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문제 정의
- 본 연구에서는 동작관찰 동안 제공되는 FES의 강도에 의해 나타나는 변화를 CMC를 통해 비교분석하고, 효율적인 FES의 적용강도에 대한 신경생리학적인 근거를 제시하고자 실시되었다. 그 결과 베타밴드 대역에서 average CMC가 감각자극수준과 신경자극수준에 비해 운동자극수준에서 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p < 0.
- 또한 뇌와 근육 사이의 기능적연결을 평가하는 도구인 CMC를 통해 신경생리학적인 변화를 보고한 연구도 부족한 상태이다. 이에 본 연구에서는 동작관찰 동안 제공되는 FES의 강도에 의해 나타나는 변화를 CMC를 통해 비교분석하고, 효율적인 FES의 적용강도에 대한 신경생리학적인 근거를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 24채널 전산화 무선뇌파측정기 Neurofax EEG-1200 (Nihonkhoden corprtation, Tokyo, Japan)를 이용하였다. 전극은 ‘국제 10-20 전극 시스템(international 10-20 electrode system)’에 따라 부착되었고, C3를 활성전극으로 한 AV delete 전극유도를 통해 전위의 차이가 계산되었다.
- 2개의 전극은 이극배치법(bipolar placement)으로 부착되었고 맥동기간 300 μs, 자극주파수 30 Hz, 위상성 지속 전류(biphasic constant current)로 설정하여 되었다.
- 2개의 전극은 이극배치법(bipolar placement)으로 부착되었고 맥동기간 300 μs, 자극주파수 30 Hz, 위상성 지속 전류(biphasic constant current)로 설정하여 되었다. 감각수준의 자극을 제공하는 동안에는 대상자가 느끼는 최소한의 자극 강도보다 2-3배 높게설정(2-6 mA)하여 제공하였고, 신경수준의 자극을 하는 동안에는 손목관절 폄근의 수축에 의해 움직임이 유발되는 최소한의 강도보다 10% 낮게 설정(8-14 mA)하여 가시적 근수축이 유발되지 않는 강도로 설정하였다. 운동수준의 자극은 대상자가 불쾌감을 느끼지 않으면서 손목관절의 폄이 실제 움직임의 각도와 비슷하게 유발되는 강도(12-20 mA)로 제공하였다.
- 본 연구에서는 동작관찰과 동시에 제공되는 기능적 전기자극의 강도 변이에 나타나는 신경생리학적인 변화를 겉질근육코히런스를 통해 분석하였다. 그 결과 근수축으로 인해 실제적 움직임의 각도와 비슷하게 유발되는 FES강도에서 겉질근육코히런스가 유의하게 증가하는 것으로 나타났다.
- CMC를 계산하기 위해 동시적으로 측정된 EEG의 원데이터와 정류화된 EMG 신호를 사용하였다. 본 연구에서는 전체 윈도우 중 각 7초 동안의 자극에 대하여 매 5초 간격으로 잘라서 데이터를 사용하였으며, 수집된 각 1,000개의 데이터는 MATLAB soft-ware (The MathWorks, US)를 사용하여 분석하였다.
- 감각수준의 자극을 제공하는 동안에는 대상자가 느끼는 최소한의 자극 강도보다 2-3배 높게설정(2-6 mA)하여 제공하였고, 신경수준의 자극을 하는 동안에는 손목관절 폄근의 수축에 의해 움직임이 유발되는 최소한의 강도보다 10% 낮게 설정(8-14 mA)하여 가시적 근수축이 유발되지 않는 강도로 설정하였다. 운동수준의 자극은 대상자가 불쾌감을 느끼지 않으면서 손목관절의 폄이 실제 움직임의 각도와 비슷하게 유발되는 강도(12-20 mA)로 제공하였다.22,23 각 자극은 통전시간 5초, 경사증가 및 감소시간 각 1초로 총 7초동안 지속되었다.
- FES와 동작관찰이 동시에 제공되는 동안 EEG와 EMG가 측정되었고, FES 강도 변이에 따라 반복적으로 측정받았다. 자극 강도 조절에 의해 감각수준의 자극, 신경수준의 자극, 운동수준의 자극으로 총 3 session이 진행되었고, 각 session당 5회 반복 자극됨에 따라 총 15회의 시도가 이루어졌다. 대상자의 피로를 방지하기 위해 각 session 사이에는 60초 가량의 휴식이 제공되었고, 순서에 의한 효과를 배제하기 위해 무선배치 되어 진행되었다.
- 전극이 부착된 위치는 손목관절 폄근의 근복(muscle belly)으로부터 2 cm 떨어진 몸쪽(proximal part)이며 근육섬유의 주행 방향에 평행하게 부착하였다. 표본추출률(sampling rate) 2,000 Hz로 획득된 아날로그 신호는 Delsys EMG Works Acquisition 소프트웨어를 이용하여 Remove mean, band pass filter (2-500 Hz), Resampled (200 Hz) 과정을 거쳐 디지털 신호로 변환된 다음 분석을 위해 컴퓨터에 파일로 저장되었다. 1,000개의 데이터가 매 5초단위로 수집되었고, 총 60-70개의 segment를 분석에 사용하였다.
대상 데이터
- 표본추출률(sampling rate) 2,000 Hz로 획득된 아날로그 신호는 Delsys EMG Works Acquisition 소프트웨어를 이용하여 Remove mean, band pass filter (2-500 Hz), Resampled (200 Hz) 과정을 거쳐 디지털 신호로 변환된 다음 분석을 위해 컴퓨터에 파일로 저장되었다. 1,000개의 데이터가 매 5초단위로 수집되었고, 총 60-70개의 segment를 분석에 사용하였다.
- CMC를 계산하기 위해 동시적으로 측정된 EEG의 원데이터와 정류화된 EMG 신호를 사용하였다. 본 연구에서는 전체 윈도우 중 각 7초 동안의 자극에 대하여 매 5초 간격으로 잘라서 데이터를 사용하였으며, 수집된 각 1,000개의 데이터는 MATLAB soft-ware (The MathWorks, US)를 사용하여 분석하였다.
- 기능적전기자극기 Microstim (MedelGmBH, Berlin, Germany)는 손목 관절 폄근에 적용되었다. 2개의 전극은 이극배치법(bipolar placement)으로 부착되었고 맥동기간 300 μs, 자극주파수 30 Hz, 위상성 지속 전류(biphasic constant current)로 설정하여 되었다.
- 본 연구는 건강한 20/30대(평균 25± 3) 성인 27명을 대상으로 하였다.
- 본 연구에서는 Delsys Triagno Wireless EMG system (Delsys Inc., Boston, MA, USA)을 사용하여 근전도 신호를 획득하였다. 피부 저항을 최소화하기 위해 아래팔을 의료용 알코올로 깨끗이 닦아낸 후 전극을 부착하였다.
데이터처리
- 분석은 8-13 Hz의 알파밴드, 14-30 Hz의 베타밴드, 그리고 31-50Hz 의 감마밴드로 나누어 진행되었고, 통계적 분석에 앞서 가우시안 분포를 만들기 위해 코히런스의 제곱근에 Fisher의 Z변환을 적용하였다. FES 강도에 의한 각 주파수 대역별 CMC값 차이를 분석하기 위해 분산분석을 실시하였고, 사후검정은 bonferroni를 이용하였다. 통계학적유의수준 p는 0.
- 동작관찰과 동시에 FES를 제공하는 동안 자극강도의 차이에 따른 각 대역별 CMC 값의 통계적 차이를 알아보기 위해 average CMC를 분산분석 하였다. 그 결과 베타 CMC에서 유의한 차이를 나타내었고 (p < 0.
이론/모형
- 분석은 8-13 Hz의 알파밴드, 14-30 Hz의 베타밴드, 그리고 31-50Hz 의 감마밴드로 나누어 진행되었고, 통계적 분석에 앞서 가우시안 분포를 만들기 위해 코히런스의 제곱근에 Fisher의 Z변환을 적용하였다. FES 강도에 의한 각 주파수 대역별 CMC값 차이를 분석하기 위해 분산분석을 실시하였고, 사후검정은 bonferroni를 이용하였다.
성능/효과
- 4 실제적 움직임 혹은 움직임 관련 감각입력 증가는 일차운동겉질(primary motor cortex) 및 감각운동겉질(sensory motor cortex)의 진동 변화를 유발시킨다.2 자발적 움직임의 발생은 대뇌(cerebrum)가 해당 근육에 대한 수축을 지시한 결과로, 대뇌겉질의 율동적 진동 활동과 동시에 근육의 활성에 영향을 미치게 된다.3
- 본 연구에서는 동작관찰과 동시에 제공되는 기능적 전기자극의 강도 변이에 나타나는 신경생리학적인 변화를 겉질근육코히런스를 통해 분석하였다. 그 결과 근수축으로 인해 실제적 움직임의 각도와 비슷하게 유발되는 FES강도에서 겉질근육코히런스가 유의하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 제공되는 FES의 강도가 대뇌와 근육 사이의 기능적 연결에 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 결과로써, 동작 관찰동안에 동시적으로 제공되는 FES의 효과적인 강도를 제시하는 신경생리학적인 근거가 될 것이라 생각된다.
- 그 결과 베타 CMC에서 유의한 차이를 나타내었고 (p < 0.05)(Table 1), bonferroni방법을 이용한 사후검정결과 감각자극 수준과 신경자극수준에 비해 운동자극수준에서 유의한 증가가 나타났다.
- 그 결과 베타밴드 대역에서 average CMC가 감각자극수준과 신경자극수준에 비해 운동자극수준에서 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p < 0.05).
- 본 연구는 건강한 20/30대(평균 25± 3) 성인 27명을 대상으로 하였다. 모든 대상자는 오른손잡이인 자, 정상이거나 정상으로 교정된 시력을 지닌 자, 신경학적 질환의 병력이 없는 건강한 자로 제한되었다. 또한 연구의 목적 등에 관한 구체적 설명을 들은 이후에 자발적으로 참여하였다.
- 또한 Houdayer 등23은 13-30 Hz의 베타파가 감각 정보의 입력증가, 감각통합 및 운동실행과 매우 밀접한 관련성을 있고, 베타대역의 변화는 입력된 감각정보의 처리과정에 대한 유용한 방법이 될 수 있다고 보고한 바 있다. 본 연구에서는 FES를 해당 분절의 실제적 움직임이 유발되는 수준의 강도로 적용할때 베타CMC가 증가하는 것으로 나타났고, 이는 CMC가 제공되고 있는 동작관찰에 의해 운동겉질의 활동뿐만 아니라, 근육으로부터 오는 정보의 강도에 의해 영향을 받는다는 것을 보여주는 것으로 추측되고, 이는 효과적인 FES의 제공 강도의 신경생리학적인 근거를 제시하는 결과라고 보여진다.
- 대상자의 1 m 앞에 높인 27인치 모니터에서 동작관찰영상이 제공되었다. 전방에 위치한 컵을 잡는 손 동작이 7초 동안 재생되었고, 모든 대상자들은 동일한 영상을 총 35회 반복적으로 제공받았다.
후속연구
- 이는 제공되는 FES의 강도가 대뇌와 근육 사이의 기능적 연결에 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 결과로써, 동작 관찰동안에 동시적으로 제공되는 FES의 효과적인 강도를 제시하는 신경생리학적인 근거가 될 것이라 생각된다. 본 연구의 결과가 신경계손상으로 인해 기능이 결여된 환자에 대한 신경재활의 임상적 기초 자료로 활용되기를 기대해본다.
- 그 결과 근수축으로 인해 실제적 움직임의 각도와 비슷하게 유발되는 FES강도에서 겉질근육코히런스가 유의하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 제공되는 FES의 강도가 대뇌와 근육 사이의 기능적 연결에 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 결과로써, 동작 관찰동안에 동시적으로 제공되는 FES의 효과적인 강도를 제시하는 신경생리학적인 근거가 될 것이라 생각된다. 본 연구의 결과가 신경계손상으로 인해 기능이 결여된 환자에 대한 신경재활의 임상적 기초 자료로 활용되기를 기대해본다.
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