인체공학적 좌석이 척추와 골반 자세에 미치는 영향에 대한 생체역학적 비교연구: 원추형 진자 스툴과 반강성 유연 등받이 의자

1. 서 론

현대 사회의 사람들은 핸드폰 사용, 텔레비전 시청, 컴퓨터 작업, 게임, 운전 등을 하면서 많은 시간을 앉은 자세로 보낸다(Hamilton et al., 2008; Dunstan et al., 2011). 국내의 경우 2014년 국민건강 통계에 따르면 한국인은 하루 평균 7.5시간을 앉아서 지낸다. 특히 19~29세 연령대에서 하루 8.7시간으로 가장 길었으며 30대 7.6시간, 40대 7.3시간, 50대 7.1시간순이다(KDCPA, 2014).

장시간 동안 한 자세만을 유지하는 경우 척추 및 골반에 미치는 부정적인 영향을 피할 수 없다(Baker et al., 2018). 운전 시에도 장시간 앉아 있게 되면 엉덩이가 닿는 좌면의 압력은 시간이 지남에 따라 증가하고 불편함 및 피로감이 증가하게 된다(Kim et al., 2013). 최근에는 장기간의 정적 자세의 부작용을 줄이는데 효과적인 앉고 서서 일하는 워크스테이션 및 동적 좌식 전력에 관한 연구도 많이 진행되고 있다(Kim et al., 2020). 이런 경우 대부분 정적인 자세는 국소적인 근골격계 불편감(통증, 근육경련, 무감각), 정신적인 피로감, 장기간에 걸친 만성 근골격계 문제들을 유발할 수 있다(Varela et al., 2019). 시트에서 고정된 자세에서 장시간 앉아있는 것은 몸에 영양분 공급을 억제함으로 인하여 부정적인 영향을 주게 된다(Varela et al., 2019). 이는 시트에 고정된 자세로 앉게 되면 허벅지 및 종아리 근육에 경직이 오게 되며 근육 사이로 지나가는 혈관을 압박해서 혈액순환이 원활하지 못하고 근육에 허혈성 변화 및 염증반응을 일으키게 되어 통증 혹은 불편감을 발생시킬 수 있기 때문이다. 주로 앉아 있는 동작은 지난 10년간 수많은 만성 질환 및 모든 질병 사망율의 잠재적인 위험인자로 알려져 있다. 장시간 앉는 것은 신체활동 정도와 관계없이 미래의 제 2형 당뇨의 위험성 및 심혈관계 질환, 일부 암, 그리고 모든 질병 사망율의 위험성을 증가시키는 것과 연관성이 있다(Wenfei et al., 2018). 갇혀있거나 고정된 자세로 장시간 앉아 있는 것은 사람의 몸에 정적인 부하를 주게 되며 이는 일반적으로 근골격계 불편함과 통증을 유발시키는 위험요소이다(Wenhua et al., 2017).

현재까지 시판되는 대부분의 의자들은 좌판이 수평인 경우가 많다. 이런 경우 사용자가 장시간 좌판에 앉았을 때 엉덩이가 눌리면서 궁둥뼈(Ischium)와 의자 사이의 근육 및 연부조직이 눌리게 된다. 이는 근육의 허혈성 변화를 일으키고 근육의 피로도 증가 및 상체가 전방으로 기울게 하면서 허리 아래 근육들의 근육긴장도가 증가시킨다. 이러한 상황이 반복되면서 통증으로 진행된다(Zemp et al., 2019). 또한 장시간 시트에 앉을 때 영향을 가장 많이 받는 부위가 골반 및 엉치 부위이며 궁둥뼈가 가장 큰 하중을 받게 된다. 시트에 착좌시 인체 무게의 70%이상은 시트 쿠션이 지지하게 되고 특히 좌골 결절(Ischial Tuberosity)에서 상당한 체압이 발생하게 된다(Kim et al., 2016). 이는 혈액 순환을 방해기에 충분한 압력으로 결과적으로 통증과 마비를 유발하게 되면 안락감을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 움직임이 없는 상태에서 특정 자세를 지속적으로 취할 때는 등척성 수축(Isometric Contraction)이 일어나게 되는데 이는 적은 에너지 소모에도 불구하고 국소적인 근육의 피로감을 유발시킨다(Rose et al., 2014; Kahn and Monod, 1989).

특히 학생들 혹은 직장인들의 경우 한번 앉게 되면 공부 혹은 PC 업무 등에 따라서 한 시간 이상 한 자세를 유지하는 경우가 많은데 움직임이 없이 고개를 숙이고 장시간 있게 되면 상체를 지지하기 위해서 허리 및 골반 주변의 근육 긴장도가 상승하게 되고 이는 근육의 피로도를 유발해서 요통을 일으키고 집중력 저하를 가져온다(Koskelo et al., 2007). 또한 일반적인 사무용 의자의 등받이는 각 제조사들의 설계기준에 따라 개별적으로 제작이 되고 있어서 다양한 사용자의 신체 특성을 제대로 반영하지 못할 수가 있다(Groenesteijn et al., 2012; O'Sullivan et al., 2012; Kim et al., 2021).

일반적인 등받이가 있는 의자에 앉을 때 각 의자마다 다른 등받이 디자인에 따라서 생기는 불편함을 해결하기 위해서 사용자들은 여러 가지 노력들을 하고 있다. 특히 허리 쿠션, 등받이 보조 받침대 같은 제품을 통해서 요추전만을 유지시키고자 한다(Kim et al., 2021). 하지만 이러한 노력에도 불구하고 장시간 앉아 있는 경우에 허리에 가해지는 부하 및 스트레스 누적으로 인한 불편함을 해결하기엔 부족하다. 요추 부위에 원격으로 측정 가능한 디바이스가 장착된 인공디스크로 교체 수술한 환자를 대상으로 한 테스트 결과 임플란트에 가해지는 힘은 몸통의 15° 굴곡에서 평균 48% 증가하고 10° 신전에서 19% 감소했다. 등받이 조절이 가능한 의자에 앉았을 때 등받이 경사각이 증가함에 따라 하중이 감소했다. 시트 높이는 대부분의 경우 임플란트 하중에 미미한 영향을 미쳤다. 등받이 조절이 가능한 의자에 앉을 때와 비교하여 벤치(7%) 또는 쐐기형 패드가 있는 스툴(9%), 무릎 스툴(19%), 의자(35%), 사무용 의자(41%). 물리 치료 공 위에 앉아 있으면 부하가 7% 증가했다. 허벅지에 손을 대면 팔을 옆으로 걸 때와 비교하여 평균적으로 임플란트 부하가 19% 감소했다(Rohlmann et al., 2011). 또한 앉는 자세에 있어서 요천추부의 유연성에는 슬괵근(Hamstring muscle)의 유연함보다 비구대퇴관절의 움직임 제한이 영향을 준다고 한다(Frey et al., 2019). 이 영향은 일반적으로 의자에 앉을 때 양반다리를 하거나 다리를 꼬는 경우 혹은 상체를 과하게 세우거나 숙일 때 발생한다. 특히 사무용 의자의 경우 이러한 움직임의 제한을 피하기가 힘들며 이에 좌판의 움직임이 허용된 크래들 형태로 움직이는 의자 혹은 다방향으로 움직임이 가능한 시트는 비구대퇴관절의 움직임이 일반 사무용 의자보다 자유롭다.

의자에 앉았을 때 디스크 부위에 받는 하중을 줄이기 위해 등받이 조절이 가능한 의자에서 등받이 경사각을 증가시킨 상태로 학업 혹은 업무를 본다면 이상적일 수 있지만 현실적으로 불가능하다. 하지만 사무용 의자에 앉을 때보다 스툴에 앉을 때 허리 디스크에 가해지는 하중이 상대적으로 적었고 공부 혹은 업무를 할 때 실질적으로 등받이에 상체를 기대는 경우가 드문 점을 고려할 때 좌판의 형태 혹은 움직임이 앉는 자세에 주는 영향에 대한 연구가 추가로 필요할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구는 앉은 상태에서 움직임이 가능하여 요천추부 근육의 긴장도를 느슨하게 해 줄 수 있는 스툴 형태의 의자들의 좌판 움직임 증가에 따른 척추 및 골반에 미치는 영향의 차이를 비교하려고 하였다. 이를 위해서 반강성 재질의 유연성 등받이 의자와 원추형으로 진자운동을 허용하는 스툴의자를 대상으로 엉덩이 움직임의 증가에 따른 엉덩이 압력의 변화 및 엑스레이상의 변화를 분석 및 차이를 평가하였다.

2. 연구 방법

2.2 실험기기 및 도구

평가에 사용될 의자는 좌판의 움직임 범위에 따라 두 가지 종류의 인체공학적 좌판 의자를 사용하여 연구를 진행하였다. 반강성 재질의 유연성 등받이 의자(Semi-rigid flexible backrest chair, SFBC) 좌판인 커블(Curble^Ⓡ)과 원추형으로 진자운동을 허용하는 스툴의자 (Conical pedulum stool, CPS)인 체어마이스터 사의 튤립(Tulip^Ⓡ)을 사용하였다(<Figure 1>). 본 연구에 사용된 두 종류의 인체공학적 좌판 및 의자의 특성은 다음과 같다. 1) 반강성 유연 등받이 의자 (SFBC, Curble^Ⓡ)는 앉은 자세에서의 골반-척추의 굴곡을 인체공학적으로 설계한 일체형 등받이 좌판이며, 기존 의자 위에 올려서 사용이 가능한 형태이다. 디자인은 엉덩이를 움직일 수 있는 대신 엉덩이 부분 및 골반 부분이 일체형 반강성 재질로 고정적(static)이어서 골반-척추를 지지해주면서도 앉은 자세에서 신체의 배굴-신전 저항과 움직임을 허용하는 유연성 있는 등받이 형태이다. 2) 원추형 진자 스툴 (CPS, Tulip^Ⓡ)은 엉덩이 닿는 앉는 좌판 부위가 원추형 하단부의 중심축으로부터 8도 범위에서 모든 방향으로 진자운동의 움직임을 허용하는 팔걸이와 등받이가 없는 의자형태이다.

Figure 1.

Two Ergonomic Chairs; (a) Semirigid flexible backrest chair (SFBC, CurbleⓇ) (b) Conical pendulum stool (CPS, TulipⓇ), Astrix(*) : simple X-ray machine (c) Radiographic parameters measuring body axis balance. AB: shoulder height diffference, CD: pelvic height difference, EF; gravity line/hip axis distance, GH; Anterior superior iliac spine difference, LM; Transverse diameter of pelvic inlet

위의 두 종류의 인체공학적 의자 좌판 사용에 따른 골반-척추 굴곡의 생체역학적 반응을 평가하기 위해서 영상학적 검사와 좌판-엉덩이 사이의 접촉면 압력 변화를 분석하였다. 단순 방사선영상 촬영을 통해서 좌우 골반높이 차이(Pelvic height difference), 어깨 높이 차이(Shoulder height difference) 및 관상면 척추축의 이격도를 측정하였다. 좌판 접촉면 엉덩이의 압력 변화 측정을 위하여 (주)폴리웍스사의 KRISS 면압센서 제품을 사용하였다. 접촉면 압력의 측정범위는 압력의 세기에 따라서 각 셀별로 0 ~100까지의 스케일(단위, Ω)로 표기가 되었으며 평균값으로 비교하였다.

3. 결과

3.1 인구통계학적 특징

참가자의 남여비율은 14 : 3으로 남자가 많았고, 평균 나이는 35.0±8.9세였다. 평균 신장은 173.3±6.4cm였으며 체중은 평균 75.9±12.1kg이었다. 이는 동일연령대의 한국인 인체치수 수치인 평균 신장과 체중인 172.5±5.31cm와 75.1±10.61kg와 비슷한 수치에 해당되었다 (제7차 한국인 인체치수조사 참조). 대상자들이 의자에 앉아서 지내는 시간은 하루 평균 6.8±3.2시간이었다. 또한 이들의 양측 전상장골극(ASIS, anterior superior iliac spine)간 거리는 316.6±19.64mm였으며 골반입구(pelvic inlet)의 가로 폭은 140.8±10.74mm였다(<Table 1> 참조).

Table 1.

Demographic Characteristics

3.2 착석상태의 엉덩이 접촉압력 차이 비교 분석

착석 상태에서의 양측 엉덩이 접촉압력의 좌우차이는 반강성 유연 등받이 의자에 처음 앉았을 때 59.13±39.62Ω에 비해서 1시간 이후 압력차이는 49.37±29.22Ω로 다소 감소하였으나 통계적으로 유의하지 않았다(p=0.362). 원추형 진자 스툴 의자에서도 처음 착석시와 1시간 이후의 양측 엉덩이 좌우 압력차이는 각각 51.13±32.77Ω와 38.57±25.61Ω로 압력 차이가 감소하였으나 이 변화 차이도 통계적으로 유의하지 않았다(p=0.322). 반강성 유연 등받이 의자에서의 처음과 1시간 착석시의 압력변화 차이값 36.68±35.45Ω와 원추형 진자 스툴 의자에서의 압력변화 차이값 37.30±20.41Ω으로 두 군간의 통계적인 유의성은 관찰되지 않았다(p=0.991) <Table 2>, <Figure 2> 참조).

Table 2.

Comparison of Contact Pressure Sensing Data between Two Ergonomic Chairs

Figure 2.

Comparison of contact pressure differences on both buttocks at initial and 1 hour sitting (A) in Semirigid flexible backrest chair (SFBC) and (B) in Conical pendulum stool (CPS) and (C) contact pressure changes in two type of ergonomic chairs between initial and 1 hour sitting

3.3 골반 높이 차이

반강성 유연 등받이 의자에 처음 앉았을 때 골반 높이의 좌우 차이는 3.41±3.58mm로 원추형 진자 스툴 의자에 앉았을 때(4.12±3.92mm)와 비교해서 통계적으로 차이는 관찰되지 않았다(p= 0.354). 착석에 따른 평균 골반높이 차이는 3.41±3.58mm에서 4.29±4.04mm로 약 0.88±2.94mm가 증가한 변화가 나타났으나 이 차이는 통계적으로 유의하지 않았다(p=0.236). 그러나, 원추형 진자 스툴에 1시간 착석한 경우, 반강성 유연 등받이 의자에 앉았을 때와 비교해서 양측 골반높이의 좌우차이가 2.0 ±3.42mm 감소하는 변화가 측정되었으며 이 변화는 통계적으로도 유의하였다(p = 0.028, <Table 3>, <Figure 3> 참조).

Table 3.

Compression of Pelvic Height Differences (mm) Sitting in Two Ergonomic Chairs.

Figure 3.

Comparison of Pelvic Height Differences on Both Side At Initial and 1 Hour Sitting (A) in Semirigid flexible backrest chair (SFBC) and (B) in Conical pendulum stool (CPS) and (C) the changes in two type of ergonomic chairs between initial and 1 hour sitting

3.4 관상면 신체 축 불균형: 척추축의 이격도(GL/HA Distance)

관상면 척추축의 이격도의 단순방사선영상에서의 측정값은 반강성 유연 등받이 의자에 착석한 직후의 평균 이격도는 8.01 + 10.01mm로 한 시간 착석후 측정한 값과 비교할 때 관상면 척추축 이격 차이 거리는 11.4 + 11.17mm(평균)로 증가되었으나 통계적으로 p=0.21로 유의하지 않았다. 또한 원추형 진자 스툴 의자에서도 관상면에서의 척추축 이격도 차이는 첫 착석시 평균 측정값 10.48 + 13.06mm에 비해서는 1시간 착석 유지 후의 평균 측정값이 8.68 + 8.33mm으로 감소하였으나 이 차이는 통계적인 유의성은 관찰되지 않았다(p=0.3632).

관상면 척추축의 이격도의 변화에 있어서도 반강성 유연 등받이 의자를 사용하였을 때의 변화 값 9.19 + 6.01mm였으며 원추형 진자 스툴 의자에 앉았을 때의 변화는 5.56 + 5.75로 관상면의 척추축 이격도 차이 변이가 감소하는 경향을 보였으나 두 의자 사용에 따른 변화의 차이는 p=0.11로 통계적으로 유의하지 않았다(<Table 4>, <Figure 4>).

Table 4.

Compression of GL/HA Distance(mm) Sitting in Two Ergonomic Chairs

Figure 4.

Comparison of GL/HA Distance at Initial and 1 Hour Sitting (A) in Semirigid flexible backrest chair (SFBC) and (B) in Conical pendulum stool (CPS) and (C) the changes of GL/HA distance in two type of ergonomic chairs between initial and 1 hour sitting

3.5 어깨 높이 차이

양측 어깨높이 차이에 있어서는 반강성 유연 등받이 의자에 앉았을 때 첫 착석과 한 시간 경과 후의 양측 어깨 높이 차이가 8.72±7.03mm에서 6.38±5.2mm 로 감소되는 경향이 측정되었으나 통계적으로는 유의하지 않았다(p= 0.085). 그러나. 원추형 진자 스툴 의자에서는 첫 착석시 8.27±6.28mm에서 1시간 이후에는 5.37±6.06mm로 2.9±5.30mm로 높이 차이가 감소하였고 이는 p=0.038로 통계적으로도 유의하였다(<Table 5>, <Figure 5> 참조).

Table 5.

Compression of Shoulder Height Difference(mm) Sitting in Two Ergonomic Chairs

Figure 5.

Comparison of Shoulder Height Difference at Initial and 1 Hour Sitting (A) in Semirigid flexible backrest chair (SFBC) and (B) in Conical pendulum stool (CPS) and (C) the changes of shoulder height differences in two type of ergonomic chairs between initial and 1 hour sitting

4. 논의

현대인들은 대부분 장시간 앉은 자세에서 일상생활을 영유하고 있으며, 이에 따라서 유발되는 불편함은 가장 흔하게는 좌석의 거시적 재배치 움직임을 통해 자연스럽게 보상하려고 한다. 이는 크게 두 가지의 자세 변화를 통해서 일어나는데 한 가지는 매우 작고 빠른 움직임이며 다른 한 가지는 큰 동작이다. 하지만 이러한 보상적인 움직임으로도 장시간 앉아 있음으로 발생하게 되는 허리의 불편함 혹은 요통을 피할 수는 없다(Maradei et al., 2017). 근피로도는 근활성도와 반비례의 상관관계에 있다고 보고되고 있으며, 정상 보행군에 비해서 편평족 보행 시에 하지근육에 대한 근활성도가 높아지면서 근피로가 더 증가한다는 연구 보고가 있다(Kim, 2015). 허리 통증이 있는 환자를 대상으로 한 연구에서 앉은 상태에서 허리의 하중이 증가할수록 근피로가 증가된다고 보고되고 있다(Roy et al., 1989).

그러므로, 일반적으로 의자에 앉을 때 허리를 좌판에 대해서 수직으로 세워서 앉는 것을 권장하는데, 이는 허리 골반을 세워 앉을 경우에 서 있는 자세에서 기립 안정화에 관여하는 근육인 다열근(Multifidus) 천층 섬유와 내복사근(Internal Oblique Abdominis )이 동시에 수축하는 효과에 따른 것으로 알려져 있다(O’Sullivan et al., 2006). 또한, 골반 자세가 전방 경사를 이루게 되면 척추에서는 요추와 흉추 굴곡이 감소되는 자세로 보상이 이루어진다. 따라서, 요추와 흉추의 만곡에 변화가 생기면 머리와 목의 자세 변화에 영향을 주게 되고 중립적인 자세를 유지할 수 있게 된다. 척추는 관절 사슬로 구성되어 있어서 척추의 한 부분에서의 변화가 다른 인접 부위 척추에서의 보상작용을 유발하게 되어 전체 척추축의 정렬에 영향을 미치게 된다. 앉은 자세에도 이와 동일한 척추자세의 생체역학적(Biomechanics)인 서로 상호 작용이 발생하게 된다(Brügger, 2000). 의자 좌판면에서 전방 경사가 클수록 허리의 전만 골곡이 증가하게 되는데(Bendix, 1984), 좌판면의 경사각이 전방 15도일 때 요추의 전만굴곡을 정상적으로 유지할 수 있게 된다고 한다. 이 때 고관절과 무릎은 자동으로 굽혀지게 되므로 혈액순환 저해의 문제도 해소될 수 있다고 보고되고 있다. 신체의 효율적인 기능을 고려하여 앉아있을 때 의자 좌판면의 경사는 후방 10도 경사보다는 전방 10도 경사가 효과적이며, 전방 10도 경사에서 체간 전방 굴곡에 따른 보상적 요추 굴곡(Compensatory Lumbar Flexion)이 적게 일어나며 허리에서의 과도한 움직임 발생이 줄어들 수 있다고 보고되고 있다(Kim et al., 2014).

5. 결론 및 제언

본 연구에서는 반강성 유연 등받이 의자와 원추형 진자 스툴 의자를 대상으로 착석자세에서 엉덩이의 움직임을 허용하는 정도에 따른 엉덩이 접촉 압력의 변화와 영상의학적인 골반-척추 매개변수 값들의 변화와 차이를 비교 분석하였다. 결과적으로 원추형 진자 스툴 의자에서 역동적인 착석 자세 평형유지를 위하여 요추 및 골반 근육의 적응과 움직임을 통해서 심부 척추 기립근의 균형있는 활성화와 정적 자세에서 발생하는 근육의 긴장도를 개선하는 효과를 나타내는 경향을 보였다. 이에 따라서 반강성 유연 등받이 의자 사용에 따른 정적 착석자세와 비교하여 1시간 착석시 골반 높이 및 어깨높이의 좌우 불균형 차이를 통계적으로 유의하게 개선하여 감소시키는 효과가 나타났다. 또한 의자 좌판 부위에서의 역동적인 골반 움직임을 허용할수록 좌우 엉덩이의 접촉 압력 차이가 감소되어 장시간 앉았을 때의 근육긴장도 증가와 불편감을 개선하여 신체 밸런스를 유지시키는 데 도움을 주는 것으로 확인되었다.

비록, 본 연구가 인체공학적으로 상품화된 반강성의 유연 등받이 고정형 의자 좌판과 등받이가 없는 진자 스툴에서의 착석자세가 시상면에서의 신체 균형에 미치는 영향에 국한되어 수행된 제한점이 있다. 향후 개발되는 인체공학적 의자 고안에 있어서 장시간 착석시 근육 긴장도를 최소화하면서 신체 골반-척추축 불균형의 유발을 해소할 수 있는 제품 개발에 활용될 수 있기를 기대된다. 본 연구결과를 기반으로 자동차, 철도, 비행기등과 같은 다양한 운송수단에서 사용되는 시트에도 인체공학적 고안에 유용한 기초 자료로 활용되기를 기대한다.

Acknowledgments

이 논문은 2020년도 교육부의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호: NRF-2020R111A3073930).

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