로코모터의 4개의 기능
- 입각 안정성 : 끊임없는 자세의 변화에도 불구하고, 직립자세의 안정성이 보증된다.
- 이동 : 구동력을 발생시킨다.
- 충격 완충 : 신체 중량으로부터 발생하는 바닥에의 충격을 완화한다.
- 에너지 절약 : 기능적 움직임에 의해서 근육의 에너지 소비를 적게 한다.
입각 안정성
- 직립자세에서 안정성을 얻기 위해 각 분절의 직립자세와 각 관절 주위의 근육활동의 기능적 균형이 필수불가결
- 분절의 중력중심이 그것을 지지하고 있는 관절의 바로 위에 있을 때 기능적인 안정성을 얻으며 에너지 소비도 억제됨
- 서있을 때와 걷고 있을 때의 안정성에 대한 신체중량의 영향은 지면 반응력 벡터에 의해서 결정됨
- 신체 중량에 의한 힘이 바닥에 작용하면, 반대방향으로 같은 크기의 반작용이 일어난다 (Newton's 3rd Law)
- 지면 반응력 작용선의 방향에 의해서 즉, 관절중심과의 관계에서, 관절주위의 회전 모멘트의 방향과 크기가 결정된다. (불안정성)
- 불안정성을 해소하기 위하여 필요한 근육이나 인대의 장력이 발생한다
- 인대로 연결된 골격 시스템의 구성은 기계적으로 보면 불안정하게 유지된 균형이다.
- 뼈의 대부분은 긴 뼈이고 관절면은 둥글게 되어있으므로 안정성에 공헌을 하지는 않는다.
- 각 분절의 중력 중심이 일직선상에 없을 경우, 상위에 있는 분절은 바닥을 향해서 무너지기에 제어하는 힘이 반드시 필요하다.
- 엉덩관절과 무릎관절은 인대의 장력과 분절의 자기 중량의 균형을 이용하여 수동적인 안정성을 얻고 있다.
- 과신전 상태에서 무릎관절은 뒤십자인대에, 엉덩관절은 엉덩넙다리인대에 의해 움직임이 정지된다.
- 선 자세에서 지면 반응력 벡터는 엉덩관절의 뒷 부분과 무릎관절의 앞부분을 통과하며 이에 관절을 향해 대립하는 두 힘에 의해 안정화된다.
- 중간 위치에서 양 방향으로 크게 움직이는 가동범위와 발목관절이 발의 중간이 아니라 발허리발가락관절에서 멀리 발꿈치 가까이에 있어 발목관절과 목말밑관절은 수동적인 안정성을 얻을 수가 없다.
안정성 확보에 불리한 이유
- 전체 중량의 30%인 로코모터에 전체 중량의 70%인 패신저가 올라타 있음
- 지지를 하는 많은 분절의 하지
- 골단이 둥근 하지의 골
관절에 작용하는 3가지의 힘
- 바닥을 향하는 분절의 자기중량
- 인대의 장력
- 근력
동적인 안정성
- 동적으로 안정된 상태에 있을 때 즉, 보행 중에는 선 자세와 달리 신체 중력중심은 지지면의 바로 위에서 벗어나 전방으로 움직여짐
- 선 자세에서 발은 신체를 유지하고 지지하지만 보행 중에는 신체는 발의 뒤에 있는 위치에서 앞으로 운반된다.
- 발바닥의 지지면은 발꿈치로부터 발바닥 전체를 지나 발끝으로 이동한다.
- 입각기에서는 신체에 수동적인 안정성이 부족하며 중간 입각기에만 극히 약간의 시간, 수동적인 안정성과 유사한 것이 발생한다.
- 보행 중의 입각 안정성은 외부 힘의 작용에 대해 확보되어야 하며 이들은 관절 주위에서 회전 모멘트를 발생시키는 관성력과 중력과 지면 반응력이다.
- 외부 힘에 반작용을 일으켜 이에 의해 안정성을 유지하기 위하여 근육의 수축력과 건, 인대, 관절낭 그리고 기타 연부조직의 수동적 긴장력이 항상 방향을 바꾸는 신체 벡터에 상응해서 작용한다.
한쪽 다리 지지의 안정성
- 양 발이 바닥에 접하여 있을 때, 체간은 양측으로 지지되며 한쪽 다리를 바닥에서 떼면 이 균형은 상실된다
- 패신저의 중력중심은 지지하는 다리로 옮겨쟈야 하며 이때 발생하는 힘은 고관절을 통해서 전달된다.
한쪽 다리에 의한 안정성을 보증하기 위한 조건
- 신체질량의 가로 방향으로의 이동
- 골반과 체간의 자세를 유지하기 위한 엉덩관절의 안정화
전방 움직임과 흔들지레(Rocker) 기능
- 로코모터의 주된 과제는 신체를 전방으로 운반하는 것이며 머리와 손이 다양한 과제를 수행하고 있어도 방해를 받지 않아야 한다.
- 전방 움직임에는 신체 중량이 전방으로 낙하하는 힘이 구동력으로 이용되며 움직임은 그 때의 주된 시스템인 발꿈치와 발목관절 및 발허리발가락관절에 의해서 야기된다.
- 무릎관절이 폄을 유지하면서 패신저가 전방으로 가는 것이 가능해지며 발생하는 전방 움직임은 근육의 활동에 의해서 제어된다.
- 반대측 다리의 스윙은 전방으로의 가속에 의해서 제 2의 전방 구동력이 되며 이때의 필수조건은 입각지절의 무릎관절과 엉덩관절의 수동적인 신전이다.
- 전방으로 낙하하는 신체의 무게는 직전에 유각기를 거쳐 전방으로 운반된 다리에 의해서 받아내며(부하 반응기), 이 시점에서 지지기능을 담당하며 몸통을 지탱하는 다리가 된다.
- 양 발의 교호활동에 의해 전방 움직임의 주기가 반복된다(Tittel, 1985)
- 전방 움직임을 지지하는 기타적인 요소는 전흔듦기(pre-swing) 때에 수동적으로 일어나는 무릎관절 굽힘 및 엉덩관절 굽힘 그리고 흔듦기에서의 무릎관절의 폄이다.
흔들지레의 기능 Rocker Function
- 아래를 향해서 가려고 하는 신체중량은 전방 움직임으로 변환되어야 하며 이를 위해서는 발꿈치와 발목관절 발허리발가락간절이 대응할 필요가 있다.
- 변환할 때의 복합적인 과정은 Perry의 흔들지레(rocker function) 기전에 의해 기초하고 있음
- 근육의 활동을 통해 각 과정들을 제어하며 3개의 단계(phase)에서 신체중량의 구름(rolling)을 가능하게 함
- 각 단계에서 수행해야 할 역할에 관련해서, 각 단계의 각 시각에 특정한 흔들지레 기전의 회전중심과 움직임의 축이 존재한다.
- 각각의 흔들지레의 회전중심을 받침점으로 하여 신체중량은 앞으로 움직여짐
흔들지레의 종류
- Heel Rocker
- Ankle Rocker
- Forefoot Rocker
발꿈치의 흔들지레
- 체중 부하 수용기를 할 때, 전방으로 낙하하여 가는 신체중량에 의해서 발생한 내딛는 힘은 발꿈치 흔들지레의 기능에 의해서 받아내어진다. (0~12% of gait cycle)
- 지면 반응력 작용선은 initial contact와 loading response 사이 발목관절의 뒤쪽을 통과하고 발목관절의 무게에 의해서 증강된 발목관절의 발바닥굽힘으로 외부 모멘트가 발생한다.
- 이 단계에서의 흔들지레 기전의 받침점은 발꿈치와 바닥의 접촉점
- 바닥과 발목관절 사이의 발꿈치뼈는 initial contact를 한 발로 이어 받아지자마자 바닥을 향해 회전운동을 하는 불안정한 지레의 팔(lever arm)이 된다.
- 이러한 움직임은 충격의 완충에도 공헌하고 축은 발꿈치뼈 움직임의 회전중심이다.
- 발꿈치 흔들지레의 기능을 통해 다리 전체가 전방으로 이동하는 것을 가능케 하고 있다. 말기 의 마지막에서
발꿈치의 흔들지레 근육작용
- 앞정강근(tibialis anterior)의 원심성 수축이 발의 낙하에 대해서 브레이크를 걸고 하퇴를 전방으로 끌어당기는 벨트와 같이 작용하며 무릎관절은 15도 굽힘된다.
- Tittel(1985) : 넙다리네갈래근(quadriceps femoris)은 원심성 수축을 통해 무릎관절의 굽힘을 제어하면서 전방으로 넘어져가는 하퇴에 넙다리를 끌어당겨간다.
발목관절 흔들지레
- 발목관절의 흔들지레는 선택된 근육에 의해서 제어되는 발목관절 발등굽힘을 말한다.
- 종아리세갈래근(triceps surae)의 활동에 의해 하퇴는 무릎관절 폄을 위한 안정된 토대가 된다.
- 동시에 하퇴는 전방으로 기울고 다리 전체도 전방으로 기우는 것이 가능해진다.
- 발목관절의 흔들지레는 중간 입각기에서 일어난다. (12~31% of gait cycle)
- 지면 반응력 작용선은 이 단계에서 발목관절 앞으로 이동하고, 이것에 의해서 발목관절에 발등굽힘으로 외부모멘트가 발생하여 증가한다
- 움직임의 축은 발목관절이고 발바닥이 바닥에 접한 시점부터 발목관절은 회전의 중심이 된다.
- 중간 입각기에서 발 전체는 바닥에 고정되고 발목관절은 발등굽힘하며 하퇴는 전방 움직임을 계속한다.
발목관절 흔들지레 근육작용
- 가자미근이 하퇴의 전방 움직임을 안정시켜, 장딴지근과 함께 원심성 수축에 의해서 발의 제어된 발등굽힘을 일으킨다.
발허리의 흔들지레
- 더욱 증가해지는 발등굽힘에 의해서, 잇달아 일어나는 다리의 전방 움직임을 가능케 하며 발꿈치는 바닥에서 떨어진다.
- 말기 유각기에서 일어난다(31~50% of gait cycle)
- 지면 반응력 작용선이 발허리뼈 머리까지 오면 발꿈치가 바닥에서 들어 올려지며 이 단계에서 움직임의 축은 발허리발가락관절이 된다.
- 발목관절과 발허리발가락관절 사이의 발 중간부는 종아리세갈래근에 의해 안정된 지레의 팔이 되며 이것이 없으면 발꿈치가 바닥에서 뜨는 것이 어려워진다.
- 발허리뼈 머리의 둥근 표면을 받침점으로 하여 구르기 운동이 일어나며 신체 중력중심이 이 받침점을 넘어서 앞으로 오면 신체의 전방 움직임의 가속이 일어난다.
- 신체는 지지면의 앞으로 더욱 밀려나고 신체에 가장 강한 구동력이 발생한다.
발허리 흔들지레의 근육작용
- 종아리세갈래근이 최대 근력의 약 80%의 힘으로 발목관절이 발등굽힘하여 하퇴가 전방으로 넘어져가는 속도를 감속하도록 작용한다. 이 때 이들 근육의 활동은 중간 입각기 때의 3배가 된다.
충격 흡수
- 신체중량을 뒤에 있는 다리로부터 앞으로 내민 다리로 이동시키는 것은 신속하게 하중을 옮겨가는 것을 의미한다.
- 중간 입각기의 마지막에 신체 중력중심은 분명히 지지면보다 앞에 위치하며 이 불균형에 이해 패신저가 전방으로 넘어지는 현상이 일어난다.
- 신체 중량의 약 60%가 0.02초라는 짧은 시간에 급격하게 앞으로 흔들어 내민 다리에 하중이 걸린다. (Saunders, 1953, Whittle 2002)
- 발목관절과 무릎관절, 엉덩관절의 반응적인 충격 흡수에 의해 이 충격을 받아낸다.
발목관절에 의한 충격흡수
- 발꿈치의 바닥 접촉은 바로 발목관절의 약 5'의 발바닥 굽힘을 발생시킨다.
- 이 움직임의 일부는 발 앞부분의 바닥으로부터의 짧은 자유 낙하에 의해 일어난다.
- 발바닥굽힘의 움직임은 앞정강근에 의해 확실하게 멈춤이 일어나고, 발 앞부분의 지면닿기를 지연시킨다.
- 신체 중량이 바닥에 낙하하는 속도는 이에 상응하여 감속한다.
무릎관절에 의한 충격흡수
- 보행 중에 가장 중요한 충격흡수 기전
- 발꿈치 흔들지레의 움직임에 대한 반응이며, 앞정강근은 발의 낙하에 대해 브레이크를 건다.
- 떨어져가는 정강뼈와 종아리뼈를 묶는 벨트처럼 작용하며 발목의 움직임과 연동된다.
- 넙다리네갈래근의 원심성 수축은 과도한 무릎관절의 굽힘을 억제하며 바닥으로부터 전해지는 충격을 근육에 전달하며 일부를 부담한다.
엉덩관절에 의한 충격흡수
- 측방경사가 발생
- 엉덩관절 벌림 그룹의 원심성에 이어 등척성으로 수축하며 골반이 과도하게 떨어지는 것을 방지한다
- 체중을 지지하고 있는 측의 엉덩관절에 하중을 경감시켜준다.
에너지 소비의 억제와 이를 위한 보행의 결정 요인
- 개개의 활동 효과 - 이루어진 일과 소요된 에너지의 관계
- 항상 전방으로 넘어져가는 신체를 제어
- 요소에 보행한 거리를 곱하여 일의 양을 결정
- 에너지 절약기전 : 신체 중력중심 조절 + 선택된 근육의 억제
신체 중력중심의 조절
- 인간의 2족 보행 - 1 보행 주기에 2회의 에너지가 필요
- 신체중량의 상하로의 움직임이 원인이 됨
- 신체의 중력중심은 양다리 지지기에 가장 낮으며 중간 입각기에 가장 높음
5가지의 특징적인 움직임
- 반대측 골반의 측방경사
- 수평면에서의 골반의 회전
- 골반의 측방으로의 이동과 무릎관절의 생리적인 외반자세
- 발목관절과 무릎관절의 협동운동 기전
- 중간 입각기에서의 제어된 발목의 발등굽힘
- 말기 입각기의 발꿈치 들고 걷기와 초기 닿기의 발꿈치 닿기