수준별 테니스 선수의 포핸드 스트로크 시 손목 각도 변화에 대한 분석

Abstract

This study aims to explore the differences in wrist angle changes, forearm muscle activation, and contribution during the forehand stroke process between tennis players of different skill levels, and to analyze the differences in forearm muscle activation at the moment of wrist angle change. The study combines motion capture systems and surface electromyography (sEMG) technology, focusing on the three main movement directions of the wrist: flexion/extension, radial/ulnar deviation, and pronation/supination. The target muscles include the Pronator Teres (PT), Flexor Carpi Ulnaris (FCU), Flexor Carpi Radialis (FCR), Extensor Carpi Radialis Brevis (ECRB), and Supinator (SP). By quantifying the activation and contribution of these muscles, the study evaluates the differences between tennis players of different skill levels. Furthermore, by combining wrist angle change moments with muscle activation, the study aims to reveal subtle differences in muscle activation patterns between high-level and intermediate-level players, providing new perspectives for understanding the relationship between skill level and athletic performance. For this study, 3 high-level players and 3 intermediate-level players were selected as experimental subjects according to the International Tennis Number (ITN) classification. The forehand stroke test required each participant to complete 5 successful strokes, and motion data were collected synchronously using the Optitrack motion capture system and Delsys surface electromyography (sEMG) system. Forearm movement models were constructed using Visual3D software to analyze wrist joint angles. This experiment was approved by the Institutional Review Board of Seoul National University (IRB No. 2409/004-003). Data processing was carried out using the Windows SPSS 27.0 statistical program, with a statistical significance level set at P ≤ 0.05. The results of this study are as follows: First, the high-level group had a significantly smaller range of motion (ROM) in the flexion/extension direction compared to the intermediate-level group, while the intermediate-level group had a significantly smaller range of motion in the radial/ulnar deviation direction compared to the high-level group. Overall, both groups showed similar wrist movement patterns with comparable ranges, but the intermediate-level group exhibited larger ranges of motion and wider angle variations in the extension and external rotation directions, showing greater variability. Second, in terms of activation: The high-level group showed faster muscle activation, especially with more precise activation of EMG2:FCU and EMG4:ECRB in the 30%-60% range. In contrast, the intermediate- level group showed slightly delayed activation, with a significant increase in the activation of EMG5:SP in the 40%-100% range, and their activation pattern was more uniform. Regarding overall contribution: The high-level group relied more on EMG2:FCU, while the intermediate-level group relied more on EMG5:SP. For momentary contribution: During the forward swing phase, the high-level group mainly relied on EMG4:ECRB and EMG5:SP, while the intermediate-level group relied more on EMG1:PT. Significant differences were observed in the muscle contribution patterns between the two groups. Third, when the wrist angle transitions from extension to flexion, the activation of EMG3:FCR in the intermediate-level group was higher than that in the high-level group. On the other hand, the activation of EMG5:SP in the intermediate-level group was lower than in the high-level group. Additionally, the activation of EMG3:FCR in the intermediate-level group was significantly higher than that of the high-level group. This study, by understanding the differences in wrist angle changes and muscle activation between the high-level and intermediate-level groups, can help coaches optimize training more effectively, improve athletes' motor control and muscle coordination abilities, and enhance their performance in hitting strokes.

본 연구는 수준별 테니스 선수들이 포핸드 스트로크 과정에서 손목 각도 변화를 분석하고, 전완근 활성도 및 기여도의 차이를 탐구하며, 손목 각도가 변화하는 시점에서 전완근 활성도의 차이를 분석하는 것을 연구 목적으로 한다. 연구에서는 모션 캡처 시스템과 표면 근전도 기술을 결합하여 손목의 주요 세 가지 운동 방향(굴곡/신전, 요측/척측 편차, 내회전/외회전)에 초점을 맞췄다. PT(Pronator Teres), FCU(Flexor Carpi Ulnaris), FCR(Flexor Carpi Radialis), ECRB(Extensor Carpi Radialis Brevis) 및 SP(Supinator)가 주요 연구 대상 근육이다. 이러한 근육의 활성도와 기여도를 정량적으로 분석함으로써, 수준별 테니스 선수들 간 차이를 평가하였다. 또한, 손목 각도 변화 시점과 근육 활성도를 결합하여 상급 선수와 중급 선수 간의 근육 활성 패턴에서의 세부적인 차이를 밝혀내고, 기술 수준과 운동 수행 간의 관계를 이해하는 데 새로운 관점을 제시하고자 한다. 본 연구는 ITN(International Tennis Number)에 따라 분류된 3명의 상급 수준 선수와 3명의 중급 수준 선수를 실험 대상으로 선정하였다. 실험 대상자에게 포핸드 스트로크 테스트는 각 5회의 성공적인 스트로크를 완료하도록 요구하였으며, Optitrack 모션 캡처 시스템과 Delsys 표면 근전도 시스템을 사용하여 운동 데이터를 동기화하여 수집하였다. 또한, Visual 3D 소프트웨어를 통해 전완근 운동 모델을 구축하고 손목 관절 각도를 분석하였다. 본 실험은 서울대학교 윤리위원회(IRB No. 2409/004-003)의 승인을 받았다. 자료처리는 Window SPSS 27.0 통계 프로그램을 이용하였고, 본 연구의 통계적 유의수준은 P ≤ 0.05로 설정하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 첫째, 상급 그룹은 굴곡/신전 방향에서의 활동 범위(ROM)는 중급 그룹보다 유의하게 작았으며, 중급 그룹은 요측/척측 방향에서의 활동 범위가 상급 그룹보다 유의하게 낮게 나타났다. 전반적으로 두 그룹의 손목 운동 패턴은 비슷한 활동 범위를 보였으나, 중급 그룹은 신전 및 외회전 방향에서 더 큰 활동 범위와 넓은 각도 변화 범위를 보여 더 높은 변이성을 나타냈다. 둘째, 활성도 분석에서 상급 그룹의 근육 활성도가 더 빠르게 나타났으며, 특히 동작 주기의 30%~60% 구간에서 FCU와 ECRB가 보다 정교하게 활성화되었다. 반면, 중급 그룹은 활성도 시점이 상급 그룹에 비해 약간 지연되었고, SP의 활성도도 40%~100% 구간에서 유의하게 증가하며, 활성도 패턴은 더 균일하게 나타났다. 전체 기여도 측면에서 상급 그룹은 FCU의 기여도가 더 높게 나타난 반면, 중급 그룹은 SP의 의존도가 더 높은 경향을 보였다. 순간 기여도 측면에서 포워드 스윙 단계에서 상급 그룹은 주로 ECRB와 SP의 기여도가 높게 나타난 반면, 중급 그룹은 PT의 기여도가 더 높게 나타났다. 이처럼 두 그룹 간 근육 기여도 패턴에서 유의한 차이가 나타났다. 셋째, 손목 각도가 신전에서 굴곡으로 전환되는 과정에서 중급 그룹의 FCR 활성도는 상급 그룹의 활성도보다 높았다. 반면 중급 그룹의 SP 활성도는 상급 그룹보다 낮게 나타났다. 또한, 중급 그룹의 FCR 활성도도 상급 그룹의 활성도보다 현저히 높게 나타났다. 최종적으로 본 연구는 상급 그룹과 중급 그룹의 손목 각도 변화와 근육 활성 차이에 대한 이해도를 높여, 코치들이 보다 효과적으로 훈련을 최적화하고 선수들의 운동 제어와 근육 협응 능력을 향상시켜 스트로크 퍼포먼스를 높이는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.