무릎 통증의 물리적 정량화

#research

개요

통증과 무릎모멘트의 상관관계: 무릎 내전 모멘트(KAM)와 굴곡 모멘트(KFM)를 통해 환자의 통증 수준과 미래 손상 가능성의 상관관계 설명
EMG 기반 측정 방법론 채택: 관절 하중의 60~100% 가 근육 수축에 의한 내부 하중임을 근거로, EMG 센서를 활용한 실시간 하중 추정 논리를 수립

배경

조사 배경

COSuit 정당성 조사의 필요성

COSuit는 무릎 통증을 경감시켜주기 위한 기기
무릎 통증이 무릎에 걸리는 어떤 물리량과 관련있는지 조사
- Gain 값 인가시에 해당 물리량이 어떻게 변화하는지 관찰 필요

방향성

Goal

근육-하중-통증으로 이어지는 상관관계를 정립함
보조를 통해서 하중과 통증이 줄어들 수 있는지 없는지를 판단하는 매커니즘을 제시

Non-goal

COSuit 기기가 어떠한 방식으로 하중을 줄일 수 있는지는 보고서의 범위 밖

Future work

COSuit 기기가 어떤 원리로 하중을 줄일 수 있는지 조사 및 정리 필요

분석 및 정량화 모델

사전지식

GRF와 KAM

GRF(Ground Reaction Force): 지면을 디딤으로서 지면에서 발생하는 반발력, 무릎 중앙을 축으로 했을때 내측으로 발생한다고 알려짐
KAM(Knee Adduction Moment)
- GRF로 인해 발생하는, 내측으로 무릎이 휘게하는 모멘트 (GRF * 모멘트암)
- 모멘트암 = 무릎 중심에서 GRF까지의 최단거리
KFM, KEM
- Knee Flexion Moment, Knee Extension Moment
- KFM: 입각기에 GRF로 인해 발생하는 굽혀지는 힘
- KEM: KFM에 대항하여 사람이 발생시키는 힘

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통증 평가 도구 및 방법

평가 범주	방법론	주요 측정 항목	임상 실용성	주요 장점 및 한계
주관적 강도(Self-reporting) = 통증 점수	설문지 (NRS, WOMAC 등)	통증의 세기, 빈도, 일상생활 영향	매우 높음 (일상 진료의 핵심)	* 장점: 신속하고 비용이 들지 않으며 임상적으로 검증됨 * 한계: 환자의 주관에 의존하며 기억력이나 인지 상태의 영향을 받음
통증 위치 (Location)	무릎 통증 지도 (Knee Pain Map)	통증의 구체적인 부위 및 패턴(국소, 지역, 확산)	높음 (환자 교육 및 진단 보조)	* 장점: 재현성이 높고 환자가 이해하기 매우 쉬움 * 한계: 통증의 강도나 빈도에 대한 정보는 전혀 알 수 없음
신경 생리학 (Imaging)	기능적 MRI (fMRI)	통증 시 활성화되는 뇌 영역 및 중추 감작 지표	매우 낮음 (주로 연구용)	* 장점: 통증의 중추적 기전(뇌 변화)을 객관적으로 시각화함 * 한계: 비용이 비싸고 장비 접근성이 낮아 실제 진료엔 부적합함
감각 민감도 (QST)	압력 통증 역치 (PPT) & 조절된 통증 변조 (CPM)	통증 역치 및 신경계의 통증 억제 능력	낮음 (연구 및 특수 목적)	* 장점: 말초성 vs 중추성 통증을 구별하고 맞춤형 치료 근거를 제공함 * 한계: 심리적 요인이나 약물 복용에 의해 결과가 왜곡될 수 있음

무릎 하중과 통증의 관계 정립

무릎 하중과 통증 점수를 연관짓는것에 대한 어려움
- 무릎 하중에 대한 물리량 대비, 통증은 개인마다 상대적임
- KAM or GRF을 입력으로 하고 통증 정도를 출력으로 하는 알고리즘 or 연관 수식은 찾을 수 없었음

KAM과 미래의 무릎 고통과 상관관계

KAM값이 높은 비교군은 낮은 비교군 대비 3~4년 뒤 통증호소를 할 확률이 더 높았다.

활동	정상 그룹 (평균 KAM)	통증 발생 그룹 (평균 KAM)	차이 (%)
서 있기	0.42 ± 0.29	0.59 ± 0.43	+35%
의자에서 일어나기	1.15 ± 0.54	1.31 ± 0.70	+8%
걷기	3.05 ± 1.25	3.55 ± 1.56	+13%
계단 내려가기	4.42 ± 1.69	6.12 ± 1.88	+39%

KAM에 의한 차이의 유의확률 P = 0.01 (우연일 확률)
교란 변수
- 나이 유의확률 P > 0.3
- BMI 유의확률 P ≥ 0.1

KAM, KFM과 무릎 고통과의 상관관계
- 상관관계 Path
  - Edge의 숫자는 피어슨 상관관계 지수
  - 상관관계 지수를 제곱시, 결정계수를 계산할 수 있음
  - Pain에는 KFM과 심각도가 영향을 미침
- 한계점
  - KFM과 질병의 심각도를 합쳐도 통증 변동의 26.5%밖에 설명하지 못함
    - 나머지 73.5%는 하중외의, 심리적 요인, 개인의 통증 민감도 등에 달림
  - 하중 때문에 아픈 것인지, 아파서 하중이 변한것인지 인과관계 불명
  - 적은 표본(47명), 심한 골관절염 환자는 제외된 표본

결론

무릎의 고통은 무릎의 물리량과 중증도에 의해 일부 영향을 받음
중증도 초기에 무릎의 물리량을 줄이는 것이 통증을 방지하는데에 중요함

EMG 기반 하중 추정 메커니즘

Overview

근육 수축에 의한 Force가 전체 무릎 부하에 60~100% 차지함
무릎 부하는 통증의 직접적인 원인이므로, 근육 수축을 확인하여 통증의 증감을 확인할 수 있음

보행시 발생하는 모멘트

외력에 의한 부하는 오른쪽 그림의 빨간 화살표와 같이 발생함

보행시 GRF는 무릎 중심보다 내측을 지나며 위로 밀어올리는 힘을 만듦
이 힘 때문에 무릎을 안쪽으로 꺾으려는 내전 모멘트가 자연적으로 발생함
마지막으로 외측 무릎이 들리는 현상이 발생함
→ 무릎 근육이 내부적인 힘을 만들어내어 무릎 관절이 꺾이거나 벌어지지 않게함
근육을 수축시켜 외부부하를 상쇄하고 unloading을 방지함

내측과 외측에 발생하는 부하

아래 그림은 무릎 관절이 받는 전체 관절 압력에 대한 그림
실선: 내부부하, 무릎 근육 수축으로 인한 무릎에 인가되는 부하
점선: 외부부하, 순수하게 지면에서 올라온 힘이 무릎에 주는 부하
A는 내측 무릎: 전체 부하의 절반이 근육 수축으로 인한 내전, 또 다른 절반이 GRF로 인한 내전(KAM)임을 확인가능
B는 외측무릎: 외부 부하인 점선이 오히려 - 방향, 즉 무릎을 들어올리는 방향으로 힘을 작용시킴 → 근육이 100% 이상의 힘으로 내전을 발생시켜 무릎의 평형을 지킴
C는 A와 B의 합산으로 전체 무릎에 대한 부하(즉 통증) 기여도를 확인가능
무릎의 수축: 60~100%
외력: 0~40%

가장 왼쪽 그림은 각 근육이 보행 페이즈에서 발생시키는 힘을 나타냄 (무게로 정규화)
- 0~40% 의 구간에서 대퇴사두가 가장 많은 힘을 발생시킴 (체중 지지할때 HS)
- 50~80% 의 구간에서 비복근(종아리) 가 가장 많은 힘을 발생시킴 (앞으로 나아가는때 TO)
중간 그림의 가는 실선은 논문에서 측정한 KAM의 크기를 나타냄 (키와 무게로 정규화)
- 0~40% 의 구간과 50~80% 의 구간에서 peak가 발생함
가장 오른쪽 그림의 실선은 근육이 내는 모멘트를 나타냄, 점선은 KAM을 나타냄
- 위 아래로 넣어 어느정도의 모멘트까지 커버할 수 있는지 묘사함

결론

근육은 관절의 안정성을 위해 무릎 관절 하중의 대부분을 만들어냄
근육이 내는 힘이 작아진다면 무릎의 통증도 작아졌다고 유도할 수 있음

레퍼런스

KAM이 미래 고통을 야기함
- Knee adduction moment and development of chronic knee pain in elders
KAM, KFM과 통증의 관계, KAM 지수
- Exploring the relationship between pain intensity and knee moments in participants with medial knee osteoarthritis: a cross-sectional study
무릎 근육에 의한 하중 증가에 관한 연구
- Muscle and external load contribution to knee joint contact loads during normal gait
통증 평가 도구 및 방법
- Assessment of Pain in Osteoarthritis of the Knee