서 론
1)
근전도 검사(Electromyography, EMG)는 근육의 전 위를 측정함으로써 근육의 기능과 효율을 객관적으 로 측정할 수 있고 이를 통해 근육 활성의 범위와 지 속시간을 평가할 수 있는 검사 방법이다. 근전도의 유 형 중에서 바늘 전극이나 가는 와이어 전극을 피부 하방의 근육 조직까지 삽입하여 근육 내 근전위를 측 정하는 방법(needle EMG)이 있는데, 이 방법으로는 단일운동신경 전위(motor unit action potential, MUAP) 를 측정할 수 있다. 또 다른 종류인 표면 근전도 (surface EMG)는 피부 표면에 전극을 부착하여 많은 근섬유들의 중첩된 활동전위를 측정한다. 표면 근전
교신저자:임영관
(61186) 광주광역시 북구 용봉로 33 전남대학교치과병원 구강내과 TEL: +82-62-530-5678 FAX: +82-62-530-5679 E-mail: [email protected] 원고접수일 : 2016-10-09
도의 비침습적이고 통증을 유발하지 않는 특성은 바 늘 근전도에 비해 큰 장점이라고 할 수 있다. 최근에 는 고밀도 표면 근전도(high density surface EMG)가 주목을 받고 있는데, 이것은 다수의 표면 전극을 검사 대상 근육의 피부 표면에 열을 지어 배치하여 신호를 감지한다.1) 표면 근전도의 감도와 선택성은 근육 내 근전도와 동일한 수준이다. 표면 근전도를 통해서도 단일 운동신경 활성을 분석할 수 있으며 근섬유 전도 속도(muscle fiber conduction velocity)에 대한 정보도 얻을 수 있다2,3).
본 고찰 논문에서는 표면 근전도의 기본 원리와 주 요 분석 방법을 설명하고, 이어 측두하악장애의 진단 에 표면 근전도가 활용되는 범위와 한계에 대해 논의 하고자 한다. 본 논문은 Woźniak K 등4)의 종설 논문 에서 일부를 발췌하여 번역하고 편집하였음을 밝혀 둔다.
근육의 전기적 활성의 평가(Assessment of Electrical Muscle Activity)
저작근 기능 평가 및 측두하악장애의 진단을 위한 표면 근전도 검사의 활용
1)전남대학교치과병원 교육연구실, 2)전남대학교치과병원 구강내과
조유진
1, 최유민
1, 임영관
2근전도 검사는 근육의 전위를 측정함으로써 근육의 기능과 효율을 객관적으로 측정하고 평가할 수 있는 검사 방법이다.
표면 근전도 검사는 전극이 부착된 부위에서 많은 근섬유들의 전기적인 신호를 측정하며, 저작근 중에서는 교근과 전측두근 이 주로 평가되고 있다. 전극 부착 조건을 통일하고 측정 과정을 표준화함으로써 신뢰도가 높은 정량적 근전도 분석을 할 수 있다. 생역학적 관점에서 (1) 안정 시와 최대 등장성 근수축의 두 가지 정적인 활성의 평가, (2) 저작과 같은 동적 활동의 평가 및 (3) 근피로도 검사가 중요하다. 표면 근전도 검사는 측두하악장애를 진단하는 목적으로도 높은 진단학적 가치를 지니며 측두하악장애 환자를 분별해내는 데 만족할 만한 민감도를 가지고 있다. 또한 표면 근전도 분석은 측두하악장애 환 자에 대한 치료의 효과를 평가하는 데도 유용할 수 있으며, 치료법의 일종으로서 생체되먹임요법으로 사용되고 있다. 결론 적으로, 표면 근전도는 악구강계의 해부, 생리 및 병리에 관한 지식을 확대할 수 있는 비침습적이고 객관적이며 정밀한 도구 로서 큰 가치를 가진다고 할 수 있다.
주요어: 근전도, 저작근, 측두하악장애
위에서 많은 근섬유들의 전기적인 신호를 측정하는 것이다. 표면 전극은 피부 표면 근처에 있는 근육으로 부터의 신호만 포집하므로 저작근 중에서는 교근 (masseter)과 전측두근(anterior temporalis)이 주로 평가 되고 있다. 측두근의 중간대와 후방대 섬유들의 활성 을 측정하기 위해서는 머리카락을 제모해야 하는데, 일반적으로 환자들로부터 동의를 얻기 쉽지 않은 측 면이 있다. 한편 외측 익돌근(lateral pterygoid)과 내측 익돌근(medial pterygoid)은 해부학적으로 심부에 위치 하므로 표면 전극으로 신호를 포집하기가 거의 불가 능하다.
표면 근전도의 또다른 단점은 임피던스(impedance) 의 불균형에 민감하다는 점이다. 일정하지 않은 임피 던스는 근전도 측정의 정확도(accuracy)와 정밀도 (precision)가 떨어지는 주된 이유이며, 이로 인해 결국 측정의 재현성도 떨어지게 된다. 측정의 재현성은 양 극 표면 전극(bipolar surface electrode)의 서로 다른 전 극간 거리(inter-electrode distance) 및 근육에 대한 다 양한 부착 위치로부터도 영향을 받는다. 따라서 전극 을 부착할 때 변동성을 최소하기 위해서 전극간 거리 를 일정하게 고정하여야 하고 반복 측정할 때는 주형 (template)을 사용하여야 한다5-7).
표면 근전도의 신뢰도에 영향을 주는 일정하지 않 은 임피던스 문제를 해결하는 가장 일반적인 방법은 표준화(normalization) 처리를 통해 적절한 정량적 근 전도 분석을 하는 것이다. 표면 근전도의 표준화는 측 정값을 몫지수(quotient indices)로 변환하는 것으로서, 기록된 특정 전기적인 활성을, 같은 전극을 이용하고 동일한 조건에서 기록한 또다른 매우 재현성이 높은 활성에 대해 백분율로 표시하는 것이다. 최대 수의적 근수축(maximum voluntary contraction, MVC)은 재현 성이 높은 근육 활동이다. 특정 조건이나 동작에서 기 록한 근육의 전기적 활성을 최대 수의적 근수축 활성 에 대한 백분율로 표시한다(%MVC). 표준화 처리의 중요한 가정은 최대 수의적 근수축(폐구근에서는 이 악물기 동작) 동안 발생되는 힘이 일정하고 재현성이 높다고 간주하는 것이다8,9). 또다른 정량적 분석 방법 은 최대이하 수의적 근수축(submaximal voluntary contraction, subMVC)을 수행하여 얻은 기록을 참조값 (reference value)으로 하여 특정 동작의 전기적 활성을 연관 지어 보는 것이다. 최대이하 수의적 근수축에서 근육의 전기적 활성과 근육으로부터 발생된 힘 간에 높은 상관계수를 얻을 수 있다8).
Castroflorio 등은6)1주 간격으로 3차례 측정한 교근
과 측두근의 전기적 활성을 분석함으로써 이러한 가 정들을 검증하였다. 연구대상자들은 80%MVC 수준 으로 수의적 근수축을 하였고 동시에 교합력을 압력 감지 센서로 측정하였다. 이러한 조건에서 측정의 재 현성은 71.9%로 추정되었고, 근전도 변수들의 재현성 에 전극간 거리가 미치는 영향도 관찰되었다. De Felicio 등10)에 의하면, 건강한 연구대상자들의 75%에 서는 6개월 간격으로 측정한 표면 근전도의 지수 데 이터에서 높은 재현성을 보였다. Visser 등11)도 건강 한 연구대상자들에서 연속 이틀간 측정한 교근과 측 두근의 활성 지수(activity index)와 비대칭 지수 (asymmetry index)에서 통계적으로 유의한 차이를 발 견하지 못하였다.
앞서 소개한 연구들은 정량적 근전도 분석이 근육 의 전기적 활성을 정확하고 신뢰할 만한 수준으로 평 가할 수 있음을 보여주었다. 표면 근전도 기록의 방법 론에 관한 가장 중요한 여러 주제들은 최근에 SENIAM(Surface Electromyography for Non-invasive Assessment of Muscles)과 ISEK(The International Society of Electromyography and Kinesiology)이라는 다 국가적 합의(multi-national consensus)를 통해 통합되었 다. 이 두 기관에서는 전극 부착, 표면 근전도 신호 처 리 및 모델링에 대한 권고사항을 제공한다.
저작근의 전기적 활성은 정적인 검사(안정 시, 최대 혹은 최대이하 수의적 이악물기) 또는 동적인 검사 (개구, 폐구, 하악 전돌, 하악 후퇴, 하악 측방 운동, 저 작, 연하, 발음) 동안 기록하고 평가할 수 있다. 그 중 생역학적 관점에서 가장 중요한 것은 저작과 같은 동 적 활동 및 안정 시와 최대 등장성 근수축의 두 가지 정적인 활성에 대한 검사이다.
안정 시 활성(rest activity)은 자세위(postural position)라고도 부르는 생리적 안정위(physiologic rest position)에서 나타난다. 2~4mm의 교합 안정 공극 (interocclusal rest space)에 의해 결정되는 이 위치에서 표면 근전도 기록 상 근전위가 일정한 수준은 관찰되 지 않으며 근육들은 활성 상태에 있다12). 이러한 결과 는 Suvinen 등13)에 의해서도 지지를 받는데, 그에 따 르면 평균 15.4mm의 개구할 때 근활성이 최소임이 관찰되었고 반면 하악의 자세위는 2~4mm의 개구 범 위에서 결정되었다. Michelotti 등14)은 40명의 22~34세 사람들을 대상으로 관찰하여 비슷한 결과를 보고하 였다. 생리적 안정위는 평균 1.4mm의 개구량에서 결 정되었고, 최소의 전기적 활성은 평균 7.7mm 개구할 때 나타났다14).
최대 교두간 접촉위(maximal intercuspal position)에 서 최대한의 힘으로 3초 내지 5초간 이악물기를 하거 나 코튼롤을 하악 제2소구치와 대구치에 위치시켜 물 게 함으로써(subMVC) 근섬유의 길이를 단축함 없이 등장성 수축 동안 전기적 근활성을 분석할 수 있
다.15,16)Ferrario 등15)은 앵글 1급 교합관계와 절치부 수
직 및 수평 피개량이 2~5 mm인 30명의 건강한 연구대 상자를 검사하여, MVC의 표준화 전위(standardized potential)가 교근(85.5㎶/㎶%)보다 전측두근(91.1㎶/
㎶%)에서 더 큰 것을 관찰하였다. 코튼롤을 구치부에 위치하여 수행한 MVC에 대해 근전위를 표준화하였 는데, 이 조건에서는 전측두근이 정상적으로 낮은 강 도로 수축하였기 때문에 이 근육의 표준화 전위가 높 은 값으로 나온 것이다.
또한 근피로도 검사(fatigue test)를 통해 근육의 전 기적 활성을 평가하는 것도 매우 중요하다. 이것은 지 속적으로 10초 동안 최대이하 또는 최대 등장성 근수 축을 하게 하는데, 근육에 특정 수준의 힘을 발휘하게 하여 생역학적 과정으로 발생하는 근피로를 평가할 수 있다. 근피로를 평가하는데 사용되는 가장 객관적 인 표면 근전도 측정 지표(parameter)는 median power frequency (MPF)와 time-frequency distribution이다.
Lodetti 등17)은 20~35세의 건강한 사람 29명을 대상으 로 한 연구에서 코튼롤을 무는 동작에서보다 최대 교 두간 접촉위에서 최대 수의적 근수축으로 이악물기 를 하는 경우 교근, 전측두근 및 승모근에서 median power frequency가 더 높았다. median power frequency 값은 측두근에서 가장 높았고(157Hz) 다음으로 교근 이었으며(140Hz) 승모근에서 가장 낮았다(68Hz). 이 결과는 이악물기를 하는 동안 승모근보다 교근과 측 두근에서 더 큰 힘이 발생된다는 것으로 설명할 수 있다.
동적 활동 가운데서도 저작은 가장 흔히 분석되는 동작이며, 악구강계의 가장 중요한 생리적인 활동이 다. 이 활동에 기여하는 운동의 현저한 다양성 때문에 저작 운동을 평가하는 것은 매우 어려우나, 저작 활동 의 지속시간, 저작 회수, 발생되는 힘과 식품의 질감 에 의존하는 저작효율과 같은 척도들이 평가되고 있
다.18,19) 건강한 연구대상자에서 15초 동안 기록한 평
균 저작 주기 회수는 부드러운 식괴가 형성되는 바나 나(10.6회)에 비하여 단단한 식괴를 만드는 파라핀 왁 스(11.6회)나 사과(11.6회)에서 더 많았다. 동일한 재 료에 대해서는 저작 동작의 지속시간의 평균값도 이 와 비슷한 경향을 보였는데, 파라핀왁스는 498.7ms,
사과는 457.3ms, 바나나 436.3ms으로 추정되었다.18) 정적인 활동과 동적인 활동을 모두 포함하여 정량 적 근전도 분석을 확장하려면 활성 지수(activity index, Ac), 대칭성 지수(percentage overlapping coefficient, POC), 토크 계수(torque coefficient, To, Tc) 와 같은 근전도 지표(electromyographic indices)를 평가 하여야 한다. 이러한 지표들을 가지고 상동근, 협동 근, 길항근의 활성, 조정 및 대칭성을 평가할 수 있다.
Ferrario 등15)은 측두하악장애가 없는 건강한 사람들 에서 교근과 측두근의 MVC는 대칭적인 근활성 양상 을 보이는 것을 확인하였다. 교근과 전측두근의 MVC 의 percentage overlapping coefficient (POC)는 각각 88.1%와 89.3%로 추정되었다. 더구나 MVC에서 torque coefficient (TC)는 6.4%로 낮았는데, 이 결과는 우측 또는 좌측으로 불균형인 측두근과 교근으로 인 해 하악을 측방으로 변위시키는 영향이 거의 없음을 의미한다. 이것은 De Felicio 등10)이 제시한 결과와도 일치하는데, 그의 연구에서 MVC 동안 교근의 POC는 87.1%, 측두근의 POC는 88.1%였으며 TC는 8.8%로 추정되었다. 측두하악장애가 없는 27명의 남성과 35 명의 여성에서 수행한 근전도 기록에서도 교근, 측두 근, 흉쇄유돌근의 대칭적인 근활성 양상이 확인되었 다. MVC에서 POC는 모든 근육에 대해 80.7%에서 87.9% 범위 내에 있었다.
이상과 같이 표면 근전도 검사를 이용하여 근육의 전기적인 활성을 정밀하게 분석하면 간단하게 악구 강계의 정량적인 분석을 할 수 있고 근육의 기능을 객관적으로 평가할 수 있다.
저작근의 전기적 활성에 영향을 미치는 요인들(Factors Affecting the Electrical
Activity of the Masticatory Muscles) 현재까지 알려진 지식으로는 성별이 저작근의 활 성에 미치는 영향에 대해 명확하게 결론내릴 수 없다.
Ferrario 등20)은 92명의 건강한 사람을 대상으로 기록 한 교근과 측두근의 안정 시 근활성에서 차이를 관찰 할 수 없었다. 그러나 최대 교두간 접촉위에서의 최대 수의적 근수축(MVC) 조건에서는 차이가 있었다. 교 근과 측두근의 평균 MVC 전위는 남자(181.9㎶, 216.2
㎶)가 여자(161.7㎶, 156.8㎶)보다 더 높았다. 이것은 Pinho 등21)이 제시한 결과와 일치하지 않는데, 대체적 으로 교근과 측두근의 안정 시 활성은 남성(1.4㎶)보 다 여성(2.6㎶)에서 더 컸다. 이전의 연구에서와 같이
MVC에 대해서는 여성에서 더 강한 근활성이 관찰되 었으며, 여성에서는 65.2㎶, 남성에서는 51.2㎶로 추정 되었다. Rilo 등22)은 측두하악장애의 증상 및 징후가 없는 연구대상자들에서 이악물기와 최대 개구 동안 두 성별 모두 비슷한 저작근 활성을 보이는 것을 확 인하였다.
연령은 매우 중요한 사회의학적 인자로서 근육의 활성에 대한 어떠한 평가를 하든지 최우선 순위로 고 려되어야 한다. Ueda 등23)은 24시간 동안의 표면 근전 도 기록을 통하여 아동에서는 측두근이, 성인에서는 교근이 활성의 지속시간이 더 길다는 것을 보여주었 다. 저자들은 이러한 속성이 아동에서는 치열과 악관 절의 발달이 불완전하고 근육이 미성숙하기 때문이 라고 설명하였다.
근육의 전기적인 활성을 변경할 수 있는 다른 인자 로는 주간과 야간의 운동 단위의 활성화에서의 차이 가 있다. Tabe 등24)과 Hiyama 등)25)은 야간에 저작근 의 활성이 감소됨을 확인하였다. 이것은 Saifuddin 등
26)이 주간과 야간에 평가한 안정 시 근활성과 두 번의 기록 세션에서의 저작 시 근활성을 비교한 결과로도 지지를 받는데, 야간에 교근과 측두근 모두에서 활성 이 가장 낮게 기록되었다.
측두하악장애 환자의 진단과 치료에 대한 표면 근전도의 활용
(sEMG in the Diagnosis and Treatment of TMD Patients)
측두하악장애(Temporomandibular disorder, TMD)는 저작근, 악관절 및 관련 구조물에서 발생하는 다양한 질환들을 포괄하는 질환 군에 대한 명칭이다.27) 측두 하악장애의 원인과 관련된 많은 가설이 제시되었는 데, 측두하악장애를 일으키는 주된 원인 요인으로서 일부 연구자들은 교합간섭(occlusal disturbances)을 의 심하였고, 또다른 학자들은 심리적 정서적 요인들을 언급하였다. Li 등28)은 하악 우측 제1대구치에 0.5mm 높이의 조기접촉(high spot)을 부여하여 나타나는 단 기간의 영향을 연구하였다. 이러한 조기접촉을 형성 한 지 3일째에 모든 연구대상자들은 우측 측두부에서 두통을 호소하였고, 안정 시 우측 전측두근의 활성이 현저하게 증가하였다. 더구나 조기접촉을 부여한 후 3일째와 6일째에는 검사 근육의 근전도 활성은 MVC 값이 현저히 감소되었고 양측 전측두근의 비대칭지 수(asymmetry index)가 유의하게 증가하였다.
측두하악장애의 진단에 있어서 표면 근전도의 높 은 진단학적 가치는 Pinho 등21)에 의해서 재확인되었 다. 그들의 연구 결과는 정적인 활동에 대한 근전도 분석을 바탕으로 측두하악장애 환자를 분별해내는 데 만족할 만한 민감도(sensitivity)를 보여주었다. 안 정 시 저작근의 전반적인 평균 근활성 값은 정상인 (1.9~1.2µV)이 측두하악장애 환자(2.5±1.3µV)보다 낮 았고, MVC 값들은 역으로 정상인에서 더 높았다.
MVC에서의 전반적인 평균 근활성은 건강한 연구대 상자 군이 110.3±83.0µV였고, 측두하악장애 환자 군 은 66.8±35.2µV였다. 유사한 결과가 Tartalglia 등16)에 의해서도 보고되었다. MVC 이악물기 조건에서 측두 근과 교근의 표면 근전도 검사를 103명의 측두하악장 애 환자들에게 시행하였고 32명의 대조군 연구대상 자들의 검사 결과와 비교하였다. 표준화된 총 근육 활 성(standardized total muscle activity)은 측두하악장애 환자들(88.7-117.6µV/µV%)보다 건강한 연구대상자들 (131.7µV/µV%)에서 현저히 컸다. 더구나, 측두근의 대 칭성은 대조군(86.3%)이 측두하악장애 환자군 (80.5~84.9%)보다 좋았다.
근활성의 대칭성 같은 지표의 중요성은 Liu 등29)에 의해서도 언급되었다. 24명의 측두하악장애 증상이 있는 환자(평균 연령 26.7세)와 20명의 정상인(평균 연령 27.1세)을 대상으로 근전도를 기록하였다. 연구 결과 MVC 동안의 교근의 비대칭성은 정상인(19.1%) 보다 측두하악장애 환자(30.5%)에서 현저히 강조되어 나타났다. MVC에서 후측두근(posterior temporalis)의 비대칭 지수는 측두하악장애 증상이 있는 환자 (30.1%)가 정상인(17.4%)보다 컸다. 70%의 MVC 동안 의 전측두근의 비대칭 활성은 측두하악장애 환자에 서 더 현저하였고 28.6%로 추정된 반면, 정상인에서 는 19.6%로 나타났다. 안정위(resting position)에서 악 이복근 전복(anterior digastricus)의 비대칭 지수 역시 무증상군(8.8%)에 비해 증상군(17.2%)이 높았다.
이상과 같은 표면 근전도 연구의 결과들은 측두하 악장애 환자들을 감별하는 데 도움을 준다. 더구나 표 면 근전도 분석은 이러한 기능장애에 대한 치료의 효 과를 평가하는 데도 유용할 수 있다. Ferrario 등30)은 그러한 관점에서의 연구 결과를 보여주었는데, 측두 하악장애 환자에서 근신경 조절 균형(neuromuscular equilibrium)을 평가하는 표면 근전도 기록으로 교합안 정장치(stabilization appliance)의 근활성에 대한 즉각 적인 효과를 확인하였다. 2mm 두께의 교합장치는 안 정 시에 교근과 측두근의 전기적 활성을 감소시켰고
우측과 좌측 근육 간에(교근에서 더욱 큰 대칭성, p <
0.05) 그리고 측두근과 교근 간에(activity index, p <
0.01) 더욱 더 균형이 이루어지게 하였다. Botelho 등31) 도 비슷한 교합장치의 영향을 보고하였다. 15명의 측 두하악장애 환자가 교합장치를 장착한 후의 표면 근 전도 기록에서 MVC 동안 측두근과 교근의 높은 대 칭성을 확인하였는데, 대칭 지수(symmetry index) 값 이 대조군의 값과 비슷하였다.
표면 근전도의 또다른 가치는 안전하고 부작용이 없는 치료법의 일종으로서 생체되먹임요법 (biofeedback)으로 사용되고 있다는 점이다. 되먹임에 의해 생체 신호를 측정하고 처리하고 강화하는 목적 으로 근전도 기기를 사용하는 치료법은 이전에는 자 율신경에 의해 조절되던 근긴장 수준을 환자들이 스 스로 조절하는 방법을 배울 수 있게 도와준다. 표면 근전도 기록을 추적함으로써 측두하악장애 환자들은 긴장 상태에 있는 근육들이 이환되게끔 노력할 수 있 다. Turk 등32)은 흔히 사용되는 두 가지 측두하악장애 요법인 구강내 장치와 생체되먹임요법의 효과 차이 를 평가하기 위해 단독 및 복합으로 적용하였으며, 경 과 평가에서 관찰되는 생체되먹임요법의 효과는 측 두하악장애 환자들을 성공적으로 치료하는데 치과적 치료와 심리학적 치료를 함께 하는 것이 중요함을 보 여주었다.
결 론
본 종설에서 고찰하였던 연구들은 표면 근전도가 악구강계의 해부, 생리 및 병리에 관한 지식을 확대할 수 있는 비침습적이고 객관적이며 정밀한 도구로서 큰 가치를 지님을 보여주였다. 구강내과를 포함한 치 과계에서 표면 근전도에 더 많은 관심을 가지고 악구 강계의 기능 평가와 측두하악장애의 진단에 보조적 인 도구로서 많이 활용할 수 있게 되기를 바란다.
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ABSTRACT
Surface electromyography in the evaluation of masticatory muscle function and diagnosis of temporomandibular disorders
Yu-Jin Jo, D.D.S.,1 Yoo-Min Choi, D.D.S.,1 Yeong-Gwan Im, D.D.S.,M.S,Ph.D.2
1)Department of Education & Research, Chonnam National University Dental Hospital
2)Department of Oral Medicine, Chonnam National University Dental Hospital
Electromyography (EMG) is the objective and reliable technique for evaluating muscle function and efficiency by detecting their electrical potentials. Surface EMG detects signals from many muscle fibers in the area of the detecting electrode, thus masseter and anterior temporalis muscles are the most frequently evaluated. Quantitative electromyographic analyses can be highly reliable with standardization of electrode placement and normalization procedures. From a biomechanical point of view, the most important and frequent evaluated activities of the masticatory muscles are (1) two static activities such as rest and the maximal isometric contraction, (2) dynamic activities such as mastication and (3) the fatigue test. Surface EMG has a high diagnostic value for temporomandibular disorder (TMD) with satisfactory sensitivity in the discrimination of TMD patients. The surface EMG can be useful in assessing the effectiveness of treatments, and moreover, it is used as the biofeedback therapy in TMD patients. In conclusion, surface EMG is highly valuable as a non-invasive, objective, and precise tool that expands our knowledge about the anatomy, physiology, and pathology of the stomatognathic system.
Key Words: Electromyography, Masticatory Muscles, Temporomandibular Disorders