1. 보행 분석을 위한 골격계 모델
먼저 보행에 대한 하체의 골격계 모델에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 해부학적으로 인간의 관절은 여러 방향으로 움직이고(translation) 회전(rotating)하는 매우 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 아래는 보행 시 이해를 위한 하체 골격계 모델입니다.
이 모델은 골반(pelvis), 좌우 대퇴골(femur), 슬개골(patella), 경골과 비골(shank), 발(foot) 총 9개의 연결된 강체(rigid body)로 구성되어 있으며, 총 16개의 자유도(degrees of freedom, DOF)가 있습니다. 골반에서 자유도는 이동(transition)과 회전이 포함되어 총 6개이지만, 위 모델에서는 회전만 표시되었습니다.
| 부위 | 내용 | 자유도 |
| 골반 (Pelvis) | 전후 이동 (Anterior-Posterior) 좌우 이동 (Medio-Lateral) 위아래 이동 (Superior-Inferior) 앞뒤 기울기 (Tilt) 좌우 기울기 (List) 좌우 회전 (Rotation) |
6 |
| 다리 (Leg) | 고관절 굴곡 (hip rotation) 고관절 내전 (hip adduction) 고관절 회전 (hip rotation) 무릎 관절 신전 (knee extension) 발목 배측굴곡 (ankle dorsiflexion) |
5 |
*다리는 양쪽을 포함하기 때문에 자유도 10임.
일반적으로 보행을 분석하기 위해 자유도가 약 3개인 모델(탄도 보행 모델, 동적 보행 모델 등)을 사용합니다. 실제로 우리가 걷는 동안에는 각 관절에서 최소 12개 이상의 회전 변화가 일어납니다. 즉, 보행은 단순히 앞뒤로 움직이는 것이 아니라 3차원적으로 움직이는 활동입니다. 이처럼, 보행을 분석하는 일은 매우 복잡하고 어려운 문제이지만, 아무런 생각 없이 이족 보행을 하는 우리는 엄청난 일을 하고 있다고 생각됩니다.
2. 보행의 운동학 (Kinematics of walking)
보행 시 골반은 관상면(Frontal plane)과 횡단면(Transverse plane)에서 아주 복잡하게 움직입니다. 관상면에서 입각기 초기 다리에 체중이 실리면서 골반 반대쪽이 아래쪽으로 기울어(list) 지며, 보행의 속도가 증가할수록 그 각도가 증가합니다. 횡단면에서 골반은 전진하는 다리 방향으로 회전합니다. 따라서, 앞쪽 다리의 고관절이 뒤쪽 다리의 고관절보다 앞쪽에 위치하게 됩니다. 마찬가지로, 속도가 증가할수록 각도가 커지며, 보폭도 증가시킵니다.
다음은 보행 시 하체(고관절, 무릎, 발목) 관절의 패턴 변화입니다.
고관절은 입각기에서 신전하며, 발이 지면을 떠나기 직전 최대 신전에 도달하고 다시 유각기에서 굴곡됩니다.
무릎은 초기 발 접촉 시 완전하게 신전된 상태이며, 체중이 실리면서 무릎이 굴곡했다가 다시 신전되고 속도가 증가할수록 굴곡 각도가 커집니다. 무릎은 유각기 직전 굴곡해서 다음 발 접촉에서 완전히 펴집니다.
발목은 발 접촉 후 발이 땅을 향해 회전하면서 저측굴곡이 발생합니다. 이후 경골이 발목의 위치를 지나면서 배측굴곡기 일어나고 입각기 이후 저측굴곡은 최대에 도달합니다.
아래 그래프는 당연한 결과일 수 있지만, 보행 시 기본적인 역학에 대해 설명하고 있습니다. 혹시나 복잡하다고 생각하시는 분들은 맨 아래 보행하는 사람의 그림을 참고하면서 보행시 각 관절의 움직임을 생각해 보시면 되겠습니다.
3. 지면 반력과 보행 속도
지면 반력도 속도가 증가할수록 힘이 증가합니다.
지면 발력에 대해서 어려우신 분들은 아래 링크를 참고해 주시면 감사하겠습니다.
[Biomechanics of Movement - 2] 인간의 보행 역학: 보행 주기, 지면 반력, 그리고 에너지 효율성
보행 주기, 지면 반력 그리고 에너지 효율성을 통한 인간의 보행 역학의 이해오늘은 보행 주기(Gait cycle)와 지면 반력(Ground Reaction Force; GRF)을 활용하고 에너지 효울은 어떻게 사용하는지 등 보행
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4. 비정상 보행 (Atypical gait)
지금까지 인간의 효율적이고 부드러운 보행 역학에 대해서 살펴보았지만, 뇌 손상, 관절이나 근육 질환으로 인해 보행 패턴에 변화가 나타날 수 있습니다.
1) 크라우치 보행 (Crouch gait)
크라우치 보행은 뇌성마비와 같이 뇌 손상을 입은 사람들은 운동 장애를 일으켜 나타나는 보행입니다. 크라우치 보행은 입각기 동안 무릎이 과도하게 굴곡되는 특징이 있으며, 무릎에 가해지는 힘이 증가하고 유각기에는 발을 지면에서 들지 못하기 때문에 정상적인 보행이 어렵습니다. 이러한 보행이 지속되면 무릎 구조가 변형되고 만성적인 무릎 통증을 유발하여 심각한 경우, 걷는 능력을 완전히 상실할 수도 있습니다. 아래 그래프에서 크라우치 보행이 심각할수록 정상 보행(Unimpaired)과 비교해서 무릎 굴곡 각도가 높습니다
2) 강직 무릎 보행(Stiff-knee gait)
강직 무릎 보행은 뇌성마비 환자와 뇌졸중(stroke)을 겪은 사람들에게 보이는 보행 양상입니다. 강직 무릎 보행은 유각기 동안 무릎 굴곡이 감소하여 보행이 지연되는 매우 비효율적인 보행 패턴을 보입니다. 이러한 보행은 발끝과 지면의 거리가 짧기 때문에 턱 등에 걸려 넘어질 위험이 있습니다. 이러한 보행 패턴이 나타나는 원인은 주로 대퇴직근이 경직되어 무릎을 굽히지 못하기 때문입니다. 정상 보행과 비교해서 유각기에서 무릎이 굽힘 각도가 낮습니다.
이 외에도 보행은 아래와 같이 다양한 환경 요인에 의해 변화할 수 있습니다.
- 속도가 느려지거나 빨라질 때
- 물건을 들고 걸을 때
- 언덕을 올라가거나 내려갈 때
- 미끄러운 표면을 걸을 때
- 비만
- 하이힐을 신었을 때
어떻게 보면, 매우 당연한 이야기들일 수 있지만, 정상적인 보행과 비정상적인 보행의 패턴에는 확실한 차이가 존재합니다. 이러한 차이를 해결하기 위해서 다양한 해결방법이 있지만, 근골격계 질환과 관련해서 생체역학적인 관점에서 어떠한 지표들이 인간의 움직임을 표현하고 분석하는데 중요한지 알 수 있었던 시간이 되길 바랍니다.
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