Re: 요추, 고관절, 무릎 center of rotation 관점으로 움직임 이해하는 법!!

[문형철]

Biomechanical consequences of the intervertebral disc centre of rotation kinematics during lateral bending and axial rotation
Scientific Reports (2023), Allais 등

요추 운동 단위의 순간 회전 중심(Instantaneous Centre of Rotation, ICR) 위치가

측방 굴곡과 축 회전 시 추간판의 기계적·대사적 반응에 어떤 영향을 미치는지

시뮬레이션으로 분석한 연구입니다.

방법

• 검증된 3차원 비선형 포로탄성 모델(돼지의 추간판) 사용
• 문헌에 보고된 세 가지 ICR 거동을 모델링
• 측방 굴곡과 축 회전 시뮬레이션
• 추간판 내부 압력, 변위, 영양소 농도 등을 비교
• 추가로 11° 쐐기각(wedge angle)의 영향도 검토

주요 결과

• ICR 위치 가정은 영양소 농도에는 큰 영향을 주지 않음
• 그러나 추간판 중심부 압력과 변위에는 큰 차이 발생 (압력 차이 최대 0.7 MPa, 변위 차이 최대 0.4 mm)
• 이동하는 ICR(mobile ICR)은 정적 ICR에 비해 추간판 내부 압력을 낮추지만, 최대 변위와 콜라겐 섬유에 가해지는 스트레스는 증가시킴
• 쐐기각은 압력에는 영향이 거의 없으나, 최소 산소 농도를 최대 33% 감소시키고 최대 젖산 농도를 13% 증가시킴

결론

ICR의 운동학이 추간판의 기계적 반응을 크게 좌우하므로,

환자 맞춤형 ICR 모델링이 필요합니다.

이 결과는 인공 추간판 설계 등에도 참고할 수 있습니다.

Instantaneous centers of rotation for lumbar segmental extension in vivo
Journal of Biomechanics (2017), Ameet Aiyangar 등

실제 기능적 동작(물건 들기) 중

요추 분절의 **순간 회전 중심(ICR)**을 매핑하고,

분절별 차이와 들기 무게의 영향을 분석한 연구입니다.

방법

• 건강한 성인 11명
• 4.5 kg, 9 kg, 13.5 kg의 물건을 허리를 굽힌 자세(~75°)에서 바로 세우는 동작 수행
• Dynamic stereo X-ray(DSX)로 L2–S1 척추 움직임 정밀 측정
• L2L3, L3L4, L4L5, L5S1 분절의 6자유도 운동학 분석 후 ICR 계산

주요 결과

• 전후(AP) 방향 ICR 이동 범위: L2L3이 L3L4, L4L5, L5S1보다 유의하게 큼
• 상하(SI) 방향 ICR 위치: L4L5와 L5S1이 L2L3, L3L4보다 더 위쪽(하방 추체의 상부 종판 근처)에 위치
• 들기 무게는 SI 방향 ICR 이동 범위에만 유의한 영향 (13.5 kg > 더 가벼운 무게)

결론

분절별로 ICR의 위치와 이동 양상이 다르며,

이 데이터는 요추 생체역학 모델 개선, 인공 추간판 설계, 진단 기준 마련에 활용될 수 있습니다.

이 그림은 요추 분절의 순간 회전 중심(ICR) 좌표를 어떻게 정규화(normalize)했는지 보여줍니다.

• 기준은 **하방 추체(inferior vertebra)**의 중심입니다.
• 상하 방향(SI, Superior-Inferior):
  • 추체 높이를 기준으로 정규화
  • 상부 종판 = +50%, 하부 종판 = −50%, 중심 = 0%
• 전후 방향(AP, Anterior-Posterior):
  • 추체 깊이를 기준으로 정규화
  • 가장 앞쪽 = +50%, 가장 뒤쪽 = −50%, 중심 = 0%

이 그림은

물건을 드는 동작 중 요추 각 분절의 순간 회전 중심(ICR) 위치를 보여줍니다.

• a, b, c: 각각 다른 무게(4.54 kg, 9.1 kg, 13.6 kg)를 들 때의 ICR 위치입니다.
• 색상 변화는 신전(extension) 진행 정도를 나타냅니다.
  • 빨간색(약 80%) → 파란색(약 10%): 허리를 굽힌 자세에서 바로 세우는 과정
• 검은 점: 전체 참가자의 평균 ICR 위치
• L2–L3, L3–L4, L4–L5, L5–S1 분절별로 ICR이 표시되어 있습니다.

간단히 말해, 무게를 들면서 허리를 펴는 동안 각 분절의 회전 중심이 어떻게 이동하는지 시각적으로 보여준 그림입니다.

핵심 항목별 팩트체크

• 순간회전중심(ICR)의 전후방 이동 : 척추 생체역학의 권위 있는 연구들에 따르면, 허리를 앞으로 구부린 상태(Flexed)에서는 회전 중심축이 디스크의 앞쪽에 형성됩니다. 허리를 뒤로 펴기 시작하면(Extension) 위쪽 척추뼈가 뒤로 수평 이동(Posterior Translation)하면서 회전축(ICR) 역시 디스크의 앞쪽에서 뒤쪽(Anterior to Posterior)으로 점진적으로 이동하게 됩니다.
• 후관절 접촉 증가 : 허리가 펴질 때 위쪽 척추의 하관절돌기가 아래쪽 척추의 상관절돌기 방향으로 내려앉으며 서로 맞물리게 됩니다. 이로 인해 후관절(Facet Joint)에 가해지는 압박과 접촉 면적이 늘어난다는 설명은 척추 해부학적으로 완전한 사실입니다.
• 디스크의 변형 및 수핵의 이동 : 신전 운동 시 디스크의 뒷부분은 압박을 받고 앞부분은 늘어나게 됩니다. 이 과정에서 디스크 내부의 말랑한 수핵(Nucleus)이 상대적으로 압박이 적은 앞쪽으로 밀려나는 현상(Nuclear shift)이 결합되어 나타납니다.

ICR(순간 회전 중심) 위치 변화 원리

ICR은

두 척추뼈가 상대적으로 움직일 때 그 순간의 회전 축을 의미합니다.

위치가 변하는 이유는 단순한 회전이 아니라

**회전 + 평행이동(translation)**이 동시에 일어나기 때문입니다.

왜 ICR이 이동하는가?

1. 추간판의 점탄성 특성
   추간판은 압축·전단·굽힘에 따라 형태가 변합니다. 이때 핵(nucleus)이 이동하거나 섬유륜이 변형되면서 실제 회전 축이 고정되지 않고 움직입니다.
2. 후관절(Facet joint)의 접촉
   신전(extension) 시 후관절이 맞닿기 시작하면 운동 축이 후방으로 이동하는 경향이 있습니다. 굴곡 시에는 후관절 접촉이 줄어들어 축이 앞쪽으로 이동합니다.
3. 인대와 근육의 힘 방향
   인대와 근육이 가하는 힘의 방향과 크기가 변하면 순간적인 회전 중심이 달라집니다. 특히 물건 들기처럼 외부 하중이 가해지면 이 효과가 더 커집니다.
4. 분절별 해부학적 차이
   • 상위 분절(L2–L3 등): 상대적으로 전후 이동 범위가 큼
   • 하위 분절(L4–L5, L5–S1): 회전 중심이 더 위쪽에 위치하는 경향
     이는 추간판 모양, 후관절 각도, 인대 배열의 차이 때문입니다.

정리

ICR이 움직이는 것은 비정상적인 현상이 아니라, 추간판·후관절·인대가 함께 작용하는 정상적인 운동 특성입니다.
다만 병적인 상태(디스크 변성, 인대 이완, 후관절 기능 장애 등)에서는 이 이동 경로가 정상과 달라질 수 있어, 진단이나 인공 추간판 설계 시 참고 지표로 활용됩니다.

Centre of rotation in total hip arthroplasty: a critical review with emphasis on three-dimensional planning
Medical Engineering & Physics (2026), Sara De Angelis 등

인공 고관절 치환술(THR)에서

**회전 중심(Centre of Rotation, CoR)**의 정확한 복원이 장기 성공에 중요한데,

현재의 계획 방법(특히 2D와 3D)의 장단점과 향후 방향을 비판적으로 검토한 리뷰 논문입니다.

주요 내용

• 2D 템플릿팅의 한계:
  확대 오류와 환자 자세 변화로 인해 정확도가 떨어짐.
• 3D-CT 계획의 장점:
  CoR을 더 정밀하게 예측할 수 있음. 로봇 보조 수술이나 환자 맞춤형 기구(PSI)와 결합하면 정확도가 더 높아짐.
• 임상적 의미:
  계획된 위치에서 약 5 mm 이내(내측·상방)로 CoR을 복원하면 생체역학적 성능과 임플란트 수명이 개선되는 것으로 보고됨.
• 적용 대상:
  일반적인 경우에는 2D로도 충분할 수 있으나, 재수술이나 고관절 이형성증처럼 복잡한 경우에는 3D 계획이 더 유리함.
• 한계:
  로봇 시스템은 비용이 높고 학습 곡선이 가파르며, 최종적으로는 수술자의 경험과 판단이 여전히 중요함.

결론

CoR의 정확한 복원이 THR 성공의 핵심이며, 3D 계획과 관련 기술이 특히 복잡한 사례에서 더 정확한 배치를 가능하게 합니다.

Determining the effect of femoral anteversion and hip alignment parameters on lower limb and knee alignment post-total hip arthroplasty
저널: Scientific Reports, 2025;16:1274
DOI: 10.1038/s41598-025-30987-2

인공고관절 치환술(THA) 후

대퇴골 전염각(femoral anteversion) 과

고관절 정렬 파라미터가 하지 및 슬관절 정렬에 미치는 영향을 분석한 연구입니다.

방법

• 하이브리드 THA를 받은 228명 환자를 대상으로 수술 전·후 방사선학적 파라미터를 평가.
• 분석 항목: 대퇴골 전염각, 대퇴 오프셋, 고관절 중심 이동, 다리 길이 등.
• 다중 선형 회귀분석으로 정렬 변화에 영향을 미치는 요인을 확인.

주요 결과

• 대퇴골 전염각이 수술 측 다리의 외반 정렬(valgus) 과 슬개골의 외측 기울기(lateral patellar tilt) 에 가장 큰 독립적 영향을 미침.
• 대퇴 오프셋 증가와 고관절 골관절염 진단도 정렬 변화와 관련됨.
• 반대측 정렬은 수술 측 HKAA 변화와 환자 나이에 의해 영향을 받음.
• 수술 후 전염각 증가는 과도한 내반 부하를 줄여 이차적 슬관절 골관절염 진행을 완화할 가능성이 있음.

결론 및 임상적 의미

• THA 후 대퇴골 전염각은 하지 정렬의 중요한 결정 요인.
• 전염각을 적절히 조절하면 과도한 내반 정렬을 방지하여 슬관절 보호에 도움이 될 수 있음.
• 내비게이션 또는 AI 보조 계획을 통해 전염각을 정밀하게 조절하는 것이 장기적 생체역학적 균형과 예후에 유리함.

한 줄 요약

인공고관절 수술 시 대퇴골 전염각을 적절히 증가시키면 수술 측 다리의 과도한 내반을 줄여 슬관절 부담을 완화할 수 있다는 연구입니다.

A. 고관절 측정 (AP 방사선)

• Hip center: 고관절 중심
• Femoral offset: 대퇴골 중심축에서 고관절 중심까지의 수평 거리
• Leg length: 다리 길이 (골반에서 대퇴골 하단까지)

B. 하지 정렬 측정 (전체 하지 AP)

• HKAA: Hip-Knee-Ankle Angle (고관절-슬관절-족관절 각도)
  → 하지의 내반/외반 정렬을 나타냄
• JLCA: Joint Line Convergence Angle (관절선 수렴각)
  → 슬관절 관절면의 기울기

C. CT 측정

• Femoral anteversion: 대퇴골 전염각 (대퇴경 축과 후과 축 사이의 각도)
• Lateral patellar tilt: 슬개골의 외측 기울기

핵심 포인트

이 논문에서는 이러한 측정값들을 수술 전·후로 비교하여,
대퇴골 전염각(femoral anteversion) 이

수술 후 하지 정렬(HKAA)과 슬개골 기울기에 가장 큰 영향을 미친다는 결과를 도출했습니다.

특히

전염각이 증가하면 수술 측 다리가 외반 방향(valgus) 으로 변하면서

과도한 내반 부하를 줄이는 효과가 있음을 보여줍니다.