[논문]자이로센서를 이용한 특발성 파킨슨병 환자와 정상인의 손가락 벌렸다 오므리기 동작의 측정과 비교

김지원; 권유리; 이재호; 엄광문; 권도영; 고성범; 박병규; 홍정화

doi:10.9718/jber.2010.31.3.240

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to compare finger tapping (FT) movement of patients with Parkinson's disease (PD) with normal subjects. A gyrosensor system was used for the measurement of FT movement, because it provides angular velocity free from the gravitational artifact and it can be used during cl...

The purpose of this study is to compare finger tapping (FT) movement of patients with Parkinson's disease (PD) with normal subjects. A gyrosensor system was used for the measurement of FT movement, because it provides angular velocity free from the gravitational artifact and it can be used during clinical FT test listed in unified PD rating scale (UPDRS). Forty PD patients (age: 65.7 ${\pm}$ 11.1 yrs, H&Y stage:2.3 ${\pm}$ 0.5), 14 age-matched elderly subjects (65${\pm}$3.9 yrs) and 17 healthy young subjects (24${\pm}$2.1yrs) participated in this study. Angular velocity of finger tapping movement was measured in both right and left index finger. As quantitative measures, root-mean-squared (RMS) angular velocity, RMS angle, peak power and total power were used. ANOVA showed that all measures were significantly different among three groups (p<0.001) in all quantitative measures. Post-hoc test revealed that all quantitative measures except peak power in patients with PD were significantly smaller than in both healthy elderly and young subjects (p<0.01). This suggests that the measures developed in this study can distinguish patients with PD from normal subjects.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서" 본 연구에서는 파킨슨환자와 정상인들을 대상으로 FT 검사를 실시하였고 기존의 시간영역의 분석 지표 뿐 아니라 주파수영 역의 새로운 분석 지표믈을 산출하여 환자와 정상인의 차이를 비교 분석하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 자이로센서를 기반으로 한 각속도 측정시스템을 개발하여 파킨슨병 환자를 대상으로 시 행하는 UPDRS 운동기능검사 항목 중FT 검사에 대해서 정상인과 환자들을 객관적인 지표로 비교분석하였디..
본 연구팀은 자이로센서를 이용하여 기존의 임상검사와 동시에 간편하게 환자의 각운동을 측정 할 수 있는 각속도 측정시스템을 개발하였다[10]. 이 연구에서는 UPDRS 운동기능검사 항목 중 빠른 손놀림 (rapid alternating movements of hands)검사에 대한 객관적 측정을 통해 파킨슨환자를 위한 임상검사 정 량화의 가능성을 볼 수 있었다.
이 연구에서는 UPDRS 운동기능검사 항목 중 빠른 손놀림 (rapid alternating movements of hands)검사에 대한 객관적 측정을 통해 파킨슨환자를 위한 임상검사 정 량화의 가능성을 볼 수 있었다. 본 시스템이 빠른 손논님항목 이외에도 FT 검사를 정량적으로 평 가할 수 있을 것으로 판단된.

제안 방법

피험자는 즉정방법에 대해 중분히 숙지한 상태에서 약 5초간 연습 후 10초 동안 오른쪽과 왼쪽 각각을 측정하였다. 데이터는 시작과 함께 10초 동안저장된 후 자동 종료가 되도록 하였다.
FT 검 사의 동작에서 검지는 각속도를 측정할 수 있는 기준축 (reference axis) 선정이 용이하고 동작 중 센서 신호의 크기가 엄지보다 상대적으로 커 센서 부착위치로 가장 적당하였다. 따라서, 센서의 삽입위치는 밴드 부착시 검지 말절골 (distal phalanx)에 오도록 하였고, 센서의 기준축은 굴곡/신전 (flexion/extension) 운동의 축과 일치하도록 밴드 내에서 고정하였다
시간영역의 지표로서, 각속도를 제곱평균한 후 루트를 취하여(root mean squared: RMS) RMS 각속도를 산출하였고, 또한, 각, 속도신호의 수치적분(Simpson 3/8 방법)을 통해 얻은 각도의 RMS 각도를 산출하였다. 주파수 영역의 지표로서, 각속도신호의 파워스펙트럼에서 최대파워 (peak power)와 파워스펙트럼의 전체 면적인 전체파워 (total power)를 산출하였다
측정된 데이터는 자이로센서 신호의 드리프트(drift)를 제거하기 위해 1Hz의 차단주파수를 가진 4차 버터워스(Butterworth) 고역통과디지털필터와 전원 잡음 제거를 위해 50Hz의 차단주파수를 가진 4차 버터워스 저역통과 디지털필터를 이용하여 신호처리를 하였다
피험자는 시작 신호와 함께 가능한 빠르고 크게 엄지와 검지를 마주치는 동작을 반복 시행하였다. 피험자는 즉정방법에 대해 중분히 숙지한 상태에서 약 5초간 연습 후 10초 동안 오른쪽과 왼쪽 각각을 측정하였다.
동작을 반복 시행하였다. 피험자는 즉정방법에 대해 중분히 숙지한 상태에서 약 5초간 연습 후 10초 동안 오른쪽과 왼쪽 각각을 측정하였다. 데이터는 시작과 함께 10초 동안저장된 후 자동 종료가 되도록 하였다.

대상 데이터

고려 대학교 안암병원과 구로병원에서 Hoehn and Yahr (H&Y) stage 1~3 인 특발성 (idiopathic) 파킨슨병 환자 40명을 대상으로 실험을 실시하였다 (표 1). 뇌진탕 (head trauma), 뇌졸중 (stroke)와 같은 다른 질환의 병력이 있는 환자, 뇌의 MRI 소견상 구조적인 장애나 수두증 (hydrocephalus)이 있는 환자 등 배제 기준(exclusion criteria)에 해당되는 환자는 실험에서 배제하였다.
뇌진탕 (head trauma), 뇌졸중 (stroke)와 같은 다른 질환의 병력이 있는 환자, 뇌의 MRI 소견상 구조적인 장애나 수두증 (hydrocephalus)이 있는 환자 등 배제 기준(exclusion criteria)에 해당되는 환자는 실험에서 배제하였다. 정상인으로서, 근골격 및 신경계 질환이 없는31명 (젊은성인 17명, 고령자 대조군 14명)의 정상인이 본 연구에 참여하였다 (표 1). 모든 피험자는 실험에 사전 동의하였으며, 본 연구는 임상 윤리위원회의 승인을 받았다.

데이터처리

시간영역의 지표로서, 각속도를 제곱평균한 후 루트를 취하여(root mean squared: RMS) RMS 각속도를 산출하였고, 또한, 각, 속도신호의 수치적분(Simpson 3/8 방법)을 통해 얻은 각도의 RMS 각도를 산출하였다. 주파수 영역의 지표로서, 각속도신호의 파워스펙트럼에서 최대파워 (peak power)와 파워스펙트럼의 전체 면적인 전체파워 (total power)를 산출하였다
통계 분석으로서, 각 분석지표의 피험자그룹간의 차이를 변량 분석 (Analysis of variance: ANOVA)을 이용하여 분석하였고, 사후검증 (post hoc test)으로서 Tukey 검증을 실시하였다 반복 비교(multiplecomparison)를고려하여 통계적 유의도는0.01 로 설정하였다.

이론/모형

분석 지표로서 시간 영역 분석과 주파수 영역 분석을 사용하였다. 시간영역의 지표로서, 각속도를 제곱평균한 후 루트를 취하여(root mean squared: RMS) RMS 각속도를 산출하였고, 또한, 각, 속도신호의 수치적분(Simpson 3/8 방법)을 통해 얻은 각도의 RMS 각도를 산출하였다.
0, National instruments)가 사용되었다. 분석지표 산출을 위해 매트랩 (MATLAB 6.5, Mathworks)이 이용되었다[10].

성능/효과

쉽게 탈부착이 가능한 밴드에 삽입 하였다. FT 검 사의 동작에서 검지는 각속도를 측정할 수 있는 기준축 (reference axis) 선정이 용이하고 동작 중 센서 신호의 크기가 엄지보다 상대적으로 커 센서 부착위치로 가장 적당하였다. 따라서, 센서의 삽입위치는 밴드 부착시 검지 말절골 (distal phalanx)에 오도록 하였고, 센서의 기준축은 굴곡/신전 (flexion/extension) 운동의 축과 일치하도록 밴드 내에서 고정하였다
RMS각속도, 최대파워 그리고 전체파워는젊은 성인에 비해 고령자대조군에서 유의하게 작았으므로 (p<0.01), 연령에 따른 동작능력의 저하도 표현할 수 있음을 알 수 있었다.
. RMS각속도와 전체파워는 환자와 고령자 대조군 및 젊은성인 모든그룹간의 유의한차이를 보였다. 이로부터, 본연구의 시스템은 파킨슨환자의 운동 완서증을 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 제안된다.
본 연구에서는 FT 검사의 객관적 분석지표가 환자와 고령자대조군 및 젊은성인 간에 현저한 차이가 있음을 밝힘으로써, 환자와 정상인의 정량적인 구별이 가능함을 보였다는 점에서 의의가 크다. 보다 많은 환자들의 임상 데이터와 정량적으로 산출된 분석지표틀을 이용하여 인공신경 망 (neural network) 과 같은 진단시스템을 구현한다면, 파킨슨환자의 임상 진단에 보다 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기 대된디, .
001). 사후검증 결과, 최대파워를 제외한 모든 분석지표는 환자군에서 고령자대조군 및 젊은 성인보다 작았다 (p<0.001). 이것은본시스템을 이용하여 산출된 분석지표들이 대조군에 비해 움직임이 느린 파킨슨환자의 임상적 특징을 표현할 수 있음을 의미 한다.

후속연구

또한' 환자의 최 대파워 가 매우 작았던 것은 전체 주파수 영역의 파워값의 총합이 고령자에 비해 현저히 낮다는 것을 의미한다.따라서’ 본 연구의 유용 지표들을 레이더 도표 (radar chart) 와같은 디스플레이 방식으로 임상의에 객관적인 자료를 제공한다면 다양한 관점에서 환자를 진단하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
4kg) 임상의가 평소 사용하는 진료실 뿐 아니라 내원한 환자들의 병동에서도 휴대용으로 쉽게 사용할 수 있어서 임상적 효용성이 매우 높을 것으로 기대된다. 또힌; 간단한 측정만으로 시간영역의 분석지표와 주파수 영역의 분석지표등 다양한정보를산출 할 수 있고 앞으로도 환자의 다양한 임상적 특징에 맞는 추가 분석 지표들의 개발도 가능할 것이다.
보다 많은 환자들의 임상 데이터와 정량적으로 산출된 분석지표틀을 이용하여 인공신경 망 (neural network) 과 같은 진단시스템을 구현한다면, 파킨슨환자의 임상 진단에 보다 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기 대된디, .
이 연구에서는 UPDRS 운동기능검사 항목 중 빠른 손놀림 (rapid alternating movements of hands)검사에 대한 객관적 측정을 통해 파킨슨환자를 위한 임상검사 정 량화의 가능성을 볼 수 있었다. 본 시스템이 빠른 손논님항목 이외에도 FT 검사를 정량적으로 평 가할 수 있을 것으로 판단된.다.
RMS각속도와 전체파워는 환자와 고령자 대조군 및 젊은성인 모든그룹간의 유의한차이를 보였다. 이로부터, 본연구의 시스템은 파킨슨환자의 운동 완서증을 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 제안된다.
자이로센서를 이용한 본 시스템은; 별도의 검사동작 및 실험세팅이 필요없이 기존 FT 검사와 동시에 측정이 가능히고, 소요비용이 적고 시스템의 본체가 작고 가볍기 때문에 (14x15x5 cm, 0.4kg) 임상의가 평소 사용하는 진료실 뿐 아니라 내원한 환자들의 병동에서도 휴대용으로 쉽게 사용할 수 있어서 임상적 효용성이 매우 높을 것으로 기대된다. 또힌; 간단한 측정만으로 시간영역의 분석지표와 주파수 영역의 분석지표등 다양한정보를산출 할 수 있고 앞으로도 환자의 다양한 임상적 특징에 맞는 추가 분석 지표들의 개발도 가능할 것이다.

참고문헌 (10)

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J.W. KIM, et al., "Measurement of Angular Velocity of Forearm Pronation/Supination Movement for the Quantification of the Bradykinesia in Idiopathic Parkinson's Disease Patients", J. Biomed. Eng. Res, vol.30. pp.142-146, 2009.

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