학 술 논 문
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성인 및 청소년의 엄지손가락 반복사용에 따른 근 피로한계 비교
박정홍
1·김광훈
2·손 권
21부산대학교 기계공학부 대학원 BK사업단, 2부산대학교 기계공학부
Comparison of Muscular Endurance Limit of the Thumb with Repetitive Using Between Adults and Children
J. H. Park
1, G. H. Kim
2and K. Son
21BK21, Graduate School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2School of Mechanical Engineering, Pusan National University (Received August 31, 2012. Accepted January 11, 2013)
Abstract: According to the frequent use of mobile devices, risk of repetitive strain injury for the finger joints was increasing recently. The purpose of this study was to investigate the difference of muscular endurance limit of the thumb between adults and children. A total of thirty subjects (15 adults: 41.0± 7.9 years and 15 children: 9.5 ± 2.7 years) was recruited for this experiment. Maximum voluntary contraction (MVC) of the thumb was measured for 100 trials for each subject by using a push-pull gauge. From the maximum peak value obtained, three main factors (MVC, endurance limit, and fatigue index) were defined to quantify fatigue characteristics of the thumb flexor muscle.
The experimental results showed that the mean of MVC, endurance limit, and fatigue index of the children were approximately 50% compared to the adults (p < 0.001). From the results of Pearson correlation test, the endurance limit was highly correlated with weight, age, hand length rather than height. Based on this study, children are more vulnerable to repetitive task using the thumb such as text/SNS messaging, gaming, and scrolling.
Key words: repetitive strain injury, thumb, muscle fatigue, muscular endurance limit, mobile device
I. 서 론
최근 전자통신 기술의 발전으로 인해 휴대용 전화기, 게임 기, 뮤직플레이어 뿐 아니라 이들 기능이 모두 구현 가능한 일명 스마트폰, 스마트패드라고 하는 모바일 기기에 대한 사 용이 급격히 증가하고 있다. 이와 같은 모바일 기기의 사용 시간 증가는 손가락 및 관절의 과다사용으로 반복성 긴장성 증후군(RSI, Repetitive Strain Injury)을 일으키는 원인이 된다[1]. RSI 증후군은 신체의 특정부위를 과다하게 반복 사 용하게 될 경우에 신경, 인대, 근육 등이 손상을 받는 질환을
통칭하는 용어로 사용되며 누적외상증후군, 과사용 증후군, 직업적 근골격 질환 등으로도 표현할 수 있다. 임상적으로 RSI관련 대표적 질환으로는 손목터널 증후군(carpal tunnel syndrome), 드퀘르벵 증후군(de Quervain's syndrome), 방 아쇠수지 증후군(trigger finger) 등이 있다[2]. 외국의 경우 모바일 기기 사용 증가로 인해 TMI(Text Messaging Injury), blackberry thumb, gamers thumb, iPhone(iPod) thumb 등과 같이 주로 많은 사람이 사용하고 있는 기기의 이름을 따라 다양하게 불리고 있으며 이로 인한 수관절 근골 격계 질환이 보고되고 있다[3].
손과 관련된 RSI 증후군은 주로 문자 입력이나 스마트폰 을 이용한 게임 등 반복적이고 몰입적인 작업을 할 때 발병 할 가능성이 크다[4]. RSI 증후군은 초기에 특별한 징후없이 단순히 뻐근하거나 약간의 통증만 동반하기 때문에 환자들 이 위험을 느끼지 못한다. 그러나 점차 만성화 될 경우 증 상이 심해져 통증으로 인해 생활에 큰 불편을 야기하거나 Corresponding Author : K. Son
School of Mechanical Engineering, Pusan National University TEL: +82-51-510-3066 / FAX: +82-51-512-9835
E-mail : [email protected]
본 논문은 한국연구재단 2011년도 일반연구자지원사업 연구비의 지 원(과제번호: 2011-0026185)으로 수행된 연구입니다.
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수술적 치료를 받아야 하는 경우까지 있기 때문에 조기에 전문적인 치료가 필요하다.
손과 손가락에 관련된 RSI 증후군 발병빈도는 텍스트 메 시지를 적게 사용하는 노년층보다 평균적으로 모바일 기기 를 이용해 게임, 인터넷, 채팅, 텍스트 메시지를 주로 많이 사용하는 10대 청소년층 및 20대 청년층 그리고 직업상을 손을 많이 사용하는 직업에 종사하는 사람들에게서 높게 나 타나고 있다[5,6]. 최근 통계청에서 2010년 조사한 ‘1일 평 균 스마트폰 이용시간’[7]에 대한 자료에 의하면 하루 1~2 시간미만의 시간으로 스마트폰을 사용하는 청소년이 평균 49%로 성인 46%에 비해 높게 나타나고 있다. 그리고 스마 트폰에서 주로 사용하는 콘텐츠가 게임과 채팅이며, 청소년 의 경우 54%, 성인은 31%로 청소년이 이러한 콘텐츠를 즐 겨 사용하는 것을 확인할 수 있다.
Gold 등[8]의 연구에 의하면 모바일 폰을 이용한 문자 입 력 및 게임을 이용할 때 사용하는 손가락 가운데 가장 많이 사용하는 것은 엄지손가락이며 양손 엄지 사용이 46.1%, 한 손 엄지사용이 36.2%로 나타났다. 모바일 폰 외에도 다양한 게임기의 컨트롤러와 초등학생들이 많이 사용하는 닌텐도 휴 대용 게임기 패드를 조작할 때에도 엄지손가락이 주로 사용 된다. 이처럼 모바일 기기를 이용하게 되는 빈도가 증가하 는 상황과 특히 청소년 및 10대의 어린이가 주 사용자 층이 되면서 RSI 증후군의 위험성이 더욱 커지고 있다[9]. 이와 같이 손가락 사용에 대한 RSI 증후군에 대한 위험성이 증가 함에 따라 엄지손가락의 반복사용에 대하여 어린이나 청소 년에 대한 주의가 필요하나 아직 이들 그룹에 대한 생체역 학적 연구는 부족한 실정이다.
RSI증후군과 근골격계 질환의 공통적인 원인은 국소적이 거나 전체적인 근육의 과도한 사용이며 이에 따른 근피로가 반드시 동반된다. 과도하게 사용된 근육은 생리적 대사와 피 로물질에 의한 신경전달지연 등으로 동작의 속도가 느려지 고 최대근력이 약화되며 통증으로 인한 불편함이나 강직 등 을 느낄 수 있다. 따라서 근피로는 과도한 사용시 반드시 수 반되는 현상이며 근피로의 과정을 거쳐 질환이나 RSI증후 군으로 나타나게 된다. 이와 관련하여 모바일 기기를 이용하 는 반복적인 동작이 수행되는 손의 자세와 근육의 부하 등 에 대한 생체역학적 연구[10,11]는 대부분 표면 근전도를 이 용하여 근육의 피로를 신호처리를 통하여 분석하고 있다. 근 전도 측정법은 근피로를 정량적으로 평가하거나 각 근육의 활동 부하를 상대적으로 평가하는데 일반적으로 사용되는 방 법이다. 그러나 수관절과 같이 매우 복잡한 근육이 동시에 작용하고 작용근이 피부표면에서 만져지지 않는 경우에는 표면전극으로부터 특정 근육의 신호를 얻기 어렵다. 이런 경 우 바늘 전극과 같이 침습적인 방법으로 근전도를 측정하고 숙련된 기술과 정확한 전극 위치 선정을 요구하기에 측정에
어려움이 많다[11]. 또한, 근육의 피로를 나타낼 때 중앙/평 균주파수(median/mean frequency)의 감소 정도를 측정하 게 되는데 이때 감지되는 주파수 가운데 운동단위(motor unit)와 신경계의 상호작용 관계로부터 아직 밝혀지지 않은 영역이 존재하기 때문에 다른 신호가 섞여있는 상태로 근피 로 신호를 얻게 된다[12].
따라서, 본 연구에서는 엄지손가락의 RSI 위험성을 알아 보기 위한 다른 접근방법으로 근전도를 사용하지 않고 자발 적 최대근력을 반복적으로 수행하여 얻어지는 엄지굴근의 근력을 바탕으로 근 피로한계를 구하고 피로곡선을 얻음으 로써 굴곡 동작에 대한 근육 특성을 파악하고자 하였다. 근 피로한계는 근육이 피로한 상태에서도 낼 수 있는 최대 힘 의 크기가 되며 반대로 모바일 기기를 작동하기 위한 힘의 크기가 반복적으로 사용할 때 피로한계보다 커질 수 없다.
따라서 피로한계는 반복적 동작을 통해 힘을 가하는 작업에 서 한계값이 되고 그 수준을 지속적으로 유지하는 것은 RSI 위험도가 가장 높다고 판단할 수 있다. 본 연구에서는 엄지 손가락의 운동 중 버튼을 누르거나 터치 스크린에 타이핑을 할 때 일어나는 주된 동작이 엄지손가락의 굴신 운동이기 때문에 굴곡력에 대한 근피로 한계를 측정하고 연령 그룹을 성인과 어린 청소년 그룹으로 나누어 차이를 분석하고자 하 였다.
II. 연구 방법
1. 피실험자
실험자는 총 30명으로 성인 그룹이 15명(나이 41.0 ± 7.9 세), 어린 청소년 그룹이 15명(나이 9.5 ± 2.7세)으로 선정 하였다. 피실험자는 모두 손가락에 특별한 질환이 없으며 휴 대용 모바일 기기를 사용해 본 경험이 있는 사람으로서 본 실험에 대한 충분한 설명을 듣고 실험동의서를 작성한 후 자발적으로 실험에 참가하도록 하였다.
본 연구에서는 최근 사용이 급증하고 있는 스마트폰을 비 롯하여 휴대용 게임기, 스마트패드 등 다양한 모바일 기기 사용시 가장 많이 사용하는 엄지손가락에 대하여 근 피로한 계(muscular endurance limit)를 측정하였다. 실험에 참 여한 피실험자들의 성별, 연령, 몸무게, 손 길이를 측정하여 자료화 하였으며 모두 자주 사용하는 손은 오른손이었다.
2. 피로한계 실험
엄지손가락은 3개의 뼈와 3개의 관절로 구성되어 있으며 엄지손가락의 운동에 있어 가장 중요한 관절인 수근중수 관 절(carpometacarpal joint)은 굴곡(flexion)/신전(extension), 내전(adduction)/외전(abduction), 그리고 대립(opposition) 운동이 가능하다(그림 1). 엄지손가락은 수근중수골의 형상
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의 특성과 엄지손가락의 위치 및 근육부착의 상태 등으로 인해 운동 자체가 매우 복잡한 형태를 가지며 다른 손가락 관절에 비해 운동범위가 넓다. 따라서 모바일 기기 사용시 상대적으로 넓은 범위의 운동이 가능하기 때문에 넓은 모바 일 기기 화면의 버튼 조작이나 터치를 통한 입력이 엄지손 가락에 의해 이루어진다.
엄지손가락을 이용한 모바일 기기의 입력 동작은 엄지손가 락의 특성상 다축 동반 운동(multi-axial coupling motion) 으로 이루어지기 쉬우며 입력 동작의 경우 엄지손가락의 굴
신 운동이 주로 관여한다. 그리고 버튼이나 화면을 누르는 동작에서 힘이 더 가해지기 때문에 눌렀다 떼는 신전력보다 굴곡력이 입력에 직접적으로 작용한다. 따라서, 본 연구에서 는 엄지손가락에 대한 굴곡력(flexion force)에 대한 피로한 계를 측정하고자 하였다.
엄지손락의 굴곡시 사용되는 힘을 측정하기 위하여 하중 센서로 상용 푸쉬-풀 게이지(push-pull gauge, DN-FGA, Dacell, Korea)를 그림 2와 같이 사각 프레임에 고정하고 RS-232C 통신을 통해 PC에 측정값이 전송되도록 하였다.
그리고 측정 자세는 그림 3과 같이 손을 편 자세에서 전완 을 수평면에 붙이고 측정 게이지 상단에 부착된 금속 평판을 최대의 힘으로 누르게 하였다. 이때 측정된 신호는 10 Hz의 샘플링 주기로 PC로 읽어 저장하였다.
실험 절차는 모든 피실험자에 대해 최대한 동일한 조건을 표 1. 피실험자 정보
Table 1. Subject information
Adults Children
ID Age Height
(cm)
Weight (kg)
Hand
length (cm) Gender ID Age Height (cm)
Weight (kg)
Hand
length (cm) Gender
1 54 172 60 17 M 1 14 162 45 17 M
2 50 168 73 16.5 M 2 13 167 49 18 M
3 50 173 72 19 M 3 13 145 32 12 M
4 50 159 62 16 F 4 12 144 35 15.5 M
5 46 168 68 18 M 5 10 127 23 14.5 F
6 38 159 50 16.5 F 6 8 128 28 13 M
7 37 181 74 18 M 7 6 103 17 11 F
8 33 160 48 16.5 F 8 6 126 26 14 M
9 30 176 70 18.5 M 9 8 137 33 14.3 M
10 27 157.5 60 16 F 10 12 142 37 15 M
11 36 160 60 16.2 M 11 7 120 23 13 M
12 40 170 85 17.6 M 12 8 137 38 15.3 M
13 42 190 78 20 M 13 8 130 25 13.5 M
14 42 170 65 17.1 M 14 10 137 35 15.5 M
15 40 173 73 17.9 M 15 8 140 39 15.5 M
Mean 41.0 169.1 66.5 17.4 Mean 9.5 136.3 32.3 14.5
SD 7.9 9.2 10.1 1.2 SD 2.7 15.7 8.8 1.8
그림 1. 엄지손가락의 굴신 및 내외전 운동
Fig. 1. Flexion/extension and adduction/abduction of the thumb
그림 2. 실험 장치 구성
Fig. 2. Experimental setup for measuring push force of the thumb
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설정하기 위해 다음과 같은 순서로 실험을 수행하였다. 우 선 피실험자는 실험에 대한 충분한 설명을 듣고, 측정시 그 림 4와 같이 제시되는 컴퓨터 프로그램 상의 화면을 보면서 순차적으로 들어오는 신호에 따라 엄지손가락을 움직이도록 하였다. 신호의 색깔은 녹색과 적색으로 녹색 1초간은 엄지 손가락을 떼고 적색 2초간은 최대로 엄지손가락에 힘을 주 어 게이지를 누르는 동작을 반복하여 총 100회에 대한 데 이터를 검출하였다. 그리고 측정시 피실험자에게 최대한 엄 지손가락으로 낼 수 있는 힘을 요구하여 주관적으로 힘을 분배하지 않도록 유도하여 가능한 모든 피실험자들이 동일 한 조건을 유지할 수 있도록 하였다. 측정시 피실험자에게 자발적인 운동을 수행하기 때문에 제시된 신호에 따라 실험 을 수행하지만 피실험자가 신호를 보고 실제로 힘을 주는 동작을 수행하는 데에는 시간지연이 발생하였으며 그림 5는 결과적으로 측정된 신호중 대표적인 경우를 나타내었다.
3. 자료 분석
측정된 실험 자료는 그림 5와 같이 나타나며 게이지를 누 를 때 최대 힘은 누르고 떼는 구간의 최대값을 사용하여 총
100회에 대한 값을 추출하였다. 이를 통해 얻어진 피로 한계 실험 결과는 그림 6과 같이 로그함수 형태로 나타난다. 즉, 초기에 최대 근력이 나오다가 피로가 쌓이면서 피로한계선에 이르러 근력이 수렴하는 형태를 나타낸다. 시간에 따라 감소 하는 근력값에 대하여 최소자승법을 이용하여 자연로그 함 수로 나타내면 다음과 같다.
y = A + B ln(x)
여기서, 초기에 최대의 근수축력을 나타내는 MVC(Maxi- mum Voluntary Contraction)는 x = 1일 때, y = A가 되 며, 피로한계(endurance limit)의 경우 x = 100일 때, y = A + B ln(100)으로 계산된다. 상수 B는 굴곡 근력이 약 해 져서 반복 수축 횟수가 증가함에 따라 지수적으로 감소하는 현상을 나타내는데 본 연구에서 이를 피로지수(fatigue index)로 정하여 피로가 얼마나 빠르게 나타나는가를 알 수 있는 척도로 보았다[13-14]. 성인과 어린 청소년 두 그룹간 그림 3. 엄지손가락 힘 측정시 자세
Fig. 3. Hand and forearm posture during the push test of the thumb
그림 4. 실험 제시 화면
Fig. 4. A computer program to synchronize push interval
그림 5. 근피로 한계 실험 측정 데이터
Fig. 5. Time series data of muscular fatigue test
그림 6. 엄지손가락의 근 피로한계 데이터와 분석 인자
Fig. 6. Muscular endurance limit of the thumb and analysis factors
5 의 평균 비교 및 인자별 상관성에 대한 처리는 상용 통계
프로그램인 SPSS(version 20, IBM, USA)를 이용하여 통 계적 유의성을 확인하였다.
III. 결과 및 고찰
그림 7은 엄지손가락의 근 피로한계 측정 실험을 통해 얻 어진 대표적인 그래프를 성인과 어린 청소년에 대하여 나타 내었다. 그림 8은 성인 그룹과 어린이 그룹의 비교를 위해 성인의 최대 MVC 평균값을 기준으로 정규화하여 두 그룹 의 평균 및 표준편차를 그림으로 나타내었다. 그림에서 확 인할 수 있듯이 초기 굴곡력은 어린 청소년 그룹이 성인 그 룹에 비해 절반가량 낮으며 피로한계가 성인이 약 0.5에 수 렴하는 것에 비하여 어린 청소년 그룹은 약 0.3으로 수렴하 였다. 그리고 성인의 경우 초기 40회 굴곡 이전의 MVC에 서 표준편차가 크게 나타난 반면 어린 청소년의 경우 전체 굴곡에서 상대적으로 고른 편차를 보였다.
표 2는 앞서 제시한 분석 인자들에 대한 결과값을 정리하 여 나타내었다. 어린 청소년은 성인에 비하여 MVC가 49.9%, 피로한계 52.3%, 그리고 피로지수는 47.6%로 모두 절반에 가까운 비율로 크게 감소하였다. 여기서 피로지수는 MVC 와 피로한계와 달리 지수상수로써 성인이 어린 청소년에 비
해 절대값이 크게 나타나 성인이 큰 폭으로 근력이 약화됨을 의미한다. 측정된 결과로부터 그룹간의 통계적 차이는 일원 분산분석을 통해 MVC와 피로한계의 경우 신뢰수준 99%, 피로지수는 95%이내에서 유의성을 확인하였다.
피실험자의 나이, 키, 몸무게, 손 길이와 같은 인체 정보 에 따른 피로한계는 그림 9와 같다. 부가적으로 산포된 데 이터의 상관성을 알아보기 위해 통계적으로 Pearson 상관 계수(correlation coefficient)를 구하여 인체 정보에 따른 차이를 알아보았다. 나이의 경우 어린 청소년 그룹의 피로한 계가 10~20 N 범위에 있으며 성인의 경우 20 N이상으로 분 포되어 있어 그룹 사이의 차이를 쉽게 확인할 수 있었다. 그
그림 7. 성인(a)과 어린 청소년(b)에 대한 대표적인 근피로 한계 그래프
Fig. 7. A representative graph of the endurance limit for an adult (a) and a child (b)
그림 8. 성인(a)과 어린 청소년(b)그룹을 성인 최대 평균 힘으로 정규화한 근피로 한계 그래프
Fig. 8. Normalized force graph of the endurance limit between adults (a) and children (b) group
표 2. 성인과 어린 청소년 엄지 손가락 굴곡에 대한 근피로 한계 결과 Table 2. Results of muscular endurance limit for the adults and the children
Adults Children
Mean SD Mean SD
MVC(N)* 71.1 26.4 35.5 11.1
Endurance
limit(N)* 36.5 10.0 19.1 7.3
Fatigue
index** −7.497 4.543 −3.568 1.589
*p < 0.001, **p < 0.005
6 리고 키, 몸무게, 그리고 손 길이에 따른 피로한계 그래프에 서는 인체 치수가 커짐에 따라 상관성을 나타내었다. 통계적 상관성 처리결과 몸무게 0.807, 나이 0.777, 손 길이 0.712, 그리고 키가 0.575의 순으로 나타났다(유의수준, p < 0.001).
몸무게에서 상관성이 가장 높은 것은 체중에 비례적으로 근 육량이 많고 이에 따라 근력이 증가하기 때문인 것으로 생 각된다.
본 연구에서 엄지손가락의 굴곡에 대한 근 피로한계는 나 이가 어린 청소년 그룹에서 성인에 비해 매우 낮게 나타났 다. 이는 신체적 발달 정도로 볼 수 있는 키, 몸무게, 그리 고 손 길이에 따라 피로한계가 상관성을 갖고 있는 것을 통 해서도 확인할 수 있다. 따라서 어린 아이일수록 근력이 약하 고 피로한계도 낮아져 엄지손가락을 반복적으로 사용하게 될 때 쉽게 피로해질 수 있으며 RSI 증후군이 나타날 수 있는 가능성도 커진다.
김 등[15]은 성인을 대상으로 모바일 폰의 버튼식 및 터 치식 입력 방식에 대하여 반복적인 문자 입력을 가정하여 약 1시간가량 입력 동작을 수행한 후에 손가락의 피로도를 정성적으로 평가하였다. 이 연구는 버튼식과 터치식의 입력 방식의 차이에 따른 손가락 끝에 걸리는 힘의 차이를 측정하 기 위해 엄지손가락에 필름형 압력센서를 부착하고 힘을 측 정하였다. 그리고 오랜 반복동작을 수행후 근피로에 대한 평 가는 설문지를 이용하여 정성적인 방법으로 피로를 파악하 였다. 분석 결과 엄지손가락의 굴곡근에 해당하는 엄지굴근
(flexor pollicis brevis) 부위에서 피로감과 뻐근함이 나타 나 실제로 모바일 기기를 오래 사용할 때 피로감이 나타남 을 확인하였다. 그러나 직접적인 엄지손가락의 굴곡운동에 대한 최대근력과 근 피로한계 등은 알 수 없는 한계가 있다.
본 연구의 결과와 같이 성인에 비해 아직 덜 발달된 근육 을 가지고 있는 어린 청소년의 경우 과도한 힘으로 장시간 반복적으로 모바일 기기를 사용하는 경우 근 피로한계가 성 인보다 낮기 때문에 근육에 무리를 줄 수 있다. 이러한 이 유로 Isaiah와 Byron[9]은 십대 청소년에게서 나타날 수 있 는 RSI 증후군을 피하기 위한 지침으로 스마트폰과 같은 모 바일 기기를 사용하여 문자를 입력할 때 자주 쉴 것, 한 손 보다는 두 손을 사용할 것, 빠른 속도로 문자입력을 하지 말 것, 바른 자세를 취할 것을 권고하고 있다.
IV. 결 론
본 연구는 모바일 기기를 사용할 때 자주 사용하는 엄지 손가락에 대하여 입력 동작에서 주된 역할을 하는 굴곡근의 근피로 한계를 측정하여 분석함으로써 성인과 어린 청소년 에 대한 생체역학적 특성을 비교하였다. 실험 결과 MVC와 피로한계가 모두 어린 청소년이 성인의 약 50% 수준으로 매 우 크게 떨어지는 것을 확인하였다. 또한 어린 청소년의 근 피로 한계는 10~20 N 사이에 분포하고 있어 모바일 기기 를 반복적으로 사용하고 과도한 힘을 주어 사용하는 경우에 그림 9. 피실험자의 나이, 키, 몸무게, 손길이에 따른 피로한계 그래프
Fig. 9. Endurance limit graphs according to age, height, weight, and hand length
7 는 근골격계의 반복사용에 RSI 증후군에 걸릴 위험성이 더
욱 클 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 모바일 기기의 형태의 다양함과 더불어 여러 손가락을 이용한 작업이 가능해짐에 따라 엄지손가락 외에 사용빈도가 높은 손가락에 대한 운동분석과 피로한계 실험 등이 필요할 것으로 생각되며 동시에 굴곡/신전 외에 내외전 등 동작 유형을 다양화하여 근피로를 측정하고 분석 할 필요가 있다.
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