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문제 정의
- 고관절 내외회전의 가동범위와 근력을 측정하기 위해 연구대상자들을 검사대에 엎드려 누운 자세를 취하도록 하였다. 이 자세에서 피검자의 무릎을 90°로 구부리고 이완하도록 요청한 후 검사자가 하퇴를 수동적으로 움직여 고관절 내외회전 가동범위를 측정하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 고관절과 발목관절의 임상적 특성을 알아보기 위해 임상에서 흔히 사용하는 임상적 측정과 생체역학적 변수인 KAM 사이에 어떠한 관련성이 있는지 알아보고 무릎골관절염의 치료와 관리를 위한 임상적 중재의 새로운 방향을 제시하는 것이다.
- 본 연구는 건강한 성인 남녀 32명을 대상으로 무릎관절의 KAM과 하지관절의 임상적 특성 사이에 어떠한 상호 관계가 있는지 알아보았다. 본 연구의 결과, KAM의 첫 번째 피크값과 고관절 내외회전 가동범위 및 근력 비율 사이에서 중등도 이상의 상관관계가 있었다.
- 본 연구는 보행 중 입각기 시 무릎관절에서 발생하는 무릎 모음모멘트와 영향을 주고받는 다양한 요인 중 발목 관절의 해부학적 정렬위치와 고관절의 임상적 특성이 KAM과 어떠한 상관성을 갖는가를 알아보기 위해 시행되었다. 본 연구에서는 발목 관절의 임상적 특성을 평가하기 위해 FPI를 사용하였다.
제안 방법
- 이 자세에서 피검자의 무릎을 90°로 구부리고 이완하도록 요청한 후 검사자가 하퇴를 수동적으로 움직여 고관절 내외회전 가동범위를 측정하였다. 고관절 내외회전 근력은 가동범위 측정과 동일한 자세에서 양쪽 복사뼈(malleolar) 상방 1인치에 근력측정기를 위치하여 최대 고관절 회전력을 측정하였다. 골반 움직임을 방지하기 위해 천골부위를 스트랩으로 고정하였으며, 고관절 내외회전의 가동범위와 근력은 각각 3회 측정하였으며 그 평균값을 통계 분석에 사용하였다.
- 하지 관절의 임상적 특성을 알아보기 위한 측정 도구로 발목관절에 대한 발 자세 지수(Foot Posture Index;FPI)를 사용하였다. 고관절의 내외회전 가동범위의 측정을 위해 12인치 범용 플라스틱 측각기를 사용하였으며, 고관절 내외회전 근력의 측정을 위해 근력계(Lafayette dynamometer, Lafayette, IN, USA)를 사용하였다.
- 무릎관절의 KAM의 측정을 위해 각 대상자는 본인의 발 크기에 맞게 준비된 운동화(DJO Global, Vista, CA, USA)를 신고 자신이 자유롭게 선택한 걷는 속도를 유지 하게 하여 10 m 보행로를 걷도록 하였다. 모멘트를 포함한 다양한 생체역학적 보행변수의 측정을 위해 수정된 옥스퍼드 모형(modified Oxford model)을 적용하였다(Collins 등, 2009).
- 보행 분석을 위한 측정 장비로 Qualisys Motion Capture System(Qualisys, Gothenburg, Sweden)을 사용하였다. 본 연구에 사용된 Qualisys System은 10대의 적외선 카메라(Oqus-7, Qualisys, Gothenburg, Sweden)와 보행로의 중간에 설치된 4대의 힘판(BP400600, AMTI, Massachusetts, USA)으로 구성되었다.
- FPI는 선 자세에서의 정적인 발목관절의 정렬을 평가하는 임상적 평가도구로서 높은 평가 신뢰도를 가지면서도 측정이 비교적 간단하고, 평가 시간과 비용면에서 매우 효율성이 높은 평가 도구로 알려져 있다(Rokkedal-Lausch 등, 2013). 선행 연구에서는 무릎관절의 KAM과의 상관성을 알아보고자 고관절의 모음 각도, 대퇴사두근 근력, Q 각도 등의 특성 요인을 사용하였으나(Barrios 등, 2010; Cho 등, 2015), 고관절 내외회전의 특성과 KAM 사이의 연관성을 검증한 연구가 없었기 때문에, 본 연구에서는 KAM과 관련된 고관절의 임상적 특성으로 고관절의 내외회전 가동 범위와 근력을 선택하여 상관성을 검증하였다.
- 보행 중 입각기 시 KAM 은 체중지지의 변화에 따라 두 번의 피크 모멘트 변화 보이며 이러한 피크 모멘트 값을 분석에 사용하였다(그림 2). 운동학 및 동력학적 데이터는 동측 하지의 발뒤꿈치 접촉 (heel strike)부터 다음 접촉까지를 1회 보행주기로 정의하여 표준화하였으며, 동력학적 자료 및 관절 모멘트는 각 대상자의 체중을 통해 표준화 처리하였다.
- 이 자세에서 피검자의 무릎을 90°로 구부리고 이완하도록 요청한 후 검사자가 하퇴를 수동적으로 움직여 고관절 내외회전 가동범위를 측정하였다.
- 모멘트를 포함한 다양한 생체역학적 보행변수의 측정을 위해 수정된 옥스퍼드 모형(modified Oxford model)을 적용하였다(Collins 등, 2009). 이를 위해 14 ㎜ 반사마커(reflex marker) 52개를 참가자의 하지에 부착하였으며, 부착위치는 수정된 옥스퍼드 발 모형에 따라 양측의 골반, 대퇴, 하퇴, 및 신발에 부착하였다(그림 1). 그림 1에서와 같은 자세로 각 개인의 동적 3차원 보행분석 자료를 처리하기 위해 먼저 해부학적 정적 모형으로 활용되는 정적 자료 (static data)를 획득하였다.
- 선행 연구에서 발 진행 각도에 대한 정의가 명확히 기술되지 않았으나, 본 연구의 KAM과 FPI사이의 상관성 결과와 차이가 있었던 이유는 발의 위치 정렬의 각도를 측정하는 방법의 차이 때문으로 사료된다. 즉, 본 연구에서 사용된 FPI 는 정적인 선 자세에서의 발의 정렬 상태를 평가한 반면, 선행 연구에서의 발 진행 각도는 동적인 보행을 하는 동안의 발의 정렬을 평가하였다. Lin 등(2001)의 연구에 의하면, 보행 중 발의 벌림 보행(toe-out gait)일수록 낮은 KAM 피크값을 보인다고 보고하였다.
- 그림 1에서와 같은 자세로 각 개인의 동적 3차원 보행분석 자료를 처리하기 위해 먼저 해부학적 정적 모형으로 활용되는 정적 자료 (static data)를 획득하였다. 총 5회의 동적인 보행 분석 자료를 수집하였으며, 필요한 경우 보행 측정 간 휴식을 취할 수 있도록 하였다. 동적인 보행 분석 실험을 하는 동안 대상자가 보행로에 설치되어 있는 힘판(force plate) 에 완전히 발을 접촉을 하지 못하면 그 실험에서 얻은 보행 분석 자료는 삭제하였다.
- 적외선 카메라와 힘판으로부터 수집된 운동학 (kinematics) 및 동력학적(kinetics) 3차원 보행분석의 자료는 Visual 3D 동작 분석 프로그램(C-Motion, Rockville, MD, USA)을 사용하여 최종 처리하였다. 카메라로 수집된 운동학 데이터는 6 Hz의 차단주파수(cut-off frequency)를 통해 저역통과필터링(low-pass filtering)되었다. 힘판으로부터 수집된 동력학 데이터는 15 Hz의 차단주파수로 저역통과 필터링 처리하여 분석에 사용하였으며, 이 과정을 통해 무릎관절의 KAM을 계산하였다.
- 카메라로 수집된 운동학 데이터는 6 Hz의 차단주파수(cut-off frequency)를 통해 저역통과필터링(low-pass filtering)되었다. 힘판으로부터 수집된 동력학 데이터는 15 Hz의 차단주파수로 저역통과 필터링 처리하여 분석에 사용하였으며, 이 과정을 통해 무릎관절의 KAM을 계산하였다. 보행 중 입각기 시 KAM 은 체중지지의 변화에 따라 두 번의 피크 모멘트 변화 보이며 이러한 피크 모멘트 값을 분석에 사용하였다(그림 2).
대상 데이터
- 본 연구는 건강한 성인 남자 24명, 여자 8명으로 총 32명을 대상으로 진행하였다. 모든 연구대상자는 자발적으로 참여에 동의하였고 서면으로 동의서를 제출하였다.
- 보행 분석을 위한 측정 장비로 Qualisys Motion Capture System(Qualisys, Gothenburg, Sweden)을 사용하였다. 본 연구에 사용된 Qualisys System은 10대의 적외선 카메라(Oqus-7, Qualisys, Gothenburg, Sweden)와 보행로의 중간에 설치된 4대의 힘판(BP400600, AMTI, Massachusetts, USA)으로 구성되었다. 카메라와 힘판을 통해 얻어진 다양한 생체역학적 측정값은 중앙컴퓨터의 자료 처리 소프트웨어(QTM software, Qualisys, Gothenburg, Sweden)로 보내져 저장되었다.
- 모든 연구대상자는 자발적으로 참여에 동의하였고 서면으로 동의서를 제출하였다. 본연구의 수행을 위해 연구대상자는 10 m 실험실 보행로를 자유롭게 걸을 수 있는 자를 선정하였으며, 신경학적, 근골격계 또는 심폐 기능의 장애가 있는 자는 대상자 선정에서 제외하였다. 본 연구는 헬싱키 선언의 원칙에 따라 수행되었으며, 영국 센트럴랭카셔대학교 연구윤리위원회의 연구 승인(STEMH 347)을 취득한 후 시행되었다.
- 연구대상자의 일반적인 특성은 표 1과 같다. 적정 연구대상자의 표본수를 고려하기 위해서 G*power 3.1을 이용한 결과, 효과크기 .8, 유의수준 .05, 검정정력 .08을 유지하는데 필요한 표본 수는 22명으로, 탈락률을 고려하여 32명을 대상으로 연구를 진행하였다. 연구대상자의 평균 연령, 신장, 체중은 각각 30.
데이터처리
- 고관절 내외회전 근력은 가동범위 측정과 동일한 자세에서 양쪽 복사뼈(malleolar) 상방 1인치에 근력측정기를 위치하여 최대 고관절 회전력을 측정하였다. 골반 움직임을 방지하기 위해 천골부위를 스트랩으로 고정하였으며, 고관절 내외회전의 가동범위와 근력은 각각 3회 측정하였으며 그 평균값을 통계 분석에 사용하였다. 가동범위와 근력의 측정은 무작위 순서로 진행하였다.
- 연구대상자의 무릎관절의 KAM과 발목관절의 FPI, 고관절의 내외회전 가동범위 및 근력 사이의 상관관계를 규명하기 위해 피어슨 상관검점을 사용하였다. 본 연구의 통계 분석은 SPSS window용(version 23.
- 적외선 카메라와 힘판으로부터 수집된 운동학 (kinematics) 및 동력학적(kinetics) 3차원 보행분석의 자료는 Visual 3D 동작 분석 프로그램(C-Motion, Rockville, MD, USA)을 사용하여 최종 처리하였다. 카메라로 수집된 운동학 데이터는 6 Hz의 차단주파수(cut-off frequency)를 통해 저역통과필터링(low-pass filtering)되었다.
이론/모형
- 무릎관절의 KAM의 측정을 위해 각 대상자는 본인의 발 크기에 맞게 준비된 운동화(DJO Global, Vista, CA, USA)를 신고 자신이 자유롭게 선택한 걷는 속도를 유지 하게 하여 10 m 보행로를 걷도록 하였다. 모멘트를 포함한 다양한 생체역학적 보행변수의 측정을 위해 수정된 옥스퍼드 모형(modified Oxford model)을 적용하였다(Collins 등, 2009). 이를 위해 14 ㎜ 반사마커(reflex marker) 52개를 참가자의 하지에 부착하였으며, 부착위치는 수정된 옥스퍼드 발 모형에 따라 양측의 골반, 대퇴, 하퇴, 및 신발에 부착하였다(그림 1).
- 본 연구는 보행 중 입각기 시 무릎관절에서 발생하는 무릎 모음모멘트와 영향을 주고받는 다양한 요인 중 발목 관절의 해부학적 정렬위치와 고관절의 임상적 특성이 KAM과 어떠한 상관성을 갖는가를 알아보기 위해 시행되었다. 본 연구에서는 발목 관절의 임상적 특성을 평가하기 위해 FPI를 사용하였다. FPI는 선 자세에서의 정적인 발목관절의 정렬을 평가하는 임상적 평가도구로서 높은 평가 신뢰도를 가지면서도 측정이 비교적 간단하고, 평가 시간과 비용면에서 매우 효율성이 높은 평가 도구로 알려져 있다(Rokkedal-Lausch 등, 2013).
- 하지 관절의 임상적 특성을 알아보기 위한 측정 도구로 발목관절에 대한 발 자세 지수(Foot Posture Index;FPI)를 사용하였다. 고관절의 내외회전 가동범위의 측정을 위해 12인치 범용 플라스틱 측각기를 사용하였으며, 고관절 내외회전 근력의 측정을 위해 근력계(Lafayette dynamometer, Lafayette, IN, USA)를 사용하였다.
성능/효과
- 두 번째 KAM 피크값과 고관절 외회전 근력 및 보행의 중간 입각기(25-75 % stance) KAM 최대값과 고관절 외회전 근력 사이에서는 유의한 상관관계가 없었다(p>.05).
- 70로서 가장 큰 상관관계를 보였다. 또한 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내회전 가동범위 사이에서도 중등도의 유의한 상관관계를 보였다. 이러한 본 연구의 결과와 직접적으로 비교할 수 있는 선행연구는 없었으나, KAM 피크값과 하지관절의 정렬 사이의 관계를 보고한 선행연구에서 고관절의 모음각 (adduction angle)이 증가하고 무릎관절에서의 내반각 (varus angle)이 감소할수록 KAM 피크값이 감소되었다고 보고하였다(Barrios 등, 2010).
- 보행 초기 입각기(0-25 % stance)에서의 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내외회전 가동범위 사이의 상관관계는 모든 비교 변수 사이에서 상관계수 유의한 상관관계를 보였다(p<.05).
- 보행 후기 입각기(75-100 % stance)에서의 두 번째 KAM 피크값과 고관절의 외회전 가동범위 사이의 상관계수는 r=-.50으로 중등도의 유의한 상관관계를 보였으며(p.05), 내외회전 가동범위의 비율(ratio)에서는 r=-0.39로 중등도의 유의한 상관관계를 보였다(p<.05)(표 3).
- 본 연구의 결과, KAM의 첫 번째 피크값과 고관절 내외회전 가동범위 및 근력 비율 사이에서 중등도 이상의 상관관계가 있었다. 본 연구를 통해 고관절 내외회전 가동범위와 근력의 불균형이 무릎관절의 KAM에 영향을 줄 수 있으며, 이는 무릎 골관절염과 같은 근골격계 질환을 더욱 악화시킬 수 있는 요인을 작용할 수 있음을 암시한다. 따라서 무릎 골관절염 환자를 대상으로 고관절 내외회전 가동 범위와 근력의 불균형을 바로 잡는 임상적 중재가 KAM의 감소에 미치는 영향을 검증하는 후속 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 본 연구에서 보행 초기 입각기(0-25 % stance)에서의 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내외회전 가동범위 사이에서는 모든 변수 사이에서 유의한 상관관계를 보였다(p<.05).
- 본 연구의 결과 KAM에서 대표되는 세 가지 모든 변수와 FPI사이에서는 유의한 상관관계가 없었다(p>.05).
- 본 연구는 건강한 성인 남녀 32명을 대상으로 무릎관절의 KAM과 하지관절의 임상적 특성 사이에 어떠한 상호 관계가 있는지 알아보았다. 본 연구의 결과, KAM의 첫 번째 피크값과 고관절 내외회전 가동범위 및 근력 비율 사이에서 중등도 이상의 상관관계가 있었다. 본 연구를 통해 고관절 내외회전 가동범위와 근력의 불균형이 무릎관절의 KAM에 영향을 줄 수 있으며, 이는 무릎 골관절염과 같은 근골격계 질환을 더욱 악화시킬 수 있는 요인을 작용할 수 있음을 암시한다.
- 이러한 본 연구의 결과와 직접적으로 비교할 수 있는 선행연구는 없었으나, KAM 피크값과 하지관절의 정렬 사이의 관계를 보고한 선행연구에서 고관절의 모음각 (adduction angle)이 증가하고 무릎관절에서의 내반각 (varus angle)이 감소할수록 KAM 피크값이 감소되었다고 보고하였다(Barrios 등, 2010). 본 연구의 결과는 고관절 외회전이 증가할수록 KAM이 커지고, 고관절 내회전이 증가할수록 KAM이 감소됨을 보여 주었다. 이는 내반 정렬(varus alignment)의 무릎에서 상대적으로 고관절의 외회전이 내회전에 비해 증가하는 경향을 보이고, 외반(valgus) 무릎의 경우 고관절에서 이와 반대의 경향이 있기 때문으로 사료된다.
- 연구대상자의 무릎관절에서의 모든 KAM 변수와 발목관절의 FPI 사이에서는 유의한 상관관계가 없었다(p>.05) (표 3).
- Lin 등(2001)의 연구에 의하면, 보행 중 발의 벌림 보행(toe-out gait)일수록 낮은 KAM 피크값을 보인다고 보고하였다. 이처럼 선행 연구들에서 발의 정렬과 KAM의 관련성을 보고하였으나, 본 연구의 대상자들은 FPI 평균값이 1.82점으로 비교적 발의 정렬 상태가 중립에 가까운 양호한 상태였기에 KAM과 유의한 상관관계가 없었던 것으로 사료된다.
- 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내외회전 근력 사이에서도 고관절 가동범위의 결과와 유사한 상관성을 보였다. 이는 고관절 내외회전 가동범위와 근력 사이에 유의한 상관성이 존재하기 때문으로 사료된다.
- 05). 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 외회전 가동범위 사이의 상관계수는 r=-.70으로 유의하게 높은 상관관계를 보였으며, 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내회전 가동범위 사이의 상관계수는 r=.46으로 중등도의 유의한 상관관계가 있었다(표 3). 보행 후기 입각기(75-100 % stance)에서의 두 번째 KAM 피크값과 고관절의 외회전 가동범위 사이의 상관계수는 r=-.
- 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 외회전 근육의 근력 사이의 상관계수는 r=-.45로 유의하게 중등도의 상관관계를 보였으며(p>.05), 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내회전 근력 사이의 상관계수는 r=.22로 유의한 상관관계가 없었다(p>.05)(표 3).
- 첫 번째 KAM 피크값은 무릎관절에서 발생하는 모음 모멘트 중 가장 큰 극단 값이기 때문에 KAM의 대표 변수로 알려져 있고, 첫 번째 KAM의 피크값을 낮추는 것에 무릎내측 골관절염의 치료 초점이 맞춰져 있다(Maly 등, 2002; Shelburne 등, 2008; Moyer 등, 2013). 특히, 고관절의 외회전 가동범위와 첫 번째 KAM 피크값 사이의 상관계수가 r=-.70로서 가장 큰 상관관계를 보였다. 또한 첫 번째 KAM 피크값과 고관절의 내회전 가동범위 사이에서도 중등도의 유의한 상관관계를 보였다.
후속연구
- 본 연구를 통해 고관절 내외회전 가동범위와 근력의 불균형이 무릎관절의 KAM에 영향을 줄 수 있으며, 이는 무릎 골관절염과 같은 근골격계 질환을 더욱 악화시킬 수 있는 요인을 작용할 수 있음을 암시한다. 따라서 무릎 골관절염 환자를 대상으로 고관절 내외회전 가동 범위와 근력의 불균형을 바로 잡는 임상적 중재가 KAM의 감소에 미치는 영향을 검증하는 후속 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 무릎관 절에서 발생하는 다양한 모멘트 중 무릎 굽힘 모멘트 (knee flexion moment; KFM)는 대퇴슬개관절 (patellofemoral joint)에 영향을 주어 골관절염을 일으키는 것으로 알려져 있고(Teng 등, 2015), 무릎 회전모멘트 (knee rotation moment; KRM)는 무릎관절 내부의 십자인대 및 반월판 등의 구조물에 영향을 미치는 것으로 보고 되었다(Henriksen 등, 2011). 따라서 향후 연구에서는 다양한 형태의 무릎 골관절염 환자를 대상으로 무릎관절에서 발생하는 세 가지 모멘트 특성과 하지 관절의 다양한 임상적, 생체역학적 특성 사이에 어떠한 상호 관계가 있는지를 검증하는 것이 필요할 것이다.
- 연구대상자의 확보에 어려움으로 무릎 골관절염이 있는 대상이 아닌 일반인을 대상으로 연구가 진행되어 본 연구의 결과를 일반화하는데 제한이 있다. 또한, 측정의 제한 등으로 KAM 에 영향을 줄 수 있는 하지 관절의 임상적, 생체역학적 특성에 대한 다양한 평가가 이루어지지 못했다. 무릎관 절에서 발생하는 다양한 모멘트 중 무릎 굽힘 모멘트 (knee flexion moment; KFM)는 대퇴슬개관절 (patellofemoral joint)에 영향을 주어 골관절염을 일으키는 것으로 알려져 있고(Teng 등, 2015), 무릎 회전모멘트 (knee rotation moment; KRM)는 무릎관절 내부의 십자인대 및 반월판 등의 구조물에 영향을 미치는 것으로 보고 되었다(Henriksen 등, 2011).
- 본 연구는 제한점은 다음과 같다. 연구대상자의 확보에 어려움으로 무릎 골관절염이 있는 대상이 아닌 일반인을 대상으로 연구가 진행되어 본 연구의 결과를 일반화하는데 제한이 있다. 또한, 측정의 제한 등으로 KAM 에 영향을 줄 수 있는 하지 관절의 임상적, 생체역학적 특성에 대한 다양한 평가가 이루어지지 못했다.
- 비록 무릎 골관절염을 치료하기 위한 기존의 다양한 보존적 중재법이 유의하게 KAM을 감소시켜 무릎 통증을 낮추고 관절 유연성, 고유수용성 감각, 삶의 질 등을 높이는 것으로 보고되었으나, 보조기 착용에 따른 불편과 보존적 중재에 대한 개별적 반응의 다양성으로 인해 장기간 적용에 대한 효과 검증이 어려운 단점도 보고되었다(Moyer 등, 2015). 증가된 KAM을 관리하기 위해 적합한 중재법을 찾고 이에 대한 검증이 필요하나, 무릎관절의 KAM에 영향을 미치는 요인이 무엇인지, 하지 관절의 임상적, 생체역학적 특성 사이에 어떠한 상호관계 가 있는지에 대한 검증도 필요하다. 이에 대한 선행 연구에서는 KAM이 증가할수록 무릎관절 내 공간 간격 (joint space width)이 유의하게 감소하였다는 보고 (Sharma 등, 1998)와 KAM과 발의 각도 및 KAM과 하지 정렬 사이의 상관관계를 알아보는 연구가 진행되었다 (Cho 등, 2015).
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