Analysis of normal gait

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1 Analysis of normal gait
Namyangju Reha. Hospital Dept. of Physical Therapy Lee Dong-Jin, PT

2 Gait Cycle Walking uses a repetitious sequence of limb motion move the body forward while simultaneously maintaining stance stability. 2 page 보행은 입각기 안정성을 유지하면서 신체를 앞으로 움직이는 하지의 반복진행을 이용한다.

3 Cycle Divisions 보행주기는 stance phases와 swing phases로 나누어진다.

4 Floor Contact Periods Stance 60% Initial Double Stance 10%
Single Limb Support % Terminal Double Stance % Swing % 바닥 접촉 기간

5 Stride & Step 한쪽 발뒤꿈치가 땅에 닿는 시기(heel strike)에서 반대쪽 발뒤꿈치가 땅에 닿는 시기까지의 동작을 한 발짝(step)이라고 한다. 한 한쪽 발뒤꿈치가 땅에 닿는 시기(heel strike)로부터 같은 쪽 발뒤꿈치가 땅에 닿는 시기까지의 동작을 한걸음 (stride)이라 하고, 이사이의 거리는 보폭(stride length), 요하는 시간은 일보시간(stride duration), 이때 좌우 발 사이의 폭을 양발 너비 3.5inch 5~10cm(stride width)라 한다. 그리고 진행방향과 발의 장축방향과 이루는 각도를 발목 각도(foot angle)이라 한다. 단위시간당 보행수를 보행속도(cadence, walking rate)라 하며 1분간의 보행수는 성인에서 90~120보 전후가 된다.(체중, 연령에 따라 차이) 일반적으로 양 하지에 의해 이루어지는 한 걸음(stride)을 보행주기(gait cycle)라 한다.

6 Stride & Step Stride(보행주기) & Step(걸음)

7 Divisions of the Gait Cycle
보행주기의 분류

8 1단계 : Initial Contact (heel strike)
보행주기 중 0~2%에 해당 - 체중부하 패턴을 결정 - Heel Rocker가 작용한다. 주요사건 : Heel Strike 작용근육 : Gluteus maximus, hamstring, tibialis anterior, qudriceps(eccentric) Hip : 30도 Flex -Vector : 전방 knee : Ext(2도 Flex) - Vector : 전방 Ankle : neutral - Vextor : 후방 Initial contact 에서 관절 별로 보면 ankle은 neutral 상태, knee는 full ext 상태이다. 먼저 ankle 에서는 Loading response 을 준비해야 하기 때문에 Tibialis ant. m, Extensor digitorum longus m.은 eccentric contraction 상태를 유지한다. Knee에서는 Quadriceps와 Hamstring group이 이전 cycle에 있는 Terminal Swing 에서의 contraction 상태를 유지하여 knee jt 의 상태를 보존 및 안정화해준다. Terminal Swing 에서 Limb가 25°정도 기울음에 따라 Hip flex 이 일어나는데 이때 앞으로 넘어지는 것을 막기 위해 Gluteus maximus와 Hamstrings가 Activation 되고 pelvis 의 안정화를 위해 gluteus medius가 activation된다.

9 2단계 : Loading Response (foot flat)
보행주기 중 0 ~ 10%에 해당 - Initial Double Limb Stance. - 반대측이 IS 될 때까지 지속. - 충격흡수, 체중부하 안정성, 전진기능 주요사건 : Knee,Ankle Flex 제한, Hip jt 안정화 작용근육 : gluteus maximus, quadriceps, biceps femoris, tensor fascia latae Hip : 30° Flex, Add, I/R - Vector : 전방 Knee : 18°Flex, Valgus, Tibia I/R - Vector : 후방 Ankle : 10°plantarflexion, Pronation - 충격흡수, Tibia Advance Loading Response 발을 디디면서 오는 충격 흡수와 앞으로 이동하는 움직임을 유지하기 위해 Ankle에서는 Pretibial m.(Tibialis ant. m, Extensor digitorum longus m, Extensor hallucis longs m.)이 Plantarflexion의 속도를 조절한다. 또한 knee가 약 15~18°정도 Flexion되는데 이때 Quadriceps의 Eccentric Contraction이 작용한다. Hip extensor는 hip jt의 충격을 흡수하고(Gluteus maximus, Hamstring, Adductor magus), Trunk와 Hip의 Flexion을 막는다.

10 3단계 : Mid Stance 보행주기 중 10~30%에 해당 - 반대측 :MSw~TSw 직전까지
지나도록 진행시킨다. - 안정성이 Knee jt에서 Ankle jt로 이동. 중요사건 : Ankle dorsiflexion제한, Knee jt 신전, Hip jt의 안정화 작용근육 : quadriceps M, Calf M(eccentric) Hip : 30°Flex → 5°Ext으로 - Vector : 후방 Knee : 18°Flex → 5°Ext으로 - Vector : 전방 Ankle : 7° P/F → 4°D/F으로 Mid Stance 초기, Ankle부위는 Plantarflexion 이지만 마지막에는 Dorsiflexion으로 끝난다. Gastronemius m. 과 함께 Soleus m. 이 Dorsiflexion의 속도를 조절하며, 또는 Tibia의 앞으로의 진행을 돕는다. Knee 부분에서는 Extend되어 있던 Quadriceps의 Extend정도가 감소한다. L:oading Response시기에 필요했던 Sagital stability 가 필요치 않아지면서 Gluteus maximus는 Hip extensor 보다는 Hip abductor로써 Hip의 stability 를 주고 pelvic의 기울어짐을 막는다.

11 4단계 : Terminal stance (heel off)
보행주기 중 30~50%에 해당 - 반대측 : IC직전까지 - 체중이 발의 전반부 이동하는 단계이며, 체간을 앞으로 이동시킨다. 주요사건 : Heel Push off 작용근육 : soleus, gastrocnemius(eccentric) T.F.L(Hip Flex, Abd역할) Hip : hyper Ext, Add, I/R - Vector : 후방 Knee : 0~5°Flex, Tibia E/R - Vector : 전방 Ankle : 10°D/F, Supination - vector : 전방 Ankle 부위에서 최대로 Dorsiflexion되는 시기이다. Ankle 에서의 Tibia의 stability는 Calf m.에 의해 주어진다. Soleus와 Gatrocnemius 는 tibia의 부러짐을 방지하고, 발꿈치부분이 들어올려질 수 있게 함으로써 앞으로 진행할 준비를 한다. Knee에서는 특별한 근육의 도움 없이도 안정된 상태를 유지한다. Hip부위에서는 Tensor fascia latae가 Pelvic이 내려가는 것을 막기 위해 전체적으로 active 상태를 유지하며 Hip의 Hyperextension을 막기 위해 Hip flexor가 팽팽하게 된다.

12 5단계 : Pre Swing (toe off) 보행주기 중 50~60%에 해당 - 반대측 : IC부터 시작
- 체중 전이가 일어나는 단계 (Terminal Double support) - 체중은 MP관절에서 반대측 다리로 이동 주요사건 : Knee Flex 작용근육 : Calf M 작용은 점차 소실되며 Adductor Magnus, Rectus Femoris 가 작용한다. Hip : hyper Ext. 에서 Gracillis, Sartorius 의 작용으로 점차 Flex, Abd, I/R - Vector : 후방 Knee : 수동적으로 Flex Ankle : 20°plantar flexion - Vector : 전방 (MP) Pre-Swing Ankle 이 Dorsiflexion에서 급격히 Plantarflexion으로 변한다. Metatarsophalangeal jt가 60°정도로 Extend되면서 Knee가 Passive하게 Flexion된다. Hip은 Rectus femoris, Sartorius, Adductor longus에 의해 Neural position으로 Flexion된다. Femur가 Adductor longus, Rectus femorius의해 앞쪽으로 Flexion된다.

13 6단계 : Initial Swing (acceleration)
보행주기 중 60~73%에 해당 - Toe off에서 시작. - 하지를 전방으로 이동하는 단계. 중요사건 : Knee, Hip Flex 작용근육 : biceps femoris, sartorius, gracillis, tibialis anterior, iliacus Hip : gracillis에 의해 20°Flex Knee : biceps femoris 에 의해 60°까지 Flex Ankle : 20°P/F에서 tibialis anterior의 작 으로 인해 Neutral 상태로. Intial Swing Pretibial m.(tibialis ant. m, Extensor digitorum longus m, Extensor hallucis longus m.)과 Long toe extensor에 의해 Ankle이 Plantarflexion 되고 발이 들린다. Mid Swing에 있을 Dorsiflexion 때문에 각도가 Plantarflexion의 각도가 줄어든다. Knee 는 hip의 flexion에 의해 더 많이 flexion되고, 전진하기에 알맞게 된다, hip는 liacus, biceps femoris, Sartorius, gracilis 에 의해 flexion된다.

14 7단계 : Mid Swing 보행주기 중 70~85%에 해당 - 하지가 전방으로 나가며, Knee jt 직각 될 때까지.
- 하지를 전방으로 이동하는 단계 (근육 활동 최저시기) 주요사건 : Ankle dorsiflexion, Hip Flex 작용근육 : Hip Flexor, Pretibial m Hip : 30°Flex 유지 Knee : 대퇴의 전진으로 인한 수동적 Ext Ankle : Neutral 상태유지, Tibialis anterior 의 isometric C Mid Swing 지면으로부터 발이 떨어져 있는 상태를 유지하기 위해 Pretibial m.(tibialis ant. m, Extensor digitorum longus m, Extensor hallucis longus m.)이 Activate되어 있다. Tibial bone이 움직이면서 자연스레 knee이 extension되고 Hamstring이 Knee의 Extension되는 속도를 줄이는 역할을 한다. Gracilis와 Sartorius, 그리고 Iliacus 가 mid swing의 중반부에 작용을 멈추고 Hamstring은 thigh의 움직이는 속도를 줄인다.

15 8단계 : Terminal Swing (deceleration)
보행주기 중 85~100%에 해당 - Tibia 직각에서 발이 닿을 때까지. - 하지를 전방으로 이동하는 단계 주요사건 : Hip, Knee의 감속, Knee Ext, Ankle D/F 작용근육 : Hamstring, Quadriceps, Pretialis m. Hip : Hastring 작용으로 인해 Flex 제한 Knee : Hastring 작용으로 인해 MSw시에 Ext되는 Knee jt를 제한, Quadriceps작용하여 Knee Ext유지 Ankle : Tibialis anterior의 작용으로 netutal 이나 5°P/F Ankle 부위에서 Pretibial m.(tibialis ant. m, Extensor digitorum longus m, Extensor hallucis longus m.)이 다음 Gait Cycle 의 Initial contact를 위하여 contract 한다. knee에서도 마찬가지로 Quadriceps가 다음 Initial Contact를 위해 Knee를 Extend한다. Hamstring과 Gluteus maximus는 thigh의 움직이는 속도를 줄이면서 Hip의 더 이상 Flexion되는 것을 막는다. Hamstring은 Thigh 의 속도를 줄이는 것 이외에 Knee를 안정화시키고, Hip 의 Flexion을 막는 등 많은 역할을 갖는다.

16 <Head and Trunk>
Head, Trunk, Pelvic 운동양상 <Head and Trunk> 수직 변위 - 2.5 ~ 4.5 cm - 최대하방 변위 : LR , PSw (DS 단계) - 최대상방 변위 : TSt, MSw (SS 단계) 측 변위 - 평균 4.5cm - stance 쪽으로 일어난다. 전방 변위 - 천골 : 23cm/sec - 흉부 : 14cm/sec - 두부 : 2cm/sec <Pelvic> 지지하는 Hip jt에서 운동 발생 Sagjital plane - pelvic drop 4° 2. Coronal plane - anterior tilt 4° 3. Transverse plane - rotation 10° 변위 (displacement), DS(double support, 양하지지지기) ,SS(Single support, 단하지지지기) 흉부(T10)수준

17 vertical displacement of trunk during a stride indicated by head height

18 Lateral displacement of trunk during a stride
활보(stride)동안 체간의 외측변위(머리위치를 가리킨다)는 양하지지기(double limb stance) 동안 중간선에 해당. 오른쪽 단하지지지기(Rt. Single limb stance)에서는 오른쪽으로 변위. 왼쪽 단하지지지기에서는 왼쪽으로 변위

19 Motion of the pelvis during walking
보행동안 골반의 움직임

20 Head, Trunk, Pelvic 근육활동 <체간의 근육> Erect spine - 반대측 하지의 IC때 작용
- 동측 하지 TSt후기에 최대 작용 Multifidus, Rotatores, QL m. - IC시 양측모두 작용 External obliques - MSw후기, TSt의 초기에 작용 Rectus abdominis <골반> Gluteus maximus, Gluteus medius - TSw후기에서 시작 MSt중간까지 작용 - LR시에 최대 작용을 보인다.

21 Arm 의 운동양상과 근육활동 팔은 보행시 몸의 나머지 부분과는 반대로 움직이며, 하지의 이동역학에 의한 몸의 회전을 최소한으로 줄이기 위한 반력(Counter force)을 제공한다. <운동 양상> Shoulder jt - IC에서 최대 Ext 8° - TSt에서 최대 Flex 24° 2. Elbow jt - 반대측 하지 IC시 최대 Flex 44° - 동측하지 IC시 shoulder jt와 함께 최대 Ext 20 ° <근육 활동> supraspinatus, upper trapezius 가 가장 활동 적이다. - IC부터 시작 TSw후기까지 작용 2. middle, posterior deltoid - 팔의 Flex이 끝나는 순간부터 계속 3. Latissimus dorsi, Teres major - shoulder jt Ext말기(LR) - shoulder jt Ext초기(PS)

22 Arm swing during normal free walk
정상보행동안의 팔의 스윙, TS(shoulder jt 최대 Flex) IC(shoulder jt 최대 Ext)

23 입각기의 근육 조절 형태 1. Terminal Swing(Initial Contact, heel strike)
1. Hamstring - Hamstring은 MSt말기에서 활성화 되어 TSw 초기에 활동 - Hip Flex 억제 - Knee Hyper-Ext을 방지한다. - TSw 후반부터는 Hamstring의 작용이 감소한다. 2. Hip Extensor ( Adductor Magnus, Gluteus Maximus) - Hamstring의 작용이 감소하면서 이들 근육이 활성화된다. - Quadriceps 가 Knee Ext을 유지하기 위해 Hamstring과 반대로 작용. - Tibialis anterior가 재활성화 되어 Ankle Dorsiflexion을 유지한다.

24 입각기의 근육 조절 형태 2. Loading Response(foot flat)
1. Hip joint - Hip Extensor( Adductor Magnus, Gluteus Maximus inferior)가 Femur에 붙어 Hip,Knee, Ext을 담당 - Hip Abductor ( Gluteus Matimus superior, Gluteus medius)는 Femur 안정성을 강화. 2. Knee Joint - Quadriceps가 Heel Rocker에 의해 시작되는 Knee jt 의 Flex을 제한하여 weight bearing에 안정성을 제공한다. 3. Ankle Joint - Tibialis anterior가 LR초기에 eccentric으로 최대활동하며, weight bearing동안 충격흡수를 위하여 Knee Flex 초기에 heel rocker를 제공한다.

25 입각기의 근육 조절 형태 3. Mid Stance & Terminal Stance(heel off)
1. Soleus - 가장 먼저 활성화 되는 근육이며, Forefoot이 접촉 되었을 때 Plantarflexion시킨다. - Tibia가 Femur보다 늦게 나가게 하여 Knee를 Ext 시켜 결과적으로 Hip jt Ext시킨다. - TSt후반에 최대 작용 2. Gastrocnimius - Soleus 작용 후 작용하며, 이는 Knee Flex과 연관이 있다. (2 jt 근육) 3. Flexor Digitorum - Forefoot으로 체중지지 시, 지지하는 면적을 크게하며, PS시기에 작용이 끝남.

26 유각기의 근육 조절 형태 1. Pre Swing 1. Hip adductor ( Adductor longus) - Addutor longus 는 Hip abduction 제한하기위해 활성화되며, Hip Flex시킨다. 2. Rectus femoris - PS말기에 활성화되어 Knee hyper Flex을 제한하며, Hip jt 를 Flex시켜 하지가 전진 되는 것을 돕는다. 3. Tibialis anterior - PS ½후에 활동적이 되며 Plantarflexion을 제한한다.

27 유각기의 근육 조절 형태 2. Initial Swing
1. Sartorius, Iliacus, Gracilis - 이들 근육이 수축하여 Femur를 전방으로 전진시킨다. 2. Biceps femoris(short head) - Knee Flex시킨다. – foot lift를 위해. 3. Tibialis anterior - PS에서 시작하여 IS까지 지속하며, Pantarflexion상태의 발을 들어올리는 역할은 한다.

28 Loading Response (foot flat)
What is Loading Response

29 Why is Loading response ?
전체 주기 중 10%에 해당하는 단계이며, 가장 강력한 근육 작용이 일어나는 단계이다. 다른 단계와는 달리 근육이 Eccentric work을 한다. 1/10초 정도로 빠르게 일어난다. 이 속도는 기능적으로 매우 중요하다. Motor Control 능력이 Poor인 사람은 이 기능을 수행할 수 없다. Motor Control이 정상일지라도 기능적 LR능력을 잃을 수 있다. 이렇듯 LR는 높은 수준의 motor control 능력을 필요로 한다. 기능적으로는 충격흡수, 체중부하 안정성, 전방 전진 유지 등의 기능이 나타나는 단계이다. 근육 활동 시 행동을 조절하려면(Motor control)Eccentric work을 해야한다.

30 Why is Loading response ?
Mobility : 움직임을 시작하거나, 특정한 목적을 위해 신체의 자세를 갖추는 능력, 관절유착, 근육약화, 통증, 협응력 상실, 심부감각 소실, 인지능력 상실 Agnosia, Apraxia 등의 요인에 의해 Mobility 가 제한된다. Stability : 특정한 환경적 상태에서 과제를 수행할 때 요구되는 능력. - 주동근과 길항근의 협력수축이 필수적이며, 이러한 자세 조절은 무의식적으로 발생한다. - eccentric contraction에 능력에 의해 Stability가 발생한다. Conntrolled Mobility : 한쪽이 움직일 때 다른 한쪽은 안정성을 갖추는 능력. - Mst 시 Knee jt 안정되어 있을 때 Foot 과 Hip이 움직이는 경우. 유착(adhesion):서로 떨어져있는 피부나 막 등이 염증이 생겨서 서로 들러붙는 것을 말한다 제1차 체성감각영역(3,1,2); 온각, 냉각, 촉각 및 압각 등과 근육의 심부감각을 받는곳 Agnosia(실인증) apraxia(실행증)

31 What is Loading response ?
Gait cycle Stance Swing Weight Acceptance Single Limb Support Initial Contact Loading Response Mid Stance Terminal Stance Pre Swing

32 What is Loading response ?
LR 의 시작 시기 - TSw 마지막 부분(바닥 1cm위)부터… LR의 기능적인 목적 - 다른 다리로 체중이 옮겨 가는 것을 조절한다. LR시기의 수행과제 - shock absorption - preservation of progression - weight-bearing stability Preservation 보존

33 What Happens During Loading Response ? (leg)
Hip jt : 30°Flex - Transverse : E/R 에서 I/R 된다. - Coronal : slight adduction 된다. Knee jt : 0 ~ 10°Flex - LR 시작시에는 HyperExtension 에서 10°Flexion된다. Ankle jt : Neutral ~ 10°도 P/F ~ Neutral Subtalar jt : Eversion (Pronation) Talar jt : Extension

34 What Happens During Loading Response ? (arm&trunk)
Contralateral leg : Pre Swing Ipsilateral leg : Ext 에서 Felx 으로 swing Contralateral arm : Ext쪽으로 움직인다. Trunk : Elect Contralateral : 반대쪽에 일어나는 Ipsilateral : 동측의

35 What Happens During Loading Response ? (Vector&Torque)
Hip jt : Torque into Flexion, Adduction, I/R Knee jt : Torque into Flexion Ankle jt : Torque into P/F → Torque into D/F Vector – 신체의 중간에 위치한 체중 지지선으로 크기와 방향의 질을 포함한다. Torque – 관절에서 힘이 작용시 발생할수 있는 회전 가능 한 힘(moment)

36 Loading Response 의 Neutral Vector line
Force Vector : Hip (앞), Knee , Ankle(뒤) LR 시의 Vector line은 cranial-dorsal에서 caudal-ventral 쪽을 지나는 대각선에 위치한다. 이때의 선은 Pelvic이나 Scapular의 Post. Elev , Ant. depr groove 방향과 거의 평행하다. 따라서 이 두개 패턴의 groove는 LR와 관련된 근육을 촉진하는데 매우 유용한 패턴이다. Posterior Elevation Anterior Depression Groove 나선

37 Proposal for Facilitation of Loading Response (1)
촉진을 위한 하지 관절의 위치 - 동측 ~ Hip : 30°Flex, Knee : 15°Flex, Ankle : Neutral - 반대측 ~ Leg : Ext , Trunk & Head : Neutral Approximation for Knee & Ankle - Heel이 닿아 있는 Kinematic chain 에서 실시한다. - 이는 동작에 필요한 적당한 근육 작용을 촉진할 수 있다. Proposal 계획

38 Proposal for Facilitation of Loading Response (2)
Weight Shift(LR)를 위한 전통적 촉진방법 - 전통적인 방법은 체중부하를 촉진하기 위해, 저항과 압력을 ventral쪽에서 작용한다. - 체간의 정력 상태가 불량하고 고관절 신전 능력이 저하된 경우에는 유용한 촉진 방법이다.

39 Proposal for Facilitation of Loading Response (3)
Weight shift(LR)를 위한 방법적 제안 - 뒷 걸음이나 계단을 내려 올 때 적용하는 것처럼 저항과 압력을 dorsal쪽에서 적용한다. - Eccentric perfomance를 결합하여 적용한다. - 구두지시 : “내가 천천히 앞쪽을 밀테니, 힘에 대항하며 천천히 내려놓으세요.” - Knee & Ankle 의 Shock absorption 기능을 촉진한다. - Wedge등을 사용하여 eccentric Knee extensor의 활동을 촉진한다.

40 Standing에서 LR 촉진하기 Contact 과 촉진 1. Right hand - starting : Iliac crest
Approximation 적용 위해 - end : Greater trochanter fossa Hip Ext. Rotator 촉진 위해 2. Left hand - starting : Tibia Inner part tibia를 앞쪽으로 당긴다. - end : Tibia Int. Rotator를 촉진한다.

41 Sidelying에서 LR 촉진하기 Contact과 촉진 1. Starting
- 치료사는 Vector 방향으로 Approximation - 환자는 forefoot를 떼고 있다. 2. End - 환자는 forefoot을 벽에 댄다. - 치료사는 Pelvic을 Ant. depr시킨다. Quadriceps, Ext. Rotator, Abductor를 촉진하기 위해 한 손을 Thigh로 옮길 수 있다.

42 Normal Gait

43 Reference Jacquelin Perry . GAIT ANALYSIS Normal and Pathological Function, 1992 Adler SS, Beckers D, Buck M. PNF in practice. 2nded , Springer, 2000 David J. Magee . Orthopedic Physical Assessment. 3rded . W. B. Saunders. 1998

44 Thank You!