Chronic ankle instability: Biomechanics and pathomechanics of ligaments injury and associated lesions

F. Bonnela, E. Toullecb, C. Mabitc,∗, Y. Tourned, et la Sofcot

Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research (2010) 96, 424—432

Introduction

발목 관절의 불안정성을 이해하는 것은 매우 복잡하고 어렵다. 만성적인 불안정성을 유발하는 위험 요소는 bone, ligament, posture 등의 형태와 관련된 내적인 요소와, 스포츠 및 직업 등과 관련된 외적인 환경 요소가 있다. 이 글에서는 이러한 다양한 요소들의 상호관계를 이해하여 만성 발목관절 불안정성 (Chronic Ankle Instability; CAI)으로 진행하는 과정에 대해 설명하여 CAI의 적합한 검사와 치료 전략을 세우는데 도움이 되고자 한다.

From morphology to biomechanics

발목관절의 기계적인 역할은 체중을 발로 전달하여 발바닥을 통해 수직적인 스트레스를 수평적으로 분산시키는 것이다. Talocrural joint는 단순한 경첩관절이 아니고, 회전 움직임을 위주로 하는 subtalar joint와의 긴말한 상호 의존관계에 있다. 관절의 kinematics는 관절면의 형태와 multiaxial ligament system의 영향에 따라 아래와 같이 결정된다.

Bone factors

거골의 관절면 활차는 끝이 잘린 원뿔모양이다. 세밀한 해부학적 구조를 살펴보면 활차면의 외측은 내측보다 기울기가 크고 앞쪽이 뒤쪽보다 넓으며 (4±2mm) 외측 모서리의 후면은 비스듬한 삼각형 모양을 가진다 (Fig 1).

거골의 내외측 관절면은 서로 다른 시상면에 서로 다른 반경을 가지는 두 개의 원과 같이 위치해있다. 이러한 관절면의 반경에 대한 연구에 따르면 세가지 형태의 거골이 있으며 이는 Fig. 2에서와 같이 정리할 수 있다.

관절의 운동학적 측면에서 보면, 거골 활차의 내외측 모서리 곡선의 중심은 dorsiflexion 성향의 중심축과 plantar flexion 성향의 중심축을 가지고 있다. 발목 관절의 분절은 회전과 구르기 움직임을 가지고 있으며 이러한 움직임은 서로 연관되어 (rolling and sliding) 상황에 따라 즉각적으로 나타난다. 이러한 움직임의 상호작용은 관절면의 상호 일치를 완성하지만, 그렇지 못하면 관절의 기능 이상이 나타나게 된다. (Fig. 3)

시상면에서 talocrural joint의 안정성은 뼈와 인대에 의해서 결정되며, 특히 추진기 동안 관절면에가해지는 전단력은 거골이 mortise안으로 쐐기처럼 박히고, 또한 관절면 자체의 오목하고 볼록한 형태와 mortise의 지붕이 전면으로 5도 정도 기울어져 있어 완화된다.

Ligament factors

Lateral collateral ligament (LCL)

3개의 외측 인대가 있으며, 특히 calcaneofibular ligament는 비골건에 의해 덮여있으며 비골축에45도 각도를 이루며 주행한다 (Fig. 4). 외측 발목 인대에도 여러 가지 변형이 존재한다 (Fig. 5).

Medial collateral ligament (MCL)

삼각 모양의 표층 인대 (deltoid ligament)와 강력한 섬유 조직의 심부 인대로 2층으로 되어있다.

Ligaments of the talocalcaneal or subtalar joint

거골하 관절의 sinus tarsi내에는 interosseous talocalcaneal ligament가 수직 및 대각선으로 관상면에 약 35도 비스듬히 주행하며 마치 무릎관절의 십자인대와 같이 회전 안전성의 중심축 역할을 한다. 또한 anterolateral talocalcaneal ligament (cervical ligament)은 거골하 관절의 전외측 안정성에 매우 중요한 역할을 한다. (Fig. 6)

Calcaneofibular ligament (CFL)은 거골하 관절의 안정성에 중요한 것으로 종종 알려져 있으나 실제로 관절 안정성에 관여는 하지만 CFL 손상이 거골하 관절의 불안정성을 유발지는 않는다 (Fig. 7).

Joint kinematics

기능적으로, 발목 관절의 최대 안정성은 talocrural joint가 최대한 배측 굴곡되고 subtalar joint가 외번된 위치로 squatting 이나 climbing동작에서 얻어지며, 이 때 관절의 일치도가 최대한이 되고 거골은 mortise내에 정확하게 위치하게 된다. 따라서 보행 도중 발목 관절의 족저 굴곡이 나타나게 되면 가장 잠재적으로 불안정한 상태가 된다.

발목 관절의 회외 동작이 시작하면, 첫 번째 stabilizer는 거골하 관절에서 cervical ligament와 talocalcaneal interosseous ligament에 의해서 나타나며, 지속적으로 관절이 족저 굴곡되면서 내번이 완성되면 두 번째 stabilizer인 anterior talofibular ligament가 긴장하게 된다.

발목이 족저 굴곡되면 거골은 수평면에서 내회전, 즉 내전 움직임을 보이고, 배측 굴곡되면 외회전, 즉 외전 움직임을 보인다. 거골의 이러한 회전 움직임은 경골의 수직 축에 대해 경골이 내회전 시 다른 굴곡 움직임 없이 외회전 운동을 하게 된다. 따라서, 거골은 굴곡과 신전에서 구르기 움직임과 관상면에서 내전-외전 움직임을 포함하는 수평면에서의 회전 미끄러짐 운동을 나타내므로 다양한 축의 운동역학을 가진다.

경골이 고정된 상태에서 발목 관절의 배측 굴곡은 거골의 회내 움직임을, 족저 굴곡은 회외 움직임을 유발한다. 이러한 복합적인 움직임은 원위부 경비인대 결합이 단지 비대칭적인 형태의 거골에 적응하기 위한 것뿐 아니라 talocrural joint에 가해지는 충격을 흡수하여 내외측 malleolus의 피로골절의 위험을 감소시키는 역할을 한다.

거골이 고정된 상태에서는 경골이 AP 축에 대해 족저 굴곡시 외회전을 배측 굴곡시 내회전을 하게 되며 이러한 움직임의 범위는 위에서 언급한 거골의 반경의 차이에 따라 달라진다.

가장 흔한 Type I에서 발목 외측 인대에 가해지는 긴장은 배측/족저 굴곡에 따라 발목 외측 인대의 앞(ATFL) 혹은 뒤(PTFL)로 증가되어 나타나며 이는 회전 안정성을 의미한다. CFL은 비스듬히 주행하는 방향성 때문에 배측 굴곡시에 긴장되어 ATFL과 함께 거골을 안정화시키고, 내측 인대는 발목 회전의 중심으로 회전 운동이 이곳을 중심으로 나타난다. Type II에서는 거골의 내외측 반경이 같으므로 회전 스트레스는 낮고 인대의 긴장은 ATFL에 주로 나타난다. Type III에서는 거골의 내측 반경이 크므로 거골의 내회전과 회내를 최소화하는 모양 자체가 ATFL과 cervical ligamnet를 보호하는 형태이다.

Pathomecanics of ligaments and associated lesions

Mechanical instability

Mechanical bone instability. 경골과 거골의 구조적 이상으로 위에서 언급한 거골 활차의 반경의 형태학적인 차이와 그에 따른 결과와 관련 있다 (Type I). 불안정한 발목은 관절면의 일치도 결함으로 측부 방사선에서 경골에 비해 거골이 앞쪽에 위치하여 나타난다.

Mechanical ligament instability. 발목 불안정성은 반드시 손상 후에만 나타나지 않고 Marfan 증후군에서와 같은 구조적인 hyperlaxity에 의해서도 나타난다. 이는 관절의 mechanoreceptor에 대한 자극이 부족해지면서 불안정성을 유발하게 되며, dynamic x-ray를 통해 확인하는 것은 주변 근육의 긴장으로 발견하기 어려우며, 특히 거골하 관절의 불안정성은 관절 자체의 복잡한 형태 때문에 임상적으로 확인하기 매우 어렵다.

Mechanical joint instability. 발목 관절의 배측 굴곡 제한은 불안정성의 또 다른 원인이 된다. 따라서 관절 전면부의 impingement exostosis, synovial hypertrophy 등이 불안정성을 악화시키는 요인이 될 수 될 수 있으므로 재활 치료에 고려되어야 한다. 또한 비복근이 짧아지거나 혹은 원위부까지 길게 발달한 경우도 원인이 될 수 있다.

Functional instability

기능적 불안정성은 발목 주변의 복잡한 근육 구조와 고유수용감각을 포함한다. 이학적 검사에서 4가지 대표적인 수용체계 (neuromuscular spindles, Golgi tendon organs, Ruffini joint mechanoreceptors, plantar cutaneous mechanoreceptors)와 Vision 및 vestibular system을 반드시 고려해서 포함해야 한다. Neuromuscular spindles은 빠르고 무의식적인 suprasegmental pathway와 느리고 의식적인 cortical pathway를 통해 내번 손상 기전에서 잘 알려진 myotactic reflex를 유발하고, Golgi tendon organs은 건을 과긴장으로 부터 보호하고, joint mechanoreceptors도 관절을 보호하는데 매우 중요하지만 이 모든 protective reflexes들은 실제 인대 손상 (약 30ms)을 예방 할 수 있을 만큼 빠르게 나타나지 못한다. 따라서 실제로 발의 지면 접지 100ms이전에 근육의 preactivation이 손상 예방에 중요하게 작용한다. 또한 발바닥 표면의 5 구역에 분포하는 고유수용감각 체계는 발의 위치를 잘 구분하여 손상 예방에 기여하며, 불안정성의 경우에 이러한 발바닥 감각의 민감도가 감소된 것으로 알려져 있다. 이러한 고유수용 체계를 임상적으로 평가하기 위해서는 눈감고 한발로 서기와 반복적인 hopping이 도움이 된다.

Functional muscular instability. 일시적인 신경학적 이상 (crossed leg syndrome)이나 근육 이상 (muscle belly developed too distally, tenosynovitis or luxation of the fibularis muscles)에서 나타날 수 있다.

Functional postural instability. Hindfoot varus는 발의 측면에 과도한 압력과 측면에 과긴장을 유발한다. 그 결과로 extensor digitorum의 수축 이상, clawing of the 5^th toes, callus under the head of the fourth metatarsal 등이 나타날 수 있다.