추간판 내 기계적 수용기의 응답 특성에 따른 척추 주변 근육력 해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Spinal stability is controlled by two inter-related systems: the spinal column including ligaments and the muscular control system. Instability results when single or multiple components fail or malfunction in either of the two systems. Paraspinal muscles not only produce moment balance but also generate compression on the spinal column. Paraspinal muscle activities were calculated based on a hypothesis in this study. In this hypothesis, the intervertebral disc was assumed to have a transducer function and the muscle is activated according to a sensor driven control mechanism to maintain the stability of the spine.
This study was executed a three-dimensional finite element model of musculoskeletal system, which consisted of a detailed whole lumbar spine, the trunk and pelvis modelled as a rigid body, and paraspinal muscles. Finite element method combined with the optimization method was used to obtain the response in the spine and muscle activity. The muscle model consisted of a connector element was developed and a local coordinate was assigned between the origin and insertion points to maintain its direction regardless of the motion change in the skeletal model. Minimization of the deviation of hydrostatic pressures in the ground matrix of the outermost layer of the annulus in each disc was used for muscle force calculations. Effect of abdominal muscle and abdominal pressure was replaced with tensioning of thoracolumbar fascia. Muscle forces were calculated in isometric forward flexed (20°, 40°, and 60°) and erect standing postures. To identify the effect of fusion on the pattern change in the muscle activities, three different fusion models (fusion at L4-L5, L3-L5, or L4-S1 level) were further developed at the 60° flexed posture. Parametric analysis in the fascial tension force (zero, half, base, and two-fold) was also performed for a 60º flexed posture. The base fascial tension level of TLF was assumed using physiological cross-sectional area of muscles that attached to the TLF and its activation level. The calculated results show that all muscles were properly combined to maintain the posture and stabilize the lumbar spine. The activity of each muscle group maintained the trunk posture while reducing the stress difference in the disc. The activities of erector spinae pars lumborum and multifidus markedly increased according to the increase of flexed angle until 40° flexed posture whereas it was maintained at 60° flexed posture similar to the muscle activity at 40° flexed posture. A reverse change was detected rectus abdominis. The fascial tension induced a decrease in the erector spinae pas thoracis activity. It was decreased to 94.0 N, 90.9 N, and 74.8 N according to the magnitude of half, one, and two-fold base fascial tension from 103.3 N of zero fascial tension, respectively. The spinal fusion decreased total motion at the lumbar spine and additional pelvic tilting was produced to maintain the trunk angle. Compared with intact case, fusion generated the reduction in the erector spinae and multifidus. The nucleus pressure and segmental motion increased at the adjacent segments.
The proposed method in this study allowed for the inter-relation of realistic muscle activity and the spinal motion. Further study of its influence in spine stability will lead to a better understanding of how spine stability is maintained under several different loading conditions including surgery and instrumentation.

국문 초록 (Abstract)

인체 근골격계 중 요추부는 상체와 하지를 연결하는 주요 구조물로써 척추 요소와 척추 주변 근육의 상호 작용을 통해 기계적 안정성을 유지하여 척추의 손상 없이 다양한 움직임이 가능하도록 한다. 요추의 기계적 불안정성의 발생은 척추 주변 근육의 비정상적 작용을 유발하고 추가적인 척추 요소의 손상 등을 야기한다. 본 연구에서는 추간판 내에 존재하는 기계적 수용기의 응답 특성에 따라 척추의 안정화를 유지하는 방향으로 척추 주변 근육의 작용이 제어된다는 가정 하에 유한 요소 해석과 최적화 해석을 연동하여 각 추간판에서 발생하는 응력 차이를 최소화하는 방향으로 작용하는 척추 주변 근육력을 도출하기 위한 해석을 수행하였다.
상세 요추부 유한 요소 모델과 강체로 이루어진 흉곽 및 흉추, 골반 모델, 척추 주변 근육 모델을 포함한 상체 모델을 개발하였다. 척추 주변 근육 모델은 108개의 요소로 기시점과 삽입점 사이를 커넥터 요소로 연결하고 두 점 사이로 근육력이 작용하도록 하였다. 복근과 복압의 작용은 흉요근막 인장력으로 대체하여 모델에 적용하였으며, 이때 부과되는 인장력은 흉요근막에 부착된 근육의 단면적과 근육의 활성 레벨을 이용하여 추정하였다. 기립 자세와 20°, 40°, 60°의 상체 굽힘 자세에서의 해석을 수행하여 상체의 굽힘 각도 증가에 따른 척추 주변 근육의 활성도 변화와 흉요근막 인장력의 적용 여부에 따른 근육의 작용을 계산하였다. 추가적으로 60° 굽힘 자세에서 흉요근막 인장력의 크기를 세 단계(1/2배, 1배, 2배)로 변화시켜 흉요근막 인장력의 증가에 따른 근육력의 변화를 확인하고자 하였으며, 60° 굽힘 자세에서 L4-L5, L3-L5, L4-S1의 운동 분절 유합에 따른 각 근육 요소의 작용 변화와 유합 인접 분절에서 발생하는 척추 요소의 변화를 살펴보고자 하였다.
해석 결과를 통해 척추 주변 근육이 적절한 작용을 통해 상체의 자세를 유지하고 각 운동 분절을 조정하여 각 추간판에서 발생하는 응력의 차이를 최소화하는 것을 확인하였다. 굽힘 각도가 증가함에 따라 40° 이내의 굽힘 자세에서는 심층부 척추 기립근과 다열근의 활성도가 증가하였으나 60° 굽힘 자세에서는 40° 굽힘 시의 근육 활성도와 유사한 값을 유지하였다. 반면 40° 이상의 굽힘 자세에서 복직근의 작용은 감소하는 결과를 보였다. 흉요근막 인장력의 부과로 인해 굽힘 자세에서의 척추 기립근 중 표면근의 작용이 감소하였다. 특히 60° 굽힘 자세에서 흉요근막 인장력의 세 단계 변화에 따른 해석 결과로 척추 기립근 중 표면근의 근육력은 흉요근막 인장력이 부과되지 않은 경우 103.3 N 이었으나 흉요근막 인장력의 크기에 따라 각각 94 N, 90.9 N, 74.8 N 으로 감소하였다. 운동 분절의 유합은 요추의 운동량을 감소시키며, 요구되는 상체의 굽힘 각도를 유지하기 위해 골반의 각도가 증가되었다. 운동 분절의 유합 후 상체의 굽힘 각도를 형성하고 척추의 안정화를 유지하기 위해 유합 분절에 부착된 다열근의 작용이 감소하였으며, 인접 상위 분절과 최하위 분절에서 추간판의 압력과 운동량이 증가하였다.
본 연구에서 제안된 해석 방법은 자세 변화와 척추의 기계적 특성 변화를 모델에 반영하여 이로 인해 변화되는 척추 주변 근육의 작용력을 도출 할 수 있었다. 개발된 모델과 해석 방법은 유합 인접 분절의 추가적 변성에 대한 메커니즘 분석과 유합 장치에 따른 영향 등 다양한 응용 해석에 활용될 수 있을 것으로 여겨지며, 이로써 다양한 하중 조건에서의 척추 안정화를 유지하기 위한 근육의 작용을 보다 명확히 분석 할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 선행연구 4
• 1.3 연구목적 15
• Ⅱ. 척추 근골격계 모델 개발 16
• 2.1 요추부 척주 모델 16
• 2.1.1 척추 요소 모델링 16
• 1) 추골(vertebrae) 16
• 2) 추간판(intervertebral disc) 19
• 3) 인대(ligament) 22
• 2.1.2 모델의 검증 25
• 1) 단분절 모델 25
• 2) 척주 모델 37
• 2.2 척추 주변 근육 모델 42
• 2.2.1 척추 기립근(erector spinae) 42
• 2.2.2 다열근(multifidus) 46
• 2.2.3 요방형근(quadratus lumborum) 48
• 2.2.4 대요근(psoas major) 48
• 2.2.5 복근(abdominal muscle) 49
• 2.3 흉요근막의 해부학적 구조 및 모델 개발 54
• 2.4 근골격계 모델 63
• Ⅲ. 해석 방법 66
• Ⅳ. 해석 결과 80
• 4.1 상체 굽힘에 따른 결과 80
• 4.1.1 기립 자세 결과 80
• 4.1.2 굽힘 자세 결과 83
• 4.2 흉요근막 인장력 크기 변화에 따른 결과 98
• 4.3 운동 분절 유합에 따른 결과 102
• Ⅴ. 토의 110
• 5.1 상체 굽힘 각도에 따른 영향 110
• 5.2 흉요근막 인장력 변화에 따른 영향 113
• 5.3 유합 레벨의 영향 114
• Ⅵ. 결론 117
• 참고문헌 119
• 부록 129
• Abstract 139

참고문헌 (Reference)

1. 만성요통 노인의 건강행위에 영향을 미치는 요인, 박숙희, 노인간호학회, 노인간호학회지, 17(1): 20-28, , 2015