4 장:

인간 뼈의 성장과 발달의운동역학

The Biomechanics of Human Bone

Growth and Development

학습 목표

• 뼈의 구성물질과 구조가 어떻게 역학적 부하에견디는지 설명할 수 있다.

• 뼈의 성장과 성숙과정을 기술할 수 있다.

• 운동과 무중력 환경이 뼈의 미네랄(mineralization )에미치는 영향을 기술할 수 있다.

• 골다공증의 중요성과 예방에 대한 최근 이론을 논의할수 있다.

• 여러 가지 형태의 역학적 부하와 뼈 부상의 관계를설명할 수 있다.

도입글

• 뼈의 성장을 멈추게 하는 요인은 무엇인가?

• 스트레스 골절의 원인은 무엇인가?

• 우주 비행이 왜 우주비행사의 뼈의 미네랄밀도를 감소시키는가?

• 골다공증이란 무엇이며 어떻게 예방할 수있을까?

• 뼈의 구성과 구조, 뼈의 성장과 발달, 스트레스에 대한 뼈의 반응, 골다공증 및 뼈부상에 대하여 운동역학적으로 논의

용어

• 지렛대(Lever)

• 강도(Stiffness)

• 압축력(Compressive Strength)

• 인장력(Tensile Strength)

• 다공성골(Porous Bone)

• 피질골(Cortical Bone)

• 소주골(Trabecular Bone)

• 스트레인(Strain)

• 이방성(Anisotropic)

뼈의 구성성분

• 탄산칼슘과 인산칼슘 (미네랄)

– 뼈 전체 무게의 60-70% 차지

– 강도(stiffness) 및 압축력(compressive) 결정 요인

• 콜라겐

– 단백질

– 유연성 및 인장력(tensile strength) 결정 요인

• 물

• 뼈 전체 무게의 25-30% 차지

• 뼈의 강도(strength) 결정 요인

뼈의 구조

• 다공성 뼈의 두 가지 범주:

• 피질골 : 구멍이 많이 없는 조직

• 소주골 : 구멍이 많은 조직

• 구멍이 많은 뼈 일수록:

• 인산칼슘과 탄산칼슘(미네랄)의 비율이적음

• 비-미네랄 조직(non-mineralized tissue )의비율이 많음

피질골과 소주골

• 피질골(Cortical Bone)

– 구멍이 적고, 광물질을 많이 함유

– 뼈 부피의 5-30%가 비광물질 조직

– 소주골보다 강도가 높아 골절되기 전에 스트레스에더 강하지만, 스트레인에 약화

• 소주골(Trabecular Bone)

– 뼈 부피의 30-90% 가 비광물성 조직

– 골절 전 스트레인에 더 강하지만, 스트레스에 약화

– 소주골의 비율이 높은 척추골은 충격흡수력을 증가

– 나이가 들면서 뼈의 강도가 더 빠르게 감소

뼈의 구조적 특성

• 피질골과 소주골은 이방성(anisotropic)

• 피질골이 소주골보다 단단하고 강한 반면,

소주골은 충격 흡수력이 좋다.

• 뼈는 압축 스트레스(compressive stress)에강하고, 전단 스트레스(shear stress)에 가장약함

뼈의 형태

• 인체의 골격계

– 축 골격(Axial Skeleton)

– 사지 골격(Appendicular Skeleton)

• 형태와 기능에 따른 분류

– 단골(Short Bones) : 제한적 활주운동, 충격흡수

– 편평골(Flat Bones) : 주요 장기와 조직 보호, 근육과 건의 부착점 제공

– 불규칙골(Irregular Bones) : 예-척추골

– 장골(Long Bones) : 사지 골격계의 뼈대 형성

– 관절연골(Articular Cartilage) : 윤활작용

뼈의 성장

• 길이 성장

– 장소 : 골단(epiphyses) or 골단판(epiphyseal plates)

– 약 18세에 멈춤, 25세까지 지속되는 경우도 있음

• 부피 성장

– 일생 동안 직경이 증가

• 골막(Periosteum)의 내부층에서 새로운 뼈조직의 중심층(concentric layers)을 형성

– 조골세포(osteoblasts): 골조직을 형성

– 파골세포(osteoclasts): 골조직을 재흡수

성인 뼈의 발달

• 조골세포와 파골세포의 균형

– 나이가 들면서 점진적으로 콜라겐은 감소,

bone brittleness는 증가

– 나이가 들면서 뼈 밀도와 뼈 강도가 약화

– 여성들이 더 심각

• 뼈의 미네랄 함유 최고치

– 여성 : 약 25~28세, 남성 : 약 30~35세

• 뼈 밀도 및 강도가 20대 초반부터 감소

여성 뼈와 노화 뼈의 특징

• 여성들의 뼈 부피와 밀도

– 50세 또는 폐경기 이후 일년에 0.5%-1.0%씩 손실

– 폐경기 이후 5-8년 사이에 일년에 6.5%씩 손실

• 노화

– 뼈 밀도 손실

– 뼈의 역학적 특성 감소

– 다공성 증가

– 소주골의 결합과 융화의 문제로 뼈의 약화

스트레스에 대한 뼈의 반응

• 울프의 법칙 (1982, 독일 과학자)

– 뼈에 작용하는 힘에 반응해서 크기, 형태, 밀도가변함

– 뼈 강도의 증가 및 감소는 뼈에 작용하는 힘의 증가및 감소와 관련

• 골밀도에 영향을 주는 요인

– 체중, 신체활동, 음식, 생활양식, 유전자, 인종

– 체중이 많은 사람 > 적은 사람, 흑인 > 백인 (근육의차이)

– 근력 훈력, 정기적인 체중 부하 운동이 가장 많은영향

뼈의 모델링 및 리모델링

• 뼈의 모델링 (골 비대)

– 만약, 스트레인 > 모델링 역치, 뼈의 모델링

– 조골세포의 활동이 우세하면 뼈의 모델링이 일어나뼈의 질량과 밀도가 증가

• 뼈의 리모델링 (골 위축)

– 만약, 스트레인 < 리모델링 역치, 뼈의 리모델링

– 조골세포와 파골세포 활동의 균형 또는 파골세포활동이 우세하면 뼈의 리모델링이 일어나 뼈의질량이 유지되거나 감소

골 비대

• 골 비대

– 조골세포 활동의 우세로 뼈의 질량 증가

– 테니스 선수

• 근력의 비대 및 요골(radius)의 비대

• 부하가 클수록 뼈의 광물화도 증가

– 여러 종목의 국가대표 선수의 대퇴부 밀도 측정

• 역도 > 투창 > 육상 > 축구 > 수영 선수

– 부하의 크기가 부하의 빈도보다 더 영향

• 정기적인 운동은 골격계 전체에서 골 밀도를 증가

– 육상선수 : 하지뿐 아니라 상지에서도 골 밀도 증가

골 위축

• 골 위축

– 파골세포 활동의 우세로 리모델링을 통해서뼈의 질량 감소

– 뼈의 칼슘, 무게, 강도 동반 감소

– 누워서 지내는 환자, 비활동적인 노인,

우주비행사

• 뼈의 질량이 감소

– 특히, 소주골에서 골절에 대한 저항력 감소

골 위축

• 우주 비행사

– 칼슘의 손실

– 하나의 가설:

• 중력의 차이로 인한 뼈의 혈류 변화

– 운동 프로그램

• 근육의 힘을 사용하여 뼈에 실리는 역학적스트레스를 늘려 골 손실을 예방

– 미래 : 짐을 메고 다님으로써 골 질량 유지

– 지구로 돌아왔을 때 골 질량이 어느 정도까지회복될 수 있을까?

골 다공증

• 뼈의 질량과 강도의 감소로 골절이 발생하는 질환

– 주로 폐경기 또는 여성 노인에게서 발견

– 여성 골절의 ½ 이상, 남성은 1/3

• 골 다공증의 일반적인 부위

– 요골(Radius)

– 척골(Ulna)

– 대퇴경부(Femoral neck)

– 척추(spine)

골 다공증의 두 가지 유형

• 유형 I 골 다공증 = 폐경기 이후 골 다공증

– 50세 이후의 약 40%가 경험

– 첫 골다공성 골절

• 대퇴경부(femoral neck) 골절 : 3배

• 척추 골절 : 3배

• 손목 골절 : 6배

• 유형 II 골 다공증 = 나이-관련 골 다공증

– 70세 이후의 대부분의 여성과 남성이 경험

– 남녀 60세 이후 90% 골절이 골 다공증 골절사망의 주요 원인

골 다공증의 증상

• 척추의 통증, 변형

• 체중부하에 의한 요추 압박골절로 신장(height) 감소

• 흉부 척추후만증(thoracic kyphosis)

– 체중부하가 척추 앞 쪽에 걸리기 때문

– 할머니의 곱추등(Dowager’s hump)

• 척추 압박 골절

– 50세 이상의 여성 중 26%가 척추압박골절 경험

• 남성에게 할머니의 곱추등이 나타나지 않는 이유?

– 척추 직경의 증가압박 스트레스 줄임척추 강도 유지

여성 운동선수의 3가지 문제

1. 식사 장애

– 62% 이상의 여성 운동선수에게서 나타남

• 주로 지구력 또는 외모와 관련된 스포츠

– 장기간의 식사장애신경성 식욕부진(anorexia nervosa) 또는 신경성 대식증(bulimia nervosa)

2. 월경 불순(Amenorrhea) :

- 낮은 에스트로겐 수치, 낮은 체지방, 과도한 훈련

- 초경 지연(1차), 월경주기가 3~6회 사라짐(2차)

3. 골 다공증 : 뼈의 질량 및 강도의 감소

• 주변의 친구, 부모, 코치 등은 즉시 의사에게 연락

골다공증 치료

• 골다공증의 위험 인자 제거

– 신체활동의 부족, 과도한 체중 감소, 흡연

– 에스트로겐, 칼슘, 비타민 D 결핍

– 과도한 단백질과 카페인 섭취

• 카페인은 적은 양의 칼슘을 섭취하는 폐경기여성의 뼈의 미네랄 밀도에 부정적인 영향

• 건강한 젊은 여성에게는 영향이 없음

• 호르몬 대체 요법 (약물 치료)

– 에스트로겐(여성), 테스토스테론(남성)

• 적절한 신체활동

ACSM 권고사항

1) 건강한 골격을 위해 체중부하 신체활동을 하라.

2) 체중이 가해지지 않는 뼈를 위해 근력 운동을 하라.

3) 뼈의 손실을 막고 뼈의 질량을 향상시키기 위해서신체 활동을 증가시켜라.

4) 운동이 폐경기 이후의 호르몬 이상을 해결하지는않는다.

5) 여성 노인들의 낙상을 예방하기 위해서는 근력,

유연성, 협응성을 포함한 적절한 운동프로그램을수행하라.

일반적인 뼈 부상

• 골절

– 단순(Simple)

– 복합(Compound)

– 박리(Avulsion)

– 나선형(Spiral)

• 태클을 받은 축구선수의 다리 부상

– 굽힘 모멘트(Bending Moment)

• 스키 선수가 넘어지면서 몸이 회전되면서 얻는 부상

– 염력 부하(torsional loads)가 경골에 작용되어박리골절을 발생

스트레스 골절 (피로 골절)

• 스트레스 골절(피로 골절)

– 낮은 강도의 힘이 반복적으로 지속

– 뼈의 복원과정이 끝나기 전에 추가로 손상

– 육상 선수들이 많이 발생

• 경골 : 50%, 중족골: 20%, 그외 대퇴경부와 치골

• 원인

– 뼈의 재형성 전에 훈련기간과 강도 증가

– 근육피로, 표면, 급격한 방향 전환

골단 부상(Epiphyseal Injuries)

• 골단 부상 부위:

• 연골성 골단판(Cartilaginous epiphyseal plate)

• 관절연골(Articular cartilage)

• 뼈돌기(Apophysis)

• 갑작스럽고 반복적인 부하는 성장판에 부상를입힘

– 골단접합부(epiphyseal junction)를 빨리폐쇄시키고 뼈 성장을 종료

골단 부상(Epiphyseal Injuries)

• 골연골증(Osteochondrosis)

– 골단에 혈액 공급이 중단

– 조직의 괴사 및 골단의 기형

• 골단염(Apophysitis)

– Sever’s disease, Osgood-Schlatter’s disease

– 뼈돌기(apophysis)의 골연골증

– 외상성 박리골절(traumatic avulsions)과 관련

– 종골과 경골조면(tibial tubercle) 부위에 발생

요 약

• 뼈의 역학적 기능은 신체조직을 지지 및 보호하고뼈에 부착된 근육에 의해 제어되는 견고한 지렛대시스템으로 작용한다.

• 뼈의 강도와 골절에 대한 저항은 뼈의 물질 구성과조직 구조에 따라 다르다.

• 뼈의 밀도는 조골세포와 파골세포의 활동을 통해계속해서 변한다.

• 골다공증은 노인들에게서 많이 발생한다.

• 골다공증은 호르몬 요법과 생활습관 개선 및 규칙적인운동프로그램으로 예방할 수 있다.

토 론 (개인)

• 달리기, 등산, 수영, 사이클, 역도, 테니스 종목중에서 골밀도 증가에 영향을 주는 순서대로나열하고, 그 순서에 대한 논리적 근거에대해서 토론하라.

• 육상 선수들의 피로골절을 예방할 수 있는방법에 대해서 토론하라.

토 론 (그룹)

• 노년층 골다공증 환자를 위한 6주간의운동프로그램을 작성하라.

• 우주(무중력 상태)에서 뼈의 미네랄 밀도의손실을 막기 위한 방법에 대해서 토론하라.

실험 실습

• 해부학 모델에서 형태별로 각각 세 개의 뼈를선택하여라. 선택한 뼈의 크기와 형태에 따른운동역학적 기능에 대해서 논의하라.

– 예) 뼈 1

• 형태의 설명:

• 건(tendon) 부착 위치:

• 근육이 발휘하는 힘의 방향