Effects of the Symmetry of Muscle Activity by Application of Visual Feedback using Tension Sensor and Inclinometer during Bridge Exercise with Sling

슬링을 이용한 교각운동 시 장력센서와 경사계를 이용한 시각적 피드백이 근활성도에 미치는 영향

Abstract

Purpose: This study aimed to compare the relative muscle activity on the erector spinae, gluteus maximus, and hamstring, using a non-visual feedback bridge exercise and a visual feedback bridge exercise with a tension sensor and clinometer. Methods: Twenty-two healthy subjects participated in this study. The study subjects performed bridge exercises without visual feedback, bridge exercises using a tension sensor, and bridge exercises using an inclinometer in the supine position, and the muscle activity of the left and right erector spinae, gluteus maximus, and hamstring muscles was measured while maintaining isometric contraction during the bridge movement. Muscle activity was measured by using surface an electromyography equipment. To standardize the measured action potential of each muscle, the maximum voluntary isometric contraction was measured. The bridge exercise was repeated 3 times for 5s each. Using repeated analysis of variance, we compared the significant difference in EMG activity for each muscle between the three experiments, and all statistical processing was performed using SPSS version 26. The statistical significance level was set at α = 0.05. Results: During bridging exercises, the asymmetry of the muscle activity of the erector spinae and gluteus maximus during visual feedback guiding was lower than that during no visual feedback. However, there was no significant difference. Moreover, the asymmetry of the muscle activity of the hamstring muscles was significantly lower during tension sensor visual feedback than that during no visual feedback (p<0.05). Conclusion: These findings suggest that bridge exercise with visual feedback using a tension sensor and an inclinometer is effective in inducing symmetrical movement. When it is necessary to symmetrically adjust the weight load of both feet during the bridge exercise, it is effective to apply visual feedback using a tension sensor.

Ⅰ. 서론

최근 근육뼈대계 질환에 대한 재활에서 운동치료는 근육의 불균형을 해소하고 선택적 훈련을 통한 기능향상에 필수적인 접근법 중 하나이다. 단순히 약화된 근육의 근력 강화에만 초점을 두지 않고 약화된 근육을 선택적으로 강화하고 운동 조절능력 향상을 위한 다양한 방법이 제시되고 있다(Arlotta 등, 2011; Selkowitz 등, 2013). 장시간 앉아서 작업하는 시간이 증가하고 신체 활동량이 부족하여 바른 자세유지 및 신체균형 자각능력 등이 부족한 현대인에게 이러한 근육의 불균형을 해결하기 위한 접근은 무엇보다 필요하다(Lee 등, 2011). 특히 척추의 안정화를 위한 운동치료는 바른 자세를 유지할 뿐만 아니라 만성적인 요통을 방지하기 위한 보존적 요법으로 활용되고 있다(Park, 2012).

척추 안정화를 위한 운동방법으로는 허리 굽힘 및 폄 운동으로 엎드린 자세, 똑바로 누운 자세, 교각 자세 등에서 매트, 볼, 아령, 균형판을 이용한 운동 형태까지 다양하게 제시되고 있다(Park & Kim, 2012). 그 중 교각 자세는 바로 누운 자세에서 엉덩관절과 무릎관절을 굽힘 하여 허리 만곡이 감소하여 허리가 바닥에 닿아 허리통증이 있는 환자에게 편안함과 통증 감소를 가져오는 자세라고 할 수 있다(Kavcic 등, 2004). 이러한 교각 자세에서 수행되는 교각운동은 몸통의 안정성 증가와 엉덩관절 폄근 강화를 위하여 적용되는 대표적인 몸통 안정화 운동으로(Park & Kim, 2012), 척추 주변 조직에 가해지는 외력을 흡수하고 반복적인 손상을 예방하기 위해 수행되며(Kisner & Colby, 2002), 척추 및 골반 바닥근육과 다리 주변 근육들의 협응작용과 상호보완작용 및 협응 할 수 있도록 재훈련 시킬 수 있는 대표적인 저강도 닫힌 사슬 운동으로 알려져 있으며, 허리통증 환자의 재활 초기에 주로 적용할 수 있다(Park & Lee, 2020).

교각운동의 효과를 비교하기 위한 선행연구들을 살펴 보면, 골반과 엉덩관절의 움직임에 따른 근활성도(Kim & Hwang, 2013; Lee, 2012; Lee & Jeon, 2014), 무릎관절 각도에 따른 근활성도(Kim 등, 2010), 지지면에 따른 근활성도(Jung & Kang, 2017)등에 관한 연구들과 슬링을 이용한 교각운동 시에 스트랩의 위치변화와 교각운동 자세 변화에 따른 근활성도(Kim & Park, 2016)를 알아보거나, 슬링과 전신진동의 결합된 형태에 대한 연구(Oh 등, 2018) 등이 보고되었다. 교각운동은 팔다리에 체중을 지지한 상태에서 닫힌 사슬운동으로 진행되기 때문에 몸통과 다리의 근육 불균형이 있을 경우 왼쪽과 오른쪽의 대칭적인 움직임을 유도하는데 어려움이 있다. 그러므로 시각적 피드백을 적용하여 정확한 운동을 수행할 수 있도록 훈련하는 것이 무엇보다 중요하다. 시각적 피드백 훈련은 운동을 수행하는 동안 실시간으로 시각적 정보를 제공하여 독립적으로 정확한 운동을 수행하도록 도 와주는 훈련으로 대칭적인 자세조절능력 향상과 동기 부여 증진에 효율적인 방법으로 알려져 있다 (Christiansen 등, 2015). 최근 교각운동 시 시각적 피드백을 적용한 연구에는 양 다리에 부하되는 정량적인 인장력 값을 통한 시각적 피드백 훈련에 대한 연구(Kim, 2018), 초음파나 레이저 포인트를 이용한 시각적 피드백을 적용한 연구(Park & Kim, 2019) 등을 들 수 있다. 정교하고 대칭적인 교각운동을 수행하기 위한 시각적 피드백의 종류에 따른 몸통과 다리의 근활성도를 비교한 연구들은 부족한 실정이다.

그러므로 본 연구에서는 장력센서를 이용하여 양쪽 다리 체중 부하에 대한 시각적 피드백과 경사계를 이용한 골반 기울기에 대한 시각적 피드백을 적용하였을 때 각각의 시각적 피드백에 따라 몸통 폄근과 엉덩관절 폄근의 활성도에 어떠한 차이가 있는지 비교하여 보다 효과적인 시각적 피드백을 제안하고자 하였다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구대상

본 연구의 대상자는 부산광역시에 소재한 D대학 재학생 중 연구의 취지를 알고 자발적으로 참가하고자 하는 건강한 성인 22명 대상으로 하였다. 실험에 영향을 미칠 수 있는 팔 다리 질환이 없는 자, 슬링 교각운동이 가능하며 의사소통이 가능한 자로 선정하였다. 실험 전에 대상자들에게 연구의 취지를 설명하고 참여 동의를 얻었으며, 대상자의 일반적인 특성은 다음과 같다 (Table 1).

Table 1. General characters of subjects

2. 측정장비

양쪽 척추세움근, 큰볼기근과 뒤넙다리근의 근활성도를 측정하기 위해 표면 근전도 장비(Ultioum EMG system, Noraxon, USA)를 사용하였다(Fig 1). 전극을 부착하기 전 근전도 신호에 대한 피부의 저항을 최소화시키기 위해 체모를 제거하고, 전극의 피부 부착 부위를 알코올 솜을 이용해 깨끗하게 닦아주었다. 양쪽 척추세움 근은 허리뼈 1번의 가시돌기에서 2㎝ 수평하게 떨어진 지점에 부착하였고. 뒤넙다리근은 무릎의 주름과 엉덩이 주름 사이의 중간지점에, 큰볼기근은 근육과 평행하게 넙다리뼈 큰돌기와 제 2엉치뼈 추체 사이의 중간 지점으로 하였다(Fig 2).

Fig 1. Surface EMG

Fig 2. Electrode attachment position A: erector spinae, B: hamstring muscles

각 근육의 활동전위를 표준화하기 위하여 Kendal 등(2005)이 제안한 방법으로 최대 수의적 등척성 수축(maximal voluntary isometric contraction; MVIC)를 측정하였으며, 각 운동 동안 등척성 수축을 5초간 실시하여 처음 1초와 마지막 1초씩을 제외한 3초의 평균 신호량을 % 최대 수의적 등척성 수축(% MVIC)으로 활용하였다.

3. 실험방법

1) 장력센서 시각적 피드백을 이용한 교각운동

장력센서 시각적 피드백을 이용한 교각운동은 장력센서가 부착된 슬링에 양쪽 다리를 걸고 실시간 수집된 정보를 시각적으로 제공하는 태블릿 PC를 대상자의 시야 앞에 고정하여 교각운동 시 시각적 피드백이 제공되도록 시행하였다(Fig 3). 장력 센서는 교각운동 동안 양쪽 다리 체중부하에 따라 늘어나는 장력값을 객관적이고 정량적으로 실시간 시각적으로 제공하여, 대상자가 왼쪽과 오른쪽 불균형을 맞추어 대칭적인 교각운동을 수행할 수 있도록 하였다. 장력센서 시각적 피드백을 이용한 교각운동은 5초씩 총 3번 반복하여 시행하였다 (Park & Kim, 2019)(Fig 4).

Fig 3. Tension sensor program

Fig 4. Bridge exercise with tension sensor

2) 경사계 시각적 피드백을 이용한 교각운동

교각운동 시 양쪽 골반을 수평으로 유지하기 위한 시각적 피드백는 디지털 경사계를 이용하였으며, 양쪽 앞 위엉덩뼈가시(ASIS)를 가로질러 경사계를 부착하여 골반 기울기를 블루투스로 실시간 태블릿 PC로 전달하여 시각적 피드백을 제공하여 교각운동을 수행하도록 하였다(Fig 5). 경사계 시각적 피드백을 이용한 교각운동 또 한 5초씩 총 3번 반복하여 시행하였다(Fig 6).

Fig 5. Clinometer program

Fig 6. Bridge exercise with clinometer

4. 연구절차

연구대상자는 바로 누운 자세에서 시각적 피드백 없이 슬링을 이용한 교각운동, 장력센서를 이용한 교각운동, 경사계를 이용한 교각운동을 시행하였으며, 교각운동의 순서는 제비뽑기를 통해 무작위로 진행되었다. 교각운동 시 등척성 수축을 유지하는 동안 오른쪽과 왼쪽 몸통과 엉덩관절 폄근의 활성도를 측정하였다. 실험에 들어가기에 앞서 교각운동과 시각적 피드백 장치를 숙 지할 수 있도록 5회의 연습 동작을 수행하였다. 이후 연구대상자가 충분히 준비가 되었을 때 실시하였다. 슬링 로프 높이는 대상자가 바로 누운 자세에서 무릎을 90° 굽혔을 때의 높이로 정하였다(Kim, 2018). 동작 순서는 좌우 발목을 슬링 스트랩 위에 올려놓고 무릎을 아래로 누르면서 펴고, 골반을 바닥에서 들어올려 어깨관절, 엉덩관절, 무릎관절 및 발목관절이 직선이 되도록 들어 올 리게 하였다. 시각적 피드백을 통한 교각운동은 수행하기 전 양쪽 균형을 나타내주는 태블릿 PC 화면에 대해 이해할 수 있도록 충분히 설명하고 교각운동을 수행하였다. 모든 대상자는 등척성 교각 자세를 5초간 유지하였으며, 총 3회 반복하여 수행하여 이들의 평균값을 최종 분석하였다. 실험 동안 피로를 최소화하기 위해 각 회당 1분간의 휴식시간을 주면서 측정하였다(Kim, 2018).

4. 자료처리 및 분석방법

시각적 피드백에 따른 근활성도를 분석하기 위하여 SPSS version 26을 사용하였다. 연구대상자들에 대한 일반적인 특성을 분석하기 위해 기술통계를 사용하여 평균과 표준편차를 산출하였으며 시각적 피드백에 따른 교각운동 시 양쪽 근활성도 차이를 비교하기 위하여 Repeated ANOVA(반복측정 분산분석)를 사용하였다. 사후분석을 위해 Bonferroni 검증을 실시하였고 통계적 유의 수준은 0.05로 설정하였다.

Ⅲ. 결과

척추세움근의 왼쪽과 오른쪽 근활성도 차이 값이 통계학적으로 유의한 변화를 보이지 않았지만, 시각적 피드백을 주지 않았을 때 양쪽 근활성도 차이가 가장 크게 나타났고 경사계를 이용한 시각적 피드백을 적용하였을 때 가장 작게 나타났다. 큰볼기근의 왼쪽과 오른쪽 근활성도 차이 또한 통계학적으로 유의한 차이를 보이지 않았으나 시각적 피드백을 적용하지 않았을 때 차이가 크게 나타났다. 뒤넙다리근의 왼쪽과 오른쪽 근활성도 차이는 통계학적으로 유의한 차이를 보였으며, 사후검증 결과 시각적 피드백을 적용하지 않았을 때보다 장력센서 를이용한 시각적 피드백을 적용하였을 때 양쪽 근활성도 차이는 통계학적으로 유의하게 감소하였다(Table 2).

Table 2. Differences in muscle activity of muscles according to visual feedback

^a,b Different superscripts indicate significant differences (p<0.05)

Ⅳ. 고찰

본 연구는 장력센서를 이용하여 양쪽 다리 체중 부하에 대한 시각적 피드백과 경사계를 이용한 골반 기울기에 대한 시각적 피드백을 적용하여 각각의 시각적 피드백에 따라 몸통 폄근과 엉덩관절 폄근의 활성도 차이를 알아보고자 하였다.

교각운동은 척추세움근과 뒤넙다리근과 같은 표재성 근육과 뭇갈래근, 큰볼기근과 같은 심부근육의 협응성을 증진하여 몸통의 안정성과 근력 증진을 위한 목적으로 널리 사용되는 중재방법 중 하나이다(O’Sullivan & Schmiz, 2007). 교각운동을 적용할 때는 척추 심부근육의 동시수축을 통해 척추와 골반의 올바른 정렬과 중립자 세의 유지하는 것이 중요한데, 정확한 동작이 이루어지지 않을 때 과도한 허리 앞굽음이 유발되거나, 몸통 근육과 다리근육의 비대칭을 초래할 수 있다(Stevens 등, 2006). 그러므로 대상자의 수준에 따라 운동 난이도를 조절하여 정교하게 적용되는 것이 무엇보다 중요하기 때문에 다양한 도구들을 접목한 교각운동과 피드백을 적용한 운동 효과를 비교한 연구들이 보고되었다. 그 중 슬링을 이용한 교각운동은 볼이나 바닥에서 실시하는 교각운동보다 척추세움근과 뭇갈래근의 근활성도를 유의하게 증가시켰다고 보고하였으며(Kang 등, 2012), 허리통증 환자의 근력과 고유수용성 감각 증진에도 효과적이라고 보고하였다(Dannelly 등, 2011). 이에 본 연구에서도 슬링을 이용한 교각운동을 적용하여 시각적 피드 백의 유무와 종류에 따른 몸통과 엉덩관절 폄근의 왼쪽과 오른쪽 근활성도의 차이를 비교하였다.

본 연구 결과 시각적 피드백을 이용한 교각운동을 실시하였을 때 시각적 피드백을 적용하지 않은 교각운동 보다 몸통과 엉덩관절 폄근의 양쪽 근활성도 차이가 감소하는 경향을 보였으며 특히 뒤넙다리근은 장력센서를 이용한 시각적 피드백을 적용하였을 때 적용하지 않았을 때보다 양쪽 근활성도의 차이가 유의하게 감소하였다. 이러한 연구 결과는 Kim(2018)의 연구에서와 같은 결과로 장력센서와 경사계를 이용한 시각적 피드백을 적용한 교각운동이 왼쪽과 오른쪽 대칭적인 움직임을 유도하는데 효과적임을 시사한다.

시각적 피드백을 적용한 교각운동 중 경사계를 이용한 골반기울기에 대한 시각적 피드백은 척추세움근의 양쪽 근활성도 차이가 감소하는 경향을 보이고, 장력센서를 이용한 하지 체중부하에 대한 시각적 피드백은 엉덩관절 폄근의 양쪽 근활성도 차이가 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 시각적 피드백 장치의 위치와 종류에 따라 조절하고자 하는 움직임이 달라질 수 있기 때문이다. 장력센서를 이용한 시각적 피드백을 적용할 때는 양쪽다리에 누르는 장력을 동일하게 주기 위해 노력하기 때문에 척추세움근, 큰볼기근보다 뒤넙다리근에 대칭적인 근활성도를 유발하는데 효과적이라 생각되며, 경사계를 이용한 시각적 피드백은 골반기울기에 대한 시각적 피드백으로 뒤넙다리근과 큰볼기근 보다 척추세움 근에 대칭적인 근활성도를 유발할 수 있다고 생각된다. 따라서 슬링을 이용한 교각운동 적용 시 양쪽다리의 체중부하에 대한 대칭적인 조절이 필요할 경우 장력센서를 이용한 시각적 피드백을 적용하는 것이 효과적이라고 사료된다.

본 연구의 제한점으로는 연구대상자 수가 다소 적고, 건강한 대학생을 대상으로 하였으므로 실제 요통이 있는 환자에게 일반화시켜 적용하는데 제한적이다. 향후 연구에서는 이러한 제한점들을 고려하여 실제 요통이 있는 환자를 대상으로 다양한 시각적 피드백을 이용하여 증상의 변화를 분석한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결론

본 연구는 건강한 대학생 22명을 대상으로 슬링을 이용한 교각운동 시장력 센서와 경사계를 이용한 시각적 피드백을 적용하였을 때 척추세움근, 큰 볼 기근, 뒤넙다리 근의 근 활성도 차이를 비교하였다. 그 결과, 시각적 피드백을 제공하였을 때 양쪽 근육 활성도 차이가 감소하는 경향을 보였으며, 경사계 시각적 피드백은 양쪽 척추세움근의 활성도 차이가 가장 감소하였고, 장력센서와 경사계를 이용한 시각적 피드백을 적용하였을 때 척추세움근, 큰볼기근, 뒤넙다 리근의 근활성도 차이를 비교하였다. 그 결과, 시각적 피드백을 제공하였을 때 양쪽 근육활성도 차이가 감소하 는 경향을 보였으며, 경사계 시각적 피드백은 양쪽 척추 세움근의 활성도 차이가 가장 감소하였고, 장력센서 시각적 피드백은 양쪽 뒤넙다리근에서 유의하게 감소하였 다. 그러므로 허리근육의 불균형은 경사계 시각적 피드백을, 다리근육의 불균형은 장력센서 시각적 피드백을 적용하는 것이 효과적이라 사료된다.