관절 회전 운동과 병진 운동 자유도 운동 사슬

회전운동과 병진운동(Rotary and Translatory Motion)

관절면의 모양이나 일치성이 관절에서 발생되는 운동을 결정한다. 축을 중심으로 일어나는 운동을 역학에서는 회전운동(rotary motion), 각운동(angular motion), 혹은 회전(rotation)이라 명명한다. 회전운동은 고정된 운동축에 대하여 일어나는 운동이다.

이 운동은 관절에 인접한 지절 위에 놓여 있는 모든 점이 원의 호를 따르기 때문에 회전운동이라 부르고 원의 중심(中心)이 관절의 축에 해당한다. 그리하여 주관절의 굴곡과 신전에서 전완(상완 혹은 양쪽)은 주관절에 대하여 회전한다. 지절 위의 각 점은 속도가 서로 다르고 각 점의 속도는 운동축에서의 거리와 관계가 있다. 어깨를 축으로 팔을 앞뒤로 흔들 경우 회전의 중심에서 가깝게 놓여 있는 상완이나 팔꿈치보다 손의 속도(cm/sec)가 훨씬 빠르다. 그러나 각속도(degree/sec)는 지절의 모든 점에서 같다. 역학에서 병진운동(translatory motion)이란 물체 위의 각 부분이 나란하게 이동하는 것을 말한다. 병진운동에는 직선운동(linear)과 곡선운동(curvilinear)이 있다. 인체에서 순수한 병진운동이 거의 없다. 그러나 이 운동은 자동차나 휠체어를 타고 이동할 때 볼 수 있다. 보행에서 인체는 앞으로 움직이지만 각 부분이 서로 다른 속도로 움직이기 때문에 순수한 병진운동이 아니다. 그렇지만 인체는 여러 관절의 회전운동이 직선운동으로 전환되는 좋은 예가 된다. 상지에서 견관절, 주관절, 요척관절, 손목관절의 복합된 회전운동은 손을 자유롭게 움직이도록 하며 병진운동을 할 수 있게 한다. 정상적인 끝 느낌(Normal End-Feel)이란 검사자가 정상적인 관절을 수동적으로 운동범위의 마지막까지 움직일 때 끝 부위에서 저항을 느낀다. 이 저항을 끝 느낌(end-feel) 혹은 생리적인 끝 느낌(physiologic end-feel)이라 한다. 저항은 부드러움(soft), 단단함(hard), 팽팽함(firm)으로 표현한다. 부드러운 끝 느낌은 주관절이 완전히 굴곡될 때 전완과 상완에서 인접한 연부조직 상호 간의 접촉으로 일어난다. 단단함 혹은 뼈에 맞닿는 느낌 (bony end-feel)은 주관절(elbow) 신전에서 뼈와 뼈가 서로 부딪쳐 운동이 정지될 때 느껴진다. 팽팽함 혹은 스프링이 늘어나는 느낌은 인대, 관절낭, 근육조직에 의해 운동제한이 올 때의 느낌이다. 손목관절 굴곡은 이 예에 해당된다. 병적인 끝 느낌은 그 관절의 특징이 아닌 끝 느낌이 있거나 운동범위의 끝에서가 아닌 다른 부위에서 나타나는 경우다. 텅 빈 끝 느낌 (empty end-feel)은 병적인 유형으로 저항이 느껴지지 않고 운동 중에 통증을 호소하게 된다.

자유도(Degree of Freedom)

관절의 각(회전) 운동(angular motion)이 효과적인 곡선운동으로 전환되는 인체의 능력은 자유도의 개념을 사용한다. 자유도는 생체공학에서 일반적으로 사용하였으며 통계학에서 사용하는 자유도와 의미가 다르다. 관절은 운동이 가능한 면의 수와 축의 수에 따라 분류한다. 한 면에서 운동이 가능한 관절은 하나의 축을 가지게 되며 이를 자유도 1이라 한다. 예를 들면 요척관절에서는 장축(Y축)을 축으로 회내, 회외운동이 가능하며 지절 간 관절이나 주관절은 횡축(X축)을 축으로 하여 굴곡, 신전이 발생하므로 자유도 1을 가진다. 관절이 두 면에서 운동이 가능하며 두 개의 축을 가지면 그 관절은 자유도 2를 가지게 된다. 예를 들면 손의 중수지절관절, 요수근관절은 횡축 주위로 굴곡, 신전, 시상축 주위로 외전, 내전이 가능한 자유도 2인 관절이다. 고관절처럼 볼-소켓관절(ball and socket joint)은 굴곡-신전, 내전-외전, 회전운동이 가능하며 자유도 3인 관절이라 말한다. 운동은 세 개의 주된 축에 대하여 일어나며 축은 관절의 회전 중심을 통과한다. 고관절의 경우에 축은 대퇴골두의 중심을 통과한다. 고관절에서 굴곡-신전의 축은 횡 방향, 외전-내전의 축은 시상 방향, 회전의 축은 고관절 중심에서 슬관절의 중심으로 종방향을 취한다. 견갑상완관절은 자유도 3을 가진 다른 예에 해당한다. 잘 조화되고 연속적으로 복합된 운동을 순환운동(circumduction)이라 하며 지절은 원추의 면을 따라 움직이며 지절의 끝 부분은 원형을 그리게 된다. 순환운동은 자유도 2나 3을 가진 관절의 특징이며 자유도 1인 관절에서는 일어나지 않는다. 운동면에서 한 관절이 가질 수 있는 최대 자유도는 3이다. 우리 몸이 유연한 이동과 곡선운동을 할 수 있을 만큼의 충분한 자유도를 얻을 수 있는 것은 두 관절 혹은 그 이상 관절의 자유도 가중현상(summation) 때문이다.

운동사슬(Kinematic Chains)

연속되어 있는 지절을 연결하는 몇몇 관절의 결합은 운동사슬로 연결된다. 연속적으로 원위 지절은 근위 지절에 비해 높은 자유도를 가진다. 원하는 운동을 실행하기 위해 서로 협력 작용하는 다관절의 운동사슬에 의해서 일어난다. 예를 들면 흉곽에서 손가락까지는 자유도 19를 나타낸다. 그러한 자유도는 섬세한 손의 활동이나 다양한 상지 활동에 역학적 기초를 제공한다. 하지와 체간에 있어서, 골반과 발가락 사이의 자유도는 25 혹은 그 이상으로 발이 불규칙하거나 경사진 면 위에 잘 놓이도록 할 뿐 아니라 몸의 중심(心)이 작은 기저 내에 유지되도록 하는 것이다. 손목의 수근간 관절이나 발의 족근간 관절의 각각의 운동을 계산하는 것은 대단히 복잡하고 때로는 다양하다. 개방성운동사슬(Open kinematic Chain)은 공간에서 원위지절의 운동이 자유롭고, 폐쇄성 운동사슬 (Closed Kinematic Chain)은 원위지절은 고정되고 근위부에서 운동이 있게 된다. 상지에서 개방성 운동사슬은 손을 입으로 가져올 때나 공을 찰 때 일어나고, 폐쇄성 운동사슬은 턱걸이(chin up)나 팔 굽혀 펴기에서 볼 수 있다. 폐쇄성 운동사슬에서 한 분절의 운동은 모든 분절을 움직인다. 개방성 운동사슬에서는 분절이 독립적으로 움직일 수도 있고 전혀 그렇지 않을 수도 있다. 폐쇄성 운동사슬의 움직임은 개방성운동사슬 움직임에서 발생하는 운동 속도만큼 빠르지는 못하지만, 기능적인 움직임을 위해 더 큰 힘과 근력을 제공한다. 의자에 앉는 경우 고정된 발 위에서 다리는 앞으로 움직이고(배측굴곡), 대퇴는 다리에 접근하며(슬관절 굴곡), 골반은 대퇴에 접근한다(고관절 굴곡). 보행이나 계단을 올라가는 동작은 지지기 동안 폐쇄성, 유각기 동안은 개방성이 교대되는 예이다. 의자에서 팔걸이를 손으로 밀면서 일어설 때(휠체어 내에서 몸통 들기) 손은 고정되고 전완은 고정된 손에 대하여 운동이 일어나며, 상완은 전완에서 멀어지고(주관절 신전) 몸통 쪽으로 움직인다(견관절 내전). 상지에서 폐쇄성 운동의 다른 예는 목발보행과 침대 위에 매어 놓은 로프를 사용하 여 몸을 일으키는 동작이다. 대부분 인체 움직임은 개방성과 폐쇄성운동사슬의 하나의 결합이다. 복잡한 인체의 자세와 동작을 표현하고 기록하고 정의하기 위하여 직각 좌표계를 사용한다. 정상적인 동작과 자세는 여러 면과 축이 복합되어 있다. 여러 인체 분절의 자유도 결합은 다양한 운동 패턴을 선택할 수 있게 한다. 쓰기, 먹기, 공 던지기 혹은 차에 타거나 내리는 것 같은 주어진 일을 이행하는데 여러 가지 방법이 있다. 바로 누운 상태에서 선 자 세로 일어나는 단순하게 움직일 때, 건강한 젊은이들은 팔, 다리, 머리와 체간이 21가지 서로 다른 방법으로 결합한다. 관절 각도측정은 운동 중에 관절의 위치를 기술하거나 관절에서 유용한 운동범위를 기록하기 위 한 가치 있는 임상측정 방법이다. 관절에서 병적인 운동제한 요인, 즉, 부종, 통증, 연부조직 단축 같은 것은 정상적인 기능을 제한한다. 운동사슬에서 자유도의 수가 많은 것은 기능을 유지하는데 유리하다. 전완이 충분히 회내 되지 않는 사람은 손목, 팔꿈치, 어깨와 심지어 체간의 대상작용의 증가로 인해 손의 기능을 수행할 수 있다. 경직된 무릎을 지닌 사람은 발목, 고관절, 배부 혹은 반대편 하지의 대상동작을 사용해 걸을 수 있다. 그러나 그러한 대상작용은 같은 속도로 일을 하기 위해 항상 상당한 에너지를 소비하게 된다. 수년간의 보상작용은 보상관절의 구조에 미세한 외상의 반복으로 기능장애를 남기게 된다. 운동사슬에서 자유도가 제한된다면 장애가 더욱 증가되고 기능을 수행하는데 제한이 따른다. 일터에서 전문적인 타이피스트, 바이올리니스트, 야구투수의 손가락 관절에서 자유도 하나가 감소된다면 심각한 장애가 될 수 있다.