방향전환과 러닝 동작 시 무릎관절 부하에 영향을 미치는 운동역학적 요인 분석 = Analysis of Biomechanical Factors Influencing Knee Joint Loading during Cutting and Running

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 방향전환과 러닝 동작 분석을 통해 무릎관절 부하에 영향을 미치는 운동역학적 요인을 확인하고 분류하는 데 있다. 본 연구의 목적을 달성하기 위하여 건강한 대학(원)생 45명(나이: 22.52±3.83 세, 신장: 168.96±5.90 cm, 체중: 60.94±7.03 kg)이 연구에 참여하였다. 실험 도구로는 적외선 카메라 7대, 지면반력 측정기 1대, 그리고 구간 속도 측정기 2대를 활용하였으며, 연구참여자가 방향전환과 러닝 동작을 수행하는 동안의 운동 동작 및 힘 정보를 수집하였다. 분석 구간은 방향전환과 러닝 동작의 지지구간을 신장성 수축 구간과 단축성 수축 구간으로 나누어 설정하였다. 운동학적 변인으로 무릎관절의 각도를 산출하고, 운동역학적 변인으로 무릎관절의 관절력과 모멘트를 산출하여 분석하였다. 동작 간 유의미한 차이가 발생하는 시점을 확인하기 위해 SPM(Statistical Parametric Mapping) 분석을 수행하고, 각 동작의 패턴과 무릎 부하에 영향을 미치는 핵심 요인을 구조적으로 파악하기 위해 시계열데이터와 최댓값 및 최솟값을 사용하여 주성분 분석을 실시하였다.
본 연구의 SPM 결과에 의하면, 방향전환 및 러닝 동작 시 신장성 수축 구간에서는 무릎관절의 가로면 각도와 시상면 및 가로면 모멘트에 유의미한 차이가 나타났다. 3개 변인을 제외한 나머지 시상면과 이마면에서의 무릎 각도, 무릎의 측방, 전후방, 수직 관절력, 이마면 모멘트는 각각 시점의 차이는 있었으나 신장성과 단축성 수축 구간 모두에서 유의미한 차이를 보였다.
무릎관절 운동역학적 변인의 시계열데이터를 활용한 주성분 분석 결과, 시상면, 이마면, 가로면에서의 무릎관절의 각도, 관절력, 모멘트 모두 변인의 크기와 부하의 수준을 반영하는 제1주성분이 파형의 대부분 구간을 설명하는 주요인인 것으로 나타났으며 방향전환과 러닝 동작 간에 유의미한 차이를 보였다. 착지 직후 신장성 수축 구간에는 무릎관절의 시상면, 가로면 각도와 측방, 전후방 관절력, 시상면과 가로면 모멘트는 최대치가 나타나는 시점과 형태의 차이를 반영한 제2주성분이 파형을 설명하는 보조적인 요소로서 동작 간 유의미한 차이가 나타났다.
무릎관절 운동역학적 변인의 최댓값과 최솟값을 활용한 주성분 분석 결과, 신장성 수축 구간에서 방향전환 동작은 3개의 주성분(누적 분산비율 69.353%), 러닝 동작은 4개의 주성분(누적 분산비율 82.191%)이 도출되었으며, 러닝 동작에 비해 방향전환 동작의 주성분에서 다면적인 무릎관절 정렬과 관절력 및 모멘트 변인이 복합적으로 나타났다. 단축성 수축 구간에서도 방향전환 동작은 3개의 주성분(누적 분산비율 67.402%), 러닝 동작은 4개의 주성분(누적 분산비율 69.353%)이 도출되었으며, 방향전환 동작은 시상면과 가로면의 움직임을 중심으로 주성분이 구성되어 있는 반면, 러닝 동작은 이마면과 가로면에서의 무릎관절 정렬과 수직 부하 특성이 주성분으로 묶여 나타났다.
이러한 연구 결과와 기존의 선행연구 고찰을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫째, 방향전환과 러닝 동작 시 무릎관절의 각도와 관절력, 모멘트는 지지구간 전반에 걸쳐 유의미한 차이가 나타났으며, 특히 신장성 수축 구간에 나타난 시상면 각도와 시상면 및 가로면의 모멘트 차이는 방향전환 동작 시 지면접촉 이후 초기에 나타나는 무릎관절 부하와 관련이 깊을 것으로 판단된다. 둘째, 동작 간 무릎관절 운동역학적 변인의 차이는 전반적인 부하 크기의 차이뿐만 아니라 착지 직후 신장성 수축 구간에서 파형의 최대치가 나타나는 시점과 형태의 차이에 의해 설명되는 것으로 나타났다. 셋째, 신장성 수축 구간에서 방향전환 동작의 주성분이 러닝 동작에 비해 다차원적인 무릎관절의 정렬과 힘 변인이 복합적으로 구성되어 나타난 반면, 단축성 수축 구간에서는 방향전환 동작의 주성분이 시상면과 가로면에서의 움직임을 반영하고, 러닝 동작의 주성분이 이마면과 가로면에서의 움직임 특성 변인으로 구성되어 러닝 동작에서 좌우 방향으로의 비대칭적인 움직임이 상대적으로 더 큰 변동을 설명한 것으로 판단된다.
결론적으로 방향전환과 러닝 동작의 무릎관절의 운동역학적 분석을 통해 동작별, 구간별로 유의미한 차이가 나타나는 시점을 검증하였으며, 이러한 차이가 나타나는 구조적인 원인과 해당 주성분을 파악하여 무릎관절 부하에 영향을 주는 요인을 확인하였다. 본 연구가 추후 무릎관절 부상 예방을 위한 후속 연구에 도움이 될 수 있기를 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구의 목적 5
• 3. 연구의 문제 5
• 4. 연구의 제한점 6
• 5. 용어의 정의 6
• Ⅱ. 이론적 배경 9
• 1. 방향전환과 러닝 동작의 무릎관절 부상에 관한 연구 9
• 2. 방향전환과 러닝 동작의 SPM 분석에 관한 연구 13
• 3. 방향전환과 러닝 동작의 주성분 분석에 관한 연구 15
• Ⅲ. 연구 방법 18
• 1. 연구참여자 18
• 2. 실험도구 18
• 3. 연구절차 19
• 4. 자료분석 22
• Ⅳ. 연구 결과 32
• 1. SPM 분석 결과 32
• 2. 주성분 분석 결과 38
• Ⅴ. 논의 52
• 1. 방향전환 및 러닝 동작 시 무릎관절의 운동학적 요인의 차이 52
• 2. 방향전환 및 러닝 동작 시 무릎관절의 운동역학적 요인의 차이 54
• 3. 방향전환 및 러닝 동작의 구간별 주성분 분석 57
• Ⅵ. 결론 및 제언 62
• 1. 결론 62
• 2. 제언 64
• 참 고 문 헌 65
• ABSTRACT 76