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The Effect of Corrective Exercise in a patient with knee joint valgus deformity: A single-subject A-B-A experimental design
Korean Society of Physical Medicine 2016;11(1):93-105
Published online February 29, 2016;  https://doi.org/10.13066/kspm.2016.11.1.93
© 2016 Journal of The Korean Society of Physical Medicine.

Ho-Seong Lee1, and Ah-Ram Kim1†

1Department of Kinesiologic Medical Science, Graduate, Dankook University
magga7@naver.com
Received December 4, 2015; Revised December 10, 2015; Accepted December 29, 2015.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

PURPOSE:

The purpose of this study was to determine the effect of corrective exercise on hip joint range of motion, lower limb alignment, radiographs of hip and knee joints, and quadriceps muscle activity in a patient with knee joint valgus deformity.

METHODS:

A single-subject A-B-A experimental design was used to determine the effects of therapeutic exercise. The single-subject was a 27-year-old male, who presented with knee joint valgus deformity. Corrective exercise program was performed for 40 min/day twice a week for 12-week. Range of motion (hip flexion, extension, abduction, adduction, internal rotation, and external rotation), lower limb alignment test (Q-angle, rear foot alignment, and leg length), standing anterior-posterior radiographs (neck shaft angle and knee joint space), and quadriceps muscle activity of both lower limbs were measured before (A 1), after 6 weeks (B 1) and after 12-weeks (B 2) of corrective exercise and after 6 weeks of exercise completion (A 2).

RESULTS:

Hip range of motion increased in all directions of both sides at B 2 and A 2 compared to at A 1. Q-angle of both side and leg length discrepancy decreased at B 2 and A 2 compared to at A 1. Neck shaft angle and knee joint space of both sides improve at B 2 and A 2 compared to at A 1. Quadriceps of both side muscle activities improved at B 2 and A 2 compared to at A 1.

CONCLUSION:

We demonstrated that corrective exercise increases range of motion, and improves lower limb alignment and muscle activity in a patient with knee joint valgus deformity.

Keywords : Knee joint valgus deformity, Corrective exercise, Radiographs of hip and knee joint
I. 서론

외반슬(Genu valgum)은 양 무릎 혹은 한쪽 무릎이 신체의 정중선 쪽으로 편위(deviation)된 상태로 정의할 수 있다(Monk et al., 2014). 소아의 성장 과정에서 무릎관절의 정렬은 안굽이(varus)에서 밖굽이(valgus)로 변화하는 발달과정을 거치며, 6세 전후에 넙다리네갈래근의 각(quadriceps angle; Q-각)이 약 12° 수준에서 안정화를 이루게 되어 성장과정 중에 자연스럽게 개선되지만(Guzman et al., 2011), 20° 이상의 Q-각이 관찰되는 경우에는 자연적인 개선은 이루어지지 않는다고 하였다(Salenius and Vankka, 1975). 이러한 병적 외반슬은 외상, 대사성 장애, 감염, 골간단부 및 척추골단형성 이상, 유전성 뼈돌출증 및 섬유이형성증에 의해 발생되며(Herring, 2002), 편측 및 양측에 비대칭적으로 나타난다고 하였다(Kader, 2002). 병적 외반슬은 무릎통증, 휘돌림걸음(circumduction gait) 및 무릎넙다리(patellofemoral) 불안정성을 발생시켜 성장 장애를 야기하고(Zhang et al., 2008), 무릎관절 가쪽면에서 관절강의 소실 및 연골손상의 위험성을 증가시킨다(Felson et al., 2013). 또한 외반슬은 엉덩관절의 굽힘, 모음 및 가쪽돌림 가동 범위의 감소를 발생시켜 보행의 장애와 더불어 상해의 위험성을 증가시킨다고 하였으며(Barrios et al., 2015; Chappell et al., 2007), 특히 외반슬은 보행 시 입각기(stance phase)에서 지면반발력이 발의 압력중심으로부터 신체의 무게중심으로 이동할 때 무릎관절의 안쪽을 통해 이동하기 때문에 무릎에 안굽이력(varus moment)을 발생시켜(Felson et al., 2013) 무릎관절 가쪽의 골관절염의 유병률을 증가시킨다고 보고하였다(Kang et al., 2010).

일반적으로 외반슬은 방사선(X-선)학적 및 이학적 검사 방법을 사용하며(Kraus et al., 2005), 그 중에서도 Q-각은 하지 정렬 및 무릎관절의 각도 변형을 측정하는데 가장 표준화된 지표로써 정강거친면(tibial tuberosity)에서 무릎뼈 중심을 연결한 선과 무릎뼈 중심에서 전상장골극(anterior-superior iliac spine; ASIS)을 연결하는 선에 의해 형성되며(Chae et al., 2010), 평균적으로 성인 남성이 12°, 성인 여성이 18°을 보인다고 하였다(Nissen et al., 1998). 또한 Q-각은 전두면에서 넙다리네갈래근에 힘(force)이 전달되는 방향(vector)을 나타내며, Q-각의 변화는 하지 정렬 및 넙다리네갈래근의 불균형(Schulthies et al., 1995)을 야기시켜 무릎넙다리동통(patellofemoral pain)을 유발한다고 보고하였다(Powers, 2003). 통상, 외반슬과 같은 과도한 Q-각의 변화는 수술적 방법과 비수술적 방법이 사용되고 있으며(Puddu et al., 2010), 수술적 방법은 밖굽이의 교정과 통증 및 하지의 기능적 문제를 제거하기 위한 목적으로 시행하고 있으며, 먼쪽 넙다리 안굽이 뼈자름술(Distal femoral medial closing wedge osteotomy), 개방성 먼쪽 넙다리 뼈자름술(Open wedge distal femoral osteotomy) 및 개방형 몸쪽 정강뼈 뼈자름술(proximal tibial medial closing wedge osteotomy)의 3가지를 주로 사용한다고 알려져 있다(Puddu et al., 2010). 특히 수술적 방법은 생리학적인 측면에서 무릎 정렬 교정에 효과적이라고 할 수 있지만, 광범위한 연부조직 절개, 지연 및 부정유합, 관절내(intraarticular) 골절, 혈관 손상 및 혈전 정맥염(thrombophlebitis)과 같은 수술 후에 합병증과 장시간 고정으로 인한 유병율의 증가 등의 문제가 발생하며(Kulkarni, 2008), 외반슬로 발생한 보행 장애와 무릎관절을 포함한 하지 관절의 손상에 대한 치료는 고려되어지지 않는다고 보고하였다(Kulkarni et al., 2015). 비수술적인 방법은 보조기 및 물리치료 등이 보고되어 있지만(Duivenvoorden et al., 2015; Hurley et al., 2012, Barendrecht et al., 2011), 그 효과는 일시적인 증상 완화에 불과하다고 보고하였다(Raja and Dewan, 2011).

한편, 교정 운동은 Q-각의 개선 및 무릎넙다리동통의 감소에 효과적인 방법으로 알려져 있으며(Lee et al., 2014), 정강뼈조면에 정지하는 넙다리네갈래근의 신장성 수축에 기인한 무릎넙다리 관절 반력(patellofemoral joint reaction force), 즉 활시위 효과(bowstring effect)로 인한 넙다리네갈래근 활성의 증가로 Q-각을 감소시킨다고 보고하였다(Lathinghouse and Trimble, 2000). 또한 Lathinghouse와 Trimble (2000)은 18°이상의 Q-각을 가진 성인을 대상으로 일회성 넙다리네갈래근 교정 운동을 적용한 결과, Q-각이 평균 5° 정도 감소하였고, 넙다리네갈래근 활성의 증가는 Q-각의 감소를 초래한다고 보고하였다. Lee 등(2014)은 15° 이상의 Q-각을 가진 성인 남성을 대상으로 8주간의 교정 운동을 적용한 결과, Q-각, 통증 및 근활성도가 개선되었다고 보고하였다. 따라서 Q-각의 개선, Q-각에 의해 발생하는 무릎관절 각도의 변형 및 통증의 증가는 교정 운동에 의해 긍정적인 효과가 있을 가능성이 있다고 생각된다. 하지만 18°이상의 Q-각을 가진 외반슬 환자를 대상으로 장기간의 교정 운동 개입과 운동중지 후에 관절가동범위, 하지 정렬, X-선 및 근활성도를 시간경과와 함께 비교 검토한 사례는 매우 제한된 숫자에 불과하다.

이에 이 사례연구에서는 18°이상의 Q-각을 가진 외반슬 환자를 대상으로 교정 운동의 효과를 단일 피험자 A-B-A 실험 설계를 적용하여 관절가동범위, 하지 정렬, X-선 및 근활성도를 총체적으로 검증하는데 그 목적이 있다.

II. 연구 방법

1. 연구대상

이 사례연구의 대상은 C지역 소재 D병원에서 양측하지에 외반슬 진단을 받은 30세 남성으로 본 센터에 내원하였다. 피험자는 본 센터의 내원한 당시 오른쪽 하지의 Q-각이 23.5° 및 왼쪽 하지의 Q-각이 21.2°로 나타났으며, 보행 시 무릎통증의 발현으로 인한 신체활동의 감소와 더불어 일상생활의 장애를 호소하였다. 대상자의 신체적 특성은 <Table 1>에 제시하였으며, 연구 전 대상자에게 연구 목적 및 방법에 대하여 충분히 설명한 후 자발적으로 참가 동의를 얻었다.

Physical characteristics of the subject.

Age (yrs)Height (cm)Weight (kg)% Body fat
3017282.626.6

2. 연구설계

이 사례연구는 단일 피험자 A-B-A 실험 설계(A single-subject A-B-A experimental design)를 사용하였다. 즉 18°이상의 Q-각을 가진 외반슬 환자를 대상으로 교정 운동 개입과 운동 중지 후에 종속변인의 변화를 밝히기 위하여 교정 운동 전(A1), 교정 운동 6주 후(B1), 교정 운동 12주 후(B2), 그리고 운동 중지 6주 후(A2)에 관절가동범위, 하지 정렬, X-선 및 근활성도를 각각 측정하여 비교?분석하였다.

3. 교정 운동

이 사례연구에서 사용한 교정 운동은 Sacco Ide 등(2000)의 연구에서 진행된 교정 운동 프로그램을 수정 및 보완하여 수행하였다. 본 운동 전 준비운동으로 5분간의 스트레칭을 실시하였다. 본 운동은 하지 정렬의 개선 및 넙다리네갈래근의 강화를 위한 프로그램으로 구성하여 1명의 치료사에 의해 진행하였다. (Table 2)에 제시한 바와 같이, 교정 운동은 무릎관절 정렬을 위한 무릎뼈 관절가동술 및 무릎관절 신연술을 5분간 실시하였으며, 엉덩관절 모음근 강화를 위한 옆으로 누운자세에서 모음 운동, 엉덩관절 외회전을 동반한 무릎을 굽힌 상태에서의 모음운동, 엎드린 자세에서 엉덩관절 폄 및 엉덩관절 모음근의 등척성 수축을 동반한 내전스쿼트 운동을 10회 3세트 실시하였다. 세트간 휴식시간은 30초, 운동간 휴식시간은 60초간으로 설정하였다. 본 운동 후 정리운동으로 5분간의 스트레칭을 실시하였다. 교정 운동은 1일 40분, 주 2회 및 12주간에 걸쳐서 실시하였다.

Corrective exercise protocol.

orderperiodtypeintensity
Warm-up (5 min)1~8 weekStretching
Exercises (30 min)Patellar mobilization5 min10 rep ×2 setRest:Between set: 30 sec Between exercise: 1 min
Knee joint distraction
Side-lying bent knee hip abduction with external rotation
Side-lying hip abduction
Prone hip extension with knee bent
Strengthening the quadriceps muscle while squatting in hip adduction
Cool-down (5 min)Stretching

4. 측정항목

1) 신체조성

신체조성은 신장계(Inbody BSM 330, Biospace, Korea)를 이용하여 신장을 측정하였으며, 체성분 분석기(Inbody 770, Biospace, Korea)를 이용하여 체중, 체지방률 및 근육량을 교정 운동 전(A1), 교정 운동 6주 후(B1), 12주 후(B2), 그리고 운동 중지 6주 후(A2)에 각각 측정하였다. 각 피험자는 몸에 부착된 금속성 물질을 제거한 후 측정 장치에 올라서서 발 전극을 밟은 후 손잡이를 들고 직립 자세로 팔과 다리를 약간 벌린 자세에서 양손에 전극을 누른 자세로 측정하였다.

2) 엉덩관절 가동범위

엉덩관절 가동범위는 전자 각도계(Baseline?, Fabrication Enterprises Inc, White Plains, NY, USA)를 이용하여 굽힘, 폄, 벌림, 모음, 안쪽 돌림 및 바깥 돌림의 각도를 측정하였다. 엉덩관절 굽힘 가동범위는 바로 누운 자세에서 무릎관절을 폄 상태로 골반을 고정시키고 넙다리골두를 중심축으로 체간과 평행한 선과 넙다리골 대결절과 넙다리골 외과까지 연결된 선이 이루는 각을 측정하였다. 엉덩관절 폄 가동범위는 엎드린 자세에서 골반을 고정시키고 무릎관절을 굽힌 상태에서 넙다리골두를 중심축으로 체간과 평행한 선과 넙다리골 결절과 넙다리골외과로 연결된 선이 이루는 각을 측정하였다. 엉덩관절 벌림 가동범위는 바로 누운 자세에서 양쪽 다리를 중립위로 하고 10° 벌림 상태에서 골반을 안정화한 후 고정시킨 다음 대상자의 발목을 잡고 부드럽게 벌릴 수 있는 만큼 움직인 후에 중심축을 동측 전상장골극에 놓고 반대 측 전상장골극으로 각도계의 한쪽을 향하게 한 후 무릎뼈 중심을 따라 엉덩관절 벌림 각을 측정하였다(Kim et al., 2014). 엉덩관절 모음 가동범위는 바로 누운 자세에서 양쪽 다리를 중립위로 한 후 골반을 고정시키고 반대측 하지를 벌림 후 검사 측 하지를 신체의 정중선을 가로질러 반대측으로 움직이며, 벌림 각의 측정 방법과 동일하게 실시하였다. 엉덩관절 안쪽 돌림 및 바같 돌림 가동범위는 앉은 자세에서 측정하였다(Kim et al., 2014). 보조 검사자는 대상자의 골반이 후방 경사되거나 체간이 후방으로 이동하지 않도록 고정하였으며, 앉은 자세에서 엉덩관절과 무릎관절이 90°가 되도록 하고 넙다리뼈와 무릎뼈를 중립위로 한 후 정강뼈머리를 중심축으로 수직선에서 정강뼈선을 따라 발목의 중심부까지 범위를 측정하였다 모든 관절가동범위 검사는 각 3회씩 반복 측정하여 그 평균값을 사용하였다. 엉덩관절 가동범위는 A1, B1, B2 및 A2 에 동일한 방법으로 측정하였다.

3) 하지 정렬

하지 정렬은 Q-각, 발꿈치뼈 가쪽번짐각 및 다리길이를 측정하였다. Q-각은 피험자가 체중부하를 하는 바로 선 자세에서 양 하지를 10cm 정도 벌린 상태로 ASIS에서부터 무릎뼈 중심을 연결한 선과 무릎뼈 중심에서 정강뼈조면 사이를 연결한 선이 이루는 각도를 측정하였으며, 측정 후 앉은 상태로 휴식을 취한 뒤 재 측정하여 그 평균값을 사용하였다(Omololu et al., 2009). 발꿈치뼈 가쪽번짐각은 피험자가 엎드린 자세에서 한쪽 다리는 폄 상태로 다른 쪽 다리는 무릎관절을 90° 굽힘 및 바깥 돌림 상태에서 종족골 및 폄 상태의 하퇴 1/3 지점에 발꿈치뼈 가쪽번짐각 측정을 위한 표식을 하였다. 하퇴 1/3지점을 등분하는 선과 발꿈치뼈를 등분하는 선이 교차하는 지점을 측정하였다(Buchanan and Davis, 2005). 다리길이 검사는 테이프를 이용하여 피험자가 바로 누운 자세에서 ASIS로부터 안쪽 복사뼈까지의 길이를 양쪽 다리에서 측정하여 양하지의 차이를 산출하였다. 양쪽 다리길이 검사는 3회 반복 측정하여 그 평균값을 사용하였다(Sanhudo and Gomes., 2004). 모든 측정은 A1, B1, B2 및 A2 에 동일한 방법으로 측정하였다

4) X-선

X-선은 전후면 방사선(anterior-posterior X-ray) 사진을 이용하여 피험자의 넙다리뼈 목-몸통 각 및 무릎관절강을 측정하였다. 방사선상의 넙다리뼈 목-몸통 각은 넙다리간부의 중심축과 넙다리경부의 장축이 만나 이루는 각을 양측 하지에서 측정하였다(Anderson and Trinkaus, 1998). 무릎관절강은 체중지지 상태에서의 X선 사진을 이용하여 안쪽 및 가쪽 넙다리뼈 돌기와 정강뼈 위관절면과의 거리를 측정하였다(Shelbourne and Dickens, 2006). X-선은 A1, B1, B2 및 A2 에 동일한 방법으로 측정하였다.

5) 근활성도

근전도 신호는 Delsys trigno 무선 근전도(Delsys trigon wireless EMG system, Delsys Inc., Boston, MA, USA)를 이용하여 수집하였다. 근전도의 표본 수집률(sampling rate)은 1,000Hz로 하였으며, 주파수 대역폭은 20~45Hz의 대역통과필터(bandpass filter)를 적용하고, 동상제거비율(common mode rejection ratio)은 100dB이상, 초기 잡음(baseline noise)은 1mV이하 및 입력 저항값(input impedance)은 100mOhms이상으로 설정하였다. 각 근육에서 수집된 표면 근전도 신호는 Delsys EMG 분석 소프트웨어(Delsys EMG Works Acqusition, Delsys Inc., Boston, MA, USA)를 사용하여 실효치(root mean square; RMS)를 수집하여 분석하였다. 근전도 신호는 양 하지의 안쪽넓은근(vastus medialis; VM), 가쪽넓은근(vastus lateralis; VL) 및 넙다리곧은근(rectus femoris; RF)을 측정하였다. VM의 전극은 ASIS와 무릎관절 안쪽인대 사이 먼쪽부위 80%에 부착하였고, VL의 전극은 ASIS와 무릎뼈 가쪽면의 먼쪽부위 2/3지점에 부착하였으며, RF의 전극은 ASIS와 무릎뼈 윗부분 사이 중앙에 부착하였다(SENIAM, 1999).

근활성도의 정량화를 위해 최대수의적 등척성 수축(maximal voluntary isometric contraction, MVIC)을 양측 하지의 VM, VL 및 RF를 측정하였다. VM, VL 및 RF 의 MVIC의 측정을 위해 대상자가 지면에 발이 닿지 않는 테이블에 앉은 상태에서 무릎관절의 폄 동작을 수행하였으며, 치료사는 발목 바로 위에서 폄 동작의 수행에 반하는 저항을 제공하였다(SENIAM, 1999). VM, VL 및 RF의 근활성도는 무릎관절 폄 동작에서 저항 없이 10회 측정하여 평균값을 사용하였다. 근활성도는 A1, B1, B2 및 A2 에 동일한 방법으로 측정하였다

III. 연구 결과

1. 엉덩관절 가동범위의 변화

엉덩관절 가동범위의 변화는 (Table 3)에 제시한 바와 같다. 굽힘의 가동범위는 오른쪽 하지에서 A1에 79.20°와 비교해서 B1에 89.50°, B2에 102.00° 및 A2에 88.80°로 증가하였으며, 왼쪽 하지에서 A1에 83.80°와 비교해서 B1에 87.40°, B2에 102.00° 및 A2에 87.40°로 증가하였다. 폄의 가동범위는 오른쪽 하지에서 A1에 19.20°와 비교해서 B1에 24.20°, B2에 31.40° 및 A2에 25.20°로 증가하였으며, 왼쪽 하지에서 A1에 16.10°와 비교해서 B1에 18.70°, B2에 31.60° 및 A2에 27.60°로 감소하였다. 모음의 가동범위는 오른쪽 하지에서 A1에 25.80°와 비교해서 B1에 39.80°, B2에 46.60° 및 A2에 35.80°로 증가하였으며, 왼쪽 하지에서 A1에 23.70°와 비교해서 B1에 44.40°, B2에 45.80° 및 A2에 37.00°로 증가하였다. 벌림의 가동범위는 오른쪽 하지에서 A1에 20.00°와 비교해서 B1에 23.40°, B2에 28.60° 및 A2에 26.00°로 증가하였으며, 왼쪽 하지에서 A1에 17.20°와 비교해서 B1에 27.80°, B2에 32.50° 및 A2에서 26.80°로 증가하였다. 안쪽 돌림의 가동범위는 오른쪽 하지에서 A1에 25.40°와 비교해서 B1에 26.40°, B2에 29.00° 및 A2에 25.80°로 증가하였으며, 왼쪽 하지에서 A1에 28.30°와 비교해서 B1에 30.60°, B2에 30.80° 및 A2에서 29.00°로 증가하였다. 바깥 돌림의 가동범위는 오른쪽 하지에서 A1에 20.40°와 비교해서 B1에 23.80°, B2에 27.70° 및 A2에 26.00°로 증가하였으며, 왼쪽 하지에서 A1에 17.40°와 비교해서 B1에 19.80°, B2에 20.50° 및 A2에 18.80°로 증가하였다.

Changes in hip joint range of motion before (A 1), after 6- (B 1) and 12-week (B 2) corrective exercise and 6-week of exercise completion (A 2).

A 1B 1B 2A 2A 1 vs. B 2 (%)A 1 vs. A 2 (%)
RtLtRtLtRtLtRtLtRtLtRtLt
Flx (°)79.2083.8089.5087.40102.00102.0088.8087.4028.7921.7212.124.30
Ext (°)19.2016.1024.2018.7031.4031.6025.2027.6063.5496.2731.2571.43
Add (°)25.8023.7039.8044.4046.6045.8035.8037.0080.6293.2538.7656.12
Abd (°)20.0017.2023.4027.8028.6032.5026.0026.8043.0088.9530.0055.81
IR (°)25.4028.3026.4030.6029.0030.8025.8029.0014.178.831.572.47
ER (°)20.4017.4023.8019.8027.7020.5026.0018.8035.7817.8227.458.05

Rt - right; Lt - left; Flx - flexion; Ext - Extension; Add - adduction; Abd - abduction; IR - internal rotation; ER - external rotation

2. 하지 정렬의 변화

하지 정렬의 변화는 (Table 4)에 제시된 바와 같다. 오른쪽 Q각은 A1에 23.50°와 비교해서 B에 18.10°, B2에 16.30° 및 A2에 19.10°로 감소하였으며, 왼쪽 Q각은 A1에 21.02°와 비교해서 B1에 17.10°, B2에 14.70° 및 A2에 16.00°로 감소하였다. 오른쪽 종골외반각은 A1에 28.20°와 비교해서 B1에 28.60°, B2에 27.50° 및 A2에 27.70°로 나타났으며, 왼쪽 종골외반각은 A1에 28.30°와 비교해서 B1에 25.30°, B2에 24.80° 및 A2에 25.00°로 감소하였다. 다리길이차이는 A1에 4.9cm와 비교해서 B1에 0.6cm, B2에 0.2cm 및 A2에 1.5cm로 감소하였다.

Changes in lower limb alignment before (A 1), after 6- (B 1) and 12-week (B 2) corrective exercise and 6-week of exercise completion (A 2).

A 1B 1B 2A 2A 1 vs. B 2 (%)A 1 vs. A 2 (%)
RtLtRtLtRtLtRtLtRtLtRtLt
Q-angle (°)23.5021.0218.1017.1016.3014.7019.1016.0030.6430.0718.7223.88
RPA (°)28.2028.3028.6025.3027.5024.8027.7025.002.4812.371.7711.66
LLD (cm)4.900.600.201.5095.9269.39

Q-angle - quadriceps angle; RPA - rearfoot alignment; LLD - Leg length discrepancy

Changes in muscle activity before (A 1), after 6- (B 1) and 12-week (B 2) corrective exercise and 6-week of exercise completion (A 2).

A 1B 1B 2A 2A 1 vs. B 2 (%)A 1 vs. A 2 (%)
RtLtRtLtRtLtRtLtRtLtRtLt
VM (%MVIC)43.4536.7047.9638.3957.2345.1146.9139.8031.7122.927.968.45
VL (%MVIC)64.4061.5865.8563.9367.3464.1766.8564.034.574.213.803.98
RF (%MVIC)55.8456.2756.2059.0858.6161.8756.7357.704.969.951.592.54

VM - vastus medialis; VL - vastus lateralis; RF - rectus femoris

3. 넙다리뼈 목-몸통 각 및 무릎관절강의 변화

넙다리뼈 목-몸통 각 및 무릎관절강의 변화는 (Fig. 1) 및 (Fig. 2)에 제시한 바와 같다. 넙다리뼈 목-몸통 각은 오른쪽에서 A1에 139.55°와 비교해서 B1에 125.48°, B2에 127.82° 및 A2에 129.19°로 감소한 것으로 나타났다. 왼쪽의 넙다리뼈 목-몸통 각은 A1에서 128.89°, B1에서 126.79°, B2에서 127.43° 및 A2에서 126.17°로 나타났다. 무릎관절강은 오른쪽의 내측과 외측에서 A1에 6.59mm와 6.80mm와 비교해서 B1에 6.77mm와 6.91mm, B2에 6.82mm와 6.98mm 및 A2에 6.73mm와 6.82mm로 각각 향상하였다. 왼쪽의 내측 무릎관절강은 A1에 5.61mm와 비교해서 B1에 6.18mm, B2에 6.59mm 및 A2에 6.40mm로 향상하는 것으로 나타났다. 왼쪽의 외측 무릎관절강은 A1에서 7.56mm, B1에 7.59mm, B2에 7.47mm 및 A2에 7.40mm로 나타났다.

Fig. 1.

Changes in femoral neck shaft angle before (A 1), after 6- (B 1) and 12-week (B 2) corrective exercise and 6-week of exercise completion (A 2).


Fig. 2.

Changes in medial and lateral of knee joint space before (A 1), after 6- (B 1) and 12-week (B 2) corrective exercise and 6-week of exercise completion (A 2).


4. 근활성도의 변화

VM, VL 및 RF의 근활성도의 변화는 (Table 4)에 제시한 바와 같다. VM의 근활성도는 오른쪽과 왼쪽에서 A1에 43.45%와 36.70%와 비교해서 B1에 47.96%와 38.39%, B2에 57.23%와 45.11% 및 A2에 46.91%와 39.80%로 각각 향상하였다. VL의 근활성도는 오른쪽과 왼쪽에서 A1에 64.40%와 61.58%와 비교해서 B1에 65.85%와 63.93%, B2에 67.34%와 64.17% 및 A2에 66.85%에 64.03%로 각각 향상하였다. RF의 근활성도는 오른쪽과 왼쪽에서 A1에 55.84%와 56.27%와 비교해서 B1에 56.20%와 59.08%, B2에 58.61%와 61.87% 및 A2에 56.73%와 57.70%로 각각 향상하였다

IV. 고찰

이 사례연구에서는 18°이상의 Q-각을 가진 외반슬 환자를 대상으로 교정 운동의 효과를 단일 피험자 A-B-A 실험 설계를 적용하여 관절가동범위(ROM), 하지 정렬, X-선 및 근활성도를 비교?검토한 결과, 12주간의 교정 운동은 외반슬 환자의 ROM과 무릎관절강의 증가 및 넙다리뼈 목-몸통 각의 감소, 하지 정렬 및 근육의 활성에 긍정적인 효과가 있다는 것을 검증하였다.

엉덩관절은 보행 시 골반과 하지 사이의 움직임을 제공하며, 움직임이 일어나는 동안 관절의 안정성을 확보하는 역할을 한다(Kim et al., 2014). 또한 엉덩관절 주변 근육은 전반적인 신체의 움직임에 관여하며, 보행 시 신체의 이동을 위한 회전력(torque)를 발생시킨다고 하였다(Neumann, 2010). 엉덩관절과 무릎관절의 움직임에 관여하는 넙다리네갈래근의 불균형 및 약화는 엉덩관절 가동범위의 감소를 야기하며(Park et al., 2015), 엉덩관절 가동범위의 감소는 움직임의 제한 및 관절의 뻣뻣함(stiffness)을 증가시켜 보행 및 일상생활능력의 감소를 발생시킨다고 하였다(Fonseca et al., 2007). 이 사례연구에서 엉덩관절 가동범위는 A1과 비교해서 B2 및 A2의 굽힘, 폄, 모음, 벌림, 안쪽 돌림 및 가쪽 돌림 모두에서 증가한 것으로 나타났다. 이것은 교정 운동이 넙다리네갈래근의 불균형의 개선 및 근력을 강화시켜 엉덩관절의 가동범위를 증가시켰다고 생각된다.

Q-각은 무릎의 장애 및 하지 손상의 위험성을 미리 예측하기 위해 주로 사용되는 지표로(Lee et al., 2014) 비정상적으로 증가된 Q-각은 무릎관절에 과사용 손상을 발생시키는 해부학적 위험인자이며, 무릎관절에 외반력을 증가시켜 무릎넙다리 통증을 발생시키는 주원인이라고 하였다(Ilahi et al., 1998). 일반적으로 Q-각은 남성에서 18° 이상 및 여성에서 22°이상일 때 외반슬로 진단하며(Muscolino, 2010), 이 사례연구의 대상자는 내원 당시 Q-각이 오른쪽 및 왼쪽 하지에서 23.50° 및 21.02°로 양측 모두에서 외반슬을 나타냈다. Woodland와 Francis(1992)는 증가된 Q-각의 감소를 위해서는 넙다리네갈래근의 근력강화가 중요하다고 보고하였으며, Voight 와 Wieder (1991)은 Q-각의 증가는 가쪽 피막 지지띠(capsular retinaculum)의 긴장, 안쪽 피막 지지띠의 이완 및 VM의 약화로 무릎뼈의 변형을 초래하여 무릎넙다리의 장애를 발생시킨다고 보고하면서, VM의 근력강화는 Q-각의 감소와 더불어 무릎넙다리 장애의 치료를 위해 사용되는 비수술적 접근 중 가장 중요한 방법이라고 하였다. 이 사례연구에서 오른쪽 및 왼쪽의 Q-각은 A1과 비교해서 B2에서 30.64% 및 30.07%, 그리고 A2에서 18.72% 및 23.88% 감소한 것으로 나타났다. 따라서 이 사례연구에서 외반슬 환자에게 12주간의 교정 운동은 넙다리네갈래근의 근력을 강화시켜 Q-각이 향상되었으며, 향상된 Q-각의 유지를 위해서는 운동중지 후에도 넙다리네갈래근의 근력 강화를 위한 신체 활동의 증가와 같은 교정 계획(strategy)의 수립이 필요하다고 생각된다. 특히 증가된 발꿈치뼈의 가쪽번짐은 과도하게 높은 Q-각에 의해 발생하고(Heiderscheit et al., 2000), 각 무릎관절에 다양한 손상을 발생시키는 인자로서 정강뼈 및 발의 정렬 검사에 주로 사용된다고 알려져 있으며(James et al., 1978), 발꿈치뼈 가쪽번짐각의 증가는 안쪽 세로 발궁(longitudinal arch)의 감소 및 앞발의 내반을 발생시켜 비정상적 안쪽 부하(Donatelli et al., 1988) 및 보행장애를 발생시킨다고 하였다(Genova and Gross, 2000). 이 사례연구에서 오른쪽 및 왼쪽의 발꿈치뼈 가쪽번짐각은 A1과 비교해서 B2의 2.48% 및 12.37%, 그리고 A2의 1.77% 및 11.66% 감소하였다. 따라서 이 사례연구에서는 교정 운동에 따른 Q-각의 향상으로 발의 비정상적 부하가 감소되었기 때문에 발꿈치뼈 가쪽번짐각에 긍정적인 영향을 미쳤다고 생각된다.

다리길이 차이는 근골격계 장애와 관련된 선행(predisposing)인자로 양쪽 하지의 길이차이의 불균형이라고 정의할 수 있으며(Gurney, 2002), 양측골반, 척추 및 양쪽 하지 근육의 불균형 때문에(Gong et al., 2007;Jung et al., 2014) 요통, 엉덩관절의 퇴행성관절염, 피로골절, 균형 및 보행장애 등을 발생시킨다고 보고하였다(Gurney, 2002). 이 사례연구에서 다리길이 차이는 A1의 4.9cm와 비교해서 B2의 0.2cm 및 A2의 1.5cm로 감소한 것으로 나타났다. Jung 등(2014)에 따르면 Q-각과 다리길이 차이는 양(+)의 상관관계를 보이며, Q-각의 증가는 하지 정렬의 불균형을 발생시키기 때문에 다리길이 차이가 발생한다고 보고하였다. 따라서 이 사례연구에서는 12주간의 교정 운동은 Q-각 및 다리길이 차이의 감소를 통해 하지의 불균형을 개선시켰을 가능성이 시사되었다.

Anderson과 Trinkaus (1998)에 따르면, 넙다리뼈 목-몸통 각은 일반성인이 평균적으로 124.7°, 내반슬의 경우 120° 이하 및 외반슬의 경우 135° 이상이라고 보고하였다(Zhang et al., 2015). 이 사례연구에서 넙다리뼈 목-몸통 각은 A1과 비교해서 B2 및 A2에서 개선되었다. 특히 오른쪽 넙다리뼈 목-몸통 각은 외반슬(A1: 139.55°)로 평가되었고, 이에 교정 운동을 시행한 결과 A1과 비교해서 B2의 127.82° 및 A2의 129.19°로 정삼 범위로 개선되었다. 특히 이 사례연구에서 엉덩관절 폄 운동 등의 볼기근 및 넙다리네갈래근의 근력강화에 초점을 두고 교정 운동을 시행한 결과, 넙다리뼈 목-몸통 각이 감소하였으며, 반면에 운동중지 후에는 볼기근 및 넙다리 네갈래근의 약화로 넙다리뼈 목-몸통 각이 약간 증가한 경향을 보였다고 생각된다. 통상, 볼기근은 자세정렬 및 보행에 중요한 역할을 하는 근육으로써, 볼기근의 강화는 비정상적 압력 및 신체변형에 따른 보상작용을 감소시켜 결과적으로 뼈의 변형을 개선시킨다고 하였다(Nguyen et al., 2011). 한편, 무릎관절강은 무릎 연골두께를 측정하기 위해 주로 사용하며, 건강한 성인은 안쪽 7.03mm 및 가쪽 7.44mm로 나타난다고 하였다(Dacre et al., 1991). 운동을 포함한 신체활동의 증가는 관절강의 증가, 부하의 적절한 배분 및 관절의 안정성을 증가시키며(van der Karaan and van den Berg, 2007), 특히 무릎관절강 감소의 주원인으로 나타나는 골극(osteophytes)의 예방에 효과적이고, 연골을 파괴하는 유해한 자극으로부터 관절을 보호한다고 보고되고 있다(Urquhart et al., 2011). Mikesky 등(2006)은 150명의 노인을 대상으로 저항성 운동이 관절강을 평균적으로 0.50mm 증가시켰다고 보고하였으며, Fransen 등(2001)은 관절염 노인을 대상으로 8주간의 저항성 운동이 무릎관절강의 감소를 개선시켰다고 보고하면서 넙다리네갈래근 및 넙다리뒤근육의 근력증가에 의해 감소율이 개선되었다고 추론하였다. 이 사례연구에서 무릎관절강은 오른쪽 무릎관절 안쪽 및 가쪽 모두에서 A1과 비교해서 B2의 0.23mm 및 0.18mm, 그리고 A2의 0.14mm 및 0.02mm로 각각 실측치가 증가한 것으로 나타났으며, 왼쪽 무릎관절 안쪽은 A1과 비교해서 B2의 0.98mm 및 A2의 0.79mm로 각각 증가하였다. 따라서 이 사례연구에서 외반슬 환자에게 넙다리네갈래근 및 넙다리뒤근육의 근력강화를 포함한 교정 운동이 무릎관절강을 증가시켰으며, 증가된 무릎관절강의 유지를 위해서는 지속적인 저항운동을 포함한 신체활동이 필요하다고 생각된다.

과도하게 증가된 Q-각은 넙다리네갈래근에서 근력의 불균형을 나타내며(Amis, 2007), 특히 VM의 약화는 무릎뼈의 불안정을 증가시키며, 무릎관절 전방에 통증을 유발한다고 하였다(Waryasz and McDermott, 2008). Stensdotter 등(2003)은 VM의 근육활성의 증가는 Q-각을 감소시키고 무릎뼈의 부정렬을 개선시킨다고 보고하였으며, Bakhtiary와 Fatemi(2007)은 3주간 스쿼트 운동이 Q-각을 감소시켰으며, 이는 스쿼트 운동이 VL 보다 VM에서 근육활성 및 근육기능을 향상시키는데 효과적이기 때문이라고 보고하였다. 이 사례연구에서 오른쪽 및 왼쪽 VM은 A1과 비교해서 B2의 31.71% 및 22.92%, 그리고 A2의 7.96% 및 8.45%로 각각 증가하였으며, 오른쪽 및 왼쪽 VL은 A1과 비교해서 B2의 4.57% 및 4.21%, 그리고 A2의 3.80% 및 3.98%로 각각 증가하였다. 또한, 오른쪽 및 왼쪽 RF는 A1과 비교해서 B2의 4.96% 및 9.95%, 그리고 A2의 1.59% 및 2.54%로 각각 증가한 것으로 나타났다. 이 사례연구에서 근육활성의 증가는 선행연구와 유사한 결과를 보였으며, 특히 VM의 근력강화를 위한 엉덩관절 모음운동과 스쿼트 운동을 포함된 교정 운동이 VM의 근육활성을 증가시켰으며, VM의 근육활성의 증가가 Q-각의 감소에 긍정적인 영향을 주었을 것으로 생각된다.

V. 결론

이 사례연구에서는 18°이상의 Q-각을 가진 외반슬 환자를 대상으로 교정 운동의 효과를 단일 피험자 A-B-A 실험 설계를 적용하여 관절가동범위(ROM), 하지 정렬, X-선 및 근활성도를 비교?검토한 결과, 12주간의 교정 운동은 외반슬 환자의 ROM과 무릎관절강의 증가 및 넙다리뼈 목-몸통 각의 감소, 하지 정렬 및 근육의 활성에 긍정적인 효과가 있다는 것을 검증하였다. 향후에는 외반슬 환자를 대상으로 보행 등의 일상생활 능력과의 관련성에 관한 신체적 및 생체역학적인 검토가 필요할 것으로 생각된다.

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November 2024, 19 (4)
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