"보행, 로코모터(locomotor)의 네 번째 기능: 에너지 소비의 억제와 이를 위한 보행의 결정요인 (1-2-4)"

이 글은 로코모터(보행)의 네 번째 기능에 초점을 맞추어 에너지 소비의 억제와 보행의 결정요인에 대한 중요한 측면을 다루고 있습니다. 각 활동은 이루어진 일과 소요된 에너지의 상관 관계를 강조하며, 신체의 근육을 활용하여 보행을 통제하는 과정에서 발생하는 에너지 소비를 설명하고 있습니다. 두 가지 핵심 기전인 신체 중력중심의 조절과 선택된 근육의 억제를 통해 에너지 소비를 최소화하는 방법을 강조하고 있습니다.

 

 

"보행, 로코모터(locomotor)의 네 번째 기능: 
에너지 소비의 억제와 이를 위한 보행의 결정요인 (1-2-4)"

 

로코모터(보행)의 네 번째 기능은 에너지 소비의 억제와 이를 위한 보행의 결정요인에 대한 중요한 측면을 다룹니다. 각 활동은 이루어진 일과 소요된 에너지의 관계에 의해 결정되며, 보행 중에는 선택된 근육이 활동하면서 전방으로 넘어가는 신체를 제어하는 과정에서 에너지 소비가 발생합니다. 유각지절을 앞으로 이동시키기 위해서도 에너지가 필요합니다. 이러한 요인들은 보행한 거리와 함께 일의 양을 결정하는 데 기여합니다.

 

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활동 결정 => 이루어진 일 + 이에 소요된 에너지의 관계

보행 중,

[ 우선 선택된 근육 (활동) -> 신체 제어 과정 중 에너지 소비 (전방 움직임 동안)

 and,

유각지절을 신체의 전방으로 이동 시에도 에너지 필요.]

===> 에너지 소비 X 보행한 거리 = '일의 양' 결정

 

물리학적으로 일은 중량을 일정 거리만큼 운반하는 것으로 정의되며, 생리학적으로는 근육 내에서의 에너지 변환이 이루어진 것을 나타냅니다. 근육이 이룬 일의 양은 개인이 과제를 수행하는 능력을 나타내고, 근육 활동을 위해 필요한 에너지 양은 신체의 지구력을 나타냅니다. 심폐기능이 최대로 생산할 수 있는 에너지 양의 중간값을 넘지 않도록 하는 것이 보행 시의 높은 지구력의 전제입니다.

 

물리학적으로)

일[단위: J = 줄(joule)]은 어떤 중량(단위: N = 뉴턴)을 어떤 거리(단위: m = 미터)까지 운반하는 것이다.

 

 

생리학적으로)

근육 안의 에너지 변환이 초래되는 것은 모두 일로 간주

 

① 최대 수축력의 일부로서 근육이 이룬 일의 양:
이 견해는 근육이 최대 수축력의 한 부분으로 작업을 수행할 때, 그 작업에 필요한 일의 양이 해당 개인이 주어진 과제를 해결하는 능력을 나타낸다. 

즉, 근육이 최대 수축력으로 일을 수행할 때 이 일은 해당 개인이 현재 직면한 과제를 얼마나 효과적으로 해결할 수 있는지를 나타낸다.

② 근육의 활동을 위해 필요로 하는 에너지양은 신체의 지구력을 나타냄:
이 견해는 근육이 활동할 때 소비되는 에너지 양이 해당 개인의 신체 지구력과 관련이 있다는 것을 나타낸다. 

신체의 지구력은 근육이 일정 기간 동안 활동할 수 있는 능력을 나타내며, 근육이 활동하는 동안 소비되는 에너지 양은 이 신체 지구력을 나타내는 중요한 지표.

 

*보행 시의 높은 지구력은 심폐기능이 최대로 생산할 수 있는 

에너지양의 중간 수치를 웃돌지 않는 것이 전제가 된다 (Silbernagel 1996)

 

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이러한 에너지 소비를 억제하기 위해 두 가지 주요 기전이 있습니다. 

첫 번째는 신체 중력중심의 조절이며, 

두 번째는 선택된 근육의 억제를 통한 보행의 결정요인입니다. 

 

이러한 기전들은 근육 활동량과 활동 시간을 감소시키는 데 기여하여 에너지 소비를 최소화합니다. (Perry 1992)에 따르면, 다섯 가지 중요한 에너지 절약 기전은 다음과 같습니다:

1) 신체 중력중심의 조절:

2) 보행의 결정요인(Determinants of gait):

3) 선택된 근군에 의한 제어와 에너지 소비의 절약:

4) 입각기에서의 선택된 근군에 의한 제어:

5) 유각기에서의 선택된 근군에 의한 제어:

 

 

 

 

1) 신체 중력중심의 조절:

신체 중력중심의 효과적인 조절은 보행의 중요한 에너지 절약 기전 중 하나입니다.

 

① 신체 중력중심의 조절기능: 

이상적인 똑바른 진행 방향에서 약간 벗어나는 것은 

근육 활동을 줄이기 위한 주축이 되는 기전이며, 에너지 절약에 도움이 된다.

 

② 로코모터와 에너지 소비:

"로코모터"에 올라타 있는 신체 중량이 높이가 일정하고 똑바로 운반되면 에너지 소비는 약간으로도 가능하다. 그러나 2족 교호보행에서는 이것이 불가능하다.

 

③ 2족 보행의 에너지 소비 구조:

인간의 2족 보행에서는 1보행주기에 2회 에너지를 필요로 하는 상황을 관찰할 수 있다. 

좌우의 다리가 번갈아 "패신저"를 지지하는 역할을 담당하므로

신체 중량은 끊임없이 한쪽에서 또 한쪽으로 왔다갔다.

그리고

각각의 다리가 양다리 지지로부터 한쪽 다리 지지에 걸쳐서

수직선에 대한 각도를 크게 바꿈으로써 골반의 높이가 변화한다. 

 

④ 신체 중력중심의 상하 동요와 좌우 동요:

신체 중력중심은 양다리 지지기에서 가장 낮아지고 중간 입각기(지지하는 다리의 무릎은 뻗고, 다리가 똑바른 상태)에서 신체 중력중심은 가장 높아진다.

 

상하로의 움직임과 좌우로의 움직임을 조절하는 기전이 없다면,

고관절의 상하 동요는 약 9.5cm가 되고

신체의 좌우 동요는 약 8cm가 된다.

 

보행 시에 끊임없이 신체 중력중심을 상하로 9.5cm 움직이고,

좌우로 동요하고 있다면, 바로 지쳐버릴 것이다. 

 

 

 

⑤ 흐름의 조합에 의한 동요 억제:

6개 동작의 흐름을 조합함으로써 수평방향과 수직방향의 동요는 약 50% 이하로 억제되며, 

이는 최소한의 에너지 소비를 유지하는 데 도움이 된다.

 

 

2) 보행의 결정요인(Determinants of gait):

보행의 결정요인은 보행 중 에너지 소비에 영향을 미치는 중요한 특성입니다.

 

보행의 결정요인은 Saunders에 의해 1953년에 처음으로 소개된 것으로, 신체 중력중심의 동요를 줄이고 에너지 소비를 억제하기 위한 6가지 운동을 포함한다. 현재까지도 유효하며, 최근 몇 논문에서는 이 개념을 약간 수정하였다.

 

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최근의 몇 가지 논문에서는 

입각기에서의 반대측으로의 골반의 측방경사와 

슬관절 굴곡(슬관절의 기전)은 경우에 따라서는 

에너지 소비를 억제하는 것에 약간밖에 또는 

전혀 공헌하지 않는다는 것이 발표되어 있다(Gard/Childress 1997). 

이들의 움직임은 그 밖의 원인이 밑바탕에 있는지도 모른다.

 

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but, Saunders의 개념은 그래도 아직 유효하며 

특히 진단이나 보행의 효율개선에서 특정 병적 기전을 보다 잘 이해하는 것을 가능케 하는 정보 제공.

 

이 6가지 운동은 다음과 같다:

 

① 반대측 골반의 측방경사
② 수평면에서의 골반의 회전
③ 골반의 측방으로의 이동과 슬관절의 생리적 외반자세
④ 족관절과 슬관절의 협동운동 기전
⑤ 중간 입각기에서의 제어된 발의 배굴
⑥ 말기 입각기의 발꿈치 들고 걷기와 초기닿기의 발꿈치 닿기

 

이들의 흐름의 조합으로 신체 중력중심의 동요가 감소하며, 

상하 동요는 9.5cm에서 2.3cm, 

좌우 동요는 4.6cm로 감소한다. 

 

3차원 공간에서의 신체 중력중심의 동요는 

이들의 결정요인에 의해 크게 감소하며, 

이로 인해 신체 중력중심의 상승과 하강, 좌우 동요의 경감, 원활한 방향전환이 이루어진다.

 

이러한 효과로 인해 정상 보행에서의 에너지 소비는 50% 이하로 억제되며,

초기 3가지 결정요인은 골반의 움직임과 관련되어 있고,

4~6가지 결정요인은 다리의 운동패턴과 관련되어 있다.

이들의 기전은 보행 중의 신체 중력중심의 상하 동요를 최소화하는 데 기여한다.

 

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① 반대측 골반의 측방경사
② 수평면에서의 골반의 회전
③ 골반의 측방으로의 이동과 슬관절의 생리적 외반자세

=>

골반의 움직임과 연관

①과 ②은 골반이 유각지절의 움직임에 따른 결과, 수동적으로 발생한다. 

③은 신체중량의 지지각으로 옮겨감에 상응하여 일어난다.

 

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④ 족관절과 슬관절의 협동운동 기전
⑤ 중간 입각기에서의 제어된 발의 배굴
⑥ 말기 입각기의 발꿈치 들고 걷기와 초기닿기의 발꿈치 닿기

=>

다리의 운동패턴과 연관

보행주기의 단계에 따라서 상이한 이들의 기전은 

보행 중의 신체 중력중심의 상하 동요를 적게 하는 것에 기여한다.

 

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① 반대측 골반의 측방경사

 

중간 입각기에서 신전된 지지각은 신체 중력중심의 상승을 초래한다. 

그러나 같은 시기에 반대측 골반의 측방경사에 의해서 "패신저"의 토대는 하강한다. 

입각기가 시작되고 하중이 입각지절로 옮겨가면 골반의 지지도 반대측으로부터 입각지절로 옮겨간다. 

그 결과, 전두면에서 골반은 유각측으로 4~7도 경사가 진다. 

 

 

신체 중력중심은 양쪽 고관절의 사이의 중앙에 위치하여 있기 때문에

골반의 유각측 경사의 양의 절반이 신체 중력중심의 상승을 억제하는 데에 기여한다.

이 효과는 한쪽 다리 지지기에 골반이 4도 전경(anterior tilt)함으로써 더욱 커진다. 

 

따라서, 골반의 전경도 신체 중력중심의 상승을 억제하는 데에  공헌하고 있다.

 

 

② 수평면에서의 골반의 회전

 

수평면에서의 골반의 회전은 전체적으로 약 10도로, 중간 입각기에서의 중립 위치에서 말기 입각기까지는 후방으로 5도 회전하고, 유각지절에 따라 전방으로 5도 회전합니다.

 

 

이 골반의 회전은 양다리 지지기에서 주로 두 가지 작용을 통해 신체 중력중심의 하강을 감소시킵니다.

 

> 다리의 기능적 길이의 증대: 

골반이 비스듬한 위치로 회전하면 

양 발의 바닥 접촉점 간의 거리가 증가하게 되어 체간의 토대가 확장됩니다.

 

> 고관절의 중심선으로의 접근과 이에 수반하는 보행간격의 감소 : 

보행간격이 좁아짐으로써 지지면이 보다 신체 중력중심의 

바로 아래로 접근하여 "패신저"가 좌우로 크게 동요하는 것을 방지한다.

 

이러한 효과는 보폭을 유지하면서도

고관절이 자연스럽게 회전함으로써 굴곡신전을 최소화합니다.

 

보행 중에 보폭을 일정하게 유지하면서

골반을 회전시키지 않을 경우, 고관절은 더 큰 굴곡신전을 해야 합니다.

 

이로써 고관절의 회전은 양다리 지지기에서 신체 중력중심이 아래로 떨어지는 것을 줄이게 됩니다.

 

 

 

 

③ 골반의 측방으로의 이동과 슬관절의 생리적 외반자세

 

골반의 측방으로의 이동은 신체 중력중심의 좌우 동요를 최소한으로 억제한다. 

이에 더해서 두 가지 요소가 공헌을 한다.

 

> 대퇴골에 대한 경골의 자연스러운 외반자세 
> 하중을 가하였을 때의 슬관절 약간 내전

 

 

해부학적인 좌우의 고관절 사이의 거리는 20~25cm이다.
대퇴와 하퇴의 자연스런 각도에 의해서 

슬관절과 하중을 지지하는 발은 고관절로부터 

바닥으로 연장되는 연직(수직)선에 접근한다. 

 

이 슬관절의 외반각에 의해서 

양발로 섰을 때에 다리는 교차하지 않고 

보행 시에 약 8cm의 보행간격을 유지한다. 

 

부하 반응기에서 입각지절에 하중이 가해짐으로써 

슬관절이 약간 내전하는 것이 관찰된다. 

이것에 의해서 신체 중력중심은 지지면으로 접근한다. 

 

 

④ 족관절과 슬관절의 협동운동 기전

 

초기닿기와 부하 반응기에서 지지하는 다리(지지각)로의 하중 이동이 시작되고, 

족관절 저굴과 슬관절 굴곡은 증가하여, 

이 협동동작이 신체 중력중심의 상승을 억제한다. 

 

부하 반응기의 마지막에 하퇴가 거의 연직(수직)이 되었을 때, 

슬관절은 15도 굴곡하여 있다.

 

 

⑤ 중간 입각기에서의 제어된 발의 배굴

 

중간 입각기에서 슬관절은 신전한다. 

이에 수반해서 상승하는 신체 중력중심은 족관절의 배굴에 의해서 최소한으로 억제된다.

 

=> 중간 입각기에서 발생하는 슬관절의 신전은 족관절의 배굴에 의해 조절되어, 상체의 상승을 최소한으로 억제하여 효율적인 보행을 지원하는 역할을 합니다.

 

 

⑥ 말기 입각기의 발꿈치 들고 걷기와 초기닿기의 발꿈치 닿기

 

말기 입각기에서의 족관절 배굴에 의해서 신체 중력중심은 하강한다. 

이 때, 발꿈치 들고 걷기에 의한 기능적 길이의 연장이 

신체 중력중심의 하강에 대해서 반대로 작용한다. 

 

초기닿기에서도 마찬가지로 슬관절의 신전과 발꿈치 닿기에 의한 다리의 연장이 관찰된다. 

이들에 의해서 신체 중력중심의 아래로 처짐이 감소하고 

보행 중의 신체의 상하 움직임이 억제된다.

 

 

🥦 위에서 이야기한 내용을 생각해 보면서 관찰해 보세요.

 

 

= 요약

 

6가지의 모든 보행의 결정요인은 신체 중력중심의 동요를 경감하는 것에 도움이 된다. 

 

① 반대측 골반의 측방경사
② 수평면에서의 골반의 회전
③ 골반의 측방으로의 이동과 슬관절의 생리적 외반자세
④ 족관절과 슬관절의 협동운동 기전
⑤ 중간 입각기에서의 제어된 발의 배굴
⑥ 말기 입각기의 발꿈치 들고 걷기와 초기닿기의 발꿈치 닿기

 

- 한쪽 다리 지지기에서의 신체 중력중심의 상승은 

반대측 골반의 측방경사와 4도 전경, 

아울러서 족관절 저굴과 슬관절 굴곡이 협동하여 일어남으로써 경감된다. 

 

양쪽 다리 지지기에서의 신체 중력중심의 하강은 

수평면에서의 골반의 회전과 함께 

말기 입각기에서의 발꿈치 들고 걷기와 초기닿기에서의 발꿈치 닿기에 의해서 경감된다. 

 

신체 중력중심의 좌우 동요는 골반의 회전과 대퇴골의 골반에 대한 각도 변화에 의해서 감소한다.

선 자세와는 달리, 

보행 시에 신체 중력중심은 지지면의 바로 위에는 없다. 

거기서 발생하는 불균형은 부가적으로 관성력에 의해서 제어된다.

 

이들의 기전은 모두 함께 신체 중력중심이 3차원 공간에서 

약간의 상하 동요와 좌우 동요를 곁들여서 

정현곡선(sine curve)을 그리면서 이동하는 것에 기여한다. 

 

그리고 신체 중력중심의 움직임을 제어하기 위한 

근육의 활동을 감소시킬 수 있고, 에너지 소비를 상당히 경감시킬 수 있다.

 

 

 

 

3) 선택된 근군에 의한 제어와 에너지 소비의 절약:

특정 근육 군을 선택적으로 활용함으로써 에너지 소비를 절약할 수 있습니다.

보행 중에 내딛는 힘과 수동적 안정성을 이용함으로써 

항상 가능한 한 근육의 활동은 억제되어, 에너지 소비는 최소한으로 유지된다. 

 

입각기와 유각기의 양쪽에서, 근육은 활동의 크기와 시간을 변화시켜 이 목적을 달성한다.

 

 

 

4) 입각기에서의 선택된 근군에 의한 제어:

보행의 특정 단계에서 특정 근육 군을 효과적으로 활용함으로써 에너지 소비를 최소화합니다.

입각기의 전체 영역에서, 

체중이 전방으로 넘어지는 것에 의해서 균형을 상실할 때에 근육이 활동한다.

 

지면 반응력 벡터에 의해서 각 관절에 불안정이 발생하고, 이에 대항하기 위해 근육이 활동한다.

이 때 관절에 발생하는 회전력은 회전 모멘트라 불린다. (Marees와 Mester 1991)

 

시상면에서 고관절 굴곡방향과 슬관절 굴곡방향, 

그리고 족관절 저굴방향과 배굴방향으로 

지면 반응력에 의한 회전 모멘트가 작용하고, 

이들은 근육의 활동에 의해서 제어된다. 

 

전두면에서는 고관절의 내외전과 족관절의 회내외가 제어되어야 한다. 

 

수평면에서도 각 관절에 발생하는 회전 모멘트는 제어된다.

 

Mester(1991)에 따르면, 

길항하여 작용하는 근육의 활동은 모든 경우에서 

관절에 발생하는 회전 모멘트의 크기와 직접적인 관계가 있다. 

 

근육활동 이외의 방법에 의해서 관절이 제어되자마자 이에 따라서 근육의 활동은 휴지한다. 

이와 같이 하여, 

한편에서는 회전 모멘트, 

또 한편에서는 근육의 활동과 관성의 이용과 

인대나 관절낭의 수동적 긴장에 의한 제어기전의 작용이 번갈아 발생한다.

 

 

🥦 위에서 배운 내용을 생각하면서 한 번더 관찰해 보세요.

 

 

- 고관절 제어

고관절 신근군은 하중을 이어받는 초기에만 수축한다. 그 후 이 근군은 휴지한다. 

고관절은 발꿈치 흔들지레에 의한 내딛는 힘과 

슬관절 주위 대퇴사두근의 활동에 의해서 

대퇴는 골반 보다도 빨리 앞으로 움직이므로 거의 수동적인 신전이 가능해진다. (Lyons 등 1983)

- 슬관절 제어 

부하 반응기에서, 지면 반응력 벡터가 슬관절의 후방을 통과하고, 

슬관절에 굴곡방향의 외부 모멘트가 발생하였을 때, 

슬관절 주위에서 대퇴사두근의 최대 활동이 일어난다. 

지면 반응력 벡터가 슬관절의 전방을 통과하면, 

슬관절이 완전히 신전하지 않아도 대퇴사두근의 활동은 휴지한다. 

나머지의 슬관절 신전은 내딛는 힘에 의해서 일어난다.

- 족관절 제어

다른 관절과 달리, 족관절 제어는 항상 근육의 활동을 필요로 한다. 

족관절 주위의 근육활동은 부하 반응기에서 시작하여, 

전유각기의 초기까지 계속된다. 

 

이 때,길항근의 동시수축을 최저한으로 억제함으로써 에너지 소비가 억제된다. 

이 밖에 족관절 저굴근군이 각 단계에서 수축 강도를 바꿔 활동함으로써, 에너지 소비는 억제된다. 

중간 입각기에서는 발바닥이 바닥에 확고하게 밀어붙여진 상태에서 

다리가 전방으로 이동하므로, 근육의 활동은 적다. 

말기 입각기에서는 전족부가 신체를 지지해야 하기 때문에, 

족관절 저굴근군의 활동은 최대가 된다.

 

 

 

5) 유각기에서의 선택된 근군에 의한 제어:

보행의 다음 단계에서도 특정 근육 군을 조절하여 에너지 소비를 최소화합니다.

유각기에서의 다리의 움직임은 

유각지절의 내딛는 힘과 중력, 직접적인 근육제어의 조합에 의해서 일어난다.

 

유각기에의 준비는 전유각기에 시작되고, 

이것은 불안정한 지지면과의 관계에서의 활동을 휴지한 족관절 저굴근군의 잔존하는 힘에 기초하여 있다.

 

골반의 회전에 의해서 고관절은 신전/외전 위치에 있으므로, 

고관절 굴곡은 장내전근의 활동에 의해서 지원된다. 

 

그리고 슬관절은 슬관절 굴근군의 활동이 없이 40도 굴곡한다.
초기 유각기에서, 슬관절은 고관절 굴곡과 하퇴의 관성력에 의해서 60도 굴곡한다. 

근소한 근육의 활동이 이 움직임을 지원하고 있다.

중간 유각기에서 슬관절은 수동적으로 신전한다.

중간 유각기의 후기에 발끝이 지면에 닿는 "위험성"을 피한 후에 족관절 배굴근군은 활동을 휴지한다.

 

말기 유각기에서만,

고관절과 슬관절의 신근군, 족관절 굴근군의 활동이 강력히 요구된다.

이들 신근(배굴근)군의 활동은 다음에 일어나는 체중부하 수용기와 지지를 안전하게 확실히 이룰 수 있도록 준비하기 위함이다.

 

 

 

 

 

"로코모터(locomotor)의 네 번째 기능: 에너지 소비의 억제와 이를 위한 보행의 결정요인" 을 마무리하며,

 

보행, 로코모터(locomotor)의 네 번째 기능: 에너지 소비의 억제와 이를 위한 보행의 결정요인

 

이러한 에너지 소비의 억제와 결정요인에 대한 이해는 

보행 연구와 치료에서 중요한 역할을 합니다. 

 

각 기전은 보행 효율성을 높이고 

피로를 최소화함으로써 일상적인 활동 수행에 도움을 줄 수 있습니다.

 

 

 

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"보행의 기본 개념: 걷기의 운동형상학과 운동역학 (2) (체중 부하 수용기/한쪽 다리 지지기/유각기 다리 전방 이동)"

"보행의 기본 개념: 걷기의 운동형상학과 운동역학 (2) (체중 부하 수용기/한쪽 다리 지지기/유각

 

 

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"보행, 로코모터(locomotor)의 세 번째 기능: 충격 흡수 (1-2-3)"

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