The foot core system: a new paradigm for understanding intrinsic foot muscle function

 Patrick O McKeon,1 Jay Hertel,2 Dennis Bramble,3 Irene Davis4

사람의 발은 매우 복잡한 구조로 다양한 기능을 가지고 있다. 직립시에는 체중을 지지할 수 있는 근간이 되고, 보행시 strike와 push off시에는 안정성을 주며, mid-support시에는 mobile adaptor와 loading을 줄여주는 역할을 하게 하며, 스프링의 역할과 같이 foot strike마다 elastic energy를 적절히 저장하고 방출을 하는 역할을 담당한다.

이러한 기능은 intrinsic foot muscle과 extrinsic foot muscle 의 control에 의해 foot arch가 변형 됨에 따라 이뤄지며, 이러한 foot arch는 무게를 지지, 운반하며, 달리게 되는 등 그 역할이 증가하면서 지속적으로 진화된 결과라고 볼 수 있습니다. 이와 같이 arch 의 안정성을 주는 foot의 central core역할은 정상적인 기능 수행에 있어 필수적인 요소이다. foot arch는 허리의 lumbopelvic core 근육과 유사하게 local stabilizer와 global mover의 두가지 역할에 의해 조정이 되게 된다.

local stabilizer는 발에서 origin하고 insertion하는 plantar intrinsic muscle 4층으로 이루어져 있고, global mover는 발을 벗어나 lower leg에서 origin해서 ankle을 거쳐 foot으로 insertion하는 근육들로 구성이 된다.

각각의 footstep에서 4층으로 구성된 instrinsic muscle들은  arch 의 변형 정도와 velocity를 조절하는 역할을 하게 된다. 만일, 이들이 제 기능을 하지 못하게 되면 문제가 생기게 된다.

그 한 예로, 족저근막염 같은 경우는 arch의 과도한 deformation으로 인한 것으로 이는 반복적인 strain injury로 인한 overuse의 결과라고 볼 수 있다.

그래서 여기서 저자들은 foot core system paradigm에 대해,

1) locomotion에대한 arch를 평가하고

2) foot core의 subsystem에 대한 설명을 하며

3) foot core stability의 개념을 통합하여 foot에 대한 치료와 평가를 review하고

4) 향후 나아가야 할 방향에 대해 논의하고자 한다.

서론

저자들은 진화론에 의거해 발의 형태학적인 변화를 설명하고 있는데, 인류는 아프리카 유인원으로부터 진화되었으며, 두발로 직립 보행하게 되면서 hallux는 좀더 커지고 addcution되고, lat digit은 짧아졌으며, tarsal bone은 compaction되게 재정렬되고, 좀더 강하게 발바닥에 장력을 줄 수 있는 medial longitudinal arch가 추가되었다고 설명하고 있다.

유인원들의 transverse arch는 현재와 비슷했지만 crucial medial longitudinal arch는 없거나 약하게 발현되어있었는데, 점차 발달된 medial longitudinal arch를 갖게 되면서 현재와 같은 발의 구조를 갖게 되었다고 한다.

또한 진화과정을 running과 walking을 통해 설명하고 있는데, running과 walking에 가장 큰 차이점은 running시에는 아킬레스 건, plantar aponeurosis, foot의 아래 면에 대한 spring ligament로 구성된 Leg spring의 역할이 중요하게 작용한다는 것이다.

running은 walking시보다 late stance와 toe off시에 strong aponeurosis를 통해서 발가락에 좀더 extension force를 전달하게 되고, running시 longitudinal arch의 mid stance flattening은 쿠션 역할을 할 뿐만 아니라 stretch된 elastic tissue에 회복 가능한 strain energy를 저장하는 역할을 하기 때문에, 4발 달린 동물들의 running과는 달리 인간들은 intrinsic foot muscular system을 유지하고 있어 한발로도 균형을 잘 컨트롤하거나 울퉁불퉁한 곳에서도 잘 움직일 수 있게 된다. intrinsic foot muscle은 주로 walking의 late stance에 작용하며, 특히 빠른 스피드에서 medial longitudinal arch의 flexor function을 증가시킬 뿐 아니라 loading의 적절한 분배를 조절하는 중요한 역할을 하기도 한다.

foot의 core system은 lumbopelvic hip core stability와 비슷한 메커니즘을 가진다. foot core system은 passive subsystem, active subsystem, neural subsystem으로 나누기도 한다.

1. Passive subsystem

  bone, ligament, joint capsule로 구성되어 medial 과 lateral longitudinal arch 뿐 아니라 anterior 와 posterior transverse metatarsal arch를 포함하는 4개의 arch를 가지며, 이들 arch는 functional half dome 형태로써 dynamic activity를 하는 동안 flexible하게 loading 변화에 작용하게 해주는 역할을 한다.

2. active subsystem

발에 붙어있는muscle, tendon으로 구성되며 local stabilizer로는 foot에서 origin하고 insertion하는 plantar intrinsic muscle 들과, global mover로는 fig 5에서 볼 수 있듯이 lower leg에서 origin하고 ankle을 거쳐 foot에 insertion하는 extrinsic muscle들을 일컫는다.

intrinsic muscle은 발등과 발바닥면에 있지만 plantar intrinsic muscle이 foot half dome의 longitudial & transverse arch를 기능적으로 이어주는 역할을 하게된다.

plantar intrinsic foot muscle은 심부에서부터 plantar aponeurosis의 4개의 근육층으로 구성이 되어있으며, 첫 2개 층은 medial & lateral longitudinal arch이며, 심부는 anterior & posterior transverse arch로 구성된다.  이들의 기능은 foot arch를 지지하는 것과, activity, load dependent, synergistic, modulation의 기능을 가지고 있다.

extrinsic foot muscle의 기능은 그들의 long tendon을 통해서 foot motion을 generation시키는 global mover의 기능을 가지며, foot dome의 longitudinal & transverse component를 컨트롤 및, dynamic support의 기능을 갖게하여 dynamic activity동안 충격 흡수와 추진력을 제공한다.

3. neutral subsystem

active & passive subsystem을 구성하는 plantar fascia, ligament, joint capsule, muscle, tendon 에 대한 sensory receptor로 구성되며 이는 Plantar cutaneous receptor와 함께 작용하여 gait와 balance를 유지하는데 중요한 요소로 작용하는데 이들 sensor는 training을 통해 foot dome deformity에 대한 sensitivity를 변화시킬 수 있다.

반복적인 contraction에 의한 muscle fatigue의 경우에는 lower extremity의 다른 area에서 Joint position sense를 감소시키는 것으로 보여지며 이는 muscular contraction을 통해 passive subsystem에 직접적인 support를 제공할 뿐아니라 foot dome posture에 대한 sensory information도 제공한다는 것을 의미한다. 하지만 최근의 systematic review에는 intrinsic foot muscle의 기능을 평가하는 gold standard는 없는것으로 알려졌다.

직접 평가하는 방법에는 toe flexion strength를 평가하는 것이며, 간접적 평가 방법은 intrinsic foot muscle function을 평가하는데 있어 imaging technique과 EMG를 포함하고 있다.

Toe flexion strength를 측정하는 test: intrinsic 과 extrinsic toe flexor muscle을 구별하여 평가하지는 못하며, 그 방법은 manual muscle testing, toe grip dynamometry, pedobarography,  paper grip과 intrinsic positive test를 이용한 special test등

intrinsic foot muscle test: single limb stance 동안 환자가 neutral foot posture를 유지하는 능력과, medial longitudinal arch height를 기능적으로 평가하는 방법이 있다.

plantar intrinsic foot muscle의 therapeutic exercise는 towel curling과 발가락으로 돌을 집게하는 flexion exercise들이 있다. 이러한 운동은 plantar intrinsic muscle을 activation시킬 뿐 아니라, flexor hallucis longus 와  flexor digitorum longus muscle의 activation에도 작용을 한다.

최근에는 fig 7과 같이 short foot exercise라고 해서 plantar intrinsic muscle의 isolate contraction을 시키고자 medial longitudinal arch가 elevation되면서 intrinsic muscle이 calcaneus방향으로 first metatarsophalangeal joint를 당겨지도록 해서 foot 이 짧아지게 만드는 운동이 있다.

여러가지 운동에 대한 긍정적인 효과를 보여주는 결과는 많으며, chronic ankle instability를 가진 환자에게 4주간 balance exercise를 하면서 short foot exercise를 병행한 경우 기능이 향상되었다고 보고되고 있다.

barefoot 혹은 minimal footwear walking, running은 foot core system을 strengthening 시키는 training tool로 사용 되어지고 있는데, Hanna 등은  4개월간의 barefoot walking과 running을 통해서 발의 길이가 의미 있게 감소하는 것을 보고하였다고 한다.

이렇게 발의 길이가 짧아지는 것은 arch가 올라가는 것을 의미하게 되고 muscle size는 muscle strength와 연관되는 것으로 보이며, 이런 원리를 이용해서 Bruggemann등은 5개월간 훈련받은 달리기 선수들 발의 core muscle 의 일부를 cross section해보니 의미있는 증가를 보였다고 한다.

barefoot의 또 다른 장점은 plantar surface를 통한 sensory input이 증가한다는 점인데, sensory input은 postural stablity와 dynamic gait pattern에 매우 중요한 요소이며, 두꺼운 양말을 신고 한발로 서있을 때보다 맨발로 서 있을 때 postural stability 및 dynamic stability 가 더 증가한다는 것을 보여준 연구도 보고되고 있다.

따라서 환경만 된다면 barefoot activity를 하는 것이 foot function 향상에 도움이 될 것이나 abnormal sensation을 가진 사람들의 경우에는 주의해야 할 것이다.

이처럼 foot core muscle, arch 만들기가 foot function에 중요하다는 것이 널리 인지되었으면 한다.