정상보행동안 슬관절 근육 족관절 근육 에너지 이동

정상보행시 슬관절의 근육활동과 족관절활동이 어떻게 이뤄지며 신체의 질량중심 변화에 따른 에너지 이동을 알아본다. 

슬관절 근육

보행 동안 슬관절에서 중요한 역할을 수행하는 두 개의 근육군은 슬관절 굴곡들과 슬관절 신전근들이다.슬관절 신전근 중 하나의 근육군인 대퇴사두근은 발뒤꿈치 닿기를 위한 준비로서 유각기의 가장 후반기에 활동하게 된다. 이 근육의 중요한 활동은 발뒤꿈치 닿기 직후에 일어난다. 이 대퇴사두근의 기능은 보행주기의 첫 10% 지점에서 일어난 슬관절 굴곡을 조절하는 것이다. 원심성 활성을 통해 하지에 적용되는 체중수용의 속도를 완화시켜 주면서 (즉 충격흡수) 과도한 슬관절 굴곡을 방지하는 기능을 수행하게 된다. 그런 후, 대퇴사두근은 슬관절을 신전시키기 위해 구심성으로 수축하면서 중간입각기 동안 체중을 지지하는 역할을 수행하게 된다. 어떤 사람들은 발가락 떼기 직후에 대퇴직근의 증가된 활동을 발표하기도 한다. 이러한 작용은 대퇴직근이 두 관절 근육(biarticular muscle)으로서 고관절 굴곡근으로서의 기능을 함께 반영한 것이다. 슬관절 굴곡근인 슬건근(슬괵근)은 발뒤꿈치 닿기 직전에서부터 직후까지 가장 많은 활동을 하게 된다. 발뒤꿈치 닿기 이전에, 슬건 근은 발뒤꿈치 닿기를 위한 준비로 슬관절 신전을 감속시키는 기능을 수행하게 된다. 입각기의 초기 10% 동안 슬건근은 고관절 신전을 보조하고 슬관절 신전근들과의 동시성을 통해 슬관절의 안전성을 제공하기 위해 활동하게 된다. 또한 대퇴이두근의 단두는 유각기 동안 슬관절 굴곡을 보조하기 위해 작용한다. 전유각기(pre swing)와 유각기 동안에 일어나는 대부분의 슬관절 굴곡은 하지에서 일어난 수동적인 분절간 동역학 (passive intersegmental dynamics)과 비복근의 작은 활성에 의해 유발된 것이다.

족관절 근육

족관절에서 전경골근, 지신근, 장무지신근, 비복근, 가자미근, 후경골근, 그리고 비골근과 같은 몇몇의 근육들은 정상보행에 있어 중요한 역할을 수행하게 된다. 전경골근은 두 번의 활동 타이밍을 갖는다. 발뒤꿈치 닿기에서 종골의 가장 후면에 체중이 지지되어 유발되는 수동적인 족관절 저측굴곡을 감속시키기 위해 강력한 전경골근의 원심성 활성이 작용한다. 전경골근 및 다른 족관절 배측굴곡근에 의한 반작용이 없다면, 수동적인 저측굴곡 토크는 "foot slap (발바닥이 지면을 찰싹 때리는 현상)"이라고 언급되는 보행이상을 초래하게 된다. 이 용어는 발뒤꿈치 닿기 직후에 발이 지면을 찰싹 때릴 때 나는 특징적인 소리에서 유래된 말이다. 발뒤꿈치 닿기에서부터 발바닥 닿기까지, 전경골근은 원심성 근활성을 통해 발의 회내를 감속시키는데 기여하게 된다. 그러나 전경골근은 발을 내번시키는 데 있어 역학적 이득이 그다지 크지 않기 때문에, 발의 회내를 강력하게 조절한다는 전경골근의 효율성은 의심의 여지가 있다. 전경골근의 두 번째 작용은 유각기 동안 족관절을 배측굴곡 시키는 것이다. 전경골근에 의한 이러한 작용의 목적은 발가락이 지면에 걸리지 않게 하기 위한 것이다. 전경골근 및 다른 족관절 배측굴곡근에 과도한 약화가 있다면, 유각기 동안 배측굴곡을 할 수 없게 된다. "하수족(foot drop)"으로 알려진 이러한 문제는 유각기 동안 슬관절과 고관절을 과도하게 굴곡시키게 한다. 도약(vaulting), 고관절 회선, 그리고 고관절 높이 들기와 같은 다른 보상적 방법들이 지면에 발가락이 걸리지 않도록 이용되기도 한다. 하수족에 의해 전족은 지면과 접촉하게 된다. 하수족을 위해 흔하게 처방되는 방법으로는 유각기 동안 족관절 배측굴곡이 수동적으로 유지될 수 있도록 후방 족관절-발 보조기(posterior ankle-foor orthosis)를 해주는 것이다. 지신근과 장무지신근 전경골근과 유사하게, 지신근과 장무지신근은 발뒤꿈치 닿기에서 저측굴곡을 감속시켜 준다. 그러나 이 근육들은 부하반응기와 중간입각기 동안 발의 회내를 감속시킬 수 있는 힘선(line-of-force)이 부족하다. 유각기 동안,발가락 신전근들은 족관절의 배측굴곡을 보조하면서 발가락이 지면에 걸리지 않게 신전되도록 도와준다. 밀기(push off) 동안 장지신근과 장무지신근에 의한 적은 활동이지만, 족관절 저측굴곡근과의 동시 활성을 통해 족관절의 안정성에 기여하게 된다. 족관절 저측굴곡근에 가자미근과 비복근은 입각기 대부분 동안 활동한다. 보행주기의 약 10~40%까지(즉 반대쪽 발가락 떼기에서 발뒤꿈치 들기까지), 족관절 저측굴곡근들은 발에 대한 경골의 전방 움직임(즉 족관절 배측굴곡)을 원심성으로 조절한다. 과도하거나 조절되지 않은 경골의 전방 움직임은 과도한 족관절 배측굴곡과 조절되지 않은 슬관절 굴곡을 유발하게 된다. 족관절 배측굴곡근의 주요 활동은 거의 발뒤꿈치 떼기에서 발생하며 발가락 떼기에서 거의 제로로 감소된다. 이러한 짧은 기간 동안에 일어난 근육의 수축에 의해, 신체의 전방 전진에 기여할 수 있는 족관절 배측굴곡 토크를 생산하게 된다. 또한, 비복근은 초기유각기에서 낮은 수준의 근활성을 발생 시켜, 슬관절 굴곡에 도움을 제공한다. 대퇴직근 또한 초기유각기 동안에 활동하기 때문에, 작은 양의 슬관절 굴곡근들과 신전근들의 동시활성이 발생하게 된다. 족관절의 다른 배측굴곡근들로 후경골근, 장무지굴근, 장지굴근, 그리고 비골근은 비복근과 가자미근을 나름 주요하게 보조를 한다.발의 회외에 영향을 미치는 근육인 후경골근은 보행주기의 5%와 55% 지점 사이에서 활동한다. 후경골근은 보행주기의 5%와 35% 사이에서 발의 회내를 감속시키는데 작용하고, 보행주기의 35%와 55% 사이(중간입각기에서 발가락 떼기까지)에서는 발의 회외에 관여한다. 후경골근은 뇌성마비가 있는 사람의 치료에 있어 특별한 관심의 대상이 된다. 가자미근과 함께 과활동된 후경골근은 흔히 족관절과 발의 첨내번(equinovarus)변형을 유발하여, 저측굴곡과 회외된 발의 상태로 보행을 하게 된다. 편평하면서 회내된 발을 가진 활동적인 사람들은 정강이 부목(shin splints)으로 알려진 증후군으로 발전하게 된다. 이러한 증후군은 과사용으로 인한 후경골근과 족관절 전방에 있는 근육들의 염좌에 의해 유발된다. 입각기 초기 동안 발의 회내를 조절하기 위해 회외근이 작용하게 되는데, 과사용은 회내 치우침이 과도하게 일어남에 따라 회외근에 부과된 요구가 증가하게 된다. 비골근. 단비골근과 장비골근은 보행주기의 약 20~30%에서부터 발뒤꿈치 떼기 직후까지 활동한다. 저측굴곡근으로서의 기능 외에도, 이들 회내근(외번근)들은 전경골근과 하퇴 후방 근육들의 활성에 의해 유발된 발의 내번을 중화시키기 위해 작용하게 된다. 비골근은 거골하관절의 정렬과 안정화에 도움을 제공한다. 장비골근은 첫 번째 지선(ray)이 지면에 단단히 위치되도록 전반적인 발의 운동형상학에 도움을 제공함으로써, 말기입각기와 전유각기(pre swing) 동안 발이 단단한 지렛대로서 작용할 수 있도록 견고한 지지면을 제공해 준다.

보행의 에너지 이동

운동역학적 에너지와 위치에너지에 대한 이동은 비록 보행이 전방으로 일정하게 유지된 속력으로 일어나는 것처럼 보여도, 사실 신체는 각 걸음마다 그 속력이 약간씩 상승,하강 양상을 보이게 된다. 지지하고 있는 하지가 신체 질량중심의 앞쪽에 있을 때, 신체는 속도가 감소하게 된다. 반대로, 지지하고 있는 하지가 신체 질량중심의 뒤쪽에 있을 때, 신체는 속도가 상승하게 된다. 중간입각기가 되면 신체가 최대로 상승되나 신체의 속력은 최하가 된다. 신체가 지지되고 있는 하지 쪽으로 하강하게 되면 속력이 상승하게 되는데, 양하지 지지기 중에서도 반대쪽 하지에 의해 신체가 상승하기 전인 지점에서 신체의 속력은 최대가 된다. 보행 동안 신체의 운동역학적 에너지(kinematic energy)는 신체의 속력과 비례관계에 있기 때문에, 운동역학적 에너지는 중간입각기(보행주기의 30%와 80%)에서 최소가 되고 양하지 지지기(보행주기의 5%와 55%)에서 최대가 된다.운동역학적 에너지= 0.5 mv²  공식에서 m은 신체질량이고, v는 신체 질량중심의 속력이다. 운동역학적 에너지는 위치에너지에 의해 보완된다. 위치에너지는 신체질량, 신체에 작용하는 중력, 그리고 신체 질량중심의 위치 관계이다. 보행 동안 질량중심의 위치가 최고로 높을 때(보행주기의 30%와 80%) 위치에너지는 최대가 된다. 신체의 위치에너지는 신체 질량중심의 위치가 가장 낮은 지점인 양하지 지지기(보행주기의 5%와 55%)에서 최소가 된다. 위치에너지= mgh 공식에서 m은 신체질량이고, g는 신체에 적용된 중력 가속도이며, h는 신체 질량중심의 높이가 된다. 위치에너지가 최대가 되는 시점은 운동역학적 에너지가 최소가 되는 시점에 해당되고 위치에너지가 최소가 되는 시점은 운동역학적 에너지가 최대가 되는 시점에 해당된다. 위치에너지가 중간입각기에서 양하지 지지기로 가면서 상실될 때, 즉 신체 질량중심이 가장 높은 지점에서 가장 낮은 지점으로 갈 때 운동역학적 에너지는 증가되기 시작한다. 즉 신체 질량중심이 최소 속력에서 최대 속력으로 가게 된다. 이와 대조적으로, 운동역학적 에너지가 양하지 지지기에서 중간입각기로 가면서 상실될 때, 위치에너지는 증가되기 시작한다. 운동역학적 에너지와 위치에너지 사이에서 일어나는 이러한 주기적 에너지 이동은 보행의 대사소실을 최소화시켜 준다. 보행 동안 에너지를 효율적으로 이동시킴으로써 에너지를 보존시킬 수 있는 신체의 능력이 있지만, 총에너지의 손실은 여전히 일어난다. 위의 내용을 요약하면 슬관절의 슬건근은 입각기의 초기에고관절 신전을 보조하고 슬관절 신전근들과 협력해서 슬관절의 안전성을 제공하게 된다. 족관절에서 밀기(push off) 동안 장지신근과 장무지신근에 활동으로 족관절 저측굴곡근과의 동시 활성을 통해 족관절의 안정성에 기여한다. 족관절 저측굴곡근에 가자미근과 비복근은 입각기에 활동한다. 보행시 위치에너지와 운동역학에너지는 에너지 보존에 따라 이동한다. 즉, 위치에너지가 최대점은 운동역학적 에너지가 최소점에 해당되고 위치에너지가 최소점은 운동역학적 에너지가 최대가 되는 시점에 해당된다.