Volume 11, Number 1, April, 2008
정상 보행 시 경골-대퇴골간 관절의 병진 운동: 3차원적 계측
을지대학교 의과대학 정형외과학교실
김하용∙안재훈∙박건영∙김갑중∙차용환∙이광원∙김환정
= Abstract =
Translational Movement of the Tibiofemoral Joint in Normal Gait:
3-Dimensional Measurement
Ha Yong Kim, M.D., Jae-Hoon Ahn, M.D., Kun Young Park, M.D., Kap-Jung Kim, M.D., Yong-Hwan Cha, M.D., Kwang-Won Lee, M.D., Hwan-Jeong Kim, M.D.
Department of Orthopaedic Surgery, Eulji University College of Medicine, Daejeon, Korea
Purpose: The purpose of this study was to quantify the translational movement at the tibiofemoral joint dur- ing normal walking using 3-D motion capture technique.
Materials and Methods: Study group was 30 healthy volunteers (15 Males, 15 females) without a history of musculoskeletal problems. Mean age was 20.4 years (18~25). Helen-Hayes Markes system was adopted for the basic study. Two more markers were added to generate 2 virtual markers using SKB (Skeletal builder) pro- gram. One virtual marker (α) was set on the mid point of intercondylar notch of distal femur. The other virtual marker (β) was set on the tibial spine. Translational movement of β relative to α was measured during normal walking.
Results: Linear parameters and kinematic results were within normal limits with no statistical difference between male and female or right and left. On the sagittal plane, tibial spine translated posteriorly as the knee flexed. Posterior translation of 2.6 mm at the loading response and 13.7 mm at the peak knee flexion were mea- sured. Vertical translation showed three up and down patterns with distraction of 7.3 mm at the end of first sin- gle support period, 9.6 mm at the end of double support period and 10.3 mm at the midswing phase. On the coronal plane, medial and lateral translation was minimal during stance phase. Lateral translation of 3.3 mm occurred at the swing phase.
Conclusions: The amount of the translation of tibia on the femur at the knee joint during walking could be useful information for the preoperative and postoperative evaluation of the patients with pathologic knees.
Key Words: Normal gait, Tibiofemoral joint, Translational movement, Gait analysis
※ 통신저자: 안 재 훈
대전광역시 서구 둔산동 1306 을지대학교 의과대학 정형외과학교실
TEL: 042) 611-3279 FAX: 042) 259-1289 E-mail: jhahn@eulji.ac.kr
� 본 논문은 2007년도 범석학술재단의 연구비의 지원을 받아 이루어졌음.
서 론
슬관절의 골격 구조는 편평한 경골 근위부에 실 린더 형태의 원위 대퇴골이 옆으로 놓여 있는 일 종의 경첩 관절이다. 슬관절의 기본 운동은 시상 면 상에서 일어나는 굴곡-신전이지만, 실제로는 관상면과 횡단면 상에서의 “구르기(rolling) 운 동”과“미끄러짐(gliding) 운동”이 포함된 3차원 적인 운동이다6). 특히 신전 말기 약 20。에서는, 대퇴골에 대하여 경골이 약 15。외회전 하며, 이 를 나사 회전 운동(screw home movement)이 라 한다. 나사 회전 운동이 일어나면 두 개의 십 자인대가 서로 꼬여서 긴장하게 되며, 슬관절을 이루는 대퇴골과 경골은 가장 안정된 위치로 잠기 게(locking) 된다.
십자인대가 손상된 슬관절은 이러한 잠김이 제 대로 이루어질 수 없기 때문에 병적으로 과도한 운동이 발생한다12-15). 슬관절에서 일어나는 운동 형태와 그 역학에 대하여 인공 혹은 생체 내 환경 에서 많은 연구가 이루어져 왔다. 불안정성이 있 는 병적 슬관절의 운동 역학을 알기 위해서는 우 선 정상 슬관절의 분석이 우선되어야 할 것이다4,5). 이에 본 연구는 정상인이 평지 보행을 하는 동안, 슬관절의 원위 대퇴골과 근위 경골간에 일어나는 병진 운동의 정도를 측정하고자 하였다.
대상 및 방법 1. 연구 대상
근∙골격계 질환의 과거 병력이 없고, 정상 보 행을 하며, 방사선 검사와 이학적 검사에서 특이 사항이 없는 정상 성인 남∙녀 각각 15명씩 총 30명을 대상으로 하였다. 대상군의 평균 신장은 남∙녀 각각 174.7 cm, 161.0 cm였으며, 평균 체중은 71.3 kg과 52.5 kg, 전체 평균 연령은 20.4세(18~25)이었으며, 남∙녀 각 군의 평균 연령은 각각 20.3세와 20.5세였다.
2. 연구 방법
1) 보행 검사의 방법
보행 검사는 6대의 Eagle 카메라 시스템 (Eagle system, Motion Analysis�, CA, USA)을 사용하였고, 동작 포착(motion cap- ture)의 횟수는 초당 120회(120 Hz)로 하였다.
자료의 처리는 Eva Real Time (Ver 4.2, Motion Analysis� CA, USA)과 Orthotrak (Motion Analysis�, Santa Rosa, CA, USA), Skeleton builder (SKB, Motion Analysis�, Santa Rosa, CA, USA)를 이용하
Fig. 1. Four markers around the knee joint. (A) 4 real markers were attached at the insertion sites of collateral ligaments. (B, C) Fluoroscopy was used for the attachment of markers.
B
A C
였다. SKB를 이용하여 두 개의 가상 표식자 (virtual marker)를 형성하고, 이 가상 표식자 간의 상대적인 움직임을 계산하도록 하였다.
수동적 반사 표식자(passive reflective marker)는 보행 분석 검사에서 가장 널리 이용 되는 Modified Helen-Hayes 방법에 의해 부착 하였고, 이외에 내∙외측 측부 인대가 부착하는 경골 근위부에 각각 표식자를 추가로 부착하였다 (Fig. 1A). 슬관절 주위, 즉 양측 대퇴골 과 및 경골 과에 부착하는 4개 표식자의 오차를 최소화 하기 위하여 C-형 영상 증폭기를 이용하여 부착 하였다(Fig. 1B, C). 이들 표식자는 연부 조직 이 풍부하지 않아 표식자와 피부간의 움직임이 적 으리라 예상하였고, 또한 피부에서도 쉽게 촉지 할 수 있는 해부학적 구조물이므로 비교적 일정하 게 부착할 수 있었다. 표식자를 부착한 피검자가 7 m의 포착 공간(Capture volume)을 보행하는 동안 움직임을 캡쳐했으며, 이 중 3회의 자료를 취합하여 평균 값을 구하였다. 보행 속도는 피검 자에게 편안한 속도로 걷게 하였다.
2) 자료 처리 및 분석
보행 분석으로 보행 선형 지수, 운동 형상학 자 료(kinematic data)와 슬관절에서는 일어나는 병진 운동 등을 구하였다. 보행 도중 일어나는 슬 관절의 병진 운동을 측정하기 위해, SKB를 이용
하여 2개의 가상 표식자를 대퇴골과 경골에 각각 설정하였는데, ① 대퇴 가상 표식자(α)는 원위 대 퇴 과간 절흔(intercondylar notch)의 중심에 생성하고, ② 경골 가상 표식자(β)는 근위 경골 극(tibial spine)에 생성하였다(Fig. 2).
먼저 기립위(standing posture)에서 전체 표 식자를 포착하여 좌표를 잡고, 이 좌표를 EvaRT 와 SIMM을 통해 각 분절(segment)에 입력 (registration of static marker set)한다. 그 후 가상 표식자(virtual marker)를 SKB 프로 그램으로 생성하는데(Fig. 2), 먼저 대퇴 가상 표식자(α)는 실제 표식자 a (원위 대퇴골 외측 상 과)와 b (원위 대퇴골 내측 상과)를 연결한 선의 이등분 점((a+b)/2)에 생성하였다. 경골 가상 표 식자(β)를 생성하기 위해 먼저 내∙외측 경골 과 (표식자 c, d)를 이은 선의 이등분 점(e)을 설정 한다(e=(c+d)/2). 이 이등분 점(e)에서 대퇴골 과 간 절흔의 중심에 설정된 α와 연결한 후, 점 e와 α의 중간 점에 경골 가상 표식자(β)를 생성하였다.
본 연구에서는 이렇게 생성된 두 개의 가상 표 식자의 상대적인 움직임(α대한 β의 움직임)을 관 상면, 시상면, 횡단면 상의 6개의 자유도(6 Deg- rees of freedom, DOF)로 측정하였다. 전∙후 방의 움직임은 X축, 상∙하의 움직임은 Y축, 내∙외측의 움직임은 Z축에 표시하였다.
Fig. 2. Generation of virtual markers. Using the 4 real markers around the knee, 2 virtual marker were generat- ed, one at the intercondylar notch of femur (α), and the other at the tibial spine (β).
결 과 1. 이학적 검사 및 보행 선형 지수
보 행 속 도 (walking velocity), 분 속 수 (cadence), 보장(step length), 활보장(stride length), 단하지 지지기(single support), 양하 지 지지기(double support), 발 들림시기(time of toe off) 등의 평균 값은 모두 정상 범위에 속 하였고, 남, 여간에 통계학적으로 의미있는 차이 는 없었다(Table 1).
2. 운동 형상학
대상군의 골반, 고관절, 슬관절, 족관절의 운동 형상학 결과의 평균 값은 정상 범위에 속하였고, 남, 여간에 통계적으로 의미있는 차이는 없었다.
다만 고관절의 외전이 정상보다 평균 약 3도 정도 증가하였다.
3. 병진 운동의 정도
한 개의 보행 주기 동안 가상 표식자 α대한 β 의 움직임을 그래프(Fig. 3)로 표시하였다. 그래 프의 각 꼭지점은 축과 나타난 순서대로 표기하였 다. 전-후방 병진 운동(X축 그래프(Fig. 3A))의 α에 대한 β의 상대적인 좌표 값은 최초 접지기 (initial contact, Tx1)에 전방 평균 1.4 mm, 하중 반응기(loading response, Tx2)에 후방 평 균 2.6 mm, 중간 입각기(midstance, Tx3)에 평균 -0.6 mm, 최초 유각기(initial swing, Tx4)에 후방 평균 13.7 mm였다.
상-하 병진 운동(Y축 그래프(Fig. 3B))은 β의 Table 1.Results of linear parameters
Parameter Male Female
Walking velocity (cm/s) 128.8 126.8
Cadence (steps/min) 115.1 126.3
Step length (cm) 167.4 162.4
Stride length (cm) 134.7 124.9
Single support (% cycle) 140.2 136.8 Double support (% cycle) 119.7 126.4 Time of toe off (% cycle) 159.9 163.2
Fig. 3. Mean translational movement during one gait cycle. Red lines denote means of each translational move- ment. Green broad lines denote the ranges of 2 SD of each translational movement.
A B
C D
좌표가 위로 움직일 때 슬관절은 압박(compres- sion)되고, 아래로 움직일 때 슬관절은 신연(dis- traction) 된다. Ty는 세 번에 걸쳐“신연-압박”
이 반복되는 모습을 보였다. 입각기의 처음 단하 지 지지기(single support period)에 Ty1 (평균 2.5 mm)에서 Ty2 (평균 7.3 mm)로 신연이 일 어났다. 양하지 지지기(double support period) 동안 전반부에서는 Ty2 (평균 7.3 mm)에서 Ty3 (평균 1.8 mm)로 압박이, 후반부 동안은 Ty3 (평균 1.8 mm)에서 Ty4 (평균 9.6 mm) 로 신연이 일어났다. 입각기의 두 번째 단하지 지 지기(single support period)와 초기 유각기 동 안 가속이 일어나는 시기(acceleration phase) 동안은 Ty4 (평균 9.6 mm)에서 Ty5 (평균 3.0 mm)로 압박이 일어났다. 가속이 끝나고 등가속 도 운동이 일어나는 중간 유각기 동안 Ty5 (평균 3.0 mm)에서 Ty6 (평균 10.3 mm)로 신연이 일어났다. 유각기의 후반에 감속이 일어나는 동안 신연된 경골은 다시 원위치로 돌아가면서 압박되 었다(Ty7=0.4 mm).
Z축에서의 β의 내∙외측 움직임(Fig. 3C)은 전 체적으로 입각기 동안 중립 위에 있었고, 유각기 동안 외측으로 이동하였다. 각 축 값을 피타고라 스 정리에 의해 계산한 3차원 상 두 점간의 거리 변화(Fig. 3D)는 D1에서 평균 4.5 mm, D2에 서 평균 8.4 mm, D3에서 평균 2.9 mm, D4에 서 평균 10.04 mm, D5에서 평균 17.6 mm, D6에서 평균 3.4 mm로 측정되었다.
고 찰
경골-대퇴골 관절의 운동은 6개의 자유 각도 운 동으로 인식될 수 있다. 즉, 3개의 회전 운동(내 회전-외회전, 내전-외전, 굴곡-신전)과 3개의 병 진 운동(전방-후방 병진, 내측-외측 병진, 신연/
압박)이 있다8). 대퇴골을 기준으로 하여 경골의 움직임을 연구하려는 시도는 여러 학자들에 의해 이루어져 왔다1,2,10,16). 보행과 같은 생리적 운동의 계측과 정해진 운동을 반복하면서 그 운동을 계측 하는 기계적 계측 연구가 있으며, 보행은 평지 보 행, 계단 오르기, 속보, 달리기, 러닝 머신에서 달리기 등으로 측정의 환경을 달리할 수 있다. 방
법적으로는 크게 침습적인 방법과 비침습적인 방 법으로 분류된다. 비침습적인 방법은 동영상, 방 사선, 전자 각도 측정기(electrogoniometer)
11,17)
, 광학 추적 장치를 이용하는 방법들이 있고, 침습적인 방법은 이런 비침습적 계측의 오차를 줄 이기 위하여 생체에 K-강선 등을 삽입하고 이를 추적하는 방법들이 시도되었다.
생체에서 보행 동안의 병진 운동을 측정하려면, 측정하기 위한 부위에 직접 표식자를 부착하고 측 정하는 것이 가장 정확한 방법일 것이다. 이런 노 력의 일환으로 인체에 직접 핀(intracortical pins)을 삽입하고 측정하는 많은 연구들이 있었다
7,9). 이런 침습적인 가장 최근의 연구로 Lafor- tune et al 등9)이 한 연구가 있다. 5명의 건강한 지원자를 대상으로 근위 경골과 원위 대퇴골, 슬 개골에 3.2 mm의 스타인만 핀을 삽입하고, 각 핀에는 90도 각도로 가지가 뻗어 있는 3개의 표 식자(target clusters)를 부착하고, 스타인만 핀 의 끝 부분에는 하나의 구를 더 부착하였다. 이들 의 연구 결과는 본 연구 결과와 상당히 유사하다.
Cereatti 등3)은 비침습적이면서도 정확도를 높이 기 위해, 분절의 표식자 숫자를 12개까지 늘려서 (pointer cluster technique), 이들 표식자를 VICON 장비를 이용하여 광학 추적하여 결과를 얻었다.
본 연구는 비침습적인 방법으로 정량적인 측정 이 가능한 3차원 운동 포착 기법(3-D motion capture technique)을 이용하였으며, 이상의 연 구와는 달리 소프트웨어를 이용한 가상 표식자의 생성을 통해 결과를 얻었다. 이들 연구와 본 연구 에서 가장 중요한 자료는 전후방 십자인대의 기능 과 관련이 있는 전-후방 병진 운동(Tx)이다. 본 연구에서 전-후방 병진 운동은 운동 형상학 그래 프의 시상면 상의 움직임과는 상∙하 거울상을 보 였다(Fig. 3A). 슬관절의 주 운동 면인 시상면 상의 굴곡-신전의 정도가 전-후방 병진 운동에 직 접적인 관계가 있음을 시사한다고 사료된다. 입각 기에 전-후방 이동이 가장 많았던 지점은 하중 반 응기(후방 2.6 mm)였고, 유각기 동안에서는 슬 관절 최대 굴곡(peak knee flexion, 후방 13.7 mm) 지점이었다. 병적으로 전방 십자인대가 손 상된 경우 입각기에 전방 전위가 일어나는 시점인
중간 입각기 동안(Tx2-Tx3 구간)이 위험 구간으 로 예상되며, 후방 십자 손상의 경우에는 입각기 에 전방 전위가 일어나는 시점인 하중 반응기 (Tx1-Tx2 구간)이 위험 구간으로 예상된다. 또 한 가장 큰 병진 운동을 보이는 유각기의 슬관절 최대 굴곡에 환자는 갑자기 관절이 빠지는 느낌이 들 수도 있으리라 사료된다. 하지만 최대 유각기 의 슬관절 굴곡은 대퇴 신전근이 제어하는 수동적 굴곡이므로, 대퇴 신전근의 재활 치료가 잘 된 경 우에는 중력과 신전근의 작용으로 후방 전위가 과 도하게 일어나지 않도록 제어할 수도 있으리라 사 료된다.
Y축 상의 움직임은 3회 계속되는 상-하 움직임 을 보였는데, 이는 입각기 동안은 체중 부하의 정 도를 반영하고, 유각기 동안은 가속과 감속의 정 도를 반영한 것으로 사료된다. Z축에서는 입각기 동안 중립 위에 있었고, 유각기 동안 외측으로 이 동하였다. 입각기 동안 하지는 유각기의 하지 무 게로 인해 전체적으로 외적 내반 모멘트(exter- nal varus moment)가 걸려 있게 되며, 입각기 에서 유각기로 진입하면서, 이 외적 모멘트가 해 소되며, 이에 따른 연부 조직의 수동적 되튐(pas- sive rebounding)에 의해 유각기 동안 외측 병 진(lateral translation)이 일어나는 것으로 사료 되며, 이 구간은 근육에 의한 조절이 없이 일어나 는 수동적 현상이므로 특히 개인차가 컸다. 하중 반응기 동안의 후방 전위의 정도(Tx2)는 Lafor- tune 등9)의 측정치가 3.6 mm, Cereatti 등3)의 측정치가 약 5 mm, 본 연구의 측정치가 2.6 mm였다. 중간 입각기의 마지막 점(Tx3)은 Lafortune의 측정치가 1.3 mm, 본 연구의 측 정치가 0.6 mm로, 두 구간의 차이는 Lafor- tune의 경우 2.3 mm, 본 연구에서는 2.0 mm 로 측정되어 매우 유사하였다. 유각기 동안 슬관 절 최대 굴곡과 더불어 최대 후방 전위(Tx4)가 일어났는데, Lafortune 등의 측정치는 14.4 mm, Cereatti 등의 측정치는 약 22 mm, 본 연구의 결과는 13.7 mm이었다.
본 연구의 가장 큰 제한점은 표식자(실제 및 가 상)에 의한 오차라고 할 수 있다. 실제 표식자 부 착은 Helen-Hayes marker set 외에 가상 표식 자 생성을 위한 2개의 추가 표식자를 부착하였다.
표식자 부착의 오차를 최소화하기 위하여 C-arm 을 사용하였지만, 표식자 부착 자체가 안고 있는 문제인 해부학적 개인차를 이론적으로 완전히 극 복하기는 어렵다. 또한 표식자와 피부 사이에서 일어나는 움직임은 표식자 추적 시에 에러로 나타 날 소지가 있으며, 추적 장비의 오차 범위가 1/1000 mm라고 할지라도, 피사체가 이 범위 이 상에서 움직여 오차를 유발한다면 그 해상도는 이 보다 덜 정밀해야 할 것이다. 또한, 가상 표식자 생성을 위해 MRI의 계측을 통해 수식을 만들었 지만, 이 또한 해부학적 개인차를 극복할 수는 없 다. 이러한 피할 수 없는 오차에도 불구하고, 본 연구는 두 분절 간의 상대적인 움직임을 측정하였 기에, 표식자에 의한 오차를 상당 부분 해소할 수 있었을 것으로 사료된다.
결 론
본 연구는 정상 성인에서 보행 도중에 대퇴-경 골 관절의 병진 운동을 측정하여 다음과 같은 결 과를 얻었다.
1. 전∙후방 병진 운동은 슬관절이 굴곡할 때 대퇴골에 대해 경골의 후방 전위가 일어나며, 하 중 반응기에 2.6 mm, 초기 유각기의 슬관절 최 대 굴곡 시에 13.7 mm의 후방 전위가 일어났다.
2. 상∙하 병진 운동은 세 번의 신연을 보였으 며, 처음 단하지 지지기에 7.3 mm, 양하지 지지 기의 말기에 9.6 mm, 중간 유각기에 10.3 mm 로 측정되었다.
3. 내∙외측 병진 운동은 입각기 동안은 거의 움직임이 없었으며, 유각기에 3.3 mm의 외측 병 진 운동을 보였다.
향후 슬관절의 병진 운동에 관한 연구가 임상적 인 의의와 연관 짓기 위해서는 가상 표식자를 전, 후방 십자인대 부착부에 생성하여 측정하는 연구 가 필요하리라 사료된다.
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