[논문]Effects of Differential Stability on Control of Multi-Joint Coordination in the Upper Extremity: A Torque Component Analysis

Ryu, Young Uk; Shin, Hwa Kyung

doi:10.18857/jkpt.2016.28.1.8

Effects of Differential Stability on Control of Multi-Joint Coordination in the Upper Extremity: A Torque Component Analysis 원문보기

Journal of Korean Physical Therapy : JKPT = 대한물리치료학회지, v.28 no.1, 2016년, pp.8 - 13

Ryu, Young Uk (Department of Physical Therapy, College of Health Sciences, Catholic University of Daegu) , Shin, Hwa Kyung (Department of Physical Therapy, College of Health Sciences, Catholic University of Daegu)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The purpose of the present current study was to examine control of upper limb multi-joint movements with differential coordination stability. To achieve the goals of the study, torque analyses were utilized to answer questions about how torque components were differed among various elbow-wrist coordination patterns. Methods: Eight self-reported right-handed college students (3 males and 5 females, mean age=20.6 yr) were volunteered. The task required participants to rhythmically coordinate the flexion-extension motions of their elbow and wrist with coordination relationship of $0^{\circ}$, $90^{\circ}$, and $180^{\circ}$relative phases between the two joints. Mean relative phase and phase stability (standard deviation of relative phase) were computed to for analysisze of overall coordination performance. To determine the figure out characteristics of torque components in elbow and wrist joints, impulse values of muscle torque (MT) and interactive torque (IT) and MT as a percentage of cycle duration (MT-PCD) were analyzed. Results: Torque results showed that the proximal elbow joint generated motions with mainly muscle efforts regardless of coordination patterns, while the distal wrist joint adjusted the coordination patterns by changing amount of MT. Impulse analyses showed that the least stable $90^{\circ}$ pattern was performed by utilizing a similar coordination strategy of the most stable $0^{\circ}$ pattern. Conclusion: The present current study suggests that the roles of distal and proximal joints differ in order to achieve various multi-joint coordination movements. This study provides information for use in gives an idea to development of rehabilitation or training programs for to persons with an impaired upper limb motor ability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 토크 요소 분석을 통하여 상지 다관절 운동의 조절에 대해 살펴보았다. 구체적으로 팔꿈지-손목 관절의 협응 과제 안정성에 따라 원위 및 근위관절의 역할이 어떻게 변화하는지를 살펴보았다. 본 연구 결과는 협응 패턴의 안정성에 상관없이 근위관절인 팔꿈치관절의 운동은 근육의 힘이 주요한 것으로 밝혀졌으며, 원위관절인 손목관절에서는 근육 힘의 조절이 협응 패턴을 결정하는 것으로 나타났다.
본 연구 결과는 협응 패턴의 안정성에 상관없이 근위관절인 팔꿈치관절의 운동은 근육의 힘이 주요한 것으로 밝혀졌으며, 원위관절인 손목관절에서는 근육 힘의 조절이 협응 패턴을 결정하는 것으로 나타났다. 다음에서는 이러한 연구 결과에 대해 고찰하고 인체 다관절 운동의 조절 및 재활에 주는 암시에 대해 토론하고자 한다.
본 연구는 상지 다관절 운동을 이용하여 훈련 없이 하기 어려운 협응 과제를 수행할 때, 원위관절과 근위관절의 토크 특성에 대해 알아보았다. 이를 위하여 팔꿈치 관절과 손목 관절 사이의 상대 위상 0°, 90°, 180°에 대한 협응 과제를 적용하였다.
본 연구는 토크 요소 분석을 통하여 상지 다관절 운동의 조절에 대해 살펴보았다. 구체적으로 팔꿈지-손목 관절의 협응 과제 안정성에 따라 원위 및 근위관절의 역할이 어떻게 변화하는지를 살펴보았다.

가설 설정

¹⁰ 이 수학적 모델이 예측하는 바는 양손 협응 운동,¹¹ 다관절 협응 운동,^12,13 외부 자극과 운동 간의 협응,^14-16 협응 패턴의 지각^17,18 등의 연구 결과에서도 확인되었다. 연구 가설은 패턴에 상관없이 근위관절인 팔꿈치관절은 근육이 주요 운동 생성의 힘이 될 것이며, 원위관절인 손목관절에서는 패턴의 성격에 따라 MT의 사용량이 결정될 것으로 예상된다.

제안 방법

MRP, RPSD, ImpMT, ImpIT와 MTPCD를종속변수(dependent variables)로 하고, 협응패턴(0°, 90°, 180°)을 독립변수(independent variable)로 하여 일원반복분산분석(1-way repeated analysis of variance)을 실시하였다. ImpMT, ImpIT, MTPCD는 팔꿈치 관절과 손목 관절을 나눠서 통계적 검사를 실시하였다. 주효과에서 통계적 유의를 발견하였을 때는 사후검정으로 Tukey 검정을 사용하였다.
R2011a (Mathworks, MA, USA)을 이용하여 처리, 분석되었다. 데이터 분석을 하기 전, 6개의 IRED로부터 수집된 3차원 공간 좌표 정보는 Butterworth (2nd order, dual pass cutoff 10 Hz) 필터링 처리를 거쳤다. 공간 좌표는 손목과 팔꿈치의 각도와 토크 성분을 계산하는데 이용되었다.
그러므로 Figure 3에서 보여진 움직임은 MT에 의해 생성되었다라고 해석할 수 있다. 본 연구에서는 위의 공식을 통해 구해진 토크 성분에 대하여 표준 평균 임펄스(standardized mean impulse per cycle)와 사이클당 MT 백분율(MT as a percentage of cycle duration, MTPCD)를 계산하였다. 임펄스는 토크가 이루는 커브의 절대값의 합으로 계산하였으며, 이는 토크의 총량을 나타낸다.
1회 시도(trial)에 총 8회의 메트로놈 신호가 있었다. 실험을 시작하기 전에 참여자는 운동 수행 과제에 대해 실험자로부터 설명을 듣고 각 패턴 별로 1회씩의 연습 시도를 시행하였다. 연습 시도를 끝낸 후, 무작위 순서로 3개의 협응 패턴을 각각 3회씩 수행하였다.
실험을 시작하기 전에 참여자는 운동 수행 과제에 대해 실험자로부터 설명을 듣고 각 패턴 별로 1회씩의 연습 시도를 시행하였다. 연습 시도를 끝낸 후, 무작위 순서로 3개의 협응 패턴을 각각 3회씩 수행하였다. 한 패턴이 끝나면 3분의 휴식이 주어졌다.
이를 위하여 팔꿈치 관절과 손목 관절 사이의 상대 위상 0°, 90°, 180°에 대한 협응 과제를 적용하였다.
참여자는 0.75 Hz의 속도로 맞춰진 메트로놈에 의해 팔꿈치-손목의 협응 과제를 수행하였다. 1회 시도(trial)에 총 8회의 메트로놈 신호가 있었다.
참여자의 운동 수행 과제는 팔꿈치와 손목 관절을 동시에 사용하여 0°, 90°, 180°의 상대위상이 되도록 움직이는 것이었다.
실험 기구는 하나의 경첩관절(hinge joint)와 두 개의 팔로 구성되어 있었다. 참여자의 팔꿈치 관절은 경첩관절에 맞추고, 아래팔은 실험 기구의 먼 쪽 팔에 벨크로(Velcro^Ⓡ)를 이용하여 고정하였다. 참여자의 손에는 막대기를 쥐게 하였다.
임펄스는 움직이는 물체의 질량에 영향을 많이 받으므로 피험자의 몸무게로 임펄스 값을 나워서 표준화하였다. 평균 임펄스를 구하기 위해, 총 임펄스를 사이클의 수로 나누었다. 표준 평균 임펄스는 MT (ImpMT)와 IT (ImpIT)를 구하였다.
평균 임펄스를 구하기 위해, 총 임펄스를 사이클의 수로 나누었다. 표준 평균 임펄스는 MT (ImpMT)와 IT (ImpIT)를 구하였다. MTPCD는 움직임에서 MT가 얼마나 NT의 부호(sign)와 일치하였는지 나타낸 것이다.
피험자가 각 패턴의 운동을 얼마나 정확하게 수행했는지를 알아보기 위하여 평균상대위상(mean relative phase, MRP)을 구하였다. MRP는ϕ_i = θ_elbow – θ_wrist 로 구하였다.

대상 데이터

참여자의 운동 데이터를 수집하기 위해 6개의 적외선다이오드(IRED) 마커를 Figure 1과 같이 부착하였다. 6개 IRED의 3차원 공간 좌표(x, y, z)는 OPTOTRAK^TM 3020 (Northern Digital, ON, Canada)으로 수집하였다. OPTOTRAK 3020은 2.
실험 참여자는 좌석 높이가 조절 가능한 의자에 앉아 특수하게 제작된 실험 기구에 자신의 팔을 고정시켰다(Figure 1). 실험 기구는 하나의 경첩관절(hinge joint)와 두 개의 팔로 구성되어 있었다. 참여자의 팔꿈치 관절은 경첩관절에 맞추고, 아래팔은 실험 기구의 먼 쪽 팔에 벨크로(Velcro^Ⓡ)를 이용하여 고정하였다.
총 8명의 대학생들(남자 3명, 여자 5명, 평균나이 20.6세)이 본 실험에 참가하였다. 실험 프로토콜과 동의서는 Texas A&M University의 IRB 위원회에서 승인을 받았다.

데이터처리

MRP, RPSD, ImpMT, ImpIT와 MTPCD를종속변수(dependent variables)로 하고, 협응패턴(0°, 90°, 180°)을 독립변수(independent variable)로 하여 일원반복분산분석(1-way repeated analysis of variance)을 실시하였다.
ImpMT, ImpIT, MTPCD는 팔꿈치 관절과 손목 관절을 나눠서 통계적 검사를 실시하였다. 주효과에서 통계적 유의를 발견하였을 때는 사후검정으로 Tukey 검정을 사용하였다. 모든 통계적 유의 수준은 알파(α)값 0.
MRP는ϕ_i = θ_elbow – θ_wrist 로 구하였다. 협응 패턴의 안정성을 알아보기 위하여 상대위상의 표준편차(standard deviation of relative phase, RPSD)를 구하였다. RPSD는 MRP의 표준편차값으로 값이 작을 수록 안정적을 피험자가 패턴을 수행했다는 의미이다.

이론/모형

모든 참가자들은 자발적으로 본 실험에 참여하였으며, 실험에 참여하기 전에 실험 동의서를 읽고 자발적으로 동의를 하였다. 본 실험의 참가자들은 오른손 잡이로 하였으며, 주로 사용하는 손에 대한 검사는 Coren¹⁹의 평가지를 사용하여 판별하였다. 모든 참가자들은 실험을 마친 후, 교과목 점수를 부여받았다.

성능/효과

180° 패턴의 경우는 MT가 움직임 생성 시간의 절반도 사용되지 않았으며, 가장 적은 ImpMT 및 가장 큰 ImpIT를 나타냈다.
가장 안정된 패턴인 0°에서 MT가 운동 주기의 91%가량으로 움직임을 생성한 주요한 토크로 사용되었으며, 임펄스 결과도 손목에서 가장 큰 MT 에너지를 사용한 것으로 나타났다.
본 연구 결과는 상지 다관절 운동 조절이 근위관절과 원위관절의 역할이 틀리다는 것을 보여주었다. 근위관절은 운동 협응의 난이도와는 상관없이 근육의 힘을 사용하여 운동을 생성해내었으나, 원위관절은 운동 협응 형태에 따라 근육의 힘도 다르게 사용한 것을 확인하였다. 이러한 본 연구의 결과는 상지 다관절 운동 수행의 적절성(efficiency)과 기술성(dexterity)은 운동 수행의 특징이나 성격에 따라 원위관절의 MT (혹은 IT)의 효율적 이용이 결정함을 의미한다.
둘째, 원위관절인 손목관절에서의 MT 사용은 협응 패턴에 따라 달라졌다. 가장 안정된 패턴인 0°에서 MT가 운동 주기의 91%가량으로 움직임을 생성한 주요한 토크로 사용되었으며, 임펄스 결과도 손목에서 가장 큰 MT 에너지를 사용한 것으로 나타났다.
본 연구 결과는 상지 다관절 운동 조절이 근위관절과 원위관절의 역할이 틀리다는 것을 보여주었다. 근위관절은 운동 협응의 난이도와는 상관없이 근육의 힘을 사용하여 운동을 생성해내었으나, 원위관절은 운동 협응 형태에 따라 근육의 힘도 다르게 사용한 것을 확인하였다.
구체적으로 팔꿈지-손목 관절의 협응 과제 안정성에 따라 원위 및 근위관절의 역할이 어떻게 변화하는지를 살펴보았다. 본 연구 결과는 협응 패턴의 안정성에 상관없이 근위관절인 팔꿈치관절의 운동은 근육의 힘이 주요한 것으로 밝혀졌으며, 원위관절인 손목관절에서는 근육 힘의 조절이 협응 패턴을 결정하는 것으로 나타났다. 다음에서는 이러한 연구 결과에 대해 고찰하고 인체 다관절 운동의 조절 및 재활에 주는 암시에 대해 토론하고자 한다.
사후검사는 0° 패턴에서 가장 안정적이었고, 90° 패턴이 가장 불안정하였음을 나타내었다.
사후검사는 이러한 주효과가 0° 패턴이 다른 두 패턴보다 유의하게 더 큰 임펄스를 생성했음을 나타냈다.
사후검사는 이러한 주효과가 180° 패턴이 다른 두 패턴보다 유의하게 낮은 ImpMT와 큰 ImpIT를 생성했음을 보여주었다.
근위관절은 운동 협응의 난이도와는 상관없이 근육의 힘을 사용하여 운동을 생성해내었으나, 원위관절은 운동 협응 형태에 따라 근육의 힘도 다르게 사용한 것을 확인하였다. 이러한 본 연구의 결과는 상지 다관절 운동 수행의 적절성(efficiency)과 기술성(dexterity)은 운동 수행의 특징이나 성격에 따라 원위관절의 MT (혹은 IT)의 효율적 이용이 결정함을 의미한다. 특별히, 어려운 협응 동작의 경우(본 연구의 90° 패턴), 훈련을 하지 않은 상태에서는 원위관절은 근육의 힘을 주로 많이 사용하여 생성할 가능성을 본 연구는 보여주었다.
첫째, 0°가 180° 패턴보다 더 안정한 패턴이므로 0° 패턴을 이용하는 것이 더 유리했기 때문으로 보인다.
첫째, 협응 패턴에 상관없이 근위관절인 팔꿈치관절을 움직이는데 MT가 주요 힘으로 작용한 시간은 전체 운동 시간의 90% 이상을 차지하였다. 이는 다관절 협응의 안정성에 상관없이 팔꿈치관절에서는 MT가 관절을 움직이는 주요한 힘으로 작용했다는 것을 의미한다.
특별히, 어려운 협응 동작의 경우(본 연구의 90° 패턴), 훈련을 하지 않은 상태에서는 원위관절은 근육의 힘을 주로 많이 사용하여 생성할 가능성을 본 연구는 보여주었다.

후속연구

본 연구의 결과는 상지 운동 조절 능력이 저하된 환자들의 상지 기능 재활에 중요한 이론적 암시를 제공할 수 있을 것으로 생각된다. 즉, 본 연구는 상지 기능 재활의 궁극적 목표가 원위관절의 기술성에 있음을 암시한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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