근골격계 해부학: 뼈·관절·근육의 구조와 움직임

1918년의 부착부와 1995년의 움직이는 지렛대

1918년판 『Anatomy of the Human Body』, 곧 『Gray’s Anatomy』의 판 410에는 어깨뼈에서 시작해 위팔 앞면을 지나 노뼈로 내려가는 상완이두근(위팔두갈래근; musculus biceps brachii)이 그려져 있다. 위팔 앞면을 채운 근육덩이와 팔꿈치 아래로 좁아지는 힘줄의 자리는 한 장 안에서 거의 움직이지 않는다.^[1][3]

그로부터 77년 뒤, 웬디 M. 머리·스콧 L. 델프·토머스 S. 뷰캐넌(Wendy M. Murray, Scott L. Delp, Thomas S. Buchanan; 생체역학 연구자들)은 두 해부 표본에서 팔꿈치 근육의 힘줄 이동을 재고 3차원 모델과 대조했다. 다섯 근육의 굽힘·폄 모멘트암(moment arm)은 95° 운동 범위에서 적어도 30% 변했다. 상완이두근의 굽힘 모멘트암은 팔꿈치가 더 펴진 쪽에서 정점을 보였고, 그 정점은 전완을 뒤친 자세에서 더 컸다. 도판 속 부착부는 그대로인데 실제 지렛대의 길이는 관절각과 전완의 방향을 따라 움직인 것이다.^[6]

해부학 표의 ‘팔꿈치 굽힘·전완 뒤침’은 이 두 자료 사이에 놓인다. 같은 힘줄이 어느 뼈에 붙는지 적은 문장과, 현재의 팔에서 얼마만 한 회전 효과를 내는지 묻는 문장은 애초부터 같은 질문이 아니다.

뼈·관절·근육 사이에 놓인 조직들

상완이두근에서 생긴 장력은 먼쪽 힘줄을 지나 노뼈거친면(tuberositas radii)에 닿는다. 그 곁에서는 위팔두갈래널힘줄(상완이두근건막; aponeurosis bicipitalis)이 전완근막으로 퍼지고, 관절낭과 인대는 세 관절의 결합을 붙든다. 연골은 맞닿는 관절면을 이루며, 뼈는 그 모든 힘이 걸리는 부착면이자 지렛대가 된다.^[2][3][4]

근골격계를 뼈·관절·골격근의 목록으로 적을 수는 있으되, 힘은 목록의 경계를 따라 움직이지 않는다. 어느 면에 붙었는지, 몇 개의 관절을 건넜는지, 축의 앞과 뒤 가운데 어디를 지나는지가 한 줄로 이어질 때 비로소 팔꿈치에서 일어난 회전을 해부학으로 설명할 수 있다.

도판 410에 남은 것과 들어 있지 않은 것

판 410은 헨리 밴다이크 카터(Henry Vandyke Carter; 영국 해부학자·외과의·삽화가, 1831–1897)가 앞에서 본 어깨와 위팔의 얕은 근육을 한 장에 놓은 도판이다. 상완이두근과 상완요골근(위팔노근; musculus brachioradialis)의 상대적 위치, 근육덩이가 힘줄로 좁아지는 모양, 팔꿈치 위아래에서 조직이 이어지는 방향은 눈으로 확인할 수 있다. 저작권 제한이 알려지지 않은 공개 도메인 스캔이며, 원본의 크기와 비례를 보존했다.

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도판의 팔에는 관절각을 바꾸는 시간도, 엎침에서 뒤침으로 돌아가는 노뼈도 없다. 어느 근육이 활성됐는지, 손에 든 물건이 몇 kg인지, 힘줄에 걸린 장력이 얼마인지 역시 그려져 있지 않다. 이 그림이 기록한 것은 움직임 그 자체보다 움직일 수 있는 구조의 배치다.

그 배치는 이후의 측정값을 붙잡아 둘 좌표가 된다. 초음파에서 힘줄이 움직인 거리와 동력계에 찍힌 토크는 서로 전혀 다른 값이지만, 어느 뼈와 축 사이에서 나온 값인지 돌아갈 곳은 이 도판 안에 있다.

팔꿈치라는 이름 아래 모인 세 관절

팔꿈치 관절낭 안에는 위팔자관절·위팔노관절·몸쪽노자관절이 함께 놓인다. 위팔자관절은 굽힘과 폄의 주된 경첩을 만들고, 위팔노관절은 위팔뼈와 노뼈머리를 잇는다. 몸쪽노자관절에서는 노뼈머리가 자뼈 곁에서 돌며 전완의 엎침과 뒤침에 참여한다.^[2]

PLATE 329

도판에는 위팔뼈·자뼈·노뼈와 앞관절인대, 자쪽곁인대, 노뼈머리를 두르는 고리인대가 한 장에 기록돼 있다.

1. 01
   위팔자관절위팔뼈와 자뼈 · 굽힘과 폄의 주된 경첩
2. 02
   위팔노관절위팔뼈와 노뼈머리 · 접촉과 하중 전달
3. 03
   몸쪽노자관절노뼈머리와 자뼈 · 엎침과 뒤침의 일부

이 판이 남기지 않은 것관절면의 움직임, 순간 회전축, 관절각에 따른 힘줄의 거리

Henry Gray, Anatomy of the Human Body, 20판(1918), 판 329. Henry Vandyke Carter 그림. Wikimedia Commons 공개 도메인 스캔. 세 관절의 이름과 운동 설명은 원고의 독해 표기다.

1918년의 판 329는 세 뼈와 관절 앞·안쪽의 인대를 한 시야에 놓는다. 노뼈머리를 두르는 고리인대도 보인다. 정지 도판만으로 각 관절의 회전축을 재거나 운동 중 관절면의 미끄러짐을 복원할 수는 없다. 이 판에서 직접 읽히는 것은 세 뼈가 만나는 자리와 그 결합을 붙드는 조직의 배치다.^[2]

손바닥을 아래에서 위로 돌려도 팔꿈치가 반드시 굽혀지는 것은 아니다. 굽힘·폄과 엎침·뒤침은 서로 다른 축에서 일어나며, 상완이두근의 힘줄은 두 축 모두와 관계를 맺는다. 한 가닥의 장력이 굽힘 모멘트와 뒤침 모멘트로 나뉘는 까닭은 이 겹침에 있다.

두 갈래의 시작과 노뼈에 닿는 끝

상완이두근의 긴갈래는 어깨뼈 관절오목위결절(tuberculum supraglenoidale)에서, 짧은갈래는 부리돌기(processus coracoideus)에서 시작한다. 두 갈래는 위팔에서 합쳐진 뒤 먼쪽 힘줄을 이루어 노뼈거친면에 붙는다. 일부 섬유는 위팔두갈래널힘줄로 퍼져 전완근막과 이어진다. 어깨와 팔꿈치를 함께 건너는 두 관절 근육(biarticular muscle)이며, 먼쪽 끝도 하나의 점으로 닫히지 않는다.^[1][3][4]

엎침과 뒤침이 일어날 때 노뼈는 자뼈 둘레를 돈다. 노뼈거친면에 닿은 힘줄이 팽팽해지면 그 돌출부를 끌어 회전시키고, 동시에 굽힘·폄 축의 앞쪽을 지나는 장력은 팔꿈치를 굽히는 방향으로 작용한다. 작용표에서 나란히 적힌 두 동사는 한 힘줄이 서로 다른 축과 맺는 기하에서 갈라져 나온다.

100N의 장력이 2N·m와 4N·m로 갈리는 자리

관절을 돌리는 효과는 관절 모멘트(joint moment; 생체역학 문헌에서는 joint torque로도 표기)로 나타낸다. 단순한 평면에서는 근육 힘에 모멘트암을 곱한 값이다. 모멘트암은 관절축에서 근육·힘줄의 작용선까지 내린 수직거리이므로, 100N의 장력이 축에서 2cm 떨어지면 2N·m, 4cm 떨어지면 4N·m의 모멘트를 만든다.

같은 100N이 서로 다른 회전 효과를 낸 것은 근육의 이름도, 힘의 크기도 달라져서가 아니다. 축과 작용선 사이의 거리가 달라졌기 때문이다. 실제 힘줄은 뼈의 곡면을 감고 여러 관절을 지나며, 관절 또한 완전한 경첩처럼 한 점에 머물지 않는다. 모델이 힘줄 경로와 관절 자유도를 어떻게 정했는지에 따라 계산되는 모멘트암도 달라진다.^[5]

두 해부 표본과 세 사람의 초음파

1995년 연구의 표본은 두 팔이었다. 연구진은 팔꿈치 각도를 바꾸며 힘줄이 이동한 거리를 재고, 그 변화율에서 굽힘·폄과 엎침·뒤침 모멘트암을 계산해 3차원 컴퓨터 모델과 대조했다. 다섯 근육 모두에서 굽힘·폄 모멘트암은 95° 운동 범위 동안 30% 이상 달라졌다. 상완이두근의 굽힘 모멘트암 정점은 팔꿈치가 더 펴진 쪽에 놓였고, 전완을 뒤쳤을 때 정점이 더 컸다.^[6]

2022년 말테 메히텐베르크(Malte Mechtenberg; 생체 초음파 기반 힘줄 모델 연구의 제1저자) 연구진은 살아 있는 세 사람의 상완이두근 먼쪽 근힘줄이음부(myotendinous junction; MTJ) 이동을 B모드 초음파(B-mode ultrasonography)로 추적했다. 손목에서 낸 힘과 팔꿈치 각도도 함께 기록했다. 초음파가 모멘트암이나 힘줄 장력을 직접 잰 실험은 아니다. 연구진은 손목 힘을 팔꿈치 모멘트로 바꾸고, 2차원 힘줄 경로 모델로 유효 지렛대와 힘줄 힘을 계산했다.^[7]

초음파가 추적

상완이두근 먼쪽 근힘줄이음부의 이동

센서가 측정

손목에서 낸 힘과 팔꿈치 각도

모델이 계산

피험자 0의 유효 지렛대 길이, 93.3°에서 5.2cm

직접 측정값과 계산값의 경계연구 장치로 참가자의 실제 모멘트암을 직접 얻지는 못했다.

Mechtenberg 등, PLOS ONE 17(10), 2022, Fig. 10. 원 도판, CC BY 4.0. 원 도판을 자르거나 재도식하지 않고 축소했다.

도판의 93.3°·5.2cm는 피험자 0의 신체 치수를 넣은 모델 곡선의 정점이다. 연구 장치에서는 참가자의 실제 유효 지렛대를 직접 측정하지 못했다. 전완의 두 뼈를 하나의 지렛대로, 두 갈래 이두근을 한 갈래로 합쳤고 널힘줄 부착을 제외했다. 팔꿈치 모멘트를 상완이두근만 만들었다는 가정도 썼다. 다른 굽힘근이 함께 힘을 내거나 길항근이 동시수축하면 계산된 힘줄 힘이 달라진다.^[7]

95° 동안 30% 이상 변한 해부 표본의 모멘트암과 93.3°에서 5.2cm였던 한 피험자의 모델값은 ‘가장 좋은 각도’ 하나로 합쳐지지 않는다. 전자는 두 표본의 힘줄 이동과 관절각에서 계산하고 3차원 모델과 대조한 값이며, 후자는 생체 초음파·손목 힘·2차원 모델을 연결한 값이다. 숫자가 만들어진 경로까지 남겨두면 서로 다른 연구가 같은 팔꿈치에 관하여 어디까지 겹치는지가 보인다.

각도와 함께 달라지는 근육의 상태

모멘트암이 같아도 토크는 같지 않을 수 있다. 곱셈의 다른 항인 근육 힘이 신경 활성, 근육 길이, 수축 속도, 피로와 수축 이력에 따라 달라지기 때문이다. 상완이두근은 팔꿈치가 굽을 때 짧아지고, 어깨까지 굽으면 두 관절을 건너 더 짧아진다. 하나의 관절각 변화가 지렛대의 길이와 근육의 길이를 동시에 움직인다.^[3][7]

라파엘 우와마호로(Raphael Uwamahoro; 전기자극·근기계신호 연구의 제1저자) 연구진은 2023년 건강한 성인 36명의 상완이두근에 신경근전기자극(neuromuscular electrical stimulation; NMES)을 주었다. 전완은 엎침·중립·뒤침, 팔꿈치는 10°·30°·60°·90°로 나누어 토크와 근기계신호(mechanomyography; MMG)를 측정했다. 토크의 제곱평균제곱근(root mean square; TQ_RMS) 값은 10°에서 60°까지 늘다가 더 큰 각도에서 줄었고, 전완 자세와 팔꿈치 각도 각각의 영향이 통계적으로 유의했다.^[8]

이 결과는 자발 수축이 아닌 전기자극, 평균 연령 약 22세의 집단, 연구진이 제작한 장치에서 얻었다. 해부학의 부착과 축만으로도, 생리학의 활성과 길이만으로도 이 곡선을 혼자 차지할 수는 없다. 측정된 토크에는 둘이 같은 시각에 남긴 변화가 함께 들어 있다.

굽힘근 셋이 전완 회전에서 나뉘는 방식

상완이두근·위팔근(musculus brachialis)·상완요골근은 팔꿈치 굽힘 축에서는 같은 방향의 모멘트를 만든다. 전완 회전축을 포개면 셋의 관계가 달라진다. 상완이두근은 뒤침에 크게 관여하고, 상완요골근은 완전히 엎거나 뒤친 전완을 중립 쪽으로 되돌리는 데 보탬이 된다. 같은 동작에 참여하는 근육이라는 분류가 모든 축에서 같은 역할을 뜻하지는 않는다.

벤저민 K. 배리(Benjamin K. Barry; 신경생리학 연구의 제1저자) 연구진은 15명에게서 상완요골근의 신경 가지를 자극하고, 약하게 수축 중인 상완이두근 운동단위의 억제를 측정했다. 억제는 전완 엎침에서 가장 컸고 중립, 뒤침 순으로 작아졌다. 전완의 방향이 뼈와 힘줄의 위치만 바꾼 것이 아니라 두 굽힘근 사이의 척수성 입력에도 차이를 남긴 셈이다.^[9]

연구가 포착한 범위는 낮은 역치 운동단위와 평균 최대수의수축(maximal voluntary contraction; MVC)의 3–5% 힘이었다. 고강도 운동 전체의 근육 배분을 이 결과로 대신할 수는 없다. 허나 ‘상완이두근의 작용’이라는 한 칸 안에도 축·전완 자세·다른 근육·신경계의 배분이 겹친다는 사실은 이 낮은 힘의 실험에서도 이미 드러난다.

멈춘 아령과 105명의 등척성 토크

팔꿈치를 90°로 굽혀 아령을 멈춰 들고 있으면 관절각은 바뀌지 않는다. 정적 평형에서는 아령과 전완의 무게가 만드는 외부 모멘트에 내부 관절 모멘트가 맞서, 전완에 작용하는 모멘트의 합이 0에 가까워진다. 역동역학에서 구하는 순관절 모멘트(net joint moment)는 근육·수동 조직 등이 보태는 내부 모멘트의 합성값이다. 아령을 버티는 동안에도 외부 부하와 균형을 이루는 내부 관절 모멘트가 남아 있다.^[13]

메흐메트 F. 귈레치위즈(Mehmet F. Güleçyüz; 등척성 토크 연구의 제1저자) 연구진은 어깨 질환이 없는 105명을 대상으로 양쪽 팔의 등척성(isometric) 굽힘·뒤침 토크를 측정했다. 연구 조건에서 뒤침 토크는 팔꿈치 90°, 전완을 완전히 엎은 시작 자세에서 가장 컸고, 연령과 성별도 유의한 예측 변수로 나타났다. 같은 사람의 팔에서도 측정 자세가 달라졌고, 사람 사이에서는 연령과 성별이 다시 값을 갈랐다.^[10]

책상에 손을 고정하면 경계조건이 한 번 더 달라진다. 손이 자유로운 팔에서는 전완이 돌 수 있으나 손이 고정된 팔에서는 같은 장력이 위팔과 몸통의 위치 조절에 얹힌다. 열린 운동사슬(open kinetic chain; OKC)과 닫힌 운동사슬(closed kinetic chain; CKC)은 동작의 이름보다 어느 분절이 자유롭고 어느 분절이 고정됐는지를 적는 표기에 가깝다.

해부 표본·초음파·근전도·동력계의 서로 다른 기록

해부 표본에는 부착부와 조직의 층, 힘줄이 지나가는 경로가 남는다. 살아 있는 신경 활성은 없다. 초음파는 동작 중 연부조직의 이동을 보여주되 탐촉자 평면 밖으로 벗어난 변위와 힘줄 장력을 그대로 기록하지 않는다. 표면근전도(surface electromyography; sEMG)와 근기계신호는 각각 전기활동과 기계적 진동의 대리값이며, 동력계의 관절 토크에는 여러 조직의 효과가 합쳐져 있다.

메히텐베르크 연구에서 손목 힘은 직접 측정값이었고, 상완이두근 힘줄 장력은 그 값과 모델을 이용한 추정치였다. 다른 굽힘근과 동시수축이 끼면 추정은 달라진다. 둘을 같은 종류의 ‘데이터’라고 적는 순간 연구가 직접 본 것과 계산으로 건넌 자리가 한 칸에 섞인다.^[7]

18.7×3.7mm의 부착면과 뒤침 힘의 변화

행크 L. 허친슨(Hank L. Hutchinson; 먼쪽 상완이두근 힘줄 해부 연구의 제1저자) 연구진은 20개 해부 팔에서 먼쪽 상완이두근 힘줄의 부착면을 계측했다. 노뼈거친면의 뒤·자쪽에 놓인 부착면은 평균 18.7×3.7mm였다. 연구진은 전완을 완전히 뒤친 상태에서 노뼈거친면이 놓이는 회전 위치도 함께 기록했다. 좁고 길게 붙은 힘줄은 엎침 때 노뼈의 돌출부를 감고, 노뼈가 돌면서 뒤침의 지렛대를 이룬다.^[11]

크리스토퍼 C. 슈미트(Christopher C. Schmidt; 정형외과 의사이자 해당 수술기법 논문의 제1저자) 연구진이 정리한 선행 생체역학 자료에서는 힘줄을 정상 부착보다 앞쪽에 재부착했을 때 뒤침의 지렛대 효과가 줄었다. 보고된 뒤침 힘 손실은 회전 중립에서 평균 10%, 60° 뒤침에서 33%였다. 근육의 이름과 신경 지배가 그대로 남아도 부착 위치 몇 mm가 달라지면 작용선은 원래의 자리를 잃는다.^[12]

이 수치는 특정 수술법의 우열을 정하는 임상시험 결과가 아니다. 부착 위치가 기능의 일부라는 해부·생체역학 자료다. 재활 평가에서 팔꿈치 각도·전완 자세·부하를 함께 기록하지 않으면, 구조와 생리가 만든 측정 차이가 손상이나 회복의 차이처럼 보일 수도 있다. 개인의 판단에는 병력·진찰·영상과 기능 목표가 더해진다.

부착·축·자세·부하·협응

앞의 자료를 다시 놓으면 상완이두근의 작용은 다섯 자리에서 달라졌다. 부착면은 힘이 닿을 곳을 정했고, 축과의 거리는 모멘트의 크기와 방향을 갈랐다. 관절 자세는 모멘트암과 근육 길이를 함께 바꾸었으며, 외부 부하와 고정된 분절은 필요한 순모멘트를 달리했다. 마지막에는 다른 근육과 신경계의 배분이 실제 결과에 합류했다.

‘부착–축–자세–부하–협응’은 삥이학개론이 이 글의 논증을 정리하며 만든 분석 모형이다. 학계에서 표준화한 임상 척도는 아니다. 해부학의 구조에서 시작한 질문이 어느 자리에서 생리학·정형외과학·재활의학의 자료를 요구하는지 표시하기 위한 다섯 칸이다.

작용표의 한 동사가 실제 팔에 닿기까지

판 410의 상완이두근은 움직이지 않는다. 1995년의 두 해부 표본에서는 95° 동안 모멘트암이 30% 이상 변했고, 2022년의 한 피험자 모델에서는 유효 지렛대가 93.3°에서 5.2cm에 이르렀다. 세 자료는 서로 모순되지 않는다. 도판은 힘줄이 어디에서 어디로 가는지 남겼고, 뒤의 두 연구는 그 경로와 관절축 사이의 거리가 자세에 따라 어떻게 달라지는지를 각자의 방법으로 잰 것이다.^[6][7]

상완이두근이 활성되면 어깨뼈에서 노뼈와 전완근막으로 이어지는 장력이 생긴다. 현재의 팔꿈치 각도와 전완 자세가 그 장력의 모멘트암을 정하고, 근육 길이와 신경 활성은 힘의 크기에 관여한다. 그 모멘트가 외부 부하·수동 조직·다른 근육의 모멘트와 합쳐진 끝에 굽힘이나 뒤침, 혹은 움직임 없는 버팀이 나타난다.

작용표의 ‘팔꿈치 굽힘·전완 뒤침’은 이 긴 경로를 찾기 위한 색인으로 남는다. 손바닥을 아래로 둔 팔과 위로 둔 팔, 아령을 든 팔과 책상에 고정된 팔의 차이는 색인 다음 장에 있다. 뼈의 표면과 관절축, 그 사이를 지나는 힘줄이 그 장의 첫 문장이다.