Analysis of Muscle Activity of Quadriceps Femoris and Balance Ability in the Male with Patella Alta

고위 무릎뼈를 가진 남성의 넙다리네갈래근의 근활성도와 균형 능력 분석

Abstract

Purpose : Patella height is considered to have a pivotal role in the biomechanics of the knee complex. The purpose of this study was to evaluate the influence of patella height on the muscle activity of quadriceps femoris and balance ability. Methods : The patella height was examined in one hundred male volunteers aged 20~29 years who were recruited in this study. Patella height was estimated by measuring the length of patella tendon (LT)/length of patella (LP) ratio using a distal vernier caliper on the dominant leg. The subjects were divided to normal group (LT/LP ratio= 0.8~1.2, n= 35) and alta group (LT/LP ratio>1.2, n= 31). Muscle activities of rectus femoris (RF), vastus lateralis (VL) and medialis (VM) muscles were analyzed by surface electromyography (EMG) during isometric knee extension. Also, balance ability was measured via Biodex balance system (BBS) under the eyes-opened and closed conditions. Results : The EMG activities of both VL and VM muscles were significantly higher in the alta group compared to normal group (p<.01). Furthermore, there was a significant difference of overall stability index under the eyes-closed condition between the groups (p<.05), in particular alta group had reduced balance ability compared to normal group. LT/LP ratio showed the significant positive correlations with RF (r= 0.253), VL (r= 0.430) and VM (r= 0.465) muscles, in addition overall stability index (r= 0.279) and medial-lateral stability index (r= 0.268) under the eyes-closed condition. Conclusion : As the patella showed feature of alta, the EMG activities of both VL and VM muscles were increased, and balance ability was reduced. The findings of this study suggest that muscle activity of quadriceps femoris and balance ability are vulnerable by the change of patella height.

Ⅰ. 서론

인체에서 가장 큰 종자뼈인 무릎뼈는 무릎넙다리관절(patellofemoral joint)을 구성하는 구조물로서, 넙다리네갈래근(quadriceps femoris muscle)의 힘줄과 무릎힘줄(patella tendon) 사이에 존재한다(Yiannakopoulos 등, 2008). 무릎뼈는 무릎관절 복합체의 생체역학에서 핵심적인 역할을 담당하는데, 특히 전통적으로 ‘joint spacer’로 설명 되어져 왔다(Cleather, 2018). 이는 무릎뼈가 단순한 뼈가 아니라, 기능적으로 관절의 간격을 유지하면서 무릎관절 축으로부터 무릎힘줄의 거리를 증가시킴으로써 넙다리네갈래근의 내적 모멘트 팔(internal moment arm)을 더 길게 만듦을 의미한다(Günaydin 등, 2024). 이를 통해 결과적으로 무릎관절을 폄 시키는 넙다리네갈래근의 효율성은 증진된다. 또한, 무릎뼈는 도르래(pulley)처럼 작용하여 넙다리네갈래근의 수축력이 효율적으로 무릎관절에 전달되게 하는 동시에, 관절의 안정성을 유지시킨다(Neumann, 2017).

무릎관절의 굽힘-폄 운동에서 무릎뼈는 넙다리뼈의 융기사이고랑(femoral intercondylar groove)을 따라 이동하게 되는데, 무릎뼈가 불안정하면 무릎뼈의 부적절한 움직임으로 인해 정상적인 궤도를 벗어나게 되고 결과적으로 무릎뼈의 아탈구 및 탈구, 무릎넙다리관절의 통증 등이 발생할 수 있다(Pascual-Leone 등, 2022). 무릎뼈의 비정상적인 궤도(patella maltracking)는 무릎뼈와 넙다리뼈 도르래(femoral trochlea) 사이의 동적 관계의 불균형으로 발생하는데, 이는 무릎뼈 주변의 근육 약화 및 불균형, 해부학적 구조물의 형태 이상 등으로 인해 이차적으로 유발되기도 한다(Jibri 등, 2019). 또한, 비정상적인 무릎뼈의 높이(patellar height) 역시 무릎넙다리관절에 영향을 주어 무릎 통증이나 무릎뼈 불안정성(patellar instability)을 일으킬 수 있다(Phillips 등, 2010). 무릎뼈 불안정성과 관련된 특성 중, 정상보다 무릎뼈의 위치가 높은 고위 무릎뼈(patella alta)는 넙다리네갈래근 힘줄의 염증 및 무릎뼈의 연골연화증(chondromalacia) 등과 관련이 있으며, 특히 무릎뼈와 넙다리뼈 사이의 접촉면을 감소시켜 무릎넙다리관절의 스트레스를 증가시키기 때문에 무릎넙다리관절 통증 유발에 대한 선행요인으로 간주 된다(Biedert, 2022; Ward 등, 2007). 이처럼 무릎뼈의 정렬은 무릎관절 복합체의 생체역학적 기전에 영향을 줄 수 있는 중요한 요소이므로, 무릎뼈 높이와 및 위치에 대한 정확한 측정은 임상적으로 중요하다(Apostolopoulos 등, 2019).

무릎뼈의 위치를 측정하는 방법에는 줄자를 이용한 도수 측정 방법뿐만 아니라, 방사선 촬영, 컴퓨터 단층 촬영 및 자기공명영상 촬영 등 다양한 방법들이 있다(Lee 등, 2012). 영상 촬영 방법은 다시 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 나뉘는데, 직접적인 방법은 무릎뼈와 넙다리뼈의 위치를 측정하는 것이고 간접적인 방법은 무릎뼈와 정강뼈의 위치를 측정하는 것이다(Phillips 등, 2010). 그 중, 임상에서 가장 보편적으로 사용되는 Insall-Salvati 지표는 무릎힘줄 길이(length of patella tendon; LT)와 무릎뼈 길이(length of patella; LP)의 비율(LT/LP ratio)를 이용하는 간접적인 측정 방법이다(Kang 등, 2012; Kim 등, 2013; Shabshin 등, 2004; Verhulst 등, 2020). Insall-Salvati 지표는 무릎관절을 20~70 ˚ 구부린 자세에서 측정하는데, 무릎힘줄 길이와 무릎뼈 길이의 비율은 1.0이 가장 이상적이지만, 0.8~1.2까지는 정상범위에 해당된다(Lum 등, 2020). 또한, Insall-Salvati 지표값이 1.2를 초과하였을 경우는 고위 무릎뼈를 나타내며, 0.8 미만일 경우는 하위 무릎뼈를 의미한다(Insall & Salvati, 1971; Lum 등, 2020). Insall-Salvati 지표는 그 외 다른 간접적인 측정 방법들보다 높은 신뢰도를 가지는 것으로 보고되고 있는데, 방사선 촬영, 컴퓨터 단층촬영 및 자기공명영상 촬영에 대해서 Blackburne-Peel ratio 및 Caton-Deschamps ratio 보다 더 높은 검사자 내, 검사자 간 신뢰도(intra- and inter-observer reliability)를 가지는 것으로 나타났다(Verhulst 등, 2020). 무릎뼈 높이 측정을 위해 방사선 및 자기공명영상 등을 직접 이용하는 것이 가장 정확하지만, 실제 임상에서는 비용이나 시간적인 이유로 도수 측정 방법을 주로 사용하고 있다. 또한, 도수 측정을 통한 Insal-Salvati 지표는 방사선 노출에 대한 위험 없이 쉽게 무릎뼈 높이를 측정할 수 있고 높은 신뢰도를 가지므로, 본 연구에서도 이를 이용하여 연구 대상자의 무릎뼈 높이를 평가하였다.

무릎관절 폄 기전에서 핵심 근육인 넙다리네갈래근의 근활성도는 무릎뼈의 정렬과 매우 밀접한 관련성을 가지는데, 특히 안쪽넓은근(vastus medialis; VM)과 가쪽넓은근(vastus lateralis; VL)은 무릎관절을 펴는 동안 무릎뼈를 안정화시키기 위해 협력적으로 작용한다(Jaberzadeh 등, 2016). 안쪽넓은근의 수축은 무릎뼈를 안쪽으로 끌어올리며 무릎을 펴는 힘을 제공하고, 반대로 가쪽넓은근은 근육의 방향상 바깥쪽으로 무릎뼈를 당기며 무릎을 펴는 힘을 제공한다. 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 근활성도 비율(VM/VL ratio)은 1.0에 가까울수록 이상적이며, 이 경우 두 근육의 수축이 균형을 이루면서 무릎뼈에 작용하므로 무릎뼈는 넙다리뼈 내에서 정상궤도를 따라 움직이게 된다(Irish 등, 2010). 넙다리무릎관절에 통증이나 질환이 있는 경우 안쪽넓은근의 근활성도는 가쪽넓은근 보다 낮게 나타나는 경향이 있다(Lin 등, 2008; Sinaei 등, 2021). 안쪽넓은근의 근활성도 저하는 상대적으로 무릎뼈를 가쪽 방향으로 당겨지게 하고, 이러한 근육의 불균형(muscle imbalance)은 무릎뼈의 위치를 변화시킬 뿐만 아니라, 무릎관절의 압력을 증가시키는 요인이 될 수 있다(Chang 등, 2015). 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 힘줄은 모두 무릎뼈에 부착되기 때문에(Yiannakopoulos 등, 2008), 무릎뼈의 높이 변화는 이러한 근육의 근활성도에 영향을 미칠 것이다. Phillips 등(2010)은 고위 무릎뼈가 있는 경우 넙다리네갈래근 힘줄의 염증을 유발하며, 무릎의 기능적인 제한을 유발할 수 있다고 보고하였다. 또한, Ward와 Powers(2004)는 고위 무릎뼈의 경우 무릎뼈와 넙다리뼈 간의 접촉면적 감소로 인해 넙다리무릎관절의 부하가 증가하며, 특히 빠른 보행 속도에서 관절 부하가 더욱 증가한다고 보고하였다. 이러한 고위 무릎뼈는 무릎넙다리관절의 통증을 유발하는 요인이므로(Ward 등, 2007), 무릎뼈의 높이 변화는 무릎관절의 균형 능력에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 현재까지 고위 무릎뼈가 넙다리네갈래근의 근활성도와 균형 능력에 미치는 영향에 관한 연구는 충분하지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 20대 남성을 대상으로 무릎뼈의 위치가 정상인 그룹과 고위 무릎뼈군으로 구분하여 무릎뼈의 위치가 넙다리네갈래근의 근활성도에 미치는 영향을 알아보고, 이와 함께 균형 능력에도 연관성이 있는지를 알아보고자 한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구 대상자

본 연구를 위해 대전광역시에 소재한 W대학교에 재학 중인 100명의 남학생들을 무작위로 선정한 뒤, 우세쪽 무릎의 무릎뼈 높이를 측정하여 고위 무릎뼈군(alta group)과 정상군(normal group)으로 구분하였다. 무릎뼈 높이 측정 기준은 무릎힘줄 길이와 무릎뼈 길이 사이의 비율을 계산하였으며, 이 비율이 0.8~1.2 사이이면 정상군, 1.2를 초과하는 경우 고위 무릎뼈군에 해당한다(Kang 등, 2012). 100명을 대상으로 무릎뼈 높이를 측정한 결과, 31명의 대상자가 고위 무릎뼈군으로 선정되었다. 정상군은 정상 범위의 무릎뼈 높이를 가지는 나머지 69명 중에서 체성분 요소(뼈대근량, 체지방량 및 체질량 지수 등)와 허벅지 둘레가 고위 무릎뼈군과 유사한 수준인 대상자 35명을 선정하였다. 즉, 대조군 선정을 위해 우선적으로 고위 무릎뼈군의 체성분 요소와 허벅지 둘레의 평균 및 표준편차를 계산하였으며, 이후 이 값과 유사한 대상자를 정상군으로 선정하여 동질성 검정을 실시하였다. 이를 통해, 두 군간 유의한 차이가 없음을 확인한 후 실험을 진행하였다. 연구 대상자들에게 연구의 목적과 방법 및 개인정보 비밀 유지에 대해 설명하였으며 중도 포기에 따른 어떠한 불이익도 없음을 충분히 설명하였다. 본 연구에 자발적으로 참여하기를 동의한 대상자들은 실험에 참여하기 전 사전 동의서에 자필로 서명하였으며, 본 연구의 실험은 우송대학교 보건복지대학 기관생명윤리위원회의 승인(1041549-210413-SB-118)을 받아 진행하였다. 연구 대상자는 무릎관절염, 무릎뼈 탈구 및 무릎관절의 골절이나 무릎 힘줄 파열(patella tendon tear)과 같은 정형외과적 질환의 경험이 없으며, 무릎뼈의 높이에 영향을 줄 수 있는 무릎 부위 수술을 시행하지 않은 자로 선정하였다. 또한 최소 3개월 동안 무릎관절에 통증이 있거나 가동 범위에 제한이 있는 자, 그 외에 허리와 다리에 신경학적 증상이 있는 자는 연구 대상에서 제외하였다. 본 연구에서 대상자를 남성으로 제한한 이유는 성별에 따른 근골격계 차이로 인해 발생할 수 있는 무릎뼈 높이 비율과 근활성도 측정값의 편향을 최소화하기 위해서이다. 본 연구에 참여한 대상자들의 일반적 특성과 체성분 특성은 Table 1과 같다.

Table 1. Comparison of general and physical characteristics in the subjects

Mean±SD, BMI; body mass index, LT; length of patella tendon, LP; length of patella

2. 측정 도구 및 방법

1) 무릎뼈 높이의 측정

본 연구에서는 Insall과 Salvati의 방법에 따라 무릎뼈의 높이를 측정하였는데(Insall & Salvati, 1971), 디지털 버니어 캘리퍼(digital vernier caliper, M500-150M, Hando, Cheonan, Korea)를 이용하여 우세쪽 무릎뼈 길이와 무릎힘줄의 길이를 측정하였다. 디지털 버니어 캘리퍼는 인체의 길이 및 두께 측정에 사용되는 장비로서(Fig 1A), 0.01 ㎜까지 측정이 가능하고 측정 오차는 ±0.02 ㎜이며 측정값은 디지털로 표시된다(Kim 등, 2013). 먼저 대상자를 의자에 앉게 한 후, 우세쪽 다리의 무릎관절을 30° 굽힘 시키고 넙다리네갈래근이 수축하지 않도록 주의하면서 디지털 버니어 캘리퍼로 무릎뼈의 위·아래 길이와 무릎힘줄의 길이를 측정하였다(Fig 1B). 검사자는 대상자의 무릎뼈 길이를 측정하기 위하여 무릎뼈의 위극(superior pole)과 아래극(inferior pole)을 촉진하고 정확한 위치에 컴퓨터용 사인펜으로 표시한 후, 표시된 무릎뼈위극부터 무릎뼈 아래극까지의 길이를 디지털 버니어 캘리퍼로 측정하였다(Fig 1C). 무릎힘줄 길이 측정은 정강뼈거친면(tibial tuberosity)의 가장 돌출된 부분을 컴퓨터용 사인펜으로 표시한 후, 검사자가 무릎뼈의 아래극부터 정강뼈거치면까지의 길이를 측정하도록 하였다(Fig 1D). Kim 등(2013) 연구에서는 디지털 버니어 캘리퍼를 이용한 해당 측정법은 검사자 간 신뢰도[ICC(3,1)]는 0.88, 검사자 내 신뢰도[ICC(3,1)]는 0.86으로 높은 상관계수를 나타내었으며, 도수측정법과 방사선 촬영 영상 측정 간의 유의한 차이가 없다고 보고하여(Pearson 상관계수= 0.69) 타탕도에서도 양호한 상관관계가 나타났다. 다만 선행연구에서는 디지털 버니어 캘리퍼를 이용하여 측정한 무릎뼈 길이를 10 % 줄여서 보정하는 것이 더욱 객관적인 측정을 할 수 있을 것이라고 제안하였다. 이는 무릎뼈 길이 측정 시 무릎뼈를 덮고 있는 연부조직 등이 함께 측정되기 때문에 방사선 촬영을 통해 측정된 무릎뼈 길이보다 길게 측정되는 경향이 크기 때문이다(Kang 등, 2012; Kim 등, 2013). 이에 본 연구에서는 선행연구에서 제시한 방식에 따라, 무릎뼈 길이에 대한 편향을 보정하기 위하여 도수측정 방법으로 측정된 무릎뼈 길이를 10 % 삭감하는 보정작업을 실시하였고, 이 보정값을 이용하여 무릎힘줄 길이와 무릎뼈 길이 사이의 비율을 계산하였다. 이 비율이 0.8~1.2 사이이면 정상군, 1.2를 초과하면 고위 무릎뼈군, 0.8 미만일 경우는 하위 무릎뼈군으로 분류하였으며, 본 연구에서는 무릎뼈의 높이가 고위 무릎뼈군과 정상군을 대상으로 연구를 진행하였다. 무릎뼈 높이 측정은 물리치료사 임상경력을 가진 검사자에 의해 이뤄졌고, 디지털 버니어 캘리퍼를 이용하여 무릎뼈의 높이를 측정하는 방법을 숙지한 다음, 여러 차례 연습한 뒤 연구를 실시하였다.

Fig 1. Assessment of patella height, (A) Digital vernier caliper, and (B) Posture of manual measurement, patella height was estimated by calculating the LT/LP ratio of (C) Length of patella (LP) and (D) Length of patella tendon (LT)

2) 근활성도 측정

무릎뼈 높이가 넙다리네갈래근의 근활성도에 미치는 영향을 알아보기 위해 정상군과 고위 무릎뼈군의 넙 리곧은근, 가쪽 및 안쪽넓은근의 근활성도를 표면근전도(4D-MT, 2EM sensor, Relive, Korea)로 측정하였다(Fig 2A). 근전도 신호의 표본수집률(sampling rate)은 1,000 ㎐로 설정하였고, 수집된 자료를 분석하기 위해 4D-MT-2EM 3.3 program을 사용하였다. 근전도 신호에 대한 피부 저항을 최소화하기 위해 전극을 부착할 부위의 털을 제거하고 알코올 솜으로 피부를 닦아 각질을 제거하였다. 전극은 각 근육에서 최대 근수축을 유발했을 때 가장 수축이 강하게 나타나는 부위에 부착하였다. 넙다리곧은근에서 활성전극은 무릎뼈의 중심(center of patella)에서 위쪽으로 12~15 ㎝ 부위에 근섬유 방향과 평행하도록 부착하였고, 가쪽넓은근은 무릎뼈의 위쪽 가장자리에서 위쪽으로 10 ㎝, 가쪽으로 6~8 ㎝ 부위에, 그리고 안쪽넓은근은 무릎뼈의 위안쪽 가장자리에서 위쪽으로 4 ㎝, 안쪽으로 4 ㎝ 부위에 전극을 부착하였다(Irish 등, 2010). 활성전극 사이의 거리는 20 ㎜ 이내로 하였으며, 접지전극은 무릎뼈와 정강뼈거친면에 부착하였다(Fig 2B). 근전도 데이터는 근전도 신호의 실질적인 출력값에 가까운 값을 제공하는 Root Mean Square(RMS) 값을 취하여 계산하였다. 또한, 각 근육의 근활성도는 최대 등척성 수축을 하는 동안 수집된 값으로 정량화한 ％ MVIC(percentage of maximal voluntary isometric contraction)로 표시하였다(Fig 2C).

Fig 2. Measurements of EMG muscle activity. (A) Surface EMG equipment, (B) Location of electrodes for the quadriceps femoris muscle, (C) Collection of EMG signals and (D) Maximum voluntary isometric contraction

3) 균형 능력 측정

본 연구에서는 무릎뼈 높이에 따른 균형 능력을 비교하기 위해 Biodex Balance System (BBS, Biodex Medical Systems Inc, New york, USA)을 사용하였다. BBS는 움직이는 원형 플랫폼으로 구성되며, 발 플랫폼의 저항 수준은 1~12 레벨까지 조절할 수 있다(Chun 등, 2021). 이는 발 플랫폼의 안정성을 나타내며 레벨 12가 가장 안정적이고 레벨 1이 가장 불안정하다. 이러한 안정성 설정을 통해 발 플랫폼은 어느 방향으로든 20 °의 기울임이 허용되며, 플랫폼의 기울어짐 정도를 통해 균형 능력의 객관적인 평가가 이뤄졌다. 본 연구에서는 BBS의 레벨을 6으로 설정하였는데, 이는 대상자들이 시각 정보를 차단한 상태에서 한 발 서기(one leg stand)로 균형을 측정하였을 때 넘어지지 않고 안전하게 측정할 수 있는 가장 높은 수준의 난이도이다(Chun 등, 2021). 본 연구에서는 눈을 뜬 상태와 눈을 감은 상태에서 한 발 서기 시 전반적인 균형지수, 앞뒤쪽 균형지수, 안가쪽 균형지수를 측정하였으며, 균형지수 점수는 자세 동요(postural sway)를 나타내는 지수로 점수가 낮을수록 균형 능력이 높음을 나타낸다.

3. 연구절차

본 연구에 참여하기를 자발적으로 동의한 대상자들은 설문조사와 인바디를 이용한 체성분 검사 이후, 우세쪽 허벅지의 둘레와 무릎뼈 높이를 각각 측정하였다. 바로선 자세에서 허벅지의 가장 두꺼운 부위의 둘레를 줄자로 두 번 측정하여 평균값을 사용하였다. 대상자들의 무릎뼈 높이 측정은 디지털 버니어 캘리퍼로 각각 측정하였고, 보정작업 이후에 무릎힘줄 길이와 무릎뼈 길이 사이의 비율을 계산하였다. 즉, 무릎힘줄 길이에 대한 무릎뼈 위·아래 길이 사이의 비율을 측정하여 무릎뼈 높이 비율이 0.8~1.2에 해당하는 그룹은 정상군, 1.2를 초과하는 경우 고위 무릎뼈군으로 분류하였다(Kim 등, 2013). 이후 정상군과 고위 무릎뼈군을 구분하여 넙다리네갈래근의 근활성도를 측정하였으며(%MVIC), 넙다리네갈래근은 넙다리곧은근, 가쪽넓은근, 안쪽넓은근을 구분하여 측정하였으며, 가쪽넓은근과 안쪽넓은근에 대한 근활성도 비율도 함께 측정하였다. 근활성도 측정 자세는 엉덩관절과 무릎관절을 90 °로 굽힘하여 앉은 자세에서 발목에 4 ㎏의 무게를 부착한 다음, 무릎관절 완전 폄 자세를 5초 동안 유지하는 동안 넙다리곧은근, 가쪽넓은근 및 안쪽넓은근에서 근전도 신호를 수집하였다. 모든 근활성도 측정값은 수집한 5초간의 신호에서 처음과 마지막 1초씩을 제외한 3초 신호를 사용하였으며, 3회 반복 측정한 값의 평균값을 사용하였다. 또한 근피로를 막기 위해 각 근육 수축 후 3분 동안의 휴식 시간을 제공하였다. 이후, 본 연구에서는 무릎뼈 높이와 근활성도 및 균형 능력 간의 상관관계를 알아보기 위해 BBS 장비를 이용하여 균형 능력을 측정하였으며, 눈을 뜬 상태와 눈을 감은 상태에서 균형 지수를 측정하였으며, 각각 3회씩 측정하여 평균값을 사용하였다. 또한 상관관계 분석에서는 그룹을 구분하지 않고, 66명의 무릎뼈 높이에 대한 근활성도 및 균형 능력 간의 상관관계를 분석하였다(Fig 3).

Fig 3. Experimental scheme of this study. LT; length of patella tendon, LP; length of patella, RF; rectus femoris muscle, VL; vastus lateralis muscle, VM; vatus medialis muscle

4. 자료 분석

본 연구의 데이터는 SPSS 27.0 software(IBM, New York, USA)을 이용하여 통계처리를 실시하였고, 기술통계를 이용하여 평균과 표준편차로 나타내었다. 수집된 모든 자료에 대해 Kolmogorov-Sminov 검정을 이용하여 정규성 검정을 실시하였으며, 대부분의 변수가 정규성을 만족하였다(p>.05). 무릎뼈 높이에 따라 정상군과 고위 무릎뼈군의 일반적 및 신체적 특성, 넙다리 근육의 근활성도, 균형 능력을 비교하기 위해서 독립 T-검정(independent T-test)을 실시하였다. 또한, 무릎뼈 높이와 근활성도, 균형 능력 간의 연관성을 알아보기 위해 피어슨의 이변량 상관관계(Pearson correlation) 분석을 실시하였으며, 상관관계 분석 시에는 대상자를 그룹으로 구분하지 않고 모든 대상자(n= 66)의 무릎뼈 높이와 근활성도 및 균형 능력 간의 상관관계를 분석하였다. 모든 통계 분석의 유의수준은 α= .05로 설정하였다.

Ⅲ. 결과

1. 연구 대상자의 일반적 및 신체적 특성 비교

본 연구에서는 무릎뼈 높이에 따라 정상군과 고위 무릎뼈군으로 구분하였는데, 무릎뼈 높이를 나타내는 비율은 정상군에서 1.03±0.10, 고위 무릎뼈군에서 1.32±0.12로 나타냈다(정상범위 기준: 0.8~1.2, 고위 무릎뼈 기준: 1.2 초과; Lum 등, 2020). 연구 대상자는 모두 20대 남성으로, 정상군과 고위 무릎뼈군 간의 나이, 키 및 몸무게는 유의한 차이가 없었고, 체질량지수를 포함한 체성분 특성에서도 두 군 간의 유의한 차이는 나타나지 않았다. 연구 대상자들의 우세쪽 허벅지 둘레를 줄자로 측정한 결과, 정상군 52.43±6.85 ㎝, 고위 무릎뼈군 53.87±6.50 ㎝로, 정상군보다 고위 무릎뼈군에서 허벅지 둘레가 더 큰 것으로 나타났으나 유의한 차이는 없었다(Table 1).

2. 무릎뼈 높이에 따른 넙다리네갈래근의 근활성도 비교

넙다리곧은근의 근활성도는 두 군 사이에서 유의한 차이를 보이지 않았지만, 가쪽넓은근과 안쪽넓은근의 근활성도는 고위 무릎뼈군에서 유의하게 높은 것으로 나타났다(p<.01). 가쪽넓은근의 근활성도는 정상군에서 37.43±16.14 %MVIC, 고위 무릎뼈군에서 57.77±33.35 %MVIC로 나타났고(p= .004), 안쪽넓은근의 근활성도는 정상군에서 32.71±20.20 %MVIC, 고위 무릎뼈군에서 54.87±41.23 %MVIC로 유의한 차이를 보였다(p= .009). 가쪽넓은근과 안쪽넓은근의 근활성도 비율은 두 군 사이에서 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 2).

Table 2. Difference of muscle activity of thigh by patella height

Mean±SD, RF; rectus femoris muscle, VL; vastus lateralis muscle, VM; vatus medialis muscle

3. 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근 근활성도 사이의 상관관계

연구 대상자의 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근 근활성도 간의 상관관계를 분석한 결과, 무릎뼈와 무릎힘줄 길이의 비율은 넙다리곧은근(r= 0.253, p= .041)과 낮은 정도의 양의 상관관계를 보였지만(p<.05), 가쪽 (r= 0.430, p= .000) 및 안쪽넓은근(r= 0.465, p= .000)과는 중간 정도의 양의 상관관계를 나타냈다(p<.01). 이는 무릎뼈 높이가 올라갈수록 넙다리곧은근, 가쪽 및 안쪽넓은근의 근활성도 역시 증가하는 선형관계에 있음을 의미한다(Table 3).

Table 3. Association between patella height and quadriceps femoris muscle activity

LT; length of patella tendon, LP; length of patella, RF; rectus femoris muscle, VL; vastus lateralis muscle, VM; vastus medialis muscle

4. 무릎뼈 높이에 따른 균형 능력의 비교

눈을 뜬 상태에서 측정한 전반적인 균형지수(overall stability index; OSI), 앞뒤쪽 균형지수(anterior posterior stability index; APSI), 안가쪽 균형지수(medial lateral stability index; MLSI) 모두 두 군 사이에서 유의한 차이가 없었다. 반면에, 눈을 감고 측정한 균형 능력에서 고위 무릎뼈군의 전반적인 균형지수는 2.52±0.89점, 정상군 2.08±0.79점보다 유의하게 높게 나타났(p= .041), 즉, 고위 무릎뼈를 가지는 고위 무릎뼈군의 균형 능력이 정상군보다 더 낮은 것으로 확인되었다(Table 4).

Table 4. Difference of balance ability by patella height

Mean±SD, OSI; overall stability index, APSI; anterior-posterior stability index, MLSI; medial-lateral stability index

5. 무릎뼈 높이와 균형 능력 사이의 상관관계

무릎뼈 높이와 균형 능력은 눈을 뜬 상태에서는 유의한 차이를 보이지 않았지만, 눈을 감은 상태에서는 낮은 정도의 양의 상관관계를 나타냈다. 즉, 무릎힘줄 길이와 무릎뼈 길이의 비율이 증가할수록 전반적인 균형지수(r= 0.279, p= .023)와 안가쪽 균형지수(r= 0.268, p= .030)는 유의하게 증가하였는데(p<.05), 이는 고위 무릎뼈의 특성을 가질수록 균형 능력이 감소함을 의미한다(Table 5).

Table 5. Relationship between patella height and balance ability

LT; length of patella tendon, LP; length of patella, OSI; overall stability index, APSI; anterior-posterior stability index, MLSI; medial-lateral stability index​​​​​​​

Ⅳ. 고찰

넙다리네갈래근은 무릎뼈에 직접 연결된 근육으로, 무릎뼈의 부정정렬(malalignment)은 비정상적인 운동역학을 유발하여 넙다리네갈래근의 근활성도와 작용에 영향을 주게 된다(Irish 등, 2010). 현재까지 넙다리네갈래근의 불균형과 관련하여 무릎뼈 가쪽 전위에 대한 연구는 많이 보고되었지만(Jeon, 2020; Sinaei 등, 2021; Wu 등, 2008), 무릎뼈 높이 변화가 넙다리네갈래근의 근활성도에 미치는 영향에 대해 알아본 연구는 상대적으로 부족한 편이다. 이에 본 연구에서는 20대 남성을 대상으로 무릎뼈 높이가 정상보다 높은 고위 무릎뼈가 정상군과 비교하여 넙다리네갈래근(안쪽, 중간, 가쪽 구분)에 미치는 영향을 알아보았으며, 추가적으로 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근의 근활성도 및 균형 능력 간의 상관관계에 대해 알아보았다. 상관관계 분석 시에는 대상자를 그룹으로 구분하지 않고 모든 대상자의 무릎뼈 높이와 근활성도 및 균형 능력을 분석하였다.

넙다리네갈래근에서 넙다리곧은근의 근활성도는 무릎뼈 높이에 따라 정상군과 고위 무릎뼈군 간에 유의한 차이를 보이지 않았으나, 가쪽넓은근 및 안쪽넓은근의 근활성도는 정상군보다 고위 무릎뼈군에서 모두 유의하게 높게 나타났다(p<.05). 이러한 결과는 무릎뼈의 높이가 정상 범위보다 높게 위치하면 넙다리네갈래근의 가쪽 및 안쪽 부위에서 활성도가 모두 증가함을 의미한다. 또한, 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근 근활성도 간의 상관관계를 분석했을 때 무릎뼈의 높이와 넙다리곧은근(r= 0.253, p<.05), 가쪽넓은근(r= 0.430, p<.01) 및 안쪽넓은근(r= 0.465, p<.01)의 근활성도 사이에서는 유의한 양의 상관관계가 확인되었다. 즉, 무릎뼈의 높이가 높을수록 넙다리네갈래근의 세 근육 모두 근활성도가 증가하는 것으로 나타났다. 이처럼 고위 무릎뼈의 특성을 보일수록 넙다리네갈래근의 근활성도가 증가하는 것은 넙다리네갈래근의 내적 모멘트 팔 길이 변화와 관련이 있을 것으로 생각된다. 무릎뼈의 정렬 변화는 무릎 폄 기전의 모멘트 팔을 감소시킬 수 있는데, 무릎뼈의 하방 이동 시 넙다리네갈래근의 내적 모멘트 팔이 감소한다는 연구들이 보고된 바 있으며(Derasari 등, 2010; Mostamand 등, 2010), 고위 무릎뼈를 가진 사람들에서도 무릎힘줄(patellar tendon)의 내적 모멘트 팔이 감소하는 것으로 보고되었다(Lenhart 등, 2017; Ward 등, 2005). 근육의 내적 모멘트 팔이 감소하면 동일한 크기의 외적 토크에 대항하기 위해서 근육의 내적 토크는 증가하게 되고(Chapman, 2008; Neumann, 2017), 이는 근육의 근활성도에도 영향을 미치게 된다(Kang 등, 2012; Kellis & Blazevich, 2022). 종아리세갈래근(triceps surae)의 모멘트 팔 감소는 근활성도를 증가시키며, 이는 근육의 길이 변화보다 근활성도 증가에 더 크게 기여하는 것으로 나타났다(Nourbakhsh & Kukulka, 2004). 본 연구에서는 정상군과 고위 무릎뼈군 모두 발목에 4 ㎏의 무게를 부착하고 등척성으로 무릎 폄을 실시하였기때문에, 무릎관절에 적용되는 외적 토크가 동일하다고 할 수 있다. 이처럼 같은 크기의 외적 토크에 대항하기 위해서는 그와 동일한 크기의 내적 토크가 요구되는데, 고위 무릎뼈 군에서 무릎힘줄의 내적 모멘트 팔 감소에 대한 보상 작용으로서 넙다리네갈래근의 근활성도가 더 높게 나타난 것으로 사료된다.

반면에 가쪽넓은근에 대한 안쪽넓은근의 상대적인 활성 정도를 나타내는 안쪽넓은근/가쪽넓은근 근활성도 비율은 두 군 사이에서 유의한 차이를 보이지 않았으며, 정상군과 고위 무릎뼈군 모두 1에 가까운 값을 나타냈다. 가쪽넓은근과 안쪽넓은근은 상호 길항작용에 의해 무릎관절의 위치를 조절하며 무릎뼈의 역학적인 효율성을 증가시키는데, 두 근육 간의 불균형은 무릎뼈의 위치를 변화시키기도 한다(Chang 등, 2015; Jaberzadeh 등, 2016; Sinaei 등, 2021). 가쪽넓은근에 대한 안쪽넓은근의 상대적인 약화는 무릎뼈의 가쪽 전위를 야기하여 무릎 통증의 원인이 될 수 있으며, 가쪽넓은근에 대한 안쪽넓은근의 근활성도 감소는 무릎넙다리 정렬에 문제를 유발하여 역학적인 불균형을 유발할 수 있다(Irish 등, 2010; Oh & Kim, 2009). 특히, 넙다리 가쪽 부위는 엉덩정강근막띠(iliotibial band), 무릎 가쪽지지띠 등의 요인으로 인해 안쪽 부위보다 더 우세하며, 이러한 요인들이 무릎뼈의 가쪽 끌림을 유발한다(Jeon, 2020). 본 연구에서는 대상자를 무릎뼈 높이에 따라 정상군과 고위 무릎뼈군으로 구분하였으나, 두 군 모두 무릎관절의 질환 및 통증이 없고 다른 연령대에 비해 근력이 상대적으로 높은 20대이기 때문에 가쪽넓은근과 안쪽넓은근의 근활성도에 차이가 나타나지 않은 것으로 판단된다. 또한, 고위 무릎뼈와 같은 무릎뼈 높이 변화는 관상면보다 시상면에서 일어나는 변화이므로, 고위 무릎뼈의 경우 가쪽과 안쪽 중 어느 한 부위가 더 우세하기보다는 가쪽 및 안쪽넓은근의 근활성도가 모두 유의하게 증가하는 것으로 사료된다.

균형은 기저면 내에 신체의 중심을 유지 시키는 능력으로 시각, 몸감각 및 안뜰감각 등이 관여하는데 특히 시각 정보를 차단하면 신체의 균형 유지에 관여하는 몸감각계는 더욱 활성화된다(Hazime 등, 2012). 본 연구에서는 눈을 뜬 상태와 눈을 감은 상태에서 균형 능력을 각각 측정하였는데, 무릎뼈 높이에 따른 균형 능력은 시각을 차단한 상태에서 더 뚜렷한 차이를 보였다. 즉, 시각 차단과 같은 불안정성이 높아지는 환경에서 고위 무릎뼈군의 전반적인 균형지수는 정상군보다 더 크게 나타났으며, 이는 고위무릎뼈군의 균형 능력이 유의하게 감소되어 있음을 의미한다(p<.05). 또한, 무릎뼈 높이와 균형 능력 사이의 상관관계 역시 눈을 감은 상태에서 유의한 결과를 보였는데(p<.05), 전반적 균형지수(r= 0.279) 및 안가쪽 균형지수(r= 0.268)에서 양의 상관관계가 나타났다. 이는 고위 무릎뼈 특성을 가질수록 전체적인 방향과 안가쪽 방향으로 균형을 유지하는 능력이 낮아짐을 의미한다. 신체의 균형 능력은 고유수용성 감각뿐만 아니라, 근력 및 근육 사이의 협응 작용이 통합되어 완성되는데(Bragonzoni 등, 2019), 근전도 연구에서 근활성도는 근육의 전기생리학적 활성도를 의미하며 근력의 개념으로 설명되기도 하므로, 근활성도의 증가는 균형 능력에 긍정적인 효과를 가지는 것으로 해석할 수도 있다(Kang & Kim, 2021). 하지만, 본 연구에서 고위 무릎뼈군의 넙다리네갈래근 활성도 증가는 감소된 모멘트 팔 길이를 보상하고 내적 토크를 발휘하기 위해 근육이 과도하게 사용됨을 의미하는데, 근육의 과도한 활성화는 근피로(muscle fatique)를 유발시킬 수 있다(Allen 등, 2011). 과도한 운동 및 근수축에 의한 근피로가 발생하면 감마운동섬유의 활동과 제 Ia형 근방추 들신경 섬유(type Ia muscle spindle afferent fiber)의 효율성이 감소하여 고유수용성감각과 관절 운동성의 저하를 초래할 수 있다(Allen 등, 2011; Hart 등, 2014). 이처럼, 근피로는 고유수용성감각의 저하를 통해 균형 능력에 영향을 미치는데, Bizid 등(2009)은 발목의 근피로보다 무릎의 근피로가 균형 능력의 조절에 더 많은 영향을 미친다고 하였고, Gribble과 Hertel(2004)는 엉덩관절과 무릎관절 주변 근육의 피로가 높아지면 자세 조절 능력이 감소된다고 보고하였다. 본 연구에서 고위 무릎뼈군의 전반적인 균형 능력이 정상군보다 감소된 주된 이유는 넙다리네갈래근의 과도한 활성화로 인해 근피로가 발생하여 자세 조절 능력이 저하되었기 때문으로 사료된다. 고위 무릎뼈는 무릎넙다리관절의 스트레스를 증가시키고, 통증 및 기능장애를 유발할 수 있으므로, 고위 무릎뼈가 있는 경우 무릎뼈가 정상 위치로 올 수 있도록 다양한 중재 방법이 필요하다. 특히 운동을 전혀 하지 않거나, 운동을 너무 많이 하는 경우 모두 무릎관절에 좋지 않은 영향을 미치므로, 적절한 운동 강도가 무엇보다 중요하다(Phillips & Winett, 2010).

본 연구는 무릎 질환이 없는 건강한 성인 남성을 대상으로 하였기 때문에, 연구 결과를 모든 연령대에 적용하거나 무릎 부위의 질환이 있는 대상자에게 적용하기에는 제한이 있다. 추후 연구에서는 다양한 연령층 및 무릎 부위의 질환의 특성에 맞는 대상자를 포함하여 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근의 근활성도 간의 연관성에 대해 알아볼 필요가 있을 것이다. 또한, 대상자 수를 보완하여 연구 검정력(power)을 보완할 필요가 있다. 본 연구에서 무릎뼈 높이는 방사선 및 자기공명영상 촬영 등의 방법을 사용하지 않고 촉진을 통해 측정하였다. 이는 임상적으로 쉽게 적용할 수 있는 이점이 있지만 정확도가 낮을 수 있으므로, 추후 연구에서는 방법적인 면에서 보완이 필요하다. 또한, 무릎뼈 높이 변화와 관련된 넙다리네갈래근의 특성 및 근피로를 정확하게 분석하기 위해서는 다양한 움직임 과제 시 근활성도 및 주파수 분석이 이뤄져야 할 것이다. 그러나 본 연구에서는 비교적 신체 활동성이 높고, 무릎 부위의 부상 빈도가 높은 20대 남성을 대상으로 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근의 연관성을 분석했다는 점에서 운동역학적으로 유용한 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 생각된다.

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 20대 남성 66명을 대상으로 정상군과 고위 무릎뼈군으로 구분하여 넙다리네갈래근의 안쪽, 중간, 가쪽 부위의 근활성도를 각각 측정하였으며, 추가적으로 상관관계를 분석하기 위해 그룹을 구분하지 않고 모든 대상자의 무릎뼈 높이와 넙다리네갈래근의 근활성도 및 균형 능력을 알아보았다. 본 연구 결과, 가쪽넓은근과 안쪽넓은근의 근활성도에서 고위 무릎뼈군의 근활성도가 정상군에 비해 유의하게 높게 나타났으며, 균형능력에서는 눈을 감은 상태에서 고위 무릎뼈군의 균형능력이 정상군에 비해 낮게 나타났다. 상관관계 분석에서는 무릎뼈 높이가 높을수록, 즉 고위 무릎뼈에 가까울수록 가쪽넓은근과 안쪽넓은근의 근활성도가 증가하였으며, 눈을 감은 상태에서의 균형 능력이 감소하였다. 이러한 연구 결과는 고위 무릎뼈의 경우 과도한 활성화로 인해 넙다리네갈래근의 가쪽 및 안쪽 부위의 근활성도를 증가시키며, 이는 근육의 피로를 유발하여 균형 능력을 저하시킬 수 있음을 보여주었다. 향후 뒤넙다리근이나 종아리세갈래근처럼 무릎 및 발목관절에 영향을 미치는 다양한 부위에 대한 연구를 병행한다면, 무릎뼈의 비정상적 정렬로 인한 생체역학적인 문제를 개선하는데 필요한 기초 지식을 제시할 수 있을 것이다.