전방머리자세(Forward head posture, FHP)는 머리와 목이 신체의 중력중심선을 기준으로 앞쪽에 위치해 있는 상태를 말하며, 목뼈 정렬 상태에 따라 일자목(military neck) 또는 거북목(turtle neck)으로 구분된다.¹ 이러한 상태가 장시간 지속될 경우, 윗 목뼈에서 폄근 토크 증가, 목뼈와 목뼈 주변 비수축성 구조에 대한 하중 증가의 결과로 과도한 스트레스가 목뼈 뒤쪽에 위치한 구조물들에 가해지게 된다.² 목빗근, 어깨올림근, 큰가슴근, 목세움근, 그리고 위등세모근과 같은 근육들은 전방머리자세가 유지될 경우 길이가 짧아지며, 목의 심부 굽힘근, 마름근, 그리고 앞톱니근은 약화가 발생된다.^3,4 정상적인 자세보다 약 3.6배 더 큰 부하가 목 주변에 가해지면서 목 주변 근육들의 높은 근육 활동이 나타나고, 근육과 관절에 가해지는 부하의 증가에 의해 목과 어깨의 만성 통증이 유발될 수 있다.^5,6 또한, FHP에 의해 야기되는 목뼈에서의 구조적인 변화는 위쪽 등뼈를 뒤로 이동시키고 주변 근육들의 과긴장을 유발하는 등 보상작용으로 인한 통증이 발생되기도 한다.⁴

FHP에 의해 유발되는 증상들의 개선을 위해 근력 강화 운동, 신장 운동, 도수 치료, 그리고 테이핑 등 다양한 중재에 대한 연구들이 이루어져 왔으며⁷, 최근에는 FHP가 있는 대상자들에게 트레드밀을 적용하는 연구가 이루어지고 있다. 뒤로 걷기와 관련된 연구에서, 속도 3km와 3.5km로 뒤로 걷기를 적용하였을 때 머리척추각도(craniovertebral angle, CVA)가 유의하게 증가하는 것으로 나타났고^{8, 20}대 대학생에게 뒤로 걷기를 적용한 결과 CVA의 증가와 머리회전각도(craniorotational angle, CRA)의 감소가 나타나 FHP에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.⁹ 또한, 초등학생을 대상자로 하여 앞으로 걷는 것과 비교하였을 때 뒤로 걷는 것이 목뼈와 신체의 중력중심선과의 거리가 줄어들어 FHP에 효과가 있는 것으로 나타났으며¹⁰, 이러한 결과는 앞으로 걷기에 비해 뒤로 위치하게 되는 무게중심이 근활성도를 증가시켜서 목뼈의 재정렬이 이루어진 것으로 보인다. 내리막 경사로 트레드밀 보행을 적용한 연구도 수행되었는데, CVA가 증가하는 것으로 나타나 FHP 교정에 영향을 미치는 것으로 나타났다.¹¹

가상현실(Virtual Reality, VR)은 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display)와 같은 장치를 통해 실제 환경을 시뮬레이션으로 제공함으로써 사용자가 물건을 옮기고, 조작하고, 정해진 과제를 수행하는 등 실제와 비슷한 경험을 할 수 있도록 만들어주는 최첨단 기술을 말한다.^12,13 증강현실(Augmented Reality, AR)은 카메라를 통해 보이는 현실 세계의 이미지나 배경에 가상의 이미지를 합성하여 보여주는 기술로, 실시간 상호작용이 가능하고 다양한 콘텐츠 활용으로 동기부여가 가능하다는 장점 때문에 최근에는 재활 분야에서 활발하게 사용되고 있다.^14,15 16명의 건강한 노인을 대상으로 AR 기반 신체 훈련을 8주간 적용한 결과, 보행 속도와 분속수가 유의하게 증가되었으며, 균형 능력 개선에 효과적이라고 하였다.¹⁶ 57명의 뇌졸중 환자를 대상으로 AR 기반 트레드밀 보행 훈련을 적용한 연구에서는, 보행 속도, 분속수, 그리고 활보장의 증진을 보였으며, 동적 균형 능력에도 긍정적인 영향을 미쳤다.¹⁷ 또한, 뇌성마비아동에게 4주 동안 AR 기반 운동 프로그램을 적용한 결과, 보행 속도, 분속수, 보장과 같은 시공간적 보행 능력에 효과적이었다고 하였다.¹⁸ 이러한 결과는 AR을 활용한 가상의 프로그램 적용이 실제와 거의 동일한 효과를 이끌어낼 수 있다는 것을 의미한다.

이와 같이 FHP 개선과 관련된 다양한 중재를 적용한 연구뿐만 아니라 AR을 활용한 여러 연구들이 많이 이루어져 왔지만, 증강현실을 활용한 중재가 FHP 대상자에게 미치는 영향에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. AR을 활용한 가상의 내리막 트레드밀 보행이 기기를 착용한 대상자에게 실제 내리막 경사를 걷는 느낌을 제공함으로써 실질적인 신체적 변화 또한 유발할 수 있다면, 실질적인 환경의 조성 없이도 중재의 효과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 실제 환경과 유사한 상황을 경험하면서도 위험성을 낮출 수 있다는 점과 대상자에게 심리적인 안정감을 제공할 수 있다는 점, 데이터 수집을 통한 맞춤형 치료의 가능성 측면에서 AR을 활용한 중재와 관련된 연구가 지속적으로 이루어져야 할 필요가 있다. 본 연구는 AR을 활용한 내리막 트레드밀 보행의 적용이 FHP가 있는 대상자의 CVA, 목과 어깨 주변 근육들의 활성도에 영향을 미치는지를 알아보고자 한다.

1. 연구대상

본 실험은 38명의 전방머리자세(FHP)를 가진 대상자를 모집하여 실험을 진행하였다. FHP 판정을 위해 사진 측정 방법을 통해 머리척추각도(CVA)가 50° 이하인 경우 대상자로 선정하였다.¹⁹ 근골격계 및 신경학적 질환이나 증상이 있는 사람, 목뼈 관절 수술 이력이나 외상이 있는 사람, 독립적인 보행이 불가능한 사람, 다리에 염증이나 관절염이 있는 사람, CVA가 50° 이상인 사람은 연구대상에서 제외하였다. 참가자들의 일반적 특성은 Table 1과 같다. 본 연구는 대학 내 생명윤리위원회(YSUIRB-202406-HR-154-02)의 승인을 받았으며, 모든 연구대상자는 실험 전에 연구의 목적과 절차에 대해 설명을 듣고 실험 참여에 동의하였다.

Table 1

General characteristics of participants (n=38)

Variables	Subjects
Age (years)	23.3± 4.7
Weight (kg)	74.5± 16.8
Height (cm)	170.5± 7.7
CVA (°)	39.3± 4.0

All values are reported as the mean ± standard deviation. CVA: craniovertebral angle.

2. 실험방법

1) CVA 측정

CVA를 측정하기 위해 7번 목뼈 가시돌기에 마커를 부착하였다. CVA는 7번목뼈가시돌기를 지나는 수평선과 7번 목뼈 가시돌기와 귀의 이주(tragus)를 연결한 선 사이의 각도를 의미하며²⁰, 측정을 위해 Global postural system (GPS400, Chine Sport, Udine, Italy) 자세측정기를 사용하여 대상자들의 측면을 촬영한 뒤 CVA를 측정하였다.

2) 근활성도 측정

목빗근, 목세움근, 그리고 위등세모근의 활성도를 측정하기위해 표면근전도(Noraxon myosystem DTS, Noraxon, Arizona, USA)를 사용하였고, 측정 전 각 근육의 전극 부착 부위를 먼저 알코올로 닦고 건조를 시켰다. 목빗근은 꼭지돌기와 복장패임의 아래쪽 1/3 지점에²¹, 목세움근은 목뼈 4번 가시돌기를 기준으로 2cm 바깥쪽에²², 그리고 위등세모근은 목뼈 7번과 어깨뼈봉우리돌기 사이 중간지점을 기준으로 2cm 바깥쪽에 전극을 부착하였다.²³ 모든 근육에 대해 최대 도수 저항을 통해 앉은 자세에서 3초간 최대 수의적 등척성 수축(maximal voluntary isometric contraction, MVIC)을 수행하였다.

구부정한 자세가 있을 경우, 팔을 들어올리는 동작 시 생역학적인 변화가 유발되게 된다.²⁴ 조건에 따른 자세와 근활성도의 변화를 비교하기 위해 팔을 들어올리는 동작 중 어깨 굽힘을 기준 자세로 정하였고, 120°라는 특정 각도를 설정하여 동일한 동작 수행을 통한 객관적인 비교가 가능하도록 하였다. 트레드밀 보행 전후 근활성도 비교를 위해 기준 자세를 유지하는 3초 동안의 근전도 신호를 Noraxon MR3.10.64 소프트웨어를 사용하여 수집하였다. 3회 반복 측정 후 평균값을 사용하였으며 모든 동작은 대상자가 사전 연습을 통해 측정 전 동작을 미리 충분히 연습하게 하였다. 표본추출률(sampling data)은 1,024㎐로 설정하고, 주파수 대역폭(bandwidth)은 20-400 ㎐를 사용하였으며, 60㎐ 노이즈 제거를 위해 노치필터(notch filter)를 이용하였다. 수집된 모든 근전도 신호를 실효평균값(root mean square, RMS) 처리하고, 근육의 수집된 신호는 최대 수의적 등척성 수축에 대한 백분율(%MVIC)로 정규화(normalization)하였다.

3. 실험절차

AR을 활용한 내리막 트레드밀 보행이 FHP에 미치는 영향을 확인하기위해 트레드밀 보행 전 머리척추각도와 근활성도를 측정하였다(PRE). 모든 대상자들은 트레드밀에서 10분간 2.3km/h의 속도로 내리막 10°로 설정된 트레드밀에서 AR기기(Meta Quest 3 virtual reality headset, Meta, California, USA)를 착용하지 않은 조건(CN1), 경사가 없는 트레드밀에서 AR기기를 착용하고 내리막 10°를 구현한 AR을 적용하는 조건(CN2), 경사가 없는 트레드밀에서 AR기기를 착용하고 AR을 적용하지 않는 조건(CN3), 경사가 없는 트레드밀에서 AR기기를 착용하지 않는 조건(CN4)으로 보행을 실시하였다. 보행의 순서는 무작위로 진행되었으며, 각 조건의 보행 사이에 충분한 휴식을 제공하여 이전 보행이 다음 보행에 영향을 주지 않도록 하였다. 트레드밀 보행 직후에 CVA와 근활성도를 측정하여 전후 값을 비교하였다.

4. 자료분석

모든 자료는 윈도우용 SPSS version 27.0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA)을 이용하여 분석하였고, 평균과 표준편차로 제시하였다. 정규성 검정을 위해 Shapiro-Wilk test를 실시하였으며, AR 적용 유무에 따른 조건 별 트레드밀 보행 후 머리척추각도와 근활성도 변화를 비교하기 위해 반복 측정 (repeated measure ANOVA)을 실시하였다. 각 측정 시기 간의 차이를 분석하기 위해 대비 검정(contrast test)을 실시하였고, 통계학적 유의수준 α는 0.05로 설정하였다.

증강현실 적용 유무에 따른 조건 별 트레드밀 보행 후 머리척추각도를 비교한 결과 모든 조건 사이에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(p<0.05).

근활성도의 경우, 목빗근에서는 PRE에 비해 CN1에서 통계적으로 유의한 감소를 보였다(p<0.05). CN1에 비해 CN3과 CN4에서 통계적으로 유의한 증가를 보였고(p<0.05), CN2에 비해 CN3에서도 통계적으로 유의한 증가를 보였다(p<0.05).

목세움근에서는 PRE에 비해 CN1과 CN2에서 통계적으로 유의한 감소를 보였다(p<0.05). CN1에비해 CN3과 CN4에서 통계적으로 유의한 증가를 보였고(p<0.05), CN2에 비해 CN3과 CN4에서도 통계적으로 유의한 증가를 보였다(p<0.05).

위등세모근에서는 PRE에 비해 CN1과 CN2에서 통계적으로 유의한 감소를 보였다(p<0.05). CN1에 비해 CN3과 CN4에서 통계적으로 유의한 증가를 보였고(p<0.05), CN2에 비해 CN3에서도 통계적으로 유의한 증가를 보였다(p<0.05).

모든 근육에서 그 외 다른 조건들 사이에서는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(p>0.05)(Figure 1, Table 2).

Table 2

Comparison of CVA and muscle activity according to treadmill walking condition

Variables	PRE	CN1	CN2	CN3	CN4	F	p
CVA (°)	39.70± 3.78	40.97± 2.55	40.13± 3.00	39.93± 3.02	39.57± 3.46	1.970	0.104
SCM (%MVIC)	2.40± 1.47	2.10± 1.15*	2.25± 1.27	2.55± 1.37#$	2.38± 1.36#	5.546	0.001*
CES (%MVIC)	6.93± 3.67	6.03± 3.38*	6.19± 3.38*	7.03± 3.80#$	6.91± 3.75#$	17.078	< 0.001*
UT (%MVIC)	9.63± 6.57	8.54± 4.75*	8.89± 5.51*	10.16± 6.56#$	10.08± 7.32#	3.671	0.015*

All values are reported as the mean± standard deviation. CN1: downhill treadmill walking, CN2: treadmill walking while playing an augmented reality-based downhill program, CN3: treadmill walking with head-mounted display not playing an augmented reality-based downhill program, CN4: treadmill walking, CVA: craniovertebral angle, SCM: sternocleidomastoid, CES: cervical erector spinae, UT: upper trapezius. ^*p< 0.05, ^#p< 0.05 versus CN1, ^$p< 0.05 versus CN2.

Fig. 1. Comparison of CVA and muscle activity according to treadmill walking condition. CN1: downhill treadmill walking, CN2: treadmill walking while playing an augmented reality-based downhill program, CN3: treadmill walking with head-mounted display not playing an augmented reality-based downhill program, CN4: treadmill walking, CVA: craniovertebral angle, SCM: sternocleidomastoid, CES: cervical erector spinae, UT: upper trapezius. *p<0.05, #p<0.05 versus CN1, $p<0.05 versus CN2.

본 연구는 증강현실(AR)을 활용한 내리막 트레드밀 보행을 수행하였을 때 머리척추각도(CVA)와 근활성도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 하였다. 실험 결과, CVA는 모든 조건 사이에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.

보행을 적용한 여러 연구들이 전방머리자세(FHP) 개선을 위해 수행되어 왔다. 한 선행연구에서는 뒤로 걷기를 적용한 결과 CVA의 증가와 머리회전각도의 감소를 보여주었고, 속도를 다르게 하여 뒤로 걷기를 적용한 선행연구에서는 CVA가 증가한 것으로 판단해 보았을 때 뒤로 걷기가 전방머리자세에 효과가 있다는 사실을 확인할 수 있었다.^8,9 뒤로 걷기 시 무게중심이 뒤로 위치하게 되면서 목 주변 근육들의 활성도가 증가되게 되고, 이에 따라 목뼈의 재정렬이 이루어짐으로써 FHP에 유의미한 영향을 끼친 것으로 보인다.

내리막 걷기를 적용한 선행연구 결과에서도 CVA의 증가가 확인됨으로써 다양한 보행의 적용이 FHP에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.¹¹ 실제와 유사한 상황을 경험하면서도 위험성은 최소화할 수 있는 AR의 장점은 최근 재활분야에서 활발하게 사용되고 있는 이유 중 하나이며^14,15, 내리막 경사에 대한 위험성 없이 평지에서 같은 효과를 얻을 수 있다면 균형에 문제가 있는 환자에게도 적용할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 실제 내리막 트레드밀 보행과 AR을 활용한 가상의 내리막 트레드밀 보행을 FHP를 가진 대상자에게 적용하였는데, 중재 전에 비해 CVA가 증가하였지만 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다. 20분동안 트레드밀 보행을 수행한 선행연구와는 다르게 본 연구에서는 10분이라는 짧은 시간 동안 트레드밀 보행을 수행하게 하여 중재를 적용한 시간에 차이가 있었으며, 이러한 차이가 내리막 트레드밀 보행이 FHP에 미치는 영향력에 대해 서로 다른 결과를 보여주지 않았나 판단된다. 또한, AR을 적용한 내리막 트레드밀 보행이 FHP에 영향을 미치는지에 대한 정확한 확인을 위해 더 긴 중재 시간 혹은 장기간의 중재를 적용하는 추가적인 실험이 필요하다고 생각된다.

근활성도 측정 결과, 목세움근과 위등세모근에서 AR기기를 착용하고 내리막 10°를 구현한 증강현실을 적용하여 트레드밀 보행을 수행하였을 때 중재 전에 비해 근활성도가 통계적으로 유의하게 감소되었지만, 목빗근에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 근육의 길이가 변화하게 되면 활성도에도 영향을 미칠 수 있으며, 머리널판근과 위등세모근과 같은 목의 폄을 유발하는 근육들의 단축은 전방머리자세에 의해 야기될 수 있다고 하였다.^25,26 FHP가 발생되면 머리가 앞으로 이동하게 되고, 굽은 등이 나타나며 신체의 무게중심이 앞으로 이동하게 되는데²⁷, 내리막 걷기가 등뼈 뒤굽음 각도와 등뼈세움근의 활성도에 미치는 영향을 조사한 선행연구에서는 내리막 걷기를 할 때 균형을 조절하기 위해 몸통을 움직임으로써 신체 중심을 앞, 뒤로 조절하게 된다고 하였다.²⁸

본 연구에서 목세움근과 위등세모근의 활성도를 확인한 결과, AR을 활용한 내리막 트레드밀 보행에 의해 중재 전보다 통계적으로 유의한 감소가 나타났다. 이는 앞으로 이동되어 변화가 발생된 무게중심에 대해 몸통을 바로 세우는 보상작용이 일어났고, 실제 내리막 트레드밀 보행에서처럼 머리의 위치가 재정렬되어 목세움근과 등세모근의 활성도에 영향을 주었다고 생각된다.

목빗근은 목의 표면에 위치하며 강력한 굽힘 힘을 생산하는 근육으로, FHP는 목세움근과 위등세모근의 단축 뿐 아니라 목빗근의 단축 과도 관련이 있으며, 목빗근에서의 높은 활성도는 목빗근의 이러한 길이 변화에 의해 유발된다고 하였다.³ 또한, FHP에서는 목에 가해지는 굽힘 부하가 두 배로 증가되는데, 목 굽힘의 운동역학적 회전 팔의 변화가 원인이라고 하였으며, 이는 FHP가 심해질 수록 목에 가해지는 부하 또한 늘어나게 되어 목빗근은 더욱 활성화 된다는 것을 의미한다.²⁹ 내리막 트레드밀 보행을 FHP가 있는 대상자에게 적용한 선행연구에서 목빗근의 활성도가 통계적으로 유의한 감소를 보였으며¹¹, 내리막에 의해 앞쪽으로 쏠린 무게중심을 뒤쪽으로 이동시키면서 이루어진 자세 정렬이 영향을 미친 것으로 생각된다.

본 연구에서 목빗근의 활성도를 확인한 결과, 실제 내리막 트레드밀 보행을 수행하였을 때는 목빗근의 활성도가 통계적으로 유의하게 감소되어 선행연구와 동일한 결과를 보였다. 하지만, AR을 활용한 내리막 트레드밀 보행을 수행하였을 때는 중재 전에 비해 목빗근의 활성도가 감소하였지만 통계적으로 유의한 차이가 나타나지는 않았으며, 이는 AR기기 착용에 따른 부하가 목빗근의 활성에 영향을 미친 결과라고 생각된다.

본 연구는 AR을 활용한 내리막 트레드밀 보행이 머리척추각도와 목빗근, 목세움근, 그리고 위등세모근의 활성도에 어떠한 영향을 미치는지 확인해 보았다. 실험 결과, CVA와 목빗근의 활성도는 중재 전과 비교하였을 때 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았고, 목세움근과 위등세모근의 활성도는 통계적으로 유의한 차이가 나타나는 것을 확인하였다. AR의 적용이 CVA 변화를 유발하지 못한것은 10분이라는 짧은 중재 시간이 영향을 미쳤을 가능성이 있으며, 정확한 확인을 위해 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다. 목세움근과 위등세모근의 활성도가 실제 내리막 트레드밀 보행을 수행하였을 때와 같이 AR을 활용한 내리막 트레드밀 보행에서도 유의한 감소가 나타났기 때문에 내리막 트레드밀 보행을 통해 얻을 수 있는 자세 정렬 효과를 AR의 적용을 통해서도 동일하게 얻을 수 있어 FHP 개선에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

본 연구의 제한점은 첫째, 중재를 적용한 시간이나 횟수가 AR의 적용 효과를 확인하기에 다소 짧은 시간일 수 있다. 더 긴 적용 시간 혹은 장기간의 적용이 FHP에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 둘째, FHP로 유발될 수 있는 통증, 고유수용성감각, 그리고 균형 등의 문제들에 영향을 미쳤는지 확인하지 않았다. 향후 연구에서 이런 요소들의 측정을 추가적으로 진행하여, AR의 적용이 FHP로 인해 발생되는 문제들에 대한 개선 방안이 될 수 있는지 여부를 명확히 할 필요가 있다.