Objectives: Cycling has been recommended for strengthening the muscles around the knee for patients with knee osteoarthritis (OA). However, insufficient data are available to suggest an optimal protocol for recumbent cycling in knee OA patients. We hypothesized that biomechanical differences exist between knee OA patients and healthy controls during recumbent cycling. To suggest an optimal guideline for appropriate cycling interventions, we evaluated and compared the biomechanics during recumbent cycling with adjustments of the pedaling rate, mechanical load, and angle of knee flexion in knee OA patients and in healthy controls. Methods: We recruited 30 patients diagnosed with knee OA and 13 healthy control subjects for this study. The subjects performed recumbent isokinetic ergometer cycling at different pedaling rates [20 revolutions per minute (rpm) and 50 rpm], mechanical loads (load 1 -90 J, load 5 - 135 J, and load 10 - 180 J) and leg positions (position A: the seat to pedal distance was 102% of the distance from the ischial tuberosity to the medial malleolus of the distal tibia, position B: the seat to pedal distance was 113% of the distance from the ischial tuberosity to the medial malleolus of the distal tibia). Muscle activities were recorded for the rectus femoris (RF), vastus medialis (VM), and biceps femoris (BF) using TeleMyo surface electromyograms (TeleMyoDTS, Noraxon®) and were analyzed using a computer software program (MyoResearch XP Master Edition 1.08, Noraxon®). We analyzed the muscle activities during different experimental conditions by using Wilcoxon’s signed rank test and compared patients with controls by using the Mann-Whitney test. Results: As the pedaling rate was increased from 20 rpm to 50 rpm, the EMG activities of most muscles were significantly increased at load 10 in both groups. In addition, as the mechanical load was increased from load 1 to load 10, the EMG activities of most muscles increased significantly at 50 rpm in the patient group. BF EMG activities were significantly increased at load 5 and load 10 in knee OA patients as the leg position was adjusted from position A to position B. Compared to controls under all conditions, VM EMG activities in patients were lower at 50 rpm/ load 10.Conclusion: In this study, higher intensity cycling parameters such as pedaling rate and workload made greater muscle firing of most knee extensor and flexor muscles in both knee OA and healthy groups. The leg position generally did not affect activation of the quadriceps in both groups. Therefore, we should encourage recumbent cycling at a higher pedaling rate and at a higher load in order to enhance the strength of the knee extensor and flexor. However, the VM was activated to a lesser extent at higher intensity cycling in patients with knee OA compared to the healthy group. These findings suggest that VM could not act as a primary power producer at higher intensity cycling in knee OA group.
배경: 슬관절 골관절염이 있는 환자에서 무릎 주변의 근육을 강화하기 위해서 자전거가 추천된다. 하지만 슬관절 골관절염이 있는 환자에서 기운 자전거타기의 적절한 프로토콜을 제시한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 슬관절 골관절염이 있는 환자와 건강한 사람이 기운 자전거타기 시 생체역학적 차이가 있을 것이라고 가설을 세웠다. 자전거타기 시 필요한 최상의 지침을 제시하기 위해, 슬관절 골관절염 환자와 정상인에서 회전수, 기계적 하중, 하지 자세의 변화에 따른 생체역학에 미치는 영향을 확인하고 두 군 간의 효과를 비교하고자 하였다. 방법: 30명의 슬관절 골관절염 환자와 13명의 동일 연령대의 정상 대조군을 모집하였다. 두 군은 세 조건 즉, 회전수(20과 50 revolutions per minute), 하중(하중 1단계-90J; 하중 5단계-135J, 하중 10단계-180J), 슬관절 굴곡각(자세 A: 의자에서 페달까지 거리는 좌골결절에서 경골 내측과까지 거리의 102%; 자세 B: 의자에서 페달까지의 거리는 좌골결절에서 경골 내측과까지 거리의 113%)을 다르게 하여 기운 자전거 에르고미터를 시행하였다. 무선 근전도기기(TelemyoDTS, Noraxon®)를 이용하여 대퇴직근, 내측광근, 대퇴이두근에서 근 활성도를 구하였고 이를 신호 취득 장치(Myoresearch XP Master Edition 1.08, Noraxon®)를 통하여 컴퓨터에서 처리할 수 있게 하였다. 각 조건에 따른 근 활성도의 차이를 윌콕슨 부호 순위 검정으로 분석하였고 두 군간의 근 활성도의 차이는 맨-휘트니 검정으로 비교하였다.결과: 회전수를 20에서 50으로 높이면, 두 군에서 대부분의 근 활성도는 하중 10단계일 때 유의하게 증가하였다. 하중을 1단계에서 10단계로 올리면, 환자군에서 대부분의 근 활성도가 회전수 50일 때 유의하게 증가하였다. 슬관절 굴곡각을 크게 하면,환자군에서 하중 5와10단계일 때 대퇴이두근의 활성도는 유의하게 증가하였다. 동일한 조건에서 두 군을 비교하면, 환자군에서 회전수 50이면서 하중 10단계일 때 내측광근이 정상군에서 보다 적게 활성화되었다. 결론: 이번 연구에서, 높은 강도의 자전거타기 시 두 군 모두에서 슬관절 신전근과 굴곡근의 근 활성도가 높아진다. 슬관절의 신전 정도는 두 군 모두에서 대부분 대퇴사두근의 근 활성도를 변화시키지 못했다. 따라서, 슬관절의 신전근과 굴곡근을 강화시키기 위해서 높은 강도의 자전거타기가 추천되겠다. 하지만 높은 강도로 자전거타기 시 환자군에서 내측광근은 정상군에 비해 적게 활성화 되는 것으로 보아, 자전거타기시 주요 근육으로서의 역할을 못한다고 볼 수 있다.