관절토크와 파워 고관절 슬관절과 족관절 토크

보행 동안, 발 밑에서 적용된 지면반력들은 하지 관절들에 대한 외적인 토크를 발생시킨다. 부하반응기 동안 지면반발력들의 작용선으로 족관절 후방, 슬관절 후방, 고관절 전방은 족관절 저측굴곡, 슬관절 굴곡, 그리고 고관절굴곡을 발생한다.

관절토크와 관절파워

하지의 붕괴를 막기 위해, 이러한 외적인 토크들은 족관절 배측굴곡근, 슬관절 신전근, 그리고 고관절 신전근에 의해 생산된 내적인 관절 토크들에 의해 저항을 받게 된다. 정적인 평형상태에 있다고 가정되었을 때 단순한 분석으로 가능하다. 하지만 보행 동안 일어난 관절 토크들의 계산은 역동적인 접근법(inverse dynamic approach)을 사용한다. 이 접근법은 작용의 동적 특성을 고려한 것으로 각 분절의 질량, 분절의 질량중심 위치, 그리고 분절 질량중심들의 관성 행렬(inertial matrix)에 대한 인체 측정학적 지식 및 보행주기 동안 일어난각 분 절의 선형속도와 각속도와 지면반발력에 대한 정확한 측정값을 필요로 한다. 내적인 관절 토크들은 신체에 의해 생산되는 것으로 정의된다. 내적인 토크들 대부분은 관절 주변에 있는 근육들의 활동과 관련이 있다. 근육들은 기립자세의 유지와 전방으로의 신체 움직임에 필요한 내재적인 토크들의 대부분을 발생시킨다. 대부분 관절 토크는 근활성에 연계되어 설명하지만 병적인 상황에 있어 관절토크는 관절낭 및 인대와 같은 연부조직의 변형에 의해 생기는 수동적인 힘들에 의해 발생할 수 있다. 순수한 관절 토크들(net joint torques)이란 용어는 주동근과 길항근의 동시활성을 제외하고 내적인 토크들을 계산하는 역동적인 접근법(inverse dynamic approach)의 측면을 반영한 것이다. 근육에 의해 생산된 순수한 토크가 그 관절의 움직임 방향을 반드시 반영하고 있는 아니다. 부하반응기 동안 순수한 내적인 배측굴곡 토크는 족관절이 저측굴곡으로 움직이는 동안 발생되고 있다. 배측굴곡 토크와 저측굴곡 움직임의 결합은 족관절 배측굴곡근의 원심성 활성을 나타내는 것이다. 순수한 내적인 토크의 개념은 특정 근육들의 역할에 대한 지식을 제시한다. 따라서 순수한 내적인 토크는 근활성의 속도에 대한 답은 제공해 주지 않는다. 관절을 조절하기 위한 근육의 작업 속도에 대해서는 파워에 대한 지식이 필요하다. 관절파워(joint power)는 순수한 관절 토크와 관절 각속도의 곱이다. 관절파워는 관절을 가로지르는 모든 근육들과 그 외의 결합조직들에 의한 에너지의 발생이나 흡수의 순수한 속도를 반영하는 것이다. 양의 수치는 파워 발생을 나타내는 것으로 구심성 근활성을 반영하는 것인 반면, 음의 수치는 파워 흡수를 나타내는 것으로 원심성 근활성을 반영하는 것이다. 파워 발생과 흡수의 개념은 점프를 수행할 때 이해될 수 있다. 점프에 앞서 초기에 일어나는 쪼그려 앉기로의 움직임 동안, 하지에 있는 대부분의 근육들은 원심성으로 작용하여 에너지를 흡수한다. 그런 후, 이러한 에너지는 신체의 상방 움직임 동안 일어나게 되는 구심성 근활성에 의해 방출하게 된다. 관절 토크와 파워의 분석은 보행 동안 전방으로의 속도 발생, 체중의 지지, 그리고 균형의 조절과 같은 과제들에 있어 여러 관절들과 근육군들의 상대적 기여를 결정하는 데 도움이 된다. 예를 들면 건강한 성인은 족관절 저측굴곡근들이 신체의 전방속도에 관여하는 일차적인 요인이며, 병리적인 보행의 이해와 치료에 토크와 파워 분석 정보가 유익하게 이용될 수 있다.

고관절 토크

입각기 초기의 시상면에 있어, 고관절 근육은 체중의 수용, 체간의 조절, 그리고 고관절의 신전을 위해 고관절 신전 토크를 발생시킨다. 입각기 중반에서, 고관절 신전을 감속시키기 위해 굴곡 토크를 발생시킨다. 이러한 굴곡 토크는 고관절 전관절낭(anterior capsule)에서 발생한 수동적인 힘과 고관절 굴곡근 활성의 결과로 발생된 것이다. 초기유각기에 있어, 고관절 굴곡근들의 구심성 활성에 해당하는 작은 고관절 굴곡 토크는 고관절 굴곡을 시작하게 한다. 말기유각기에 있어, 신전근 토크는 고관절 굴곡의 움직임을 감속시키기 위해 요구된다. 시상면에서의 고관절 파워곡선을 보면, 보행주기의 첫 35% 동안, 파워는 신체의 지지, 질량중심의 상승, 체간의 조절, 그리고 신체의 전방 추진을 위해 발생된다. 그런 후, 보행주기의 50~55%에 도달할 때까지 파워가 흡수되게 되는데, 이것은 고관절 관절낭과 고관절 굴곡근의 원심성 수축에 의해 생산된 저항에 의해 고관절 신전이 감속하도록 만든다. 전유각기와 초기유각기에 있어, 파워는 고관절을 굴곡시키기 위해 발생된다. 이때는 고관절 원심성 근활성으로 파워흡수가 일어난다. 전두면에 있어, 고관절의 내측에 위치된 신체질량을 지지하기 위해 큰 외전 토크가 입각기 동안 발생하게 된다. 반대쪽 골반의 초기 하강 동안에 일어난 파워 흡수는 고관절 외전근들의 원심성 활성을 반영한 것이다. 파워 흡수는 보행기의 20%와 60% 에서 반대쪽 골반이 상승할 때 나타나게 된다. 수평면에 있어, 외회전 토크는 보행주기의 첫 20% 동안 대퇴골의 내회전을 감속시키기 위해 사용된다. 이러한 토크 후에, 나머지 입각기 동안 반대쪽 골반을 전방으로 전진시키게 되는 내회전 토크가 나타나게 된다. 보행주기의 첫 20%에서, 고관절 외회선근들의 원심성 활성은 그 시점에서 언급된 파워 흡수의 원인이 된다.

슬관절 토크와 족관절 토크

시상면에서의 발뒤꿈치 닿기에 있어, 보행주기의 첫 4%의 초기 굴곡 토크는 슬관절을 굴곡시키게 함으로써 충격 흡수에 적절한 슬관절 정렬을 제공해 준다. 이러한 굴곡 토크 바로 다음에 부하반응기를 위한 큰 신전근 토크가 요구된다. 이때 신전근 토크는 보행 주기의 20%까지 계속되는데, 초기(4%)에는 원심성으로 슬관절 굴곡을 조절하다가 그 이후에는 슬관절을 신전시키게 된다. 보행 주기의 20%와 50% 사이에서, 순수한 굴곡근 토크는 발가락 떼기 이전에 슬관절 굴곡근으로서 나타나게 된다. 이 시점에서 슬건근의 작은 활동이 나타나기 때문에, 순수한 굴곡근 토크는 슬관절 후관절낭에 의한 수동장력에 의해 초래되는 것 같다. 그러나 발가락 떼기 바로 직전에, 작은 신전근 토크가 슬관절 굴곡을 조절하기 위해 나타난다. 말기유각기에서, 굴곡 토크는 슬관절 신전을 감속시키기 위해 발생된다. 시상면에서의 파워는 슬관절을 에워싸고 있는 근육의 작용을 반영하는 것이다. 입각기 초기에서 나타나고 있는 짧은 기간 동안의 파워 발생은 순수한 슬관절 굴곡 토크가 슬관절 굴곡을 유발하고 있다는 것을 보여주는 것이다. 그런 후, 순간적으로 파워 흡수가 나타나게 되는데, 이것은 대퇴사두근의 원심성 작용을 반영하는 것이다. 이러한 대퇴 사두근의 원심성 작용 이후에 짧은 순간 동안의 파워 흡수가 나타나게 되는데, 이것은 슬관절 신전의 시작을 의미하게 된다. 발가락 떼기 바로 직전에, 슬관절 굴곡을 조절하는 슬관절 신전근에 의해 파워 흡수가 나타나게 된다. 말기입각기에서, 유각기 하지가 감속될 때 슬건근은 파워를 흡수한다. 전두면에서, 슬관절의 내적인 외전근 토크는 입각기 슬관절의 내측을 통과하고 있는 지면반발력으로 유발되는 외적인 내전근(내번) 토크에 맞서게 된다. 내적인 외전근 토크는 능동구조들과 수동구조들의 결합에 의해 발생하게 되는데, 이러한 것들에는 장경인대, 대퇴 근막장근, 그리고 슬관절의 외측인대들이 포함된다. 수평면에서 대퇴골에 대한 경골의 운동을 설명하는데 고관절에서의 것과 유사하여, 입각기의 중반 이전에는 외회전 토크가 발생하고 중반 이후에는 내회전 토크가 발생하게 된다. 이러한 토크들은 수평면에서 일어나는 능동적인 고관절 토크들에 대한 반응으로 슬관절 인대들이 작용할 때 발생된다. 부하반응기 동안, 슬관절의 관절낭과 인대들이 경골의 내회전 운동을 저항할 때 약간의 파워가 흡수된다. 족관절과 발의 시상면에서, 작은 배측굴곡 토크가 발뒤꿈치 닿기 직후에 족관절에서 발생된다. 이러한 토크는 종골에 대한 체중부하의 적용할 때 일어나는 저측 굴곡 움직임을 배측굴곡근의 원심성으로 조절하기 위해 작용한다. 저측굴곡 토크는 나머지 입각기 동안 나타나게 되는데, 초기에는 발에 대해 경골이 전진하는 것을 구심성으로 조절하게 되고, 그런 후 밀기(push off)에서 족관절을 저측굴곡시키게 된다. 유각기 동안, 족관절 배측굴곡을 유지시켜 발가락이 지면에 걸리지 않도록 하기 위해 매우 작은 배측굴곡 토크가 나타나게 된다. 시상면에 있어, 파워는 밀기(push off) 이전에 흡수되는데 이것은 저측굴곡근의 원심성 활동을 나타내는 것이다. 밀기에서 저측굴곡근에 의한 에너지의 큰 흡수가 있게 된다. 이러한 파워 흡수는 보행 동안 신체를 전 방으로 미는 추진력의 큰 부분을 차지하게 된다. 전두면에 있어 입각기의 특징은 보행주기의 0~20%에서 작은 외번 토크(보행주기의 0~20%)를 나타내다가, 보행주기의 20~45% 사이에서 내번 토크를 보인 후에, 발가락 떼기 바로 직전에 작은 외번 토크를 나타낸다. 내용을 요약하면 관절 토크와 파워의 분석은 전방의 속도 발생, 체중의 지지, 균형의 조절이 관절과 근육군의 관계 설정에 도움이 된다. 고관절 토크는 원심성 근활성으로 파워흡수가 일어나고 반대쪽 고관절의 토크로 발생한다. 족관절의 밀기에서 저측굴곡근은 에너지를 많이 흡수한다. 이러한 파워 흡수는 보행 동안 신체를 전방으로 미는 추진력의 핵심이 된다.