Ⅰ. 서 론

국민건강보험공단에서 조사한 통계에 의하면 퇴행성 질환 중 하나인 무릎관절증(gonarthrosis) 환자 10명 중 8명이 60세 이상이며, 노인 인구가 늘어나면서 무릎관절증 환자도 꾸준히 늘고 있는 실정이며, 연평균 증가율은 1.6 %이다[1]. 현대 사회는 인간의 수명 증가로 인해 고령 환자의 숫자는 증가하고 있으며, 정형외과적 질환 특히, 관절 협착(joint stenosis), 골 관절염(osteoarthritis) 등 노인성 퇴행 질환(degenerative disease)의 발생 빈도가 증가하고 있다[2]. 무릎 관절(knee joint)과 슬개골 및 대퇴골 관절의 불안정성(patellofemoral joint instability)은 슬개골 탈구 및 재탈구의 위험성을 나타내는 지표가 된다. 이것은 슬개-대퇴 인대의 외상성 손상과 대퇴골 활차구(femoral trochlear groove) 내에서의 슬개골의 비정상적 움직임(patellar maltracking)으로 인해 발생되며, 탈구(dislocation)와 아탈구(subluxation), 관절 연골 손상, 마찰 등이 원인이 된다[3-4]. 탈구는 주로 대퇴활차 구조와 슬개골 위치가 불균형할 때 발생하는데, 이러한 비정상적인 움직임은 무릎 관절 통증을 유발시키는 원인이 된다[5-6]. 슬개-대퇴 관절 검사는 이학적 검사, 방사선 검사, 컴퓨터 단층 영상(CT), 자기 공명 영상(MRI) 및 관절경 검사 등 매우 다양하다. 그 중 육안 검사와 방사선 검사는 무릎 관절의 내·외반(varus and valgus), 부정렬(malalignment) 및 골절, 탈구, 아탈구를 진단하기 위해 매우 중요한 검사다[7]. ‘Dr. Robert Dzioba’는 Axial view와 Q-angles, Physical 검사 결과를 통하여 환자 만족도 연관성을 추적 관찰한 결과, 수술 전 Q-angle과 수술 후 Q-angle 측정은 수술 결과에는 어느 정도 상관관계가 있었지만 환자 만족도 조사에서는 그 연관성이 일치하지 않아 통계적으로 유의하지 않은 결과를 나타내었다. 그러나 방사선 Axial view에서 나타난 슬개골의 위치에 따른 수술 결과와 환자 만족도 사이에서는 높은 상관관계를 나타내었다. ‘Dzioba’ 는 단순히 수술 후 Axial view를 시각적 평가하는 것만으로도 환자를 추적관찰(follow-up) 하는 것이 가능하며, 수술 결과와 함께 삶의 질에 대한 평가에서 높은 만족도를 나타내었다[8].

슬개-대퇴 관절을 진단하기 위해서 몇 가지 방사선 검사 방법이 있다. 일반적으로 무릎 관절의 2면(anterior-posterial, lateral view) 검사와 슬개-대퇴 관절 축(axial) 방향 검사, 과간와 검사(intercondylar radiography) 등이 주로 시행된다 [9-11]. 축 방향 검사는 슬개-대퇴 관절의 마모를 측정하고 슬개골 반측면 영상(half-lateral image), 대퇴골 또는 경골의 구조를 파악하는데 유리하다. 그리고 현재 슬개-대퇴 관절의 형태 및 손상 유무를 파악하기 위해서 여러 방사선 검사 방법이 시행되고 있다[12]. 그러나 기존에 시행중인 방사선 검사 방법들은 몇 가지 문제를 발생시켜 왔다. 그 중 대표적으로 Settegast와 Hughston 검사는 환자를 엎드린 자세에서 무릎을 굽혀서 시행하는데 이 방식은 무릎을 많이 굽힐 수 없는 환자 특히, 슬개골 골절이나 탈구가 있는 환자에게는 사용하기 어려운 점이 있다. 그 이유는 환자의 무릎이 검사 테이블 면에 밀착 되면 무릎에 큰 부하가 발생하여 심한 통증을 유발시킬 수 있기 때문이다. Laurin 검사는 앉은 자세에서 무릎을 굽히고 직접 무선 디텍터(detector)를 잡은 자세를 유지해야 하는데 이 때 환자는 떨림이 있을 수 있고 검사 테이블 면에서 바닥으로 추락할 위험성이 있다. Merchant 검사는 전용 특정 보조기구가 필요하며 환자를 누운 자세에서 각각의 다리를 보조장비에 삽입 후 양측 무릎을 각 1회씩 검사한다. 위 검사 방식들은 각각 나름대로의 목적과 방법이 존재하지만 영상에서 정확하지 못한 슬개-대퇴관절, 대퇴골 내·외측과(femoral condyle), 대퇴활차면과 경골조면(tibial tuberosity) 사이의 불균형, 슬개골 하부(patella apex)의 겹침 등이 발생하는 빈도가 높을 수 있다. 이것은 검사 시 환자의 불안정한 자세에서 기인하여 발생한다고 할 수 있다[13].

따라서 본 저자들은 기존 검사 방식에서 발생하는 여러 문제점을 해결하기 위해서 무릎 방사선 검사 보조장비(knee radiography auxiliary device, K-RAD) 개발하였다. K-RAD를 사용하여 환자의 검사 부위를 항상 동일하게 유지시키며, 기존 검사 대비 우수한 영상을 도출하는 것을 목적으로 현재 병원 현장에서 사용 중에 있다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 장비

본 연구는 K-RAD를 개발하여 환자의 무릎 방사선 검사에 사용되었으며, The GC85A Digital X-ray Imaging System (samsung smart digital radiography solution) 장비가 사용되었다. 무선 디텍터(Model. S4335-AW/4335-AWM) Type은 Amorphous Silicon TFT/Caesium Iodide Scintillator (Csl), 디텍터 면적 460 × 384 mm, 두께 15 mm, 활성 영역 425.60 × 345.24 mm, 화소(Matrix) 3,040 × 2,466 pixels, 디텍터 해상도(spatial resolution) 3.57 lp/mm, 화소 간격(pixel pitch) 은 140 μm, Energy Range 40∼150 kVp 이다.

2. 무릎 방사선 검사 보조장비(K-RAD)의 구조

K-RAD는 슬개골 및 슬개-대퇴 관절을 중심으로 검사하고 무릎의 질환을 정확히 진단하기 위하여 개발한 것으로 환자의 대퇴부와 하퇴부를 고정할 수 있는 지지대(support), 무선 디텍터 홀더(holder), 무선 디텍터의 각도 조절이 가능한 렌치 (wrench) 부위, 환자의 대퇴부 두께에 따라 무선 디텍터 높이를 4단계로 조절할 수 있는 장치, 이동이 용이하도록 설계된 손잡이로 구성되었다. 그리고 기존 보조 장비를 수정 보완하여 환자의 두 무릎이 벌어지지 않도록 대퇴부를 모아주는 고정 장치를 추가하였다. K-RAD는 환자를 더 안전하고 정확한 영상을 구현할 수 있도록 설계되었다(Korean patent NO. 10-2179353-0000, 2019)[14].

3. 무릎 방사선 검사 보조장비(K-RAD)의 사용

환자는 검사 테이블 위에 바로 누운 자세로 다리를 K-RAD 에 올린 후에 방사선 튜브(tube)와 무선 디텍터 간의 각도를 슬개골의 측면 기울기에 맞춰서 각도를 수평으로 조정하여 검사 한다. K-RAD를 이용한 검사 방식은 환자가 바로 누운 상태에서 특별한 자세 변경 없이 이어서 검사 가능하다. 또한, 환자는 검사에서 요구되는 자세를 유지하고 있을 필요 없이 다리를 K-RAD에 올려놓기만 하면 검사 가능하여 편하게 일정한 자세에서 목적 부위가 고정되어 흔들림 없는 검사를 시행할 수 있 다. 환자의 대퇴부 두께에 따라 무선 디텍터 높이를 조정하고 무릎의 굽힘 각도를 고정하여 보다 정확한 검사를 시행한다.

1) 기존 검사 방식과 무릎 방사선 검사 보조장비 (K-RAD)를 이용한 검사 방식

(1) Laurin radiography

환자는 앉은 자세에서 양측 무릎을 20° 굽혀서 대퇴골 (femur) 장축과 하지골(tibia and fibula) 장축이 160° 가 되게 한다. 무릎을 굽힌 각도만큼 방사선 튜브와 무선 디텍터 각도를 수평이 되도록 조정하여 검사한다. 방사선 영상에서 외측 슬개-대퇴각(lateral patellofemoral angel)을 측정하고 정상적으로 외측으로 열려 있는지 확인한다. 내·외측 슬개-대퇴 간격의 비율(patellofemoral index)은 1.6 이하이면 정상이다 (Fig. 2-a)[15-16].

(2) Settegast radiography

환자는 검사 테이블 위에 엎드린 자세로 무릎을 검사 테이블 위에 위치하여 무릎을 약 90°∼115° 가량 굽히고 방사선 튜브를 슬개골 아래 부위를 향하여 15°∼20° 각도를 주어 검사한다(Fig. 2-b)[17].

(3) Hughston radiography

환자는 검사 테이블 위에 엎드린 자세로 무릎 아래 대퇴부 원위부에 무선 디텍터를 두고 방사선 튜브 쪽에 발을 둔다. 무릎을 40°∼55° 굽히고 방사선 튜브를 슬개골 아래 부위를 향하여 경골 전방 경계를 따라 Cranial 45° 각도로 검사한다(Fig. 2-c)[18-19].

(4) Merchant radiography

환자는 검사 테이블 위에 바로 누운 자세로 각각의 검사 측 다리를 특정 보조기구에 넣은 후 무릎을 45° 굽혀서 무선 디텍터를 환자 무릎 아래 약 30cm에 위치시킨다. 방사선 튜브는 30° 각도를 주어 무릎을 향하여 검사한다. 영상에서 구각 (sulcus angle) 및 일치각(congruence angle)을 측정한다. 평균 구각은 138°±6°, 평균 일치각은 -6°±11° 이다. 구각 150° 이상이면 비정상, 일치각 16° 이상이면 비정상으로 판단한다(Fig. 2-d)[20].

(5) K-RAD radiography

환자는 검사 테이블 위에 바로 누운 자세로 양측 다리를 K-RAD에 올려놓고 무릎을 약 35°∼40° 굽혀 대퇴골과 경골의 장축의 각도가 약 135°∼140°가 되도록 설정한다. 이 때, 방사선 튜브와 무선 디텍터와의 각도는 무릎 관절과 수평이 되게 검사한다(Fig. 2-e)[13].

Ⅲ. 결 과

K-RAD는 기존 형태에서 바퀴를 제거하여 검사 테이블에 올려서 사용하는 방식으로 검사실 환경에 맞게 변경하여 사용하고 있다. K-RAD에 환자의 다리를 올린 후 무릎을 중심으로 방사선 튜브를 아래에서 위(caudal→cranial) 방향으로 방사선을 조사하여 검사한다. 무선 디텍터는 대퇴부 위에 놓고 환자의 무릎이 굽혀지는 각도에 맞게 방사선 튜브와 디텍터 간의 각도를 수평으로 맞춘다. 또한 대퇴부 고정 장치를 사용하여 환자의 두 무릎이 외전(external rotation)되는 것을 방지하여 양측 대퇴골과(bilateral femoral condyle)의 높이가 수평이 되도록 한다. 이것은 두 다리를 함께 묶는 효과가 있다. 양측 무릎이 외전 되면 슬개골이 대퇴활차에서 바깥쪽으로 빠져 보이는 현상을 보이는데, 이는 진단에 있어 정상 무릎을 아탈구로 오인 하게 하는 원인을 제공한다. 양측 무릎을 모아주는 효과는 바깥 쪽 대퇴사두근을 수축시켜서 슬개골이 원래 안쪽 위치로 돌아 오도록 하고 일관된 슬개-대퇴 관절 영상을 구현한다[21].

Ⅳ. 고 찰

K-RAD의 개발은 슬개-대퇴 관절의 모양을 관찰하고 관절의 협착과 마모, 슬개골 골절, 탈구 및 아탈구를 정확히 진단하기 위하여 제작된 장비이다. 저자가 대구에 위치한 종합병원에서 시행하는 무릎 축 방향 검사 빈도를 조사한 바로는 대부분 환자를 엎드린 자세에서 진행되고 있었다. 특히, Settegast 방식이 많았으며, 그 이유는 가장 빠른 시간 안에 검사를 진행할 수 있기 때문이다. 이 방식은 무릎이 정상인 환자에게는 유용하지만 골절 이나 탈구 등으로 내원한 환자는 엎드린 자세로 검사하는 것이 매우 어렵다[9,18,22-23]. 또한, Settegast 방식은 환자의 무릎을 100° 이상 굽혀야 하는데, 통증이 심하거나 퇴행성 관절염이 진행된 경우에는 무릎을 과굴곡(hyperflexion) 하지 못하거나 양측 무릎 대칭이 되지 못할 때가 많다(Fig. 5-a).

‘Brattstrom H’는 Sunrise, Skyline view로 알려진 무릎 축 방향 검사(standard axial view)는 1921년에 ‘Settegast’가 제안한 투영법을 기반으로 한다[10]. 이 투영법은 환자가 엎드린 상태에서 무릎을 100° 이상 과굴곡 시키는 방식이다[17]. ‘MAcNAB IA’는 위 검사에서 몇 가지 단점을 지적했는데, 첫째로 무릎 통증이 심한 환자의 경우에는 과한 무릎 굽힘을 못할 수가 있다[24]. 둘째로 극단적인 무릎 굽힘은 슬개골이 대퇴활차구 내로 깊이 들어오면서 대퇴활차와 슬개골 간의 측정 거리가 짧아져 아탈구 된 무릎을 정상으로 진단하는 오류를 일으킬 수 있다. ‘Merchant AC ’는 무릎 관절 굽힘 각도가 45°가 넘을수록 이 현상이 두드러진다고 하였다[25]. 셋째로 슬개-대퇴 관절면 이 선명히 보이지 않는다는 것이다[26].

현장에서는 Settegast 방식을 대체하여 Hughston 방식이 사용되는 탈구가 있거나 퇴행성 등으로 무릎 굽힘이 어려운 환자는 Hughston 방식에서 요구하는 45°∼50° 정도 무릎을 굽히는 자세를 취하기는 매우 힘들다. 이 방식은 신전 근육의 영 향으로 대퇴사두근을 수축시켜 슬개골 주위 근육을 긴장시키며, 방사선 빔(x-ray beam) 각도를 슬개골 아래에서 위 방향으로 머리 쪽으로 45° 조사하는데 대퇴과두(femoral condyle)가 실제보다 더 크게 보여 대퇴활차 영역이 더 깊게 나타나는 현상이 나타난다. 이것은 해가 질수록 그림자가 길어지는 것과 같은 원리인데, 슬개골 아래 병변을 잘 보기 위하여 사용되지만 영상 왜곡률이 증가하여 비정상 대퇴활차가 정상으로 보일 수 있어 지양해야 할 방식이다[27-28].

이전 연구에 의하면 팬텀을 이용하여 엎드린 자세로 시행한 무릎 축 방향 검사에서 무릎 관절과 경골조면 사이에 겹침이 많고 슬개-대퇴 관절 공간이 좁게 나타나는 현상이 많았다. K-RAD 방식은 기존 방사선 검사 방식 보다 슬개-대퇴 관절 공간이 더 넓고 대퇴활차와 경골조면 사이의 간격이 크지 않으며 뚜렷한 슬개골 반측면 영상을 구현하였다[13]. 무릎 관절의 형태와 슬개골 탈구 및 아탈구를 진단하기 위해 자주 사용되는 검사는 Laurin, Merchant 방식이 있다. Laurin 방식은 환자를 앉은 자세에서 무릎을 20° 정도 굽혀 검사하는데, 이때 슬개-대퇴 관절의 외측이 열리는 각도를 측정하여 슬개골이 정상적으로 열려있는지 확인한다. Laurin 방식은 무릎의 굽힘 각도가 다른 검사 방식에 비해 작아서 실제 슬개-대퇴 관절 구조와 가장 유사하다[13,15-16]. 그러나 환자는 앉은 자세에서 무릎을 굽혀 손으로 무선 디텍터를 잡아야 하므로 흔들림과 낙상의 위험이 있다. ‘Ficat RP et al’은 방사선 튜브를 아래쪽에서 위쪽으로 무릎 관절에 노출시키는 축 방향 검사는 영상에서 왜곡률이 작고 무릎 굽힘을 다양하게 할 수 있는 장점이 있지만 환자에게 노출되는 방사선량을 증가시키는 문제점이 있다고 보고 하였다[27][Fig. 2-a]. 그리고 Laurin 방식은 실제 무릎 굽힘 각도가 매우 작다보니 환자의 발이 무릎과 겹쳐져 영상에서 중복이 되는 문제가 있어 본 연구에서는 배제하였다. Merchant 방식은 대퇴골 내·외측 대퇴활차각(med/lat trochlear)인 구 각과 구각의 중심선에서 슬개골 가장 아래 첨부를 이은 선의 각도를 측정하는 일치각을 측정하여 주로 아탈구 의심환자에게 사용되고 있다[28-30]. Merchant 방식은 환자를 바로 누운 자세로 검사 측 다리를 특정 보조기구에 넣은 후 무릎을 45° 굽혀 방사선 튜브를 무릎을 향하여 30° 각도로 기울여 검사한다. 만약, 두 무릎을 동시에 검사할 경우, 양측 다리가 고정되지 않으면 무릎이 외전 되어 슬개골과 대퇴활차 사이 거리와 슬개골 기울임 각도가 커져서 영상 왜곡이 발생한다[29]. 골격 이형성증 (skeletal dysplasia)은 일반적으로 양측성이며, 두 무릎이 대칭되고 한 영상에서 표현될 때에 쉽게 비교가 가능하다[31]. 이에 무릎이 외전되지 않으면서 검사부위를 안정적으로 고정시킬 수 있는 보조장비가 필요하다[9]. Merchant view에서 슬개- 대퇴 관절 표면이 흐릿하거나 불명확하게 보이는 것은 방사선 Beam이 슬개-대퇴 관절면과 평행하지 않았기 때문이다[31]. Merchant 검사 시 환자의 대퇴하부를 검사 테이블 면에 반드시 수평이 되도록 해야 한다. ‘Merchant AC’는 바로 누운 자세에서 무릎을 30°에서 45° 사이로 굽히는 검사방법을 권장하였으며, 슬개골 골절을 잘 보기 위해서는 30°를, 아탈구를 잘 보기 위해서는 45°의 무릎 굽힘 각도를 권장하였다[18]. 본 저자들은 ‘Merchant AC’가 제안한 무릎 굽힘 각도를 참고하여 K-RAD를 40°로 설정하였고 방사선 튜브와 무선 디텍터 간의 각도가 수평이 되도록 조정하였다[12]. 이전 연구에서 밝혔듯이 무릎 굽힘 각도 40°와 방사선 튜브 각도 99°, 무선 디텍터 각도를 81°로 설정하였을 때 가장 우수한 영상을 나타낸다고 하였다[13]. Fig. 6은 본 저자의 무릎을 4가지 방식으로 검사한 영상이다. K-RAD 방식이 두 무릎 사이 거리가 가장 밀착되었고 슬개골-대퇴골과의 거리와 각도 측정 또한 가장 작았다. K-RAD 사용 방식은 검사 목적 부위를 항상 일정하고 안정된 자세로 고정시키고 더 정확한 영상을 구현할 수 있도록 도움을 준다. 그러나 무릎 방사선 검사에 대해서는 보다 더 심층적인 연구가 필요하다고 생각된다.

Ⅴ. 결 론

저자들은 무릎 방사선 검사에서 시행한 기존 검사 방식과 K-RAD를 적용하여 비교한 결과, K-RAD 방식에서 실제 두 무릎이 바른 정렬을 이루었고 무릎이 외전되지 않았으며, 슬개 -대퇴 관절 공간이 명확한 영상을 나타내었다. K-RAD 방식은 기존 무릎 방사선 검사에서 나타난 일부 단점을 해결하는 좋은 수단이 되며, 진단 가치가 높은 영상을 제공한다. 이후 환자를 대상으로 한 정량적 분석과 시각적 평가 및 환자 검사 만족도를 조사하여 장비의 유용성에 대하여 더 세밀한 분석을 시행 할 예정이다. 저자들은 무릎 축 방향 방사선 검사에서 K-RAD 방식을 제안하며, 앞으로 병원 현장에서 더욱 많이 활용되기를 기대한다.