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뇌성마비(cerebral palsy)는 태아 또는 영아의 뇌 병변이나 뇌의 비진행성 손상으로 발생하는 신경계 장애로 정의되며 운동 발달과 자세조절, 감각 장애, 인지 장애 행동 장애 및 이차적 근·뼈대계 문제를 유발한다(Apolo-Arenas 등, 2021; Rosenbaum 등, 2006; 김효원과 안소윤, 2015). 뇌성마비는 저 긴장형과 경직성, 운동 실조형, 불수의형 및 혼합형으로 분류되며 그 중에서 경직성 뇌성마비가 대부분을 차지한다(Pakula 등, 2009). 뇌성마비는 특정 근육의 약화와 경직 및 피로와 관련되는 운동 손상이 특징으로 나타나며(Gage, 1993; Houlihan, 2009), 선택적 움직임과 근육 간에 협응 능력의 장애(Cahill‐Rowley 과 Rose, 2014)와 몸통의 안정성 부족(Janssen 등, 2002) 및 엉덩관절 폄 근의 발달 장애로 폄 근의 약화가 발생한다(양경옥 등, 2009). 폄 근의 약화는 뇌성마비 아동의 앉고 일어서는 동작 수행에 있어 어려움이 발생하고 삶의 질이 감소하여 임상에서는 일어서기 동작의 기능 향상을 증가시켜 독립적으로 생활을 할 수 있도록 많은 시간을 투자하고 있다(Garvey 등, 2007; 이연섭과 남택길, 2012). 뇌성마비 아동에게 중재되는 방법으로 게임을 통한 훈련과 에어로빅 트레이닝, 해마 테라피, 음악 요법, 보행 훈련 및 수중 운동이 이용되고 있다(Apolo-Arenas 등, 2021). 하지만 많은 뇌성마비 아동들이 일어서기 동작에 어려움을 호소하고 있으며 부작용이 없으며 훈련 효과가 큰 다른 대안의 제시가 필요하다.

최근 적은 저항을 이용하여 훈련을 하더라도 고강도에서 실시하는 훈련과 같은 효과를 보이는 혈류제한운동(blood flow restriction exercise)이 제시되고 있다. 혈류제한운동은 혈류를 일시적으로 제한하여 호르몬 변화나 근육과 관절 주변 조직의 혈액 순환 동태를 변화시키며(Takano 등, 2005) 1RM의 20%의 적은 강도로도 근육의 비대와 근력을 증가시킨다(Abe 등, 2006). 이러한 훈련 방식은 근육 간의 협응 능력 저하로 근육 강화에 어려움이 있는 뇌성마비 아동에게 적용 가능하고 다양한 중재와 함께 적용이 가능하여 훈련의 효과를 극대화할 수 있는 방법이다.

관련 연구로 혈류제한운동이 폐경기 여성의 골 지표와 신체기능 증가(Linero 과 Choi, 2021)와 관련된 연구가 있었고, 성인의 혈관 기능 증가(Pereira-Neto 등, 2021), 퇴행성 무릎 관절염 환자의 근육 강화와 통증 감소(Pitsillides 등, 2021), 혈류 제한과 전기자극의 복합 적용은 다리의 근육량 손실을 감소(Slysz 등, 2021), 심혈관 수술 환자의 골격근 강도와 크기 증가(Ogawa 등, 2021) 등의 다양한 질환과 기능 향상에 관련된 연구들이 진행되고 있다.

하지만 대부분의 선행연구들은 성인 여성과 노인 및 내.외과적 질환이 있는 자들로 한정되어 실시되고 있으며 신경계 질환인 뇌성마비 아동을 대상으로 초음파를 이용하여 영상 구조적 특성 변화인 근육의 두께와 밀도 및 백색영역지수와 관련한 연구는 아직까지 부족한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 일어서기에 필요한 큰볼기근(gluteus maximus)의 구조적 변화인 두께와 밀도 및 백색영역지수에 혈류제한운동이 어떠한 영향을 미치는가에 대한 연구를 진행하려고 한다. 따라서 본 연구는 혈류제한을 이용한 중재가 큰볼기근의 구조적 변화를 초음파로 분석하고 연구함으로써 임상에서 뇌성마비 아동의 중재와 기초 자료로서 활용하는데 목적이 있다.

본 연구는 7세에서 10세 사이의 경직성 뇌성마비 아동에게 혈류제한을 이용한 자전거 타기 운동이 큰볼기근 두께와 밀도 및 백색영역지수에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 혈류제한을 이용한 자전거 타기 운동을 실시한 실험군과 자전거 타기 운동만을 실시한 대조군으로 분류하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 군 내 변화에서 큰볼기근 두께와 밀도 및 백색영역지수는 5주 후에 유의한 차이가 있었고, 군 간 변화에서 큰볼기근 두께와 밀도 및 백색영역지수는 대조군 보다 실험군에서 유의한 차이를 보였다.

이러한 결과는 몇 가지 이유로 해석된다. 첫째, 저산소 환경에서 운동은 근육의 두께를 증가시키며 훈련을 통한 근육 섬유 두께 증가는 밀도와 백색영역지수에 영향을 미친다는 것이다. Centner 등(2019)의 메타분석 결과 혈류제한운동은 노인들의 근력과 근육량을 증가시켜 효과적인 중재적 접근 방식이라고 언급하였고, 전방십자인대 재건술과 전치환술과 같은 정형외과 수술 후 재활단계에서 근육량과 근력 회복을 위해 사용되어왔다(Patterson 등, 2019). 저산소 환경에서 운동은 근섬유 피로도에 영향을 미쳐 신체 여러 근육의 운동단위의 점진적인 동원을 유도한다(Takarada 등, 2000). 본 연구에서 혈류제한을 이용한 자전거 타기 운동이 피로도가 쉽게 발생하는 뇌성마비 아동들의 큰볼기근을 더욱 피로하게 만들어 더 큰 운동단위 동원을 유도하여 큰볼기근 두께와 밀도, 백색영역지수 변화에서 이러한 결과를 보인 것으로 생각된다. 밀도와 백색영역지수의 감소는 큰볼기근의 훈련 효과로 해석된다. 초음파 영상은 음향생성도(echogenicity)를 나타내는데 건강한 근육은 어둡게 보이고 건강하지 못한 근육은 백색분포가 증가하여 산만하게 보인다(Nielsen 등, 2006). 밀도는 근섬유가 아닌 지방 또는 결합조직에서 높은 반사를 보여 연령이 증가하면 반사강도도 증가하며 반대로 건강한 근육 일수록 밀도는 낮아지며 백색영역지수도 근육과 지방이 결합조직으로 전환되면 반사율이 높아져 증가된다(정진규 등, 2006). 즉 훈련이 잘되거나 손상이 없는 근육일수록 밀도와 백색영역지수는 적게 나타난다(윤세원 등, 2006). 정진규 등(2006)은 밀도와 백색영역지수는 밀접한 상관관계가 있어 밀도가 증가하면 백색영역지수도 증가하는 상관성이 있다고 하였고, 한종만 등(2015)은 동적안정화 운동을 적용한 결과 배가로근과 뭇갈래근 두께 증가와 함께 밀도와 백색영역지수가 감소된다고 보고 하여 본 연구결과와 일치함을 알 수 있다.

둘째 본 연구에서 사용된 혈류 제한 커프의 낮은 압력도 근비대 전이를 유발하여 큰볼기근의 구조적 변화에 영향을 미친다. 혈류 제한에 필요한 압력은 커프 너비 및 커프 재료에 따라 설정할 수 있고 압력으로 50㎜Hg(Kubota 등, 2011)에서 최대 300㎜Hg(Cook 등, 2007)로 알려져 있다. Patterson 등(2019)은 혈류제한 압력을 혈류가 100% 중단되는 지점 보다 40~80% 압력 사용을 권고하였다. 압력이 증가 할수록 심혈관계 반응이 증가할 수 있고 운동과 관련된 부정적인 영향을 유발할 수 있어(Jessee 등, 2017) 주의가 필요한 운동으로 알려져 있다. Slysz 등(2016)의 메타분석에서 150㎜Hg 이상의 압력이 근두께 증가에 효과적이라고 하였다. 하지만 본 연구에서 100㎜Hg의 압력에서도 효과를 보였는데 쉽게 피로도가 증가되는 질환 특성상 부작용을 고려하여 설정한 낮은 압력에서도 뇌성마비 아동의 근육의 구조적 변화를 유도 할 수 있었다. 이점은 훈련 하지 않은 근육에서도 근비대의 발생(Takarada 등, 2000)은 근비대 전이로(Takarada 등, 2004) 인한 가능성을 배제 할 수 없다. Yasuda 등(2014)의 연구에서 혈류제한 이후 몸쪽 부위의 근육인 큰볼기근의 두께 증가를 보고하여 본 해석을 뒷받침한다.

셋째 혈류 제한 도중 휴식시간은 근육의 두께 변화를 준다는 것이다. 혈류 제한 커프가 팽창하여 기계적 압박을 받아 동맥 혈류가 부분적으로 제한되어 정맥혈류 회기와 근육 조직내의 저산소증을 유발한다(Larkin 등, 2012). 저산소증 환경에서 우리 몸은 성장호르몬 양을 증가시키며(Takarada 등, 2004) 성장호르몬은 근육과 연골의 성장에 관여하고 인슐린양성인자(insulin-like growth factor 1, IGF-1)의 합성을 유도하여(Yakar 등, 2002) 근육의 성장에 관여한다. 성장호르몬과 IGF-1은 혈류 제한 운동 도중 휴식시간과 관계되는데 30초 휴식시간이 주어진 군보다 90초 휴식시간이 주어진 군에서 성장호르몬과 IGF-1의 증가를 보고하여(You 등, 2008) 본 연구에서 세트 간 2분간의 휴식시간이 근육성장에 관여하는 성장호르몬과 IGF-1의 양을 증가시켜 이러한 결과가 발생한 것으로 생각되고, 각 측정 변수들의 차이 값을 보면 CG보다 EG에서 더 많은 두께 변화를 보였고 밀도와 백색영역지수도 CG보다 EG에서 감소 폭이 더 커 이러한 해석을 뒷받침 해주며 이러한 결과를 보면 개별 운동보다 혈류제한 운동과 함께 사용하면 더욱 효과적일 것이라고 생각된다.

근육 크기의 증가는 부분적으로 혈류제한운동 동안과 이후에 관찰되는 급성 부종의 결과일수도 있다는 보고도 있지만(Pearson 과 Hussain, 2015) 근육두께와 상관관계가 있는 근력 향상의 변화와(Wilk 등, 2020) 훈련 2~10일 이후에도 근육 크기 증가는 유지가 되는 것을 확인할 수 있어(Nielsen 등, 2012) 본 연구에서 5주 후에 초음파로 확인한 큰볼기근 두께 증가와 밀도 및 백색영역지수가 감소 유지되는 것을 확인하여 선행 연구 결과를 지지하고 있다.

본 연구는 특정 지역의 특정 연령층을 대상으로만 진행하였고 여러 근육의 구조적 특성을 확인하지 못하여 일반화하기는 부족하고 다른 다리 근육의 구조적 특성과 생체 내(in vivo) 변화를 을 확인하지 못한 점과 여러 압력을 이용하지 못해 아쉬움이 남는다. 하지만 혈류제한운동을 통해 뇌성마비 아동의 근육의 구조적 특성 변화를 확인할 수 있어 긍정적으로 생각하고 향후 본 연구에서 확인하지 못한 몸통과 다리 근육들의 구조적 특성과 운동방법과 혈류 압력을 다변화하여 질적 연구가 필요해 보인다.

본 연구는 7세에서 10세의 경직성 뇌성마비 아동을 대상으로 혈류제한 자전거 타기 운동 적용 후 일어서기 시 작용하는 큰볼기근 두께와 밀도 및 백색영역지수 변화를 확인하고자 하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 큰볼기근은 실험 전 후에 실험군과 대조군에서 유의한 차이를 보였고(p<0.05) 군 간 변화에서 대조군보다 실험군에서 유의한 차이가 있었다(p<0.05). 큰볼기근 밀도 변화는 실험 전 후에 실험군과 대조군에서 유의한 차이를 보였고(p<0.05) 군 간 변화에서 대조군보다 실험군에서 유의한 차이가 있었다(p<0.05). 큰볼기근 백색영역지수 변화는 실험 전 후에 실험군과 대조군에서 유의한 차이를 보였고(p<0.05) 군 간 변화에서 대조군보다 실험군에서 유의한 차이가 있었다(p<0.05).