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문제 정의
- 최근 Riann 둥(2004)과 Antonis 둥(2005)은 근 활동 전위의 변화를 측정하여 중추의 하행성 운동 주행에 대한 다양한 정보를 제공하였다. 따라서 본 연구에서도 운동 단위 활동 전위가 수의적 운동과 전기자극을 이용한 근수축시 수축력에 따라 어떻게 변하는지를 분석하여 중추의 하행성 운동 주행에 영향을 받는 운동 단위 수준의 신경순응과정을 비교하고자 하였는데, 운동 전. 후 운동단위 활동 전위의 중앙 주파수 (MDF)의 변화를 분석한 결과에서 중앙 주파수 의 감소가 수축량이 증가함에 따라 현저하게 나타났는데, 이는 전기자극에 의한 근수축은 작은 운동 단위보다 큰 운동 단위를 먼저 동원시키기 때문에 큰 운동 단위의 피로가 빨리 나타나며, 중앙 주파수는 주로 큰 운동 단위에 의해 지배되는 II형 섬유와 밀접한 관계를 가지고 있다.
- 본 연구는 전기자극에 의한 근수축 정도에 따른 중추신경원의 순응반응의 차이를 비교하여 기능적 전기자극 (functional electrical stimulation; FES)이 신경순 응에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 20대 정상 남자 대학생 40명을 대상으로 근수축운동 전.후의 V wave와 중앙 주파수를 분석하였다.
- 본 연구에서는 전기자극에 의한 수축력에 따라 중추신경원의 순응반웅의 정도와 차이를 비교하여 기능적 전기자극이 신경순응에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다. 대상자는 대학에 재학 중인 20대 정상성 안 남자 40명이었으며, 전기자극에 의한 수축군을 수축량에 따라 구분하고 좌측족관절 저측굴곡근에 대한 둥척성 운동 전.
- 본 연구에서는 이러한 전기생리학적 측정방법을 이용하여 전기자극에 의한 수축전.후 의 V wave와 운동단위 활동전위(motor unit action potential) 변화를 분석하여 수축력에 따른 활동 전위의 차이를 비교하여 기능적 전 기자극(FES)에 의한 근수축운동이 중추에서 신경순 응반옹의 변화에 미치는 영향을 알아보자 하였다.
제안 방법
- 근전도 신호를 수집하기 위해 표면 근전도인 Bagnoli 4-EMG system과 기록 전극으로 DE-2.1 single differential electrode(Desys Inc., USA)을 사용하였다. 전극 배치에서 비복근은 종골위 수직 13cm로 하였고, 내측비복 근은 비골외과 아래쪽 수직7 cm로 근육의 중간 지점으로 부착하였다.
- V wave의 측정을 위해 먼저 피부를 알콜로 깨끗이 닦고 피부에 습기가 없도록 건조한 후 전극을 부착하였다. 기록 전극으로 활동 전극은 슬와 부 주름중앙과 족관절 내과의 가장 근위부를 연결하는 선상을 양분하는 중심점, 기준 전극은 아킬레스건, 접지 전극은 활동전극에서 3 cm 위의 외측비복근 위에 배치하였고, 전극은 좌측 저측굴곡근의 근복에 lxl cm 크기의 자가 부착식 일회용 전극 (Medicotest A/S, Neuro line Disposable neurology elecrodes 700 10-K, Denmark)으로 하였다. 기록조건은 주파수 여과범위 (filter setting) 10 Hz ~10, 000 Hz, 소인속도 (sweep speed) 15 msec/division, 감응도(gain) 10 mV /division로 하였다.
- 기록 전극으로 활동 전극은 슬와 부 주름중앙과 족관절 내과의 가장 근위부를 연결하는 선상을 양분하는 중심점, 기준 전극은 아킬레스건, 접지 전극은 활동전극에서 3 cm 위의 외측비복근 위에 배치하였고, 전극은 좌측 저측굴곡근의 근복에 lxl cm 크기의 자가 부착식 일회용 전극 (Medicotest A/S, Neuro line Disposable neurology elecrodes 700 10-K, Denmark)으로 하였다. 기록조건은 주파수 여과범위 (filter setting) 10 Hz ~10, 000 Hz, 소인속도 (sweep speed) 15 msec/division, 감응도(gain) 10 mV /division로 하였다. 대상자는 엎드려 누운 자 세에서 무릎을 약간 굴곡 시킨 후 발목 밑에 받침대를 놓아 완전히 이완되도록 한 후 발 목이 중립위치에 놓이게 하였다.
- 기록조건은 주파수 여과범위 (filter setting) 10 Hz ~10, 000 Hz, 소인속도 (sweep speed) 15 msec/division, 감응도(gain) 10 mV /division로 하였다. 대상자는 엎드려 누운 자 세에서 무릎을 약간 굴곡 시킨 후 발목 밑에 받침대를 놓아 완전히 이완되도록 한 후 발 목이 중립위치에 놓이게 하였다. 먼저 H reflex를 확인하고 나서 자극강도를 서서히 높 여 H wave의 진폭이 최소화되고 M wave의 진폭이 최대하가 되는 지점에서 대상자로 하 여금 족관절 저측굴곡근에 대하여 최대 수의적 수축을 하게 하면 자극 강도의 증가로 사라진 H wave 대신에 새로운 후기 반응인 V wave가 출현하며 이를 측정하였다(Figure 1).
- 대상자의 최대 내인둥척 성수축력(MTIC)을 산출하여 이를 기준으로 25% MTIC 수축군, 50% MTIC 수축군, 75% MTIC 수축군, 100% MTIC 수축군으로 구분하고 각 실험군에 설정된 MTIC로 둥척성 수축력(MTIC) 을 산출하여 이를 기준으로 25% MTIC 수축 군, 50% MTIC 수축군, 75% MTIC 수축군, 100% MTIC 수축군으로 구분하고 각 실험군 에 설정된 MTIC로 둥척성 운동을 실시하였다. 운동방법은 MTIC를 측정할 때와 같은 조건에서 좌측족관절의 저 측근 수축을 유발하기 위해 Endomed 982(Enraf-Nonius, Ne난lerlands)를 사용하였으며, 전류는 2.
- 대상자는 엎드려 누운 자 세에서 무릎을 약간 굴곡 시킨 후 발목 밑에 받침대를 놓아 완전히 이완되도록 한 후 발 목이 중립위치에 놓이게 하였다. 먼저 H reflex를 확인하고 나서 자극강도를 서서히 높 여 H wave의 진폭이 최소화되고 M wave의 진폭이 최대하가 되는 지점에서 대상자로 하 여금 족관절 저측굴곡근에 대하여 최대 수의적 수축을 하게 하면 자극 강도의 증가로 사라진 H wave 대신에 새로운 후기 반응인 V wave가 출현하며 이를 측정하였다(Figure 1).
- 본 연구에서는 이러한 전기생리학적 측정방법을 이용하여 전기자극에 의한 수축전.후 의 V wave와 운동단위 활동전위(motor unit action potential) 변화를 분석하여 수축력에 따른 활동 전위의 차이를 비교하여 기능적 전 기자극(FES)에 의한 근수축운동이 중추에서 신경순 응반옹의 변화에 미치는 영향을 알아보자 하였다.
- 수의적 수축과 동일한 조건에서 족관절 저측 굴곡근에 전기자극하여 대상자가 최대한 참을 수 있는 강도에서의 수축력인 최대 내 인 등 척성 수축력을 dynamometer (JLW instruments Inc., CS200 Dynamometer, USA) 로 측정하였다.
- 실험군은 전기적 자극에 의한 최대 내인둥척성 수축력 (maximum tolrence isometric contraction; MTIC) 수준에 따라 4개 군으로 하여 각 군에 10명씩 무작위로 배정하였다.
- 대상자의 최대 내인둥척 성수축력(MTIC)을 산출하여 이를 기준으로 25% MTIC 수축군, 50% MTIC 수축군, 75% MTIC 수축군, 100% MTIC 수축군으로 구분하고 각 실험군에 설정된 MTIC로 둥척성 수축력(MTIC) 을 산출하여 이를 기준으로 25% MTIC 수축 군, 50% MTIC 수축군, 75% MTIC 수축군, 100% MTIC 수축군으로 구분하고 각 실험군 에 설정된 MTIC로 둥척성 운동을 실시하였다. 운동방법은 MTIC를 측정할 때와 같은 조건에서 좌측족관절의 저 측근 수축을 유발하기 위해 Endomed 982(Enraf-Nonius, Ne난lerlands)를 사용하였으며, 전류는 2.5 kHz 러시안 전류(russian current)로 주파수는 35 Hz, 통전시간(on time)은 5초, 단전시간(off time)은 2초로 설정하여 20회 반복하였다. 통전시간 동안 유지시간(holding time)은 3초, 경사증가(ramp up) 및 감소시간(ramp down) 은 각각 1초로 설정하였다.
- 자극시간은 20회의 근수축이 유발되도록 2분 20초로 설정하였다. 전극은 좌측 저측 굴곡근의 근복에 bl cm 크기의 자가 부착식 일회용 전극(Medicotest A/S, Neuro line disposable neurology elecrodes 700 10-K, Malaysia)을 이용하여 이극배치 (bipolar placement) 하였다.
- 중앙주파수(MDF) 분석은 저장된 근전도 신호를 대상으로 피로가 발생할 때까지의 신호중 1초 동안 1, 000개의 신호를 대상으로 주파수 스펙트럼을 얻은 후 분석 변수로 window length는 1초, window overlap은 0.5초로 호}여 FFT(fast fourier transformation) 를 반복하여 얻었으며 구하는 공식은 다음과 같다.
- 중추신경원 활동 전위로 상척 수 신경원에 양향이 반영된 척수신경원의 활동 전위인 V wave 는 진단근전도기인 CADWELL II Wedge(Cadwell Laboratories Inc., USA) 로 측정하였으며, 중앙 주파수는 표면 근전도기인 Bagnoli 4-EMG system(Desys Inc., USA) 을 사용하였다.
- 5 kHz 러시안 전류(russian current)로 주파수는 35 Hz, 통전시간(on time)은 5초, 단전시간(off time)은 2초로 설정하여 20회 반복하였다. 통전시간 동안 유지시간(holding time)은 3초, 경사증가(ramp up) 및 감소시간(ramp down) 은 각각 1초로 설정하였다. 자극시간은 20회의 근수축이 유발되도록 2분 20초로 설정하였다.
- 대상자는 대학에 재학 중인 20대 정상성 안 남자 40명이었으며, 전기자극에 의한 수축군을 수축량에 따라 구분하고 좌측족관절 저측굴곡근에 대한 둥척성 운동 전.후에 V wave를 측정하였으며, 운동단위 활동 전위를 측정하여 중앙 주파수를 분석하여 수축량에 따른 차이를 비교하였다.
- 본 연구는 전기자극에 의한 근수축 정도에 따른 중추신경원의 순응반응의 차이를 비교하여 기능적 전기자극 (functional electrical stimulation; FES)이 신경순 응에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 20대 정상 남자 대학생 40명을 대상으로 근수축운동 전.후의 V wave와 중앙 주파수를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 전기자극에 의한 수축력에 따라 중추신경원의 순응반웅의 정도와 차이를 비교하여 기능적 전기자극이 신경순응에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다. 대상자는 대학에 재학 중인 20대 정상성 안 남자 40명이었으며, 전기자극에 의한 수축군을 수축량에 따라 구분하고 좌측족관절 저측굴곡근에 대한 둥척성 운동 전.후에 V wave를 측정하였으며, 운동단위 활동 전위를 측정하여 중앙 주파수를 분석하여 수축량에 따른 차이를 비교하였다.
- 본 실험은 등척 성 수축력에 따른 수의적 및 전기자극에 의한 근운동이 운동단위와 중추신경원의 순응에 미치는 영향을 알아보기 위하여 20대 남자 대학생 80명을 대상으로 하였다(Table 1). 대상자들은 실험에 영향을 줄 만한 신경계 및 근골격계에 대한 병력과 기능 장애가 없는 자로 실험기간 동안 실험에 영향을 줄 수 있는 약물이나 음료 등의 섭취를 제한했다.
데이터처리
- 0 프로그램으로 분석하였다. V wave 측정 항목, MDF의 군간 비교는 공분산 분석(ANCOVA) 을 이용하였다. 공변량분석 (analysis of covariance)은 측정전 값으로 하였고, 사후분 석은 본페로니(Bonferroni) 검정을 실시하였다.
- V wave 측정 항목, MDF의 군간 비교는 공분산 분석(ANCOVA) 을 이용하였다. 공변량분석 (analysis of covariance)은 측정전 값으로 하였고, 사후분 석은 본페로니(Bonferroni) 검정을 실시하였다. 통계학적인 유의성을 검증하기 위해서 유의수준은 a=.
이론/모형
- Sampling rate를 1, 000 Hz 으로 하였고, band pass filter는 20 〜 450 Hz 로 하여 2개 채널을 이용하였다. 근전도 신호의 저장과 분석은 signal acquisition and analysis software (Delsys inc., EMGwork 3.0, USA)를 이용하였다.
성능/효과
- 1. V/Mmax비는 수의적 수축력을 최대로 하였을 때 변화가 가장 컸으며, 전기 자극에 의한 수축에서도 수축력을 최대로 하면 어느 정도의 영향을 주는 것으로 나타났으나 유의한 차이는 없었다.
- 2.운동단위 활동 전위에서 비복근과 가자 미 근의 중앙 주파수는 전기자극에 의한 수축력을 최대로 하였을 때 변화가 가장 컸으며, 실험군 간의 비교에서 유의한 차이가 나타났다 (p<.001).
- 결론적으로 전기자극에 의한 근수축에서 정도의 차이와 양상은 다르지만 운동신경계 활동 전위에 영향을 미치며, 수축력이 적정수 준에 도달했을 때부터 활동 전위의 변화가 두드러지는 것으로 나타났다. 구체적으로 전기자극에 의한 근수축이 중추신경원 활동전위 보다는 운동단위 활동 전위에 더 많은 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 결론적으로 전기자극에 의한 근수축에서 정도의 차이와 양상은 다르지만 운동신경계 활동 전위에 영향을 미치며, 수축력이 적정수 준에 도달했을 때부터 활동 전위의 변화가 두드러지는 것으로 나타났다. 구체적으로 전기자극에 의한 근수축이 중추신경원 활동전위 보다는 운동단위 활동 전위에 더 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 기능적전기자 극에 의한 중추신경 순응을 유도하기 위해서는 최대 내 인 수축력 50% 이상의 적정자극수 준(optimal stimulation level)으로 적용해야 하 며, 전기 자극에 의한 수축이 중앙 주파수에 영향을 크게 주는 것으로 보아 근수축을 위한 전기자극 적용 시 운동단위의 피로를 고려해야 할 것으로 생각된다.
- 본 연구에서 전기자극에 의한 수축력에 따른 중추신경원 및 운동단위 활동 전위의 변화를 분석한 결과 전기자극에 의한 수축에서 정도의 차이와 양상은 다르지만 중추신경원 및 운동단위 활동 전위에 영향을 미치며, 활동 전위의 변화는 수축력이 적정 수준에 도달했을 때부터 두드러지는 것으로 나타났다.
- 운동단위 활동 전위의 중앙 주파수 변화는 IV군의 수축 전• 후의 차이가 가장 컸으며, 이군, II군순으로 나타났다(Table 4). 실험군 간의 차이를 알아보기 위하여 공분산 분석을 한 결과에서 군간 유의한 차이가 나타났으며 (pVOOl), 사후검정에서 I군과 HI군, I군 과 N에서 차이가 있었다.
- 후의 차이가 가장 컸으며, 그 다음이m군, II군순으로 나타났다(Table 3) . 실험군 간의 차이를 알아보기 위하여 공분산분석을 한 결과에서 군간 유의한 차이가 나타났으며 (p<.001), 사후검정에서 I군과 DI군, I군과 IV에서 차이가 있었다.
- 따라서 본 연구에서도 운동 단위 활동 전위가 수의적 운동과 전기자극을 이용한 근수축시 수축력에 따라 어떻게 변하는지를 분석하여 중추의 하행성 운동 주행에 영향을 받는 운동 단위 수준의 신경순응과정을 비교하고자 하였는데, 운동 전. 후 운동단위 활동 전위의 중앙 주파수 (MDF)의 변화를 분석한 결과에서 중앙 주파수 의 감소가 수축량이 증가함에 따라 현저하게 나타났는데, 이는 전기자극에 의한 근수축은 작은 운동 단위보다 큰 운동 단위를 먼저 동원시키기 때문에 큰 운동 단위의 피로가 빨리 나타나며, 중앙 주파수는 주로 큰 운동 단위에 의해 지배되는 II형 섬유와 밀접한 관계를 가지고 있다. 또한 운동 단위의 동원순서도 수의적 수죽은 I형 섬유에서 II형 섬유 순으로 운동단위가 동원되지만, 전기자극은 반대로 II형 섬유에서 I형 섬유 순으로 동원된다(Peggie, 1992; Nina, 1997).
후속연구
- 구체적으로 전기자극에 의한 근수축이 중추신경원 활동전위 보다는 운동단위 활동 전위에 더 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 기능적전기자 극에 의한 중추신경 순응을 유도하기 위해서는 최대 내 인 수축력 50% 이상의 적정자극수 준(optimal stimulation level)으로 적용해야 하 며, 전기 자극에 의한 수축이 중앙 주파수에 영향을 크게 주는 것으로 보아 근수축을 위한 전기자극 적용 시 운동단위의 피로를 고려해야 할 것으로 생각된다.
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