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문제 정의
- 이는 설치하기 위한 초기 비용이 높고 큰 공간을 차지하며 트레드밀 이라는 제한된 환경에서만 보행 훈련이 가능하다. 본 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 트레드밀과 리프트가 구비된 기존의 재활 병원 및 가정에서 바로 적용 가능한 보행 재활 훈련용 하지 착용형 외골격 로봇(WA-H, Walking Assist for Hemiplegia)을 개발하였다. 이렇게 트레드밀과 리프트가 분리된 시스템은 앞서 말한 일체형 시스템에 비해 비교적 적은 비용으로 시스템을 도입할 수 있으며, 환자의 질환 정도에 따라 평지나 야외 환경과 같은 다양한 환경에서의 보행 훈련을 제공할 수 있다.
제안 방법
- 12주간의 훈련이 끝난 이후 보행 평가 지표를 처음의 것과 비교해 보았다. A환자는 6 min walking test에서 1차 평가 때 420m를 걷고 4차 평가 때 485m 를 보행하여 보행 거리가 80m 증가하는 결과를 보였다.
- 2주차부터는 트레드밀 위에서 훈련을 진행하였다. 2주차때는 S1궤적을 마비측에 사용하여 훈련하였으며 한 주 마다 1단계씩 7주차까지 증가시켰다. 훈련 시작 5분간은 1.
- WA-H를 사용한 보행 훈련의 효과를 확인하기 위한 실험 절차를 수립하였다. 실험 대상자는 12주 동안 일주일에 3일씩 하루 45분의 훈련을 진행하여 총 27시간의 보행 훈련을 받았다.
- 평가가 진행되는 날에는 훈련은 실시하지 않았다. 각 평가 마다 신경학적 검사 및 하지 기능 검사, 보행 분석을 실시하였으며 훈련 전, 6주 훈련 후, 12주 훈련 후, 훈련 종료 후 12주 후 총 4번 진행하였다. 훈련 효과 평가를 위해 보행분석기를 통한 보속, 분속, 보폭 등 보행지표, 각 관절의 운동학, 운동역학적 데이터, self selected gait speed, 신경학적 검사, 하지 기능 검사, 신체 계측 정보 등을 평가변수로 사용하였다.
- 따라서 WA-H는 착용자의 시상면에서의 슬관절과 고관절의 움직임을 도울 수 있도록 구동기를 사용하였다. 또한 보행 시 무게중심 이동을 위해 관상면 상에서 일어나는 인체의 고관절 움직임을 모사할 수 있도록 수동형 관절을 사용하였으며 고관절의 위치를 착용자의 관절에 맞출 수 있도록 위치 조절 메커니즘을 설계하였다. 발목 관절은 시상면 상의 인체 움직임을 모사할 수 있는 1자유도 수동형 관절을 설계하였으며 족하수 방지를 위해 스프링을 사용하여 배측 굴곡을 도울 수 있도록 설계하였다.
- 정상측은 각 구동부의 마찰력을 보상해주어 착용자의 움직임에 로봇이 방해하지 않도록 제어하였다. 또한 보행을 지원할 수 있도록 Assist 알고리즘을 구축하여 보행을 도울 수 있도록 하였다. 마비측은 모델 보상 이후 PD 제어기를 구축하여 미리 입력된 보행 궤적을 추종할 수 있도록 제어 하였다.
- 또한 보행을 지원할 수 있도록 Assist 알고리즘을 구축하여 보행을 도울 수 있도록 하였다. 마비측은 모델 보상 이후 PD 제어기를 구축하여 미리 입력된 보행 궤적을 추종할 수 있도록 제어 하였다. 목표 궤적의 재생 시간은 보행 속도에 맞추어 조절할 수 있도록 하였다.
- 발목 관절은 시상면 상의 인체 움직임을 모사할 수 있는 1자유도 수동형 관절을 설계하였으며 족하수 방지를 위해 스프링을 사용하여 배측 굴곡을 도울 수 있도록 설계하였다. 모든 관절은 신체의 한계 구동범위 이상 동작되는 것을 방지하기 위해 움직임이 제한되도록 설계하였다. 허리 체결부는 기존 의료용 보조기에 사용되는 맞춤형 허리 체결부를 사용하였으며, 허벅지와 종아리 부분의 체결은 상용 보조기를 사용하였다.
- 마비측은 모델 보상 이후 PD 제어기를 구축하여 미리 입력된 보행 궤적을 추종할 수 있도록 제어 하였다. 목표 궤적의 재생 시간은 보행 속도에 맞추어 조절할 수 있도록 하였다. 또한 목표 궤적은 정상측 다리에서 Heel strike가 일어날 때 재생되며, 정상측 Heel strike는 인솔센서를 통해 감지하였다.
- 또한 보행 시 무게중심 이동을 위해 관상면 상에서 일어나는 인체의 고관절 움직임을 모사할 수 있도록 수동형 관절을 사용하였으며 고관절의 위치를 착용자의 관절에 맞출 수 있도록 위치 조절 메커니즘을 설계하였다. 발목 관절은 시상면 상의 인체 움직임을 모사할 수 있는 1자유도 수동형 관절을 설계하였으며 족하수 방지를 위해 스프링을 사용하여 배측 굴곡을 도울 수 있도록 설계하였다. 모든 관절은 신체의 한계 구동범위 이상 동작되는 것을 방지하기 위해 움직임이 제한되도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 WA-H를 사용한 편마비 환자의 보행 재활 훈련 방법을 제시하고, 제시된 방법을 2명의 편마비 환자에게 적용하여 훈련 효과를 확인하였다.
- 본 논문에서는 편마비 환자의 보행 훈련을 위한 하지 착용형 외골격 로봇 WA-H를 사용하여 2명의 편마비 환자에게 실제 적용 테스트를 하였다. 12주간의 훈련 끝에 두 환자 모두 보행 능력이 개선되었다.
- 훈련 효과 평가를 위해 보행분석기를 통한 보속, 분속, 보폭 등 보행지표, 각 관절의 운동학, 운동역학적 데이터, self selected gait speed, 신경학적 검사, 하지 기능 검사, 신체 계측 정보 등을 평가변수로 사용하였다. 신경학적 검사는 dynamometer를 사용하여 근력을 측정하였으며 관절 가동역 검사, 경직도 검사, 심부건 반사, 병적반사, Fugl-Meyer score를 사용한 하지 기능 평가, Modified Ashworth Scale를 이용한 이환측 경직 평가 등을 실시하였다. 하지 기능 검사로는 TUGT (Time Up and Go Test)및 SPPB (Short Physical Performance Battery)등 정적 및 동적 균형검사를 실시하였다.
- WA-H를 사용한 보행 훈련의 효과를 확인하기 위한 실험 절차를 수립하였다. 실험 대상자는 12주 동안 일주일에 3일씩 하루 45분의 훈련을 진행하여 총 27시간의 보행 훈련을 받았다. 매 주 훈련을 위해 사용된 목표 궤적은 Fig.
- WA-H는 마비측과 정상측을 다른 방식으로 제어된다. 정상측은 각 구동부의 마찰력을 보상해주어 착용자의 움직임에 로봇이 방해하지 않도록 제어하였다. 또한 보행을 지원할 수 있도록 Assist 알고리즘을 구축하여 보행을 도울 수 있도록 하였다.
- 신경학적 검사는 dynamometer를 사용하여 근력을 측정하였으며 관절 가동역 검사, 경직도 검사, 심부건 반사, 병적반사, Fugl-Meyer score를 사용한 하지 기능 평가, Modified Ashworth Scale를 이용한 이환측 경직 평가 등을 실시하였다. 하지 기능 검사로는 TUGT (Time Up and Go Test)및 SPPB (Short Physical Performance Battery)등 정적 및 동적 균형검사를 실시하였다. 평가 항목과 실험일정에 대해서는 Fig.
- 모든 관절은 신체의 한계 구동범위 이상 동작되는 것을 방지하기 위해 움직임이 제한되도록 설계하였다. 허리 체결부는 기존 의료용 보조기에 사용되는 맞춤형 허리 체결부를 사용하였으며, 허벅지와 종아리 부분의 체결은 상용 보조기를 사용하였다. Fig.
- 주차 별 사용된 목표 궤적과 보행 훈련 속도를 Table 2에서 확인할 수 있다. 훈련 첫 주 동안은 기계에 적응하기 위해 트레드밀에서 훈련하지 않고 평지에서 안전 리프트와 함께 장비적응 훈련을 진행하였다. 로봇의 마비측에는 S1궤적을 입력하였고, 정상측은 마찰 보상만 입력하였다.
- 각 평가 마다 신경학적 검사 및 하지 기능 검사, 보행 분석을 실시하였으며 훈련 전, 6주 훈련 후, 12주 훈련 후, 훈련 종료 후 12주 후 총 4번 진행하였다. 훈련 효과 평가를 위해 보행분석기를 통한 보속, 분속, 보폭 등 보행지표, 각 관절의 운동학, 운동역학적 데이터, self selected gait speed, 신경학적 검사, 하지 기능 검사, 신체 계측 정보 등을 평가변수로 사용하였다. 신경학적 검사는 dynamometer를 사용하여 근력을 측정하였으며 관절 가동역 검사, 경직도 검사, 심부건 반사, 병적반사, Fugl-Meyer score를 사용한 하지 기능 평가, Modified Ashworth Scale를 이용한 이환측 경직 평가 등을 실시하였다.
대상 데이터
- 실험을 위해 총 2명의 만성기 편마비 환자를 선정하였다. 2명 모두 뇌졸중으로 인한 편마비 환자로 타인의 도움 없이 독립 보행이 가능하지만 마비측 하지의 근력이 저하되고 보행 시 파행(절룩거림, 족하수 등)이 뚜렷한 환자를 선정하였다. 평가 당시 대상자에 대한 정보를 Table 1에 정리하였다.
- 5km/h의 속도로 진행하였다. 7주차부터 12주차까지는 S6 궤적을 사용하여 훈련을 진행하였다. 또한 최고속도를 2.
- 실험을 위해 총 2명의 만성기 편마비 환자를 선정하였다. 2명 모두 뇌졸중으로 인한 편마비 환자로 타인의 도움 없이 독립 보행이 가능하지만 마비측 하지의 근력이 저하되고 보행 시 파행(절룩거림, 족하수 등)이 뚜렷한 환자를 선정하였다.
성능/효과
- 본 논문에서는 편마비 환자의 보행 훈련을 위한 하지 착용형 외골격 로봇 WA-H를 사용하여 2명의 편마비 환자에게 실제 적용 테스트를 하였다. 12주간의 훈련 끝에 두 환자 모두 보행 능력이 개선되었다. 훈련이 끝난 12주 후에도 훈련으로 인한 개선 사항들이 어느 정도 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
- B 환자의 경우도 여러 검사에서 훈련이 효과 있음을 확인할 수 있었다. 6 min walking test는 1차 평가 때 410m에서 4차 평가 결과 455m로 45m증가하였으며 TUGT는 13.05초에서 10.56초로, SPPB는 10점에서 12점으로, BBS는 50점에서 55점으로, Fugl-Meyer Score는 78점에서 80점으로 향상되었음을 확인할 수 있었다. Fig.
- 12주간의 훈련이 끝난 이후 보행 평가 지표를 처음의 것과 비교해 보았다. A환자는 6 min walking test에서 1차 평가 때 420m를 걷고 4차 평가 때 485m 를 보행하여 보행 거리가 80m 증가하는 결과를 보였다. TUGT 테스트에서도 1차 때 10.
- A환자는 6 min walking test에서 1차 평가 때 420m를 걷고 4차 평가 때 485m 를 보행하여 보행 거리가 80m 증가하는 결과를 보였다. TUGT 테스트에서도 1차 때 10.18초의 기록에서 4차 평가에 7.6초를 기록하였으며, SPPB검사 또한 10점에서 12점, BBS(Berg Balance Test)는 52점에서 56점, Fugl-Meyer Score는 81점에서 85점으로 향상되었다. 또한 Modified Ashworth Scale도 1점에서 0점으로 하락하여 호전된 것을 확인할 수 있었다.
- 두 환자 모두 훈련이 진행됨에 따라 환측과 건측의 모멘트 불균형이 나아지는 것을 확인할 수 있다. 두 환자 모두 훈련 전 보다 보행 시 균형 능력이 상승하는 효과를 확인할 수 있었다. 이로써 WA-H를 사용한 보행 훈련을 통해 착용자의 보행 능력을 개선할 수 있다는 가능성을 확인하였다.
- 4는 보행 시 두 환자의 무릎에서 발생하는 모멘트 그래프이다. 두 환자 모두 훈련이 진행됨에 따라 환측과 건측의 모멘트 불균형이 나아지는 것을 확인할 수 있다. 두 환자 모두 훈련 전 보다 보행 시 균형 능력이 상승하는 효과를 확인할 수 있었다.
- 6초를 기록하였으며, SPPB검사 또한 10점에서 12점, BBS(Berg Balance Test)는 52점에서 56점, Fugl-Meyer Score는 81점에서 85점으로 향상되었다. 또한 Modified Ashworth Scale도 1점에서 0점으로 하락하여 호전된 것을 확인할 수 있었다. B 환자의 경우도 여러 검사에서 훈련이 효과 있음을 확인할 수 있었다.
- 두 환자 모두 훈련 전 보다 보행 시 균형 능력이 상승하는 효과를 확인할 수 있었다. 이로써 WA-H를 사용한 보행 훈련을 통해 착용자의 보행 능력을 개선할 수 있다는 가능성을 확인하였다. 결과에 대해서는 Table 3에 정리하였다.
- 훈련이 끝난 12주 후에도 훈련으로 인한 개선 사항들이 어느 정도 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 기존 보행 훈련 로봇보다 비교적 간단한 시스템을 사용한 외골격 로봇을 사용한 보행 훈련으로도 보행 능력 개선 효과를 기대할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 국내 실정상 본 연구에서와 같이 임상실험을 위해 피험자를 섭외하는 일은 어려운 점 중 하나이다. 추후 연구에서는 더 많은 실험 대상을 통해 임상적 유효성을 검증하고, 설문조사를 추가하여 환자의 심리상태를 반영하는 연구를 진행할 예정이다.
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