Effects of shoe longitudinal bending stiffness and runner level on Achilles tendon loading in experienced and novice male runners: a musculoskeletal modelling study

기술 요약: 신발의 종방향 굽힘 강성(LBS)과 러너 숙련도가 아킬레스건 부하에 미치는 영향

문제 제항
아킬레스건(AT) 부상은 러너들 사이에서 흔한 과사용 문제이며, 습관적인 러너의 평생 발병 위험은 52%에 달한다. 아킬레스건 부하는 하지 생체역학 및 신발에 의해 영향을 받지만, 러너의 경험 수준과 신발의 종방향 굽힘 강성(LBS) 사이의 구체적인 상호작용은 여전히 불분명하다. 전통적인 아킬레스건 힘 추정 방식(순 발목 모멘트를 모멘트 암으로 나누는 방식)은 시너지 효과를 내는 근육의 기여와 길항근의 동시 수축을 무시함으로써 발목 해부학을 지나치게 단순화한다. 또한, 숙련된 러너와 초보 러너가 다양한 강성을 가진 탄소 섬유 플레이트 신발에 어떻게 다르게 적응하는지, 그리고 이러한 적응이 아킬레스건 부하 및 부상 위험 프로파일에 어떤 영향을 미치는지에 대해서도 알려진 바 없다.

연구 방법
본 연구는 이러한 상호작용을 조사하기 위해 31명의 건강한 남성 후족부 착지(rearfoot striker) 러너를 대상으로 근골격계 모델링 접근법을 사용하였으며, 이들은 두 그룹으로 나뉘었다: 숙련된 러너(월간 주행 거리 > 100 km)와 초보 러너(주간 주행 거리 < 10 km).

• 실험 조건: 참가자들은 세 가지 프로토타입 신발을 착용하고 통제된 속도 4.17 m/s로 오버그라운드 러닝웨이를 달렸다. 세 신발은 구조는 동일하지만 LBS 수준이 달랐다: 낮음(T1: 10.9 Nm/rad), 중간(T2: 17.5 Nm/rad), 높음(T3: 33.0 nm/rad). 신발의 질량은 카운터웨이트를 사용하여 모든 조건에서 동일하게 맞추었다.
• 데이터 수집: 운동 역학 데이터는 12대의 카메라가 장착된 모션 캡처 시스템(200 Hz)을 통해 포착되었고, 지면 반력은 지면 반력기(1000 Hz)를 통해 기록되었다.
• 모델링 및 분석: 각 참가자에게 맞춰 스케일링된 피험자 맞춤형 전신 근골격계 모델(Rajagopal et al., 2016 및 Lai et al.에 의해 최적화됨)을 사용하였다. 근육의 힘은 정적 최적화(static optimization)를 통해 추정되었다. 아킬레스건 힘은 가자미근, 내측 비복근, 외측 비복근의 힘의 합으로 계산되었다.
• 통계 분석: 이산 변수(피크 각도, 모멘트, 힘)는 이원 혼합 분산 분석(two-way mixed ANOVA)을 통해 분석되었다. 연속적인 시계열 데이터는 스탠스 단계 전체에서 유의미한 차이를 식별하기 위해 일차원 통계적 파라메트릭 매핑(SPM1D)을 사용하여 분석되었다.

주요 결과

1. 러너 숙련도 효과: 숙련된 러너는 초보자보다 유의미하게 높은 피크 아킬레스건 힘을 생성했다 ($p=0.038$). 생체역학적으로 숙련된 러너는 초기 발목 배굴(dorsiflexion)이 작고, 고관절 신전이 크며, 스탠스의 중기에서 후기에 유의미하게 높은 발목 저측 굴곡(plantarflexion) 모멘트를 특징으로 하는 "원위부 부하(distally-loaded)" 전략을 채택했다. 이 전략은 추진력을 최적화하지만, 스트라이드당 아킬레스건 인장 부하를 증가시킨다.
2. 신발 강도(LBS) 효과: LBS가 증가함에 따라 피크 아킬레스건 힘($p=0.004$)과 아킬레스건 충격량($p=0.006$)이 독립적으로 상승했다. 이는 주로 강성이 증가함에 따라 피크 발목 배굴 각도가 유의미하게 증가했기 때문($p<0.001$)이다. 본 연구는 LBS가 높아지면 전족부의 시상면 운동(sagittal plane excursion)이 발목 쪽으로 근위부로 재지향되어, 삼두족근 복합체(triceps surae complex)에 대한 기계적 요구를 증가시킨다는 점을 시사한다.
3. 상호작용 효과: 피크 무릎 신전 모멘트, 피크 고관절 외회전 각도, 그리고 횡단면 고관절 가동 범위에서 러너 숙련도와 LBS 간의 유의미한 상호작용이 발견되었다.
   • 초보 러너: 강한 신발에 적응하기 위해 근위부 보상 작용을 증가시켰는데, 구체적으로 더 큰 무릎 신전 모멘트와 더 큰 횡단면 고관절 움직임을 보였다.
   • 숙련된 러너: 이러한 유의미한 근위부 보상 작용을 보이지 않았으며, 강성 수준 전반에 걸쳐 안정적인 운동 역학을 유지했다.

주요 기여

• 정교해진 아킬레스건 힘 추정: 본 연구는 순 모멘트 접근법보다 해부학적으로 더 정확한 평가를 제공하기 위해, 특정 삼두족근의 힘을 합산하여 아킬레스건 힘을 추정하는 피험자 맞춤형 근골격계 모델을 활용하였다.
• LBS에 대한 기계적 통찰: 본 연구는 LBS가 아킬레스건 부하를 증가시키는 메커니즘이 발목 모멘트 생성을 직접적으로 선형 증가시키는 것이 아니라, 시상면의 운동을 전족부에서 발목으로 재지향하는 것임을 입증한다.
• 차별화된 적응 프로파일: 본 연구는 훈련 수준에 따른 신발 강도에 대한 차별화된 생체역학적 반응을 식별한다. 초보 러너는 강한 신발에 적응하기 위해 근위부 관절(무릎 및 고관절)에 의존하는 반면, 숙련된 러너는 원위부 메커니즘에 의존한다.

의의 및 주장
본 논문은 러너의 숙련도가 기초적인 아킬레스건 부하의 주요 결정 요인인 반면, 신발의 LBS는 이 부하를 더욱 높이는 독립적인 요인이라고 주장한다. 연구 결과는 탄소 섬유 신발 처방을 위한 "강할수록 좋다"는 패러다임에 도전한다. 대신, 저자들은 개인화된 U자형의 최적 LBS 관점을 지지한다:

• 숙련된 러너의 경우: 이들은 이미 추진 중심의 생체역학으로 인해 높은 기초 아킬레스건 부하를 안고 있으며, LBS를 높이는 것은 이 부하를 더욱 증폭시켜 잠재적으로 이 집단의 높은 아킬레스건 건병증 발생률에 기여할 수 있다.
• 초보 러너의 경우: 이들은 강한 신발으로부터 재지향된 운동학적 요구를 흡수할 수 있는 원위부 능력이 부족하며, 이는 아킬레스건 부상보다는 오히려 무릎 및 고관절의 급성 부상 위험을 높이는 불안정한 근위부 보상 작용으로 이어진다.

저자들은 신발 강도가 러너의 훈련 수준 및 신경근 능력과 일치해야 한다고 결론지으며, 초보 러너는 근위부 조절 능력과 삼두족근의 근력이 충분히 발달할 때까지 낮은 강도의 신발을 사용하는 것이 유익할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 남성 러너만을 대상으로 한 단일 속도에서의 연구라는 점과 모델 기반 힘 추정의 내재적 불확실성을 한계점으로 인정하면서도, 상대적 비교가 개인화된 부상 예방 전략을 위한 견고한 근거를 제공한다고 주장한다.