스크랩 허리 굴곡신전시 인대의 생체역학 탐구(강성, 파열강도, 변형률) 등

[경근학회!]

인체 척추 인대의 생체역학적 특성(강성, 파열 강도, 변형률 등)을 정량화하고, 특히 극상인대(supraspinal ligament)의 조직학적 변화를 인장 상태에서 관찰하여 인대의 생리적 기능을 이해하는 것.

방법

• 검체: 신선한 사체와 일부 생체에서 채취한 인체 척추 인대 43개
• 주요 인대(전종인대, 후종인대, 황색인대, 극간인대, 극상인대 등)를 대상으로 인장 시험 실시
• 힘-변형 곡선, 탄성 계수, 파열 시 응력·변형률 등을 측정
• 극상인대에 대해서는 인장 부하 후 조직학적 검사 추가 시행

주요 결과

• 척추 인대는 비선형적 힘-변형 특성을 보이며, 초기에는 낮은 강성(toe region)을 보이다가 이후 급격히 harden되는 전형적인 인대 거동을 나타냄.
• 인대 종류와 척추 부위(경추·흉추·요추)에 따라 강성과 파열 강도가 다르게 나타남.
• 극상인대는 인장 시 콜라겐 섬유의 재배열과 조직학적 변화가 관찰됨.
• 이 데이터는 이후 척추 유한요소모델(FEM)에서 인대 물성값의 중요한 참고 자료로 널리 사용됨.

의의

1980년대 중반에 인체 척추 인대의 기계적 특성을 체계적으로 측정한 대표적인 고전 연구로, Panjabi(1982), Pintar(1992) 논문과 함께 척추 인대 생체역학의 기초 데이터로 가장 많이 인용되는 논문 중 하나입니다.

요추(lumbar spine)의 주요 인대 6개의 생체역학적 특성(강도, 강성, 파열 시 힘·변형 등)을 정량화하여,

수학적 모델 및 유한요소모델(FEM)에 직접 활용할 수 있는 기초 데이터를 제공하는 것.

방법

• 검체: 신선한 인체 사체 38구에서 채취한 요추 인대
• 대상 인대 (6가지):
  • Anterior Longitudinal Ligament (ALL, 전종인대)
  • Posterior Longitudinal Ligament (PLL, 후종인대)
  • Ligamentum Flavum (LF, 황색인대)
  • Interspinous Ligament (ISL, 극간인대)
  • Supraspinous Ligament (SSL, 극상인대)
  • Intertransverse Ligament (ITL, 횡돌기간인대)
• 각 인대를 in situ 상태에서 분리 후 인장 시험(axial tension to failure)을 실시하여 힘-변형 곡선, 파열 하중, 강성(stiffness), 에너지 흡수량 등을 측정.

주요 결과

• 인대별로 파열 시 힘(force at failure), 파열 시 변형(deformation at failure), 강성(stiffness), 파열 에너지 등의 평균값과 범위를 제시.
• 전종인대(ALL)의 평균 강성은 약 33 N/mm로 보고됨.
• 인대마다 역학적 특성이 뚜렷이 다르며, 특히 전종·후종인대와 황색인대, 극간·극상인대 사이에 큰 차이가 관찰됨.
• 이 데이터는 이후 요추 유한요소모델과 생체역학 시뮬레이션에서 인대 물성값의 표준 참고자료로 광범위하게 사용됨.

의의

1990년대 초반에 요추 인대의 체계적인 인장 특성을 대규모 사체 실험으로 정량화한 대표적 연구로, 척추 생체역학 모델링, 손상 기전 연구, 수술 시뮬레이션 등에서 오랫동안 인용되는 고전 논문입니다.

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6896651/

요추 극간인대(ISL)는

인접 극돌기를 연결하는 얇고 짧은 섬유로 알려져 있으나,

형태학적 기술에 일관성이 없고 생체역학적 특성도 충분히 연구되지 않았다.

이 연구는

요추 ISL의 해부학적 구조와 인장 강도를 평가하고자 하였다.

방법

1. 형태 계측 연구
   • 신선 냉동 사체 5구(평균 나이 77.2세)
   • 각 요추 레벨에서 전방 수직 높이(A), 후방 수직 높이(P), 수평 길이(H) 측정
2. 인장 강도 검사
   • 사체 6구에서 총 17개 요추 레벨(L1/2, L2/3, L3/4) 사용
   • 극간인대만 남기고 다른 인대를 절단한 후 수직 방향으로 인장력을 가해 파열 강도(N)를 측정

주요 결과

형태

• 모든 ISL은 전후 방향으로 수평하게 주행하며 약간의 곡선을 보임.
• 평균 길이 (우측 / 좌측)
  • A: 9.82 mm / 11.56 mm
  • P: 9.57 mm / 12.01 mm
  • H: 20.12 mm / 21.42 mm
• 레벨, 좌우, 성별에 따른 유의한 차이는 없었음.

인장 강도

레벨평균 인장 강도 (N)범위

L1/2	162.33	126–230
L2/3	85.67	54–165
L3/4	79.00	41–123

• L1/2가 L2/3, L3/4보다 유의하게 강함 (P < 0.05).
• 하위로 갈수록 인대가 약해지는 경향.
• 모든 인대는 중간 부위에서 파열됨.

결론 및 임상적 의미

요추 극간인대는 전후 방향의 수평 섬유로 구성되며, 상위 요추(특히 L1/2)에서 인장 강도가 더 높다. 하위 요추로 갈수록 약해지기 때문에 외상이나 병적 상황에서 손상 취약성이 달라질 수 있다.

이 결과는 요추 후방 인대 복합체의 외상·병리 이해와 수술적 접근 시 참고 자료로 활용

사체(in vitro)를 이용한 상부 경추(UCS) 생체역학 연구입니다. 목적: 횡인대(transverse atlantal ligament, TAL)와 종인대(longitudinal ligament, LL)가 환추-축추(atlantoaxial) 안정성에 어떤 역할을 하는지 규명하는 것이었습니다.

방법

• 정상 상부 경추 시편 6개 사용
• 순차적으로 다음 상태를 비교
  1. 정상(intact)
  2. TAL만 절단(TAL group)
  3. TAL + LL 모두 손상(TAL+LL group)
• 굴곡·신전, 측굴, 회전 운동 범위와 굴곡 시 C1–C2 간격(ADI, atlantodental interval)을 다양한 하중(특히 생리적 범위 10–100 N)에서 측정

주요 결과

• TAL만 손상된 경우
  • 생리적 하중 범위(10–100 N)에서는 정상과 비교해 굴곡/신전, ADI, 측굴, 회전에서 유의한 불안정성이 나타나지 않음.
  • 매우 낮은 하중(10 N)이나 높은 하중(>100–150 N)에서만 일부 차이가 관찰됨.
• TAL + LL 모두 손상된 경우
  • 모든 하중 조건에서 뚜렷한 불안정성 발생 (3차원 운동 범위 전반에서 유의하게 증가).

결론

생리적 하중 범위 내에서는 종인대(LL)가 TAL 손상(예: atlas fracture 시)이 있어도 환추-축추 관절의 안정성을 충분히 유지할 수 있다고 제시합니다. 즉, TAL 손상만으로 무조건 불안정하다고 보기 어려우며, 종인대의 역할이 임상적으로 중요하다는 점을 강조합니다.

척추 인대(LF: ligamentum flavum, ISL&SSL: interspinous + supraspinous ligament, ITL: intertransverse ligament)는 분절 안정성에 중요한 역할을 한다. 그러나 노화와 추간판 퇴행(IVD degeneration)이 이들 인대의 생체역학적 특성(장력, 강성, 강도 등)에 미치는 영향은 충분히 밝혀지지 않았다.

목적

• LF, ISL&SSL, ITL의 재료 특성(initial tension, stiffness, ultimate strength 등)을 측정
• 이 특성을 나이, 추간판 퇴행 등급(Pfirrmann), LF 두께, ISL 퇴행 등급(Keorochana)과 상관관계 분석

방법

• 사체 22구에서 요추 분절 50개 (Th12–L5) 사용
• MRI로 Pfirrmann 등급(IVD)과 Keorochana 등급(ISL) 평가, CT로 LF 두께 측정
• 인대를 중립 자세의 초기 장력(initial strain)을 유지한 채로 절제하는 특수 장치를 사용
• 인장 시험(ramp to failure, 0.5 mm/s)으로
  • Initial tension (중립 자세에서의 초기 장력)
  • Slack length
  • Stiffness (ultimate strength의 40–60% 구간 기울기)
  • Ultimate strength 측정

주요 결과

요인LF (황색인대)ISL&SSLITL

나이	Initial tension ↓ (r=-0.5), Ultimate strength ↓ (r=-0.41)	유의한 변화 없음	유의한 변화 없음
IVD 퇴행 (Pfirrmann)	Stiffness ↓ (r=-0.47), Ultimate strength ↓, Initial tension ↓	Stiffness ↓ (r=-0.36), Ultimate strength ↓	유의한 상관 없음 (경향만)
LF 두께	생체역학 특성과 상관 없음	-	-
Keorochana 등급	-	Stiffness에서 A vs D만 유의한 차이	-

• Pfirrmann 2등급 → 5등급으로 갈수록
  • LF stiffness: 약 40–80% 감소
  • Ultimate strength: 약 60–70% 감소
  • Initial tension: 약 88% 감소

결론

1. 노화는 주로 LF의 생체역학적 변화(초기 장력과 최대 강도 감소)와 관련된다.
2. 추간판 퇴행은 LF와 ISL&SSL의 강성(stiffness)과 최대 강도를 유의미하게 감소시킨다 (ITL도 유사한 경향).
3. LF 두께나 Keorochana 등급은 인대의 실제 생체역학적 특성을 잘 반영하지 못한다.

임상적 의의

• 환자의 나이와 추간판 퇴행 정도(Pfirrmann)를 통해 후방 인대의 생체역학적 상태를 간접적으로 추정할 수 있다.
• 감압술 등 수술 방법 선택 시(예: 인대 보존 여부 결정) 참고 자료로 활용 가능하다.
• 인대 기능 저하가 퇴행성 캐스케이드나 외상 취약성에 기여할 수 있음을 시사한다.

이 연구는 추간판 퇴행이 후방 인대의 기계적 특성을 약화시킨다는 것을 정량적으로 보여준 중요한 사체 생체역학 연구이다.

후방 인대복합체(supraspinous/interspinous ligament complex)는 척추 안정성에 중요하지만, 생체 내 동적 생체역학에 대한 정보가 부족하다. 이 연구는 shear wave elastography (SWE)를 이용해 비침습적으로 이 인대복합체의 장력 변화와 강성(stiffness)을 정량적으로 평가할 수 있는지 검증하였다. 가설: 굴곡(flexion) 시 인대 장력이 증가하므로 shear wave velocity (SWV)가 신전(extension) 시보다 높아질 것이다.

방법

• 대상: 신선 동결 사체 5구(흉요추 인대 45개 레벨), 분리된 인대 10개(L2-3, L4-5), 건강한 자원자 9명
• 측정: LOGIQ E9 초음파 시스템(9 MHz linear probe)으로 SWV와 가시돌기 간 거리 측정
• 자세: 요추 신전 vs 굴곡
• 추가 실험: 분리 인대에 Instron으로 5–90 N까지 인장 하중을 가하며 SWV 측정 (하중-SWV 상관관계 확인)
• 통계: paired t-test, 선형 회귀

주요 결과

1. 사체 실험
   • 굴곡 시 가시돌기 간 거리 증가: 요추 19–63%, 흉추 3–8%
   • SWV 증가: 대부분 레벨에서 유의하게 증가 (예: T10-11에서 평균 51% 증가). 사체 간 변이가 커서 전체 평균 비교에서는 유의하지 않았으나, 쌍체 비교에서는 대부분 유의함.
2. 분리 인대 실험
   • 하중 증가에 따라 SWV가 선형적으로 증가 (L2-3: 2.26 → 4.43 m/s, L4-5: 2.23 → 4.15 m/s at 5→90 N). 양의 상관관계 확인.
3. 건강한 자원자
   • 굴곡 시 가시돌기 간 거리 및 SWV 모두 유의하게 증가
   • SWV 증가 폭이 사체보다 더 큼 (L4-5: 평균 200% 증가, 1.53 → 4.59 m/s; T10-11: 31% 증가)

결론 및 임상적 의의

SWE는 후방 인대복합체의 장력/강성 변화를 비침습적으로 정량 평가할 수 있는 유용한 도구이다. 굴곡 시 SWV 상승은 인대에 가해지는 인장 하중 증가를 반영한다.

잠재적 임상 적용:

• 외상, 측만증, 퇴행성 질환, proximal junctional kyphosis(PJK) 등에서 인대 기능 평가
• 건강한 인대의 normative data 확립 후, 병적 상태와의 비교
• 운동 보존 수술이나 인대 보강 시술의 효과 평가에 활용 가능