Effects of Specific Frequency and Application Timing of Microcurrent on the Mechanical Property of Muscle Caused by Delayed Onset Muscle Soreness

미세전류 특정 주파수와 적용시기에 따른 지연성근육통 유발로 인한 근육의 기계적 특성변화

Abstract

Purpose : The purpose of this study was to determine the effects of specific frequency and application timing of microcurrent (MC) on the mechanical property of muscle caused by delayed onset muscle soreness (DOMS). Methods : The subjects were 32 healthy adults with 8 subjects randomly assigned to four groups (I; 40 Hz MC while inducing DOMS, II; 40 Hz MC immediately after inducing DOMS, III; 284 Hz MC while inducing DOMS, IV; 284 Hz MC immediately after inducing DOMS). DOMS is applied to the biceps brachii muscle while MC was applied at an intensity of $300{\mu}A$ for 10 minutes. The mechanical properties of muscle were measured before and immediately after DOMS. Results : In terms of muscle tone, there were significant differences in interaction effects between time and groups. Regarding muscle elasticity and stiffness, there were no significant differences in interaction effects between time and groups but there were only significant differences in main effects based on time. Conclusion : The results indicated that 40 Hz MC had an effect on reducing muscle tone regardless of application timing. However, both 40 Hz and 284 Hz MC did not trigger changes in muscle elasticity and stiffness regardless of application timing.

Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 필요성

미세전류 전기자극(microcurrent electrical stimulation; MES)는 보통 1 ㎂에서 1,000 ㎂ 사이의 단상파(monophasic) 또는 양상파(biphasic) 맥동 미세전류(pulsed microamperage current)를 전달하는 저강도(low-intensity) 전류이다(Ahmed 등, 2012). 이러한 미세전류(microamperage current)는 생리적 전류흐름(physiologic current flow)을 제공하고 몇몇 통증증후군의 치료에 사용되고 있다(McMakin 등, 2005). 북미에서는 미세전류치료(microcurrent therapy; MCT)가 여러 형태의 조직치유들에서 유익한 것으로 보고되고 있으며, 다른 조직치유에서도 효과적일수도 있을 것으로 보고되고 있다(Poltawski & Watson, 2009). 

McMakin(2011)의 실험적 연구에서 쥐 피부(rat skin)에 적용된 50~1,000 ㎂의 직류 수준(direct current level)은 치료하지 않은 대조군에 비해 글리신 수송(glycine transport)을 75 % 증가시키고 500 ㎂의 전류 수준은 아미노이소부티르산(aminoisobutyric acid) 흡수를 90 % 증가시켜 단백질 합성이 크게 증가하지만 1,000 ㎂ 이상의 전류 수준은 50 % 만큼 단백질 합성이 감소된 것으로 보고되었다. 

또한 미세전류는 근육 피로나 통증 등에 대한 연구들도 보고되고 있는데, 신장성수축(eccentric contraction) 후 근육의 회복에 유익한 효과(Hiroshige 등, 2018), 지연성근육통(delayed onset muscle soreness; DOMS)에 대한 효과(Cho와 Song, 2014; Jung 등, 2000), 만성 요통환자의 통증 감소(Oh 등, 2008; Park과 Jeong, 2010)에 효과적인 것으로 보고되고 있다. 그러나 위와 같은 선행연구들에서 사용된 미세전류의 주파수 등과 같은 매개변수는 다양하였으며, 아직까지 효율적인 매개변수에 대해서는 확실하게 알려져 있지 않았으나 McMakin(2011)은 주파수 특정 미세전류(frequency-specific microcurrent)가 통증관리에 있어서 조직에 따라 특정 주파수가 통증을 감소시킨다고 주장하였다. 또한, 미세전류와 관련한 대부분의 연구들은 근육통 이후 혹은 지연성근육통 유발 후 미세전류를 적용한 효과에 대한 연구들이었다. 최근 중등도 유산소 운동 중에 발광다이오드(LED)와 미세전류를 동시에 적용한 연구(Han과 Lee, 2018)에서 근긴장도(muscle tone)와 근경직도(muscle stiffness) 감소에 효과적인 것으로 보고되어 운동 중의 미세전류가 근육의 근긴장도와 근경직도와 같은 기계적 특성에 일부 도움을 줄 수 있는 가능성이 보고되기 시작하였다. 그러나 아직까지 지연성근육통과 같은 부분에서 미세전류 주파수 및 적용시기에 따른 근육 기계적 특성의 변화와 관련한 연구들은 거의 보고되고 있지 않은 실정이다. 

 

2. 연구의 목적

이 연구의 목적은 지연성근육통과 관련한 부분에서 미세전류 특정 주파수와 적용시기에 따른 근육의 기계적 특성변화에 대해 알아보는 것이다. 

 

Ⅱ. 연구방법

1. 연구대상

본 연구의 대상자는 20대의 정상 성인 여성 32명을 8명씩 4군에 무작위로 배치하였다. 무작위 배정방법은 대상자들에게 각각 1~32번까지 번호를 부여한 후 SPSS 19.0프로그램에 1~32번의 번호 중 8개의 번호를 무작위로 선택 후 선택된 번호들은 삭제 후 나머지 번호들에서 다시 8개의 번호를 무작위로 선택하여 무작위로 선택된 8개씩의 번호들을 3개의 집단에 차례대로 배치하였으며, 광주여자대학교 기관생명윤리위원회의 심의(10141485-201807-HR-001-20)를 받은 후에 연구를 진행하였다. 대상의 일반적 특성은 다음과 같다(Table 1). 연구에 참여하기 전 대상자들에게 연구의 목적과 방법에 대해 충분히 설명한 후 연구 동의서를 얻은 후에 연구를 실시하였고, 대상자의 선정기준은 1) 비우세손에지연성근육통이 없는 자, 2) 최근 3개월 동안 일상생활 이외에 본 연구에 영향을 미칠 수 있는 팔운동을 하지 않은 자, 3) 신경학적 및 근골격계 장애가 없는 자, 4) 연구의 목적을 이해하고 실험참여에 자발적으로 동의한 자로 한정하였다.

 

Table 1. General characteristics of subjects

 

2. 지연성근육통 유발방법

지연성근육통을 유발하는 방법은 모든 군에 동일하게 적용하였다. 대상자들의 자세는 대상자들이 편안하게 의자에 앉은 자세에서 팔꿈치 아래에 베개를 받친 상태에서 시작하였다. 대상자들의 비우세손(non-dominant hand)에 1 RM을 측정하여 1 RM의 60 % 무게의 아령을 대상자가 팔꿈치 굽힘 자세에서 팔을 폄(extension)시키는 팔꿈치 굽힘근(elbow flexor)에 대한 신장성수축(eccentric contraction) 운동을 실시하였다. 대상자들이 신장성수축과 원위치로 돌아오는 시간은 메트로놈(metronome)을 6초에 맞춰서 실시하였다. 이때, 대상자들이 팔꿈치를 처음 자세로 돌아 갈 때는 연구자가 다시 원위치 시켜주었다. 이와 같은 동작을 15회를 1세트로 하여 총 5세트 75회를 실시하였으며, 각 세트가 끝난 후에는 지연성근육통을 유발하기 위하여 30초씩의 짧은 휴식 시간을 설정하였다.

 

3. 미세전류 자극 방법

미세전류는 미세전류치료기(MC plus, 싸이버메딕, 대한민국)를 사용하였으며, 주파수와 전류강도는 선행연구(McMakin, 2011)를 참고해서 근육, 근막, 발통점과 관련된 염증완화와 관련이 있는 40 Hz (inflammation), 284 Hz(chronic inflammation)와 정상성인에게 적합한 전류강도인 300 μA를 적용을 하였다. 40 Hz 적용군의 미세전류는 극성교대 모드로 단상직각파(rectangular monophasic wave)가 2.5초마다 전환되고 경사증가시간(ramp up time) 1초, 유지시간(hold time) 1초로 구성되었으며, 284 Hz 적용군의 미세전류(micro-current)는 극성교대 모드로 단상직각파가 2.5초씩 극성 전환되며 경사증가시간(ramp up time) 0초, 유지시간 1.5초로 구성되었다. 

지연성근육통 유발 중 미세전류자극군은 위팔두갈래근(biceps brachii muscle)에 전극을 부착 한 채 지연성근육통 유발운동을 시작하면서 동시에 미세전류를 10분 간 적용하였다. 지연성근육통 유발 후 미세전류자극군은 지연성근육통 유발 바로 직후에 대상자가 팔을 의자위에 편안하게 편 상태에서 10분 간 미세전류를 적용하였다. 미세전류 전극은 위팔두갈래근의 힘살(belly) 중간 부위에 점을 표시한 후 점의 위와 아래쪽에 5 × 5 ㎝ 크기의 한 쌍의 접착식 직사각형 전극(휴레브, 대한민국)을 부착하였다. 

 

4. 근육의 기계적 특성 측정방법

근육의 기계적 특성은 접촉식 연부조직측정기(Myoton Pro, Myoton AS, Estonia)을 사용하여 측정하였으며, 근긴장도(muscle tone; oscillation frequency, Hz), 근탄성도(muscle elasticity; logarithmic decrement), 근경직도(muscle stiffness; dynamic stiffness, N/m)를 분석하였다. 

측정 자세는 대상자가 팔을 의자위에 편안하게 편 상태에서 지연성근육통 유발 근육의 힘살 한 가운데에 점을 표시한 후 유발 전과 미세전류 10분 적용 후에 기기가 근육에 수직으로 위치하도록 하여 각각 측정하였다. 측정 시 5번을 연속해서 측정한 후 평균값이 출력되도록 기기를 설정하였다. 

 

5. 자료 분석

자료의 통계분석은  SPSS/window(version 19.0)을 이용하여 분석하였다. 각 측정 항목들 간의 시간에 따른 그룹 간 변화 양상의 차이에 대한 분석은 이요인 반복측정분산분석(two-way ANOVA with repeated measures)을 실시하였으며, 유의수준 α는 0.05로 설정하였다.

 

Ⅲ. 결 과

1. 근긴장도의 변화

분석결과 그룹과 시간 사이의 유의한 상호작용효과가 있는 것으로 나타나 근긴장도 측정 전과 후의 변화양상은 그룹에 따라 서로 다른 것으로 나타났다(p<.05). 40 Hz 미세전류 적용 군들은 유발시기와 관계없이 모두 근긴장도 전과 후의 변화양상이 적은 것으로 나타났으나 284 Hz 미세전류 적용 군들은 유발시기와 관계없이 모두 근긴장도 전과 후의 변화양상이 큰 것으로 나타났다(Table 2).

 

Table 2. Changes of muscle tone

 

2. 근탄성도의 변화

분석결과 그룹과 시간 사이의 상호작용효과는 없는 것으로 나타나 시간에 따른 그룹 간 변화양상에 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 주효과 시간에 따른 변화는 차이가 있는 것으로 나타나(p<.05) 그룹에 따른 차이는 없이 모두 근탄성도 값이 크게 증가하여 근탄성도가 크게 감소하는 것으로 나타났다(Table 3).

 

Table 3. Changes of muscle elasticity

 

3. 근경직도의 변화

분석결과 그룹과 시간 사이의 상호작용효과는 없는 것으로 나타나 시간에 따른 그룹 간 변화양상에 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 주효과 시간에 따른 변화는 차이가 있는 것으로 나타나(p<.05) 그룹에 따른 차이는 없이 모두 근경직도가 크게 증가하는 것으로 나타났다(Table 4).

 

Table 4. Changes of muscle stiffness

 

Ⅳ. 고 찰

본 연구는 건강한 여성 32명을 대상으로 미세전류의 주파수와 적용시기에 따른 지연성근육통 유발로 인한 근육의 기계적 특성변화에 대해 알아보고자 연구한 결과 40 Hz 미세전류군에서만 적용시기와 관계없이 근긴장도 증가폭이 284 Hz 미세전류군 보다 크게 낮은 것으로 나타났다. 그러나 근탄성도 값은 미세전류 주파수 및 적용시기와 관계없이 모두 크게 증가하는 것으로 나타나 근탄성도가 크게 감소되는 것으로 나타났다. 또한 근경직도는 미세전류 주파수 및 적용시기와 관계없이 모두 크게 증가하는 것으로 나타났다. 근경직도(muscle stiffness) 값의 과도한 증가는 근긴장도의 과도한 증가와 함께 나타나며 이것은 다양한 근육관련 질환으로 발전할 가능성이 높기 때문에 이것을 적절히 조절하기 위한 치료가 필요하다(Cho 등, 2017). 또한 근육 손상과 그에 따르는 근수행(muscle performance) 저하는 대부분의 운동선수들은 운동과 훈련들 동안에 지속적인 신장성수축요소들을 포함하고 있기 때문에 보편적으로 나타난다(Hirochige 등, 2018). 따라서 본 연구에서의 결과가 비록 근탄성도를 증가시키고 근경직도를 감소시키는 데는 긍정적인 영향을 미치지 못하였으나, 10분 동안 300 ㎂의 40 Hz 미세전류는 적용시기와 관계없이 지연성근육통 유발로 인한 근긴장도 감소에는 도움을 줄 수 있는 것으로 나타났다. 이것은 근긴장도가 증가하는 것을 방해하여 근수행 저하를 최소화하거나 향후 다양한 근육관련 질환으로 발전하지 못하도록 하는데 영향을 미칠 수도 있는 가능성이 있는 것으로 생각된다. Han과 Lee(2018)는 중등도의 30분 유산소 걷기운동 동안에 적용한 830 ㎚ LED와 30 Hz 100 ㎂의 미세전류가 장딴지근의 근긴장도와 근경직도 감소가 유산소 운동 후 5분 안에 도움이 되는 것으로 보고하여 운동 동안에 적용한 미세전류의 효과를 보고하였다. 본 연구에서는 적용시기에는 관계가 없으나 적용 주파수와는 관계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 지연성근육통 유발 동안에 적용한 미세전류도 역시 근긴장도 감소효과에 도움이 되는 것으로 나타났으나 직후에 적용한 미세전류와는 차이가 없이 근긴장도 감소효과가 비슷한 것으로 나타났다. 그러나 Han과 Lee(2018)의 연구는 LED와 미세전류 병행 적용이면서 적용하지 않은 대조군과의 비교 연구로서 운동 후 적용 한 그룹과의 비교 연구가 아니기 때문에 본 연구와 비교 분석하는 데는 한계가 있었다. 

미세전류는 신장성수축(eccentric contraction) 후 근력의 회복을 촉진할 수 있는데, 신장성수축 후 3일째는 미세전류 치료 근육의 경우 비교적 부분적으로 및 완전하게 회복하였으나 신장성수축과 미세전류와 관련된 미오신(myosin) ATPase에서 변화에 대한 기전은 아직 확실하게 알려지지 않았다(Hiroshige 등, 2018). 신장성수축 후 4일까지 미오신 ATPase 활동에서 신장성수축 관련 감소는 미오신 ATPase가 위치한 미오신 두꺼운 사슬(myosin heavy chain)의 단백질 분해(proteolysis)와 동반되지는 않는다(Kanzaki 등, 2010). 미오신 ATPase 활동에서 신장성수축 유도 감소(eccentric contraction induced reduction)는 산화질소(nitric oxide)의 작용을 통해 매개되는 미오신 두꺼운 사슬 안에 구조적 작은 변화(perturbation)로부터 기인된 것으로 예상되며, 쥐의 앞정강근(tibialis anterior)에 20분 동안 25 ㎂, 0.3 Hz의 미세전류는 근수행력(muscle performance)의 회복에 유익한 도움을 주는 것으로 나타났다(Hiroshige 등, 2018). McMakin(2010)은 척추 외상과 관련이 있는 섬유성 근육통의 경우 무릎 반사는 과활동 상태이며, 특정한 피부절 지각과민(dermatomal hyperesthesia)이 있는데, 40 Hz와 10 Hz의 특정 주파수 조합으로 된 미세전류가 염증성 사이토카인(inflammatory cytokine)들을 감소시켰지만 다른 주파수들에서는 감소시키지 못했다고 하여 특정 주파수 미세전류가 염증완화에 효과가 있는 것으로 보고하였다. 따라서 미세전류가 근수행력 회복과 염증완화에 도움을 준 것으로 나타난 선행연구들을 검토해 볼 때, 본 연구에서 10분 동안 300 ㎂의 40 Hz 미세전류가 근육의 생체 역학적 특성을 반영하는 근탄성도나 근경직도에는 영향을 미치지 못했지만 근육의 긴장상태를 반영하는 근긴장도 증가 억제에는 도움을 준 것으로 나타난 것은 40 Hz의 특정 주파수 미세전류는 근수행력 회복과 신경반사의 과활동 감소에 근육의 생체 역학적 특성보다 ATPase 및 사이토카인 등과 같은 물질의 변화와 그로 인한 신경반사와 관련이 있을 것으로 생각되는 근긴장 상태에만 영향을 미치는 것으로 생각된다. 그리고 10분 동안 300 ㎂의 40 Hz 미세전류는 신장성수축으로 인한 지연성근육통을 유발시킨 근육의 근긴장도 이외에 탄성도나 경직도와 같은 근육의 생체 역학적 특성에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 근탄성도와 근경직도와 같은 기계적 특성들은 미세전류 적용 시간이나 기간 및 주파수, 적용 전류강도와 같은 좀 더 다양한 매개변수에 영향을 받는지에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 생각된다. 

 

Ⅴ. 결 론

본 연구는 건강한 여성 32명을 대상으로 미세전류의 주파수와 적용시기에 따른 지연성근육통 유발로 인한 근육의 기계적 특성변화에 대해 알아보고자 연구한 결과 미세전류의 주파수와 적용시기에 따라 근육의 기계적 특성 중 일부가 달라지는 것으로 나타났다. 40 Hz의 미세전류에서만 적용시기와 관계없이 지연성근육통 유발로 인한 근육의 긴장도 증가 억제에 도움을 주는 것으로 나타났다. 그러나 근경직도와 근탄성도는 미세전류의 주파수 및 적용시기에 관계없이 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 자료는 지연성근육통 등으로 인한 통증 및 관절가동범위 감소 등을 치료하기 위한 미세전류의 치료 연구 분야에서 근육의 기계적 특성변화와 관련한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.