[논문 리뷰] From Stoop to Squat: A comprehensive analysis of lumbar loading among different lifting styles

Michael von Arx, Melanie Liechti외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

Musculoskeletal pain and rehabilitation참고 문헌 43인용 수 67

한 줄 요약

이 연구는 30명의 건강한 개인에서 자유형, 스퀴트, 숙인 자세로 들어 올리는 동작 동안 체형에 맞는 운동 캡처 기반의 근골격 모델링을 사용하여 요추 척추 부하를 비교한다. 스퀴트나 자유형 들어 올리기보다 숙인 자세로 들어 올릴 경우 요추 부하의 圧축력과 총 부하가 유의하게 낮아졌으며(−0.3에서 −1.0 BW), 그러나 상부 요추 부위에서는 전후 방향 분력이 더 높았다. 들어 올리는 속도와 요추 굴곡 각도의 변동 범위 역시 부하 패턴에 유의미한 영향을 미쳤다.

ABSTRACT

Lifting up objects from the floor has been identified as a risk factor for low back pain, whereby a flexed spine during lifting is often associated with producing higher loads in the lumbar spine. Even though recent biomechanical studies challenge these assumptions, conclusive evidence is still lacking. This study therefore aimed at comparing lumbar loads among different lifting styles using a comprehensive state-of-the-art motion capture-driven musculoskeletal modeling approach. Thirty healthy pain-free individuals were enrolled in this study and asked to repetitively lift a 15 kg-box by applying 1) a freestyle, 2) a squat and 3) a stoop lifting technique. Whole-body kinematics were recorded using an optical motion capture system and used to drive a full-body musculoskeletal model including a detailed thoracolumbar spine. Compressive, shear and total loads were calculated based on a static optimization approach and expressed as factor body weight (BW). In addition, lumbar lordosis angles and total lifting time were calculated. All parameters were compared among the lifting styles using a repeated measures design. For all lumbar segments, stoop lifting showed significantly lower compressive and total loads (-0.3 to -1.0BW) when compared to freestyle and squat lifting. Stoop lifting produced higher shear loads (+0.1 to +0.8BW) in the segments T12/L1 to L4/L5, but lower loads in L5/S1 (-0.2 to -0.4BW). Peak compressive and total loads during squat lifting occurred approximately 30% earlier in the lifting cycle compared to stoop lifting. Stoop lifting showed larger lumbar lordosis range of motion (35.9+/-10.1{\deg}) than freestyle (24.2+/-7.3{\deg}) and squat (25.1+/-8.2{\deg}) lifting. Lifting time differed significantly with freestyle being executed the fastest (4.6+/-0.7s), followed by squat (4.9+/-0.7s) and stoop (5.9+/-1.1s).

연구 동기 및 목표

• 건강한 개인에서 다양한 들어 올리는 자세(자유형, 스퀴트, 숙인 자세)가 요추 척추 부하에 유의미한 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 들어 올리는 속도와 요추 굴곡 각도의 변동 범위가 물체를 들어 올릴 때 척추 부하에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 연속적이고 시간에 따라 변화하는 데이터를 사용하여 스퀴트 자세가 가장 안전한 기술로 권장되는 기존의 권고를 정량적으로 비교함으로써 도전하기 위해.
• 굽은 척추 자세가 부상 위험을 증가시킨다는 일반적인 믿음이 제어된 조건 하에서 생체역학적 증거로 뒷받침되는지 평가하기 위해.
• 특히 단일 반복, 중간 무게 작업에 대해 현재의 들어 올리는 지침을 재평가하기 위한 근거가 되는 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전신 운동 기록을 위해 16대의 광학 운동 캡처 시스템을 사용하여 반복적인 들어 올리기 작업 중의 전신 운동학을 기록하였다.
• 피험자의 신체 특성에 맞는 근골격 모델링을 수행하였으며, 피부 마커 데이터에서 유도된 외부 등형을 기반으로 완전히 연결된 흉요추부를 구현하였다.
• 압축력, 전후 방향 분력, 총 척추 부하의 연속적인 시간 시리즈 데이터를 계산하기 위해 정적 최적화를 적용하였다.
• 모든 부하를 신체 무게(BW)의 배수로 표현하여 참가자 간의 표준화 및 비교를 가능하게 하였다.
• 시간에 따라 연속적인 부하 데이터를 분석하기 위해 통계적 매개체 맵핑(SPM)을 사용하여 각 들어 올리는 자세 간에 통계적으로 유의미한 차이를 식별하였다.
• 요추 굴곡 각도와 총 들어 올리는 시간을 측정하여 부하 패턴을 해석하고 운동 전략의 차이를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 반복 동안 자유형, 스퀴트, 숙인 자세로 들어 올릴 때 압축력, 분력, 총 척추 부하가 어떻게 다를까?
• RQ2 각 들어 올리는 자세에서 피크 부하가 들어 올리는 사이클의 어느 시점에 발생하며, 이는 부하 크기와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 들어 올리는 속도(시간)가 요추 척추 부하의 크기와 시간 패턴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 들어 올리는 자세 간에 요추 굴곡 각도의 변동 범위는 어느 정도로 다양하며, 이는 부하 분포와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 부하 패턴에 부위별 차이가 있는가(예: T12/L1 대비 L5/S1), 만약 그렇다면 그 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 숙인 자세로 들어 올릴 경우, 모든 요추 부위에서 자유형 및 스퀴트 자세보다 유의미하게 낮은 압축력(−0.3에서 −1.0 BW)과 총 부하(−0.3에서 −1.0 BW)가 관찰되었다.
• 숙인 자세로 들어 올릴 경우 상부 요추 부위(T12/L1에서 L4/L5까지)에서는 전후 방향 분력이 더 높아져(+0.1에서 +0.8 BW)었지만, L5/S1 부위에서는 스퀴트 자세보다 분력이 낮아져(−0.2에서 −0.4 BW)졌다.
• 압축력과 총 부하의 피크가 스퀴트 자세에서 숙인 자세보다 약 30% 빨리 발생하여, 고부하 상태의 시작이 더 이르게 나타났다.
• 들어 올리는 시간은 유의미하게 다를 수 있었다: 자유형(4.6±0.7초)이 가장 빠르고, 스퀴트(4.9±0.7초)가 그 다음이며, 숙인 자세(5.9±1.1초)가 가장 느렸다. 이는 속도가 부하 크기에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.
• 요추 굴곡 각도의 변동 범위는 숙인 자세에서 가장 컸다(35.9±10.1°), 그 다음 자유형(24.2±7.3°), 스퀴트(25.1±8.2°) 순이었으며, 이는 지시에 따라 중립 자세를 유지하라고 했음에도 불구하고 숙인 자세에서 더 큰 굴곡이 발생했음을 나타낸다.
• 척추 부하는 항상 척추의 caudal 방향으로 증가했으며, 자세 간의 차이가 가장 뚜렷하게 나타난 것은 상부 요추 부위였다.