정적 및 동적 자세 측정법: 자세 제어 이해

운동학, 운동역학 및 근전도(EMG)

• 운동학은 신체가 공간에서 어떻게 움직이는지를 의미합니다. 여기에는 위치, 속도, 가속도, 그리고 움직임의 타이밍이 포함됩니다. 각도 변환기, 고니오미터, IMU(관성 측정 장치)와 같은 도구로 이러한 변수를 측정할 수 있습니다. 예를 들어, 파킨슨병 환자는 종종 서 있을 때 몸통의 흔들림이 더 크며, 이는 각도 변환기로 측정할 수 있습니다.
• **근전도(EMG)**는 자세 조정 중 근육 수축을 제어하는 전기 신호를 포착하여 근육 활동을 측정합니다.
• 운동역학은 발 아래 가해지는 힘을 이해하는 것을 의미합니다. 힘판을 사용하여 지면 반력과 모멘트를 기록하여 균형을 어떻게 유지하는지 평가할 수 있습니다.

자세 측정법: 자세 제어의 객관적인 측정

자세 측정법은 정적 및 동적 상태에서 자세 제어를 정량화하는 객관적인 측정을 제공합니다. 자세 측정에 사용되는 장치는 신체 운동학, 동역학 및 근육 활동을 정량화합니다.

 

정적 자세 측정법

정적 자세 측정법은 사람이 가만히 서 있을 때 자세 제어 시스템을 평가합니다. 조용한 자세 동안 팔이나 다리의 움직임이 거의 없으며, 질량 중심(COM)이 상대적으로 일정하게 유지됩니다. 몸은 발목 관절을 중심으로 흔들리는 역진자 모형으로 설명할 수 있습니다. 발목의 굴근과 신근이 생성하는 토크 변화는 질량 중심의 움직임을 제어하는 데 도움을 줍니다.

 

 

정적 자세 측정법에서는 팔이나 다리의 움직임이 최소화된 조용한 자세에서 자세 제어를 평가합니다. 이때 질량 중심(COM)은 상대적으로 안정되게 유지됩니다. 몸은 종종 발목 관절을 중심으로 흔들리는 역진자 모델로 설명되며, 이 진자는 질량(신체), 단단한 부분(다리) 및 발목에서 단일 회전 지점을 포함합니다.

조용한 자세에서 COM의 움직임은 주로 발목 토크의 변화를 통해 제어됩니다. 이는 발등굽힘근과 발바닥굽힘근에 의해 생성되며, 이러한 근육들은 COM의 위치를 ​​조정하여 균형을 유지하는 데 도움을 줍니다.

 

자세 제어의 운동학적 측정

운동학은 신체가 어떻게 움직이는지를 나타내며, 각도 변환기, 고니오미터, 관성 측정 장치(IMU)와 같은 도구를 사용하여 측정됩니다. 이러한 장치들은 신체 움직임의 위치, 속도, 가속도 및 타이밍과 같은 중요한 매개변수를 포착합니다.

• 예를 들어, 파킨슨병 환자는 서 있을 때 몸통의 흔들림이 더 두드러지며, 이는 각도 변환기를 사용하여 측정할 수 있습니다.

힘판(force plate)은 지면 반력과 모멘트를 기록하는 데 흔히 사용됩니다. 이를 통해 발 아래에서 힘이 어떻게 분포되는지에 대한 중요한 데이터를 얻을 수 있으며, 이러한 데이터는 균형이 어떻게 유지되는지를 이해하는 데 기여합니다.

 

압력 중심(CoP)
압력은 힘을 면적으로 나눈 값으로 정의됩니다. CoP는 수직 지면 반력의 가중 평균 점 위치입니다. 이것은 x-y 평면에서 계산할 수 있으며, 앞뒤 및 좌우 방향으로 나누어 분석할 수 있습니다.

 

제어 메커니즘:

• COP: 제어자 역할 COP는 신체의 균형 시스템을 제어하는 주요 역할을 하며, 신체를 똑바로 세우기 위해 지속적으로 조정합니다.
• COM: 제어되는 변수 COM은 신체가 통제하려는 목표로, 전체적인 안정성을 나타냅니다.
• COP의 움직임 COP는 빠르게 움직이며, 신체 위치 변화에 대응하여 COM 앞이나 뒤로 이동하여 균형을 유지합니다.
• 느린 조정과 빠른 조정 COM은 비교적 느리고 안정적으로 움직이지만, COP는 불균형을 방지하기 위해 빠르게 반응합니다.

균형과 안정성:

안정적인 직립 자세에서는 COP와 COM이 일반적으로 정렬됩니다. COM이 지지 기저(예: 발) 경계에 가까워지면, 신체는 이 움직임을 상쇄하기 위해 COP를 이동시켜 불안정을 방지합니다. 신체는 이러한 상호작용을 통해 균형을 지속적으로 유지합니다.

자세 제어:

정적 활동(예: 서 있기)이나 동적 활동(예: 걷기)에서, COP는 종종 COM의 움직임을 예상하며 이동합니다. 이는 신체가 불균형이 발생하기 전에 균형을 유지하는 피드포워드 메커니즘의 일부입니다.

질량 중심(Center of Mass, COM)과 압력 중심(Center of Pressure, COP)의 관계와 차이

• 균형 제어에서 COM과 COP의 관계:
  • COP는 COM이 지지 기저에서 너무 멀어지지 않도록 빠르게 조정합니다.
  • COM은 느리고 부드럽게 움직이며, 신체의 전체적인 안정성을 나타냅니다.
  • 근육 활동, 특히 발목과 엉덩이 주변의 근육이 COP 조정을 통해 COM을 제어하여 균형을 유지합니다.
  정적 자세에서는 균형을 유지하는 과정이 동적입니다. COP는 빠르고 빈번하게 조정되며, COM은 느리게 움직입니다. 아래 그래프는 시간에 따른 COP와 COM의 위치 차이를 보여주며, 이 둘이 어떻게 상호작용하여 안정성을 유지하는지 설명합니다.

 

 

Gage et al.2004: COP-COM displacement (black line), COM acceleration (gray line)

 

이 그래프는 시간에 따른 COP와 COM의 위치 차이를 보여주며, 특정 순간에 이 두 지점이 얼마나 떨어져 있는지 알 수 있습니다.

-COM 가속도(회색 선): 이 선은 COM의 가속도를 cm/s^2 단위로 표시하여 COM이 얼마나 빨리 가속 또는 감속하고 있는지를 나타냅니다.

- COP-COM 변위 선은 COP와 COM의 위치 차이가 0을 중심으로 진동하는 동적 관계를 나타냅니다. 검은색 선이 0에서 멀어지면 COP가 COM의 이동을 보상하고 있음을 나타냅니다. 본체는 안정성을 유지하기 위해 이 차이를 0으로 되돌리려고 지속적으로 노력합니다.

-COM 가속도는 이러한 움직임과 상관관계가 있으며, COM이 가속하기 시작하면 COP가 빠르게 조정되어 시스템이 평형을 되찾는다는 것을 보여줍니다. 이는 특히 COP-COM 변위가 최고조에 달할 때 COM 가속도의 빠른 진동을 설명합니다.

- COP 변위는 안정화 발목 토크(A-P) 및 측면 무게 이동(M-L)의 생성을 반영합니다.

-A-P 방향: 발목 발바닥 또는 배측 굴곡근 토크가 COP를 전방 또는 후방으로 이동시킵니다.

-M-L 방향: 고관절 외전근 또는 내전근이 고관절 로딩 또는 언로딩 동작을 생성합니다.

 

흔들림 측정:

 

• 진폭 변화: 총 흔들림 경로는 서 있는 동안 COM이 이동한 전체 거리를 측정합니다. 이 측정은 움직임의 크기와 속도 모두를 포함합니다.
• 흔들림 면적: 흔들림 면적은 원형 또는 타원형으로 측정되며, 방향에 상관없이 분석하거나, 방향 의존적인 측정(범위, 90%, 표준 편차 등)으로 분석할 수 있습니다.

 

• • 안정성도와 시계열 비교:
    • 안정성도:
      • 장점: 균형 패턴과 방향성 경향을 쉽게 시각화할 수 있습니다.
      • 단점: 시간의 세분화가 부족하여 흔들림 속도나 가속도에 대한 통찰력이 제한됩니다.
    • 시계열(속도):
      • 장점: 균형, 속도, 자세 조정의 동적 변화를 포착합니다.
      • 단점: 더 복잡한 분석이 필요하며, 노이즈에 민감할 수 있습니다.

COP와 COM 기록 시 고려사항:

• 샘플링 시간: Carpenter 등은 COP-COM 동역학의 미세한 차이를 포착하기 위해 최소 60초의 샘플링 시간을 권장합니다. 이 시간은 균형 제어에서 중요한 패턴을 발견할 가능성을 높입니다.
• 연구 비교: 연구 간 또는 그룹 간 COP 측정치를 비교할 때는 샘플링 시간이 일관되도록 하여 결과가 왜곡되지 않도록 해야 합니다.

정적 자세 분석과 근전도(EMG):

• 근전도(EMG): EMG는 정적 자세 분석에서 자세 동안의 근육 활동을 기록하는 데 사용됩니다. 이는 근육 진폭, 타이밍, 동시 수축에 대한 정보를 제공하여 근육이 자세 제어에 어떻게 기여하는지 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.