3차원 운동 분석 기법을 이용한 견관절 운동의 계측

Volume 15, Number 1, June, 2012

※ 통신저자: 이 상 민

대전시 서구 둔산2동 1306번지 을지대학교 의과대학 정형외과학교실

TEL: 042) 611-3271 FAX: 032) 259-1289 E-mail: smlee@eulji.ac.kr 접수일: 2012년 2월 14일, 게재확정일: 2012년 6월 20일

*본 연구는 범석학술재단의 후원으로 진행되었음.

3차원 운동 분석 기법을 이용한 견관절 운동의 계측

을지대학교 의과대학 정형외과학교실

김하용∙이상민∙이상기∙이광원∙김준면∙최원식

= Abstract =

Measurement of the Shoulder Motion Using 3-D Motion Capture Technique

Ha-Yong Kim, M.D., Sang Min Lee, M.D., Sang Ki Lee, M.D., Kwang-Won Lee, M.D., Choon Myeon Kim, M.D., Won-Sik Choy, M.D.

Department of Orthopedic Surgery, Eulji University College of Medicine, Daejeon, Korea

Purpose: Measurement of scapular motion as a component of shoulder motion is clinically limited. The pur- pose of this study was to measure the scapulothoracic motion and glenohumeral motion separately using the 3- D motion capture technique.

Materials and Methods: Twelve healthy adult male volunteers (Mean age: 28 years) without any history of shoulder pathologies were included for the study. Shoulder motions in 3 planes -forward flexion, abduction in scapular plane and abduction in coronal plane- were measured in 3-dimensions. And we estimated skin slip- page of optical markers according to the flexion of the shoulder using ultrasonography.

Results: During forward flexion, abduction in scapular plane and abduction on coronal plane, scapula showed upward rotation, external rotation and posterior tilting. Especially, during abduction on coronal or scapula plane, scapula was upwardly rotated and posteriorly tilted in linear fashion. The scapulo-humeral rhythm was 6.7:1 in whole range of abduction on the coronal and scapular plane. Estimated skin slippage of the marker on the inferior angle of scapula was 4.3±1.7 cm and bigger than those of other markers.

Conclusion: This study failed to get a useful data of shoulder motion due to marker position which did not reflect scapula motion actually. But this trial could be a help for the future study, as this study suggested the possibilities of 3-D motion capture technique for the measurement of shoulder motion.

Key Words: Shoulder motion, Scapulothoracic motion, Glenohumeral motion, 3-D motion capture tech- nique

서 론

견관절은 흉곽, 쇄골, 견갑골과 상완골 간의 적 절한 관절을 통해 조화로운 운동이 일어나며, 이 중 어느 한 관절의 병변은 해당 관절 뿐만 아니 라, 인접 관절의 작용에 영향을 미치기도 한다.

병변의 성격에 따라 견관절은 전체적인 운동이 감 소하여 강직 되거나, 불안정하여 오히려 수동적 운동 범위가 증가되거나, 통증을 동반하게 되며, 이런 현상의 결과로 근력이 약화되고, 지구력이 감소하여 기능 제한을 초래하게 된다⁹⁾.

견관절의 중간 구조물인 견갑골은 흉곽과 상완 골 사이에 위치하여, 견갑골-흉곽 관절(scapu- lothoracic articulation)과 관절와-상완 관절 (glenohumeral joint)을 이룬다. 이 중 견관절 운동의 주된 부분을 차지하는 관절와-상완 관절은 임상에서 흔하게 다루어지며, 견관절 운동 그 자 체와 혼용되기도 한다. 반면 견갑골-흉곽 관절은 관절막-활막 조직-연골 등으로 이루어진 전형적인 활액 관절은 아니며, 대신 근육과 건 등으로 이루 어졌으며, 관절와-상완 관절 운동의 안정적인 기 저를 제공할 뿐 아니라, 분절(흉곽과 견갑골) 간 의 활주(gliding) 운동을 통해 견관절 운동의 일 부분을 담당한다. 흉곽에 대한 견갑골의 운동은 저자마다 분류에 이견이 있지만 상방-하방 회전 (upward-downward rotation), 내-외 회전 (internal-external rotation), 전-후방 경사 (anterior-posterior tilting) 등으로 이루어진 3 차원 회전운동이다⁸⁾.

기존에는 이러한 견갑골 운동의 이상(scapular dyskinesia)을 진단하기 위해 2차원적인 방사선 사진 및 피부 표면 거리를 측정하는 방법 등이 사 용되었으며⁴⁾, 실제 임상에서 이런 방법을 이용하 여 평가하는데 많은 제약이 있다. 이에 저자들은 정상 성인에서 3차원 동작 분석 기법으로 견갑골 의 위치 변화를 추적하여 견관절 운동(shoulder motion)을 견갑골-흉곽 운동(scapulothoracic motion), 관절와-상완 운동(glenohumeral motion)으로 분리하여 측정하고자 하였으며, 또 한 초음파를 이용하여 본 분석 방법의 적절성을 확인하고자 하였다.

대상 및 방법

근골격계 병력 상 특이 사항이 없었으며, 진찰 소견 상 관절 운동과 근력이 정상이고, 단순 방사 선 검사 상 양 견관절에 변형이나 질환이 없이, 자발적으로 연구에 참여한 성인 남자를 연구 대상 으로 하였다. 참여 대상자에 대하여 정형외과 전 문의가 양측 견관절의 이학적 검사와 관절 운동 범위를 측정하였고, 견관절의 양측 전후방 및 액 와 측면 방사선 사진을 촬영하였다. 선정된 대상 군은 12명의 성인 남성으로 평균 연령은 30세(범 위, 27~34세), 평균 신장은 175 cm(범위, 168~185 cm), 평균 몸무게는 78 kg(범위, 65

~90 kg) 이었다.

피검자의 견관절 운동은 광 추적 장치(optical tracking device)에 의한 3차원 운동 분석 검사 기법(3-dimensional motion capture tech- nique)으로 측정하였다. 검사 동안 피검자는 7 m 의 포착 공간(capture volume) 내의 의자에 앉 도록 하였으며, 양측 견관절을 동시에 움직이게 하였고, 속도는 본인이 선택한 편안한 속도로 움 직이게 하게 하였다. 운동 포착(motion cap- ture)은 6대의 CCD 카메라(Eagle system, Motion analysis^�, CA, USA)를 이용하였고, 카메라는 1초당 120 frame의 속도로 각 표식자 의 움직임을 추적하였다. 카메라의 광인식 표식자 의 측정 오차는 1 mm 미만으로 설정하였다.

견관절 운동을 측정하기 위한 수동적 반사 표식 자(passive reflective marker) 부착 위치는 아 직 연구실 마다 다양한 부착 위치를 사용하기 때 문에 정해진 방법은 없는 실정이다. 본 연구에서 는 정수리, 양측 전상장골극 및 천골에 부착하여 체간 분절(trunk segment)을 형성하였고, 견갑 골의 내측각(medial angle) 및 하각(inferior angle) 및 견봉에 부착하여 견갑골 분절(scapu- lar segment)을 형성하였고, 견봉과 상완골의 외과 및 내과에 부착하여 상완 분절(humeral segment)을 형성하였다(Fig. 1). 양측 전상장골 극과 천골의 중간 지점과 정수리를 이은 선을 인 체의 가상 중심으로 정하였고^1,6), 견갑골 분절을 캡쳐하기 위한 본 연구의 표식자 부착 위치는 가 급적 서로 간에 산재해 있고, 피부 표면에서 해당

골 부분을 잘 촉지 할 수 있는 구조물로 정하였 다. 따라서 삼각형인 견갑골의 각 꼭지점에 해당 하는 내측각(medial angle) 및 하각(inferior angle) 및 견봉에 부착하였다.

피검자에게 세 방향 -외전(abduction: ABD), 전방 굴곡(Forward flexion: FLX), 견갑골 면 상의 외전(Abduction on the scapular plane:

SAB) (Fig. 2)- 으로 어깨를 움직이게 하였다.

차려 자세로 시작하여, 일정한 속도로 상지를 거 상하여, 정점(상완이 귀에 닿을 때)에 도달 한 후 다시 상지를 하강하여 시작 점으로 도달할 때 까 지를 한 주기(cycle)로 하였고, 본 연구에서는 한 주기의 전반부인 거상 시기의 운동을 각각 3회 측 정한 평균값을 구해 분석 하였다.

자료의 처리는 EvaRT version 4.2(Motion Analysis^�, CA, USA) 소프트웨어를 이용하였 으며, 견갑골의 내측각과 하각을 이은 선을 x축으 로 하고, 내측각과 견봉을 이은 선을 y축으로 하 고, 견갑골 면에 수직인 전방 축을 z축으로 하였 다. 따라서 견갑골의 운동은 x축의 양의 값이 상 방 회전(upward rotation on the coronal plane), y축의 양의 값이 내회전(internal rotation on the transverse plane), z축의 양 의 값이 전방 경사(anterior tilt on the sagit- tal plane)로 표시되었다(Fig. 1).

각 표식자는 피부에 부착하기 때문에 피부와 골 사이의 움직임으로 인한 오차(표식자 오차, marker error)가 발생하게 되고 이는 3차원 운 동분석 결과에 영향을 주게 된다. 각 표식자는 적 정한 간격과 면으로 산재해 있어야, 광학 추적과 후 처리가 쉽지만, 해당 부착 위치에서 골-피부간 움직임이 너무 많아 표식자 오차 값이 너무 큰 경 우에는 적절한 표식자 부착 위치로 삼을 수 없으 며, 다른 부착 위치를 찾아야만 원하는 결과를 얻 을 수 있다.

검사 시에 각 골성 구조물을 중립위에서 촉지하 Fig. 1. Attachment of passive reflective marker and motion of scapula. Passive reflective markers

were attached (A) to reconstruct trunk, scapula and humeral segment (B). 3 DOF was set to designate the upward rotation on the coronal plane as a motion on the x-axis, internal rotation on the transverse plane as a motion on the y-axis and anterior tilt on the sagittal plane as a motion on the z-axis (C).

A B C

Fig. 2. Scapular motion was captured during arm eleva- tion in 3 planes- forward elevation, abduction on the scapular plane and abduction.

여 표식자를 부착하게 되는데, 견관절을 점차 외 전함에 따라 피부와 골 구조물간에 움직임이 발생 하여 표식자는 그 구조물의 표면이 아닌 다른 곳 에 놓이며, 그 정도는 각 골 구조물마다, 그리고 외전의 정도에 따라 달라진다. 본 연구는 각 표식 자 별로 피부와 표식자 간에 일어나는 오차 범위 를 초음파로 측정하였다. 초음파는 6개월 이상 초 음파 경험이 있는 정형외과 전문의가 시행하였다.

먼저 본 연구에서 사용된 표식자 부착 위치 외에 도 향 후 표식자 부착이 가능한 해부학적 골성 지 형 지물을 선정하였으며, 이들로는 오구돌기 (coracoid process), 견봉쇄 관절(acromioclav- icular joint), 견봉(angle of acromion), 내측 각(medial angle of the scapula), 하각(infe- rior angle of the scapula) 등 이었다.

견관절의 4 위치(0。, 30。, 60。, 90。및 최대 외전)에서 각각의 골성 구조물의 위치를 초음파 로 찾아, 펜으로 표시하였다. 그리하여 피부 위에 표시된 각 점들이 중립위(0。외전)로부터 얼마나 떨어져 있는지를 측정하였다. 피검자는 각 5인으 로 하였다. 초음파 검사는 Philips iU22 scan- ner (Philips Medical Systems, Andover, MA)의 12-MHz linear array transducer를 사용하였다.

결 과

시작점인 차려 위치(static)에서 인체의 가상 중심선에 대한 견갑골의 내연(x축)은 평균 15。

상방 회전, 견갑골 면은 평균 48。내회전(y축), 전방으로 평균 12。경사(z축)되어 있었다. 150。

거상 시 견갑골의 위치는 상방 회전 평균 20。, 외 회전 평균 8。, 후방 경사 평균 19。를 나타내었다 (Fig. 3). 견갑골의 상방 회전은 외전 및 견갑골 면에서의 외전 시에 거의 같은 운동 형태를 보였 으며, 운동 시작에서부터 최종 운동 시까지 정비 례(기울기: 0.127)하는 직선형의 운동 형태를 보 였으며(Fig. 3A), 체간에 대한 상완골 운동 (shoulder motion)과 견갑골에 대한 상완골의 운동(glenohumeral motion)도 정비례의 직선 을 보였다. 본 연구에서 견갑골-흉곽 관절은 전체 견관절이 150。외전 될 때, 평균 19。(20。, 견갑 골 면에서의 외전) 상방 회전 운동하였다. 즉, 견 관절 외전이 일어나는 동안, 견갑골-흉곽 관절에 서는 전체의 13% 외전이 일어났고, 반면 견갑골- 상완골 관절에서는 나머지 87%의 외전이 일어났 으며, 이는 견갑 상완 리듬(scapulohumeral rhythm)은 약 6.7:1의 비율을 보이는 것을 의미 한다(Fig. 4). 반면 전방 거상(굴곡)을 하는 동안 의 견갑골 상방 회전은 운동 초기와 후기에 상대 적으로 많은 운동을 보이는 S자 형태의 곡선 운동 을 보였고, 150。전방 거상 시 평균 18。상방 회 전 운동하였다.

견갑골의 외회전은 90。미만의 상완 거상 시에 는 전방 거상 -견갑골 면상의 외전-외전의 순으로 증가하였다(Fig. 3B). 외전을 하는 동안은 견관 절의 90。거상 시 평균 9。의 최대 외회전을 보인 후, 다시 내회전 하여 150。의 거상 시 평균 5。의 외회전을 보이는 곡선형의 운동 형태를 보였다.

견갑골 면을 따라 외전을 하는 동안에는 견관절 130。거상 시에 평균 11。의 최대 외회전을 보인 후, 다시 내회전 하여 150。거상 시 평균 6。의 외

Fig. 3. (A-C) Scapulothoracic and glenohumeral motion during shoulder elevation on the 3 planes- forward elevation, abduction on the scapular plane and abduction.

A B C

회전을 보이는 곡선형의 운동 형태를 보였다. 전 방 거상을 하는 동안에는 견갑골의 외회전은 운동 초기와 중기에는 거의 일어나지 않다가, 거상 125。이후에 급작스런 외회전이 일어났다.

견갑골의 후방 경사는 90。미만의 상완 거상 시 에는 외전 - 견갑골 면상의 외전 - 전방거상의 순 으로 증가하였다(Fig. 3C). 이는 운동이 일어나 는 면에 따라 생기는 후방 연부 조직의 긴장도를 반영하는 것으로 사료된다. 외전을 하는 동안은 운동 시작에서부터 최종 운동시 정비례하는 직선 형에 가까운 운동 형태를 보이면서 150。거상 시 평균 16。의 후방 경사를 보였다. 견갑골 면을 따 라 외전을 하는 동안에도 유사한 형태를 보였고, 150。거상 시 평균 18。의 후방 경사 운동하였다.

전방 거상을 하는 동안에는 견갑골의 후방 경사는 운동 초기와 후기에 많은 운동을 보이고, 중기에 는 운동 변화가 거의 없는 형태를 보였으며, 150。

전방 거상 평균 17。의 후방 경사 운동하였다.

초음파로 확인한 견관절 굴곡 각도에 따른 표식 자 위치의 변화는 오구돌기, 견봉쇄 관절, 견봉, 내측각에서는 0.5 cm에서 1.7 cm으로 크지 않 았으나 견갑골 하각에서는 4.3 cm으로 매우 큰 값을 보였다(Table 1).

고 찰

견관절 운동의 3차원적 이해는 운동 관련 이상 을 이해하는데 기초가 된다. 그러나 견관절은 여 러 분절이 링크된 관절로, 운동 범위가 넓고, 운 동이 일어나는 형태나 기전에 대한 이해가 부족하

고, 이를 측정하고 분석하는 것도 논란이 많은 형 편이다. 현재까지의 많은 연구들이 주로 정적인 상태(static position)에서 견관절의 운동을 측정 - 분석하였고, 3차원 상에서 실시간(real time)으 로 동적인 운동을 분석하는 데는 한계가 있었다.

견관절 운동을 측정하고 분석하는 데는 중간 링 크인 견갑골의 움직임을 측정하는 것이 가장 중요 한 부분이며, 또한 쉽지 않은 부분이다. 견갑골은 관절와 - 상완 관절 운동으로 대표되는 견관절 운 동의 안정적인 기저를 제공하며, 이는 견갑골 - 흉곽 관절의 정적 및 동적 안정성을 통해 이루어 진다. 정적 안정성은 견갑골의 해부학적인 구조 및 인대 등의 역할로 이루어진다. McClure 등은 견갑골의 외회전을 완전 거상시의 관절와 상완 운 동의 외회전의 필요성을 감소시기키 위함으로 추 정하였다⁵⁾. 만약 견갑골의 운동이 없다면 관절와 상완 관절의 과도한 운동이 필요할 것이고, 이는 관절낭의 이완 및 불안정성을 유발할 것이다. 해 부학적으로 견갑골은 전방으로 약 30。 회전 및 20。전방 경사되어 있으며 하각(inferior pole)은 약 3。벌어져 있다. 본 연구에서 표식자를 내측 각, 하각, 견봉에 부착하여 차려(static) 상태에 서 인체의 가상 중심선에 대한 견갑골의 내연은 평균 15。상방 회전, 평균 48。내회전, 전방으로 평균 12。경사되어 있었다.

본 연구는 연속적 견관절 운동을 3차원적으로 측정하였다. 견갑골의 외회전은 3개의 운동 마다 형태에 차이를 보였으며, 150。거상 시에는 동일 한 8。의 외회전을 보였다. 이는 다른 연구들도 유사한 결과를 보고하였다. 후방 경사의 경우에 도 3개의 각 운동 마다 차이가 있었으며, 150。

거상 시에는 19。의 후방 경사를 보였다. 다른 연 구에서는 직선형의 유사한 운동 형태를 보고한 Fig. 4. Scapulohumeral rhythm during abduction was

6.7:1.

Table 1. Errors due to slippage of markers on the skin around shoulder

Anatomic landmark Error due to slippage

Coracoid process 1.5±1.2 cm

Acromioclavicular joint 1.7±1.5 cm

Angle of acromion 0.5±0.6 cm

Medial angle of scapula 1.1±0.9 cm Inferior angle of scapula 4.3±1.7 cm

바 있다^3,10).

반면 본 연구에서 다른 연구들과 가장 큰 차이 를 보인 것은 상방 회전, 즉 견갑-상완 리듬이었 다. 학자들 사이의 연구에 차이는 있지만, 견갑 - 상완 리듬은 2:1 정도로 알려져 있다. Poppen 등의 방사선학적 연구에서 30。이상의 견갑골 면 에서의 외전 시 관절와-상완, 견갑골-흉곽 관절의 운동비(glenohumeral: scapulothoracic)가 5:4를 나타낸다고 하였고, 전체적으로는 2:1의 비율을 나타낸다고 하였다⁷⁾. McClure 등은 견갑 극(scapular spine)에 골 핀을 삽입 후 운동 센 서를 부착하여 시행한 3차원적 검사에서 견갑골 외전 시 상방 회전 50。, 후방 경사 30。, 외회전 24。운동한다고 하였으며, 관절와 상완, 견갑 흉 곽 관절의 운동비가 1.7:1을 보인다고 하였다⁵⁾. 문헌을 고찰해 보면, 견갑-상완 리듬은 저자에 따 라 1.25~3.2 등으로 보고되고 있는데, 견갑 상 완 리듬이 측정자간 서로 다른 이유는 측정 방법, 상완 거상 시와 하강 운동에서의 차이, 운동 속 도, 표식자의 위치, 프로그램의 알고리즘, 좌표계 의 차이에 의한 것 등이 지적되고 있다. 일반적으 로 골에 직접 핀을 삽입한 연구보다 비침습적 연 구에서 견갑골-흉곽 관절의 움직임이 다소 작게 측정되는 경향이 있다고 알려져 있다^2,11).

본 연구에서는 견갑-상완 리듬이 6.7:1의 비율 로 나타났다. 이는 비침습적 연구라 하더라도, 다 른 저자들의 연구와 큰 차이를 보이는 결과이다.

본 연구에서 피부 하에서 잘 만져지고 견갑골의 위치를 가장 잘 반영할 수 있는 내측각, 하각, 견 봉에 표식자 위치를 정하였지만 피부에 부착하는 표식자는 측정하고자 하는 운동이 일어나는 동안 표식자-피부-골 간에 괴리가 발생하여 측정 오차 가 발생하게 된다. 본 연구에서 초음파로 확인한 표식자 위치는 견관절 거상 정도에 따라 견봉, 내 측각에서는 1 cm 안팎의 오차를 보였으나 하각에 서는 평균 4.3 cm의 큰 오차를 보여 주었다. 실 제로 하각의 영향을 제한적으로 받게 되는 후방경 사 및 외회전은 기존의 연구와 유사한 결과를 보 였고 하각의 영향을 많이 받는 상방회전은 기존의 연구와 큰 차이를 보여 주었다. 즉, 본 연구에서 사용한 견관절 3차원 분석 방법은 견갑골의 후방 경사 및 외회전 정도를 측정하는데 있어서는 의미

가 있으나 상방회전을 측정하는 데는 제한점이 있 다. 하각 표식자의 측정 오차를 극복하기 위한 방 법으로 하각의 표식자를 상방 회전 데이터 처리 할 때 제외하고 다른 표식자를 이용하는 방법을 고려할 수 있다. 본 연구에서 초음파로 측정한 표 식자 위치의 오차 결과에서 볼 수 있는 것처럼 오 구 돌기나 견봉쇄 관절 표식자의 측정 오차가 작 으므로 하각 표식자 대신에 오구돌기와 견봉쇄 관 절의 표식자를 사용하는 것도 대안이 될 수 있을 것이다.

결 론

견관절 관절 운동의 3차원적 측정은 견관절을 이해하고 병리를 이해하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 본 연구에서 광인식 표식자를 이용하여 비 침습적으로 견관절 운동을 측정하고자 시도하였 고, 견갑골의 세 꼭지점에 표식자를 부착한 본 연 구는 견갑골 하각의 피부 표식자가 견관절 운동시 하각의 상방 회전을 구현하지 못하여 정상적인 인 체의 동적 검사를 구현하는데 부분적인 제한점을 보였다. 이런 제한점을 극복하기 위하여 향후에 있을 후발 연구에서는 하각의 표식자를 상방 회전 데이터 처리 할 때 제외하고 대신에 오구돌기나 견봉쇄 관절과 같은 다른 표식자를 이용하는 것이 타당할 것이다.

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