우리나라의 65세 이상 고령 인구 중 38.1% 이상이 무릎 관절염을 앓고 있으며, 이로 인해 통증, 관절 가동범위 감소, 움직임의 제한을 경험한다.¹ 약물, 주사 등의 보전적인 치료 방법을 6개월 이상 시행해도 통증의 감소가 더디고 퇴행성 변화가 현저히 진행되어 일상생활이 어려운 경우, 무릎의 기능 회복과 통증을 없애기 위해 무릎 인공관절 수술이 시행된다.² 무릎 인공관절 수술은 통증의 감소와 정렬 유지를 위해 시행되지만, 수술 후 가동범위의 제한과 근력 약화, 관절 내 인공 구조물로 인한 감각 저하, 균형과 보행의 어려움을 경험하며 그 과정에서 환자의 일상생활이 어려워지거나 삶의 질이 떨어지는 등의 문제점이 발생한다.³ 환자는 통증과 막연한 두려움으로 수술 초기 움직임을 최소화하고 능동적인 운동을 하지 않아 다리 근력이 감소하고 순환 및 영양 공급의 악화로 무릎관절이 뻣뻣해지고 굳는 현상이 발생한다. 따라서 수술 후 초기부터 적극적인 재활 운동을 통해 관절 가동 범위를 유지하고 주변 조직의 유연성을 확보하여 관절의 구축을 예방하는 것이 필수적이다.

무릎 인공관절 수술 후 재활 운동 중재 선행 연구에서 하체 근력 강화 운동, 지속적 수동 운동⁴, 균형 향상 운동⁵, 세라 밴드 운동, 치료적 마사지 적용 등을 통해 통증 감소와 무릎 관절 가동 범위 및 근력 향상을 보고하였다. 수술 후 환자의 재활 목표는 보행 보조 기구 없이 이동할 수 있고 수술 측으로의 원활한 체중 지지와 다리 기능 개선이 우선인데 전통적인 재활은 수술한 무릎 관절에 국한된 근력 강화와 가동 범위 향상에 초점을 맞추어 환자의 재활 목표와는 다소 차이를 보인다. 무릎 인공관절 수술을 실시한 경우에는 초기부터 체중 지지가 가능하므로 수술 후 초반부터 체중을 지지한 상태에서의 근력과 균형 능력 향상을 위한 운동을 지속해야 하며⁶, 다리 움직임의 상호 조정 능력과 갑작스러운 관절 불안에 대한 반응 능력을 향상하기 위한 균형 운동을 시행하여 환자의 균형 능력을 증진시켜야 한다.

균형 능력 향상을 위해서는 지면과 발이 접촉하여 있는 체중 부하 상태에서의 운동이 적합한데, 양쪽 다리에 비슷하게 체중을 주어 시행하는 체중 부하 운동이 관절 손상은 최소화하고 근력을 증가시킬 수 있다.⁷ 보행 시 비대칭이 수술 후에도 지속되어 수술하지 않은 다리에도 수술이 필요한 원인이 되므로 대칭적인 움직임을 만들어 낼 수 있도록 체중 부하 운동 프로그램을 시행하는 것이 필요하다.⁸

체중부하 운동 중 대표적인 데드리프트(Deadlift)는 바닥에서 바벨을 들어 올리는 동작으로 근육 동원이 크고 가동 범위가 넓어 다리 전체의 연결된 움직임을 발생시키는데 적합하며⁹, 부하가 크지 않아 수술 초기 환자에게도 적용이 가능하다. 발이 지면과 접촉된 상태에서 발생하는 동작인 데드리프트는 무릎 관절 주변 근육의 협응력을 향상시켜 무릎 관절의 동적 안정성을 높여 준다.¹⁰ 지금까지 데드리프트는 근력 향상을 목표로 하는 일반인이나 운동선수에 주로 적용되어 효과를 나타내었는데¹¹, 다리 근력 강화가 필수적인 무릎 인공관절 수술 환자에게 적용된 연구는 찾아볼 수 없었다. 이에 본 연구는 데드리프트 운동을 포함한 체중 부하 상태에서 적용된 운동이 무릎 인공관절 수술 환자의 균형 능력과 보행 패턴, 다리 근력에 미치는 영향을 알아보고자 한다.

1. 연구대상

B광역시에 있는 H병원에서 정형외과 전문의에게 퇴행성 관절염 진단을 받고 무릎 인공관절 수술을 시행한 성인으로서 인지 기능에 손상이 없고 수술 후 염증이나 다른 부작용이 없는 자를 대상으로 하였다. 연령의 범위 제한은 없지만, 무릎 인공관절 수술 특성상 60-80대를 대상으로 하였다. 연구대상의 일반적인 특징은 다음과 같다(Table 1). 대상자는 중도 탈락을 고려하여 25명으로 설정하였는데 개인적인 사정으로 6명이 중도 탈락하였고 최종적으로 19명이 참여하였다. 연구 대상자의 동의를 얻기 위해 연구 내용이 기재된 설명서를 제시하고 충분한 설명을 하였으며, 모든 대상자는 서면 동의서를 작성하고 본 연구에 참여하였다. 본 연구의 모든 방법과 절차는 부산대학교 기관생명윤리위원회의 심의를 거쳐 승인을 받아 진행하였다(PNU IRB/2023_82_HR).

Table 1

General characteristic

Age (years)	Height (cm)	Weight (kg)	Sex (male/female)	TKA (right/left)
66.7±4.1	159.4±4.7	60.8±6.7	2/17	12/7

Mean±standard deviation. TKA: Total knee arthroplasty.

본 연구의 대상자들은 담당 전문의 소견과 대상자들의 동의에 의해 무릎 인공 관절 수술 7일 후부터 주 3회 8주 동안 체중 부하 다리 운동 프로그램을 실시하였다. 운동중재 전후 균형, 보행, 근력 테스트를 실시하는 단일집단 사전사후 설계(pre-experimental study)로 진행되었다.

2. 실험 방법

1) 측정도구

(1) Tetrax^Ⓡ Balance system (Tetrax, Sunlight Medical Ltd, Ramat Gan, Israel)

기립 시 자세의 균형을 객관적으로 평가할 수 있는 도구 중 하나로 힘판을 통해 자세 흔들림을 정량적으로 측정하고 분석할 수 있다(Figure 1). Tetrax 균형 측정기는 양쪽 다리의 발꿈치 부분과 발가락 부분에 하나씩, 총 4개의 힘판(force plate)을 이용하는 장비이다. 피험자는 신발을 벗고 힘판 위에 선자세를 유지시키고, 8개의 자세를 실시하게 하여 검사를 실시하였다. 먼저 눈을 뜨고 정면을 바라보는 자세(normal eye open, NO), 이후 눈을 감고 정면을 향한 자세(normal eye close, NC), 머리를 오른쪽으로 돌린 자세(head right, HR), 머리를 왼쪽으로 돌린 자세(head left, HL), 목을 폄 시켜 머리가 위를 향한 자세(head back, HB), 목을 굽힘 시켜 머리가 아래를 향한 자세(head forward, HF)에서 검사를 시행한다. 그리고 물렁한 지지면(foam-rubber pillow)을 발 아래 두고 눈을 뜨고 정면을 바라보는 자세(pillow open, PO), 눈을 감고 정면을 향한 자세(pillow close, PC)로 정면을 향한 자세 총 8개를 실시하였다. 힘판의 체중변화로 자세 동요(postural sway)를 측정하여 체중분포 및 별도의 자세변인(postural parameters)을 활용하여 낙상의 위험성을 나타내는 낙상 지수(Fall Index)를 산출한다.¹² 낙상의 지수는 0-100점으로 구성되어 있으며, 수치가 높게 나타날수록 낙상의 위험성이 높다는 것을 의미한다. 치료 전후의 결과값 비교를 통해 환자들이 재활 치료 과정에 능동적으로 참여할 수 있도록 동기를 부여하는데 도움이 된다.¹³

Fig. 1. Balance measure

(2) OptoGait^Ⓡ (OptoGait, Microgate, Bolzano, Italy)

두 개의 평행한 바 사이에 발광 다이오드가 광신호를 감지하여 연속적인 단계의 시간적 특징과 공간 좌표를 측정해주어 유효하고 신뢰할 수 있는 결과값을 제공한다. 광학 센서는 1,000Hz로 송신과 수신을 하며 실험 참가자가 평행한 두 개의 바 사이를 걷는 동안 보행 주기(Gait cycle), 한걸음 길이(Stride length), 보행 속도(Gait speed), 한발짝 시간(Step time)에 관한 정보를 수집하였다(Figure 2). 본 연구에서는 중재 전 측정 시기가 조기인 것을 고려하여 대상자에게 시작 신호와 함께 여섯 걸음을 걷게 하고, 가속과 감속으로 인해 첫 걸음과 마지막 걸음을 제외한 중간 네 걸음을 측정하였다. 측정의 정확도를 위해 중재 전과 후가 같은 신발을 신도록 하고, 편안한 속도로 걸을 수 있도록 하였다. 중재 전과 8주 중재 후, 총 3회 측정하여 평균값을 기록하였고, 1회 측정이 끝나면 5분씩 쉬는 시간을 가진 후 측정을 진행하였다.

Fig. 2. Gait analysis

(3) Sit to stand test

다리 근력과 지구력 평가를 위해 앉고 일어서기 검사(Sit to stand, STS)를 실시하였다. 팔걸이가 없고 등받이가 있는 의자를 준비하고 대상자를 의자에 앉힌 후 양팔을 교차하여 턱 높이로 들고 등이 의자에서 떨어지는 순간부터 일어나 무릎과 허리를 펴고 선 다음 의자 등받이에 닿을 때까지 앉는 동작을 5회 실시하여 소요된 시간을 측정하였다.¹⁴

2) 중재 방법

본 연구의 체중 부하 다리 운동 프로그램은 무릎 인공관절 수술 후 기능 회복을 위한 치료법^{15, 12}주간 탄성밴드 운동과 체중 부하 운동 프로그램이 축구 동호인의 기능적 발목 불안정성에 미치는 효과¹⁶, 여성 노인의 시니어로빅 스텝박스 오르기 동작의 운동 역학적 분석¹⁷ 등의 운동 방법을 수정 보완하여 체계적으로 구성하였다. 체중 부하 다리 운동 프로그램은 주 3회, 총 8주 동안 실시하였으며, 준비 운동 10분과 본 운동 20분, 마무리 운동 15분으로 나누어 시행하였다. 운동 프로그램 운영은 15년 차 물리치료사가 정확한 동작을 지도한 후 실시하였다.

(1) 준비 운동: 10회 3세트를 실시하였다.

① SLR (Straight Leg Raise) 운동: 발목을 발등 굽힘(dorsiflexion)시킨 상태에서 수직으로 다리를 들어 올려 엉덩 관절을 45°까지 굽히고 등척성 수축을 3초간 실시하였다.

② Q-setting (Quadriceps setting exercise) 운동: Q-set 운동은 무릎을 곧게 편 상태에서 관절 가동 범위 변화 없이 오금을 바닥에 붙인다는 느낌으로 넙다리네갈레근에 힘이 들어가도록 하는 운동으로, 아주 작은 가동 범위만 허용된다.

③ 뒤꿈치 당기기(Heel slide) 운동: 무릎 관절 가동 범위 향상과 무릎 관절 주변 근육 이완에 도움을 주는 뒤꿈치 당기기 운동은 누운 자세에서 뒤꿈치를 바닥에 붙인 상태로 엉덩이 쪽으로 당기는 운동이다.

(2) 본 운동: 10회 3세트를 실시하였다(Figure 3).

Fig. 3. Weight-Bearing lower limb exercises. (A) Hip hinge motion exercise (B) Dead lift exercise (C) Step box exercise start (D) Step box exercise finish.

① 엉덩 관절 경첩 운동(Hip hinge motion exercise): 긴 막대를 사용하여 머리 뒤쪽, 등뼈, 꼬리뼈까지 닿도록 붙인 상태에서 엉덩 관절을 접어 뒤로 빼면서 상체를 숙인다. 이때 동작이 끝날 때까지 막대에서 세 부위의 접점이 떨어지지 않도록 주의한다. 이렇게 실시해야 척추의 정렬이 무너지지 않고 올바르게 자세를 수행할 수 있다.¹⁸

② 데드리프트 운동(Dead lift exercise): 바닥에 놓인 가벼운 바벨을 쪼그려 앉듯 엉덩 관절을 뒤로 빼며 접으면서 정강뼈를 따라 내려가다가, 팔을 편 채로 바를 당겨 가슴이 중립이 될 때까지 올라와 엉덩 관절을 펴며 바를 들어 올리는 동작을 시행한다.

③ Total Gym (Total Gym Commercial, Ltd., and Total Gym Fitness, San Diego, California): 여러 각도에서 다리를 어깨너비로 벌리고 엉덩 관절을 굽혀 내려간 스쿼트 자세에서 신체를 위로 밀어 올리는 동작을 시행하였다.

④ Step box 운동: 15㎝ step box를 사용하여 Step box up and down, Calf raise exercise를 실시하였다.

(3) 마무리 운동

무릎 관절 가동성과 심폐 지구력의 향상을 위해 고정식 자전거(Stationary bicycle)를 주 3회, 15분 동안 시행하였다.

3) 자료분석

수집된 모든 자료의 통계 처리는 SPSS for Window version 26.0 통계 프로그램(IBM Corp., Armonk, NY, USA)을 사용하여 평균과 표준편차 등을 산출하였다. 운동 프로그램의 시행 전후 효과를 알아보기 위해 대응 표본 t-검정을 시행하였다. 통계적 유의성을 검정하기 위한 모든 분석에 유의 수준은 α=0.05로 설정하였다.

본 연구의 체중 부하 다리 운동 프로그램이 무릎 인공관절 수술 환자의 균형 능력과 보행 패턴, 다리 근력의 변화에 미친 결과는 다음과 같다(Table 2). 결과에 따르면 균형 능력의 변화를 알아보기 위하여 실시한 낙상 지수(t=13.06, p<0.001)는 통계적으로 유의하게 감소하였다. 보행 주기(t=5.10, p<0.001)는 통계적으로 유의하게 감소하였으며 한걸음 길이(t=-0.10, p<0.921)는 증가하는 결과를 보였으나 통계적으로 유의한 차이는 보이지 않았다. 또한 보행 속도(t=-6.76, p<0.001)는 통계적으로 유의한 증가를 보였으며, 한발짝 시간(t=4.44, p<0.001)은 통계학적으로 유의한 감소를 나타내었다. 또한, 다리 근력의 변화를 알아보기 위하여 앉았다 일어나는 동작의 시간을 측정한 결과(t=9.69, p<0.001) 통계적으로 유의하게 감소하였다.

Table 2

Results after exercise intervention in knee arthroplasty patients

Variable	Pre	Post	t	p	Cohen's d
Fall index (score)	68.00±22.31	34.21±17.51	13.06	0.001*	2.998
Gait cycle (sec)	1.81±0.53	1.31±0.17	5.10	0.001*	1.171
Stride length (㎝)	92.32±21.92	92.89±10.61	-0.10	0.921	0.023
Walking speed (㎧)	0.49±0.17	0.73±0.15	-6.76	0.001*	1.551
Step time (sec)	0.93±0.35	0.63±0.09	4.44	0.001*	1.018
Sit to stand (sec)	26.05±6.82	13.10±2.85	9.69	0.001*	2.222

Mean±standard deviation. *p<0.05.

무릎 인공관절 수술 환자는 수술 후 통증의 지속으로 인해 기능적 움직임이 감소하고, 이로 인해 관절의 고유수용감각 소실이 발생하여¹⁹, 수술을 하지 않은 사람보다 균형 능력과 이동 검사에서 낮은 경향을 보인다.²⁰ 본 연구에서는 기존의 재활 운동에서 고려되지 않았던 체중 부하에 중점을 둔 운동 프로그램을 적용하였는데, 운동 중재 후 측정한 낙상 지수가 유의하게 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 수술 측으로의 올바른 체중 부하로 인해 관절 내 고유수용감각이 증가되고 다리 근력이 향상되어 몸의 흔들림이 감소하고 낙상의 위험도가 줄어들었음을 의미한다. 본 연구의 운동 프로그램인 스텝박스 오르내리기 운동을 통해 지지하고 있는 다리의 발목관절 안정성 및 고유수용감각이 향상되어 균형 감각의 개선에도 도움을 준 것으로 사료된다.

균형 능력은 일상적인 생활을 영위하기 위해 반드시 요구되는 신체 기능이며 움직임 시 중심을 유지해주는 능력으로 노인의 낙상과 연관성이 높다. 선행 연구에서 낙상과 관련해 중요하게 여겨지는 요소는 다리 근력, 관절 안정성 및 유연성, 균형성 등이 있는데, 무엇보다도 다리 근력 약화와 관절 안정성 약화는 균형 조절 능력을 감소시켜 낙상의 발생을 높인다.²¹ 균형 능력의 향상을 통해 통증이 감소하고 이동성 및 삶의 질이 개선되는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 수술 후의 효과적인 회복을 위한 핵심 요인으로 작용한다.²² 무릎 인공관절 수술 후 환자는 균형 능력이 감소하게 되는데 이는 변화한 무릎 감각 전달과 운동 기능 감소와 관련이 있다고 하였으며²³, 균형 능력 훈련이 재활의 필수 요소임을 강조하였다. 따라서 무릎 인공관절 수술 후 체중 부하 다리 운동 프로그램을 통해 무릎 관절 주위 근육을 강화하고 관절 안정성을 확보하여 균형 능력을 향상시켜야 한다.

인공관절 수술 환자는 수술을 시행한 쪽으로 신체 중심을 옮기는 것에 어려움을 느끼며 체중 부하를 짧게 가져간다. 이러한 균형 저하로 인해 보행 속도가 감소하고 분속수가 감소하게 된다. 이러한 보행 패턴에서 나타나는 문제점은 수술 초기 하지 근력 강화 운동으로 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에 따르면 보행 시 한발짝 시간이 짧아지고 보행 속도가 증가하여 보행 주기가 짧아진 것을 확인할 수 있는데, 65세 이상의 노인에게 12주간의 적용한 점진적 저항 운동이 6m 걷기에 걸린 시간을 단축시키고 보행 수를 비교하여 기능을 향상되었음을 보고한 선행 연구²⁴와 6주간 다리 근력을 강화하는 운동을 적용한 후 보행 속도가 증가하였다고 보고한 연구와 일치한다.²⁵ 이는 체중을 부하한 상태에서 적용된 근력 강화 운동이 다리의 안정성을 증가시켜 보행 시 중간 디딤기에서 후기 디딤기로 넘어가는 단계에서 인체의 중심을 전방으로 이동시키는 능력이 향상되어 나타난 결과임을 알 수 있다. 또한 다리 근력이 증가하고 근육의 협응성이 향상되면서 보행 시 한발 지지기의 안정성이 높아져 양발 지지 시간이 감소하고 한발짝 시간이 줄어들어 보행 속도가 증가된 것으로 생각된다.

무릎 인공관절 수술 환자의 경우, 수술 전부터 대체적으로 근육 약화가 심하고 수술한 쪽의 통증이 극심하며 지속적인 근손실이 발생하여 근력이 빠르게 감소한다.²⁶ 더불어 수술 후 무릎관절 폄 근이 약해져 근육을 사용하는 상황에서 폄 근육 지연(extensor lag)이 나타날 수 있다.²⁷ 이는 수술한 쪽으로의 체중 부하와 통증 감소, 근력 강화를 위한 관절 주변 근력 강화 운동이 필요함을 의미한다. 수술 직후부터 올바른 보행을 위한 근력 강화 운동이 필수적이며, 몸통의 안정성을 유지하기 위한 엉덩관절과 무릎 관절 근력 또한 충분해야 한다.²⁸ 이는 체중이 부하된 상태에서 다관절을 사용하는 운동이 무릎 인공관절 수술 환자에게 더욱 적합할 것이라는 것임을 나타낸다. 본 연구에서도 체중이 부하된 상태에서의 닫힌 사슬 운동을 적용한 후 앉았다 일어나는 시간이 단축된 것을 확인할 수 있었는데, 몸에서 먼 방향이 고정된 상태에서의 동시수축이 정상적인 넙다리네갈래근 균형과 관절 재배치 정확도를 증가시키고 관절 내 압력을 증가시켜 무릎 관절 고유 감각을 향상시켰을 것으로 생각된다. 또한 전통적으로 시행되어 온 낮은 강도의 재활보다 다리 근력 회복과 수술한 쪽으로의 체중 이동에 도움이 되어 다리의 근기능이 개선되었음을 확인할 수 있다. 이는 닫힌 사슬 운동에서 넙다리네갈래근과 넙다리두갈래근의 협응 수축이 일어나 무릎 관절 주변 근육의 근력 향상에 효과적이라고 보고한 선행 논문과 일치한다.²⁹ 무릎 인공관절 수술 후 2주 동안 실시한 점진적 근력 강화 훈련을 통해 무릎 폄 근력과 보행 속도를 향상시켰다고 하였고³⁰, 무릎 인공관절 수술 환자에게 적용한 저항 운동 장비를 활용한 근력 강화 운동이 무릎 폄 근 기능 향상에 효과적임을 증명하여 이를 뒷받침한다.³¹ 또한, 노인을 대상으로 계단과 의자를 사용하여 기능적인 다리 운동을 적용하여 다리 근력 향상과 균형 능력 개선에서 유의한 효과를 입증하여 본 연구와 같은 결과를 보였다.³² 무릎 폄 근의 근력은 보행능력에 있어 중요한 요소인데³³, 근력을 향상시키기 위해서는 단축성 수축과 신장성 수축이 결합된 닫힌 사슬 운동을 시행하는 것이 단축성 수축만 유도하는 저항운동에 비해 더욱 효과적이다.³⁴ 결론적으로 무릎 인공관절 수술 환자에게 적용한 체중이 부하된 상태에서의 닫힌 사슬 운동이 근력을 강화하고 보행속도를 개선하여 기능을 되돌리기에 적합한 운동이라고 생각된다.

단일집단 사전사후 연구에서의 효과크기는 일반적으로 Cohen’s d값을 사용하는데³⁵, 본 연구에서는 한걸음 거리를 제외하고 0.8 이상의 효과를 나타내어 매우 크다고 해석할 수 있다. 연구에 참여한 대상자의 수가 적더라도 표본 수나 처치 수준에 관계없이 동일한 값을 보이는 효과크기는 실험 연구의 결과에 대한 판단을 하는 지수로 사용이 강조되고 있다.³⁶

본 연구에서 무릎 인공관절 수술 환자의 체중 부하 다리 운동이 균형과 보행 패턴 및 다리 근력에 미치는 효과에 대해 분석한 결론은 다음과 같다. 첫째, 체중 부하 다리 운동 프로그램 적용 후 균형 능력의 향상으로 낙상 지수가 감소하였다. 둘째, 체중 부하 다리 운동 프로그램 적용 후 보행 패턴이 개선되었음을 알 수 있었다. 셋째, 체중 부하 다리 운동 프로그램 적용 후 다리 근력의 향상을 검증할 수 있었다. 이와 같이 무릎 인공관절 수술 환자의 체중 부하 다리 운동이 균형능력 향상과 보행 패턴의 개선, 다리 근력의 증가를 나타내었는데, 이것은 수술 초기부터 적극적인 체중 부하 다리 운동이 요구된다는 것을 의미한다. 또한 체중 부하 다리 강화 운동이 무릎 인공 관절 환자에게 조기 운동의 중요성을 알려 주고 운동에 대한 접근성을 높여, 치료에 대한 동기부여를 높일 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 임상에서 전통적으로 실시되고 있는 통증 감소 운동 및 관절 가동 범위 운동과 더불어 체중 부하 상태에서 적용된 기능적인 다리 근력 강화 운동이 조기에 함께 실시되어야 할 것이다. 환자들에게 쉽고 다양한 치료 방법을 제시하여 퇴원 후 환자들의 빠른 일상생활 복귀에 도움이 될 것이다. 더불어 운동 프로그램 적용 시 횟수와 시간을 구체화하여 수치로 표기하고 기준을 제시할 수 있도록 가이드라인을 마련해야 할 것이다. 마지막으로 무릎 인공관절 수술 환자뿐만 아니라 엉덩관절이나 발목관절의 수술 시에도 조기 체중 부하 운동이 적용될 수 있도록 지속적인 연구가 진행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 대조군이 없이 단일 집단을 대상으로 한 중재이므로 일반화하기 어렵다는 제한점이 존재한다. 따라서 후속연구를 통한 지속적인 실험과 검증이 필요할 것이라 생각된다.