Ⅰ. 서 론

족하수는 뇌졸중과 같은 중추 신경계 장애의 흔한 증상 이다 (Do, A. H et al., 2012). 족하수는 발목과 발가락 배측 굴곡 근육의 수의적인 조절의 부족 또는 약화로 발생 한다. 보행 시 종아리 근육과 같은 길항근의 경직은 보행 시 발목의 배측 굴곡을 제한하며 (Cheng, J. S et al.,2010), 종종 무릎 및 고관절 근육의 약화를 동반한다 (Stout, J. L et al.,1995). 이러한 병리적인 근육 시너지 패턴은 뇌졸중 환자의 보행주기를 변화시켜 유각기에서 발이 지면에서 떨어지지 못하고 발을 끌게 된다. 그 결과, 뇌졸중 환자의 보행 속도의 저하를 동반한 낙상의 위험을 증가시킨다 (Rosén, E.,2005;Schinkel-Ivy, A., Inness, E. L., & Mansfield, A. 2016).

일반적인 보행주기는 보행주기 중에 발이 지면에 닿아 있는 입각기와 보행주기 중에 발이 지면에서 떨어져 있고 스윙에 의하여 다리가 앞으로 가져가지는 유각기로 구분 된다 (Kim, W. H et al., 2006). 이러한 보행주기가 순차 적으로 일어나려면 복잡한 근육의 활성화 패턴이 필요하 다. 여러 선행연구에 따르면 이러한 보행 패턴은 보행주 기 단계별 근육 시너지의 정상적인 협응 패턴을 통해 수행 된다고 보고된다 (Ting et al., 2015). 최근의 연구 결과에 따르면 뇌졸중 환자의 마비측 다리에서는 감소된 보행 시 너지의 개수가 나타나며 (Safavynia et al., 2011), 이것은 근육의 기능적인 공동 수축을 의미하는 병리적인 운동 모 듈의 병합으로 인해 발생한다고 보고된다 (Bowden et al., 2010; Clark et al., 2010; Ting et al., 2015).

기능적 전기 자극(FES)을 동반한 뇌졸중 환자의 보행 재활은 족하수에 있어 효과적인 중재이며 FES는 운동 학 습 능력을 향상시키고 중추 신경계(CNS)의 신경 가소성 을 증진시킨다 (Sheffler and Chae, 2007; Chae et al., 2008; Gandolla et al., 2014). 그러나 일반적인 뇌졸중 환자의 FES 기반 보행 재활은 유각기에서 발이 지면에 떨어지는 것을 방지하기 위해 배측 굴근 근육에만 초점을 맞추고 수행된다. 이는 보행 시 뇌졸중환자 개개인마다 다르게 발현되는 근육의 복잡한 시너지 패턴을 반영하지 않는다 (Santello and Lang, 2014). 최근에는 정상인의 근 육 시너지 분석에 기반한 다양한 보행 재활 훈련방법들이 소개되고 있다 (Simona Ferrante et al., 2016)

따라서, 본 연구의 목적은 1) 뇌졸중 환자마다 다르게 나타나는 근육 시너지 패턴을 정상인의 근육 시너지 패턴 과 비교하여 뇌졸중 환자의 병리적인 근육의 협응 패턴을 확인하고 2) 시너지 분석에 기반한 다중채널을 활용한 기 능적 전기 자극이라는 새로운 자극 패턴을 이용하여 6주 간의 보행 훈련을 진행한 뒤에 전, 후의 효과를 비교하고 자 한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구 대상

본 연구는 뇌졸중 발병 후 6개월 이상이 경과한 만성 뇌졸중 환자 2명을 모집하였다[표1]. 또한 시너지 비교를 위해 연령대가 비슷한 건강한 정상 노인 12명을 모집하여 보행 시 EMG를 측정하여 시너지를 추출하였다.

본 연구에 참여한 대상자는 실험과 관련된 정보와 절차 에 대한 내용에 대한 설명을 들은 후 본 연구의 취지를 이해하고 자발적으로 참여의사를 밝힌 자로 선정하였다. 뇌졸중 환자의 선정 기준은 보조기구없이 10M이상 독립 보행이 가능하고 MAS(Modified Ashworth Scale)점수가 1이상인 자를 대상으로 하였으며 이 점수는 관절가동범위 의 끝범위에서 약간의 근 긴장도가 느껴지는 정도이며 마 비측 하지에서 경증의 긴장정도를 나타낸다 (Do Carmo, A. A et al.,2015). 본 연구는 고려대학교 연구윤리 심의위 원회의 승인을 받았다 (KUIRB-2019-0020-01).

2. 측정 도구

1) 시너지 측정

본 연구에서는 각 근육의 EMG 데이터를 측정하기 위해 무선 EMG 장치를 사용하였다 (Noraxon, Telemyo DTS, USA). 정상인과 뇌졸중 환자의 보행 시너지 분석을 위해 EMG 전극은 정상인의 경우 우세측 다리, 뇌졸중 환자의 경우 마비측 다리의 큰모음근(Adductor Magnus, AM), 중 간볼기근(Gluteus Medius, GM), 곧은근(Rectus Femoris, RF), 넙다리 두갈래근(Biceps Femoris, BF), 안쪽 넓은근 (Vastus Medialis, VM), 반힘줄모양근(Semitendinosus, Sem), 앞정강근(Tibialis Anterior, TA), 안쪽 장딴지근 (Gastrocnemius Medialis, GM)에 총 8개의 전극을 부착하 였다. 1500Hz 로 데이터를 얻어내며 얻어진 데이터는 bandpass filter(3rd order Butterworth band: 40-400Hz), rectified, low pass filter(3rd order Butterworth cutoff: 5Hz)의 필터링 과정을 거치며 얻어진 데이터는 발 뒤꿈치에 부착한 Foot switch에 의하여 보행 주기를 확인하였다. 그리고 정규화 과정을 거쳐 이 보행의 한 주기의 processed EMG를 (EMG_evnvelop) (8 × 100) 으로 나타냈다.

하나의 EMG_evnvelop 은 Non-negative Matrix Factorization (NMF)를 활용하여Muscle Synergy로 분해하였다 (Lee & Seung, 1999). Muscle Synergy는 Muscle Weight(MW) 와 Activation Profile(AP)로 구성되며 MW는 해당 시너지 가 발현되는데 관여하는 근육들의 종류와 보행주기의 기 여도 정도이며 AP는 해당 시너지가 시간에 따라 발현되는 정도이다.

2) 다중채널 FES 자극 전략

본 연구는 6주간 주 3회, 40분간 진행하였으며, 8채널 의 자극기를 이용하여 EMG를 부착하였던 부위와 같은 근 육에 자극을 주었다. 보행 중재 전에는 FES를 부착하지 않은 채 10분 동안의 Warming up으로 보행을 수행하였고 20분동안 FES자극을 받으며 편안한 속도로 평지에서 보 행을 수행하였다. 마지막 10분은 FES를 부착하지 않은 채 Cool down으로 보행을 수행하였다. 뇌졸중 환자의 시너 지 분석은 정상인의 시너지와 비교하여 유사하지 않을 때 는 정상적이지 않다고 판단하였으며 뇌졸중 환자와 정상 인의 시너지 비교는 보행주기안에서 정상인 각각의 시너 지와 뇌졸중 환자의 시너지의 유사도가 특정 역치를 넘지 않으면 유사하지 않다고 판단하였다. 정상인과 뇌졸중환 자의 시너지 비교는 MW의 경우는 MW_Healthy 와 MW_stroke 의 Cosine similarity, AP의 경우는 AP_Healthy 와 AP_stroke 의 Cross correlation을 이용하여 비교하였다. Cosine similarity는 0.75를 넘지 않으면 해당 시너지는 유사하지 않다고 보며 Cross correlation 은 유사도가 0.75를 넘지 않거나 유사도가 최고가 되는 지점의 time-lag가 5이상 의 차이가 발생하면 유사하지 않는다고 판단하였다 (Saito, A et al.,2018).

3) 보행 속도 (10M Walking test, 10MWT)

뇌졸중 환자의 보행속도를 측정하기 위해 바닥에 테이 프로 14미터의 선을 부착하고 선을 따라 걷도록 하였다. 스톱워치를 통해 전체 걸린 시간을 측정하였으며 가속과 감속구간이 이루어지는 구간을 속도 측정에서 배제하고 자 가속이 이루어지는 초기 2미터와 감속이 이루어지는 마지막 2미터는 보행 시 속도를 측정하지 않았다. 1회 연 습과정을 거친 후 3회 반복 측정하여 결과값에 평균을 기 록하였다. 측정자는 임상경력 3년 이상의 물리치료사로 사전에 충분한 훈련을 받고 평가를 진행하였다 (Kim, W. I et al.,2014).

4) 동적 보행 능력 (Time up and go, TUG)

보행 시 동적인 균형 능력을 빠르게 평가할 수 있는 기 능적 평가도구로 팔걸이가 있는 의자에 앉아 평가자의 출 발신호와 함께 의자에서 일어나 3m거리를 걸어서 다시 되돌아와 의자에 앉을 때까지 걸린 시간을 측정하는 방법 이다. 20초 이상이면 기능적인 운동 손상을 나타내며 노 인의 균형능력과 기능적인 운동을 평가하여 넘어 짐의 위 험을 예측하기 위해 사용되어 왔으며 최근에는 뇌졸중 환 자에게도 널리 적용되고 있는 평가방법이다. 측정은 ‘의자 로부터 일어서기’, ’3미터 걷기’, ‘회전하기’, ‘되돌아 걸어 오기’, ‘다시 의자에 앉기’ 동작으로 구성되며, 스톱워치로 전체 걸린 시간으로 보행 및 균형능력을 평가하였다. 1회 연습과정을 거친 후 3회 반복 측정하여 결과값에 평균을 기록하였다 (Hafsteinsdóttir, T. B., al.,2014).

3. 시너지 분석

시너지를 통한 뇌졸중환자의 평가 지표로는 Variability Accounted for (VAF)를 사용하였다.

VAF는 를 NMF 알고리즘을 사용해서 MW 와 AP 로 분 해할 때 발생하는 에러의 크기를 측정하는 것이다. NMF 에서 시너지의 개수를 늘려가며 VAF의 값을 측정하며 VAF의 값이 0.9 보다 커지는 가장 작은 시너지의 개수를 해당 동작에 필요한 시너지의 개수로 정의하였다.

Ⅲ. 결과

1. 정상인 시너지의 일반적인 특성

본 연구에 참여한 정상인은 13명 (남성 7명과 여성 6명; 나이: 70.54±3.54)으로, 시너지1의 경우 보행주기의 Weight acceptance를, 시너지2의 경우 보행주기의 Push off를, 시너지3의 경우 보행주기의 Foot clearance를, 시 너지4의 경우 보행주기의 Leg deceleration가 나타났다 [그림1].

1) 시너지의 변화

6주간의 훈련이후 두명의 뇌졸중 환자 모두에게서 추 출된 시너지의 수가 VAF ≽90% 기준으로 3개에서 4개로 증가하여 보행 시 하지 근육의 협응 능력에 전반적인 개선 을 보였다. 대상자1의 VAF는 VAF ≽90% 기준으로 훈련 후 92.06으로, 대상자2의 VAF는 훈련 후 95.81으로 각각 나타났다. [표2]

2) 보행 속도의 변화

보행속도의 경우 대상자1의 보행속도는 훈련 전 16.11m/s에서 훈련 후 14.56m/s로 1.55m/s 만큼 감소하 였다. 대상자2의 보행속도는 훈련 전 19.76m/s에서 훈련 후 15.32m/s로 4.44m/s만큼 감소하였다 [표3].

3) 동적 균형 능력의 변화

동적 균형 능력(TUG)의 경우 대상자1은 훈련 전 11.79 초에서 훈련 후 14.32초 2.53초 증가하였다, 대상자2의 TUG는 훈련 전 16.39초에서 훈련 후 16.67로 큰 차이를 보이지 않았다 [표3].

Ⅳ. 논 의

최근 들어 뇌졸중 환자마다 다르게 발현되는 보행 패턴 과 다양한 보행 재활 중재에 대하여 환자마다 다른 효과의 차이때문에 기존과는 다른 새로운 방식의 중재가 요구된 다 (Lamontagne and Fung, 2004; Gandolla et al., 2014). 일반적으로 대부분의 보행 상태를 평가하는데 사 용되는 측정값들은 전체적인 환자의 운동 기능(예: 보행 속도)에 초점을 맞추기 때문에 보행주기마다 다르게 발현 되는 환자마다 다른 특징적인 보행장애와 구별할 수 없다 (Ting et al., 2015). 최근 들어 환자의 손상정도를 정확하 게 평가하기 위한 대안으로 근육 시너지분석을 통한 보행 분석 연구가 각광을 받고 있다 (Clark et al.,2010; Ting et al., 2015).

결과에서 보여주듯이 2명의 뇌졸중 환자 모두 FES 보 행 중재 이전에 3개의 시너지가 발현되었다. 더 적은 근육 시너지의 발현은 각 근육의 활성화 패턴 사이의 낮은 독립 성과 관련되어 있으며, 근육 시너지들 간의 병합을 의미 한다 (Bowden et al., 2010;Clark et al., 2010; Ting et al., 2015). 특히 뇌졸중환자의 보행 중에 나타나는 특징 중의 하나인 족하수에서 발현되는 족저 굴곡근의 빠른 활 성도는 보행주기의 Push off와 Foot clearance에서 병합 된 근육의 시너지의 형태로 나타났다. 6주간의 보행 중재 이후에 2명의 뇌졸중 환자 모두에게서 4개의 시너지가 발 현되는 패턴을 보였다. 이는 근육 협응 능력의 개선을 의 미하며 병리적인 시너지가 FES 보행중재를 통해 분화되 어 일반적으로 정상인의 보행 시 4-5개의 시너지가 발현 된다고 보고되는 선행 연구를 뒷받침한다 (Clark et al.,2010;Routson, R. L.,2013). 특히 중재 전 보행주기의 Push off와 Foot clearance의 병합된 형태를 보였던 근육 시너지가 6주간의 보행 중재 이후 Push off 시너지에서 족저 굴근 근육의 초기활성화 패턴이 감소하며 분화된 형 태를 보였다.

10MWT의 경우 6주간의 보행 훈련 이후에 대상자1의 보행속도는 1.55m/s 만큼, 대상자2의 보행속도는 4.44m/s 만큼 감소하였다. 중재를 통한 시너지 개수의 증가가 보행 속도에 영향을 주었을 것이라고 사료된다. 이는 시너지의 개수가 보행속도와 연관이 있다는 선행연구 와도 일치한다 (Clark, D. J & Ting, L. H, 2009).

동적 균형 능력의 경우 훈련 전, 후에 큰 차이는 없었으 나 두 대상자 모두 오히려 수행하는 시간이 증가하였다. 이는 다중채널 FES훈련이 직선보행으로 초점을 맞춰 진 행되었기 때문에 직선보행의 속도는 증가하였으나, 동적 균형 능력의 ‘회전하기’ 항목에서 보행 속도의 증가에 따 른 어려움을 보인 것으로 사료된다. 6주간의 짧은 FES중 재 기간이 보행속도 뿐만 아니라 동적 균형 능력까지 개선 시키기에는 충분하지 않았던 것으로 사료된다.

결론적으로 본 연구에서는 6주간의 시너지 분석에 기 반한 다중채널 FES 보행 중재는 뇌졸중환자의 보행 시 근육 시너지 개수에 영향을 주고 이는 환자의 병합되어 있는 근육의 병리적인 협응 패턴을 보행 중재를 통하여 분화됨을 확인하였다.

근육 시너지 기반의 다중채널 FES 훈련 중재는 단기간 에도 불구하고 뇌졸중 환자의 족하수보행의 기능개선에 있어 효과적인 중재임을 검증하였다. 본 연구는 적은 대 상자 수로 연구의 결과를 일반화하기 어렵다는 점과 6주 이후 추적 조사를 통한 보행 훈련 효과의 지속성을 보지 못했던 제한점이 있다. 또한 보행 훈련 시 보행 속도를 고려하지 않고 중재를 진행한 점이다. 최근 연구에 따르 면 FES를 동반한 보행 중재시에 편안하게 걷는 보행 속도 보다 빠른 속도에서 더 큰 보행능력의 개선을 나타냈다는 보고가 있다 (Kesar et al., 2011). 따라서 이번 연구와 같 은 FES를 활용한 보행 능력의 개선을 검증하고자 하는 추후 후속연구에서는 보행 훈련 시 속도에 대한 고려도 함께 필요하다는 점을 시사한다.

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 시너지 분석에 기반한 다중 채널 FES 보행 중재가 뇌졸중 환자의 보행 시 근육 시너지의 개수에 영향을 주었음을 확인하였다. 향후 본 연구 결과를 토대 로 더 많은 대상자에 대해 임상시험을 실시할 필요가 있으 며 이 중재를 통하여 뇌졸중 환자의 보행 기능을 향상시키 는 데 효과적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.