척추측만증 환자의 수술 효과 평가 수단으로서 웨어러블 스마트 깔창을 이용한 보행분석의 유용성 The Usefulness of a Wearable Smart Insole for Gait and Balance Analyses After Surgery for Adult Degenerative Scoliosis: Immediate and Delayed Effects원문보기
본 연구는 척추측만증 수술에 대한 객관적이고 정량적인 효과 평가 수단으로서 스마트 깔창을 이용한 보행분석 방법(시계열 분석 포함)을 제시한다. 실험 참가자는 척추측만증 환자이며 스마트 깔창을 착용하고 3분 보행검사를 4번(수술전, 수술 후 8일, 16일, 204일), 6분 보행검사를 1번(수술 후 204일) 받았다. 깔창에는 8개의 압력센서, 가속도 및 각속도 센서가 있고, 각각의 측정값을 저장하여 환자의 수술 전후 보행특성(운동역학 및 시공간 변수)을 비교하였다. 분석결과 수술 후 환자의 모든 보행변수가 개선된 것을 알 수 있었고, 6개월 후 추적검사에서 환자의 보행이 더욱 안정된 것을 확인할 수 있었다. 하지만 환자가 오래 걸으면 한쪽 다리의 swing 시간이 다른 쪽에 비해 미세하게 짧은 현상이 다시 나타났는데, 이는 검사를 수행하는 의사의 육안으로는 발견할 수 없는 preclinical한 문제였다. 우리는 이러한 분석 방법을 통해 환자의 개선 정도를 정량적이고 객관적으로 평가할 수 있었고, preclinical한 문제도 찾을 수 있었다. 향후 이러한 분석 방법은 특정 질병의 보행 패턴을 정의하고 감별하여 적절한 치료방법을 결정하는 연구로 이어질 것이다.
본 연구는 척추측만증 수술에 대한 객관적이고 정량적인 효과 평가 수단으로서 스마트 깔창을 이용한 보행분석 방법(시계열 분석 포함)을 제시한다. 실험 참가자는 척추측만증 환자이며 스마트 깔창을 착용하고 3분 보행검사를 4번(수술전, 수술 후 8일, 16일, 204일), 6분 보행검사를 1번(수술 후 204일) 받았다. 깔창에는 8개의 압력센서, 가속도 및 각속도 센서가 있고, 각각의 측정값을 저장하여 환자의 수술 전후 보행특성(운동역학 및 시공간 변수)을 비교하였다. 분석결과 수술 후 환자의 모든 보행변수가 개선된 것을 알 수 있었고, 6개월 후 추적검사에서 환자의 보행이 더욱 안정된 것을 확인할 수 있었다. 하지만 환자가 오래 걸으면 한쪽 다리의 swing 시간이 다른 쪽에 비해 미세하게 짧은 현상이 다시 나타났는데, 이는 검사를 수행하는 의사의 육안으로는 발견할 수 없는 preclinical한 문제였다. 우리는 이러한 분석 방법을 통해 환자의 개선 정도를 정량적이고 객관적으로 평가할 수 있었고, preclinical한 문제도 찾을 수 있었다. 향후 이러한 분석 방법은 특정 질병의 보행 패턴을 정의하고 감별하여 적절한 치료방법을 결정하는 연구로 이어질 것이다.
This study presents a gait analysis method (including time series analysis) using a smart insole as an objective and quantitative evaluating method after lumbar scoliosis surgery. The participant is a degenerative lumbar scoliosis patient. She took 3-min-gait-test four times(before and 8, 16, and 20...
This study presents a gait analysis method (including time series analysis) using a smart insole as an objective and quantitative evaluating method after lumbar scoliosis surgery. The participant is a degenerative lumbar scoliosis patient. She took 3-min-gait-test four times(before and 8, 16, and 204-days after surgery) and 6-min-gait-test once(204-days after surgery) with smart-insoles in her shoes. Each insole has 8-pressure sensors, an accelerometer, and a gyroscope. The measured values were used to compare the characteristics of gait before and after surgery. The analysis showed that all of the patient's gait parameters improved after surgery. And after 6 months, the gait was more stable. However, after long walk, the swing duration of one leg was slightly shorter than that of the other again. It was a preclinical problem that could not be found in the visual examination by the practitioner. With this analysis method we could evaluate the improvement of patient quantitatively and objectively. And we could find a preclinical problem. This analysis method will lead to the studies that define and distinguish gait patterns of certain diseases, helping to determine appropriate treatments.
This study presents a gait analysis method (including time series analysis) using a smart insole as an objective and quantitative evaluating method after lumbar scoliosis surgery. The participant is a degenerative lumbar scoliosis patient. She took 3-min-gait-test four times(before and 8, 16, and 204-days after surgery) and 6-min-gait-test once(204-days after surgery) with smart-insoles in her shoes. Each insole has 8-pressure sensors, an accelerometer, and a gyroscope. The measured values were used to compare the characteristics of gait before and after surgery. The analysis showed that all of the patient's gait parameters improved after surgery. And after 6 months, the gait was more stable. However, after long walk, the swing duration of one leg was slightly shorter than that of the other again. It was a preclinical problem that could not be found in the visual examination by the practitioner. With this analysis method we could evaluate the improvement of patient quantitatively and objectively. And we could find a preclinical problem. This analysis method will lead to the studies that define and distinguish gait patterns of certain diseases, helping to determine appropriate treatments.
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문제 정의
따라서 Muro-de-la-Herran 등은 potable한 신체에 착용하는 센선 방식이 정밀성, 적합성, 유용성, 이동성을 제공할 수 있어 가장 유망하다고 결론 내렸다[6]. 본 연구에서는 3L Labs(한국)가 설계하고 개발한 연구용 깔창 센서 모듈인 FootLogger를 사용하여 퇴행성 요추 측만증 (DLS) 환자의 수술 전후 보행분석을 수행한 과정을 자세히 서술한다. 측정값을 가공하여 보행의 시공간 변수를 계산하였고, 운동 역학적 관점을 포함하여 환자의 보행을 분석하였다.
따라서 데이터를 순차적으로 수집하고 분석할 수 있고, 질병의 진행을 보다 객관적으로 관찰하고 치료 효과를 평가하는데 도움이 된다. 본 연구에서는 수술 후 환자의 보행 파라미터와 좌우 대칭이 얼마나 개선되었는지를 수치로 제시하였다.
가설 설정
* H1: The average orthogonal difference after the operation was different from that before.
2) The x-axis of accelerometer indicates the posterior–anterior direction when standing.
3) The z score of acceleration is used to eliminate the influence of the acceleration value.
4) A smaller average acceleration difference distance indicates greater similarity.
a) After the surgery, swing counts decreased and stride length increased.
환자는 척추협착증과 함께 퇴행성 요추측만증에 의한 관상면 불균형으로 인해 보행 장애가 발생한 것으로 판단되었다. 스마트 깔창을 이용한 보행검사가 보행 장애와 상체의 불균형을 객관적으로 파악하는데 유용하다는 가정 하에 환자의 동의를 받고 검사를 진행하였다. 영상검사, 이학적 검사에 더해 보행 검사결과를 분석하여 퇴행성 측만증의 교정이 필요하다고 판단되었으며, 요추 3번부터 천추 1번에 이르는 후궁절제술 및 유합술을 시행하였다.
제안 방법
또한, 양다리의 힘과 각 운동량의 불균형 여부를 파악하기 위해 각 step의 좌우 스윙 중 가속도와 각속도 궤적의 비대칭성을 평균 직교 거리로 계산하였다.
각 보행검사는 환자가 심한 통증을 호소하고, 6분 보행을 수행하기에는 무리가 있을 것으로 판단되어 3분 보행검사로 진행되었다. 검사는 표준 트랙 (30m)에서 표준 프로토콜에 따라 수행되었고, 환자는 신발에 스마트 깔창을 착용하였다.
각 보행검사는 환자가 심한 통증을 호소하고, 6분 보행을 수행하기에는 무리가 있을 것으로 판단되어 3분 보행검사로 진행되었다. 검사는 표준 트랙 (30m)에서 표준 프로토콜에 따라 수행되었고, 환자는 신발에 스마트 깔창을 착용하였다. Fig.
5A에 나타내었다. 계산을 위해 먼저 각 step의 왼쪽 및 오른쪽 스윙의 시작시점을 일치시켜 경과 시간에 따른 양쪽 가속도 값의 수정 된 시계열을 만들었다. 이후 왼쪽 및 오른쪽 가속도를 두 축으로 하는 직교 평면에서의 직교 거리(유클리드 거리)를 계산하여 좌우 가속도 궤적의 유사성에 대한 척도로 사용하였는데, 이는 유클리드 거리가 직접적인 상관관계가 없는 별개의 특징들 사이에서 유사성을 나타내는데 가장 많이 활용되는 방법[8]이기 때문이다.
데이터를 수집 한 후 Truong 등이 수행한 방식과 같은 방식으로 노이즈 필터링 및 스윙 / 스탠스 phase 구분을 수행하였다[7]. 이를 활용하여 Fig.
수술 후 단기 효과의 분석을 위한 보행검사는 수술 8일째와 16일째 두 번 수행하였는데, 수술 후 8일째에는 환자가 완전히 회복되지 않아 수술 후 16일째의 보행특성과 수술 전 보행특성을 비교 분석하였다. 또한, 수술 후 6개월 (204일)에 추적 보행 검사를 실시하여 환자의 지속적인 회복 및 재발 여부를 확인하였다. 이때 이전 보행검사와 비교하기 위한 3분 보행 검사뿐만 아니라 6분 보행 검사를 추가로 시행해 지구력을 평가하였다.
본 연구에서 소개한 보행분석 방법은 신발 안에 깔창을 착용하기만 하면 사용자의 자연스러운 보행을 분석 할 수 있다. 또한 지형, 신발, 검사자 bias와 같은 외적 요인의 영향을 줄임으로써 보행을 보다 정확하게 분석할 수 있다.
수술의 성공 여부를 객관적으로 검증하기 위해 환자에게 스마트 깔창을 착용하게 하고 3분 보행검사를 시행하였고, 측정된 값으로 부터 운동역학 및 시공간 변수 값을 산출하여 수술 전후 환자의 보행 특성을 비교 분석 하였다. 수술 후 단기 효과의 분석을 위한 보행검사는 수술 8일째와 16일째 두 번 수행하였는데, 수술 후 8일째에는 환자가 완전히 회복되지 않아 수술 후 16일째의 보행특성과 수술 전 보행특성을 비교 분석하였다. 또한, 수술 후 6개월 (204일)에 추적 보행 검사를 실시하여 환자의 지속적인 회복 및 재발 여부를 확인하였다.
수술의 성공 여부를 객관적으로 검증하기 위해 환자에게 스마트 깔창을 착용하게 하고 3분 보행검사를 시행하였고, 측정된 값으로 부터 운동역학 및 시공간 변수 값을 산출하여 수술 전후 환자의 보행 특성을 비교 분석 하였다. 수술 후 단기 효과의 분석을 위한 보행검사는 수술 8일째와 16일째 두 번 수행하였는데, 수술 후 8일째에는 환자가 완전히 회복되지 않아 수술 후 16일째의 보행특성과 수술 전 보행특성을 비교 분석하였다.
스마트 깔창을 이용한 보행검사가 보행 장애와 상체의 불균형을 객관적으로 파악하는데 유용하다는 가정 하에 환자의 동의를 받고 검사를 진행하였다. 영상검사, 이학적 검사에 더해 보행 검사결과를 분석하여 퇴행성 측만증의 교정이 필요하다고 판단되었으며, 요추 3번부터 천추 1번에 이르는 후궁절제술 및 유합술을 시행하였다. 모든 과정은 환자의 동의를 받았고, IRB의 승인을 받았다.
또한, 수술 후 6개월 (204일)에 추적 보행 검사를 실시하여 환자의 지속적인 회복 및 재발 여부를 확인하였다. 이때 이전 보행검사와 비교하기 위한 3분 보행 검사뿐만 아니라 6분 보행 검사를 추가로 시행해 지구력을 평가하였다.
데이터를 수집 한 후 Truong 등이 수행한 방식과 같은 방식으로 노이즈 필터링 및 스윙 / 스탠스 phase 구분을 수행하였다[7]. 이를 활용하여 Fig. 3과 4에 표시된 보행 변수 (보행시간, 보행거리, 보행속도, 활보장, 보속, 보행주기, 스윙시간, 스탠스시간)를 산출하였다. 또한, 양다리의 힘과 각 운동량의 불균형 여부를 파악하기 위해 각 step의 좌우 스윙 중 가속도와 각속도 궤적의 비대칭성을 평균 직교 거리로 계산하였다.
이를 해결하기 위해 가속도 값을 z score로 표준화 한 후 평균 직교 거리를 계산하였다. 이와 같은 방법으로 각 step별 좌우 x-, y-, z- 축 측정값 각각에 대한 가속도와 각속도 궤적의 평균 직교 거리를 계산하였다. 모든 계산 과정은 통계 패키지 R을 사용하여 수행되었다.
본 연구에서는 3L Labs(한국)가 설계하고 개발한 연구용 깔창 센서 모듈인 FootLogger를 사용하여 퇴행성 요추 측만증 (DLS) 환자의 수술 전후 보행분석을 수행한 과정을 자세히 서술한다. 측정값을 가공하여 보행의 시공간 변수를 계산하였고, 운동 역학적 관점을 포함하여 환자의 보행을 분석하였다. 본 연구가 관성 및 압력센서가 장착 된 웨어러블 장치를 사용하여 환자의 보행을 분석하고 평가하는데 길잡이 역할을 할 수 있기를 기대한다.
환자의 지속적인 회복 및 재발 여부를 평가하기 위해 수술 후 6개월(204일)에 추적 보행 검사를 시행하였다. 이때 환자는 이전 검사와 비교하기 위한 3분 보행 검사뿐만 아니라 6분 보행 검사를 추가로 진행해 지구력을 평가받았다.
대상 데이터
70세 여성 환자가 요통, 양쪽 다리의 방사통, 상체 기울어짐, 보행 시 절뚝거림을 주소로 본원에 내원하였다. 환자는 본원 내원 6개월 전 타 병원에서 척추 협착증에 대한 치료로 요추 4-5번간 후궁절제술을 시행 받은 후 약물치료를 지속해 왔지만 증상이 더욱 악화되었고, 본원 내원 당시에는 독립적으로 걷는 것을 포함해 일상생활에 어려움을 겪고 있었다.
따라서 각 보행검사에 대한 원시 측정 데이터는 28개의 열 (8개의 압력 센서 값 + 3축 가속도 센서 값 + 3축 각 속도 센서 값) × 2 (양쪽 발) 및 18,000 개 이상의 행 (180 초 × 100Hz + 더미 시간)으로 구성되었다.
70세 여성 환자가 요통, 양쪽 다리의 방사통, 상체 기울어짐, 보행 시 절뚝거림을 주소로 본원에 내원하였다. 환자는 본원 내원 6개월 전 타 병원에서 척추 협착증에 대한 치료로 요추 4-5번간 후궁절제술을 시행 받은 후 약물치료를 지속해 왔지만 증상이 더욱 악화되었고, 본원 내원 당시에는 독립적으로 걷는 것을 포함해 일상생활에 어려움을 겪고 있었다. 신경학적 검사에서는 심한 다리와 허리의 통증(시각적 아날로그 척도 : 7 점)을 호소하였고, 요추의 비정상적 만곡도 확인되었다.
환자는 척추협착증과 함께 퇴행성 요추측만증에 의한 관상면 불균형으로 인해 보행 장애가 발생한 것으로 판단되었다. 스마트 깔창을 이용한 보행검사가 보행 장애와 상체의 불균형을 객관적으로 파악하는데 유용하다는 가정 하에 환자의 동의를 받고 검사를 진행하였다.
성능/효과
1) In the test before surgery, the swing duration of the right side was consistently shorter than that of the left side, and this discrepancy increased as the number of steps increased.
2) After the operation (d+16), the left and right swing durations were almost identical, and no deterioration occurred with as the number of steps increased.
3 분 보행검사에서 보행 거리와 속도는 수술 후 16일째에 비해 약간 증가하였고, 스윙 및 스탠스의 좌우 불일치가 감소해 환자의 보행이 더욱 안정화되었음을 알 수 있었다. 그러나 각 step에 대한 스윙 시간을 나타내는 Fig 4에서 볼 수 있듯이, step 수가 증가함에 따라 오른쪽 스윙 시간이 왼쪽 스윙 시간보다 짧은 경향이 다시 관찰되었다.
3) In the follow-up test (d+204), the swing duration tended to be slightly shorter on the right than the left as the number of steps increased. This trend was exacerbated in the 6 min walk test performed after the 3 min walk test.
Fig. 1A와 같이 척추 X-ray 검사에서는 퇴행성 변화와 Cobb‘s 각도가 10°를 초과하는 척추 측만증이 확인 되었고 컴퓨터 단층 촬영과 자기 공명 영상에서는 하부 요추에 비대칭적인 디스크 변형을 가진 척추관 협착증이 관찰되었다.
a) The patient’s walking was more stabilized, distance walked and speed increased slightly, and variation in the duration of swing decreased.
수술 전, 환자는 3분 보행검사를 하는 도중 30m 트랙을 2회 왕복(총 120m)한 후 검사를 포기하여 보행 시간이 163초에 불과했다. 그러나 수술 후 환자는 검사를 완료 할 수 있었고, 보행 거리도 보행속도와 보폭이 증가함에 따라 증가했다. 보속은 감소한 것으로 나타났는데, 이는 보폭이 증가함에 따라 스윙 횟수가 감소했음을 나타낸다.
이러한 결과를 통해 환자의 보행이 얼마나 어떻게 개선되었는지를 객관적이고 정량적으로 확인할 수 있다. 또한 수술 후 환자의 통증이 줄어들고 (시각적 아날로그 척도 : 2 점) 척추 측만 곡률이 교정된 것도 수술이 성공적이라는 것을 시사했다. Fig.
본 연구에서 제시한 보행분석 방법은 아직 개선해야할 사항이 있지만, 기존 방법에 비해 많은 장점이 있다. 보다 객관적이고 정량적이며 저렴한 비용으로 환자의 자연스러운 보행을 분석할 수 있고, 좌우 각각의 운동 역학 및 시공간적 분석을 할 수 있어 의료 영역에서 필요한 많은 정보를 제공할 할 수 있다.
또한 이 분석 방법은 DLS 및 척추협착증과 같은 간헐적 파행성 질환 또는 step 수가 증가함에 따라 증상이 악화되는 질환[9]을 평가할 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 4에서 step 수가 증가함에 따라 좌우 스윙의 불일치가 증가하는 것을 보여주었다.
또한 이러한 검사 방법은 질병 발생 및 진행의 조기 발견에도 유용하게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 수술 6개월 후 추적 검사에서 오른쪽의 스윙 시간이 왼쪽보다 약간 짧은 것을 발견하고, 후속 6분 보행검사에서 이를 확인하였다. 이는 검사를 수행한 의사의 육안 관찰을 통해서는 감지 할 수 없는 것이었다.
각 step의 스윙 시간을 Fig 4에 시계열적으로 나타내었다. 수술 전에는 오른쪽 다리의 스윙 지속 시간이 왼쪽 다리의 스윙 지속 시간보다 일관적으로 짧았고, step 수가 증가함에 따라 불일치 정도가 더욱 심해졌다. 그러나 수술 후에는 좌우 다리의 스윙 지속 시간이 거의 일치하였고, step 수가 증가하여도 불일치가 나타나지 않았다.
보속은 감소한 것으로 나타났는데, 이는 보폭이 증가함에 따라 스윙 횟수가 감소했음을 나타낸다. 수술 후 보행주기는 수술 전보다 길어졌고, 그 변동 폭이 크게 감소하였다. 이는 수술 후 왼쪽 다리의 지지력이 강화되어 왼쪽 다리의 스탠스 및 오른쪽 다리 스윙 시간이 증가하고 안정화된 결과를 나타낸다.
5B는 수술 전과 후 보행검사에서 나타난각 step별 양다리 x축 가속도 궤적의 불일치도를 보여준다. 수술 후 수술 전보다 전반적인 불일치도가 낮아졌고, 이는 대칭성이 개선되었음을 나타낸다.
Table 1은 H1: 수술 후 평균 직교 거리는 수술 전과 다르다는 가설에 대한 t- 검정 결과를 보여준다. 수술후 x-축 및 z-축 가속도와 y-축 각속도의 대칭성이 뚜렷이 개선된 것을 알 수 있다. x-축 및 z-축 가속도는 각각 전후 방향 및 상하 방향으로의 다리 움직임과 관련이 있고, y-축 각속도는 발목의 flexion/extension과 관련되어 있으므로 이러한 결과는 보행과 관련된 힘 및 각 운동량의 좌우 균형이 개선되었음을 나타낸다.
후속연구
본 연구에서 제시한 보행분석 방법은 아직 개선해야할 사항이 있지만, 기존 방법에 비해 많은 장점이 있다. 보다 객관적이고 정량적이며 저렴한 비용으로 환자의 자연스러운 보행을 분석할 수 있고, 좌우 각각의 운동 역학 및 시공간적 분석을 할 수 있어 의료 영역에서 필요한 많은 정보를 제공할 할 수 있다. 이러한 분석 방법은 향후 특정 질병의 보행 패턴을 정의하고 감별하여 적절한 치료방법을 결정하는 연구로 이어질 것이다.
측정값을 가공하여 보행의 시공간 변수를 계산하였고, 운동 역학적 관점을 포함하여 환자의 보행을 분석하였다. 본 연구가 관성 및 압력센서가 장착 된 웨어러블 장치를 사용하여 환자의 보행을 분석하고 평가하는데 길잡이 역할을 할 수 있기를 기대한다.
보다 객관적이고 정량적이며 저렴한 비용으로 환자의 자연스러운 보행을 분석할 수 있고, 좌우 각각의 운동 역학 및 시공간적 분석을 할 수 있어 의료 영역에서 필요한 많은 정보를 제공할 할 수 있다. 이러한 분석 방법은 향후 특정 질병의 보행 패턴을 정의하고 감별하여 적절한 치료방법을 결정하는 연구로 이어질 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DLS가 일으키는 병리는 어떠한 것이 있는가?
DLS는 새롭게 생기거나 기존 척추 측만증이 노화에 의해 진행해 Cobb’s angle이 10°를 초과하는 것으로 정의된다. DLS는 척추의 퇴행성 변화에 의해 나타나는 복잡한 병리 현상이며, 척추 협착증, 추간판 퇴행, 척추 전만증, 척추 회전, 오정렬, 관절면 퇴행 및 분절 불안 정성을 포함하는 여러 퇴행성 병리가 알려져 있다.
단순한 노이즈 필터링 알고리즘을 사용할 때 문제점은 어떻게 나타나는가?
특히 노이즈 필터링 과정에서 문제가 발생할 수 있다. 단순한 노이즈 필터링 알고리즘을 사용하면 질병과 관련된 일부 비정 상적인 보행 패턴이 노이즈로 간주되어 필터링 될 수있다. 따라서 임상적으로 활용하기 위해서는 하드웨어의 정밀도를 높이기거나 특수한 필터링 알고리즘을 개발해야 하는데 이로 인해 검사 비용이 상승 할 수 있다.
척추측만증 수술을 받은 사람들 대상으로 스마트 깔창을 이용한 보행분석을 한 결과 어떻게 나타났는가?
깔창에는 8개의 압력센서, 가속도 및 각속도 센서가 있고, 각각의 측정값을 저장하여 환자의 수술 전후 보행특성(운동역학 및 시공간 변수)을 비교하였다. 분석결과 수술 후 환자의 모든 보행변수가 개선된 것을 알 수 있었고, 6개월 후 추적검사에서 환자의 보행이 더욱 안정된 것을 확인할 수 있었다. 하지만 환자가 오래 걸으면 한쪽 다리의 swing 시간이 다른 쪽에 비해 미세하게 짧은 현상이 다시 나타났는데, 이는 검사를 수행하는 의사의 육안으로는 발견할 수 없는 preclinical한 문제였다.
참고문헌 (10)
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