[논문]일정 전기자극하의 근력 상승 - 전기 자극 파형의 펄스 진폭과 펄스폭에 대한 의존성

김지원; 강민영; 엄광문

문제 정의

그러나 이러한 근력강화현상이 자 극의 다른 속성(펄스진폭 및 펄스폭)에 의존하는지의 여부는 알려진 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 기립동작의 주동 근(primary-mus이"인 무릎 신전근(knee extensor muscle) 에 대해 자극 펄스의 잔폭(pulse-amplitude)과 자극 펄스의 폭(pulse-duration)에 대한 근력 강화 현상의 그 의존성 여부를 조사하였다.
본 논문에서는 전기 자극에 대하여 반응하는 근력과 그 운동을 예측하기 위해 근력강화 현상에 대한 기초적 성질중 기존의 문헌에서 조사되지 못한 펄스폭과 펄스진폭 의존성 을 조사하였다. 실험 결과 자극 강도(펄스진폭 및 펄스폭)를 증가시킴에 따라 근력증가도가 감소하였다.

가설 설정

한편, tt동안 근력이 충분히 강화되었다면 L중의 근력강화 도는 작아질 것이므로, 램프자극이 짧을수록 tc중의 근력증 가도가 커질 것이 예상되는더), 이러한 예상은 그림 5(b)의 tr=2 s로 했을 때 tr=5 s일 때 보다 전체적으로 근력증가도 가 커진 것과 일치한다. 또한 60%Imax 이상에서도 근력증가 도가 감소 한 것은 tr=5 S 일 때보다 램프자극시간이 짧아서 램 프구간에 서 미리 강화되지 못한 근섬유의 수가 증가하였기 때문이다.
근육 수축 과정에서, 그림 6과 같이 마이요신 헤드(myosin head) 가 마이요신 백본 (backbone) 에 근접한 위치(안정상 태:resting state)에서 액틴쪽으로 이동하면서 수축력을 발생 하기 위한 최적의 위치로 자리 잡는데 RLCP(regulatory light chain phosphorylation)의 다이나믹스가 관여하며, 이 과정에 수초의 시간이 걸리기 때문에 근력의 강화가 발생하는 것으로 가설되었다 [12-14], 이러한 가설은 본연구의 결과를 설명할 수 있다. 그림 5의 결과에서 tt가 짧을수록 근력증가도가 전반적으로 크게 나타난 것은, 마이요신 헤드가 짧은 tr시간동안에 미소한 양만큼 위치를 변화하였기 때문에, 최적의 위치(근력강화가 종료되는 상태)까지의 거리가 상당부분 남아있었기 때문이다.

제안 방법

본 연구에서 사용된 실험 장치는 그림 1과 같다. 20대 건강성인 9명의 무릎관절 신전근인 외측광근(Vastus Lateralis muscle)을 지배하는 운동신경과 근육의 운동점 (motor point) 에 표면전극(ValuTrode, AXELGAARD co.)을 부착하고 전기 자극을 가했다. 슬관절의 관절각도를 조절하는 Bidoex에 슬관절의 회전력(moment) 를 측정하는 양방향 응력센서 (CPU gage, AIKHOH Eng.
각 피험자가 견딜 수 있는 최대의 자극전류값 (Imax) 을 본 실험에서 미리 측정하였다. 표1은 각 피험자별최대 자극전 류값을 나타낸 것으로서 최소 10.
근력증가도는 램프자극시간이 아닌 본 자극 시간의 근력 변화량만으로 산출하게 된다. 그러나, 램 프자극시간에도 근섬유가 모집되어 근력증가도에 영향을 미칠 수 있으므로, 램 프자극 시 간을 다르게 하여 , 램 프자극시간의 영향을 조사하였다. 램프 자극시간을 너무 짧게 하면 반사적인 수축이 일 어나고 너무 길게 하면 본 자극 전에 많은 근섬유들이 강화가 되므로 시행착오를 통하여 2 s와 5 S로 하였다.
두 번째 실험은 근력강화현상의 펄스폭 의존성 실험으로서, 자극펄스진폭은 최대 자극 전류의 20%로 고정하고 자극 펄스폭을 각각 250, 500, 750, 1000 us로 조절을 하면서 PWM(pulse-width modulation)에 대한 반응을 조사하 였다.
그러나, 램 프자극시간에도 근섬유가 모집되어 근력증가도에 영향을 미칠 수 있으므로, 램 프자극 시 간을 다르게 하여 , 램 프자극시간의 영향을 조사하였다. 램프 자극시간을 너무 짧게 하면 반사적인 수축이 일 어나고 너무 길게 하면 본 자극 전에 많은 근섬유들이 강화가 되므로 시행착오를 통하여 2 s와 5 S로 하였다. 6명의 피험자는 모든 실험에 대해 tr=5 s, tc=25 s로 하고, 3명의 피 험자는 tr=2 s, tc=25 s로 한 후 각각의 결과를 비교하였다.
)을 부착하고 전기 자극을 가했다. 슬관절의 관절각도를 조절하는 Bidoex에 슬관절의 회전력(moment) 를 측정하는 양방향 응력센서 (CPU gage, AIKHOH Eng. co.)를 피험자의 발목에 부착할 수 있도록 장착하고, 슬관절의 굴곡(flexion)각도가 30º인 등 척성(isometric) 조건에서, 전기 자극에 반응하는 무릎관절의 회전력을 측정하였다. 전기 자극 펄스의 반복 주파수는 20Hz로 고정하고, 정전류자극(constant-current stimulation) 을 사용하였다.
)를 피험자의 발목에 부착할 수 있도록 장착하고, 슬관절의 굴곡(flexion)각도가 30º인 등 척성(isometric) 조건에서, 전기 자극에 반응하는 무릎관절의 회전력을 측정하였다. 전기 자극 펄스의 반복 주파수는 20Hz로 고정하고, 정전류자극(constant-current stimulation) 을 사용하였다.
첫 번째 실험은 근력강화현상의 펄스 진폭 의존성 실험으로서, 펄스의 크기를 각각 최대 자극 전류의 20, 40, 60, 80 %로 조절하면서 PAM(pulse-amplitude modulation)에 대한 근육의 반응을 알아보았다. 이때의 자극 펄스의 폭은 250 U s로 일정하게 하였다.
펄스 진폭과 펄스폭에 대한 각각의 실험 순서는 이전 실험의 영향을 배제하기 위해 임의로 순서대로 하였고, 자극 후에는 근피로의 회복을 위해 최소 6시간 이상의 휴식 시간 을 두었다.
표2와 같이 조건 1-4에서 PAM과 PWM은 각각 같은 전하량을 갖도록 설계하여, 펄스진폭과 펄스폭에 대한 실험결 과를 동일한 전하량에 대하여 비교할 수 있도록 하였다. 예를 들어, 조건 2 PAM의 40%Imax의 경우 펄스폭 250 us를 곱하면 펄스당 전하량은 10000 ㎲%Imax가 되고, 조건 2 PWM의 500 US의 펄스진폭 20%Imax를 곱하면 펄스당 전하 량은 10000 ㎲%Imax가 되어 양자는 동일한 전하량을 가지게 된다.

대상 데이터

본 논문에서는 건강한 20대 피험자를 대상으로 실험을 수행하였으나, 실제 기능적 전기 자극이 적용 되는 대상은 고령자나 척수손상(SCI) 환자 및 편마비 환자이다. 이들에게도 강화 현상이 발생하는 것이 알려져 있다[3-4].

이론/모형

그림 3 에는 실험중의 전형적인 근력파형 및 초기신전력과 최대신 전력도 나타내었다. 모든 실험에서, 신전력이 강화된 정도를 나타내는 근력증가도(FIR : force increment ratio)를 산출하기 위해서 ⑴식을 사용하였다.

성능/효과

05로서 각 데이터의 평균값은 유의차가 있는 것으로 나타났다. 각각의 데이터에 대한 사 후 검증(post hoc tests) 결과 a =0.05 수준에서 20%Imax에 대해 60%Imax와 80%Imax가 각각 유의차가 있는 것으로 나타 났다.(p<0.
그림 5(a)의 tr=5 s인 경우, 500 us까지는 근력 증가도가 감 소하였고, 500 PS 이후는 큰 변화가 없었다. 근력증가도는 250 US에서 73+35%, 500 us에서 40+24%, 750 ns 에서 38±19%로서, 근력증가도가 감소하다가 500 ㎲이상에서 수렴하는 것을 볼 수 있었다. 상관표본 t-Test의 결과 250 ps 에 대하여 500 us 가 유의차가 있는 것으로 나타났다.
첫 번째는, 낮은 자극 전류에도 모집되는 속근섬유에 비해 높은 자극 전류에만 모집되는 지근섬유의 근력강화도가 작을 가능성이다. 두 번째는, 속근섬유와 지근섬유의 근력강화도는 유사하더라도, 지 근섬유가 근력강화에 걸리는 시간이 짧아서 t, 동안 대부분 강화되어, 결과적으로 큰 자극 전류를 인가하여 속근섬유와 지근섬유가 함께 모집되었을 경우, 두 가지 섬유의 근력강화 도가 평균되면 낮은 근력강화도를 나타내게 되었을 가능성 이 다.
근력강화현상의 자극 펄스 진폭 의존성에 대한 실험결과는 그림 4와 같다. 모든 자극 조건에 대해서, 본 자극 중에 신전력이 증가하는 강화현상이 관찰되었다.
0=5 s의 경우와 같이 펄스진폭이 클수록 근력증가도 가 작아졌다. 변량분석 결과 a =0.05 에서 p<0.05로서 각 데이터의 평균값은 유의차가 있는 것으로 나타났고, 사후검증 결과 20%Imax에 대해 80%Imax가 유의차가 있는 것으로 나타 났다.(p<0.
본 연구의 결과는 RLCP이론으로 설명이 가능하다. 자극 강도가 커질수록 근력증가도가 증가하고 램프자극시간이 짧 을 때 더 큰 근력강화현상이 일어나는 것은, 큰 자극에 의해서만 모집되는 지근섬유는 RLCP에 의한 근력강화가 미미하 므로 큰자극의 경우 전체적인 근력강화도는 작아지는 것과, 긴 램프자극 구간에서는 마이요신 헤드가 본 자극 전까지 액틴쪽으로 더 많이 이동해 있기 때문이다.
자극 강도가 커질수록 근력증가도가 증가하고 램프자극시간이 짧 을 때 더 큰 근력강화현상이 일어나는 것은, 큰 자극에 의해서만 모집되는 지근섬유는 RLCP에 의한 근력강화가 미미하 므로 큰자극의 경우 전체적인 근력강화도는 작아지는 것과, 긴 램프자극 구간에서는 마이요신 헤드가 본 자극 전까지 액틴쪽으로 더 많이 이동해 있기 때문이다. 본 연구의 결과와 고찰은 RLCP 이론을 지지하는 것으로 판단된다.
그림 5(b)의 tr=2 s일 때는, 앞서의 자극펄스진폭 의존성에 대한 결과와 같이, tr=5 s일 때에 비해 전반적으로 근력 증가도가 컸다. 상관 표본 t-Test의 결과 250 us에 비하여 500 us의 경우가 유의하게 작았고(p<0.05), 500 us이상에서 도 750 us까지 근력증가도가 뚜렷이 감소하다가, 1000 ns에 서는 오히려 증가하는 경향을 보였으나 750 3와 1000 us의 결과에서 유의차는 없었다.(p=0.
근력증가도는 250 US에서 73+35%, 500 us에서 40+24%, 750 ns 에서 38±19%로서, 근력증가도가 감소하다가 500 ㎲이상에서 수렴하는 것을 볼 수 있었다. 상관표본 t-Test의 결과 250 ps 에 대하여 500 us 가 유의차가 있는 것으로 나타났다.(p<0.
본 논문에서는 전기 자극에 대하여 반응하는 근력과 그 운동을 예측하기 위해 근력강화 현상에 대한 기초적 성질중 기존의 문헌에서 조사되지 못한 펄스폭과 펄스진폭 의존성 을 조사하였다. 실험 결과 자극 강도(펄스진폭 및 펄스폭)를 증가시킴에 따라 근력증가도가 감소하였다. 또한 램프자극 시간을 감소시키면 근력증가도가 전반적으로 증가한 것은, 램프자극시간이 짧을수록 본자극전에 미리 강화되는 근섬유의 수가 적어지기 때문인 것으로 판단된다.
이상의 결과를 정리하면, 펄스진폭을 크게 할수록 근력증가도가 작아지며, 램프자극시간이 짧을수록 근력강화도는 커졌다.
20%Imax일 경우 근력 증가도는 73±35%였고, 80%Imax 의 경우에는 29+12%에 달했다. 일원변량분석(one-Way ANOVA) 결과 a(alpha)=0.05 수준에서 p<0.05로서 각 데이터의 평균값은 유의차가 있는 것으로 나타났다. 각각의 데이터에 대한 사 후 검증(post hoc tests) 결과 a =0.
펄스진폭과 펄스폭의 결과에서 20%Imax 와 250 HS, 40%Imax와 500 PS, 60%Imax와 750 US, 80%Imax와 1000 监의 전하량은 동일하다. 그러나, 그림 4(a) 에서 펄스진폭이 60%Imax에서 수렴하는 것에 반해, 그림 5(a)에서는 펄스폭이 500 HS가 될 때부터 수렴하고 있다.

후속연구

선행 연구에 이어 본 연구를 통해 근럭강화현상의 기초적인 특성을 알 수가 있고, 이러한 기초적인 특성을 바탕으로 근력강화현상의 모델의 역할이 기능적 전기 자극에 의한 근력과 운동의 예측에 있어 클 것으로 본다. 향후에는 더 정확한 근력 강화현상에 관한 근골격 모델링에 있어 고령자 및 환자들의 근력강화 실험이 필요할 것으로 본다.
선행 연구에 이어 본 연구를 통해 근럭강화현상의 기초적인 특성을 알 수가 있고, 이러한 기초적인 특성을 바탕으로 근력강화현상의 모델의 역할이 기능적 전기 자극에 의한 근력과 운동의 예측에 있어 클 것으로 본다. 향후에는 더 정확한 근력 강화현상에 관한 근골격 모델링에 있어 고령자 및 환자들의 근력강화 실험이 필요할 것으로 본다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

일정 전기자극하의 근력 상승 - 전기 자극 파형의 펄스 진폭과 펄스폭에 대한 의존성
Muscle Force Potentiation During Constant Electrical Stimulation - Dependence on Pulse-Amplitude and Pulse-Duration of Electrical Stimulation 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

일정 전기자극하의 근력 상승 - 전기 자극 파형의 펄스 진폭과 펄스폭에 대한 의존성 Muscle Force Potentiation During Constant Electrical Stimulation - Dependence on Pulse-Amplitude and Pulse-Duration of Electrical Stimulation 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

일정 전기자극하의 근력 상승 - 전기 자극 파형의 펄스 진폭과 펄스폭에 대한 의존성
Muscle Force Potentiation During Constant Electrical Stimulation - Dependence on Pulse-Amplitude and Pulse-Duration of Electrical Stimulation 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper