For stability analysis of the lumbar spine, the hypothesis presented is that the disc has stress sensors driving feedback mechanism, which could react to the imposed loads by adjusting the contraction of the muscles. Fusion in the motion segment of the lumbar spinal column is believed to alter the stability of the spinal column. To identify this effect finite element (FE) models combined with optimization technique was applied and quantify the role of each muscle and reaction forces in the spinal column with respect to the fusion level. The musculoskeletal FE model was consisted with detailed whole lumbar spine, pelvis, sacrum, coccyx and simplified trunk model. Vertebral body and pelvis were modeled as a rigid body and the rib cage was constructed with rigid truss element for the computational efficiency. Spinal fusion model was applied to L3-L4, L4-L5, L5-S1 (single level) and L3-L5 (two levels) segments. Muscle architecture with 46 local muscles was used as acting directions. Minimization of the nucleus pressure deviation and annulus fiber average axial stress deviation was selected for cost function. As a result, spinal fusion produced reaction changes at each motion segment as well as contribution of each muscle. Longissimus thoracis and psoas major muscle showed dramatic changes for the cases of L5-S1 and L3-L5 level fusion. Muscle force change at each muscle also generated relatively high nucleus pressure not only at the adjacent level but at another level, which can explain disc degeneration pattern observed in clinical study.
The present experiment was carried out, in the rabbit and cat, in order to explore functional interrelationship between the vestibular semicircular canals and extraocular muscles, which are involved in the vestibulooculomotor reflex as the receptor and effector organ respectively. Semicircular canals were subjected to electrical stimulation, lymphatic fluid flow or acute freezing, and responses of the extraocular muscles were recorded in terms of changes in electromyographic activity and isometric tension. Electrical stimulation of a unilateral canal elicited contraction of the superio-medial muscle group (superior oblique, superior rectus and medial rectus muscles) in the ipsilateral eye and the inferio-lateral muscle group (inferior oblique, inferior rectus and lateral rectus muscles) in the contralateral eye. Thus a simple and distinct axiom was found in the pattern of the reflex-response of the extraocular muscles. Inhibition of the unilateral canals elicited the extraocular muscle responses contrary to those observed by excitation of the canal. Based on the present experimental results, it was demonstrated that the functional interrelations between the semicircular canals and extraocular muscles are rather equivalent in the frontal eyed cats (with binocular vision) and lateral eyed rabbits (with monocular vision). Therefore the previous thesis that the vestibuloocular relations vary from species to species awaits experimental reevaluation.
Background: Ipsilateral pelvic elevation has been reported as a common compensatory movement during side-lying hip abduction. It has been reported that pelvic elevation inhibits sufficient contraction of gluteus medius. However, few studies have identified the effects of controlled pelvic elevation on the trunk and hip muscles. Objective: To examine the effects of controlled pelvic elevation using visual biofeedback on the muscle activity of the trunk and hip muscles. Design: Crossover study. Methods: Twelve healthy males performed side-lying hip abduction exercises with and without visual biofeedback for pelvic elevation. Electromyography (EMG) activities of the gluteus medius, quadratus lumborum, and multifidus were analyzed using a wireless EMG system while the ipsilateral pelvic elevation angle was measured using a motion sensor during side-lying hip abduction exercises. Results: EMG activities of the gluteus medius (p = .002), quadratus lumborum (p = .022), and multifidus (p = .020) were significantly increased and ipsilateral pelvic elevation was significantly decreased (p = .001) during side-lying hip abduction with visual biofeedback compared to without visual biofeedback. Conclusions: The results of this study suggest that the application of biofeedback for pelvic motion could improve the trunk and hip muscle activation pattern and decrease compensatory pelvic motion during side-lying hip abduction exercise.
The purpose of this study was to evaluate the effects of forefoot rocker shoes equipped with a metatarsal bar on lower extremity muscle activity and plantar pressure distribution. Ten healthy women in the age of twenties were participated in this study as the subjects. All subjects walked on a treadmill(Gait Trainer, BIODEX, USA) wearing normal shoes and metatarsal bar shoes, during which the plantar pressure distribution and muscle activity were measured. Using Pedar-X system(Novel Gmbh, Germany), the plantar pressure was measured for six regions of the foot: forefoot, midfoot, rearfoot, 1st metatarsal, 2-3th metatarsal, and 4-5th metatarsal, and for each sub-region, 4 features such as maximum force, contact area, peak pressure, and mean pressure were analyzed based on the plantar pressure. EMG(Electromyography) activity was measured by attaching surface electrodes to the rectus femoris, biceps femoris, tibialis anterior, and gastrocnemius medial head, and magnitude of muscle contraction was analyzed in IEMG(Integrated EMG) value. The results show that the maximum force, contact area, peak pressure, and mean pressure in the midfoot all increased while maximum force, peak pressure, contact area, mean pressure in the 1st metatarsal and 2-3th metatarsal all decreased when wearing functional shoes. Also, muscle activities in the four muscles were all decreased when wearing the functional shoes. This paper suggests that forfoot rocker shoes equipped with a metatarsal bar can help disperse the high pressure and absorb the shock to the foot as well as give positive influence on gait pattern and postural stability by reducing muscle fatigue during walking.
본 연구의 목적은 체간근 즉 외(측)복사근(EO), 복횡근(TrA) 및 요부 다열근의 크기를 체간근 지구력 검사 동안 측정하여 요통 경험 유무에 따라 측정 근육의 두께와 근수축의 패턴을 관찰하여 통증유무와 근수축 패턴의 연관성을 알아보고자 하였다. 19세에서 29세사이의 50명의 피험자를 대상으로 측정하였다. 연구 참여자는 요통으로 인하여 일상생활이나 직장생활을 하는 데 제약이 없으며 현재 척추 증상이 없는 자를 대상으로 하였다. 자료분석은 요통 경험 유무에 따라 그룹화하여 실시하였다. 근육의 크기는 드로인 검사, 굴곡근 지구력 검사, 사이드-브릿지 검사에서 실시하고, 측정은 휴식기, 수축기, 수축15초에 하였다. 피험자에 대한 일반적인 데이터는 모든 신체 검사 측정 후 수집하였다. 드로인 검사에서 근수축 시, 오른쪽외(측)복사근 두께가 Group 1에서는 감소하는 반면, Group 2에서는 증가하였으며, 양쪽 복횡근 두께는 그룹에 상관없이 증가함이 관찰되었다. 굴곡근 지구력 검사에서, Group 2에서만 복횡근 두께가 증가되었다. 또한 사이드-브릿지 검사에서는, 오른쪽 복횡근의 두께가 Group 1에서는 수축동안 계속 감소함이, Group 2에서는 수축 시 감소하다가 15초 수축 후에는 층가함이 관찰되었다. 따라서 본 연구 결과는 요통과 연관하여 특정 근육의 기능을 파악하여, 이에 맞춰 구체적인 훈련하는 것이 중요함을 제시할 수 있다.
Purpose: The aim of this study was to determine the effect of proprioceptive neuromuscular facilitation (PNF) leg patterns on muscle activation of paretic and nonparetic arm in post-stroke hemiparetic subjects. Methods: Eighteen hemiparetic patients participated in this study. Each subject was asked to perform four PNF leg patterns against maximal manual resistance on nonparetic leg. EMG data were collected from biceps and triceps on the paretic and nonparetic side. The measured EMG data was digitized and processed to root mean square (RMS) and expressed as percentage maximal voluntary isometric contraction (%MVIC). The data were analyzed using paired t-test and one-way analysis of variance (ANOVA) with repeated measures to determine the statistical significance. Results: The results of this study were summarized as follows: Firstly, during four PNF patterns application, all of the %MVIC values of biceps and triceps in paretic and nonparetic arms increased significantly compared with resting condition (p<0.05). Secondly, there was a significant difference in %MVIC of paretic biceps between PNF leg pattern 1 and 4 (p<0.05). Conclusion: In conclusion, regardless of the kinematic components of PNF leg patterns, all of the muscle activation of biceps and triceps in paretic and nonparetic arm was significantly increased. The finding of this study indicates that irradiation effect caused by PNF leg patterns is beneficial for increased muscle activation of both paretic and nonparetic arms in post-stroke patients.
The adrenergic receptor beta 2 (ADRB2) plays a role in various physiological responses of the muscle to exercise, such as contraction and relaxation. Given its important role in muscle function, we investigated the structure of the horse ADRB2 gene and its expression pattern after exercise to determine if it can serve as a putative biomarker for recovery. Evolutionary analyses using synonymous and non-synonymous mutation ratios, were compared with other species (human, chimpanzee, mouse, rat, cow, pig, chicken, dog, and cat), and revealed the occurrence of positive selection in the horse ADRB2 gene. In addition, expression analyses by quantitative polymerase chain reaction exhibited ubiquitous distribution of horse ADRB2 in various tissues including lung, skeletal muscle, kidney, thyroid, appendix, colon, spinal cord and heart, with the highest expression observed in the lung. The expression of ADRB2 in skeletal muscle was significantly up-regulated about four folds 30 minutes post-exercise compared to pre-exercise. The expression level of ADRB2 in leukocytes, which could be collected with convenience compared with other tissues in horse, increased until 60 min after exercise but decreased afterward until 120 min, suggesting the ADRB2 expression levels in leukocytes could be a useful biomarker to check the early recovery status of horse after exercise. In conclusion, we identified horse ADRB2 gene and analyzed expression profiles in various tissues. Additionally, analysis of ADBR2 gene expression in leukocytes could be a useful biomarker useful for evaluation of early recovery status after exercise in racing horses.
Purpose: The purpose of this study was to compare the intramuscular activation of the scapular stabilizing muscles and the upper trapezius/middle serratus anterior (UT/MSA) ratios during shrug exercise and proprioceptive neuromuscular facilitation (PNF) scapular pattern exercise. Methods: The participants of this study were 13 young adult men who voluntarily consented to participate in this experiment after listening to its purpose and methods. All participants were instructed on maximal voluntary isometric contraction and scapular exercises. The intramuscular activation of the upper trapezius (UT), lower trapezius (LT), middle serratus anterior (MSA), and lower serratus anterior (LSA) muscles while performing scapular exercises in a side-lying position were measured using surface electromyography. To analyze the muscle activation and UT/MSA ratio between the two exercises, a one-way repeated ANOVA was performed. Post-hoc analyses were conducted using Tukey's multiple comparison and analysis. Hamstring flexibility for each group was measured by a passive straight leg raising test. Results: The shrug exercise showed significantly higher UT activation compared to PNF anterior elevation and posterior elevation scapular patterns. The PNF scapular anterior elevation pattern showed significantly higher serratus anterior activation than the shrug exercise. Additionally, the UT/MSA ratios were significantly lower in the PNF scapular anterior elevation pattern than in the two exercises. Conclusion: Although shrug exercise was effective for strengthening UT, the PNF scapular anterior elevation pattern may be effective for strengthening MSA and improving the UT/MSA ratio.
Objective : The purpose of this study was to investigate the changes of gait patterns and muscle activations with increased loads during stair walking. Also, it can be used as descriptive data about continuous stair walking in a real life setting. Method : Twelve sedentary young male adults(Age: $27.0{\pm}1.8yrs$, Weight: $65.8{\pm}9.9kg$) without any lower extremity injuries participated in this study. Participants performed stair walking up 7 floors and their ascending and descending motion on each floor was analyzed. A wireless electromyography(EMG) were attached on the Rectus Femoris(RF), Biceps Femoris(BF), Gastrocnemius(GN), Tibialis Anterior(TA) muscle to calculate integrated EMG(iEMG), median frequency(MDF) and co-contraction index(CI). Chest and left heel accelerometer signal were recorded by wireless accelerometer and those were used to calculate approximate entropy(ApEn) for analyzing gait pattern. All analyses were performed with SPSS 21.0 and for repeated measured ANOVA and Post-hoc was LSD. Results : During ascending stairs, there were a statistically significant difference in Walking time between 1-2nd and other floors(p=.000), GN iEMG between 2-3th and 6-7th(p=.043) floor, TA MDF between 1-2nd and 5-6th(p=.030), 6-7th(p=.015) floor and TA/GN CI between 2-3th and 6-7th(p=.038) floor and ApEn between 1-2nd and 6-7th(x: p=.003, y: p=.005, z: p=.006) floor. During descending stairs, there were a statistically significant difference in TA iEMG between the 6-5th and 3-2nd(p=.026) floor, and for the ApEn between the 1-2nd and 6-7th(x: p=.037, y: p=.000, z: p=.000) floor. Conclusion : Subjects showed more regular pattern and muscle activation response caused by regularity during ascending stairs. Regularity during the first part of stair-descending could be a sign of adaptation; however, complexity during the second part could be a strategy to decrease the impact.
In order to elucidate the regulatory mechanism of intracellular calcium ion concentrations, contractions or contractures induced by $Na^{+}-removal$, calcium-application or ouabain-treatment as an index of $Na^+/Ca^{2+}$ exchange activity were studied in atrial muscle or vascular smooth muscle (aorta and renal artery) of the rabbit. The magnitude of low sodium contractures in atrial trabeculae increased with sigmoid shape when external sodium concentrations were reduced to sodium-free condition, whereas that of calcium contracture intensified in a parabolic pattern when external calcium concentrations were elevated to 8 mM. $Na^{+}-removal$ contractures were induced in a duration-dependent manner to $K^{+}-free$ exposure and same findings were observed with ouabain treatment. $Na^{+}-free$ contractures were not affected by verapamil treatment, but stimulated by $100{\mu}M\;Mn^{2+}$ and inhibited by high concentrations of $Mn^{2+}\;(2{\sim}8mM)$ in a dose-dependent manner. Ryanodine which is known to suppress the release of calcium from internal store abolished spontaneous twitch contractions induced by $K^{+}-free$ solution, but had no effect on the development $Na^{+}-free$ contractures. Na-free contractures were not always induced in vascular smooth muscle preparations. Contractures by $O\;mM\;Na^+$ were usually seen in aorta, but not often in renal artery.$50\;mM\;K^+$, noradrenaline (NA) and angiotensin II (AII) always evoked very large contraction in all preparations of vascular smooth muscle. Contractures developed by $O\;mM\;Na^+$ were not sensitive to verapamil treatment as in atrial trabeculae, but were abolished by $100{\mu}M\;Mn^{2+}$. In contrast to $Na^{+}-free$ contractures, $Mn^{2+}(100{\mu}M)$ had no effect on the contractures induced by NA or 50 mM$K^+$. Caffeine in the concentration of 10 mM evoked transient contracture in the distal renal artery. The rate of spontaneous relaxation in caffeine contracture was dependent upon the concentrations of external sodium, and had double component of relaxation when the rate of relaxation was plotted in the semilogarithmic scale of relative tension versus time. Especially late components of relaxation had more direct relation to $Na^+$ concentrations. It could be concluded that $Na^+/Ca^{2+}$ exchange mechanism in the heart has a large capacity, inhibited by $Mn^{2+}$ but not by verapamil and ryanodine, while $Na^+/Ca^{2+}$ exchange system in vascular smooth muscle has a very low capacity especially in small artery, inhibited by low concentration of $Mn^{2+}\;(100{\mu}M)$ but not affected by verapamil and ryanodine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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