|
거골하관절의 생체역학
Biomechaincs of the Subtalar Joint
인간은 독특한 구조물인 두 발로 위치이동을 하는데 어떤 이유로 발을 다치게 되면, 걷거나 달리기할 때 많은 불편함을 느끼게 되고, 이런 현상이 장기간 계속 진행될 때는 하지, 척추나 골반 등의 자세변화에 영향을 주게 된다(황보 각 등, 1996 ; Rose와 Gamble, 1994). 이렇게 자주 일어나는 발목과 발의 문제들은 발의 복잡한 구조 때문이고, 그것은 과중한 체중으로부터 오는 스트레스를 받기 때문이라고 한다(Norkin과 Levangie, 1992). 그 예로 평지 보행을 할 때 발이 받는 하중은 체중의 4.5배 정도이다(Stauffer 등, 1977). 인체의 관절중에서 어느 하나 중요하지 않는 것이 없지만, 발의 관절은 체중을 떠받치고 있고 다양한 지면위를 보행할 때 그 유연한 움직임이 지속적으로 일어나야 하기 때문에 약간의 비정상적인 기능이 초래되더라도 인체의 기능에 심각한 영향을 미친다. 그래서 본 글은 거골하관절과 관련된 발의 해부학과 거골하관절의 생체역학에 대한 중요성을 임상가들에게 인식시켜 그들이 발의 기능과 문제점들을 평가와 치료할 때 좋은 결과를 얻도록 하는데 있다.
발은 26개 뼈와 2개 종자골로 구성되고 57개의 관절로 이루어져 있다(Sammarco, 1989). 발의 뼈들은 인체의 다른 활액관절보다도 강한 인대로 지지되어 있으며, 발에는 13개의 외재근과 19개의 내재근이 부착되어 관절과 뼈의 연쇄사슬을 조절하는 운동장치로써 작용한다(Sammarco, 1989). 뼈의 연결은 사슬고리와 비교될 수 있으며 각 분절은 아래, 위의 다른 분절과 연결되어 서로 상호적으로 의존한다. 발의 움직임은 그 자체만으로도 근위 관절인 슬관절, 고관절과 골반 및 척추에 영향을 줄 수 있기 때문에 비정상적인 발의 움직임을 교정하거나 발의 역학적인 질환들을 정확히 진단하고 치료해야 한다.
인체의 발은 전족부, 중족부 및 후족부로 크게 세부분으로 나뉘어지며, 거골하관절은 후족부에 속한다(Donatelli, 1990). 발의 관절 중에서 직접적으로 체중을 받는 관절이 거골하관절이기 때문에 본 글은 많은 발의 관절 중에서 거골하관절의 중요성을 인식하고, 임상가들이 발의 비정상적인 움직임과 변형을 검진할 때 이 관절을 먼저 생각해 볼 수 있도록 하는데 그 목적을 두고 있다. 거골하관절은 발목관절과는 달리 큰 가동범위로 움직임이 일어나지 않지만, 다양한 움직임이 복합적으로 일어난다. 거골하관절은 중족관절과 함께 발과 발목의 잠김장치와 풀림장치를 조절하는 통합기구로써 작용하여 발의 움직임을 하지의 움직임으로 전환하는 장치로써 작용한다. 그러나 이런 거골하관절의 움직임이 마치 발목관절에서 일어나는 것으로 생각하는 오류를 우리는 자주 범하게 될 뿐만아니라, 거골하관절의 움직임을 설명할 때보다 거골하관절의 움직임을 유도해서 설명하는 것이 아니라 발목관절의 움직임을 유도하면서 설명하기 때문에 거골하관절의 움직임인지 혼동스럽게 된다. 그리고 거골하관절의 움직임에 대한 용어도 학자와 분야마다 달리 표현해 왔고 아직까지도 다양하게 표현하고 있기 때문에(Smith 등, 1996), 일반적인 추세의 용어를 제시하고자 한다. 그리고 거골하관절을 이루는 종골과 거골의 골화를 먼저 거론한 후, 발의 해부학과 거골하관절의 생체역학을 설명하기 위해 발의 축과 움직임을 알기 쉽게 거론하고, 발의 위치운동학적(kinematic) 및 힘운동학적(kinetic) 관점에서 발의 기능을 다룬다. 마지막으로 몇가지의 하지 및 발의 기능 검사법을 제시하고자 한다.
뼈의 골화
거골과 종골의 중요성은 태아기의 초기 발달에서부터 알 수 있고, 그들의 기능을 강화해 왔던 진화적인 변화로부터도 알 수 있다. 종골은 족근골 중에서 가장 먼저 골화를 시작한다. 그리고 거골은 태아 8개월쯤 골화를 시작한다. 종골과 거골의 진화는 체중부하, 균형에 대한 발의 발달과 관련되며, 이 경우 종골의 후방이 전방보다 더 빨리 성장하고, 이것으로 하퇴삼두근의 역학적 효율성이 증가한다. 한편 거골은 길이보다 높이가 더 빠르게 성장하며 이것에 의해 발목관절의 발달이 촉진된다.
표 1. 발 뼈들의 골화시기
-------------------------------------------------------------------------------------
거골(talus) 태아 8개월에서부터 18세까지
-------------------------------------------------------------------------------------
종골(calcaneus) 태아 5-6개월에서 16세(여성)과 20세(남성)까지
-------------------------------------------------------------------------------------
주상골(navicular bone) 2-3세에서 18세까지
-------------------------------------------------------------------------------------
입방골(cuboid bone) 생후 1개월에서 18세까지
-------------------------------------------------------------------------------------
설상골(cuneiforms) 외측-1년, 중앙-2년, 내측-3년에서부터 18세까지
-------------------------------------------------------------------------------------
중족골(metatarsals) 태아 1-10주에서부터 18세까지
-------------------------------------------------------------------------------------
지절골(phalanges) 근위-1~2년, 중간-태아 15주, 원위-3~5년에서 18세까지
-------------------------------------------------------------------------------------
중족부(midfoot)의 주상골과 입방골은 출생 1개월에서부터 골화가 시작하고, 주상골은 족근골 중에서 가장 늦게 골화한다. 대개 2-5개월쯤에서 시작한다. 전족부(forefoot)의 뼈들은 출생이후에도 거의 비슷한 비율로 성장한다.
거골하관절을 중심으로한 발의 해부학
거골하관절면
거골하관절은 위쪽의 거골과 아래쪽의 종골사이에 있는 관절로써 3 부분(전, 중, 후)으로 형성되어 있고(Norkin과 Levangie, 1992), 각 관절면을 분리해서 보면 모두가 거의 기하학적인 형태를 취하고 있는데, 종골의 후방 관절면은 원통형이고 거골 머리는 구형으로 되어 있다(Kapandji, 1970). 후거골하관절은 3개의 관절중에서 가장 크고, 거골의 오목한 관절면과 종골의 볼록한 관절면에 의해 형성된다. 전․중 거골하관절은 작은 관절이며, 거골의 볼록한 관절면과 종골의 오목한 관절면으로 되어 있다. 거골하관절에는 오목한 구에 의해 형성된 골성관이 있다. 거골관(tarsal canal)으로 알려진 이 터널은 발을 비스듬하게 가로 질러 달리며, 이 구조물안에는 강한 인대와 혈관들이 분포되어 있다(Calais-Germain, 1993; Hoppenfeld, 1976). 이 터널의 큰 끝단은 비골과의 전방에 위치하고 작은 끝단은 경골과의 하․후방에 위치한다. 거골관은 거골하관절을 두 개의 분리된 관절낭으로 나눈다. 후거골하관절은 자신의 관절낭을 가지는 반면, 전․중 거골하관절은 거주관절과 함께 관절낭을 공유하고 있다. 해부학자들은 거골하관절을 두 개의 관절로 분리하기를 선호하고, 정형외과의사들은 거골하관절과 거종주관절을 하나의 기능단위로 간주하기도 한다(Rockar, 1995).
거골하관절은 횡단면의 하퇴회전을 종골의 회외와 회내로 변화시킨다. 이 거골하관절은 하지에서 가장 복잡한 관절로써 그 축은 모든 동작 모멘트에 따라 변하고, 신체의 3면과 경사져 있다. 그러므로 하나의 운동축을 가지고 있다하더라도 그 움직임은 3면에서 일어나게 된다. 간단히 설명하면, 이 관절은 하지의 닫힌 운동사슬에서 발의 외반과 종골의 회외로 변환시킨다(Rockar, 1995).
근육
발의 근육은 크게 두 범주로 나뉘어진다: 외재근(extrinsic muscle)과 내재근(intrinsic muscle). 거골하관절의 움직임에 직접 참여하는 근육들은 후경골근, 장지굴근, 장모지굴근, 장비골근, 단비골근, 제 3 비골근, 전경골근, 장모지굴근, 장지굴근과 하퇴삼두근들이다. 이 근육들도 거골하관절의 움직임만 일으키는 것이 아니라 이웃한 다른 관절의 움직임을 함께 일으킨다. 거골하관절의 회외를 일으키는 근육은 후경골근, 장지굴근, 장모지굴근, 전경골근 등이다; 회내를 일으키는 근육은 장비골근, 단비골근, 제 3 비골근, 장지신근 등이다.
거골하관절에 대한 외재근건의 방향이 거골하관절의 움직임을 결정하는 한 요인이 된다. 즉, 거골하관절의 경사축보다 내측에 있는 근육은 회외근으로 작용하고, 외측에 있는 근육은 회내근으로 작용한다(Root 등, 1977). 예를 들어, 장모지신근은 거골하관절축과 나란하게 달리기 때문에 회외근이나 회내근으로 작용하지 않는다. 그리고 전경골근은 거골하관절축과 약간의 각을 이루면서 달리기 때문에 약한 회외근으로써 작용한다. 그러나 후경골근은 지레대팔이 길기 때문에 강한 회외근으로써 작용한다. 하퇴삼두근도 회외근으로 작용하는데 그 이유는 거골하관절의 축보다 내측에 있기 때문이다(Root 등, 1977).
인대와 관절낭
발의 안정성을 위해 많은 인대들이 존재하지만, 거골과 종골에 직접 부착하는 거골하관절의 주요 인대는 골간거종인대, 외측 거종인대, 후거종인대이다. 골간거종인대는 족근동(sinus tarsi)안에 위치하는 두껍고 사각형의 섬유다발로써 전․후 두 개의 섬유다발로 구성된다. 전방 섬유는 종골의 전․상 관절면 바로 뒤에 위치하는 종골동(sinus calcanei)의 심부에 부착한다. 이 섬유는 상․전․외측으로 경사지게 달려 거골 머리의 관절면 모서리에 정지한다. 그리고 후방 섬유는 전방 섬유의 후방에 위치하며, 족근동의 하벽에 부착하여 상․후․외측으로 경사지게 달려 거골 후관절면의 전방인 족근동 상벽에 정지한다. 이 골간거종인대는 탄력소 섬유(elastin)에 비해 교원섬유(collagen)가 많은 비탄력성인 인대로서, 휴식때나 활동시에 거골하관절의 안정성 유지에 중요한 역할을 한다(Viladot AV 등, 1984). 외측거종인대는 거골의 외측결절(lateral tubercle)로부터 발목관절의 외측 측부인대의 중간섬유인 종비인대(calcaneofibular lig.)와 평행하게 하․후방으로 비스듬하게 달려 종골의 외측면에 정지한다. 그리고 후거종인대는 얇은 섬유다발로 거골의 후방돌기에서 종골상면으로 달린다.
직접적인 거골하관절의 인대는 아니지만, 과도한 거골하관절의 움직임을 방지하는 내측측부인대와 외측측부인대가 있다. 내측측부인대는 삼각인대라 불리는 표층의 섬유와 심층 섬유인 전․후 경거인대로 나뉘어진다. 외측측부인대는 종비인대와 전․후 거비인대로 나뉘어진다.
거골하관절의 관절낭은 관절면들을 둘러 감싸고 있고, 전방으로 횡족근관절의 관절낭으로 이어진다(Calais-Germain, 1993).
혈관분포
거골하관절의 혈관은 크게 뼈외적인 동맥(extraosseous artery)과 뼈내적인 동맥(intraosseous artery)으로 나뉘어지고, 뼈외적인 혈관은 3개의 동맥, 즉 후경골동맥, 전경골동맥과 비골동맥이다. 동맥의 경로를 보면, 슬와동맥이 전․후 경골동맥으로 분지하고, 다시 전경골동맥은 발목관절에서 족배동맥으로 분지되며, 후경골동맥은 비골동맥으로 분지한다. 전경골동맥은 하퇴골간막상부의 구멍을 통해 하퇴전면으로 나와 하행하고, 발등에 이르러 족배동맥이 된다(노민희 등, 1997). 족배동맥은 족근중족관절부위에서 다시 궁상동맥이 되며, 여기에서 3-4개의 배측중족동맥이 분지되고, 마지막으로 발가락에 분포하는 배측지동맥이 된다. 후경골동맥은 슬와동맥의 종말지로서 하퇴삼각아래를 지나 경골내과의 뒤를 따라 발바닥으로 나와서 내․외측족척동맥으로 나누어지는데, 기시부 근처에서 비골을 따라 발뒤꿈치 외측에 분포하는 비골동맥이 분지한다. 비골동맥은 후방으로 후경골동맥분지와 문합하는 많은 분지를 가지고 있다. 이 동정맥문합의 몇몇 분지는 거골의 후방돌기쪽을 달려 거골안으로 들어간다. 또다른 분지들은 더 아래쪽으로 하행하여 종골안으로 들어간다(노민희 등, 1997).
뼈내적인 동맥은 거골쪽으로 모이게 되어 마치 큰 혈관망처럼 보인다. 거골의 머리부분은 크게 두부분으로 나뉘어져 혈관분포들이 한다. 즉, 거골 머리의 내․상부는 족배동맥으로부터 받고, 외․하부는 족근동동맥, 족근동 동정맥문합 및 외측족근동맥으로부터 혈관분포를 받는다. 거골 몸체의 주요 혈관은 거골관(tarsal canal)의 동정맥문합과 족배동맥분지에 의해 이루어진다. 거골의 후면은 후방결절 부위에 있는 동정맥문합으로부터 기시하는 많은 분지에 의해 공급을 받는다. 종골은 골간막인대와 관절낭에 의해 거골과 연결되어 있는 풍부한 혈관으로부터 혈액을 공급받는다.
거골하관절의 축과 움직임
축과 움직임
거골하관절의 경사축은 발의 후방-저측-외측에서 시작하여 전방-배측-내측으로 경사져 있는 축으로써, Manter(1941)에 따르면 이 축은 횡단면상에서 발의 장축과 약 16°(평균 8~24°)로 발의 내측으로 경사져 있고, 발의 외측에서 볼 때 시상면상에서 발바닥의 지면과 약 42°(평균 29~47°)를 이루고 있는 단일의 축을 되어 있지만, 거골하관절의 움직임은 3면에서 일어나는 복합적인 움직임이다. Sgarlato(1965)에 따르면, 거골하관절의 움직임은 내반/외반 : 외전/내전 : 배굴/저굴의 비율이 4:4:1로써 일어난다고 한다. 일반적으로 거골하관절의 회외(supination)와 회내(pronation)는 각각 종골의 내반(inversion)과 외반(eversion)으로 측정되며(Donatelli, 1990), 내반과 외반의 비율은 2:1이고, 가동범위는 20°: 10°이다(Root 등, 1977). 내반과 외반은 전두면상에서 일어나는 움직임이다. 보행의 발뒤꿈치 닿기때는 10°의 외반이 일어나고, 그 이후의 입각기에서는 거골하관절의 과도한 회내가 일어난다. 외전-내전은 횡단면상에서 일어나고, 배굴-저굴은 시상면상에서 일어난다. 정상 보행에서는 최소한의 종골 4-6°내반과 4-6°의 외반이 일어나는데 이 범위보다 더 작은 가동범위로 종골이 움직인다면, 비정상적인 보행패턴과 기능장애를 초래한다(Root 등, 1977).
거골하관절의 움직임은 경사축에 따라 크게 바뀌게 된다. 예를 들어, 경사축이 정상보다 횡단면으로부터 더 큰 편위를 가진다면(약 60°), 발은 전두면이나 시상면의 움직임보다 횡단면에서의 움직임이 더 크게 되는데, 그 이유는 축의 상대적인 위치 때문이다. 반면, 횡단면으로부터 정상보다 작은 편위를 가지고 있다면(20°정도라면), 발의 내전이나 외전이 작게 일어나고, 회외나 회내가 크게 일어날 것이다. 일반적으로 거골하관절의 경사축이 45°에 가까울 때 하퇴와 거골의 내전 : 종골의 회내가 1:1의 움직임으로 일어난다. 즉, 종골의 회내와 회외가 감소할 때 거골의 내전과 외전이 커진다. 이런 상대적인 움직임의 개념은 발을 생체역학적으로나 수술적으로 접근할 때 반드시 알아야 하고 운동선수를 위한 다양한 하지의 손상을 평가할 때 매우 중요하다. 거골하관절의 종골의 움직임은 보행할 때 마치 배가 파도를 타는 것처럼, 움직인다: 수직축을 중심으로 회전을 하고, 내측과 외측으로 기울어지며 또 전후방으로 활주를 하기도 한다. 이런 움직임은 보행할 때 매우 중요하다. 특히 족저근막과 함께 불균등한 지면을 걷거나 경사진 지면을 걸을 때 발이 지면에 잘 적응하도록 한다. 만약 종골의 움직임이 좋지 않으면, 보행에 장애를 줄 뿐만아니라, 발목관절에도 나쁜 영향을 주게 된다.
표 2. 거골하관절의 회외와 회내의 구성동작들
-----------------------------------------------------------------------------
열린위치운동학적 사슬 닫힌위치운동학적 사슬
-----------------------------------------------------------------------------
회외 종골의 내반 종골의 내반(외회전)
종골의 내전 거골의 외전
종골의 저측굴곡 거골의 배측굴곡
경비관절의 외회전
----------------------------------------------------------------------------
회내 종골의 외반 종골의 외반
종골의 외전 거골의 내전(내회전)
종골의 배측굴곡 거골의 저측굴곡
경비관절의 내회전
-----------------------------------------------------------------------------
거골하관절의 움직임에 대한 용어
발의 움직임에 대한 용어를 저자마다 다르게 기술하고 있기 때문에 혼란스럽고 잘 정의되어 있지 않다(Smith, Weiss와 Don Lehmkuhl, 1996). 특히 회내/회외와 외반/내반은 서로의 구성동작(component motion)으로 쓰이고 있다. 즉, Grimsby(1995), Steindler(1983)와 Kapandji(1970)는 내반(inversion)을 회외(supination)의 한 구성동작으로, 그리고 외반(eversion)을 회내(pronation)의 구성동작으로 설명하고 있는 반면, 다른 사람들은 회외를 내반의 구성동작으로, 회내를 외반의 구성동작으로 설명하고 있다(Morris, 1977; Green 등, 1979; Norkin과 Levangie, 1992). 이를 공식화해 도식하면,
Kapandji(1970)에 따르면,
inversion = supination + plantarflexion + adduction
eversion = pronation + dorsiflexion + abduction
Norkin과 Levangie(1992)에 따르면 구성동작의 위치가 바뀌게 된다. 즉,
supination = inversion + plantarflexion + adduction
pronation = eversion + dorsiflexion + abduction
표 3과 같이 용어의 변천이 이루어져 왔지만, 일반적으로 Norkin과 Levangie(1992)들이 주장하는 움직임의 이름을 사용하는 추세로 가고 있어, 본 글도 이런 추세를 따르고자 한다. 그리고 앞에서 설명했듯이, 거골하관절의 움직임은 체중부하상태와 비체중부하상태에 따라 다르게 표현된다. 이런 용어사용의 혼란 때문에, Inman은 거골하관절의 움직임을 위의 용어로 거의 설명하지 않았다.
표 3. 거골하관절의 움직임에 대한 용어의 변천
-------------------------------------------------------------------------------------
수직축 전후축 횡축
-------------------------------------------------------------------------------------
Cailliet(1963) 외전-내전 내반-외반 배굴-저굴
Kapandji(1987) 외전-내전 회내-회외 배굴-저굴
Lundberg 등(1989) 외회전-내회전 회내-회외 배굴-저굴
-------------------------------------------------------------------------------------
검사
거골하관절의 검사는 그 관절 자체만의 검사로 끝나서는 안되며, 전체 하지의 평가가 반드시 뒤따라야 한다. 왜냐하면, 거골하관절의 문제가 하지나 심지어 척주 및 골반으로부터 올 수 있기 때문이며, 또 거골하관절의 문제로 척주나 골반의 문제가 발생할 수 있기 때문에 아래에 제시하는 검사법을 일률적으로 하는 것이 바람직할 것이다. 그리고 아래의 검사법들은 여러 자세, 즉 선 자세, 누운 자세, 엎드린 자세, 앉은 자세 등을 취하면서 접근할 때 더 정확한 평가가 이루어진다.
① navicular drop test ② rearfoot/leg orientation
③ patellar alta/infera ④ Q angle test
⑤ leg length ⑥ tibial torsion with knee 90°
⑦ femoral anteversion/retroversion ⑧ arch height
⑨ subtalar motion in standing ⑩ foot motion during gait
결론
거골하관절은 구조와 기능에 있어서 매우 복잡한 관절이지만, 관절 자체의 움직임이 발목관절보다 크지 않아서 일반 임상가들은 거골하관절의 기능을 무시한 채로 역학적인 문제를 평가하고 치료하는 경우가 많지만, 스포츠나 발에 대한 전문 임상가들은 이런 맹점을 반드시 숙지하여 발에 대한 치료와 평가를 실시하면 보다 좋은 결과를 얻을 수 있게 될 것이다.
본 글에서 제시한 하지의 선별검사들은 임상에서 직접 적용할 수 있고, 대부분의 환자들에게 적용할 수 있는 검사법들이기 때문에 매우 유용하게 이용될 수 있을 것이다. 그리고 환자에 대한 평가와 치료를 생체역학적인 측면으로 접근하면 환자의 문제를 보다 근본적으로 치료하게 된다.
첫댓글 좋은 게시물이네요. 스크랩 해갈게요~^^