Effects of exercise intensity during blood flow restriction training on muscle strength and hypertrophy: A meta-analysis

초록

혈류 제한(blood flow restriction, BFR) 훈련(폐쇄 훈련(occlusion training) 또는 가압(KAATSU) 훈련이라고도 불림)은 운동 중 외부 공기압 커프(pneumatic cuff) 또는 탄성 랩을 사지에 적용하여 정맥 환류(venous outflow)를 제한하면서 동맥 유입(arterial inflow)을 부분적으로 유지함으로써, 저부하 저항 훈련이 일반적으로 고부하 훈련과 관련된 근비대 및 근력 적응을 유발하도록 하는 훈련 방식이다. 1RM의 20~40%에 불과한 낮은 운동 강도에서 의미 있는 근육 성장을 촉진하는 BFR 훈련의 능력은, 근골격 손상, 수술 후 상태, 또는 관절 병리로 인해 일반적인 고부하 훈련을 견디지 못하는 집단에 유망한 대안을 제공한다. 본 메타분석은 가용한 대조 연구들에 걸쳐 근비대 및 근력 지표에 대한 BFR 훈련 중 운동 강도의 효과를 정량화하였다.

체계적 검색을 통해 다양한 강도에서의 BFR 훈련 조건을 BFR을 사용하지 않는 저부하 훈련 및/또는 일반적인 고부하 훈련과 비교한 대조 연구들이 확인되었다. 근육 CSA, 두께, 최대 근력 지표에 대해 무선효과 메타분석을 수행하였다.

결과, 저강도 BFR 훈련(20~40% 1RM)이 혈류 제한 없는 저강도 훈련에 비해 유의하게 더 큰 근비대 및 근력 향상을 유발하였다. BFR 훈련의 근비대 효과는 고강도 일반 훈련(>60% 1RM)의 효과에 근접하였으나 완전히 동등하지는 않았다. 이러한 결과는 고역학적 부하가 금기인 집단에서 효과적인 저부하 근비대 자극으로서 BFR 훈련의 임상적 유용성을 지지한다. 최적 커프 압력, 운동 프로토콜 및 안전 매개변수의 표준화를 위한 추가 연구가 필요하다 [1].

서론

혈류 제한(BFR) 훈련의 발전은 주로 1960~70년대 일본의 사토 요시아키(Yoshiaki Sato)의 연구에 기인하며, 그는 가압(加圧, KAATSU) 훈련이라는 공식화된 방법을 개척하였다. 사토는 저부하 운동 중 사지에서의 정맥 환류를 제한하면 제한된 근육에서 현저한 근비대 및 근력 적응이 유발된다는 것을 관찰하여, 상대적 허혈(ischemia)의 대사 환경과 근비대 신호 전달 경로 간의 강력한 상호작용을 시사하였다 [1]. 이후 수십 년간 엄격한 과학적 연구(특히 브라질과 일본 연구 그룹에서)가 BFR 훈련의 생리적 기전과 최적 매개변수를 규명하기 시작하여, 상당한 규모의 대조 실험적 증거 체계를 축적하였다.

근비대를 위한 저항 훈련의 전통적 패러다임은 의미 있는 근원섬유 단백질 합성과 근육 성장을 유발하기 위해 비교적 높은 부하(일반적으로 1RM의 ≥60~65%)를 요구한다. 이 요구 사항은 높은 역학적 부하가 부적절한 집단에게 상당한 실용적 장벽을 만든다: 정형외과 수술에서 회복 중인 개인, 관절 병리가 있는 사람(골관절염, 건병증), 역학적 내성이 낮은 허약 노인, 재활 기간 동안 근육 질량을 보존하고자 하는 부상을 관리 중인 운동선수. 이러한 집단을 위해 저훈련 부하에서 고부하 동등한 근비대 적응을 유발할 수 있는 방법은 주요 임상적 발전을 나타낼 것이다 [2].

저부하에서 BFR 훈련이 불균형적으로 큰 근비대 반응을 달성하는 기전은 다인자적이며 완전히 이해되지 않았다. 커프 원위부의 정맥 혈액 저류(pooling)는 근내 대사 산물 농도(젖산, H⁺, 무기 인산염)를 상승시켜, 성장 호르몬 분비, 대사 산물 민감성 III/IV군 구심성 신경, 근육 팽창(세포 부피화)을 자극할 수 있다. 또한 부분적 저산소 환경은 정상 순환 조건에서보다 더 일찍 속근(Type II) 운동단위를 피로하게 하여, 일반적으로 동원하지 않을 부하에서 고역치 근섬유를 동원하도록 한다. 전신 동화 호르몬 반응(GH, IGF-1)도 BFR 훈련 후 제한 없는 저부하 훈련에 비해 실질적으로 상승한다 [3].

BFR 훈련에 대한 확장되는 임상적·운동적 관심을 고려할 때, BFR 패러다임 내에서의 운동 강도 역할(및 일반 훈련에 상대적으로)을 검토하는 용량-반응 데이터의 정량적 종합이 필요하다. 본 메타분석은 그러한 종합을 제공하기 위해 설계되었다.

연구 방법

검색 전략

PubMed/MEDLINE, EMBASE, CINAHL, SPORTDiscus 데이터베이스에서 체계적 검색을 수행하였다. 검색 용어는 "blood flow restriction(혈류 제한)", "BFR training(BFR 훈련)", "occlusion training(폐쇄 훈련)", "vascular occlusion(혈관 폐쇄)", "KAATSU(가압)", "kaatsu", "ischemic training(허혈 훈련)"을 "muscle hypertrophy(근비대)", "cross-sectional area(횡단면적)", "muscle thickness(근육 두께)", "muscle strength(근육 근력)", "1 repetition maximum(1회 최대 반복)", "resistance training(저항 훈련)"과 조합하여 포함하였다. 날짜 제한은 적용하지 않았다. 관련 고찰 및 포함된 논문의 참고문헌 목록의 수기 검색이 데이터베이스 검색을 보완하였다.

적격 기준

연구는 다음 조건을 모두 충족하는 경우 포함하였다: (a) 인간 참가자를 대상으로 한 동료 심사 무작위대조시험 또는 대조 시험일 것; (b) 커프 또는 랩 적용으로 저강도(≤40% 1RM으로 정의)에서 운동하는 BFR 훈련 집단을 최소 한 개 포함할 것; (c) BFR 없는 저부하 훈련 및/또는 BFR 없는 고부하 훈련의 비교 집단을 최소 한 개 포함할 것; (d) 기저치와 중재 후 모두에서 근비대(CSA, 두께 또는 부피) 및/또는 최대 근력(1RM 또는 등속성 최대 토크)을 측정할 것; (e) 효과 크기 계산을 위한 충분한 데이터를 제공할 것. 능동적 운동 없는 수동적 BFR을 채택한 연구, 체간에 BFR을 적용한 연구, 또는 비-BFR 비교 집단이 없는 연구는 제외하였다.

데이터 추출

두 명의 검토자가 독립적으로 표본 특성(n, 연령, 성별, 훈련 상태), BFR 프로토콜 매개변수(커프 폭, mmHg 단위 폐쇄 압력 또는 동맥 폐쇄 압력(AOP)의 %로), 운동 부하(% 1RM), 세트 및 반복 수, 빈도, 기간, 근육 군을 추출하였다. 커프 압력은 절대적인 mmHg 값과, 가용한 경우 사지 동맥 폐쇄 압력(AOP)의 백분율로 모두 기록하였다, 이는 더 생리학적으로 의미 있는 지표이다. 1차 결과 데이터(평균, SD 및 집단 크기)를 근비대 및 근력 결과에 대해 추출하였다.

통계 분석

관심 비교는: (1) BFR 저부하 대 BFR 없는 저부하, (2) BFR 저부하 대 BFR 없는 고부하였다. 각 비교에 대해 95% 신뢰구간을 포함한 Hedges' g 효과 크기를 계산하였다. 양의 효과 크기는 BFR 훈련의 우월성(비교 1의 경우) 또는 고부하 훈련의 우월성(비교 2의 경우)을 나타냈다. 무선효과 통합을 적용하였다. 하위집단 분석은 근육 군, 커프 압력(높은 대 낮은 AOP%), 훈련 상태별 결과를 검토하였다 [4].

결과

연구 포함

초기 검색을 통해 2,143건의 문헌이 확인되었다. 중복 제거 및 제목/초록 선별 후 87편의 전문 논문이 적격성 평가를 위해 검토되었다. 21개 연구가 모든 포함 기준을 충족하여 메타분석에 포함되었다. 이 연구들은 총 441명의 참가자(평균 연령 24.1세; 64% 남성; 78% 미훈련 또는 레크리에이션 활동)를 등록하였다. 커프 폐쇄 압력은 80~230 mmHg이었으며, 보고된 경우 AOP 백분율은 40~90% 범위였다. BFR 훈련 부하는 20~40% 1RM, 프로그램 기간은 4~12주였다 [1].

BFR 저부하 대 BFR 없는 저부하 (근비대)

BFR 훈련은 혈류 제한 없는 저부하 훈련에 비해 유의하게 더 큰 근비대를 유발하였다(Hedges' g = 0.59, 95% CI: 0.38–0.80, p < 0.001; I² = 31%). 절대적으로, BFR 훈련 집단은 저부하 대조군에 비해 평균적으로 약 7.2% 더 많은 근육 두께 또는 CSA를 획득하였다. 이 효과는 근육 군(팔꿈치 굴근, 대퇴사두근, 족저 굴근)과 훈련 상태에 걸쳐 일관되었다 [2].

BFR 저부하 대 BFR 없는 고부하 (근비대)

고부하 일반 훈련(>60% 1RM)은 수치적으로 BFR 저부하 훈련보다 더 큰 근비대를 보였으나, 차이는 작고 통계적으로 유의하지 않았다(Hedges' g = −0.23, 95% CI: −0.48–0.02, p = 0.07). 이 결과는 BFR 훈련이 고부하 훈련의 근비대 효능에 근접하지만 완전히 동등하지는 않으며, 일반 훈련에 유리한 유의하지 않은 경향을 보임을 나타낸다. 더 큰 표본을 포함한 개별 연구들에서 BFR과 고부하 훈련 간의 차이는 일관되게 좁았다.

근력 결과

최대 근력 지표에서도 유사한 양상이 나타났다. BFR 훈련은 BFR 없는 저부하 훈련에 비해 유의하게 더 큰 근력 향상을 보였다(g = 0.49, 95% CI: 0.27–0.71, p < 0.001). 고부하 훈련과 비교하여 BFR 훈련은 다소 작은 근력 향상을 보였으며, 최대 근력에 대한 훈련 특이성 원칙을 반영하는 중간 크기의 차이가 고부하 훈련에 유리하게 나타났다(g = −0.37, 95% CI: −0.62–−0.12, p = 0.004) [3].

커프 압력 하위집단 분석

더 높은 커프 압력(≥60% AOP)을 사용한 연구들은 더 낮은 압력(<60% AOP)을 사용한 연구들에 비해 더 큰 근비대 효과를 보였다(g = 0.69 대 g = 0.43, 하위집단 차이에 대한 p = 0.04). 이는 BFR 근비대 반응을 최대화하기 위해 적절한 정맥 폐쇄가 중요함을 시사한다.

고찰

실행 가능한 저부하 근비대 자극으로서의 BFR 훈련

본 메타분석의 주된 결과(20~40% 1RM에서의 BFR 훈련이 혈류 제한 없는 동등한 저부하 훈련보다 유의하게 더 큰 근비대를 유발하면서 고부하 일반 훈련의 효능에 근접한다는 것)는 BFR을 이론적 호기심이 아닌 진정으로 효과적인 근비대 훈련 방식으로 확립한다. 저부하 훈련에 대한 BFR의 중간 효과 크기(g = 0.59)는 적절한 임상적 및 운동적 맥락에서 BFR 적용의 절차적 복잡성을 정당화하는 실용적으로 의미 있는 차이를 나타낸다 [1].

이 근비대 이점의 기저에 있는 기전은 다인자적인 것으로 보인다. 정맥 제한에 의해 생성된 저산소, 대사 산물이 풍부한 환경은 근육 피로와 운동단위 동원을 가속화하여, 저훈련 강도에서 통상적으로 주로 지근(slow-twitch) 단위만 동원할 부하에서 속근(Type II) 섬유를 효과적으로 동원하도록 강제한다. 저역학적 부하에서의 이 속근 동원은 BFR 훈련의 특히 주목할 만한 특성으로, Type II 섬유는 더 큰 근비대 잠재력을 가지며 일반적으로 저훈련 강도에서는 접근 불가능하다. 전신 성장 호르몬, 국소 IGF-1 접합 변이체, mTORC1 경로 활성의 동시 상승이 근비대 신호를 증폭시킬 것으로 보인다 [2,3].

임상적 적용

높은 역학적 부하를 견디지 못하는 것은 흔한 임상적 상황이다. 전방 십자인대(ACL) 재건, 전 슬관절 치환술(total knee arthroplasty), 또는 회전근개(rotator cuff) 수술 후 환자들은 장기간의 고정 및 제한적 활동 기간 동안 상당한 근육 질량을 손실한다. 저부하에서의 BFR 훈련은 일반적인 고부하 재활과 관련된 관절 스트레스를 부과하지 않으면서 이러한 맥락에서 운동 유도 근육 보존 및 심지어 근비대를 가능하게 한다. 마찬가지로, 심각한 골관절염을 가진 고령자, 만성 건병증 환자, 스트레스 골절 환자들도 1차 또는 보완적 방식으로 BFR 훈련의 이점을 얻을 수 있다.

실용적 프로토콜 고려 사항

BFR 훈련을 시행하는 전문가를 위해, 현재 증거에 기반한 몇 가지 프로토콜 매개변수가 주의를 요한다. 커프 압력은 의미 있는 정맥 제한을 생성하기 위해 AOP의 최소 40~60%를 달성해야 하며; 이 임계값 미만의 압력은 감소된 효과를 보이는 것으로 나타났다. 일반적인 임상 관행은 20~30% 1RM에서 의지적 실패까지 30-15-15-15 반복 방식으로 4세트, 30~60초 세트 간 휴식을 포함한다. 공기압 커프 대신 탄성 랩 기반 BFR은 저비용 대안을 제공하지만, 폐쇄 압력의 표준화가 더 어렵다 [4].

안전 고려 사항

적절하게 적용된 BFR 훈련의 안전 프로파일은 건강한 개인에서 양호하며, 일시적 불편감, 점상 출혈(petechiae), 지연성 근육통이 가장 많이 보고되는 부작용이다. 절대적 금기 사항에는 심부 정맥 혈전증(DVT) 병력, 중증 말초 동맥 질환, 림프부종, 폐쇄된 사지의 개방 상처가 포함된다. 임상의는 적절한 교육을 받고 임상 집단에서 초기 BFR 세션을 감독해야 한다. 역학적 압박의 용량은 사지 둘레와 조직 순응도가 주어진 커프 압력에서 달성되는 폐쇄 압력에 실질적으로 영향을 미치므로 가능한 경우 개별적으로 조정해야 한다 [1,4].