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문제 정의
- 본 논문에서는 대퇴사두근의 근 활성도와 근 피로도를 분석하기 위해 질병과 근 표면에 개방성 상처와 다리 근육에 피로가 없어야 하고, 실험에 영향을 줄 수 있는 약물 복용을 하지 않은 건강한 피 실험자 20대 10명과 50대 10명, 총 20명으로 선정한 후 근전도 신호 분석시스템으로 측정하여 해석하였다.
- 일반적으로 근육의 힘을 가장 잘 나타내는 측정지표로 사용되는 RMS를 이용하여 등장성수축 시 근육 힘의 크기에 따라 근전도신호의 피로분석을 하기 위해 본 연구를 하였다. RMS는 일정한 구간에서 신호의 평균적인 진폭의 크기를 나타내는 지표가 되고 식 (1)과 같이 계산 된다[16, 17].
제안 방법
- 필터 대역폭은 10~450 [Hz], 필터의 컷오프(cutoff) 특성은 12dB/oct이고, 증폭률은 10,000배, A/D 변환을 통해 1,024 [Hz]로 샘플링 하였다. 대퇴사두근에 대한 근전도 신호를 취득하기 위해서 사용된 센서는 미국 delsys사의 DE-2.1을 사용하였고 A/D변환기는 Data Translation사의 DT-9804를 사용하였으며, 대퇴사두근의 근력은 스트레인 게이지를 센서로 하는 CAS사의 CI-7000A force meter는 최대부하를 먼저 정하고 최대무게의 20%-90%의 부하를 정하기위해서 사용하며, 각 부하에 따라 무게를 증가시키는데 필요한 추는 2 [㎏], 1 [㎏]과 분동 500 [g], 300 [g], 100 [g] 등을 이용했다[13].
- 데이터 취득모드에서는 force meter와 실제 무게를 비교하여 정확한 무게를 증가하면서 근육 힘의 데이터를 취득하였으며 동시에 표면전극을 이용하여 근전도 신호를 취득하였다. 또한 데이터 분석모드에서는 분석프로그램을 이용하여 근육 힘과 근전도 신호의 데이터에 대해 RMS, 중간주파수를 이용하였다.
- 통계분석은 연령 별로 각각의 대상근육에 대하여 수축, 정지, 이완 모드별로 또한 20-90%까지의 변화를 중간주파수, RMS 파라미터에 대하여 two-way ANOVA를 사용하여 모드, 무게, 연령대, 근육별로 분석하였다. 또한 각속도의 변화는 20-90%까지 20대와 50대사이의 수축, 이완모드를 비교분석하였다. 데이터는 피 실험자별 평균값으로 처리하였고, 통계적 유의수준은 0.
- 또한 이러한 목적을 바탕으로 근육의 활성화와 피로도 분석을 위하여 대퇴사두근의 내측광근(VM), 대퇴직근(RF), 외측광근(VL)을 대상으로 다리뻗는(leg extension)실험을 각속도와 더불어 수축, 정지, 이완모드별로 또한 각 실험자의 1회 반복 최대 들어올리기(1RM)) 무게의 20%부터 90%까지 10%씩 증가 시키면서 실험하여 데이터와 그래프 그리고 통계분석을 통한 근 활성화(RMS)와 근 피로(MF)에 어떠한 영향을 미치는가를 연구하였다[10].
- 또한 데이터 분석모드에서는 분석프로그램을 이용하여 근육 힘과 근전도 신호의 데이터에 대해 RMS, 중간주파수를 이용하였다. 무게 증가에 따른 각속도를 같이 측정하였으며, 이와 같은 측정 및 분석모드를 통하여 대퇴사두근의 근 활성화와 근 피로 및 각속도와의 관계를 분석하였다.
- 본 연구에서는 등장성 수축, 정지, 이완 모드별로 또한 각속도도 같이 측정 하였으며, 부하는 피 실험자 각각 최대치의 20-90%증가하면서 연령에 따른 대퇴사두근을 비교분석한 결과를 근 활성도와 피로도 부분을 중점으로 그리고 각 속도부분을 관련부분으로 해석한다.
- 본 연구에서는 등장성수축의 근피로 시험을 통한 근전도 신호의 근 활성과 근피로 분석을 위하여 하지의 대퇴사두근을 대상으로 피 실험자의 피부 표면에 부착 가능한 표면 전극과 속도계 센서, 근전도 증폭기, 필터, A/D 변환기를 통해서 취득한 근전도 및 각 속도를 분석하기 위해 노트북 컴퓨터로 연결하여 그림 1과 같이 설계하였다.
- 실험 전 준비사항에는 표면전극과 피부간에 낮은 전기저항으로 표면전극을 유지시키기 위하여 알콜 거즈로 닦았다.
- 실험장비의 배치는 근피로 시험을 실시하기 위하여 실험 장비(Body-Solid EXM3000LPS Home Gym)의 레그 익스텐션(leg extention)을 배치하였다.
- 대퇴사두근의 무릎에 goniometer sensor를 부착하여 수축모드와 이완모드에서 부하증가 20-90%에서 각 근육별로 각속도의 데이터를 수축모드는 1초, 이완모드는 2초씩 취득한다. 취득한 데이터는 부하, 연령, 근육별로 각속도 변화량을 비교분석한다.
- 측정 데이터의 분석주기는 100[ms]로 초기 값과 마지막 값의 변화량 사이의 중간 값을 이용하여 대상 근육의 근력평가와 근전도 패턴변화를 분석하였다.
- 필터 대역폭은 10~450 [Hz], 필터의 컷오프(cutoff) 특성은 12dB/oct이고, 증폭률은 10,000배, A/D 변환을 통해 1,024 [Hz]로 샘플링 하였다. 대퇴사두근에 대한 근전도 신호를 취득하기 위해서 사용된 센서는 미국 delsys사의 DE-2.
대상 데이터
- 대퇴사두근의 ISO 모드에서 측정한 주파수 값이며 부하 20-90%까지 증가하면서 획득한 데이터이다. 근육별 비교에서 크기순으로 VL, RF, VM으로 나타났으며 통계적 유의수준 (p < 0.
- 대퇴사두근의 무릎에 goniometer sensor를 부착하여 수축모드와 이완모드에서 부하증가 20-90%에서 각 근육별로 각속도의 데이터를 수축모드는 1초, 이완모드는 2초씩 취득한다. 취득한 데이터는 부하, 연령, 근육별로 각속도 변화량을 비교분석한다.
- 본 연구의 실험대상은 남성 20대와 50대 총 20명으로 개인별 1회씩 측정하였다. 연령에 따른 대퇴사두근의 근 활성화 및 근 피로도 측정에서 중간주파와 RMS 파라미터을 이용하여 각 실험 단계별로 최초 측정값을 기준으로 피 실험자 마다 백분율로 환산하여 실험결과를 분석하였다.
- 실험방법으로는 넓적다리 근육의 내측광근, 대퇴직근, 외측광근에 3채널 센서를 사용하였다. 또한 각 속도를 측정하기 위하여 twin axis goniometer sensor를 오른발 무릎 안쪽에 양면테이프로 부착한다.
데이터처리
- 1) 대퇴사두근의 각 근전도 신호 획득에는 무게, 나이, 모드 등을 모두 포함해서 평균과 표준오차 값으로 분석하였으며, 또한 모드별 데이터는 근육, 부하, 나이 등을 모두 포함하여 얻어지는 값이다.
- 대퇴사두근 20-50% 부하 부근에서 속도가 상승으로 관측되어 부하 20-50% 바탕으로 그래프와 ANOVA 일원, 이원분석을 한다.
- 데이터 취득모드에서는 force meter와 실제 무게를 비교하여 정확한 무게를 증가하면서 근육 힘의 데이터를 취득하였으며 동시에 표면전극을 이용하여 근전도 신호를 취득하였다. 또한 데이터 분석모드에서는 분석프로그램을 이용하여 근육 힘과 근전도 신호의 데이터에 대해 RMS, 중간주파수를 이용하였다. 무게 증가에 따른 각속도를 같이 측정하였으며, 이와 같은 측정 및 분석모드를 통하여 대퇴사두근의 근 활성화와 근 피로 및 각속도와의 관계를 분석하였다.
- 본 연구의 실험대상은 남성 20대와 50대 총 20명으로 개인별 1회씩 측정하였다. 연령에 따른 대퇴사두근의 근 활성화 및 근 피로도 측정에서 중간주파와 RMS 파라미터을 이용하여 각 실험 단계별로 최초 측정값을 기준으로 피 실험자 마다 백분율로 환산하여 실험결과를 분석하였다.
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4-1-5 통계처리
통계분석은 연령 별로 각각의 대상근육에 대하여 수축, 정지, 이완 모드별로 또한 20-90%까지의 변화를 중간주파수, RMS 파라미터에 대하여 two-way ANOVA를 사용하여 모드, 무게, 연령대, 근육별로 분석하였다. 또한 각속도의 변화는 20-90%까지 20대와 50대사이의 수축, 이완모드를 비교분석하였다.
이론/모형
- 또한 대퇴사두근 근육의 오른쪽 다리 쭉 펴기 연구실험에서 수축과 이완모드의 각속도(angular velocity)를 측정하기 위하여 Goniometer(Biometrics : Model K100)사용하였다.
성능/효과
- QF mode의 %RMS 비교분석 결과를 크기 순서로 보면 CON, ISO, ECC로 나타났으며 통계적 유의수준 (p < 0.05)로 확인하였다.
- QF 근육의 20대와 50대의 %RMS의 비교분석에서는 모든 부하증가와 모드를 합한 VL, VM, RF 3개 근육 모두 20대가 더 큰 활성도를 보인 것을 통계적 유의차 (p < 0.05)로 확인하였다.
- 1 [°/s]에서 합계 20명에서 나타났다. QF의 20대에서는 진폭이 50대보다는 심하게 나타나고 있는데 20대의 힘의 균형이 50대보다는 불안정한 것으로 보이며, 30-40%에서 속도가 증가하는 것은 어느 정도 숙달된 연습에서 혹은 근육의 활성화의 시점, 혹은 적당한 하중에서 속도가 증가되는 것으로 보이는데 분석을 통하여 알아본다.
- 근육별 비교에서 크기순으로 VL, RF, VM으로 나타났으며 통계적 유의수준 (p < 0.05)로 확인하였다.
- 모드별로는 수축모드에서 가장 크게 63%, 정지모드 53%, 이완모드에서 22%의 RMS 값으로 통계적 유의차 p < 0.05로 확인되었다.
- 본 논문에서는 20대 남자 10명과 50대 남자 10명을 운동을 하지 않은 정상적인 일반인을 대상으로 실험을 해본 결과 부하증가와 근육의 활성화는 선형적으로 증가하며, 중간주파수는 점점 감소하여 그만큼 피로도가 증가하고 대퇴사두근에서 외측광근이 가장 크게 나타났으며 다음으로 내측광근, 대퇴직근 순이다.
- 부하증가에 따른 QF 근육별 활성도 %RMS 비교 분석에서는 크기순은 VL, VM 그리고 RF이며 90%부하에서 VL이 80%, VM 73%, RF가 47%를 보여주고 있고 통계적 유의차 (p < 0.05)로 확인 하였다.
- 특이한 점은 RMS값은 RF보다 VM이 많은데 비해 중간주파수에서는 VM보다는 RF에서 더 큰 패턴을 보인다.
후속연구
- 본 연구 결과에 따라 대퇴사두근에서 최대 MVC의 30-40%부하에서 속도가 상승하는 근거를 바탕으로 생체 동역학 연구와 체육 분야의 선수 훈련방법, 산업분야에서의 작업자의 작업능률향상과 장해방지 그리고 재활 의학 분야의 부상치료 등에 응용할 수 있을 것으로 사료된다.
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