[운동역학] 근전도 검사(EMG-electromyography)

운동 단위 (motor unit)

 

운동 단위 운동 뉴런과 해당하는 근육 섬유로 구성됩니다.

신경지배 비율은 운동뉴런이 관여하는 근육 섬유의 수를 나타내며 일반적으로 비율로 표현됩니다 (예: XX:1).

MU 수 및 신경 분포 비율은 근육마다 다릅니다. 눈과 손 근육의 신경 분포 비율은 작습니다. 

다리와 몸통 근육에 신경 분포 비율은 크다

 

짧은 무지 외전근: 171 MU, 신경 분포 비율: 90 

외직근: 4150 MU, 신경 분포 비율: 5
내측 비복근: 580 MU, 신경 분포 비율: 1934

 

신경근 접합부는 운 뉴런의 축삭과 근육 섬유 사이의 특수한 시냅스로, 여기서 신경전달물질인 아세틸콜린(ACh)이 방출됩니다. 이 접합부는 근육 위에 위치하여 신경계와 근육 간의 근육 수축을 위한 통신을 용이하게 합니다.

 

흥분-수축 결합(excitation- contraction coupling)

아세틸콜린(ACh )결합은 운동 말단판의 탈분극을 초래하고, 근섬유 근섬유 및 활동 전위는신경근 접합에서 모든 방향으로 바깥쪽으로 전파됩니다.

1. 운동뉴런 활동전위 생성
2. 시냅스전 신경 말단에 대한 ACh 방출
3. ACh와 근육 섬유 ACh 수용체의 결합
4. 근초sarcolemma)의 탈분극
5. T-세관에 의해 섬유 내로 활동 전위 전도
6. Ca++를 방출하기 위해 T-세관에 의한 SR 신호 전달
7. 트로포닌에 Ca++ 결합 - 액틴-미오신 허용
8. 힘 생성(액틴-미오신 상호작용)
9. SR로 Ca++ 다시 펌핑
10. Ca++ 농도가 감소하고 근육이 이완됩니다.

 

근전도 검사 (Electromyography; EMG)

근전도(EMG)는 근육이 수축할 때마다 방출되는 전기 신호를 기록하는 기술입니다. 근육 섬유가 활성화되면 신경 및 근육 섬유를 따라 활동전위가 이동하여 전기 신호를 생성하고, 이를 표면 전극 또는 내포 전극과 같은 적절한 장비를 사용하여 캡처할 수 있습니다.

EMG 기록은 근육 활동과 관련된 지역 전기 활동을 캡처하는 것을 포함합니다. 이러한 기록은 피부 위에 배치된 표면 전극 또는 근육 내에 직접 삽입되는 내포 전극과 같은 두 종류의 전극을 사용하여 생성할 수 있습니다.

증폭기 (amplifier)는 근육이 생성하는 작은 전기 신호를 증폭하는 것으로, EMG 시스템에서 중요한 구성 요소입니다. 증폭기는 EMG 신호를 감쇠하지 않도록 높은 입력 임피던스를 가져야 하며, 근육 활동 범위를 캡처할 수 있는 주파수 응답을 가져야 합니다.

 

표면 EMG 기록에서는 저항을 최소화하기 위해 피부-전극 접촉을 좋게 유지하는 것이 중요합니다. 이러한 기록은 내포 기록과 비교하여 단순성과 비침습성으로 자주 사용됩니다. 그러나 이러한 기록은 근육의 일부에서의 일반적인 전기 활동을 포함하며, 시간 및 공간 총합 효과를 포함합니다.

전극 배치에 대한 기술적 고려 사항은 전극을 강간 부위의 한쪽에 위치시키고 전극 사이의 거리 및 전극 면적을 최적화하는 것입니다. EMG 신호에 영향을 미치는 요인으로는 증폭기 및 녹음 장비의 품질, 전극 구성, 활성 모터 유닛의 수 및 깊이, 근육 표면과 전극 사이의 조직 사이의 공간 필터링 등이 있습니다.

 

EMG 기록은 근육 활동 이외의 다양한 소음과 아티팩트에 영향을 받을 수 있으며, 이는 정확성과 신뢰성을 제한할 수 있습니다.

1. 소음: EMG 기록의 소음은 근육 활동 이외의 원인으로 발생할 수 있습니다. 이것은 인공적인 것과 생물학적인 것으로 나눌 수 있습니다.
   • 인공적인 소음: 주로 전원 선로에서 발생하며(예: 북미의 경우 60Hz), 모터 및 기타 전기 기기에서도 발생할 수 있습니다.
   • 생물학적 소음: 예를 들어, 흉부 근육을 기록할 때 심전도 신호(ECG)가 간섭할 수 있습니다.
2. 아티팩트: 아티팩트는 EMG 기록 중에 다양한 이유로 발생할 수 있는 잘못된 신호입니다.
   • 운동 관련 아티팩트: 케이블의 이동이나 전극의 실수적인 접촉으로 인해 발생합니다.
3. 제한사항: 유용하긴 하지만, EMG 기록에는 특정한 제한 사항이 있습니다.
   • 크로스토크: 인근 근육이 조사 대상 근육의 EMG 신호에 기여할 수 있어 정확도에 영향을 줍니다.
   • 운동 아티팩트: 특히 폭발적인 운동이나 전극 접촉 중에 두드러지며, 주로 낮은 주파수로 제한되며 제거할 수 있습니다.
   • 깊은 근육: 깊은 축근의 EMG 신호를 정확하게 기록하는 것이 어려울 수 있습니다.
   • 개별 모터 유닛 (MU): 여러 모터 유닛에서 발생하는 신호가 겹치기 때문에 단일 차동 표면 EMG 기록으로 단일 모터 유닛의 활동을 식별하는 것이 어려울 수 있습니다.

이러한 제한 사항을 극복하기 위해 고밀도 표면 EMG 기술이 개발되었습니다. 이 방법은 근육의 여러 지점에서 EMG 신호를 캡처하기 위해 2D 배열로 배치된 여러 전극을 사용하는 것입니다. 이를 통해 EMG 조절의 더 나은 위치 결정, 근육 섬유의 식별 및 모터 유닛의 발사 패턴 분석이 가능해집니다.

 

근내 기록 (indwelling recording)

근내 기록(EMG 내포 기록)은 전용 장비인 와이어 또는 바늘을 사용하여 직접 근육 조직에 삽입하는 기술입니다. 이러한 기록 방법은 표면 EMG 기술과 비교하여 일부 장단점을 갖습니다.

장점:

1. 특정 근육 기록: 근내 기록은 특정 근육에서 정확한 기록을 가능하게 하여 그 활동에 대한 세부적인 통찰력을 제공합니다.
2. 크로스토크 감소: 표면 EMG와 달리, 근내 기록은 인근 근육으로부터의 크로스토크를 제거할 수 있어 더 깨끗한 신호를 얻을 수 있습니다.
3. 단일 MU 기록의 골드 스탠다드: 근내 기록은 단일 모터 유닛(MU) 활동을 기록하는 데 있어 높은 정밀성과 정확성을 제공하여 여전히 선호되는 방법입니다.
4. 깊은 근육으로부터의 기록: 근내 전극은 깊은 근육에 침투하여 깊은 조직층으로부터의 기록을 가능하게 합니다.
5. 모집 순서 및 발화 조절 가능: 이러한 기록은 모집 순서, 발화 조절 및 기능적 작업에서 모터 유닛의 영향을 평가할 수 있습니다. 발화 조절은 모터 유닛의 활성화 빈도를 조절하여 힘을 조절하는 생리적 전략으로, 근육 기능에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

제한 사항:

1. 근육 커버리지 제한: 근내 기록은 일반적으로 근육의 일부분만을 기록하여 근육 활동의 전반적인 표현을 제한합니다.
2. 기술적 어려움 및 침습성: 표면 EMG와 비교하여 근내 기록은 기술적으로 어렵고 침습적이며, 삽입에 대한 전문 기술 및 장비가 필요합니다.
3. 시간 소모적인 MU 식별: 근내 기록을 기반으로 개별 모터 유닛을 식별하는 것은 MU 작용 전위의 복잡한 형태 때문에 시간이 많이 걸리고 노동 집약적입니다.

요약하면, EMG 근내 기록은 근육 활동에 대한 정확하고 세부적인 통찰력을 제공하여 단일 모터 유닛 분석과 같은 특정 응용 분야에 있어서는 귀중한 도구입니다. 그러나 기술적인 도전과 제한 사항도 함께 고려되어야 하며, 연구 및 임상 환경에서의 사용에 대해 신중히 고려되어야 합니다.

 

EMG 주의 사항:

1. 비동기적 근육 활동: EMG에 의해 감지된 근육 활동은 동기화되지 않을 수 있으며, 작업 중 전극 근처에 있는 모든 활성 모터 유닛(MUs)의 시간적 및 공간적 합산을 포착합니다.
   • 근육 피로 및 전기 자극은 동기화에 영향을 줄 수 있으며 변동을 유발할 수 있습니다(예: ECG와의 관련성).
2. 보완 센서의 필요성: 근육 활동을 포괄적으로 이해하기 위해 EMG 기록 외에 다른 센서가 필요할 수 있습니다.
3. 다른 수축에 대한 동일한 EMG 신호: 다른 유형의 수축에도 불구하고 EMG 신호는 동일하게 보일 수 있으며, 해석 시 주의가 필요합니다.
4. EMG는 근력을 측정하지 않습니다: EMG 기록은 직접적으로 근육 힘을 측정하지 않지만, EMG 크기와 힘 사이의 관계를 확립할 수 있습니다.

응용 분야:

• 균형 조절 로봇이나 보조 장치의 제어에는 EMG 데이터가 유용하게 활용될 수 있습니다.

EMG-힘 관계:

1. EMG 크기 측정:
   • EMG 신호는 양의 및 음의 구성 요소를 갖는 진동적인 전기 활동을 나타냅니다.
   • 절대값을 취하는 정류, 정류 신호의 엔벨로프, 통합된 EMG, RMS 또는 전력과 같은 방법을 사용하여 정의된 기간 동안의 EMG 활동을 양적으로 평가합니다.
2. 가장 간단한 비교:
   • 등장 고정 수축은 힘과 EMG 크기 사이의 간단한 비교를 제공하며, 근육 길이, 속도 및 전극 아래 근육의 움직임과 관련된 복잡성을 피할 수 있습니다.
   • 그러나 이 관계는 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다.
3. EMG-힘 관계에 영향을 주는 요소:
   • 해부학적 요소: 신경-근육계 모양, 피하지방 두께, 모터 유닛 영역, 근육 섬유 분포 및 굴곡각.
   • 측정 시스템: 전극 특성, 배치 및 임피던스.
   • 기하학적 요소: 근육 섬유 축소, 전극과의 상대적인 운동.
   • 물리적 및 생리적 요소: 조직 전도도, 교차 간섭, 전도 속도, 활성화된 모터 유닛 수, 방전 속도 및 동기화.

요약하면, EMG는 근육 활동에 대한 유용한 통찰력을 제공하지만, EMG-힘 관계에 영향을 미치는 다양한 요소를 고려하여 정확한 평가와 의미 있는 응용을 보장해야 합니다.