일상적인 현대 사회에서 개인의 이동성과 자립 능력은 삶의 질을 결정짓는 핵심 요소로 여겨지며 일상생활에서 자주 접하는 보행 및 계단 오르기는 이동성과 관련된 주요 과제로 특히 하지 근육의 협응과 조절 능력이 필수적으로 요구되는 활동 건강한 삶을 지향하는 목표를 두고 있다(Lee & Baek, 2000). 이러한 활동은 특히 지적 장애(Individuals with Intel- lectual Disabilities, ID)를 가진 개인들에게 도전적인 과제가 될 수 있다. 지적 장애는 전 세계 인구의 약 2%에 해당하며 이는 해당 집단이 운동 기능과 신체 균형 조절에 어려움을 겪고 있음을 보고하였다(Maulik, Mascarenhas, Mathers, Dua & Saxena, 2011). 또한 이들은 운동 능력 중 손과 발과 같은 말단 부위의 협응 부족과 운동 발달의 어려움을 보고하였다(Kim, 2001). 이러한 어려움은 단순히 신체 활동 수행의 문제를 넘어 삶의 질 저하로 이어질 수 있으며, 운동 제어 능력 부족으로 인해 일상생활에서 자립성이 제한되는 결과를 초래할 수 있다(Choi & Song, 2016). 계단 오르기 과제는 평지 걷기에 비해 더 높은 수준의 신체 기능이 요구되며, 수평 이동과 수직 상승을 동시에 수행해야 하기 때문에 하지 근력과 균형 조절 능력이 특히 중요한 역할을 한다(Wi, 2011). 운동학적으로 계단 오르기에는 하지 근육의 협응된 활동이 필수적이며, 대퇴직근(rectus femoris), 외측광대근(vastus lateralis), 가자미근(soleus), 내측 비복근(medial gastrocnemius) 등의 주요 근육들이 동심원 및 편심 수축을 통해 안정성과 추진력을 각각 제공한다는 점이 강조된다(Kim, Kim & Seo, 2006). 지적 장애인의 경우 계단 오르기 및 내리기 중 탭스텝(tap-stepping)과 과도한 전방 기울임(forward leaning) 등의 비정상적인 동작 패턴이 자주 관찰되며, 이는 균형 유지 전략의 변화와 연관이 있을 뿐만 아니라 낙상의 위험을 증가시키는 주요 요인으로 지적되고 있으며, 특히 자세를 조절하기 위해 팔을 뻗어 벽이나 난간을 잡거나 몸을 기울여 중력 중심을 낮추려는 보상 전략을 사용하는 경향이 있지만, 이러한 전략이 오히려 보행의 안정성을 저하시킬 수 있다(Lafferty, 2005). 실제로, 계단 보행은 독립적인 이동을 위해 필수적인 기술이며, 특히 신체적 기능이 저하된 집단에서는 더 큰 도전이 될 수 있으며 계단 보행 중 비정상적인 동작 패턴은 균형 유지 전략의 변화와도 관련이 있으며, 이는 낙상 위험 증가로 이어질 수 있다(Novak & Brouwer, 2011). 이러한 문제는 신체적인 상해뿐만 아니라, 사회적 활동 감소와 정서적 위축으로 이어질 수 있어, 적절한 운동 중재와 재활 프로그램의 필요성을 더욱 강조한다. 한편, 계단의 높이는 하지 근육 활동에 중요한 영향을 미치는 변수로 성인 편마비 환자를 대상으로 한 연구에서는 10 cm 높이의 계단 보행 훈련이 균형 능력 향상과 근 활성도 증가에 효과적이었으며, 특히 넙다리곧은근(rectus femoris), 넙다리두갈래근(biceps femoris), 앞정강근(tibialis anterior), 장딴지근(gastrocnemius)의 활성화가 유의미하게 증가하는 것으로 나타났다(Choi & Kim, 2012). 또한, 15 cm 높이의 계단에서는 10 cm보다 더욱 강한 근활성화가 관찰되었으나, 균형 유지가 어려워지는 경향을 보였다. 그러나 지적 장애인을 대상으로 계단 높이가 근육 활성화에 미치는 영향을 분석한 연구는 여전히 제한적이며, 이로 인해 다양한 질환을 가진 개인들의 최적의 계단 높이를 규명하는 연구는 절실히 요구되고 있다(Shieh et al., 2016).

본 연구는 다양한 계단 높이(16 cm, 18 cm, 20 cm)에 따른 지적 장애인의 하지 근육 활동 변화를 비교하고, 이 집단의 신체 기능과 균형 조절 능력을 향상시키기 위한 최적의 계단 높이를 규명하는 데 목적이 있다. 계단 높이 차이에 따라 하지 근육의 활성화 정도와 패턴을 상세히 분석함으로써, 운동 능력을 강화하고 낙상 위험을 줄이며, 궁극적으로는 지적 장애인의 독립성과 삶의 질을 증진시키는 효과적인 운동 중재 방안을 제시하고자 한다. 이러한 연구는 지적 장애인을 위한 맞춤형 재활 및 운동 프로그램 개발에 있어 학문적 기초 자료를 제공할 뿐만 아니라, 실질적인 운동 중재 지침 수립에도 기여할 수 있을 것이다.

1. 연구 대상

본 연구는 지적 장애를 가진 청소년 3명을 대상으로 진행되었다. 연구 대상자는 만 13세에서 16세의 지적 장애인으로, 연구에 참여한 대상자들의 신체적 특성은 평균 신장 155.2 cm (SD 6.8 cm), 평균 체중 49.5 kg (SD 5.6 kg), 평균 연령 14.5세(SD 1.2세)로 나타났다. 모든 연구 대상자는 실험의 목적과 내용을 충분히 이해한 후, 보호자의 동의 하에 참가 동의서를 작성하고 실험에 참여하였다.

2. 연구 장비

다양한 높이의 계단을 오르내릴 때 지적 장애인의 하지 근육 활동 변화를 분석하기 위해 다음과 같은 실험 장비를 사용하였다. 연구 대상의 신체적 특성을 측정하기 위해 신장계와 체중계를 사용하였으며, 근전도 분석을 위해 Noraxon사의 무선 근전도 시스템(TeleMyo DTS)을 활용하였다. 사용된 실험 장비의 상세 목록은 <Table 1>과 같다.

3. 실험 절차 및 분석 구간

본 연구는 지적 장애인을 대상으로 계단 오르내리기 과제와 높이에 따른 하지 근육 활성도를 분석하였다. 실험은 3명의 참가자를 대상으로 진행되었으며, 각 참가자는 모든 조건을 반복 수행하였다. 실험 과제는 오르막과 내리막으로 구성되었으며, 현재 건축법에 의한 계단 설치 규격은 계단의 높이(raiser) 18 cm, 최소너비(tread) 26 cm, 폭(width) 90 cm를 고려하여(Hyun & Ryew, 2014) 계단의 높이는 20 cm, 18 cm, 16 cm로 설정하여 총 6가지 조건을 도출하였다. 참가자는 실험 전에 연구의 목적과 절차에 대한 충분한 설명을 듣고, 부상의 위험을 줄이기 위해 준비 운동을 통해 하지 근육을 이완하였다. 이후 설정된 계단 높이와 과제 조건에 따라 계단을 오르내리는 동작을 수행하였다. 이때, 근육 활성도 데이터는 안정적인 상태에서 기록되도록 각 조건에 맞춰 반복적으로 데이터를 수집하였다. 근전도 데이터는 참가자의 양측 하지에 전극을 부착하여 수집하였으며, 측정된 근육 부위는 좌우 척추기립근(ES Rt/Lt), 대퇴직근(RF Rt/Lt), 대퇴이두근(BF Rt/Lt), 전경골근(TA Rt/Lt), 그리고 비복근(GA Rt/Lt)이다. 각 근육의 활성도는 실험 과제 수행 중 안정적으로 측정되었으며, 본 연구는 계단 높이와 과제 조건에 따른 하지 근육 활성도의 변화를 분석함으로써 지적 장애인의 하지 근육 협응 및 조절 능력에 대한 이해를 높이고, 이를 기반으로 적절한 운동 중재 방안을 제안하는 데 목적을 두었다.

본 연구에서는 <Figure 1>과 같이 분석 시점 및 국면을 설정하였다. 분석 시점은 오른발과 왼발 계단 오르기 및 내리기 모두 동일하게 정의되었으며, 각각 발이 지면에 닿는 순간(E1: initial contact)과 반대 발이 지면에 닿는 순간(E2: initial contact)으로 설정하였다. 분석 국면은 각 발의 착지 순간(E1)에서 반대 발의 착지 순간(E2)까지의 구간으로 정의되었으며, 이를 1국면(P1)으로 구분하였다. 이러한 설정은 오른발과 왼발 모두 동일한 기준을 적용하여 데이터 분석의 일관성을 확보하였다.

Figure 1. Stair ascent and descent events

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4. 통계 분석

본 연구는 지적 장애인을 대상으로 과제(계단 오르기, 내리기)와 높이(20 cm, 18 cm, 16 cm)에 따른 근육 활성도를 분석했다. 데이터는 3명의 참가자가 반복적으로 모든 조건을 수행하여 수집되었다. 작은 샘플 크기와 모집단의 정규성을 가정하기 어려운 점을 고려하여 비모수 검정을 적용했다. 과제 간 효과는 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon Signed-Rank Test)을 사용하여 분석했으며, 높이 간 효과는 프리드만 검정(Friedman Test)을 통해 평가했다. 유의수준(alpha=.05)은 5%로 설정하였다. 효과 크기는 순위 이분 상관(Rank-biserial correlation); 크기의 해석은 Cohen (1988)이 제안한 지침을 참조했다(trivial (<0.1), small (0.1-0.3), medium (0.3-0.5), large (>0.5)). 모든 통계 분석은 Jamovi 2.6 소프트웨어(The Jamovi Project, 2024 버전 2.6 - http://www.jamovi.org)에서 수행했다.

1. 계단 오르기와 내리기에 따른 근육 활성도

본 연구는 총 3명의 참가자가 3가지 높이(16 cm, 18 cm, 20 cm)에서 수행한 9개의 데이터를 활용해 수행 과제(오르막, 내리막)에 따른 계단 보행 시 하지 근육 활성도 차이를 비교하였다(Table 2, 3). Wilcoxon Signed-Rank Test를 통해 오르막과 내리막 간 하지 근육 활성도를 비교한 결과, 우측 요추근과 우측 비복근에서 유의미한 차이가 관찰되었다(p<.05). 우측 요추근의 경우, 오르막 수행 시 근육 활성도 중앙값이 82.6으로 내리막 수행 시의 62.4보다 유의미하게 높았으며(p=.004), 효과 크기(rank biserial correlation)는 1로 매우 강한 효과를 보였다. 우측 비복근은 오르막 수행 시 근육 활성도 중앙값이 81.8로 내리막 수행 시의 62.5보다 유의미하게 높았으며(p=.020), 효과 크기는 0.8667로 강한 상관성을 보였다. 반면, 좌측 요추근은 오르막과 내리막 간 유의미한 차이가 나타나지 않았다(p=.25). 좌측 비복근 역시 오르막(71.0)과 내리막(49.9) 간 근육 활성도 차이가 유의미하지 않았다(p=.164). 대퇴직근과 대퇴이두근에서는 우측과 좌측 모두 오르막과 내리막 간 근육 활성도 차이가 유의미하지 않았다. 우측 대퇴직근의 경우, 오르막과 내리막 간 근육 활성도 중앙값이 각각 74.3과 76.0으로 나타났으며(p=.496), 좌측 대퇴직근 역시 유의미한 차이가 없었다(p=.301). 대퇴이두근 또한 우측(p=.82)과 좌측(p=.91) 모두에서 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 전경골근의 경우, 우측과 좌측 모두 오르막에서 내리막보다 근육 활성도가 높게 나타났으나 유의미한 차이는 없었다. 우측 전경골근의 중앙값은 오르막에서 80.0, 내리막에서 61.3으로 나타났으며(p=.203), 좌측 전경골근의 중앙값은 오르막에서 85.5, 내리막에서 63.5로 나타났다(p=.129). 종합적으로, 본 연구는 계단 오르내리기 과제 중 오르막에서 하지 근육이 더 높은 협응과 힘을 요구한다는 점을 시사하며, 특히 오른쪽 요추근과 오른쪽 비복근에서 통계적으로 유의한 차이가 나타났다. 오른쪽 요추근의 근육 활성도는 오르막 Median 82.6 (Range: 39.8)에서 내리막 Median 62.4 (Range: 46.7)보다 높았으며, 큰 효과 크기가 나타났다(p=.004, Rb>0.5). 오른쪽 비복근의 근육 활성도는 오르막 Median 81.8 (Range: 43.3)에서 내리막 Median 62.5 (Range: 34.2)보다 높았으며, 큰 효과 크기가 나타났다(p=.020, Rb>0.5). 우측 요추근과 우측 비복근의 근육 활성도 차이가 이를 뒷받침하며, 이러한 결과는 지적 장애인을 대상으로 한 계단 중재 프로그램 설계 시 중요한 근거로 활용될 수 있다.

본 연구에서는 계단 높이(20 cm, 18 cm, 16 cm)에 따른 하지 근육 활성도를 분석하였으나, Friedman Test 결과, 대부분의 근육에서 유의미한 차이는 나타나지 않았다. 우측 척추기립근(R)은 20 cm에서 78.0, 18 cm에서 66.8, 16 cm에서 63.5로 나타났으나, 조건 간 차이는 유의하지 않았다(p=.846). 좌측 척추기립근(L) 역시 20 cm에서 68.6, 18 cm에서 73.0, 16 cm에서 73.2로 조건 간 차이가 없었다(p=.607). 우측 대퇴직근(R)과 좌측 대퇴직근(L)은 각각 20 cm에서 73.4와 66.5, 18 cm에서 74.7과 67.8, 16 cm에서 79.4와 79.2로 나타났으나, 통계적으로 유의미하지 않았다(R: p=.846, L: p=.135). 대퇴이두근과 전경골근은 우측 및 좌측 모두에서 계단 높이에 따른 근육 활성도 차이가 유의하지 않았다(R, L: p>.05). 비복근 또한 우측과 좌측 모두 20 cm, 18 cm, 16 cm 조건 간 유의미한 차이를 보이지 않았다(R: p=.311, L: p=.607).

본 연구는 지적 장애인을 대상으로 계단 오르내리기 과제와 계단 높이 조건에 따른 하지 근육 활성도의 변화를 분석하여, 이 집단의 운동 특성과 중재 프로그램 설계에 필요한 기초 자료를 제공하고자 하였다. 연구 결과, 오르막과 내리막 간 비교에서 우측 척추기립근과 우측 비복근의 근육 활성도에서 유의미한 차이가 관찰되었으며, 두 근육 모두 오르막 수행 시 더 높은 활성도를 보였다. 본 연구에서 관찰한 척추기립근은 신체의 안정성을 유지하고 상체를 지탱하는 주요 역할을 수행하며(Choi & Kim, 2017), 특히 뇌졸중 환자의 계단 오르기 보행의 경우 비복근, 전경골근, 대퇴직근, 대퇴이두근 순으로 높은 근육 활성도가 나타났다고 보고되며 이는 계단 오르기 초기 단계의 체중을 환측 발에 싣고 건측 발을 들어 올리는 동안 균형을 유기하기 위한 방법으로 비복근의 큰 활성도가 발생한다고 보고되었다(Park & Lee, 2021).

계단 오르기에서 추진력 및 안정성을 제공하는 대둔근, 대퇴사두근, 비복근 등 주요 근육(Anderson, Madigan & Nussbaum, 2015; Benedetti, Agostini, Knaflitz & Bonato, 2013)으로, 이들의 높은 활성도는 계단 오르기의 생체역학적 중요성을 강조한다. 반면, 대퇴직근, 대퇴이두근, 전경골근에서는 오르막과 내리막 간 근육 활성도의 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 이는 이들 근육이 계단 오르내리기 전반에 걸쳐 비교적 균등한 역할을 수행하기 때문으로 해석된다. 대퇴직근과 대퇴이두근은 하지의 추진과 안정성에 기여하며, 특히 노인에서 걷기와 계단 오르내리기 동안 무릎 근육의 공동 수축이 젊은 성인보다 높아 관절 안정성과 움직임 제어를 보완하는 데 중요한 역할을 한다. 전경골근은 발의 위치와 움직임을 조절하며, 발의 동작과 관련된 조화로운 근육 활성화를 통해 계단 오르내리기와 같은 복잡한 움직임에서 균형 유지에 기여한다(Chandran et al., 2019). 이러한 근육들은 오르막과 내리막 모두에서 중요한 역할을 하기 때문에 유의미한 차이가 나타나지 않았을 가능성이 있다. 또한, 계단 높이에 따른 하지 근육 활성도 비교에서는 대부분의 근육에서 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 이는 계단 높이의 차이에 따른 근육 활성도는 개인의 보행 습관과 연결되지 않은 근육의 활성이 나타날 수 있다 보고하였다(Eun, 2003). 본 연구는 다음과 같은 학문적, 실용적 의의를 지닌다. 첫째, 지적 장애인을 대상으로 계단 오르내리기 동작의 하지 근육 활성도를 분석한 연구는 상대적으로 부족한 상황에서, 본 연구는 지적 장애인을 위한 맞춤형 운동 중재 프로그램 개발에 기초 자료를 제공한다. 특히, 오르막 계단 오르기가 하지 근육의 활성도를 더 높인다는 점은 근력 강화 및 균형 조절 능력을 개선하기 위한 효과적인 중재 전략으로 활용될 수 있다(Andriacchi, Andersson, Fermier, Stern & Galante, 1980). 둘째, 본 연구는 다양한 계단 높이 조건을 설정하여, 계단 높이가 하지 근육 활동에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이러한 접근은 실제 생활에서 지적 장애인을 위한 환경 설계 및 재활 프로그램의 안전성과 효율성을 평가하는 데 기여할 수 있다.

본 연구는 몇 가지 한계를 지닌다. 첫째, 연구 대상자의 수가 적고, 한정된 집단(지적 장애 청소년)으로 구성되어 결과를 일반화하는 데 어려움이 있다. 이러한 제한은 추후 연구에서 더 다양한 대상자와 대규모 표본을 통해 보완될 필요가 있다 둘째, 계단 높이 조건이 비교적 적고, 실제 생활에서의 다양한 환경적 변화를 충분히 반영하지 못하였으며, 이는 연구의 한계로 작용할 수 있다. 따라서 후속 연구에서는 보다 다양한 계단 높이와 환경적 조건을 포함하여 연구를 확장할 필요가 있다. 셋째, 본 연구는 근육 활성도에 중점을 두었으나, 다른 생체역학적 변수(예: 관절 모멘트, 에너지 소비량 등)와의 연계 분석이 부족하다. 이를 보완하기 위해 향후 연구에서는 다양한 운동학적 및 생리학적 변수를 함께 고려한 다각적 분석이 요구된다. 결론적으로, 본 연구는 지적 장애인을 위한 운동 중재 프로그램 설계 및 재활 전략 수립에 유용한 정보를 제공하며, 특히 계단 오르내리기 동작의 생체역학적 특성을 규명하는 데 기여하였다. 향후 연구는 본 연구의 한계를 보완하고, 지적 장애인의 삶의 질을 향상시키기 위한 보다 정교한 운동 중재 방안을 개발하는 데 초점을 맞추어야 할 것이다.

본 연구는 지적 장애인을 대상으로 계단 오르내리기 과제와 계단 높이(20 cm, 18 cm, 16 cm)에 따른 하지 근육 활성도의 변화를 분석하였다. 연구 결과, 오르막과 내리막 간 비교에서는 우측 척추기립근과 우측 비복근에서 유의미한 차이가 관찰되었으며, 오르막에서 더 높은 근육 활성도를 보였다. 이는 계단 오르기 동작이 하지 근육의 협응과 힘 조절에 더 큰 요구를 한다는 점을 시사하며, 지적 장애인을 위한 운동 중재 프로그램 개발 시 중요한 근거로 활용될 수 있다. 반면, 계단 높이에 따른 분석에서는 대부분의 근육에서 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 이는 계단 높이 변화가 하지 근육 활성도에 미치는 영향이 없었으며 대상자의 특성, 샘플 크기, 실험 조건 등의 변수가 영향을 미쳤을 가능성을 고려해야 한다.

본 연구는 지적 장애인을 위한 계단 오르내리기 훈련의 효과와 안전성을 평가하기 위한 기초 자료를 제공하며, 향후 연구에서 이를 기반으로 한 보다 정교한 중재 프로그램 개발이 기대된다. 특히, 우측 척추기립근과 비복근의 활성도를 중심으로 맞춤형 훈련이 이들의 하지 근육 기능 강화와 독립적 이동성 향상에 기여할 수 있을 것이다.