The purpose of this work is to develop the FES controller that can cope with the muscle fatigue which is one of the most important problems of current FES (Functional Electrical Stimulation). The feasibility of the proposed FES controller was evaluated by simulation. We used a fitness function to describe the effect of muscle fatigue and recovery process. The FES control system was developed based on the biological neuronal system. Specifically, we used PD (Proportional and Derivative) and GC (Gravity Compensation) control, which was described by the neuronal feedback structure. It was possible to control of multiple joints and muscles by using the phase-based PD and GC control method and the static optimization. As a result, the proposed FES control system could maintain the cycling motion in spite of the muscle fatigue. It is expected that the proposed FES controller will play an important role in the rehabilitation of SCI patient.
배경: 전기적인 자극에 의하여 골격근의 피로현상이 극복됨으로써 골격근을 심장보조장치에 이용할 수 있게 되었다. 인공심장이나 심실보조기구는 에너지원의 전원장치가 크고 거추장스러운 단점이 있어 아직 해결해야될 문제이다. 반면 골격근을 이용한 심실보조장치는 에너지원으로 환자 자신의 골격근 수축력을 이용할 수 있는 장점이 있어 이의 임상응용 가능성을 제시하고자 한다. 대상 및 방법: 8예의 광배근을 이용하여 골격근 심실의 모형을 만들었다. 물이 담긴 라텍스 주머니를 골격근이 한바퀴 반 감싸도록 고안하였고 골격근의 수축압력은 연결된 관을 통하여 변환기에 기록되도록 하였다. 전극은 흉배신경 주위에 설치한 후 Itrel 7420 박동기에 연결하였다. 프로그래머로 박동기를 조절하였으며 3.0Volt, cyclic burst, 0.31초 on time, 6.0초 off time의 자극을 주었다. 라텍스 주머니 내에 액체의 양을 25cc 씩 증가시키면서 전부하의 변화에 따른 골격근 심실의 박출량과 압력 및 수축력을 측정하였다. 결과: 골격근 심실의 전부하가 0인 경우 일회박출량은 76.3ml 이고, 전부하가 점차 증가함에 따라 일회박출량이 감소하는 경향을 보였다. 전부하가 75cc 이상이 되면 일회박출량은 70ml 이하로 감소하는 양상을 볼 수 있었다. 압력을 측정한 결과도 전부하가 75cc 이하인 경우 정상의 혈압과 비슷한 107mmHg 이상의 혈압을 보이고 있으나 전부하가 100cc 이상 증가하는 경우 혈압이 100mmHg 이하로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 또한 최대의 골격근 수축력은 50cc의 전부하에서 16.6 W/kg의 힘을 분출하였다. 결론: 골격근 심실은 전부하의 변화에 따라 정상 심장보다도 강한 박출량과 압력의 변화를 관찰할 수 있었으며 임상 응용의 가능성을 볼 수 있었다.
Purpose: This study was conducted in order to determine the stimulation variables which should be considered when neuromuscular electrical stimulation (NMES) is applied for a muscle under the normal innervation to minimize muscle fatigue and increase force-generating ability. Methods: A total of 23 healthy men participated in the study and all subjects were randomly assigned to the 1:1 group, 1:3 group, 1:5 group, and control group with on-off ratio of NMES. The subjects performed a fatigue task, consisting of 10 times of isometric contraction sustained by NMES. NMES using Russian current stimulation was applied to muscle fatigue and divided into three sessions by pulse frequency (10 bps, 30 bps, 90 bps). The EMG was recorded using an MP 100 system from the quadriceps femoris muscle in four groups. Results: The differences of delta MdF and delta MF of between on-off ratio groups of 10 bps, 30 bps, and 90 bps pulse frequencies were very significant (p<0.05). According to the results of post hoc of 10, 90 bps, it was greater in the 1:1 group and the 1:3 group compared with the 1:5 group, and no fatigue was observed in the control group. In 30 bps, it was greater in the 1:1 group compared with 1:3, 1:5, and control group (p<.05). Conclusion: Among NMES variables to minimize muscle fatigue, the larger on-off ratio by pulse frequency showed the lower muscle fatigue. Therefore, on-off ratio needs to be great enough, and will be more efficient with the frequency 30 bps rather than of 10 bps and 90 bps.
Prostaglandins are generated through two isoforms of the enzyme cyclooxygenase, constitutively expressed cyclooxygenase(COX)-1 and COX-2, which is induced at sites of inflammation. Inhibition of COX-2 is desirable as this may avoid side effects seen with NSAIDs. We examined the effects of transcutaneous electrical nerve stimulation and cold therapy on the levels of muscle cycloooxygenase-2 mRNA in rats of carrageenan-induced inflammatory. The method of behavioral assessment were paw withdrawal latency(PWL) and tail flick test(TFT). The COX-2 mRNA levels were quantified by reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR). Following the transcutaneous electrical nerve stimulation and cold therapy, PWL and TFT were increased and COX-2 mRNA expression in gastrocnemius muscles were decreased. These results suggest that a transcutaneous electrical nerve stimulation and cold therapy were good therapy for a muscle pain.
GABA는 중추신경계의 대표적인 신경전달 물질로서 $GABA_A$수용체 또는 $GABA_B$수용체에 작용하여 진정 작용, 항 불안 작용, 및 근이완 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 근래에는 말초조직에도 GABA가 존재하며 신경조정인자 혹은 신경전달인자로서 작용한다는 보고가 있다. 정관에 대한 자율신경 지배는 아드레날린성, 콜린성과 비콜린성 비아드레날린성 신경섬유들이 분포하고 있으나, 종 혹은 부위에 따라 이들 구성요소들의 수축성에 대한기여도가 다른 것으로 알려져 있다. 본 실험에서는 흰쥐의 전립선 부위 정관의 기본장력 및 전기장 유발 수축에 대한 교감 신경성, 부교감 신경성 및 퓨린성 효현제의 영향을 관찰하였으며, 정관의 흥분성 약물 및 전기장 유발 수축에 미치는 GABA 및 GABA 관련 약물의 영향을 관찰함으로서 정관의 수축운동에 대한 GABA의 작용기전을 규명해 보고자 흰쥐(Sprague-Dawley)의 전립선 부위 정관 절편을 적출 근편 실조에 현수하고, 등척성 장력을 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. GABA, muscimol 및 baclofen은 전기장자극(0.2 Hz, 1 msec, 80 V) 유발 수축을 농도 의존적으로 억제하였으며 그 효력은 GABA, baclofen 그리고 muscimol 순이었다. 2. GABA의 억제작용은 $GABA_B$ 수용체 길항제인 DAVA에 의하여 길항되었으나, $GABA_A$ 수용체 길항제인 bicuculline에 의해서는 길항되지 않았다. 3. Baclofen의 억제작용은 DAVA에 의하여 길항되었으나 muscimol의 억제작용은 bicuculline에 의해서는 길항되지 않았다. 4. Norepinephrine과 ATP는 농도 의존적으로 정관의 수축력을 증가 시켰으나 acetylcholine은 영향을 미치지 못하였다. 5. GABA, baclofen 및 muscimol은 정관의 기본 장력에는 영향을 미치지 않았으며, GABA는 norepinephrine과 ATP 유발 수축에는 영향을 주지 못하였다. 6. 적출 정관을 20초간 전기장 자극을 가하였을 때 ATP 수용체 탈감작제인 mATP를 전처치한 경우에는 FPC가 감소되었고, 신경원에서 catecholamine을 고갈시키는 reserpine을 전처치한 경우에는 STC가 감소되었다. 7. GABA는 mATP를 전처치한 군에서는 정관의 전기장 유발 수축에 영향을 주지 못하였으나, reserpine을 전처치한 군에서는 전기장 유발 수축을 억제하였다. 이상의 결과로 보아 흰쥐정관의 전립선 부위에는 아드레날린성 신경전달기전과 퓨린성 신경전달기전이 동시에 작용하고 있으며, GABA는 주로 신경원의 $GABA_B$ 수용체를 통하여 ATP의 유리를 억제하는 것으로 사료된다.
The purpose of this study was to determine the effect of muscle contraction torque and muscle fatigue by low-frequency PC. In this article, We would like to experiment on electrical stimulation, determine optimal forms of stimulation setting. We used normal fourteen subjects(seven women, seven men) without neuromuscular disease and all subjects participated in the 3 session. Torque was measured using a computerized Kin-Com dynamometer for MVIC, MIC, Fatigue tests. The following results were obtained; 1. Torque of man were significantly higher than women in the MIC test(p<.05). 2. Torque of women, man were significantly decreased in the Fatigue test(p<.001). Between woman and man groups were significant difference(p<.05). These results lead us to the conclusion that muscle fatigue was influenced by PC, fatigue of women was higher than man. Therefore, A further studies concerning the electrical stimulation should consider differences between sexes in response to treatment and could enhance the development of the most effective treatment regimens.
The present studies are designed to determine whether the NMES can affect the muscle atrophy in rats following administration of steroid. Rats were divided into four groups: 1) Control group treated with administration of distilled water. 2) The group treated with administration of steroid. 3) The group treated with NMES once a day after adminstration of steroid. 4) The group treated with NMES twice a day after administration of steroid. The muscle atrophy was induced by one week administration of dexamethasone once a day by 3 mg/kg. The change in the structure of muscle fiber and the amount. of myofibril protein and gastrocnemius were determined after every week dissection of the tissues. The results were as follows; 1. The administration of steroid significantly affected the decrease in the weight, but NMES did not affect the inhibition of decrease in the weight. 2. The weight of gastrocnemius in the group once treated with NMES was changed two weeks later; similarly in the group twice treated with NMES significantly did two or three weeks later. These indicated that NMES affected the muscular activation of gastrocnemius(p<.05). 3. The changes in the amount of gastrocnemius protein by NMES might, indicate that NMES activated the capacity of synthesis of muscle fiber protein(p<.05).
The purpose of this study was to determine the effect of neuromuscular electrical stimulation(NMES) on the alteration of spinal motor neuron excitability. In this article, I would like to experiment on a standard capacity of clinical electrophysiology, a difference in applying methods and a clinical efficiency of NMES by Nerve conduction velocity. We used normal eight subjects without neuromuscular disease and all subjects participated 3 session, which at least 1 week between session. Participants classified according to each group in Antagonist, Agonist, Antagonist-Agonist by the NMES. The test was measured continuously pre test, post-test, post 20 minute test by EMG including H reflex, F wave, motor nerve conduction velocity(MNCV). The following results were obtained; 1. H-reflex latencies and H/M intervals were significantly increased in agonist and antagonist-agonist group(p<.01). 2. H-reflex amplitudes and H/M ratios were significantly decreased in agonist and antagonist-agonist group(p<.01). In agonist group, H-reflex amplitudes and H/M ratios were more significantly decreased than antagonist group. 3. F-wave latencies were significantly increased in agonist and antagonist-agonist group(p<.01). F/M intervals were significantly increased in antagonist-agonist group(p<.01). F wave conduction velocities were significantly increased in agonist and antagonist-agonist group(p<.01) but F/M ratios were not significant. 4. MNCV were significantly decreased in agonist(p<.01). These results lead us to the conclusion that agonist and Antagonist-agonist was significantly decreased excitability of spinal motor neuron. Conversely, Antagonist does not decreased. Therefore, A further direction of this study will be to provide more evidence that NMES have an effect on excitability of spinal motor neurons in UMN syndrome.
The purpose of this study was to study for the change of neural adaptation by muscle contraction force when neuromuscular electrical stimulation(NMES) was applied. Sixteen subjects(8 male, 8 female) without neuromuscular disease volunteered to participate in the study. All subjects were divided into two subgroups: control(no electrical stimulation) group, NMES(50% maximal voluntary isometric contraction) group. NMES training program was performed in the calf muscle over three times a week for 12 weeks. Before and after experiment MVIC of ankle plantar flexor was measured by use of dynamometer. H-reflex and V-wave in tibial nerve were measured. The following results were obtained; MVIC and V/Mmax ratio were significantly increased in the electrical stimulation groups. However, H/Mmax ratio was not changed. It was closely relationship between MVIC and V/Mmax ratio. In this study, the effect of neural adaptation of central neural adaptation was found in this study. Accordingly, NMES means not only a change of muscle fiber and skeletal muscle volume but also a effect of neural adaptation of central neural drive. Also, it was found that there was closely relationship between MVIC and neural adaptation of central neural drive by NMES.
항우울제에 속하는 imipramine은 유뇨증에 대한 치료제로서도 널리 사용되고 있다. Imipramine이 유뇨증 치료제로서의 명백한 치료효과를 보이기는 하나, 그 작용기전에 대해서는 아직 논란이 많다. 그 중 가장 유력한 설은 말초성 자율신경에 대한 작용으로서 무스카린성 길항작용과 교감신경말단에서의 catecholamine 재섭취 방해작용 및 직접적인 방광근 이완 작용 등이 제시되고 있다. 또 최근에는 방광 평활근에 대한 직접작용에 칼슘 이동 억압 작용이 중요한 역할을 한다고 주장되고 있다. 이에 본 실험에서는 흰쥐의 적출방광 배뇨근 절편을 사용하여 imipramine의 항유뇨작용과 calcium동원과의 관련성을 추구하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 배뇨근 절편은 전기장자극에 의해 주파수의존적으로 수축하였는데, 이 전기장자극 유발 수축반응은 imipramine에 의해 농도 의존적으로 억제되었고 고농도에서는 완전히 소실되었으나, atropine에 의해서는 고농도에서도 소실되지 않았다. 2. Imipramine은 자발수축 및 기본 장력에 대하여 이들을 농도 의존적인 양상으로 억제하였으며, 이 억제작용은 diltiazem에 의한 억제와 유사하였다. 그러나 atropine은 배뇨근절편의 기본장력이나 자발수축에 아무런 영향도 미치지 않았다. 3. $^*Imipramine$은 bethanechol 유발수축과 adenosine triphosphate (ATP) 유발수축을 농도의존적으로 억압하였다. 4. Imipramine은 칼슘배제용액에서 칼슘 첨가에의한 수축성의 회복을 억제하였는데, 이러한 작용은 diltiazem보다 그 효력이 낮았으나 그 작용양상은 유사하였다. 5. Imipramine에 의해 감소되었던 배뇨근절편의 기본장력은 calcium ionophore인 A23187에 의해 회복되었다. 칼슘배제 영양액에 장시간 노출됨으로써 기본장력은 소실되었으며, imipramine을 전처치한 경우는 A23187첨가에 의해 장력이 회복되지 않았으나, 세포내칼슘 유리억제제인 trimethoxybenzoic acid 8-(diethylamino)octyl ester [TMB-8]을 전처치한 경우 A23187은 배뇨근의 기본장력을 현저히 회복시켰다. 이상의 결과로 미루어 보아 imipramine의 배뇨근 수축 억제작용의 기전에는 무스카린성 및 퓨린성 수용체봉쇄작용도 관여하나, 주된 기전은 평활근세포에 직접 작용하여 세포외 칼슘의 유입을 억제하는 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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