[TKA] 정상적인 무릎의 운동학 (native knee kinematics)

인체 무릎에서 발생되는 운동 역학

• 무릎의 움직임의 특성은 flexion-extension을 바탕으로 rotation, pivot, gliding movements과 연관
• Flexion과 extension 동작 시 기본적으로 회전 (rotation)이 발생
• 운동 점과 지지되는 부분을 바탕으로 pivot도 존재
• 무릎의 bone의 면 (femur의 distal 부분)과 면 (tibia의 proximal 부분)의 순간적인 미끌림(활공; gliding)이 존재 
• 무릎 운동을 제어하는 3가지 요인

1. articular geometry
2. ligamentous balance
3. muscular tension

 

관절의 geometry - femur

• medial femoral condyle (MFC)과 lateral femoral condyle (LFC) 은 서로 다른 크기를 가지며, 각각이 가지는 곡률 반경 (radius of curvature) 이 다름
• MFC는 distal과 posterior 부분의 bone이 가지는 곡률 반경이 상대적으로 균일한 편
• LFC는 distal및 posterior 부분의 곡률 반경의 차이가 상대적으로 큰 편

medial, lateral의 femoral condyle이 보이는 radius of curvature

• 위와 같은 MFC와 LFC의 차이는 flexion-extension의 운동에서 medial 부분과 lateral 부분에서 차이가 발생
• Tibia의 proximal 부분에서 힘이 지지되는 점의 위치가 medial, lateral 부분이 F/E운동 시 서로 차이가 발생
• Lateral 부분에서 posterior 부분으로 지지되는 점이 이동이 발생 - posterior rollback

medial, lateral의 femoral condyle에서 보이는 힘 지지점 변동

• Posterior roll back으로 인해 인체는 쪼그리고 앉거나 구부리는 동작이 가능
• 전방 후방 십자인대(cruciate ligament) 모두가 roll back에 관여함 (후방 십자 인대만 있는 경우 roll back이 많이 줄어듬을 확인한 case로 설명)
• Roll back은 관절의 굴곡 (flexion) 운동량과 관련이 깊어서 roll back이 많으면 후방 연부 조직 충돌 (posterior impingement)이 줄어들어 굴곡 운동이 증가

posterior rollback에 대한 설명

 

관절의 geometry – tibia

• Medial과 lateral의 tibia plateau 부분 (tibia의 proximal 부분)에도 femur와 비슷하게 차이가 있음
• 이전 femur에서 이야기한 Posterior rollback을 고려한 설계가 tibia에도 같이 적용되어 있음
• Medial 부분은 오목 (concave)한 구조를 띄는데, 이는 힘이 지지되는 부분의 차이가 없게 하여 pivot과 같은 motion이 발생
• Lateral 부분은 평평 (flat)한 구조를 가지는데, 이는 posterior rollback을 고려한 설계라고 볼 수 있으며 gliding과 같은 motion이 발생

medial, lateral tibia plateau의 모양 차이를 X-ray에서 볼 수 있음

 

Ligament stabilization

• 관절이 가진 geometry로 무릎의 운동이 guide 된다면 안정성의 역할을 하는 것은 ligament
• Collateral Ligaments

1. coronal plane에서의 stability을 제어
2. varus, valgus 등을 억제

• Cruciate Ligaments

1. sagittal plane에서의 stability를 제공
2. flexion/extension에서 cartilage가 받는 하중의 위치를 바꾸어 줌 : cartilage 마모 (wear)와 연관이 있으며 UKA 진행 시 마모 패턴에 대한 고려가 필요
3. anterior, posterior 방향의 탈구 (subluxation) 방지

knee anatomy

 

Cartilage와 meniscus의 stabilization 제공

• Cartilage는 femur의 distal부분을 감싸며 기계적 마모를 줄임 - 마찰 감소
• Meniscus는 tibia의 proximal 부분에 있으며 오목한 구조로 관절의 합동성과 부드러운 운동이 가능하게 함
• Meniscus는 오목한 구조를 통해 관절 사이의 접촉 면적을 늘려 실질적인 접촉면의 force를 분산

 

Muscles의 역할

• 무릎의 운동성을 제공
• Popliteus 부분이 flexion, extension에서 주된 역할을 수행

knee anatomy with muscle

 

 

 

Reference

• https://hipandkneebook.com/tja-publication-blog/2017/3/1/knee-basics-native-kinematics
• https://orthoinfo.aaos.org/en/diseases--conditions/combined-knee-ligament-injuries/

Combined Knee Ligament Injuries - OrthoInfo - AAOS

NATIVE KNEE KINEMATICS — Hip & Knee Book