알파인 스키와 로드 사이클 숙련자의 무릎신전근 근력발현 및 근육 구조 특성 비교 연구 = Comparison of force-producing and architecture characteristics of knee extensor muscles between alpine skiers and road cyclists

국문 초록 (Abstract)

인체의 골격근(skeletal muscle)은 반복되는 자세와 부하환경에 따라 구조적 및 기능적으로 적응하는 성질을 가지고 있다. 다양한 스포츠 종목 숙련자들의 골격근은 해당 종목이 요구하는 특징적인 자세나 부하환경에 적응(adaptation)하여, 근육의 구조나 근력발현 능력에서 차이가 나타난다고 보고되었다. 따라서 스포츠 종목들이 가지는 고유한 부하환경과 숙련자들의 특성에 대한 운동역학적 및 근신경역학적 연구는 종목의 특성에 맞는 훈련 프로그램 개발 및 경기력 향상 등의 분야에 중요한 의미를 갖는다.
부하환경에 따른 인체의 움직임 중 골격근의 신장성 수축(eccentric contraction)은 근육에 가해지는 외부의 부하가 근육 자체에서 생성된 힘을 초과하여, 근육이 수축하는 동안 근-건복합체 시스템이 강제로 늘어날 때 발생한다. 우리가 알고 있는 대부분의 스포츠는 근육의 단축성 수축(concentric contraction) 움직임 위주로 이루어져 있으나, 알파인 스키(alpine ski)는 무릎신전근(knee extensor muscle)에 대해 느리고 강한 신장성 수축(slow eccentric muscle action)이라는 독특한 부하환경적 특징을 가지고 있다. 다양한 스포츠 종목 선수들의 근육 특성에 대한 연구들이 이루어지고 있으나, 알파인 스키의 신장성 부하에 대한 근육의 구조적 및 기능적 적응에 관한 연구는 부족한 실정이다.
이에 본 연구에서는 알파인 스키 숙련자의 무릎신전근 연구를 위해 비교군으로 로드 사이클을 선정하여 각각의 부하환경에 적응한 근육의 특성을 알아보고자 하였다. 로드 사이클(road cycle)은 알파인 스키와 유사한 자세와 움직임, 관절 가동범위를 가지고 있으나 무릎신전근에 대해 신장성 수축 단계가 없이 단축성 수축만으로 구성된 상이한 부하환경을 가지고 있다.
따라서 본 연구에서는 알파인 스키 숙련자 집단과 로드 사이클 숙련자 집단의 무릎신전근 근력발현 및 근육 구조 비교를 통해 유사한 자세에서 상이한 부하환경 특성에 적응한 근육의 구조적 및 기능적 특성에 대하여 알아보고자 한다.
이를 위해 각각 9명의 알파인 스키 숙련자와 로드 사이클 숙련자가 모집되었다. 먼저 무릎신전근 중 가쪽넓은근의 근섬유배열구조를 초음파 영상기법으로 측정하였으며, 무릎신전근의 근력발현 특성을 알아보기 위해 다목적 근력측정계를 사용하여 등척성 최대 근력과 등속성 최대 근력(단축성 수축, 신장성 수축)을 측정하였다.
본 연구 결과 알파인 스키 숙련자 집단은 로드 사이클 숙련자 집단보다 무릎을 굽힌 상태(100°)에서 더 큰 무릎신전 근력을 발현하였다. 최대 토크에서는 차이가 나타나지 않았으나 최대 토크를 발현하는 관절 각도는 알파인 스키가 로드 사이클보다 크게 즉, 긴 근육 길이에서 나타났다. 알파인 스키 숙련자 집단은 신장성 근력에서 로드 사이클 숙련자 집단보다 본인의 최대 토크 대비 더 강한 무릎신전근력을 발현하였다. 두 집단의 근섬유다발 길이와 배열각에서는 차이가 나타나지 않았으며, 무릎 관절 각도 10°일 때 근육의 두께에서만 통계적으로 유의한 차이가 나타났다. 이러한 결과들을 통해 근육의 구조적인 특성이 유사함에도 불구하고 힘을 발현하는 기능적인 특성에서 차이가 나타날 수 있음을 확인할 수 있다.
결론적으로 유사한 자세와 움직임을 반복할 경우 근섬유배열 구조가 동일한 방향으로 적응한다고 볼 수 있으며, 근력발현의 특성에서는 근육의 구조적 특성이 유사하더라도 반복적으로 노출된 부하환경에 따라 다른 특성이 나타날 수 있음을 확인하였다. 이에 본 연구에서 나타난 연구 결과들을 토대로 스포츠 종목이 가지는 고유한 부하환경에 적응한 숙련자들의 근육 특성에 관한 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 스포츠 종목 특성에 맞는 훈련 프로그램 개발 및 경기력 향상 분야에 기여할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The skeletal muscles of the human body have the properties of structural and functional adaptation depending on repeated posture and load environment. It has been well established that the skeletal muscles of experts in various sports adapt to the specific postures or load environments required by the sports, resulting in differences in muscle structure and force-producing capacity. Therefore, the kinematic and neurodynamic studies of the unique load environment of sports events and the characteristics of experts have important implications in the fields of developing training programs suitable for the specific requirements of different sports and improving athletic performance.
Eccentric contraction of skeletal muscle occurs when the external load on the muscle exceeds the force generated by the muscle itself, and the muscle-tendon complex system is forcibly elongated while the muscle contracts. Most sports movements consist of concentric muscle contraction, but alpine ski movement has uses slow eccentric muscle action in the knee extensor muscle, creating a unique load environment. Studies on the muscle characteristics of athletes in various sports are being conducted, but studies on the structural and functional adaptation of the muscles to the eccentric load of alpine skiing are insufficient.
In this study, road cycling was selected as the control group for the study of knee extensor muscles of alpine skiing experts, and the characteristics of the muscles adapted to each load environment were investigated. Road cycling has a posture, movement, and range of motion similar to that of alpine skiing, but has a different load environment consisting of only concentric contraction without an eccentric contraction phase for the knee extensor muscles.
Therefore, this study aims to investigate the structural and functional characteristics of muscles that have adapted to different load environment characteristics in a similar posture by comparing knee extensor muscle strength expression and muscle structure between the alpine ski expert group and the road cycle expert group.
In this study, nine alpine skiers and road cycle experts were recruited. First, the muscle architecture of the vastus lateralis among the knee extensors was measured by ultrasound imaging, and a dynamometer was used to determine the muscle force-producing characteristics of the knee extensor muscles.
The alpine ski expert group exhibited greater knee extension muscle strength than the road cycle expert group when the knee was bent (100°). There was no difference in the peak torque, but the optimum angle of peak torque was higher in the alpine ski group than in the road cycle group. The alpine ski expert group showed stronger knee extensor strength in eccentric contraction compared to their peak torque than the road cycle expert group. There was no difference in the fascicle length and pennation angle of the muscle fiber bundles between the two groups. Statistical difference was found only in muscle thickness when the knee joint angle was 10°. Through these results, it can be confirmed that although the structural characteristics of the muscles are similar, there could be differences in the functional characteristics of expressing force.
In conclusion, muscle architecture adapts to the same direction of repeated similar postures and movements. Different force-producing characteristics may appear depending on the repeatedly exposed load environment even if the architectural characteristics of the muscles are similar. Therefore, based on the research results shown in this study, it is possible to provide information on the muscle characteristics of skilled people who have adapted to unique load environments of the different sports. Also, this can contribute to the development of training programs suitable for the requirements of different sports and performance improvement.