1. 서 론

사격이나 양궁과 같이 원거리의 과녁을 정적인 자세에서 맞추는 것이 중요한 스포츠에서 명중률을 높이기 위한 필수적인 요소는 자세 안정성(Postural Steadiness)이다. 인간의 무게중심(Center of Gravity, CoG)은 고정되어 있지 않고 지속적으로 움직이는 특성[1] 때문에 자세 안정성을 높이기 위한 노력과 훈련은 무엇보다 중요하다. 무게중심이 움직이면 총열이나 활이 흔들리고, 미세하게 총열이나 활이 흔들린다 하더라도 탄두나 화살이 원거리에 있는 표적에 도달할 때에는 명중 오차를 매우 크게 만든다[2]. 이러한 자세 안정성과 사격이나 양궁에서의 명중률과의 관계는 여러 연구에서 다루어졌지만, 대부분 전신 자세 안정성을 측정하기 위해 주로 지면 반발력기(Force-plate)가 이용되었다[2, 3, 4, 5]. 

지면 반발력기를 통해 측정된 전신의 무게중심의 변동연구는 전신의 흔들림 정도가 최종적으로 방아쇠를 당기는 손(Triggering Hand)에 어느 정도 영향을 미치지만, 손의 안정성이 명중률에 어떻게 영향을 주는지에 대한 관계를 직접적으로 밝히기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 운동 강도에 따라 전신 안정성보다 최종 임무 수행에 직접적으로 연관이 있는 손 안정성 측정에 초점을 맞추고, 이를 위해 Hand Steadiness Device가 이용된다. 

Hand Steadiness Device는 전도성이 좋은 금속판의 중앙에 원형으로 하나의 구멍(Hole)이 뚫려있고, 그 원 안으로 전류가 흐르는 탐침(Probe)을 왕복시키는 방식과<Figure 1>과 같이 다수의 지름이 다른 구멍에 탐침을 왕복시키는 방식이 있다. 전자는 탐침이 원형 지름 외부의 금속에 닿은 평균횟수나 탐침의 평균 왕복시간을 통해 손 안정성을 측정하며[6, 7], 후자는 지름이 넓은 원형 구멍부터 시작하여 최초로 탐침이 외부 금속에 닿는 구멍의 번호를 통해 손 안정성이 측정된다[8]. 최근에는 3D Motion Capturing 기법을 통해 손 전체의 움직임보다 손을 구성하는 세부 부위(손가락, 손목 관절 등)의 움직임정도 및 각도 등을 측정할 수 있게 되었다. 

신체 운동의 종류에는 운동간 사용되는 신체부위의 범위에 따라 전신 운동과 국소 운동이 있으며[9], 운동간 근육에 축척된 지방과 글리코겐(Glycogen)을 주에너지원으로 하여 이를 분해시 산소(O2)를 많이 소모하는 유산소 운동(Aerobic Exercise)과 산소를 거의 소모하지 않으면서 글리코겐(Glycogen)을 주로 분해하여 에너지를 발생시키는 무산소 운동(Anaerobic Exercise)이 있다. 통상운동은 무산소와 유산소 운동을 모두 포함하지만, 본 연구 목적상 구분된 개념으로 접근한다. 

평시 군부대에서 실사격 전에 사격전 예비훈련(Preliminary Rifle Instruction, PRI)이 반드시 시행된다. 사격전 예비훈련은 특별히 정해진 형식은 없지만, 해부대 지휘관에 의해 무산소 및 유산소 운동을 포함하여 시행되는 것이 일반적이다. 하지만 어느 정도의 무산소 및 유산소 훈련 강도가 명중률로 표현되는 사격 수행도에 적절한지는 심각하게 고려되지 않고 있다. 훈련 강도는 고려되지 않았지만 손 안정성은 실사격의 명중률에 유의하게 양의 상관관계를 지니고 있다는 것이 사격 연구에 의해 밝혀졌다[8]. 미 해군에서는 사격에 영향을 미치는 변수를 찾고 모델로 제시하기 위한 노력에서 13개의 변수를 도출하였고, 가장 중요하게 고려된 요소로써 소총 안정성(Rifle Steadiness)을 들고 있다[10]. 또한 이 안정성과 실제 명중률과의 상관관계는 0.61 이상이었다. 

군부대 사격뿐만 아니라 운동의 강도와 손 안정성에 대한 관계는 산․학 분야에서 이용될 수 있다. 예를 들어 응급구조 분야에서 환자의 도수 혹은 들것(Stretcher Carriage)을 통한 운반 후 혈관에 정확히 주사를 놓는 경우도 발생할 수 있으며[7], 본 작업 전 혹은 휴식간 작업자의 스트레칭 등 신체적 운동 후 정밀 납땜 작업 및 현미경을 통한 극소부품 조립, 의학 분야에서 미세한 바늘을 통한 시술과정도 [운동 강도-손 안정성-작업 수행도]로 이어지는 메커니즘과 밀접하게 관련된 분야이다. 

정신적 부하(Cognitive Loading)와 업무 수행도와의 관계에서는 정신적 부하가 없는 것보다는 어느 정도 있는 상태 하에서 작업 수행도가 높아지는 경향이 있으며, 이를 Yerkes-Dodson 법칙이라고 불려진다[11]. 이 법칙에 따르면 정신적 부하와 수행의 함수는 역전된 U자 형태를 나타낸다. 하지만 위 관계와 같이 운동 부하와 손 안정성과의 관계도 역전된 U자 형태를 나타나는가에 대한 연구는 아직까지 이루어지지 않았다. 

따라서 본 연구에서는 무산소 및 유산소 운동 강도가 얼마만큼 손 안정성에 영향을 미칠 것인가와 [정신 부하- 업무 수행도]와 같이 [신체 부하(Physical Loading)-손 안정성]도 역전된 U자 형태가 나타나는지 알아보는 것이 목적이다. 

2. 본 론

2.1 무산소(Anaerobic) 운동 강도와 손 안정성

피실험자는 여성 5명을 포함한 대학생 20명이 선정되었고, 이들의 평균 연령은 23세이다. 모두 실험 당일 몸상태가 양호하게 느끼고 있고, 최근 6개월 동안 허리부위를 포함한 모든 신체부위에서 근골격계질환(Musculoskeletal Disorders, MSDs) 발생이 없었으며, 모두 오른손을 주로 사용하였다. 

실험 장비는 손 안정성 측정을 위해 <Figure 1>과 같은 직경이 다른 9개의 Hole(큰 직경부터 1번, 가장 작은 직경은 9번)을 지닌 Hand Steadiness Tester(LAFAYETTE Instruments Co., US)가 이용되었다. Hole의 직경은 1번부터 9번까지 각각 13, 8, 6, 4.5, 4, 3.5, 3, 2.5, 2mm이며, 탐침의 길이는 24mm, 직경은 1.5mm이다. 

<Figure 1> Hand Steadiness Tester.

무산소 운동의 일환으로 피실험자에게 운동 강도를 부여하고 이를 측정하기 위해 <Figure 2>의 Back Muscle Strength Dynamometer(TAKEI Scientific Instruments Co., Japan)가 사용되었다. 이 Dynamometer는 등근육의 힘이 측정되지만, [발-허리-어깨-손]으로 이어지는 신체주요부위가 거의 사용되는 전신 운동을 유발한다. 

<Figure 2> Anaerobic Exercise with Back Muscle Strength Dynanometer.

독립변수는 성별(Male, Female)과 5 수준의 등근육의 힘발휘 정도(최대 근력의 100%, 75%, 50%, 25%, No task)이며, 여기서 No task는 Dynamometer를 통한 Task 부여가 없는 것을 의미한다. 종속변수는 근력 발휘 후 Steadiness Tester에서 오름차순(1번부터 시작)으로 탐침을 왕복시켰을 때 최초로 탐침이 Hole 둘레의 금속에 접촉이 되어 경고음이 들릴 때의 Hole 번호이다. 이 종속변수는 최초 접촉 번호가 클수록(Hole 직경이 작을수록) 손 안정성이 좋다고 평가한다. 

무산소 및 유산소 운동에서 학습효과(Learning Effect)가 손 안정성에 미치는 영향을 알아보기 위해 적정 수준의 Task 사이의 시간간격(휴식)이 필요하였다. 남․여 각각 5명을 대상으로 Pilot test를 통해, No task에서 5분 단위로 개인별 5회의 손 안정성 테스트가 실시되었다. Two-way repeated ANOVA 결과 성별(Gender)과 실행 순서(Order)는 모두 손 안정성에 유의한 영향을 미치지 않았다(p = 0.691 at Gender, p = 0.209 at Order). 따라서 운동 및 손 안정성 테스트의 학습효과를 방지하기 위해 주어질 5분의 시간 간격은 적절하다고 판단되었다. 

실험 전에 피실험자에 대한 정보가 수집되고, 간단히 전체적으로 장비 설명을 포함하여 실험 절차에 대해 설명이 이루어진다. 본 실험 전에 각 장비는 2회씩 실습해볼 수 있는 기회가 제공되며, 실습이 끝난 후 5분간의 휴식이 부여된다. 본 실험에서 No task 상태에서 손 안정성이 최초 측정되며, 최대 근력 측정을 위해 피실험자는 Dynamometer에서 최대의 힘(N)이 나올 수 있도록 하고 이 값이 실험 진행자에 의해 기록된다. 이후 5분의 휴식이 주어진 후, 각 피실험자마다 andom하게 최대 근력의 100%, 75%, 50%, 25%의 근력 발휘 후 손 안정성 측정이 이루어진다. 최대 근력의 각 %에 도달 한 후 손 안정성 검사가 실시된다. 근력 도달 및 안정성 검사 Task후 다음 Task 사이의 휴식시간은 5분으로 통제하여 누적된 근력 운동으로 인한 근육 피로가 이후 Task에 미치는 영향(학습효과)을 최소화하였다. 또한 손 안정성 검사시 동일한 자세에서 검사가 이루어지도록 <Figure 1>과 같이 왼손은 오른손의 손목을 감싸게 하고 검사기와 눈과의 거리는 대략 40cm를 유지하도록 하였으며, 탐침의 왕복 속도는 별도의 통제가 이루어지지 않았다. 

자료분석은 SPSS 21로 통계적 분석이 실시되었으며, 혼합분산분석(Mixed-design ANOVA)을 통해 독립변수가 종속변수에 미치는 영향이 유의한지 조사되었다[12]. 통계적 유의수준(α)은 모두 0.05로 설정되었다. <Table 1>에서 성별과 교호작용(성별․운동강도)은 각각 손 안정성에 통계적으로 유의하게 영향을 주고 있지 않지만(p > 0.05), 운동 강도는 유의한 영향을 주고 있다(p < 0.05). 

<Table 1> Mixed-Design ANOVA(Hand Steadiness according to Gender and Anaerobic Exercise Intensity).

<Table 2>는 운동 강도별 손 안정성 결과가 서로유의 한 차이가 있는지 분석하기 쌍체(Pairwise) t-test를 실행한 결과를 보여주고 있다. No task와 50% 수준에서의 차이만 유의하지 않게 나타나고 있으며(p > 0.05), 전체적으로 무산소 운동 강도가 높아지면 손 안정성이 나빠진다고 볼 수 있다. 하지만 최대 근력의 25% 수준에서는 근력발휘 운동이 없을 때의 손 안정성보다 오히려 더 좋은 손 안정성 결과를 보이고 있다. 인지적 부하와 수행도에서 역전된 U자 형태의 관계를 보여주듯이, 신체적 부하와 손 안정성의 관계도 역전된 U자 형태를 보이고 있으며, 약간의 신체적 무산소 운동이 손 안정성에는 더 좋은 결과를 나타낸다고 해석된다. 

<Table 2> Pairwise t-test.

2.2 유산소(Aerobic) 운동 강도와 손 안정성과의 관계

피실험자는 대학생 여성 10명, 남성 10명으로 총 20명이 선정되었으며, 평균 연령은 23.8세이며, 무산소 실험과 동일한 선정과정(Recruiting)을 거쳤다. 단, 최근의 근골격계질환 여부는 제외되고 대신 심장관련 질환 여부가 고려되었다. 

실험 장비는 동일게 Hand Steadiness Tester가 이용되었지만, 유산소 운동의 강도를 측정하기 위한 장비는 <Figure3>과 같이 심장 주위에 부착되어 심박수를 감지하는 Transmitter(T61-Coded)와 측정된 심박수를 피실험자나 실험 진행자에게 보여주는 손목시계 형태의 Receiver(Polar S610i)를 포함한 Heart Rate Monitoring Package(Polar Electro Inc., Finland)가 이용되었다. 

<Figure 3> Heart Rate Monitoring Package.

종속변수는 무산소 운동시와 동일하게 Task 후 실시하는 Hand Steadiness Tester에서 탐침이 최초로 외곽의 금속에 최초로 접촉되는 Hole 번호이다. 독립변수는 성별(Male, Female)과 4수준의 유산소 운동의 강도(No Task, Task 전 심박수의 115%, 130%, 145%)이다. 무산소 운동의 경우와는 다르게 최대 심박수를 바탕으로 정규화된(Normalized) 심박수의 백분율을 이용하지 않고, Task전 심박수를 기준으로 정규화된 심박수 백분율을 이용한 이유는 다음과 같다. 20대 성인의 경우 최대 심박수가 190bpm(beats per minute) 전․후이며[13], 실험간 최대 심박수에 도달하도록 Task를 부여하는 것은 피실험자의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있다는 점이 고려되었다. 

유산소 운동 전(No Task) 최초의 손 안정성과 평시 심박수가 측정되고, 피실험자는 심장부근의 왼쪽 가슴부근에 Transmitter를 부착하고, 실험진행자는 Receiver를 관찰한다. 실험진행자는 <Figure 4>와 같이 전신 운동의 하나인 팔 벌려 높이뛰기(Jumping Jack)를 피실험자에게 지시하고, 피실험자가 Task를 실시하는 동안 관찰된 심박수가 각% 도달시 Task를 멈추도록 한다. 

<Figure 4> Jumping Jack for Aerobic Exercise.

여기서 학습효과(Learning Effect)를 막기 위해서 각 도달 심박수 후 손 안정성 테스트 후 다음 수준의 심박운동 및 테스트까지의 휴식 시간을 5분 동안 부여하였고, 이후 다음 심박수 도달 운동 및 테스트가 진행되었다. 학습효과 방지를 위한 휴식의 5분은, Pilot test의 결과로 5분 이상의 휴식은 No task시의 평시 심박수로 복귀하는데 충분한 시간이었다. 

자료 분석은 무산소 운동의 경우와 마찬가지로 혼합 분산분석이 이용되어 독립변수의 종속변수에 대한 유의한 영향을 알아보았다. 통계적 유의수준(α)은 모두 0.05이다. <Table 3>에서 성별과 성별․유산소 운동 강도(Aerobic Exercise Intensity, AEI)의 교호작용은 통계적으로 유의하게 손 안정성에 영향을 미치지 않으나(p > 0.05), 운동 강도는 유의하게 영향을 미쳤다(p < 0.05). 

<Table 3> Mixed-dDesign ANOVA(Hand Steadiness According to Gender and Aerobic Exercise Intensity).

<Table 4>는 각 운동 강도별 손 안정성 결과가 쌍으로 비교되었을 때 유의한 차이가 있는지를 알아보기 위해 실시한 쌍체(Pairwise) t-test 결과를 보여주고 있다. No task와 130% 수준에서의 차이만 유의하지 않게 나타나고 있다(p > 0.05). 무산소 운동의 경우와 마찬가지로 운동 강도가 증가하면 손 안정성은 떨어지지만, 115% 수준에서는 운동을 실시하지 않았을 때보다 오히려 손 안정성이 높게 나타났다. 전체적으로 역전된 U자의 관계가 나타난다고 볼 수 있다. 

<Table 4> Pairwise t-test.

3. 결론 및 토의

무산소 및 유산소 운동 강도에 따른 손 안정성을 측정 하기 위해 본 연구가 진행되었다. 결과로 무산소 운동에서 최대 근력의 25% 수준의 운동은 손 안정성 향상에 도움을 주며, 유산소 운동 상황에서도 평소 심박수의 115% 수준의 운동은 안정성에 긍정적으로 기여한다. 하지만 그 수준을 넘어가는 운동은 하지 않았을 때보다 손 안정성을 떨어뜨린다. 또한, 다음과 같은 사항들이 토의될 수 있다. 

첫째, 실험결과에서 남․여간의 성별은 손 안정성에 유의한 차이를 보이지 않았다. 통상 여성보다 남성의 근육량이 많기 때문에 근력이 더 크게 나타나고 손 안정성이 좋다고 알려져 있다[8, 14]. 하지만 다른 연구에서는 여성이 남성보다 더 큰 손 안정성을 나타내는 경우도 있다[15]. 이는 손이 취급하는 물체의 무게가 다른 실험환경에서의 남․여간의 차이가 비교되었기 때문이다. 즉, 남성이 여성보다 손 안정성이 높은 것은 취급하는 소총과 같은 물체가 무거워서 큰 근력을 요구하는 경우이지만, 남․여간 모두에게 큰 근력을 요구하지 않는 물체 취급시에는 남․여간에 유의한 차이를 보이지 않는다. 만약 본 연구에 남․여에게 동일한 무게의 취급 후에 손 안정성이 측정된다면, 남성에게서 손 안정성이 크게 나타날 가능성이 크다. 본 연구에서는 남․여 각 개인별로 최대 근력이나 평소 심박수에서 변화된 정도의 Task가 주어진 후 손 안정성이 측정되었기 때문에, 성별에 따른 손 안정성에서 유의한 차이가 나지 않았다고 볼 수 있다. 

둘째, 운동강도가 증가함에 따라 손 안정성이 낮아지는 이유는 근육의 수축과 이완작용의 생리적인(Physiological)대사과정을 살펴봄으로써 해석이 가능하다. 손의 안정성이 유지되기 위해서는 물체를 쥔 손 부위의 근육들이 수축(Contraction)된 상태로 일정기간 유지되어야 한다. 근육이 운동에 필요한 에너지는 아데노신 삼인산(Adenosine Triphosphate, ATP)이며, 근육 수축과 같이 에너지가 요구되는 경우에 ATP는 하나의 인산 결합을 떼어 놓음으로써 아데노신 이인산(Adenosine Diphosphate, ADP)으로 전환되며, 이 과정에서 근육운동에 필요한 에너지가 발생한다[16]. 이러한 ATP를 공급하는 주요 원천은 산소를 필요로하는 산화성 인산화작용(Oxydative Phosphorylation)과 산소보다는 글리코겐을 이용하는 혐기성 당분해(Anaerobic Glycolism)가 있다[17]. 

무산소 운동의 경우 산소 없이 글리코겐을 젖산(Lactic Acid)으로 분해함으로써 에너지를 발생시키며, 생성된 젖산은 근육의 피로물질로 근육의 산성도를 증대시킨다. 피로한 근육은 필요한 근력을 만들어내지 못하므로 근육 수축에 문제가 생기고[7], 손 안정성을 포함한 신체 부위의 안정성을 떨어뜨린다. 또한 무산소 운동은 크레아틴인산(CrP)의 가수분해(Hydrolysis) 과정을 포함하는데, 이결과 크레아틴(Creatine, Cr)과 인(Phosphate)이 만들어진다. 크레아틴은 근육의 수축작용에 영향이 거의 없지만, 인은 근육의 수축작용을 억제시킨다. 손 안정성에 필요한 손 근육들의 수축이 모자라게 되므로 손 안정성이 떨어지는 결과를 보이게 된다[18]. 

유산소 운동의 경우 산화성 인산화작용은 근육에서 에너지를 사용하면서 부산물로 이산화탄소를 방출한다. 방출된 이산화탄소는 순환계에 쌓이며, 상대적으로 산화성 인산화작용에 필요한 산소의 양은 줄어들게 된다. 이러한 과정으로 인해 유산소 운동으로 인한 산화성 인산화작용의 저하는 근육에서 필요로 하는 ATP를 제대로 공급하지 못하므로 필요한 근육의 힘을 발휘할 수 없게된다. 또한 이러한 산화성 인산화작용은 근육에서 충분한 산소를 공급받지 못하면 에너지원으로 글리코겐을 사용하는 혐기성 당분해를 요구하게 되고, 이로 인해 젖산이 만들어질 수도 있다[17]. 

위의 기존 연구들과 본 실험의 결과를 바탕으로 운동 강도가 손 안정성에 미치는 영향을 생리학적(Physiological)으로 <Figure 5>과 같이 개념적 모델(Conceptual Model)로써 제시할 수 있다[19]. 

<Figure 5> Conceptual Model Explaining from Exercise to Hand Steadiness.

연구 결과는 일정량의 정신적 부하가 업무 수행도에 긍정적인 영향을 주는 것과 마찬가지로 일정수준의 신체적 부하는 손 안정성에 좋은 영향을 미친다는 것을 보여준다. 신체 운동 전에 준비운동(Warming up)이 부상을 방지하고 순발력과 같은 신체 수행도에 꼭 필요한 것과 같이 어느 정도의 준비운동은 손 안정성에 필요함을 알수 있다. 또한 작업 사이의 휴식간에도 일정량의 신체 운동은 작업의 능률을 높일 수 있다. 이러한 결과는 의료․ 스포츠․군 분야에서 손 안정성이 필요한 영역에서 충분히 이용될 수 있다. 하지만 다음과 같은 부분은 추후 더 많은 연구가 필요하다. 

첫째, 본 연구는 [운동 강도-손 안정성]과의 일반적인 관계를 밝힌 것이지만, 이런 결과는 각 영역별로 [운동 강도-손 안정성-수행도]의 관계까지 확대된 실제적인 연구가 필요하다. 수행도는 사격과 양궁에서는 명중률, 미세 부품 배치 등은 오류율이나 수행시간, 미세 바늘을 신체조직에 삽입할 때는 원하는 부위로부터의 거리 편차등이 될 수 있다. 

둘째, 운동 강도의 수준을 실험의 제약상 무산소 운동에서는 최대 근력을 기준으로 25% 단위로, 유산소 운동에서는 평시 심박수 기준으로 15% 단위로 선정되었다. 하지만 운동 강도를 좀 더 세분화하면 손 안정성에 최적의 운동 강도를 더 정확한 수준에서 도출 할 수 있다. 

마지막으로, 무산소 운동에서 Dynamometer, 유산소 운동에서 팔 벌려 높이뛰기를 통해 운동 강도를 조성하였다. 하지만 운동 강도를 조성하는 방식에 따라서도 손 안정성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 연구도 필요하다. 즉, 약간의 운동이 손 안정성에 도움이 된다면 정확하게 어떤 종류의 운동(Exercise Type)과 그 양이 안정성에 도움이 되는지 알아볼 필요가 있다. 

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