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인간 관절의 운동역학
The Biomechanics of the Human Skeletal Articulations
학습 목표
• 구조와 움직임 능력을 기반으로 관절을 분류할 수 있다.
• 관절연골과 섬유연골의 기능을 설명할 수 있다.
• 관절결합조직의 물질적 특성을 기술할 수 있다.
• 관절의 안정성과 유연성에 기여하는 요인을 구분할 수 있다.
• 관절의 유연성을 증가시키거나 유지를 위한 여러 접근 방법의 장점과 단점을 설명할 수 있다.
• 관절 손상과 병리와 관련하여 운동역학적 기여에 대해 설명할 수 있다.
도입 글
• 인체의 관절은 신체분절의 움직임을 가능하게 한다.
• 대퇴, 무릎, 발목과 같은 관절의 해부학적 구조는 사람마다 별 차이가 없다.
• 그러나, 주위 연부 조직의 상대적 치밀함(tightness) 이나 느슨함(laxity)에 차이가 있으면 관절운동범위에 차이가 생긴다.
• 본 장은 관절의 안정성과 유연성의 개념, 관절의 부상 가능성, 관절 기능의 운동역학적 측면에 대해서 다룰 것이다.
관절 구조
• 용어:
– 관절연골(Articular Cartilage)
• 가동관절의 하얀 치밀 결합조직으로 된 보호성 층 – 관절낭(Articular Capsule)
• 윤활관절을 감싸고 있는 이중의 층으로 된 막 – 점액(Synovial Fluid)
• 윤활관절의 관절낭 안의 맑고 노란색의 유체 – 관절섬유연골(Articular Fibrocartilage)
• 관절뼈 사이의 연부조직 디스크 또는 반월판
관절의 분류
• 움직이지 못하는 관절
– 부동관절(Synarthroses)
• 봉합(Sutures)
• 인대결합(Syndesmoses) :
• 약간 움직이는 관절
– 연골성관절(Amphiarthroses)
• 연골결합(Synchondroses)
• 섬유연골결합(Symphyses)
관절의 분류
• 자유롭게 움직이는 관절
– 가동관절(Diathroses) 또는 윤활관절(synovial)
• 활주(Gliding) 관절
• 접번 또는 경첩(Hinge) 관절
• 회전축 또는 차축(Pivot) 관절
• 과상 또는 타원(Condyloid) 관절
• 안장(Saddle) 관절
• 구상 또는 절구(Ball and socket) 관절
윤활 관절
• 회전축의 수에 따라 분류
• 관절 운동 능력은 자유도(degree of freedom, df)로 기술:
– 일축성: 하나의 축, 하나의 자유도 – 이축성: 두 개의 축, 두 개의 자유도
– 삼축성: 세 개의 자유도, 세 개의 자유도
• 윤활관절과 관련된 두 가지 윤활구조 – 점액낭(Bursae)
– 건초(Tendon Sheaths)
관절 연골
• 보호적 윤활작용을 하는 특수한 유형의 촘촘하고 하얀색의 결합조직
– 두께 : 1-5 mm
– 가동관절에서 관절 뼈의 끝을 둘러 쌈
• 목적
1) 관절 사이의 스트레스 양의 감소
2) 마찰과 마모를 최소화 시킴으로써 관절
움직임을 가능하게 함
관절 섬유연골
• 반월판의 형태
• 역할:
– 관절 표면의 부하를 분산 – 관절 표면의 결합 증진
– 하나의 뼈가 다른 뼈 위에서 미끄러지거나 이동하는 것을 제한
– 관절 표면 보호 – 윤활 작용
– 충격 흡수
관절 결합 조직
• 건(Tendons)과 인대(Ligaments) – 콜라겐과 탄성섬유로 구성 – 수축하지 않는 수동적 조직
– 탄성한계 이상으로 늘리지만 않으면, 스트레치된 후 원래 길이로 복원
– 탄성한계 이상으로 늘리면, 원 상태로 복원되지 않음 수술
– 역학적 스트레스에 반응하여 비대와 위축이 일어남
• 정기적인 운동은 건과 뼈, 인대와 뼈 사이의 접합력 강화 및 건과 인대의 크기와 힘도 늘어남
관절 안정성
• 관절 뼈의 비정상적 이동에 대해 저항하는 관절의 능력
– 탈구에 저항하는 것
– 인대, 근육, 건 부상를 예방하는 것
• 관절 안정성에 영향을 미치는 요인:
– 관절 뼈 표면의 모양
– 인대와 근육의 배열
– 다른 결합 조직
관절 뼈 표면의 모양
• 인체 관절의 관절 뼈 표면은 반대 쪽 뼈의 표면과 꼭 들어 맞는다.
• 최밀 연결 위치(Close-packed position) – 관절 안정성 최대
– 무릎, 손목, 지절간(interphalangeal)관절 : 완전 신전 시
– 발목 : 완전 배측굴곡 시
• 느슨 연결 위치(Loose-packed position) – 관절 안정성 감소
• 엉덩 관절이 안정한 이유?
• 어깨 관절이 불안정한 이유?
인대와 근육의 배열
• 강한 인대와 근육은 관절 안정성에 기여
– 무릎 안정성 증가:대퇴사두근과 햄스트링근의 강화
• 인대가 파열되거나 늘어나면 관절 뼈 끝의 비 정상적인 운동 초래 : 관절 연골 손상 초래
• 건이 뼈에 부착되는 각도
– 관절의 반대쪽 근육들이 동시에 장력을 발휘할 때 뼈의 끝 부분을 잡아당겨 꼭 맞게 함으로써 관절의 안정성 향상
– 근육이 피로할 때에는 별로 기여하지 못함
• 근육이 피로한 운동 선수들의 부상 위험이 높은 이유?
다른 결합 조직
• 근막(Fascia)
– 하얀 섬유성 연결 조직
– 근육과 근육내의 근섬유 다발을 둘러쌈 – 보호하고 지지하는 작용
– 예: 장경인대(iliotibial band)
• 무릎의 외측 면을 가로지름
• 무릎의 안정성에 기여
관절 유연성
• 관절 유연성(Joint Flexibility)
– 관절의 각 운동면에서 운동범위(Range of motion, ROM)를 설명하는 용어
• 정적 유연성(Static flexibility)
– 신체분절이 수동적으로 움직일 때(파트너 또는 운동치료사) 나타나는 운동범위
– 부상 가능성을 판단하는 좋은 척도
• 동적 유연성(Dynamic flexibility)
– 근육의 수축에 의해 신체분절이 능동적으로 움직일 때 나타나는 운동범위
– 일상 생활, 일, 스포츠활동에 중요
• 모든 관절에서 유연성이 다 좋은 것은 아님
관절의 운동범위 측정
• 각도 단위로 직접적으로 측정
• 해부학적 자세에서 모든 관절은 0도로 간주 – 엉덩 관절 굴곡
– 해부학적 자세 초과 = 과신전
• 관절 운동범위 측정에 이용되는 장치 – 고니오미터(goniometer)
– 라이튼 굴곡계(Leighton flexometer)
유연성에 영향을 미치는 요인
• 관절 뼈 표면의 모양
– 예) 팔꿈치가 과도하게 신전
• 상완골의 주두와와 척골의 주두와가 동작을 제한
• 근육과 지방 조직 : 팔꿈치의 굴곡 동작을 제한 – 예) 테니스
• 자주 사용하는 어깨 관절의 운동범위가 작음
• 경직되어 있는 인대와 근육 : ROM 방해 요인
• 관절에 있는 연골의 수분함량
• 준비운동이 관절의 ROM을 증가시키는가?
관절 유연성과 부상
• 부상 증가
– 관절 유연성이 매우 높거나 낮을 때 – 신체의 강한 쪽과 약한 쪽의 불균형
• 관절이 타이트 콜라겐 조직의 파열 증가
– 남자대학 운동선수가 여자선수보다 하지부상이 증가
• 관절이 느슨 안정성 결여 변위와 관련된 부상 증가
• 체조 : 인체 주요 관절의 유연성이 매우 큰 스포츠 – 강한 근육, 건, 인대 요구
• 나이가 들면 유연성이 감소 : 신체 활동의 감소가 원인 – 스트레칭 및 운동프로그램 참가 필요성
관절 유연성의 증가 방법
• 특정 스포츠 운동선수들의 유연성 향상 및 치료 및 재활 프로그램의 중요성
– 관절 유연성을 향상/유지 시키는 것
• ROM을 제한하는 인대 및 근육의 스트레칭
• 방법:
– 스트레칭에 대한 근신경 반응 – 능동 및 수동 스트레칭
– 반동 및 정적 스트레칭
– 고유수용성 신경근 촉진법
스트레칭에 대한 근신경 반응
• 골지건기관(Golgi tendon organs, GTOs)
• 근방추(Muscle Spindle)
– 1차 근방추(Primary muscle spindle) – 2차 근방추(Secondary muscle spindle)
• 신장 반사(Stretch Reflex)
• 상반 억제(Reciprocal Inhibition)
• 스트레칭의 목적
– 골지건기관 효과 최대화 및 근방추 효과 최소화
능동 및 수동 스트레칭
• 능동 스트레칭
– 길항근의 능동적인 장력 발생에 의한 근육, 건, 인대의 스트레칭
– 예: 햄스트링근(무릎굴곡근)을 스트레칭 하려면, 대퇴사두근(무릎신전근)을 수축
– 장점?
• 수동 스트레칭
– 외부의 힘에 의한 근육, 건, 인대의 스트레칭 – 예: 다른 사람이 가한 힘에 의한 스트레칭 – 장점과 단점?
반동 및 정적 스트레칭
• 반동 스트레칭(Ballistic Stretching)
– 연속적으로 빠르게 반동을 주는 스트레칭 – 위험한 이유?
• 정적 스트레칭(Static Stretching)
– 30초 정도 천천히 조절하면서 유지하는 스트레칭 – 방법 : 30초 정도 연속 3~5회 반복
• 정적 스트레칭이 반동스트레칭보다 더 효과적인 이유?
– 정적 스트레칭 : 골지건기관(스트레칭 촉진) 활성 – 반동 스트레칭 : 근방추 활동(스트레칭 억제) 활성
고유수용성 근신경 촉진법 (PNF)
• 근육이 스트레치될 때, 수축과 이완이 교대로 일어나는 가장 효과적인 스트레칭 기법
• 원래, 근신경 마비환자의 치료를 위해 물리치료사들이 사용했으며, 파트너 또는 임상의 필요
• 골지건기관 반응 활성
• 수축-이완-길항근-수축 기법 : 각 단계 5~10초, 4번 이상 반복 수행
• 주동근-수축-이완 기법 : 5~20초
• 근육의 수축과 이완 시간에 대한 후속 연구 필요
관절부상와 병리현상
• 원인
– 급성 및 과다사용 부상, 감염, 퇴행성 상태
• 염좌(Sprains)
• 탈구(Dislocations)
• 점액낭염(Bursitis)
• 관절염(Arthritis)
• 류마티스성 관절염(Rheumatoid Arthritis)
• 골관절염(Osteoarthritis)
요 약
• 관절의 3가지 분류
– 부동관절, 연골성관절, 가동관절
• 관절연골, 섬유연골판과 반월판 – 접촉 스트레스 감소, 윤활작용
• 건과 인대
– 약간의 신장성과 탄력성이 있는 콜라겐 조직 – 역학적 스트레스 증가 또는 감소
• 관절의 안정성
– 뼈 표면의 크기와 모양, 근육, 건, 인대의 배열 및 강도
• 관절의 유연성
– 능동 및 수동 스트레칭, 정적 및 동적 스트레칭, PNF