Kinematic Assessment Capability of Single- and Dual-IMU Configurations During Squats and Deadlifts

기술 요약: 스쿼트 및 데드리프트 시 단일 및 이중 IMU 구성의 운동학적 평가 능력

문제 제기
광학 모션 캡처 시스템은 상세한 생체 역학적 분석을 제공하지만, 복잡한 캘리브레이션, 마커 가시성 및 특수 장비에 대한 의존성으로 인해 현장 사용에 제한이 있다. 웨어러블 관성 측정 장치(IMU)는 프론트 스쿼트, 백 스쿼트, 데드리프트와 같은 저항 운동을 평가하기 위한 휴대 가능한 대안을 제시한다. 그러나 IMU 시스템의 평가 성능은 센서 배치, 센서의 수, 그리고 특징 선택에 크게 의존한다. 단일 센서를 사용하는 저복잡성 시스템이 이중 센서 구성과 비교하여 운동 특이적 정보를 충분히 포착할 수 있는지, 아니면 두 번째 센서(특히 허벅지 부착)가 표준화된 조건 하에서 세 가지 운동을 구별하는 데 유의미한 점진적 가치를 제공하는지는 여전히 불분 것이 명확하지 않다.

연구 방법
본 연구는 46명의 건강한 레크리에이션 활동 성인(여성 22명, 남성 24명)을 대상으로 횡단적 반복 측정 설계를 적용하였다. 참가자들은 표준화된 하중(남성 10kg, 여성 2.5kg)과 케이던스 제어 조건(분당 60회, 회당 약 4초) 하에서 프론트 스쿼트, 데드리프트, 백 스쿼트를 10회 반복 수행하였다.

• 센서 구성: 두 개의 웨어러블 IMU가 사용되었다: 하나는 상부 등(T1–T2)에, 다른 하나는 왼쪽 전방 허벅지에 배치되었다. 데이터는 각 센서당 약 1.87 Hz의 유효율로 순차적으로 수집되었다.
• 특징 추출: 연구는 운동학(각도 범위, 각속도 기술자, 속도 프로파일 비율), 타이밍(반복 지속 시간, 케이던스 오차), 일관성(세트 내 변동성)의 세 영역에 걸쳐 48개의 사전 지정된 척도를 평가하였다. 척도는 상부 등, 허벅지, 그리고 결합된 몸통-허벅지 관계로부터 도출되었다.
• 통계 분석:
  • 특징 수준: Benjamini-Hochberg 허위 발견율(FDR) 제어를 적용한 Friedman 검정을 통해 운동 간 차이를 보이는 척도를 식별하였다. 쌍별 비교에는 Holm 조정을 사용한 Wilcoxon 부호 순위 검정을 사용하였다.
  • 분류: Leave-one-participant-out 검증을 사용한 탄성 넷 정규화 다항 로지스틱 회귀를 사용하여 참가자 독립적인 운동 식별을 평가하였다. 세 가지 구성을 비교하였다: 상부 등 단독, 허벅지 단독, 그리고 결합형(상부 등 + 허벅지 + 결합 척도).
  • 탐색적 분석: 선형 회귀 및 t-검정을 사용하여 무릎 신전 근력과의 연관성 및 성별 차이를 조사하였으며, FDR 조정을 적용하였다.

주요 결과

• 운동 특이적 차이: FDR 조정 후, 48개 척도 중 12개가 세 가지 운동 간에 유의미한 차이를 보였다. 유의미한 모든 척도는 운동학적 척도였으며, 타이밍이나 반복 일관성 척도는 유의미하게 남지 않았다.
  • 상부 등: 시상면 각도 범위, 평균/95백분위수/최대 시상면 각속도, 시상면 속도 프로파일 비율, 평균 관상면/횡단면 각속도를 포함하여 7개의 척도가 유의미했다.
  • 허벅지: 3개의 척도(평균 시상면/횡단면 각속도 및 시상면 속도 프로파일 비율)가 유의미했다.
  • 결합형: 정규화된 몸통-허벅지 운동 범위 차이와 시상면 궤적 상관관계가 유의미했다.
• 분류 성능:
  • 상부 등 단독: 가장 높은 균형 정확도(65.2%)와 매크로-F1 점수(65.1%)를 달ek성하였다.
  • 결합 구성: 63.0%의 균형 정확도와 62.7%의 매크로-F1을 달성하였다.
  • 허벅지 단독: 42.8%의 균형 정확도로 현저히 낮은 성능을 보였다.
  • 점진적 가치: 허벅지 유래 및 결합 척도를 상부 등 구성에 추가하는 것은 분류 성능을 개선하지 못했다(균형 정확도 차이 -2.2 퍼센트 포인트, 95% CI -8.0 to 3.6). 반대로, 상부 등 척도를 허벅지 구성에 추가하면 정확도가 20.3 퍼센트 포인트 향상되었다.
• 참가자 요인: 조정 후 IMU 척도와 무릎 신전 근력 사이의 유의미한 연관성은 발견되지 않았다. 백 스쿼트 중 네 가지 허벅지 운동학 척도가 일차 분석에서 성별에 따라 차이를 보였으나, 이는 비모수적 민감도 분석에서 유의미하게 나타나지 않았으며 서로 다른 절대 하중 사용에 의해 혼란 변수로 작용하였다.

의의 및 주장
본 연구는 테스트된 구성 중 단일 상부 등 IMU가 프론트 스쿼트, 백 스쿼트, 데드리프트를 구별하기 위한 가장 강력한 운동 특이적 운동학적 평가 능력을 제공한다고 결론지었다. 상부 등 센서는 시스템에서 사용 가능한 차별적 정보의 대부분을 포착하였으며, 운동 차이에 대해 더 넓은 민감도와 허벅지 센서보다 더 나은 참가자 독립적 식별력을 보여주었다.

결합된 IMU 구성은 추가적인 구간 간 정보(몸통-허벅지 운동 범위 및 궤적 관계)를 성공적으로 포착하였으나, 이 데이터가 상부 등 단독 센서에 비해 운동 식별 성능을 개선하지는 못했다. 저자는 저복잡성 시스템에서 운동 식별이라는 특정 목표를 위해 센서의 간결성(parsimony)이 지지된다고 주장한다. 즉, 단일 상부 등 센서를 사용하는 것은 분류 정확도를 희생하지 않으면서도 배치, 동기화 및 처리 부담을 줄여준다.

본 논문은 광범위한 적용 가능성에 대해 신중한 입장을 유지한다. 저자는 결과가 완전한 인식 시스템이라기보다는 "의미 있는 운동 특이적 정보 포착"을 입증하는 것이라고 명시적으로 밝힌다. 저자는 중간 정도의 분류 성능(65.2%)과 광학 모션 캡처에 대한 기준 타당도 검증의 부재가 개인 모니터링이나 피드백을 위한 즉각적인 적용을 제한한다고 언급한다. 또한, 이 척도들이 개별화된 평가에 사용되기 전에는 신뢰도, 기준 시스템에 대한 타당도, 그리고 다양한 부하, 속도 및 인구 집단에 대한 반응성을 확립하기 위한 향후 연구가 필요함을 강조한다.