생체 역학적 인체 모델 개발에 의한 골프 스윙 동작 시 하지부 상해 영향 평가 = Evaluation of injury related to lower limbs with development of biomechanical human model during golf swing

국문 초록 (Abstract)

국내 및 국외의 골프 인구가 증가함에 따라 골프 스윙 동작으로 인한 상해도 증가하였다. 특히, 과거의 정확도를 목적으로 하는 ‘클래식(Classic) 스윙’에서 최대 비거리를 중요시하는 ‘모던(Modern) 스윙'이 강조되면서 요추(Lumbar spine)에 대한 골프 상해는 심각한 문제로 대두되고 있다. 골프 상해 빈도에 관한 통계자료에 따르면 요추 상해는 국내/외 및 성별, 연령별, 숙련 정도에 상관없이 골프 스윙 동작으로 인한 단일 상해 부위로 가장 높게 나타나는 상해 요소이다.
따라서 본 논문에서는 요추와 요추의 상해가 가동범위 감소 등의 보상 작용을 일으키는 하지에서 골프 스윙 동작 시 발생하는 기계적일(Mechanical work)의 분석을 통해 상해 평가 요소에 관해 고찰하였다. 이를 위해 Multi-body dynamics 및 생체 역학을 이용하여 운동학적(Kinematic) 및 운동역학적(Kinetic) 인체 모델을 개발 및 검증(30명)하고, 골프 스윙 동작 시 인체에서 발생하는 기계적일을 부상 경험이 없는 골퍼들(24명)과 요추 수술 경험이 있는 골퍼들(4명)을 대상으로 분석하는 방법으로 골프 상해 평가 요소를 제시하였다. 또한 10명의 골퍼들을 대상으로 한 블라인드 테스트(Blind test)를 통해 연구 결과를 검증하였다.

가. 운동학적(Kinematic) 및 운동역학적(Kinetic) 인체 모델 개발/검증
인체에 부착한 광학(Optical) 마커의 공간 좌표와 인체 계측 정보, 지면 반력 정보 및 역 동력학적(Inverse dynamics) 방법을 통해 운동학적 및 운동역학적 인체 모델을 개발하였다. 인체 모델은 상지와 하지로부터 추출한 요추에서의 힘(Force)과 모멘트(Moment)의 일치도를 분석하는 방법과 인체와 지면 반력기로부터 산출한 지면 반력(Ground reaction force)의 일치도를 분석하는 방법을 통해 검증하였다.

나. 골프 스윙 동작 시 인체에서 발생하는 기계적일(Mechanical work)
24명의 부상 경험이 없는 골퍼들을 대상으로 골프 스윙 동작 시 인체에서 발생하는 기계적일을 분석한 결과, 대부분의 골프 스윙 동작으로 인한 상해가 요추(Lumbar spine)에서 발생한다는 통계자료에도 불구하고 고관절에서의 기계적일이 요추에서보다 크게 나타났다. 이를 구명하기 위해 인체에서 발생하는 기계적일을 구성하는 모멘트와 각속도의 기여도(%)를 분석하였다. 요추에서 발생한 기계적일은 근육에서 발생하는 모멘트 보다 관절에서 발생하는 각속도의 기여도가 크게 형성된 반면에, 고관절에서 발생한 기계적일은 상대적으로 근육에서 발생하는 모멘트가 크게 형성되었다. 골프 스윙 특성상 빠른 회전에 의한 동작이라는 점을 감안한다면 모멘트보다 각속도가 크게 형성되는 결과는 골프 스윙 동작으로 인한 상해가 요추에 집중되는 결정적인 이유가 될 수 있다. 이와 같은 결과를 요추 수술 경험이 있는 골퍼들에게 적용했을 때, 요추 뿐 만 아니라 하지 전체에서 큰 각속도 기여도에 의한 기계적일이 형성되었다.

다. 블라인드 테스트(Blind test)를 통한 검증
이와 같은 결과를 바탕으로 요추 수술 경험이 있는 골퍼, 요추 통증을 호소하는 골퍼, 부상 경험이 없는 프로와 일반 골퍼들 10명을 대상으로 블라인드 테스트(Blind test)를 통해 부상 경험이 없는 골퍼들과 수술 경험이 있는 골퍼들을 분류하였다. 그 결과, 요추 통증을 호소하는 골퍼와 요추 수술 경험이 있는 골퍼들의 결과 사이에서 특이한 점을 추출할 수 없다는 점을 제외한다면 모두 완벽하게 분류하는 결과를 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As golf population of domestic and foreign increases, injuries related to golf swing grow. Particularly, golf injury of lumbar spine has emerges as a serious problem in recent years. This tendency becomes more pronounced as emphasis 'Modern golf swing' focus on maximum ball distance. Golf injuries statistics show that golf injury of lumbar spine most often occur regardless of nationalities, ages, genders and abilities.
In this study, injury evaluation factor was examined from the analysis of mechanical work of lower limbs including lumbar spine during golfs swing. For this goal, three dimensional kinematic and kinetic human model was developed and validated using multi-body dynamics and biomechanics. And the mechanical work of lower limbs(including lumbar spine) of two groups(Group A is golfers who have not been injured, Group B is golfers experienced surgery for lumbar spine). And the result was verified with blind test.
A. Development/validation three dimensional kinematic and kinetic human model
The three dimensional kinematic and kinetic human model was developed in inverse dynamics method using marker coordinates, ground reaction forces and body measurement informations. The human model was verified with equal between force/moment calculated from upper limbs and force/moment calculated from lower limbs and between force/moment calculated from human body and force/moment calculated from force plate.
B. Mechanical work generated at joints of lumbar spine and lower limbs during golf swing
The results of golfers who have not been injured showed that mechanical work of right hip joint was larger than lumbar spine, although golf injury of lumbar spine most often occurred. To ponder this causes, distribution(%) of moment and angular velocity to the mechanical work were analyzed. The mechanical works of right hip and lumbar spine were greatly calculated by large muscle moment and large joint angular velocity, respectively. Especially, mechanical work of lumbar spine was generated with not muscle moment but joint angular velocity of coiled spine. It can be critical that the injuries occurred by the golf swing motion are interested in lumbar spine.
C. Blind test for validation
Blind test for validation performed by three groups - golfers who have not been injured, experienced surgery for lumbar spine and complained pain of lumbar spine. Consequently, the three groups were completely classified.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1-1. 연구배경 1
• 1-2. 연구목적 3
• Ⅱ. 문헌 개요 4
• 2-1. 골프 상해 현황 4
• 2-2. 골프 상해에 대한 연구 동향 6
• 2-3. 기계적일(Mechanical Work)에 대한 연구 동향 13
• Ⅲ. 이론적 고찰 17
• 3-1. 운동학(Kinematics)과 운동역학(Kinetics) 17
• 3-1-1. 운동학(Kinematics) 17
• 3-1-2. 운동역학(Kinetics) 18
• 3-2. 인체 운동 분석을 위한 3차원 Multi-body Dynamics 20
• 3-2-1. 좌표 시스템(Reference System) 20
• 3-2-2. 오일러각(Euler Angles)과 오일러 매개변수(Euler Parameters) 25
• 3-2-3. 관절과 상대 자유도 32
• 3-2-4. 운동 방정식(Equation of Motion) 33
• 3-3. 인체 운동 분석을 위한 기계적일(Mechanical Work) 39
• Ⅳ. 재료 및 방법 46
• 4-1. 운동학적 및 운동역학적 인체 모델 개발 46
• 4-1-1. 운동학적 인체 모델 46
• 4-1-2. 운동역학적 인체 모델 55
• 4-2. 인체 모델 검증 61
• 4-3. 골프 스윙 시 인체에서 발생하는 기계적일(Mechanical work) 64
• 4-3-1. 기계적일(Mechanical work) 64
• 4-3-2. 기계적일에 대한 모멘트와 각속도의 기여도 66
• 4-4. 블라인드 테스트(Blind test) 67
• 4-5. 운동 분석 시스템 및 피험자 정보 68
• 4-5-1. 실험 대상 68
• 4-5-2. 실험 장치 70
• 4-5-3. 실험 방법 71
• Ⅴ. 결과 및 고찰 73
• 5-1. 인체 모델 검증 결과 73
• 5-1-1. 들기 동작(Lifting Task): 요추검증 73
• 5-1-2. 비틀기 동작(Twisting Task): 요추검증 77
• 5-1-3. 들기/비틀기 혼합 동작: 요추검증 82
• 5-1-4. 들기 동작(Lifting Task): 지면 반력 검증 86
• 5-2. 골프 스윙 시 발생하는 기계적일(Mechanical Work) 분석 결과 88
• 5-2-1. 부상 경험이 없는 골퍼들의 골프 스윙 시 발생하는 기계적일 분석 결과 88
• 5-2-2. 허리 수술 경험이 있는 골퍼들의 골프 스윙 시 발생하는 기계적일 분석 결과 107
• 5-3. 블라인드 테스트(Blind Test) 결과 119
• Ⅵ. 요약 및 결론 128
• 참고문헌 133
• Abstract 141