운동역학 : 보행속도와 보폭변화가 하지관절 움직임에 미치는 영향

김로빈(KimRo-Bin),최지영(ChoiJi-Young),신제민(ShinJe-Min) 한국체육학회 2001 한국체육학회지 Vol.40 No.4

본 연구의 목적은 보행시 세 종류의 속도에서 보폭의 변화가 하지관절각과 운동범위에 미치는 영향을 살펴보고 이를 보행연구에 필요한 자료로 구축하여 활용하는 것이다. 연구의 대상은 하지 병력이 없는 20대 남자 10명이었다. 본 연구에서는 보행속도를 선행연구를 통하여 느린 보행속도인 0.76m/s, 일반 보행속도인 1.34m/s, 그리고 빠른 보행속도인 2.46m/s의 수준으로 설정하였고, foot print를 이용하여 일반보폭의 -10%, 일반보폭 그리고 일반보폭의 +10%를 결정하였다. 각 대상자의 보행은 JVC사의 6mm 고속비디오 카메라를 이용하여 영상자료를 수집하였다. 실험을 통하여 얻은 원자료(raw data)는 Labview 5.1 Graphical Program을 사용하여 분석하였고, 보행시 보폭변화에 따른 차이를 분석하기 위해 일원분산분석을 실시하였다. 본 연구에서 각각의 속도에서 보폭의 변화에 따른 변인들을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 발목관절에서는 세 종류의 보행속도에서 최대 배측굴곡각과 최대 저측굴곡각 그리고 운동범위에서 보폭의 증가에 따라 각도가 커지는 경향이 나타났다. 둘째, 무릎관절에서는 세 종류의 보행속도 중 일반 보행속도와 빠른 보행속도에서 최대 신전각이 보폭의 증가에 따라 각도가 커지는 경향을 보였고, 운동범위는 일반 보행속도에서만 보폭의 증가에 따라 동작 범위가 커지는 경향이 나타났다. 셋째, 엉덩관절에서는 세 종류의 보행속도 모두 최대 굴곡과 최대 신전각 그리고 운동범위에서 보폭의 증가에 따라 각도가 커지는 형태가 나타났다. The purpose of this study was to examine the effect of step length and walking speed on the angle and range of motion of the lower limb joint. The subjects were 10 undergraduate and graduate students in their 20s with normal legs. The subjects were individually tested at three different walking speed of 0.76m/ s, 1.34m/ s and 2.46m/ s. The step length was regulated to -10% of normal, normal, and +10% of normal step length using foot print. The walking performances of each subjects were filmed using a high speed video camera. The raw data were analyzed by LabVIEW Graphical Program and these data were analyzed by ANOVAs.The results of this study were as follows:1. At three different walking speed, the maximum dorsiflexion and plantar flexion of the ankle joint angle increased and the range of motion of the ankle joint increased as the step length increased.2. At normal and fast walking speed, the maximum extension of the knee joint angle increased as the step length increased. And the range of motion of the knee joint increased only at normal walking speed as the step length increased.3. At three different walking speed, the maximum extension and flexion of the hip joint angle increased and the range of motion of the hip joint increased as the step length increased.

The Effect of Arch Height and AJC ROM on Foot-to-Leg Movement in Heel Toe Running

김승재(KimSeung-Jae),최지영(ChoiJi-Young) 한국체육학회 2000 한국체육학회지 Vol.39 No.2

여러 형태의 달리기 상해 가운데 가장 손상되기 쉬운 신체 부위는 무릎관절로서 그 부상의 원인은 발과 종아리 분절 사이의 잘못된 기계학적 커플링 관계에 있다고 알려져 있다. 이러한 기계학적 커플링 관계에 영향을 미치는 요인으로는 많은 내부적, 외부적 요인들이 있을 수 있겠으나, 그 가운데 발의 아치 높이와 발목관절의 운동범위는 중요한 내부적 요인들로 여겨지고 있다. 그러므로 본 연구의 목적은 발뒤꿈치-발끝 달리기 동안에 아치 높이와 발목관절의 운동범위가 발과 종아리 사이의 기계학적 커플링 관계에 미치는 영향을 정량화 하는 데 두었다. 연구 방법에 있어서 아치 높이와 발목관절의 운동범위를 독림 변수로 하였으며, 삼차원 고속 비디오 분석 시스템으로 측정되어 계산된 총 발 가쪽번짐, 총 정강쪽 안쪽 돌림, 전이 계수 등의 운동학적 자료들을 종속 변수로 하였다. 본 연구에서 발의 해부학적 특성(아치 높이와 발목관절의 운동범위)은 발 가쪽번짐과 정강쪽 안쪽 돌림 사이의 움직임 전이특성과 통계적으로 어떤 유의한 상관관계를 보이지 않았다. 그 이유로는 첫째로 인체측정학적 변수들이 정역학적인 측정치이기 때문에 동역학적인 발의 특성을 나타내지 못한 점이며, 둘째로 인체측정학적 변수들이 중간발, 무릎, 골반 등의 신체 부위의 특성이 제외되고 단지 발목관절의 특성만을 나타냈다는 점이며, 마지막으로 그러한 관계가 실제로 없을 수 있다는 점을 들 수 있다. 그러나 본 연구자들은 비록 본 연구에서는 나타나지 않았지만 다리의 해부학적 모양과 기능은 달리기 상해와 관계가 있을 것이라고 생각되어지며, 걷기나 달리기 동안에 발의 동작/기능과 인체측정학적 변수들 간의 보다 명확한 관계의 규명을 위해서는 앞으로 동역학적인 발의 특성을 대표하는 변인을 살펴보는 연구가 필요할 것이다. The degree of abnormality in foot movement coupling appears to be influenced by the shape, rigidity and flexibility of the foot and ankle joint complex (AJC). Initial study, assessing the effect of arch height on the movement coupling between foot and leg, suggested a trend that more foot eversion is transferred into internal tibial rotation with increasing arch height. A substantial (27%), yet incomplete, amount in the variation in the transfer of movement between foot and leg could be explained by arch height, indicating that there must be factors other than arch height that influence the mechanical coupling at the AJC. One additional factor may be foot stiffness which could be quantified through the range of motion (ROM) of the AJC. Therefore the purpose of this study was to quantify the effect of arch height and range of motion (ROM) of the AJC on the movement coupling between foot and leg in heel-toe running.Arch height and AJC ROM were measured and total foot eversion, total internal tibial rotation, and a transfer coefficient were obtained by using a three-dimensional high-speed video motion analysis system. The results of this study did not show any statistically significant correlation between specific anatomical foot characteristics (arch height and AJC ROM) and the movement transfer between foot eversion and internal tibial rotation. It is proposed that further studies analyzing the relationship between anthropometric variables and foot movement/function during locomotion should include variables which describe the dynamic foot characteristics.

운동역학 : 태권도 차기기술 분석을 위한 인체 분절의 3차원 위치 결정

김승재(KimSeung-Jae),최지영(ChoiJi-Young) 한국체육학회 1998 한국체육학회지 Vol.37 No.2

여러 태권도 차기기술들의 학문적인 연구는 물론 교육 현장 또는 경기 현장에서의 과학적인 지도를 위해서 가장 먼저 고려되어야 할 사항 가운데 하나는 차기기술을 자연스러운 동작 그 자체로 수학적으로 계량화할 수 있는 방법을 제시하는 것이다. 그러므로 본 연구의 목적은 오일러 각의 상대적 위치의 개념을 이용하여 태권도 차기기술의 필름 분석에 보편적으로 적용할 수 있는 인체 분절의 3차원 위치의 결정 방법을 제시하고, 이 방법으로 태권도 뒤차기의 인체 관절과 분절들의 삼차원 상대적 위치를 기술하는데 있다. 남자 국가대표 선수급 여섯 명의 실험대상자가 수행한 태권도 뒤차기의 영상 자료는 100 frames/s의 촬영속도로 설정된 두 대의 LocamII 16 mm 고속 카메라로 측정되었다. DLT 방법으로 얻어진 해부학적 경계점의 3차원 공간 좌표값을 기초로 인체 분절들에 매립된 분절좌표계의 설정 및 단위벡터화, 인접한 두 인체 분절의 단위벡터를 이용한 회전 변환 행렬식 유도, 세 축에 대한 회전으로 인한 변환 행렬식을 이용한 오일러 각의 계산 등의 세 단계를 거쳐 인접한 인체 분절들간의 상대적 위치를 결정하였다. 태권도 뒤차기에 적용한 연구 결과의 관절 및 분절의 운동을 살펴볼 때 인접한 인체 분절간의 상대적 위치를 수학적으로 나타내주는 오일러 각은 태권도 뒤차기 기술을 세밀하고 자연스럽게 나타내는데 매우 효과적인 것으로 나타났다. 특히 -π<θ<π 범위 내에서 연속적인 오일러 각의 코사인 함수를 이용한 넓은 동작범위의 동작 표현과 지지다리의 관절 운동과 몸통 분절 운동의 계량적 표현은 태권도 차기기술을 보다 일반적이고 통합적으로 정의할 수 있게 하였다. 이러한 측정 방법이 여러 태권도 차기기술들의 보다 깊이있는 연구에 기여할 수 있고, 교육 현장이나 경기 현장에 그 연구 결과들이 보다 쉽게 적용될 수 있는 계기가 되기를 기대한다. To propose a reasonable methodology to mathematically quantify Taekwondo kicking techniques should be considered first of all not only for their scientific study but also for their scientific coach in educational or sports field. Therefore, the purpose of this study was to propose a methodology to determine three-dimensional orientation of human body segments by using the concept of relative orientation of Euler’s angle to which can be universally applied the film analysis of Taekwondo kicking techniques, and to represent the three-dimensional relative orientation of joints and segments during Dwi-chagi with the proposed methodology.Dwi-chagi performed by six male elite Taekwondo players were filmed using two LocamII 16 mm high speed camera set to the filming speed of 100 frames/s. Based on three-dimensional coordinates of anatomical landmarks calculated by DLT method, the relative orientation between two adjacent body segments was determined through three calculation processes, which were consisted of embedding local segment coordinate system on each body segment and making unit vectors, deriving a rotational transformation matrix through the unit vectors, and calculating Euler’s angle through rotational matrix derived by rotations about three axes.When observing the output of joint and segment motions during Dwi-chagi, the proposed Euler’s angle showed the motion characteristics of Dwi-chagi in detail and naturally. In particular, the quantitative representation of supporting leg and trunk made it possible to define Taekwondo kicking techniques more comprehensively.

운동역학 / 무용신발에 따른 수직 점프 및 착지시 지면 반사력에 관한 연구

박창숙(ParkChang-Sook),김로빈(KimRo-Bin),최지영(ChoiJi-Young) 한국체육학회 2000 한국체육학회지 Vol.39 No.3

본 연구의 목적은 무용신발의 뒤굽 높이에 따른 (Count Movement Jump)CMJ 점프 수행시 하지분절의 동작패턴과 착지시 충격흡수 기전의 변화를 지면 반력 측정기(force platform)와 영상분석법(cinemotography)을 이용하여 알아봄으로써 무용 연습시 또는 작품 수행시 발생할 수 있는 하지분절의 운동상해를 예측하며 이를 방지할 수 있는 운동학적 기초자료를 제공하는데 두었다. 본 연구에서는 한국무용 무용수 8명을 대상으로 CMJ 점프를 다섯가지 무용신발 조건(1. 맨발 2. 버선 3. 코슈즈 4. 3㎝ 코슈즈 6. 5㎝ 코슈즈)으로 점프 동작을 수행하였다. 1대 8㎜ 비디오 캠코더를 사용하여 촬영된 영상자료를 비디오 편집기를 통하여 재생하여 iomega사 Buz-motion capture card와 Ariel capture 프로그램을 사용하여 60필드로 전환하였으며, 이렇게 얻어진 영상을 Arial Performance Analyais System(APAS)를 통하여 점프동작 운동학적 분석에 사용될 원데이타(raw data)를 수집하였다. 지면반력 데이터의 수집은 지면반력 측정기(Bertec사의 Type 4060A)를 사용하여 수집 빈도수는 500㎐로 수집된 미처리 신호를 증폭기(Bertec mode AM 6.3)를 거쳐 증폭시킨 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변형시켜 LabVIEW graphical programming을 이용하여 운동역학적 자료를 계산하였다. 신발조건에 따른 구간별 시간요인은 굽높이가 높아질수록 준비구간과 동작구간의 시간요인은 증가되고 공중구간의 시간요인은 감소하는 경향을 보였으며, 발분절 각도에서는 맨발조건과 비교하여 굽슈즈 3㎝의 경우 t값 -3.926(p<.05) 굽슈즈 5㎝의 경우 t값 -3.196(p<.05)로 나타나 굽높이에 따른 발분절의 각도의 증가를 나타내고 있었으며, 활동범위는 평균 최소각 125도에서 최대각 167도로 나타났다. 발목관절운동 범위에서 맨발의 경우 40도 굽슈즈 3㎝의 경우 37도 굽슈즈 5㎝의 경우 34도로 나타났으며, 맨발의 경우 굽 슈즈 5㎝보다 평균 6도 정도의 큰 각운동을 나타내었다. 무릎관절 최소각시 각도는 평균 93.61±8.67도로 나타났으며, 무릎최소각과 엉덩관절의 최소각은 거의 동시에 발생을 하며, 3-4프레임(0.049-0.066sec)후에 발목관절의 최소각이 발생한 후 다시 신전되는 경향을 보이고 있는데 이것은 전형적인 밀기형태(push like pattern)의 운동 형태로 각 관절의 협응으로 설명되어질 수 있다. 지면반력값은 동작구간에서의 최대 값은 맨발의 경우 2.06±0.21N/Bw, 굽슈즈 3㎝의 경우, 2.08±0.18N/Bw, 그리고 굽슈즈 5㎝의 경우 2.10±0.15N/Bw로 나타나 굽높이 높아질수록 지면반력수치가 약간씩 높게 나타나는 경향을 보였으며, 착지구간에서 충격력을 각 관절을 움직임을 통하여 흡수하는 구간으로 총 소요시간은 평균 0.13sec 정도가 소요되었다. 최대 지면반력의 수치는 굽높이가 높을수록 낮게 나타나는 경향을 나타내었는데 이는 점프동작 수행시 수직방향의 거리요인 즉 높이와 관련이 있는 것으로, 맨발-굽슈즈 3㎝ 경우 t값 4.973(p<.05)으로, 그리고 맨발-굽슈즈 5㎝ t값 5.043(p<.05)으로 나타나 통계적으로 유의한 차이를 나타내고 있다. The purpose of this study wes to verify the movement pattern of the lower limb in vertical jumping and observation mechanism of the impact force in landing. To do so The cinematography and ground reaction force was collected. For the investigation the subjects preformed five types of CMJ jumping motions(1. bear foot, 2. burson, 3. co shoes, 4. 3 ㎝ co shoes, 5. 5 ㎝ co shoes). The film data was collected by one 8 ㎜ video camera and using the Arial capture program and iomega Buz-motion capture card the film data was expanded to 60 filed, after this the raw data was ade by the Arial Performance Analysis System(APAS). The ground reaction force was collected by a force plat with a collecting frequency of 500㎐. These data were analysed by Labview Graphical Program.1. The time variance of each shoe condition showed the height of the heel of the shoe increased the time of the preparing phase and motion phase increased and the time of the airborn phase decreased also the time of the landing phase increased.2. The absolute angle of the foot segment in bear foot and 3 ㎝ co shoe showed a t-value of -3.926 (p<.05) and with bear foot and 5 ㎝ co shoe showed a t-value of -3.196(p<.05), showing a increase of angle as the height of the shoe condition increased, and the angle of the thigh segment the decreased as the height of the shoe condition increased.3. The angle of the ankle deceased as the height of the shoe condition increased, indicating that in the lower shoe conditions the ankle joint was acting more appropriately.4. The time interval of the minimum knee angle was fastest in the bear foot condition indicating that in the lower shoe conditions a more efficient jump was preformed.5. The minimum hip angle accord with the minimum knee angle. After 3-4 frames the minimus ankle angle acoord. This pattern is a typical push-like movement pattern.6. The maximum angular velocity of the knee angle and hip angle increased as the height of the shoe condition increased.7. The ground reaction force showed the timing of the maximum ground reaction force was delayed as the height of the shoe condition increased.8. The impact force at the landing phase was smaller as the height of the shoe condition increased, but the timing of the maximum peak value of the ground reaction force was faster as the height of the shoe condition increased.

운동역학 : 사체조건에서 힘줄부하가 발뼈사이관절 움직임에 미치는 영향

김승재(KimSeung-Jae),신제민(ShinJe-Min),최지영(ChoiJi-Young) 한국체육학회 2001 한국체육학회지 Vol.40 No.1

본 연구의 목적은 힘줄부하가 발뼈사이관절 움직임에 미치는 영향을 조사하는데 두었다. 특히, 분리된 뒤정강근 힘줄 부하와 발목관절복합체의 모든 주요 힘줄들의 부하가 발뼈사이관절 움직임에 미치는 영향을 사체 조건에서 연구하는데 두었다. 무릎관절 수준에서 절단된 열 개의 다리 검체가 본 연구를 위해서 이용되었다. 발과 정강이의 검체는 주로 발판, 정강뼈 막대, 도르래 시스템으로 구성된 모의실험장치에 설치하였다. 실험은 다음의 두 가지 주요 조건아래서 수행되었다. 한 조건은 발의 주요한 힘줄의 어떠한 부하 없이 단지 뒤정강근 힘줄에 부하를 가하는 조건이며, 다른 조건은 발의 주요한 힘줄에 부하를 적용하면서 뒤정강근 힘줄에 부하를 가하는 조건이었다. 뼈핀 마커의 삼차원 위치는 네 대의 MAC HSC-250 고속비디오카메라를 이용하여 수집되었다. 이러한 과정을 거쳐 두 가지 주요 운동학적 변인이 계산되었다. 목말뼈에 대한 발꿈치뼈의 각운동을 나타내는 앞뒤축에 대한 목말발꿈치관절 각도와 목말뼈에 대한 발배뼈의 각운동을 나타내는 앞뒤축에 대한 목말발배관절 각도이었다. 연구결과에 있어서 발의 주요한 힘줄 부하가 없는 조건은 뒤정강근힘줄의 부하를 증가시킨 후 감소시키는 동안 히스테리시스 루프를 보였다. 반면에 발의 주요한 힘줄 부하가 있는 조건은 뒤정강근힘줄의 부하를 증가시키거나 감소시킬 동안 어떠한 히스테리시스 루프를 보이지 않았다. 일반적인 목말발꿈치관절 움직임은 첫째, 큰 축방향 정강뼈 부하(356 N)는 주요 힘줄 부하가 있고 없고 간에 모든 뒤정강근힘줄 부하에 걸쳐 작은 축방향 정강뼈 부하(178 N)보다 작은 움직임(보다 작은 운동범위)을 발생시켰으며, 둘째, 뒤정강근힘줄 부하가 44.5 N에서 222 N으로 증가되면서 보다 큰 뒤정강근힘줄의 부하는 보다 작은 뒤정강근 힘줄의 부하보다 많은 안쪽번짐 운동범위를 보여주었으며, 셋째, 발의 주요한 힘줄 부하를 갖는 조건은 주요 힘줄 부하가 없는 조건과 비교해서 훨씬 작은 안쪽번짐 운동범위를 보였다. 일반적으로 목말발배관절 움직임은 목말발꿈치관절과 유사한 특성을 가졌다. 하지만 목말발매관절의 운동범위는 목말발꿈치관절의 운동범위보다 약 두 배정도 큰 값을 보였다. 결론적으로 본 연구의 사체모의실험을 실제적으로 상황과 관련하여 그 의미를 찾는다면 걷거나 달리는 동안 발의 움직임과 관련된 근육힘줄 연결단위들 가운데 뒤정강근육-힘줄 연결단위의 수축이 발 아치의 형성뿐만 아니라 발의 가쪽번짐-안쪽번짐(혹은 엎침-뒤침) 운동에 큰 기여를 한다는 점이다. 또한 발의 움직임과 관련된 근육-힘줄 연결단위들의 수축의 유무에 따라 뼈사이관절의 움직임에 상당한 영향을 미치므로 이와 관련된 사체모의 연구와 생체연구에서 이점 대한 신중한 고려와 함께 결과의 해석이 필요하다는 점을 시사한다. The purpose of this study was to investigate the effects of tendon loading on intertarsal joint movement. Specifically, the purposes were to study the effect of (a) isolated tibialis posterior tendon loading and (b) loading all principal tendons of the ankle joint complex on intertarsal joint movement in vitro. Ten leg specimens, which were exarticulated at the knee joint level, were used for this study. The foot and leg were mounted in the apparatus which consisted mainly of a foot plate, tibial rod, and pulley system. The experiment was performed under two main conditions. The one was to apply loads only to the tibialis posterior tendon without loading any principal tendons of foot and another was to apply loads to the tibialis posterior tendon with loading any principal tendons of foot. The three-dimensional positions of the bone pin markers wore collected using four MAC HSC-250 high speed video cameras. Using this procedure, two main kinematic variables were calculated: the talocalcaneal joint angle about an anteroposterior axis and the talonavicular joint angle about an anteroposterior axis.In the talocalcaneal joint movement, it was generally shown that 1) the larger axial tibial loads produces smaller movement then the smaller loads throughout all the tibialis posterior loads without and with principal tendon loading, 2) the larger tibialis posterior loads produced larger angular values (more inversion) than smaller loads, 3) the condition with principal tendon loading of the foot resulted in much smaller ROM compared to the condition without principal tendon loading. In the talonavicular joint movement, it was generally shown that talonavicular joint movement possessed similar characteristics as the talocalcaneal joint. However, the ROM of the talonavicular joint was approximately two times larger than that of the talocalcaneal joint.In conclusion, when this in vitro study is considered with meaning related to practical situations, among several muscle-tendon units producing foot and ankle joint complex movement the contraction of tibialis posterior muscle-tendon unit can make a great contribution to the motion of eversion-inversion(or pronation-supination) as well as the formation of the foot arch during walking or running. Also, as the intertarsal joint movement is influenced by whether or not there is the contraction of muscle-tendon units producing foot and ankle joint complex movement, the interpretation of in vitro and in vivo study like this should be needed to have a serious consideration.