다체절 발 모델 개발을 통한 보행 시 정상인과 무지 외반증 환자의 발의 세부 운동특성 분석

Abstract

[한글]

인간의 보행에 있어 지면과 접촉을 이루는 발은 에너지를 저장, 방출하여 추진력 공급 및 균형 유지의 중요한 역할을 하는 복잡하고 정교한 인체 기관이다. 그러나 최근 다양한 발 질환이 급증하고 있고, 이는 보행에 이상을 가져오게 되어, 신체의 여러 부위에 연쇄적으로 나쁜 영향을 미친다. 발의 생체역학적 기전을 규명하기 위해 많은 연구들이 이루어져 왔지만 발의 여러 관절에 대한 분석이 없었고, 다양한 발 질환에 대한 운동특성의 분석이 미비하였다.

본 연구에서는 다양한 발 질환의 임상적 진단과 치료를 위해 기존의 단일체절 또는 3~4개의 다체절 발 모델의 단점들을 보완하는 9개 다체절 발 모델을 개발하고 개발된 모델을 정상인과 무지 외반증(hallux valgus) 환자군에 적용하여 보행 중 발의 세부 운동 특성을 분석하였다. 그리고 보행 시 발바닥에 작용하는 압력을 영역별로 나누어 보행주기에 따라 분석하고 이러한 분석 인자들과 관련하여 발의 주요 운동을 담당하는 근육들의 근활성도를 보행주기에 따라 분석하였다.

보행 시 발의 충격흡수 및 균형유지에 주요한 역할을 하는 활(arch)들의 변화들을 관찰하기 위해 중족골 부위를 내·외측으로 나누었고, 무지 외반증과 같은 발 질환의 적용을 위하여 발가락 부위를 엄지발가락, 내측 발가락, 외측 발가락 부위로 나누어 정의하였다. 또한 발꿈치뼈, 입방뼈, 목말뼈, 정강뼈를 각각 정의하여 총 9개의 체절의 발 모델을 개발하였다. 개발된 발 모델을 바탕으로 엄지발가락 허리관절, 내측 발가락 허리관절, 외측 발가락 허리관절, 목말밑관절, 발꿈치 입방관절, 발목관절의 총 8개 관절을 정의하고 총 19개의 마커를 해부학적으로 유의하게 위치시켜서 마커 O@V을 구성하고 다체절 모델링 프로그램을 사용하여 모든 체절과 관절들을 계층적으로 구속시켰다.

개발된 다체절 발모델을 사용하여 정상 성인군과 무지 외반증 환자군에 대한 발의 세부 운동특성을 분석하여 비교하였다. 시상면에서 엄지발가락 허리관절이 정상인의 경우 하중수용기에 급격한 굴곡을 한 후에 말기입각기에 급격한 신전을 하여 발이 지면을 차고 나가는 것을 보조하는 것에 반해 무지 외반증 환자군의 경우 전체적으로 굴곡과 신전의 운동크기가 매우 작고 특히 말기입각기시에 정상인의 운동 각도와 큰 차이를 보였다. 전두면에서는 말기입가기에 발목관절의 운동에서 정상인에 비해 환자군이 일찍 외반을 시작하는 특징과 목말밑관절의 입각기 초기에 과도한 외반을 하는 특징을 보였다. 횡단면에서는 보행주기 전체동안 발목관절과 엄지발가락 허리관절의 과도한 외회전의 특징을 보였다. 동적 발바닥 압력분포를 비교한 결과, 무지 외반증 환자군의 경우 정상인에 비해 외측으로 큰 압력을 받으면서 보행을 하고 상대적으로 내측 전족부와 엄지발가락부에 훨씬 작은 압력을 받는 것을 확인하였다. 보행 시 발의 운동에 관련된 근육들의 근활성도를 삼차원 운동특성 분석 결과 및 동적 발바닥 압력분포 결과와 연관하여 분석하여 다음과 같은 무지 외반증 환자군의 운동 특성을 찾았다.

1. 무지 외반증 환자는 대부분 환부가 제 1 중족골두에 위치하기 때문에 보행 시 환부에 가해지는 자극을 피해 발의 외측으로 보행을 하는 특성이 있다.

2. 그리하여 보행주기 전체적으로 발의 배굴 및 내반을 담당하고 있는 앞정강근의 과도한 활동을 유발하고 발 외측에 높은 압력을 분포시킨다.

3. 그리고 정상군에 비해 긴종아리근을 빨리 활성화 시켜서 회내 운동을 빨리 시작하여 제 2~3 중족골두로 압력중심이 지나가게 보행을 한다.

이와 같은 결과를 통하여 향후 다른 다양한 발 질환의 임상적 진단과 치료를 위한 운동특성 분석이 가능하고, 발 질환 환자들을 위한 특수 안창 및 특수화의 제작에 큰 도움이 될 것으로 생각된다.

[영문]The foot, making contact with the ground, is essential in keeping the dynamic stability, while the body moves forward in human walking. But, various foot problems have been rapidly increasing in these days. These problems cause gait abnormalities, influencing on many other parts of the body. Many studies have been performed to determine biomechanics of the foot during locomotion. However, most previous studies focused on describing only ankle joint and there were few studies about the detailed foot motion of the various foot diseases.

In this study, a multi-segment foot model which can make for the weakness of the previous foot model was developed for later clinical applications and then applied to the 3D motion analysis to determine detailed foot motions of normal and hallux valgus during the gait. And also we analyzed the areal plantar pressure of the foot and the muscle activity relating the foot movement along the gait cycle.

A 9-segment foot model was defined to analyze the foot motion in sagittal, frontal and transverse planes during gait. Metatarsal bones were divided into medial and lateral parts to observe the change of the arch in the foot. There were three parts in the toes; hallux, medial toes and lateral toes. In addition, calcaneous, cuboid, talus and tibia were also defined. Based on the segmental definition, eight major joints in the foot were defined hallux metatarsophalangeal(MP) joint, medial MP joint, lateral MP joint, medial tarsometatarsal(TM) joint, lateral TM joint, subtalar joint, calcaneocuboid joint and talocrural joint. And totally nineteen 9mm reflective markers were attached at anatomical locations based the foot model. A user-defined motion analysis software was used for the modeling like that all markers were grouped, based on the foot anatomy and segmental coordinates, Euler angles were defined as well.

The detailed foot motion of the normal and hallux valgus during the gait by using the developed multi-segment foot model was analyzed and compared. In sagittal plane, the hallux MP joint is rapidly dorsiflexed during the loading response and plantarflexed during the terminal stance for push-off process in the normal subject whereas, in the hallux valgus subject, the range of motion of the hallux MP joint is very small and specially there''s large difference in terminal stance as compared with the normal. In frontal plane, the hallux valgus sbject''s talocrural joint moved for the eversion early in the terminal stance and the subtalar joint is hyper-everted by comparison with the normal subject. In transverse plane, the talrocrural joint and the hallux MP joint moved for the hyper external rotation in hallux valgus subject. From the result''s of the comparison about the dynamic plantar pressure, we can also know that the hallux valgus walked under the large pressure in lateral side of the foot.

The present multi-segment foot model would be very useful to diagnose and to treat other foot disease patients. And it also could be very helpful for the design of the special insole or shoes for the foot disease patients.