[논문]가상현실훈련과 위팔 기능적 전기자극이 만성 뇌졸중 환자의 위팔 근력, 능동관절운동과 기능에 미치는 효과

김동훈; 김경훈

doi:10.15268/ksim.2020.8.2.211

가상현실훈련과 위팔 기능적 전기자극이 만성 뇌졸중 환자의 위팔 근력, 능동관절운동과 기능에 미치는 효과
The Effects of Virtual Reality Training with Upper Limb Functional Electrical Stimulation to Improve on Muscle Strength, AROM, and Function of Upper Limb Joints in Patient with Chronic Stroke 원문보기

Journal of the Korean Society of Integrative Medicine = 대한통합의학회지, v.8 no.2, 2020년, pp.211 - 220

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose : The purpose of the present study is to examine the effects of VR training with FES on improving the muscle strength, AROM, and function of the upper limb joints in patients with chronic stroke. Methods : The present study makes use of a pre-post control group design. Thirty patients with chronic stroke were randomly assigned to two groups according to treatment method - the VRFES group and the control group. The VRFES group received 15 minutes of VR training and 15 minutes of FES treatment. The control group received 15 minutes of conservative physical therapy and 15 minutes of VR training. All subjects received 30 minutes of treatment, three times a week, for eight weeks, which amounted to 24 sessions of training. The muscle strength, AROM, and function of the upper extremities were measured before the training and eight weeks after. Upper limb muscle strength was tested using the Digital Manual Muscle Tester while AROM was measured using the Digital Dual Inclinometer. The clinical assessment tools for upper extremity function included the use of the Manual Function Test and the Jebsen-Taylor Hand Function Test. Results : Both groups exhibited great improvements in muscle strength and upper extremity function during the intervention period. The VRFES group exhibited a significant difference in muscle strength, AROM, and function of the upper extremities in comparison with the control group(p<.05). Our results reveal that VRFES is more effective for the muscle strength, AROM, and function of the upper extremities in patients with chronic stroke. Conclusion : VRFES treatment will be used as an important intervention for improving the muscle strength, AROM, and function of the upper extremities in patients with chronic stroke and achieving the functional recovery of the upper extremities.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig 1. Smart glove training
표 Table 1. Smart glove training
표 Table 1. General characteristics of subjects (n=30)
표 Table 2. Comparison of the upper extremity Strength, ROM, and function between the two groups (n=30)

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 뇌졸중 환자를 대상으로 가상현실과 기능적 전기자극 치료를 적용한 중재방법은 부족한 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 가상현실훈련과 기능적 전기 자극치료가 만성 뇌졸중 환자의 위팔 근력, 능동관절운동과 기능에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
본 연구는 만성 뇌졸중 환자에게 가상현실 훈련을 통해 위팔 가상현실 훈련과 기능적 전기자극을 병행한 군(15명)과 보존적 치료와 유사 관절 운동을 시행한 대조군(15명)을 통해 위팔의 근력, 능동 관절 각도, 기능에 미치는 영향을 알아보았다. 연구결과를 바탕으로 VRFES군이 위팔 근력, 능동관절운동과 기능에서 효과적임을 알 수 있었다.
뇌졸중 환자에게 가상현실훈련을 병행한 기능적 전기자극을 통해 뇌졸중 환자가 보다 쉽고 안정적이며, 뇌 가소성에 자극을 줄 수 있도록 하였다. 본 연구는 만성 뇌졸중 환자의 위팔 기능 증진을 위한 하나의 중재 방법을 제시하여, 장기간의 치료가 요구될 수밖에 없는 뇌졸중 환자에게 적용할 수 있다는 것에 의의가 있다.
본 연구에서 만성 뇌졸중 환자의 위팔 근력, 능동관절범위, 기능 회복에 미치는 효과에 대해 알아보기 위해 가상현실훈련을 병행한 기능적 전기자극을 실시하였으며, 그 결과 만성 뇌졸중 환자의 위팔에 긍정적 영향을 확인하였다. 만성 뇌졸중 환자에게 위팔 기능의 회복은 독립적 일상생활에서 매우 중요한 요소이다.

제안 방법

센서 장비는 환자의 아래팔의 엎침/뒤침, 손목관절의 굽힘/폄, 노측/자측 치우침, 손가락 굽힘/ 폄과 같이 먼쪽 지절에 대한 움직임을 추적한다. 5개의 굽힘에 대한 센서는 손가락의 굽힘에 대해 측정이 가능하며 장갑 내 관성 측정 장치는 먼쪽 손가라관절의 3차원 방향을 측정하였다. 측정된 데이터는 블루투스 기능을 통해 시스템에 수신된다.
VRFES군은 15분간 가상현실훈련 시행 한 후 15분간 기능적 전기자극을 각각 시행하였다. 가상현실훈련은 몰입형 가상현실프로그램으로 RAPAEL Smart Glove™ (Neofect, Korea)를 장비를 사용하여 훈련을 하였다.
가상현실훈련은 몰입형 가상현실프로그램으로 RAPAEL Smart Glove™ (Neofect, Korea)를 장비를 사용하여 훈련을 하였다.
기능적 전기자극은 기능적 전기자극 치료기 Microstim (Medel GmbH, Germany)을 사용하여 위팔의 폄근에 실시하였다. 주파수는 40 ㎐, 펄스폭은 250 ㎲로 적용하였다.
Smart Glove의 훈련 게임은 Jung 등(2017)의 연구를 바탕으로 수정 보완하였으며, 위팔의 다양한 움직임을 포함하는데 움직임에 요소로는 아래팔의 엎침/뒤침, 수직면 손목관절의 굽힘/폄, 수평면(중력을 제거한 상태) 손목관절의 굽힘/폄, 수직면 손목관절의 노측/자측 치우침, 수평면(중력을 제거한 상태) 손목관절 노측/자측 치우침, 손가락 굽힘/폄 그리고 그 외에 복합적 움직임 등이 있다(Jung 등, 2017)(Fig 1). 대상자들은 다양한 프로그램을 적용하여 실험하였다. 책장 넘기기, 오렌지 짜기, 페인트, 나비나 공 잡기, 와인 따르기, 바닥 청소하기, 낚시, 요리하기 등과 같이 일상생활동과 관련된 항목들을 통해 대상자의 동기부여와 프로그램 적응할 수 있도록 구성하였다.
본 연구 대상자는 제비뽑기를 이용하여 가상현실 훈련을 병행한 기능적 전기자극군 15명, 보존적 물리치료 훈련군 15명으로 나누어 두 그룹으로 배정하였다. 모든 대상자들은 주어진 훈련을 하루 60분, 주 3회, 8주간 훈련을 실시하였다. 연구 시작 전에 서면을 통해 연구의 목적, 연구내용, 연구방법, 그리고 비밀유지에 대해 충분히 설명하였다.
본 연구 대상자는 제비뽑기를 이용하여 가상현실 훈련을 병행한 기능적 전기자극군 15명, 보존적 물리치료 훈련군 15명으로 나누어 두 그룹으로 배정하였다. 모든 대상자들은 주어진 훈련을 하루 60분, 주 3회, 8주간 훈련을 실시하였다.
본 연구에 참여한 30명의 대상자를 VRFES군, CON군으로 무작위로 나누어 진행하였다. 대상자의 일반적 특성에서 집단별 유의한 차이가 나타나지 않았다.
대상자는 팔걸이가 없는 의자에 똑바른 앉은 자세를 취하였다. 손목관절 폄근, 팔꿉관절 폄근에 부착하여 기능적 전기자극을 주었다. 자극의 강도는 근수축이 일어나도록 하면서 통증은 유발되지 않는 범위 내에서 조절하였다(Kesar 등, 2009).
손목관절 굽힘근과 폄근 측정 시 대상자의 두 팔을 책상 위에 올리고, 도수 근력계의 센서를 대상자의 손허리뼈에 위치하여 손목을 굽힘, 폄하는 동안 나타나는 근력을 측정하였다.
팔꿉관절의 굽힘 측정 시 의자에 대상자는 앉고, 어깨관절을 90 °로 굽힘 상태에서, 팔꿉관절은 중립상태에 위치한 후 측정하였고, 팔꿉관절 폄 측정 시 매트에 대상자는 엎드린 자세로 팔꿈치가 밖으로 나온 상태로 측정하였다. 손목관절의 굽힘과 폄 측정을 위해 의자에 대상자는 앉은 상태로 한 쪽의 센서는 손목의 배측에 부착하고, 다른 쪽 센서는 아래팔에 부착하여 치료사의 지시를 통해 굽힘, 폄을 측정하였다. 모든 측정은 3회 반복 측정하고 평균값을 사용하였다(Scibek & Carcia, 2014).
측정은 디지털 초시계를 사용하여 7개 항목에 대해 검사를 실시하였다. 우세손(비마비측)을 통해 방법을 인지시키고 비우세(마비측)을 측정하였다. 각 항목마다 10회의 훈련을 거쳐 3회 측정값의 평균값을 결과값으로 사용하였다(Boggio 등, 2006).
대상자들은 다양한 프로그램을 적용하여 실험하였다. 책장 넘기기, 오렌지 짜기, 페인트, 나비나 공 잡기, 와인 따르기, 바닥 청소하기, 낚시, 요리하기 등과 같이 일상생활동과 관련된 항목들을 통해 대상자의 동기부여와 프로그램 적응할 수 있도록 구성하였다.
대상자에게 각 측정 과제에 대해 충분히 설명한 후 검사를 시작하였다. 측정은 디지털 초시계를 사용하여 7개 항목에 대해 검사를 실시하였다. 우세손(비마비측)을 통해 방법을 인지시키고 비우세(마비측)을 측정하였다.
팔꿉관절의 굽힘 측정 시 의자에 대상자는 앉고, 어깨관절을 90 °로 굽힘 상태에서, 팔꿉관절은 중립상태에 위치한 후 측정하였고, 팔꿉관절 폄 측정 시 매트에 대상자는 엎드린 자세로 팔꿈치가 밖으로 나온 상태로 측정하였다.
팔꿉관절의 굽힘근에 대한 측정 시 대상자의 아래팔을 뒤침으로 유지시킨 다음 아래팔의 먼 쪽에 센서를 위치하여 팔꿉관절 굽힘을 시행하는 동안 근력을 측정하였고, 팔꿉관절의 폄근 측정 시에는 대상자를 매트에 엎드린 자세에서 아래팔을 침대 밖으로 나오게 한 후, 측정 센서를 아래팔의 먼 쪽으로 위치하여 폄 움직임을 하는 동안 근력을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구는 경기도 성남시에 위치한 N 재활병원에 뇌졸중 환자 30명을 대상으로 실험을 진행하였다. 대상자들은 본 연구에 자발적으로 참여하였으며 연구진행에 대해 충분하게 설명을 실시한 후 연구 참여 동의서에 서명을 받았다.
선정 조건은 처음으로 뇌졸중으로 진단받고 6개월 이상 경과된 환자, 한국판 간이정신상태검사(Mini-Mental Status Examination Korean version, MMES-K)의 24점 보다 높은 점수로 인지적 손상이 없는 자(Yang 등, 2019), 위팔에 정형외과적 손상이 없는 자, 기타 신경학적 손상이 없는 자, 마비측 위팔의 도수근력검사(manual muscle test, MMT)에서 gradeⅡ 이상이며, 마비 측 손목관절의 관절가동범위가 최소 20° 폄, 손허리손가락관절(Metacarpophalangeal joint, MP joint)과 손목뼈사이관절(carpal joint)을 최소 10 ° 이상 폄시킬 수 있는 자로 선정하였다.
대상자들은 본 연구에 자발적으로 참여하였으며 연구진행에 대해 충분하게 설명을 실시한 후 연구 참여 동의서에 서명을 받았다. 선정조건은 연구 목적에 대하여 충족되는 대상자 30명을 선정하여 실시하였다(Yang 등, 2019). 선정 조건은 처음으로 뇌졸중으로 진단받고 6개월 이상 경과된 환자, 한국판 간이정신상태검사(Mini-Mental Status Examination Korean version, MMES-K)의 24점 보다 높은 점수로 인지적 손상이 없는 자(Yang 등, 2019), 위팔에 정형외과적 손상이 없는 자, 기타 신경학적 손상이 없는 자, 마비측 위팔의 도수근력검사(manual muscle test, MMT)에서 gradeⅡ 이상이며, 마비 측 손목관절의 관절가동범위가 최소 20° 폄, 손허리손가락관절(Metacarpophalangeal joint, MP joint)과 손목뼈사이관절(carpal joint)을 최소 10 ° 이상 폄시킬 수 있는 자로 선정하였다.
제외 조건은 편측 무시와 반맹증이 있는 환자, 시각과 청각, 전정감각에 문제가 있는 자, 고혈압과 심혈관계의 문제가 있는 자, 발작의 약물을 먹고 있는 자, 파킨슨병 또는 말초신경장애와 같이 신경 병변이 있는 환자, 위팔의 감각소실 및 감각 과민증이 있는 자는 제외하였다. 연구 대상자의 수 산정은 G-power software를 사용하여 effects d=0.8, alpha 레벨은 0.60~0.50으로 설정하여 30명을 대상자로 선정하였다.
기능적 전기자극은 기능적 전기자극 치료기 Microstim (Medel GmbH, Germany)을 사용하여 위팔의 폄근에 실시하였다. 주파수는 40 ㎐, 펄스폭은 250 ㎲로 적용하였다. 대상자는 팔걸이가 없는 의자에 똑바른 앉은 자세를 취하였다.

데이터처리

모든 측정은 3회 반복 측정하고 평균값을 사용하였다(Scibek & Carcia, 2014).
손목관절 굽힘근과 폄근 측정 시 대상자의 두 팔을 책상 위에 올리고, 도수 근력계의 센서를 대상자의 손허리뼈에 위치하여 손목을 굽힘, 폄하는 동안 나타나는 근력을 측정하였다. 모든 측정은 3회 반복 측정하여 평균값을 사용하였다. 측정자 내 신뢰도 r=.
집단 내 치료 전·후의 차이를 비교하기 위해서 대응표본 t-검정을 시행하였으며, 집단 간 차이의 변화량을 알기 위해서 독립표본 t-검정으로 분석하였다.
0을 사용하였다. 참여 대상자의 일반적 특성 중 마비 측, 성별, 뇌졸중 유형은 카이제곱 검정을 나이, 두 집단의 훈련 이전의 종속변수의 동질성은 독립표본 t-검정을 통해 검정하였다. 집단 내 치료 전·후의 차이를 비교하기 위해서 대응표본 t-검정을 시행하였으며, 집단 간 차이의 변화량을 알기 위해서 독립표본 t-검정으로 분석하였다.

이론/모형

대상자의 위팔 능동적 근력의 변화를 측정하기 위해 도수 근력계(The Commander Muscle Tester, Jtech-Medical, USA)를 이용하였다. 팔꿉관절의 굽힘근에 대한 측정 시 대상자의 아래팔을 뒤침으로 유지시킨 다음 아래팔의 먼 쪽에 센서를 위치하여 팔꿉관절 굽힘을 시행하는 동안 근력을 측정하였고, 팔꿉관절의 폄근 측정 시에는 대상자를 매트에 엎드린 자세에서 아래팔을 침대 밖으로 나오게 한 후, 측정 센서를 아래팔의 먼 쪽으로 위치하여 폄 움직임을 하는 동안 근력을 측정하였다.
팔꿉관절과 손목관절의 굽힘과 폄의 능동적 관절가동범위 측정을 위해 듀얼 경사계(Dualer IQ Inclinometer, Jtech-Medical, USA)를 사용하였다. 팔꿉관절의 굽힘과 폄의 가동범위 측정 시 한 쪽 센서는 아래팔에 부착하고 다른 쪽 센서는 벨크로를 이용하여 위팔에 부착하였다.

성능/효과

VRFES군과 CON군 모두 실험 전·후 집단 내에서 유의한 차이를 보였다.
하지만 임상에서 실제 재활과정에서 회복하는 것은 많은 장애가 있는 실정이다. 뇌졸중 환자에게 가상현실훈련을 병행한 기능적 전기자극을 통해 뇌졸중 환자가 보다 쉽고 안정적이며, 뇌 가소성에 자극을 줄 수 있도록 하였다. 본 연구는 만성 뇌졸중 환자의 위팔 기능 증진을 위한 하나의 중재 방법을 제시하여, 장기간의 치료가 요구될 수밖에 없는 뇌졸중 환자에게 적용할 수 있다는 것에 의의가 있다.
Massimiliano 등(2017)은 로봇 보조장치를 통한 손의 수동적 움직임 훈련에서 손의 경직이 감소하였다고 하였으며, Summers 등(2007)은 뇌졸중 환자에게 나무 블록 옮기기 위팔 훈련을 한 결과 팔꿉관절의 가동범위가 유의한 차이를 나타내었다. 본 연구에서 팔꿉관절 및 손목관절의 능동관절가동범위의 변화는 두 군 모두 훈련 전 후 유의한 차이가 나타났으며, 군간 비교에서 VRFES군이 더 유의한 증진을 보였다. 이는 가상현실 기기와 함께 반복된 움직임과 말초 관절의 순환에 증진이 관절 각도에 변화를 준 것으로 생각되며, 전기자극이 근육에 가해지면서 고유수용성 되먹임 작용으로 인해 체성감각겉질에 전달되어 감각운동회로가 증진되며 이러한 기전으로 능동 관절가동범위가 증가되었다고 생각된다.
그리고 Powell 등(1999)은 손목관절 폄근에 전기자극을 적용하여 근력변화의 유의성을 보고하였다. 본 연구에서도 위팔 근력의 변화는 두 군 모두 유의하게 증가하였고, 군간 비교에서는 VRFES군에서 더 유의한 증진을 보였다. 이는 본 연구에서의 가상현실 프로그램의 훈련 방법이 다양한 과제 지향적인 운동프로그램으로 운동감각 피드백을 강화시킨 것(Teasell 등, 2008)으로 사료되며, 헤비안 연접(hebbian synapse)은 위운동신경세포와 아래운동신경세포가 연접을 이루는 부분으로 척수 수준의 역행성 신경 전도성 증가, 겉질 재조직화와 함께 FES의 효과를 뒷받침할 수 있는 활동 의존적인 겉질 재조직화의 요소라고 할 수 있는데(Liepert 등, 2000; Thomas 등, 2002), 본 연구의 기능적 전기자극은 말초신경 활동을 증가시킴과 동시에 헤비안 수준의 가소성 변화를 증진 시켰을 것으로 생각된다.
뇌졸중 환자의 위팔기능 평가에 높은 신뢰도를 가지는 MFT는 위팔 운동 및 파악, 손가락 조작 등의 항목을 평가할 수 있다(Miyamoto 등, 2009). 본 연구의 가상현실 훈련과 기능적 전기자극의 위팔 기능을 알아보기 위한 MFT와 JTT의 변화에서 두 군 모두 증진이 있었으며, 그 중 VRFES군이 더 향상이 있었다. Dos 등(2013)은 뇌졸중 환자를 대상으로 한 말초신경 자극 훈련을 한 결과, JTT의 유의한 차이를 나타낸 논문과 일치한다.
대상자의 일반적 특성에서 집단별 유의한 차이가 나타나지 않았다. 성별, 뇌졸중의 유형, 마비 측에 집단별 유의한 차이가 나타나지 않았다(Table 1). 중재에 따른 종속변수에 대한 결과는 Table 2와 같다.
본 연구는 만성 뇌졸중 환자에게 가상현실 훈련을 통해 위팔 가상현실 훈련과 기능적 전기자극을 병행한 군(15명)과 보존적 치료와 유사 관절 운동을 시행한 대조군(15명)을 통해 위팔의 근력, 능동 관절 각도, 기능에 미치는 영향을 알아보았다. 연구결과를 바탕으로 VRFES군이 위팔 근력, 능동관절운동과 기능에서 효과적임을 알 수 있었다.
VRFES군과 CON군 모두 실험 전·후 집단 내에서 유의한 차이를 보였다. 위팔 근력, 위팔 관절가동범위, MFT, 그리고 JTT에서 두 군간 변화량 비교에서 모두 유의한 차이를 보였다.

후속연구

본 연구의 제한점으로는 연구대상자를 선정기준을 사용하여 기준을 충족한 대상자를 통해 연구를 실시하여 본 연구의 결과를 모든 만성 뇌졸중 환자에게 일반화하여 해석하는 것은 제한점이 있으며, 가상현실 과제의 다양성 및 대상자에게 부착하는 전기자극의 개인적 적응성에 대한 고려가 적었고, 대상자들의 일상생활에 대해 완벽하게 통제할 수 없어 중재 이외에 외부 요인이 대상자의 위팔 기능에 미치는 영향을 완전히 배제할 수 없다는 것이다. 앞으로는 보다 다양한 가상현실 과제훈련 방식, 대상자의 기능에 따른 난이도의 차이, 개인의 전기자극에 따른 적응성, 위팔 평가의 다양성 등을 고려하는 등의 다양한 연구가 필요하다고 사료된다.
본 연구의 제한점으로는 연구대상자를 선정기준을 사용하여 기준을 충족한 대상자를 통해 연구를 실시하여 본 연구의 결과를 모든 만성 뇌졸중 환자에게 일반화하여 해석하는 것은 제한점이 있으며, 가상현실 과제의 다양성 및 대상자에게 부착하는 전기자극의 개인적 적응성에 대한 고려가 적었고, 대상자들의 일상생활에 대해 완벽하게 통제할 수 없어 중재 이외에 외부 요인이 대상자의 위팔 기능에 미치는 영향을 완전히 배제할 수 없다는 것이다. 앞으로는 보다 다양한 가상현실 과제훈련 방식, 대상자의 기능에 따른 난이도의 차이, 개인의 전기자극에 따른 적응성, 위팔 평가의 다양성 등을 고려하는 등의 다양한 연구가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뇌졸중의 증상은 무엇인가?	뇌졸중은 뇌 영역의 혈류가 차단되어 발생하며, 이때 뇌세포는 산소 공급이 중단되어 죽기 시작하며, 이로 인한 세포의 죽음은 기억과 근육 조절같이 뇌 영역에서 통제되는 능력을 상실하게 만든다(American Stroke Association, 2020).
	팔꿉관절 및 손목관절의 능동관절가동범위의 변화가 나타난 원인은 무엇인가?	본 연구에서 팔꿉관절 및 손목관절의 능동관절가동범위의 변화는 두 군 모두 훈련 전 후 유의한 차이가 나타났으며, 군간 비교에서 VRFES군이 더 유의한 증진을 보였다. 이는 가상현실 기기와 함께 반복된 움직임과 말초 관절의 순환에 증진이 관절 각도에 변화를 준 것으로 생각되며, 전기자극이 근육에 가해지면서 고유수용성 되먹임 작용으로 인해 체성감각겉질에 전달되어 감각운동회로가 증진되며 이러한 기전으로 능동 관절가동범위가 증가되었다고 생각된다.
	뇌졸중 환자에게 기능적 전기자극을 활용하는 이유는 무엇인가?	기능적 전기자극(functional electrical stimulation; FES) 은 환자에게 근육의 근 재교육을 통해 훈련을 진행하여 운동 재학습을 최대로 올릴 수 있도록 제공하는 치료법으로(Chae와 Yu, 2000), 뇌졸중 환자의 기능 회복을 위해 많이 적용되고 있으며, 마비 혹은 약화된 근육에 대해 전기자극을 통해 근 수축을 유발시켜 근위축의 방지, 근육 내성 유지, 근력강화, 기능적 움직임의 재교육을 시킬 수 있다(Kapadia 등, 2014). 또한 손상 부분 이후의 잔여 신경전도로를 통하여 중추 신경계의 침해를 받은 환자들에게 해당 부분의 기능 회복을 도와준다(Thompson 등, 2005).

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저자의 다른 논문 :

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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