하지의 주 기능은 어떤 지점에서 다른 지점으로 이동하는 것으로, 우리의 삶에 있어 중요한 기능이다(육지에서 생활할 수 있는 모든 동물은 슬관절의 기능을 매우 중요시하고 있다. 인류의 조상이 수중활동에서 육지생활로 전환되었다고 가정할 때, 하지의 구조물 중에서 슬관절이 다른 구조물보다 매우 발달하게 되었을 것이고, 이 슬관절의 기능으로 육지 활동이 가능했을 것이라 추정할 수 있다. 특히 인간에 있어 슬관절의 중요성은 다른 동물들과 달리, 체중부하를 이겨내는 능력이 매우 중요하다.
외상이나 스트레스로 하지의 구조물 중에서 손상을 많이 받는 구조물이 슬관절이다. 이 슬관절은 잘못된 일상생활활동으로 부터 손상을 받게 되는 경우가 많은데, 동양인은 서양인 보다 생활에 있어 비정상적인 스트레스를 더 많이 받는다. 그리고 동양인의 슬관절 기능은 서양인보다 일상생활에 있어 매우 중요하고, 동양인의 사고방식도 슬관절의 기능을 가중시키는 경우가 많다. 그 예로 동양인은 다른 사람, 특히 어른에게 발을 보이게 되면 큰 실례로 생각하기 때문에 무릎을 꿇고 앉는 경우가 많다.
슬관절의 구조는 대퇴골(femur), 경골(tibia) 및 슬개골(patellae)로 이루어진 매우 큰 관절로써, 그 구조의 안정성은 역설적인 특성을 가지고 있다. 즉 인체에서 가장 안정되고도 불안전한 관절이다. 이 의미에서의 안정성은 대퇴사두근(quadriceps femoralis), 봉공근(sartorius), 슬괵근(hamstring), 박근(gracilis), 대퇴근막장근(tensor fasciae latae), 슬와근(popliteus), 비복근(gastrocnemius) 등의 골격근과, ACL & PCL, LCL & MCL 등의 인대에 의해 강하게 고정되어 있다는 것이고 불안정성은 골격의 구조를 볼 때 femur 아래에 tibia가 어떤 골성 지지도 없이 공간에 떠 있는 형태로 되어 있다.
슬관절의 생체역학 및 운동학적인 측면에서 슬관절 움직임의 종류를 책마다 다르게 표현하고, 그에 따라 자유도(degree of freedom)도 다르게 기술하고 있다. 그러나 슬관절에서 일어나는 모든 움직임을 기준으로 하여 고려해 볼 때 슬관절의 자유도는 6이며 그 움직임은 굴곡-신전, 회전 및 외전-내전이 일어난다.
2. Anatomy
2.1 Skeletal structure
슬관절의 골격구조는 femur, tibia, patella로 구성되어 있으며, tibiofemoral joint와 patellofemoral joint가 존재한다.
tibiofemoral jt.의 구조를 보면, distal femur의 외형은 lateral femoral condyle과 edial femoral condyle 그리고 이들 사이의 intercondylar notch로 크게 나눌 수 있고, 정면에 patellar groove가 존재한다.
근육들이 외측보다 내측부위에 근육들이 더 많이 착지하기 때문에 medial femoral condyle이 lat. femoral condyle보다 크다. 그러나 양쪽 condyle의 곡률(curvature)의 반경(radius)은 lat. femoral condyle이 medial femoral condyle 보다 더 크기 때문에 슬관절을 신전할 때 슬관절의 passive rotation(automatic rotation)이 외측 방향으로 일어난다.
proximal tibia의 형태는 가운데 낙타 등처럼 생긴 두 개의 lat. & med. eminence가 존재하고, 양쪽으로 tibial condyle 있으며, med. tibial plateau의 면은 오목하고, lat. tibial plateau는 약간 볼록한 형태로 되어 있다. 이런 femur와 tibia의 형태 때문에 슬관절이 굴곡하거나 신전할 때 슬관절면에서 일어나는 움직임의 양상이 다르게 일어난다. tibia에 대해 femure가 굴곡할 때 med. tibial condyle에서 일어나는 슬관절면의 관절 움직임은 순수한 rolling 이 15°까지 일어나지만, lat. tibial condyle에서 일어나는 rolling은 25°까지 일어난다. 그리고 tibia의 전방 중앙에는 tibial tuberosity가 존재하여 patellar tendon의 착지부로써 작용한다. 그리고 tibial tuberosity의 약간 외측에 gerdy's tubercle이 존재하여 iliotibial band(ligament)의 착지부가 된다.
슬관절을 이루는 뼈들은 체중부하를 많이 받고, 이 뼈 femur와 tibia가 받는 스트레스의 방향은 거의 동일하며, 대각선 방향과 수직방향으로 크게 두 가지 방향으로 이루어진다. 수직방향은 양쪽 condyle에서 이루어지고, 대각선 방향은 두 의 neck 부분에서 서로 교차되면서 일어난다.
femur와 tibia은 완전히 수직으로 관절을 이루고 있지 않고, valgus의 형태로 약간의 각도(5-15°)를 이루면서 관절하고 있다. 우리는 일반적으로 이 각도를 Q각이라 하며, 이것은 성별, 개인 및 나이에 따라 다르다. 대개 여성이 남성보다 각도가 크고, 소년기의 어린이가 성인보다 큰 각도를 가진다. Q각의 정의를 살펴보면, patellar base에서 대퇴사두근의 합성 힘 방향선과 patellar apex에서 patellar tendon의 방향선이 이루는 각이다. 그러나 Q각을 위의 정의대로 측정하는 것은 여러 절차를 거쳐야 하기 때문에, 임상적으로 ASIS에서 patellar center의 가상선과 patellar center에서 tibial tuberosity의 가상선이 이루는 각을 측정하고 있다. 이 Q각은 임상적으로 매우 중요한 기준이 되기 때문에 환자 개별의 Q각을 반드시 체크하는 습관을 가져야 한다.
두 번째 관절인 patellofemoral joint에서 볼 때, 관절을 이루는 patellar surface는 중심부만 날카롭고 볼록하고, 나머지 관절을 이루고 있는 부분은 오목한 형태로 되어 있다. 그리고 femoral articular surface는 patellar surface와 상반된 형태로 되어 있으며, 또medial wall보다 lateral wall이 더 높은 형태로 되어 있어 patella의 탈구를 방지하고 있다. patella의 구조는 아래쪽의 뾰족한 부분을 apex라 하고, 위의 약간 평편한 부분을 base라 한다.
2.2 Meniscus
menisci는 medial meniscus와 lateral meniscus로 구성되어 있다. 일반적으로 meniscus는 정면에서 볼 때 쐐기모양(wedge)으로 되어 있고, 위에서 볼 때는 초승달모양(crescent)으로 되어 있다. meniscus에서는 혈관이 분포하지 않은 것으로 알려져 있으나, meniscus의 주변부위에 혈관들이 분포되어 있다. 그리고 meniscus의 미세 구조를 관찰하면 여러 가지의 collagen fiber들이 존재한다. 이런 collagen fiber의 기능은 술통(barrel)의 hoop와 같은 기능으로 peripheral meniscus의 변형을 방지하고 있다.
4가지의 fiber들이 있는데 그 중에서 horizontal fiber의 수가 가장 많고, fiber가 형성하고 있는 방향은 전후방향으로 길게 구성되어 있다.
radial fiber는 지지영역(support zone)에 많이 분포되어 있고, 그 방향은 meniscus를 횡단으로 이루어져 있다. 그리고 vertical fiber과 oblique fiber는 상하방향으로 구성되어 있다.
medial meniscus :
◆ C자형
◆ 평균 폭 - 9-10㎜, 두께 - 3-5㎜
◆ meniscotibial ligament(coronary ligament)에 의해 tibia에 부착되어 있다.
◆ MCL, semimembranosus tendon과 직접 붙어 있다.
◆ curvature radius가 lateral meniscus의 것보다 크다. 즉, 더 평면에 가깝다.
슬관절이 하지의 다른 관절보다 견고한 이유는 수많은 ligament가 있어 femur와 patella, tibia 및 fibula를 지지하고 있기 때문이다. ligament는 근육의 힘에 의해 관절이 움직이거나 수동적으로 관절이 움직일 때 그 기능이 중요시 되지만, 실제로 ligament의 기능에 의해 관절의 움직임이 결정되기도 한다. 그 예가 바로 슬관절의 passive rotation이다. 슬관절에는 많은 ligament가 있지만, 모든 ligament를 다 설명할 수 없기 때문에, 슬관절의 구조와 biomechanics에 영향을 주는 ligament에 대해서만 언급하고자 한다. 실제로 슬관절에 존재하는 ligament도 사람에 따라 모두 존재하는 것이 아니라, 어떤 사람에는 존재하고 또 다른 사람에게는 존재하지 않는 경우도 있다.
ligament의 종류는 아래와 같다: LCL(lateral collateral ligament), MCL(medial collateral ligament), ACL(anterior cruciate ligament)
- 어느 것이 "anterior"인지, "posterior" 인지 헷갈리는 경우가 종종 있는데, 그 이름이 붙여진 이유를 알면 혼동되는 경우는 사라질 것이다. "anterior"라고 붙여진 이유는 tibia에서 볼 때 그 부착지점이 전방에 있다고 해서 이름이 이렇게 붙여진 것이다.
- tibia의 anterior intercondylar area에서 시작하여, posterosuperolateral 방향으로 달려 lateral femoral condyle의 medial aspect에 부착된다.
- 해부학적으로 볼 때, PCL과 함께 관절낭속에 존재하지 않는다.
PCL(posterior cruciate ligament) - ACL보다 강하다.
- tibia의 posterior intercondylar area에서 시작하여, anterosuperomedial 방향으로 달려 medial femoral condyle의 lateral aspect에 부착된다.
- lateral meniscus의 posterior horn에서 시작하여 medial femoral condyle에 부착되어 있다.
- 직경의 크기는 Humphrey Ligament보다 약간 크다.
*. 위의 ligament가 모두 사람에게 다 있는 것이 아니라 약 70%의 사람에게 존재하고, 또 양쪽 모두 있는 경우는 약간 드물다(6%). 주로 Wrisberg Ligament를 더 많이 가지고 있는 것으로 되어 있다. Tranverse Ligament : 두 meniscus의 anterior horn를 연결하는 ligament으로 두 meniscus을 서로 고정하는 역할을 한다.
Meniscopatellar Ligament : 이름그대로 patella와 meniscus을 연결하는 ligament로, meniscus의 전방 움직임을 일으키는 기능을 가지고 있다.
Patellar Ligament : 슬관절에 있는 ligament중에 가장 강한 ligament이며, 다른 이름으로는 quadriceps tendon이라고 한다.
Arcuate popliteal Ligament : 궁형의 인대로 슬관절의 posterior part에 위치하며, 아직 그 기능에 대해서는 명확하게 설명하고 있지 않지만, 슬관절의 capsule의 후외측을 보강하고 있다.
fibular head의 후부에서 시작해 lateral femoral condyle과 tibial intercondyle에 착지한다. 이 ligament는 심부(deep)에 위치하지만, 아래의 Oblique popliteal Ligament는 천부(superficial)에 위치한다.
2) popliteus : lateral femoral condyle의 lat. aspect → tibia의 post. super. medial
3) gastrocnemius
4) sartorius : 인체에서 가장 긴 근육이며, ASIS → medial tibial condyle
5) gracilis : long, thin, superficial, weak muscle이다. inferomedial pubis → medial tibial condyle 바로 밑에 착지
*. pes anserine : gracilis, sartorius, semitendinosus의 착지점들이 거위 발처럼 생겼다고 해서 명명함
2.4.3 knee interal rotators
1) sartorius
2) semitendinosus
3) semimembranosus
4) gracilis
2.4.4 knee external rotators
1) tensor fasciae latae
2) biceps femoris
3) gluteus maximus(superficial part) - iliotibial band와 연결되어 있음
2.5. Capsule 과 Bursae
슬관절의 capsule은 원통형이라고 말해도 큰 무리가 없다. knee joint capsule의 전반적인 모양은 femur의 anterior part가 posterior part(gastrocnemius의 기시점 아래)보다 위쪽에서 시작하며, 슬개골이 있는 부위는 유리창에 구멍이 뚫여 있는 형태를 띠고 있다. 그리고 슬관절 속에 있는 전십자인대(ACL)와 후십자인대(PCL)를 남겨 두고 슬관절을 둘러싸고 있다.
다음은 슬관절에 있는 주요 bursae를 설명한 것이다:
◆ prepatellar bursae : 비교적 큰 bursae이며, 피부와 patella사이에 위치
◆ superficial infra-patellar bursae : 피부와 patellar tendon사이에 위치
◆ deep infra-patellar bursae : fat에 의해 둘러싸여 있고, proximal tibia와 patellar tendon의 부착지점사이에 위치
◆ semimembranosus bursae : semimembranosus tendon과 medial gastrocnemius의 head사이에 위치
◆ supra-patellar pouch : patella위쪽에 있는 bursae이다.
3. Biomechanics of the Knee
3.1 Biomechanical Terminology
biomechanics를 공부하는데 필요한 기본적인 용어와 자주 접하게 되는 용어를 간단히 정의하는 식으로 설명하고자 한다.
◆ kinematics: 어떤 물체의 자세나 위치를 연구하고 나타내는 학문이다. 힘의 요소는 철저히 배제한다. 위치운동학으로 번역된다.
◆ kinetics : 힘을 연구하는 학문으로 힘 운동학으로 번역된다. statics와 dynamics 나눌 수 있다.
◆ statics : 평형상태의 물체에 적용되는 힘의 상태를 연구하는 학문
◆ dynamics : 비평형상태의 물체에 적용되는 힘의 상태를 연구하는 학문
◆ coordinates : 위치를 상대적으로 값으로 나타낼 수 있는 기준점을 말하며, 일반적으로 좌표라고 한다.
◆ reference system : 죄표계
◆ degree of freedom(DOF) : 물체의 위치나 자세를 설명하는데 필요한 좌표의 수
◆ curvature : 곡선의 정도를 나타내는 용어로써, 만곡도 혹은 곡률이라고 한다.
◆ Instant Center of Rotation : 뼈의 움직임이 관절을 중심으로 일어날 때, 즉 그 관절이 가동범위의 전반에 걸쳐 일어날 때 어느 한 지점만을 축으로 하여 일어나는 것이 아니라, 굴곡 각도에 따라 중심이 변한다는 것을 의미한다.
◆ free body diagram : 인체의 분절이나 관절에 작용하게 되는 힘을 쉽게 나타내기 위해 그림으로 그린 것으로, 인체의 일부를 떼어내어 그린 것이다.
◆ torque : 인체를 각 가속으로 움직이는데 필요한 힘 : force × moment arm
◆ moment : 위의 torgue와 같은 의미이며, 단위 Nm로 나타낸다.
◆ mass moment of inertia : 어떤 물체가 움직일 때 각가속도의 변화에 저항하는 값 대개 kgm2
◆ force : 물리학적으로 벡터량이며, 표시는 화살표로 나타낸다. force는 분해와 합성이 가능하고, 주로 네 개의 부분으로 나뉘어 진다.: sense, application line, magnitude, application point
◆ joint reaction : 어떤 동작을 하거나 어떤 자세를 취할 때 관절이 받는 힘을 의미한 다. 이것은 임상적으로 매우 중요한 의미를 가지고 있기 때문에, 생체역학에서 계산을 많이 하는 편이다.
◆ load & deformation curve : 아래의 stress & strain curve에 상당히 비슷하지만, 근본적인 차이점은 load와 stress의 개념차이다. stress는 load가 아니라, 즉, 외부에서 가해지는 힘이 아니라, 물체의 내부에서 발생하는 힘의 의미를 지니고 있기 때문이다.
◆ stress : 어떤 물체가 받는 단위 횡단면의 힘으로 정의된다. 응력으로 번역된다.
◆ normal stress와 abnormal stress로 크게 나눌 수 있는데, stress의 종류에 따라 다른 기호를 사용한다. 즉, normal stress의 기호는 sigma(σ)로 표시하고, normal strain는 'ε'으로 표시한다. 그리고 shear stress는 tau(τ)로 표시하고, shear strain은 gamma(γ)로 표시한다. 특히 normal strain는 길이의 단위로 나타내고, shear strain은 각도단위로 나타낸다. 그러나 이때 degree로 나타내는 것이 아니라 radian으로 나타낸다.
◆ strain : stress에 의해 일어난 변형률(%deformation) strain의 이름은 stress에 의해 결정된다. 예를 들어, shear stress에 의해 일어난 strain은 shear strain이 된다.
◆ stress & strain curve : stress에 대한 strain의 결과를 그림식으로 나타낸 것으로, 생체역학에서 중요한 의미를 지닌다. 이 곡선에는 다양한 영역들이 존재한다. 이런 곡선을 나타내는 가장 큰 이유는 어떤 생체물질의 특성을 규정하는 목적이 가장 크다.
◆ linear system : 어떤 기계의 시스템이 선형적으로 나타나는 것으로, 이상적인 의미가 강하다.
3.2 Kinematics
3.2.1 Arthrokinematics of Knee Joint
rolling : 두 관절면이 서로 접촉하는 상태가 구르는 형식으로 되어 있는 것으로, 우리가 정의하기로는 두 관절면에서 일어나는 접촉지점이 항상 새롭게 되는 것을 의미하고, 수학적인 표현을 빌리면, "일대일 대응"이다. 슬관절에서는 15-20°굴곡까지 일어나고 있다.
*. 슬관절에서 순수한 rolling만 일어난다면, 어떤 현상이 일어나겠는가? = 탈구
gliding : 두 관절면이 서로 접촉하는 상태가 미끄러지는 상태이며, 정의하기로는 두 관절면사이에서 접촉지점은 관절이 움직일 때, 한 관절면의 한 지점은 다른 반대 관절면의 여러 지점과 만나는 것을 의미한다. 이것도 수학적 표현을 빌리면, "일대다 대응"이 된다. 슬관절에서 일어나는 gliding은 정확한 굴곡정도는 모르지만, 거의 마지막 굴곡각도(130°)에서 순수하게 일어난다.
: translatory gliding
: curved gliding
*. 슬관절에서 순수한 gliding만 일어난다면, 어떤 현상이 일어나겠는가? = 관절면의 파괴
rolling-gliding - 슬관절에서 주로 일어나는 관절의 움직임이다.
*. 슬관절에서 rolling-gliding만 일어난다면 어떤 현상이 일어나겠는가? = passive rotation이 일어나지 않을 것임
passive rotation : axial rotation, automaic rotation, screw home mechanism 슬관절이 완전신전될 때 일어나는 현상으로, tibia에 대해 femur가 medial rotation된다.
원인 : ① curvature radius: lateral femoral condyle > medial femoral condyle cuvature: lateral femoral condyle < medial femoral condyle ② tibial condyle의 모양이 medial과 lateral에서 다르다. lateral tibial plateau는 전후방향으로 볼록하고, 좌우방향으로 오목하다. medial tibial plateau는 전후방향으로 오목하다.
* 위의 이유 때문에, lateral femoral condyle이 더 많이 rolling하게 된다.
③ medial collateral ligament가 lateral보다 먼저 stretch된다.
3.2.2 Biomechanics of Meniscus
meniscus의 움직임은 슬관절 주위의 근육에 의해 일차적으로 일어나며, 부차적으로 인대(coronary, collateral, meniscopatellar ligament 등)와 뼈의 기능에 의해서도 움직임이 일어난다. 특히 뼈에 의한 움직임은 슬관절의 arthrokinematic한 움직임을 아는 것이 중요하다. 수동적으로 tibia를 회전시킬 때, 회전과 같은 쪽의 meniscus가 전방으로 움직이게 되지만, 슬관절에서 femur가 회전될 때는 반대쪽의 meniscus가 전방으로 움직이게 된다. 일반적으로 특별한 언급이 없으면, 슬관절의 움직임은 tibia에 대한 femur의 움직임이라고 생각하면, 큰 무리가 없다. 이 약속은 매우 중요하다. 어느 뼈가 움직이느냐에 따라 정반대의 움직임이 일어나기 때문에 큰 혼란이 일어날 수 있고, 그림이나 책을 잘못 이해할 수 있기 때문이다.
meniscus의 생체역학적인 기능은 매우 중요하기 때문에, 일반적인 역할을 먼저 언급하고자 한다.
1. 관절면을 더 오목하게 만든다.
- 체중을 여러 방향으로 분산해 준다.
- 슬관절의 안정성을 증가시킨다.
2. tibia와 femur의 직접적인 접촉을 어느 정도 줄여준다.
3. 슬관절의 움직임을 원활하게 하고, 영양분도 제공해 준다.
4. 충격 흡수
- 슬관절 신전 : 압박력 50%
- 슬관절 90°굴곡: 압박력 85%
- medial meniscus는 medial compartment가 체중의 50%를 흡수
- lateral meniscus는 medial compartment가 체중의 70%를 흡수
5. meniscus의 움직임:
- lateral meniscus(12㎜)가 medial meniscus(6㎜)보다 움직임이 크게 일어남
6. meniscus의 stability(function of coronary ligament)
- coronary ligament의 기능에 따라 meniscus의 stability가 결정된다.
- medial coronary ligament가 lateral coronary ligament보다 meniscus를 강하게 고정하고 있기 때문에, 아이러니하게도 medial meniscus가 더 쉽게 손상을 받게 된다.
- 이런 coronary ligament의 기능 때문에 medial meniscus의 움직임이 더 작게 된다.
3.2.3 Biomechanics of Ligament
슬관절은 인체 관절중에서 가장 큰 관절이지만, 두 개의 긴 지렛팔(tibia와 femur)을 가지고 있기 때문에 하지의 어느 관절보다 손상당하기 쉽고, 복잡한 구조를 지니고 있어, 많은 학자들과 임상가들의 주된 연구대상이었다.
슬관절의 기능을 연구하려고 한다면, 가장 먼저 연구해야 할 것이 바로 ligament이다. 슬관절의 모든 구조는 ligament에 의해서 지지받고, 안정되어 있다해도 지나친 말이 아니다. 슬관절에 대한 임상 검사중에서 ligament 검사가 가장 많다.
⑴ collateral ligament
medial rotation(femur에 대해 tibia가 내회전할 때)시 - both collateral ligament가 이완됨
lateral rotation(femur에 대해 tibia가 외회전할 때)시 - both collateral ligament가 긴장됨
⑵ cruciate ligament
medial rotation(femur에 대해 tibia가 내회전할 때)시 - both cruciate ligament가 긴장됨
lateral rotation(femur에 대해 tibia가 외회전할 때)시 - both cruciate ligament가 이완됨
flexion과 extension 모두에서 both cruciate ligament가 긴장됨
⑶ meniscopatellar ligament - meniscus가 전방으로 이동
⑷ meniscotibial ligament(coronary ligament) - lateral coronary ligament는 meniscus를 느슨하게 고정하고 있어, lateral meniscus의 움직임이 큰 편이다. - medial coronary ligament는 meniscus를 단단하게 고정하고 있어, medial meniscus의 움직임이 작고, 손상을 더 잘 받는다.
3.2.4 Biomechanics of Patella
슬관절이 굴곡할 때 patella는 자신의 크기보다 2배 정도로 움직인다. 그러나 patella를 제거하면, 지렛대의 팔길이가 짧아져서 대퇴사두근이 큰 힘을 발휘하지 못하게 된다.'
patellofemoral joint의 biomechanics에 영향을 주는 두 요소는 Q각도와 patellar tendon의 길이다. 슬관절의 굴곡각도에 따라 patella와 femur의 접촉지점을 나타내면 다음의 표와 같다:
patellofemoral joint는 modified plane joint이며, patella의 articular surface는 외측이 내측보다 더 넓다. 그리고 patella의 articular surface를 cartilage가 둘러싸고 있다.
일반적으로 patella의 articular surface를 다섯부분으로 나눈다: superior, inferior, lateral, medial, odd facets. 특히 odd facet이 임상적으로 매우 중요하다. 그 이유는 chondromalacia patellae에서 가장 먼저 손상받기 때문이다.
patella의 생체역학적인 기능은 크게 5가지로 나누어 생각할 수 있다:
1) pulley 기능으로, lever arm의 길이를 길게 하여 대퇴사두근의 작은 수축력으로도 큰 힘력을 발휘할 수 있다.
3) 넘어졌을 때 슬관절을 보호한다. 이런 의미에서 patella를 "knee cap"이라고도 한다.
4) meniscus를 잘 움직이도록 한다 - meniscopatellar ligament의 기능.
5) infrapatellar fat pad의 움직임을 원활하게 하여 활액을 윤활하게 만든다.
3.2.5 Q각에 대해
Q각은 성별, 연령, 질환에 따라 다르게 나타나는데, 주 원인은 골격(특히, 골반)의 형태 때문이다. 예를 들어 여성이 남성보다 골반의 폭이 크기 때문에, ASIS가 인체 중심선에서 멀리 위치하게 될 뿐만 아니라 하지의 뼈들도 골반의 폭에 맞추어 그 기능을 해야만이 적절한 생체역학적인 기능을 할 수 있기 때문이다.
실제로 Q각은 측정하는 사람마다 약간의 차이가 존재하고, 그 차이가 정도가 매우 큰 경우도 있지만, 여기에서 제시하는 Q각은 Agliettis 등(1983)이 측정한 값을 제시한다: 남성은 14°(±3), 여성은 17°(±3)
Q각에 영향을 주는 요소 ⑴ genu valgum ⑵ femoral anteversion의 증가 ⑶ external tibial torsion ⑷ laterall positioned tibial tuberosity ⑸ tight lateral retinaculum
3.2.6 Motion of Knee Joint during Walking
슬관절의 움직임은 굴곡-신전, 회전, 내전-외전으로 나누어 생각할 수 있다. 먼저 굴곡-신전은 X축을 중심으로 시상면에서 일어나고, 회전은 Y축을 중심으로 횡단면에서 일어난다. 그리고 내전-외전은 Z축을 중심으로 전두면에서 일어난다.
굴곡-신전의 움직임 범위가 가장 크고, 145°까지 움직이고, 나머지 움직임은 이 움직임에 비해 매우 작은 범위로 움직인다.
일반적으로 회전은 슬관절이 90°굴곡되었을 때 가장 크게 움직이고, 완전한 신전에서는 회전이 일어나지 않는다. 슬관절 90°굴곡시 외회전은 45°정도, 내회전은 30°정도로 외회전의 범위가 더 크다. 그리고 슬관절이 90°이상으로 굴곡되면, 연부조직이 회전을 방해한다.
전두면에서 일어나는 내전-외전도 슬관절의 굴곡정도에 영향을 받는데, 슬관절 30° 굴곡될 때까지 움직임이 증가하다가, 30°를 초과하면, 연부조직에 의해 내전-외전이 제한받는다.
보행을 하는 동안에도 위의 움직임들을 관찰할 수 있는데, 보행주기의 각 단계에 따라 이들 움직임을 살펴 보면, 다음과 같다.
정상보행의 heel strike과 toe off 바로 직전에도 완전한 슬관절 신전이 일어나지 않고 대개 5°의 굴곡만 일어난다. 그리고 정상보행시의 최대 굴곡은 75°정도이며, 이것은 middle swing에서 일어난다.
보행시의 회전은 연구자들마다 다른 각도를 제시하고 있지만, 여기에서는 평균 회전각도 8.6°를 제시한 Leven과 그 공동연구자들의 자료와, 평균 13.3°를 제시한 Kettelkamp와 공동연구자들의 자료를 제시한다. 이 두 연구에서 보면, 외회전은 슬관절 신전시(stance phase에서의 슬관절 신전과 heel strike 바로 직전의 swing phase)에서 가장 크게 일어났고, 내회전은 슬관절 굴곡시(middle swing)에서 가장 많이 일어났다는 것을 알 수 있다.
보행중 최대 외전은 heel strike에서 가장 크게 일어났고, 최대 내전은 swing phase에서 가장 크게 일어났다. 보행중의 총 내전-외전의 범위는 평균 11°정도였다.
아래의 표는 일상생활중의 각 활동에서 일어나는 시상면상의 관절가동범위이다:
----------------------------------------
활동 관절가동범위
-----------------------------------------
보행 0-75°
-----------------------------------------
계단오르기 0-83°
-----------------------------------------
계단 내려가기 0-93°
-----------------------------------------
3.3 Kinetics
kinetics를 크게 statics와 dynamics 로 나눌 수 있다. 이 학문들은 인체나 기계에 적용되는 힘의 학문이다.
이 단락에서는 인체가 움직일 때, 인체에서 일어나는 힘의 현상을 문제풀이식으로 전개해 나갈려고 한다.
3.3.1 Tibiofemoral Joint의 Kinetics
3.3.1.1 tibiofemoral joint의 statics
static analysis는 인체가 움직임이 없거나 일정한 속도로 움직일 때 관절에 작용하는 force와 moment을 결정하기 위해 사용된다. 이런 분석은 일반적으로 graphic method와 mathematic method를 이용하여 구한다. 실제로 이렇게 얻어진 force이나 moment는 인체에서 일어나는 최소의 힘이다.
먼저 graphic method는 free body diagram를 이용하는 편리하며, 작용하는 힘을 쉽게 알 수 있다. 이때 작용한 힘의 크기는 화살표의 길이를 측정하므로써 구할 수 있다.
두 번째 방법인 mathematic method는 삼각방법이나 평행사변형 방법으로 구하고, 식은 다음과 같다: C2 = A2 + B2 - 2 ABcosθ;Statics에서 토오크값을 구하는 방법; 1. 정적상태에서는 모멘트의 합은 "0"이다 ∑Ｍ = 0 2. 반시계방향의 모멘트는 양의 값을 갖고, 시계방향의 모멘트값은 음의 값을 갖는다.
3.3.1.2 tibiofemoral joint의 dynamics ;Dynamics에서 토오크값을 구하는 방법;
statics에서의 방법보다 더 많은 조건이 필요하며, 이때의 모멘트의 합은 "0"아니고, 그 중에서 인체가 각가속도로 움직인다는 것을 알아야 한다. 즉, mass moment of inertia를 고려해야 한다.
1. 토오크(T) = I ×α ← 뉴톤의 제2법칙 I = 관성 모멘트로 그 단위는 Nmsec2, I 은 antropometric data로부터 얻을 수 있다. α = 각가속도(r/sec2)
2. 공식 T = F × D은 statics에서 구하는 방법과 비슷하다. 이 공식에서는 먼저 대퇴사두근의 힘(F)을 먼저 구하고난 후에 T 값을 구할 수 있다. D는 일반적으로 antropometrics으로 알 수 있으며, 그 거리의 값은 0.05m이다. F 값은 statics에서 구하는 방법으로 구하면 된다.
3.3.1.3 문제풀이
70kg(700N)의 사람이 계단을 이용하여 대퇴사두근을 운동하고 있다. 계단을 올라갈 때의 슬관절 신전근에 의해 일어나는 최대 외적 토오크는 55Nm이고, 계단을 내려갈 때의 슬관절 신전근에 의해 일어나는 최대 외적 토오크는 155Nm이다. 그리고 대퇴사두근의 힘은 0.05m의 모멘트팔을 가지고 있다. 계단을 올라갈 때, 슬개골건을 통해 전달되는 대퇴사두근의 힘은 경골의 장축과 15°를 이루면서 작용하고, 경골은 수평면과 60°를 이루고 있다. 계단을 내려갈 때, 슬개골건을 통해 전달되는 대퇴사두근의 힘은 경골의 장축과 10°를 이루면서 작용하고, 경골은 수평면과 50°를 이루고 있다. 지면 반응력은 700N이며, 계단을 오르내릴 때 수직으로 작용한다. 이때 하퇴의 무게를 고려하지 않는다. 이때 두 경우의 경골대퇴관절반응력(R)의 크기는 각각 얼마인가?
계단을 올라갈 때의 R = 1670±20N 계단을 내려갈 때의 R = 3195±40N ;풀이; 올라갈 때의 경우만을 구하면, 먼저, 대퇴사두근의 힘(T)은 0.05×T = 55N, T= 1100N R를 수학적으로 구하면, R2 = 11002×7002 -2․1100․700 cos135° R = 1670N
3.3.2 Tibiofemoral Joint의 Kinetics
3.3.2.1 Patellofemoral Joint의 statics
patellofemoral joint에서, 대퇴사두근의 힘은 슬관절이 굴곡할수록이 증가하고, 이완되어 서 있을 때가 대퇴사두근의 힘이 최소로 작용한다. 왜냐하면, 인체중심이 슬관절의 회전축 바로 지나기 때문이다. 따라서 슬관절이 굴곡될수록, 인체중심은 슬관절의 회전축으로부터 멀리 떨어지기 때문에 토오크의 법칙에 의해서 대퇴사두근이 큰 힘을 발휘해야만 그 자세를 취할 수 있기 때문이다. 일반적으로 슬관절을 90°로 굴곡했을 때, 대퇴사두근은 체중의 2.5-3배의 힘을 발휘한다.
