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문제 정의
- 또한 장갑과 같이 손을 덧씌우지 않고 손가락에 영구자석만 착용하면 되는 엔드 이펙터 타입이기 때문에 환자의 순응도를 높일 수 있고, 환자 스스로 가동 가능한 힘을 이용하여 스스로 운동 수준을 조절할 수 있다. 따라서 본 연구자는 자기력에 기반한 최초의 손 재활기기를 개발하고 손 운동 기능 장애가 있는 뇌졸중 환자를 대상으로 기존 물리치료와 병행하여 재활 치료를 수행했을 때 치료적 효과를 조사하고자 하였다.
- 본 연구자는 이러한 단점이 임상에서 사용하는데 한계가 있음을 주목하고 자기력을 사용하는 기기 개발에 초점을 맞추었다. 자기력을 사용하는 기기는 여러가지 장점이 있다.
- 본 연구진은 자기력에 기반한 최초의 손 재활기기 프로토 타입을 개발하였다. 이 기기는 잡기, 펴기, 손가락 맞닿기, 비틀림 등 여러 가지 손가락 동작을 구현할 수 있으며 부작용 없이 보조적 능동 운동을 환자는 수행할 수 있다.
- 손가락의 굽힘/폄 동작은 손의 고유수용성 감각을 자극하고 손가락 근육의 단축을 예방하기 위한 스트레칭 운동을 자기력을 이용하여 실시하였다. 엄지손가락과 나머지 네 개의 개별 손가락을 이용하여 맞섬 동작 운동은 기능적 집게 동작을 보조하기 위한 목적으로 수행되었다. 중 수지 관절의 비틀림 운동은 손의 원위부 관절의 스트레칭을 목적으로 실시하였다.
- 엄지손가락과 나머지 네 개의 개별 손가락을 이용하여 맞섬 동작 운동은 기능적 집게 동작을 보조하기 위한 목적으로 수행되었다. 중 수지 관절의 비틀림 운동은 손의 원위부 관절의 스트레칭을 목적으로 실시하였다. 모든 운동 프로토콜은 환자가 최대한 자신이 움직일 수 있는 만큼의 동작을 수행하고 자기력이 보완되는 형태인 능동보조운동 방식으로 설계하였다.
제안 방법
- 중 수지 관절의 비틀림 운동은 손의 원위부 관절의 스트레칭을 목적으로 실시하였다. 모든 운동 프로토콜은 환자가 최대한 자신이 움직일 수 있는 만큼의 동작을 수행하고 자기력이 보완되는 형태인 능동보조운동 방식으로 설계하였다. 환자의 근육 단축으로 인해 폄 동작에 더 많은 보조가 필요할 경우 적절히 자기력을 조절하여 운동을 실시하였다.
- 이 연구는 몇 가지 제한점이 있다. 본 연구는 4 주간 치료 전후 결과를 이용하여 치료 효과를 분석하였는데, 치료 종결 후에도 그 치료적 효과가 지속되는지에 대한 장기 효과에 대해 조사하지 않았다. 또한 손 재활을 포함한 로봇이나 기기를 이용한 재활 훈련은 물리치료사에 의한 치료 프로토콜도 중요한 역할을 하는데 이 연구의 치료 프로토콜이 자기력 기반 손 재활기기에 최적화된 재활 치료 기법인지 대해 조사하지는 않았다.
- 본 연구진은 전자기 조절 시스템을 이용한 일축 손 재활기기를 개발하였다(Fig. 1A). 전자기 조절 시스템 안에 있는 코일에 전류를 흘리면 코일 내에 자기장이 형성된다.
- 이러한 자기력의 방향과 크기는 적절하게 제어되어야 굽힘, 폄, 비틀림은 비롯한 여러 가지 손가락의 동작들을 구현할 수 있다. 본 연구진은 정상 성인을 대상으로 선행 실험 연구를 수행하여 손 운동 기능 수준에 따라 재활 치료에 필요한 자기력을 제어할 수 있는 시스템을 선행적으로 개발하여 이번 연구에 적용하였다[17].
- 이 손 재활기기를 이용한 재활 운동은 1) 손가락 전반의 굽힘/폄 운동, 2) 엄지손가락과 각 손가락을 이용하여 ‘O’를 만드는 맞섬 동작, 3) 중 수지 관절의 비틀림 운동으로 구성하였다. 손가락의 굽힘/폄 동작은 손의 고유수용성 감각을 자극하고 손가락 근육의 단축을 예방하기 위한 스트레칭 운동을 자기력을 이용하여 실시하였다. 엄지손가락과 나머지 네 개의 개별 손가락을 이용하여 맞섬 동작 운동은 기능적 집게 동작을 보조하기 위한 목적으로 수행되었다.
- 두 군에 속한 환자들은 모두 마비된 팔과 다리 근력을 회복하고 보행 기능을 향상시키기 위한 뇌졸중 운동 재활 치료를 동일한 시간 동안 받았다. 신경발달치료, 팔다리 스트레칭 및 근력 강화 운동, 보행 훈련 등의 뇌졸중 재활 운동 치료를 물리치료사에 의해 하루 2회, 각각 1시간씩 중재군과 대조군 환자 모두에게 실시하였다.
- 영구 자석은 3D프린터를 이용하여 제작하였고 손바닥과 코일 내에는 보조 영구자석을 설치하여 자기력을 보강하였다. 예를 들어 손바닥에 착용한 영구 자석은 인력을 이용하여 굽힘 운동을 시행할 때 더욱 효과적으로 손가락에 설치된 영구자석을 끌어당길 수 있다.
- 중재군에서 이 기기를 이용한 재활 운동은 각 프로토콜 당 10분씩 시행하였으며 1회 치료는 약 30분이 소요되었다. 이 중재는 4 주간 시행되었으며, 연구가 수행되는 기간 동안 통증, 부종, 이상 움직임 등과 같은 부작용에 발생에 대처하기 위하여 물리치료사, 재활의학과 의사, 기기 개발 엔지니어가 함께 치료 시간 동안 상주하며 관찰하였다.
- 일차, 이차 결과 지표는 모두 중재 시작 전, 4 주간의 치료 후 총 2회 평가하였다. 참여 환자의 나이, 성별, 뇌졸중 타입, 우세 손 방향, 뇌졸중 방향, 뇌졸중 발병후 치료 시작 전까지의 기간, 경직 수준, 초기 NIHSS(National Institutes of Health Stroke Scale), K-MMSE(Korean version of Mini Mental Status Examination)을 기본 정보로서 치료 시작 전 조사하였다.
- 환자의 근육 단축으로 인해 폄 동작에 더 많은 보조가 필요할 경우 적절히 자기력을 조절하여 운동을 실시하였다. 중재군에서 이 기기를 이용한 재활 운동은 각 프로토콜 당 10분씩 시행하였으며 1회 치료는 약 30분이 소요되었다. 이 중재는 4 주간 시행되었으며, 연구가 수행되는 기간 동안 통증, 부종, 이상 움직임 등과 같은 부작용에 발생에 대처하기 위하여 물리치료사, 재활의학과 의사, 기기 개발 엔지니어가 함께 치료 시간 동안 상주하며 관찰하였다.
- 참여 환자는 중재군과 대조군으로 무작위로 나누어 배정되었다. 두 군에 속한 환자들은 모두 마비된 팔과 다리 근력을 회복하고 보행 기능을 향상시키기 위한 뇌졸중 운동 재활 치료를 동일한 시간 동안 받았다.
- 일차, 이차 결과 지표는 모두 중재 시작 전, 4 주간의 치료 후 총 2회 평가하였다. 참여 환자의 나이, 성별, 뇌졸중 타입, 우세 손 방향, 뇌졸중 방향, 뇌졸중 발병후 치료 시작 전까지의 기간, 경직 수준, 초기 NIHSS(National Institutes of Health Stroke Scale), K-MMSE(Korean version of Mini Mental Status Examination)을 기본 정보로서 치료 시작 전 조사하였다.
- 모든 운동 프로토콜은 환자가 최대한 자신이 움직일 수 있는 만큼의 동작을 수행하고 자기력이 보완되는 형태인 능동보조운동 방식으로 설계하였다. 환자의 근육 단축으로 인해 폄 동작에 더 많은 보조가 필요할 경우 적절히 자기력을 조절하여 운동을 실시하였다. 중재군에서 이 기기를 이용한 재활 운동은 각 프로토콜 당 10분씩 시행하였으며 1회 치료는 약 30분이 소요되었다.
대상 데이터
- 발병 3개월 이내의 아급성기 뇌졸중 환자 중 도수 근력 검사에서 마비 측 손을 포함한 팔 근력이 3등급인 환자를 연구대상으로 하였다. 참여자 중 modified Tardieu Scale이 3등급 이상으로 경직이 있거나 근육 단축이 심해 재활기기를 이용할 수 없는 환자, 물리치료사의 지시를 이해할 수 없는 심각한 인지 장애가 있는 환자, 앉은 자세 균형을 유지할 수 없는 환자, 폐렴 등과 같이 심각한 내과적 질환으로 인하여 적절하게 재활치료를 받을 수 없는 환자는 연구에서 제외하였다.
- 총 26명의 환자가 모집되었으며 13명의 환자는 중재군으로, 나머지 환자는 대조군으로 배정되었다. 연구 기간 중 중도 탈락한 환자는 없었으며 손 재활기기 사용 중 통증, 과도한 수지 관절 스트레칭, 관절 아탈구 등의 부작용은 보고되지 않았다.
데이터처리
- 중재군과 대조군 간의 환자 기본 특성 지표 간의 차이를 조사하기 위하여 연속 변수는 Independent t-test를, 범주형 변수의 경우 Chi-square test를 시행하였다. 중재 후 결과 지표 변화를 확인하기 위하여 Paired t-test를 이용하여 분석하였으며, 그룹 간 치료 효과를 비교하기 위하여 Independent t-test를 사용하였다. 모든 통계 분석은 SPSS 22.
- 환자의 기본 특성과 결과 지표의 정규성 검증을 위하여 Kolmogorov-Smirnov 검정을 사용하였다. 중재군과 대조군 간의 환자 기본 특성 지표 간의 차이를 조사하기 위하여 연속 변수는 Independent t-test를, 범주형 변수의 경우 Chi-square test를 시행하였다. 중재 후 결과 지표 변화를 확인하기 위하여 Paired t-test를 이용하여 분석하였으며, 그룹 간 치료 효과를 비교하기 위하여 Independent t-test를 사용하였다.
- 환자의 기본 특성과 결과 지표의 정규성 검증을 위하여 Kolmogorov-Smirnov 검정을 사용하였다. 중재군과 대조군 간의 환자 기본 특성 지표 간의 차이를 조사하기 위하여 연속 변수는 Independent t-test를, 범주형 변수의 경우 Chi-square test를 시행하였다.
이론/모형
- 이차 결과 지표로서 MFT (Manual Function Test), FMA (Fugl-Meyer Assessment)의 팔 운동 평가 항목, K-MBI (Korean version of Modified Barthel Index)를 사용하였다. MFT는 뇌졸중 후 편마비가 있는 환자의 팔 기능을 평가하기 위하여 개발된 도구이다[14,15].
- 중재군과 대조군의 치료 효과를 비교하기 위하여 WMFT (Wolf Motor Function Test)를 일차 결과 지표로 선택하였다. WMFT는 근위 지관절 부위부터 원위 지관절의 복잡한 움직임으로 진행되는 15 가지의 기능 검사와 2 가지의 근력 측정 검사로 이루어져 있어 팔 기능을 전체적으로 평가할 수 있는 도구이다[12].
성능/효과
- 이 기기는 잡기, 펴기, 손가락 맞닿기, 비틀림 등 여러 가지 손가락 동작을 구현할 수 있으며 부작용 없이 보조적 능동 운동을 환자는 수행할 수 있다. 4 주간 뇌졸중 환자에게 기존 고식적 운동 치료와 병행하여 이 기기를 이용한 손 재활 치료를 적용 하였을 때 단독 치료에 비해 더 효과적으로 환자의 손 운동 기능을 회복시켰다. 따라서 앞으로 자기력 기반 손 재활기기는 근 마비가 있는 환자에게 적용하여 손 기능을 회복시키는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 중재군과 대조군 사이에 치료 시작 전 WMFT, MFT, FMA, K-MBI 점수는 유의한 차이가 관찰되지 않았다. 4 주간의 재활 치료 후 WMFT 점수는 중재군은 13.42± 3.61점에서 20.92 ± 4.02점으로(p < .001), 대조군에서 13.14 ± 4.04점에서 15.23 ± 3.81점으로(p = .008) 두 군 모두 유의하게 증가하였다(Fig. 2). WMFT 시간은 중재군은 88 ± 12초에서 67 ± 13초로, 대조군은 89 ± 10초에서 73 ± 11초로 유의하게 감소하였다(p < .
- MFT는 4주 치료 후 중재군에서 22.50 ± 2.91점에서 39.31 ± 3.54점으로 유의하게 향상되었으며(p < .001), 대조군에서도 23.13 ± 3.12점에서 31.71 ± 3.43점으로(p = .012) 유의한 향상을 보였다(Table 2). 두 군 간의 치료 효과를 비교했을 때 중재군에서 대조군에 비하여 유의하게 MFT가 더 향상되었다(p = .
- 뇌졸중 후 손의 기능이 많이 회복되더라도 일상생활을 독립적으로 영위하는데 보행, 대소변 조절, 식사하기 등 여러 가지 요인이 영향을 준다[20]. 그러나 K-MBI는 두 군에서 모두 중재 연구 후 유의하게 향상되었으며, 재활기기 자체가 일상생활의 독립성 증진에 부정적 영향을 끼치지 않는다는 점을 확인하였다. 따라서 뇌졸중 재활 시 환자는 본 기기를 이용한 손 재활 치료 외에도 운동치료, 작업치료를 필수적으로 받아야 하며 본 기기는 손 기능 향상에 보조적으로 도움이 될 수 있을 것이다.
- 038). 다른 이차 결과 지표인 팔 운동 기능 FMA는 중재군에서 23.82 ± 2.93점에서 33.03 ± 3.44점으로 통계적으로 유의하게 증가하였으며(p = .002), 대조군에서 22.94 ± 2.51점에서 26.83± 3.00점으로(p = .034) 유의하게 호전되었다. 두 군의 치료 효과를 비교했을 때 중재군에서 FMA 점수가 유의하게 더욱 호전된 것을 확인하였다(p = .
- 012) 유의한 향상을 보였다(Table 2). 두 군 간의 치료 효과를 비교했을 때 중재군에서 대조군에 비하여 유의하게 MFT가 더 향상되었다(p = .038). 다른 이차 결과 지표인 팔 운동 기능 FMA는 중재군에서 23.
- 004) 두 군 모두 유의하게 중재 후 증가하였다. 두 군 간의 치료 효과의 차이는 통계적으로 유의하지는 않았으나(p = .487) 중재군에서 K-MBI는 좀더 많은 향상되는 경향을 보였다.
- 034) 유의하게 호전되었다. 두 군의 치료 효과를 비교했을 때 중재군에서 FMA 점수가 유의하게 더욱 호전된 것을 확인하였다(p = .042). K-MBI는 중재군에서 46 ± 7점에서 68 ± 10점으로(p < .
- 참여 환자의 인구학적, 임상적 소견은 중재군과 대조군 간에 유의한 차이가 관찰되지 않았다. 또한 두 군 간에 NIHSS, K-MMSE, 경직 수준과 같은 기능 지표와 후유증 수준도 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 1).
- 004). 또한 두 군의 치료효과를 비교했을 때 중재군에서 대조군에 비하여 WMFT 점수는 유의하게 더욱 향상되었다(p = .036). 그러나 WMFT 시간의 경우 각 군의 향상된 정도는 통계적으로 유의한 차이가 관찰되지 않았다(p = .
- 연구 결과 WMFT, MFT, FMA는 자기력 기반 재활치료를 받은 환자가 대조군 환자에 비해 중재 후 더 많은 향상을 보였지만 K-MBI는 유의한 차이를 보이지 않았다. 이것은 손의 기능을 중점적으로 평가하는 WMFT, MFT와 손의 운동 기능을 평가하는 FMA와 다르게 K-MBI는 전반적인 일상생활의 독립성을 평가하는 도구이기 때문인 것으로 생각된다.
- 자기력 기반 손 재활 치료를 기존 뇌졸중 운동 치료와 병행해서 시행했을 때 4주 후 기존 운동 치료만 단독으로 수행했을 때 보다 손의 운동 기능과 일상생활동작을 더욱 향상시켰다. 본 재활기기가 제공할 수 있는 몇 가지 기전이 손 기능 회복에 기여했을 것으로 생각된다.
- 중재군과 대조군 사이에 치료 시작 전 WMFT, MFT, FMA, K-MBI 점수는 유의한 차이가 관찰되지 않았다. 4 주간의 재활 치료 후 WMFT 점수는 중재군은 13.
- 82세였다. 참여 환자의 인구학적, 임상적 소견은 중재군과 대조군 간에 유의한 차이가 관찰되지 않았다. 또한 두 군 간에 NIHSS, K-MMSE, 경직 수준과 같은 기능 지표와 후유증 수준도 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 1).
- 최초의 자기력 기반 손 재활기기를 적용한 뇌졸중 환자들은 4 주간의 재활 치료 후 기존 재활 치료만 단독으로 받은 환자들보다 더 좋은 손 운동기능 회복을 보였다. 마비된 손 운동 기능 회복은 뇌졸중 환자가 더욱 독립적으로 일상 생활을 수행할 수 있는데 기여하였다.
- 연구 기간 중 중도 탈락한 환자는 없었으며 손 재활기기 사용 중 통증, 과도한 수지 관절 스트레칭, 관절 아탈구 등의 부작용은 보고되지 않았다. 환자는 평균적으로 뇌졸중 발병 후 30.01 ± 6.80일째 중재를 시작하였으며, 평균나이는 66.34 ± 8.82세였다. 참여 환자의 인구학적, 임상적 소견은 중재군과 대조군 간에 유의한 차이가 관찰되지 않았다.
후속연구
- 자기력을 이용한 손 재활기기는 초기 형태로 기존 개발된 다른 재활 로봇과 달리 물리치료사를 대신하여 치료하는 기기는 아니다. 그러나 본 기기의 뇌졸중 환자에 대한 치료적 효과는 향후 자동화된 로봇화가 가능해질 경우 물리치료사의 로딩을 줄여주고 더 다양한 치료 옵션을 제공할 수 있을 것으로 생각된다. 현재 기기는 초기 형태로 물리치료사가 직접 중재 치료를 시행하는 것에 비하여 준비하고 수행하는데 더 많은 시간과 노력이 필요하다.
- 현재 기기는 초기 형태로 물리치료사가 직접 중재 치료를 시행하는 것에 비하여 준비하고 수행하는데 더 많은 시간과 노력이 필요하다. 그러나 본 연구 결과는 자기력도 모터와 와이어 등과 같은 기존 기기를 대신할 수 있는 동력으로 사용할 수 있고 향후 충분히 효과적인 치료 기법의 가능성이 있다고 판단된다.
- 또한 손 재활을 포함한 로봇이나 기기를 이용한 재활 훈련은 물리치료사에 의한 치료 프로토콜도 중요한 역할을 하는데 이 연구의 치료 프로토콜이 자기력 기반 손 재활기기에 최적화된 재활 치료 기법인지 대해 조사하지는 않았다. 그러나 이 연구는 최초의 자기력 기반 재활기기가 앞으로 임상에서 재활 치료 기기로 활용될 수 있는 가능성을 확인하기 위한 목적으로 중간 결과를 보고하는 연구로서 향후 더 큰 규모의 임상 연구를 수행 시 이러한 점을 고려하여 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다.
- 그러나 K-MBI는 두 군에서 모두 중재 연구 후 유의하게 향상되었으며, 재활기기 자체가 일상생활의 독립성 증진에 부정적 영향을 끼치지 않는다는 점을 확인하였다. 따라서 뇌졸중 재활 시 환자는 본 기기를 이용한 손 재활 치료 외에도 운동치료, 작업치료를 필수적으로 받아야 하며 본 기기는 손 기능 향상에 보조적으로 도움이 될 수 있을 것이다.
- 4 주간 뇌졸중 환자에게 기존 고식적 운동 치료와 병행하여 이 기기를 이용한 손 재활 치료를 적용 하였을 때 단독 치료에 비해 더 효과적으로 환자의 손 운동 기능을 회복시켰다. 따라서 앞으로 자기력 기반 손 재활기기는 근 마비가 있는 환자에게 적용하여 손 기능을 회복시키는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구는 4 주간 치료 전후 결과를 이용하여 치료 효과를 분석하였는데, 치료 종결 후에도 그 치료적 효과가 지속되는지에 대한 장기 효과에 대해 조사하지 않았다. 또한 손 재활을 포함한 로봇이나 기기를 이용한 재활 훈련은 물리치료사에 의한 치료 프로토콜도 중요한 역할을 하는데 이 연구의 치료 프로토콜이 자기력 기반 손 재활기기에 최적화된 재활 치료 기법인지 대해 조사하지는 않았다. 그러나 이 연구는 최초의 자기력 기반 재활기기가 앞으로 임상에서 재활 치료 기기로 활용될 수 있는 가능성을 확인하기 위한 목적으로 중간 결과를 보고하는 연구로서 향후 더 큰 규모의 임상 연구를 수행 시 이러한 점을 고려하여 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다.
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