[운동 역학] 힘줄,tendon

The mechanical propeties of tendons

직렬 탄성 근육 구성 요소 (SEC; Series elastic component)

근육은 수축할 때 힘을 생성하는 수축성 단백질(액틴과 미오신)로 구성됩니다. 이러한 수축 요소는 근육을 뼈에 연결하는 힘줄에 연결됩니다.

•힘줄은 근육을 뼈에 연결하는 단단한 구조가 아닙니다.
– 근육 기능에 긍정적인 영향을 미칠 만큼 적절한 양의 순응도를 갖고 있습니다.

•구조:
– 근육 주위의 결합 조직이 모여 힘줄을 형성합니다.
– 흰색, 광택이 있고 매끄러움
– 일부는 결합조직초로 둘러싸여 있으며, 일부는인접한 조직 및 피부에 연결되어 있다.

– 일부는 도르래를 감싸고 다른 일부는 근육에서 뼈까지 직선으로 당깁니다.

 

http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AEyemuscles.png, right: tendon structure

구조

- 주로 콜라겐으로 구성
- 콜라겐 분자가 엇갈린 패턴으로 배열되어 콜라겐 섬유를 생성
- 원섬유는 힘줄로 묶인 근막(fascia)으로 묶인 것입니다.

 

•광현미경으로 보면 가장 두드러지는 특징은 콜라겐 섬유의 물결 모양입니다.

 

•힘줄에 하중이 가해지면 이러한 물결 모양이 사라집니다.
–따라서 힘줄 유연성의 일부는 콜라겐 섬유의 물결 모양 구조로 인해 발생합니다.
–이 물결 모양 패턴을 크림프 패턴이라고 합니다.
– 힘줄의 점탄성에 기여하는 다른 구조: 글리코사미노글리칸 및 엘라스틴

* 이는 힘줄의 유연성과 탄성을 결정하는 중요한 성분입니다. 글리코사미노글리칸은 힘줄 내부의 수분을 유지하고 힘줄의 견고성을 증가시키는데 기여하며, 엘라스틴은 힘줄이 신축성을 유지하고 신속하게 원래 모양으로 복원되도록 합니다. 이러한 구조물은 힘줄의 점성과 탄성을 조절하여 근육 수축과 같은 운동 중에 발생하는 힘을 흡수하고 분산시키는 데 중요한 역할을 합니다.

 

기계적 성질

 

스트레스(stress)와 변형( strain) 은 인간 조직의 중요한 특성입니다.

– 스트레스(stress): 외부에서 부하가 가해졌을 때 조직에서 발생하는 저항
– 변형(Strain): 외부 하중에 따른 조직의 변형

•힘줄은 근육과 달리 수동적인 구조로 능동적인 긴장을 일으키지 않습니다.
•힘줄의 응력-변형 특성을 문서화하기 위해 힘줄을 힘 변환기에 연결하고 잡아늘립니다.

Lieber, R. (2002). Skeletal muscle structure, function, and plasticity: the physiological basis of rehabilitation 2nd ed. Lippincott Williams & Wilkins. Figure 3-2.

** 힘줄: 응력-변형

–낮은 하중에 비교적 순응성이 있다. 예: 발가락 부분
– 하중이 증가할수록 힘줄의 강성이 증가함
– 비선형적으로 동작
***긴 힘줄은 동일한 하중이 가해질 때 짧은 힘줄보다 더 많이 변형됩니다.



•조직의 응력-변형 특성을 비교하는 편리한 방법 중 하나는 영률(Young's Modulus)을 사용하는 것입니다.
•영률:
– 힘줄 : 1000kPa (연목 : 600kPa)
– 수동 근육 : 10kPa (고무 : 20kPa)


– 피질골(cortical bone) : 17000kPa (경목 : 15000kPa)

 

• 근육 수축 중에는 근육이 힘줄에 부하를 가하기 때문에 힘줄이 긴장됩니다.
• 힘줄의 신장 정도는 힘줄의 강성에 따라 달라집니다.
  힘줄의 하중 변형은 근육 기능에 긍정적인 영향을 미치도록 잘 조정되어야 합니다.
  힘줄의 영률은 약 100배 수동 근육보다 크다
  평균적으로 힘줄의 긴장은 최대 등척성 근육 장력에서 약 3%입니다.
• 또한 힘줄은 상대적으로 무세포성이고 혈관 공급이 좋지 않습니다.
  - 힘줄 부상은 치료하는 데 더 오랜 시간이 필요함

 

힘줄과 등척성(isometric) 운동

isometric action

- 전체 근육의 길이는 변하지 않습니다.

-등척성 운동중에는 근절(sarcomere) 가 먼저 활성화됩니다.

-장력은 내부 힘을 생성하지 않고 패턴을 먼저 생성해냅니다.

- 근절이 수축하게 되면, 힘줄이 늘어나게 된다,

 

*활성 근육의 힘 생성은 주로 두 가지 중요한 특성, 즉 힘-길이와 힘-속도 관계에 따라 달라진다.

•근육이 활성화되고 FL & FV 관계에 따라 힘이 발생하면 힘줄이 긴장됩니다.
– 이렇게 하면 근육이 더욱 짧아질 수 있습니다.

• 힘줄 신장의 크기는 응력-변형 특성에 따라 달라집니다.
•결과: 고정된 관절 각도에서의 근육 활성화는 진정한 등척성 수축으로만 이어지지는 않습니다…

passive msulce and active musclce

 

 

적용: 균형

 

균형에 대한 고전적 견해에서는 발목 관절 주위를 진동하는 역진자의 비유하였고 균형 조절은 다음을 통해 이루어질 것으로 예상되었다.
반사 조절
– 반사 신경은 신체의 움직임에 반응하여 평형을 유지하는 힘을 생성합니다.
균형을 유지하는 데 필요한 힘은 활성 근육의 용수철 같은 강성을 통해 생성됩니다.
앞으로 흔들면 활동하는 동안 종아리 근육이 늘어나(편심 동작) 근육 활동이 증가하고 신체 위치가 '중립' 위치로 회복되는 반사 신경을 유도합니다.

 

몸이 앞으로 기울어지면 하퇴 삼두근은 균형을 유지하기 위해 근육 길이와 긴장의 변화를 경험합니다. Loram의 논문은 서 있는 균형 작업 중 가자미근(SOL) 및 비복근(가스) 근육의 동작과 관련된 중요한 발견을 강조합니다.

최근 연구에서는
가자미근(Soleus) 및 비복근(gastrocnemius)은 서 있는 균형을 유지할 때 '역설적인' 수축을 나타냅니다.
우리가 앞으로 흔들리면 가자미근과 비복근 근육 섬유는 활동하는 동안 짧아집니다(동심 작용).

뒤로 흔들릴 때 수동적으로 길어집니다.
스프링과 같은 강성으로 균형을 조절한다는 개념과 대조됩니다.
– 힘줄의 강성이 정적 안정화에 부족함
반복적인 자극을 통한 균형 조절(근육 길이의 일시적인 변화)

기타 고려 사항

•관절을 움직이게 하면 근육-힘줄 단위가 일정한 속도로 단축되더라도 근육섬유와 힘줄이 일정한 속도로 단축되지 않을 수 있습니다…
•이러한 관찰은 다양한 근육 활동 중 근육 섬유의 길이/속도를 추정하기 위한 간단한 생체 역학 모델의 사용을 심각하게 제한합니다.