[뉴만]Chapter13 무릎
무릎은 정강넙다리관절의 가쪽과 안쪽구획 그리고 무릎넙다리관절로 구성되어 있다. 무릎에서의 동작은 2개의 운동면에서 일어나며, 굽힘과 폄 그리고 안쪽돌림과 가쪽돌림이 허용된다.
무릎의 안정성은 뼈의 구조적 외형보다는 주로 연부조직에 의한 제한으로 얻게 된다. 큼직한 넙다리뼈관절융기들은 거의 편평한 정강뼈의 몸쪽 관절면과 관절하게 되는데, 많은 인대들, 관절주머니와 반달연골, 그리고 큰 근육들에 의해 관절의 위치를 유지하게 된다
골학
먼쪽 넙다리뼈
넙다리뼈의 먼쪽 끝부위에는 큰 가쪽관절융기와 안쪽관절융기가 있다. 큰 융기사이패임은 가쪽관절융기과 안쪽관절융기를 분리시키며, 십자인대들을 위한 통로를 형성한다. 넙다리뼈관절융기들은 앞쪽에서 만나 도르래고랑을 형성한다. 이 고랑은 무릎뼈의 뒤면과 관절하여 무릎넙다리관절을 형성한다. 가쪽고랑과 안쪽고랑은 넙다리뼈 관절융기의 관절면 대부분을 덮고 있는 연골에서 희미하게 윤곽을 보인다. 무릎을 완전히 폄하였을 때, 정강뼈의 앞쪽 가장자리는 이 고랑들에 맞추어 정렬된다. 무릎의 관절주머니는 정강넙다리관절과 무릎넙다리관절의 모든 면들에 걸쳐 있다.(그림 13.3 점선 참조)
몸쪽 정강뼈와 종아리뼈
종아리뼈는 무릎에서의 직접적인 기능은 없지만 가느다란 이 뼈는 정강뼈의 가쪽면을 받치고 있으며 무릎의 수직정렬을 유지하는데 도움이 된다. 정강뼈는 무릎과 발 사이에서 부하의 대부분을 전달한다.
무릎뼈
관절학
일반적인 해부학과 정렬의 고려사항
넙다리뼈의 몸통은 무릎관절쪽으로 내려갈 때 약간 안쪽으로 기울어져 있다. 이런 사선 방향은 몸쪽 넙다리뼈에서 보이는 125도의 자연스러운 경사각의 결과이다. 몸쪽 정강뼈의 관절면은 거의 수평으로 향하고 있기 때문에, 무릎의 가쪽면은 약170-175도의 각도를 형성한다. 이마면 내에서의 이러한 정상적인 정렬을 밖굽이 무릎이라 한다. 가쪽 각도가 170도 이하일 때는 과도한 밖굽이 무릎이라 부른다. 가쪽 각도가 180도 이상일 때는 안굽이무릎이라 부른다.
관절주머니와 보강인대
뒤-안쪽관절주머니는 봉공근, 박근, 반건양근의 결합된 편평한 힘줄들에 의해 보강되는데, 이들을 거위발힘줄이라 한다.
윤활막, 윤활주머니, 그리고 지방덩이
무릎에는 14개나 되는 많은 윤활주머니가 있으며, 움직임 동안 마찰력이 발생되는 조직사이이음부가 형성되어 있다. 조직사이이음부에서의 과도하고 반복적인 힘들이 요구되는 활동들은 윤활주머니의 염증에 의한 윤활주머니염을 유발할 가능성이 있다.
지방덩이들은 흔히 무릎 주위의 윤활주머니와 관계있다. 지방과 윤활액은 움직이는 부위들 사이의 마찰력을 감소시켜 준다.
정강넙다리관절
정강넙다리관절은 크고 볼록한 넙다리뼈관절융기와 좀 더 작고 거의 편평한 정강뼈관절융기 사이에서 형성된 관절로 구성된다. 달리기, 쪼그려 앉기, 그리고 오르기와 같은 활동들을 위해 넙다리뼈관절융기의 큰 관절면은 시상면에서의 광범위한 무릎 운동을 허용할 수 있는 구조이다. 관절의 안정성은 견고한 뼈의 적합성에 의해 제공되는 것이 아니라, 근육, 인대, 관절주머니, 반달연골, 그리고 체중에 의해 제공된 힘들과 물리적 억제에 의해 제공된다. 이러한 이유 때문에 무릎에 대한 외상은 다양한 연부조직의 손상을 흔히 유발한다.
반달연골의 주변부 바깥쪽 1/3 영역은 주변 관절주머니를 뚫고 들어온 서로 연결된 무릎동맥들 오금동맥의 가지로부터 직접 혈액을 받는다. 따라서 양 반달연골의 이 주변부 영역에 대해 외과의사들은 흔히 적색구역이라 지칭한다. 이와는 대조적으로 반달연골의 안쪽 깊은쪽 2/3 영역은 기본적으로 무혈관 영역으로 소위 백색구역이라 부르며, 이 영역은 윤활액으로부터만 영양물질을 받는다. 적색구역과 백색구역 사이의 좁은 이음부는 적색구역에 비해 혈관분포가 확실히 감소되어 있기 때문에 분홍색구역이라 지칭된다.
반달연골의 일차적인 기능은 정강넙다리관절을 가로지르는 압박스트레스를 감소시키는 것이다. 반달연골의 다른 기능들로는 운동 동안의 관절 안정화, 관절연골에 대한 윤활작용,고유감각제공 그리고 무릎관절운동형상학의 안내에 대한 도움이 있다.
일반적으로 반달연골의 찢어짐은 부분적으로 굽힘된 상태로 체중지지를 하고 있는 무릎에 주어진 강력한 넙다리뼈관절융기의 축돌림과 흔히 연관된다.
정강넙다리 관절은 자유도 2를 갖고 있어, 시상면에서의 굽힘과 폄 그리고 무릎이 약간 굽힘되어 있을 때 제공되는 수평면에서의 안쪽돌림과 가쪽돌림이 일어난다. 무릎에서 일어나는 이마면에서의 동작은 단지 수동에 의해서만 일어나게 되며, 그 움직임의 양도 약6-7도로 제한한다.
축돌림은 무릎의 굽힘이 커질수록 확실히 증가한다. 예를 들어, 90도로 굽힘된 무릎은 약40-45도의 전체 축돌림을 수행할 수 있다. 일반적으로 가쪽돌림의 가동범위는 거의 2:1의 비율로 안쪽돌림의 가동범위를 초과한다.
깊게 쪼그려 앉는 자세로부터 일어설 때와 같이 정강뼈에 대한 넙다리뼈의 폄 동안, 넙다리뼈관절융기는 정강뼈의 관절면에 대해 앞쪽으로의 구르기와 뒤쪽으로의 미끄러짐을 동시에 한다. 이러한 상쇄적인 관절운동형상은 정강뼈에 대한 넙다리뼈의 앞쪽 병진운동의 크기를 제한한다. 네갈래근은 넙다리뼈관절융기의 구르기를 안내하고 넙다리뼈의 미끄러짐에 의해 유발된 수평 전단력에 대해 반달연골을 안정화시킨다.
완전히 폄된 상태로 무릎이 잠기기 위해서는 약 10도의 가쪽돌림이 요구된다. 이러한 돌림성 잠김작용은 무릎폄의 마지막 30도 동안에 관찰할 수 있는 무릎의 비틀림에 근거하여 나사집돌림이라 언급되어 왔다. 나사집 가쪽돌림은 결합형 돌림으로 설명되며, 굽힘 및 폄의 운동형상학과 역학적으로 관련되어 나타나지만 독립적으로 수행될 수 없다는 사실을 강조하고 있다.
십자인대는 모두 굵고 강한데, 이것은 무릎에 안정성을 제공하는 이들의 중요한 역할을 반영하는 것이다. 예를 들어, 젊은 성인의 앞십자인대는 인대 내에서 또는 인대와 뼈의 경계면 내에서 일어나는 기능상실과 함께 파열이 되기 전에 약 1800N의 장력 부하를 견딜 수 있다. 앞십자인대와 뒤십자인대가 함께 작용하게 되면 모든 무릎 움직임의 끝범위를 저항할 수 있다. 그러나 가장 중요한 것은 십자인대가 정강뼈와 넙다리뼈 사이에서 만들어지는 앞-뒤 전단력들에 대한 저항의 대부분을 제공한다는 것이다. 이러한 전단력들은 걷기, 달리기, 쪼그려앉기 그리고 점프하기와 관계된 자연스러운 시상면의 운동형상학에 내재되어 있다. 뿐만 아니라 사선으로 교차된 인대들의 방향은 몸통을 가쪽으로 돌려 방향을 갑자기 바꾸는 동작과 같은 이마면과 수평면 내에서 스트레스가 많은 동작들 동안 무릎을 안정시킨다. 무릎에 대한 동적인 안정성을 제공하는 것 외에도 앞십자인대와 뒤십자인대에서의 장력은 무릎의 관절운동형학을 안내하는데 도움이 된다. 게다가 십자인대는 기계수용기들을 포함하고 있기 때문에 신경계통에 고유감각성 되먹임을 간접적으로 제공한다.
임상적으로 네갈래근은 흔히 ACL의 대항근으로 언급된다. 이러한 명칭은 비교적 낮은 굽힘 각도에서 일어나는 네갈래근의 수축력이 ACL의 대부분 섬유들을 신장시킨다는 것을 반영한 것이다. 연구들에서는 15도 굽힘에서 최대 노력의 네갈래근 등척성활성 이후에 ACL에서 4.4%의 변형을 보인다고 보고하였다.
ACL도 관절 움직임의 끝범위에서 장력을 받게 되는데 장력을 받기 전의 상태에서 빠른 속도의 신장이 적용되면 매우 쉽게 손상을 당하게 된다. 인대는 생리학적인 내구력 또는 길이를 초과하게 되는 장력 스트레스를 받게 될 때 파열된다. ACL 손상과 관계된 다음의 3가지 요소를 자주 확인한다. 중간정도로 굽힘된 또는 거의 폄된 무릎에 대한 강력한 네갈래근의 활성, 무릎의 두드러진 밖굽이 붕괴, 그리고 무릎의 과도한 가쪽돌림.
뒤넙다리근의 수축을 무릎을 굽힘시키고 넙다리뼈에 대한 정강뼈를 뒤쪽으로 미끄러지게 한다. 무릎의 굽힘은 네갈래근과 뒤십자인대(PCL)내의 대부분의 섬유들이 길어지게 한다.
무릎넙다리관절
무릎이 굽힘과 폄을 주기적으로 움직일 때, 미끄러짐 운동이 무릎뼈의 관절면과 넙다리뼈의 도르래고랑 사이에서 일어난다.
근육과 관절의 상호작용
근육의 신경지배
무릎관절의 감각신경지배
무릎의 유일한 폄근육무리인 넙다리네갈래근은 단 하나의 말초신경에 의해 지배된다. 따라서 완전한 넙다리신경의 병변은 무릎 폄근육 전체 마비를 유발할 수 있다.
넙다리네갈래근은 크고 강력한 무릎 폄근육으로서, 단면적이 뒤넙다리근보다 2.8배나 더 크다. 네갈래근은 넙다리곧은근, 가쪽넓은근, 안쪽넓은근 그리고 좀 더 깊은 곳에 있는 중간넓은근으로 구성되어 있다. 큰넓은근들은 무릎에서의 전체 폄 토크 중 약80%를 생산하고, 넓다리곧은근은 약 20%를 생산한다. 3개의 넓은 근들의 수축은 단지 무릎만을 폄시킨다. 그러나 넙다리곧은근은 엉덩관절의 굽힘과 무릎의 폄을 유발한다.
서서하는 많은 활동들에 있어, 외적인 굽힌근육 토크는 무릎에 대해 작용한다. 이러한 토크는 움직이거나 지지되고 있는 외적인 부하 곱하기 외적인 모멘트팔로 나타낼 수 있다. 네갈래근의 힘 곱하기 내적인 폄근육 토크는 외적인 굽힘토크와 같거나 더 많아야 한다.
네갈래근을 자극하기 위해 고안된 많은 근력강화운동은 오직 신체에 작용하는 중력에 의해 발생된 저항의 외적인 토크들에 의존한다. 외적인 토크의 크기는 무릎이 폄되는 특정 방법에 따라 매우 달라질 수 있다. 넙다리뼈에 대한 정강뼈의 무릎 폄 동안, 다리 무게의 외적인 모멘트팔은 90도 무릎 굽힘 상태에서 0도의 무릎 굽힘 상태로 갈수록 증가된다. 이와는 대조적으로 정강뼈에 대한 넙다리뼈의 무릎 폄 동안 상체 무게의 외적인 모멘트팔은 90도의 무릎 굽힘 상태에서 0도의 무릎굽힘상태로 갈수록 감소된다.
무릎 폄 근육의 내적인 모멘트팔은 안-가쪽돌림과 근육 힘선 사이의 수직거리이다. 토크는 힘 곱하기 모멘트팔이기 때문에 무릎뼈의 존재는 폄 토크를 증가시킨다.
네갈래근의 전체적인 힘선은 Q각으로 표시된다. 생체역학적으로 이런 네갈래근의 전체적인 가쪽 당김은 무릎뼈에 대한 활시위 힘을 만들어낸다. 그림 13.30에서 백터 합성으로 나타내고 있는 것과 같이 Q각이 클수록 더 큰 가쪽 활시위 힘을 만들어낸다. 엉덩정강띠나 가쪽무릎지지띠섬유들에서의 과도한 장력은 무릎뼈의 가쪽당김에 추가된다.
무릎의 비정상적 정렬
학습문제
1. 이 장에서 설명했듯이, 무릎의 안쪽과 가쪽돌림근육에 의해 생산된 최대 노력의 토크들은(90도 굽힘에서 검사될 때) 대체로 같은 크기이다. 이러한 사실은 안쪽돌림근육과 가쪽돌림근육의 근육 수의 차이로 볼 때 어떻게 설명되는가?
무릎에서 단 하나의 가쪽돌림근육(넙다리두갈래근)만 있다는 것과 비교했을때 더 많은 수의 안쪽돌림근육을 고려한다면 놀라운 일이다. 이러한 사항은 무릎이 90도 굽힘된 상태에서 넙다리두갈래근은 모든 안쪽돌림근육의 지레작용보다 3배나 더 큰 축돌림 모멘트팔을 갖는다는 사실을 고려한다면 어느정도 이해될 것이다. 넙다리두갈래근의 먼쪽 부착부위인 종아리뼈머리가 가쪽에 위치하기 때문에 이런 근육의 돌림 운동을 위한 지레작용은 확실히 증가된다.
2. 심각한 무릎의 과다폄은 ACL과 PCL 둘다의 손상을 어떻게 유발할 수 있는가?
과다폄동안 고정된 넙다리뼈에 대한 넙다리뼈의 뒤쪽 미끄러짐은 ACL을 과신장시켜 파열할 것이다. 이때 발생한 네갈래근의 큰 활성은 뒤쪽으로 미끄러지는 넙다리뼈에 대해 정강뼈를 앞쪽으로 당기기 때문에 이러한 손상 가능성을 증가시킨다. 흔히 과다폄과 관계된 ACL손상은 큰 축돌림이나 밖굽이를 유발하는 힘들과 연관이 있기 때문에 ACL에 대한 장력을 좀 더 증가시킨다. 관절의 뒤면에 큰 틈을 유발하는 무릎의 심각한 과다폄은 PCL을 손상시킨다.
3. 무릎넙다리관절은 무릎 폄의 마지막 20-30도에서 역학적으로 왜 가장 작은 안정성을 보이는지 설명하라
무릎이 마지막 20-30도의 굽힘 위치로 폄을 함에 따라, 무릎뼈의 일차적 접촉지점은 아래극으로 이동한다. 이러한 운동호 내에서 무릎뼈는 도르래고랑 내의 역학적 맞물림을 대부분 상실하게 된다.
4. 대부분의 사람들은 완전히 폄된 상황과 비교했을 때 완전히 굽힘된 엉덩관절 상태에서 능동적인 무릎 굽힘을 했을 때 약간 더 크게 일어나는 이유는 무엇인가?
뒤넙다리근이 길어지도록 엉덩관절을 굽힘하는 것은 더 큰 무릎 굽힘 토크를 발생시킨다. 길이-장력관계는 뒤넙다리근의 굽힘 토크 가능성을결정하는데 있어 매우 영향력 있는 요소가 되는 것으로 보인다.
5. 무릎의 가쪽돌림을 저항할 수 있는 근육들과 인대들을 열거하라. 이러한 기능은 왜 특히 정강뼈에 대한 넙다리뼈(체중지지)의 관점에서 중요한가?
안쪽넓은근빗섬유들, 안쪽무릎지지띠섬유들, 드로래고랑의 융기된가쪽관절면 /가쪽활시위 힘이 증가되면 무릎에 대한 스트레스가 증가되기때문이다
6. 무릎의 관절면을 가로지르는 압력을 감소시키는 반달연골의 일차적인 기전은 무엇인가?
반달연골은 관절 접촉면적의 거의 3배나 되기 때문에 관절연골에 대한 압력을 확실히 감소시켜준다.
7. 다음 중 어떤 활동이 무릎넙다리관절의 관절면에 대한 큰 압박 스트레스(압력)를 만들어내는가? (a) 10-20도 무릎 굽힘 상태에서 부분적인 쪼그려앉기의 유지 또는 (b) 60-90도 무릎 굽힘 상태에서의 깊이 쪼그려 앉기의 유지 이유를 설명하라.
b에서 네갈래근의 토크가 증가한다 그만큼 관절에 대한 요구가 증가된다
하지만 스트레스를 받아야 주변 조직이 강해진다
8. 안쪽곁인대와 안쪽반달연골은 왜 유사한 손상기전에 의해 외상을 당하는가?
안쪽곁인대 깊은부분은 더 짧고 좀 더 사선 방향을 향하고 있는 섬유들의 묶음으로 구성되어 있으며, 얕은 부분 섬유들의 몸쪽 부착부위의 바로 깊은 쪽에서 약간 뒤쪽과 먼쪽에 놓여 있다. 깊은 부분의 섬유들은 뒤 안쪽관절주머니, 안쪽반달연골 그리고 반막근의 힘줄에 먼쪽에 부착을 갖는다
9. 네갈래근의 수축이 왜 앞십자인대를 길어지게 할 수 있는지 설명하라. 인대에 대한 변형은 (a)무릎관절 각도, (b)네갈래근과 뒤넙다리근의 동시활성 크기에 대해 어떻게 영향을 받는가?
10. 걷기는 디딤기 초기 동안 네갈래근 활동의 시기와 유형을 설명하라
걷기의 발꿈치닿기에서 무릎은 지면반발력에 대한 반응으로 약간 굽힘하게된다. 편심성으로 활성된
네갈래근은 이러한 무릎 굽힘의 크기를 조절한다
11. 대략적인 무릎의 어떤 운동호에서 네갈래근은 가장 큰 내적인 토크를 생산하는가? 이러한 것에 대한 가장 원인이 되는 인자는 무엇인가?
60도와 20도의 무릎 굽힘 사이에서 내적인 모멘트팔이 가장 크다.
12. (a) 왜 오금근이 "무릎의 열쇠"라 불리는지 그리고 (b) 오금근이 어떻게 무릎의 안쪽과 가쪽 안정성을 제공할 수 있는지 제시하라.
a나사집기전을 푸는 근육 안쪽돌림 토크를 제공한다 다른 무릎굼힘근과 다르게 사선으로 힘선이 있어 좋은 지레작용을갖는다
b무릎의 과도한 가쪽돌림을 감속함으로 안쪽면 안정화/오금근의 강력한 관절주머니속힘줄을 통해 무릎에 적용된 안굽이 부하에 확실한저항을제공한다
13. 의자 쪽으로 천천히 앉을 때 엉덩관절과 무릎에 걸쳐 일어나는 네갈래근과 뒤넙다리근의 활성 유형(즉, 편심성, 동심성 등등)을 설명하라.
고정된 정강이에 넙다리가 굽힘되면서 네갈래근은 편심성 활동을 한다. 뒤넙다리근은 엉덩관절굽힘이 되어 있어 편심성활동을 한다
14. L2-L4 척수신경뿌리에 영향을 미치는 회색질척수염은 이론적으로 무릎의 어떤 근육무리의 마비를 유발하는가?(부록IV, PartA를 참조)
네갈래근, 엉덩굽힘근
15. 완전한 무릎 폄을 제한할 수 있는 인자들을 열거하라.
ACL,뒤넙다리근들
16. 그림 13.38을 참조하여 점프 후 착지 동안 몸통의 증가된 앞쪽 기울임이 네갈래근과 뒤넙다리근의 근육반응의 크기를 어떻게 변경시키는가? 이런 변경에 따른 임상적 결과는 무엇인가?
네갈레근과 엉덩관절 폄근육 사이의 요구에 대한 더 큰 공유가 일어나며 ACL 변형을 감소시킨다