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문제 정의
- 본 논문에서는 로잉운동 시 상지의 운동궤적에 따른 근육 활성도를 비교 분석함으로써, 로잉 운동 시 상·하지 근육의 부상 위험은 낮추고 운동효율의 증진이 가능한 운동궤적 전략에 대해 연구하였다.
- 본 논문에서는 로잉운동 시 팔의 운동 궤적별 상·하지 근육들의 근육활성도에 대해 연구하였다.
제안 방법
- 근육이 반응할 때의 표면근전도 신호의 전·후 100ms씩 총 200ms 동안만 계산하였다.
- 두 번째로 피험자들의 근력 변화를 보기 위해 BIODEX SYSTEM 3을 이용하여 로잉 운동 전·후 관절 토크 변화를 측정하였다.
- 또한 근전도 신호의 노이즈를 제거하기 위해서 6∼400Hz 구간을 버터워스 대역통과 필터(butter-worth band pass filter)를 사용하였다.
- 표면 근전도(surface EMG)를 측정하기 위해 피험자들의 피부를 알코올로 소독하여 피부 저항을 최소로 하였다. 또한 매 측정 시 근육위치에 따른 근전도 오차를 줄이기 위해 근육의 길이의 1/2지점을 지정해 측정을 실시하였다. 로잉운동 시 피험자의 상·하지에서 측정된 표면 근전도 신호는 생체 신호처리를 통하여 근육별 활성화 정도와 운동 패턴 별 근육 활성 개시구간을 비교 분석하였다.
- 운동량은 회당 50번의 로잉동작을 실시하여, 총 200번을 수행하였다. 또한, 1회 운동 후 근 피로도를 회복시키기 위해 1회 운동 후 5분간 정적 회복(rest-recovery) 시간을 제공하였다. 피험자들은 이렇게 운동과 휴식을 번갈아 하는 반복운동(intermittent exercise)을 매주 4회씩 총 8주 동안 규칙적으로 운동하였고 측정은 매주 1회 실시하였다.
- 로잉 운동 시 각각의 테스트 세션동안 피험자의대퇴직근, 대퇴이두근, 전경골근, 비복근에서 실시간 측정한 표면근전도를 기록하였다. 측정 된 근전도 신호 수집은 BIOPAC EMG Module을 이용하여 1000Hz로 샘플링 하였으며 Bandwidth는 0∼400Hz 로 하였다.
- 로잉 운동 전·후 관절 토크 측정을 위한 프로토콜은 팔꿈치 관절의 신전과 굴곡,요추 관절의 신전과 굴곡, 발목 관절의 족배굴곡과 족저굴곡을 사용하였다.
- 로잉 운동에 따른 근육활성도 및 근력변화를 보기 위해 2가지 방법으로 측정하였다. 첫 번째는 로잉 운동 시 실시간으로 근육활성도를 측정하기 위해 근전도 측정 장치인 Biopac MP150 EMG 측정장치를 사용하여 로잉 운동 시 피험자 상지와 하지의 근육의 실시간 근전도를 측정하였다.
- 로잉운동 시 피험자의 상·하지에서 측정된 표면 근전도 신호는 생체 신호처리를 통하여 근육별 활성화 정도와 운동 패턴 별 근육 활성 개시구간을 비교 분석하였다.
- 운동 부하는 총 6단계로 구분되며 매주 1단계씩 증가시켰다. 마지막 주는 6단계로 계속 진행하였으며 부하조절의 로잉머신의 운동부분의 손잡이의 길이에 따라 부하가 달라지는 방식을 이용하였다.
- 운동 전·후 피험자들의 관절 토크를 측정할 때 다음과 같은 프로토콜, 각속도와 측정범위가 훈련그룹과 대조그룹에게 동일하게 제공 하였다.
- 피험자들은 일반적으로 가정이나 헬스장에서 사용되고 있는 유압용 로잉머신을 이용하여 운동을 실시하였다. 운동은 로잉머신을 이용하여 1일 총 4회를 실시하였다. 운동량은 회당 50번의 로잉동작을 실시하여, 총 200번을 수행하였다.
- 로잉 운동에 따른 근육활성도 및 근력변화를 보기 위해 2가지 방법으로 측정하였다. 첫 번째는 로잉 운동 시 실시간으로 근육활성도를 측정하기 위해 근전도 측정 장치인 Biopac MP150 EMG 측정장치를 사용하여 로잉 운동 시 피험자 상지와 하지의 근육의 실시간 근전도를 측정하였다. 이는 운동 궤적별 근육의 활성 개시구간을 알아보기 위해 측정되었으며 시작을 알리는 신호와 함께 운동과 측정이 동시에 이루어 졌다.
- 측정 된 근전도 신호 수집은 BIOPAC EMG Module을 이용하여 1000Hz로 샘플링 하였으며 Bandwidth는 0∼400Hz 로 하였다.
- 측정범위(Range of motion, ROM)는 발목관절은 발목이 수직 일 때를 기준 0° 도 하여 몸의 중심 바깥방향으로 30°, 팔꿈치관절은 팔꿈치가 수평일 때를 0°도 기준으로 하여 60°를 제공 하였고 요추관절은 허리를 수직으로 세운 상태를 0° 기준으로 전 후 방향으로 각각 30°씩 총 60° 씩 제공하였으며 모든 피험자들은 동일한 날에 측정을 실시하여 환경에 대한 오차를 최소화하였다.
- 표면 근전도(surface EMG)를 측정하기 위해 피험자들의 피부를 알코올로 소독하여 피부 저항을 최소로 하였다. 또한 매 측정 시 근육위치에 따른 근전도 오차를 줄이기 위해 근육의 길이의 1/2지점을 지정해 측정을 실시하였다.
- 또한, 1회 운동 후 근 피로도를 회복시키기 위해 1회 운동 후 5분간 정적 회복(rest-recovery) 시간을 제공하였다. 피험자들은 이렇게 운동과 휴식을 번갈아 하는 반복운동(intermittent exercise)을 매주 4회씩 총 8주 동안 규칙적으로 운동하였고 측정은 매주 1회 실시하였다. 로잉 운동 시 운동 궤적별 근육 활성도를 고찰하기 위한 수행 단계를 나타내고 있다(그림 1).
- 피험자들은 직선 궤적운동을 하는 피험자 그룹대조군(Control group, CG ; age:20 ± 1.6 yr. ,height : 170 ± 4.3 cm, weight : 60 ± 5.4 kg)과 타원 궤적운동을 수행하는 그룹 (Training group, TG; age:20 ± 1.8 yr , height : 170 ± 5.6 cm, weight : 60± 6.1 kg)으로 각 10명씩 나누어 진행되었다(표 1).
- 로잉운동은 슬라이딩 의자(sliding seat)의 지원을 받아 팔의 굴곡과 동시에 발의 신전, 몸의 신전이 일어나 로잉 운동 동작이 연속적으로 수행되게 된다. 피험자들이 각각 지시한 운동을 수행할 때 운동 단계는 모두 동일하게 제공되었으며 로잉운동은 총 5단계로 하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험대상은 과거의 상·하지의 병력이 없고 운동에 의한 재활치료 경험이 없는 건강한 남성 20명이 피험자로 참여하였다. 또한, 로잉운동 경험이 없었으며 평소 운동을 주 1회 이하로 하는 대학생 기준의 일반인을 대상으로 피험자를 선출하였다. 피험자들은 직선 궤적운동을 하는 피험자 그룹대조군(Control group, CG ; age:20 ± 1.
- 본 연구의 실험대상은 과거의 상·하지의 병력이 없고 운동에 의한 재활치료 경험이 없는 건강한 남성 20명이 피험자로 참여하였다.
- 실험에 들어가기 전에 먼저 피험자에게 본 연구의 목적과 실험을 통해 발생할 수 있는 위험에 대해 충분히 설명하였다. 피험자들은 일반적으로 가정이나 헬스장에서 사용되고 있는 유압용 로잉머신을 이용하여 운동을 실시하였다. 운동은 로잉머신을 이용하여 1일 총 4회를 실시하였다.
데이터처리
- 운동 궤적별 최대 피크토크와 근육활성화 정도 차이를 테스트하기 위해 이원분석(two-way ANOVA)를 사용하였다. 또한 사후검정(post-hoc analysis)을 통해 피험자 그룹간의 평균차이를 분석하였다. 반복 측정 시 발생되는 측정 오차 사이의 통계적 유의성을 검증하였으며, 유의성 수준은 p<0.
- 로잉 운동 전·후 상지의 운동 궤적별 토크 변화를 분석하기 위해 체중당 피크토크(peak torque/body weight) 파라미터를 일원분석(one-way ANOVA)을 하였다.
- 반복 측정 시 발생되는 측정 오차 사이의 통계적 유의성을 검증하였으며, 유의성 수준은 p<0.05와 p<0.01에서 검증하였다.
- 로잉 운동 전·후 상지의 운동 궤적별 토크 변화를 분석하기 위해 체중당 피크토크(peak torque/body weight) 파라미터를 일원분석(one-way ANOVA)을 하였다. 운동 궤적별 최대 피크토크와 근육활성화 정도 차이를 테스트하기 위해 이원분석(two-way ANOVA)를 사용하였다. 또한 사후검정(post-hoc analysis)을 통해 피험자 그룹간의 평균차이를 분석하였다.
- 통계분석은 SPSS 13.0 kor을 사용하여 로잉 운동 시 실시간 근육활성도와 운동 전⋅후 관절토크의 피크토크(peak torque)에 대한 평균과 표준편차를 계산하였다.
성능/효과
- 허리가 굴곡에서 신전을 할 때 작용되는 척추기립근의 영향을 받게 된다. 근육활성도에서도 타원 궤적운동이 직선 궤적운동 보다 척추기립근이 크게 활성화되는 것이 나타났다. 이는 근육활성도의 결과와 비교하여 볼 때 타원 궤적운동 시 척추기립근을 크게 활성화시켜 허리의 신전력을 강화시켜 요추 관절의 신전운동에도 관여함을 뒷받침 해주고 있다.
- 또한, 타원 궤적운동은 상지, 하지와 허리의 척추기립근의 힘을 이용하여 운동의 추진력을 발생시키는 것으로 판단 되고, 이는 직선 궤적운동보다 타원 궤적운동이 운동부하에 따른 효율적인 힘 분배가 가능하여 전신운동이 가능함을 의미한다. 또한 직선 궤적 운동보다 타원 궤적운동이 적은 요부굴곡을 요구함으로써 허리 디스크 발생에 대한 위험 정도가 더 낮은 것임을 알 수 있었다.
- 이는 직선 궤적운동은 하지의 힘을 이용하여 운동의 추진력을 발생시키고 있는데, 이는 기존의 로잉 운동기기가 제공하는 직선 궤적운동은 전신운동보다는 하지 중심의 운동을 제공하고 있다. 또한, 타원 궤적운동은 상지, 하지와 허리의 척추기립근의 힘을 이용하여 운동의 추진력을 발생시키는 것으로 판단 되고, 이는 직선 궤적운동보다 타원 궤적운동이 운동부하에 따른 효율적인 힘 분배가 가능하여 전신운동이 가능함을 의미한다. 또한 직선 궤적 운동보다 타원 궤적운동이 적은 요부굴곡을 요구함으로써 허리 디스크 발생에 대한 위험 정도가 더 낮은 것임을 알 수 있었다.
- 로잉운동 시 운동 궤적에 따라 근육활성 개시구간 과 근육활성 크기가 다르게 나타나는 것을 알수 있었다. 직선궤적운동에서는 상지 근육보다 하지 근육에서 큰 근육활성도와 관절토크 변화를 보였고 타원궤적운동에서는 상·하지 근육과 허리 근육 모두 크게 활성화와 관절토크 변화를 확인하였다.
- 이는 상지의 운동 궤적에 따라 근육활성화 전략이 다르다는 것을 의미한다. 먼저 근육활성화를 보면 직선궤적운동은 하지의 전경골근에서 먼저 활성화가 나타났으며 타원 궤적운동에서는 상지의 등세모근과 삼각근에서 활성화가 나타났다. 이는 운동 궤적에 따른 운동 추진력의 에너지원 활성이 서로 다르게 사용되고 있다는 것을 보여주고 있다.
- 팔꿈치(elbow), 요추(lumbar), 발목(ankle)의 3가지 프로토콜에 따른 관절 토크 변화에서도 운동 궤적별 근육 활성화 개시구간과 활성 크기와 유사관계가 나타났다. 먼저 발목관절 토크 변화에서는 직선 궤적운동 시 타원 궤적운동 시 보다 높은 발목 관절 토크 값과 증가량을 나타냈다. 특히 직선궤적운동 시 족저굴곡에서는 47.
- 요추관절의 신전 시에는 타원궤적운동에서 직선궤적운동보다 큰 변화량이 관찰되었고 굴곡 시에는 반대로 직선궤적운동에서 큰 변화량이 나타났다. 요추관절의 신전 시에는 타원궤적운동에서 약 22.5 %증가하여 직선궤적운동 시 보다 더 큰 변화량이 관찰되었다. 요추관절의 굴곡 시에서는 직선궤적운동에서 약 31.
- 요추 관절 토크 변화에서는 굴곡과 신전 시 각각 운동궤적에 따라 증가하는 경향이 다르게 나타났다.요추관절의 신전 시에는 타원궤적운동에서 직선궤적운동보다 큰 변화량이 관찰되었고 굴곡 시에는 반대로 직선궤적운동에서 큰 변화량이 나타났다. 요추관절의 신전 시에는 타원궤적운동에서 약 22.
- 운동궤적에 따른 상·하지 근육 활성도의 변화를 보면 등세모근, 삼각근, 척추기립근, 대퇴직근, 대퇴이두근, 비복근이 타원 궤적운동에서 더욱 활성화되는 경향을 보이고 있으며 뭇갈래근과 전경골근은 직선 궤적운동에서 더 활성화되는 경향이 나타난다.
- 또한 운동 궤적별 운동 전·후 관절 토크 변화에서 위의 데이터와 같은 모습을 보이고 있다. 이에 따라 직선 궤적운동에서는 타원 궤적운동 보다 하지보다 상지가 더욱 더 큰 토크 증가를 보이고 있으며 타원궤적에서는 하지보다 상지에서 토크 증가를 나타냈다.
- 운동 궤적별 근육활성도 변화를 보기 위해 실험 첫 주와 4주 및 8주 후에 측정한 표면근전도 값이다. 직선 궤적운동 시에는 상지 근육보다는 하지 근육이 상대적으로 많이 활성화 되는 것을 볼 수 있었고 특히, 전경골근에 가장 크게 증가하는 경향이 나타났다. 이와 반대로 타원 궤적운동에서는 하지보다는 상지의 근육에서 증가하였다.
- 이는 운동 궤적별 근육활성화 순서와 비교하여 볼 때 유사한 결과를 나타낸다. 직선 궤적운동에서는 하지의 전경골근이 운동의 추진력을 위한 에너지로 작용하고 있어 높은 근육 활성도가 나타났으며 타원 궤적운동에서는 상지의 등세모근과 삼각근에서 운동 추진력의 에너지를 발생시켜 높은 근육활성도를 나타내었다. 그 중 등 근육(back muscle)과 관련한 뭇갈래근과 척추기립근은 서로 다르게 나타났다.
- 직선궤적운동에서는 상지 근육보다 하지 근육에서 큰 근육활성도와 관절토크 변화를 보였고 타원궤적운동에서는 상·하지 근육과 허리 근육 모두 크게 활성화와 관절토크 변화를 확인하였다.
- 팔꿈치 관절 토크 변화에서는 타원 궤적운동 시 직선 궤적운동 시 보다 높은 관절 토크 수치와 증가량을 나타냈다. 발목관절과 달리 신전과 굴곡 시 모두 증가하는 경향이 보였다.
- 팔꿈치 관절 토크 변화에서는 타원 궤적운동 시 직선 궤적운동 시 보다 높은 관절 토크 수치와 증가량을 나타냈다. 발목관절과 달리 신전과 굴곡 시 모두 증가하는 경향이 보였다.
- 로잉 운동 전·후 운동 궤적별 관절 토크의 변화에서도 위와 같은 유사한 패턴을 보였다. 팔꿈치 관절, 요추관절, 발목관절의 3가지 프로토콜에 따른 관절 토크 변화에서도 운동 궤적별 근육 활성화 개시구간과 활성 크기와 유사관계가 나타났었다.
- 운동 궤적별 로잉 운동 전⋅후에 관절 토크의 변화에서도 위와 같은 유사한 패턴을 보였다. 팔꿈치(elbow), 요추(lumbar), 발목(ankle)의 3가지 프로토콜에 따른 관절 토크 변화에서도 운동 궤적별 근육 활성화 개시구간과 활성 크기와 유사관계가 나타났다. 먼저 발목관절 토크 변화에서는 직선 궤적운동 시 타원 궤적운동 시 보다 높은 발목 관절 토크 값과 증가량을 나타냈다.
- 허리의 굴곡에서 신전 시 척추기립근의 힘을 이용하게 되는데 직선 궤적운동 시 보다 타원 궤적운동 시에 척추기립근의 활성도가 크게 나타났다. 이는 타원 궤적운동 시 직선 궤적운동 시 보다 허리의 신전력을 강화시켜 주는 것을 의미한다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 향후 재활분야에 있어 재활치료에도 적용되어 특수한 조건을 지닌 환자들을 위한 맞춤형 재활 프로그램에 응용 될 수 있을 것이다.
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