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문제 정의
- 또한 선행연구들은 소수의 건강한 남성들을 대상으로 하였을 뿐 주 사용층인 뇌졸중 환자를 대상으로 그라마이저 운동 효과를 입증한 연구는 아직 없다. 따라서 본 연구는 뇌졸중 환자를 대상으로 그라마이저 운동 전과 후의 팔 뻗기(reaching) 동작을 비교하여 그라마이저 운동이 팔 운동성에 미치는 즉각적인 효과를 알아보았다.
- 본 연구는 뇌졸중 환자가 그라마이저 운동을 하였을 때 팔 뻗기에 미치는 즉각적인 효과에 대하여 알아보았다. 연구 결과 한 번의 치료 시간인 30분의 절반에 해당하는 15분간 그라마이저 운동을 한 후 뻗기 거리가 증가하고 움직임의 매끄러움 정도가 향상되었다.
- 본 연구는 뇌졸중 환자가 기계적 보조 장비인 그라마이저를 이용하여 15분여간 팔 운동을 하였을 때 뻗는 움직임에 즉각적인 효과가 있는지 알아보았다. 연구 결과 그라마이저 운동 후 팔을 뻗는 거리가 증가하였고, 움직임의 매끄러움도 더 좋아진 것으로 밝혀졌다.
- 본 연구는 대조군 없이 하나의 집단에 대하여 중재 전과 후의 결과를 비교하였다. 그라마이저 운동 전 3차원 전자기장 움직임 추적 체제를 이용하여 마비 측 팔의 뻗는 동작을 3회 측정하였다.
가설 설정
- 중재 전 측정이 끝나면 손목에 부착했던 감지기를 떼어낸 뒤, 대상자는 그라마이저를 이용하여 능동 팔 회전 운동을 15분 이내에 500회 실시하였다. 임상에서 환자와 치료사간 이루어지는 일대일 치료 시간인 30분의 반 정도를 치료사의 직접적인 치료를 받고, 나머지 15분 정도를 보조도구인 그라마이저를 이용한다는 가정하에 시간을 설정하였다. 또한 대상자간 회전 운동 속도가 다르기 때문에 총 회전수를 500회로 똑같이 설정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 측정한 식탁 위에서의 팔을 뻗는 움직임은 2차원적 움직임에 가깝기 때문에 상하 움직임을 나타내는 z축의 자료는 제외하고 좌우와 앞뒤 움직임을 나타내는 x축과 y축의 자료만을 사용하였다. 각 감지기에서 수집된 원 자료를 5 Hz로 버터워스 필터링(Butterworth filter) 후 손목 감지기와 표적 감지기 사이의 최소 거리 및 손목 감지기의 총 이동거리, 움직임의 매끄러움(movement smoothness) 정도를 산출하였다. 손목 감지기와 표적 감지기 사이의 최소 거리는 대상자가 표적 감지기를 향하여 최대로 뻗었을 때 손목 감지기와 표적 감지기 사이의 최소 거리를 유클리드 거리(Euclidean distance)로 측정한 값이다(식 1).
- 본 연구는 대조군 없이 하나의 집단에 대하여 중재 전과 후의 결과를 비교하였다. 그라마이저 운동 전 3차원 전자기장 움직임 추적 체제를 이용하여 마비 측 팔의 뻗는 동작을 3회 측정하였다. 측정이 끝나면 곧바로 마비 측 팔의 그라마이저 운동을 실시하였고, 운동이 끝난 후 재측정을 처음과 동일하게 진행하였다.
- 연구대상자 모집 시 자발적으로 참여 의사를 밝힌 분들에 한하여 연구를 진행하였는데 그 수가 많지 않았다. 둘째, 그라마이저 운동 직후의 즉각적인 효과만 알아보았다. 운동의 효과가 얼마간 지속되는지 장기 추적 관찰을 하지 않아 그라마이저 운동의 장기적인 효과 여부를 알 수가 없다.
- 뇌졸중 환자 치료 경력 10년 이상인 물리치료사가 실험을 총괄하였다. 먼저 대상자가 실험실에 도착하면 마비 측 팔의 능동적 관절 가동 범위와 수동적 관절 가동 범위를 확인하여 움직임이 발생하는 동안 혹은 대상자의 관절 가동 범위 끝 범위에서 통증이 있는지 확인하였다. 통증이 없는 것이 확인되면 대상자의 앉는 자세를 조정하는 것으로부터 실험을 시작하였다.
- 또한 원형 나무판과 팔 받침대 둘 다움직일 수 있는 이중 회전 구조를 갖추고 있어 넓은 호(arc)를 그리며 회전 운동을 할 수 있다. 본 연구에서는 그라마이저 운동 시 대상자의 몸통이 움직이지 않는 범위에서 가장 넓은 호를 그리는 지점에 회전축을 고정하여 능동운동을 실시하였다.
- 혼합-효과 선형 회귀 모형은 고정 요인(fixed factor)과 무작위 요인(random factor)을 모두 포함하는 최신 통계 모형으로써 동일 대상자를 반복 측정 시 생길 수 있는 결측값을 처리할 수 있는 이점이 있다. 본 연구에서는 그라마이저 운동 전과 후의 시간적 요인을 고정 요인으로 대상자 개개인을 무작위 요인으로 지정하여 뇌졸중 환자마다 다를 수 있는 변화의 차이를 교정하였다. 특히 고정 요인이 범주형 변수(categorical variable)인 그라마이저 운동 전과 후의 시간적 요인 하나뿐으로 상호작용 효과가 없기 때문에 선형 회귀의 절편이 무작위 요인으로 지정되었다.
- 유클리드 거리 계산식으로 손목 및 표적 감지기 사이의 거리를 계산하였고, 그중 최소 거리를 찾아 사용하였다. 손목 감지기의 총 이동거리는 표적 감지기를 향하여 움직이기 시작한 시작점부터 표적 감지기에 최대한 가깝게 팔을 뻗은 시점까지의 편도 이동 거리(oneway reach out movement distance)로 설정하였다. 팔을 뻗는 것은 팔꿈치가 펴지는 동작이기 때문에 팔꿈치가 구부러지며 다시 시작점으로 돌아오는 거리는 제외시켰다.
- 시작 자세는 마비 측손만 테이블 위의 같은 쪽 시작점에 손목을 위치시키고, 비 마비 측 손은 무릎 위에 위치하도록 하였다. 시작 자세가 완비되면 마비 측 손목 손등 부위의 노뼈붓돌기(radial styloid process)와 자뼈붓돌기(ulnar styloid process) 사이 중간 지점에 감지기를 부착하였고, 표적(target) 감지기는 대상자의 마비 측 방향으로 송신기에서 50 cm 떨어진 지점에 고정시킨 뒤 대상자에게 위치를 확인시켰다. 연구자의 “시작”이란 구령과 함께 대상자는 본인의 최대 속도로 마비 측 손을 표적 감지기가 있는 곳으로 최대한 뻗어 3초간 유지 후 다시 시작 위치로 돌아오도록 하였다.
- 엉덩 관절(hip joint) 90° 굽힘(flexion), 무릎 관절(knee joint) 90° 굽힘 상태로 대상자가 앉으면 대상자의 칼돌기(xiphoid process) 높이로 전동 식탁의 높이를 조절하였다.
- 연구자의 “시작”이란 구령과 함께 대상자는 본인의 최대 속도로 마비 측 손을 표적 감지기가 있는 곳으로 최대한 뻗어 3초간 유지 후 다시 시작 위치로 돌아오도록 하였다.
- 좌측 마비 환자는 먼저 시계 방향으로 50회 회전 후 반시계 방향으로 50회 회전을 하였고, 이후 교대로 50회씩 총 500 회의 회전 운동을 하였다. 우측 마비 환자는 반시계 방향으로 먼저 50 회 회전 후 위와 같이 교대하는 방법으로 총 500회의 회전 운동을 하였다.
- 이와 같이 팔을 뻗는 거리의 양적인 증가를 확인하였을 뿐만 아니라 움직임의 질적인 면도 좋아진 것으로 이번 연구를 통해 밝혀졌다. 움직임의 속도 변화 시, 즉 가속과 감속이 교차할 때 나타나는 정점의 개수를 비교하여 움직임의 매끄러움 정도를 확인하였다. 일반 비장애인처럼 분절된 움직임 없이 매끄럽게 움직인다면 속도 그래프는 단일 정점을 보이지만, 뇌졸중 환자처럼 매끄럽지 않고 분절된 움직임을 보이면 속도 정점의 수가 더 많아지게 된다[29].
- 또한 대상자간 회전 운동 속도가 다르기 때문에 총 회전수를 500회로 똑같이 설정하였다. 좌측 마비 환자는 먼저 시계 방향으로 50회 회전 후 반시계 방향으로 50회 회전을 하였고, 이후 교대로 50회씩 총 500 회의 회전 운동을 하였다. 우측 마비 환자는 반시계 방향으로 먼저 50 회 회전 후 위와 같이 교대하는 방법으로 총 500회의 회전 운동을 하였다.
- 중재 전 측정이 끝나면 손목에 부착했던 감지기를 떼어낸 뒤, 대상자는 그라마이저를 이용하여 능동 팔 회전 운동을 15분 이내에 500회 실시하였다. 임상에서 환자와 치료사간 이루어지는 일대일 치료 시간인 30분의 반 정도를 치료사의 직접적인 치료를 받고, 나머지 15분 정도를 보조도구인 그라마이저를 이용한다는 가정하에 시간을 설정하였다.
- 한 번의 연습 과정을 거친 뒤 3회에 걸쳐 뻗기 동작을 측정하였다. 측정 후 15분여간 중재를 실시한 후 동일한 방법으로 재측정을 하였다.
- 그라마이저 운동 전 3차원 전자기장 움직임 추적 체제를 이용하여 마비 측 팔의 뻗는 동작을 3회 측정하였다. 측정이 끝나면 곧바로 마비 측 팔의 그라마이저 운동을 실시하였고, 운동이 끝난 후 재측정을 처음과 동일하게 진행하였다.
- 팔 운동기구 그라마이저(grahamizer II upper extremity exerciser; Sammons Preston, Bolingbrook, IL, USA)를 이용하여 대상자 스스로 마비 측 팔 운동을 시행하였다[Figure 4]. 그라마이저는 주로 뇌졸중 환자의 마비 측 팔 관절 가동 범위를 증진시키거나 지구력 및 근력 강화 목적으로 사용된다[23,24].
- 측정 전 팔을 최대로 뻗을 때 몸통이 구부러지는 보상 작용을 막기 위해 대상자 몸통을 의자 등받이 부분에 넓은 띠(strap)로 미리 고정하였다[Figure 3]. 한 번의 연습 과정을 거친 뒤 3회에 걸쳐 뻗기 동작을 측정하였다. 측정 후 15분여간 중재를 실시한 후 동일한 방법으로 재측정을 하였다.
대상 데이터
- 뇌졸중 환자 치료 경력 10년 이상인 물리치료사가 실험을 총괄하였다. 먼저 대상자가 실험실에 도착하면 마비 측 팔의 능동적 관절 가동 범위와 수동적 관절 가동 범위를 확인하여 움직임이 발생하는 동안 혹은 대상자의 관절 가동 범위 끝 범위에서 통증이 있는지 확인하였다.
- 3차원 전자기장 움직임 추적 체제로부터 수집된 자료를 처리하고 분석하기 위해 MATLAB (The Mathworks, Natick, MA, USA)을 이용하였다. 본 연구에서 측정한 식탁 위에서의 팔을 뻗는 움직임은 2차원적 움직임에 가깝기 때문에 상하 움직임을 나타내는 z축의 자료는 제외하고 좌우와 앞뒤 움직임을 나타내는 x축과 y축의 자료만을 사용하였다. 각 감지기에서 수집된 원 자료를 5 Hz로 버터워스 필터링(Butterworth filter) 후 손목 감지기와 표적 감지기 사이의 최소 거리 및 손목 감지기의 총 이동거리, 움직임의 매끄러움(movement smoothness) 정도를 산출하였다.
- 감지기의 실시간 공간좌표는 케이블을 통해 컴퓨터와 연결된 수신기(receiver)로 전송되어 감지기의 원자료가 컴퓨터에 저장된다. 본 연구에서는 두 개의 감지기를 사용하였고, 각 감지기에서 60 Hz의 속도로 자료를 수집하였다[26]. 팔 움직임을 측정할 때 전자기장 움직임 추적 체제의 타당도는 급간 내 상관 계수가 0.
- 참여의사를 밝힌 환자들 중 다음의 연구대상자 선정 기준에 해당되는 환자들만 연구대상자로 선정되었다. 본 연구의 대상자 선정 기준은 (1) 뇌졸중이 발병한 지 3개월 이상 지난 환자, (2) 최근 1개월 이내 한국어판 간이정신상태검사(Korean version of mini-mental status examination) 결과 24점 이상으로 연구자의 구두 지시를 정확히 이해하고 반응할 수 있는 자[25], (3) 마비 측 팔의 어깨와 팔꿈치, 손목 등 팔 관절에 골절 경력이 없고 정형외과적 수술이 없는 자, (4) 마비 측 팔을 움직일 때 팔 관절에 통증이 없는 자이다. 선정 기준을 모두 충족하였어도 30분 이상 앉아 있기 어려운 자는 제외되었다.
- 서울시 송파구 드림요양병원에서 재활치료를 받는 뇌졸중 환자들중 연구대상자 모집공고에 자발적으로 지원한 환자들을 대상으로 하였다. 참여의사를 밝힌 환자들 중 다음의 연구대상자 선정 기준에 해당되는 환자들만 연구대상자로 선정되었다.
- 선정 기준을 모두 충족하였어도 30분 이상 앉아 있기 어려운 자는 제외되었다. 최종적으로 연구에 참여한 환자는 22명(남자 11명, 여자 11명)으로 뇌출혈 환자가 10명, 뇌경색 환자는 12명이었고, 연구대상자들의 일반적 특성은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 본 연구 자료의 통계처리는 통계 프로그램 R 소프트웨어(R statistical software; R Core Team, Vienna, Austria)를 사용하였으며, 통계학적 유의수준은 α = 0.05로 하였다.
이론/모형
- 3차원 전자기장 움직임 추적 체제로부터 수집된 자료를 처리하고 분석하기 위해 MATLAB (The Mathworks, Natick, MA, USA)을 이용하였다. 본 연구에서 측정한 식탁 위에서의 팔을 뻗는 움직임은 2차원적 움직임에 가깝기 때문에 상하 움직임을 나타내는 z축의 자료는 제외하고 좌우와 앞뒤 움직임을 나타내는 x축과 y축의 자료만을 사용하였다.
- 05로 하였다. 그라마이저 운동 전과 후의 감지기 사이 거리, 손목 감지기가 움직인 거리, 팔 뻗는 속도의 정점 수를 비교하기 위해 혼합-효과 선형 회귀 모형(mixed-effect linear regression)을 사용하였다. 혼합-효과 선형 회귀 모형은 고정 요인(fixed factor)과 무작위 요인(random factor)을 모두 포함하는 최신 통계 모형으로써 동일 대상자를 반복 측정 시 생길 수 있는 결측값을 처리할 수 있는 이점이 있다.
- 운동 전후 뻗기 거리의 변화와 뻗는 움직임의 매끄러움을 비교하기 위하여 3차원 전자기장 움직임 추적 체제인 trakSTARTM (Ascension Technology Corporation, Burlington, VT, USA)를 사용하였다 (Figure 1). 가상의 3차원 전자기장 공간을 만드는 송신기(transmit-ter)는 직경 3 m, 구 형태의 전자기장을 형성한다.
- tx와 ty는 표적 감지기의 x, y좌표를 나타내며, xi 와 yI 는 손목 감지기의 i번 시점(i는 0부터 움직임의 끝까지)에서의 좌표를 나타낸다. 유클리드 거리 계산식으로 손목 및 표적 감지기 사이의 거리를 계산하였고, 그중 최소 거리를 찾아 사용하였다. 손목 감지기의 총 이동거리는 표적 감지기를 향하여 움직이기 시작한 시작점부터 표적 감지기에 최대한 가깝게 팔을 뻗은 시점까지의 편도 이동 거리(oneway reach out movement distance)로 설정하였다.
성능/효과
- 대상자 손목에 부착한 감지기가 움직인 편도 이동 거리는 그라마이저 운동 후 평균 20.25 mm 더 움직였고, 통계적으로 유의한 증가를 하였다(p < 0.05).
- 그라마이저 운동 후 정점에 이르는 개수가 감소한 것은 이러한 가속과 감속으로 만들어지는 정점이 줄었다는 것을 의미하며, 곧 움직임의 매끄러움 정도가 개선되었다고 볼 수 있다. 따라서 손목 감지기와 표적 감지기 사이의 거리가 감소하고 손목 감지기의 편도 이동거리가 증가한 것 그리고 속도의 정점 수가 감소한 본 연구의 결과를 토대로 그라마이저 운동 후 뇌졸중 대상자들은 팔을 더 매끄럽게 멀리 뻗을 수 있게 되었다고 말할 수 있다. 일상생활 동작의 대부분이 팔을 뻗는 동작을 포함하는 것을 고려하면[31] 뇌졸중 환자의 팔 기능 재활에서 뻗는 움직임을 정확하게 운동하는 것은 매우 중요하다.
- 본 연구는 뇌졸중 환자가 기계적 보조 장비인 그라마이저를 이용하여 15분여간 팔 운동을 하였을 때 뻗는 움직임에 즉각적인 효과가 있는지 알아보았다. 연구 결과 그라마이저 운동 후 팔을 뻗는 거리가 증가하였고, 움직임의 매끄러움도 더 좋아진 것으로 밝혀졌다. 즉각적인 효과를 바탕으로 전체 치료 계획에서 초기에 그라마이저 운동을 한다면 좀 더 빠르고 효율적인 재활이 이루어질 것으로 생각된다.
- 본 연구는 뇌졸중 환자가 그라마이저 운동을 하였을 때 팔 뻗기에 미치는 즉각적인 효과에 대하여 알아보았다. 연구 결과 한 번의 치료 시간인 30분의 절반에 해당하는 15분간 그라마이저 운동을 한 후 뻗기 거리가 증가하고 움직임의 매끄러움 정도가 향상되었다.
- 일상생활 동작의 대부분이 팔을 뻗는 동작을 포함하는 것을 고려하면[31] 뇌졸중 환자의 팔 기능 재활에서 뻗는 움직임을 정확하게 운동하는 것은 매우 중요하다. 이번 연구 결과를 통하여 그라마이저 운동이 뇌졸중 환자에게 유용한 것으로 밝혀졌다.
- 동일한 출발점에서 시작한 움직임의 편도 이동 거리가 증가한 것은 그만큼 더 멀리 뻗었다고 판단할 수 있다. 이와 같이 팔을 뻗는 거리의 양적인 증가를 확인하였을 뿐만 아니라 움직임의 질적인 면도 좋아진 것으로 이번 연구를 통해 밝혀졌다. 움직임의 속도 변화 시, 즉 가속과 감속이 교차할 때 나타나는 정점의 개수를 비교하여 움직임의 매끄러움 정도를 확인하였다.
- 통계적으로 유의한 감소를 하였고 (p < 0.05), 그라마이저 운동 후 팔을 뻗는 움직임이 더 매끄러워졌다 [Table 3].
- 표적 감지기와 대상자 손목에 부착한 감지기 사이의 거리는 그라마이저 운동 후 평균 26.25 mm 가까워졌고, 통계적으로 유의한 감소를 하였다(p < 0.05).
후속연구
- 연구 결과 그라마이저 운동 후 팔을 뻗는 거리가 증가하였고, 움직임의 매끄러움도 더 좋아진 것으로 밝혀졌다. 즉각적인 효과를 바탕으로 전체 치료 계획에서 초기에 그라마이저 운동을 한다면 좀 더 빠르고 효율적인 재활이 이루어질 것으로 생각된다. 치료사의 노동 부담을 줄여주고 환자에게는 경제적인 부담이 없으며 임상에서 접하기 쉬운 점을 고려하였을 때 뇌졸중 환자의 팔 재활을 위하여 그라마이저 운동을 권장한다.
- 팔을 뻗을 때 몸이 앞으로 구부러지는 보상작용을 막기 위하여 대상자의 몸을 넓은 띠로 고정하였지만 완벽하게 통제하였다고 볼 수는 없다. 향후 측정 절차를 완벽하게 통제하고 많은 수의 대상자를 포함하는 그라마이저 운동의 장기적인 효과에 관한 연구가 필요하다고 생각된다.
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