균형조절 기전

[건강한체형]

균형조절 기전

김 종 만 교수 (서남대학교 물리치료학과 교수)

1. 자세조절기전

자세(posture)는 주위의 환경에 대한 신체분절의 정렬을 의미한다. 자세정렬의 조절(control of postural alignment)을 "균형(balance)" 혹은 "평형(equilibrium)" 이라고 한다(Cech와 Martin, 1995). 신체는 균형을 흩트리는 내력과 외력에 대항하여 감각입력, 운동반응 및 인지과정의 상호작용을 통하여 지지면(base of support) 위에 신체의 무게중심(center of gravity)을 유지하려고 한다. 균형은 균형을 흩트리는 힘에 대한 반작용(reactive response)일 뿐만 아니라, 이전의 경험과 특정과제를 수행하려는 의도(intention)에 기초하여 예측적(proactive)이고 적응적(adaptive)으로 작용한다(Horak 등, 1997).

2. 균형의 생체역학

자세조절을 이해하는 열쇠는 기본적인 생체역학적 개념을 이해하는 데 있다. 이러한 개념은 신체의 무게중심과 지지면, 그리고 이들 사이에서 동요(sway)가 미치는 영향을 포함한다.

1) 무게중심과 지지면

인간은 불안정하게 하는 중력을 극복하고 공간 속에서 무게중심을 능동적으로 이동시키기 위해 지지면 위에 수직으로 무게중심을 유지해야만 한다(Jacobson 등, 1993).

2) 동요

인간은 좁은 지지면에 높은 무게중심을 가지고 있기 때문에 불안정성 평형(unstable equilibrium) 상태에 있어서 신체를 기립하는데 지속적으로 중력이 작용한다(Smith 등, 1996). 인간은 약간의 앞, 뒤, 좌우로 움직이는 자세동요(postural sway)에 대하여 지속적으로 무게중심을 교정하여야만 한다. 자세 동요를 측정하는 것은 개인의 균형을 평가하는데 있어서 중요한 요소이다.

3. 균형유지에 포함되는 시스템

시각, 체감각 및 전정감각의 입력을 통하여 무게중심의 이동(displacement)을 감지한다. 이러한 감각 회로망은 주위환경과 신체와의 관계에서 신체분절의 위치에 대한 정보를 제공한다. 하나의 감각계만으로 신체의 무게중심, 신체분절의 위치 및 체중지지면(supporting surface)의 특성을 측정할 수 없기 때문에 세 가지 감각계가 모두 필요하다(Fabio와 Emasith, 1997). 그러나, 하나의 감각계가 장애가 있을 때 균형 유지는 다른 두 가지 감각계의 보상(compensation)에 의해 성취될 수 있다(Cech와 Martin, 1995). 이들 감각계는 균형을 이루기 위해 무게중심의 이동에 반응적으로 그리고 동요의 발생 가능한 상황에서 예측적으로 함께 작용한다(Shumway-Cook과 Woollacott, 1995)

1) 시각계

시각은 필요한 경우 반응적 자세조절(reactive postural adjustments)을 일으키는 주위 환경과 관련하여 머리의 수직(verticality)에 관한 정보를 제공한다. 또한, 시각계는 개인이 장애물을 피하고 환경에 대한 적응을 가능케 하는 예측적 자세조절(proactive postural control)을 위한 정보를 제공한다(Shumway-Cook와 Woollacott, 1995). 눈을 감은 상태에서나 시각장애인에게서 똑바른 기립자세를 잘 유지하는 것으로 볼 때 시각입력은 균형유지를 위해서 필수적인 것은 아니다. 그러나, 불안정한 바닥면에 시각입력을 차단한 상태에서 균형을 유지하도록 요구할 때 자세동요는 크게 증가한다(Jacobson 등, 1993).

2) 체감각계

체감각계는 성인에서 균형에 관한 정보를 제공하는데 가장 중요하다(Shumway-Cook 와 Horak, 1986). 체감각수용기는 관절, 인대, 근육 및 피부에 위치하며 근육길이, 근육신전, 근긴장도, 관절의 위치와 같은 고유감각정보와 통각, 온도감각, 압각정보를 전달한다(김종만, 1997; Umphred, 1995). 다양한 체감각 중추들은 균형을 유지시키기 위해 자세유지근육의 수축을 자동적으로 조절하는데 필요한 이들 정보들을 통합시킨다(Smith 등, 1996). 체감각계 정보는 축축한 뜰이나 모래와 같이 부드러운 면에서 서 있거나 걷을 때 감소한다(Umphred, 1995). 체감각 정보의 상실은 척추손상, 당뇨병 및 절단의 결과로 발생한다(Umphred, 1995).

3) 전정계

전정계는 중력과 관성과 관련해서 머리 위치에 관한 정보를 제공한다(Shumway-Cook 와 Woollacott, 1995). 전정계는 두 가지 형태의 움직임을 감지한다. 이석(otolith)은 느린 머리운동과 선가속(linear acceleration)에 반응하며, 중력과 관련된 정보를 통하여 머리의 기울기(head tilt)와 물구나무 자세를 지각한다(Jacobson 등, 1993; Shumway-Cook와 Woollacott, 1995). 반고리관(semicircular canal)은 각가속(angular aceeleration)을 감지하며, 보행과 불균형이 일어나는 동안 머리의 빠른 움직임에 반응한다(Shumway-Cook와 Woollacott, 1995).

4) 갈등 해결

균형에 기여하는 다양한 감각계는 특정 환경조건에서 참여의 정도가 다르다(Shumway-Cook와 Woollacott, 1995). 예를 들면, 성인의 경우 안전한 바닥면에서 균형을 유지할 때 체감각계가 우선적으로 기여한다(Shumway-Cook와 Horak, 1986). 바닷가의 모래 위를 걷을 때에는 체감각 정보가 감소되며, 균형유지를 위해서는 시각정보가 매우 중요하게 기여한다. 시각과 체감각 정보가 균형유지를 위해 이용될 때에는 전정감각 정보는 최소한의 역할만을 한다. 그러나 시각과 체감각계로부터의 정보가 유용하지 않거나 부정확 할 때에 전정계는 정보의 혼란을 해결하는데 있어서 중요한 역할을 한다(Shumway-Cook와 Horak, 1995). 정상적인 상태에서의 전정감각 정보는 오차가 적다(Jacobson 등, 1993).

4. 자세 전략

무게중심이 지지면을 벗어나서 움직이거나 무게중심이 지지면 안에서 빠른 속도로 움직일 때 균형을 잃을 수 있다(Pai와 Patton, 1997). 인간은 균형유지를 위해 하나의 자세전략 또는 세 개의 자세전략들을 협력적으로 사용한다.

1) 발목전략

발목전략(ankle strategy)은 중앙선 가까이에서 느리고 작은 동요가 발생할 때 그리고 발생하는 동요에 대하여 견디기 충분할 정도의 넓고 안정적인 지지면을 갖고 있을 때 사용된다(Umphred, 1995). 발목전략은 동요가 일어나는 반대쪽의 원위쪽 근육에서 근위쪽 근육으로 순서적이고 협력적으로 수축함으로써 깨어진 균형을 회복시킨다(Thompson, 1997). 예를 들면, 무게중심을 앞으로 이동하는 동안 장딴지근(gastrocnemius), 무릎굴곡근(hamstring), 척추기립근(erector spinae) 순서로 협력적 수축이 일어난다(Shumway-Cook 와 Woollacott, 1995). 대퇴와 체간근육의 수축에 의해 무릎과 대퇴관절을 안정시키고 발목에서만 움직임이 일어나도록 한다(Jacobson 등, 1993). 그러므로 머리와 대퇴관절은 같은 방향으로 움직인다.

2) 대퇴전략

무게중심이 매우 크고, 빠르며, 안정성의 한계(limit of stability; LOS) 가까이에서 이동할 때나 바닥면이 매우 좁거나 발목전략을 사용하기가 어려울 때 성인의 경우 대퇴전략을 이용하게 된다(Umphred, 1995). 대퇴전략은 무게중심의 이동이 일어나는 방향과 같은쪽의 근위쪽에서 원위쪽으로 순서적이고 협력적으로 근수축을 일으킨다(Thompson, 1997). 뒤쪽으로 넘어지는 것을 방지하기 위해 대퇴전략을 사용하는 경우 척추기립근이 가장 먼저 수축하고 나중에 무릎굴곡근에 의해 일어난다(Shumway-Cook and Woollacott, 1993). 대퇴전략의 사용은 적절한 전정감각 입력이 필요하며, 전정계가 손상되었을 경우는 좁거나 불안정한 바닥면에 있을 때에도 대퇴전략을 사용할 수 없다(Horak 등, 1997).

3) 디딤전략

디딤전략(stepping strategy)은 무게중심이 매우 빠르게 이동하거나 안정성의 한계(LOS)를 벗어날 경우에 사용된다(Thompson, 1997). 디딤전략은 새로운 지지면을 만들기 위해 발을 내딛거나 혹은 팔을 뻗을 때 일어난다(Umphred, 1995). 이 전략은 지지면 안에서 무게중심을 안전하게 회복하는 발목과 대퇴전략과는 다르다. Horak 등(1997)은 바닥면이 없거나 구조적인 제한(instructional constraints)이 있을 때에는 디딤전략이 대퇴전략보다 일반적으로 먼저 선택된다고 하였다. 그러나 디딤전략이 효과적으로 사용되기 위해서는 움직이는 하지의 속도와 정확성이 어느 정도 적절해야 넘어지는 것을 방지할 수 있다(Maki와 McIlroy, 1997).

4) 머리와 체간의 협응

머리의 움직임은 무게중심에 대하여 적게 영향을 받는다. 그러나, 머리의 움직임은 시각과 전정기관 모두에 영향을 주기 때문에 무게중심의 위치를 감지하는 능력에 손상을 줄 수 있다(Jacobson 등, 1993). 체간과 관련해서 머리를 안정화시키는 두 가지 전략이 존재한다 첫째는 체간에 대한 머리의 안정화 전략(head stabilization on trunk; HST)인데(Fabio와 Emasithi, 1997), 조절하는 자유도(degree of freedom)를 감소시키기 위해 머리와 체간이 하나의 단위로서 함께 움직인다(Shumway-Cook와 Wollacott, 1995). HST전략은 동요가 발생하는 동안 특별히, 대퇴관절의 움직임이 있을 때에 눈 움직임을 위, 아래로 원하는 시각목표로부터 멀리 이동시키고 전정감각 입력을 증가시키기 때문에 좋지 않다.

공간에서의 머리 안정화(head stabilization in space; HSS) 전략은 체간의 움직임과는 상관없이 공간에서 지속적으로 머리의 정위(orientation)를 유지하게 한다(Di Fabio와 Emasithi, 1997). 이 전략의 장점은 시각 추적이 가능하고 자세히 볼 수 있다는 점이다. 게다가 이 전략은 전정감각 입력으로부터 머리의 움직임에 대한 정보를 제거해준다(Jacobson 등, 1993).

5. 운동계획

운동 행동은 불안정성을 감지하고 예측하며, 과제 특수성 상황(task-specific context) 내에서 안정성을 유지하는데 필요한 적절한 근력을 생성하기 위하여 여러 하위시스템의 협력을 포함한다(Cech과 Martin, 1995; Horak 등, 1997). 균형의 유지는 적절한 자세전략들을 사용함으로써 감각입력에 반응하는 능력과 무게중심의 위치를 중추신경계로 전달하는 체감각, 시각, 그리고 전정감각 입력에 좌우된다. 균형을 흩트리는 방법은 매우 많지만 인간의 일부 방법에만 반응한다(Thompson, 1997). 균형을 떨어뜨리는 움직임과 상황에서 반복적으로 연습함으로써 효과적인 자세전략을 배우게 되고 가능한 작은 동요와 반응 크기를 보인다(Shumway-Cook와 Wollacott, 1995).

자세조절에 사용되는 근육 협력작용(muscle synergy)을 활성화하는데는 두 단계로 볼 수 있다. 첫 단계는 선행적 조절 단계(anticipatory phase)로, 균형을 흩트리는 예측 가능한 동요를 최소화하기 위하여 이전의 선험적 경험에 기초하여 신체의 자세조절을 선행적으로 일으키는 것이다(김종만과 이충휘, 1997; Shumway-Cook와 Wollacott, 1995; McIlroy, 1997). 두 번째 단계는 보상적 조절단계(compensatory phase)로, 자세를 유지시키기 위해 감각되먹임에 반응하는 것을 의미한다. 이 단계는 예기치 않은 움직임이나 동요가 발생했을 때에만 사용된다(Shumway-Cook와 Wollacott, 1995; McIlroy, 1997).

6. 다른 고려사항

균형을 유지하기 위해서는 신체적 요인과 심리적 요인 모두가 기여한다. 신체적 요인로서는 사용 가능한 신체분절의 수, 관절가동범위, 근력, 지구력, 통증발생 없이 움직이는 능력 등이 포함된다(Horack 등, 1997; Studenski와 Rigler, 1996; Umphred, 1995).

균형에 기여하는 심리적 요인들은 다음과 같다. 첫째, 인지기능은 감각정보를 수용, 처리 및 통합하며, 어떠한 상황 내에서 적절한 운동반응을 결정하는데 중요하다. 둘째, 이전에 사용하였던 움직임과 자세전략을 회상하는 능력은 발생하는 동요에 반응하는데 중요하다(Smith 등, 1996). 셋째, 집중력(attention)의 증가는 균형능력을 증가시키는데 요구된다. 넷째, 넘어지는 것을 두려워하여 스스로 움직이지 않게 됨으로 인해 결과적으로 지구력, 근력 및 관절가동범위 감소와 협응장애를 일으켜 균형에 안 좋은 영향을 미치게된다.

7. 결론

자세조절에 있어서 감각 입력과 운동출력 기전은 균형유지를 위해 역동적 시스템으로서 함께 그리고 복잡하게 작용한다. 하나의 감각계가 다른 감각계보다 중요하다기보다는 모든 시스템들이 정보를 통합하고, 동요에 대하여 적절한 운동반응을 생성하기 위하여 함께 협력하는 것이 중요하다. 균형유지를 위해서는 모든 것이 필요하다. 균형유지를 위해 포함되는 역동적 시스템을 이해함으로써 물리치료사는 그들의 환자들이 넘어질 수 있는 상황을 예측하고 예방하며, 넘어짐에 대한 두려움으로부터 해방되어 기능적인 삶으로 이끌 수 있도록 도와야 한다.

인용문헌

김종만. 물리치료사와 작업치료사를 위한 신경해부생리학. 정담출판사. 1997.

김종만, 이충휘. 신경계물리치료학. 정담출판사. 1998.

Berthoz A, Pozzo T. Intermittent head stabilization during postural and locomotory tasks in humans. In Amblard B, Berthoz A., Clarac F. (Eds.),Posture and gait: Development, adaptation, and modulation. Amsterdam: Excerpta Medica. 1988.

Cech D, Martin S. Functional movement development across the life span. Philadelphia: W. B. Saunders. 1995.

Di Fabio RP, Emasithi A. Aging and the mechanisms underlying head and postural control during voluntary motion. Physical Therapy. 1997;77:458-475.

Di Fabio RP, Seay R. Use of the "fast eval‎uation of mobility, balance, and fear" in elderly community dwellers: Validity and reliability. Physical Therapy. 1997; 77:904-915.

Herdman SJ. Advances in the treatment of vestibular disorders. Physical Therapy. 1997;77: 602-618.

Horak FB, Henry SM, Shumway-Cook A. Postural perturbations: New insights for treatment of balance disorders. Physical Therapy. 1997; 77:517-533.

Horak FB, Nashner LM. Central programming of postural movements: Adaptation to altered support-surface configurations. Journal of Neurophysiology. 1986;55:1369-1381.

Jacobson GP, Newman CW, Kartush JM. Handbook of balance function testing. St. Louis: Mosby. 1993.

Lajoie Y, Teasdale N, Bard C, et al. Attentional demand for static and dynamic equilibrium. Experimental Brain Research, 1993;97:139-144.

Maino JH. Visual deficits and mobility: Eval‎uation and management. Clinics in Geriatric Medicine. 1996;12:803-823.

Maki BE, McIlroy WE. Postural control in the older adult. Clinics in geriatric medicine. 1996;12:635-657.

Maki BE, McIlroy WE. The role of limb movements in maintaining upright stance: The "change-in-support" strategy. Physical Therapy.1997;77: 488-507.

Maki BE, McIlroy WE, Perry SD. Influence of lateral destabilization on compensatory stepping responses. Journal of Biomechanics. 1995;29:634-648.

Myers AM, Powell LE, Maki BE, et al. Psychological indicators of balance confidence: Relationship to actual and perceived abilities. Journal of Gerontology. 1996;51A: M37-M43.

Nolan PJ. Physics. 2nd ed., Boston: Wm. C. Brown.1993.

Pai Y, Patton J. Center of mass velocity: Position predictions for balance control. Journal of Biomechanics. 1997;30:347-353.

Pozzo T, Levik Y, Berthoz A. Head and trunk movements in the frontal plane during complex dynamic equilibrium tasks in humans. Experimental Brain Research. 1995;106:327-338.

Sakellari V, Soames RW. Auditory and visual interactions in postural stabilization. Ergonomics. 1996;39:634-648.

Shumway-Cook A, Horak FB. Assessing the influence of sensory interaction on balance: Suggestion from the field. Physical Therapy. 1986;66:1548-1550.

Shumway-Cook A, Woollacott M. Motor Control: Theory and practical applications. Baltimore: Williams & Wilkins. 1995.

Smith LK, Weiss EL, Lehmkuhl LD. Clinical kinesiology. 5th ed., Philadelphia: F. A. Davis. 1996.

Studenski S, Rigler SK. Clinical overview of instability in the elderly. Clinics in geriatric medicine. 1996;12:679-688.

Thelen DG, Wojcik LA, Schultz AB, et al. Age differences in using a rapid step to regain balance during a forward fall. Journal of Gerontology. 1997;52A:M8-M13.

Thompson DM. Biomechanics of balance and postural control. Lecture presented in Management of Orthopedic Problems, (PHTH 3254), Oklahoma City. 1997.

Umphred DA. Neurological rehabilitation. 3rd ed., St. Louis: Mosby. 1995.

Wade MG, Jones G. The role of vision and spatial orientation in the maintenance of posture. Physical Therapy. 1997;77: 619-628.

Wolfson L, Judge J, Whipple R, et al. Strength is a major factor in balance, gait, and the occurrence of falls. Journal of Gerontology. 1995;50A: 64-67.

Woollacott M, Shumway-Cook A. Changes in posture control across the life span: A systems approach. Physical Therapy. 1990;70:799-807.

Woollacott M, Shumway-Cook A. Attentional demands and postural control: New insights for assessing and treating instability in older adults. Lecture presented at Phyical Therapy '97, San Diego, CA. 1997.

Woollacott M, Tang P. Balance control during walking in the older adult: Research and its implications. Physical Therapy. 1997;77:646-660.

출처 : 건강한체형운동센터 / 건강한 체형 연구소

[신영길]

하나의 동작에도 모든 조직이 종합적으로 작용하는 것 같습니다.

[건강한체형]

맞습니다 하나의 움직임에 하나만 관여하는경우는 하늘을 맹세코 없습니다 최소 2가지이상 많게는 수십가지가 한꺼번에 이용하게 되죠 ^^