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Archives of Orthopedic and Sports Physical Therapy Vol.13 No.2 pp.47-53
DOI : https://doi.org/10.24332/aospt.2017.13.2.06

Effects of Integrated Treatment with LED and Microcurrent on Performance and Fatigue in the Calf Muscle and Performance during Moderate Aerobic Exercise

Sangwan Han1*
1Dept. of Physical Therapy, Gwangju Health University
교신저자: (광주보건대학교) rpthan@hanmail.net
November 21, 2017 November 27, 2017 November 29, 2017

Abstract

The purpose of this study was to investigate the treatment effect of LED and microcurrent therapy on gastrocnemius muscle performance and activity and fatigue in the gastrocnemius muscle during moderate aerobic exercise.

This study included 20 students of G university, and the subjects were randomized into a control group (n=10) and an experimental group (n=10). Both groups walked on a treadmill for 30 minutes with a set speed of 5 km/hr with a 10% incline. Participants in the experience group used a treatment device combining LED and microcurrent therapy attached to the gastrocnemius muscle of the main shaft leg, while the control group performed the same exercise without any intervention. One-leg vertical jump and surface electromyography were performed with BTS FREE EMG 300 to measure muscle activity and muscle fatigue. Data were analyzed using SPSS 21.0, and repeated measures analysis of variance was performed to determine the significance between the two groups. The statistical significance was determined at α = .05.

There was a significant decrease in the one-leg vertical jump in the control group, whereas the experimental group showed a slight increase. There was no significant difference in gastrocnemius muscle activity between the groups; however, both groups showed an increase in muscle activity. There were significant differences between the two groups in muscle fatigue. Additionally, there was a significant difference in the test time between the pre- and post-test results between the groups; however, there was a significant difference between pre- and post-test results.

This treatment may improve comfort in daily life by applying this device to areas of the body that sustain a heavy workload.


중등도 운동을 실시할 때 LED와 미세전류치료를 결합한 치료가 운동수행과 장딴지근육의 활성도 및 피로에 미치는 영향

한 상완1*
1광주보건대학교

초록


    Defense Agency for Technology and Quality

    Ⅰ.서 론

    반복되는 훈련과 장거리 보행은 하지 근육의 피로가 발생하는 원인이 된다. 고강도 유산소운동을 하는 동 안, 에너지 공급이 제한되거나 또는 근육 내 대사물질 의 농도가 증가해서 근육 피로가 발생하며, 근력과 파 워를 감소시킨다(Gandevia, 2001). 장시간 보행할 때 하지 근육의 피로는 증가하며, 행군과 같이 오랜 시간 동안의 보행이나 달리기와 같이 반복적인 사용은 근육 의 피로를 발생시키고 운동수행능력을 저하시켜 부상 을 유발시키는 중요한 요인이다(Elliot, Ackland, 1981). 근피로의 원인으로 인해 근육의 충격흡수 기능을 감소 시키고 뼈에 가해지는 부하가 증가하게 된다(Mizrahi, Verbitsky, Isakov, 2001). 이러한 이유로 장거리 육상 선수와 군인들의 장거리 행군이나 훈련 중 피로골절과 건염과 같은 근골격계 부상이 발생하는 것으로 보고되 었다(Milgrom, 2001; Charles et al, 2007).

    걷는 동안 장딴지근육은 지속적으로 수축함으로써 기저면의 질량중심점을 유지해주는 역할을 하며, 다양 한 하지 운동 수행 시 신체 및 움직임의 안정성을 유지 할 수 있도록 충분한 근력을 만들어 주는 역할을 하게 된다(염창흥 & 김태현 2012). 장딴지근의 손상 방지나 근 피로 회복은 보행개선 및 일상생활 개선에 필수적 인 요소이다(조재진 등, 2017).

    미세전류치료는 마이크로 암페어(㎂)의 전류를 이용 하여 근육 손상을 부작용 없이 치료할 수 있으며, 작고 휴대 가능한 치료기로 개발되고 있다(Curtis 등, 2010). 유재영 & 정진규(2014)는 500㎂의 미세전류가 손상된 근육의 복원과 치유를 촉진 시켜 보행개선에 효과를 보였다. 조재진 등(2017)은 미세전류치료는 근긴장도 를 완화하며 근육의 생리학적 회복의 이점을 가지고 있으며, Curtis et al (2010)은 건강한 성인 35명을 대상 으로 편심성 운동(eccentric exercise) 후 발생한 지연 성 근육통(delayed onset muscle soreness DOMS)을 20 분 동안 미세전류치료를 적용했을 때 통증이 감소되었 다. 조남정 & 송승혁(2014)은 위팔두갈래근에 미세전 류 60㎂, 3Hz로 15분간 통전했을 때 젖산물질인 크레 아킨키나제 수치 감소가 유의하게 나타났으며, 강다행 (2013)은 척추세움근의 근피로회복에 휴식보다 미세전 류치료를 적용했을 때 근피로 회복에 효과적이며, McMakin(2004)은 만성적인 허리 근막통증후군의 통 증완화를 위하여 100㎂의 미세전류치료가 효과가 있 음을 보고하였다.

    최근에 근육의 피로를 감소시키기 위해 저용량 레이 저(low-level laser therapy (LLLT)) 또는 광선의학 또 는 광생물 변조(photobiomodulation)를 이용한 치료가 보고되고 있다. 저용량 레이저 치료는 레이저 광선 치 료(laser light therapy;LLT)와 유기발광 다이오드를 이용한 치료(Light-Emitting Diodes Therapy; 이하 LEDT)로 분류할 수 있다. 저용량 레이저와 유기발광 다이오드 치료의 차이는 파장의 다양한 패턴으로 인해 전력 출력과 침투 깊이의 차이가 있다(Ferraresi, Hamblin, Parizootto, 2012). LEDT의 장점은 기존 레이 저치료는 작은 소자를 여러 개 모아 광원으로 쓰는 ‘점 광원(Point Light Source)’형태로, 동일한 빛 양을 전달 하기 위해서 피부 또는 근육 부위에서 떨어진 상태에 서 치료를 실시하기 때문에 레이저 출력을 높이는 방 식을 이용했다. 반면에 LEDT는 ‘면광원(Surface Light Source)’으로 출력과 부피를 최소화시켜 피부 또는 근 육에 밀착시켜 치료기를 소형화 시켜 활동 또는 운동 하는 동안에도 치료를 실시할 수 있는 장점이 있다. Baroni 등(2013)은 LEDT가 근육의 피로와 손상을 감소 시켜다는 보고를 하였다. 이와 같이 LEDT를 이용한 근 기능에 미치는 효과에 대한 연구가 많아지고 있으며, LEDT는 근육회복을 가속화하고, 운동으로 발생하는 손상 및 근력 및 피로를 극복하는데 효과가 있다 (Borsa, Larkin, True, 2013). 또한 LED치료기는 레이 저 다이오드보다 더 큰 스포트(spot) 크기와 제조비용 이 저렴하며, 또한 치료 효과는 광원에 비해 파장 및 강도와 관련이 있는 것으로 보고되었다(Enwemeka, 2005). Baroni et al(2010)은 고강도 운동으로 넙다리 네갈래근육에 피로를 유발하고 LEDT를 적용했을 때 운동 수행력이 지속되는 효과가 있다고 보고하였으며, Hemmings등(2017)은 LEDT를 편심성 무릎 신전운동( eccentric leg extension)하기 전 60-120초 간 넙다리네 갈래근육에 적용했을 때 운동 수행력에 긍정적 효과 (positive effect)가 있다고 보고하였다.

    선행연구에서 LED와 미세전류치료기를 이용해 근 육 손상 및 근육 피로를 감소시킨다는 연구가 있으며, 운동을 유발한 후 치료 중재를 적용했으나, 본 연구는 두 가지 장점을 결합한 치료기에 대한 연구가 부족하 다. 이 연구의 목적은 장거리 또는 등산 등을 실시하는 선수 및 일반인들의 활동에서 LED와 미세전류치료를 복합치료 기기의 활용 가능성을 위한 근거 마련을 위 해 실시하였다.

    Ⅱ.연구 방법

    1.연구 대상자

    본 연구는 G대학 재학생 20명을 대상으로 실시하였 다. 선정기준은 헬싱키선언에 준하는 안내문과 설명을 듣고 실험에 동의한 자로 최근 6개월간 무릎 및 발목관 절 주변 근육 및 보행능력에 영향을 미치는 정형외과 적, 내과적, 신경외과적 질환이 없는 자로 하였다. 대 상자들의 일반적인 특성은 다음과 같다(Table 1).

    2.측정도구 및 실험도구

    1)근전도(Electromyography)

    근활성도는 트레드밀에 걸을 때 아래 다리에서 가장 많은 근활동을 보인 장딴지근육(Keiichi 등, 2012)을 측정 하였으며, 근전도는 BTS FREE EMG 300(BTS Bioengineering, Italy)를 사용하여 피험자의 주축다리에 표면 전극을 부착하였다. 근전도 측정 장비와 컴퓨터를 연결한 후 Myolab 소프트웨어를 실행하여 피험자의 프로 토콜을 설정하였다. 근전도 측정 시 전극을 부착하기 전에 피부저항을 최소화하기 위해 피험자의 전극 부착 부위의 피부에 있는 털을 제거하고 에틸알코올 솜으로 깨끗이 닦아내어 표면전극을 근육의 이는 곳과 닿는 곳의 가장 발달된 부위인 근복에 부착하였다. 근전도의 전극은 1회용 전극인 Ag-Agcl (3M, korea)을 사용하였 고, +나 –극 상관없이 한 채널 내 두 전극의 간격을 2㎝로 유지하게 하였다(Cowan 등, 2001). 근전도의 전극 부착 위치는 Cram & Kasman, Holtz(1998)에 제시한 부위에 부착하였다(Figure 1). 측정 시 실험 대상자에게 피부저 항으로 생기는 오차를 최소한으로 줄이기 위해 전극이 부착되는 표면을 알코올로 닦아냈다. 동작에서 발생하는 잡음을 제거하기 위하여 EMG 원자료(raw)를 필터링 (Recursive digital filter, Matlab Elliptic filter, 350 Hz low pass, 10 Hz high pass)하고, 정류(full wave rectification) 한 다음, 평활화(smoothing)한 후 RMS(Root mean square) 값을 산출하여 분석하였다. 분석된 자료는 근활성도의 정규화를 위하여 RMS값을 기준으로 표준화하였다. 실험 전 각 대상자들에게 장딴지 근육 활성화와 피로도를 측정하기 위해 사전 연습 후 충분한 안정을 취한 뒤에 측정을 실시하였으며, 근활성화 측정은 운동이 끝난 후 즉시 20cm 높이의 박스에 한발로 올라가 발목 발바닥 굽힘 상태에서(one leg ankle raise) 10초간 장딴지근육의 수축을 유발시킨 상태에서 분석을 실시하였으며, 의자 에 앉아 2분간의 휴식시간을 준 후, 근피로도 검사를 실시하였다. 근피로도 검사는 박스에 한발로 올라가 발 목 발바닥 굽힘(one leg ankle plantarflexion)을 10회 실시 하는 동안 근피로도 검사와 운동 수행시간을 측정하였다.

    2)한발 제자리 점프

    근전도 측정이 끝난 후 2분간의 휴식을 취한 후 한발 제자리 점프 검사를 실시하였다. 근기능의 정확한 측정 을 위해 장딴지 근육의 가쪽운동 수행력을 측정하기 위해 복합 치료기를 적용한 한발 제자리 점프(one leg vertical jump)를 실시하였다. Healmas측정 장비 (Sewoo system, Seoul, Korea)를 이용하여 주축 다리를 이용하여 한발로 서있는 상태에서 최대한 높이 뛰게 하여 기록하였 다. 측정은 2회 실시하여 평균값을 기록하였다.

    3.실험절차

    실험 전 사전평가로 표면근전도 및 한발 제자리 점프 를 실시한 후, 경사도 10%인 트레드밀에서 속도5km, 30분을 걷게 하였다. 트레드밀에서 걷기 전에 종아리 및 하지 근육 스트레칭(5분)을 적용하였다. 실험그룹은 복합치료기를 장딴지근육에 부착한 상태로, 대조그룹 은 부착하지 않고 걷기 운동을 실시하였다. 복합치료기 (LCO-MC01, Linkoptics, Kwangju, KOREA)를 사용하 였으며, LED는 (wavelength=830nm; output frequency =10Hz, average power=90mW(3Ⅹ30Mw), LEDs spot size 0.2cm 2number of points=3, treatment dosage= 9.7J)이며, 미세전류치료는 지연성 근육통에 효과가 좋 은 주파수 30HZ, 강도 100㎂와 교류전류를 사용하였 다. 운동을 끝낸 후, 바로 표면근전도와 한발 제자리 점프를 실시하였다.

    4.자료분석

    통계분석은 윈도우용 SPSS 21.0(0 (SPSS, Inc, Chicago, IL, USA))을 이용하여 분석하였다. 두 그룹 간 근 기능 변화를 알아보기 위해 반복측정 분산분석(repeated measure ANOVA)를 실시하였으며, 그룹 내에서 실험 전, 후 분석을 비교하기 위해 Paried t-검정을 실시하였 다. 자료의 통계학적 유의수준은 α= .05로 하였다.

    Ⅲ.연구 결과

    1.한발 제자리 점프 변화

    한발 제자리 점프 변화에 비교 결과는 (Table 2)와 같다. 시간에 따른 그룹 간 변화 양상의 차이를 반복측 정분산분석을 실시한 결과 점프력은 두 그룹 간 변화 양상이 달라졌으나, 통계적인 차이는 없었다. 대조그룹 은 실험 전과 후에 비교에서는 유의한 차이가 나타났으 며(p=0.000), 그룹 사이에는 유의한 차이가 없었다.

    2.장딴지 근육의 근활성과 근피로, 운동시간 변화

    장딴지 근육의 근활성도 변화에 비교 결과는 (Table 2)와 같다. 시간에 따른 그룹 간 변화 양상의 차이를 반복측정분산분석을 실시한 결과 근활성은 두 그룹 간 변화 양상이 달라졌으나, 통계적인 차이는 없었다. 실험 전과 후에 비교에서는 유의한 차이가 나타났으며(p=.034), 그룹 사이에는 유의한 차이가 있었다(p=.002).

    장딴지 근육의 근피로도 변화에 비교 결과는 (Table 2)와 같다. 시간에 따른 그룹 간 변화 양상의 차이를 반복측정분산분석을 실시한 결과 근피로는 두 그룹 간 변화 양상이 달라졌으며, 통계적인 차이는 있었다 (p=0.032). 실험 전과 후에 비교에서는 유의한 차이가 나타났으며(p=0.044), 그룹 사이에는 유의한 차이가 없었다.

    장딴지 근육의 근피로를 측정하기 위한 시간 변화에 비교 결과는 (Table 2)와 같다. 시간에 따른 그룹 간 변 화 양상의 차이를 반복측정분산분석을 실시한 결과 근 피로 측정시간은 두 그룹 간 변화 양상이 달라졌으나, 통계적인 차이는 없었다. 실험 전과 후에 비교에서는 유의한 차이가 나타났으며(p=0.001), 그룹 사이에는 유의한 차이가 없었다.

    Ⅳ.고 찰

    경사진 트레드밀에서 중등도 유산소운동을 하는 동 안 미세전류치료와 LEDT를 결합한 치료기를 장딴지근 육에 적용하면서 중재 전과 후의 한발 제자리 점프, 최 대 근활성 및 근피로에 미치는 영향을 알아보고자 실 시하였다.

    연구결과 한발 제자리 점프에서 실험그룹은 실험 전 과 후의 변화가 나타나지 않았으나 약 2.5%정도 증가했 으나, 대조그룹은 실험 전・후 비교에서 약 15%정도 감 소해 통계적으로 유의한 차이가 나타났다. 대조 그룹은 장딴지근육 및 하지 근육의 축적된 피로감이 있어 감소 한 것으로 생각된다. 근활성도에서 그룹 사이에는 차이 가 없으나, 대조그룹은 사전에 비해 14% 정도 증가했으 나, 실험그룹은 2.7% 정도만 증가하지 않아 장딴지근육 의 활성을 억제시키는 것으로 나타났다. 운동 중재 후, 서있는 자세에서 한발로 발바닥 굽힘 운동(one leg ankle plantarflexion)을 10회 실시했을 때 피로도를 비 교한 결과 대조그룹은 20% 정도 증가하였으나, 실험그 룹은 6%정도만 증가하지 않아 통계적으로 시간과 그룹 사이에 교효 작용이 나타났으며, 실험 전, 후에서 통계 적으로 유의한 차이가 있었다. 또한 운동시간을 측정한 결과 대조그룹에서 11,2% 정도 감소하였으나, 실험그 룹에서는 81%정도 감소하여 실험그룹에서 피로가 적게 증가하여 운동시간이 통계적으로 감소되는 것으로 나 타났다. 이런 결과를 보면 LED와 미세전류치료를 복합 한 치료기를 운동 중에 신체에 부착하고 운동을 실시했 을 때 근피로가 감소한다고 할 수 있다. 사전 연구인 강다행(2013)은 20분간의 미세전류 자극이 척추기립근 의 근피로 회복에 효과적이며, Curtis et al (2010)은 20 분간의 미세전류 치료가 지연성근육통을 감소시킨다 는 보고를 하였다. Kim(2001)은 근육의 과도한 긴장은 오히려 해당 근육의 일시적인 산소결핍과 허혈 등으로 인한 근조직 손상을 발생시키게 되어 지연성 근육통, 근막통증후군과 같은 근육관련 질환을 초래할 수 있고 하였다. 실제로 과도한 근육의 긴장도를 낮추기 위한 다양한 중재 방법들 중 미세전류를 이용한 중재방법은 근육의 과도한 긴장으로 인하여 발생할 수 있는 근막통 증후군으로 인한 통증 완화, 지연성 근육통의 치유 및 통증을 조절하기 위한 목적으로 사용되었으며, 그 효과 를 입증해 왔다(Merskey 2006). 또한 최근에 광선치료 또는 LED치료가 골격근의 수축기능을 향상시키며 (Leal 등, 2010), 몇 몇 연구에서 동물을 대상으로 근육 손상과 근피로 회복에 효과가 있다는 연구가 있다 (Lopes-Martins 등, 2006). Leal 등(2009)의 연구에서 지연성 근육통에 의해 발생하는 운동 유발성 손상에 LED를 적용했을 때 세포손상이 줄어들었으며, 프로배 구선수들을 대상으로 위팔두갈래근(biceps brachii muscle)에 LED치료와 대조그룹으로 나눠 자발적 피로 가 될 때까지 암컬(arm curl)을 근력이 고갈될 때 까지 반복적으로 실시한 결과 LEDT치료를 한 그룹이 더 많 은 반복을 실시했으며, 운동 전후의 혈중 젖산 농도와 크레아틴 키나아제(creatine kinase)와 C반응성 단백질 (C-reactive protein, CRP)도 치료그룹이 운동 후 약간 낮아졌다고 보고하였다. 본 연구결과도 선행연구와 비 슷하게 한발 제자리 점프에서 복합치료기 그룹이 중재 전에 비해 유지되어 통계적으로 유의한 차이가 있었으 나, 대조그룹은 감소하는 것으로 나타나, LED와 미세 전류치료를 복합한 치료가 점프력 유지에 도움이 되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 세포에 흡수된 광 은 세포조직 내 활성산소 ROS(reactive oxygen species) 와 ATP합성을 증가시킨다. 또한 적색과 근적외선 광에 노출된 세포는 산화질소(nitric oxide)를 방출한다. 적 절한 시간과 주기로 선택된 파장의 광은 세포내 시토크 롬c 산화효소(cytochrome c oxidase)와 같은 광수용기 에 의해 흡수된다. 이는 억제된 산화질소를 광분해하 고, 효소 활성화를 촉진하며 미토콘드리아의 대사와 ATP생성을 촉진하게 된다. 결과적으로 헤모글로빈, 미 오글로빈과 같은 단백질이 부가적인 산화질소를 방출 하고 이것은 연속적인 세포내 생화학 반응으로 이어져 세포의 전반적인 대사활동이 활발히 이루어져 세포의 재생과 재활에 LEDT에 의해 나타난다고 하였다(김진 태, 배성범, 윤두협(2010). 사전 연구와 같이 LED와 미 세전류치료를 복합한 치료가 장거리 또는 산악훈련, 오 랜 시간 서있는 직업 등을 가진 선수, 군인 및 일반인들 의 활동에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 또한 복합치료기를 소형화 시켜 일상 생활하는 중에 부하를 많이 받는 부위에 적용하면서 생활하면 더욱 편안한 일상생활을 할 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구는 일 회성 연구 설계로 측정한 결과를 제시해 일반화 시키는 데 제한을 가지고 있어, 차후에는 일정기간 동안 치료 중재를 실시 한 후 임상효과에 대한 연구가 더욱 필요할 것으로 생각된다.

    Ⅴ.결 론

    본 연구는 LED와 미세전류치료를 복합한 치료기를 장딴지 근육에 부착하고 중등도 유산소 운동을 실시하 는 동안 근육활성도와 피로도를 비교하고자 하였다. 본 연구결과 한발 제자리 점프에서 실험그룹은 운동 중해 후에도 2.5% 증가했으며, 실험그룹이 운동 중재 후의 근활성도와 피로도에서 긍정적인 효과가 나타났 으며, 피로도를 측정했던 한발로 발바닥 굽힘 운동시 간이 운동 전보다 감소되는 결과가 나타났다. 이런 결 과 장딴지근육의 피로는 많이 증가하지 않으면서 운동 시간이 단축되어 LED와 미세전류를 복합한 치료기가 근육의 피로와 운동수행력에 긍정적인 효과가 있는 것 으로 나타났다. 따라서 산악훈련, 오랜 시간 서있는 직 업 등을 가진 선수, 군인 및 일반인들의 활동에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.

    감사의 글

    이 논문은 국방기술품질원(광주국방벤처센터)에서 시행한 광주국방벤처센터 16-2차 개발비지원사업의 연구결과입니다.

    Figure

    AOSPT-13-47_F1.gif

    Electrode placement for the gastrocnemius site

    Table

    Characteristics of subjects (N=20)

    Changes in jump and muscle activity, fatigue of gastrocnemius

    %MVIC: maximal voluntary isometric contraction
    CON: control group
    EXP: Experimental group
    *p<.05
    **p<.01

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