The Analysis of Lower Limb Muscle Activity using Stepping Conditions on Recumbent Ergometer in Health Adults

건강한 성인의 리컴번트 에르고미터의 발디딤 조건에 따른 다리근육 활성도 분석

Abstract

Purpose : This study aimed to analyze leg muscle activation under different stepping conditions while performing a recumbent ergometer at saddle distances to knee flexion angles of 15 °, 25 °, and 35 ° in healthy adults. Based on the findings, the study sought to provide evidence for optimal stepping conditions in recumbent ergometer to maximize selective muscle strengthening and exercise performance in clinical settings. Methods : The study was conducted with 22 healthy adult males, adjusting the saddle distance at three knee flexion angles during recumbent ergometer. All participants performed five minutes of stretching and warm-up before the study, exercised for 30 seconds at a fraction of 60 rpm, and recorded electromyographic signals for five seconds. Surface electromyography was used to measure the activation of the rectus femoris, biceps femoris, tibialis anterior, and gastrocnemius. Results : The muscle activation of the rectus femoris and biceps femoris showed no significant difference between knee flexion angles of 15 ° and 25 °. There was significant difference between the stepping conditions at saddle distances to knee flexion angles of 15 ° and 35 °, as well as 25 ° and 35 °. While the tibialis anterior muscle activation showed no significant differences, the gastrocnemius muscle activation exhibited significant differences across all stepping conditions, including knee flexion angles of 15 ° and 25 °, 15 ° and 35 °, and 25 ° and 35 °. Conclusion : During recumbent ergometer, in the stepping condition to knee flexion of 15 °, where the saddle distance was longer, the muscle activation of the biceps femoris and gastrocnemius significantly increased. In contrast, in the stepping condition to knee flexion of 35 °, where the saddle distance was shorter, the activation of the rectus femoris significantly increased. Future recumbent ergometer should be performed with stepping conditions set according to knee flexion angles that align with an individual's anthropometric characteristics and exercise goals.

Ⅰ. 서론

자전거 에르고미터는 관절가동범위, 근력 및 심혈관 지구력을 회복하기 위한 재활 및 체력 훈련을 실시하는데 널리 사용되고 있다(Lopes 등, 2014). 기존의 수직형 에르고미터와 최근에 환자 및 노인에게 사용되는 리컴번트 에르고미터가 있다(Bouaziz 등, 2015, Le 등, 2023, Walsh 등, 2021). 두 에르고미터의 주요 차이점은 수직형은 안장과 크랭크 축이 거의 수직으로 정렬되지만 리컴번트는 거의 수평으로 정렬된다는 것이다(Hakansson & Hull, 2005). 또한, 리컴번트 에르고미터는 등받이가 있는 넓은 좌석과 지면에 가까운 위치 덕분에 휠체어 사용자나 이동이 불편한 사람들이 쉽게 접근할 수 있다(Lopes 등, 2014). 이러한 장점 때문에 휠체어 사용자나 이동능력에 장애가 있는 환자들이 스스로 사용할 수 있고, 최소한 감독만으로 수행이 가능해 수직형 에르고미터 보다 임상환경에서 더욱 안전하게 적용될 수 있다(Kerr 등, 2007). 다양한 선행연구에 따르면 수직형 리컴번트와 비교할 때 반누운 자세에서 사이클링을 수행할 경우 좌석높이, 크랭크의 팔 길이, 발 위치 등이 신체의 관절운동학적 효능에 영향을 미칠 수 있다고 한다(Bini 등, 2010; Neptune 등, 1997). 또한, 리컴번트 에르고미터는 관절과 근육에 가해지는 스트레스가 적고, 상대적으로 편안한 플랫폼을 제공하여 사이클링에 더 나은 선택이 될 수 있다(Gregor 등, 2002; Reiser 등, 2004).

Lopes 등(2014)은 비정기적 자전거 이용자를 대상으로 동일한 좌석 높이와 무릎관절 굽힘 20~30 ° 조건에서 표준 리컴번트 및 수직형 에르고미터를 사용한 페달링 동안 다리 근육의 근전도 활동을 비교한 결과, 반힘줄근과 앞정강근은 리컴번트 에르고미터에서 높은 근활성도를 보였으며 넙다리곧은근은 수직형 에르고미터에서 더 높은 근활성도를 나타냈지만 유의한 차이는 없었다. 또한, Gregor 등(2002)은 수직형과 리컴번트 에르고미터 페달링 자세는 다르지만 건강한 대상자가 중력에 적응할 경우 두 에르고미터에서 다리의 운동학 및 근육 모멘트 양상은 거의 유사하다고 하였다. Reiser 등(2004)은 사이클 선수를 대상으로 수직형 에르고미터와 시뮬레이터 리컴번트 에르고미터(90 rpm; 250 W; max hip to pedal distance= 105 %)를 비교한 결과, 두 에르고미터 사이의 무릎관절 운동학은 유사한 관절 모멘트 궤적을 보였으며 근육의 활동양상에서도 유의한 차이가 없었다고 보고하였다. 이처럼 수직형 에르고미터와 비교할 때 리컴번트 에르고미터 수행 시 다리의 운동학과 근육활동에 차이가 없고, 재활환경에서의 임상적 유용성이 상대적으로 높음에도 불구하고 운동, 체력 및 재활 분야에 리컴번트 에르고미터 수행에 관한 연구는 부족한 실정이다.

리컴번트 에르고미터 장비의 핸들과 페달은 기계적으로 연결되어 보행 시와 비슷한 팔과 다리 사이의 상호작용과 교대적인 움직임 양상을 제공할 수 있다(Hoff 등, 2022). 즉, 리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 나타나는 자전거 타기와 계단 발디딤이 통합된 동작으로 팔과 다리의 관절과 근육의 협응과 분리된 움직임이 발생하는 것이다. 리컴번트 에르고미터의 잠재적인 장점은 심각한 신체장애가 있는 환자가 쉽게 사용할 수 있고 (Pilutti 등, 2016), 양쪽 팔다리 모든 부위에 작업부하를 분산할 수 있으며(Hill 등, 2005), 안전성이 높고 상대적으로 충격이 적은 운동방법 제공이 가능할 뿐만 아니라 (Billinger 등, 2012), 마지막으로 걷기와 유사한 상호교대적인 팔다리 움직임 양상을 촉진할 수 있다는 것이다(Stoloff 등, 2007).

여러 선행연구에서 리컴번트 에르고미터 운동을 수행하는 동안 발디딤 운동에 대한 근육 활동과 팔다리 움직임 사이의 상호작용을 조사하였다. Stoloff 등(2007)은 리컴번트 발디딤 운동 시 근육활동의 양상이 보행할 때와 비슷하지만 훨씬 단순하다는 것을 발견하였다. 또한, 리컴번트 발디딤 동안에 다리의 신체분절 사이의 커플링에 대한 Kao와 Ferris(2005)의 연구에 따르면 팔을 사용하는 경우 외부의 동력으로 다리를 수동적으로 움직일 때 보다 다리의 근육활동이 증가하므로 팔과 다리의 커플링 동작으로 인해 신경근육 동원이 증가한다고 하였다. de Kam 등(2013)의 연구에서도 리컴번트 발디딤 동안 팔 움직임(커플링 또는 비커플링)이 다리근육의 활동을 증가시키는 경향이 있다는 것을 발견하였다.

자전거 페달링은 단일 요인이 아닌 신체기능의 복합적인 요인에 의해 결정되므로 사이클링 수행력을 향상시키기 위해서는 신체기능 훈련뿐만 아니라 개인의 신체구조에 맞게 사이클 프레임 사이즈를 조절하는 피팅(fitting)이 필요하다(Bae 등, 2014). 피팅은 페달링 수행력을 향상시킬 뿐만 아니라 잘못된 자세로 인한 관절 변형 및 부상을 예방할 수 있으므로 사이클 선수를 포함한 이동 및 건강증진을 위해 자전거를 이용하는 일반인 환자에게도 필수적이다(de Vey Mestdagh, 1998). 피팅을 위한 프레임 사이즈는 일반적으로 안장위치(seat tube position), 안장각도(seat tube angle), 헤드튜브 길이(head tube length), 탑튜브 길이(top tube length), 페달에 발을 놓는 페달링 위치(pedaling position) 등으로 조절하는데 이 중에서 안장위치에 대한 결정이 자전거 페달링에 가장 중요하다고 하였다(Bae 등, 2014).

즉, 자전거 에르고미터를 수행할 때 다양한 요인 중에서 안장높이가 페달링 동안에 다리 운동학적 변화에 가장 많은 영향을 미친다(Peveler & Green, 2011). 이는 다리분절 길이와 비율에 적합한 안장높이가 적절한 페달링 발디딤 자세를 유도할 뿐만 아니라 다리에서 발생하는 힘과 토크를 효율적으로 크랭크에 전달할 수 있어 다리관절의 부하를 감소시키고(Bini 등, 2011) 잠재적인 힘의 손실을 최소화할 수 있기 때문이다(Bailey 등, 2003). 자전거 페달링을 실시할 때 발디딤 안장위치를 설정하는 세 가지 방법은 큰돌기법(trochanteric method), 안쪽 다리길이 측정법 그리고 무릎 각도법(knee angle method) 세 가지가 있다. 먼저 큰돌기법은 넙다리 큰돌기 높이의 97 %, 100 %, 103 %로 안장높이를 설정하는 방법이고(Tamborindeguy & Bini, 2011) Claude Genzling이 개발한 안쪽 다리길이 측정법은 안장높이를 인심 x 0.885로 설정하는 방법이다(Holmes 등, 1994). 마지막으로 안장에 앉아서 페달에 발을 올린 발디딤 위치를 최저위점으로 두고 무릎관절 각도를 25~30 °의 범위 안으로 안장위치를 조절하는 방법을 무릎 각도법이라고 한다(Jang, 2015). 현재까지는 안장위치를 안쪽 다리길이의 109 % 높이와 무릎관절이 최대로 폄되는 각도인 25~35 °로 설정하는 것이 대표적인 표준방법으로 알려져 있다(Peveler & Green, 2011).

자전거 에르고미터의 안장위치에 따른 연구를 살펴보면 Bini 등(2011)은 자전거 에르고미터의 페달링 파워가 토크 값으로 변환되는 비율을 분석한 연구를 실시하였는데 페달링 파워는 낮은 안장에서 가장 높았지만 운동 효율성은 높은 안장이 가장 효율적이라고 하였다. Choi 등(2012)은 무릎관절을 25~35 ° 굽힘시킨 표준 안장위치 보다 높이를 3 ㎝ 올린 안장위치에서 엉덩관절과 무릎관절 모두 관절가동범위가 증가하였고, 넙다리두갈래근과 가쪽넓은근의 근길이 변화 및 넙다리두갈래근 활성도가 증가하였다고 하였다. Ferrer-Roca 등(2014)은 사이클 선수를 대상으로 일반적인 자전거 안장높이(32.9±7.3 °)에서 +2 %, -2 % 정도 변화를 주었을 때 높은 안장위치(29.7±6.7 °)에서 산소소모량이 증가하고, 효율성이 감소하는 유의한 변화가 나타났다고 하였다. 이는 안장이 높아지면 같은 사이클링 회전수를 만들더라도 엉덩관절, 무릎관절 및 발목관절의 굽힘이 감소하고 폄이 증가하는 운동학적 변화가 발생하기 때문에 효율성이 감소하는 것이라고 하였다. 따라서 사이클이나 에르고미터의 페달링 운동 시에는 무릎관절과 발목관절을 가로지르는 근육들 특히, 무릎관절의 굽힘과 폄 및 발목관절의 발바닥굽힘과 발등굽힘을 담당하는 근육들이 매우 중요한 역할을 담당한다(Hug & Dorel, 2009).

최근에는 무릎관절 안쪽 각도를 이용해 발디딤 안장 위치를 설정하는 연구들이 시도되고 있다. Peveler 등(2005)은 자전거 훈련을 실시하는 동안 안장높이 설정방법을 비교한 연구에서 넙다리 큰돌기 높이를 이용해 안장높이를 설정하면 손상을 예방할 수 있는 무릎각도(25°~35 °)를 벗어나므로 부상위험이 증가한다고 하였다. 또한, 안장높이를 에르고미터 페달이 회전하는 동안의 가장 낮은 지점인 하사점(bottom dead center; BDC)에서 무릎각도 35 ° 굽힘과 안쪽 다리길이 109 %로 설정하는 것보다 무릎관절 25 ° 굽힘으로 설정하는 것이 산소소비량 효율성과 수행력 측면에서 우수하다고 보고하였다(Peveler & Green, 2011). Seo 등(2012)도 하사점에서 무릎각도 35 °로 안장높이를 설정하는 것이 25 ° 보다 넙다리두갈래근 활성도가 더욱 증가한다고 하였다. 이처럼 사이클이나 에르고미터 운동 시 신체 근육의 사용은 다리 움직임과 직접 관련이 있는 페달링을 수행하는 동안 안장거리의 발디딤 조건의 설정에 따라 근육 불균형이 발생하며 근활성도가 달라질 수 있다.

리컴번트 에르고미터의 최근 연구결과에 따르면 사이클링 수행능력이나 부상 예방하기 위해서는 무릎관절 25 ° 굽힘한 발디딤 안장위치를 설정하는 것이 권장된다고 하였다. 하지만 사이클링을 수행할 때 최대 힘 발생과 효율적인 페달링이 가능한 최적의 안장위치를 확인하기 위한 연구들이 다수 있으며 무릎관절 굽힘에 따른 다양한 안장거리의 발디딤 조건에서 다리근육의 근활성도 차이를 비교한 근거는 매우 부족하다. 또한, 리컴번트 에르고미터가 운동 및 재활의 수단으로 피트니스 센터나 재활 클리닉에서 인기를 얻고 있지만 전통적으로 수직형 에르고미터가 이러한 역할을 주도하고 있으므로(Lopes 등, 2014), 실제 임상현장에서 높은 안정성으로 사용되고 있는 리컴번트 에르고미터의 안장위치 설정에 관한 다리 근활성도 연구가 필요한 실정이다.

그러므로 본 연구는 건강한 성인이 무릎관절 15 °, 25 °, 35 °로 굽힘하는 안장거리에서 리컴번트 에르고미터를 수행할 때 세 가지 발디딤 조건에 따른 다리근육 활성도를 분석하였다. 또한, 임상현장에서 리컴번트 에르고미터를 수행할 때 다리근육의 선택적 근력 강화 및 운동 수행력을 최대한 향상시킬 수 있는 무릎 관절 굽힘 안장거리의 발디딤 조건에 대한 근거를 제시하고자 실시하였다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구설계

본 연구는 리컴번트 에르고미터 운동의 한 집단에서 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 다리근육 활성도를 비교하기 위해 대조군이 없는 유사실험설계(quasi-experimental designs)를 실시하였다. 또한, 한 집단을 구성하는 모든 대상자가 무릎관절 굽힘 15 °, 25 °, 35° 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 리컴번트 에르고미터를 수행하고, 각각의 조건에서 측정된 다리근육 활성도 차이를 비교하는 단일집단(동일한 집단 or 집단 내) 반복측정설계(one group design)를 적용하였다. 이 연구 설계는 개별 대상자의 본질적 특성 차이에 의한 실험결과 오염 요인을 최소화시킬 수 있지만 다리근육 활성도를 측정하는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 시간 경과에 따른 실행효과와 피로효과가 발생할 수 있다. 이러한 연구설계의 단점을 최소화하고 연구결과에 대한 오류를 방지하기 위해서 연구대상자를 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 무작위 순서로 참여시키는 카운터발란싱(counterbalancing) 방법을 적용하였다.

2. 연구대상

본 연구는 만 19세 이상 건강한 성인 지원자를 연구대상으로 실시하였다. 그 이유는 젊은 성인이 인지기능이 감소된 노인보다 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 무작위 순서로 참여하는 불규칙한 운동을 낙상위험 없이 안정되게 수행할 수 있고, 무엇보다 리컴번트 에르고미터를 단시간 적용했을 때 근력강화 운동의 효과를 통계적으로 확인하기가 상대적으로 유리하기 때문에 선정하였다. 세부적인 선정기준은 첫째, 자전거 선수 경험이 없는 사람 둘째, 리컴번트 에르고미터 수행이 가능한 사람 셋째, 최근 6개월 이내에 몸통과 다리의 근육뼈대계 부상 경험이 없는 사람이었다. 또한, 심장혈관계통이나 호흡계통 문제로 일상생활에 제한이 있는 사람은 연구 대상에서 제외하였다.

먼저 본 연구를 시행하기 전에 전체 연구대상자에게 연구의 목적과 실험절차, 연구 참여에 따른 부작용 또는 위험과 불편함에 대한 충분한 설명을 제공한 후에 자발적인 의사로 연구에 참여한다는 개인정보 동의서를 받았다. 연구에 참여한 지원자 25명 중 개인적인 사정으로 3명이 탈락하여 최종 22명이 연구에 참여하였고, 연구대상자의 일반적 특성은 Table 1에 제시하였다. 단일집단의 모든 대상자가 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 리컴번트 에르고미터 운동에 참여하므로 동일한 집단 내 구성원에 대한 일반적 특성의 분산 동질성은 검증하지 않았다.

Table 1. General characters of subjects (n= 22)

3. 연구절차

1) 리컴번트 에르고미터 운동

본 연구의 리컴번트 에르고미터 운동은 고정형 리컴번트 에르고미터(SciFit Pro2, Tulsa, USA)를 사용해 무릎관절 15 °, 25 °, 35 ° 굽힘하는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 사이클링을 수행하도록 하였다. 특히, 연구대상자의 신체계측학적 차이와 각 개인의 상황을 표준화시키기 위해서 리컴번트 에르고미터 운동은 다음의 순서에 따라서 체계적으로 실시하였다.

먼저 사이클링 주기 동안에 안장거리의 발디딤 조건은 발목관절 중립(즉, 발과 정강뼈가 90 ° 각도를 형성)과 최대한 무릎관절 폄 상태(완전 무릎관절 폄 0 ° 참조)에서 각도계로 무릎관절을 25 ° 굽힘을 기준으로 설정하였다. 무릎관절의 굽힘 각도는 각도계의 중심을 넙다리 가쪽 위관절융기에 위치시킨 다음 고정팔은 넙다리의 가쪽 중심선과 큰돌기를 기준으로 정렬시키고, 운동팔은 가쪽 복사뼈를 기준점으로 종아리뼈의 가쪽 중심선과 정렬시켜서 측정하였다(Kim 등, 2014)(Fig 1). 즉, 리컴번트 에르고미터로 최적의 사이클링이 가능한 25 °를 기준으로 이러한 측정방법으로 위아래 각각 10° 간격으로 무릎관절을 15 °와 35 ° 굽힘하는 안장거리를 발디딤 조건으로 추가하였다.

Fig 1. Recumbent ergometer (SciFit Pro2)

리컴번트 에르고미터 사이클링을 수행하는 동안에 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 다리의 관절 운동학 편차를 감소시키기 위해 표준 위치를 지정하였다. 발은 두 번째 발허리뼈를 페달 축 위로 위치시키고, 발 크기에 적합하게 스트랩을 고정하였다. 단, 발이 페달에서 미끄러지지 않도록 하기 위해서 신발을 착용하였고, 양쪽 다리의 왕복운동을 원운동으로 전환해주는 부품인 크랭크는 가장 마지막 지점에 위치하도록 고정하였다. 사이클링을 시작하기 전에 무작위 순서로 세 가지 발디딤 조건에 따라 연구대상자의 안장이 배치될 수 있도록 각도계로 무릎관절 각도를 측정해서 좌석 거리를 조정하였다. 또한, 페달을 밟을 때 발목관절 위치는 특정한 페달링 기술을 인위적으로 적용하기 보다는 자연스러운 페달링 조절(slef-selected control)이 장딴지 근육의 근피로를 예방하고, 기계적 효율성을 전반적으로 향상시키는데 유리하다는 Cannon 등(2007)의 연구결과를 반영하여 사이클링 시 편안하게 발목관절 움직임을 실시하도록 하였다.

리컴번트 에르고미터 운동을 실시하기 전에 연구대상자는 먼저 가벼운 스트레칭이나 저강도 유산소 운동을 3분 이내로 실시하였다. 그 다음 표면전극을 근활성도를 측정하는 각 근육 위에 부착하고 안장에 앉아서 에르고미터 장비에 적응하기 위한 사이클링 워밍업을 5분간 실시하였다. 이 과정 동안에 연구대상자는 에르고미터 컨트롤러의 디스플레이에서 60 rpm 페달링 조건과 100 W(중간강도)의 작업속도에 대한 피드백을 받았다. 운동장비에 적응한 후에는 리컴번트 에르고미터를 분속수 60 rpm으로 수행하는 동안에 무작위 순서의 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 다리 근육 활성도를 30초간 측정하였다. 각 측정 사이에는 근육 피로를 예방하기 위해서 연구대상자의 심박수 변화가 60 % 이하까지 안정될 때까지 충분한 휴식을 취할 수 있도록 하였다.

2) 측정 도구 및 방법

리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 무릎관절과 발목관절의 굽힘근과 폄근에 대한 근활성도는 표면 근전도(TeleMyo 2400 system, Noraxon Inc., USA)를 사용해 측정하였다. 사이클링의 경우 신체의 무릎관절 굽힘과 폄, 발목관절의 발바닥굽힘과 등쪽굽힘 동작이 매우 중요하다고 하였으므로(Fritz 등, 2012; Stoloff 등, 2007), 연구대상자가 페달을 밟을 때 운동학적으로 우세한 다리의 넙다리곧은근, 넙다리두갈래근, 앞정강근, 장딴지근의 근활성도를 측정하였다. 표면전극은 SENIAM(surface electromyography for the non-invasive assessment of muscle; www.seniam.org)의 권장사항을 참조해 선택한 근육에 부착하였다(Ramsay 등, 2014)(Table 2). 근전도 전극은 알코올로 깨끗이 닦아서 피부저항을 감소시킨 후에 근육의 최대 저항자세에서 수축시킬 때 가장 활성화되는 중앙의 근섬유 주행방향과 평행하게 부착하였다.

Table 2. The placement of surface EMG electrodes

근육 활성도를 정규화하기 위해 도수근력검사 자세에서 도수저항과 함께 최대 자발적 등척성 수축(maximal voluntary isometric contraction; MVIC)을 실시하여 기준이 되는 근육의 수축값을 설정하였다(Bouillon 등, 2016). 세가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 각 근육의 활성도를 5초 동안에 3회 반복적으로 측정한 후 평균값을 사용하였다. 수집된 모든 근전도 자료는 Myo-research master edition v.3.6.32 XP 프로그램(Noraxon Inc., USA)으로 근전도 신호에 대한 필터링(band pass filter 5~400 ㎐, notch filter 60 ㎐)과 기타 신호처리(rectification, smoothing ㎳)를 진행하였다. 근전도 신호는 사전에 측정한 각 근육의 MVIC를 기준으로 근활성도 신호의 평균 제곱근 값을 나누어 %MVIC값으로 산출하였다. 표면 근전도를 측정할 때 전극 위치, 자료수집, 기록, 근전도 신호처리를 포함한 모든 절차는 근전도 사용과 관련된 전기생리학과 운동학의 국제협회(International Society of Electrophysiology and Kinesiology) 권장사항을 준수하였다(Hoff 등, 2022).

4. 자료분석

본 연구의 모든 자료는 SPSS 25.0 for windows(IBM, USA) 프로그램을 이용해 분석하였고, 통계적 검정을 위한 유의수준(α)은 .05로 설정하였다. 연구대상자의 일반적 특성은 기술통계로 평균과 표준편차를 산출하였다. 리컴번트 에르고미터의 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 다리근육 활성도를 확인하기 위해 반복측정 분산분석(one-way repeated ANOVA)을 실시하고, 집단 내 다중비교(multiple comparison)로 검증하였다.

Ⅲ. 결과

1. 넙다리곧은근 활성도 비교

리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 안장거리의 발디딤 조건에 따른 넙다리곧은근 활성도를 Table 3에 분석하였다. 넙다리곧은근 활성도는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 유의한 차이가 있었다(p<.05). 다중비교 결과 무릎관절 굽힘 15 °와 25 ° 안장거리의 발디딤 조건은 유의한 차이가 없었지만 무릎관절 굽힘 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 안장거리의 발디딤 조건 사이의 통계적인 유의한 차이가 나타났다(p<.05).

Table 3. Comparison of rectus femoris muscle activation among three different in pedaling angle of recumbent ergometer

Mean±SD; mean±standard deviation, ^a ; significant difference between 15 degree and 25 degree, ^b ; significant difference between 25 degree and 35 degree, ^c ; significant difference between 15 degree and 35 degree

2. 넙다리두갈래근 활성도 비교

리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 안장거리의 발디딤 조건에 따른 넙다리두갈래근 활성도를 Table 4에 분석하였다. 넙다리두갈래근 활성도는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 유의한 차이가 있었다(p<.05). 다중 비교 결과 무릎관절 굽힘 15 °와 25 ° 안장거리의 발디딤 조건은 유의한 차이가 없었지만 무릎관절 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 안장거리의 발디딤 조건 사이의 통계적인 유의한 차이가 나타났다(p<.05).

Table 4. Comparison of biceps femoris muscle activation among three different in pedaling angle of recumbent ergometer

Mean±SD; mean±standard deviation, ^a ; significant difference between 15 degree and 25 degree, ^b ; significant difference between 25 degree and 35 degree, ^c ; significant difference between 15 degree and 35 degree

3. 앞정강근 활성도 비교

리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 안장거리의 발디딤 조건에 따른 앞정강근 활성도를 Table 5에 분석하였다. 앞정강근 활성도는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건 사이에 유의한 차이가 없었다(p<.05).

Table 5. Comparison of tibialis anterior muscle activation among three different in pedaling angle of recumbent ergometer

Mean±SD; mean±standard deviation, ^a ; significant difference between 15 degree and 25 degree, ^b ; significant difference between 25 degree and 35 degree, ^c ; significant difference between 15 degree and 35 degree

4. 장딴지근 활성도 비교

리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안에 안장거리의 발디딤 조건에 따른 장딴지근 활성도를 Table 6에 분석하였다. 장딴지근 활성도는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에서 유의한 차이가 있었다(p<.05). 다중비교 결과 무릎관절 굽힘 15 °와 25 °, 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 모든 안장거리의 발디딤 조건 사이에서 통계적인 유의한 차이가 나타났다(p<.05).

Table 6. Comparison of gastrocnemius muscle activation among three different in pedaling angle of recumbent ergometer

Mean±SD; mean±standard deviation, ^a ; significant difference between 15 degree and 25 degree, ^b ; significant difference between 25 degree and 35 degree, ^c ; significant difference between 15 degree and 35 degree

Ⅳ. 고찰

리컴번트 에르고미터는 수직형 에르고미터에 비해 안장위치가 낮고 등받이와 손잡이가 있어서 부상을 예방하고 안전한 수행이 가능하므로 재활 클리닉과 피트니스 센터에서 많이 사용되고 있다(Lopes 등, 2014). 이에 본 연구에서는 건강한 성인을 대상으로 리컴번트 에르고미터의 무릎관절 15 °, 25 °, 35 °로 굽힘하는 안장거리에서 다리근육 활성도를 분석한 결과 세 가지 발디딤 조건에 따른 다리근육 활성도에 유의한 차이를 확인하였다. 또한, 임상현장에서 리컴번트 에르고미터 운동을 통해서 다리의 특정 근육이나 근육군의 근력강화 및 운동 기능 향상에 활용할 수 있는 안장거리에 따른 발디딤 조건을 제시하고자 하였다.

본 연구결과, 리컴번트 에르고미터를 수행할 때 넙다리곧은근과 넙다리두갈래근의 근활성도는 무릎관절 굽힘 15 °와 25 °는 차이가 없었지만 무릎관절 굽힘 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 안장거리의 발디딤 조건 사이에는 유의한 차이가 있었다. 또한, 앞정강근 근활성도는 세 가지 안장거리의 발디딤 조건에 따른 유의한 차이가 없었지만 장딴지근 근활성도의 경우 무릎관절 굽힘 15 °와 25°, 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 모든 안장거리의 발디딤 조건 사이에 유의한 차이가 나타났다. 즉, 넙다리두갈래근과 장딴지근 근활성도는 안장거리가 가장 긴 무릎관절 굽힘 15 ° 안장거리 발디딤 조건에서 가장 높게 나타났고, 35 ° 안장거리의 발디딤 조건에서 가장 낮게 나타났다. 하지만 넙다리곧은근 근활성도는 무릎관절 굽힘 35 ° 안장거리의 발디딤 조건에서 가장 높아졌고, 15 ° 안장거리의 발디딤에서 가장 낮게 나타났다.

현재까지 에르고미터나 사이클링 운동을 실시할 때 안장위치 변화에 따른 신체계측학적 특징이나 운동수행력을 비교한 선행연구를 검토해 보면 연구자에 따라서 상이한 연구결과를 보고하고 있다. Chen 등(2011)은 안장높이 변화가 사이클링 수행 중 페달에 가해지는 힘이나 근육 동원양상에 영향을 미치지 않는다고 주장한 반면에 Diefenthaeler 등(2008)은 안장의 기준위치에서 약 1 ㎝만 높이가 변해도 신체 운동학 및 전기생리학적 사이클링 매개변수에 유의한 변화가 발생한다고 보고하였다. 즉, 에르고미터나 사이클 운동 시 안장 거리나 높이가 변하면 근육이 힘을 만드는 길이가 달라지기 때문에 근력-길이 및 근력-속도 관계와 관절의 운동범위를 변화시키며(Ferrer-Roca 등, 2014), 무릎 및 발목 관절 각도에 영향을 미쳐 근활성도 양상에도 변화를 초래할 수 있다(Bini 등, 2010)

안장높이가 다른 사이클 에르고미터 운동 시 근활성도와 산소소모량을 비교한 Park 등(2006)의 연구에서는 무릎관절이 최대 180 ° 폄 되는 높은 안장높이에서는 다리를 당기는 전략을 활용하여 안쪽 무릎관절 굽힘근과 장딴지근 안쪽 머리부의 근활성도가 증가하는 반면, 안장높이가 상대적으로 낮아지는 무릎관절 120 ° 폄 상태에서는 다리를 미는 전략을 활용하므로 넙다리곧은근, 안쪽 및 가쪽 넓은근의 근활성도가 증가한다고 하였다. 본 연구에서도 리컴번트 에르고미터 운동 시 무릎관절굽힘 각도에 따른 안장거리의 발디딤 조건에 따라 근활성도 차이가 나타났다. 안장거리가 멀어서 무릎관절이 15 ° 굽힘되는 발디딤 조건에서는 넙다리두갈래근과 장딴지근과 같은 굽힘근 근활성도가 높았지만 반대로 안장거리가 가까워서 무릎관절이 35 ° 굽힘되는 발디딤 조건에서는 넙다리곧은근 근활성도가 증가하였다. 이는 무릎관절이 폄되어 안장거리가 긴 경우 굽힘 모멘트가 감소하여 넙다리두갈래근이 활성화되고, 반대로 무릎관절이 굽힘되어 안장거리가 짧은 경우 굽힘 모멘트가 증가하여 넙다리곧은근이 활성화된다는 선행연구 결과와 일치한다.

Kim 등(2014)은 하체에 장애가 없는 41명의 고령자를 대상으로 다리 사이클 에르고미터의 무릎관절 굽힘각도 15 °, 45 °, 70 ° 세 가지 거리 변화에 따른 근활성도 차이를 비교하였다. 연구결과, 에르고미터와 신체 사이의 거리가 증가할수록 몸쪽 근육군(넙다리곧은근 및 넙다리두갈래근) 근활성도가 유의하게 감소하고, 먼쪽 장딴지근의 근활성도가 유의하게 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서도 에르고미터와 안장거리가 증가할수록 넙다리곧은근의 근활성도가 유의하게 감소하는 결과는 선행연구와 일치하였으나 넙다리두갈래근과 장딴지근 근활성도는 오히려 유의하게 증가하는 차이를 보였다. 이는 무릎관절 굽힘 15 ° 상태에서 넙다리곧은근과 넙다리 두갈래근이 수축하며 에르고미터 운동이 주로 무릎관절을 통해 몸쪽 근육을 활성화시키는 특성 때문으로 해석된다. 또한, 신체거리가 감소하여 무릎관절 굽힘 각도가 70 °가 되면 넙다리곧은근과 넙다리두갈래근의 근육 길이가 짧아져 한 바퀴를 회전하는 동안 적절한 수축이 어려워지는데 이에 대한 보상작용으로 발목관절의 가동범위에 영향을 받는 장딴지근이 더 많이 동원되는 것으로 해석할 수 있다(Kasprisin & Grabiner, 2000). 본 연구결과가 Kim 등(2014)의 연구와 일부 차이를 보이는 이유는 선행연구에서는 모든 근육의 근활성도를 60~70 rpm으로 설정하고, 6시 방향에서 한 주기 동안만 측정한 실험방법의 차이 때문으로 생각된다.

Hakansson과 Hull(2005)은 업라이트와 리컴번트 에르고미터 수행 시 페달링 위치가 다리근육 활동과 기능적 역할에 미치는 영향을 조사하였다. 연구결과, 네 가지 근육의 최대 근육활동 평균값 중 안쪽 장딴지근(34 %)의 근활성도가 넙다리곧은근(22 %), 반건양근(26 %), 앞정강근(24 %) 보다 유의하게 높게 나타났다. 본 연구에서는 근육별 근활성도를 통계적으로 비교하지는 않았지만 자연스러운 발목관절 페달링 기법을 적용한 리컴번트 에르고미터 수행 중 무릎관절 굽힘 15 °, 25 °, 35 ° 세가지 안장거리의 발디딤 조건 모두에서 장딴지근의 근활성도가 가장 높게 나타났다.

그러나 Cannon 등(2007)은 훈련된 사이클 선수를 대상으로 한 연구에서 발목관절 발바닥굽힘 페달링은 근활성도와 기계적 효율성에 변화가 없었으며 발등굽힘을 강조한 페달링 기법은 가쪽 장딴지근의 근활성도를 유의하게 증가시키지만 불필요한 근피로를 초래하고 기계적 효율성을 감소시킨다고 보고하였다. 이는 페달링 기법이 페달에 가해지는 힘의 방향과 크기를 최적화하여 기계적 효율성은 증가시킬 수 있지만 산소소비량과 에너지 소모를 포함한 전반적인 신체 효율성을 감소시킬 수 있음을 시사하는 Korff 등(2007)의 연구결과와 일치한다. 따라서 리컴번트 에르고미터 수행 시 발목관절의 페달링 기법은 연구대상자의 목표와 신체 조건을 고려하여 신중하게 접근해야 한다.

반면 장딴지근과 같은 발목관절 근육임에도 앞정강근 근활성도는 에르고미터와 신체거리 및 안장거리에 따른 유의한 차이가 나타나지 않았다. 이는 사이클과 리컴번트 에르고미터 모두 양쪽 다리를 상호교대적으로 움직이는 운동이며 주로 발바닥으로 페달을 밀어내는 힘을 사용하기 때문으로 해석된다. 이러한 연구결과를 바탕으로 사이클과 리컴번트 에르고미터 모두 안장거리가 길어질수록 무릎관절의 근활성이 더욱 요구되며 반대로 안장거리가 짧아질수록 발목관절 근육이 선택적으로 더 많이 활성화된다고 판단된다.

본 연구에서는 건강한 성인이 리컴번트 에르고미터를 수행하는 동안 무릎관절 굽힘 10 ° 간격의 안장거리의 발디딤 위치 변화가 다리의 근육의 길이와 근력 관계에 영향을 미쳐 힘을 생성하는 근활성도에서 유의한 차이를 보였다. 사이클 에르고미터 운동이 신체기능이 저하된 노인의 근력 감소 예방 및 삶의 질 향상에 다양하게 기여할 수 있음은 다양한 연구에서 입증되었다. Shu 등(2017)은 무릎관절 치환술(total knee arthroplasty; TKA)을 받은 노인 환자에게 리컴번트 에르고미터를 이용한 편심-동심(eccentric-concentric) 저항운동이 동심(concentric) 저항운동 보다 근력 회복과 균형, 보행능력 향상에 더욱 효과적이라고 보고하였다.

Bouaziz 등(2015)의 연구에서는 70세 이상의 노인을 대상으로 사이클 에르고미터 훈련이 심혈관 건강, 근육 뼈대계 기능 및 대사반응, 정신 및 인지기능 등 다양한 건강상 이점을 제공한다고 하였다. 한편 Herda 등(2014)은 리컴번트 발디딤 최대하 운동검사(recumbent stepper submaximal exercise test; RST)가 노인의 심폐 건강을 예측하는 최대 산소섭취량(VO₂ peak) 평가에 유효함을 검증하였다. 이는 기존의 최대 운동부하검사(cardiopulmonary exercise test; CPET) 보다 심혈관 부담이 적고, 근력이 약한 노인도 안전하고 편안하게 수행할 수 있어 신뢰할 수 있는 평가방법으로 활용될 수 있다. 이와 같이 리컴번트 에르고미터는 낮은 관절 부담과 높은 지속 가능성을 갖추고 있어 젊은 성인은 물론 노인 및 환자의 근력과 보행능력 회복을 위한 운동 및 평가방법으로 임상과 재활 환경에서 다양하고 유용하게 활용될 수 있다.

Moura 등(2017)은 12명의 사이클 선수를 대상으로 기 준위치(두덩뼈 대칭에서 지면까지의 거리) 대비 2.5 % 높거나 낮은 안장높이에서 윙게이트 테스트(Wingate test)를 수행하며 무산소성 성능과 근육 활동을 분석하였다. 연구결과, 전반적으로 높은 안장위치(페달이 6시 위치에서 무릎관절 25 ° 굽힘)에서 근활성도가 증가하였으며 특히, 추진력을 담당하는 가쪽넓은근과 넙다리곧은근의 참여율이 가장 높았다. Hug와 Dorel(2009)은 가쪽넓은근이 주로 페달링 추진 단계(0 °~180 °)에서 주로 힘을 생성하는 단관절 근육인 반면, 넙다리곧은근은 추진 및 회복 단계(180 °~360 °) 모두에서 힘을 전달하는 이관절 근육이므로 안장길이 조정만으로도 근활성 양상과 추진력에 영향을 미칠 수 있다고 하였다. 본 연구에서도 넙다리두갈래근과 장딴지근은 안장거리가 긴 무릎관절 15° 굽힘의 발디딤 조건에서 높은 근활성도를 보였으며 이는 선행연구와 일치하는 결과이다. 그러나 넙다리곧은근은 안장거리가 가까운 무릎관절 굽힘 35 ° 굽힘의 발디딤 조건에서 가장 높은 근활성도를 보여 선행연구와 차이를 보였다. 이는 리컴번트 에르고미트 보다 사이클의 안장높이가 상대적으로 높기 때문에 페달링 중 몸통의 안정성과 균형 유지가 다리 움직임과 근활성도에 직접적인 영향을 미쳤기 때문으로 해석된다. 또한, 선행연구는 단기간에 에너지를 집중적으로 사용하는 고강도 운동(Wingate test)을 적용한 반면, 본 연구서에서는 일반적인 유산소 운동과 유사한 저강도 운동을 지속적으로 수행하였으므로 운동강도의 차이가 다리근육의 동원방법의 차이를 초래했을 것으로 예측된다.

선행연구에 따르면 사이클의 좌석 튜브각도와 다리관절 각도가 다르면 다리의 운동학과 근활성도가 달라질 수 있으며(Chen 등, 2015), 안장높이가 변화하면 라이더의 자세와 무릎관절 각도도 바뀌므로 근력과 근수축 속도에 영향을 줄 수 있다(Reiser 등. 2002; Savelberg 등, 2003). Duggan 등(2017)은 사이클 선수를 대상으로 에르고미터 사이클링에서 세 가지 좌석 튜브각도(72 °, 76 °, 80 ° 등)와 운동강도(저강도, 중강도, 고강도)가 근육활동 양상에 미치는 영향을 연구하였다. 연구결과, 좌석 튜브 각도 변화에 따라 페달링 시 가쪽 및 안쪽 넓은근, 넙다리곧은근 근활성이 유의한 차이를 보였으며, 운동강도가 증가할수록 더 많은 다리근육이 동원되며 강한 활동이 나타났다. 또한, 다른 연구에서도 좌석 튜브각도 변화가 다리근육 활성화 양상에 영향을 미쳐 에르고미터 사이클링의 효율성을 증대시킬 수 있다고 하였다(Garside & Doran, 2000; Rankin & Neptune, 2010).

Peveler과 Green(2011)은 세 가지 안장 높이(25 ° 및 35° 무릎각도, 두덩뼈 결합부 높이의 109 %)가 윙게이트 테스트 동안의 움직임 경제성과 수행력에 미치는 영향에 관한 연구에서 높은 안장위치에서 두덩뼈 결합부 높이의 109 % 보다 더 높은 근력을 생성한다고 보고하였다. 따라서 신체와 에르고미터 사이의 안장 위치나 거리 조정은 다리 근육의 힘-길이 관계를 변화시키며 이는 근육의 동원양상과 근력의 생성 능력에 영향을 줄 수 있다는 점에서 유사한 결과로 볼 수 있다.

본 연구의 결론을 내리기 전에 다음과 같은 연구방법론적 제한점을 고려해야 한다. 첫째, 리컴번트 에르고미터 수행 중 안장거리의 차이가 다리의 관절각도 변화에 영향을 미쳤을 것으로 예상되지만 본 연구에서는 관절 운동학 자료를 수집하지 않았다. 이러한 자료를 수집했다면 보다 정밀하고 유용한 근활성도 분석이 가능했을 것이다. 둘째, 본 연구는 넙다리곧은근, 넙다리두갈래근, 앞정강근, 장딴지근의 4개 근육만 분석하였으나 실제 에르고미터 운동 시 더 많은 다리 근육이 관여한다. 향후 연구에서는 근육의 신체 위치 때문에 근활성도 측정이 어려운 근육을 제외한 큰볼기근, 반막모양근, 반힘줄모양근, 가자미근 등 에르고미터 페달링에 중요한 역할을 하는 근육들을 포함하는 것이 바람직하다. 마지막으로 이번 연구는 건강한 성인 중에서 남성만을 연구대상으로 수행하였다. 따라서 향후 연구에서는 근전도 활동의 시기와 크기를 반영하여 노인 및 신경학적 장애가 있는 사람들을 포함한 다양한 연령대와 성별을 고려한 연구가 필요할 것이다.

현재까지의 연구결과를 종합하면 리컴번트 에르고미터 운동에서 앞정강근은 안장거리에 따른 유의한 차이를 보이지 않았지만, 안장거리가 길어지는 무릎관절 15° 굽힘 발디딤 조건에서는 넙다리두갈래근과 장딴지근 근활성도가 유의하게 증가했으며, 안장거리가 짧아지는 무릎관절 35 ° 굽힘 발디딤 조건에서는 넙다리곧은근 근활성도가 유의하게 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 향후 임상현장에서 리컴번트 에르고미터 운동을 수행할 때 연구대상자의 신체계측학적 상태와 개별 목표에 맞는 무릎관절 굽힘 발디딤 조건에 따른 안장거리 설정을 고려하는 것이 중요하며 이를 통해 다리근육의 선택적 근력 강화와 효율적인 운동 수행을 제공할 수 있다.

Ⅴ. 결론

본 연구는 건강한 성인을 대상으로 무릎관절 15 °, 25°, 35 ° 굽힘 안장거리에 따른 세 가지 발디딤 조건에서 리컴번트 에르고미터 운동을 수행할 때 다리근육 근활성도의 유의한 차이를 확인하였다. 연구결과, 리컴번트 에르고미터 운동 시 넙다리곧은근과 넙다리두갈래근의 근활성도는 무릎관절 굽힘 15 °와 25 °에서는 차이가 없었지만, 무릎관절 굽힘 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 안장거리의 발디딤 조건 사이에는 유의한 차이가 있었다. 또한, 앞정강근 근활성도는 세 가지 발디딤 조건에서 유의한 차이가 없었지만, 장딴지근 근활성도는 무릎관절 굽힘 15 °와 25 °, 15 °와 35 °, 25 °와 35 ° 모든 안장거리의 발디딤 조건에서 유의한 차이를 나타냈다.

본 연구를 통해 리컴번트 에르고미터 운동에서 안장거리의 발디딤 조건의 변화가 다리근육 활성도에 미치는 영향을 확인했으며, 특히 안장거리가 길어지는 무릎 관절 15 ° 굽힘 발디딤 조건에서는 넙다리두갈래근과 장딴지근 근활성도가 증가하고, 안장거리가 짧아지는 무릎 관절 35 ° 굽힘 발디딤 조건에서는 넙다리곧은근 근활성도가 증가한다고 결론을 내렸다. 그러므로 리컴번트 에르고미터 운동을 실시할 때 신체계측학적 상태와 개별 목표에 맞는 무릎관절 굽힘 안장거리의 발디딤 조건 설정이 필요하며 이는 근력 강화와 운동수행력 향상에 중요한 영향을 미칠 수 있다.