다고 하였다(Hassanlouei et al., 2014). 무릎관절의 근력 운동에 대한 연구로는 무릎관절 골관절염 환자 30명을 대상으로 하지 근력 강화 운동을 하였을 때, 그 결과로 환자의 기능 수행 수준, 균형 능력 이 좋아진다고 하였고(Jang, Bae, & Jung, 2007), 다른 연구에서는 무릎관절골관절염 환자들에게 각각 3~6개 월의 하지 근력 운동을 하였을 때, 무릎관절의 굽힘, 폄의 근력이 향상되었다고 하였다(Iwamoto, Takeda, & Sato, 2007). 본 연구에서는 하지 관절 가동 범위 운동 수행 과정 중 중력을 이용한 하지 근력 운동과 한발 서서 진행되는 운동 프로그램을 통해 하지의 움직임 과정과 움직임을 고정하는 과정에서 우세쪽의 근력 강화와 균 형을 이루고자 하는 점에서 본 연구의 대상자들 사이에 서 균형 능력이 향상 되었다.

    관절 가동 범위는 사람들이 일상생활에서 기능적인 활동을 위하여 필요한 요소이며, 관절 가동 범위의 제 한이 생기면 삶의 질이 낮게 나타난다(Yoon, 2003). 일 반적인 사람들은 우세쪽과 비우세쪽의 관절 가동 범위, 근력, 유연성 등 크고 작은 차이가 있으며, 이러한 양쪽 간의 변화를 알아보기 위한 다양한 연구들이 있다. 159 명의 여성을 대상으로 우세쪽과 비우세쪽의 균형을 이 루는 하지 근력에 대하여 근력 강화 운동을 한 뒤 비교 를 하였을 때, 비우세쪽 근력에서 무릎관절의 굽힘 근 육와 폄 근육 중 무릎관절의 폄 근육에서만 유의하게 증가하였다고 하였고, 우세쪽의 굽힘, 폄 근육에서는 둘 다 유의한 차이가 나타났다고 하였다(Katharina, & Eva, 2010). 16명의 여성을 대상으로 우세쪽과 비우세 쪽의 근활성도와 한발 서기 능력에 대해 4주간 운동 한 결과 우세쪽의 근활성도와 한발 서기 능력에 대해 유의한 차이가 있다고 하였다(Anderson et al., 2016). 위의 연구 결과는 본 연구에서 나타나듯이 우세쪽의 하지 근력이 비우세쪽보다 강하기 때문에 충분한 체중 지지가 되었고, 그로 인해 비우세쪽의 관절 가동 범위 와 원활하게 나타났다는 연구 결과와 같다. 이와 같이 관절가동범위가 월화하게 적용이 되어야 대상자들의 균형 능력도 증가 된다고 하였다.

    증강 현실을 바탕으로 균형 능력에 대한 연구로는 21명의 노인 여성을 대상으로 증간 현실 기반의 균형 운동을 통한 보행능력, 낙상 위험 능력에 대해 비교를 하였을 때, 버그 균형 척도와 보행속도, 보행 걸음에서 유의한 차이가 나타났다고 하였고, 낙상 위험에서도 유의하게 감소하였다고 하였다(Yoo, Chung, & Lee, 2013). 3차원을 중점으로 한 증강 현실 기반의 하지 기 능 및 균형 능력에 대한 연구에서 18명의 대상자로 4주 간 한발 서기, 걷기 등의 증강 현실 프로그램 운동을 진행 하였을 때 버그 균형 척도 및 Time Up and Go(TUG)에서 유의한 차이가 나타났다고 하였고, 이는 증강현실이 일상 생활 동작의 능력 향상에 중요한 요 인이 될 수 있다고 하였다(Im et al., 2015). 본 연구 결과와 같이 증강현실 기반의 운동 프로그램을 진행 하였을 때 균형 능력에 대해 유의한 차이가 나타났다 는 점에서 위의 연구 결과와 흡사하다.

    18명의 노인을 대상으로 4주간 증강현실 기반의 균 형 및 움직임 운동 프로그램을 진행 하였을 때 엉덩관 절의 바깥돌림과 무릎 관절 굽힘의 관절 가동 범위에 서 유의한 차이가 나타났다고 하였다(Im et al., 2015). 위의 연구 결과는 본 연구 결과와 마찬가지고 증간 현 실 기반의 운동 프로그램이 관절 가동 범위의 향상에 도움이 된다는 결과를 뒷받침 할 수 있다. 하지만 위의 연구는 운동 프로그램 안에서의 관절 가동 범위가 아 니라 운동 프로그램과 외적인 자세에서의 관절 가동 범위를 측정 하였다. 본 연구에서는 운동 프로그램을 하는 동시에 하지의 관절 가동 범위를 측정 하였기 때 문에 증강 현실과 관절 가동 범위 측정을 동시에 하는 연구가 진행 되어야한다.

    하지만, 위의 기존의 연구에서는 증강현실을 기반으 로 하여 보행 능력과 균형 능력에 향상에만 초점을 두 어 연구를 하였다. 본 연구에서는 추가적으로 균형 능 력과 그 균형을 이루기 위한 근력을 바탕으로 관절 가 동 범위에 대한 운동에 대한 연구를 진행 하였다. 그 결과, 증강 현실의 화면의 피드백을 받아 운동 프로그 램 수행에 대해서 균형을 유지하고 관절 운동을 충분 한 감각을 받아서 진행되었기 때문에 균형 변화의 유 의한 차이가 나타났다. 본 연구 결과에 따르면 우세쪽 으로 체중지지 한 상태에서의 관절 가동범위 증가가 나타났으며, 이는 증강현실 기반의 균형 감각의 능력 향상에 영향이 있다고 하였다.

    단기간 교정운동을 통해 엉덩관절 가동범위를 알아 보기 위한 연구에서는 2주, 4주간 넙다리뒤근육 스트 레칭을 포함한 교정운동을 하였을 때 엉덩관절의 굽 힘, 폄, 벌림, 모음, 안쪽돌림, 가쪽돌림에서 모두 증가 가 되었다(박상호, 김아람, & 이호성, 2016). 따라서 위 의 단기간 효과를 보기 위한 논문은 본 연구의 단기간 효과에 대한 근거를 뒷받침 할 수 있다.

    본 연구에서는 몇 가지 제한점이 있으며, 이를 보완 하여 향후 연구에 대한 방향을 제시하고자 한다. 첫째, 대상자의 연령이 20대의 젊은 성인을 대상으로 진행하 여 모든 연령대에 적용하기 어려운 점이 있지만, 젊은 연령대의 스포츠 선수들에게는 균형 능력을 키울 수 있는 연구가 될 것으로 사료된다. 무릎관절에 수술을 이력이 있는 대상자에게 일반화 할 수 없다는 점에서 추후에 무릎관절 및 하지 관절의 기능 제한이 있는 대 상자에 대한 연구가 필요하다. 둘째로는 대상자의 수 가 10명으로 적어 더 많은 대상자의 연구가 필요하다. 셋째, 균형 능력을 알아보기 위한 평가는 하였지만 하 지 근력 및 근 활성도에 대한 연구에 대해 미흡하다. 추후에는 우세쪽과 비우세쪽의 근력, 근 활성도에 대 한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료 된다.

    Ⅴ. 결 론

    본 연구는 증강현실 기반의 단기간 무릎 관절 운동 프로그램이 하지 관절의 관절 가동 범위와 동적 균형 에 미치는 영향에 대해 알아보았고 그 결과, 증강 현실 기반의 운동은 인체의 균형을 잡아주기 위한 하지 근 력이 활성화 되어 동적 균형이 증가되었고, 따라서 우 세쪽을 지지하여 비우세쪽의 관절 가동 범위의 결과값 도 유의한 차이가 나타났다. 따라서, 단기간 증강현실 기반의 운동 프로그램은 인체의 균형과 관절 가동 범 위 향상에 좋은 운동 프로그램이며, 환자의 능력 향상 을 위한 연구들이 지속적으로 이루어 져야한다.

    감사의 글

    이 성과는 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2017R1D1A3B03035187).

    Figure

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    연구 과정

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    동작분석

    AOSPT-14-1_F3.gif

    Y-균형 검사

    AOSPT-14-1_F4.gif

    증강현실 프로그램 실시

    Table

    연구대상자의 일반적 특성 (n=10)

    관절 가동 범위 (n=10)

    Y-균형 검사 (n=10)

    Reference

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