EMG-ANGLE RELATIONSHIP DURING MAXIMUM VOLUNTARY MOVEMENT HIDEAKI ONISHI, RYO YAGI, MINED OYAMA, KOUJI IHASHI and YASUNOBU HANDA Abstract The purpose o

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1 EMG-ANGLE RELATIONSHIP DURING MAXIMUM VOLUNTARY MOVEMENT HIDEAKI ONISHI, RYO YAGI, MINED OYAMA, KOUJI IHASHI and YASUNOBU HANDA Abstract The purpose of this study is to investigate the relationship between joint angle and EMG activity concerning the human knee joint and hamstring muscles. Ten healthy males participated in this study. They performed maximum voluntary isokinetic knee flexion in the flexion angle range of 0 K to 120 K in a prone position on a table. The EMG activities of the semitendinosus, semimembranosus, long and short heads of the biceps femoris muscles were detected by bipolar fine wire electrode, and were integrated at knee flexion range intervals of 15 K from 0 K to 120 K. After three months, the same examination was performed with the same subjects to confirm the reliability of this study. Results showed the mean peak isokinetic torque was attained from a 15 K to 45 K knee flexion angle. The EMG activities of the hamstring muscles varied with changes in the knee flexion angle. The integrated EMG of the semitendinosus, semimembranosus and short head of the biceps femoris muscles increased gradually as the knee flexion angle was increased from 0 K to 105 K. The peak integrated EMG of these three muscles was attained between 90 K and 105 K knee flexion in both trials. On the other hand, the peak integrated EMG of the long head of the biceps femoris muscle was largest at a knee angle ranging from 15 K to 30 K. Peak integrated EMG decreased when the knee flexion angle increased in both trials. These results show that the electromyographic activity of agonist muscles during maximum voluntary movement varied with the change of muscle length or joint angle. Therefore, it was considered that the relationship between joint torque and joint angle is influenced not only by the sarcomere length and the moment arm but also muscle activities of agonist muscles, even if the movement is performed with maximum effort. (Jpn. J. Phys. Fitness Sports Med. 1999, 48 : 485 `492) key words : wire EMG, hamstrings, knee flexion torque, knee angle, maximum isokinetic movement Department of Restorative Neuromuscular Surgery and Rehabilitation, Tohoku University Graduate School of Medicine, Sendai, Japan

2 486 大 西,八 Soderberg8)も 木,大 山,伊 橋,半 田 同 様 に 筋 長 が 長 く な る に 連 れ て, 一 定 張 力 を維 持 す る為 の 筋 活 動 は 減 少 す る と報 告 して い る.し か し,Vigreuxら9)は 等 尺 性 収縮 状 態 にお い て肘 関 節 屈 曲 角 度 と上 腕 二 頭 筋 の 筋 活 動 を 解 析 し,上 腕二頭筋の筋電図は関節角度の変化 に 影 響 さ れ ず 常 に 同 じ値 を 示 し た と 報 告 し て い る.Leedhamら10)も 同 様 に上 腕 二 頭 筋 の 筋 長 と 筋 活 動 と の 関 係 を 解 析 し,上 腕二頭筋の筋電図は 筋 の 長 さ に 影 響 さ れ ず に 一 定 で あ っ た と 報 告 して い る.こ の よ う に,筋 電 図 と筋 長 との 関 係 は 未 だ Fig. 明 ら か に さ れ て い な い. 今 回 わ れ わ れ は,人 1. Wire hamstring electrode placement in the individual muscles. の 骨 格 筋 を 対 象 と して 随 意 収縮 中の 筋 長 と主 動 作 筋 の 筋 電 活 動 お よび 発揮 ト エ ッ チ,潤 ル ク と の 関 係 を 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し て, ロ ン ア ル フ ァ ー で 双 極 の テ フ ロ ン部 分 を 固 定 し て 健 常 者 を 対 象 に 最 大 随 意 運 動 中 の 関 節 角 度 と筋 活 用 い た14).電 動 お よ び 関 節 トル ク と の 関 係 を解 析 した の で 報 告 い,Delagi15)の す る. 考 に し て 刺 入 し た(図1).さ II.方 工 社,東 京)で 処 理 し た 後,生 極 刺 入 に は25Gの カ テ ラ ン針 を用 提 唱 して い る 電 極 刺 入 位 置 を参 ら に,電 気 刺 激 を行 う こ と に よ り電 極 留 置 位 置 を 確 認 し た16). 法 運 動 課 題 は 等 速 性 膝 屈 曲 運 動 で あ り,膝 A.被 験者 曲0度 イ ン フ ォ ー ム ド コ ン セ ン トが 得 ら れ た10名 の 健 努 力 に て 行 わ せ た.運 KINCOM(Kinematic 平 均 年 齢 は30.2±4.5(平 tanooga,tn)を 均 値 ± 標 準 偏 差)歳 べ て の被 験 者 は 下肢 に整形 外 科 的疾 患 の 既 往 は 無 く,ト レー ニ ン グお よび 定期 的 な運 動 を 全 く行 っ て い な い 者 で あ っ た.被 53kgか で ら90kg(平 身 長 は163cmか 8.1cm)で 験 者 の体 重 は 均 体 重:71.7±10.1kg)で, ら190cm(平 最大 動 に は等 速 性 運 動 機 器 Communicator 125 AP,Chat- 使 用 した.測 定 肢 位 は 腹 臥 位 と し, 殿 部 お よ び 腰 部 を ベ ル トで 十 分 に 固 定 し た 後,中 等 度 の 努 力 で10回 の 等 速 性 膝 屈 曲 運 動 を 繰 り返 す こ と に よ り ウ ォ ー ミ ン グ ア ッ プ を 行 わ せ た. ウ ォ ー ミ ン グ ア ッ プ 終 了 後 約3分 間 休 息 し,測 定 を 開 始 し た. 均 身 長:172.6± あ っ た. C.関 B.実 関節 屈 か ら120度 の 範 囲 を 角 速 度30度/secで 常 男 性 を 対 象 と し た.年 齢 は21歳 か ら36歳 で あ り, あ っ た.す 体用 ア 験 手順 被 験 者 を腹 臥 位 に さ せ,大 毒 し た 後,膝 腿 部 後面 を十 分 に消 関 節屈 曲 主動 作 筋 で あ るハ ム ス トリ ン グ ス4筋(半 腱 様 筋,半 膜 様 筋,大 腿 二頭筋長 頭 お よ び 大 腿 二 頭 筋 短 頭)に 筋 電 図 用 の ワ イ ヤ ー 電 極(A-M Systems,WA)を 電 極 は,テ 刺 入 し た.ワ フ ロ ン で 被 覆 さ れ た 直 径75μmの テ ン レ ス 製 の ワ イ ヤ ー を用 い,そ の テ フ ロ ン を 剥 ぎ,電 た,電 タ ー に 記 録 し て,膝 関 節 角 度15度 毎(0 15度,15 度,90 105度, 度)の ス 器(BIOTOP6R12,NEC三 双極電 フ ロ ン を 表 面 処 理 剤(テ トラ 最 大 値 を 求 め た. 筋 電 図 は 前 置 増 幅 器(DPA-10A,ダ カ ル シ ス テ ム,東 極間距離が変 ーソナルコンピュー 30度,30 45度,45 60度,60 75度,75 90 イヤー の 先 端 部2mm 極 間 距 離 が5mmの 極 と して 使 用 し た11 13).ま 動 し な い よ う に,テ 節 トル ク お よ び 筋 電 図 の 記 録 解 析 等 速 性 膝 屈 曲 トル ク は,パ 京)で2倍 イヤ メデ イ に 増 幅 し た 後,増 栄,東 幅 京)を 用 い て200 倍 に 増 幅 しデ ー タ レ コ ー ダ(RX-800,TEAC,東 京)に 記 録 し た.デ ー タ レ コー ダ に 記 録 した 筋 電 図 は12bit A/D変 換 ボ ー ド(AD12-16U(98)EH, Contec,大 阪)を 使 用 し5000Hzの サ ンプ リング

3 Fig. 2. Torque-Angle relationship during maximum isokinetic knee flexion in the prone position.

4 Table 1. The differences in torque and NIEMG values between the knee angles. Statistical verification was done with a repeated measures design two-way ANOVA and Tukey's HSD post-hoc test.

5 Fig. 3. EMG-angle relationships during maximum isokinetic knee flexion. a) Semitendinosus, b) Semimembranosus, c) Long head of biceps lemons, d) Short head of biceps lemons

6 Table 2. Morphology of hamstring muscles. * : Wickiewicz TL, et al. (1983), * * : AKima H, et al. (1995), * * * : Friederich JA, et al. (1990), õ : Johnson, et al. (1973), õ õ : Herzog W, et al. (1993), õ õ õ : Physiological crass sectional area : PCSA, S. T.: Semitendinosus, S. M.: Semimembranosus, B. F. long : Long head of biceps lemons, B. F. short: Short head of biceps femoris.

7 1) Gordon, AM., Huxley, AF, and Julian, FJ. The variation in isometric tension with sarcomere length in vertebrate muscle fibres. J Physiol., (1966), 184, ) Edman, KA. The relation between sarcomere length and active tension in isolated semitendinosus fibres of the frog. J Physiol., (1966), 183, ) Hellam, DC. and Podolsky, RJ. Force measurements in skinned muscle fibres. J. Physiol., (1969), 200, ) Schoenberg, M. and Podolsky, RJ. Length-force relation of calcium activated muscle fibers. Science, (1972), 176, ) ter Keurs, HEDJ., Iwazumi, T. and Pollack, GH. The sarcomere length-tension relation in skeletal muscle. J. Gen Physiol., (1978), 12, ) Fabiato, A. and Fabiato, F. Myofilament-generated tension oscillations during partial calcium activation and activation dependence of the sarcomere length-tension relation of skinned cardiac cells. J. Gen Physiol., (1978), 72, ) Heckathorne, CW. and Childress, DS. Relationships of the surface electromyogram to the force, length, velocity and contraction rate of the cineplastic human biceps. Am. J. Phys. Med., (1981), 60, ) Sodeberg, BL. and Cook, TM. Electromyography in

8 biomechanics. Phys. Therapy, (1984), 64, ) Vigreux, B., Conockaert, JC. and Pertuzon, E. Factors influencing quantified surface EMGs. Eur. J. Appl. Physiol., (1979), 41, ) Leedham, JS. and Dowling, JJ. Force-length, torque-angle and EMG-joint angle relationships of the human in vivo biceps brachii. Eur. J. Appl. Physiol., (1995), 70, ) Basmajian, JB, and Stecko, G. A new bipolar electrode for electromyography. J. Appl. Physiol., (1962), 17, ) Onishi, H., Matsumura, Y., Akasaka, K., Momose, K., Ihashi, K., Yagi, R. and Handa, Y. Characteristic of Integrated EMG of the Vastus Lateralis Detected by Multiple Bipolar Wire Electrode. Proc. of the 7th Korea-Japan FES Symposium., (1996), 7, 5. 15) Delagi, EF. and Perotto, A. Anatomic guide for the electromyographer, Charles C Thomas, Illinois, (1981). 17) Basmajian, JV. and De Luca, CJ. Muscle Alive, 5th. Ed., Williams & Wilkins, Baltimore, (1985) 18) Walker, SM. and Schrodt GR. I segment length and thin filament period in skeletal muscle fibers of the phesus monkey and the human. Anat. Rec., (1973), 178, ) Lieber, RL. and Boakes, JL. Sarcomere length and joint kinematics during torque production in frog hindlimd. Am J Physiol., (1988), 254, C759-C ) Lieber, RL. and Boakes, JL. Muscle force and moment arm contributions to torque production in frog hindlimb, Am. J. Physiol., (1988), 254, C769- C ) Spoor, CW. and Leeuwen, JL. Knee muscle moment arms from MRI and from tendon travel. J. Biomechnics, (1992), 25, ) Herzog, W. and Read, LJ. Lines of action and moment arms of the major force-carrying structures crossing the human knee joint. J. Anat., (1993), 182, ) Kannus, K. and Beynnon, B. Peak torque occurrence in the range of motion during isokinetic extension and flexion of the knee. Int. J. Sports Med., (1993), 14, ) Yoon, TS., Park, DS., Kang, SW., Chun, S. and Shin, JS. Isometric and isokinetic torque curves at the knee joint. Yonsei medical journal, (1991), 32, ) Goslin, BR. and Charteris, J. Isokinetic dynamometry : Normative data for clinical use in lower extremity (knee) cases. Scand. J. Rehab. Med., (1979),11, ) Borges, O. Isometric and isokinetic knee extension and flexion torque in men and women aged Scand. J. Rehab. Med., (1989), 21, ) Lord, JP., Aitkens, SG., McCrory, MA. and Bernauer, EM. Isometric and isokinetic measurement of hamstring and quadriceps strength. Arch. Phys. Med. Rehab., (1992), 13, ) Onishi, H., Ikeda, T., Yagi, R., Akasaka, K., Momose, K., Ihashi, K. and Handa, Y. EMG activities of the popliteus and hamstring muscles during maximum isokinetic knee flexion. Proc. of 12th Int. Society of Electrophysiology and Kinesiology, (1998), 12, ) Herzog, W. and ter Keurs, HEDJ. Force-length relation of in-vivo human rectus femoris muscles. Eur. J. Physiol., (1988), 411, ) Herzog, W. and ter Keurs, HEDJ. A method for the determination of the force-length relation of selected in-vivo human skeletal muscles. Eur. J. Physiol., (1988), 411, ) Wickiewicz, TL., Roy, RR., Powell, PL. and Edgerton, VR. Muscle architecture of the human lower limb. Clinical Orthopaedics and Related Research, (1983), 179, ) Friederich, JA. and Brand, RA. Muscle fiber architecture in the human lower limb. J. Biomechanics, (1990), 23, ) Johnson, MA., Weightman, JPD. and Appleton D. Data on the distribution of fibre types in thirty-six human muscles an autopsy study. J. Neurol. Science, (1973), 18, ) Herring, SW., Grimm, AF. and Grimm, BR. Regulation of sarcomere number in skeletal muscle : A comparison of hypotheses. Muscle and Nerve, (1984), 7,

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