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Ⅰ. 서 론
유연성 편평발(Flexible flatfoot, pes planus)은 체중 부하 시 안쪽세로활(Medial longitudinal arch, MLA)의 구조적 붕괴를 특징으로 하는 매우 흔한 근골격계 변형으로, 하지의 생체역학적 온전성을 근본적으로 무너뜨린다(Cheng et al., 2024). 성인 인구의 상당 부분에 영향을 미치는 이 질환은 정상적인 힘의 분산과 관절 운동학(kinematics)을 변화시켜 보행 이상, 자세 불안정성 및 쇠약해지는 발 통증을 빈번하게 초래한다(Ghorbani et al., 2025;Jia et al., 2024). 구체적으로, 안쪽세로활의 하강은 과도한 발 엎침(pronation)을 유발하여 발의 충격 흡수 능력을 손상시키고 보행 중 추진 효율을 감소시킨다(Nickpey, Boozari & Farjad, 2025). 이러한 기계적 스트레스에 대항하고 안쪽세로활의 구조적 형태를 유지하기 위해 내재근과 외재근을 모두 포함하는 능동적 지지 시스템은 정밀한 신경역학적 조화를 이루어야 한다(Mody & Patel, 2024). 안쪽세로활 바로 아래에 위치하여 일차적인 내재성 국소 안정자 역할을 하는 엄지벌림근(Abductor hallucis, AH)은 보행의 입각기(stance phase) 동안 활을 동적으로 뻣뻣하게 만들고 부하 분산을 조절하는 데 중요한 역할을 한다(Jaffri et al., 2019). 동시에, 앞정강근(Tibialis anterior, TA)과 같은 외재근은 초기 접지 시 발 처짐(foot drop)을 감속하기 위한 필수적인 편심성 조절을 제공하고 다른 외재성 안정자들과 함께 활의 동적 거상을 보조함으로써 협력적으로 작용한다(Fanous & Rice, 2025;Mody & Patel, 2024). 결과적으로 이러한 내재근 및 외재근의 통합적 동원과 조화로운 활성화는 활의 안정성을 보존하는 데 필수적이다. 그러나 유연성 편평발 환자에서 정확한 신경근 조절 기전과 그 기능적 한계는 여전히 불충분하게 이해되고 있어, 근육 협동작용 및 치료 전략에 대한 표적 연구가 필요하다.
현대 임상 재활에서, 표적 치료 운동, 특히 짧은 발(Short foot, SF), 발가락 굽힘(Toe curl, TC) 및 발가락 벌림(Toe spread, TS) 운동은 안쪽세로활 붕괴를 완화하고 유연성 편평발 환자의 신경역학적 기능을 회복하기 위한 표준 보존적 중재로 확고히 자리 잡았다. 발 코어(foot core) 패러다임에 기반을 둔 이러한 능동적 중재는 발바닥 내재근 및 외재근의 힘 생성 능력, 지구력 및 신경 조절을 향상시켜 인대 이완의 해로운 영향을 상쇄하는 것을 목표로 한다. 발가락뼈사이관절(interphalangeal joint)의 굽힘 없이 첫째 발허리뼈 머리를 발꿈치뼈 쪽으로 능동적으로 당기는 것이 특징인 SF 운동은 엄지벌림근과 짧은발가락굽힘근(flexor digitorum brevis)을 독립적으로 활성화하고 유의미한 근비대를 유도하는 데 매우 효과적인 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 표적 활성화는 체중 부하 활동 중 안쪽세로활을 직접적으로 거상시키고, 중간발(midfoot)을 뻣뻣하게 만들며, 고유수용성 피드백을 향상시킨다(Cheng et al., 2024;Jastifer, 2023). 반대로, TC 운동은 내재성 안정자와 더불어 긴엄지굽힘근(flexor hallucis longus) 및 긴발가락굽힘근(flexor digitorum longus)과 같은 강력한 외재성 굽힘근을 모두 동원하여 보다 포괄적인 운동 사슬을 참여시킴으로써, 보행의 말기 입각기 동안 동적인 충격 흡수 및 추진을 촉진한다(Jia et al., 2024;Rowley et al., 2023). 또한 TS 운동은 등쪽뼈사이근(dorsal interossei)과 새끼벌림근(abductor digiti minimi)을 포함한 가로활(transverse arch) 안정자의 활성화를 강제하여 앞발 펴짐(forefoot splay)과 안가쪽 안정성을 최적화한다(Jastifer, 2023). 상당수의 체계적 문헌고찰과 메타분석은 이러한 개별 운동 전략들이 통합적으로 작용해 강력한 능동적 지지 시스템을 형성하며, 결과적으로 발 자세 지수(foot posture index), 발배뼈 하강(navicular drop) 및 동적 자세 균형과 같은 임상적 지표를 유의미하게 개선한다는 학계의 보편적인 견해를 뒷받침한다(Jia et al., 2024;Molina-García et al., 2024). 그러나 이러한 표준 프로토콜의 광범위한 임상적 채택에도 불구하고, 이러한 과제 수행 중 뚜렷한 생체역학적 제약과 관절 자세가 특정 내재근 및 외재근 사이의 정밀한 협력적 동원 패턴을 어느 정도까지 변화시키는지에 대해서는 추가적인 규명이 필요하다.
표준화된 발 운동이 임상적으로 광범위하게 활용되고 있음에도 불구하고, 기존 연구들은 보편적으로 발목의 중립 자세만을 고수한다는 결정적인 방법론적 한계를 지닌다. 이는 근육의 길이-장력 관계(length-tension relationship)가 미치는 핵심적인 생체역학적 영향을 간과하는 것이다. 긴엄지굽힘근이나 앞정강근과 같은 발의 외재근은 발목 관절을 가로지르기 때문에, 이들의 기능적 역량과 신경 동원은 발목의 시상면 정렬(sagittal plane alignment)에 의해 직접적으로 결정된다(Otani et al., 2024). 생체역학적 관점에서 발목 관절 각도의 변화는 힘-길이 곡선(force-length curve) 상에서 다관절 근육의 작동 길이를 근본적으로 이동시킨다. 이는 근육의 등척성 수축력을 변화시키며, 내재근과 외재근 사이의 협력적인 힘 분배 전략을 크게 변형시킨다(Rowley et al., 2023). 예를 들어, 발바닥굽힘(plantarflexion) 상태에서 발가락 운동을 수행하면 외재성 발가락 굽힘근의 길이가 크게 단축되어 기계적 불이익(mechanical disadvantage)이 발생한다. 역설적으로 이는 감소된 외재근의 힘 출력을 보상하기 위해 발바닥 내재근의 고립된 활성화를 더욱 촉진하게 된다(Hashimoto & Sakuraba, 2014;Otani et al., 2024). 반면, 엄격한 중립 자세를 유지할 경우 이러한 국소 안정자(local stabilizers)를 독립적으로 동원하는 데 실패하여, 상대적으로 강력한 외재근이 운동 사슬(kinetic chain)의 움직임을 지배하게 된다. 관절 운동학의 변화가 신경근 활성화 패턴을 완전히 전환하고 특정 근육의 표적화를 최적화할 수 있음에도 불구하고, 발목 각도와 특정 발 코어 운동 간의 유기적 상호작용을 면밀히 조사한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 결과적으로 획일적인 자세 접근법의 한계를 극복하고 발 중재의 재활 효능을 극대화하기 위해서는, 특정 발목 각도의 조작이 능동적 지지 시스템의 신경역학적 활성화를 선택적으로 표적화하는 데 어떻게 전략적으로 활용될 수 있는지 체계적으로 규명하는 작업이 필수적이다.
근 수축력을 지배하는 기초적인 생체역학적 원리에도 불구하고, 능동적 지지 시스템의 선택적 표적화를 위한 특정 발목 발등굽힘(dorsiflexion) 각도와 개별 발 코어 운동 간의 정밀한 신경역학적 상호작용에 대해서는 여전히 뚜렷한 학술적 공백이 존재한다. 엄지벌림근을 비롯한 내재성 안정자는 발 내부에서 완전히 기시하여 정지하는(origin and insertion) 반면, 앞정강근 및 긴발가락굽힘근과 같은 외재근은 아래다리(종아리)에서 기시하여 목말종아리관절(talocrural joint)을 교차한다. 따라서 발목 관절 조작에 따른 이들의 기능적 반응은 본질적으로 다를 수밖에 없다(Fanous & Rice, 2025;Kusagawa et al., 2024). 발목을 30도 발등굽힘 위치에 두면 외재성 발바닥 굽힘근이 기계적으로 신장되고 먼쪽(distal) 운동 사슬을 따라 근막 장력이 변화하여, 힘-길이 곡선 상의 작동 구간이 크게 이동한다(Murata et al., 2025). 이와 동시에 해당 발등굽힘 상태에서 능동적인 발 운동을 수행하려면 외재성 굽힘근이 유발하는 발바닥굽힘 토크에 대항하여 발목을 고정하는 앞정강근의 등척성 협동 안정화(synergistic, isometric stabilization) 작용이 요구되며, 이는 신경근 조화 전략을 근본적으로 변화시킨다(Fanous & Rice, 2025). 결과적으로 짧은 발, 발가락 굽힘, 발가락 벌림 운동과 같은 표준 중재는 적용되는 발목 발등굽힘 각도에 따라 엄지벌림근과 앞정강근에서 매우 가변적인 협력적 활성화 양상을 보일 것이라는 강력한 학문적 전제가 성립한다(Kusagawa et al., 2024;Rowley et al., 2023). 단편적인 생체역학적 단서들이 발목 발등굽힘과 특정 운동 양식의 결합이 선택적 근육 동원을 최적화할 수 있음을 시사하고 있음에도 불구하고, 기존 연구들은 대다수 건강한 성인을 대상으로 하거나 비체중 부하 자세에서 수행되었다는 한계가 있어 유연성 편평발 환자에 대한 체중 부하 연구는 여전히 부족한 실정이다. 유연성 편평발 환자를 대상으로, 실제 기능적 활동을 모사한 체중 부하 기립 자세에서 발목 시상면 각도와 세 가지 핵심 발 코어 운동 간의 정밀한 신경역학적 상호작용을 체계적으로 규명한 연구는 여전히 부족한 실정이다.
따라서 본 연구는 유연성 편평발 성인을 대상으로 체중 부하 기립 자세에서 발목 각도(중립 vs 30° 발등굽힘)와 세 가지 발 코어 운동(SF, TC, TS)이 엄지벌림근(AH) 및 앞정강근(TA) 활성화에 미치는 상호작용을 규명하고자 한다. 근육의 길이-장력 관계에 근거한 이러한 생체역학적 검증은 보편적인 중립 자세 중심의 중재 패러다임을 넘어, 특정 각도 조작을 통한 정밀한 근육 고립의 필요성을 제시할 것이다. 나아가 본 연구의 결과는 IMU 센서 기반 웨어러블 기기 및 가정 내 재활 시스템에서 운동 적절성을 평가하는 객관적 비교 준거(Reference data)로 활용됨으로써, 임상 환경을 넘어 환자 스스로 정확한 운동 패턴을 유지할 수 있는 개인 맞춤형 정밀 재활의 토대를 마련할 것으로 기대된다.
Ⅱ. 연구 방법
1. 연구 설계
본 연구는 단면적, 반복 측정 설계로 수행되었으며, 연구 프로토콜은 대구대학교 생명윤리위원회의 승인(승인 번호 1040621-202601-HR-025)을 받아 헬싱키 선언에 따라 진행되었다. 연구에 앞서 모든 참가자에게 연구의 목적과 절차를 충분히 설명한 후 자발적인 서면 동의를 얻었다. 본 연구에 필요한 표본 크기는 G*Power 3.1 소프트웨어를 사용하여 산출하였으며, 효과 크기 0.25, 유의 수준(α) 0.05, 검정력 0.80의 이원 반복 측정 분산분석(two-way repeated measures ANOVA)을 기준으로 최소 19명의 참가자가 요구되었으나, 잠재적인 중도 탈락률을 고려하여 최종적으로 총 30명의 참가자를 모집하였다.
2. 연구 대상자
본 연구는 대한민국 경상남도의 G 대학교에서 진행되었으며, 유연성 편평발을 가진 건강한 성인 30명이 자발적으로 참여하였다. 대상자의 선정 기준은 발배뼈 하강 검사(Navicular Drop Test; NDT)를 통해 안쪽세로활(MLA)의 동적 붕괴가 명확히 관찰되는 10 mm 초과자로 엄격히 제한하였다(Moon & Jung, 2021). 반면, 하지 수술 이력, 관절염, 당뇨병을 비롯하여 무지외반증, 망치발가락, 갈고리발가락과 같은 발의 변형이 있는 자는 제외하였다. 본 실험에서는 측정 중 발목의 중립 정렬을 엄격하게 확인하기 위해 각도기(goniometer)를 사용하였으며, 서로 다른 발목 굽힘 각도 조건 하에서 특정 발 내재근 운동 시 근활성도를 정량적으로 분석하기 위해 무선 표면 근전도 시스템(wireless surface electromyography system)을 활용하였다.
3. 근전도 측정 및 데이터 처리
근육의 활성 수준을 정량화하고 표면 근전도 수집 시 발생할 수 있는 신호 누화(Crosstalk)를 방지하기 위해, 전극 부착 위치는 SENIAM 가이드라인의 원칙을 준용하되 발 내재근에 특화된 해부학적 기준(Park & Park, 2018)에 따라 발배뼈 거친면(navicular tuberosity) 하방 1-2 cm 지점으로 설정하였다. 전극 간 거리는 10 mm로 설정하여 신호 수집의 국소성을 높였으며, 부착 전 피부 저항을 5 kΩ 이하로 낮추기 위해 미세 연마제와 알코올 스왑을 사용하였다. 특히, AH 신호의 순수성을 보장하기 위해 실험 전 Isolated hallux abduction 동작을 통해 인접 근육인 짧은발가락굽힘근(FDB)과의 신호 분리 여부를 실시간으로 검정(Validation)하였다. 수집된 신호는 1500 Hz의 높은 표본추출률과 40-250 Hz 대역 통과 필터를 적용하여 환경 노이즈 및 인접 근육의 간섭을 최소화하였다.
또한, 내재근의 불완전한 고립 수축 특성을 감안하여 최대 자발적 수축(%MVIC) 대신 기준 자발적 수축(%RVC)을 분석에 활용함으로써 데이터의 신뢰도를 높였다. 실험 과정 중에는 범용 각도기(universal goniometer)를 통한 정렬 상태의 객관적 검증과 더불어 연구자의 실시간 모니터링을 통해 무릎 굽힘 등의 보상 작용에 의한 비표적 근육의 신호 유입을 엄격히 차단하였다.
엄지벌림근(AH)의 불완전한 고립 수축 특성과 편평발 환자의 보상 작용을 고려하여, %MVIC 대신 %RVC를 정규화 지표로 활용하였다. %RVC 측정을 위한 기준 동작은 참가자가 의자에 앉아 양 무릎과 발목을 90° 굽힘 상태로 유지한 채, 발바닥을 지면에 고정하고 엄지발가락으로 지면을 하방으로 가볍게 누르는 등척성 수축으로 설정하였다. 이 동작은 총 3회 반복되었으며, 회당 5초간 수축을 유지하였다. 수집된 신호 중 안정 상태에 도달한 중간 3초간의 근전도 신호 평균값(μV)을 산출하여 이를 100%RVC로 정의하였으며, 각 운동 과제 중 발생한 근전도 진폭을 백분율로 환산하여 분석에 사용하였다. 수집된 근전도 신호는 5초의 수축 시간 중 초기와 말기의 가속 및 감속 구간을 제외한 중간 3초 영역의 RMS(Root Mean Square) 평균값을 추출하여 정규화에 사용하였다. 3회 반복 측정된 데이터의 평균값을 최종 분석 값으로 채택하여 개인 내 변동성을 최소화하였다.
4. 실험 절차
참가자들은 체중 부하 기립 자세에서 두 가지 특정한 시상면 발목 조건, 즉 중립(0°) 및 30° 발등굽힘 상태로 세 가지 발 내재근 운동인 짧은 발(SF), 발가락 굽힘(TC) 및 발가락 벌림(TS)을 수행하였다. 본 연구에서 발목 발등굽힘 각도를 30°로 설정한 것은 선행 연구(Yoon et al., 2017)에서 발등굽힘 조건이 중립 및 발바닥굽힘 조건에 비해 엄지벌림근(AH)과 앞정강근(TA)의 활성화를 가장 높게 유도하는 것으로 나타났기 때문이다. 다만 해당 연구는 좌식 자세에서 수행되었으므로, 본 연구는 이를 체중 부하 기립 자세로 확장하여 적용하였다.
본 연구에서 체중 부하 기립 시 30° 발등굽힘(dorsiflexion) 조건을 정확하게 구현하고 유지하기 위해, 가로 40 cm, 세로 50 cm 규격의 미끄럼 방지 처리가 된 맞춤형 목재 쐐기판(custom wedge board)을 사용하였다.
참가자들은 쐐기판 위에 양발을 올리고 서서 양팔을 가슴 앞에 모으고 시선은 정면을 향하는 직립 자세를 유지하도록 지시받았다. 특히, 실험 과정 중 무릎 관절의 완전 신전(full extension) 상태를 엄격히 유지하게 함으로써, 무릎 굽힘에 의한 보상 작용이 엄지벌림근(AH)과 앞정강근(TA)의 근활성도 데이터에 미치는 영향을 철저히 통제하였다.
또한, 각 시행 직전 주 연구자가 범용 각도기를 사용하여 발목의 정렬 상태를 직접 검증하였으며, 운동 수행 중에는 골반의 기울임이나 몸통의 불필요한 움직임 등 기타 보상 패턴이 발생하지 않도록 실시간으로 정밀 모니터링을 실시하였다.
구체적인 운동 프로토콜은 다음과 같았다:
짧은 발(SF): 발가락을 굽히지 않고 발허리뼈 머리를 발꿈치뼈 쪽으로 당겨 능동적으로 안쪽세로활을 거상시킴(Figure 1)(Pisal, Chotai & Patil, 2020).
발가락 벌림(TS): 발꿈치가 표면에 단단히 닿은 상태를 유지하면서 모든 발가락을 최대한 벌리고 안쪽세로활을 들어 올림(Figure 2)(Kim et al., 2021).
발가락 굽힘(TC): 발 아래에 놓인 수건을 움켜쥐듯이 모든 발가락을 힘껏 굽힘(Figure 3)(Jung et al., 2011).
각 운동 과제는 발목 각도 조건별로 3회씩 반복 수행되었으며, 각 수축은 5초간 유지되었다. 근피로(Fatigue)를 최소화하기 위해 시도 간 30초, 조건 간 1분의 충분한 휴식 시간을 제공하였으며, 실험 순서에 따른 편향(Order effect)을 방지하기 위해 모든 조건은 무작위 순서로 배정되었다. 또한, 실험 시작 전 5분간의 사전 연습 세션(Familiarization session)을 통해 동작 학습에 따른 오차를 통제하였다.
5. 통계 분석
모든 통계 분석은 SPSS 소프트웨어(version 29.0, IBM Corp., Armonk, NY, USA)를 사용하여 수행되었다. 본 분석에 앞서 Shapiro-Wilk 검정을 실시하여 데이터 분포의 정규성을 확인하였다. 엄지벌림근과 앞정강근의 정규화된 근전도 진폭(%RVC)에 대하여 발목 관절 각도(중립 대 30° 발등굽힘) 및 발 운동 유형(SF vs TC vs TS)이 미치는 주효과와 상호작용 효과를 검증하기 위해 2 × 3 반복 측정 분산분석(repeated measures ANOVA)을 실시하였다. 분석 결과 유의미한 주효과 또는 상호작용이 관찰된 경우, 제1종 오류를 통제하기 위한 본페로니 교정(Bonferroni correction)을 적용하여 사후 짝비교(post-hoc pairwise comparisons)를 수행하였다. 분산분석의 효과 크기는 부분 에타 제곱(ηp2)으로 산출하였으며, .01, .06, .14의 기준값은 각각 작은(small), 중간(medium), 큰(large) 효과를 의미하는 것으로 해석하였다. 모든 통계적 유의 수준은 α=.05로 설정되었다.
Ⅲ. 연구 결과
1. 대상자의 일반적 특성
유연성 편평발을 가진 총 30명의 참가자가 중도 탈락 없이 연구 프로토콜을 완료하였다. 연구 대상자는 모두 유연성 편평발을 가진 건강한 성인으로 구성되었으며, 이들의 성비는 남성 9명, 여성 21명으로 평균 연령은 24.71±5.12세였다. 신체적 특성으로 평균 신장은 166.20±8.96 cm, 평균 체중은 58.21±9.42 kg이었다. 유연성 편평발 선별을 위해 실시한 발배뼈 하강 검사(Navicular Drop Test) 결과, 모든 대상자는 10 mm 이상의 하강을 보였으며 평균 하강 정도는 13.20±1.18 mm를 기록하여 연구 목적에 부합하는 대상군임을 확인하였다(Table 1).
Table 1
General characteristics of the subjects (N=30)
| Characteristics | Mean±SD |
|---|---|
|
|
|
| Gender (Male/Female) | 9/21 |
| Age (years) | 24.71±5.12 |
| Height (cm) | 166.20±8.96 |
| Weight (kg) | 58.21±9.42 |
| Navicular Drop (mm) | 13.20±1.18 |
2. 엄지벌림근(AH)의 근활성도 비교
발목 관절 각도(중립, 30° 발등굽힘)와 발 운동 유형(SF, TC, TS)에 따른 엄지벌림근(AH)의 근활성도를 분석한 결과는 다음과 같다(Table 2).
상호작용 효과(각도 × 운동): 발목 관절 각도와 발 운동 유형 간에 통계적으로 유의미한 상호작용 효과가 관찰되었다(F(2,58)=4.185, p=.020, ηp2=.126). 기술 통계에 따르면 중립 위치에서는 TS 운동이 가장 높은 근활성도를 보인 반면(62.33±30.78%), 30° 발등굽힘 위치에서는 SF 운동이 가장 높은 근활성도를 유발하였다(64.53±37.86%).
운동의 주효과: 발 운동 유형의 주효과는 통계적으로 유의미하였다(F(2,58)=15.300, p<.001, ηp2=.345). 사후 분석(Bonferroni) 결과, SF 및 TS 운동은 TC 운동에 비해 유의하게 더 높은 근활성도를 생성하였다(p<.001). 그러나 SF 운동과 TS 운동 간에는 유의미한 차이가 없었다(p=1.000).
각도의 주효과: AH 근활성도에 대한 발목 관절 각도의 주효과는 통계적으로 유의하지 않았다(F(1,29)=1.111, p=.301, ηp2=.037).
Table 2
Abductor Hallucis (AH) muscle activity across exercise types and postures (%RVC)
Values are presented as mean±standard deviation.
Degree Mean and Exercise Mean values represent the estimated marginal means, and their SDs were converted from standard errors (SE × √N, where N=30).
AH: Abductor Hallucis; SF: Short Foot; TC: Toe Curl; TS: Toe Spread.
*p<.05 indicates statistical significance.
| Variables | SF | TC | TS | Posture Mean |
|---|---|---|---|---|
|
|
||||
| Neutral | 59.28±33.13 | 35.08±22.85 | 62.33±30.78 | 52.23±20.05 |
| 30° Dorsiflexion | 64.53±37.86 | 27.89±15.83 | 51.05±33.69 | 47.82±22.90 |
| Exercise Mean | 59.51±29.72 | 34.32±24.11 | 55.91±27.97 | |
| ANOVA Results | Source of Variation | F-value | p-value | ηp2 |
| Degree | 1.111 | 0.301 | 0.037 | |
| Exercise | 15.3 | <.001* | 0.345 | |
| Degree × Exercise | 4.185 | <.05* | 0.126 | |
3. 앞정강근(TA)의 근활성도 비교
발목 관절 각도와 발 운동 유형에 따른 앞정강근(TA)의 근활성도를 분석한 결과는 다음과 같다(Table 3).
상호작용 효과(각도 × 운동): 발목 관절 각도와 발 운동 유형 간의 상호작용 효과는 통계적으로 유의하지 않았다(F(2,58)=0.901, p=.412, ηp2=.030).
각도의 주효과: 발목 관절 각도의 주효과는 매우 유의미하였다(F(1,29)=76.764, p<.001, ηp2=.726). 30° 발등굽힘 위치(평균 58.68±4.04% SE)에서의 TA의 전반적인 근활성도는 중립 위치(평균 45.41±3.20% SE)에 비해 유의하게 증가하였다(p<.001).
운동의 주효과: 운동 유형의 주효과 또한 통계적으로 유의미하였다(Greenhouse-Geisser 교정, F(1.408, 40.838)=19.308, p<.001, ηp2=.400). 사후 분석(Bonferroni) 결과, TC 운동(평균 67.15±4.13% SE)은 SF(47.98±3.47% SE) 및 TS(41.01±5.29% SE) 운동에 비해 유의하게 더 높은 근활성도를 유발하였다(p<.001). 반대로, SF 운동과 TS 운동 간에는 통계적으로 유의미한 차이가 관찰되지 않았다(p=.227).
Table 3
Tibialis Anterior (TA) muscle activity across exercise types and postures (%RVC)
Values are presented as mean±standard deviation.
Degree Mean and Exercise Mean values represent the estimated marginal means, and their SDs were converted from standard errors (SE × √N, where N=30).
TA: Tibialis Anterior; SF: Short Foot; TC: Toe Curl; TS: Toe Spread.
*p<.05 indicates statistical significance.
| Variables | SF | TC | TS | Posture Mean |
|---|---|---|---|---|
|
|
||||
| Neutral | 41.83±19.95 | 58.48±25.90 | 35.92±28.21 | 45.41±17.51 |
| 30° Dorsiflexion | 54.13±21.53 | 75.82±24.43 | 46.10±32.42 | 58.68±22.12 |
| Exercise Mean | 47.98±19.02 | 67.15±22.62 | 41.01±28.95 | |
| ANOVA Results | Source of Variation | F-value | p-value | ηp2 |
| Degree | 76.764 | <.001* | 0.726 | |
| Exercise | 19.308 | <.001* | 0.4 | |
| Degree × Exercise | 0.901 | 0.412 | 0.03 | |
Ⅳ. 고 찰
본 연구의 가장 핵심적인 발견은 발목 관절 각도와 발 운동 양식이 내재근인 엄지벌림근(AH)과 외재근인 앞정강근(TA)의 선택적 동원에 완전히 상반되고 뚜렷한 영향을 미친다는 사실을 입증한 것이다. 구체적으로, AH의 활성화는 발목의 시상면 자세와 수행된 발 운동 유형 간의 유의미한 상호작용 효과에 의해 결정되었다(p=.020). 측정 결과, AH 동원을 극대화하기 위한 최적의 전략은 관절 운동학에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 즉, 발가락 벌림(TS) 운동은 발목이 중립일 때 가장 높은 내재근 활성도를 유도한 반면(62.33%), 짧은 발(SF) 운동은 발목이 30° 발등굽힘 상태일 때 가장 효과적인 중재임이 확인되었다(64.53%). 이와는 대조적으로, TA의 신경근 동원은 이러한 변인 간의 상호작용 효과를 받지 않았다(p=.412). 대신 TA 활성화는 각 생체역학적 변인의 주효과에 의해 독립적이고 뚜렷하게 증가하였는데, 특히 30° 발등굽힘 자세를 취할 때(58.68% 대 중립 45.41%, p<.001)와 발가락 굽힘(TC) 운동을 수행할 때(67.15%, SF 47.98% 및 TS 41.01% 대비 p<.001) 그 근전도 진폭이 극대화되었다. 이러한 상이한 활성화 전략은 신경근 시스템과 국소 생체역학적 지레(lever)가 구조적 제약에 따라 발의 내·외재근을 전혀 다른 기전으로 조절함을 시사한다. 이러한 비대칭적 반응이 갖는 임상 및 재활적 의의를 명확히 규명하기 위해서는, 근육 특이적 활성화 패턴을 지배하는 기저의 해부학적 특성과 길이-장력 관계를 체계적으로 해석하는 과정이 필수적이다.
본 연구의 결과는 발목의 중립 자세에서 짧은 발(SF) 및 발가락 벌림(TS) 운동이 모두 엄지벌림근(AH)의 활성화를 극대화하는 데 매우 효과적이라는 기존의 패러다임을 지지함과 동시에, 관절 운동학적 조건에 의존하는 새로운 근육 활성화 우위(hierarchy)를 밝혀냄으로써 관련 정보를 보강한다. 선행 연구들은 중립 또는 표준 체중 부하 자세에서 SF 및 TS 운동이 외재근의 과도한 보상 작용 없이 안쪽세로활을 거상하여, 결과적으로 AH와 같은 발 내재근을 최적으로 고립시킨다고 널리 보고해 왔다(Jung et al., 2011;Kim et al., 2013). 그러나 본 연구는 발목을 30° 발등굽힘 상태로 위치시켰을 때, AH 동원 측면에서 SF 운동(64.53%)이 기계적으로 TS 운동보다 우수해진다는 세밀한 역학적 차이를 규명하였다. 이러한 현상은 발목의 발등굽힘이 발바닥 구조물 전반에 수동적 장력을 증가시킬 때, SF 운동의 세로 방향 당김(longitudinal drawing) 동작이 TS 운동 시 요구되는 가로 방향 벌림(transverse abduction)보다 이 사전 장력 상태(pre-tensioned state)를 더욱 효율적으로 활용한다는 점을 시사한다. 또한, 본 연구의 데이터는 발가락 굽힘(TC) 운동이 외재근인 앞정강근(TA)의 압도적이고 불균형적인 활성화를 유발한다는 사실을 입증함으로써 해당 운동의 독특한 신경근 프로파일을 부각한다. 과거 연구에서도 TC 운동이 SF 운동에 비해 외재성 발가락 굽힘근을 더 많이 동원한다는 점은 인지하고 있었으나(Jung et al., 2011), 본 연구의 결과는 TC 운동이 의도치 않게 현저한 수준의 TA 동시수축(co-activation, 67.15%)을 유발한다는 점을 결정적으로 보여준다. 이는 강력한 외재성 굽힘근의 수축력에 대항하여 발목을 유지하기 위한 신경근 시스템의 보상적 안정화 전략일 가능성이 높다. 시상면 상의 발목 운동학이 특정 발 운동에 미치는 지대한 영향을 면밀히 규명한 본 연구의 발견은, 발목 자세가 선택적 근육 동원을 어떻게 제어하는지에 대한 전면적인 재평가의 필요성을 제기한다.
이처럼 상이한 근활성화 양상은 발-발목 복합체(foot-ankle complex)를 지배하는 기초적인 생체역학적 원리, 구체적으로 길이-장력 관계(length-tension relationship) 및 신경근 보상 전략(neuromuscular compensatory strategies)으로 명확히 설명할 수 있다. 발목이 30° 발등굽힘 상태에 놓이면, 발바닥 널힘줄(plantar aponeurosis)과 발바닥 내재근에 가해지는 수동적 인장력이 증가한다. 이러한 사전 장력 상태(pre-tensioned state)는 발바닥 널힘줄을 발허리뼈 머리 주위로 단단히 감아 안쪽세로활의 강직도(stiffness)를 높이고, 짧은 발(SF) 운동 수행에 필수적인 구조적 지레 작용(structural leverage)을 극대화하는 감아올림 기전(windlass mechanism)을 통해 안쪽세로활의 구조적 강성을 기계적으로 증대시키게 된다(Cheung, Zhang & An, 2006;Hicks, 1954). 결과적으로 엄지벌림근은 장력을 발생시키기에 가장 이상적인 길이에 놓이게 되며, 이는 발등굽힘 조건에서 SF 운동 시 내재근이 탁월하게 활성화되는 기전을 뒷받침한다. 반면, 발가락 굽힘(TC) 운동은 본질적으로 긴엄지굽힘근과 긴발가락굽힘근의 강력한 동심성 수축(concentric contraction)을 동반한다(Rowley et al., 2023). 이러한 강력한 외재근들은 목말종아리관절(talocrural joint)을 가로지르기 때문에, 이들의 수축은 필연적으로 발목 관절에 상당한 이차적 발바닥굽힘 모멘트(secondary plantarflexion moment)를 발생시킨다. 이러한 역학적 불안정성을 제어하고 설정된 발목 자세를 유지하기 위해, 인체의 신경근 시스템은 앞정강근(TA)의 대규모 동시수축(co-contraction)을 불수의적으로 유도하게 된다. 이와 같은 해부학적 구조와 반사적 안정화의 필요성은, TC 운동이 왜 유의미하게 높은 TA 활성화를 유발하는지, 그리고 TA가 일차적인 아치 거상근(primary arch elevator)이라기보다는 주로 동적 관절 안정자(dynamic joint stabilizer)로서 기능한다는 사실을 명확히 입증한다.
본 연구에서 확인된 발목 각도와 운동 유형 간의 상호작용은 환자 개별적 특성에 맞춘 ‘정밀 재활(Precision rehabilitation)’ 프로토콜 설계에 기여할 수 있다. 예를 들어, 외재근의 보상을 최소화하고 엄지벌림근(AH)의 선택적 강화를 목표로 할 경우 중립 자세에서의 TS 운동을, 전방 발목 안정성 향상이 동시에 필요한 경우에는 30° 발등굽힘 상태의 SF 운동을 처방하는 등 임상적 목적에 따른 세분화된 접근이 가능하다. 이러한 데이터 기반의 접근법은 향후 재활 애플리케이션이나 스마트 모니터링 도구와 결합하여 환자의 운동 순응도를 높이고, 장기적인 치료 예후를 객관적으로 추적하는 데 긍정적인 역할을 할 것으로 기대된다.
본 연구의 결과는 편평발의 임상적 관리에 있어 기존의 ‘획일적인(one-size-fits-all)’ 접근법에서 ‘정밀 재활(precision rehabilitation)’ 패러다임으로 전환되어야 한다는 강력한 근거를 제시한다. 현재의 임상 가이드라인은 환자 개개인의 병리학적 결손에 따른 세밀한 근육 특이적 요구도를 충분히 고려하지 않은 채, 보편적인 발 운동을 일괄적으로 처방하는 경향이 있다. 그러나 본 연구 데이터가 규명하듯, 표적화된 신경근 동원을 달성하기 위해서는 운동 양식과 발목의 관절 운동학적 자세를 모두 정확하게 선택하는 것이 최우선 과제이다. 외재근의 과도한 보상 작용 없이 안쪽세로활을 독립적으로 거상하고 엄지벌림근(AH)을 집중적으로 강화하는 것이 일차적인 치료 목표인 환자의 경우, 임상의는 구체적으로 중립 발목 자세에서 발가락 벌림(TS) 운동을 처방해야 한다(62.33%의 활성도 유도). 반대로, 안쪽세로활 붕괴와 발목 안정성 저하가 동반되어 전방 발목 복합체의 동적 조절 능력을 포괄적으로 강화해야 하는 임상적 상황에서는 발가락 굽힘(TC) 운동을 병행하거나 30° 발등굽힘 자세를 독립적으로 활용하는 것이 매우 유리하다. 본 연구 결과는 앞정강근(TA)의 활성화가 30° 발등굽힘 자세 자체가 부여하는 기계적 요구와 TC 운동 수행 시 요구되는 보상적 안정화 작용 모두에 의해 강력하게 촉진됨을 보여준다(Rowley et al., 2023). 임상가는 이러한 독립적인 생체역학적 효과를 바탕으로 발 운동의 종류와 시상면 발목 각도를 전략적으로 조절함으로써, 환자의 결손 부위에 특화된 고도로 개별화된 운동 재교육을 제공할 수 있다. 본 연구에서 나타난 %RVC의 변화량(예: 중립 대비 30° 발등굽힘 시 AH 활성도 차이)이 임상적으로 의미 있는 수준인지는 추가적인 검증이 필요하나, 효과크기(ηp2)와 절대적 활성도 차이의 크기를 고려할 때 임상 현장에서 운동 프로토콜 설계 시 참고할 만한 지표로 판단된다. 특히 유연성 편평발 환자에게서 중립 대비 30° 발등굽힘 시 AH의 활성도가 상승한 것은, 보행의 유각기에서 입각기로 전환되는 시점에 활의 강직도를 선제적으로 확보할 수 있는 충분한 신경근적 보상력을 제공할 수 있음을 의미한다. 따라서 이러한 효과 크기와 근동원율의 차이는 실제 임상 현장에서 환자의 발 자세 교정을 위한 운동 프로토콜 설계 시 고려해야 할 중요한 지표가 될 것이다.
본 연구의 발견이 갖는 중대한 생체역학적 및 임상적 의의에도 불구하고, 몇 가지 방법론적 한계점을 명확히 인지할 필요가 있다. 첫째, 표면 근전도(sEMG)의 활용은 본질적으로 인접하거나 더 깊은 곳에 위치한 발바닥 구조물들로부터 발생하는 신호 누화(crosstalk)에 취약하다. 엄지벌림근(AH)을 포함한 발바닥 내재근은 해부학적 부피가 상대적으로 작고 안쪽 구획(medial compartment)을 따라 조밀하게 밀집되어 있어, 수집된 sEMG 신호가 순수하게 고립된 AH의 수축뿐만 아니라 주변 내재근 섬유들의 집단적 활성화를 부분적으로 반영했을 가능성이 있다(Branthwaite et al., 2019). 둘째, 연구 설계 상 연구자와 참가자에 대한 엄격한 맹검(blinding) 절차가 적용되지 않아 실험적 편향(experimental bias)이 개입되었을 여지가 남아 있다.
셋째, 본 연구는 단일 시점의 근활성도를 분석한 단면 연구(cross-sectional design)로 진행되었기 때문에, 특정 운동 자세에 따른 즉각적인(acute) 신경근 반응이 장기적인 구조적 교정이나 임상적 예후로 이어지는지에 대한 인과관계를 확립하는 데 한계가 있다. 따라서 이러한 정밀 기반 중재의 장기적인 재활 효능을 검증하기 위해서는 다음과 같은 구체적인 설계의 후속 연구가 필수적으로 요구된다.
먼저, 본 연구의 실험 조건을 중재 변수로 설정하여 최소 8주 이상의 훈련 효과를 추적하는 종단적 설계(longitudinal design)가 수행되어야 한다. 이를 통해 안쪽세로활(MLA) 정렬의 방사선학적 변화(예: Meary’s angle) 및 초음파를 통한 엄지벌림근의 근비대(cross-sectional area) 변화를 확인해야 한다. 또한, 30° 발등굽힘 기반 발 운동군과 보편적인 중립 자세 운동군을 무작위로 배정하여 직접 비교하는 무작위 대조 임상시험(Randomized Controlled Trial, RCT)이 병행되어야 한다. 특히 후속 연구에서는 근전도 지표를 넘어, 보행 분석(gait analysis)을 통한 역학적 변화, 동적 균형 능력(Y-balance test), 그리고 환자 보고 결과 지표인 발 기능 지수(Foot Function Index, FFI)와 같은 포괄적인 기능적 결과 지표(functional outcomes)를 포함함으로써 임상적 적용 가능성을 입증해야 할 것이다.
마지막으로, 본 연구 대상자는 평균 24.7세의 젊은 성인으로 구성되어 있어, 발목 관절의 가동범위가 제한된 고령층이나 구조적 변형이 심한 경직성 편평발 환자에게 동일한 결과를 일반화하기에는 한계가 있다. 하지만 본 연구가 제시한 30° 발등굽힘 조건은 내재근의 기계적 이득을 극대화할 수 있는 이론적 생체역학 모델을 제시했다는 점에서 의의가 있다. 향후 실제 임상 적용 시에는 개별 환자의 발목 가동성 수준과 병리적 특성에 맞추어 관절 각도를 점진적으로 조절하는 ‘단계적 접근(Graded approach)’을 병행한다면, 본 연구의 결과를 보다 효과적으로 현장에 반영할 수 있을 것이다.
Ⅴ. 결 론
본 연구는 유연성 편평발 성인을 대상으로 발목 각도가 내재근 및 외재근의 활성도에 미치는 영향을 규명하였다. 연구 결과, 발목 관절 각도는 단순한 자세 변수를 넘어 특정 근육의 동원 양상에 영향을 미칠 수 있는 생체역학적 요인(biomechanical factor) 중 하나로 기능함을 시사한다.
비록 본 연구는 단기적인 근활성도 변화만을 분석하여 장기적인 구조적 개선 효과를 직접적으로 입증하지는 못했으나, 30° 발등굽힘 조건이 외재근의 간섭을 조절하고 엄지벌림근(AH)의 선택적 활성화를 도모할 수 있는 하나의 생체역학적 기전을 제시하였다는 점에 의의가 있다. 따라서 임상 현장에서는 유연성 편평발 환자의 초기 재활 시, 보편적인 중립 자세 외에도 30° 경사판을 활용한 짧은 발 운동(Short foot exercise)을 병행함으로써 내재근의 효율적인 활성화를 모색해 볼 수 있을 것이다. 다만, 발목 가동범위가 제한된 고령층이나 경직성 편평발 환자에게 적용할 때는 환자의 개별 가동성에 맞춘 ‘단계적 접근(Graded approach)’이 수반되어야 한다. 이러한 연구 결과는 향후 편평발의 정밀 재활(Precision rehabilitation) 전략 수립을 위한 기초적인 생체역학적 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
