Quantitative Ultrasound Imaging Analysis of Anterior Talofibular Ligament in Adolescent Athletes with Chronic Ankle Instability

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Abstract

Introduction

외측 발목 염좌(lateral ankle sprain, LAS)는 근골격계 하지 부상 중 가장 흔하게 발생하는 부상이다[1]. 건강보험심사평가원에 따르면 최근 3년간 발생한 발목 염좌의 발생 비율은 점차 증가하는 추세를 보였으며, 발목 염좌는 발과 발목에서 발생하는 근골격계 손상 중 61% 비율로 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 그 중에서도 외측 발목 염좌는 신체활동 중 가장 흔하게 발생하는 손상이며[1-4], 외측발목 염좌 병력은 재부상을 야기한다[5,6].

첫 발목 염좌를 경험한 대상의 약 70%는 이후 반복적인 발목 염좌를 경험하며[3,7], 반복적인 발목 염좌는 구조적인 손상을 야기하고 발목의 느슨함(laxity), 통증, 부종 그리고 신경학적인 변화를 나타내는 발목의 불안정함(giving-way)을 느끼게 하며, 인대의 형태학적인 변화를 가져온다[2,8,9]. 또한, 반복적인 발목 염좌를 경험한 대상자 중 약 25~30%는 이후 만성 발목 불안정성(chronic ankle instability, CAI)으로 진행된다[8,10,11].

만성 발목불안정성은 기능적인 불안정성(functional ankle instability, FAI) 그리고/또는 기계적 불안정성(mechanical ankle instability, MAI)을 포함한다[8]. 기능적 불안정성은 발목이 불안정한 상태를 지속하여 기능적인 역할을 할 수 없는 경우를 의미하며, 고유수용감각 손상과 근 신경 제어 기능 손상, 자세제어 기능 손상, 근력 부족으로 인해 나타난다[8]. 기계적 불안정성은 일반 생리학적인 범위를 넘어선 발목 관절의 움직임으로 관절을 지지하는 인대의 손상으로 인한 느슨함을 의미하며, 관절 형상학적 움직임(arthrokinematic changes), 퇴행성 변화, 활액막 변화(synovial changes)에 의해 나타난다[8,12].

Liu 등 (2015)의 선행연구에서 외측 발목염좌에 의한 반복적인 인대의 손상은 인대의 형태학적인 변화를 가져오는 것을 볼 수 있다. 선행 연구들에서 자기공명영상법(magnetic resonance imaging, MRI)과 초음파를 이용하여 외측 발목 염좌 후 성인들의 두꺼워진 ATFL, 관절 형상학적 움직임 변화, 활액막 변화를 확인하였으며, 이를 통해 외측 발목 염좌 후 인대에서 나타나는 형태학적 변화를 볼 수 있었다[9,13,14]. 또한 동물을 대상으로 인대의 두께와 그에 대한 기능 감소를 보여주는 선행연구에서, 손상 후 나타나는 반흔 조직으로 인해 두꺼워진 인대는 정상적인 움직임이 가능하지만, 부하에 견디는 능력이 60% 감소된 것을 확인할 수 있었다[9,15]. 이와 같은 결과를 통해 비정상적인 께를 가진 인대가 기능적 안정성에 영향을 줄 수 있다는 사례를 확인할 수 있다. 인대가 두꺼워지는 현상은 CAI의 특징 중 하나이며, 이로 인해 인대가 신체에 미치는 기능적인 안정성이 감소된다[9].

청소년기는 CAI의 시작인 첫 발목 염좌를 가장 많이 경험하는 시기이며, 외측 발목 염좌 발생 비율이 가장 높다고 보고되었다[1]. Mandaraka 등(2014)의 연구에서는 18세 이하의 청소년기 운동선수와 과거 발목 염좌 경험이 있는 청소년 대상에서 CAI로 진행되는 환자의 발생 비율이 높은 것으로 나타났다[16]. 특히, 청소년의 57%는 과거 발목 염좌를 경험하였으며, 이중 29%는 CAI이라고 보고되었다. 또한, 미국의 고등학교 운동선수 대상 중 약 60%는 과거 발목 염좌를 경험했고, 23%는 CAI라고 보고되었다[17,18]. 하지만, 현재 CAI와 관련된 대다수의 논문들은 만18~40세의 성인대상으로 진행되었으므로, CAI와 관련된 청소년에 대한 연구는 부족한 실정이다[19]. 따라서, 본 연구는 청소년 운동선수의 CAI유무가 인대의 형태학적 변화에 미치는 영향을 보기 위해 CAI군과 정상군의 환/건측에 대한 ATFL 두께 및 길이를 비교하였다.

Methods

2. Inclusion and Exclusion Criteria

정상군과 CAI군 모두 대한체육회 선수등록이 되어있는 만15~18세 엘리트 운동선수 이며, International Ankle Consortium(IAC)의 권고 사항을 바탕으로CAIT-K (Cumberland Ankle Instability Tool-Korean version) 26점 이상 그리고 IdFAI-K (Identification Functional Ankle Instability-Korean version) 10점 이하인 경우 정상군으로 분류하였고 1) 한쪽 발목에만 CAI가 있고, 2) CAIT-K 25점 이하, 3) IdFAI-K 11점 이상인 경우 CAI군으로 분류하였다[4,20,21].

제외 기준으로 1) 양쪽 발목 모두 CAI가 있는 경우, 2) 6개월 이내 발목 염좌를 경험한 경우, 3) 발목에 외측 발목 염좌 외 기타 염좌 병력이 있는 경우, 4) 발목 관절 외 하지의 기타 관절에 병력이 있는 경우, 5) 하지 수술 이력이 있는 경우 해당하는 경우를 적용하여 본 연구의 피험자로서 참여를 제한하였다. 최종 선정 및 참여한 피험자의 인구통계학적 특성은 <Table 1>에 제시하였다[4].

Table 1.

Participants’ Demographics Mean and Standard Deviation

Results

본 연구는 청소년 엘리트 운동선수 40명(정상군 20명, CAI군 20명)을 대상으로 CAI 유무에 따른 ATFL의 두께와 길이 차이를 규명하는데 그 목적이 있으며, 연구결과는 다음과 같다. CAI군의 환측 ATFL 두께의 평균값은 정상군보다 두꺼운 것으로 나타났으며 통계적 유의미한 차이(p =0.007)를 보였다. 반면, 환측 ATFL 길이의 평균값은 건측 보다 긴 것으로 나타났으나 통계적 유의미한 차이(p =0.190)는 나타나지 않았다<Table 2>. CAI군의 건측 ATFL 두께의 평균값은 정상군보다 두꺼운 것으로 나타났으며 통계적 유의미한 차이(p =0.041)를 보였다. 반면, CAI군의 건측 ATFL 길이의 평균값은 통계적 유의미한 차이(p =0.070)가 없었다<Table 2>.

Table 2.

Thickness and Length of the ATFL (cm)

Discussion

CAI군과 정상군의 환측 ATFL 두께 차이를 통계적으로 분석한 결과, CAI군의 환측 ATFL 두께는 정상군의 환측 ATFL 두께보다 두꺼운 것으로 나타났다. 이러한 결과는 조직이 회복되는 과정에서 생기는 반흔 조직으로 인해 인대가 두꺼워지는 것이 영향을 미치는 것으로[22], 반흔 조직은 손상된 인대가 회복될 때 단백 다당(pro-teoglycan)과 교원 섬유의 세포외 반흔(extracellular scar)기질로 형성된 섬유아세포가 손상된 인대가 회복될 때 비어있는 공간에 채워지면서 형성된다[23]. 손상 후 회복된 인대는 정상적인 움직임을 가능하게 하지만, 부하에 버티는 인대의 장력은 손상 전에 비해 60%정도 감소한다[23]. 장력이 감소된 인대는 감각운동 적응에 대해 변화를 일으키고 이는 높은 재부상률로 이어진다[15]. 초음파 장비를 이용하여 CAI군, coper군, 정상군의 환/건측의 ATFL 두께를 비교한 Liu 등 (2015)의 선행연구에서 CAI군, coper군, 정상군의 환측끼리 비교했을 때 본 연구결과와 같이 정상군의 환측보다 CAI군의 환측에서, 정상군의 환측보다 coper군의 환측에서 더 두꺼운 ATFL 두께를 확인했다[9].

CAI군과 정상군의 건측 ATFL 두께 차이를 통계적으로 분석한 결과, CAI군의 건측 ATFL 두께는 정상군의 건측 ATFL 두께보다 두꺼운 것으로 나타났다. 이는 Liu 등(2015)의 CAI군, coper군, 정상군의 건측 ATFL 두께를 비교하여 CAI군과 정상군의 건측 ATFL 두께에서 유의미한 차이가 나타나지 않은 것과 반대의 결과를 보였다[9]. CAI는 환측의 손상된 고유수용 감각이 중추신경계로 가는 신경 신호의 유입을 변화시키고, 결과적으로 근신경계 조절 기능에 부정적인 영향을 미친다. 게다가 발목관절 뿐 아니라 발목과 가까이 있는 관절들에도 변화를 야기한다[24]. 본 연구 결과를 뒷받침할 수 있는 Doherty 등 (2016)의 선행연구에서 정상군의 건측과 한쪽에만 환측을 가지고 있는 CAI군의 건측에 대한 하지길이에 따른 SEBT (star excursion balance test)거리를 비교했다[25]. CAI군의 건측과 정상군의 건측에 대한 하지길이에 따른 SEBT 거리를 통계적으로 분석한 결과 유의미한 차이가 보였으며, CAI군의 건측은 정상군의 건측에 비해 더 낮은 SEBT 값을 나타낸다. 또한, Moisan 등 (2017)은 한발에만 CAI를 가지고 있는 대상자들의 환측에서 gait시 heel contact 전에 발목이 건측보다 내번과 배측 굴곡 되어 있는 것을 확인했으며, 이것은 재부상과 관련이 있다는 것을 나타낸다[26]. 또한, 한발에만 환측을 가지고 있는 CAI군과 정상군의 gait시 구간(phase)에 따른 하지관절의 움직임을 본 Ziabari 등 (2021)의 선행연구에서 CAI군의 건측과 정상군의 건측을 비교했을 때 CAI군의 건측에서 heel contact시 더 큰 배측 굴곡을 보였으며, early swing 구간에서 더 큰 내번을 보였다[27]. 위 연구를 통해 한발에만 CAI가 있는 경우 환측으로 인해 근신경계적으로 변화를 야기하며 이것은 나아가 건측의 발목의 생체역학적인 변화를 일으키는 것을 확인했다. 이러한 연구들을 통해 CAI는 감각신경계에 미치는 변화로 인해 환측 뿐 아니라 건측에도 영향을 미친다는 것을 뒷받침할 수 있다[28]. 또한, 환측으로 인해 건측의 부정적인 변화를 나타내는 이유를 설명하는 선행연구들에서 운동신경을 자극하는 감마운동신경(gamma motor neuron)의 기능 부전으로 수의근 수축이 원활하게 되지 않은 것을 원인으로 하여 한 발에만 환측을 가지고 있는 연구대상자의 건측에 대한 약화를 설명한다[29]. 본 연구결과에서 볼 수 있듯이 환측으로 인해 건측 인대의 변형이 야기된 것으로 사료되며 환측으로 인해 기계수용기(mechanoreceptor)로 들어가는 변경된 감각신호가 유입되고, 그에 대한 결과 건측의 약화가 진행되고 그 하나의 증상으로 ATFL이 두꺼워진 것으로 판단된다. 따라서, 위와 같은 연구들을 종합해볼 때 한발에만 환측을 가지고 있는 대상들의 건측도 환측에 의해 변화되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 건측에 대한 연구가 더 필요한 것으로 보여지며, 건측도 환측과 같이 재활운동을 진행하거나 환측 만큼의 관리가 필요한 것으로 사료된다.

Croy 등 (2012)의 선행연구에서 CAI군, coper군, 정상군의 ATFL 길이를 측정하여 비교한 결과, CAI군의 환측 ATFL 길이는 coper군 보다 12,7%, 정상군 보다 14.3% 긴 것으로 나타났으며 통계적인 분석 결과, 유의미한 차이를 보였다[30]. 하지만 본 연구 결과에서 CAI군과 정상군의 환/건측 ATFL 길이를 비교한 결과 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 본 연구 결과를 뒷받침할 수 있는 Liu 등 (2013)의 선행연구에서 NCAA 운동선수 203명을 대상으로 발목 염좌 횟수와 전방, 내번, 외번에 대한 발목의 느슨함과의 상관성을 확인했다(9). 연구 결과 발목의 염좌 횟수와 전방의 느슨함에 대한 상관계수는 –0.08, 내번에 대한 상관계수 0.02, 그리고 외번에 대한 상관계수 –0.08로 상관성이 낮았다. 또한, Bowker 등 (2016)은 arthrometer 장비를 이용하여 CAI군, coper군, 정상군을 대상으로 발목의 중립 자세(neutral ankle position)를 기준으로 부하를 가했을 때 전방, 후방, 내번, 외번시의 움직인 거리를 비교한 결과 각 전방, 후방, 내번, 외번시 느슨함을 의미하는 움직인 거리는 통계적인 유의미한 차이가 나지 않았다[31]. 비록 동물대상 연구이지만 Murray 등 (2010)의 연구에서 유아 기니피그, 청소년 기니피그, 성인 기니피그의 앞 두 다리의 전방십자인대(anterior cruciate ligament, ACL)를 파열시킨 후 한쪽 다리만 봉합수술을 하고 다른 한쪽은 자연치유를 시켜 15주 후의 변화를 본 연구에서 lachman test와 인대조직의 밀도를 통해 성인돼지의 두 다리보다 청소년 돼지의 두 다리에서 더 큰 ACL의 회복력을 확인하였다. 이를 통해 골격이 미성숙한 청소년의 치유속도가 성인보다 더 우수함을 나타낸다[32]. 이와 같은 이유로 본 연구에서 연구 대상자가 청소년이기 때문에 ATFL 길이에서 유의미한 차이가 없는 것으로 사료된다.

Conclusion

이 연구는 만성 발목 불안정성(CAI)을 가진 청소년 운동선수들이 전거비인대(ATFL)에서 형태학적 변화를 보인다는 것을 확인하였으며, 특히 손상된 발과 손상되지 않은 발 모두에서 건강한 대조군에 비해 인대 두께가 증가한 것으로 나타났다. 손상된 발의 ATFL 두께 증가는 인대 회복 과정에서 발생하는 반흔 조직 형성과 관련이 있으며, 이는 성인 대상 연구 결과와 일치한다. 이러한 결과는 CAI를 가진 청소년의 재활 및 관리 전략에서 손상된 발 뿐만 아니라 손상되지 않은 발까지도 포괄적으로 다뤄야 할 필요가 있다고 생각된다. 형태학적 변화의 장기적 영향 및 발목염좌 재발을 예방하며 최적의 회복을 도모할 수 있는 맞춤형 중재 방안을 개발하는 광범위한 후속 연구가 필요하다고 생각된다.

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