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pISSN 2288-6982
eISSN 2288-7105

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Phys. Ther. Korea 2022; 29(2): 117-123

Published online May 20, 2022

https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

© Korean Research Society of Physical Therapy

무릎 팔굽혀펴기와 표준 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 어깨 근육의 근활성도 비교

정상진, 김지혜, 공해진, 조민지, 백현지, 김수진

전주대학교 물리치료학과

Comparison of Muscle Activities in Upper Extremity Muscles During the Knee-flexed and Standard Push-ups With Different Hand Shape

Sang-jin Jeong , BPT, Ji-hye Kim , BPT, Hae-jin Kong , BPT, Min-ji Cho , BPT, Hyeon-ji Baek , BPT, Su-jin Kim , PT, PhD

Department of Physical Therapy, Jeonju University, Jeonju, Korea

Correspondence to: Su-jin Kim
E-mail: sujink@jj.ac.kr
https://orcid.org/0000-0002-5222-4538

Received: January 13, 2022; Revised: April 22, 2022; Accepted: April 23, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Background: Push-up are effective exercises for shoulder stability. Previous studies have documented the effects of support plane and hand position and width on muscle activities during a push-up. Objects: This study aimed to investigate the changes in muscle activities in the upper extremity when performing the standard and the knee-flexed push-up with different hand shapes.
Methods: A total of twenty-six healthy males participated in this study. Three different hand shapes (finger abduction, finger adduction, and fists) and two types of push-up posture (standard and knee-flexed push-up) were set as the independent variables. Electrograms were used to measure the muscle activity of the upper trapezius (UT), triceps brachii (TB), pectoralis major (PM), and serratus anterior (SA). Each participant performed the randomly assigned push-up to the sound of the metronome. The mixed-effect linear regression model was used to detect the changes in muscle activities after changing the hand shape and push-up posture. Statistical significance was set at α = 0.05.
Results: The UT muscle activity was statistically significantly higher when performing push-up with fists than finger abduction (p = 0.035) or finger adduction (p = 0.044). During the standard push-up, the muscle activity in all muscles was that the push-up with fists showed the highest muscle activity compared to the finger abduction (p < 0.01) and finger adduction (p < 0.01). Regardless of the shape of the hand, UT had the lowest muscle activity compared to other muscles (p < 0.001). In contrast, the SA muscle had the highest muscle activity among four muscles during the standard push-up.
Conclusion: Based on the results of this study, we suggest hand shape is related to the difficulty level of push-up either in the standard or the knee-flexed push-up, especially in the push-up with fists. In addition, knee push-up can be recommended as shoulder musclestrengthening exercises for individuals with low shoulder muscle strength.

Keywords: Electromyography, Exercise, Muscle strength, Scapula, Upper extremity

어깨는 우리 몸에서 가장 많은 움직임이 일어나며 근골격계 문제가 빈번히 발생되는 신체 부위로, 어깨 통증이 많이 일어난다[1]. 어깨 통증은 뻣뻣함(stiffness)과 더불어 일상생활 시 집안일을 하거나 레저 활동을 할 때 기능에 이상이 생긴다[2]. 또한 어깨의 불안정성은 어깨뿐만 아니라 목, 주변의 신경, 근골격계의 기능부전까지 초래하므로[3], 어깨의 안정성을 담당하는 근육의 강화는 다양한 어깨의 병적 상태의 치유에 중요한 역할을 한다[4]. 특히 앞톱니근(serratus anterior, SA)은 어깨가슴관절(scapulothoracic joint)의 안정성과 움직임에 중요한 역할을 하며 어깨의 상방회전과 날개뼈의 후방기울임 움직임에 기여한다[5]. 앞톱니근이 약화되면 익상견갑(scapular winging)으로 이어질 수 있고 이를 막기 위한 어깨 안정성을 유지 및 회복에 목적을 둔 다양한 운동을 제시하고 있다.

팔굽혀펴기는 어깨 안정성을 위한 효과적인 운동 중 하나로써 어깨, 팔 및 몸통의 근육의 기능을 향상시키는 방법이다[6]. 이 운동은 배우기 쉽고 도구 및 공간의 제약이 없어 다양한 수준의 체력에 맞게 수정될 수 있다[7,8]. 팔굽혀펴기는 주로 큰가슴근(pectoralis major, PM)과 앞톱니근을 강화를 목표로 하는 운동이지만 앞어깨세모근(anterior deltoid)과 위팔세갈래근(upper trapezius, UT)도 함께 활성화시킨다[9]. 하지만 팔굽혀펴기를 수행함에 있어 남성에 비해 근력이 떨어지는 여성은 일반적 방법으로 팔굽혀펴기를 하는 것이 어렵다[10,11]. Haff와 Triplett [12]은 이 문제를 해결하기 위해 여성들을 대상으로 무릎을 꿇은 자세에서 팔굽혀펴기를 하는 것을 권장하고 무릎을 꿇은 자세가 외부 모멘트팔(external moment arm)을 감소시킴으로써 적은 근력으로도 팔굽혀펴기를 가능하게 한다고 보고하였다. 또한 Cogley 등[13]은 양손의 위치를 가깝게 하거나 멀리 벌려 팔굽혀펴기를 하였을 때, 두 손 사이의 일정 간격을 둔 자세가 양손을 모은 상태로 하는 것보다 낮은 근활성도를 보여 보다 쉽게 팔굽혀펴기를 할 수 있다고 보고하였다. Ho 등[14]의 연구에서는 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 근활성도 변화를 연구하였다. 손을 편 상태와 주먹을 쥔 자세로 일반적인 팔굽혀펴기 동작에서 날개뼈를 더욱 앞으로 미는 팔굽혀펴기 플러스(push-up plus)를 하게 될 경우, 주먹을 쥔 자세 시 앞톱니근의 활성도가 줄어드는 대신 큰가슴근과 아래팔 근육(손목의 굽힘근과 폄근)의 근활성도가 증가한다고 하였다. 반대로 손바닥으로 바닥을 지지하는 경우, 앞톱니근의 활성도가 높게 나옴을 확인하였다. 앞톱니근은 날개뼈의 움직임과 어깨가슴관절의 안정화에 중요한 역할을 하므로[15], 앞톱니근을 보다 효울적으로 강화시키는 방법에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.

선행 연구들은 일반적인 팔굽혀펴기나 또는 팔굽혀펴기 플러스 상황에서 손의 회전정도, 손을 위치시키는 지지면의 종류, 상체의 전방 이동, 장치를 이용한 팔굽혀펴기까지 다양한 연구를 진행하였다[6,16-18]. 하지만 무릎을 굽힌 상태에서의 팔굽혀펴기에 대한 연구는 일반적 팔굽혀펴기와 비교하였을 때 부족한 상태이다. 팔굽혀펴기를 잘 하지 못하는 비장애인 및 환자들에게 무릎 팔굽혀펴기를 대안책으로 제시하고 있으므로, 무릎 팔굽혀펴기 시 다양한 변형 동작에 대한 연구가 필요하다. 지금까지 무릎 팔굽혀펴기 시 지지면에 따른 근활성화 변화 및 토고(togu) 사용 여부에 따른 앞톱니근과 위세모근 활성도에 대한 연구가 있었지만[19,20], 지지하는 손의 모양(e.g., 손 가락 벌림 및 모음, 주먹 쥠)에 대한 연구는 없었다. 따라서 본 연구에서는 무릎 팔굽혀펴기 시, 손의 모양에 따른 근활성도 변화를 보고자한다. 자세하게는 무릎 팔굽혀펴기 역시 일반 팔굽혀펴기처럼 손가락 사이를 벌려 지지면을 넓게 하면 큰가슴근의 부담을 줄이고 앞톱니근의 활성도를 높여 어깨 관절의 안정성을 유지하면서 운동을 수행하는 것이 도움이 되는지 알아보는 데에 그 목표가 있다. 본 연구의 가설은 표준 및 무릎 팔굽혀펴기 시 손을 벌리며 수행하게 되면 아닌 경우보다 앞톱니근의 활성도가 높게 나올 것이며 큰가슴근육의 활성도는 낮게 나올 것이다.

1. 연구 대상

본 연구는 전라북도 전주에 거주중인 남성 대학생 26명을 대상으로 연구를 실시하였다. 연구 대상자 선정 조건은 첫째, 근골격계 및 신경계 관련 없이 최근 3개월 내에 어깨에 통증이 없는 자; 둘째, 팔굽혀펴기 운동 시 어깨에 불편함이 없는 자; 셋째, 연구자의 지시에 따라 팔굽혀펴기 운동이 가능한 자로 정했다[1]. 여성을 대상자에 포함시키지 않은 이유는 표준 팔굽혀펴기 자세에서 정해진 팔굽혀펴기 횟수를 수행하기 어려움으로 대상자에서 제외하였다. 신체 전반적인 불편함 또는 통증이 있는 자, 어깨 수술을 받은 자, 최근 1년이내 3개월 이상 지속적으로 근력운동 경험이 있는 자는 연구 대상에서 제외하였다[18]. 대상자 전원은 실험 참여에 대한 동의를 하였으며, 본 연구는 전주대학교 연구 윤리 위원회의 승인을 받아 진행하였다(IRB no. 200713-HR-2020-0704). 구체적인 대상자의 일반적인 특성은 다음과 같았다(Table 1).

Table 1 . General characteristics of participants.

CharacteristicMale, N = 26
Age (y)22.2 ± 2.64
Body height (cm)174.6 ± 5.53
Body weight (kg)70.2 ± 9.63
Body mass index (kg/m2)23.0 ± 2.72

Values are presented as mean ± standard deviation..



2. 측정 도구

1) 근전도(Electromyogram)

근육의 활성도는 표면근전도(TrignoTMwire, wireless EMG; Delsys, Natick, MA, USA)로 측정하였고 4개의 전극을 사용하여 큰가슴근, 위팔세갈래근(triceps brachii, TB), 앞톱니근, 상부 등세모근의 근활성도를 측정하였다. 근전도 신호의 표본추출율은 1,000 Hz로 증폭된 파형을 50 Hz에서 200 Hz의 대역통과필터(band pass filter)로 필터링하였다. 측정자간 오류를 최소화하기 위하여 한 명의 숙련된 측정자가 모든 피험자들에게 전극을 부착하였다. 우세측 상지에 기존 실험 방법을 참고하여 전극을 부착하였으며, 부착지점은 다음과 같다. 큰가슴근의 전극은 쇄골 아래에 4개의 손가락 너비로 배치되어 앞쪽 겨드랑이 경계의 중앙에 부착하였다[21]. 앞톱니근의 전극은 5번, 6번 갈비뼈 수준의 중심 겨드랑이 선에서 넓은등근(Latissimus dorsi) 앞부분에 부착하였으며[18], 위팔세갈래근의 전극은 봉우리(acromion)의 후부와 팔꿈치머리 돌기사이(olecranon process)의 중간 지점에 부착하였다[6]. 상부 등세모근의 전극은 7번째 목뼈의 가시돌기와 봉우리 사이에 부착하였다. 전극 부착 전 부착부위를 피부저항을 줄이기 위해 면도칼로 털을 제거하고 알코올 솜으로 소독하였다.

2) 근전도 신호의 정규화

정규화(normalization)를 위한 기준 값으로 최대 수의적 등척성 수축(maximal voluntary isometric contraction, MVIC)을 사용하였다. 최대 수의적 등척성 수축의 측정을 위한 자세는 Kendall 등[22]의 도수 근력 검사 방법을 참고하였다. 상부 등세모근은 등받이가 없는 의자에 앉아 견갑골을 올리고 목을 반대쪽 돌림과 폄 동작을 시켜 측정하였고, 저항은 두 손을 이용해 어깨의 아래방향과 후두의 굽힘 방향으로 준다. 위팔세갈래근는 엎드린 자세에서 팔꿈치를 펼 때 아래팔의 굽힘 방향으로 저항을 주었다. 앞톱니근은 바닥에 등을 대고 누운자세에서 어깨를 90° 굽히고 저항은 피험자의 손에 어깨뼈의 들이미는 방향으로 주었다. 마지막으로 큰가슴근은 바닥에 등을 대고 누운자세에서 팔꿈치는 펴고, 어깨는 90° 굽히고 약간 안쪽돌림과 수평모음을 시키고, 저항은 아래팔에 대해서 수평벌림 방향으로 주었다[22]. 각 근육의 MVIC는 총 5초간 수집을 하고 모든 자료는 제곱평균제곱근법(root mean square, RMS)로 처리한 후 시작과 마지막 1초의 자료를 제외한 3초 간에 평균 근전도 신호량을 MVIC로 사용하였다.

3. 실험 방법

본 연구의 대상자는 표준 팔굽혀펴기와 무릎 팔굽혀펴기에서 세가지 손 모양을 통해 총 여섯 가지 팔굽혀펴기 운동방법을 수행하였다. 표준 팔굽혀펴기는 상지와 하지를 모두 뻗은 상태에서 발끝과 손 바닥으로 바닥을 짚고 팔을 굽혀 자세를 낮추는 것이었으며(Figure 1A), 무릎 팔굽혀펴기는 표준 팔굽혀펴기와 같되, 무릎으로 바닥을 지지한 상태에서 자세를 낮추는 것으로 정의하였다(Figure 1B). 손 모양은 손가락을 양 옆으로 넓게 벌린 모양(finger abduction, Figure 2A), 손가락을 가지런히 모은 모양(finger adduction, Figure 2B), 그리고 주먹을 쥐어 첫번째 손가락 마디(proximal phalanges)가 바닥에 닿는 모양(fists, Figure 2C)으로 측정하였다.

Figure 1. Standard push-up (A) and knee push-up (B).
Figure 2. Hand shapes during push-up with finger abduction (A), finger adduction (B), and hand grip (C).

표준 팔굽혀펴기를 우선적으로 시행한 후 무릎 팔굽혀펴기를 시행하였다. 이는 사전 실험 시 표준 팔굽혀펴기와 무릎 팔굽혀펴기 자세를 무작위로 지정하였을 경우, 대상자들이 바뀐 자세에 대해 신속히 적응하지 못하여 부정확한 자세로 팔굽혀펴기를 시행하였기 때문이다. 근피로로 인한 근활성도 변화 방지를 위해 표준 팔굽혀펴기 후 10분 이상의 충분한 휴식을 제공하였다. 대상자에게 총 세가지 손 모양이 적혀있는 3개의 카드를 상자에서 뽑게 한 뒤 카드에 적혀있는 방법을 수행하도록 지시하였다. 표준 팔굽혀펴기에서 시행 한 순서와 동일하게 무릎 팔굽혀펴기의 순서를 진행하였다. 각 대상자들 간의 팔꿈치가 굽혀지는 각도를 최대한 일치시키기 위하여 바닥에 종이컵을 고정시켜 놓은 뒤 목아래패임(jugular notch)이 종이컵 상단에 닿도록 지시하였다. 피험자들의 안전을 위하여 바닥에 매트를 설치하고 피험자들 간의 공평성을 높이기 위하여 녹화된 동영상을 보여주어 해당 작업을 정확히 실시하도록 하였다. 스마트폰 메트로놈 어플(pro metronome; Xiao Yixiang, App Store)을 사용하여 팔꿈치를 굽히는 시기와 펴는 시기를 최대한 일치시켜, 회당 3초씩 작업을 수행하였다[23]. 근전도 측정 전 사전 연습을 2회 실시하였으며, 각 한 동작 당 3회 반복 측정하였다. 근육의 피로를 최소화하기 위하여 회당 10초씩 휴식시간을, 각 동작이 끝나면 사이에 2분의 휴식 시간을 제공하였다. 수집된 근전도 신호는 필터링을 거친 후 RMS처리하였고, MVIC를 사용하여 표준화하여 %로 표시하였다.

4. 자료 분석

본 연구의 자료분석은 통계 프로그램 R 소프트웨어(R statistical software; R Core Team, Vienna, Austria)을 사용하여 진행하였다. Shapiro-Wilk 검사를 통하여 정규성 검정을 하였다. 표준 팔굽혀펴기와 무릎 팔굽혀펴기의 각 동작별로 근육별 및 손 모양별로 근활성도의 차이가 있는지 알아보기 위해 혼합-효과 선형 회귀 모형(mixed-effect linear regression)을 사용하였다. 근육(SA, UT, TB, PM)와 손 모양(finger abduction, finger adduction, fists)을 고정 요인(fixed factor)으로 지정하였고, 대상자 개개인을 무작위 요인(random factor)은 지정하였다. 근육(muscle)과 손 모양(hand)의 단독 요인만 있는 모델과, 두 고정 요인이 함께 있는 모델, 마지막으로 두 고정 요인과 상호작용 효과가 있는 모델을 만들어 비교하였다. 모델 비교는 R에서 제공하는 anova() 함수를 사용하여 log-likelihood ratio 검사로 진행하였으며, 가장 낮은 Akaike information criterion을 가진 모델로 정의하였다. 사후검정으로는 ‘Tukey’ 검사를 진행하였으며, 통계학적 유의 수준은 α = 0.05로 설정하였다.

1. 무릎 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 어깨 관련 근육 별 %MVIC의 차이

무릎 팔굽혀펴기 시 근육 및 손 모양의 주 효과(main effect)와, 그리고 둘 사이의 교호 작용(interaction effect)이 유의한 관계가 확인되었다(근육 × 손 모양). 손 모양에 따른 어깨 관련 근육의 근활성도는 상부 등세모근에서만 차이를 보였다. 사후검사 결과 상부 등세모근은 주먹 쥐고 팔굽혀펴기를 시행 시, 손을 벌리거나(p = 0.035), 손을 모은(p = 0.044) 자세로 수행할 때 보다 근활성도가 통계학적으로 유의미하게 높았다(Figure 3). 손을 모으거나 벌리는 것은 근 활성도의 차이를 유발하지 않았다. 나머지 근육들은 손 모양의 변화를 준 팔굽혀펴기 시 근활성도의 변화가 유의하지 않았다.

Figure 3. EMG activities of upper extremity muscles during the push-up with knee flexion. EMG activities are represented as %MVIC for each muscle and hand shape. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. *p < 0.05, **p < 0.01.

무릎 팔굽혀펴기 시 근육별 차이는 손 모양의 형태와 상관없이 위등세모근이 모든 근육에 대해 근활성도가 가장 낮았다(p < 0.01). 앞톱니근이 가장 근활성도가 높았고(p < 0.05), 위팔세갈래근과 큰가슴근은 통계학적인 유의한 차이가 없었다(Figure 3).

2. 표준 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 어깨 관련 근육 별 %MVIC의 차이

표준 팔굽혀펴기 시 교호작용이 없는 근육과 손 모양의 주 효과 관계가 확인되었다(근육 + 손 모양). 손 모양에 따른 어깨 관련 근육의 근활성도는 모든 근육에서 주먹 쥐고 팔굽혀펴기를 시행 시, 손을 벌리거나(p < 0.01), 손을 모은(p < 0.01) 자세로 수행할 때 보다 근활성도가 통계학적으로 유의미하게 높았다(Figure 4). 손을 모으거나 벌리는 것은 근 활성도의 차이를 유발하지 않았다.

Figure 4. EMG activities of upper extremity muscles during the standard push-up. EMG activities are represented as %MVIC for each muscle and hand shape. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. **p < 0.01, ***p < 0.001.

표준 팔굽혀펴기 시 근육별 차이는 손 모양의 형태와 상관없이 등세모근이 다른 근육과 비교했을 때 근 활성도가 가장 낮았다(p < 0.001). 반대로 앞톱니근이 모든 근육에 대해 가장 근 활성도가 높았고(p < 0.01), 다음으로는 큰가슴근이 위팔세갈래근과 상부 등세모근보다 근 활성도가 높았다(p < 0.01) (Figure 4).

3. 팔굽혀펴기 자세에 따른 어깨 관련 근육 별 %MVIC의 차이

팔굽혀펴기 자세에 따른 어깨 근육의 근 활성도는 모든 근육에서 표준 팔굽혀펴기를 할 때 무릎 팔굽혀펴기를 할 때보다 근 활성도가 높았다(p < 0.001) (Figure 5).

Figure 5. Comparison of EMG activities during standard and knee push-ups. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. ***p < 0.001.

본 연구는 26명의 젊고 건강한 성인 남성을 대상으로 무릎 팔굽혀펴기와 표준 팔굽혀펴기를 시행 하였을 때 지지하는 손 모양에 따른 상지 근육의 근활성도 변화를 관찰하였다. 연구 결과, 무릎 팔굽혀펴기의 경우 위등세모근 에서만 손 모양에 따라 근활성도의 유의한 차이를 보였고, 표준 팔굽혀펴기의 경우 모든 근육에서 손 모양에 따라 근활성도 유의한 차이를 보였다.

무릎 팔굽혀펴기 시 상부 등세모근에서 주먹으로 바닥을 지지하여 팔굽혀펴기를 시행했을 때 다른 두 경우보다 근활성도가 높게 나왔으며, 표준 팔굽혀펴기 시 상부 등세모근, 위팔세갈래근, 큰가슴근, 앞톱니근 모든 근육에서 주먹으로 바닥을 지지한 팔굽혀펴기 시 근활성도가 높았다. 하지만 손가락을 벌려 지지면의 면적을 넓게 해주는 것은 손을 모으고 팔굽혀펴기를 하는 것과 차이가 없었다. 주먹으로 바닥을 지지하여 팔굽혀펴기를 하는 경우, 신체가 바닥으로부터 수직으로 더 올라가게 되고, 균형을 유지하기 위해 앞뒤 양 옆으로 몸을 조절해야 한다[24]. 또한 손의 접촉부분이 줄어들면서 체중 지지 시 앞으로 쏠리는 무게중심을 유지하기 위해 어깨 올림현상이 발생하게 되고[14], 이로 인해 무릎 및 표준 팔굽혀펴기 시 주먹으로 바닥을 지지한 팔굽혀펴기 시 위등세모근의 근활성도가 다른 근육의 비해 높아진 것으로 보인다. 이와 달리 손가락을 벌리거나 모은 채 팔굽혀펴기를 하는 경우, 손목관절이 최대로 배측굴곡(dorsiflexion)되어 상완부의 말단을 앞쪽으로 당기게 된다. 이때 주관절의 잠김현상이 발생하게 되어 뼈의 일치도가 향상되어 관절 안정성이 증가하며[25], 근육의 부담이 줄어들게 된다. 따라서 손가락을 벌리거나 모은 경우 주먹으로 지지하며 팔굽혀펴기를 할 때 보다 어깨 근육의 근활성도가 낮게 나온 것으로 생각된다.

선행 연구에서처럼 무릎을 굽혀 팔굽혀펴기를 할 경우 근 활성도가 줄어듦을 본 연구에서 확인하였고[14,26], 이는 체중에 대한 외재적 모멘트 팔이 줄어들어 어깨 근육들의 부담이 감소 된 것으로 보인다. 표준 팔굽혀펴기 시 주먹으로 지지하며 팔굽혀펴기를 할 때 모든 근육에서 다른 손 모양보다 높은 근활성도는 보인 이유 역시 체중에 대한 외재적 모멘트 팔이 증가된 상태에서 체중의 분산이 주먹이라는 좁은 지지면을 통해 이뤄졌기 때문이다. 동시에 손목관절의 최대 안정성을 보장하는 손목 최대 폄(full wrist extension) 자세를 취할 수 없으므로 보상작용의 일환으로 위팔세갈래근을 비롯한 어깨 안정화 근육들의 작용이 모두 증가한 것으로 보인다. 이에 반해 무릎 팔굽혀펴기 시, 체중의 무릎 이하의 체중은 들어올리지 않아도 되며 외재적 모멘트 팔이 줄어 외부 토크가 적게 걸려 상부 등세모근을 제외한 큰가슴근, 위팔세갈래근, 앞톱니근은 그 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타난다. 특히 손목을 굽히거나 펴는 아래팔 근육들이 주먹으로 지지한 팔굽혀펴기 시 손목관절에 대한 안정성을 충분히 제공하여, 어깨 근육들의 추가적인 수축이 필요 없었던 것으로 보인다. 본 연구의 결과는 지지면의 넓이를(hand distance) 달리하여 팔굽혀펴기를 하였을 때 어깨 근활성도가 달라짐을 보고한 Kim 등[27]의 연구와 다소 차이가 있다. 이는 손 사이의 거리를 멀거나 가깝게 조정하여 지지면의 넓이를 변화시킨 선행 연구와는 달리, 본 연구에서 조정하였던 손가락 간격의 변화는 어깨 근활성도의 차이를 이끌 만큼의 영향을 끼치지 못했기 때문이라 보인다.

본 연구는 제한점은 다음과 같다. 첫째, 본 연구에서는 남성만을 대상으로 실험을 진행한 점; 둘째, 다양한 연령을 대상으로 실행한 것이 아닌 20대 남자를 국한으로 측정 한점; 셋째, 연구 대상자가 26명으로 작은 점; 넷째, 일시적으로 실험을 진행했기에 장기적으로 실험을 진행했을 경우 나타나는 효과에 대해 알지 못한다는 점이다. 따라서 향후 연구에서는 성별과 나이의 구성의 균형이 이루어진 많은 대상자들에게 손모양의 따른 효율적인 팔굽혀펴기 운동방법에 대해 더욱 정확하고 세밀한 분석이 이루어져야 될 필요가 있다.

본 연구가 가지는 임상적인 의의는 상지의 닫힌사슬운동인 팔굽혀펴기 시[28], 주먹을 쥔 상태에서의 표준 팔굽혀펴기 운동은 윗팔세갈래근, 상부 등세모근, 앞톱니근 및 큰가슴근의 근활성도를 증가시켜 팔굽혀펴기의 난도를 증가시킬 수 있다는 것이다. 또한 상지 근력이 약한 사람의 경우 무릎을 굽힌 상태와 손가락을 벌리거나 모은 상태로 진행하는 것이 보다 안정적인 자세로 운동을 할 수 있음을 알 수 있었다. 만약 무릎 팔굽혀펴기 시 난도를 증가시키고 싶다면 주먹으로 바닥을 지지한 상태로 팔굽혀펴기를 하는 것이 상부 승모근의 근활성도를 증가시킴으로 활용 가능함을 알 수 있었다.

팔굽혀펴기는 어깨 안정화운동 및 상지와 견갑골 운동치료프로그램으로 자주 사용된다. 표준 팔굽혀펴기시 바닥을 지지하는 손의 모양에 따라 상부 승모근, 큰가슴근, 위팔 세갈래근, 그리고 앞톱니근의 유의한 변화가 관찰되므로 운동의 강도를 높이고 싶다면 주먹으로 바닥을 지지한 채 운동할 것을 제안한다. 또한 근력이 약한 사람들은 무릎을 바닥에 댄 팔굽혀펴기를 시행하며, 이때 손가락을 넓게 벌리거나 모아 본인이 편안함을 느끼는 자세에서 운동 할 것을 제안하는 바이다.

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. 2017R1C1B5076731).

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Conceptualization: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Data curation: SJ, JK, HK, MC, HB. Formal analysis: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Funding acquisition: SK. Investigation: SJ, JK, HK, MC, HB. Methodology: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Project administration: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Resources: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Supervision: SJ, JK, HK, MC, HB. Validation: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Visualization: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Writing - original draft: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Writing- review & editing: SJ, JK, HK, MC, HB, SK.

  1. Ludewig PM, Hoff MS, Osowski EE, Meschke SA, Rundquist PJ. Relative balance of serratus anterior and upper trapezius muscle activity during push-up exercises. Am J Sports Med 2004;32(2):484-93.
    Pubmed CrossRef
  2. Szeto GP, Straker L, Raine S. A field comparison of neck and shoulder postures in symptomatic and asymptomatic office workers. Appl Ergon 2002;33(1):75-84.
    Pubmed CrossRef
  3. Kim D, Kwon O, Yi C, Jeon H. The effects of 4-week serratus anterior strengthening exercise program on the scapular position and pain of the neck and interscapular region. Phys Ther Korea 2007;14(4):58-65.
  4. Seo SH, Jeon IH, Cho YH, Lee HG, Hwang YT, Jang JH. Surface EMG during the push-up plus exercise on a stable support or Swiss ball: scapular stabilizer muscle exercise. J Phys Ther Sci 2013;25(7):833-7.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  5. Cho SH, Baek IH, Cheon JY, Cho MJ, Choi MY, Jung DH. Effect of the push-up plus (PUP) exercise at different shoulder rotation angles on shoulder muscle activities. J Phys Ther Sci 2014;26(11):1737-40.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  6. Youdas JW, Budach BD, Ellerbusch JV, Stucky CM, Wait KR, Hollman JH. Comparison of muscle-activation patterns during the conventional push-up and Perfect·PushupTM exercises. J Strength Cond Res 2010;24(12):3352-62.
    Pubmed CrossRef
  7. Gouvali MK, Boudolos K. Dynamic and electromyographical analysis in variants of push-up exercise. J Strength Cond Res 2005;19(1):146-51.
    Pubmed CrossRef
  8. Kang KH. The analysis of muscle activation of pectoralis major muscle according to orientation of wrist and elbow during push-ups. J Sport Leis Stud 2017;69:365-73.
    CrossRef
  9. Snarr RL, Esco MR. Electromyographic comparison of traditional and suspension push-ups. J Hum Kinet 2013;39:75-83.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  10. Horsak B, Kiener M, Pötzelsberger A, Siragy T. Serratus anterior and trapezius muscle activity during knee push-up plus and knee-plus exercises performed on a stable, an unstable surface and during sling-suspension. Phys Ther Sport 2017;23:86-92.
    Pubmed CrossRef
  11. Miller AE, MacDougall JD, Tarnopolsky MA, Sale DG. Gender differences in strength and muscle fiber characteristics. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1993;66(3):254-62.
    Pubmed CrossRef
  12. Haff GG, Triplett NTChampaign (IL): Human Kinetics, 2016.
  13. Cogley RM, Archambault TA, Fibeger JF, Koverman MM, Youdas JW, Hollman JH. Comparison of muscle activation using various hand positions during the push-up exercise. J Strength Cond Res 2005;19(3):628-33.
    Pubmed CrossRef
  14. Ho AJ, Cudlip AC, Ribeiro DC, Dickerson CR. Examining upper extremity muscle demand during selected push-up variants. J Electromyogr Kinesiol 2019;44:165-72.
    Pubmed CrossRef
  15. Ludewig PM, Reynolds JF. The association of scapular kinematics and glenohumeral joint pathologies. J Orthop Sports Phys Ther 2009;39(2):90-104.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  16. Batbayar Y, Uga D, Nakazawa R, Sakamoto M. Effect of various hand position widths on scapular stabilizing muscles during the push-up plus exercise in healthy people. J Phys Ther Sci 2015;27(8):2573-6.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  17. Lehman GJ, Gilas D, Patel U. An unstable support surface does not increase scapulothoracic stabilizing muscle activity during push up and push up plus exercises. Man Ther 2008;13(6):500-6.
    Pubmed CrossRef
  18. Maenhout A, Van Praet K, Pizzi L, Van Herzeele M, Cools A. Electromyographic analysis of knee push up plus variations: what is the influence of the kinetic chain on scapular muscle activity? Br J Sports Med 2010;44(14):1010-5.
    Pubmed CrossRef
  19. Kim J, Choi I, Yoo W. A comparison of scapulothoracic and trunk muscle activities among three variations of knee push-up-plus exercises. J Phys Ther Sci 2011;23(3):365-7.
    CrossRef
  20. Lee K, Bae W. Effect of push-up plus exercise on serratus anterior and upper trapezius muscle activation based on the application method of Togu. J Korean Soc Integr Med 2016;4(2):29-36.
    CrossRef
  21. Yoon JY, Kim TH, Oh JS. Effects of hand positions on electromyographic activity in scapulothoracic muscles during push-up plus. Phys Ther Korea 2010;17(4):8-15.
  22. Kendall FP, McCreary EK, Provance PG, Rodgers MM, Romani WA. Muscles, testing and function: with posture and pain. 5th ed. Philadelphia (PA): Lippincott Williams & Wilkins; 2005.
  23. Nichols IA, Szivak TK. Effects of different hand widths on plyometric push-up performance. J Strength Cond Res 2021;35(Suppl 1):S80-3.
    Pubmed CrossRef
  24. Ikawa H, Tokuhiro A. Kinesiological study of push-up motion using a three-dimensional floor reaction on a force plate. Acta Med Okayama 1995;49(3):129-35.
    Pubmed CrossRef
  25. Neumann DAMaryland Heights (MO): Mosby, 2016.
  26. Decker MJ, Hintermeister RA, Faber KJ, Hawkins RJ. Serratus anterior muscle activity during selected rehabilitation exercises. Am J Sports Med 1999;27(6):784-91.
    Pubmed CrossRef
  27. Kim EY, Park HG, Ahn BH. Comparative studies of muscle activity on upper extremity between push-up bend and push-up plus movement according to change of supporting base interval. J Korean Phys Ther Sci 2008;15(3):31-41.
  28. Rho TH, Kim JH, Park SB, Lee NN. Analysis of biomechanics of push-up movement. J Korean Soc Phys Med 2009;4(4):269-74.

Article

Original Article

Phys. Ther. Korea 2022; 29(2): 117-123

Published online May 20, 2022 https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

Copyright © Korean Research Society of Physical Therapy.

무릎 팔굽혀펴기와 표준 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 어깨 근육의 근활성도 비교

정상진, 김지혜, 공해진, 조민지, 백현지, 김수진

전주대학교 물리치료학과

Received: January 13, 2022; Revised: April 22, 2022; Accepted: April 23, 2022

Comparison of Muscle Activities in Upper Extremity Muscles During the Knee-flexed and Standard Push-ups With Different Hand Shape

Sang-jin Jeong , BPT, Ji-hye Kim , BPT, Hae-jin Kong , BPT, Min-ji Cho , BPT, Hyeon-ji Baek , BPT, Su-jin Kim , PT, PhD

Department of Physical Therapy, Jeonju University, Jeonju, Korea

Correspondence to:Su-jin Kim
E-mail: sujink@jj.ac.kr
https://orcid.org/0000-0002-5222-4538

Received: January 13, 2022; Revised: April 22, 2022; Accepted: April 23, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Background: Push-up are effective exercises for shoulder stability. Previous studies have documented the effects of support plane and hand position and width on muscle activities during a push-up. Objects: This study aimed to investigate the changes in muscle activities in the upper extremity when performing the standard and the knee-flexed push-up with different hand shapes.
Methods: A total of twenty-six healthy males participated in this study. Three different hand shapes (finger abduction, finger adduction, and fists) and two types of push-up posture (standard and knee-flexed push-up) were set as the independent variables. Electrograms were used to measure the muscle activity of the upper trapezius (UT), triceps brachii (TB), pectoralis major (PM), and serratus anterior (SA). Each participant performed the randomly assigned push-up to the sound of the metronome. The mixed-effect linear regression model was used to detect the changes in muscle activities after changing the hand shape and push-up posture. Statistical significance was set at α = 0.05.
Results: The UT muscle activity was statistically significantly higher when performing push-up with fists than finger abduction (p = 0.035) or finger adduction (p = 0.044). During the standard push-up, the muscle activity in all muscles was that the push-up with fists showed the highest muscle activity compared to the finger abduction (p < 0.01) and finger adduction (p < 0.01). Regardless of the shape of the hand, UT had the lowest muscle activity compared to other muscles (p < 0.001). In contrast, the SA muscle had the highest muscle activity among four muscles during the standard push-up.
Conclusion: Based on the results of this study, we suggest hand shape is related to the difficulty level of push-up either in the standard or the knee-flexed push-up, especially in the push-up with fists. In addition, knee push-up can be recommended as shoulder musclestrengthening exercises for individuals with low shoulder muscle strength.

Keywords: Electromyography, Exercise, Muscle strength, Scapula, Upper extremity

INTRODUCTION

어깨는 우리 몸에서 가장 많은 움직임이 일어나며 근골격계 문제가 빈번히 발생되는 신체 부위로, 어깨 통증이 많이 일어난다[1]. 어깨 통증은 뻣뻣함(stiffness)과 더불어 일상생활 시 집안일을 하거나 레저 활동을 할 때 기능에 이상이 생긴다[2]. 또한 어깨의 불안정성은 어깨뿐만 아니라 목, 주변의 신경, 근골격계의 기능부전까지 초래하므로[3], 어깨의 안정성을 담당하는 근육의 강화는 다양한 어깨의 병적 상태의 치유에 중요한 역할을 한다[4]. 특히 앞톱니근(serratus anterior, SA)은 어깨가슴관절(scapulothoracic joint)의 안정성과 움직임에 중요한 역할을 하며 어깨의 상방회전과 날개뼈의 후방기울임 움직임에 기여한다[5]. 앞톱니근이 약화되면 익상견갑(scapular winging)으로 이어질 수 있고 이를 막기 위한 어깨 안정성을 유지 및 회복에 목적을 둔 다양한 운동을 제시하고 있다.

팔굽혀펴기는 어깨 안정성을 위한 효과적인 운동 중 하나로써 어깨, 팔 및 몸통의 근육의 기능을 향상시키는 방법이다[6]. 이 운동은 배우기 쉽고 도구 및 공간의 제약이 없어 다양한 수준의 체력에 맞게 수정될 수 있다[7,8]. 팔굽혀펴기는 주로 큰가슴근(pectoralis major, PM)과 앞톱니근을 강화를 목표로 하는 운동이지만 앞어깨세모근(anterior deltoid)과 위팔세갈래근(upper trapezius, UT)도 함께 활성화시킨다[9]. 하지만 팔굽혀펴기를 수행함에 있어 남성에 비해 근력이 떨어지는 여성은 일반적 방법으로 팔굽혀펴기를 하는 것이 어렵다[10,11]. Haff와 Triplett [12]은 이 문제를 해결하기 위해 여성들을 대상으로 무릎을 꿇은 자세에서 팔굽혀펴기를 하는 것을 권장하고 무릎을 꿇은 자세가 외부 모멘트팔(external moment arm)을 감소시킴으로써 적은 근력으로도 팔굽혀펴기를 가능하게 한다고 보고하였다. 또한 Cogley 등[13]은 양손의 위치를 가깝게 하거나 멀리 벌려 팔굽혀펴기를 하였을 때, 두 손 사이의 일정 간격을 둔 자세가 양손을 모은 상태로 하는 것보다 낮은 근활성도를 보여 보다 쉽게 팔굽혀펴기를 할 수 있다고 보고하였다. Ho 등[14]의 연구에서는 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 근활성도 변화를 연구하였다. 손을 편 상태와 주먹을 쥔 자세로 일반적인 팔굽혀펴기 동작에서 날개뼈를 더욱 앞으로 미는 팔굽혀펴기 플러스(push-up plus)를 하게 될 경우, 주먹을 쥔 자세 시 앞톱니근의 활성도가 줄어드는 대신 큰가슴근과 아래팔 근육(손목의 굽힘근과 폄근)의 근활성도가 증가한다고 하였다. 반대로 손바닥으로 바닥을 지지하는 경우, 앞톱니근의 활성도가 높게 나옴을 확인하였다. 앞톱니근은 날개뼈의 움직임과 어깨가슴관절의 안정화에 중요한 역할을 하므로[15], 앞톱니근을 보다 효울적으로 강화시키는 방법에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.

선행 연구들은 일반적인 팔굽혀펴기나 또는 팔굽혀펴기 플러스 상황에서 손의 회전정도, 손을 위치시키는 지지면의 종류, 상체의 전방 이동, 장치를 이용한 팔굽혀펴기까지 다양한 연구를 진행하였다[6,16-18]. 하지만 무릎을 굽힌 상태에서의 팔굽혀펴기에 대한 연구는 일반적 팔굽혀펴기와 비교하였을 때 부족한 상태이다. 팔굽혀펴기를 잘 하지 못하는 비장애인 및 환자들에게 무릎 팔굽혀펴기를 대안책으로 제시하고 있으므로, 무릎 팔굽혀펴기 시 다양한 변형 동작에 대한 연구가 필요하다. 지금까지 무릎 팔굽혀펴기 시 지지면에 따른 근활성화 변화 및 토고(togu) 사용 여부에 따른 앞톱니근과 위세모근 활성도에 대한 연구가 있었지만[19,20], 지지하는 손의 모양(e.g., 손 가락 벌림 및 모음, 주먹 쥠)에 대한 연구는 없었다. 따라서 본 연구에서는 무릎 팔굽혀펴기 시, 손의 모양에 따른 근활성도 변화를 보고자한다. 자세하게는 무릎 팔굽혀펴기 역시 일반 팔굽혀펴기처럼 손가락 사이를 벌려 지지면을 넓게 하면 큰가슴근의 부담을 줄이고 앞톱니근의 활성도를 높여 어깨 관절의 안정성을 유지하면서 운동을 수행하는 것이 도움이 되는지 알아보는 데에 그 목표가 있다. 본 연구의 가설은 표준 및 무릎 팔굽혀펴기 시 손을 벌리며 수행하게 되면 아닌 경우보다 앞톱니근의 활성도가 높게 나올 것이며 큰가슴근육의 활성도는 낮게 나올 것이다.

MATERIALS AND METHODS

1. 연구 대상

본 연구는 전라북도 전주에 거주중인 남성 대학생 26명을 대상으로 연구를 실시하였다. 연구 대상자 선정 조건은 첫째, 근골격계 및 신경계 관련 없이 최근 3개월 내에 어깨에 통증이 없는 자; 둘째, 팔굽혀펴기 운동 시 어깨에 불편함이 없는 자; 셋째, 연구자의 지시에 따라 팔굽혀펴기 운동이 가능한 자로 정했다[1]. 여성을 대상자에 포함시키지 않은 이유는 표준 팔굽혀펴기 자세에서 정해진 팔굽혀펴기 횟수를 수행하기 어려움으로 대상자에서 제외하였다. 신체 전반적인 불편함 또는 통증이 있는 자, 어깨 수술을 받은 자, 최근 1년이내 3개월 이상 지속적으로 근력운동 경험이 있는 자는 연구 대상에서 제외하였다[18]. 대상자 전원은 실험 참여에 대한 동의를 하였으며, 본 연구는 전주대학교 연구 윤리 위원회의 승인을 받아 진행하였다(IRB no. 200713-HR-2020-0704). 구체적인 대상자의 일반적인 특성은 다음과 같았다(Table 1).

Table 1 . General characteristics of participants.

CharacteristicMale, N = 26
Age (y)22.2 ± 2.64
Body height (cm)174.6 ± 5.53
Body weight (kg)70.2 ± 9.63
Body mass index (kg/m2)23.0 ± 2.72

Values are presented as mean ± standard deviation..



2. 측정 도구

1) 근전도(Electromyogram)

근육의 활성도는 표면근전도(TrignoTMwire, wireless EMG; Delsys, Natick, MA, USA)로 측정하였고 4개의 전극을 사용하여 큰가슴근, 위팔세갈래근(triceps brachii, TB), 앞톱니근, 상부 등세모근의 근활성도를 측정하였다. 근전도 신호의 표본추출율은 1,000 Hz로 증폭된 파형을 50 Hz에서 200 Hz의 대역통과필터(band pass filter)로 필터링하였다. 측정자간 오류를 최소화하기 위하여 한 명의 숙련된 측정자가 모든 피험자들에게 전극을 부착하였다. 우세측 상지에 기존 실험 방법을 참고하여 전극을 부착하였으며, 부착지점은 다음과 같다. 큰가슴근의 전극은 쇄골 아래에 4개의 손가락 너비로 배치되어 앞쪽 겨드랑이 경계의 중앙에 부착하였다[21]. 앞톱니근의 전극은 5번, 6번 갈비뼈 수준의 중심 겨드랑이 선에서 넓은등근(Latissimus dorsi) 앞부분에 부착하였으며[18], 위팔세갈래근의 전극은 봉우리(acromion)의 후부와 팔꿈치머리 돌기사이(olecranon process)의 중간 지점에 부착하였다[6]. 상부 등세모근의 전극은 7번째 목뼈의 가시돌기와 봉우리 사이에 부착하였다. 전극 부착 전 부착부위를 피부저항을 줄이기 위해 면도칼로 털을 제거하고 알코올 솜으로 소독하였다.

2) 근전도 신호의 정규화

정규화(normalization)를 위한 기준 값으로 최대 수의적 등척성 수축(maximal voluntary isometric contraction, MVIC)을 사용하였다. 최대 수의적 등척성 수축의 측정을 위한 자세는 Kendall 등[22]의 도수 근력 검사 방법을 참고하였다. 상부 등세모근은 등받이가 없는 의자에 앉아 견갑골을 올리고 목을 반대쪽 돌림과 폄 동작을 시켜 측정하였고, 저항은 두 손을 이용해 어깨의 아래방향과 후두의 굽힘 방향으로 준다. 위팔세갈래근는 엎드린 자세에서 팔꿈치를 펼 때 아래팔의 굽힘 방향으로 저항을 주었다. 앞톱니근은 바닥에 등을 대고 누운자세에서 어깨를 90° 굽히고 저항은 피험자의 손에 어깨뼈의 들이미는 방향으로 주었다. 마지막으로 큰가슴근은 바닥에 등을 대고 누운자세에서 팔꿈치는 펴고, 어깨는 90° 굽히고 약간 안쪽돌림과 수평모음을 시키고, 저항은 아래팔에 대해서 수평벌림 방향으로 주었다[22]. 각 근육의 MVIC는 총 5초간 수집을 하고 모든 자료는 제곱평균제곱근법(root mean square, RMS)로 처리한 후 시작과 마지막 1초의 자료를 제외한 3초 간에 평균 근전도 신호량을 MVIC로 사용하였다.

3. 실험 방법

본 연구의 대상자는 표준 팔굽혀펴기와 무릎 팔굽혀펴기에서 세가지 손 모양을 통해 총 여섯 가지 팔굽혀펴기 운동방법을 수행하였다. 표준 팔굽혀펴기는 상지와 하지를 모두 뻗은 상태에서 발끝과 손 바닥으로 바닥을 짚고 팔을 굽혀 자세를 낮추는 것이었으며(Figure 1A), 무릎 팔굽혀펴기는 표준 팔굽혀펴기와 같되, 무릎으로 바닥을 지지한 상태에서 자세를 낮추는 것으로 정의하였다(Figure 1B). 손 모양은 손가락을 양 옆으로 넓게 벌린 모양(finger abduction, Figure 2A), 손가락을 가지런히 모은 모양(finger adduction, Figure 2B), 그리고 주먹을 쥐어 첫번째 손가락 마디(proximal phalanges)가 바닥에 닿는 모양(fists, Figure 2C)으로 측정하였다.

Figure 1. Standard push-up (A) and knee push-up (B).
Figure 2. Hand shapes during push-up with finger abduction (A), finger adduction (B), and hand grip (C).

표준 팔굽혀펴기를 우선적으로 시행한 후 무릎 팔굽혀펴기를 시행하였다. 이는 사전 실험 시 표준 팔굽혀펴기와 무릎 팔굽혀펴기 자세를 무작위로 지정하였을 경우, 대상자들이 바뀐 자세에 대해 신속히 적응하지 못하여 부정확한 자세로 팔굽혀펴기를 시행하였기 때문이다. 근피로로 인한 근활성도 변화 방지를 위해 표준 팔굽혀펴기 후 10분 이상의 충분한 휴식을 제공하였다. 대상자에게 총 세가지 손 모양이 적혀있는 3개의 카드를 상자에서 뽑게 한 뒤 카드에 적혀있는 방법을 수행하도록 지시하였다. 표준 팔굽혀펴기에서 시행 한 순서와 동일하게 무릎 팔굽혀펴기의 순서를 진행하였다. 각 대상자들 간의 팔꿈치가 굽혀지는 각도를 최대한 일치시키기 위하여 바닥에 종이컵을 고정시켜 놓은 뒤 목아래패임(jugular notch)이 종이컵 상단에 닿도록 지시하였다. 피험자들의 안전을 위하여 바닥에 매트를 설치하고 피험자들 간의 공평성을 높이기 위하여 녹화된 동영상을 보여주어 해당 작업을 정확히 실시하도록 하였다. 스마트폰 메트로놈 어플(pro metronome; Xiao Yixiang, App Store)을 사용하여 팔꿈치를 굽히는 시기와 펴는 시기를 최대한 일치시켜, 회당 3초씩 작업을 수행하였다[23]. 근전도 측정 전 사전 연습을 2회 실시하였으며, 각 한 동작 당 3회 반복 측정하였다. 근육의 피로를 최소화하기 위하여 회당 10초씩 휴식시간을, 각 동작이 끝나면 사이에 2분의 휴식 시간을 제공하였다. 수집된 근전도 신호는 필터링을 거친 후 RMS처리하였고, MVIC를 사용하여 표준화하여 %로 표시하였다.

4. 자료 분석

본 연구의 자료분석은 통계 프로그램 R 소프트웨어(R statistical software; R Core Team, Vienna, Austria)을 사용하여 진행하였다. Shapiro-Wilk 검사를 통하여 정규성 검정을 하였다. 표준 팔굽혀펴기와 무릎 팔굽혀펴기의 각 동작별로 근육별 및 손 모양별로 근활성도의 차이가 있는지 알아보기 위해 혼합-효과 선형 회귀 모형(mixed-effect linear regression)을 사용하였다. 근육(SA, UT, TB, PM)와 손 모양(finger abduction, finger adduction, fists)을 고정 요인(fixed factor)으로 지정하였고, 대상자 개개인을 무작위 요인(random factor)은 지정하였다. 근육(muscle)과 손 모양(hand)의 단독 요인만 있는 모델과, 두 고정 요인이 함께 있는 모델, 마지막으로 두 고정 요인과 상호작용 효과가 있는 모델을 만들어 비교하였다. 모델 비교는 R에서 제공하는 anova() 함수를 사용하여 log-likelihood ratio 검사로 진행하였으며, 가장 낮은 Akaike information criterion을 가진 모델로 정의하였다. 사후검정으로는 ‘Tukey’ 검사를 진행하였으며, 통계학적 유의 수준은 α = 0.05로 설정하였다.

RESULTS

1. 무릎 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 어깨 관련 근육 별 %MVIC의 차이

무릎 팔굽혀펴기 시 근육 및 손 모양의 주 효과(main effect)와, 그리고 둘 사이의 교호 작용(interaction effect)이 유의한 관계가 확인되었다(근육 × 손 모양). 손 모양에 따른 어깨 관련 근육의 근활성도는 상부 등세모근에서만 차이를 보였다. 사후검사 결과 상부 등세모근은 주먹 쥐고 팔굽혀펴기를 시행 시, 손을 벌리거나(p = 0.035), 손을 모은(p = 0.044) 자세로 수행할 때 보다 근활성도가 통계학적으로 유의미하게 높았다(Figure 3). 손을 모으거나 벌리는 것은 근 활성도의 차이를 유발하지 않았다. 나머지 근육들은 손 모양의 변화를 준 팔굽혀펴기 시 근활성도의 변화가 유의하지 않았다.

Figure 3. EMG activities of upper extremity muscles during the push-up with knee flexion. EMG activities are represented as %MVIC for each muscle and hand shape. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. *p < 0.05, **p < 0.01.

무릎 팔굽혀펴기 시 근육별 차이는 손 모양의 형태와 상관없이 위등세모근이 모든 근육에 대해 근활성도가 가장 낮았다(p < 0.01). 앞톱니근이 가장 근활성도가 높았고(p < 0.05), 위팔세갈래근과 큰가슴근은 통계학적인 유의한 차이가 없었다(Figure 3).

2. 표준 팔굽혀펴기 시 손 모양에 따른 어깨 관련 근육 별 %MVIC의 차이

표준 팔굽혀펴기 시 교호작용이 없는 근육과 손 모양의 주 효과 관계가 확인되었다(근육 + 손 모양). 손 모양에 따른 어깨 관련 근육의 근활성도는 모든 근육에서 주먹 쥐고 팔굽혀펴기를 시행 시, 손을 벌리거나(p < 0.01), 손을 모은(p < 0.01) 자세로 수행할 때 보다 근활성도가 통계학적으로 유의미하게 높았다(Figure 4). 손을 모으거나 벌리는 것은 근 활성도의 차이를 유발하지 않았다.

Figure 4. EMG activities of upper extremity muscles during the standard push-up. EMG activities are represented as %MVIC for each muscle and hand shape. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. **p < 0.01, ***p < 0.001.

표준 팔굽혀펴기 시 근육별 차이는 손 모양의 형태와 상관없이 등세모근이 다른 근육과 비교했을 때 근 활성도가 가장 낮았다(p < 0.001). 반대로 앞톱니근이 모든 근육에 대해 가장 근 활성도가 높았고(p < 0.01), 다음으로는 큰가슴근이 위팔세갈래근과 상부 등세모근보다 근 활성도가 높았다(p < 0.01) (Figure 4).

3. 팔굽혀펴기 자세에 따른 어깨 관련 근육 별 %MVIC의 차이

팔굽혀펴기 자세에 따른 어깨 근육의 근 활성도는 모든 근육에서 표준 팔굽혀펴기를 할 때 무릎 팔굽혀펴기를 할 때보다 근 활성도가 높았다(p < 0.001) (Figure 5).

Figure 5. Comparison of EMG activities during standard and knee push-ups. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. ***p < 0.001.

DISCUSSION

본 연구는 26명의 젊고 건강한 성인 남성을 대상으로 무릎 팔굽혀펴기와 표준 팔굽혀펴기를 시행 하였을 때 지지하는 손 모양에 따른 상지 근육의 근활성도 변화를 관찰하였다. 연구 결과, 무릎 팔굽혀펴기의 경우 위등세모근 에서만 손 모양에 따라 근활성도의 유의한 차이를 보였고, 표준 팔굽혀펴기의 경우 모든 근육에서 손 모양에 따라 근활성도 유의한 차이를 보였다.

무릎 팔굽혀펴기 시 상부 등세모근에서 주먹으로 바닥을 지지하여 팔굽혀펴기를 시행했을 때 다른 두 경우보다 근활성도가 높게 나왔으며, 표준 팔굽혀펴기 시 상부 등세모근, 위팔세갈래근, 큰가슴근, 앞톱니근 모든 근육에서 주먹으로 바닥을 지지한 팔굽혀펴기 시 근활성도가 높았다. 하지만 손가락을 벌려 지지면의 면적을 넓게 해주는 것은 손을 모으고 팔굽혀펴기를 하는 것과 차이가 없었다. 주먹으로 바닥을 지지하여 팔굽혀펴기를 하는 경우, 신체가 바닥으로부터 수직으로 더 올라가게 되고, 균형을 유지하기 위해 앞뒤 양 옆으로 몸을 조절해야 한다[24]. 또한 손의 접촉부분이 줄어들면서 체중 지지 시 앞으로 쏠리는 무게중심을 유지하기 위해 어깨 올림현상이 발생하게 되고[14], 이로 인해 무릎 및 표준 팔굽혀펴기 시 주먹으로 바닥을 지지한 팔굽혀펴기 시 위등세모근의 근활성도가 다른 근육의 비해 높아진 것으로 보인다. 이와 달리 손가락을 벌리거나 모은 채 팔굽혀펴기를 하는 경우, 손목관절이 최대로 배측굴곡(dorsiflexion)되어 상완부의 말단을 앞쪽으로 당기게 된다. 이때 주관절의 잠김현상이 발생하게 되어 뼈의 일치도가 향상되어 관절 안정성이 증가하며[25], 근육의 부담이 줄어들게 된다. 따라서 손가락을 벌리거나 모은 경우 주먹으로 지지하며 팔굽혀펴기를 할 때 보다 어깨 근육의 근활성도가 낮게 나온 것으로 생각된다.

선행 연구에서처럼 무릎을 굽혀 팔굽혀펴기를 할 경우 근 활성도가 줄어듦을 본 연구에서 확인하였고[14,26], 이는 체중에 대한 외재적 모멘트 팔이 줄어들어 어깨 근육들의 부담이 감소 된 것으로 보인다. 표준 팔굽혀펴기 시 주먹으로 지지하며 팔굽혀펴기를 할 때 모든 근육에서 다른 손 모양보다 높은 근활성도는 보인 이유 역시 체중에 대한 외재적 모멘트 팔이 증가된 상태에서 체중의 분산이 주먹이라는 좁은 지지면을 통해 이뤄졌기 때문이다. 동시에 손목관절의 최대 안정성을 보장하는 손목 최대 폄(full wrist extension) 자세를 취할 수 없으므로 보상작용의 일환으로 위팔세갈래근을 비롯한 어깨 안정화 근육들의 작용이 모두 증가한 것으로 보인다. 이에 반해 무릎 팔굽혀펴기 시, 체중의 무릎 이하의 체중은 들어올리지 않아도 되며 외재적 모멘트 팔이 줄어 외부 토크가 적게 걸려 상부 등세모근을 제외한 큰가슴근, 위팔세갈래근, 앞톱니근은 그 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타난다. 특히 손목을 굽히거나 펴는 아래팔 근육들이 주먹으로 지지한 팔굽혀펴기 시 손목관절에 대한 안정성을 충분히 제공하여, 어깨 근육들의 추가적인 수축이 필요 없었던 것으로 보인다. 본 연구의 결과는 지지면의 넓이를(hand distance) 달리하여 팔굽혀펴기를 하였을 때 어깨 근활성도가 달라짐을 보고한 Kim 등[27]의 연구와 다소 차이가 있다. 이는 손 사이의 거리를 멀거나 가깝게 조정하여 지지면의 넓이를 변화시킨 선행 연구와는 달리, 본 연구에서 조정하였던 손가락 간격의 변화는 어깨 근활성도의 차이를 이끌 만큼의 영향을 끼치지 못했기 때문이라 보인다.

본 연구는 제한점은 다음과 같다. 첫째, 본 연구에서는 남성만을 대상으로 실험을 진행한 점; 둘째, 다양한 연령을 대상으로 실행한 것이 아닌 20대 남자를 국한으로 측정 한점; 셋째, 연구 대상자가 26명으로 작은 점; 넷째, 일시적으로 실험을 진행했기에 장기적으로 실험을 진행했을 경우 나타나는 효과에 대해 알지 못한다는 점이다. 따라서 향후 연구에서는 성별과 나이의 구성의 균형이 이루어진 많은 대상자들에게 손모양의 따른 효율적인 팔굽혀펴기 운동방법에 대해 더욱 정확하고 세밀한 분석이 이루어져야 될 필요가 있다.

본 연구가 가지는 임상적인 의의는 상지의 닫힌사슬운동인 팔굽혀펴기 시[28], 주먹을 쥔 상태에서의 표준 팔굽혀펴기 운동은 윗팔세갈래근, 상부 등세모근, 앞톱니근 및 큰가슴근의 근활성도를 증가시켜 팔굽혀펴기의 난도를 증가시킬 수 있다는 것이다. 또한 상지 근력이 약한 사람의 경우 무릎을 굽힌 상태와 손가락을 벌리거나 모은 상태로 진행하는 것이 보다 안정적인 자세로 운동을 할 수 있음을 알 수 있었다. 만약 무릎 팔굽혀펴기 시 난도를 증가시키고 싶다면 주먹으로 바닥을 지지한 상태로 팔굽혀펴기를 하는 것이 상부 승모근의 근활성도를 증가시킴으로 활용 가능함을 알 수 있었다.

CONCLUSIONS

팔굽혀펴기는 어깨 안정화운동 및 상지와 견갑골 운동치료프로그램으로 자주 사용된다. 표준 팔굽혀펴기시 바닥을 지지하는 손의 모양에 따라 상부 승모근, 큰가슴근, 위팔 세갈래근, 그리고 앞톱니근의 유의한 변화가 관찰되므로 운동의 강도를 높이고 싶다면 주먹으로 바닥을 지지한 채 운동할 것을 제안한다. 또한 근력이 약한 사람들은 무릎을 바닥에 댄 팔굽혀펴기를 시행하며, 이때 손가락을 넓게 벌리거나 모아 본인이 편안함을 느끼는 자세에서 운동 할 것을 제안하는 바이다.

ACKNOWLEDGEMENTS

None.

FUNDING

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. 2017R1C1B5076731).

CONFLICTS OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

AUTHOR CONTRIBUTIONS

Conceptualization: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Data curation: SJ, JK, HK, MC, HB. Formal analysis: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Funding acquisition: SK. Investigation: SJ, JK, HK, MC, HB. Methodology: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Project administration: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Resources: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Supervision: SJ, JK, HK, MC, HB. Validation: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Visualization: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Writing - original draft: SJ, JK, HK, MC, HB, SK. Writing- review & editing: SJ, JK, HK, MC, HB, SK.

Fig 1.

Figure 1.Standard push-up (A) and knee push-up (B).
Physical Therapy Korea 2022; 29: 117-123https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

Fig 2.

Figure 2.Hand shapes during push-up with finger abduction (A), finger adduction (B), and hand grip (C).
Physical Therapy Korea 2022; 29: 117-123https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

Fig 3.

Figure 3.EMG activities of upper extremity muscles during the push-up with knee flexion. EMG activities are represented as %MVIC for each muscle and hand shape. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. *p < 0.05, **p < 0.01.
Physical Therapy Korea 2022; 29: 117-123https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

Fig 4.

Figure 4.EMG activities of upper extremity muscles during the standard push-up. EMG activities are represented as %MVIC for each muscle and hand shape. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. **p < 0.01, ***p < 0.001.
Physical Therapy Korea 2022; 29: 117-123https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

Fig 5.

Figure 5.Comparison of EMG activities during standard and knee push-ups. EMG, electromyography; %MVIC, %maximal voluntary isometric contraction; UT, upper trapezius; TB, triceps brachii; PM, pectoralis major; SA, serratus anterior. ***p < 0.001.
Physical Therapy Korea 2022; 29: 117-123https://doi.org/10.12674/ptk.2022.29.2.117

Table 1 . General characteristics of participants.

CharacteristicMale, N = 26
Age (y)22.2 ± 2.64
Body height (cm)174.6 ± 5.53
Body weight (kg)70.2 ± 9.63
Body mass index (kg/m2)23.0 ± 2.72

Values are presented as mean ± standard deviation..


References

  1. Ludewig PM, Hoff MS, Osowski EE, Meschke SA, Rundquist PJ. Relative balance of serratus anterior and upper trapezius muscle activity during push-up exercises. Am J Sports Med 2004;32(2):484-93.
    Pubmed CrossRef
  2. Szeto GP, Straker L, Raine S. A field comparison of neck and shoulder postures in symptomatic and asymptomatic office workers. Appl Ergon 2002;33(1):75-84.
    Pubmed CrossRef
  3. Kim D, Kwon O, Yi C, Jeon H. The effects of 4-week serratus anterior strengthening exercise program on the scapular position and pain of the neck and interscapular region. Phys Ther Korea 2007;14(4):58-65.
  4. Seo SH, Jeon IH, Cho YH, Lee HG, Hwang YT, Jang JH. Surface EMG during the push-up plus exercise on a stable support or Swiss ball: scapular stabilizer muscle exercise. J Phys Ther Sci 2013;25(7):833-7.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  5. Cho SH, Baek IH, Cheon JY, Cho MJ, Choi MY, Jung DH. Effect of the push-up plus (PUP) exercise at different shoulder rotation angles on shoulder muscle activities. J Phys Ther Sci 2014;26(11):1737-40.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  6. Youdas JW, Budach BD, Ellerbusch JV, Stucky CM, Wait KR, Hollman JH. Comparison of muscle-activation patterns during the conventional push-up and Perfect·PushupTM exercises. J Strength Cond Res 2010;24(12):3352-62.
    Pubmed CrossRef
  7. Gouvali MK, Boudolos K. Dynamic and electromyographical analysis in variants of push-up exercise. J Strength Cond Res 2005;19(1):146-51.
    Pubmed CrossRef
  8. Kang KH. The analysis of muscle activation of pectoralis major muscle according to orientation of wrist and elbow during push-ups. J Sport Leis Stud 2017;69:365-73.
    CrossRef
  9. Snarr RL, Esco MR. Electromyographic comparison of traditional and suspension push-ups. J Hum Kinet 2013;39:75-83.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  10. Horsak B, Kiener M, Pötzelsberger A, Siragy T. Serratus anterior and trapezius muscle activity during knee push-up plus and knee-plus exercises performed on a stable, an unstable surface and during sling-suspension. Phys Ther Sport 2017;23:86-92.
    Pubmed CrossRef
  11. Miller AE, MacDougall JD, Tarnopolsky MA, Sale DG. Gender differences in strength and muscle fiber characteristics. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1993;66(3):254-62.
    Pubmed CrossRef
  12. Haff GG, Triplett NTChampaign (IL): Human Kinetics, 2016.
  13. Cogley RM, Archambault TA, Fibeger JF, Koverman MM, Youdas JW, Hollman JH. Comparison of muscle activation using various hand positions during the push-up exercise. J Strength Cond Res 2005;19(3):628-33.
    Pubmed CrossRef
  14. Ho AJ, Cudlip AC, Ribeiro DC, Dickerson CR. Examining upper extremity muscle demand during selected push-up variants. J Electromyogr Kinesiol 2019;44:165-72.
    Pubmed CrossRef
  15. Ludewig PM, Reynolds JF. The association of scapular kinematics and glenohumeral joint pathologies. J Orthop Sports Phys Ther 2009;39(2):90-104.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  16. Batbayar Y, Uga D, Nakazawa R, Sakamoto M. Effect of various hand position widths on scapular stabilizing muscles during the push-up plus exercise in healthy people. J Phys Ther Sci 2015;27(8):2573-6.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  17. Lehman GJ, Gilas D, Patel U. An unstable support surface does not increase scapulothoracic stabilizing muscle activity during push up and push up plus exercises. Man Ther 2008;13(6):500-6.
    Pubmed CrossRef
  18. Maenhout A, Van Praet K, Pizzi L, Van Herzeele M, Cools A. Electromyographic analysis of knee push up plus variations: what is the influence of the kinetic chain on scapular muscle activity? Br J Sports Med 2010;44(14):1010-5.
    Pubmed CrossRef
  19. Kim J, Choi I, Yoo W. A comparison of scapulothoracic and trunk muscle activities among three variations of knee push-up-plus exercises. J Phys Ther Sci 2011;23(3):365-7.
    CrossRef
  20. Lee K, Bae W. Effect of push-up plus exercise on serratus anterior and upper trapezius muscle activation based on the application method of Togu. J Korean Soc Integr Med 2016;4(2):29-36.
    CrossRef
  21. Yoon JY, Kim TH, Oh JS. Effects of hand positions on electromyographic activity in scapulothoracic muscles during push-up plus. Phys Ther Korea 2010;17(4):8-15.
  22. Kendall FP, McCreary EK, Provance PG, Rodgers MM, Romani WA. Muscles, testing and function: with posture and pain. 5th ed. Philadelphia (PA): Lippincott Williams & Wilkins; 2005.
  23. Nichols IA, Szivak TK. Effects of different hand widths on plyometric push-up performance. J Strength Cond Res 2021;35(Suppl 1):S80-3.
    Pubmed CrossRef
  24. Ikawa H, Tokuhiro A. Kinesiological study of push-up motion using a three-dimensional floor reaction on a force plate. Acta Med Okayama 1995;49(3):129-35.
    Pubmed CrossRef
  25. Neumann DAMaryland Heights (MO): Mosby, 2016.
  26. Decker MJ, Hintermeister RA, Faber KJ, Hawkins RJ. Serratus anterior muscle activity during selected rehabilitation exercises. Am J Sports Med 1999;27(6):784-91.
    Pubmed CrossRef
  27. Kim EY, Park HG, Ahn BH. Comparative studies of muscle activity on upper extremity between push-up bend and push-up plus movement according to change of supporting base interval. J Korean Phys Ther Sci 2008;15(3):31-41.
  28. Rho TH, Kim JH, Park SB, Lee NN. Analysis of biomechanics of push-up movement. J Korean Soc Phys Med 2009;4(4):269-74.