[논문]계단 오르기와 내리기 동안 다축범위(multi-radius) 무릎인공관절 수술자의 운동역학적 비교분석

진영완; 유병인; 곽이섭

doi:10.5103/kjsb.2006.16.1.031

문제 정의

2004). 무릎인공관절 수술 후 무릎관절의 신전(extersion)과 굴곡(flexion운동을 하는 동안 하나의 회전축(singleaxes)을 가진 단축범위(sing®Tadius)로 움 직이는 무릎인공관절과 약간의 외전(abduction)과 내전 (adduction) 그리고 굴곡과 신전운동을 하는 무릎인공 관절 즉, 여러 축(multi-axes)으로 움직이는 다축범위 (multi-radius)를 가진 무릎인공관절 수술자들을 대상으로 재활운동시 많이 사용되는 계단을 올라가는 동작과 내려가는 동작을 하는 동안 근모멘트를 만들어내는 대 퇴사두러quadriceps musde)과 무릎오금근(hamstring) 의 역할과 하지(lower extremity)의 운동학(kinematics) 및 운동역학적(kinetics)인 특징을 비교분석하여 재활운 동을 하는 수술자 그리고 관련자들에게 올바른 정보를 제공하고자 한다.

가설 설정

5m/sec로 걸음) 동안 3차원 영상분석법을 통하여 모멘트의 계산eFeltner & Dapena(1989)가 사용한 Motion-dependent interaction 분석방법 (Three-DimerBional Interactions in a Two-Segment Kinetic Oain)을 이용하여 Inverse Dynamics로 계산하였다. 계산은 대퇴분절, 정 강이분절 그리고 발목분절이 두 개의 경체로된 분절이 핀으로 연결되어 2차원 운동을 한다고 가정하였다. 예를 들면 말초 분절(정강이)에는 정강이의 무게(WTd)와 기시점에작용하는 힘0Fpd), 그리고 무릎관절에 작용하는 모멘트(JMpd)가 있다고 가정하였고, 기시분절(대퇴)에는 역시 그 자체의 무게(WTp)와 저지점에 작용하는 힘 (-JFpd), 그리고 그점에 작용하는 모멘트(-JMpd)가 있다.
여기서-JPpd와 -Rxl는 말초분절에서 내는 JFpd와 JMpd의 반작용으로 인한 것이다. 또한 기시분절에는 고관절에 작용하는 힘(JFpp)과 모멘트(JMpp)가 있다고 가정하였다(그림 6). 모멘트 의 계산은 오르기 동안 오른발이 떨어지기 직전부터 스윙한 후 다음계단에 착지하는 순간까지 계산하였다.

제안 방법

1) 1차실험 : Isokinetic concentric test는 힘 측정기구KIN-GDM HITM isokinetic dynarnorneter(500Hz)> 사용하여 무릎 각도가 75°-15°까지 최대 수의수축(maximal voluntary contraction, MVQ 을 하는 동안 굴곡근과 신전근의 역할을 알아보았다. 이때 EMG의 VM(vastus medialis), VL(vastus lateralis), RF(rectus femoris), BF(biceps femoris) 그리고 ST(semitendinosus)의 데이터를 얻었다
KIN-GOM DI를 이용하여 무릎의 Isokinetic 힘을 측정하기 위하여 무릎각도를 75°-15° 까지 펴면서 테스트하였다
3) . MN-COMUTIM : Isokinetic EMG date(VM, VLZ RF, BF, SI)를 얻기 위하여 사용하였다.
계단 오르기 동작과 내리기 동작 동안 대퇴사두근과 무릎 오금근의 iEMG변화와 근육들의 역할을 알아보았다.
계단 오르기와 내리기 동안 무릎의 굴곡과 신전 운동동 안 무릎관절에 작용하는 모멘트를 알아보기 위하여 3 차원 영상분석방법을 통하여 하지의 각도변화차이, 각가속도변화 차이 등을 알아보며, Feltne와 Dapena(1989) 사용한 Motion-dependent interaction 분석방법을 이용하여 고관절, 무릎관절 그리고 발목관절에 작용하는 관절 모멘트joim moment)> inverse dynamics로계산하였다.
다축으로 움직이는 무릎인공관절 수술자(1년경과자,3년경과자)들을 대상으로 사전테스트(Mnetic test)와운동중테스트(계단오르기와 내리기)로 나누어 특징들을 비교하였다. 운동을 통하여 대퇴사두근, 오릎오금근의역할을 알아보고 하지의 운동학 및 운동역학적 특징을 비교분석 하였다.
또한 기시분절에는 고관절에 작용하는 힘(JFpp)과 모멘트(JMpp)가 있다고 가정하였다(그림 6). 모멘트 의 계산은 오르기 동안 오른발이 떨어지기 직전부터 스윙한 후 다음계단에 착지하는 순간까지 계산하였다. Etempster(1955)의 자료를통하여 대상자의 인체측정자료를 얻었다.
운동을 통하여 대퇴사두근, 오릎오금근의역할을 알아보고 하지의 운동학 및 운동역학적 특징을 비교분석 하였다.

대상 데이터

2) EMG 테스트 : 계단 오르기와 내리기 동안 16-channel NfyoResearch XP EM3 씨스템 (1080Hz/sampligrate)을 사용하여 VM, VL, RF, BF 그리고 ST의 데이터를얻었다.
모멘트 의 계산은 오르기 동안 오른발이 떨어지기 직전부터 스윙한 후 다음계단에 착지하는 순간까지 계산하였다. Etempster(1955)의 자료를통하여 대상자의 인체측정자료를 얻었다. EM3와 모멘트의 비교는 SR5SWIN 10.
본 연구에 필요한 실험 대상자는 다축으로 움직이는 무릎 인공관절 수술외의 다른 병력이 없는 남자였다.
역할을 알아보았다. 이때 EMG의 VM(vastus medialis), VL(vastus lateralis), RF(rectus femoris), BF(biceps femoris) 그리고 ST(semitendinosus)의 데이터를 얻었다

데이터처리

3) 영상분석 : 운동학적 자료와 운동역학적 자료는Peak Motion Nfeasurement SysteniTM(Peak Performance Technologices, Inc)을 이용하여 자료를 얻었다. 3 대의 Hei-speed video cameras를 사용하며(이때sanpling rate:120Hz, shatter speedrl/lOOOs, 21-point 캘리브레이션 프레임사용) Peak MotusTM 버전 4.
Etempster(1955)의 자료를통하여 대상자의 인체측정자료를 얻었다. EM3와 모멘트의 비교는 SR5SWIN 10.0 통계패키지를 이용하여 t-test로 검정하여 비교하였다.

이론/모형

계단 오르기와 내리기(평균 1.5m/sec로 걸음) 동안 3차원 영상분석법을 통하여 모멘트의 계산eFeltner & Dapena(1989)가 사용한 Motion-dependent interaction 분석방법 (Three-DimerBional Interactions in a Two-Segment Kinetic Oain)을 이용하여 Inverse Dynamics로 계산하였다. 계산은 대퇴분절, 정 강이분절 그리고 발목분절이 두 개의 경체로된 분절이 핀으로 연결되어 2차원 운동을 한다고 가정하였다.

성능/효과

5. 다축(multi-radius)으로 제작된 무릎인공관절 수술자를 계단 오르기와 내리기 동안 내전과 외전이 일어나는 각도를 알아본 결과 계단내리기 동작 외전은 1년경과 집단과 3년경과집단간(p=0.73)에 큰 차이는 없었으나 내전에서는 통계적으로 유의한 차이(pn.071)가 나타났으며 3년경과자(11.02±1.8°)집단이 1년경과자(5.8±2.6°)집단보다 내전이 크게 일어나고 있는 것으로 나타났다. 이것은 계단 내려오기 동작동안 3년경과자집단들은 자신 있게 계단을 밟는 반면에 1년경과자집단들은 조심스럽게 밟는 경향을 나타내었다.
6. 무릎인공관절 수술 후 지속적인 재활운동을 한 3년경과자집단(고관절:-192±35Nm, 무릎관절:128±21Nm)이 1년경과자집단(고관절:-125±18Nm, 무릎관절62±20Nm)보다 고관절과 무릎관절에서 계단을 오를 때에 더욱더 큰 모멘트 값을 보여주고 있다.
외측광근。L) 그리고 대퇴직근(RF) 모두 3 년경과자집단 Normalized EMG에서 각각 구간별로 3년경과자집단가 1년경과자집단 보다 큰 값으로 나타났다. 무릎 굴곡(flexion)시에 VMe 60°-15° 사이에서는 3 년경과자집단이 1 년경과자집단 보다 현저하게 Nor- malized RNE EMG값이 크게 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다<p<0.
05). RF 또한 무릎 굴곡 시에 60°-30°에서 3년경과자집단이 1년경과자집단 보다 Normalized RJvS EMG값이 크게 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05).
그림 6은 무릎인공관절 수술 후 1년경과자 집단과 3 년 경과자집단의 사전테스트로서 KMQQM III를 이용하여 Isokinetic concentric test를 실시하여 얻은 결과로서 내측광근(VM), 외측광근(VL) 그리고 대퇴직근(RF) 모두 3년경과자집단 Normalized RNfi EMG에서 각각구간별로 1년경과자 집단 보다 큰 값으로 나타났다. 무릎 굴곡(flexion)시에 VMe 60°-15° 사이에서는 3년경 과자 집단이 1년경과자 집단 보다 현저하게 Nonralized RNfi EMG값이 크게 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.
17초 빠르게 나타났다. 내리기 동작에서 편차가 큰 것으로 나타난 이유는 대상자들과 인터뷰 결과 수술 후 1년 경과집단 중 일부는 아직까지 무상에 대한 두려움으로 자신 있게 내려오는 동작을 못하는 것으로 나타났다.
17초 빠르게 나타났다. 내리기 동작에서 편차가 큰 것으로 나타난 이유는 대상자들과 인터뷰 결과수술 후 1년 경과집단 중 일부는 아직까지 부상에 대한두려움으로 자신 있게 내려오는 동작을 못하는 것으로 나타났다.
5° 에 가까운 내전이 일어났다고 밝혔다. 대퇴사두근의 EMG의 활동은 VM VL 그리고 RF에서 3년경과자집단 이 1년경과자집단 보다 모두 Normalized RMs EMG 값이 현저하게 큰 것으로 나타났다. 이것은 꾸준하게 재활 훈련 프로그램에 참여하고 있는 대상자들이 3년 정도 지 나고 나면 관절이 정상인과 거의 같은 기능을 하고 있다고 생각된다.
무릎인공관절 수술 후 1년경과자집단과 3년경 과자 집단의 사전테스트로서 MM-GOM ID를 이용하여Isokinetic concentric test를 실시하여 얻은 결과로서 내측광근(VM), 외측광근。L) 그리고 대퇴직근(RF) 모두 3 년경과자집단 Normalized EMG에서 각각 구간별로 3년경과자집단가 1년경과자집단 보다 큰 값으로 나타났다. 무릎 굴곡(flexion)시에 VMe 60°-15° 사이에서는 3 년경과자집단이 1 년경과자집단 보다 현저하게 Nor- malized RNE EMG값이 크게 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다<p<0.05). 무릎 굴곡시의 60°45° 사이에서 3년경과자집단이 1 년경과자집단 보다 더욱더 Normalized RNE EMG값이 크게 나타났다#.
3년경과자집단 Normalized RNfi EMG에서 각각구간별로 1년경과자 집단 보다 큰 값으로 나타났다. 무릎 굴곡(flexion)시에 VMe 60°-15° 사이에서는 3년경 과자 집단이 1년경과자 집단 보다 현저하게 Nonralized RNfi EMG값이 크게 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 무릎 굴곡시의 60°45° 사이에서 3 년경과자집단은 1년경과자집단 보다 더욱더 NornBlized RNB EMG값이 크게 나타났다(p<0.
05). 무릎 굴곡시의 60°45° 사이에서 3 년경과자집단은 1년경과자집단 보다 더욱더 NornBlized RNB EMG값이 크게 나타났다(p<0.05). RF 또한 무릎 굴곡 시에 60°-30°에서 3년경과자집단이 1년경과자집단 보다 Normalized RJvS EMG값이 크게 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.
무릎굴곡동안 75W 사이에서 VM, VL의 Normalized RMS EMG 값이 1년경과자집단 보다 3년경과자집단이 큰 값으로 나타났다. 이것은 대퇴사두근 강화훈련 프로그램에 3년 가까이 꾸준히 참여한 대상자들이 무릎관절을 튼튼히 지탱해주는 무릎 주위의 근육들과 인대 그리고 건들이 특히 강화되어 수술자들이 정상적인 생활을 하는데 큰 도움을 주고 있는 것으로 생각된다.
Mahoney(2002)가 연구한 정상인과 무릎인 공관절 수술 후 3년경과 자의 비교연구에서와 거의 비슷한 결과를 보여주었다. 무릎오금근 EMG의 활동은 BF와 SM 모두 3년경과자집단이 1년경과자집단 보다 Normalized RMS EMG 값이 더욱더 크게 나타났다. 이것은 Solomonow 등(1987)이 밝힌 햄스트링 수축이 무릎 안정 성에 미치는 영향 연구에서 나온 Normalized RN6 EMG 값과 본 연구에서도 비슷한 결과의 값이 나왔으며 이들 은 또한 햄스트링은 고관절의 움직임에도 깊은 영향을 미친다고 밝혔다.
되었으리라 사료된다. 본 연구를 통하여 인공관절 수술 후 1년경과자집단과 3년경과자 집단모두 꾸준히 재활운동프로그램에 참가하고 있었으며, 1년경 과자 집단 보다는 모든 결과에서 3년경과자집단이 더욱더 일상생활을 하기에 좋은 값들을 나타내고 있었다. 이것은 꾸준히 재활운동을 수행한 수술자들은 정상인과 거의 같은 기능을 하고 있는 것으로 보아 재활운동에 참가하는 사람뿐만 아니라 나이가 많은 정상인들도 꾸준히 근력운동을 해야만 한다는 결론을 내릴 수 있겠다 유명한 황금 곰 잭 니클라우스가 엉덩이인공관절 수술을 받은후 senior golf대회에서 우승을 하였으며 “20세기의 제일 위대한 골프 선수로 선정이 되었다''는 이야기는 인공관절의 수술과 재활운동의 중요성에 관하여시사하는 바가 크다.
밝혔다. 수술 후 1년경과자집단과 3년경 과자 집단 모두 고관절과 무릎관절의 상호작용하는 근모멘트를 보면 계단을 올라갈 때 고관절이 최소각으로 구부려질 때까지는 고관절과 무릎관절의 모멘트 방향은 서로 반대이면서 최고의 값을 나타내고 있다. 무릎 인공관절 수술 후 지속적인 재활운동을 한 3년경과자 집단(고관절:-192±35Nm 무릎관절:128±21Nm)이 1년경과자집단(고관절:-125±18Nm, 무릎관절62±20Nm) 보다 고관절과무릎관절에서 계단을 오를 때에 더욱더 큰 모멘트 값을 보여주고 있다

후속연구

엉덩이인공관절수술 무릎인공관절 수술자들이 전 세계적으로 해마다 증가하고 있으며 우리나라도 많은 사람들이 수술을 하고 있는 실정이다 본 연구를 수행하는데 있어서 연구대상자들의 일괄적인 통제가 어려웠으며, 무릎인공관절의 단축과 다축제작사의 단축과다축제작과정을 자세히 이해했더라면 더욱더 질 좋은 연구가 되었으리라 사료된다. 본 연구를 통하여 인공관절 수술 후 1년경과자집단과 3년경과자 집단모두 꾸준히 재활운동프로그램에 참가하고 있었으며, 1년경 과자 집단 보다는 모든 결과에서 3년경과자집단이 더욱더 일상생활을 하기에 좋은 값들을 나타내고 있었다.
이것은 꾸준히 재활운동을 수행한 수술자들은 정상인과 거의 같은 기능을 하고 있는 것으로 보아 재활운동에 참가하는 사람뿐만 아니라 나이가 많은 정상인들도 꾸준히 근력운동을 해야만 한다는 결론을 내릴 수 있겠다 유명한 황금 곰 잭 니클라우스가 엉덩이인공관절 수술을 받은후 senior golf대회에서 우승을 하였으며 “20세기의 제일 위대한 골프 선수로 선정이 되었다''는 이야기는 인공관절의 수술과 재활운동의 중요성에 관하여시사하는 바가 크다. 차후에는 단축(sing-radius)으로 제작된 무릎인공관절과 다^(multi-radius)으로 제작된무릎인공관절을 비교분석하면 좋은 연구가 될 것으로 생각되며, 엉덩이인공관절 연구 또한 매우 의미 있으리라 생각된다.

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