[보장구학과의지학] 보조기와 의지의 힘

힘은 밀거나 당기는 것으로 한 물체에서 다른 곳으로 영향을 미친다. 이것은 힘의 크기, 방향, 적용점에 의한 방향으로 설명할 수 있다.
힘이 물체에 적용될 때, 물체가 그것을 움직이고 가속하거나 감속함으로써 영향을 미칠 수 있다. 

움직임이 발생하는 신체에 힘이 적용될 때, 움직임의 결과는 면이나, 결과적인 위치변화형태를 설명한다. 시상면(sagittal plane)은 신체를 좌우로 나누는 면이고, 이마면(frontal, coronal plane)은 신체를 앞뒤로 나누는 면이다. 횡단면(transverse plane)은 보통 수평면으로 나눈다. 

변위는 이동, 회전, 곡선 움직임으로 설명한다. 이동(translation)은 움직여지는 부분의 직선 변위이다. 회전(rotation) 혹은 돌림 움직임은 고정된 축 둘레에 대한 각도의 변위나 돌림중심(center of ration, CoR)의 변위이다. 돌림축은 항상 움직임 면에 수직으로 존재한다. 그러므로 굽힘과 폄은 안쪽-가쪽(Medial-Lateral) 축에 대한 시상면에서 일어나고 벌림과 모음은 앞쪽-뒤쪽(Anterior-Posterior) 축에  대한 이마면에서 일어나며, 바깥(가쪽) 회전은 수직(종축, 세로축) 축에 대한 횡단면에서 일어난다. 

평행이동과 회전은 앉은 자세에서 아래 다리를 반대쪽 무릎 위에 올려둘 때처럼 발생할 수 있다. 평행이동과 회전의 합성에도 불구하고 이러한 상황에서 움직임은 시상면, 한 면에서만 발생한다. 이렇듯 다양한 움직임 패턴뿐만 아니라 더 많은 범위의 움직임을 하도록 하는 기능적인 움직임은 한 면 그 이상에서 동시에 발생한다. 곡선의 움직임은 신체 분절의 평행이동과 회전이 합성된 움직임이다. 이러한 움직임 형태가 발생할 때, 분절 움직임이 고정되지 않는 축에서 일어나고 대상이 움직이는 공간에서 움직인다. 이러한 예에서 보다시피, 반대쪽 대퇴부에 발을 놓기 위해서, 양말을 신거나 신발끈을 매려고 할 때 하퇴(아래다리, 종아리) 분절은 엉덩관절에 대한 시상면(수직)축으로 회전하면서 무릎관절을 굽힌다. 그 결과 삼차원 곡선 경로를 그리면서 종아리 분절이 움직인다. 기계학적 관절이 있는 의지나 보조기가 해부학적 관절 위에서 작용할 때, 두 가지 움직임이 관상면 움직임이나 더 복잡한 삼차원 곡선 움직임이 동시에 일어나야만 한다. 이 때, 해부학적 축과 기계학적 축은 효과적일 뿐만 아니라 무엇보다 통증 없이 움직일 수 있도록 서로 가까이 정렬되어야만 한다. 움직임 동안 해부학적 축과 기계학적 축 간의 정렬 오류는 사람의 외적인 이동, 통증 발생, 과도한 압력, 기형화시키는 힘으로 발생한다. 

신체 관절에 활성화되는 힘은 관절 움직임을 발생시키거나 제한시킨다. 이 힘은 외적인 힘이나 내적인 힘으로 분류할 수 있다. 외적인 힘은 신체 밖에있는 요소(원인)에 의해 밀어지거나 당겨진다. 신체와 신체의 부분(사지 분절)을 포함한 사물의 무게는 사물의 무게에 대한 중력의 당김, 즉 중력의 가속도에 의해 물체의 무게가 늘어났다는 것은 동일한 양이다. 그러므로 신체의 무게는 관절 움직임을 생산할 수 있는 힘이다. 

중력선 혹은 "무게선"은 때때로 지구의 중심에 대한 사물의 무게중심(center of mass, CoM)으로 불린다. 신체에 대한 무게중심은 두 번째 천골(sacrum) 앞쪽이다. 해부학적 관절에 대한 돌림축에 대해 중력선의 위치는 관절에서 움직임을 만들어내거나 제한할 수 있다. 예를 들어, 사람이 엉덩관절축에서 중력선 뒤로 넘어지기 위해 뒤쪽으로 기댈 때, 중력은 엉덩관절에서 폄 모멘트(힘)와 무릎관절에서 굽힘 모멘트를 초래할 것이다. 만약 같은 사람이 앞으로 기댄다면 중력선은 엉덩관절 굽힘과 무릎관절 폄을 발생시키면서 엉덩관절과 무릎관절 앞으로 떨어질 것이다.

다른 중요한 외부의 힘은 지면반발력(ground reaction force, GRF)이다. 신체가 지면에 접촉할 때마다 지면은 몸을 뒤로 민다. 발에 대한 지면의 힘은 지면반발력 벡터(GRFV)라고 한다. 압력의 중심(CoP)이라고 말하는 지면에 대한 발의 접촉점과 신체의 중심과 연결되는 선으로 보일 수 있고 체중 지지 동안 발에 적용되는 힘의 방향과 크기로 나타나는 벡터힘의 결과면서 구성요소이다. 수직 요소, 전-후, 내-외측 힘 요소로 구성된 이러한 구성 벡터힘은 지면에 놓여진 힘을 측정하게 된다. 사지에서의 회전에 대한 해부학적 축이나 관절에 있는 지면반발 벡터힘의 위치는 관절 움직임에 영향을 미친다. 예를 들어, 사람이 무릎을 구부린 다리에 체중을 옮기면서 걷는다면 지면반발 벡터힘은 외적인 엉덩관절과 무릎관절 모멘트를 발생시키면서 무릎관절 뒤와 엉덩관절 앞을 지날 것이다. 

의지보조기로 적용된 힘 또한 외적인 힘이다. 의지보조기는 중력선의 위치를 조작하거나 관절 움직임을 조절하거나 만들어내기 위한 지면반발 벡터힘을 조작하기 위하여 설계된다.

내적인 힘은 근수축과 관절낭, 연골과 같은 결합조직의 탄력성과 같은 신체 내부에 있는 요소에서 발생하는 힘이다. 내적인 힘은 관절 움직임을 만들어낼 뿐만 아니라 신체를 활동시키는 외적인 힘과 반대로 작용하는 기능을 가지고 있다. 

신체 내 관절 움직임에서 발생하는 대부분의 힘은 관절의 중심이나 돌림축에서 어떤 길이를 가지고 움직이므로, 관절 움직임의 결과는 주로 회전이다. 이 회전의 중심으로부터 일정 거리를 가진 힘 적용의 결과를 우리는 모멘트라고 부른다. 그리고 이는 토크 혹은 각 움직임으로 측정한다. 모멘트는 결과적인 관절 움직임의 방향으로 명명한다. 모멘트의 크기는 돌림축과 당김 힘의 선상에서 가장 짧은 거리(수직선)의 길이와 적용된 힘의 양을 산출함으로써 계산할 수 있다. 모멘트의 크기는 토크(N/m)로 보고한다. 돌림축과 활동힘의 선 간 거리는 모멘트 팔이라고 불린다. 의지보조기는 기능회복 훈련과 기능 개선을 성취하기 위한 관절을 활성화하는 모멘트를 조작하기 위해 설계할 수 있다. 

대표적인 예는, 입각기(디딤기, stance phase)동안 무릎의 버클링(buckling)으로 무릎 불안정성이 발생하는 경우이다. 이러한 사람에게 중립 혹은 약간의 발바닥굽힘(plantar flexion) 자세에서 발등굽힘을 방지하도록 설계된 발목-발 보조기(AFO)는 중간디딤기 동안 무릎 앞에 지면반발 벡터힘을 유지하게하여, 무릎의 폄 모멘트를 발생시킬 것이다. 보조기가 없이, 디딤기 동안 발등굽힘(dorsiflexion)이 디딤기 동안 일어날 때, 지면반발 벡터힘은 무릎 버클링, 무릎 폄을 유지하는 충분한 근육의 힘이 없이 굽힘 모멘트가 발생하도록 아래다리가 뒤로 움직여지는 것을 허용한다. 

출처: 의지보조기학, 범문에듀케이션 (원서: Prostehtics & Orthotics in Clinical Practice, A Case Study Approach)