본 연구의 목적은 배낭 착용 여부에 따라 미드솔 경도가 인체 보행 역학에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 연구의 결과를 통하여 트레킹 활동 시 누적 피로를 절감하고 안정적인 보행에 도움이 되는 미드솔 경도를 제시하고자 한다.
연구 과제를 수행하기 위하여 건강한 성인 남성 10명(나이: 23.20±1.33세, 신장: 1.72±0.03cm, 체중: 67.60±5.95kg)을 모집하였으며, 미드솔 경도(부드러움, 중간 경도, 단단함)와 배낭(체중의 30%)의 착용 여부를 무작위로 제시하여 실험실 내 8m의 정해진 구간을 1.5m/s의 속력으로 걷도록 하였다. 보행 도중 인체의 움직임을 측정하기 위하여 10대의 적외선 카메라(Vicon motion capture system, UK)와 1대의 지면 반력 장비(AMTI ORG-6, US), 4채널의 표면 근전도 장비(Delsys Trigno wireless EMG, US)를 활용하였다. 이때 표면 근전도 센서는 총 4개의 하지 근육(넙다리곧은근, 바깥 넓은근, 안쪽 넓은근, 앞정강근)에 부착하였다.
샘플링 속도는 동작 분석 시스템의 경우 200Hz, 지면 반력 장비와 표면 근전도 장비는 2000Hz로 설정하여 데이터를 획득하였다. 이 데이터를 버터워스 4차 저역 통과 필터(Butterworth 4th zero-lag lowpass filter)를 통하여 잡음을 제거하였으며, 이때 차단 주파수는 10Hz로 설정하였다. 근전도 신호는 차단 주파수 10-100Hz의 대역 통과 필터를 사용하였으며, RMS(root mean square) 방식으로 정류하였다. 이후 최대 수의적 근수축 검사(MVC)를 통해 얻은 데이터로 표준화하여 적분 근전도(i-EMG)를 계산하였다
수행 과제마다 총 5회의 데이터를 수집하여 분석에 활용하였으며, 양극 배제 평균 방법으로 개인 내 편차를 최소화하였다. 이후 미드솔 경도와 배낭 착용 여부에 따른 보행 역학의 차이를 검증하기 위하여 이원 변량 반복측정 분산 분석(2 way-repeated measure ANOVA)을 수행하였다. 미드솔 간에 유의한 차이가 나타날 경우, LSD 방법으로 사후 검증하였으며 모든 통계의 유의 수준은 α=.05로 설정하였다.
충격 현상의 변화에서 배낭을 착용함에 따라 지면 접촉시간이 유의하게 길어졌다. 인체 충격 흡수 전략의 경우, 미드솔 경도는 발목 관절의 발바닥 굽힘 속도와 기계적 음의 일에서 유의한 차이를 나타냈다. 발바닥 굽힘 속도는 부드러운 신발이 단단한 신발보다 느렸으며, 기계적 음의 일은 부드러운 신발이 중간 경도의 신발보다 낮았다. 한편 배낭 착용 여부는 일부 변인들에서 유의한 차이를 보였다. 배낭을 착용함에 따라 엉덩 관절의 가동 범위와 무릎 관절의 최대 폄 모멘트, 기계적 음의 일은 증가하였으나, 발목 관절의 발등 굽힘 모멘트는 감소하였다. 보행의 동적 안정성은 미드솔 경도와 배낭 착용 여부 모두 영향을 미치지 못하였다. 근 활성도는 총 4개의 하지 근육 모두 배낭을 착용함에 따라 유의하게 증가하였다.
본 연구를 통해, 이 정도의 미드솔 경도 차이는 인체 보행 역학에 영향을 미치지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 그뿐만 아니라 늘어난 하중에 대하여 인체는 충격 흡수를 위하여 근위 관절을 활용하는 전략을 취하는 것으로 보인다. 그러함에도 많은 역학적 변인에서 유의한 차이가 나타나지 않은 것은 피험자 수의 부족으로 생각된다. 덧붙여 미드솔 경도는 배낭을 착용하여도 보행 역학에 영향을 미치지 못하였다.
따라서 본 연구는 트레킹 활동에서 누적 피로 절감과 안정적인 보행을 위한 트레킹화 개발에 기초 자료가 될 것이며, 추후 연구에는 미드솔 경도 차이를 극명하게 하거나 장거리 보행을 통한 근 피로를 유발한 뒤 신체 반응을 조사하는 것이 필요할 것으로 생각된다.

The purpose of this study is to investigate the effects of midsole hardness on gait mechanisms according to taking a backpack. The results from this study could suggest better midsole hardness to reduce fatigue accumulating to the body as well as to provide more stable walking.
The 10 healthy men(age: 23.20±1.33yrs, heights: 1.72±0.03cm, weights: 67.60±5.95kg) took part in this study. The subjects walked repetitively through the 8m straight pathway at a speed of 1.5m/s in each different condition which has 3 types of shoe and the status of wearing a backpack. The 3 different measurement tools used for recording the gait movement include the 10 infrared cameras(Vicon motion capture system, UK), a force plate(AMTI ORG-6, US), and the 4 electromyography(EMG) sensors(Delsys Trigno wireless EMG, US). Each EMG sensor was attached to lower extremity muscles(tibialis anterior: TA, rectus femoris: RF, vastus lateralis: VL, vastus medialis: VM).
Every measurement system was synchronized for data collection and the sampling rate was set individually as 200Hz for the infrared camera and 2000Hz for the force plate and EMG sensor. The signal from the motion capture system and the force plate was filtered with a 10Hz Butterworth 4th zero-lag low pass filter. The EMG signal was filtered with a 10-100Hz bandpass and rectified by RMS(root mean square). After that, the data were normalized to that from the MVC test and used for calculating I(integrate)-EMG.
The 5 successful data for each task was applied for analyzing and minimized within-group variance with the trimmed mean method. 2 way repeated measure ANOVA was used to investigate the influence of the midsole hardness and backpack on gait mechanism with global alpha at 0.05. LSD(least significant difference) method was used for post-hoc.
In the case of shock phenomenon, the ground contact time was significantly longer when walking with a backpack. In the strategy for shock-absorbing, midsole hardness had a significant impact on plantar flexion velocity and mechanical negative work of ankle joint. On detail, Soft was slower than Hard for the former and Soft was lower than Medium for the latter. Meanwhile, wearing a backpack just influenced some variables. when walking with a backpack, ROM of the hip joint as well as both peak extension moment and mechanical negative work at the knee joint increased significantly. On the other hand, peak dorsiflexion moment at the ankle joint was reduced. Also, all of the midsole hardness and wearing backpack didn’t show any difference in terms of dynamic stability. In addition, muscle activation increased significantly by wearing a backpack by all 4 lower extremity muscles.
As a result, the midsole hardness difference of this degree couldn’t influence on gait mechanism. Furthermore, the human body may tend to make use of proximal joint when the additional load was given. However, the lack of the number of subjects may be the reason why wearing a backpack didn’t influence most of the biomechanical variables. Finally, midsole hardness didn’t affect walking mechanism even with a backpack.
Therefore, this study would be basic data for developing trekking shoes to reduce the fatigue accumulating to the body as well as to provide more stable walking. Further study would be needed to investigate the body response difference between barefoot and maximal shoe under the same experimental condition, or under the fatigue by long-distance.