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문제 정의
- 본 연구에서는 건측 손의 운동에 따라 환측 손이 대칭적으로 운동하며 두 가지 운동이 가능한 상지 운동기구를 개발하고 개발된 기구를 이용한 6주간의 훈련 후 상지운동 기능 평가인 FMA를 실시하고 두 가지 과제에 대해 fMRI를 통한 뇌 활성화의 변화를 관찰하였다.
가설 설정
- 이러한 연구들을 바탕으로 본 연구에서 대칭형 상지 운동기구를 개발하고 주 5일씩 6주 동안의 반복적 운동 학습이 만성 편마비 환자들의 상지기능 회복의 향상을 가져올 것이라고 가정하였다. 결과를 평가하기 위하여 기능적인 면을 살펴보고자 FMA를 사용하였고 좀 더 객관적이고 정확한 신경학적 인 정보를 얻고자 fMRI를 이용하여 대뇌 피 질의 활성화 변화를 관찰하였다.
제안 방법
- 1. 편마비 환자를 위하여 건측손의 운동을 환측손으로 전달하여 손목의 굴곡과 신전, 전완의 회내와 회외 운동을 유도하는 대칭형 상지 운동기구를 제작하였다.
- 5. FMA scores of the affected hand of 3 chronic hemiparetic subjects before; after 2, 4, and 6 weeks of the symmetric upper limb motion trainer training.
- 활성화된 뇌 영역은 표준화의 평균치를 구하고 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에 template image (Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 표준화(nonnalize)하였다. T score에 따라 색체 부호화하여 대조군은 그룹으로 환자군은 개인별 뇌지도를 얻었다. 휴식기와 활동기의 뇌 활성화 차이는 통계 적 검증을 통해 p<0.
- 001일 때 유의하게 활성화되도록 하였다. fMRI는 6주간의 훈련 중 훈련 개시 및 종료 시점에서 한 번씩 총 2회가 측정되었다.
- 건측 손을 이용하여 환측 손의 운동을 할 수 있는 대칭형 상지 재활기구를 이용하여 뇌손상 후 2년 이상 경과한 만성 편마비 환자의 훈련 전후의 상지 운동기능 평가 및 손목의 움직임에 따른 뇌의 활성화 패턴을 관찰하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이러한 연구들을 바탕으로 본 연구에서 대칭형 상지 운동기구를 개발하고 주 5일씩 6주 동안의 반복적 운동 학습이 만성 편마비 환자들의 상지기능 회복의 향상을 가져올 것이라고 가정하였다. 결과를 평가하기 위하여 기능적인 면을 살펴보고자 FMA를 사용하였고 좀 더 객관적이고 정확한 신경학적 인 정보를 얻고자 fMRI를 이용하여 대뇌 피 질의 활성화 변화를 관찰하였다.
- Nylon을 사용하였다. 구동부는 원통형 형상의 스퍼기어 (spur gear)를 사용하였으며 기구의 손잡이는 기구의 손잡이를 교체하지 않고 기구의 고정방향에 따라 손목 굴곡/신전(wrist flexion/extension)과 전완 회 내/회외(forearm pronation/supination)의 두 가지 운동을 수행할 수 있도록 하였다. 완성된 기구는 건측 손 (unaffected hand)의 운동을 환측 손 (affected hand)으로 전달하여 대칭적 운동이 가능하도록 제 작되었다.
- 대칭형 기구를 이용하여 팔목 운동 시 뇌 활성화 패턴의 변화를 관찰하기 위해 기능적 자기공명영상을 훈련 전후에 각각 촬영하였다(Fig. 3).
- 대칭형 상지 재활훈련에 의한 환자의 상지 운동기능을 정량적으로 평가하기 위하여 Fugl-Mayer의 뇌졸중으로 인한 장애평가 방법 18가지 중 상지기능만을 선택하여 관절의 가동범위, 반사, 손 기능, 관절간 협응을 평가하였다. 이때 각 문항의 점수는 2점 만점으로 수행불가능인 경우 0점, 부분적으로 수행할 경우 1점, 완전 수행이 가능할 경우는 2점으로 구분하여 총 66점으로 평가하였으며, 20점 이하는 심한 편마비 환자로 분류하였다.
- 데이터의 관심영역(region of interest: ROI)은 운동신경 회복의 중요한 기전이라고 보고20,21)되어진 감각운동피질(sensorimotor (SMI) cortex, SMC), 전운동영역 (premotor area, PMA), 그리고 부운동영역 (supplementary motor area, SMA) 으로 설정하여 SPM99 (Wellcome Department of Cognitive Neurology, Oxford, 1998) 프로그램을 이용하여 재배열 (realignment) 과정을 통해 머리의 움직임을 교정하고 기능적 영상과 해부학적 영상을 상관정립 (coregisteT)하여 공통 좌표로 합성하였다. 활성화된 뇌 영역은 표준화의 평균치를 구하고 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에 template image (Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 표준화(nonnalize)하였다.
- 2는 훈련 전 각 환자의 자기공명영상을 보여준다. 모든 편마비 환자는 대칭형 상지 재활운동 기구를 사용하여 손목 굴곡/신전과 전완 회내/회외 두 가지 운동을 매일 1시간씩, 주당 5일, 총 6주 동안 훈련을 하였다.
- 실험을 진행하는 동안 모든 피검자들에게 동일한 두 개의 과제를 부여하였는데, rest-task-rest-task-rest-task의 순서로 수행되었으며 한 실험당 소요시간은 블록당 20초씩 총 2분 동안 진행되었다(Fig. 4).
- 대칭형 상지 재활훈련에 의한 환자의 상지 운동기능을 정량적으로 평가하기 위하여 Fugl-Mayer의 뇌졸중으로 인한 장애평가 방법 18가지 중 상지기능만을 선택하여 관절의 가동범위, 반사, 손 기능, 관절간 협응을 평가하였다. 이때 각 문항의 점수는 2점 만점으로 수행불가능인 경우 0점, 부분적으로 수행할 경우 1점, 완전 수행이 가능할 경우는 2점으로 구분하여 총 66점으로 평가하였으며, 20점 이하는 심한 편마비 환자로 분류하였다. 본 검사의 신뢰도 및 타당 도는 검정 된 바 있고 임상적으로 의미 있는 변화를 반영 할 수 있는 장점을 가진 평가 방법이다.
- 첫 번째 과제의 경우, 대조군에게는 우세 손을, 환자군에게는 건측 손만 손잡이를 잡고 손목의 굴곡/신전 운동을 하도록 하였고(과제 1), 두 번째 과제는 task 시 양손 모두 손잡이를 잡은 채로 건측 손만을 움직여서 환측 손이 수동적으로 대칭 운동을 하도록 하였다(과제 2).
대상 데이터
- 대칭형 상지운동 기구는 자기공명 촬영 시 자계의 영향에 의한 이미지 왜곡을 방지하고 내마모성이 뛰어난 M.C. Nylon을 사용하였다. 구동부는 원통형 형상의 스퍼기어 (spur gear)를 사용하였으며 기구의 손잡이는 기구의 손잡이를 교체하지 않고 기구의 고정방향에 따라 손목 굴곡/신전(wrist flexion/extension)과 전완 회 내/회외(forearm pronation/supination)의 두 가지 운동을 수행할 수 있도록 하였다.
- 실험을 위해 대조군으로 대뇌병변이나 정신분열증 경험이 없는 오른손잡이인 성인 3명(남 2명, 여 1명, 34±5세, 65±10 kg, 170.1 ±5 cm)과 편마비 발생 후 2년 이상 경과 하여 손상된 상지의 자발적 회복과정이 끝났고 제시된 과제 수행이 가능한 만성 편마비 환자 남성 3명 (43.3 ±6.0세, 65±4 kg, 170.2±3 cm)을 피검자로 선정하였다. 편마비 환자군의 원인은 뇌졸중 2명, 외상성 뇌손상 1명이었으며, 우측마비가 1명, 좌측마비가 2명이었다(Table 1).
- 2±3 cm)을 피검자로 선정하였다. 편마비 환자군의 원인은 뇌졸중 2명, 외상성 뇌손상 1명이었으며, 우측마비가 1명, 좌측마비가 2명이었다(Table 1).
- 기능적 자기공명영상은 3T MR scanner (GE Medical System, USA)에서 두부코일을 사용하여 single-shot echo planar imaging (EPI)으로 혈중 산소수준 의존(blood oxygen level dependent: BOLD) 기법을 적용하였다. 휴식(rest)시와 활동(task)기에 각각 19개의 횡단면 EPI-BOLD 영상(TR/TE/a-1.9 sec/40 msec/90º, FOV 240mm, matrix 64 * 64)을 획득하였다. 해부학적 영상은 고식적 스핀반향기법을 사용하여 Talairach의 선을 기준으로 T2 강조영상을 얻었다.
데이터처리
- T score에 따라 색체 부호화하여 대조군은 그룹으로 환자군은 개인별 뇌지도를 얻었다. 휴식기와 활동기의 뇌 활성화 차이는 통계 적 검증을 통해 p<0.001일 때 유의하게 활성화되도록 하였다. fMRI는 6주간의 훈련 중 훈련 개시 및 종료 시점에서 한 번씩 총 2회가 측정되었다.
이론/모형
- 기능적 자기공명영상은 3T MR scanner (GE Medical System, USA)에서 두부코일을 사용하여 single-shot echo planar imaging (EPI)으로 혈중 산소수준 의존(blood oxygen level dependent: BOLD) 기법을 적용하였다. 휴식(rest)시와 활동(task)기에 각각 19개의 횡단면 EPI-BOLD 영상(TR/TE/a-1.
- 9 sec/40 msec/90º, FOV 240mm, matrix 64 * 64)을 획득하였다. 해부학적 영상은 고식적 스핀반향기법을 사용하여 Talairach의 선을 기준으로 T2 강조영상을 얻었다.19)
- 데이터의 관심영역(region of interest: ROI)은 운동신경 회복의 중요한 기전이라고 보고20,21)되어진 감각운동피질(sensorimotor (SMI) cortex, SMC), 전운동영역 (premotor area, PMA), 그리고 부운동영역 (supplementary motor area, SMA) 으로 설정하여 SPM99 (Wellcome Department of Cognitive Neurology, Oxford, 1998) 프로그램을 이용하여 재배열 (realignment) 과정을 통해 머리의 움직임을 교정하고 기능적 영상과 해부학적 영상을 상관정립 (coregisteT)하여 공통 좌표로 합성하였다. 활성화된 뇌 영역은 표준화의 평균치를 구하고 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에 template image (Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 표준화(nonnalize)하였다. T score에 따라 색체 부호화하여 대조군은 그룹으로 환자군은 개인별 뇌지도를 얻었다.
성능/효과
- 뇌졸중(stroke) 혹은 뇌손상(brain injury)은 우리나라에서 암에 이어 사망률이 두 번째를 차지하고 있다.1) 뇌졸중의 경우 원인은 크게 뇌출혈과 뇌경색으로 나눌 수 있는데 이 중 출혈의 경우가 경색의 경우보다 예후가 나쁘며, 침범부위 및 범위와 크기에 따라 다르지만 전체적으로 18%가 사망하고, 9%에서 자발적인 완전 회복이 일어나며, 73%에서 불완전 회복이 일어난다고 보고되었다.2) 불완전 회복이 일어나는 경우 여러 합병증이 유발되는데 편측 마비와 함께 인지장애, 감각결손, 시야결손, 경직, 언어장애, 연하곤란, 견통, 요실금, 우울증, 수면장애, 발작증세가 그 예이다.
- 1) 뇌졸중의 경우 원인은 크게 뇌출혈과 뇌경색으로 나눌 수 있는데 이 중 출혈의 경우가 경색의 경우보다 예후가 나쁘며, 침범부위 및 범위와 크기에 따라 다르지만 전체적으로 18%가 사망하고, 9%에서 자발적인 완전 회복이 일어나며, 73%에서 불완전 회복이 일어난다고 보고되었다.2) 불완전 회복이 일어나는 경우 여러 합병증이 유발되는데 편측 마비와 함께 인지장애, 감각결손, 시야결손, 경직, 언어장애, 연하곤란, 견통, 요실금, 우울증, 수면장애, 발작증세가 그 예이다. 특히 상지기능의 경우 자발적 회복과정은 뇌손상 이후 11주 무렵까지 일어나며, 만약 이 시기에 기능적 회복이 일어나지 않으면 상지의 부가적인 기능 회복은 기대할 수 없다고 하였다.
- 2. 제작된 대칭형 상지 운동기구를 이용한 총 6주간의 훈련 후 측정된 Fugl-Meyer 검사에서 훈련에 참가한 모든 편마비 환자들의 상지 운동기능이 현저하게 향상되었다.
- 3. 만성 편마비 환자를 대상으로 하여 제작된 기구를 적용하여 뇌 활성화를 관찰한 결과 과제 1에서는 운동 전에 비해 대측 SMC의 활성 강도가 증가되고 동측 SMC는 감소하였다. 과제 2에서는 환자에 따라 운동 전에 다양한 영역에서 활성화되다가 운동 후 양측 SMC, SMA 및 PMA로 영역 등의 이차 운동영역의 재조직화가 관찰되었다.
- 4. 각 과제에 대한 운동 전후의 대뇌 피질의 재조직화가 손의 운동성 회복과 관련이 있음을 확인하였다.
- 본 연구의 fMRI 분석 결과에서도 6주간의 훈련 후 2가지 과제에 대한 손상부 뇌피질 영역과 손상부 주변부의 구조적 재구성이 확인되었다. 과제 1에서는 훈련 후 운동 전에 비해 건측의 대측 SMC의 활성 강도가 증가되고 동측 SMC는 감소하는 재조직화가 관찰되었다. 또한 양손 모두 손잡이를 잡은 채로 건측 손만을 움직여서 환측 손이 수동적으로 대칭운동을 하도록 한 과제 2에서 대측의 운동영역이 건측 손만을 사용한 과제 1에 비해 감소함을 발견하였다.
- 6은 대칭형 상지 운동기구를 이용하여 각 과제에 대한 훈련 전후의 기능적 자기공명영상에서 나타난 뇌 활성도이다. 대조군의 오른손의 팔목운동만을 수행한 과제 1에서는 대상자에 따라 활성화 정도의 차이를 보이긴 하였으나 대측(contralateral) SMC 영역에서 활성화를 나타났다 (Fig. 6A). 오른손의 팔목운동으로 수동적으로 왼손을 움직이게 한 과제 2에서는 양측좌우 뇌의 SMC, SMA 및 PMA에서 활성화가 나타났다(Fig.
- 과제 1에서는 훈련 후 운동 전에 비해 건측의 대측 SMC의 활성 강도가 증가되고 동측 SMC는 감소하는 재조직화가 관찰되었다. 또한 양손 모두 손잡이를 잡은 채로 건측 손만을 움직여서 환측 손이 수동적으로 대칭운동을 하도록 한 과제 2에서 대측의 운동영역이 건측 손만을 사용한 과제 1에 비해 감소함을 발견하였다. 이는 양손 운동을 조절하기 위해 SMC에서 더 적은 신경원 네트워크를 사용하여 운동 조절 효율성을 증가시킨다는 Jancke 등38)의 결과와 일치한다.
- FMA는 편마비 운동기능 평가에 있어 높은 신뢰도와 타당성을 보였으며 Duncan 등29)은 검사 자간의 신뢰도가 99%로 매우 높았으며, 검사자내 신뢰도 역시 96~99%로 아주 높았다고 보고하였다. 본 연구 결과 개인적 차이가 있었지만 모든 대상자들은 6주간의 훈련 프로그램을 통해서 FMA의 유의적인 향상을 관찰하였다.
- 본 연구를 통해 건측의 운동으로 환측 운동을 유도할 수 있는 대칭형 상지 운동기구의 훈련이 상지의 기능 향상에 기여하였음을 확인하였다. 또한, 만성 편마비 환자의 손 운동에 대한 대뇌활동을 비교함으로써 뇌손상 이후의 환자에게 본 기구를 적용시켰을 때 물리 치료적 중재로 인한 운동기능 회복 향상 및 대뇌 피질의 재조직화를 통해 임상적인 치료방법의 기초 자료를 제시할 수 있을 것으로 생각된다.
- 본 연구의 fMRI 분석 결과에서도 6주간의 훈련 후 2가지 과제에 대한 손상부 뇌피질 영역과 손상부 주변부의 구조적 재구성이 확인되었다. 과제 1에서는 훈련 후 운동 전에 비해 건측의 대측 SMC의 활성 강도가 증가되고 동측 SMC는 감소하는 재조직화가 관찰되었다.
- 또한 운동 전 대측의 SMC가 사라졌다가 운동 후 대측의 SMC가 새롭게 활성화되는 경향은 주목할 만하다. 본 연구의 과제 2에서 양측 손목의 굴곡/신전 운동 시 운동 전에 비해 양측 SMC, SMA 및 PMA의 활성화가 증가함을 관찰하였다.
- 6A). 오른손의 팔목운동으로 수동적으로 왼손을 움직이게 한 과제 2에서는 양측좌우 뇌의 SMC, SMA 및 PMA에서 활성화가 나타났다(Fig. 6B).
- 이상에서 살펴본 결과를 통해 편마비 환자에게 반복적이고 대칭적인 운동 훈련 시 기능의 향상이 있고 이러한 기능의 향상을 뇌의 재조직화에 따른 뇌활성화의 변화로 확인할 수 있었다.
- 5는 훈련기간에 따른 편마비환자들의 관절 가동범위, 동통, 감각, 상지 운동기능 등의 항목을 평가한 Fugl- Meyer 운동지수의 변화이다. 총 6주간의 훈련 동안 2주에 한번 측정된 검사에서 훈련에 참가한 환자군 모두 운동 후 상지 운동기능이 크게 향상되었다(Fig. 5, Table 2).
- Patient 1의 경우, 운동 전에는 양측 SMC와 동측 PMA 및 관심영역 이외의 영역에서 활성화가 관찰되다가 훈련 후 건측에 대한 동측(ipsilateral) SMC 및 동측 PMA가 사라짐을 알 수 있었다. 한편, 건측손의 팔목운동으로 환측을 수동적으로 움직이도록 한 양손 운동과제인 과제 2의 운동 전후의 뇌 활성도 변화에서는 환자에 따라 훈련 전에 다양한 결과가 나타났는데, 환자 1과 3의 경우 건측에 대한 동측 SMC 및 PMA에서, 환자 2의 경우 건측에 대한 동측 SMC에서만 활성화를 관찰되다가 훈련 후에는 양측 SMC, SMA 및 PMA로 재조직화함을 관찰할 수 있었다(Fig. 7, Table 2).
후속연구
- 지금까지 운동기능의 회복을 FMA, MAS 등의 운동 지수 평가 방법으로 평가하고 있으나 이러한 방법들은 재활훈련의 결과를 나타낼 뿐 재활과정의 운동기능 회복 메커니즘을 설명하기에는 제한적이다. 따라서 이러한 회복 메커니즘을 좀 더 확실히 밝혀내고 개선된 치료방법에 접근할 시각적이고 구체적인 자료를 제공할 필요가 있다. 최근 들어 기능적 뇌영상 방법들이 발달하면서 생체 내에 직접적으로 뇌신경망의 구성과 상태를 관찰하는 연구가 활발히 이루어지고 있으며 대뇌피질과 피질학 신경핵들이 신경막을 구성하고 각각의 독특한 역할을 수행함에 의하여 조절되고 있음이 밝혀지고 있다.
- 본 연구를 통해 건측의 운동으로 환측 운동을 유도할 수 있는 대칭형 상지 운동기구의 훈련이 상지의 기능 향상에 기여하였음을 확인하였다. 또한, 만성 편마비 환자의 손 운동에 대한 대뇌활동을 비교함으로써 뇌손상 이후의 환자에게 본 기구를 적용시켰을 때 물리 치료적 중재로 인한 운동기능 회복 향상 및 대뇌 피질의 재조직화를 통해 임상적인 치료방법의 기초 자료를 제시할 수 있을 것으로 생각된다.
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