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문제 정의
- 근경직으로 인한 질병을 판단하기 위해서 객관적, 비침습적 근경직도 측정 방법의 연구가 진행중에 있다. 기계적 비침습적 초음파 근경직 측정 결과와 근전도 변화와의 상관관계를 밝히는 기초연구로서, 본 연구는 하지 대퇴직근의 근피로를 유도하는 실험 프로토콜을 이용하여 실험을 진행하였다. 이때 바이오덱스 시스템과 근전도 측정 시스템으로 근전도를 동시에 측정하였다.
- 본 연구는 근육의 기계적 탄성을 측정하여 근경직을 판단하는 방법에서 초음파를 이용하여 근탄성을 측정하여 근경직을 판단하는 방법을 제한하기 위한 선행 연구로서 대퇴근의 등척성 운동을 위한 실험 프로토콜를 통해 근피로 및 근경직을 효과적으로 유도하고, 이와 동시에 근전도(EMG:electromyographic)신호를 측정하였다. 측정된 근전도 신호에서 중앙주파수(MF : median frequency)분석과 실효값(RMS:root mean square)분석을 통해 근경직을 나타내었다.
제안 방법
- 피검자는 초기 30분 휴식 후, 간단한 스트레칭을 통해 근육을 이완하고, 5분의 휴식을 하였다. 45˚ 각도로 고정된 하지를 90˚로 들어올리는 동작을 통해 대퇴직근의 등척성 수축을 시켰다. 이때 최대수의적등척성수축(MVC : maximal voluntary contraction)을 측정한 후 다시 10분의 휴식을 취하였다.
- 하지 대퇴직근의 등척성 수축 운동 실행과 운동 중 무릎관절토크의 크기를 측정하기 위해 바이오덱스 시스템3 (Biodex System 3, Biodex medical systems , USA)을 사용하였다. 동시에 근전도 측정 시스템(MyoSystem 1200, Noraxon, USA)을 사용하여 운동 중 발생하는 근전도를 측정하였다. 근전도 신호의 전극은 같은 근육줄기를 측정하기 위해 동일한 방향으로 위치 시켰다(그림 1).
- 근전도 신호의 전극은 같은 근육줄기를 측정하기 위해 동일한 방향으로 위치 시켰다(그림 1). 또한 근전도 전극은 근탄성 측정을 위한 트랜스듀서와 대략 3cm가량 거리를 두어 초음파 전용 젤이 근전도 신호에 영향을 주지않도록 하였다. 근전도의 레퍼런스전극은 오른다리 무릎 뼈에 위치 시켰다.
- 실험중 피검자의 건강상태 및 근육의 양에 따라 피로 한계에 도달하는 시간에 차이가 있으므로 중심주파수를 표현할 때 시간을 정량화하여 표현하기위해 측정시간의 시간제한(Tlim)을 두어 백분율로 표시하였다.
- 피검자는 바이오덱스 시스템의 의자에 앉아 오른쪽 다리를 45˚ 각도로 고정시켰다. 오른쪽 대퇴직근에 있는 근육 중 한 줄기에서 근전도를 측정하고 초음파 트랜스듀서를 같은 근육 줄기에서 측정하도록 설치하였다.
- 이때 최대수의적등척성수축(MVC : maximal voluntary contraction)을 측정한 후 다시 10분의 휴식을 취하였다. 운동 전 MVC의 50% 토크 크기로 하지의 등척성 운동을 실시 하였다. 그림 2 실험중 사용된 실험 프로토콜이다.
- 피검자가 더 이상 운동을 진행 시키지 못하는 한계점의 측정값이 MVC의 50%에서 ±5%를 넘어서거나 부족할 순간까지 운동을 지속 하였다. 운동 후 즉시 트랜스듀서를 통한 근 경직도를 다시 측정하였다.
- 기계적 비침습적 초음파 근경직 측정 결과와 근전도 변화와의 상관관계를 밝히는 기초연구로서, 본 연구는 하지 대퇴직근의 근피로를 유도하는 실험 프로토콜을 이용하여 실험을 진행하였다. 이때 바이오덱스 시스템과 근전도 측정 시스템으로 근전도를 동시에 측정하였다. 실험을 통해 근피로를 유발 하였고, 측정된 근전도 신호를 중앙주파수분석과 실효값 분석 결과로 근피로 증가에 따른 근전도의 변화를 보였다.
- 근경직(Muscle stiffness)으로 인해 발생되는 질병은 선천성 근긴장증, 선천성 이상근긴장증, 근긴장성 이영양증등이 있다. 이러한 질병을 진단하기 위해서 주먹을 쥐었다, 폈다하는 등의 근육의 수축, 이완 운동을 통해 근피로를 유발시키고, 그 운동의 반복 속도가 감소하는 정도를 관찰하여 판단한다. 이러한 진단 방법은 개인적 차이에 따라 반복운동의 횟수 및 정도, 지속시간이 다양하게 나타난다.
- 근전도 신호를 이용한 근피로 분석 방법은 중앙주파수(MF:median frequency)분석과 실효값(RMS:root mean square)분석을 사용하여 피로발생 유무 및 정도를 측정할 수 있다[4]. 중앙주파수 분석은 시간별 근전도 신호를 고속 퓨리에 변화(FFT :fast furier transform)을 통하여 파워 스펙트럼(Power Spectrum)으로 변환하여 근전도 신호의 주파수에 따른 변화에서 중앙주파수를 구하였다(식(1)).
- 피검자가 더 이상 운동을 진행 시키지 못하는 한계점의 측정값이 MVC의 50%에서 ±5%를 넘어서거나 부족할 순간까지 운동을 지속 하였다.
- 피검자는 바이오덱스 시스템의 의자에 앉아 오른쪽 다리를 45˚ 각도로 고정시켰다. 오른쪽 대퇴직근에 있는 근육 중 한 줄기에서 근전도를 측정하고 초음파 트랜스듀서를 같은 근육 줄기에서 측정하도록 설치하였다.
- 피검자는 초기 30분 휴식 후, 간단한 스트레칭을 통해 근육을 이완하고, 5분의 휴식을 하였다. 45˚ 각도로 고정된 하지를 90˚로 들어올리는 동작을 통해 대퇴직근의 등척성 수축을 시켰다.
- 하지 대퇴직근의 등척성 수축 운동 실행과 운동 중 무릎관절토크의 크기를 측정하기 위해 바이오덱스 시스템3 (Biodex System 3, Biodex medical systems , USA)을 사용하였다. 동시에 근전도 측정 시스템(MyoSystem 1200, Noraxon, USA)을 사용하여 운동 중 발생하는 근전도를 측정하였다.
대상 데이터
- 실험 대상 부위는 하지운동시 등척성 운동에 사용되는 대퇴직근에서 EMG를 측정 하였다. 피검자는 하지 부근의 수술 및 병력이 없는 남성, 평균 연령 26±2세, 평균 키180±5cm, 평균 몸무게 75±5kg의 5명을 실험 대상자로 하였다.
- 피검자는 하지 부근의 수술 및 병력이 없는 남성, 평균 연령 26±2세, 평균 키180±5cm, 평균 몸무게 75±5kg의 5명을 실험 대상자로 하였다.
데이터처리
- 본 연구는 근육의 기계적 탄성을 측정하여 근경직을 판단하는 방법에서 초음파를 이용하여 근탄성을 측정하여 근경직을 판단하는 방법을 제한하기 위한 선행 연구로서 대퇴근의 등척성 운동을 위한 실험 프로토콜를 통해 근피로 및 근경직을 효과적으로 유도하고, 이와 동시에 근전도(EMG:electromyographic)신호를 측정하였다. 측정된 근전도 신호에서 중앙주파수(MF : median frequency)분석과 실효값(RMS:root mean square)분석을 통해 근경직을 나타내었다. 이는 기계적 특성을 이용한 비침습적 근경직 측정값과 근전도를 통한 경직도 비교가 가능하고, 근전도가 근경직에 대한 객관적 지표가 될 수 있음을 나타내었다.
이론/모형
- 근전도 신호는 Matlab ver. 2009(Matworks, Natick, USA)를 사용하여 신호처리 하였다. 그림 4는 근전도 신호 처리 과정을 블록도로 나타내었다.
- 그리고 3Hz 저역통과필터를 통해 근전도 신호의 실효값으로 변환하였다(그림 4). 모든 신호 처리는 4차 Butter-worth 필터를 사용하였다.
성능/효과
- 또한 장시간 운동 후 근육의 이완이 쉽게 이루어지지 않음을 보여준다. 따라서 근육의 경직도는 근피로에 따라 영향을 받으며 근피로의 정도가 심할수록 근경직도의 정도 역시 증가하는 것으로 나타났다.
- 실험 결과에서 등척성 운동이 근육에 근피로를 유발하여 중앙주파수의 변화 실효값의 변화를 나타냈다.
- 이때 바이오덱스 시스템과 근전도 측정 시스템으로 근전도를 동시에 측정하였다. 실험을 통해 근피로를 유발 하였고, 측정된 근전도 신호를 중앙주파수분석과 실효값 분석 결과로 근피로 증가에 따른 근전도의 변화를 보였다. 또한 근전도의 실효값의 변화로 근 수축이 일어났음을 나타냈다.
- 실험의 결과를 볼 때, 등척성 운동을 할 시에 근육에서 나오는 전기적인 신호가 증가하고, 중심주파수의 신호가 고주파에서 저주파로 이동함을 알 수 있었다. 실효값은 지속적으로 동일한 힘을 가하기 위해선 시간이 지날수록 더 많은 근섬유가 반응해야 함을 알 수 있었다.
- 실험의 결과를 볼 때, 등척성 운동을 할 시에 근육에서 나오는 전기적인 신호가 증가하고, 중심주파수의 신호가 고주파에서 저주파로 이동함을 알 수 있었다. 실효값은 지속적으로 동일한 힘을 가하기 위해선 시간이 지날수록 더 많은 근섬유가 반응해야 함을 알 수 있었다. 이를 볼 때 근섬유의 효율이 시간이 지날수록 감소하고, 근경직 상태와 유사한 반응을 보임을 알수 이다.
- 실효값은 지속적으로 동일한 힘을 가하기 위해선 시간이 지날수록 더 많은 근섬유가 반응해야 함을 알 수 있었다. 이를 볼 때 근섬유의 효율이 시간이 지날수록 감소하고, 근경직 상태와 유사한 반응을 보임을 알수 이다. 중심주파수의 결과에선 고주파를 발생하는 속근근육의 활동이 줄어드는 것을 보여준다.
- 이를 볼 때 근섬유의 효율이 시간이 지날수록 감소하고, 근경직 상태와 유사한 반응을 보임을 알수 이다. 중심주파수의 결과에선 고주파를 발생하는 속근근육의 활동이 줄어드는 것을 보여준다. 이 두 결과의 공통점은 지속적인 운동 시 근육의 피로가 축적됨을 나타낸다.
- 하지 대퇴직근의 등척성 운동중 실시간으로 측정된 근전도 신호의 중앙주파수 변화값을 분석한 결과 운동 경과 시간이 지남에 따라 근전도 신호의 중앙 주파수가 고주파대역에서 저주파대역으로 이동함을 알 수 있었다(그림 6). 실효값의 변화는 각각의 증가 폭은 차이가 있으나, 비교적 증가함을 알 수 있었다(그림 7).
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