ELECTROMYOGRAM PATTERNS DURING ANKLE JOINT MOVEMENTS AT VARIOUS ANGULAR VELOCITIES IN THE TRICEPS SURAE MUSCLES HIROYUKI TAMAKI, KOJI KITADA and HIROS

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1 ELECTROMYOGRAM PATTERNS DURING ANKLE JOINT MOVEMENTS AT VARIOUS ANGULAR VELOCITIES IN THE TRICEPS SURAE MUSCLES HIROYUKI TAMAKI, KOJI KITADA and HIROSHI KURATA Abstract Surface electromyograms (EMGs) were recorded from the triceps surae muscles in order to examine muscle activities during concentric and eccentric ankle joint movements at various angular velocities under constant load(5 and 10%MVC). The results were summarized as follows ; 1) At slow angular velocity (6 deg/s) of ankle joint movement, EMG amplitude tended to increase at a larger ankle joint angle in the gastrocnemius muscle, and at a smaller angle in the soleus muscle. 2) Following an increase in angular velocities ( deg/s), peak values of integrated EMGs were significantly increased (7 `15%) in the medial gastrocnemius muscle. However, these peak values were significantly decreased in the soleus muscle (22 `49%). These results suggest selective recruitment of motor units depending on angular velocity. 3) Ankle joint angle at the peak integrated EMGs was significantly increased following an increase in angular velocity ( deg/s) in the soleus muscle. This suggests that the angle at the recruitment of motor units may be dependent on angular velocity in the soleus muscle. (Jpn. J. Phys. Fitness Sports Med. 1993, 42 : 292 `300) key words : Electromyogram, Triceps surae muscles, Ankle joint movement, Angular velocity Department of Physiology and Biomechanics, National Institute of Fitness and Sports, Shiromizu, Kanoya, Kagoshima,

2 293 足 関 節 運動 に お け る角速 度 の変 化 と下 腿 三 頭 筋 の活 動 パ タ ー ン 様 式 に 検 討 を 加 え た.そ の 結 果,足 関 節 の角 速 度 の 増 大 に よ って腓 腹 筋 の 活 動量 は増 大 す る傾 向が み ら れ る が,ヒ 少 し,ピ ラ メ筋 で は 逆 に 活 動 量 が 顕 著 に 減 ー クに 達 す る と き の 足 関 節 角 度 が 大 な る 方 へ 移 行 す る と い う成 績 が 得 られ た.II.実 験 方 法 被 験 者 は 健 康 な 成 人 男 子4名(年 で あ っ た,被 を0 (基 角:1971年 齢22 24歳) 験 者 は 長 座 姿 勢 で,ま 本 肢 位;下 腿 骨 軸 と足 底 の な す 角 が 直 よ りAmerican -dic Surgeonsの ず足 関節 角度 Academy of Orthope 方 式 に 準 拠 した,日 本整 形 外科学 会 身 体 障 害 委 員 会 お よ び 日 本 リ ハ ビ リテ ー シ ョ ン 医 学 会 評 価 基 準 委 員 会 の 方 式 に よ る.)に 保 ち,背 屈 方 向 へ の一 定 荷 重 に 抗 して右 脚足 関 節 の底 屈 背 屈 運 動 を0 60 (底 屈)の 先 だ ち,ロ ー ドセ ル(model を 使 用 して,等 範 囲 で 行 っ た.こ 1269F,竹 れに 井 機 器) 尺 性 最 大 随 意収 縮 時 の 足 関節 伸 展 (底 屈)張 力 を 測 定 し,そ 重 を 設 定 した,加 の5%お よ び10%の 重 方 法 は,直 径15cmの 円 盤 の 円 周 上 に 作 成 し たgrooveの 各荷 木製 の 一 部 と荷重 と Photo. 1. Experimental set up. を ス テン レ ス製 の ワ イ ヤ ー ロー プ で 連 結 し た.そ し て そ の 円 盤 を 足 関 節 を 軸 に して 回 転 さ せ る こ と 2%MVC増,10%MVCの に よ り ワ イ ヤ ー は 円 周 上 のgrooveを 通 り,常 に 一 定 の 荷 重 が か か る よ うに した(写 真1).短 縮 性 な り,そ お よび 伸 張 性 収縮 時 の 荷 重 に 対 す る加 速 度 変 化を 大 き な も の で な く,変 足 関 節 角 度 曲 線 か ら 算 出 し,表1に 全 体 の 約5%ほ 幅 は 最 大60deg/sの 重 力 加 速 度)程 示 し た.変 動 短 縮 性 収 縮 時 約+0.49(g: 度 で あ っ た.5%MVCの 場 合約 場 合 約4%MVC増 と の 時 間 は ス タ ー ト時 約0.024秒,ス トッ プ 時 約0.026秒 で あ っ た.し た が っ て,変 動幅 は 動 してい る時 間 も運 動時 間 ど で あ り,残 りの 約95%の 時間 は ほ ぼ 一 定 の 負 荷 が 課 せ られ る 実 験 条 件 で あ っ た. エ レ ク トロ ゴ ニ オ メ ー タ ー を 使 用 して,足 Table 1. Additional accelerations at the start and the stop of movements in concentric and eccentric isokinetic contractions. (g) 関節

3 Fig. 1. Examples of EMG records. EMGs and integrated EMGs (IEMG) in lateral gastra cnemius (GL), medial gastrocnemius (GM), and soleus (SOL) muscles are shown. Bottom line (Angle) indicates ankle joint angles. A ; 5%MVC, 6 deg/s, B ; 5%MVC, 60 deg/s.

4 Table 2. Mean EMG amplitude at various ankle joint angles in each muscle. A ; 5%MVC, B ; 10%MVC, a ; 6 deg/s, b ; 30 deg/s, c ; 60 deg/s. MVC ; maximal voluntary contraction, GL ; lateral gastrocnemius, GM ; medial gastrocnemius, SOL ; soleus.

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6 Fig. 2. Mean amplitude of integrated EMGs at various ankle joint angles in each muscle. A ; 5%MVC, GL, B ; 5%MVC, GM, C ; 5%MVC, SOL, D ; 10%MVC, GL, E ; 10%MVC, GM, F ; 10%MVC, SOL. ; 6 deg/s, ; 30 deg/s, ; 60 deg/s.

7 Fig, 4, Mean ankle joint angles at the peak integrated EMGs at the 5 and 10%MVC in soleus muscle. ; 6 deg/s, ; 30 deg/s, ; 60 deg/s. * ; significance at 0.05 level, ** ; significance at 0.01 level. Fig. 3. Mean peak amplitudes at the 5 and 10%MVC in each muscle. A; GL, B; GM, C; SOL. ; 6 deg/s, ; 30 deg/s, ; 60 deg/s. * ; significance at 0,05 level, ** ; significance at 0.01 level.

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9 1) Araki, T., Endo, K., Kawai, Y., Ito, K, and Shigenaga, Y. (1976): Supraspinal control of slow and fast spinal motoneuron of the cat. Prog. Brain. Res. 44, ) Burke, R. E., Jankouska, E, and Ten Bruggencate, G. (1970): A comparison of peripheral and rubrospinal synaptic input to slow and fast twitch motor units of triceps surae. J. Physiol. 201, ) Burke, R. E., Rymer, W. Z, and Walsh, J. V. (1973): Functional specialization in the motor unit population of cat medial gastrocnemius muscle. In: Control of Posture and Locomotion. R. B. Stain, K. G. Pearson, R. S. Smith and J. B. Redford (Eds), Plenum, New York, pp ) Burke, R. E., Pymer, W. Z, and Walsh, J. V. (1976): Relative strength of synaptic input from short-latency pathways to motor units of defined type in cat medial gastrocnemius. J. Neurophysiol. 39, ) Capady, C, and Stein, R. B. (1987): Difference in the amplitude of human soleus H-reflex during walking and running. J. Physiol. 392, ) Citterio, G, and Agostni, E. (1984): Selective activation of quadriceps muscle fibers according bicycling rate. J. Appl. Physiol. 51, ) Friedman, W. A., Sypert, G. W., Munson, J. B. and Fleshman, J. W.(1981): Recurrent inhibition in type-identified motoneuron. J. Neurophysiol. 64, , 8) Johonson, M. A., Polgar, J., Weightman. D, and App leton, D. (1972): Data on the distribution fiber types in thirty-six human muscles. J. Neurol. Sci. 18, of 11) Moritani, T., Muramatsu, S. and Muro, M.(1988): Activity of motor units during concentric and eccentric contractions. Am. J. Phys. Med. 66, ) Newhan, D. J., Mells, K. R., Quigley, B. M, and Edwards, H. T. (1983): Pain and fatigue after concentric and eccentric muscle contractions. Clin. Science. 64, ) Smith, J. L., Edgerton, V. R., Betts, B, and Collatos, T. C. (1977): EMG of slow and fast ankle extensors of cat during posture, locomotion and jumping. J. Neurophysiol. 40, ) Smith, J. L., Betts, B., Edgerton, V. R, and Zernicke, F. (1980): Rapid ankle extension during paw shakes: Selective recruitment of fast ankle extensors. J. Neurophysiol. 43,

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