서 론

균형 유지 및 자세 안정성은 보행, 일상생활, 낙상 예방 등 건강한 삶의 필수 요소이다. 시각, 전정, 체성감각 등 다양한 감각 정보를 통합하여 발목 전략, 고관절 전략 등 다양한 보상 메커니즘을 활용하여 균형을 유지한다(Peterka, 2002; Winter et al., 1998). 특히, 평상시에는 발목 전략이 가장 먼저 동원되며, 시각 정보 결손 상황에서도 체성감각과 전정 정보의 상호보완을 통해 자세 제어 능력을 유지한다. 자세 안정성에 영향을 미치는 요인 중 시각 정보는 자세 제어와 물체 움직임 인식에 중요한 역할을 한다(Horak, 2006).

하지만 하지 절단자(lower-limb amputee)의 경우, 무릎과 발목의 고유수용감각 및 운동 기능 상실, 신체 비대칭과 근력 저하, 의지 착용 이후에도 잔존하는 건측 의존 및 비대칭적 체중 부하로 인해 자세 조절에 근본적 한계가 존재한다(Van Velzen et al., 2006). 하지 절단자의 자세 조절 어려움은 감각통합 한계, 보상 전략의 미성숙, 그리고 낙상 위험과 밀접하게 연결된다(Ku et al., 2014). Moisan et al.(2022)의 연구에 따르면 하지 절단자 10명과 비장애인 10명을 대상으로 자세 유지 과제를 수행한 결과, 하지 절단자는 건측에 더 크게 의존하며 시각 정보가 제한된 조건에서 자세 안정성이 더 낮아지는 것으로 나타났다. 이로 인해 보행 변동성, 불안정성, 낙상위험이 크게 증가하며, 발목 전략의 부재와 건측 위주의 보상 패턴이 임상적으로 중요한 문제로 대두되고 있다.

낙상은 하지 절단자에게 특히 치명적이며, 실제로 하지 절단자의 50% 이상이 연 1회 이상의 낙상을 경험한다고 보고되었다(Miller et al., 2001). 낙상의 원인으로 단일 요인보다는 근육 약화, 감각 결손, 보조기 사용, 신체활동 저하, 평형성 결핍 등 다양한 위험요인이 복합적으로 작용하는 것으로 알려져 있다(Steinberg et al., 2019). 또한, 낙상 경험은 낙상 두려움(fear of falling)과 신체활동 위축으로 이어져, 결과적으로 전반적 건강 악화와 삶의 질 저하로 연결된다(Miller et al., 2001).

감각결손이나 시각 정보가 제한될 경우 흔들림 크기 및 낙상 위험이 급격히 증가한다. 스탠스 너비 역시 균형 유지를 위한 변수로, 좁은 기저면에서는 자세 흔들림이 커지고 균형 유지가 더욱 어려워진다 (Winter et al., 1998). 특히, 하지 절단자는 체성감각이 손실되어, 감각 재가중(sensory reweighting) 이론에 따라 시각 입력과 같은 다른 감각에 의존해야하기 때문이다.

이러한 자세조절, 정적·동적 균형 능력의 객관적 평가는 압력중심점(center of pressure, COP) 분석을 통해 가능하며, 자세 안정성, 균형 능력, 보행 전략의 정량적 분석 및 임상 예측에 널리 활용되고 있다(Ichimura et al., 2022; Ruhe et al., 2010; Schmid et al., 2005). Mancini and Horak(2010)은 다양한 COP 기반 변수가 낙상 예측 및 재활 평가에 유효한 근거가 된다고 밝혔다. 절단자를 대상으로 한 연구에서도 COP 분석의 유용성이 확인되었다. Schmid et al.(2005)은 편측 대퇴 절단자의 보행 중 COP 변위를 분석하여 건측과 의족측 사이에 시간적·공간적 비대칭이 존재함을 정량적으로 보고하였다. 이는 COP 분석이 절단자의 좌우 비대칭적 자세 및 이동 특성을 민감하게 포착할 수 있음을 보여준다.

COP 기반 지표는 크게 선형 지표와 비선형 지표로 구분되며, 이들은 자세 제어의 서로 다른 측면을 측정한다(Duarte & Sternad, 2008). Ruhe et al.(2010)은 체계적 문헌고찰을 통해 정적 과제에서 COP 지표의 검사–재검사 신뢰도를 검토하였으며, Mancini and Horak(2010)은 이러한 COP 기반 변수가 균형 결함을 변별하고 낙상 위험을 예측하는 데 임상적으로 유효함을 보고하였다. 따라서 선형 지표는 절단자의 자세 안정성 수준을 정량적으로 평가하는 일차적 척도로 활용될 수 있다. 비선형 지표는 COP 시계열의 시간적 구조, 즉 자세 조절 패턴의 규칙성과 예측 가능성을 정량화한다. Stergiou and Decker(2011)는 자세 제어 시스템의 복잡성과 유연성, 보상 전략의 다양성이 비선형 지표를 통해 정량화될 수 있음을 보고하였으며, Błażkiewicz et al.(2023)은 비선형 분석이 자세 제어 평가의 유효한 접근임을 체계적으로 검토하였다. Hlavackova et al.(2011)은 대퇴 절단자를 대상으로 비절단측의 COP가 절단측보다 낮은 표본 엔트로피(Sample Entropy, 이하 SampEn)를 보이며, 더 규칙적인 패턴을 나타내고, 이는 두 다리가 자세 조절에 동등하게 기여하지 않음을 제시하였다. 또한 Sadeghisani et al.(2016)은 하지 절단자를 대상으로 눈뜬 조건과 눈감은 조건에서 근사 엔트로피(Approximate Entropy, 이하 ApEn)를 분석하여 의족 종류에 따라 자세 동요의 규칙성이 달라짐을 보고하였으며, 시각 조건의 주효과가 전후 방향에서 유의하게 나타남을 확인하였다. 이는 비선형 지표가 절단자의 좌우 다리 간 기여도 차이와 감각 조건 변화에 민감하게 반응하며, 선형 지표만으로는 확인되지 않는 조절 전략의 특성을 드러낼 수 있음을 시사한다.

비선형 지표 중 ApEn은 널리 사용되어 왔으나, 자기일치(self-match)를 허용하기 때문에 데이터 길이에 따라 값이 편향될 수 있다. SampEn은 자기일치를 배제하여 데이터 길이가 상대적으로 짧은 조건에서도 일관성이 유지된다는 장점을 갖는다(Richman & Moorman, 2000). 따라서 두 지표를 병행하여 산출할 경우 자세 조절의 규칙성을 보다 안정적으로 평가할 수 있다.

Ku et al.(2014)은 하지 절단자의 정적 기립자세에서 COP 특성을검토하여 시각 정보 유무에 따른 차이를 확인하였으나, 스탠스 너비를 동시에 고려한 연구는 제한적이었다. 또한 선형 지표와 비선형 지표를 병행하여 분석한 연구 역시 부족한 실정이다. 선형 지표는 자세 유지의 물리적 결과를 보여주는 반면 비선형 지표는 그 과정에서 동원되는 조절 전략의 특성을 보여주므로(Duarte & Sternad, 2008; Stergiou & Decker, 2011), 두 지표를 통합적으로 해석해야 대퇴 절단자의 자세 제어 특성을 정확히 이해할 수 있다. 이러한 연구 공백은 하지 절단자의 실생활 균형 능력 개선을 위한 맞춤형 재활 전략 개발에 실질적인 한계를 야기하고 있다.

따라서 본 연구에서 하지 절단자, 특히 대퇴 절단자(transfemoral amputee)를 대상으로 시각 정보와 스탠스 너비 변화가 정적 자세 안정성에 미치는 영향을 선형 및 비선형 COP 지표를 통해 분석함으로써, 임상적 평가, 낙상 예방, 맞춤형 재활 전략 개발에 실질적인 근거를 제공하고자 한다.

연구방법

측정 항목 및 방법

본 연구에 참여한 피험자들은 정적 서기 자세에서의 균형을 분석하였으며, 균형 분석을 위해 지면반력기(Kistler, SWI; sampling rate 2,000 Hz)를 사용하여 자료를 수집하였다. 모든 피험자들은 네 가지 다른 조건에서 30초간 정적 스탠딩 자세를 수행하였다. 네 가지 조건은 (1) 눈을 감고 좁은 자세로 서기(eyes closed narrow stance, ECN), (2) 눈을 감고 넓은 자세로 서기(eyes closed wide stance, ECW), (3) 눈을 뜨고 좁은 자세로 서기(eyes opened narrow stance, EON), (4) 눈을 뜨고 넓은 자세로 서기(eyes opened wide stance, EOW)로 구성되었다(Fig. 1). COP 분석은 건측(intact limb)과 환측(prosthetic limb)을 모두 포함한 전체 신체 압력중심점 (whole-body center o;f pressure)을 측정하였다.

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Fig. 1

Experimental conditions of quiet standing, arranged from left to right: ECN, ECW, EON, and EOW.

본 연구에서 스탠스 너비는 피험자의 발 간격(foot width)을 의미하며, 좁은 자세(narrow stance)는 양발을 모은 상태, 넓은 자세 (wide stance)는 피험자의 위앞엉덩뼈가시(anterior superior iliac spine, ASIS) 간 거리를 기준으로 스탠스 너비를 설정하였다.

각 실험 조건 사이에는 피로에 의한 균형의 차이를 최소화하기 위하여 최소 3분간의 휴식이 제공되었다.

연구결과

시각 조건, 스탠스 너비 조건에 따른 정적 자세 조절의 변화를 분석한 결과는 다음과 같다(Table 4, Table 5, Fig. 2). 7명 모두 일관되게 ECN 조건에서 가장 높은 값을 보였다.

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Fig. 2

Mean (±SD) values of variables across four conditions (ECN, ECW, EON, EOW). * indicates significant main effect of vision (p <.05), ** indicates significant main effect of stance width (p <.05), † indicates significant interaction effect (p <.05), ‡ indicates significant pairwise difference confirmed by Bonferroni-corrected post-hoc test (p <.05).

논 의

본 연구는 시각 정보와 스탠스 너비가 대퇴 절단자의 정적 자세 조절에 미치는 영향을 선형 및 비선형 지표를 통하여 변화 추이를 확인하고자 하였다.

본 연구에서 시각 정보 차단 조건에서는 전후 및 좌우 방향 모두에서 이동거리와 속도가 유의하게 증가하였다. 이는 시각 정보의 부재에 따라 감각 통합 능력이 제한되며, 시각 정보가 제한될 때 감각 통합(sensory integration)에 기반한 보상 전략이 충분히 작동하지 못했을 가능성을 시사한다. 다만 표본 수가 적어 이 해석은 가능성 수준에서 제시한다. 시각 정보는 전정계 및 체성감각과 함께 자세 조절에 필수적인 감각이며, 하나가 결손될 경우 흔들림의 크기와 빈도가 증가하는 것은 여러 선행연구에서 보고된 바 있다(Horak, 2006; Peterka, 2002).

좁은 스탠스 상황에서는 좌우 방향의 이동거리, 속도, 흔들림 면적이 유의하게 증가하였다. 이는 좁은 기저면은 좌우 방향의 안정성 유지에 불리하며, 신체중심이 기저면 경계에 가까워질수록 자세 제어가 어려워지는 특성이 있다는 연구와 일치한다(Winter et al., 1998).

Mayer et al.(2011)은 편측 하퇴 절단자를 대상으로 신규 의족 착용자가 건측(intact limb)에 약 28% 더 많은 체중을 싣는 비대칭 부하 전략을 보이며, 이러한 부하 분포 비대칭이 좌우 방향 동요와 유의한 상관을 갖는다고 보고하였다. 저자들은 체중 부하 비대칭의 증가가 좌우 동요의 확대를 통해 자세 안정성 저하로 이어진다고 해석하였다. 또한 Hlavackova et al.(2011)은 대퇴 절단자를 대상으로 비절단측에 더 큰 체중이 실리며 해당 측 압력중심의 진폭과 속도가 절단측보다 크게 나타남을 보고하였다. 본 연구의 대상은 대퇴 절단자로 Mayer et al.(2011)과 절단 수준이 다르나, 좁은 스탠스에서 좌우 흔들림 면적이 증가한 결과는 이러한 건측 편중 부하 기전과 관련되었을 가능성이 있다. 다만 본 연구는 좌우 체중 분포를 직접 측정하지 않았으므로 이 해석은 추가 검증이 필요하다.

좌우방향의 선형지표에서 시각과 스탠스 너비 간 상호작용이 유의하게 나타났다. Peterka(2002)는 한 감각 정보가 제한될 때 다른 감각의 가중치가 증가하는 감각 재가중에 대한 가능성을 시사한다. 본 연구에서 관찰된 상호작용은 이러한 감각 재가중의 가능성과 부합하는 방향이다. 다만 흔들림 면적을 제외한 변인에서는 사후검정이 유의하지 않아, 시각의 효과가 스탠스에 따라 달라지는지 혹은 스탠스 효과가 시각에 따라 달라지는지는 본 자료로 특정할 수 없다. 따라서 대규모 표본을 통한 검증이 필요한 탐색적 결과로 제시한다.

전후 방향에서는 SampEn와 ApEn가 시각 정보 유무의 주효과에서 유의하였으며, 눈을 감은 조건이 눈을 뜬 조건보다 유의하게 크게 나타났다. 이러한 엔트로피 증가는 시계열 패턴의 예측 가능성 감소를 의미한다. 이는 대퇴 절단자가 불안정성에 대응하여 다양한 조절 전략을 시도하는 적응적 유연성의 발현일 수도 있으나, 절단측의 기계적 제약으로 인한 비적응적 불규칙성의 증가로 해석될 여지도 존재한다. Stergiou and Decker(2011)는 자세 조절 시스템의 복잡성·유연성과 보상 전략의 다양성이 비선형 지표로 정량화될 수 있으며, 흔들림의 시간 구조가 비선형적 특성을 보일 때 조절 전략의 예측 불가능성이 임상적 불안정성과 연결될 수 있음을 언급하였다.

시각 차단 시 전후 방향 엔트로피가 증가한 본 연구 결과는, 지지면 넓이와 시각 조건을 조합하여 자세 제어 동역학을 분석한 Raffalt et al.(2019)의 보고와 일치한다. 이 연구는 젊은 성인과 고령자를 대상으로 어깨너비·좁은 간격과 눈뜸·눈감음을 조합한 네 조건에서, 눈을 감은 조건에서 두 집단 모두 전후 방향의 SampEn가 증가하였음을 보고하였다. 다만 엔트로피 변화의 방향은 대상 집단과 과제 조건에 따라 달라질 수 있으므로, 본 결과의 해석에는 신중한 접근이 필요하다.

좌우 방향의 SampEn와 ApEn는 시각 정보와 스탠스 너비의 상호작용 효과가 유의하였으나, 사후검정 결과 조건 간 차이가 통계적으로 유의하지 않았다. 좌우 방향 비선형 변인의 평균과 표준편차를 비교하면 ECW 조건에서 상대적으로 큰 변동성이 관찰된다. 이는 시각이 차단된 상태에서 기저면이 넓어졌음에도 불구하고 개인 간 안정성 조절 전략이 서로 다르게 작동했을 가능성을 시사한다. Raffalt et al.(2019) 역시 좌우 방향의 엔트로피 증가가 두 집단 중 고령자에서만 관찰되었다고 보고하여, 좌우 방향의 비선형 반응이 집단 및 개인특성에 따라 다르게 나타날 수 있음을 보여준다. 다만 본 연구의 표본 수(n=7)에서는 상호작용이 유의하더라도 개별 조건 간 사후 비교의민감도가 제한될 수 있으므로, 이 결과는 효과의 부재라기보다 통계적 확증의 부족으로 해석하는 것이 타당하며, 향후 대규모 표본을 통한 검증이 필요하다.

흥미롭게도, 본 연구는 전후와 좌우방향에서 선형 및 비선형 지표가 상이한 패턴을 보임을 확인하였다. 전후 방향은 선형 지표와 비선형 지표 모두 시각 차단의 영향을 일관되게 보인 반면, 좌우 방향은 상호작용 효과가 관찰되었으나 흔들림 면적을 제외하면 사후검정에서 확증되지 않았다.

전후 방향의 자세 조절이 주로 발목 전략과 시각-전정 정보에 의존한다(Winter et al., 1998), Mayer et al.(2011)은 절단자의 전후방향 압력중심 이동이 절단측 발목 근육의 제한과 관련되며, 해당 움직임이 주로 고유수용감각에 의해 조절되나 절단된 다리에서는 이것이 소실되어 의족 측 발목이 강직되고 감각이 없는 분절로 기능한다고 서술하였다. 즉 대퇴 절단자는 전후 방향에서 발목 전략을 사용하기 어렵고, 이로 인해 남은 감각인 시각에 대한 의존도가 상대적으로 높아진다. 이러한 시각 의존의 증가가 시각 차단 시 전후 방향 COP 지표가 민감하게 반응한 결과로 이어진 것으로 해석할 수 있으며, 시각 정보 차단이 주로 전후 방향 동역학에 영향을 미친다고 보고한 Raffalt et al.(2019)의 결과와도 부합한다. 반면 좌우 방향에서는 시각 유무에 따른 일관된 차이가 뚜렷하지 않았다. Rougier and Bergeau(2009)는 절단자가 절단측 하지에서 적절한 힘 반응(force reaction)을 발휘하지 못하고 체중 부하 비대칭이 존재하여 건측을 통한 보상 기전을 발달시킨다고 보고하였다. 특히 대퇴 절단군은 경골 절단군보다 절단측에서 더 큰 COP 변위를 보였으며, 이러한 자세 전략에는 건측과 절단측 간 COP 크기 차이 및 의족–절단부 접촉 면적이 관여하는 것으로 나타났다. 이는 좌우 방향 자세 조절이 감각 재가중보다 절단측의 구조적·기계적 제약에 더 크게 규정될 수 있음을 시사한다. 즉 좌우 방향에서 시각 입력의 변화가 뚜렷한 조절 변화로 이어지지 못한 것은, 이 방향의 안정성이 시각적 피드백보다 건측 중심의 비대칭 부하라는 기계적 요인에 의해 우선적으로 결정되기 때문일 가능성이 있다.

또한 스탠스 너비 변화가 두 방향에 미치는 영향은 대칭적이지 않다. 넓은 스탠스는 좌우 기저면을 크게 확장하지만 전후 기저면은 상대적으로 덜 변화시킨다. Luo et al.(2025)은 건강 성인에서 스탠스 너비가 정적 균형에 미치는 영향이 시각 조건과 무관하게 좌우 방향에서 전후 방향보다 유의하게 컸다고 보고하였으며, Raffalt et al.(2019) 역시 양발 스탠스 너비의 변화가 전후ㆍ좌우 방향에 따라다르게 영향을 미친다고 결론지었다. 본 연구에서 스탠스 주효과 및 상호작용이 주로 좌우 방향 지표에서 관찰된 것은 이러한 기저면 형태 차이와 부합하는 결과로 볼 수 있다.

본 연구는 몇 가지 제한점을 가진다. 첫째, 대퇴 절단자라는 대상의 희소성으로 인해 표본 수가 제한적이었다(n=7). 따라서 rm ANOVA 의 정규성 가정을 엄격히 만족하기 어려울 수 있음을 고려하여, 결과 해석과 일반화에 주의를 기울였다. 집단 내 변화를 민감하게 관찰하기 위하여 반복측정 설계를 적용하였으며, 통계적 유의성과 함께 효과크기(예: partial η²)를 함께 제시하여 실질적 의미를 뒷받침하였다. 그럼에도 불구하고 반복측정 분산분석의 정규성 가정을 엄격히 만족하기 어려울 수 있으며, 개별 조건 간 사후비교의 통계적 검정력이 제한적이다. 따라서 본 연구 결과는 중장년 대퇴 절단자의 정적 자세 조절 특성을 파악하기 위한 제한적ㆍ탐색적 기초자료로 해석되어야 하며, 연령·절단 수준·근력 등 개인차를 고려한 대규모 후속 연구를 통한 확장이 필요하다. 둘째, 조건당 1회 측정으로 인해 시행 간 변동성 (intra-subject variability)을 완전히 통제하지 못하였다. 향후 연구에서는 각 조건에서 3회 이상 반복 측정을 통해 신뢰도를 높일 필요가 있다. 셋째, 본 연구는 전신 압력중심만을 측정하여 건측과 환측의 개별 부하 분포를 직접 확인하지 못하였다. 향후 이중 지면반력기를 이용한 좌우 부하 분포 측정이 병행된다면 본 연구에서 제시한 비대칭 부하 관련 해석을 직접 검증할 수 있을 것이다.

결론 및 제언

본 연구는 시각 정보 제공 여부와 스탠스 너비 변화가 대퇴 절단자의 정적 자세 조절에 미치는 영향을 선형 및 비선형 지표를 통해 분석하였다.

선형 지표에서는 시각 차단이 전후ㆍ좌우 방향의 이동거리와 속도를 유의하게 증가시켰고, 스탠스 너비는 좌우방향 지표와 흔들림 면적에 유의한 영향을 미쳤다. 흔들림 면적에서는 시각과 스탠스 너비의 상호작용이 유의하였으며, 사후검정 결과 눈을 감고 좁게 선 조건 (ECN)이 눈을 감고 넓게 선 조건(ECW)보다 유의하게 큰 것으로 확인되었다.

비선형 지표에서는 전후 방향의 SampEn과 ApEn이 시각 차단 조건에서 유의하게 증가하였다. 좌우방향에서는 시각과 스탠스 너비의 상호작용이 유의하였으나, 사후검정 조건 간 차이는 확인되지 않았다.

이러한 결과는 선형지표와 비선형 지표가 자세 조절의 서로 다른측면을 반영함을 보여준다. 따라서 대퇴 절단자의 자세 조절 능력을 평가하고 실효성 있는 훈련을 설계하기 위해서는 두 지표를 함께 고려하는 통합적 접근이 요구된다.