사이클링 생체역학은 효율적인 근육 활성화와 코어 안정화에 의존합니다. 적외선 열화상(IRT)은 근육 피로를 비침습적으로 모니터링할 수 있습니다. 이 프로토콜은 IRT를 생체역학 분석에 통합하는 표준화된 방법론을 확립하여, 정밀한 생리학적 모니터링을 통해 아마추어 사이클리스트의 성능을 최적화하고 부상 예방을 목표로 합니다.
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방법 논문
적외선 열화상을 이용한 아마추어 사이클리스트의 근육 피로 및 생체역학 모니터링을 위한 표준화된 프로토콜
이 논문에서
요약
초록
고정식 자전거의 사용이 크게 증가하여 일반 대중이 신체 활동을 더 쉽게 할 수 있게 되었습니다. 하지만 훈련 세션 중 정밀하고 비침습적인 모니터링이 부족하면 근육 불균형과 비효율적인 생체역학적 패턴이 가려질 수 있습니다. 이러한 요인들은 초기 단계에서 비임상 상태이기 때문에 근골격계 손상 발생률을 높일 수 있습니다. 현재 운동 평가는 노력에 대한 주관적 인식이나 기존의 수행 지표에 의존하여, 만성 질환으로 진행되기 전에 생리적 문제를 조기에 발견하는 데 중요한 공백을 만듭니다. 운동이 공중보건에서 중요한 역할을 하는 만큼, 다양한 체력 수준에 적용 가능한 지속 가능한 평가 전략을 실행하는 것이 필수적입니다. 이와 관련하여, 적외선 열화상(IRT)은 피부 표면 온도를 정량화할 수 있는 능력 덕분에 유망한 대안으로 떠오릅니다. 이는 대사 활동, 체온 조절, 혈류를 직접 측정하는 지표입니다. 이 프로젝트는 비운동 인구에서 자전거 타기 세션 중 생리적 반응을 모니터링하기 위해 IRT를 사용한 표준화된 방법론적 프로토콜을 확립합니다. 이 프로토콜의 적용을 통해 표준화된 IRT가 주관적 노력 지각(보그 척도)이나 페달링 케이던스 모니터링으로는 감지할 수 없는 관절(예: 32.8 °C의 무릎)에서 아임상적 열 비대칭과 국소적인 '핫스팟'을 효과적으로 감지할 수 있음이 밝혀졌습니다. 환경 및 주제 관련 변수를 체계적으로 제어함으로써, 본 연구는 하체의 표면 온도 분포를 분석하여 생체역학과 근육 피로를 평가합니다. 구체적으로, 이 프로토콜은 열 패턴, 피로 수준, 페달링 케이던스 간의 상관관계를 촉진합니다. 이 접근법은 예방 의학과 공중보건 분야의 기술 혁신을 지원할 뿐만 아니라, 부상 위험을 줄이고 이 활동에 참여하는 인구의 복지를 최적화할 수 있는 조기 발견 도구의 토대를 마련합니다.
서론
사이클링의 생체역학은 인간의 움직임, 근육 생리학, 에너지 전달의 원리를 통합하여 성능을 최적화하고 부상을 예방하는 다면적인 학문입니다. 사이클링의 핵심은 대퇴사두근, 둔근, 비근이 대부분의 추진력을 생성하는 파워 단계와 햄스트링과 고관절 굴근이 다리를 원래 위치로 되돌리는 회복 단계 사이의 순환적 교대를 포함합니다. 페달로의 효율적인 에너지 전달은 하체 근육 활성화뿐만 아니라 코어 안정성에 매우 의존하며, 이는 생체역학적 효율성을 보장하고 부상을 유발할 수 있는 보상 움직임을 최소화합니다 1,2,3.
현재 연구자들은 사이클링 3,4,5 사이클 중 근육 활성화 패턴, 피로, 체온 조절 반응 평가에 집중하고 있습니다. 이러한 관심은 근육 피로가 복잡한 현상으로, 수행 능력을 저하시키고 부상 위험을 증가시키며, 조기 발견과 관리가 엘리트 및 레크리에이션 사이클리스트 모두에게 필수적이라는 인식에서 비롯됩니다 2,6. 다양한 평가 도구 중에서 적외선 열화상(IRT)은 근육 활동과 피로를 모니터링하는 유망하고 비침습적인 기법으로 확립되었습니다. IRT는 운동 중 근육 활성화와 체온 조절 과정을 반영하는 피부 온도 변화를 시각화할 수 있게 해주며, 이는 운동선수의 신진대사에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다 5,7.
잠재력에도 불구하고, IRT를 자전거 생체역학 연구 및 실천에 적용하는 데는 여러 방법론적 도전 과제가 있습니다. 일반적인 스포츠 및 임상 맥락에서 일부 표준 운영 절차(SOP)가 제안되었지만, 아마추어 사이클링의 독특한 생리적·대류 냉각 요구를 해결하기 위해 기존 프로토콜의 추가 개선이 필요하다는 인식이 있습니다 7,10. 환경 조건의 변동성, 피험자 준비의 불일치, 관심 해부학적 부위 선정에 대한 합의 부재는 연구 1,5,7,9 간 연구 결과의 재현성과 비교 가능성을 제한했습니다. 이러한 한계는 7, 10, 11, 12 사이클링 맥락에서 IRT의 잠재력을 최대한 활용하기 위한 엄격한 방법론적 틀의 필요성을 강조합니다.
문헌에 따르면 이 분야의 주요 주제 축에는 운동생리학, IRT, 피부 온도 모니터링, 운동 수행, 체온 조절 2,5,7이 포함됩니다. 연구들은 표면근전도(sEMG)를 통해 얻은 피부 온도와 근육 활성화 매개변수 사이에 유의미한 상관관계가 있음을 보여주었으며, IRT가 동적 운동5 중 근육 피로의 대리 지표로 작용할 수 있음을 시사합니다. 그러나 땀, 주변 온도, 개인 간 온도 조절 능력 차이와 같은 외부 요인이 열화상 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 실험 조건의 신중한 통제와 보고가 필요하다7.
마찬가지로, 비침습적 근육 피로 모니터링의 발전은 IRT를 넘어 sEMG, 기계근조영(MMG), 근적외선 분광법(NIRS), 초음파 영상 13,14,15,16,17과 같은 기법으로 확장되었습니다. 각 기법은 근육 기능에 대한 고유한 통찰을 제공합니다: sEMG는 수축 시 전기 활동을 정량화하고, MMG는 기계적 진동을 포착하며, NIRS는 근육 산소 공급을 평가하고, 초음파는 근육 변형을 시각화합니다. IRT가 이 다중 모드 환경에 통합되는 것은 지속적이고 비접촉적인 모니터링이 유리한 자전거 타기에 특히 큰 가능성을 지닙니다. IRT는 피부 온도 분포에 대한 공간적으로 해상도 있고 실시간 데이터를 제공함으로써 다른 치료법을 보완할 수 있으며, 이는 국소적인 근육 활성화, 비대칭성, 과사용 또는 손상 부위를 반영할 수 있습니다14,18.
이전 연구에서 확인된 방법론적 불일치를 극복하기 위해, 본 연구에서 제안된 프로토콜은 임상 및 스포츠 열기록에 대한 국제 표준과 엄격히 일치합니다. 구체적으로, 자극제 및 신체 활동 제한, 표준화된 적응 기간 사용 등 피험자 준비 및 환경 통제 매개변수는 국제임상열학회(IACT), 미국 열학회(AAT), 글래머건 프로토콜8에서 정한 지침을 기반으로 합니다. 더불어, 방사율 및 열변형률 평가를 포함한 환경 및 기술적 설정은 ISO 9886 표준과 유럽 열학회(EAT)의 권고사항을 따릅니다. 이러한 확립된 규정을 통합함으로써, 본 연구는 IRT 측정이 생리학적 반응을 신뢰할 수 있게 반영하여, 레크리에이션 자전거 이용자의 근육 피로와 생체역학을 모니터링하는 견고한 틀을 제공합니다.
그럼에도 불구하고, 자전거 생체역학에서 IRT를 성공적으로 적용하려면 표준화된 방법론의 확립이 필요합니다. 여기에는 운동 전 적응 기간의 정의, 주변 온도와 습도 조절, 일관된 피험자 준비, 그리고 열 분석을 위한 관심 해부학적 영역의 정확한 구분 등이 포함됩니다 5,7. 더 나아가, 견고한 데이터 분석 프로토콜의 개발은 IRT데이터의 해석 가능성과 유용성을 향상시킬 것입니다.
본 연구는 레크리에이션 자전거 이용자의 생체역학 분석에 IRT를 통합하기 위한 포괄적인 방법론적 틀을 제안하고 검증함으로써 이러한 격차를 해소합니다. 환경 및 피험자 관련 변수를 체계적으로 통제하고, 열 데이터를 근육 활성화 및 피로의 확립된 지표와 연관시켜 근육 피로 모니터링을 최적화하고 부상 예방에 기여하며 수행 결과 향상을 목표로 합니다 2,5,7,14.
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프로토콜
연구 프로토콜은 헬싱키 선언의 윤리 원칙에 따라 수행되었습니다. 적외선 열화상이 비침습적이고 비접촉적인 특성 덕분에 참가자들의 안전은 모니터링 과정 전반에 걸쳐 보장되었습니다. 모든 피험자는 시술 시작 전에 서면 동의서를 제출했으며, 연구 목적으로 생리학적 데이터를 사용하는 데 동의했습니다. 이 연구는 케레타로 자치대학교 공학부 내부 연구 지침을 따라 진행되었으며, 참가자의 익명성과 데이터 보호를 보장했습니다.
참고: 이전 연구에서 확인된 방법론적 불일치를 극복하기 위해, 본 연구에서 제안된 프로토콜은 임상 및 스포츠 열기록에 관한 국제 기준을 엄격히 준수합니다. 구체적으로, 대상 준비 및 환경 제어의 매개변수는 국제임상열학회(IACT), 미국 열학회(AAT), 글래머건 프로토콜이 정한 지침을 따릅니다. 더불어, 방사율 및 열 변형률 평가와 같은 기술적 설정은 ISO 9886 표준과 유럽 열학회(EAT)의 권고사항을 따릅니다. 이 프로토콜의 타당성은 케레타로 자치대학교(Universidad Autónoma de Querétaro)의 20세에서 25세 사이의 생의학공학 학생 60명을 대상으로 프로토콜 준수와 기저 균질성을 보장하기 위해 검증되었습니다. 이 특정 집단은 사전 시험 제한 준수율을 높게 보장하고, 열화상 포획의 일관성을 검증할 수 있는 균질한 생리학적 기준선을 제공했습니다.
1. 대상 준비 및 환경 제어 (재현성 및 인구통계학적 영향)
- 포함 기준 및 주제 요인
- 각 피험자의 나이와 성별을 기록하여 연령 차이와 성별 영향을 분석하세요.
- 해부학적 매개변수에 사용할 수 있도록 피실험자의 키와 몸무게를 기록하세요.
- 보그 인지된 노력 평가(RPE) 척도(6–20)를 시행합니다. 피험자에게 검사 전후의 현재 운동 수준을 나타내는 숫자를 가리키도록 지시하여 생리학적 데이터를 주관적 피로와 연관시킵니다.
- 섭취 제한과 피부 준비
- 측정 전 24시간 동안 피실험자가 알코올과 니코틴 섭취를 금지합니다.
- 시험 전 3시간 동안 피실험자가 카페인 섭취와 격렬한 운동을 하지 않도록 하세요.
- 시험 전 12시간 동안 하체에 크림, 화장품, 연고를 바르지 말라고 지시하세요.
- 피험자가 충분한 수분 섭취를 하고 있는지 확인하고, 이를 사전 검사 데이터 시트에 기록하세요.
- 임상 체중계를 사용해 검사 전에 체중을 측정하세요. 세션 30분 전에 300mL의 물을 섭취하도록 요청하여 표준화된 기본 수분 상태를 유지하세요.
- 복장과 자세의 표준화
- 피험자에게 하체를 완전히 벗도록 지시하세요.
- 표준화된 사이클링 반바지(솔기가 보이지 않는 검은색 라이크라)를 제공하세요.
- 환경 및 휴식 조건의 표준화
- 피사체에서 1m 높이에 디지털 열습도계를 설치합니다. 주변 온도가 18–25 °C 사이이고 상대 습도가 40%에서 55% 사이인지 확인하세요. 이 값들을 5분마다 스프레드시트에 기록하세요.
- 직접적인 바람, 햇빛 노출, 열이나 냉기에 영향을 줄 수 있는 열/냉기 등이 없는지 확인하세요.
- 환경 적응을 위해 15분간 정적인 앉아 휴식을 취하세요.
- 피실험자를 고정된 자전거에 필요한 자세로 올려놓으세요.
2. 열화상 이미지 구성 및 획득
- 열화상 카메라 내부 설정 메뉴를 열어보세요. Object Parameters 로 이동해 수동으로 0.98을 방출 도(ε)를 입력하세요. 반사된 겉보기 온도 를 1.4.1단계에서 측정한 주변 온도와 일치하도록 설정하세요.
- 최소 해상도 320 x 240 픽셀의 적외선 열화상계(IRF) 열화상 카메라를 사용하세요.
- 인간 피부 표면의 방사율(ε) 을 0.98로 설정하세요.
- 레이저 거리계나 물리적 측정자를 사용해 삼각대를 자전거 크랭크셋의 측면면에서 정확히 100cm 떨어진 곳에 놓으세요. 삼각대 다리 위치를 바닥에 접착 테이프로 표시해 캡처 사이에 무변위가 없도록 하세요.
- 기기 설정에서 환경의 상대 습도를 입력하세요.
- 실험실의 대기 온도를 설정하고 외부 온도를 입력합니다.
- 해부학적 위치 및 획득.
- 열화상계기를 삼각대에 올려놓고 카메라 높이를 바닥에서 30cm로 설정하세요.
- 렌즈를 피사체 하단에 수직 각도(≈90°)로 위치시킵니다.
- 열 분석 소프트웨어에서 다각형/직사각형 ROI 도구를 선택하세요. 클릭하고 드래그하면 대퇴직근(전상장골과 슬개골 중간 지점) 위에 10 x 5cm 크기의 상자를 그려야 합니다. 계산 을 클릭하여 평균 온도(T평균)를 추출합니다.
- 측정 지점 프로토콜
- 15분 휴식 기간이 끝난 직후 열화상 이미지를 촬영하세요.
- 5초 이내에 촬영을 보장하려면 연구원이 카메라 뒤에 서서 초점을 미리 설정해 두세요. "페달링 중지" 신호가 나오면 우세 다리를 6시 방향으로 뻗으세요; 즉시 카메라 트리거의 캡처/프리즈 버튼을 누르세요.
- 운동 후 회복: 운동 완료 10분 후 세 번째 열화상 이미지를 촬영합니다.
3. 훈련 프로토콜 실행
- 고정 작업 부하 150W로 고정된 에 르고미터 모드 로 설정하세요(정규화 전력이 필요하면 피실험체 체중에 맞게 조정).
- 디지털 메트로놈을 설치하거나 자전거 내장 콘솔을 사용해 80RPM의 일정한 속도 속도를 유지하세요. 피험자에게 ±5 RPM 여유 내에서 이 속도를 유지하도록 지시하여 정상 체온 조절 반응을 보장합니다.
- 열화상 카메라가 표준 녹화 모드로 설정되어 있으며, 온도 범위는 20 °C에서 45 °C, 방사율은 0.98인지 확인하세요.
4. 데이터 분석 및 표준화
- 열변이(ΔT)를 다음과 같은 공식으로 계산합니다: ΔT = T 후 - T pre. 이 계산을 지배 사지와 비우세 사지 모두에 대해 수행하여 열 비대칭성을 결정합니다 (ΔT비대칭 = |T오른쪽 - T왼쪽|)
- 원본 열화상 이미지를 조작하거나 자르지 마세요.
- 초기 이미지 해상도와 완전한 메타데이터를 보존하여 분석할 수 있습니다.
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결과
사이클링 생체역학:
자전거 생체역학은 페달링 사이클에서 작동합니다. 푸시(하강)은 주된 힘을 생성합니다: 대퇴직근(대퇴직근, 외측광대, 내측근, 중간근)이 주요 운동으로, 무릎을 펴고 페달을 밟습니다. 둔근은 엉덩이 신전을 도와 힘과 안정성을 제공합니다. 송아지(가스토크네미우스와 솔레우스)는 힘의 전달을 완성합니다. 풀 및 회복 단계(위쪽)는 다리를 준비시킵니다: 햄스트링이 무릎을 굽히고 페달을 위로 당깁니다. 고관절 굴근(장요근, 사르토근)이 다리를 들어 올리며 주기를 닫습니다. 안정성이 필수적입니다: 코어(복근과 허리 아래쪽)는 몸통을 안정적으로 유지하여 힘이 페달로 효율적으로 전달되도록 하고, 격렬한 노력 시 에너지 손실을 방지합니다. 이 근육 구조는 그림 1에 나와 있습니다.
열화상 분석:
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토론
이 연구는 두 가지 축에 기반합니다: 생리학적 스트레스를 측정하는 비침습적 도구로서의 적외선 열화상(IRT)의 효과와 그 방법론적 프로토콜의 표준화가 시급한 필요성입니다. IRT를 자전거 피로 평가에 사용하는 정당성은 네트워크 분석(그림 2)에서 확인되었으며, 이 분석은 피부 온도 및 운동 모니터링을 문헌1, 2, 4에서 중심 주제로 확립합니다.
제안된 프로토콜은 표 1과 2에서 보여주는 '방법론적 혼란'을 다루며, 이는 연구의 극심한 변동성을 보여줍니다. 편향은 엄격한 환경 관리(온도 및 습도 표준화), 상세한 피실험체 준비(카페인 및 알코올 제한), 포획 표준화(방사율, 거리, 각도 설정)를 통해 완화되어 외부 변수
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공개 사항
저자들은 본 논문에서 보도된 연구에 영향을 미칠 수 있는 알려진 경쟁 재정적 이해관계나 개인적 관계가 없다고 선언한다.
감사의 글
저자들은 원고를 비판적으로 읽어준 움베르토 아기레 베세라에게 감사를 표합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 보그 스케일 | 보그 인식 | RPE 스케일 6-20 | 6-20 RPE 척도는 주관적 피로를 객관적 열 비대칭 및 아임상 핫스팟과 연관시키는 데 사용되었습니다. |
| 통제 챔버 | 내부 시설 | 생리학 실험실 | 환경 유지 온도는 18도 이상; C에서 25도 & 도수; C 및 40– 55% 습도를 사용하여 피부 온도를 안정시키고 대류 간섭을 최소화합니다. |
| 데이터 로그 시트 | 구글 | 구글 폼 (디지털 입력) | 개별 체온 조절 변수를 조절하기 위한 인체 측정 데이터(나이, 성별, BMI)와 수분 상태를 기록하는 표준화된 양식. |
| 사전 동의 | 지역 윤리 위원회 | 기관 형식 | 헬싱키 선언 준수를 보장하기 위해 현지 윤리위원회에서 승인한 문서화. |
| 적외선 카메라 | FLIR 시스템 | 49001-2001 | 고해상도(320 x 240 px) 열화상 카메라는 &epsilon으로 설정되어 있습니다; = 0.98은 국소 대사 열과 열 이동을 측정하기 위해 (Δ T). |
| 마킹 도구 | BIC / 바디 메드 | 스킨 마커 / 플로어 테이프 | 피부에 안전한 마커와 바닥 테이프를 사용해 카메라와 피사체 간 거리를 정확히 100cm 고정하고 일관된 해부학적 ROI 정렬을 보장합니다. |
| 경기계 및 규모 | SECA | 763 (디지털 방송국) | 키와 체중을 기록하는 도구; 정규화된 파워 계산과 피험자별 생리학적 기준선 문서화에 필요합니다. |
| 표준화된 반바지 | 나이키 | HV0411-010 / CZ9831-010 | 검은색 라이크라 의류는 피부 방출도를 표준화하고 하체 관심 부위(ROI)에 장애물 없이 접근할 수 있도록 사용되었습니다. |
| 고정식 자전거 | 모나크 | 828E 에르고메딕 | 전자기 에르고미터는 고정된 작업 부하(예: 150 W)와 일정한 케이던스(80 RPM)로 설정되어 안정된 대사 열 생산을 보장했습니다. |
| 스톱워치 | 카시오 | HS-3V-1RET | 15분 적응 시기를 맞추고, 급격한 열 붕괴를 방지하기 위해 IR 포획이 5초 이내에 이루어지도록 하는 데 매우 중요합니다. |
| 온도계-습도계 | 통제 회사/추적 가능 | 4040 | 실시간 모니터링 장치; 대기 보정을 위해 주변 온도와 습도를 적외선 카메라의 물체 매개변수에 입력하는 데 사용됩니다. |
| 삼각대 | FLIR 시스템 | T197731 | 안정된 지지대는 높이 30cm, 수직각(≈ 90°) 하체까지 이동시켜 반복 가능한 이미지 획득을 위해 사용했습니다. |
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