연구 논문

무릎 골관절염과 비정상적인 근육 활성화 및 심혈관 질환 위험 증가의 폐 기능 저하 연관성

DOI:

10.3791/68958

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2026년 3월 6일

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1Key Laboratory of Orthopedics and Traumatology of Traditional Chinese Medicine and Rehabilitation, Ministry of Education, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, 2College of Rehabilitation Medicine, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, 3Yangzhi Affiliated Rehabilitation Hospital of Tongji University, 4The Third People's Hospital of Fujian Province, 5National-Local Joint Engineering Research Center of Rehabilitation Medicine Technology, 6Faculty of Sports Sciences, Research Academy of Grand Health, Ningbo University

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 심혈관 질환(CVD) 위험이 증가하는 무릎 골관절염(OA) 환자들의 심폐 기능, 신체 활동, 하체 근육 활성화를 조사합니다. 우리는 CVD 위험군에서 무릎 골관절염 환자에서 최대 자발적 환기량 감소와 이두근 활성화 증가 사이에 음성 상관관계를 발견했습니다.

초록

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이 연구는 심혈관 질환(CVD) 위험이 증가하는 무릎 골관절염(OA) 환자들의 심폐 기능, 신체 활동 및 주요 하체 근육의 활성화를 탐구하는 것을 목표로 했습니다. 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험 증가를 가진 21명과 고립된 무릎 골관절염을 가진 29명이 인터뷰 형식으로 장기 국제 신체활동 설문지(IPAQ)를 작성하였습니다. 폐 기능은 강제 폐기량(FVC)과 최대 자발적 환기(MVV)를 측정하여 평가하였습니다. 심폐 체력은 수정된 브루스 프로토콜을 적용한 러닝머신 기반 심폐 운동 검사(CPET)를 사용하여 평가되었습니다. 또한, 증상이 있는 사지의 주요 하지 근육에서 스스로 선택한 습관적인 속도로 계단 오르기 작업을 수행했을 때 표면근전도(sEMG) 데이터를 수집하였습니다. 무릎 골관절염 그룹과 비교할 때, 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험군은 격렬한 신체 활동, 최대 자발적 환기(MVV)에서 유의미한 감소와 최대 산소 흡수 감소가 적은 것으로 나타났습니다. 또한, CVD 그룹 증가를 동반한 무릎 골관절염은 계단 오르기와 내리강 시 대퇴이두근(BF)의 근육 활성화가 더 증가하는 것을 보였습니다. 또한, 무릎 골관절염에서 낮은 MVV와 심혈구 활성화 증가 사이에는 부정적 상관관계가 관찰되었습니다. 이 발견들은 두 가지 주요 결론을 제시합니다. 첫째, sEMG는 계단 오르기 중 근육 활성화가 이상해지는 것을 감지하여 CVD 위험이 있는 무릎 골관절염 환자의 임상적 특징을 식별하는 데 비침습적 도구로 활용됩니다. 둘째, 이러한 위험군 중 우수한 심혈관 기능은 무릎 근육 협응 패턴과 연관되어 있으며, 이는 MVV와 대퇴이두근 활성화 간의 역관계로 반영됩니다.

서론

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무릎 골관절염(OA)은 이동성 장애의 주요 원인으로, 중년 및 노인의 15%가 영향을 미칩니다. 1. 무릎 골관절염이 심혈관 질환(CVD) 위험 증가와 연관성이 있다는 증거가 점점 늘고 있습니다2,3,4. 무릎 골관절염 환자는 비스테로이드성 소염제와 만성 염증 등 여러 위험 요인을 가진 경우가많습니다. 더 나아가, 무릎 골관절염으로 인한 신체 활동 부족은 CVD 위험 증가의 간접적인 원인입니다5.

무릎 관절 질환으로 인한 신체 활동 감소는 비만, 지질이상, 인슐린 저항성, 고혈압등 대사 증후군의 유병률을 증가시킬 수 있으며, 이는 CVD 위험을 증가시킵니다 10,11. 또한, 신체 활동 제한은 심폐 기능(폐 기능과 심폐 건강 모두)을 감소시킬 수 있으며, 이는 심혈관 질환 위험 증가와 강하게 연관되어 있습니다12,13. 따라서 무릎 OA 환자 중 심폐질환 위험이 증가하는 경우, 심폐 기능도 감소할 수 있습니다.

비정상적인 하지 근육 활성화 패턴이 신체 활동 감소를 부분적으로 설명할 수 있습니다14. 이전 연구들은 외측 복근과 내측 햄스트링의 더 큰 활성화와 같은 비정상적인 신경근 활성화 패턴이 더 심한 무릎 통증과 연관됨을 보여주었습니다15,16. 반대로, 무릎 안쪽 근육 수축 감소는 무릎OA 환자에서 보행 시 무릎 통증 감소와 상관관계가 있습니다. 더 나아가, 심한 무릎 통증은 특히 중간에서 격렬한신체 활동에서 신체 활동을 감소시킬 수 있으며, 이는 심폐 기능에 부정적인 영향을 미치고 심혈관 질환 위험을 증가시킵니다.

계단 오르기는 일상적으로 일상적인 활동으로, 무릎 골관절염 환자에게 자주 영향을 받으며, 다른 활동에 비해 신체 활동 제한을 더 잘 나타내는 지표일 수 있습니다20,21. 무릎 골관절염 환자는 무릎 통증을 최소화하고 계단 오르기 시 무릎 안정성을 유지하기 위해 근육 활동을 조절할 것입니다22,23. 또한, 계단 오르기 검사는 심폐 기능을 직접 평가하는 유효한 대체 검사입니다24. 따라서 계단 걷기 중 하체 근육 활성화 패턴과 심폐 기능과의 관계를 조사하는 것은 무릎 골관절염 환자에서 심폐질환 위험 증가의 병리기전에 대한 독특한 통찰을 제공할 수 있습니다.

따라서 고립된 무릎 골관절염 환자와 비교할 때, 심혈관 질환 위험이 높은 무릎 골관절염 환자가 신체 활동 감소, 심폐 기능 저하, 하체 근육 활성화 패턴 변화를 보인다고 가정했습니다. 더 나아가, 이 가설은 환자의 심폐 기능 저하와 하체 근육의 비정상적인 활성화 패턴 사이에 상관관계가 있다고 제안합니다.

우리가 아는 한, 이 연구는 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험 증가를 가진 사람들에서 계단 오르기 중 주요 하체 근육의 활성화와 심폐 기능과 계단 오르기 중 근육 활성화 간의 관계를 조사한 최초의 연구입니다. 이 연구 결과는 이 환자 집단을 위한 보다 정밀한 재활 계획을 설계하는 데 근거를 제공할 수 있습니다.

프로토콜

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

헬싱키 선언에 따르면, 이 연구 프로토콜은 푸젠성 제3인민병원 윤리심사위원회(#2020KS-5-1)에서 승인되었으며, 2020년 11월 18일 중국 임상시험 등록부 웹사이트(식별자 번호 ChiCTR20000041115)에 등록되었습니다. 모든 참가자는 연구 참여를 위한 서면 동의서를 제출했습니다.

참가자
여기서는 복젠성 제3인민병원 및 인근 지역에서 무릎 골관절염 환자 29명과 무릎 골관절염 및 심혈관 질환 위험 증가 환자 21명을 모집하였습니다. 무릎 골관절염 그룹의 포함 기준은 2019년 골관절염 진단 및 치료 기준임상 진단 25, 단일 또는 양측 Kellgren/Lawrence(K/L) 등급 ≥2, 연령 50-65세, 그리고 중국 동맥경화증 심혈관 질환 위험 예측(China-PAR)에 정의된 낮은 또는 무심실질환 위험이었다26. 무릎 골관절염 환자가 심혈관 질환 위험군과 나이와 증상이 같았으나, 중국-PAR에 따르면 심혈관 질환 위험은 중등에서 높음을 보였습니다. 두 그룹 모두 심한 허리 통증, 기타 하체 관절통, 류마티스 관절염, 골절, 신경계 병리, 심폐질환 병력 및/또는 폐 질환이 있는 경우 제외되었습니다.

자료 수집
본 연구는 장기 국제 신체활동설문지(IPAQ)27, 폐기능 검사, 심폐운동검사, 표면근전기검사(sEMG)를 사용하여 피험자의 신체 활동, 폐 기능, 심폐 건강 및 근육 활동을 평가하였습니다. 그림 1).

신체 활동 평가
참가자들의 일일 활동 수준은 중국어 국제 신체활동설문지(IPAQ; 중국어 장기형인 IPAQ-LC27의 타당성과 신뢰성을 검토)를 사용하여 인터뷰 형식으로 실시되었습니다. 이 연구는 지난 한 달간 IPAQ를 사용하여 여가 시간, 가정 및 정원 가꾸기(마당), 업무 관련 및 교통 관련 활동에 관한 신체 활동을 수집하고 분석하였습니다. 점수는 대사 등가(MET)-min/week로 보고되었으며, 이는 주당 수행한 활동 분수에 각각의 MET 값을 곱하여 계산되었습니다. 마지막으로, 점수는 걷기, 중간, 격력, 총신체활동으로 분류되었습니다. 시간이나 빈도에 관한 응답이 모른다고 보고되었거나, 답변을 거부하거나, 누락된 경우에는 분석에서 제외되었습니다.

폐 기능 검사
시험 전에 기기 교정을 실시했습니다. 보정에는 환경 준비, 부피 보정, 유량/부피 센서 보정이 포함되었습니다. 참가자들은 실험 2시간 전부터 음식을 금식하라는 지시를 받았습니다.

구강 공기 흐름을 보장하기 위해 코 클립이 부착되었습니다. 그 후 피실험자는 입술을 입으로 막아 누출을 막았다. 기동 전반에 걸쳐 강력한 언어적 격려가 제공되어 노력을 극대화했다. 참가자들은 미국 흉부학회 지침에 따라 폐기능 검사 시스템(230 V, 50/60 Hz, 508 VA, IP20)에 따라 경험 많은 호흡 치료사의 지도를 받았습니다. 폐활량 측정에는 강제 폐기량(FVC), 1초 내 강제 호기량(FEV1), 1초 단위의 강제 인기용량(FEV1/FVC), 최대 자발적 환기(MVV) 측정이 포함되었습니다. 각 피험자는 최소 세 가지 기술적으로 허용 가능한 기동을 만들어냈다. FVC 및 FEV1 측정을 위해서는 빠른 내쉬기가 필요하며, 내쉬기는 최소 6초 이상 지속되어야 하며, 반복 조작 간 차이는 5% 미만이어야 합니다. MVV 테스트 동안 피험자는 12초 동안 가능한 가장 깊고 빠른 호흡 동작을 수행하도록 지시받습니다. 기술자는 가장 높은 FVC, FEV1, MVV 값, 그리고 가장 좋은 유량 곡선을 가진 검사 결과를 선정했습니다.

심폐 운동 검사
폐 기능 검사를 최소 5분 이상 수행한 후, 12유도 심전도(ECG), 자동 커프, 호흡 마스크, 산소 광도계를 부착하여 심박수, 심전도, 혈압, 가스 교환, 산소 포화도를 모니터링하였습니다.

참가자들은 러닝머신과 수정된 브루스 프로토콜( 표 1 참조)을 이용한 점진적 최대 CPET를 받았습니다. 기초 심폐 수치는 의자에 앉아 3분간 휴식 기간 동안 평가되었으며; 그 후 경사 없이 시속 2.7km로 러닝머신에서 3분간 워밍업을 했습니다. 워밍업 후에는 수정된 브루스 프로토콜에 따라 3분마다 운동 강도가 증가했으며, 단계별로 순서대로 진행되었습니다: 0% 경사에서 2.7 km/h, 5% 경사에서 2.7 km/h, 10% 경사에서 2.7 km/h, 12% 경사에서 4.0 km/h, 14% 경사에서 5.4 km/h, 16% 경사에서 6.7 km/h 최대한의 노력을 달성하는 것을 목표로 했다. 러닝머신 난간을 잡는 것은 권장되지 않았고; 하지만 일부 환자들은 균형을 잡기 위해 난간이 필요했습니다.

전체 검사는 전문 심장 전문의들이 모니터링했습니다. 휴식기 동안 혈압(BP)을 한 번 측정하고, 12유도 심전도, 심박수(HR), 옥시헤모글로빈 포화도로 지속적으로 모니터링했습니다. 운동 단계 동안 심전도, 심박수, 옥시헤모글로빈 포화도를 지속적으로 모니터링하였고, 보행 시 혈압, 증상, 피로 수준을 3분마다 모니터링하였다. 참가자들이 최대 심박수에 도달하거나, 운동량이 증가하는 동안 산소 섭취량이 증가하지 않거나, 보그(6-20)28의 인지된 점수(RPE)가 17을 초과할 때 운동을 중단하였다. 회복 기간 동안 심전도, 심박수, 산소헤모글로빈 포화도를 지속적으로 모니터링하고 혈압은 2분마다 측정했습니다. 심한 호흡 곤란, 흉부 수축, 어지러움, 3박> 진행성 심실 외벽, 새로운 심방세동, 이전 단계에서 수축기 혈압> 20 mmHg 지속적 감소, 또는 5 mm 이상의 ST 구간 우저하 등의 증상으로 검사가 조기 중단되었습니다.

검사 인력은 긴급 절차에 능숙했으며, 필수 장비(제세동기, 산소 산소, 호흡 마스크 포함)와 약물(예: 에피네프린, 아트로핀, 리도카인, 니트로글리세린, 포도당)을 현장에서 구할 수 있었습니다. 중대한 사건이 발생하면 즉시 시험이 종료되었다. 관리에는 기도 개성 유지, 산소 투여, 정맥 접근성 구축이 포함되었습니다. 이후 소생술 및 약물 개입은 첨단 심장 생명 유지(ACLS) 프로토콜을 준수했으며, 환자 이송을 위한 응급 대응팀 출동과 동시에 진행되었습니다.

호흡 단위로 산소 섭취량(VO2), 이산화탄소 배출량(VCO2), 분기 환기량(VE), 말단 조석 산소 분압(PETO2), 이산화탄소(PETCO2)를 측정하였습니다. 심박수(HR)는 1초 간격으로 기록되었습니다. 최근 60초 운동 중 가장 높은 값은 VO2피크, VCO2피크, VE피크, 심박수피크, 산소 펄스 피크(VO2 / HR피크), PETO2피크, PETCO2피크로 정의되었습니다. 혐기성 임계치(AT)는 수정된 V-경사 접근법29에 의해 정의되었습니다. 심박수 예비(HRR)는 운동단계 동안 최대 심박수 220 - a - 심박수로 정의되었으며, 여기서 a는 나이를,HR Max는 최대 심박수를 의미합니다.

계단 오르기 중 하체 sEMG 신호
전극 삽입 전에 참가자들은 균일하게 구입한 안타 스포츠화를 신고 다섯 번의 계단 협상 시험을 수행했습니다. 이 시험들은 스스로 선택한 일일 보행 속도로 진행되었으며, 난간을 사용하지 않았습니다. 각 계단은 폭 100cm, 높이 20cm, 깊이 30cm로 고정되어 있었습니다. 계단 오르내림 속도는 첫 계단과 꼭대기 계단 모두에 설치된 적외선 타이밍 시스템으로 기록되었습니다. 다섯 개의 계단 협상 시험에서 평균 ±10%의 속도가 정상 속도로 정의되었습니다. 정상 속도에서 벗어난 공식 시험은 이후 분석에서 제외되었다.

목표 근육 위의 피부는 면도, 미세한 사포로 가볍게 문지르고, 70% 알코올로 세척하여 임피던스를 줄이고 최적의 접촉을 보장합니다. 피부 준비 후, 표면 EMG 전극이 목표 근육 복부에 부착되었습니다. 연구에서는 무선 sEMG 시스템을 사용하여 2000 Hz 샘플링 주파수에서 서 있는 단계의 근육 활동을 측정하였습니다. 접착식 사전 젤 처리된 Ag/AgCl 전극(전극 간 거리 10mm 고정)이 양측적으로 전경골근(TA), 비복근(MG), 대퇴이두근(BF), 대퇴직근(RF), 내측 광활근(VM), 외측광근(VL) 위에 배치되었습니다. 대둔근(GMAX)과 중둔근(GMED) 근육(표 2 참조). 참가자들은 각 조사 근육에 대해 최대 자발적 등척성 수축(MVIC)을 수행했으며, 이는 진폭 정규화 테스트에 사용되었습니다( 표 3 참조). 참가자들은 최대 노력을 기울여 4-5초 동안 테스트 동작을 수행하도록 지시받았습니다. 각 재판 전반에 걸쳐 강력한 구두 격려가 제공되었습니다. 이 절차는 피로 방지를 위해 시험 간 2분 휴식 간격을 두고 3회 반복되었습니다. MVIC 테스트 후, 참가자들은 정상 속도로 계단 오르내림을 다섯 차례 성공적으로 수행하도록 요청받았습니다. 자세 단계 동안의 sEMG 데이터는 맞춤형 8단계 실험실 계단의 3단계와 4단계에서 선택되었습니다.

계단 작업의 자세 단계, sEMG 신호, MVIC는 Visual3D 소프트웨어에서 처리되었습니다. 원시 데이터는 먼저 밴드패스 필터링(20-450 Hz), 전파 정류, 50ms 평균평균근(RMS) 창으로 부활화, 마지막으로 6 Hz의 로우패스 필터링을 거쳐 선형 엔벨로프를 만들었습니다. 스탠스 단계는 수직 지상 반사력(>10 N 임계값)에서 식별되었습니다. 각 스탠스 위상의 선형 엔벨로프는 101점으로 시간 정규화되었고, 진폭은 해당 MVIC 최대 값으로 정규화되었습니다. 마지막으로, 자세 단계 동안 각 정규화된 sEMG 데이터의 RMS를 근육 활동 크기를 반영하도록 계산하였습니다. 분석은 두 그룹 대상에서 증상이 더 심한 무릎에 초점을 맞췄습니다. 양쪽 무릎의 증상이 유사할 경우, 기술이 우세한 다리의 데이터를 선택했습니다.

통계 분석
모든 통계 분석은 SPSS Statistics 25.0을 사용하여 수행되었습니다. 모든 변수는 평균±표준편차로 제시되었습니다. 샤피로-윌크 검정은 모든 정량적 변수의 정규성을 검증하는 데 사용되었다. 인구통계학, 심폐 기능 매개변수, RMS에서 두 독립 표본의 정규분포 변수 차이는 독립 표본 t-검정을 사용해 평가하였다; 왜곡된 분포 변수의 차이는 크루스칼-월리스 검정을 사용하여 평가하였다. IPAQ 점수와 K/L 성적 차이는 Kruskal-Wallis 검정을 사용하여 평가하였습니다. 성별 차이를 비교하기 위해 카이제곱 검정이 사용되었습니다. 심폐 기능의 다양하고 강력한 지표(산소 흡수 최고치(VO2peak), 최대 자발적 인기(MVV), RMS(대퇴이두근(BF) 등)가 CVD 위험군과 함께 Spearman 상관관계를 통해 검출되었습니다.

결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

참가자의 특징
본 연구에 포함된 총 50명의 참가자 중 29명은 무릎 골관절염 그룹, 21명은 심혈관 질환 위험군이 증가한 무릎 골관절염군에 속했습니다. 두 그룹 간 연령, 키, 체중, BMI, 성별 분포, 허리 둘레, 엉덩이 둘레, 허리-엉덩이 비율, K/L 등급 등에서 유의미한 차이는 없었습니다. 또한, 무릎 골관절염 결과(KOOS) 점수는30 점에서 무릎 골관절염 그룹과 CVD 위험이 증가한 무릎 골관절염 그룹의 차이가 유의미하지 않았습니다( 표 4 참조).

신체 활동 평가
무릎 골관절염 그룹과 비교하여, 심혈관 질환 위험군이 있는 무릎 골관절염은 강도 활동 수준이 낮았습니다(p = 0.044; 표 5 참조). 이러한 낮은 격렬한 활동 수준은 무릎 골관절염 환자 중 CVD 위험이 있는 환자들 사이에서 일일 신체 활동이 감소한다는 가설을 뒷받침합니다.

폐 기능 검사
무릎 골관절염 그룹과 비교했을 때, 무릎 골관절염 및 심혈관 질환 위험군은 최대 자발적 환기(MVV; p = 0.004; 표 6 참조)가 낮았습니다. 이 낮은 MVV는 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험 증가 환자가 폐 기능 저하를 겪고 있다는 가설을 뒷받침합니다.

심폐 운동 검사
그러나 심폐 건강 면에서는 두 그룹 간 유의미한 차이가 관찰되지 않았습니다( 표 6 참조). 현재 가설과 일치하지 않지만, 무릎 골관절염 환자의 심혈관 위험 증가는 심폐 건강 감소와 유의미한 관련이 없었습니다.

계단 오르기 중 하체 sEMG 신호
근육 활성화 매개변수 측면에서 무릎 골관절염 그룹과 비교하여, CVD 위험군이 있는 무릎 골관절염은 계단 오르기(p = 0.013)와 하강 시 체지방 활성화가 더 증가했습니다(p= 0.001; 표 7 참조). BF의 활성화 증가는 심혈관 위험이 높은 무릎 골관절염 환자에서 계단 오르기 중 하체 근육 활성화 패턴이 변화한다는 가설을 뒷받침합니다. 더불어, 계단 오르기 중 BF RMS는 CVD 위험군 무릎 골관절염에서 MVV와 유의한 상관관계가 나타났습니다(r = −0.452, p = 0.040; 표 8 참조). 이 상관관계는 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험이 있는 환자에서 비정상적인 사지 근육 활성화 패턴이 폐 기능 저하와 연관되어 있다는 가설을 뒷받침합니다.

무릎 그룹과 비교할 때, CVD 위험군의 무릎 골관절염은 격렬한 활동 수준이 유저히 낮고, MVV가 낮으며, 계단 오르기 중 체지방 활성화가 더 높다. 또한, 무릎 골관절염에서 낮은 MVV와 체지방 활성화 증가 사이에는 CVD 위험군과 음의 상관관계가 있습니다.

데이터 가용성:
이 연구에서 생성된 원시 및 처리 데이터셋에는 민감한 환자 정보가 포함되어 있으며, 환자 프라이버시를 보호하기 위해 완전한 미처리 형식으로 공개되지 않습니다. 식별 해제 및 처리된 데이터는 교신저자의 합리적인 요청 시 제공됩니다. 모든 요청은 푸젠성 제3인민병원 윤리위원회의 승인을 받아야 합니다. 원시 데이터는 푸젠성 제3인민병원의 보안 서버에 보관되며, 출판 후 최소 10년간 유지됩니다.

그림 1
그림 1: 전체 실험의 흐름도. 약어: K/L = 켈그렌 / 로렌스, CVD = 심혈관 질환, China-PAR = 죽상동맥경화증 예측 심혈관 질환 위험, OA = 골관절염, IPAQ = 국제 신체활동 설문지, sEMG = 표면근전도. 이 그림의 확대판을 보시려면 여기를 클릭하세요.

표 1: 러닝머신 테스트별 프로그램의 수정된 브루스 프로토콜. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 2: 초음파 검사 배치. 약어: GMAX = 대둔근, GMED = 중둔근, BF = 대퇴이두근, VM = 내측 미주근, VL = 외측 미주근, RF = 대퇴직근, TA = 전경골근, MG = 비복근 내측두, ASIS = 전위척추, PSIS = 후상척추. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 3: 근육 MVIC 검사. 약어: MVIC = 최대 자발적 등척 수축, GMAX = 대둔근, GMED = 중둔근, BF = 대퇴이두근, VM = 내측 광활, VL = 외측 미주근, RF = 대퇴직근, TA = 전경골근, MG = 복근 내측두. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 4: 두 그룹의 특징. #: 왜곡된 분산 데이터, *: 정규 분포 데이터, &: 범주 데이터. 약어: BMI = 체질량지수, K/L 등급 = 켈그렌/로렌스 등급, KOOS = 무릎 골관절염 결과 점수. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 5: IPAQ는 두 그룹으로 신체 활동을 평가하였다. #: 왜곡된 분산 데이터. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 6: 두 그룹의 심폐 기능. #: 왜곡된 분산 데이터, *: 정규 분포 데이터. 약어: VC = 폐기량, FVC = 강제 폐기량, FEV1 = 1초 단위의 강제 인기량, FEV1/FVC = 1초 내 강제 인기량/강제 폐기량, MVV: 최대 자발적 환기, VO2peak = 산소 섭취 최고치, RER = 호흡 교환률, VCO2peak = 이산화탄소 배출 최고치, VE피크 = 분기 환기 최고치, HR피크 = 심박수 최고치, HRR = 심박수 예비, VO2/HR피크 = 산소 맥박 최고치, PETO2peak = 조대 말 산소 분압 최고치, PETCO2peak = 조기 이산화탄소 압력 최고치, AT = 혐기성 임계값. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 7: 두 그룹의 계단 오르기 중 하체 근육 활성화. #: 왜곡된 분산 데이터, *: 정규 분포 데이터. 약어: GMAX = 대둔근, GMED = 중둔근, RF = 대퇴직근, VL = 외측광주, VM = 내측광주, BF = 대퇴이두근, TA = 전경골, MG = 비복근 내측 머리. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

표 8: BF RMS와 심폐 기능 간의 피어슨 상관계수. 약어: BF = 대퇴이두근, VO2peak = 산소 섭취 최고치, MVV = 최대 자발적 환기. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 무릎 골관절염과 심폐질환 위험 증가를 가진 개인에서 심폐 기능, 근육 활성화 및 이들의 관계를 조사한 최초의 연구입니다. 가설과 일치하게, 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험 증가를 가진 사람들은 최대 자발적 환기(MVV)가 유의하게 낮고, 계단 등반 시 대퇴이두(BF)의 활성화가 더 높으며, 격렬한 활동 수준이 낮다는 것을 관찰했습니다. 또한, 이 연구는 계단 오르기 중 MVV와 체질 활성화 사이에 음의 상관관계가 있음을 발견했습니다.

CVD 위험이 증가함에 따라 무릎 OA 환자는 특히 격렬한 활동에서 신체 활동이 제한됩니다. 신체 활동 부족은 전 세계 사망률의 4번째 위험 요인이며, OA와 CVD5를 포함한 질병의 유병률에 중요한 영향을 미칩니다. 격렬한 활동, 무릎 골관절염, 심폐질환 위험 간의 관계는 다양하고 역동적입니다. 이전 연구에서는 격렬한 활동이 가벼운 활동보다 골골증에 더 강한 이점을 제공하지만, 장기간 격렬한 활동은 무릎 내측 연골 결손에 해로운 영향을 미치고 통증을 악화시킬 수 있으며, 이는 무릎 골관절염 환자가 격렬한 신체 활동을 피하도록 영향을 줄 수 있음을 보여줍니다32, 33. 심혈관 질환 위험이 높은 개인의 경우, 어떤 신체 활동이든 참여하면 심혈관 위험이 낮아지지만, 격렬한 활동이 심혈관 위험에 가장 큰 이점을 가져다줍니다34. 그러나 심혈관 질환 위험이 높은 사람들은 격렬한 활동이 견딜 수 없으며 심혈관 사건으로 이어질 수 있다고 우려하는 경향이 있습니다35. 따라서 무릎 골관절염 환자가 심혈관 질환 증상과 심혈관 사건에 대한 두려움이 결합되어 격렬한 신체 활동을 피할 수 있다고 제안합니다.

또한, 이 연구에서는 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험이 증가한 환자들이 고립된 무릎 골관절염을 가진 사람들에 비해 MVV가 더 낮다는 사실을 발견했습니다. 무릎 골관절염 환자에서 호흡근 지구력이 감소하고 심혈관 질환 위험이 증가함을 나타냅니다36. MVV 감소는 당뇨병과 고혈압과 같은 동반 질환에 의해 영향을 받을 수 있으며, 이는 궁극적으로 호흡근 지구력에 영향을 미치는 미세혈관 합병증으로 이어질 수 있습니다 36,37,38. 본 연구에서 무릎 골관절염 및 심혈관 질환 위험군 대부분은 당뇨병과 고혈압을 가지고 있었으며, 이는 관찰된 MVV 감소에 기여했을 수 있습니다. MVV가 낮으면 운동 중 가스 교환 요구를 충족하기 위해 더 크고 장시간 환기를 유지하는 능력을 제한할 수 있으며, 결국 중간에서 격렬한 신체 활동 36,39,40의 감소로 이어집니다. 따라서 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험이 증가한 환자는 격렬한 신체 활동을 피했으며, 이는 폐 기능 저하와 연관될 수 있습니다.

그러나 이 결과는 무릎 OA와 심폐질환 위험 증가를 가진 환자들은 심폐 체력에 유의미한 감소를 보이지 않았기 때문에 우리의 가설과 일치하지 않습니다. 전통적으로 VO2peak 는 심폐 건강을 강력히 나타내는 지표이며, VO2피크 가 낮을수록 향후 심혈관 질환 위험 발생 경향이 더 높다고 여겨집니다41. 이 연구에서 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험 증가를 가진 환자들은 VO2피크가 약간 감소한 것만을 보였습니다. 이는 이들 개인의 일일 총 신체 활동량이 감소하지 않았기 때문일 수 있다고 추측합니다. 이전 연구에 따르면 중간 강도 활동과 비교했을 때, 격렬한 활동이 VO2피크에 더 우수한 영향을 미치지만, 훈련량도 중요한 요인입니다. 본 연구에서 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험이 증가한 환자들은 격렬한 운동을 회피하는 경향을 보였으나, 고립된 무릎 골관절염 환자에서는 격렬한 활동량이 제한적이었습니다. 더불어, 두 그룹 간 총 활동량 면에서 유의미한 차이는 없었습니다. 이러한 발견은 얻어진 결과를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

계단 오르기 어려움과 통증은 무릎 골관절염(OA)의 초기 징후인 경우가 많으며, 이는 무릎관절 하중 변화를 일으키는 비정상적인 하체 근육 활성화 패턴에서 비롯될 수 있습니다. 본 연구에서 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험이 증가한 환자들은 계단 오르막 및 하강 시 이두근(BF) 근육의 활성화가 고립된 무릎 골관절염 환자보다 더 큰 효과를 보였습니다. BF는 해부학적으로 엉덩이 관절과 무릎 관절 모두와 연결되어 있으며, 활성화는 무릎 굽힘과 고관절 신전43에도 영향을 미칩니다. 앞서 언급했듯이, 무릎 골관절증에서는 대퇴사두근 약화가 흔하며, BF의 활성화가 증가하여 부하를 영향을 받지 않은 고관절로 이동시켜 이 기능 장애를 보상합니다43,44. 또한, BF 활성화 증가는 압축력 생성을 증가시키고 경골의 전방 이동을 감소시켜 무릎 관절을 안정시키는 데 도움을 줍니다43,45. 그러나 BF 활성화 변화는 무릎 하중의 정규 분포를 방해하여 무릎 OA43의 진행을 악화시킬 수 있습니다.

가설과 일치하게, 본 연구에서 무릎 골관절염과 심혈관 질환 위험 증가를 가진 사람들은 체근 활성 증가와 MVV 감소 사이에 중간 정도의 음상관관계를 보였습니다. 이 연구와 유사하게, 이전 연구에서는 겸상적혈구병 환자에서 MVV가 말초 근육과 연관되어 있음을 발견했습니다46. 호흡 근력과 체력 감소는 손잡이 힘 감소와 관련이 있습니다46. 본 연구에서는 대퇴사두근 약화를 보상하기 위해 체지방 활성화를 높여 보상하는 전략이 무릎 OA 및 심혈관 질환 위험이 있는 환자에서 대퇴사두근 운동 실조증을 유발하고 골관절염을 악화시킬 수 있습니다. 심각한 대퇴사두근 기능 장애는 중간에서 격렬한신체 활동에 부정적인 영향을 미치며, 이는 호흡근 기능 장애와 연관되어 결국 MVV 감소로 이어질 수 있습니다48,49.

우리의 가설을 더욱 검증하기 위해 여러 대안적 접근법을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 영상 검사(fMRI 또는 X-ray)는 무릎의 관련 근육 및 관절 구조 변화를 직접 시각화하여 이 연구의 행동적/생리학적 소견을 해부학적으로 뒷받침할 수 있습니다. 더 나아가, 종단적 코호트 추적 관찰은 우리가 관찰한 현상의 장기적 궤적과 임상 결과를 규명하고, 현재 횡단면 설계에서 확인된 연관성을 넘어서는 인과관계를 확립하는 데 매우 유용할 것입니다.

높은 체지방 활성화와 낮은 MVV 간의 부상관계는 계단 보행 중 비침습적 근육 활동 패턴을 식별하는 비침습적 방법으로서 sEMG의 가치를 시사하며, 이는 무릎 골관절염(OA)과 심혈관 질환(CVD) 위험 증가 환자의 임상 특징을 규명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

한계
이 연구 결과를 해석할 때 고려해야 할 몇 가지 한계가 있습니다. 첫째, China-PAR을 사용해 산출된 CVD 위험 점수는 당뇨병, 고지혈증, 고혈압, 허리 둘레 등 여러 요인에 의해 영향을 받습니다. 하지만 이 연구는 표본 크기가 적은 사례-대조군 연구로, 통계적 편향을 초래할 수 있습니다. 향후 연구에서는 표본 크기를 확대하고 참가자들을 위험 수준(낮음, 중간, 높음)별로 계층화해야 합니다. 이후 연구에는 관찰된 연관성을 검증하기 위한 중재 시험, 다기관 코호트 또는 기전적 조사가 포함되어야 합니다. 또한, 무릎 골관절염 및 심혈관 질환 위험군 대다수는 확실한 심혈관 질환 진단이 아닌 심혈관 질환 위험만 있었기 때문에 소견의 일반화가 제한적일 수 있습니다. 무릎 골관절염 및 심폐질환 환자의 생체역학과 심폐 기능을 조사하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

결론
이 연구는 무릎 골관절염과 심폐질환 위험이 있는 개인이 고립된 무릎 골관절염 환자에 비해 심폐 건강 저하가 상대적으로 적은 것으로 나타났습니다. 하지만 격렬한 신체 활동을 피하는 경향과 함께 폐 기능 저하와 대퇴이두근 활성화 증가도 나타났습니다. 더욱이, MVV 감소와 체지방 활성화 증가 사이에는 음의 상관관계가 관찰되었습니다.

이 발견들은 두 가지 주요 시사점을 시사합니다: 첫째, sEMG는 계단 보행 중 비정상적인 근육 활성화 패턴을 감지하여 위험군 무릎 골관절염 환자의 임상적 특징을 규명하는 데 유용한 비침습적 도구로 작용합니다. 둘째, 이 집단에 맞춘 맞춤형 운동 개입은 처음에는 무릎 주변 근육 균형 회복에 집중하고, 점차 심폐 체력과 폐 기능을 향상시키기 위한 격렬한 활동을 포함시켜야 합니다.

공개 사항

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저자들은 이해 충돌이 없다고 선언합니다.

감사의 글

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저자들은 모든 참가자들에게 감사드립니다. 저자들은 또한 참가자 선별을 위해 푸젠성 제3인민병원 신체검사센터 및 영상과에 감사를 표합니다. 이 연구는 푸젠성 과학기술부(프로젝트 보조금 번호 2020Y0053), 중국 국가 중점임상 전문 분야 건설 프로젝트(Z155080000004), 상하이 재활의학연구센터(상하이 최우선 연구센터)(2023ZZ02027), 푸젠성 자연과학재단(보조금 2025-P-005, 2025E3005), 중점연구소 개방 주제(프로젝트 보조금 번호 ZD2020-4-1)의 지원을 받았습니다. 그리고 중국 국가자연과학기금(프로젝트 보조금 번호 82074515)을 수여했습니다.

재료

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이름회사카탈로그 번호댓글
동적 심전분석기GE 헬스케어2019001977실시간 모니터링, 재사용 가능
폐 기능 검사 시스템케어퓨전 독일 234 GmbHV-919016실시간 모니터링, 재사용 가능
러닝머신러닝머신 HLP/코스모스180409크롤러 벨트, 속도와 경사 조절 가능
무선 바이오피드백 시스템델시스SP-W02C-1096무선, EMG 바이오피드백, 재사용 가능

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