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문제 정의
- 본 연구에서는 F-Scan(Tekscan. USA)16 하드웨어 시스템과 Software Development Kit(SDK)를 이용하여 족저압을 실시간으로 측정 및 처리하여 훈련하는 동안에 환자의 훈련 상태를 즉시 알 수 있도록 피드백이 가능한 시스템을 개발하여 뇌졸중 후 편마비 환자 2 명을 대상으로 예비 실험을 시행하여 시스템이 이용 가능한지 알아보고자 하였다.
- 본 연구진은 족저압 측정을 통해 체중이동 정도를 실시간으로 측정하고 이를 환자에게 바이오 피드백을 주어 보폭 비대칭을 개선하고자 훈련 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 뇌졸중으로 인한 보폭 비대칭을 보이는 환자 2 명을 대상으로 한 예비실험으로 6 주동안 훈련을 수행한 결과, 두 환자 모두 체중 이동 정도와 SLR 이 훈련 전에 비하여 개선되었다.
- 보행 모방 훈련을 통해 환자가 환측에 충분히 체중을 실을 수 있다면 보폭 비대칭이 호전되어 편마비 환자의 비정상적인 보행 양상을 개선할 수 있으리라 생각된다. 이러한 개념을 기초로 본 연구에서는 환자가 환측 발 앞쪽에 체중을 충분히 실을 수 있도록 환측 Center of pressure(COP)를 발뒤꿈치에서 발가락으로 옮기도록 유도하는 바이오 피드백 훈련 시스템을 개발하고 그를 검증하고자 하였다.
- 그러나 기존의 연구 들은 정적으로 서 있는 자세에서 체중의 이동을 유도하거나 보행 동안의 체중 지지를 피드백하여 보행 시 체중의 이동이 일어나는 시기인 양하지 지지기(double supporting phase) 때의 체중 이동에 별다른 피드백을 줄 수 없다는 단점이 있다. 이에 본 연구는 운동을 보조하는 Actuator 가 없는 상태에서 걷는 자세를 모방하는 훈련을 통해 편마비 환자의 보폭 비대칭을 감소시키는데 초점을 맞추었다.
제안 방법
- 훈련 기간 중 훈련 직전에 환자의 체중 이동 정도를 반영하는 COP trajectory 와 forefoot pressure 의 변화를 매주 측정하였다. COP trajectory 는 체중 이동 훈련 자세에서 최대한 몸을 전방으로 이동 시 전체발길이 대비 뒤꿈치로부터의 최대 COP 위치(%)로 정하였고, forefoot pressure 는 체중 이동 훈련 자세에서 최대한 몸을 전방으로 이동 시 전체 족저압 대비 전방 1/3 의 족저압 비율로 정하여 측정하였다. 또한 F-scan 을 이용하여 훈련 전후의 독립적인 보행 시 각 보행 시기 별 COP 위치를 측정하였고, 3 차원 동작분석기인 VICON Nexus 시스템 (Vicon Motion Systems, UK)을 이용하여 훈련 전후의 시공간적 지표(temporo-spatial parameter) 및 SLR 을구하여 보행능력 변화를 비교하였다.
- 또한 F-scan 을 이용하여 훈련 전후의 독립적인 보행 시 각 보행 시기 별 COP 위치를 측정하였고, 3 차원 동작분석기인 VICON Nexus 시스템 (Vicon Motion Systems, UK)을 이용하여 훈련 전후의 시공간적 지표(temporo-spatial parameter) 및 SLR 을구하여 보행능력 변화를 비교하였다. SLR 은 환측의 보폭을 건측의 보폭으로 나누어 구하였다.
- 대상자는 하루에 한 번 20 분 동안 훈련을 수행하였고, 일주일에 3 번씩 총 6 주 훈련을 수행하였다. 환자가 훈련 할 때마다 훈련 직전 훈련자세를 10 번 수행하여 개발된 프로그램을 통하여 체중 이동 정도를 평균 낸 후, 그 값에 5%를 더하여 목표치로 설정하였다.
- 두 번째로, 측정 시 구한 발의 접촉범위를 길이방향으로 3 등분하여 환측의 전체 압력의 62%(정상 인의 평균 최대 압력 도달 수치) 대비 발 앞쪽의 압력 비율을 산출하여 체중의 이동 정도를 판단하는 방법을 이용하였다. 두 방법 모두 수치가 100%에 가까울수록 정상인과 비슷한 체중 이동 능력에 도달했다고 말할 수 있다.
- COP trajectory 는 체중 이동 훈련 자세에서 최대한 몸을 전방으로 이동 시 전체발길이 대비 뒤꿈치로부터의 최대 COP 위치(%)로 정하였고, forefoot pressure 는 체중 이동 훈련 자세에서 최대한 몸을 전방으로 이동 시 전체 족저압 대비 전방 1/3 의 족저압 비율로 정하여 측정하였다. 또한 F-scan 을 이용하여 훈련 전후의 독립적인 보행 시 각 보행 시기 별 COP 위치를 측정하였고, 3 차원 동작분석기인 VICON Nexus 시스템 (Vicon Motion Systems, UK)을 이용하여 훈련 전후의 시공간적 지표(temporo-spatial parameter) 및 SLR 을구하여 보행능력 변화를 비교하였다. SLR 은 환측의 보폭을 건측의 보폭으로 나누어 구하였다.
- 환자가 훈련을 수행할 때 훈련에 더 매진할 동기를 부여하기 위해 환자의 체중 이동 정도에 따라 이해하기 쉬운 시각적 피드백을 제공하였다. 막대그래프의 색깔 채움 정도를 통해 환자의 체중 이동 정도를 실시간으로 보여주고, 한 단위의 훈련 동작이 끝났을 때 환자가 도달한 최대 체중 이동 정도를 화면에 표시하도록 개발하였다(Fig. 6).
- 이 집단의 경우 위와 같은 자세에서 환측의 발 뒤꿈치로부터 최대 COP 위치의 길이가 발길이의 76% 수준이었으며, 발의 전체 압력 대비 발 앞쪽의 최대 압력은 62% 수준으로 측정되었다. 이를 100% 수준으로 하여 환자의 체중 이동 정도를 평가하였다.
- 첫 번째로, 환측 COP 와 사전 측정을 통해 얻은 뒤꿈치의 위치 사이의 y 축 방향 길이를 구하여 발길이의 76%(정상인의 평균 최대 COP 도달수치) 대비 몇 % 정도 이동하 였는지를 판단하는 방법을 이용하였다.
- 환자의 훈련 동작 횟수를 세고 매 훈련 동작이 끝났을 때를 정확히 파악하기 위해 건측 매트릭스를 분석하여 훈련 동작의 단위를 구분하도록 개발하였다. 측정 모드에서 구한 건측 발의 지면 접촉범위를 3등분하여 뒤꿈치에 해당하는 부분에 가해지는 압력 칸의 개수를 세어 뒤꿈치가 떨어졌을 때와 지면에 닿았을 때를 판단하도록 하였다. 뒤꿈치가 떨어진 상태와 지면에 닿은 상태의 뒤꿈치 부분의 압력 칸의 개수가 확연히 다른 것을 알 수 있었다.
- 두 방법 모두 수치가 100%에 가까울수록 정상인과 비슷한 체중 이동 능력에 도달했다고 말할 수 있다. 측정 할 때에는 두 방법을 모두 사용할 수 있도록 하였고, 훈련 할 때에는 치료사가 둘 중 하나를 선택하여 훈련할 수 있도록 하였다.
- 측정 단계에서는 환자의 훈련 상태 평가를 위한 정보를 수집하고 그것을 처리하여 평가에 반영할 수 있도록 한다. 측정을 실행하면 먼저 5초 간 가만히 선 상태에서 발길이와 접촉범위, 뒤꿈치의 위치를 얻어낸 후 10회 정도 훈련 동작을 수행한다. 화면에는 환자의 상태가 실시간으로 막대 그래프 형태로 그려진다.
- 프로그램에서 수행되는 체중 이동에 대한 모든 평가는 훈련 전 측정하는 건측의 최대 접촉 면적과 그것에서 산출된 발 길이를 기준으로 진행된다. 환자가 훈련 자세를 취한 채로 서 있을 때 프로그램은 건측 매트릭스에서 의미 있는 값을 가지는 첫행(발가락)과 마지막 행(뒤꿈치)을 알아내어 그사이를 발의 접촉 범위로 설정하였다. 건측을 기준으로 한 이유는 편마비 환자는 환측에 체중을 잘 싣지 못하여 센서가 발의 정보를 충분히 받을 수 있을 만큼 압력이 측정되지 않아 정확한 기준 선정에 어려움이 있지만, 그에 비해 건측은 상대적으로 체중이 많이 실려있으므로 센서가 힘을 충분히 받아 비교적 정확한 발 모양을 입력 받을 수 있기 때문이다(Fig.
- 대상자는 하루에 한 번 20 분 동안 훈련을 수행하였고, 일주일에 3 번씩 총 6 주 훈련을 수행하였다. 환자가 훈련 할 때마다 훈련 직전 훈련자세를 10 번 수행하여 개발된 프로그램을 통하여 체중 이동 정도를 평균 낸 후, 그 값에 5%를 더하여 목표치로 설정하였다. 10 분 동안 훈련을 수행한 후에는 5 분 동안의 휴식 후 이 과정을 한번 더 반복하여 하루 훈련을 하였다(Fig.
- 환자가 훈련을 수행할 때 훈련에 더 매진할 동기를 부여하기 위해 환자의 체중 이동 정도에 따라 이해하기 쉬운 시각적 피드백을 제공하였다. 막대그래프의 색깔 채움 정도를 통해 환자의 체중 이동 정도를 실시간으로 보여주고, 한 단위의 훈련 동작이 끝났을 때 환자가 도달한 최대 체중 이동 정도를 화면에 표시하도록 개발하였다(Fig.
- 환자의 훈련 동작 횟수를 세고 매 훈련 동작이 끝났을 때를 정확히 파악하기 위해 건측 매트릭스를 분석하여 훈련 동작의 단위를 구분하도록 개발하였다. 측정 모드에서 구한 건측 발의 지면 접촉범위를 3등분하여 뒤꿈치에 해당하는 부분에 가해지는 압력 칸의 개수를 세어 뒤꿈치가 떨어졌을 때와 지면에 닿았을 때를 판단하도록 하였다.
- 훈련 기간 중 훈련 직전에 환자의 체중 이동 정도를 반영하는 COP trajectory 와 forefoot pressure 의 변화를 매주 측정하였다. COP trajectory 는 체중 이동 훈련 자세에서 최대한 몸을 전방으로 이동 시 전체발길이 대비 뒤꿈치로부터의 최대 COP 위치(%)로 정하였고, forefoot pressure 는 체중 이동 훈련 자세에서 최대한 몸을 전방으로 이동 시 전체 족저압 대비 전방 1/3 의 족저압 비율로 정하여 측정하였다.
- 이 자세를 몇 초 동안 유지한 후 천천히 몸을 뒤로 움직여 처음 자세로 되돌아온다. 훈련 기준을 정하기 위해 보폭에 비대칭이 생기지 않는 정상인 남녀 10 명을 대상으로 훈련을 수행해 최대 체중 이동 정도를 평균을 내어 환자의 훈련 평가에 반영하였다. 실험 대상자들은 남자 6 명, 여자 4 명이었으며 평균 신장은 168.
- 환자가 훈련 동작을 한 번 수행하고 나면 그때 달성한 최대 체중 이동 정도가 화면에 실시간으로 표시되어 훈련 동작이 끝날 때 마다 환자가 얼마나 목표를 달성했는지 쉽게 알 수 있다. 훈련 전체를 마친 후에는 환자가 매 회 훈련 동작을 수행할 때마다 달성한 최고 체중 이동 정도와 목표에 달성한 횟수, 평균 체중 이동 정도, 목표 달성률 등을 Excel 프로그램에서 읽을 수 있는 CSV 파일 포맷으로 기록하여 하드디스크에 저장하도록 개발하였다.
대상 데이터
- F-Scan 의 깔창 센서를 사용하여 양 발의 접촉 압력을 각각 unsigned character 60*21 매트릭스로 읽어 들여 측정 및 평가에 사용하였다. 환측 압력은 환자의 체중 이동 정도(COP trajectory, forefoot pressure analysis)를 평가하는데 사용하였고 건측 압력은 환자의 신체 정보 (접촉 범위, 뒤꿈치의 위치 등)를 획득하고 훈련 동작을 구분하는 용도로 사용하였다.
- 이들은 뇌졸중 이외에 다른 정형외과적, 신경외과적 질환이 없고, 과거에 뇌졸중이 발생한 적이 없으며 모두 연구를 위한 정보 제공에 동의하였다. 대상자 1 은 29 세 남자로 진단명은 기저핵 출혈로 인한 좌측 편마비, Fugl-Meyer Motor Assessment Scale 하지 점수는 34 점 만점에 17 점, Functional Ambulatory Category 는 5 점으로 실내뿐만 아니라 실외에서도 보행이 가능한 상태였다. 대상자 2 는 42 세 여자 환자로 진단명은 시상출혈로 인한 우측 편마비, Fugl-Meyer Motor Assessment Scale 하지 점수는 34 점 만점에 14 점, Functional Ambulatory Category 는 3 점으로 실내에서 타인의 도움 없이 10 m 정도 보행이 가능한 상태였다.
- 대상자 1 은 29 세 남자로 진단명은 기저핵 출혈로 인한 좌측 편마비, Fugl-Meyer Motor Assessment Scale 하지 점수는 34 점 만점에 17 점, Functional Ambulatory Category 는 5 점으로 실내뿐만 아니라 실외에서도 보행이 가능한 상태였다. 대상자 2 는 42 세 여자 환자로 진단명은 시상출혈로 인한 우측 편마비, Fugl-Meyer Motor Assessment Scale 하지 점수는 34 점 만점에 14 점, Functional Ambulatory Category 는 3 점으로 실내에서 타인의 도움 없이 10 m 정도 보행이 가능한 상태였다. 본 연구진은 환자의 정보를 윤리적으로 사용하였다.
- 세브란스 병원 재활의학과에 입원하고 있는 뇌졸중으로 인한 편마비 환자 2 명을 대상으로 하였다. 대상자 모두 다른 사람이나 기구의 도움 없이 혼자 서있을 수 있고, 10 m 이상 독립적인 보행이 가능하였으나, SLR 이 1.
- 실험 대상자들은 남자 6 명, 여자 4 명이었으며 평균 신장은 168.70±9.45 cm, 평균 몸무게는 65.00±13.98 kg, 평균 나이는 28.20±1.81 세, 평균 Step length ratio(SLR)는 1.05±0.05 이었다.
이론/모형
- 족압 측정용으로 F-Scan 을 사용하였다(Fig. 2). FScan 은 부드러운 소재의 깔창 센서를 사용하여 신발에 맞게 잘라서 넣을 수 있도록 되어있다.
- F-Scan 의 깔창 센서를 사용하여 양 발의 접촉 압력을 각각 unsigned character 60*21 매트릭스로 읽어 들여 측정 및 평가에 사용하였다. 환측 압력은 환자의 체중 이동 정도(COP trajectory, forefoot pressure analysis)를 평가하는데 사용하였고 건측 압력은 환자의 신체 정보 (접촉 범위, 뒤꿈치의 위치 등)를 획득하고 훈련 동작을 구분하는 용도로 사용하였다.
성능/효과
- 3 차원 동작 분석기를 이용하여 훈련 전후의 시공간적인 지표를 비교하면, 보행 속도(walking speed)는 대상자 1 은 0.54 m/sec 에서 0.56 m/sec 로 4%정도 향상되었고, 대상자 2 는 0.12 m/sec 에서 0.14 m/sec 로 17%정도 향상되어 대상자 모두 향상되었으나, 분속수(cadence) 및 보폭은 대상자 간에 일정한 변화를 보이지 않았다.
- 두 번째로, 측정 시 구한 발의 접촉범위를 길이방향으로 3 등분하여 환측의 전체 압력의 62%(정상 인의 평균 최대 압력 도달 수치) 대비 발 앞쪽의 압력 비율을 산출하여 체중의 이동 정도를 판단하는 방법을 이용하였다. 두 방법 모두 수치가 100%에 가까울수록 정상인과 비슷한 체중 이동 능력에 도달했다고 말할 수 있다. 측정 할 때에는 두 방법을 모두 사용할 수 있도록 하였고, 훈련 할 때에는 치료사가 둘 중 하나를 선택하여 훈련할 수 있도록 하였다.
- 두 환자 모두 체중 이동 능력과 SLR 이 개선되어 정상 수치에 가까워 졌음을 알 수 있었다. 대상자들은 각자의 근력과 강직의 정도, 균형 능력에 따라 훈련을 수행하는데 어려움을 호소하는 정도는 조금씩 달랐으나, 공통적으로 처음 훈련 시작 시 환측 발을 앞에 두고 건측 발을 뒤에 둔 상태에 서서 있는 것과 몸을 앞으로 이동시키면서 균형을 잡는 것을 어려워하였다.
- 본 연구진은 족저압 측정을 통해 체중이동 정도를 실시간으로 측정하고 이를 환자에게 바이오 피드백을 주어 보폭 비대칭을 개선하고자 훈련 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 뇌졸중으로 인한 보폭 비대칭을 보이는 환자 2 명을 대상으로 한 예비실험으로 6 주동안 훈련을 수행한 결과, 두 환자 모두 체중 이동 정도와 SLR 이 훈련 전에 비하여 개선되었다. 이를 근거로 추후 본 연구진이 개발한 훈련 시스템의 원리를 이용하면 편마비 환자의 보폭 비대칭 정도의 개선을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
- 29%로 약 6 ~ 9%정도 증가되었다. 전체 족저압 대비 전방 족저압 비율인 forefoot pressure 는 대상자 1 은 21.87% 에서 25.35%로 약 16%정도 증가되었고, 대상자 2 는 20.65%에서 27.42%로 약 33% 증가되어, 대상자모두에서 COP trajectory 및 forefoot pressure 가 향상 되어 훈련을 통해 전방으로 체중 이동이 가능함을 알 수 있었다(Fig. 8).
- 단하지 지기기 기간 (single support time)은 대상자 1, 2 모두에서 훈련 전에 비해 훈련 후 각각 약 5%, 29% 길어졌다. 하지만 양하지 지지기 기간은 대상자 1 에서는 큰 차이를 보이지 않았으나, 대상자 2 는 훈련 전에 비해 감소되어 향상되었음을 알 수 있었다(Table 2).
- 환자가 훈련을 수행할 때 환측 무릎을 편 상태에서 몸을 앞으로 움직여 경골이 앞으로 전진하면서 체중 이동 정도를 증가시켜야 하는데, 간헐적으로 무릎을 굽히거나 발 앞 쪽에 힘을 주어 목표치에 도달하려는 경향을 보였다. 그리고 환자가 목표에 도달하는 것에만 집중하여 본인이 균형을 유지하면서 몸을 앞으로 이동시켜야 했는데도 치료사를 의지하면서 과도하게 몸을 앞으로 숙여 넘어지는 상황도 발생하였다.
- 환자들의 매주 체중 이동 정도를 비교해 보았을 때 주마다 차이를 보이지만, 대상자 1 의 COP trajectory 는 훈련 전 49.92%에서 54.52%로 약 9% 증가되었고, 대상자 2 는 41.84%에서 46.29%로 약 6 ~ 9%정도 증가되었다.
- 훈련 전후 환측 하지의 COP 위치의 변화를 보면 대상자 1, 2 모두에서 환측 하지의 초기 접지기 (initial contact), 건측 하지의 뒷꿈치떼기 시기 (opposite limb toe-off), 건측 하지의 초기 접지기 (opposite limb initial contact) 및 환측 하지의 뒷꿈치떼기(toe-off) 시기에서 COP 위치가 모두 증가되어 독립적인 보행하는 동안 체중이 전방으로 이동되었음을 알 수 있었다(Table 1).
후속연구
- 이를 근거로 추후 본 연구진이 개발한 훈련 시스템의 원리를 이용하면 편마비 환자의 보폭 비대칭 정도의 개선을 기대할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 더 효과적인 훈련을 위해서는 환자가 올바른 자세로 훈련하는지를 판단하고 또한 올바른 자세로 훈련하게끔 유도하는 기능을 포함시키는 것이 필요할 것으로 사료된다.
- 그리고 그래프의 색깔을 끝까지 채워야 한다는 것이 오히려 환자에게 지나친 부담으로 작용해 목표 의식 제공이 부족할 수 있다고 사료된다. 따라서 환자가 훈련하는 동안 성취도에 따라 칭찬이나 격려하는 내용의 청각적인 효과와 게임 요소 같은 시각적인 효과를 제공하는 등 감각적인 피드백을 제공함으로써 환자가 흥미를 갖고 훈련에 집중할 수 있도록 유도할 필요가 있으리라 생각된다.
- 이 시스템을 뇌졸중으로 인한 보폭 비대칭을 보이는 환자 2 명을 대상으로 한 예비실험으로 6 주동안 훈련을 수행한 결과, 두 환자 모두 체중 이동 정도와 SLR 이 훈련 전에 비하여 개선되었다. 이를 근거로 추후 본 연구진이 개발한 훈련 시스템의 원리를 이용하면 편마비 환자의 보폭 비대칭 정도의 개선을 기대할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 더 효과적인 훈련을 위해서는 환자가 올바른 자세로 훈련하는지를 판단하고 또한 올바른 자세로 훈련하게끔 유도하는 기능을 포함시키는 것이 필요할 것으로 사료된다.
- 환자가 올바른 자세로 훈련할 수 있도록 모션 트래커와 영상 처리, 다양한 게임 시스템 등을 적용하여 보다 개선된 훈련 프로그램을 개발할 예정이며, 기존보다 많은 환자를 대상으로 계속적인 실험을 진행할 계획이다.
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