[Rothman 7th ed] S1 BASIC SCIENCE - 6. Biomechanics of the Spinal Motion Segment

 

Introduction

• Spinal motion segment는 인접한 두 개의 vertebrae와 그 사이의 intervertebral disc, 그리고 facet joints, ligament, muscle로 구성된 척추의 기본 기능 단위이다.
• 이 단위는 생역학적으로 three-joint complex로 간주되며, 다양한 방향의 힘과 움직임을 처리하는 구조적 및 기능적 복합체이다.
• 척추의 역학적 이해는 수술 계획, 재활 전략, 보조기 설계, 임플란트 고안 등에 매우 중요하다.

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Concepts of Load and Deformation

• 척추에 가해지는 힘은 주로 다음과 같은 형태로 분류된다:
  • Compressive force: 축 방향 압박
  • Tensile force: 인장력
  • Shear force: 수평 방향 힘
  • Torsional force: 회전력
  • Bending moment: 굴곡에 의한 모멘트
• 이들 힘은 stress와 strain이라는 물리량으로 분석되며,
  • Stress는 단위면적당 가해지는 힘
  • Strain은 원래 길이에 대한 변형의 비율을 나타낸다.
• 척추 조직은 nonlinear, anisotropic, viscoelastic한 성질을 가지며, 이에 따라 변형-하중 관계는 복잡하게 나타난다.
  • 예: intervertebral disc는 낮은 하중에서는 유연하지만, 고하중에서는 급격히 강성이 증가한다.

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Nonlinear and Viscoelastic Behavior

• 척추 구조물의 중요한 특성 중 하나는 nonlinear load-deformation behavior이다.
  • Neutral zone: 저항이 거의 없는 구간
  • Elastic zone: 저항이 증가하는 구간
  • Failure zone: 조직 손상이 시작되는 한계점
• Viscoelasticity는 시간의존적 반응을 의미하며, 대표적 현상으로 다음이 있다:
  • Creep: 일정한 하중 하에서 시간에 따라 점진적 변형
  • Stress relaxation: 일정 변형 상태에서 시간에 따라 응력이 감소
  • Hysteresis: 하중–변형 곡선의 비대칭성, 에너지 손실 의미
• 이러한 성질은 척추 조직의 일상적인 하중 순환(예: 앉기–서기–움직임) 동안 충격 흡수, 안정성 유지, 에너지 효율에 기여한다.

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Load Sharing

• 척추에서 하중은 여러 구조물 간에 나뉘어 전달되며, 이를 load sharing이라 한다.
  • Intervertebral disc는 대부분의 compressive load를 지지하며,
  • Facet joints, ligament, muscle은 보조적으로 shear, bending, rotation에 저항한다.
• 디스크가 퇴행하거나 손상되면 load redistribution이 발생하며, 이차적으로 facet joint degeneration, ligament hypertrophy, bony remodeling으로 이어질 수 있다.

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Coordinate System and Force/Movement Definitions

Three-Dimensional Coordinate System

• 척추 운동과 힘의 생역학적 분석에는 orthogonal 3D coordinate system이 사용된다.
• 기준축은 다음과 같이 정의된다:
  • X-axis: 좌우(Lateral–medial) 방향 → flexion/extension의 기준
  • Y-axis: 상하(Superior–inferior) 방향 → axial rotation의 기준
  • Z-axis: 전후(Anterior–posterior) 방향 → lateral bending의 기준
• 이 좌표계를 통해 **rotation (in degrees)**과 **translation (in mm)**를 정의하며, 이를 기반으로 six degrees of freedom이 설정된다:
  1. Flexion/Extension (X축 회전)
  2. Axial Rotation (Y축 회전)
  3. Lateral Bending (Z축 회전)
  4. Anterior/Posterior Translation
  5. Superior/Inferior Translation
  6. Medial/Lateral Translation

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Force and Moment Definitions

• Forces는 선형 이동을 유발하며, 단위는 **Newtons (N)**이다.
  • 예: compression, shear, traction 등의 힘
• **Moments (or Torques)**는 회전 운동을 유발하며, 단위는 **Newton-meters (Nm)**이다.
  • 예: flexion moment, torsional moment
• 척추의 각 구조물은 위치와 방향에 따라 서로 다른 축을 기준으로 힘과 모멘트를 받으며, 이는 임상적 해석 및 기기 설계 시 중요하다.

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Spinal Motions and Nomenclature

• 척추의 움직임은 neutral posture를 기준으로 한 상대적 회전 또는 변위로 정의된다.
• 관절 운동의 명칭은 일반적으로 상위 척추가 하위 척추에 대해 움직이는 방향으로 기술된다.
  • 예: L3 flexion relative to L4 → forward bending of L3
• 움직임의 방향성과 명칭을 혼동 없이 정의하기 위해서는 표준화된 coordinate system에 따른 정의가 중요하다.

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Coupled Motions

• 실제 임상 및 실험에서는 한 축의 움직임이 다른 축의 **보조적 움직임(coupled motion)**을 유발하는 현상이 자주 관찰된다.
• 예시:
  • Cervical spine: lateral bending 시 동일 방향의 axial rotation이 동반됨
  • Thoracic/lumbar spine: 자세에 따라 다양한 coupling 패턴이 존재하며, 명확히 예측되기 어려움
• Coupled motion은 해부학적 배열, facet orientation, disc properties, ligament tension 등 복합적 요소에 의해 결정된다.

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In Vitro Spine Biomechanics

Overview

• In vitro spine biomechanics 연구는 human cadaveric spine을 이용하여 척추의 기계적 특성을 정량적으로 측정하고, 다양한 임상적 상황을 시뮬레이션하는 데 목적이 있다.
• 실험을 통해 얻은 데이터는 surgical technique, implant design, motion preservation, fusion strategy 등에 대한 기초 자료로 활용된다.

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Load–Deformation Curve

• 척추의 하중–변형 관계는 일반적으로 nonlinear load–deformation curve로 표현된다.
• 이 곡선은 다음의 세 구간으로 구분된다:

1. Neutral Zone:
   • 초기 작은 하중에서 큰 변형이 발생하는 저항력 낮은 영역.
   • segmental laxity 또는 불안정성을 나타내는 지표로 활용됨.
2. Elastic Zone:
   • 하중이 증가함에 따라 저항력이 증가하며, 조직은 탄성적으로 반응함.
   • 이 구간 내에서는 하중 제거 시 원래 상태로 회복됨.
3. Failure Zone:
   • 하중이 특정 한계를 초과하면 조직 손상이 발생하며 비가역적 변형이 나타남.

• 척추 구조물의 stiffness는 일반적으로 elastic zone의 기울기로 정의된다.

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Stiffness and Range of Motion

• Stiffness는 특정 하중에 대한 변형의 저항 정도이며, 단위는 Nm/deg 또는 N/mm로 나타낸다.
  • Higher stiffness → 변형 저항 큼
  • Lower stiffness → 더 유연함, 그러나 불안정 가능성 존재
• **Range of Motion (ROM)**은 maximum displacement or rotation을 의미하며, 임상적으로는 움직임의 자유도를 나타내는 지표이다.
• **Neutral Zone (NZ)**의 크기는 clinical instability의 주요 지표로 간주되며, 이는 fusion surgery, disc arthroplasty, ligament resection의 평가 기준으로 활용된다.

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Experimental Loading Paradigms

• 실험은 여러 종류의 하중 조건에서 수행될 수 있다:

1. Pure Moment Loading:
   • 축과 관계없이 일정한 회전력만을 적용하는 방식.
   • gravity, muscle force와 무관하게 segment 고유 특성 평가 가능.
2. Hybrid Loading:
   • 수술 전후의 ROM을 일정하게 유지하면서 필요 회전력을 측정함.
   • 척추 수술 후 compensatory mechanics 이해에 유리함.
3. Load-Controlled vs. Displacement-Controlled Testing:
   • Load-controlled: 힘을 일정하게 유지하며 변형 측정
   • Displacement-controlled: 변위를 일정하게 유지하며 필요한 힘 측정

• 각 방식은 clinical relevance, repeatability, physiologic simulation 측면에서 장단점이 있으며, 실험 목적에 따라 선택된다.

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Limitations of In Vitro Testing

• 생체 외 환경의 한계로 다음과 같은 제한점이 존재함:
  • Absence of muscle tone: 실제 생체보다 안정성 부족
  • Tissue degradation: cadaveric 조직의 시간 경과에 따른 특성 변화
  • Specimen variability: 연령, 성별, 골밀도 등의 개체 간 차이
  • No physiologic healing or remodeling: 수술 후 생체 적응이 고려되지 않음
• 그럼에도 불구하고 in vitro testing은 척추 생역학의 기초적인 이해와 새로운 기술의 안전성 평가에 필수적인 실험 방식이다.

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Load Tolerance of the Spinal Motion Segments

Overview

• Spinal motion segment의 load tolerance는 해당 분절이 손상 없이 견딜 수 있는 최대 하중 또는 변형 정도를 의미한다.
• 이 수치는 척추의 생역학적 거동과 임상적 손상 임계치를 이해하는 데 중요하며, 수술 후 안정성 평가나 보조기 설계, 재활 프로토콜 수립에 활용된다.

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Compressive Strength

• Vertebral body는 주로 compressive load를 지지하며, 성인에서 정상적인 **functional spinal unit (FSU)**은 대개 2000~3000 N 이상의 압박 하중을 견딜 수 있다.
• Compressive failure는 다음과 같은 조건에서 발생할 수 있다:
  • Osteoporosis에 의한 trabecular bone 약화
  • Endplate fracture, Schmorl’s node 유발
  • Axial overload 상황 (예: 낙상, 직각 압박)
• Disc degeneration이 동반될 경우, 하중이 균등하게 분산되지 않고 특정 부위에 집중되어 손상 위험이 증가한다.

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Torsional Strength

• 척추는 torsional force에 상대적으로 취약한 구조로, 특히 annulus fibrosus의 구조적 연속성이 파괴될 경우 회전력에 의해 손상이 발생한다.
• Torsional failure는 대개 annular tear로 시작되며, 이는 herniation의 전조가 될 수 있다.
• 정상 상태에서의 회전력 허용 한계는 수준마다 다르며, lumbar spine은 다른 부위보다 회전 제한성이 크고, 이에 따라 낮은 torsional ROM을 가진다.

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Shear and Bending Loads

• Shear force는 특히 facet joint, disc, ligament complex에 부담을 주며, spondylolisthesis의 기전과 관련된다.
• Flexion–extension 또는 lateral bending 중에는 posterior elements가 주요 저항 구조로 작용한다.
• Facet joint orientation, disc height, ligament stiffness는 이러한 하중에 대한 내성과 관련된 주요 변수이다.
• Excessive flexion 하에서 interspinous ligament rupture, capsular tear, 그리고 facet subluxation이 발생할 수 있으며, 이는 traumatic instability의 원인이 된다.

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Age and Degeneration Effects

• 나이가 들수록 모든 방향의 하중에 대한 tolerance가 감소한다.
  • Trabecular bone density 감소
  • Disc height 소실 및 dehydration
  • Ligament laxity 및 facet degeneration
• 이러한 변화는 외상 없이도 손상이 발생할 수 있는 mechanical fragility를 유발하며, 고령자에서는 일상 활동 중 발생하는 low-energy trauma가 심각한 손상으로 이어질 수 있다.

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Cumulative Loading and Fatigue

• 반복적인 하중 축적(cumulative loading)은 조직의 microdamage를 축적시키며, 특히 intervertebral disc, endplate, facet cartilage에서 피로 누적이 관찰된다.
• 일정 하중 이하라도 반복 횟수가 많아지면 조직은 결국 파열되며, 이를 fatigue failure라 한다.
  • 예: 직업적 반복 동작, 장시간 진동 노출 등
• 실험에서는 수백~수천 회 반복된 moderate compression or torsion 하중이 annular fissure, nucleus migration, endplate microfracture를 유발할 수 있음이 입증되었다.

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In Vivo Spine Biomechanics

Overview

• In vivo spine biomechanics는 살아있는 인간의 척추에 작용하는 실제 생역학적 환경을 분석하는 분야로, in vitro 또는 finite element model로는 완전히 대체할 수 없는 현실 기반 정보를 제공한다.
• 측정 기술의 발전으로 telemetry, dynamic fluoroscopy, biplanar radiography, MRI-based motion capture, instrumented implants 등을 통해 직접 측정이 가능해졌다.

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Intradiscal Pressure

• 정상 성인의 lumbar spine에서 **intradiscal pressure (IDP)**는 체위와 활동에 따라 다양하게 변한다.
  • 예:
    • Supine: ~0.1 MPa
    • Standing: ~0.5 MPa
    • Seated, forward flexed: ~0.8 MPa 이상
    • Lifting with flexion: 최대 2.3 MPa까지 상승
• 이러한 압력 변화는 disc nutrition, degeneration, herniation risk와 밀접하게 연관되어 있으며, load distribution pattern 이해에 중요한 지표로 활용된다.

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Facet Joint Loading

• 생체 내에서의 facet joint contact force는 체위와 움직임에 따라 달라지며, extension과 axial rotation 시 특히 증가한다.
• 연구에 따르면:
  • Facet joints는 전체 load transmission의 10~20%를 담당할 수 있으며,
  • Disc degeneration, segmental kyphosis, 또는 instability 상태에서는 더 많은 하중을 받게 된다.
• 이는 facet arthropathy나 adjacent segment disease의 병태와 관련되며, 수술 후 재분배되는 하중 평가에 중요하다.

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Paraspinal Muscle Forces

• Erector spinae, multifidus, psoas, quadratus lumborum 등은 자세 유지와 척추 운동의 주된 active stabilizer이다.
• 생체 내에서 이들 근육은 매우 큰 compressive preload를 생성하여 척추 안정성을 유지하며, 이는 intradiscal pressure를 상승시키는 주요 요인 중 하나이다.
• 예를 들어, 10 kg 물체를 허리 굴곡 상태에서 들 경우:
  • 실제 vertebral compressive load는 1800~2500 N 이상까지 증가 가능 (물체 무게 자체보다 훨씬 큰 수치)
• Muscle co-contraction은 회전이나 측굴에 대한 안정성을 증가시키지만, 동시에 spinal compression load도 유발한다.

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Posture and Motion

• 다양한 자세에 따른 척추의 생역학적 반응은 다음과 같다:
  • Standing posture: 가장 안정적인 상태 중 하나로, 하중 분산이 균형 있게 이루어짐
  • Sitting posture: lumbar lordosis loss, posterior annular pressure 증가, facet unloading
  • Flexion: disc pressure 증가, facet unloading
  • Extension: facet loading 증가, posterior element engagement
• Dynamic activities (걷기, 점프, 물건 들기 등) 동안 척추에는 다축 방향의 combined load가 작용하며, 이는 실시간 load redistribution을 요구한다.

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Clinical Relevance

• In vivo biomechanical insight는 다음과 같은 임상적 응용에 결정적 역할을 한다:
  • Implant design (예: disc arthroplasty, fusion systems)
  • Rehabilitation protocols (자세 훈련, 근력 강화 프로그램)
  • Postural education and ergonomics
  • Surgical outcome prediction (특히 adjacent segment mechanics 예측)
• In vivo data는 이론 모델을 검증하고, 임상 결정을 위한 현실적인 경계조건을 설정하는 데 매우 중요하다.

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Finite Element Modeling of the Spine (System)

• **Finite element analysis (FEA)**는 척추 생역학 연구에서 강력한 계산 도구로, 복잡한 해부학적 구조의 biomechanical behavior를 시뮬레이션할 수 있게 한다.
• 이 방법은 실제 spinal segment를 수천 개의 작은 finite elements로 분할하고, 각 요소에 물성치(material property)와 경계조건(boundary condition)을 적용해 전체 구조의 하중 반응을 예측한다.

Modeling Components

• Vertebral body, intervertebral disc, facet joint, ligament, muscle, implant 등이 정확하게 반영되며, 각 구성요소는 서로 다른 재료 특성과 생역학적 기능을 가진다.
• 특히 intervertebral disc는 nonlinear, anisotropic, viscoelastic 물성치를 적용하여 실제 생체 반응을 정밀하게 모사한다.

Advantages

• 다양한 수술 시나리오(fusion, arthroplasty, decompression)를 비침습적으로 시뮬레이션 가능
• 실험적 접근이 어려운 조건(예: 고하중 반복, 피로누적, 복잡한 변형)을 가정할 수 있음
• stress/strain mapping, implant load analysis, tissue failure prediction 등에서 유용

Limitations

• 정확도는 입력되는 해부학적 데이터, 물성치, 경계조건에 크게 의존
• 모델 단순화로 인해 실제 생리적 조건 반영에 한계 존재
• validation이 필수적이며, in vitro 또는 in vivo data와의 비교를 통해 신뢰도 확보 필요

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Summary

• Spinal motion segment는 해부학적으로 복잡하고, 다양한 기계적 요소가 상호작용하는 load-bearing and motion-guiding unit이다.
• 이 구조는 nonlinear, viscoelastic, time-dependent, multiaxial 특성을 보이며, 기능성과 안정성의 균형이 중요하다.
• Disc, facet, ligament, muscle은 하중을 분담하며, 각각 고유의 역할을 수행한다. 이들의 변화는 전체 운동학에 영향을 미친다.
• Degeneration, trauma, surgical intervention 등은 척추 분절의 기계적 균형을 교란시킬 수 있으며, 이때 생역학적 이해는 진단, 수술 설계, 재활 처방의 핵심이 된다.
• In vitro, in vivo, computational modeling은 각각 장단점이 있는 보완적 연구 접근 방식이며, 임상 적용 전에는 반드시 validation이 필요하다.
• 생역학 지식은 fusion strategy, motion preservation, prosthesis design, rehabilitation program 등 모든 척추 진료의 기반이 되며, 현대 척추외과학에서 필수적이다.