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Exerc Sci > Volume 25(3); 2016 > Article
체간 관절 가동 범위에 있어서 중력보정에 의한 등속성 근력과 근력 비율의 교차 확인

Abstract

PURPOSE

The aim of this research was to examine the effect of gravity correction and investigate the relationships between trunk flexibility and isokinetic strength of trunk.

METHODS

To obtain peak torque (PT) used as muscle strength and power index, 41 young men without any orthopedic diseases performed isokinetic exercise using HUMAC NORM trunk extension flexion (TEF) modular at 60°/sec, 5 times. Trunk flexibility was measured by trunk forward flexion, sit and reach, and back extension test.

RESULTS

During flexion from -15° to 0°, non-gravity corrected (NGC) PT was significantly (p<.05) lower (4.69%) than gravity corrected (GC) PT. Contrastively, NGC PT was significantly (p<.05) higher (2.52%) than GC PT during extension. Furthermore NGC PT ratio was significantly (p<.05) lower than GC PT ratio. During flexion 0°to 45°, NGC PT was significantly (p<.05) higher (27.49%) than GC PT. Contrastively, NGC PT was significantly (p<.05) lower (15.06%) than GC PT during extension. Furthermore NGC PT ratio was significantly (p<.05) lower than GC PT ratio. Moreover, only back extension of trunk flexibility was correlated with PT ratio on -15° to 0° regardless of gravity correction.

CONCLUSIONS

Owing to gravity correction, it is important to diverge the range of motion when measure isokinetic trunk muscle strength.

서 론

일상생활 및 스포츠경기에서 전반적인 인체 균형 및 자세유지, 그리고 정확한 상·하지 협응 활동을 위해 체간 안정성(trunk stability)은 필수적인 요소이다. 균형 잡힌 체간 안정성 유지를 위해 체간 근육(trunk muscles)은 중요한 역할을 수행한다고 알려져 있다[1]. 해부학적으로 인체 중심에 위치하여 다양한 근골격계에 관여하며, 기능적으로 상지와 하지에서 각각 발생된 에너지의 연결 및 이동을 수행하여 체간 안정화를 유도한다[2]. 특히 체간 근육의 동적 근력(dynamic strength)이 감소할 경우 체간 불안정화로 연결되어 및 요통(lower back pain)을 포함한 요부장애 및 외상의 축적을 초래한다[3-5]. 그러므로 체간의 동적 근력을 평가하는 것은 임상적 상황에서 효율적인 요법으로 사용될 수 있다.
동적 근력을 평가하는 등속성 근력 검사는 임상 및 스포츠 현장에서 재활과 트레이닝 시 근골격기능을 평가하기 위해 주로 사용되고 있다[6,7]. 이를 테면 스포츠 현장에서 등속성 기기를 이용해 일반인과 운동 선수들을 대상으로 체간 근력(muscle strength)을 활용하여 집단에 적절한 트레이닝 프로그램을 제시하였으며, 임상 현장에서는 등속성 기기를 이용해 도출된 체간 근력 비율(Flexion/Extension ratio, F/E ratio)을 활용하여 신전근의 상대적 약화는 요통 발생 증가가 보고되었다[8].
한편 Kim et al. [9]은 인체의 다양한 체력 요인 중 체간 유연성은 체간 근육 속성과 밀접한 관련이 있음을 보고하였다. 또한 체간 유연성은 요부 상해와 관련 있을 뿐만 아니라[10], 근육 동원과 척추 안정성 유지에 중요한 역할을 하고 있어 체간의 유연성 감소는 인체의 운동체계에 부정적 영향을 미치는 것으로 보고된다[11]. 즉 유연성은 일상생활이나 스포츠현장에서 중요한 체력요인으로 사용된다.
등속성 기기를 이용하여 근력 측정 시 중력의 영향을 간과할 수 없다. 일반적으로 시상면(sagittal plane)에서 굴곡 및 신전 운동을 측정하는 등속성 근력검사는 중력의 영향으로 최대 회전력(Peak Torque, PT)이 과소 또는 과대평가될 수 있다[12]. 이를테면 슬관절 등속성 검사의 경우, 시상면에서 지면으로 향하는 굴곡 운동은 중력이 부가되어 실제 보다 증가된 근력 값이, 지면과 반대로 향하는 신전 운동은 중력에 저항하여 실제 보다 감소된 근력 값이 도출된다[13].
본 연구에 앞서 Vanhee et al. [14]의 연구는 체간 등속성 운동 시 중력보정의 영향을 구명하였다. 0°에서 75° 구간에서 굴곡 시 중력보정 적용 값(Gravity Correction, GC)이 미적용 값(Not Gravity Correction, NGC) 보다 유의하게 감소한 반면, 신전 시 GC가 NGC 보다 유의하게 증가함을 보고하였다. 또한 F/E ratio는 GC가 NGC 보다 유의하게 감소됨을 보고하였다. 이러한 연구결과는 중력이 등속성 운동에 유의한 영향을 미쳐, 최대회전력의 왜곡이 중력에 기인한다는 관점에서 중력 보정 적용이 피험자 고유 값 도출에 강력한 요인임을 시사한다. 그러나 실제 체간의 경우 해부학적 0°를 기점으로 과신전 가능하며 과신전 상태에서 굴곡 운동은 지면과 반대로 향하는 운동, 신전 운동은 지면으로 향하는 운동이 된다[15]. 이에 기인하여 Van Damme et al. [16]은 등속성 운동 시 체간 근육의 활동성과 근육 동원을 구명하기 위해 -15°에서 45°구간 동안 등속성 운동을 실시하였다. 즉 과신전 상태를 설정하는 것은 체간 근육의 활동성을 파악하기 위한 적절한 설정임을 나타낸다. 따라서 중력영향의 ‘+’, ‘-’를 가미한 인체 관절 움직임 형태에서의 고유 근력 값을 산출하는 것은 스포츠 과학 현장에서 체력의 측정 평가에 중요한 기초정보를 제공할 것으로 기대된다. 실제 -15°에서 0°구간에서 등속성 운동 시 중력보정의 효과를 직접적으로 구명한 결과는 국내외적으로 알려진 바 없지만 스포츠 현장에서 체간부의 ‘-’관절 움직임은 어디에서도 볼 수 있다. 따라서 본 연구는 등속성 기기를 이용하여 체간 근력평가 시 관절 가동 범위에 따른 중력보정의 영향과 이를 통해 산출된 체간 F/E ratio와 체간 유연성 간의 관련성을 구명하기 위해 수행되었다.

연구 방법

1. 연구 대상 및 실험절차

1) 피험자 특성

미국스포츠의학회(American College of Sports Medicine) 가이드라인의 신체활동 준비설문지(physical activity readiness questionnaires) 및 미국 심장협회(American Heart Association)의 건강 및 체력 시설참여 전 설문지에 따라 선정된 심혈관질환 및 정형외과적 문제가 없는 41명의 건강한 남성(age 20.9±0.37 years)을 대상으로 실시하였다[17]. 모든 참가자에게 실험 전 실험목적 및 절차와 실험에 수반되는 위험성을 고지하고 자발적참여에 관한 동의서에 서명을 받았다. 피험자들의 임상적 특징은 Table 1과 같다.

2) 실험 절차 및 피험자 금기사항

모든 피험자들은 측정 최소 24시간 전 격렬한 신체활동 및 최소 12시간 금식(overnight fasting), 그리고 알코올 및 카페인 섭취가 제한되었다. 오전 실험은 설문지 작성을 포함한 신체조성 평가가 실시되었으며, 가벼운 식사를 마치고 최소 2시간 후 유연성 평가 및 등속성 근력 검사를 실시하였다.

2. 측정변인 및 측정방법

1) 신체조성평가

속옷을 제외한 의복을 탈의하고 맨발 상태로 자동신장·체중계(GL-150, G-TECH International Co., Uijungbu, Korea)를 이용하여 신장과 체중을 각각 2회 측정 후 평균값을 채택하였다. 두 측정값의 범위가 ±.2 이상일 경우 재측정을 실시하였다. 또한 측정된 신장 ·체중 값을 이용해 체질량지수(body mass index, BMI)를 산출하였다.

2) 체간 유연성 측정

정확한 유연성 평가를 위해 좌전굴, 체전굴 및 체후굴의 세 가지 유연성 검사가 실시되었다. 구체적으로 좌전굴(sit and reach)은 디지털 유연성 측정기기(NH-3000G, O2Run Co. Ltd., Seoul, Korea)를 이용해 측정하고, 체전굴(trunk forward flexion)은 아날로그식 유연성 측정기기(T.K.K.5111, TAKEI Co., Japan)를 이용해 측정하였다. 체후굴(trunk backward extension)은 엎드린 자세에서 체간의 최대 신전 시 바닥으로부터 턱 높이를 줄자를 이용하여 측정하였다. 모든 측정은 각각 2회 반복측정 후 최대값을 채택하였으며, 두 측정값의 범위가 ±0.2 이상일 경우 재측정을 실시하였다.

3) 체간 등속성 근력 검사

체간 굴곡 및 신전(Trunk Extension and Flexion, TEF) 모듈을 부착한 등속성기기(Humac Norm, CSMi Co., Stoughton, MA, USA)를 이용하여 최대회전력 검사를 실시하였다. 먼저 피험자에게 등속성 근력검사의 전반적인 내용을 설명한 후 기기에 편하게 서도록 지시하였다. 요부관절과 기기의 축을 수평으로 일치시킨 다음 경골과 대퇴부를 고정하고 허리벨트를 이용하여 상체의 움직임을 제한하였다. 또한 견갑골 및 흉부 패드는 대흉근에 수평 위치하도록 고정하고 모든 장비를 설치한 후 관절가동범위(Range of Motion, ROM)를 설정하였다. ROM은 해부학적 0° 자세에서 -15° 신전, 45° 굴곡으로(total 60°) 설정하였다[15,16].
또한 중력의 영향을 배제하기 위해 기기 설정 메뉴얼에 따라 45°굴곡 상태로 흉부 패드에 상체를 기댄 후 어떠한 내부적 힘의 발현 없이 체간 무게 측정하였으며, 측정된 체간 중량에 의한 중력의 영향을 등속성기기의 소프트웨어를 통해 기계적으로 중력보정을 설정하였다[18].
검사 모습은 Fig. 1과 같다. 등속성 근력검사 프로토콜은 부하속도 60 deg/sec에서 5회의 굴곡 및 신전운동으로 구성되었다. 측정 전 등속성 기기 및 운동검사 적응을 위해 3회의 연습구간이 제공되고, 연습과 본 측정 사이에 10초의 wash-out이 제공되었다[19]. 등속성 검사 후 중력보정 적용 및 미적용한 원시자료(raw data)를 추출하였고, 분석 시 근력검사에서 발생가능한 오류를 최소화 하기 위해 총 5회의 검사 중 첫 번째와 마지막 시행(trial)은 제거되었다. 또한 원시자료 중 오버슛(overshoot) 구간을 제외하여 분석하였다.

3. 자료처리방법

모든 자료 처리는 SPSS 22.0 (Statistical Package for the Social Sciences Software, Versions 22.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 사용하여 각 항목별 평균(mean)과 표준오차(standard error, SE)를 도출하였다. 정규분포 검사를 위해 Shapiro-Wilk 검정을 실시하였으며, 정규성을 바탕으로 결과 간의 차이를 검증하기 위해 대응표본 t-검정(paired t-test)을 수행하였다. 또한 체간 F/E ratio와 유연성(좌전굴, 체전굴, 체후굴) 간의 관련성을 검증하기 위해 체간 유연성을 로그지수(log)로 변환하였으며, 변환 과정에서 0 미만의 유연성 데이터(n=3)를 제외한 나머지는 스피어만 상관계수(Spearman’s correlation coefficient)를 산출하였다. 모든 통계적 유의수준 α=.05 미만으로 설정하였다.

연구 결과

1. 중력보정에 따른 등속성 근력 변화

체간의 굴곡 시 -15°에서 0° 구간에서 GC는 NGC 보다 높은 수치를 나타낸 반면, 0°에서 45° 구간에서는 NGC가 GC 보다 더 큰 수치를 나타냈다. 대조적으로 체간 신전 시 45°에서 0° 구간에서 GC는 NGC 보다 높은 수치를 나타냈으나, 0°에서 -15° 구간에서는 NGC가 GC 보다 높은 수치를 나타냈다(Fig. 2).

2. 중력보정에 따른 PT 및 F/E ratio 변화

체간 PT의 경우 -15°에서 0°구간에서 굴곡 시 GC는 NGC에 비해 통계적으로 유의하게(p <.01) 증가한(4.69%) 반면, 신전 시 GC는 NGC에 비해 유의하게(p <.01) 감소(2.52%)하였다. 대조적으로 0°에서 45° 구간에서는 굴곡 시 GC는 NGC에 비해 통계적으로 유의하게(p <.01) 감소한(27.49%) 반면, 신전 시 GC는 NGC에 비해 유의하게(p <.01) 증가(15.06%)하였다(Table 2).
체간 F/E ratio의 경우 -15°에서 0° 구간에서 GC는 NGC에 비해 통계적으로 유의하게(p <.01) 증가 한 반면, 0°에서 45° 구간에서 GC는 NGC에 비해 유의하게(p<.01) 감소하였다(Fig. 3).

3. 체간 F/E ratio와 유연성 간의 상관관계

체간의 유연성 중 좌전굴, 체전굴은 모든 ROM에서 도출된 NGC 및 GC F/E ratio와 유의한(p>.05) 관련이 없었다. 그러나 후전굴의 경우 -15°에서 0° 구간의 NGC 및 GC F/E ratio와 각각 부적관련성(p<.05)을 나타냈다(Table 3).

논 의

1. 중력보정에 따른 등속성 근력 변화

중력보정 적용으로 인해 굴곡과 신전은 각각 0°를 기점으로 근력은 교차된다. -15°에서 0° 구간에서 중력보정 적용 시 굴곡 근력 값은 증가하였으며, 신전 근력 값은 감소하였다. 반면 0°에서 45° 구간에서 중력보정 적용 시 굴곡 근력 값은 감소하였으며, 신전 근력 값은 증가하였다.
이상의 결과는 등속성 기기에 의한 검사 결과 중 급 가속되는 구간과 급 감속되는 구간을 제거하고 얻을 결과이다. 등속성 기기의 특성상 운동 중 급 감·가속 시 PT가 증가하여 도출된다[20]. 이와 같은 결과는 기계적 특성으로 자연스러운 현상이지만 피험자 고유 근력 값을 왜곡시킨다. 기계적 왜곡현상을 제거하기 위해 결과 도출 시 ‘damper’가 적용되어 환산된 근력 값을 산출할 수 있지만[21], 본 연구에서는 raw data를 사용하였기 때문에 수동적으로 구간의 선별적 획득을 통한 자료분석을 하였다.
등속성 근기능 검사 시 중력보정은 기계적으로 적용한다. 일반적으로 중력의 영향을 받아 증가된 근력 값을 감소시키고, 감소된 근력 값을 증가시켜 피험자의 고유 근력 값을 도출한다[12]. 체간 등속성 검사시 중력보정의 효과를 보고한 Vanhee et al. [14]의 연구에서 중력보정 적용 시 굴곡 근력 값은 유의하게 감소하였으며, 신전 근력 값은 유의하게 증가하였다. 본 연구에서도 0°에서 45° 구간에서 같은 결과가 나타났으나, -15°에서 0° 구간에서는 반대의 결과가 나타났다. 이는 선행 연구의 경우 ROM을 0°에서 75° 구간으로 설정하여 중력의 영향이 일정하게 적용되었으나, 본 연구의 경우 ROM을 -15°까지 확장하여 0°에서 중력보정의 효과가 굴곡과 신전에 각각 교차(Cross-over)되었다. 즉 ROM 설정에 따른 차이라고 설명될 수 있다.

2. 중력보정에 따른 PT 및 F/E ratio 변화

중력보정의 효과는 0°를 기점으로 굴곡 및 신전 PT에 교차 적용된다. -15°에서 0° 구간에서 굴곡 시 GC는 NGC 보다 약 4.69% 증가하였으며, 신전 시 GC는 NGC 보다 약 2.52% 감소하였다. 반면에 0°에서 45°구간에서 굴곡 시 GC는 NGC 보다 약 27.49% 감소하였으며, 신전 시 GC는 NGC 보다 약 15.06% 증가하였다.
중력은 주동근과 길항근의 수축 결과에 영향을 미치는 것으로 본 연구에서는 수축 구간이 짧은 ‘-’ ROM에서의 결과로 이에 중력의 영향이 적기 때문에 중력보정으로 인한 변화율 또한 상대적으로 낮다. 반대로 상대적으로 수축 구간이 긴 ‘+’ ROM에서의 결과는 중력의 영향이 많기 때문에 중력보정으로 인한 변화율이 상대적으로 높다.
Andersson et al. [22]의 연구에 따르면 체간의 최대 신전 근력은 굴곡상태(약 30°)에서 발생하며, 최대 굴곡 근력은 과신전 상태(약 -5°)에서 발생한다고 보고하였다. 본 연구 결과에서 굴곡 시 NGC 값을 비교할 경우 -15°에서 0°의 PT보다 0°에서 45°의 PT가 더 높게 나타났다. 그러나 GC 값을 비교할 경우 -15°에서 0°의 PT보다 0°에서 45°의 PT가 더 낮게 나타났다. 즉 중력보정을 적용해야만 굴곡근의 고유 값을 도출할 수 있다.
Van damme et al. [16]의 연구에 의하면 등속성 운동 동안 신전근이 굴곡근 보다 동원 및 활동성이 비교적 활발하였다. 즉 체간의 신전근은 굴곡근 보다 비교적 많은 동원에 참여됨으로써 PT 도출에 큰 역할을 담당하는 것으로 판단된다. 따라서 0°에서 45°구간 동안 GC의 신전 PT가 굴곡 PT 보다 상대적으로 큰 비율 증가를 나타내는 것으로 판단된다.
또한 Vanhee et al. [14]의 연구에 의하면 0°에서 75°상에서 체간의 등속성 운동 시 중력보정의 적용은 F/E raito가 0.64에서 0.46으로 유의한 감소를 보고하였다. 본 연구 결과 0°에서 45°상에서 중력보정 적용시 F/E ratio가 1.06에서 0.70으로 유의하게 감소하였다. 그러나 -15°에서 0°상에서 중력보정 적용 시 F/E ratio는 0.98에서 1.06으로 유의하게 증가하였다. 이는 0°를 기점으로 과신전 상태에서는 중력보정의 효과가 굴곡과 신전 운동에 교차 적용되면서 위와 같은 결과가 나타나는 것으로 판단된다.

3. 체간 F/E ratio와 유연성 간의 상관관계

체간 F/E ratio와 체간의 유연성 간의 관련성을 분석한 결과 유연성 중 후전굴의 증가는 일정 부분에서 도출된 F/E ratio의 감소와 관련하는 것으로 나타났다.
체간 근육 속성과 유연성 간의 관련성을 구명한 Kim et al. [9]의 연구에 따르면 굴곡 시 근력과 유연성 수준은 유의한 정적 관련성을 가진다고 보고하였다. 그러나 선행연구에서는 ‘+’와 ‘-’ 관절 움직임을 구분하지 않은 상태에서 도출되는 값을 구분하지 않았다.
일반적으로 체간의 근력은 요통과 밀접하게 관련하며[23,24], Tekur et al. [25]의 연구에 의하면 체간의 유연성감소는 요통 감소와 밀접하게 관련한다. Plamondon et al. [26]는 체간이 과신전 되는 back extension 트레이닝을 통해 요통 감소를 보고하였으며, Lee et al. [8]의 연구에 따르면 신전근의 상대적 약화는 요통 증가를 보고하였다. 본 연구의 결과 체간의 유연성 중 체후굴의 증가와 F/E ratio 감소 간의 관련성을 나타냈다. 즉 유연성 증가와 신전근의 상대적 증가는 관련이 있으며 구체적으로 과신전 상태의 신전 근력 증가와 유연성 증가는 유의하게 관련하는 것으로 판단된다. 따라서 추후 요통에 관련한 연구에서는 과신전 상태의 F/E ratio 활용성을 검증할 필요가 있다.

결 론

본 연구는 등속성 기기를 이용하여 체간부의 관절 움직임(해부학적인 관절 스펙트럼 -15°에서 45°)에 대한 중력보정 적용 유무를 통해 최대회전력의 고유 값 규명 및 이를 통해 산출된 체간 F/E ratio와 체간 유연성 간의 관련성을 평가한 결과 0°를 기점으로 중력보정은 굴곡과 신전에 교차 적용되며 이에 따라 체간 F/E ratio 또한 0°를 기점으로 상반된 양상을 보여주었다. 또한 체간의 유연성 중 좌전굴과 체전굴은 어느 요인과도 관련성을 가지지 않았지만, 체후굴은 -15°에서 0° 구간 F/E ratio와 음의 상관관계를 나타내었다.
등속성 기기에 의한 근력 측정 시 중력보정은 결과값에 유의미한 영향을 미친다. 따라서 등속성 근력 평가 시 중력보정의 유무는 근력의 임상적 해석에서 아주 중요하다. 특히 기존의 선행연구들은 단순 움직임 즉 ‘+’관절 움직임에서 중력보정을 언급한 반면 본 연구는 ‘+’, ‘-’를 가미한 관절 움직임에서 중력보정 유무를 통한 실제 값을 파악하였다. 체간의 근력 검사에서 중력보정은 관절 가동 범위에 따라 명확한 ‘Cross-over’ 지점을 가지는 것으로 중력보정은 피험자 고유 값 도출에 효율적 전략임을 시사한다. 추후 연령과 성차 등을 고려한 다양한 연구집단 및 다른 운동양식 그리고 다양한 체력요인 등을 적용하여 다각적 접근을 통해 이를 뒷받침 할 수 있는 후속 연구가 필요하다고 판단된다.

Fig. 1.
Fig. 1.
Posture of the subject on the isokinetic TEF modular component.
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Fig. 2.
Fig. 2.
The results of isokinetic trunk test. (A) Curves of isokinetic trunk flecion. (B) Curves of isokinetic trunk extension. NGC, Not Gravity correction torque; GC, Gravity correction torque.
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Fig. 3.
Fig. 3.
The difference between NGC and GC ratio of isokinetic trunk Flexion/Extension. NGC, Not Gravity correction Flexion/Extension ratio; GC, Gravity correction Flexion/Extension ratio.
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Table 1.
Subject characteristics
Variables
Clinical information
 Age (yr) 20.9 ± 0.37
 Height (cm) 176.35 ± 0.92
 Weight (kg) 68.95 ± 1.23
 Body mass index (kg/m2) 22.17 ± 0.36
Flexibility measurement
 Sit and reach (cm) 14.12 ± 1.12
 Trunk forward flexion (cm) 12.57 ± 1.11
 Back extension (cm) 59.22

Values are means±SE.

Table 2.
The peak torque of isokinetic test at trunk flexion and extension
Variables -15°- 0°
0°- 45°
Flexion (Nm) Extension (Nm) Flexion (Nm) Extension (Nm)
NGC 221.85 ± 7.09 227.09 ± 5.69 279.36 ± 8.27 265.6 ± 6.87
GC 232.77 ± 7.23 221.51 ± 5.71 219.12 ± 6.77 312.69 ± 7.7
Difference 4.69% 2.52% 27.49% 15.06%
p < .01 < .01 < .01 < .01

Values are means ± SE.

NGC, Not Gravity correction peak torque; GC, Gravity correction peak torque.

Table 3.
The relationships between trunk flexibility and isokinetic peak torque ratio
Variables Sit and reach
Trunk forward flexion
Back Extension
r p r p r p
-15°- 0° NGC 0.015 > .05 -0.036 > .05 -0.383 < .05*
GC -0.014 > .05 -0.035 > .05 -0.340 < .05*
0°- 45° NGC -0.044 > .05 0.024 > .05 0.024 > .05
GC -0.165 > .05 -0.099 > .05 0.126 > .05

r, Spearman’s correlation coefficients; Correlations (r) significant at *p<.05. NGC ratio, Not Gravity correction Flexion/Extension ratio; GC ratio, Gravity correction Flexion/ Extension ratio.

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