척추 질환의 대표적인 치료 방법인 척추 유합술(Spinal Fusion)은 추간판의 감압(Decompression)과 척추 안정성(Stabilization)에 효과적인 임상 결과를 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나 척추 유합술 이후 유합 인접 상위 분절에서의 추가적인 퇴화(Adjacent Segment Degeneration)를 야기시킨다는 임상 결과^1-3가 보고되고 있으며, 척추 유합술과 인접 분절의 추가적 변성의 상관 관계를 규명하기 위한 다양한 시도에도 불구하고 이에 대한 논란이 여전히 존재한다. 기존의 In-Vitro 실험 또는 유한 요소 모델을 이용한 해석적 연구 결과에 의하면 요추 분절의 유합으로 인해 인접 분절의 운동량 증가와 비정상적인 추간판 압력의 증가 등으로 인해 인접 분절의 추간판 퇴화를 야기할 것으로 판단된다는 주장과 인접 분절의 퇴화는 유합 수술의 영향보다는 자연스럽게 발생하는 노화 현상 중 하나라는 주장이 존재하고 있다.^4-8 최근에는 척추 분절의 유합과 인접 분절의 퇴화의 상관관계 및 척추의 유합 후 추간판 퇴화를 유발하는 위험 인자에 대하여 임상적 결과를 바탕으로한 연구^9,10들이 수행되는 등 이에 대한 지속적인 연구가 진행되고 있다. 척추 유합 수술 시 유합의 위치와 길이를 선정하기 위해서는 감압이 필요한 위치를 판단하는 것과 인접 분절의 추가적인 퇴화 여부를 예측 하는 것이 매우 중요한 요인이 된다. 특히 유합 시술 시 그 상위 인접 분절의 추간판에서 경미한 퇴화가 존재하는 경우 이 분절에 대한 추가적 유합이 필요한가에 대한 논의가 지속되고 있다.

기존의 해석 방법에서는 단순화 된 하중 부과 방법을 적용하였기 때문에 해석 결과와 임상적 관찰 사이에 많은 차이가 나는 것으로 여겨진다. 일부 운동 분절에서의 유합은 다른 모든 분절에서의 기계적 변화를 야기하게 되고 이에 따라 척추의 최적화된 상태를 유지하기 위한 주변 근육의 역할 변화가 예상된다. 그러나 이와 같이 척추 주변근의 역할 변화를 고려한 연구는 아직까지 시도된 바가 없다. 본 연구자들은 추간판에 존재하는 기계적 수용기(Mechanoreceptor)로부터 전달되는 정보가 척추의 안정화를 이루도록 척추 주변 근육이 조정될 것이라는 가정하에 추간판에서 발생하는 응력의 차이를 최소화 하도록 척추 주변 근육의 작용을 조정하여 특정 추간판의 응력 증가로 인한 부상을 방지하도록 하는 방법으로 척추 주변 근육의 역할을 규명한 바 있다.¹¹

본 연구에서는 동일한 해석 기법을 이용하여 척추 분절의 유합 시 척추 주변 근육의 변화를 분석하고 이에 따른 인접 분절의 퇴화 가능성을 분석하도록 하였다. 또한 유합 상위 분절의 추간판에 경미한 퇴화가 존재할 경우 추가적인 고정이 필요한지에 대하여서도 분석하도록 하였다.

요추 분절의 유합과 상위 인접 분절의 퇴화를 적용한 모델에 대해서도 척추 주변 근육력은 정상 상태에서의 상체 굽힘 각도를 유지하며 추간판에서의 부상을 최소화 하는 방향으로 Table 1과 같이 계산되었다. 제시된 결과는 각 근육에서 발생 가능한 최대 근육력에 대한 최적화 해석을 통해 얻은 근육력의 비율을 보여주고 있다. 기립 자세와 60^o 굽힘 자세에서 모두 흉최장근(Longissimus Thoracis Pars Thoracis, IT)과 요장늑근(Iliocostalis Lumborum Pars Thoracis, LT)의 표면근의 활성도가 증가하였다. 기립 자세의 경우 요추 분절의 유합과 인접 분절의 퇴화에도 불구하고 IT와 LT이외 근육에서의 변화는 매우 미미하였다. 반면 60° 굽힘 자세에서는 표면근 외에도 심층근의 작용이 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 추골에서 장골능으로 부착된 심층근인 흉최장근(Longissimus Thoracis Pars Lumborum, LL)과 요장늑근(Iliocostalis Lumborum Pars Lumborum, IL)의 평균 근육 활성도는 DF 모델에서 각각 34.3%와 30.8%로 감소하였으며 DD 모델에서는 41.0%와 32.5%로 비슷한 활성도를 보였다.

다열근의 경우 전체 평균 활성도는 정상 상태와 유합 모델, 퇴화 모델에서 각각 42.9%, 43.6%, 42.2%로 1% 이내의 활성도 변화를 보였으나 추골 사이에 부착된 근육에서 큰 변화가 발생하였다. 근육의 위치에 따른 다열근의 변화는 Fig. 4와 같다. DF 모델에서는 정상 상태를 기준으로 ML2, MS2, MT2가 각각 58.09%, 31.86%, 12.48% 증가하였고, ML4, MS3, MS4가 각각 6.44%, 10.75%, 28.74% 감소하였다. DD 모델의 경우 MT2에서 15.46% 증가한 반면 ML3, MS3, MS4에서 각각 18.94%, 33.39%, 27.87% 감소하였다. 복근 요소인 RA, EO와 IO는 요추의 유합과 인접 분절의 퇴화에도 불구하고 근육의 작용이 변하지 않았으나 흉요근막 인장력의 크기는 큰 변화를 보였다. 60^o 굽힘 자세에서 계산된 흉요근막의 횡방향으로의 인장력 합은 정상 상태에서 208.3 N으로 계산되었으며 DF 모델과 DD 모델에서의 작용은 정상 상태를 기준으로 각각 27.8%, 19.9% 감소한 결과를 보였다.

Fig. 4 
Relative muscle activity changes of multifidus fascicles in the fused model with respect to intact model. ML: Multifidus in deep layer, MS: Multifidus in intermediate layer, MT: Multifidus in superficial layer

척추 주변 근육력과 흉요근막 인장력의 변화로 인하여 추간판에서 발생되는 수핵 내 압력과 운동 분절의 운동량이 변화하였다. 기립 자세의 정상 상태에서 L3-L4 추간판의 압력은 646.6 kPa로 계산되었고, DF와 DD 모델에서 각각 1.4%와 1.7%가 증가하였다. 반면 L3-L4를 제외한 모든 추간판의 압력은 감소하였다. 60^o 굽힘 자세의 경우 유합 분절 이외의 모든 분절에서 추간판 압력이 증가하였고, 특히 L3-L4 분절의 추간판에서 DF와 DD 모델에서 각각 2.8%, 3.3%가 증가하였다. Table 2는 각 위치에서 발생된 추간판 수핵의 압력을 보여주고 있다.

Table 3은 60^o 굽힘 자세에서 각 모델의 운동 분절에서 발생된 운동량을 보여주고 있다. L4-L5 분절의 유합으로 인해 손실된 운동량은 유합 이외의 운동 분절의 운동량 증가로 인해 보상되고 있다. 특히 DD 모델의 경우 퇴화된 L3-L4 분절에서 운동량의 증가가 크게 발생하였다. 그러나 L1 추체의 상단에서 S1의 상단이 이루는 요추 전만각(Lordotic Angle)은 유지되는 결과를 보였다. 기립 자세의 정상 상태의 경우 53.9^o로 계산되었고, DF과 DD 모델의 경우 각각 54.7^o와 54.9^o로 계산되었다. 굽힘 자세의 정상 상태는 20.2^o, DF과 DD 모델에서 각각 20.2^o와 20.1^o로 계산되어 요추 분절의 유합과 인접 분절에 발생된 경미한 퇴화에도 불구하고 요추 전만각의 변화가 매우 미미하였다.

본 연구에서 제시된 근골격계 모델을 이용한 정상 상태에서의 해석 결과는 기존의 In-Vivo 상태에서 측정된 척추 주변 근육의 작용과 추간판 중심부에서 발생되는 압력에 대한 측정한 결과와 매우 일치되는 경향을 보여주고 있다. Arjmand 등¹⁸이 측정한 기립 자세에서 표면근의 EMG 측정 결과는 흉최장근과 요장늑근에 대해 각각 17±6%와 14±7%로 나타났으며, 다열근은 15±5%의 결과를 보였다. 본 연구에서 계산된 해석 결과와 비교하여 보면 기립 자세의 정상 상태 모델의 표면근에 대해 흉최장근은 18.0%, 요장늑근은 15.2%로 측정되었으며, 다열근은 15.2%의 평균 활성도로 실험에서 측정된 결과의 평균값과 유사한 결과를 보였다. 상체 굽힘 자세에서 측정된 표면근의 EMG 결과는 40^o 굽힘 자세까지 증가하였으나 그 이상의 굽힘 각도에서는 근육의 활성도가 유지되는 결과를 보였다. 본 연구에서 계산된 해석 결과는 정상 상태에서의 흉최장근과 요장늑근의 표면근에서 각각 30.7%과 29.5%의 활성도를 보였고, 다열근의 경우 44.3%의 근육 활성도를 보였다. 이러한 결과는 실험 측정 결과를 이용하여 추정된 60^o 굽힘 자세에서의 EMG 측정 결과의 범위 내에 부합되는 결과이다. Wilke 등¹⁹이 측정한 In-Vivo상태의 L4-L5추간판 중심에서의 압력은 기립자세에서 0.5 MPa, 60^o 굽힘 자세에서 1.1 MPa로 보고되었다. 본 연구의 계산 결과는 두 자세에서 각각 0.6 MPa과 1.3 MPa로 실험 결과에 가까운 결과를 보여주고 있다.

지금까지 요추 분절 유합의 영향을 규명하기 위해 사체 시편을 이용한 In-Vitro 실험과 요추의 유한 요소 모델 일부를 활용한 연구들이 다양하게 시도 되어왔다. 기존의 연구자들에 의해 제안된 결과는 요추 분절의 유합으로 인해 척주의 강성도가 증가하게 되고 이로 인해 인접 분절에서의 과도한 운동량 변화가 발생되며 유합 인접 분절에서의 응력이 증가하게 된다. 기존 연구자들은 이러한 결과를 바탕으로 인접 상위 분절의 추간판에 야기되는 추가적 변성을 설명하였다. 그러나 기존의 실험과 해석 모델을 이용한 분석은 척추의 안정화에 기여하고 있는 척추 주변 근육 사이의 상호적인 작용이 고려되지 않은 상태에서 종동력(Follower Load)과 단순 모멘트(Pure Moment)를 이용한 단순화된 하중 조건이 이용되었다.

본 연구의 기립 자세의 경우 DF과 DD 모델에서 모두 흉최장근과 요장늑근의 표면근이 증가하는 결과를 보였다. 반면, 두 근육을 제외한 심층근과 복근의 경우에는 그 변화가 매우 미미하였다. 굽힘 자세에서 DF 모델의 경우 흉최장근과 요장늑근이 각각 34.5%와 36.2%로 정상 상태에 비해 3.8%, 6.7%가 증가하였고, DD 모델의 경우 흉최장근이 1.1% 감소한 반면 요장늑근은 4.7% 증가하였다. 기립 자세와 굽힘 자세에서 공통적으로 척추 기립근의 표면근에서 근육의 활성도가 증가하는 것은 요추 분절의 유합으로 인해 증가하는 유합 상위 분절의 운동량을 잡아주기 위해 모멘트 암이 큰 표면근의 활성도가 증가된 것으로 여겨진다.

굽힘 자세에서 DF와 DD 모델 모두 근육의 부착 위치에 따라 다열근의 작용이 크게 변화된다. DF 모델의 경우 L2 추골에서 L4, L5 또는 천골능으로 연결되는 다열근(ML2, MS2, MT2)의 활성도는 증가한 반면 유합 된 분절인 L4 추골에서 천골능으로 연결되는 다열근(ML4, MS4)의 활성도가 크게 감소하였다. DD 모델의 경우 L4 추골에서 천골능으로 연결되는 다열근(ML4, MS4)뿐만 아니라 L3 추골에서 L5 또는 천골능으로 연결되는 다열근(ML3, MS3)이 크게 감소하였다. 이는 요추 분절의 유합 후 다열근의 단면적이 감소하는 여러 임상적 추적 관찰을 통해 얻은 결과에 부합되는 결과이다. Motosuneya 등²⁰이 요추 분절의 유합 수술 후 1년 이상 경과된 환자의 MRI 측정을 통해 수술 전후의 근육의 상태를 측정한 결과 등 근육(Back Muscle)에서 12% 이상 위축이 발생한 것을 확인 하였으며, Fan 등²¹이 관찰한 요추부 후방 유합 시술 환자의 경우에도 다열근의 단면적이 감소하는 것을 확인하였다. 반면 본 연구의 해석 결과에서 보이는 유합 상위 분절에 부착된 다열근의 활성도 증가는 표면근의 증가와 마찬가지로 유합으로 인해 증가하는 상위 분절의 운동량과 추간판 수핵의 압력을 균일화하여 척추의 안정화를 유지하기 위한 작용으로 판단된다.

기존의 In-Vitro 실험 및 해석 연구 결과^22,23에서는 유합 후 굴곡(Flexion) 모멘트를 부과하였을 때 유합 상, 하위 분절의 운동량과 추간판에서 발생하는 압력이 크게 증가하는 결과를 보였다. 그러나 본 연구의 계산 결과는 DF 모델의 경우 인접 상위 분절의 운동량이 정상 상태에 비해 감소하였고, DD 모델에서의 운동량은 증가하는 결과를 보였다. 두 모델의 L3-L4 추간판의 압력은 정상 상태에 비해 모두 증가하였으나 두 모델의 압력 차이는 크지 않음을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안된 근골격계 모델에서는 흉곽에서 골반으로 연결된 척추 주변 근육의 표면근뿐만 아니라 추골 사이를 연결하는 심층근과 흉요근막 인장력 등을 적용하여 보다 실제적인 척추 주변 근육의 작용을 모사하였다. 이들 근육의 작용으로 인해 추골의 움직임이 조정되어 각 운동 분절의 운동량이 조정되고, 추간판의 압력이 증가된 것으로 판단된다. 이러한 결과로 유합 인접 분절의 퇴화 여부와 상관 없이 유합 후 척추 주변 근육의 작용은 인접 분절의 압력을 증가시키고, 이로써 추가적 변성이 야기될 것으로 보인다. 유합 인접 상위 분절에 경미한 퇴화가 존재할 경우 해당 분절을 유합 한다면 정상 상태에 있는 상위 추간판에도 추가적 변성의 가능성이 존재하게 될 것이다. 따라서 유합 인접 분절에 경미한 퇴화가 존재하더라도 해당 분절을 유합하지 않는 것이 보다 나은 임상적 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서 제안된 방법을 통해 각 모델에서 요추 분절의 유합과 인접 상위 분절에 경미한 퇴화가 발생한 경우 이로 인해 증가하는 인접 분절의 운동량을 조정하는 근육력을 계산할 수 있었다. 그러나 요추 분절의 유합으로 인해 손실된 운동량이 커질 경우 인접 분절의 보상만으로는 요구되는 자세를 형성할 수 없을 것이다. 유합 길이가 증가할 경우 요추부의 회전뿐만 아니라 골반의 추가적인 회전을 통해 상체의 각도가 형성될 것으로 예상되고 있다. 유합 길이에 따른 요추 분절의 운동량 변화와 골반 회전에 대한 추가적인 연구가 수행된다면 유합 시술 환자들의 척추 안정화를 위한 근육과 척추 요소의 상호 작용을 명확히 분석할 수 있을 것으로 판단된다.

요추 분절의 유합과 추가적으로 인접 상위 분절에 경미한 퇴화가 존재하는 경우에 대해 기립 자세와 60^o 굽힘 자세에서 척추 안정화를 유지하기 위한 척추 주변 근육력과 흉요근막 인장력의 변화를 계산하였다. 유합 분절에 작용하는 심층근의 활성도가 감소한 반면 인접 분절에 작용하는 심층근의 활성도는 증가되었다. 인접 분절에 퇴화가 존재하는 경우에는 퇴화된 분절에 작용하는 심층근의 활성도가 감소하는 결과를 보였다. 또한 유합과 퇴화 모델에서 흉요근막 인장력의 작용이 감소하였다. 이러한 척추 주변 근육의 적절한 작용을 통해 요추 분절이 유합되거나 추간판에 추가적인 퇴화가 존재함에도 불구하고 상체의 자세와 요추 전만 각도를 유지하는 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 해석을 활용하여 척추 유합 위치 및 길이, 장치의 종류에 따른 변화 등 다양한 조건에서의 척추 안정성 해석을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.