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문제 정의
- 본 연구는 초기 편마비 환자의 손목에서 근전도 분석과 상지의 기능수준 평가를 통해 근수축 개시 및 종료의 특성을 알아보고 근약화에 따른 임상적인 치료방법을 제안하고자 실시하였다.
- 본 연구의 목적은 초기 뇌졸중으로 인한 편마비 환자에서 손목 근수축시 근섬유 동원 능력의 특성을 중앙주파수 분석을 통해 그 특성을 확인하고 상지의 기능수준과 중앙주파수간의 상관성을 알아보고자 한다. 이는 편마비 환자의 손목에서 위상성 수축력의 감소로 인해 근수축의 개시와 종료가 지연되며 운동단위 동원이 감소되어 근약화가 나타남을 추정할 수 있을 것이다.
제안 방법
- 개시 구간의 MDF는 수축 개시 후 1 . 구간에서 근전도 데이터 5개의 평균값을 구하였으며, 종료 구간의 MDF는 수축 종료 전 1 구간에서 같은 방법으로 구하였다(그림 1).
- )를 이용하여 자료를 수집하였다. 근전도 신호의 표본 추출율(sampling rate)은 1000 ㎐로 설정하였고, 주파수 대역폭(bandwidth)은 Bagnoli EMG System의 측정 주파수 대역 필터인 20～450 ㎐와 60㎐ 노치 필터(notch filter)를 사용하였다.
- 5초 동안의 500개 근전도 신호를 FFT 대상 구간(epoch)으로 하여 하나의 MDF를 대표값으로 구하였다. 다음 대상 구간은 첫 구간의 75%인 375개 근전도 신호값이 중첩되도록 하여 이동평균(moving average)을 구하였다. 개시 구간의 MDF는 수축 개시 후 1 .
- 신호음은 예측하지 못하도록 검사자가 임의로 시작 버튼을 눌렀으며 신호음의 지속시간은 3초동안 유지하게 하였다. 대상자는 신호음이 시작할 때와 소실 될 때 최대로 강하고 빠르게 수축하며 이완하도록 하였다. 실험 전 미리 3회 연습 후 측정하였으며, 측정 자세는 어깨관절(shoulder joint) 45° 굽힘, 팔꿈치관절(elbow joint) 130° 굽힘, 전완을 중립 상태에서 실시하였다.
- 대상자를 앉은 자세에서 양팔을 거치대 위에 올려놓고 건측부터 평가하였다. 피부저항을 감소시키기 위해 사포로 각질을 제거하였으며 알코올로 닦은 다음 전극에 소량의 근전도용 젤을 발라 해당 근육에 전극을 부착하였다.
- 측면(side)간의 손목관절 근수축 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 중앙 주파수는 독립적 t-검정을 통해 분석하였으며, 측면내의 손목관절 근수축 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 중앙주파수는 짝비교 t-검정을 통해 분석하였다. 또한 환자의 FMA 점수와 중앙주파수의 상관성은 스피어맨 순위 상관계수로 계산하였다.
- 스트랩을 이용하여 거치대 위의 손목관절과 전완을 고정하였으며 손가락의 굽힘근과 펴짐근의 보상작용을 막기 위해 손바닥손가락뼈관절(metacarpophalangeal joint)을 가급적 펴지게 하였다. 모니터를 보면서 MP150의 신호음에 따라 손목관절 굽힘 및 폄 동작을 수행하였다. 신호음은 예측하지 못하도록 검사자가 임의로 시작 버튼을 눌렀으며 신호음의 지속시간은 3초동안 유지하게 하였다.
- 피부저항을 감소시키기 위해 사포로 각질을 제거하였으며 알코올로 닦은 다음 전극에 소량의 근전도용 젤을 발라 해당 근육에 전극을 부착하였다. 스트랩을 이용하여 거치대 위의 손목관절과 전완을 고정하였으며 손가락의 굽힘근과 펴짐근의 보상작용을 막기 위해 손바닥손가락뼈관절(metacarpophalangeal joint)을 가급적 펴지게 하였다. 모니터를 보면서 MP150의 신호음에 따라 손목관절 굽힘 및 폄 동작을 수행하였다.
- 대상자는 신호음이 시작할 때와 소실 될 때 최대로 강하고 빠르게 수축하며 이완하도록 하였다. 실험 전 미리 3회 연습 후 측정하였으며, 측정 자세는 어깨관절(shoulder joint) 45° 굽힘, 팔꿈치관절(elbow joint) 130° 굽힘, 전완을 중립 상태에서 실시하였다. 측정 방법은 굽힘과 폄 동작을 각각 3회씩 무작위로 수행하였고, 피로를 방지하기 위하여 충분한 휴식을 취하였다.
- 요골쪽손목굽힘근(flexor carpi radialis: FCR)과 요골 쪽손목펴짐근(extensor carpi radialis: ECR)의 근수축 개시 및 종료 지연과 주파수분석을 측정하기 위하여 표면근전도 MP150WSW1)와 최대 8개의 근전도 신호를 처리할 수 있는 Bagnoli EMG System2)을 사용하였다. 표면근전도의 전극은 DE-3.
- )을 이용하여 자동으로 구하였다. 중앙주파수 스펙트럼분석(spectral analysis)의 신호 처리 과정은 .5초 동안의 500개 근전도 신호를 FFT 대상 구간(epoch)으로 하여 하나의 MDF를 대표값으로 구하였다. 다음 대상 구간은 첫 구간의 75%인 375개 근전도 신호값이 중첩되도록 하여 이동평균(moving average)을 구하였다.
- 실험 전 미리 3회 연습 후 측정하였으며, 측정 자세는 어깨관절(shoulder joint) 45° 굽힘, 팔꿈치관절(elbow joint) 130° 굽힘, 전완을 중립 상태에서 실시하였다. 측정 방법은 굽힘과 폄 동작을 각각 3회씩 무작위로 수행하였고, 피로를 방지하기 위하여 충분한 휴식을 취하였다.
대상 데이터
- 전완과 손목은 편안하게 지지하고 중립 상태를 유지하면서 손가락이 펴지도록 전완 고정 거치대(forearm based skateboard A406-2)를 사용하였다. 가로 15 ㎝, 세로 46 ㎝, 높이 2.5 ㎝의 플라스틱 재질로 만들어진 거치대는 4개의 스트랩(strap)이 장착되어 전완과 손목 관절을 고정할 수 있게 제작되었다.
- 이상 손목관절의 최대 등척성 수축이 가능한자, 5) 심각한 지각, 인지, 감각 손상이 없는 자, 6) 상지의 팔꿈치와 손목관절에 구축(contracture)이 없는 자, 7) 앉은 자세 균형이 우(good) 등급 이상인 자, 8) 연구자의 지시 내용을 이해하고 따를 수 있는 자였다. 대조군의 선정 조건은 상지에 신경과적, 정형외과적 손상이나 증상이 없는 건강한 성인을 대상으로 하였다. 실험 전 모든 연구 대상자들에게 본 연구의 목적과 방법에 대하여 충분히 설명한 후 자발적인 동의를 얻었다.
- 이중 차등 전극의 배치는 폭 1 ㎜, 길이 10 ㎜의 순은 막대 3개가 10 ㎜ 간격으로 나란히 배열되었으며, 양쪽 끝의 두 개는 활성전극(active electrode), 가운데 하나는 기준전극(reference electrode)으로 하여 이중 차등 앰프에 연결하였다. 또한 1개 채널의 표면근전도 아날로그 신호음과 MP150에서 디지털 신호로 전환된 2개 채널의 아날로그 신호는 개인용 컴퓨터에서 Acqknowledge 3.72 소프트웨어(BIOPAC System Inc., Santa Barbara, U.S.A.)를 이용하여 자료를 수집하였다. 근전도 신호의 표본 추출율(sampling rate)은 1000 ㎐로 설정하였고, 주파수 대역폭(bandwidth)은 Bagnoli EMG System의 측정 주파수 대역 필터인 20～450 ㎐와 60㎐ 노치 필터(notch filter)를 사용하였다.
- 본 연구는 뇌졸중으로 인한 편마비 환자들로 연세대학교 원주기독병원 재활의학과와 신경외과에 입원중인 13명(남 6명, 여 7명)과, 원주시에 거주하는 대조군 성인 7명(남 3명, 여 4명)을 대상으로 실시하였다. 편마비 환자들 중 6명은 우측 편마비였고, 7명은 좌측 편마비였다.
- 분석 대상은 대조군, 건측, 환측의 중앙주파수 평균값을 사용하였다. 측면(side)간의 손목관절 근수축 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 중앙 주파수는 독립적 t-검정을 통해 분석하였으며, 측면내의 손목관절 근수축 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 중앙주파수는 짝비교 t-검정을 통해 분석하였다.
- 손목관절의 최대 등척성 수축을 실시하기 위해 높이 68 ㎝, 폭 84 ㎝, 너비 84 ㎝인 표준형 탁자와 높이가 조절되는 의자를 사용하였다. 요골쪽 손목굽힘근은 상완의 내측과(medial epicondyle) 부분을 확인한 후 대상자에게 손목관절을 구부리게 하여 내측으로 첫 번째 촉지 가능한 근복부(muscle belly) 위에, 요골쪽 손목펴짐근은 대상자의 손목관절을 펴게 한 후 팔꿈치의 외측과(lateral epicondyle)에서 외측으로 5 ㎝ 떨어진 근복부에 근육의 주행방향으로 전극을 부착하였다(Cram 등, 1998).
- 전완과 손목은 편안하게 지지하고 중립 상태를 유지하면서 손가락이 펴지도록 전완 고정 거치대(forearm based skateboard A406-2)를 사용하였다. 가로 15 ㎝, 세로 46 ㎝, 높이 2.
- 을 사용하였다. 표면근전도의 전극은 DE-3.1 이중 차등(double differential) 전극들과 접지전극(ground electrode)을 사용하였다. 이중 차등 전극의 배치는 폭 1 ㎜, 길이 10 ㎜의 순은 막대 3개가 10 ㎜ 간격으로 나란히 배열되었으며, 양쪽 끝의 두 개는 활성전극(active electrode), 가운데 하나는 기준전극(reference electrode)으로 하여 이중 차등 앰프에 연결하였다.
데이터처리
- 개시와 종료의 지연 및 구간 중앙주파수(median frequency: MDF)의 근전도 자료값들은 MatLab 5.3 신호 처리 프로그램(Math Works Inc., MA, U.S.A.)을 이용하여 자동으로 구하였다. 중앙주파수 스펙트럼분석(spectral analysis)의 신호 처리 과정은 .
- 분석 대상은 대조군, 건측, 환측의 중앙주파수 평균값을 사용하였다. 측면(side)간의 손목관절 근수축 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 중앙 주파수는 독립적 t-검정을 통해 분석하였으며, 측면내의 손목관절 근수축 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 중앙주파수는 짝비교 t-검정을 통해 분석하였다. 또한 환자의 FMA 점수와 중앙주파수의 상관성은 스피어맨 순위 상관계수로 계산하였다.
이론/모형
- 전형적으로 뇌졸중의 재활은 강직과 비정상적인 연합운동(synergistic movement)을 감소시키는데 초점이 맞추어졌었다. 그로 인해 치료적인 접근법들은 Brunnstrom(1970)에 의해 제안된 원시반사와 연합반응을 이용한 운동 유발 및 촉진법들을 활용하였으며, Bobath(1978)는 정상적인 움직임 패턴(normal movement pattern)을 촉진하고 기능을 증가시키는 신경발달(neurodevelopment) 원리에 기초한 치료법들을 적용하였다. 그 결과 운동조절(motor control)과 관련하여 강직성 편마비 환자에서 강직이 주된 연구 대상이었지만(Chan, 1986; Chapman과 Wiesendanger, 1982), 최근의 연구들에서는 근력이 움직임을 위한 결정요인으로써 근긴장도(muscle tone)보다 중요하며, 근력을 증가시키는 치료법이 과도한 근긴장도를 감소시키는 치료법보다 적절하다고 하였다(Butefisch 등, 1995).
성능/효과
- 그 결과 편마비 환자의 환측은 건측과 대조군에 비해 손목관절 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수가 유의하게 낮게 나타났으며, 건측과 환측은 손목관절 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시보다 종료 구간의 중앙주파수가 낮게 나타나 유의한 차이가 있었다. FMA는 손목관절의 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수간에 유의한 상관관계를 보였다.
- 그 결과 편마비 환자의 환측은 건측과 대조군에 비해 손목관절 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수가 유의하게 낮게 나타났으며, 건측과 환측은 손목관절 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시보다 종료 구간의 중앙주파수가 낮게 나타나 유의한 차이가 있었다. FMA는 손목관절의 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수간에 유의한 상관관계를 보였다.
- 이것은 근활성을 유지하는 최대의 힘 발생 능력의 감소를 말하며 중앙주파수의 감소를 의미한다(이영희 등, 1994; Gerdle 등, 1991; Riley와 Bilodeau, 2002 Svantesson 등, 1999; Toffola 등, 2001). 따라서 본 연구에서 나타난 종료 구간의 상대적인 주파수 감소는 편마비 환자들이 각각의 동작을 3회씩 반복 수행하면서 최대 등척성 수축을 유지하는 동안 신경근육계의 피로가 발생한 것으로 생각된다.
- 그러나 강직이 있는 뇌졸중 환자에게 점진적인 저항운동(Miller와 Light, 1997)과 등속성 근력강화운동(Sharp와 Brouwer, 1997)을 시행했을 때, 강직과 동시수축의 증가 없이 근력이 증가되었다. 또한 반복적인 근력강화운동은 강직을 증가시키기보다는 오히려 근육에 대한 신경조절 능력을 개선시키고 근육의 신장성(extensibility)을 유지시킴으로써 강직성 뻣뻣함(spastic stiffness)을 감소시켰다. 또한 Duncan과 Badke(1987)는 뇌졸중 환자의 재활치료에 있어서 정상 수준의 능동적인 운동조절을 재확립하는 것이 신장반사의 과도한 감수성을 감소시키는 것보다 더 강조되어야 한다고 주장하였다.
- 근수축 지연과 주파수의 상관분석을 통해 근수축시 운동단위의 활동 상황을 기록하여 각 근육의 수축 시기 및 수축 여부를 알 수 있었으며(Barto 등, 1984; Perry, 1992), 이러한 편마비 환자의 환측 상지에서의 근수축 지연은 운동단위 동원의 약화 때문에 나타났다고 보고하였다(Sahrmann과 Norton, 1977; Yusevich, 1968). 본 연구에서는 FMA와 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수간에는 모든 동작에서 유의한 양의 상관관계가 있었다(p<.05)(표 3). Chae 등(2002)의 연구에서는 운동장애와 신체적 불구의 임상적 평가들을 나타내는 FMA와 상지운동평가검사(Arm Motor Assessment Test: AMAT)가 신호음 3초 동안 지속된 굽힘과 폄 동작에서 개시 및 종료의 지연과 통계학적인 상관관계가 있었다.
- 본 연구에서는 손목관절 굽힘 및 폄 동작에서 편마비의 건측과 환측 모두 종료 구간의 중앙주파수가 감소하여 개시와 종료간의 유의한 차이를 보였다(p<.05)(그림 2). Sahrmann과 Norton(1977)은 일차적인 운동 손상은 근수축 종료 시 주동근 수축의 지연과 지속적인 운동단위 동원의 제한이 나타난다고 하였다.
- 표면근전도의 정확한 측정은 동원된 운동단위의 형태에 대한 생체정보를 제공할 수 있었다(Gerdle 등, 1991; Kupa 등, 1995; Merletti, 1994; Sadoyama 등, 1988; Westbury와 Shaughnessy, 1987). 본 연구에서는 손목관절 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수가 대조군과 건측에서 서로 유의한 차이가 없었으며, 환측은 대조군과 건측에 비해 상대적으로 저주파수 대역에서 나타나 모두 유의한 차이가 있었다(p<.05)(표 2).
- 본 연구의 결과 초기 편마비 환자의 손목에서 근수축 개시 및 종료의 운동단위 동원의 감소 및 상지의 기능장애가 상관성이 있음을 볼 때, 대뇌의 신경학적 손상으로 인한 근섬유 동원의 효율성 저하는 편마비 환자의 상지 근약화에 영향을 주었다고 판단된다. 앞으로 이러한 문제들을 개선할 수 있는 전문적인 치료 접근들을 고안하기 위해 운동조절과 관련된 연구가 필요할 것이다.
- 환측은 대조군과 건측에 비해 손목관절 굽힘과 폄동작에서 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수가 낮게 나타나 유의한 차이를 보였으며(p<.05), 대조군과 건측에서는 서로 유의한 차이가 없었다(표 2).
- 환측의 FMA는 손목관절의 굽힘과 폄 동작에서 근수축 개시 및 종료 구간의 중앙주파수간에도 유의한 상관관계가 있었다(p<.05)(표 3).
후속연구
- 이는 편마비 환자의 손목에서 위상성 수축력의 감소로 인해 근수축의 개시와 종료가 지연되며 운동단위 동원이 감소되어 근약화가 나타남을 추정할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 초기 뇌졸중 환자의 재활시 운동조절과 관련하여 근육의 반응시간을 빠르게 유도하며 운동단위를 선택적으로 동원시킬 수 있는 민첩하고 집중적인 치료전략을 세우는데 필요한 자료로 활용될 것이다.
- 따라서 강직에 덜 영향을 받는 초기 편마비 환자들의 치료는 효과적인 동원 패턴들을 적절히 훈련할 수 있는 빠르고 강한 프로그램들을 집중적으로 적용시켜야 할 것이다(Fredericks와 Saladin, 1996). 또한 초기 편마비 환자의 운동조절 훈련을 통해 위상성 수축을 할 수 있도록 뇌졸중 초기부터 실제적인 치료 적용방법을 연구해야 할 것이다(Gemperline 등, 1995). 앞으로 근수축 개시와 종료를 적절히 제어할 수 있는 운동조절과 연관된 과제지향적(task-oriented) 운동 프로그램이 상지의 기능 향상에 유의한 효과를 보이는지를 검증하는 연구가 필요할 것이다.
- 또한 초기 편마비 환자의 운동조절 훈련을 통해 위상성 수축을 할 수 있도록 뇌졸중 초기부터 실제적인 치료 적용방법을 연구해야 할 것이다(Gemperline 등, 1995). 앞으로 근수축 개시와 종료를 적절히 제어할 수 있는 운동조절과 연관된 과제지향적(task-oriented) 운동 프로그램이 상지의 기능 향상에 유의한 효과를 보이는지를 검증하는 연구가 필요할 것이다.
- 본 연구의 결과 초기 편마비 환자의 손목에서 근수축 개시 및 종료의 운동단위 동원의 감소 및 상지의 기능장애가 상관성이 있음을 볼 때, 대뇌의 신경학적 손상으로 인한 근섬유 동원의 효율성 저하는 편마비 환자의 상지 근약화에 영향을 주었다고 판단된다. 앞으로 이러한 문제들을 개선할 수 있는 전문적인 치료 접근들을 고안하기 위해 운동조절과 관련된 연구가 필요할 것이다.
- 또한 건측의 폄 동작에서 근수축 종료 구간의 주파수 감소는 건측의 근약화를 나타내기 때문에 치료 시 간과해서는 안된다. 특히 강직을 줄이기 위한 치료보다는 저항을 이용한 근력 향상 훈련 외에도 본 연구의 실험방법과 같은 근전도 평가도구를 이용한 반복적인 민첩성 훈련과 근섬유의 수축을 빠르게 동원시킬 수 있는 효율성 향상 프로그램이 필요할 것이다.
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