카본 플레이트 러닝화가 하지 생체역학에 미치는 영향 = The Effects of Carbon Plate Running Shoes on Lower Limb Biomechanics

국문 초록 (Abstract)

탄소 섬유 플레이트(Carbon Fiber Plate)는 러닝화에서 에너지 효율성과 추진력을 향상시키는 요소로 보고되었다. 그러나 이러한 성능 향상이 각 관절의 운동역학적 특성에 어떤 변화를 가져오는지는 여전히 명확하지 않다. 선행 연구 들은 주로 엉덩이(Hip), 무릎(Knee), 발목(Ankle), 중족지절관절 (Metatarsophalangeal)에 집중되어 있으며, 카본 플레이트에 따른 발 관절의 세부적인 운동학적 변화(Kinematics)는 상대적으로 연구가 부족한 실정이다. 또한, 기존 연구들이 탄소 플레이트의 효과를 엘리트 수준의 러닝 속도(>3.0 m/s)에서 주로 분석한 반면, 중등 속도(2.78 m/s)에서의 영향은 명확히 규명 되지 않았다. 이에 본 연구는 기본 디자인은 동일하나 탄소 섬유 플레이트 적용 여부에 차이가 있는 신발을 사용하여, 2.78 m/s로 통제된 조건에서의 생체역학 적 변화를 분석하였다. 모션 캡처(Motion Capture)로 수집된 데이터를 OpenSim을 활용해 역동역 학(Inverse Dynamics) 계산을 수행하였다. 7명의 남성 참가자가 탄소 플레이 트가 포함된 신발(Carbon-Plate, CP)과 포함되지 않은 신발(Non-Carbon, NC)을 착용하고 각 조건에서 10분씩 2회 러닝(속도: 2.78 m/s)을 수행하였 다. 통계 분석은 이원 반복측정 분산분석(Two-Way Repeated Measures ANOVA)을 통해 신발 조건(Carbon vs. Non-carbon)과 시간(초기 vs. 후 기)에 따른 주효과 및 상호작용을 검증하였다. 상호작용이 유의한 경우에는 단 순효과(Simple effect) 분석을 추가로 수행하여 조건별 차이를 확인하였다. 또 한, 통계적 매개변수 매핑(Statistical Parametric Mapping, SPM)을 이용 하여 관절 각도의 시계열 데이터를 분석하였다. 모든 분석의 유의수준은 α = 0.05로 설정하였다. 운동학 분석(Kinematics Analysis) 결과, 발목(Ankle)과 엉덩이(Hip)의 각속도(Angular velocity) 및 각가속도(Angular acceleration)에서 유의한 차이가 나타났다(p < 0.05). 또한, 발목뼈중간관절(Midtarsal) 및 목말밑관절 (Subtalar) 관절의 각도에서 집단 간 차이가 발견되었으며, 각속도 및 각가속 도는 발목뼈중간관절, 발허리발가락관절(MTP), 그리고 발목발몸관절 (Tarsometatarsal) 관절에서 유의한 차이를 보였다(p < 0.05). 특히 CP 조 건에서는 각도 변화가 원위부 관절에서만 관찰된 반면, 각속도와 각가속도는 근 위부와 원위부 관절 모두에서 차이가 나타났으며, 이러한 운동학적 지표들은 전 반적으로 CP 조건에서 더 낮은 수준을 보였다. 운동역학 분석에서는 Moment, Power, Positive Mechanical Energy가 CP 조건에서 원위부 관절을 중심으로 통계적으로 유의하게 높게 나타났으며(p < 0.001). 착용 시간이 지남에 따라 CP 조건에서는 이러한 변수들이 증가하는 경향을 보인 반면, NC 조건에서는 해당 지표들이 유지되거나 감소하는 패턴이 관찰되었다. 다만, Positive Mechanical Energy는 원위부 뿐만 아니라, 근위 부 관절에서 상호작용은 관찰되지 않았지만, 통계적으로 유의하게 증가하였다(p < 0.05). 종합적으로, 탄소 플레이트 적용 신발(CP)은 동일한 속도에서도 원위부 관절 의 모멘트와 기계적 에너지를 증가시키는 반면, 운동학적으로는 움직임 범위와 속도가 감소하는 양상을 보였다. 그러나 러닝 시간이 경과함에 따라 Ankle과 Subtalar 관절에서 모멘트와 기계적 파워 및 에너지가 증가하여, 추진력 향상 이라는 긍정적 효과와 함께 잠재적 부상 위험도 존재함을 시사한다. 본 연구는 탄소 섬유 플레이트가 중등 속도 러닝에서 하지 관절의 운동학 및 운동역학에 미치는 영향을 제시하였으며, 향후 러닝 퍼포먼스와 부상 메커니즘 연구의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Carbon fiber plates have been reported to enhance energy efficiency and propulsion in running footwear. However, it remains unclear how these performance benefits influence the mechanical characteristics of individual lower-limb joints. Previous studies have mainly focused on the hip, knee, ankle, and metatarsophalangeal joints, leaving the detailed kinematic responses of the foot joints to carbon plate intervention relatively unexplored. In addition, most studies have examined the effects of carbon plates at elite running speeds (>3.0 m/s), and their influence at moderate speeds (2.78 m/s) has not been clearly established. Therefore, this study analyzed the biomechanical changes induced by footwear with and without carbon fiber plates, which shared the same basic design, under a controlled running speed of 2.78 m/s.
Motion-capture data were collected and processed in OpenSim to perform inverse dynamics analysis. Seven male participants completed two 10-minute running trials for each footwear condition (carbon-plated, CP; and non-carbon, NC) at 2.78 m/s. A two-way repeated-measures ANOVA was conducted to examine the main and interaction effects of footwear condition (CP vs. NC) and time (early: 0 to 2 minutes; late: 8 to 10 minutes). When interactions were significant, simple-effect analyses were performed. Statistical Parametric Mapping (SPM) was used to analyze time-series joint angle data. The significance level for all analyses was set at α = 0.05.
Kinematic analysis revealed significant differences in angular velocity and angular acceleration at the ankle and hip (p < 0.05). Significant condition-dependent differences in joint angles were also found at the midtarsal and subtalar joints, while angular velocities and accelerations differed at the midtarsal, metatarsophalangeal (MTP), and tarsometatarsal joints (p < 0.05). In the CP condition, angular changes were observed mainly in the distal joints, whereas differences in angular velocity and acceleration appeared in both proximal and distal joints, with overall lower magnitudes in the CP condition. Kinetic analysis showed that joint moment, power, and positive mechanical energy were significantly higher in the CP condition, particularly in distal joints (p < 0.001). Over time, these variables tended to increase in the CP condition, while they remained stable or decreased in the NC condition. Although positive mechanical energy also increased significantly in some proximal joints (p < 0.05), no time interaction was observed.
In summary, footwear with carbon fiber plates increased joint moments and mechanical energy in distal joints even at moderate running speeds, while reducing joint angular excursions and velocities. However, with continued running, increases in moment, mechanical power, and mechanical energy at the ankle and subtalar joints were observed, suggesting both improved propulsion and a potential increase in injury risk. This study provides insight into the effects of carbon fiber plates on lower-limb kinematics and kinetic during moderate-speed running and offers foundational data for future
research on running performance and injury mechanisms.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 연구 목적 4
• 1.3 연구 가설 5
• 1.4 조작적 정의 6
• II. 이론적 배경 9
• 2.1 러닝화의 변화와 생체역학적 분석 9
• 2.2 발의 구조와 기능 10
• 2.3 발의 생체역학적 분석 12
• 2.4 인체 동역학 시뮬레이션과 OpenSim 14
• III. 연구 방법 16
• 3.1 연구 참여자 16
• 3.2 실험 장비 17
• 3.3 실험 절차 21
• 3.4 자료 처리 25
• 3.5 통계 분석 28
• IV. 연구 결과 30
• 4.1 신발 조건 별 운동학적 변화 30
• 4.2 신발 조건 별 운동역학적 변화 50
• V. 논의 64
• 5.1 신발 조건 별 운동학적 변화 64
• 5.2 신발 조건 별 운동역학적 변화 72
• 5.3 연구의 제한점 79
• VI. 결론 81
• 참고문헌 84
• Abstract 97