보행의 운동 역학, 보행의 에너지 소비, 질량 중심 이동

보행의 운동역학 (Kinetics)

운동에 근육이 어떻게 작용하는가에 대한 분석은 전공 기초과목의 내용보다 폭넓은 물리학의 지식이 요구된다. 보행을 만드는 내적 힘 분석과 걸을 때마다 저항을 주는 외적 힘 분석이 있다.

외적 힘에는 중력, 마찰, 관성 등이 있고 내적 힘에는 관절주머니, 힘줄, 인대와 같은 결합조직과 근육의 힘이 있다. 신체가 움직이지 않을 때, 근육에 의해 발생되는 각 관절의 토크(torque)는 중력에 의해 발생되는 토크에 의해 균형이 유지된다. 또한 각 근섬유의 활동은 길이-장력관계와 견인각 (angle of pull) 및 지레팔에 의해 결정된다. 반면에 신체가 운동 중에 있을 때 이들 요인들과 함께 각 근섬유에 의해 발생되는 장력은 단축 속도에 따라 감소되고, 근섬유가 빠르게 늘어날수록 발생되는 장력은 증가된다. 근육에 의해 발생되는 토크는 신체를 직접 움직이게 하는 것이 아니라 가속도를 변화시킨다. 가속도의 변화는 속도를 변화시키고 궁극적으로 움직임 변화를 일으킨다. 지면반발력(Ground Reaction Forces)은 발이 지면에 닿을 때 지면은 발과 신체에 대한 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 발생한다(뉴턴의 제3법칙). 이 지면반발력 (GRFs)의 합력은 체간과 사지관절의 접힘 (collapsing)을 방지하는데 필요한 근수축력과 보장구의 힘을 가시화하는데 유용하다. 반응력 힘 판(force platforms or plates)은 가만히 서있는 사람의 자세 흔들림이나 보행자의 발을 통해 전달되는 반응력을 기록한다. 발바닥에 대한 지면 반발력에서 수직성분은 뒤꿈치 닿기 후 급격히 상승되고, 체중(수평 점선)을 초과하는 두 번의 정점이 있다. 첫 번째 정점은 지지하지가 신체를 감속시킬 때 나타나고, 두 번째는 신체가 가속될 때 발생된다. 두 정점사이 중간입각기 때 체중이하로 감소되는 것은 반대 측 유각기에 의한 중심의 상승 때문이다. 입각기 동안 뒤꿈치에서 엄지발가락까지 지면반발력의 이동을 압력중심(center of pressure)이라 한다. 중간입각기 동안 체중을 지지하는 곳은 종골과 중족 골두이지만 압력중심은 체중지지와 관여 없는 중족부(midfoot)에 놓인다. 고관절에서 지면반발력은 앞쪽에 위치하고, 굴곡 토크를 발생하며 이는 고관절 신전근의 수축으로 균형이 유지된다. 지면반발력의 위치에 관한 연구는 보행에서 복잡한 근활동을 이해하는데 도움이 된다. 뒤꿈치 닿기에서 지면반발력은 발목관절 축의 뒤쪽에 위치, 저측굴곡 토크를 발생하며 배측굴곡근에 의해 감속된다. 발바닥 닿기에서 지면반발력은 무릎관절 뒤쪽에 놓이고 무릎관절이 굴곡되는 것을 방지하기 위해 대퇴사두근의 활동이 요구된다. 중간입각기에서 지면반발력은 발목관절축의 바로 앞쪽에 작용하고 배측굴곡 토크를 발생하며 비복근과 가자미근에 의해 조절된다.

보행의 에너지 소비(Energy Cost of Walking)

근육은 몸을 들어올리거나 운동속도를 증가 혹은 감소시키기 위하여 작용하면서 운동하는 동안 부분적으로 에너지 소비율에 영향을 미친다. 또한 근육의 중요한 역할은 관절이 움직이지 않도록 안정화하고, 체중심을 낮추기 위해 감속작용을 하는 것이다. 보행에 필요한 전체 대사량(metabolic cost)은 산소소비량이나 이산화탄소 배출양을 측정한다. 보행에서 산소율과 산소소비는 측정요소로 자주 활용된다. 산소율(oxygen rate)은 분당 소비되는 산소량 (0ml/min)을 체중(kg)으로 나눈 것이다 (0ml/kgXmin). 산소율은 보행 시간 및 강도와 관계가 있고, 분당 40~100m의 정상보행속도에서 직선적으로 증가한다고 보고된다. 성인들의 자연스러운 평균 보행속도는 분당 80m이고(시간당 3마일), 평균 산소율은 12ml/kgxmin이다. 산소소비(oxygen cost)는 산소율을 보행 속도(M/mim)로 나눈 것이다. 이 값은 1M을 보행하는 데 사용되는 산소를 의미한다 (0ml/ kgXM). 보행이 효율적이지 못한 사람은 에너지 소비가 크다. 자연스러운 보행속도(comfortable walking speed)에서 20~80세 사이의 건강한 성인을 대상으로 한 측정에서 평균 산소율은 12ml/kgXmin이다. 20~60세 대상자의 분당 평균 보행속도는 80m이었고, 60세 이상은 74m로 속도가 약간 느렸다. 보행 시 에너지 소비를 최소화하는 보행의 6가지 결정요소가 있다. 첫 번째는 골반의 횡회전(transverse pelvic rotation)이다. 유각기 쪽의 골반이 앞으로 움직여서 지면에 뒤꿈치를 내려놓을 때 다리 길이를 효과적으로 길게 해 주며, 중심이 떨어지는 것을 방지한다. 두 번째와 세 번째는 유각기 쪽으로 골반의 하방경사(downward tilt of the pelvis : 5도)가 발생하고 입각기에서 슬관절 굴곡(knee flexion: 15~20도)으로 중심의 상승을 낮춰주는 역할을 한다. 이들 동작은 중심을 낮게 유지하고 그것을 들어 올리기 위해 필요한 에너지 소모를 줄여준다. 골반의 횡회전, 하방경사, 슬관절 굴곡은 중심이 올라가고 내려가는 폭을 감소시켜 에너지를 보존한다. 네 번째와 다섯 번째는 슬관절의 시상면에서 슬관절과 발목과 발 근육의 운동과 작용의 영향이다. 급격히 올라가고 내려가는 무릎관절의 궁형 운동을 유연한 싸인곡선으로 전환시키고 이것은 위로 고관절과 체중심에 반영된다. 여섯 번째는 대퇴골간(femur shaft)의 내전자세와 경대퇴각(tibiofemoral angle)이다. 125도 정상 경체각보다 작게 90도로 적어지면 체중을 발에 지탱하기 위해 체간의 측면이동이 증가된다. 이러한 과도한 이동은 에너지소비를 현저하게 증가시킨다.

질량중심의 이동

보행은 연속적인 균형의 상실과 회복의 과정이라 말할 수 있다. 보행은 인체가 전방으로 기울어짐에 따라 시작된다. 넘어지지 않기 위해, 새로운 위치로 한 발을 앞으로 이동시킴으로써 순간적인 균형의 회복을 얻게 된다. 이렇게 한번 보행이 시작되면 신체의 전방 운동량에 의해 신체의 질량중심 (center of mass, CoM)은 발의 새로운 위치를 넘어 이동하게 되는데, 이때 다른 쪽 발을 전방으로 내딛게 된다. 균형의 상실과 회복 사이에서 일어나는 부드럽고 조절된 이동은 신체의 전방이동을 오랫동안 계속 만들어 준다. 발의 이동이 신체의 전방 운동량을 멈추게 하고 균형이 정적인 기저면 (base of support) 위에 놓이게 될 때 보행은 멈춰지게 된다. 보행을 설명하기 위해서 하지에 있는 근육의 능동적 참여가 필수적이다.질량중심의 이동은 인체의 질량중심이 제2천추의 바로 전방에 있으며, 머리나 체간의 이동을 기록할 때 질량중심의 움직임을 가장 잘 시각화 할 수 있다. 보행에서 질량중심은 수직방향과 내외측 방향에서 사인곡선 패턴으로 움직임을 알 수 있다. 수직방향에서의 질량중심 이동은 한번의 보행주기 동안 두 번의 완전한 사인 파동을 나타낸다. 질량중심의 최저점은 두 번의 양하지 지지기의 중간지점에서 일어난다(보행주기의 5%와 55%). 질량중심의 최고점은 두 번의 단하지 지지기의 중간지점에서 일어난다(보행주기의 30%와 80%). 평균적인 보행속력의 전체적인 질량중심의 수직이동은 약 5cm이다. 전체적인 내외측이동은 4 cm이다. 보행주기동안 내외측의 질량중심 움직임은 단 하나의 사인곡선 패턴을 수평면에서 나타낸다. 우측에서의 질량중심의 최고 위치는 우측 하지가 입각기의 중간지점에 있을 때이며(보행주기의 30%), 좌측도 좌측 하지가 입각기의 중간지점에 있을 때이다(보행주기의 80%).대상자가 보행 동안 더 넓은 지지면(base of support)으로 걷게 되면(즉, 양 발을 넓게 하여 걸을 때) 내외 측 이동의 양은 증가되고, 더 좁은 지지면으로 걷게 되면(즉, 양발의 넓이를 가깝게 하여 걸을 때) 그 양은 감소된다. 우측 발뒤꿈치 닿기가 일어난 직후에 질량중심은 전방, 상방, 그리고 우측 발쪽으로 움직이기 시작한다. 이러한 일반적인 움직임의 방향은 보행주기의 첫 30% 지점까지 계속된다. 우측 하지의 중간입각기 지점에서, 질량중심은 가장 높은 위치에 도달하게 되고, 가장 우측으로 측방이동하게 된다. 우측 하지의 중간입각기 직후에,질량중심은 계속해서 전방으로 이동하나 하방과 좌측으로 움직이기 시작이며, 이때 신체는 지지하고 있는 하지로부터 멀어지기 시작한다. 이것은 보행주기에 있어 중요한 순간이 된다. 좌측 하지가 유각기 상태로 있음에도 불구하고, 신체는 체중을 수용하기 위해 지면과 접촉하게 될 좌측 하지에 의존함으로써 넘어지는 것을 방지하게 된다. 좌측 발뒤꿈치 닿기가 일어난 직후인 양하지 지지기 동안에, 질량중심이 전방과 좌측하지쪽으로 계속 움직임에 따라 질량중심은 양 발 사이의 중간에 위치하게 되고 최저점에 도달하게 된다. 우측 발가락 떼기부터 좌측 하지의 중간입각기까지(보행주기의 80%),질량중심은 전방, 상방, 그리고 좌측하지 쪽으로 움직이게 되어 새로운 지지를 제공하게 된다. 보행주기의 80% 지점에서, 질량중심은 다시 가장 높은 위치에 있게 되고, 가장 좌측으로 측방이동 하게 된다. 보행주기는 우측 발뒤꿈치가 지면과 접촉하게 될 때 완성되게 된다. 신체의 질량중심은 단하지 지지기 동안 결코 신체의 지지면 바로 위에 떨어지지 않는다. 전두면에서의 균형상실을 피하기 위해, 발은 신체질량중심 이동경로의 바로 외측에 위치되고, 이러한 발의 배치에 의해 질량중심의 내외측 움직임은 조절된다. 거골하관절의 근육들이 전두면에서 안정성 토크를 생산하기에 제한되어 있기 때문에, 고관절 운동(즉 고관절 외전/내전)에 의해 발의 위치가 적절하고 중요하게 고려된다.