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Analysis of Gluteus Maximus and Hamstrings Muscle Activity in Eccentric Exercise Using Reverse Treadmill Walking with Varied Speeds and Stride Lengths
Phys Ther Rehabil Sci 2023;12:542-6
Published online December 30, 2023
© 2023 Korean Academy of Physical Therapy Rehabilitation Science.

Jong-Su Wooa, Won-Seob Shina․b*

aDepartment of Physical Therapy, Graduate School of Health and Medicine, Daejeon University, Republic of Korea
bDepartment of Physical Therapy, College of Health and Medical Science, Daejeon University, Republic of Korea
Correspondence to: Won-Seob Shin (ORCID https://orcid.org/0000-0002-6515-7020)
Department of Physical Therapy, Applied Science Building, 62, Daehak-ro, Dong-gu, Daejeon, 34520, Republic of Korea
Tel: +82-42-280-2294 Fax: +82-42-280-2295 E-mail: shinws@dju.kr
Received December 15, 2023; Revised December 27, 2023; Accepted December 27, 2023.
cc This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
Objective: The aim of this study is to investigate effective eccentric exercise methods by analyzing gluteus maximus and hamstring muscle activity through various treadmill exercises with differences in speed and stride length.
Design: Cross-sectional design
Methods: Twenty healthy men were instructed to perform hamstring eccentric exercise with treadmill. Treadmill exercises were performed at speeds of 0.4 km/h, 0.8 km/h, and 1.2 km/h. For each speed, the exercise was conducted at the subject's normal stride length, -10% stride length, and +10% stride length of the normal stride length. EMG (Electromyography) data (% maximum voluntary isometric contraction) were recorded three times from the gluteus maximus, biceps femoris, semitendinosus of participant’s and the mean values were analyzed.
Results: There was a significant difference in speed for Gluteus maximus, Biceps femoris, Semitendinosus (p<0.05), but there was no significant difference in stride length and interaction between speed and stride length. All muscles groups showed greater activity as the speed increased (p<0.05).
Conclusions: Hamstring eccentric exercise with a treadmill shows higher muscle activation as the speed increases and is especially optimized for activating the biceps femoris muscle.
Keywords : Hamstring, Gluteus maximus, Eccentric exercise, Treadmill, Muscle activation
서론

뒤넙다리근은 엉덩관절과 무릎관절을 가로지르는 다관절 근육이다. 뒤넙다리근은 일반적으로 무릎관절을 굽힘하는 근육으로 알고 있지만, 무릎을 펴거나 구부린 상태에서 엉덩관절을 폄했을 때 최대 근활성도를 보인다[1,2]. 뒤넙다리근 부상은 축구, 육상, 럭비, 미식축구 등 달리기 스포츠에서 가장 흔한 비접촉 근육 부상이다[3]. 뒤넙다리근 부상의 80% 이상이 넙다리두갈래근 긴 갈래에서 발생되고, 12개월 이내에 재발 확률이 30%이다[4].

뒤넙다리근 부상은 대부분 빠른 속도의 달리기에서 말기 흔듦기에 발생한다[5]. 이때, 넙다리두갈래근은 최대 길이로 늘어나고, 발꿈치 닿기를 위해 정강뼈를 감속시키기 위한 강한 편심성 수축이 일어난다[6]. 편심성 운동은 이러한 부상의 예방 및 재활 프로그램에서 매우 중요하다[7]. 특히 노르딕컬 운동은 대표적인 뒤넙다리근 편심성 운동이다[7]. 노르딕컬은 엉덩관절에 움직임이 없고 무릎관절에서 지배적인 움직임을 보인다[3]. 하지만, 말기 흔듦기는 엉덩관절의 굽힘이 일어나는 동작이기 때문에, 노르딕컬은 달리기와 유사한 뒤넙다리근 길이에서 편심성 강화가 일어나기 어렵다[3].

무릎과 엉덩관절을 사용한 편심성 운동이 효과적인 재활을 이루어 낼 것이다[3]. 하지만 대부분의 뒤넙다리근 편심성 운동들은 무릎관절 굽힘에 의존하는 운동들로 구성되어있다[8]. Cushman과 Rho[8]는 트레드밀을 이용한 뒤넙다리근 편심성 운동을 소개하였다. 무릎 폄 상태를 유지하며 엉덩관절을 굽힘하는 운동이기 때문에, 두 관절 모두 사용할 수 있다. 또한 트레드밀은 가정, 피트니스 센터에서 볼 수 있어, 대중들이 쉽게 접할 수 있다[9]. 하지만 트레드밀의 속도와 보폭을 한 가지 방법으로만 국한시켜서 다양한 속도와 보폭에서 근활성도의 차이가 있는지에 대한 내용은 알 수가 없었다.

따라서 본 연구는 속도와 보폭을 다양하게 적용한 트레드밀 편심성 운동에서 큰볼기근과 뒤넙다리근 근육의 근활성도를 분석하여 효과적인 편심성 운동 방법을 알아보고자 한다.

연구 방법

연구 대상

본 연구의 통계학적 대상자 산출을 위하여 G*power(Ver 3.1.9.6 for mac, Heinrich Heine University, Germany)프로그램을 통해 3가지 보행속도와 3가지 보폭크기의 반복측정방법으로 효과크기를 0.4, 검정력(Power)을 0.80으로 표본 크기를 계산하여 18명의 결과를 얻었다. 중도 탈락율 5%를 고려하여 20명을 D대학교 공고를 통하여 2주간 모집하였다. 실험 대상자의 선정기준은 연구 전 6개월 이내에 뒤넙다리근 부상이 없는 사람을 대상으로 하였다[10]. 제외기준은 뒤넙다리근염증 병력, 앞 십자인대 또는 허리 부상, 심혈관계 또는 신경계, 근골격계 장애가 있는 자는 제외되었다[11]. 실험에 참여하기 전, 헬싱키 선언의 윤리적 기준에 따라 연구의 목적과 절차를 대상자들에게 직접 설명하였고, 실험 중 발생할 수 있는 위험과 불편 사항, 위험 예방조치에 대한 정보를 제공하였다.

연구 절차

본 연구는 단일 그룹 단면 연구 설계(cross-sectional design)를 통해 실험을 진행하였다. 대상자들은 먼저 평균 보폭을 측정하기 위하여, 3 M 줄자 옆을 보행하였다. 3회 측정 후 평균값을 사용하였다. 최대 자발적 등척성 수축은 전극을 대상자의 큰볼기근, 넙다리두갈래근, 반힘줄근에 부착하여 측정하였다. 이후 트레드밀 편심성 운동을 0.4 km/h, 0.8 km/h, 1.2 km/h 속도 순서로 실시하였으며, 속도마다 대상자 평균 보폭의 -10%, 평균보폭, 평균보폭의 +10%의 거리로 운동이 진행되었다[12]. 실험 전 트레드밀 편심성 운동을 최소 3회 이상 연습하여, 운동 방법을 인지시켰다. 운동마다 횟수는 3회 실시하였으며, 보폭의 변화 사이 쉬는 시간은 6초, 속도 사이의 쉬는 시간은 1분으로 설정하였다.

중재 방법

대상자는 트레드밀에 반대방향으로 올라선 후, 양손으로 손잡이를 잡고, 한 다리만 트레드밀 벨트 위에 올려놓는다. 벨트 위에 올려놓은 다리는 무릎을 약간 구부린 상태에서 뒤꿈치가 후방에 위치한 막대기에 닿도록 한다(Figure 1 A). 무릎을 폄한 상태를 유지하며 벨트의 움직임에 반대 방향으로 저항한다(Figure 1 B). 발 앞부분이 막대기에 접촉하게 되면 다시 시작 자세로 돌아간다(Figure 1 C)[8].

평가 방법 및 측정 도구

근전도 검사(Electromyography)

선택된 근육의 표면 근전도 신호를 측정하기 위하여 표면 근전도 장비 WEMG-8(LK M5308, Laxtha, Korea)을 사용하였다. 근전도의 전극은 체외형의료용전극(2223H, 3M, Korea)를 사용하였고, 전극 사이의 거리는 20 mm로 설정하였다[11]. 전극은 SENIAM (European Recommendations for Surface Electromyography)의 지침에 따라 큰볼기근과 넙다리두갈래근, 반힘줄근에 부착하였다[11]. 참가자들은 표면 근전도 검사에서 피부저항을 줄이기 위해 면도기, 사포, 에탄올을 사용하여, 피부를 정리하였다[11]. 수집된 표면 근전도 자료는 근전도 소프트웨어(Telescan 3.29, Laxtha, Korea)프로그램을 사용했다. 표본추출비율는 1024 Hz이었으며, 노이즈를 제거하기 위해 대역통과필터 20~450 Hz를 적용하였고 60 Hz의 노치필터를 사용하였다[13].

참가자들은 실험 전 뒤넙다리근 근육의 정적 스트레칭을 실시하여 준비운동을 완료하였다. 큰볼기근은 엎드린 자세로 무릎을 90° 굴곡한 상태에서 엉덩관절 폄에 대한 저항을, 뒤넙다리근은 엎드린 자세에서 무릎을 45° 굴곡한 상태에서 저항을 주어, 최대 자발적 등척성 수축을 측정하였다. 5 초간 등척성 수축을 시행하였으며, 처음과 마지막 1 초를 제외한 중간 3 초간에 근활성도를 실효값으로 계산하였다[11].

자료 분석

본 연구를 통해 수집된 자료 분석은 윈도우용 SPSS 프로그램(ver.21.0, SPSS Inc, USA)을 사용하였다. 모든 변수의 정규성 검정을 위해 Shapiro-Wilks test를 시행하여 정규분포를 확인하였다. 트레드밀 속도와 보폭을 다르게 적용하였을 때의 하지 근활성도 변화를 알아 보기 위하여 반복측정 이원분산분석(Repeated Two-way ANOVA)을 이용하여 통계처리 하였다. 사후검정은 Bonferroni 검정을 사용하였다. 본 연구의 모든 통계적 유의수준은 0.05로 설정하였다. 또한 사후검정에서는 Bonferroni 검정을 그룹수로 나누어 유의수준 0.05를 비교하였다. 따라서 3개 그룹이므로 유의수준을 0.017로 설정하였다.

연구 결과

본 연구에 일반적인 특성은 Table 1과 같다. 속도와 보폭에 따른 트레드밀 운동을 하였을 때, 큰볼기근, 넙다리두갈래근, 반힘줄근의 근활성도 분석 결과는 다음과 같다(Table 2). 세 근육 모두 속도의 변화에 대해 유의한 차이를 보였고(p<0.05), 사후검정 결과에서는 세 근육 모두 속도가 빠를수록 높은 근활성도를 나타냈다(p<0.05). 보폭의 변화에 대한 유의한 차이는 나타나지 않았다. 보폭과 속도의 교호작용은 유의한 값을 나타내지 않았다.

논의

본 연구는 트레드밀을 이용한 뒤넙다리근 편심성 운동을 실시하였을 때, 속도와 보폭에 따른 큰볼기근, 넙다리두갈래근, 반힘줄근의 근활성도를 분석하여 효과적인 뒤넙다리근 편심성 운동을 알아보고자 하였다.

세 근육 모두 속도의 변화에 대해 유의한 차이를 보였으나, 보폭의 변화와 속도에 대한 보폭의 변화에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 속도의 변화에 대한 사후 검정에서는 세 근육 모두 속도가 높을수록 높은 근활성도를 보였다. 선행 연구에서는 골반의 안정성이 떨어지면, 뒤넙다리근이 상대적으로 약해진다는 연구 결과를 소개하였다[8]. 이에 따라, 트레드밀 운동과 함께, 골반 안정성 운동을 함께 진행하였다[8]. 하지만, 본 연구에서 골반 안정성 운동을 진행하지 않았기 때문에, 평균 보폭보다 넓은 보폭에서 운동을 수행했을 때, 골반 안정성이 감소하여, 보폭에 따른 변화가 유의하지 않은 결과가 나왔을 것이라고 사료된다.

넙다리두갈래근은 탄성섬유 함량이 높아 수축에 잘 적응하지만, 다른 구조에 비해 콜라겐섬유 함량이 낮아 부상에 취약하다. 결과적으로 넙다리두갈래근은 반복적이고 강한 근육 수축으로 인해 내재적 하중을 견디지 못한다[14]. 본 연구에서 세 근육군 중 넙다리두갈래근의 근활성도가 가장 높았으며, 속도에 증가에 따라 넙다리두갈래근의 활성도가 높아졌다. 스포츠 상황에서 많이 손상을 받는 넙다리두갈래근의 부상 예방 운동으로 적절하다고 볼 수 있다.

상대적으로 반힘줄근보다 넙다리두갈래근에게서 높은 활성도를 보였다. 이는 대상자의 발 각도가 바깥쪽으로 회전되어 있어, 넙다리두갈래근에 비해 반힘줄근의 근활성도가 낮은것으로 생각된다[15]. 또한 무릎 굽힘에 지향된 편심성 운동은 뒤넙다리근의 내측 근활성도가 높은 반면, 엉덩관절 폄에 지향된 편심성 운동은 외측근활성도가 높다고 발표된 연구가 있다[16]. 이러한 사실들을 보았을 때. 본 연구의 운동은 넙다리두갈래근의 근활성도가 반힘줄근보다 우세하게 작용되었을 것이다.

근막경선이론은 근육이 거미줄과 같이 인접한 근육조직을 결합하여 연결된 근막을 통해 근 긴장력이 띠로몸 전체에 걸쳐 단일 기능 단위로 움직인다는 이론이다. 그 중 표면후방선은 발바닥 근막부터, 종아리, 넙다리두갈래근, 엉치결절인대, 척추 세움근, 뒤통수뼈, 눈확능선까지 이어져있다[17]. 뒤넙다리근의 근위부 힘줄은 형태학적으로나 엉치결절인대와 연결되어 있다. 엉치결절인대는 넙다리두갈래근과 반힘줄근의 반복적인 편심성 수축력에 의해 골반대에 불안정성을 전달하는 역할을 한다[14]. 큰볼기근은 엉치결절인대를 조여 동적 관절 안정성을 제공하는 기능을 가지고 있어, 도움근으로 사용되었을 것이다[18].

본 연구의 결과는 트레드밀 뒤넙다리근 편심성 운동에서 속도의 증가는 큰볼기근, 넙다리두갈래근, 반힘줄근의 활성화 증가한다는 것이 증명되었으며, 뒤넙다리근의 단축이 있는 일반인 및 스포츠 선수들의 부상 예방 및 근력 증가 운동이 될 수 있다고 볼 수 있다.

본 연구는 몇 가지 제한점을 가지고 있다. 첫째, 20대 남성을 대상으로 한 연구이기 때문에, 모든 연령대와 성별에 일반화하기 어려움이 있다, 둘째, 일반인들을 대상으로 한 연구이기 때문에, 스포츠 선수들을 대상으로 실시한 연구가 필요할 것이다. 셋째, 발각도의 차이로 인하여 뒤넙다리근 근육 그룹의 활성화가 달라질 수 있으므로, 발각도에 따른 근활성도 변화에 대한 연구가 필요할 것이다.

이해 충돌

본 연구의 저자들은 연구, 저작권, 및 출판과 관련하여 잠재적인 이해충돌이 없음을 선언합니다.

Figures
Fig. 1. Eccentric exercise for hamstring muscles using a treadmill. A: Strating point B: Middle point C: End point, The arrow indicates the direction of treadmill movement.
Tables

Table 1

General characteristics of subjects (N=20)

Variables Values (N=20)
Age (years) 24.1 ± 2.0
Height (cm) 173.9 ± 6.6
Weight (kg) 72.6 ± 11.1

Values are expressed as mean±SD


Table 2

Comparison of muscle activation across different speeds and stride lengths. (N=20)

Stride length Speed Speed (F) Post-hoc Stride length X Speed Interaction (F)
0.4 km/ha 0.8 km/hb 1.2 km/hc
Gluteus maximus -10% 14.95±7.42 17.41±7.10 19.3±8.23
Normal 16.91±6.95 19.65±6.45 21.38±9.52 11.214* c>b>a 0.119
+10% 16.82±6.08 20.33±7.48 22.56±10.79
F 0.817
Biceps Femoris -10% 47.19±30.39 50.78±26.57 55.96±27.65
Normal 47.74±30.85 55.32±30.80 60.1±31.25 9.680* c>b>a 0.339
+10% 46.39±30.03 53.13±32.64 61.57±33.47
F 0.064
Semitendinosus -10% 36.86±18.35 36.68±12.29 41.9±13
Normal 36.07±17.36 41.68±14.35 43.31±13.55 7.196* c>b>a 1.189
+10% 35.16±17.37 40.8±14.02 43.06±14.22
F 0.013

Values are expressed as mean±SD, *p<0.05


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