Introduction
무릎 손상과 통증은 근골격계 손상 중 가장 흔하며 활동적인 젊은 사람들에게 자주 발생한다고 알려져 있다[1,2]. 무릎 통증의 대표 증상인 ‘무릎넙다리 통증(patellofemoral pain)’은 전방 무릎 통증이 특징이며 무릎 관절의 스트레스가 증가할 때 악화된다[3]. 통증은 비정상적인 움직임의 결과를 가져오며 잘못된 움직임은 근골격계 손상 또는 질환으로 연결된다[1]. 관절에 손상이 발생하면 고유수용감각의 저하를 초래할 수 있고 고유수용감각의 저하는 관절의 불안정성을 증가시켜 재부상을 입을 확률이 더욱 증가할 수 있다[4].
고유수용감각은 신체의 움직임과 관절의 안정성, 자세 등을 제어하는 감각 운동 제어에 포함되며 관절의 위치나 힘, 움직임에 대한 인식을 포함한다[5]. 신체 움직임의 조절을 잘 하기 위해서는 고유수용감각을 결정하는 고유수용체들로부터 손상되지 않은 정보의 전달과 통합이 중요하며[6], 이를 통한 근신경제어의 적절한 기능은 신체의 안정성을 증가시킨다[7]. 그러나 통증이 발생하게 되면 고유수용감각의 정보가 감소되거나 중단될 수 있으며 결과적으로 통증으로 인해 근신경제어의 기능이 저하된다[6]. 또한 통증으로 인한 근신경제어의 문제는 통증이 사라짐에 따라 자연스럽게 회복되지 않으며[8], 이는 정상 기능 회복을 위한 프로그램이 필요함을 시사한다.
바이오피드백은 신경계에 대한 피드백을 보완해 신체 움직임과 자세 능력 향상에 도움을 주며[9], 부상 후 정상적인 움직임 패턴을 회복하고 근신경제어 능력을 회복하기 위해 사용되고 있다[10]. 최근에는 통증의 감소와 기능을 회복하는 데 효과적인 운동 방법으로 재활 현장에서 바이오피드백을 사용하는 사례가 늘어나고 있다[11-14]. 바이오피드백은 근전도, 관성센서, 압력 장비 등의 도구를 사용하여 생체 정보를 실시간으로 확인할 수 있는 방법으로 올바른 움직임 회복을 위한 운동에 사용되고 있다[10]. 그 중 근전도 장비는 근활성도를 실시간으로 모니터링할 수 있고 사용법이 간단하여 바이오피드백 훈련 도구로서 활용도가 높은 장비이다[15]. 특히 무릎 관절에서는 넙다리네갈래근 중 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 근활성도를 확인하는 용도로 많이 사용된다[11,16,17]. 넙다리네갈래근 중 안쪽넓은근의 근 활성 저하는 무릎뼈의 내측 당김 감소로 인한 비정상적인 움직임을 일으키며 결과적으로 무릎 통증을 초래한다고 알려져 있다[18]. 무릎 통증이 발생한 경우 제대로 된 관리가 되지 않았을 때 잘못된 움직임으로 인한 신체의 부정렬을 초래할 수 있으며 만성 통증으로 이어질 수 있어 올바른 움직임을 위한 운동이 중요하다. 따라서 안쪽넓은근의 근 활성도를 증가시키는 것이 중요하다[19,20].
선행연구에서는 근전도 바이오피드백을 적용한 등척성 운동이 무릎넙다리 통증증후군 환자의 근력을 증가시키고 통증감소에 긍정적인 영향을 미친다고 보고하였다[21]. 또한, 8주간의 근전도 바이오피드백을 사용한 등척성 훈련은 무릎 골관절염 환자의 통증 감소에 효과적임을 보고하였다[14]. 그러나, 대부분의 근전도 바이오피드백 연구는 근활성도 및 근력의 증가, 고유수용감각의 개선에 대한 중장기 중재의 효과를 보고하고 있다. 따라서, 그 효과가 반복적인 훈련 또는 근력의 개선에 의한 것인지 근신경제어 능력의 개선에 의한 것인지는 불분명하다. 실재로, 근신경제어 훈련이 포함되지 않은 근력훈련, 스트레칭, 및 관절가동범위 훈련을 통합한 프로그램에서도 고유수용감각의 유의한 개선을 나타내었다[13]. 또한, 근전도를 활용한 바이오피드백을 통해 안쪽넓은근의 근 활성도가 증가되었을 때 고유수용감각의 능력까지 회복시키는지는 근거가 부족한 것이 실정이다.
일회성 근전도 바이오피드백을 통한 훈련의 급성 효과(acute effect) 검증은 고유수용감각과 통증의 개선을 위한 운동 프로그램 개발과 메커니즘을 이해하는데 있어 도움을 줄 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 무릎넙다리 통증이 있는 성인을 대상으로 넙다리네갈래근에 근전도 바이오 피드백 훈련을 일회성으로 실시하여 무릎 관절의 관절위치 감각과 통증에 미치는 급성 효과를 구명하는 것을 목적으로 하였다.
Methods
Study design and intervention
본 연구는 근전도 바이오피드백 훈련군(n=15)과 대조군(n=14)으로 대상자를 무작위 배정하여 실험을 진행하였다<Figure 1>. 두 그룹 모두 사전 측정 및 사후 측정을 진행하였으며, 근전도 바이오피드백 훈련군은 중재를 시행 후 사후 측정을 진행하였다. 학습효과로 인한 검사의 영향을 최소화하기 위해 사전 측정 후 최소 1주일(washout period) 이상의 간격을 두고 사후 측정을 진행하였다[23,24].
본 연구에 사용된 근전도 바이오피드백 훈련 프로그램은 넙다리네갈래근의 안쪽넓은근과 가쪽넓은근 중 안쪽넓은근의 근 활성도를 더 증가시키는 것을 목표로 진행되었다[11,25]. <Figure 2>는 중재를 위한 근전도의 시각적 바이오 피드백 그래프(A, B) 및 근전도 부착위치(C)를 제시하고 있다. 중재군의 대상자는 근 활성도 그래프를 확인하며 실시간으로 바이오피드백을 받으며 훈련을 진행하였다. 훈련은 Biodex 장비를 이용하여 대상자의 무릎을 신전 45°각도에 고정한 후, 근전도를 안쪽 및 가쪽넓은근에 부착하여 최대 힘으로 등척성 수축을 하도록 진행하였다. 운동의 구성은 넙다리네갈래근의 최대 힘 수축 5초 후 15초 휴식으로 설정하여 5회 반복을 1세트로 구성하였으며, 총 5세트를 진행하였다[25]. 대조군은 어떠한 중재도 진행하지 않았으며 연구 참여 기간동안 연구결과에 영향을 줄 수 있는 신체활동에 참여하는 것을 제한하도록 요청하였다.
본 연구는 모든 절차 및 방법에 대하여 한국해양대학교 생명윤리위원회(KMOU-IRB 2022-02)의 승인을 받은 후 수행되었다.
Measurements
관절위치감각은 관절에 대한 위치를 인지하는 기능으로 관절의 각도를 재현할 수 있는 능력으로 평가할 수 있다. 측정은 관절위치감각 측정과 무릎 통증 시각 상사 척도 검사를 실시하였다. 관절위치감각은 등속성 동력계 Biodex System 3 (Biodex Medical Systems, New York, USA)을 사용하여 시작위치를 무릎 굴곡 90°로 설정한 후 이를 0°로 기준하였으며, 목표 위치를 각각 30°, 45°, 60° 무릎 신전각으로 설정하였다[26-28]. 모든 검사는 목표 각도를 1회 연습 후 재현하도록 하였으며, 목표 각도에 대한 오차 값을 통해 감각 기능을 평가하였다[28]. 시각적 정보를 차단하기 위해 눈을 가리고 측정을 진행하였으며[29], 각도 당 3번 측정을 진행하여 평균을 산출하였다. 무릎 통증 시각 상사 척도 검사는 0~10점 Numerical Rating Scale(NRS)을 사용하여 평가하였다. 대상자는 쪼그려 앉기 시의 무릎 통증 정도에 대해 0부터 10까지의 숫자를 선택하였으며 0은 ‘통증 없음’, 10은 ‘매우 심한 통증’을 의미한다.
근 활성도는 표면 근전도 장비인 2EM (4D-MT, Relive, Gimhae, Korea)을 사용하였으며[30], 전극은 안쪽넓은근과 가쪽넓은근에 부착하였고 기준 전극은 경골조면에 부착하였다. 측정은 최대 등척성 수축(maximum voluntary isometric contraction; MVIC)을 진행하였으며, 근전도 신호는 측정 동안 처음과 마지막 1초를 제외한 실효값(root mean square)을 평균하여 처리하였다. 최대 등척성 수축은 대상자의 발이 지면에 닿지 않도록 앉게 한 후 무릎 신전 45°각도에서 5 초간 측정하였으며, 총 3회 측정하였다.
Statistical Analysis
연구 대상자의 신체적 특성, 관절위치감각 및 무릎 통증 시각 상사 척도는 평균과 표준편차(SD)를 산출하여 나타냈다. 대상자의 신체적 특성은 Kolmogorov-Smirnov의 정규성 검정결과 정규분포를 따르므로, 독립표본 t-test를 이용하여 비교 분석하였다.
중재에 따른 관절위치감각 및 무릎 통증 시각 상사 척도의 시기에 대한 효과, 그룹에 대한 효과 및 시기와 그룹에 대한 상호작용을 검증하기 위하여 반복 측정 이원 분산분석(two-way repeated ANOVA)을 실시하였다. 각 그룹의 사전 및 사후 측정 시기에 따라 유의한 차이가 나타날 경우 대응 표본 t-test를 실시하였으며, 그룹 간 상호작용의 차이가 나타날 경우 독립 표본 t-test를 실시하였다. 연구의 자료처리는 IBM SPSS Statistics 21.0 (IBM Corporation, Armonk, NY, USA) 프로그램을 이용하였으며, 모든 통계적 유의수준은 ɑ=.05로 설정하였다.
Results
무릎 관절의 관절위치감각 평가의 결과는 <Table 2>에 제시하였다. 모든 각도에서 그룹 간 유의한 차이는 나타나지 않았지만 45°각도에서는 근전도 바이오피드백 훈련군이 사전 및 사후 측정 시기간 사전 3.76±2.33°에서 사후 2.11±1.85°로 유의하게 감소하였으며 시기와 그룹간 유의한 상호작용 효과도 관찰되었다(p=.028). 반면, 30°각도와 60° 각도에서는 시기에 따른 변화와 상호작용 분석 모두 통계적 유의성이 관찰되지 않았다.
무릎 통증 시각 상사 척도 평가의 결과는 <Table 3>에 제시하였다. 근전도 바이오피드백 훈련군에서 사전 및 사후 측정 시기간 사전 3.87±2.20에서 2.00±1.46로 유의하게 감소하였으며(p=.001), 사후 측정 결과 근전도 바이오피드백 훈련군이 2.00±1.46, 대조군이 3.29±1.38로 그룹간에도 유의한 차이가 나타났다(p=.022).
무릎 관절 신전 45° 각도에서 등척성 신전 힘을 가했을 때 안쪽넓은근과 가쪽넓은근의 근 활성도 측정 결과는 <Figure 3>에 제시하였다. 사전-사후 측정 결과 근전도 바이오 피드백 훈련군의 안쪽넓은근의 근 활성도가 사전 57.84±38.97μV에서 사후 88.44±58.46μV로(p=.047), 가쪽넓은근의 근 활성도가 사전 53.01±30.53μV에서 사후 64.97±33.67μV로(p=.023) 유의하게 증가하였다. 사후 측정 결과에서 근전도 바이오 피드백 훈련군(88.44±58.46μV)이 대조군(49.83±30.71μV)에 비해 안쪽넓은근의 근 활성도가 유의하게 높게 나타났다(p=.036).
Discussion
본 연구에서는 무릎넙다리 통증이 있는 성인을 대상으로 넙다리네갈래근에 일회성 근전도 바이오피드백 훈련을 실시하여 무릎 관절의 관절위치감각과 통증에 미치는 급성 효과를 분석하였다.
바이오피드백은 신경계에 대한 피드백을 보완해 신체 움직임과 자세 능력 향상에 도움을 주며[9], 부상 후 정상적인 움직임 패턴을 회복하고 근신경제어 능력을 회복하기 위해 사용되고 있다[10]. 이는 바이오피드백 시스템이 고유수용체에 의해 받은 감각 정보를 다른 감각 정보와 통합하는 고유수용감각과 밀접한 관련이 있음을 시사한다.
실제로, 무릎넙다리 통증증후군을 가진 성인 남성 운동 선수 60명을 대상으로 실시한 무선배정 임상시험에서는 근전도 바이오피드백을 이용한 등척성 운동이 통증감소 및 근력증가에 영향을 준다고 보고하였다[21]. 또한, 무릎 골관절염 환자를 대상으로 한 Choi et al.,의 연구에서는 8주간의 근전도 바이오피드백을 사용한 등척성 훈련이 안쪽넓은근의 두께를 증가시키고 대퇴사두근의 최대 자발적 등척성 수축력을 증가시키며, 통증도 감소된다는 결과가 나타났다[14]. 운동과 EMG 바이오 피드백이 고유수용감각에 미치는 효과를 검증한 다른 선행연구에서는 근력운동과 EMG바이오 피드백의 결합이 기존의 물리치료(근력운동+유연성 운동+관절가동범위 운동) 보다 고유수용감각의 개선에 더 효과적이다고 보고하였다[13]. 이처럼 다양한 바이오피드백 제공은 근신경제어 능력을 향상시키고 통증 개선에 효과적이며, 고유수용감각의 개선에도 도움이 될 수 있다.
그러나, 근전도 바이오피드백 훈련의 효과를 검증한 연구는 대부분이 8-10주간의 장기간 훈련을 시행한 결과였으며[13,14,21], 이 외에는 근전도 바이오피드백 훈련이 관절 위치감각에 미치는 영향을 조사한 연구가 없어 효과를 명확하게 알 수 없었다[13]. 선행 연구와 본 연구의 결과를 종합하면 근전도 바이오피드백 훈련은 일회성의 중재보다는 장기간의 중재로 적용하는 것이 더욱 효과적일 것이라고 생각된다. 반면, 근전도 바이오피드백 훈련의 표준화된 프로그램 개발과 효과의 메커니즘 등을 이해하기 위해서는 일회성 운동에 따른 고유수용감각의 반응과 효과의 지속성 등 다양한 연구가 시도되어야 할 것이다. 따라서 추후에는 근전도 바이오피드백 훈련의 중·장기적인 효과를 검증할 필요가 있으며, 관절위치감각에 영향을 미치는 최소 기간에 대한 연구도 이루어져야 할 것이다.
본 연구에서 무릎 관절위치감각 45°에서는 시기간 및 시기와 그룹 간 상호작용의 유의한 차이가 나타났지만 30°와 60°에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 이는 중재에 설정된 무릎 신전 45° 각도에 대한 학습 효과에 의한 것일 수 있다. 고유수용감각은 관절, 피부, 근육, 건 등에 분포되어 있는 고유수용체들에 의해 조절된다[31,32]. 고유수용체는 같은 구조물이라도 다양하게 분포되어 있고 밀도도 다양하며, 자극되는 구조물에 따라 고유수용체를 통해 전달되는 신경의 경로가 모두 다르다[33]. 고유수용감각을 결정하는데 중요한 역할을 하는 근방추는 흔히 신장 반사의 수용체로 알려져 있지만 의식적으로 사지의 위치를 판단하는 데 사용되는 근육의 길이에 대한 정보를 주고 유지하는 역할 또한 담당한다[34]. 이러한 고유수용체로부터 사지 위치에 대한 정보를 경험한 경우, 같은 움직임을 더욱 정확하게 조정할 수 있으며 이는 관절위치감각이 운동 학습에 영향을 받음을 의미한다[35]. 마찬가지로 본 연구에서 중재를 진행하는 약 30분의 시간 동안 대상자는 무릎 신전 45° 각도에서 훈련을 반복하였고, 동일한 각도인 관절위치감각 45°에서 변화가 특이적으로 나타났을 것이라고 생각된다. 따라서 추후 중재 시에는 무릎 각도를 다양하고 무작위적으로 설정하여 관절위치감각의 효과를 더욱 명확하게 알아볼 필요가 있을 것이다.
무릎넙다리 통증이 있는 대상자들에게 근전도 바이오피드백 훈련 프로그램 적용에 따른 통증의 변화를 평가하였을 때 시기간 및 시기와 그룹 간 상호작용 효과에 유의한 차이가 나타났다. 신체의 움직임은 뇌에서 신경 경로를 통해 근육으로 전달되어 나타나며, 이것을 올바른 방향 및 패턴으로 전달하는 것은 근신경제어의 역할이다[6]. 본 연구에서 실시한 근전도 바이오피드백 훈련은 근신경제어 훈련이라고 할 수 있으며, 근신경제어는 근육과 감각 시스템 간의 적절한 반응을 통해 신체 분절의 정렬 유지와 능동적인 움직임을 수행할 수 있는 능력이다[36]. 그러나 근골격계 통증을 경험하는 사람들은 복잡한 운동 반응을 보이며 특히 관절의 안정성과 통제 유지와 관련된 근육의 능력에 영향을 미친다[8]. 실제로 선행연구에서 무릎 통증이 발생했을 때 안쪽 및 가쪽넓은근에 영향을 미치며 근 활성 비율, 근 활성 타이밍 등 근신경제어 능력의 저하가 나타나는 것이 밝혀졌다[11,37,38]. 통증은 고유수용감각 정보에 오류를 발생시키며, 이는 곧 근신경제어 능력에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다[6].
선행연구에서 요통 환자에게 근신경제어 훈련을 적용하여 통증 및 기능장애의 변화를 확인한 10편의 연구를 메타분석한 결과 근신경제어 훈련은 통증 및 기능장애 개선에 긍정적인 영향을 준다고 밝혔다[39]. 또한 압력 바이오 피드백 장비를 활용한 목의 깊은층 근육의 근신경제어 훈련은 목 통증 환자의 통증 및 장애를 개선하는 데 효과적이다[12]. 따라서 통증과 근신경제어 능력은 밀접한 연관성이 있으며, 근신경제어 훈련을 통한 올바른 움직임 패턴으로의 회복은 통증을 개선시킬 수 있음을 시사한다. 따라서 통증으로 인해 감소된 근신경제어 능력은 일회성의 근전도 바이오피드백 훈련만으로도 즉각적으로 근 활성도와 통증을 개선에 도움이 될 수 있을 것이다.
본 연구의 강점과 제한점은 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 무작위 배정 연구로 설계하여 근전도 바이오피드백의 효과를 검증하였으며, 연구자나 참여자의 의도에 의해 나타날 수 있는 바이어스(bias)를 통제하였다. 둘째, 본 연구에서는 고유수용감각의 정확한 측정을 위해 Biodex 장비를 이용하여 관절위치감각, 힘감각을 측정하였다. 관절위치감각 및 힘감각의 측정 도구로 전자 각도계나 도수근력 장비 등 간편하고 저렴한 장비를 사용할 수 있다. 그러나 이러한 장비에 비해 등속성 근력계는 측정하고자 하는 관절을 제외한 나머지 신체를 고정하는 등 실험 환경에서 추가될 수 있는 여러 변수들을 제어하여 더욱 정확한 측정 결과를 나타낼 수 있다. 반면, 본 연구의 대상자는 무릎 통증을 가진 성인 29명이었으며, 연구 참여 조건은 지속적 또는 간헐적 통증이 있거나, 무릎넙다리 통증 증후군 증상 중 2가지 이상을 경험한 경우였다. 그러나 통증의 수치 및 고유수용감각 민감도에 대한 사전 조건을 제시하지 않았다. 본 연구의 대상자들은 무릎 통증에 대한 NRS, 관절위치감각 및 힘감각의 오차 수준이 선행연구보다 낮은 대상자들로 구성되었다. 따라서, 향후 고유수용감각의 민감도가 일정 수준 저하된 무릎넙다리 통증 증후군 환자를 대상으로 연구를 수행할 필요가 있을 것이다.
Conclusions
본 연구에서는 무릎넙다리 통증이 있는 성인을 대상으로 넙다리네갈래근에 일회성의 근전도 바이오피드백 훈련 시 무릎 관절의 관절위치감각 및 통증에 미치는 효과를 살펴보았다. 근전도 바이오피드백 훈련은 무릎넙다리 통증이 있는 사람들에게 일회성 적용만으로도 통증 개선에 효과적이지만 관절위치감각으로 평가한 고유수용감각의 개선에는 그 효과가 제한적인 것으로 판단된다. 본 연구 결과와 함께 추후에는 중재의 빈도 및 기간에 따른 추가적인 연구를 통해 근전도 바이오피드백 훈련이 재활 및 기능 향상에 효과적인 운동 프로그램으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
XML Download
Full text via DOI
Download Citation
Print
