연구동향
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운동 기능 향상을 위한 근육 간 협응 기반 훈련 및 관련 기계 기술
박정호 (한국과학기술원 기계기술연구소)

지난 연구동향 분석에서는 인체의 운동 제어 전략의 한 측면인 근육 간 협응(intermuscular coordination)의 개념과 기계 기술로 구현되는 인간-기계의 물리적 상호작용에 따른 근육 간 협응의 변화를 신경계 질환 환자군의 사례를 중심으로 살펴보았습니다. 근육 간 협응은 서로 다른 기능을 하는 여러 근육을 어떻게 조화롭게 사용하는지를 나타내며, 근육 간 협응의 차이는 특정 작업(및 그 작업을 달성하기 위해 필요한 일련의 인체 운동)을 성공적으로 수행하는 정도의 차이를 유발할 수 있습니다. 주어진 작업(운동 목적)에 최적화된 근육 간 협응으로 효율적으로 근육을 동원한다면 작업을 성공적으로 수행할 수 있고, 반대로 운동 목적과 맞지 않게 근육을 활용한다면 작업을 성공적으로 수행하기 힘들 것입니다. 이번 연구동향 분석에서는 근육 간 협응의 변화를 유발하기 위해서 개발된 훈련 방법들과 각 연구 사례에서 어떤 기계 기술이 사용되었는지 소개하도록 하겠습니다.


먼저, 본격적인 연구 사례 소개에 앞서 근육 간 협응의 개념과 근육 간 협응의 주된 분석 방법인 근육 시너지 분석에 대하여 다시 한 번 짧게 소개하겠습니다. (보다 자세한 설명과 연구 사례는 지난 연구동향 분석을 참고해 주시기 바랍니다.) 작업에 필요한 최소한의 기구학적 자유도와 그 자유도만큼의 구동기를 갖는 일반적인 로봇 시스템과 달리, 여분의 기구학적 자유도와 구동기(근육)를 가진 인체를 로봇과 같이 각 관절과 근육을 일일이 제어하기란 매우 어려울 것입니다. 하지만, 우리의 뇌는 일상 생활 중 많은 상황에서 무의식적으로 다양한 운동을 수행하는데, 그 운동을 수행하기 위해 많은 수의 근육의 제어가 필요하다는 점을 떠올리면, 인체의 운동제어는 생각만큼 높은 복잡도를 가진 문제가 아니라는 가능성을 유추해볼 수 있습니다.

‘근육 시너지(muscle synergy)’ 가설은 인체가 개별 근육을 따로 제어하는 것이 아니라, 여러 근육을 일정한 방식으로 조합해 놓은 적은 수의 운동 모듈(motor module) 의 사용 타이밍과 정도를 제어하여 운동을 수행하는 방식으로 운동 제어의 복잡도를 낮춘다는 가설입니다 [1], [2]. 즉, 어떤 운동을 수행하는지에 따라 적절한 운동 모듈을 선택하고 해당 운동 모듈을 언제 얼만큼 사용할지를 결정해 운동 수행에 필요한 다양한 근육 활성의 패턴을 생성합니다 (Fig 1).


근육 시너지 개념에 기반한 근육 간 협응 연구에서는 동시에 여러 근육으로부터 수집된 다채널(multi-channel) 근전도 데이터에 주성분분석(PCA), 독립성분분석(ICA), 음수미포함행렬분해(NNMF) 등 다양한 차원축소(dimensionality reduction) 알고리즘을 적용하여 어떤 근육들이 하나의 운동 모듈로 묶여 있으며, 각 운동 모듈이 언제, 얼만큼 사용되는지를 분석합니다.


지난 연구동향 분석에서 뇌졸중 환자군에 대한 연구 사례를 중심으로 신경계 손상 환자가 비장애인과 근육 시너지에서 어떤 차이를 나타내는지 살펴보았습니다. 어떤 운동 조건 (동작 제한, 힘 보조 등 운동 중 발생하는 기계와의 물리적 상호작용)에서 운동을 하는지에 따라 차이는 있지만,


위와 같은 변화들로 인해, 비장애인과 비교하여 같은 운동을 수행할 때 근육을 효율적으로 사용하지 못하고 운동 능력이 저하됩니다.

신경계 손상 유무에 따른 비교를 넘어, 장애가 없는 건강한 사람들 사이에서도 운동 능력에 따라서 근육 시너지의 차이를 보일까요? 신경계 손상 후의 운동 장애를 근육 간 협응 측면에서 설명하는 연구 사례와 동일한 방식으로 운동 능력이 좋은 사람과 그렇지 않은 사람 간의 운동 제어 방식의 차이를 근육 간 협응의 관점에서 설명하는 연구들이 다수 보고되었습니다. 일부 연구 사례를 살펴보겠습니다.

2018년 Matsunaga 등은 경력 7년 이상의 배트민턴 숙련자와 경력 3년 이하의 비숙련자를 대상으로 스매쉬 동작을 하는 동안 상체와 팔 근육 13개의 근육 시너지를 비교하였습니다 [3]. 근육 시너지 수를 비교했을 때, 비숙련자 그룹은 2개의 시너지로 근육 활성 패턴을 설명할 수 있는 반면, 숙련자 그룹의 근육 활성은 3개의 근육 시너지로 설명되었습니다. 두 그룹은 하나의 공통된 시너지를 활용하고 있었는데, 왼쪽 외복사근(External Oblique)으로 주로 구성된 시너지로 스매쉬 동작의 (시간 기준) 25% 지점에서 최대 활성이 나타났습니다. 왼쪽 외복사근의 생체역학적 기능(허리 앞으로 숙이기, 비틀기)을 고려할 때, 왼쪽 외복사근의 활성을 통해 허리를 틀어 오른손으로 수행하는 스매쉬의 강도를 높이려는 것으로 이해됩니다.



앞서 근육 시너지 수를 비교하며 알아본 바와 같이 숙련 그룹은 비숙련 그룹에 비해 하나 많은 근육 시너지를 사용하고 있었습니다. 숙련 선수들만이 사용하는 시너지의 형태를 살펴보면 좌우측 내복사근(Internal Oblique)이 동시에 사용되며, 우측 외복사근 및 여러 전완 근육들이 함께 사용되었습니다. 시간 활성의 측면에서는 임팩트 (셔틀콕을 치는) 순간에 최대 활성이 나타났습니다. 근육 구성으로부터 해당 근육 시너지의 역할을 미루어 짐작해보면, 전완 근육을 이용해 라켓을 안정적으로 쥐고, 허리 근육을 통해 상체의 자세를 유지하는 기능을 하리라 추정됩니다.

2018년 김민희 등은 한국의 국가대표 여자 아이스하키 선수들과 전문적인 운동 경험이 없는 성인을 대상으로 발판의 흔들림에 저항하여 균형을 유지하는 동안의 몸통 및 다리의 근육 16종의 활성을 설명하는 근육 시너지를 관찰하였습니다 [4]. 아이스하키 선수 그룹은 일반인 그룹에 비하여 외란(perturbation)에 반응하고 다시 균형을 회복하기 위하여 몸의 질량 중심(CoM)의 위치가 이동하는 시점이 더 빠르며 (반응기: -13%, 회복기: -20%), 더 작은 폭의 움직임으로도 (-14%) 균형을 유지하는 것으로 나타났습니다. 근육 시너지를 분석했을 때, 두 그룹 사이에 근육 시너지 수는 외란에 대한 반응기에서 약 6개, 회복기에서 약 7개로 유사하게 나타났습니다. 두 그룹의 근육 시너지 형태를 비교했을 때, 회복기에 사용하는 근육 시너지는 유사했지만, 반응기에 두 그룹이 사용하는 근육 시너지 형태가 달랐습니다. 아이스하키 선수 그룹이 사용하는 근육 시너지의 특징은 발목에 있어 반대 기능을 하는 근육들이 동시 수축하는 비율이 낮다는 점입니다. 전문적인 운동 경험이 없는 일반인 그룹은 반대 기능을 하는 근육을 동시에 사용한 탓에 발목이 뻣뻣해져 외란에 효과적으로 대응하지 못하지만, 선수 그룹은 발목을 유연하게 유지하며 외란에 효과적으로 대응한다는 것을 의미합니다.


2020년 Cheung 등은 달리기 운동의 근육 시너지가 어린이의 발달 과정과 성인의 달리기 훈련에 따라 어떻게 변하는지 분석하고, 달리기 능력 지표와 시너지 변화와의 연관성을 조사하였습니다 [5]. 이번 분석에서는 성인을 대상으로 훈련에 따른 달리기 근육 시너지 변화를 관찰한 결과를 소개하겠습니다. 성인을 달리기 경력과 수준에 따라 5개 그룹 (0개월, 3개월, 6개월, 2~10년 및 풀코스 마라토너)로 나누어 근육 시너지를 비교하였습니다. 경력 3개월 이하의 비숙련 그룹은 숙련 그룹에 비하여 사용하는 근육 시너지의 수가 더 많았습니다.
즉, 달리기 훈련에 따라 달릴 때 사용하는 근육 시너지의 수가 감소한다는 점을 의미합니다. 다만 시너지들이 병합될 때 무질서하게 합쳐지는 것이 아니라 특정한 시너지들이 병합(merging)되어 특정한 근육 조합을 형성하며, 달리기 운동의 에너지 효율을 높이는데 도움이 되는 것으로 나타났습니다.


2023년 Baifa 등은 아마추어, 지역대표 및 국가대표와 같은 다양한 수준의 양궁 선수를 대상으로 화살을 쏘는 동안의 몸통 및 팔의 근육 시너지를 관찰하여, 활쏘기 능력과 연관된 근육 시너지 차이를 분석하였습니다 [6]. 세 그룹의 선수들은 약 3개의 근육 시너지를 사용하여 그룹 간에는 시너지 수의 차이는 없었습니다. 활쏘기 수준에 따라서 근육 시너지 형태에서 약간의 차이는 있었으나, 주된 차이는 Follow-through (조준 이후 활줄을 놓는) 동작을 담당하는 시너지의 활성이 아마추어 선수 그룹에서 더 빠르게 나타나는 점이었습니다. 이로부터 연구자들은 활쏘기 능력의 차이는 근육 시너지의 활성 타이밍을 조절하는 것과 연관이 있을 것이라는 결론을 내렸으며, 이를 바탕으로 양궁 훈련 전략을 제안하기도 하였습니다.

위 연구 사례들을 종합하면, 상대적으로 운동 능력이 좋은 그룹은 그렇지 않은 그룹에 비하여 운동 목적에 특화된 방식으로 근육 시너지를 활용합니다. 목표로 하는 운동 목적에 맞추어 특정한 근육을 조합한 운동 모듈(근육 시너지)의 사용 방법을 학습했다고 보입니다. 이와 같은 연구 결과는 특정한 형태의 근육 시너지 또는 근육 시너지의 활성 타이밍을 익히는 것이 운동 능력에 도움이 될 수 있다는 점을 시사합니다. 그럼 특정한 형태의 근육 시너지를 습득하기 위해 어떤 훈련 전략들이 개발되었고, 기계 기술은 어떻게 활용되고 있을까요?


2020년 Torricelli 등은 10명의 건강한 성인을 대상으로 다리로 자전거 페달 밟기 운동을 하는 동안 특정 근육의 활성 시점을 늦추는 훈련을 통해 다리 근육의 시너지에 어떤 변화가 생기는지를 관찰하였습니다 [7]. 이를 위하여 피험자에게는 훈련의 목표 근육의 실시간 근전도(EMG) 세기 정보를 시각적 피드백으로 제공하였고, 그 외 주어진 훈련 목표에 관한 어떠한 코칭도 일절 제공하지 않았습니다. 피험자는 주어진 훈련 시간 중 해당 근육의 활성 시점을 최대한 늦출 수 있는 새로운 페달 밟기 운동 방법을 나름대로 찾아야 했습니다. 실험자들은 총 3개의 근육에 대해서 훈련과 평가를 반복하였습니다.


참가자들은 주어진 훈련 시간 내에 특정 근육의 활성을 늦출 수 있는 페달 밟기 운동 방법을 습득하였습니다. 피험자와 목표 근육에 따라 차이가 있지만 목표 근육의 최대 활성 시점이 훈련 전에 비하여 (페달 밟기 1회를 360도 표현했을 때) 평균 50도 가량 늦추었습니다. 측정한 전체 근육의 근전도를 비교했을 때, 목표 근육의 근전도 개형과 세기만 변한 것이 아니라, 많은 수의 근육들에서 동시에 변화가 나타나 전반적인 근육 사용 방식에 영향을 미쳤다는 점이 관찰되었습니다. 연구자들은 훈련 전과 후의 근육 시너지를 비교하였습니다. 훈련 전과 비교하여, 훈련 후 근육 시너지 형태 (근육 가중치)에 다소 변화가 나타났지만, 대체로 근육 조합이 훈련 전과 후에 일정하게 나타나는 것을 확인하였습니다. 목표 근육의 활성을 늦췄던 만큼 각 시너지가 활성되는 타이밍이 늦춰지는 변화가 관찰되었습니다. 이로부터 저자들은 연구에서 제공한 단기간의 훈련에서는 근육 시너지 형태 (근육 조합)보다는 근육 시너지의 시간적 활성에 변화가 우선적으로 나타난다고 추정하였습니다. 연구자들은 신경재활 분야에서 기계를 이용한 페달 밟기 운동이 보행 관련 전반적인 능력 개선에 널리 사용되는 만큼, 제안한 페달 밟기 운동 중 근육 활성 시점을 지연시키는 훈련을 통해 근육 간 협응의 변화를 유발할 수 있는 점을 토대로 페달 밟기 운동을 이용한 근육 간 협응 기반 보행 재활 훈련의 가능성을 시사하였습니다.

2022년 Niijima 등은 전기적 근육 자극 (electrical muscle stimulation) 기술을 활용하여 피아노 연주에 필요한 근육 시너지를 훈련시키는 연구를 진행하였습니다 [8]. 피아노 연주 기법 중, 다른 손가락 아래로 엄지를 움직여 건반을 누르는 “thumb-under” 기법은 엄지의 활용도를 높여 연주의 속도를 일정하게 유지하는 데 효용성이 높은 연주 기법이라고 합니다. 다른 손가락 아래에서 엄지를 움직이기 용이한 상지 자세를 만들기 위해 상지의 전체적인 움직임이 동반되기도 합니다. Thumb-under 연주에 활용되는 어깨 및 전완 근육의 근육 시너지를 비교했을 때, 피아노 연주 숙련자에 비하여 초보자는 전반적으로 어깨 근육의 참여도가 낮으며, 연구자들은 이로 인해 연주 속도의 불균일함 등이 초래된다고 추정하였습니다. 따라서 thumb-under 연주 시 어깨 근육의 참여도를 높이는 것이 훈련 목표로 설정되었습니다.


피아노에 대한 훈련을 받은 경험이 없는 초보 연주자들을 대상으로 어깨 근육에 전기적 자극을 제공하는 상태로 10분 동안 thumb-under 연주 훈련을 실시하였습니다. 훈련 후 어깨 근육의 활성도가 훈련 전과 비교하여 증가하였고, 근육 시너지의 형태가 전문가의 시너지 모양과 유사해졌다고 평가하였습니다. 건반을 누르는 속도의 변동성이 줄어드는 연주 기능의 개선도 동반되었습니다. 다만 전기적 자극 훈련 대신 단순 훈련을 받은 대조군에서도 유사한 시너지의 변화가 유사하게 나타났지만, 연주 속도의 변동성은 오히려 더 증가하였습니다.


2017년 Hesam-Shariati 등은 뇌졸중 발병으로부터 3개월 이상 경과한 만성 뇌졸중 환자 24명을 대상으로 비디오 게임을 기반으로 반복적으로 동작을 수행하는 훈련을 제공하였습니다 [9]. 연구에 사용된 게임 장치는 손에 쥔 컨트롤러에 내장된 자이로스코프(gyroscope)로 사용자의 동작을 추적하는 기술이 적용되어 있어, 사용자들은 동작을 통해 게임을 조작하며 훈련을 수행하였습니다. 훈련은 2주간 하루 1시간씩 제공되었고, 별도로 가정에서 수행할 수 있는 운동 처방도 제공이 되었습니다.


먼저, 훈련 전과 후의 임상 평가(Wolf 운동 기능 검사)를 통해 운동 기능이 개선되었음을 확인하였습니다. 다양한 게임 동작 중 야구 게임의 스윙 동작에 대하여 어깨 및 팔 근육 6종의 근육 시너지를 분석하였습니다. 훈련 전 운동 장애 수준이 심한 뇌졸중 환자들은 장애 수준이 낮은 그룹에 비해 적은 수의 근육 시너지를 사용하고 있었지만, 훈련 후에는 근육 시너지 수에서 그룹 간에 유의미한 차이가 나타나지 않았습니다. 운동 장애가 심한 환자군에서 근육 시너지의 수에 개선이 있었다는 점을 의미합니다. 근육 시너지의 형태 역시 훈련 전과 후의 차이가 있었습니다. 근육 시너지 수와 형태의 변화가 임상 평가 결과의 개선으로 확인한 운동 장애 수준의 감소와 연관이 있을 것이라 추정하였습니다.

2022년 Niu 등은 기능성 전기 자극 (functional electrical stimulation) 기술을 이용하여 뇌졸중 환자군이 비장애인과 같은 근육 시너지를 사용하도록 훈련하는 연구를 수행하였습니다 [10]. 연구자들은 먼저 비장애인이 탁자 위에서 팔을 앞으로 뻗을 때와 몸 바깥을 향해 팔을 뻗을 때 사용하는 어깨 및 팔꿈치 7개 근육의 근육 시너지를 파악하였습니다. 비장애인의 근육 시너지 형태를 표준 근육 간 협응으로 간주하고, 비장애인의 근육 시너지 형태 속의 근육 조합대로 뇌졸중 환자의 상지 근육에 전기자극을 제공하였습니다. 뇌졸중 환자들은 전기자극을 제공받는 상태에서 하루 약 1시간씩, 총 5일동안 앞과 옆으로 팔을 반복해서 뻗는 훈련을 수행하였습니다.


9명의 뇌졸중 환자는 전기자극이 제공되는 훈련을 수행하였고, 대조군에 속한 7명의 뇌졸중 환자는 전기자극이 제공되지 않는 일반 동작 훈련만 제공받았습니다. 전기자극이 결합된 훈련을 받은 뇌졸중 환자군은 대조군에 비하여 훈련 후 임상 평가(푸글-마이어 평가)의 결과가 더 크게 상승하였습니다. 또한 앞으로 팔을 뻗는 동작에서 팔을 뻗는 최대 속도가 평균 73% 가량 상승하였고, 옆으로 팔을 뻗는 동작에 대해서는 근육 시너지 변화 정도에 비례하여 동작 역시 개선됨을 확인하였습니다.

2020년 Ambrosini 등은 자전거 페달 밟기 운동과 다리 근육에 대한 기능성 전기자극이 결합된 재활 훈련을 개발하였습니다 [11]. 매일 60분의 일반적인 재활 치료를 받기 전 25분간 새로 개발한 전기자극이 결합된 페달 밟기 훈련을 제공하였습니다. 페달 밟기 운동 장치는 모터로 구동되어, 피험자가 일정한 속도로 페달 밟기 운동을 수행할 수 있었습니다. 모터로 속도가 유지되는 상태에서 페달 밟기 운동을 수행하는 훈련과, 모터가 유지하는 최소 속도를 낮추고 피험자에게 이전의 페달 밟기 속도에 맞춰 자력으로 운동을 수행하는 훈련을 일정 시간마다 교대로 제공하였습니다. 뇌졸중 발병 후 2주 내외가 경과한 아급성기(Sub-acute) 뇌졸중 환자 9명이 훈련에 참가하였습니다. 훈련 후 임상 평가(Motricity Index) 점수를 비롯하여 보행 속도, 보행 시간 등의 보행 능력이 전반적으로 개선됨을 관찰하였습니다. 시너지 수에는 유의미한 증가가 관찰되지 않았으나, 무릎 관련 시너지 형태가 건강인의 무릎 시너지의 형태와 유사해져 근육 간 협응에도 유의미한 변화가 나타났습니다. 연구자들은 피험자들이 보다 정상적인 운동 제어 전략을 재학습한 결과라고 추정하였습니다.

2019~2021년 Mugler 등과 Seo 등은 두 근육의 근전도를 피드백으로 제공하여 각 근육을 독립적으로 사용하는 훈련을 뇌졸중 환자군과 비장애인 군에 각각 적용하였습니다 [12], [13]. 훈련 대상인 두 근육의 근전도는 2차원 공간 속에서 움직이는 커서의 가로 방향과 세로 방향의 움직임에 각각 대응됩니다. 두 근육이 동시에 활성 된다면 커서는 가로 방향과 세로 방향으로 동시에 움직여 결과적으로는 대각선으로 움직일 것입니다. 훈련의 목표와 같이 각 근육을 독립적으로 사용한다면, 커서는 가로 또는 세로 중 한 방향으로만 움직일 것입니다.


Mugler 등은 뇌졸중 환자가 비정상적으로 동시에 수축하는 근육 쌍 3개에 대하여 총 6주간 훈련을 제공하였습니다 [12]. 총 32명의 뇌졸중 환자가 참여하였고, 세 그룹으로 나뉘어 훈련 시간과 훈련의 방식에 있어 약간 차이를 둔 세 가지 훈련 프로그램을 각각 제공받았습니다. 모든 그룹의 뇌졸중 환자는 훈련한 근육 쌍의 동시 수축을 줄일 수 있었으며. 운동 장애 수준에 관한 임상 평가(푸글-마이어 평가)에서 통계적으로 유의미한 개선이 관찰되었습니다. 또한 경직도와 팔꿈치 관절의 가동범위 역시 개선되었습니다. 근육 간의 비정상적인 동시 수축을 개선하는 훈련이 전반적인 상지 운동 장애를 개선하는데 효과적일 수 있다고 추정하였습니다. Seo 등은 고정된 상지 자세에서 두 근육을 선별적으로 사용하는 훈련을 새로운 근육 시너지를 발달시키는 목적으로 적용하였습니다 [13].

뇌졸중 환자군 대상 임상 실험에 앞서 4명의 비장애인을 대상으로 두 가지의 팔꿈치 굴곡근(Biceps Brachii, Brachioradialis)을 선별적으로 사용하는 훈련을 제공하였습니다. 평소에는 팔꿈치 굴곡을 위해 하나의 시너지로 묶이는 두 근육이지만, 6주 간 총 18회의 훈련을 통해 두 근육을 따로 사용할 수 있게 되었고 그에 따라 두 근육은 각기 다른 시너지를 형성하게 되었습니다. 이로부터 뇌졸중 환자군도 근전도 피드백 기반 훈련을 통해 뇌졸중 후 상지 운동 장애를 유발하는 어깨 외전 근육의 비정상적 동시 수축을 재활할 수 있는 가능성을 확인하였습니다.


본 연구동향 분석에서는 운동 기능에 따른 근육 간 협응의 차이를 다룬 연구 사례와 비장애인 및 뇌졸중 환자의 운동 기능을 향상하기 위해 근육 간 협응의 변화를 유발하는 훈련 방법에 대한 여러 연구 사례를 살펴보았습니다. 근육 사용 방식을 바꾸는 훈련인 만큼 근육의 활성 상태에 관한 피드백을 제공하기 위하여 근전도를 측정하는 센서 기술 또는 근육의 수축을 직접적으로 유발하는 전기자극 기술이 여러 연구에서 공통적으로 활용되었습니다. 그와 동시에 등속성 페달 밟기 운동을 구현하기 위하여 사람의 운동 상태에 맞추어 때로는 운동을 보조하고, 때로는 사람의 자유로운 운동을 허용하도록 운동 장비를 제어하는 기계 기술을 활용한 연구도 있었습니다.


이처럼 다양한 기계 기술이 근육 간 협응의 훈련을 구현하고 훈련 효과를 높이기 위해 활용되고 있습니다. 앞으로 센서 기술의 발전을 통해 인체의 운동을 폭 넓게 측정하여 다양한 피드백을 제공할 수 있게 되고 인체 자극 기술을 비롯하여 인체의 운동 및 훈련을 보조할 수 있는 다양한 기계 기술이 개발된다면, 운동 기능 향상과 운동 장애 개선을 위한 연구들이 한층 더 활발하게 이루어지리라 기대합니다.









 

 

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