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Archives of Orthopedic and Sports Physical Therapy Vol.16 No.1 pp.55-61
DOI : https://doi.org/10.24332/aospt.2020.16.1.08

A Proposal for Lower-Extremity Rehabilitation Based on Preliminary Observation on the Abnormal Co-contraction Patterns of Ankle Muscles in Post-stroke Patients

JongMin Lim*
Department of Health Rehabilitation, Yeoju Institute of Technology
*교신저자: 임종민 여주대학교 건강재활과 E-mail: arena466@naver.com
May 26, 2020 June 12, 2020 June 24, 2020

Abstract

Purpose:

This study was aimed to investigate the differences in the co-contraction index of ankle muscles’ activities and proposed the rehabilitation methods in terms of special physical education based on the clinical findings.


Methods:

A total of ten participants (5 stroke patients and 5 normal adults) were participated in this study. Their two ankle muscles (tibialis anterior and gastrocnemius muscles) were measured by electromyography (EMG) during the gait cycle and then, the muscle activities were calculated as a co-contraction index (CCI). Finally, the indexes between stroke patients and normal adults were compared.


Results:

As a result, CCI during the stance phase in the gait cycle was significantly higher in stroke patients than normal adults (p=0.047). In addition, each group showed a significant difference in CCI between the stance and swing phase through within-group analysis (p=0.043).


Conclusion:

In this study, stroke patients showed a higher CCI during the gait cycle, especially, in the stance phase. In conclusion, when considering the higher CCI would provide double-sidedness; 1) a demerit is the higher CCI would decrease in the mobility of ankle joint, whereas, 2) a merit is to increase in the stability of the ankle joint to protect fall-down, I proposed that as a lower-extremity rehabilitation method, sports activity, and aerobic exercise, using an online virtual reality technology will be necessary to ensure the safety of sports game as well as the enjoyment to maximize the quality of post-stroke life. Therefore, professionals in the field of special physical education should actively enlarge their education and development skills to the field of new biotechnology.



뇌졸중 환자의 하지 운동기능 재활을 위한 발목근육 동시 활성패턴 예비관찰 및 운동재활방안 제언

임 종민*
여주대학교 건강재활과

초록


    Ⅰ. 서 론

    보행 장애는 뇌졸중 환자에게 퇴원 후 일상생활에서 매 우 중요한 문제이며 재활 측면에서 보행 능력의 회복은 일차적 목표이다(Duncan et al., 2007). 뇌졸중 환자에 있 어 대표적인 보행 특징은 보행속도가 감소하고(Dickstein, 2008) 비대칭적인 보행패턴이 나타나며(Patterson et al, 2008), 하지 근육 활성의 불안정한 조절(Sommerfeld et al., 2004) 등이 있다. 특히, 하지 근육의 부적절한 동시활 성 문제는 정상적인 보행에 불필요한 비정상적인 운동조 절이며 뇌졸중 환자의 경우 마비 측 발목관절에서 빈번히 관찰된다(Lin et al., 2006).

    보행 시 관찰되는 발목근육의 동시활성은 뇌졸중 환자의 기능적 수행능력에 장점과 단점의 양면적 효과를 지닌다 (Souissi et al., 2018). 정상 보행 시에도 하지근육은 동시 활성을 통해 관절의 견고성을 조절하고 자세 안정성을 증 진시키는데 기여함으로써 자세 조절에 중요하게 작용한다 (Iwamoto, Takahashi, & Shinkoda, 2017). 이는, 반대로, 자세 조절에 어려움이 생기면 발목 근육의 동시활성을 증 가시켜 자세 안정성을 확보할 수 있다는 의미이다. 따라서 긍정적인 측면에서 뇌졸중 환자는 보행 중 자세의 불안정 성을 보상하기 위해 발목의 동시활성을 증진시킴으로써 자 세 안정성을 확보할 수 있다. 반면에, 부정적인 측면에서 뇌졸중 환자의 증가된 발목근육의 동시활성은 보행에 필요 한 에너지 사용의 효율성을 감소시킨다(Rosa et al., 2014).

    지금까지 많은 뇌졸중 관련 연구 중에 상대적으로 적은 수의 연구들이 뇌졸중 환자의 발목근육의 동시활성과 보행 의 상관성에 대해 조사해왔다. 한 연구에서는 뇌졸중 환자 의 발목 근육 동시활성 기간단축이 보행 중 한 다리 지지기 를 단축시키고 전체 보행 속도를 감소시킨다고 보고하였다 (Chow, Yablon & Stokic, 2012). 또한 다른 연구들에서는 뇌졸중 환자의 발등굽힘 각도의 감소와 같은 발목관절의 운동형상학적 변화와 발바닥굽힘 최대 힘의 감소와 같은 역학적 변화가 마비측 발목근육의 약화에서 기인한 것으로 보고하였다(Kitatani et al,. 2016). 비록, 발목 근육 동시활 성의 증가는 발목관절의 견고성을 증진시키고 결과적으로 보행에 필요한 발목관절의 움직임에 영향을 줄 수 있으나, 지금까지 발목관절과 근육 동시활성에 대한 관계를 기초로 한 특수체육학적 운동방법에 대한 제언은 많지 않다.

    신체의 운동조절 역학 중 가장 복잡한 단계인 발목관절 조절에 관한 연구와 이에 대한 운동재활 측면의 제언은 향후 뇌졸중 환자의 일상적 보행과 스포츠 활동에 있어 신체적 기능뿐만 아니라 삶의 질을 증진에도 중요한 근거 가 될 것으로 사료된다. 따라서, 본 연구에서는 뇌졸중 환 자에게서 비정상적인 발목 근육의 동시활성을 보인다는 가설을 전제로 전체 보행주기 동안의 유각기와 입각기에 서 각각 뇌졸중 환자의 발목 동시 활성과 정상 성인의 발 목 동시 활성을 비교하여 이를 근거로 특수체육학적 운동 법에 대한 제언을 하고자 한다.

    Ⅱ. 연구 방법

    1. 연구 대상자

    본 연구는 뇌졸중 환자의 특수체육학적 운동법 제언을 위한 예비연구로서 여주시 S복지관을 방문 중인 50대 뇌졸 중 환자 5명과 정상 성인 5명을 대상으로 진행하였다. 사전 에 각 대상자에게 본 연구의 취지와 방법을 충분히 설명하 였으며 이에 대해 이해하고 동의한 환자 및 정상 성인에 한 하여 대상자로 참여하였다. 뇌졸중 환자 중 발병 후 6개월 이상 된 자, 보행이 불가능한 자, 실험에 대한 이해와 동의 를 할 수 없을 정도의 인지능력을 지닌 자(MMSE 20점 이 하), 보호자가 동의하지 않은 자, 기타 보행에 영향을 미칠 근골격 및 신경학적 통증을 지닌 자는 연구에서 제외하였 다. 이들 연구대상의 신체적 특성은 다음과 같다<Table 1>.

    2. 측정도구 및 실험절차

    1) 근전도 측정기(Electromyography, EMG)

    근전도 신호는 무선 근전도 장치(Noraxon Inc, USA)를 대상자의 발목근육(정강이근육, 가쪽 장딴지근)에 부착한 뒤 50m의 보행을 하는 동안 측정되었으며 신호는 1500Hz 의 샘플링 레이트로 수집되었다. 근전도는 SENIAM에서 추 천한 위치에 따라 정강이 근육은 안쪽 복사뼈에서 비골두 사이 1/3지점에 부착하였으며, 가쪽 장땅지 근육은 비골두 와 발뒤꿈치뼈 사이 1/3지점에 부착하였다. 대상자는 근전 도 기기를 부착하기 전에 피부 저항을 줄이기 위해 부착부 위를 알코올로 닦은 뒤 면도를 하였으며, 뇌졸중 환자는 마 비 측 다리에, 정상성인은 비마비측 다리에 근전도를 부착 하였다. 측정된 EMG 신호는 10-500Hz의 band-pass filter 을 이용하여 필터링 되었으며 음의 신호 값을 양의 신호 값 으로 정류(rectification)하였다. 마지막으로 정류된 EMG 신호를 보행 주기 100%로 시간을 정규화(normalization)한 뒤 각자의 최대 근육 활성도 크기를 기준으로 활성정도를 정규화 시켰다. Kellis(2003)가 보고한 근육의 동시활성도 계산법에 근거하여 대상자의 입각기와 유각기동안 각각 발 목 2개 근육의 동시활성 지표(coactivation index, COI)를 분석한 뒤 정상 성인과 비교하였다<Figure 1>.

    COI = 2I ant I total  x 100%
    (1)

    공식 (1)에 대해 Iant은 보행 입각기와 유각기 동안 나타나는 길항근 활성도의 적분 값을 의미하며 Itotal은 정강이 근육과 장딴지 근육 각각의 근활성 적분 값의 총 합을 의미한다.

    2) 실험절차

    모든 대상자는 각자의 근전도 신호 측정에 앞서 5분간 자연스럽게 걸으면서 의식적인 보행과 근육의 긴장도를 감소시켰다. 이후, 50m의 보행트랙 위를 측정자의 출발 신호와 함께 편안한 속도로 맨발로 걸었다. 초기 출발 이 후 안정되고 일관된 속도로 걷기까지의 가속 구간(출발지 점부터 5m)과 목표 지점을 위해 속도를 늦추는 감속 구간 (종료지점부터 5m)은 분석은 신호 분석에서 제외하였다.

    3. 통계분석

    본 연구에서는 적은 대상자 수를 고려하여 비모수 검정 을 사용했다. 뇌졸중 환자와 정상성인의 인구통계학적 비 교를 위해 맨-휘트니 U 검정을 시행했다. 또한, 두 그룹의 동시활성 정도 비교를 위해 맨-휘트니 U 검정을 사용했으 며 각 그룹 내 보행 입각기와 유각기 비교를 위해 윌콕슨 부호검정을 사용했다. 유의수준은 α = 0.05로 설정하였으 며, 모든 통계 기법은 SPSS (Ver. 23)를 이용하였다.

    Ⅲ. 연구 결과

    인구통계학적 분석 결과, 뇌졸중 환자와 정상 성인 간 보행속도(p = 0.008)를 제외하고 그룹 간 유의한 차이는 없었으며 보행주기에 따른 뇌졸중 환자와 정상 성인의 발 목근육의 동시활성 변화는 아래와 같았다<Table 2>.

    분석결과, 맨-휘트니 U 검정을 이용한 그룹 간 비교 에서 뇌졸중 환자와 정상 성인간의 보행 입각기 동안 발 목근육의 동시근육활성 지수에 유의한 차이가 있었으나 (p=0.047), 유각기 동안에는 유의한 차이가 발견되지 않 았다. 그러나, 윌콕슨 부호를 이용한 그룹 내 비교결과, 두 그룹 모두에서 입각기와 유각기 사이에 발목근육의 동 시활성 지수에 유의한 차이가 발견되었다(p=0.043).

    Ⅳ. 고 찰

    본 연구에서는 5명의 뇌졸중환자와 5명의 정상성인 간 보행 주기의 입각기와 유각기 동안 정강이근육과 장딴지 근육, 두 발목근육의 동시활성 지수를 분석하고 비교하였 다. 연구 결과, 뇌졸중 환자와 정상 성인 사이에 입각기의 발목근육 동시활성 지수에서는 유의한 차이가 발견되었 으나, 유각기에서 그룹 간 차이는 발견되지 않았다. 반면, 그룹 내 비교에서 뇌졸중 환자와 정상성인, 각각 두 그룹 모두, 입각기와 유각기 사이의 발목근육의 동시활성 지수 는 유의한 차이를 발견했다.

    비록 본 연구와 같이 보행 주기동안의 발목근육의 동시 활성을 비교 분석한 연구가 많지는 않으나, 몇몇 선행연 구 결과와 비교했을 때, 뇌졸중 환자의 마비 측 다리의 비정상적 발목근육 활성과 함께 보행 유각기 동안 발목근 육의 활성도가 두드러지게 정상성인과 차이가 나타나는 점은 본 연구의 연구결과와 일치하였다. 선행연구에 따르 면 이와 같은 비정상적인 근육 활성도 특징이 나타나는 이유는 뇌졸중 환자는 흔히 상위운동신경증후군이라고 불리는 신경 손상의 병리적 증상 중 긴장성 신장반사로 인한 경직을 지니고 있으며 이로 인해 정상성인보다 약한 자극에도 장딴지 근육이 과도한 흥분으로 이어지기 때문 이다(Lamontagne et al, 2002). 특히, 이러한 증상은 속 도 의존적인 경향성을 보이기 때문에, 빠른 속도로 근육 을 수축하려 할수록 강해지는 특성을 보인다(Mohammadi et al., 20016). 이는 본 연구결과에서도 뇌졸중 환자의 발 목근육 동시활성 지수가 정상성인에 비해 유의하게 높았 다는 점과 일치한다. 이외에도 본 연구에서는 조사하지 않았으나 뇌졸중 또는 소아마비 환자의 경우 전체 보행주 기 동안 입각기 동안의 동시활성 기간은 정상 성인에 비해 짧고 유각기 동시활성 기간은 정상성인에 비해 비정상적 으로 길다고 보고하고 있다.

    보행동안 비정상적인 동시활성에 대해 Knutsson and Richards(1979)는 활성 형태에 따라 여러 단계로 나눴는 데, 본 연구의 결과는 Type III-S인 보행주기 중 입각기에 중점적으로 비정상적인 동시활성을 보이는 단계에 해당 된다고 할 수 있다. 이러한 Type III-S 단계의 보행은 뇌 졸중 환자에게 뇌졸중 환자에 있어 양면성을 가지고 있 다. 먼저, 비정상적 발목근육 동시활성 항진은 분명하게 길항근의 상위척수 조절에 문제가 있다는 점을 보여주며 이는 발목의 가동범위 제한을 가져와 보행 시 유연한 움직 임을 제한하고 균형에도 악영향을 미친다. 그러나 다리 근육 전체가 마비로 인해 충분한 근력을 사용할 수 없는 뇌줄증 환자에게 발목근육의 동시활성 항진은 마비 측 다 리를 축으로 삼아 보행이 가능하도록 안정성을 제공해주 기도 한다(Souissi et al., 2018). 따라서 뇌신경의 완전한 회복을 기대할 수 없다면, 반사적인 동시활성 수축을 이 용하여 우선적으로 보행이 가능하도록 하여 일상의 이동 반경을 높이고 이로 인한 얻는 부수적인 삶의 만족과 질을 높이는 재활 전략을 채택할 수도 있다. 이를 위해, 재활 운동분야의 전문가는 뇌졸중 환자의 발목근육 경직과 동 시활성 항진을 무조건적으로 비정상적이고 없애야할 증 상으로 바라보는 관점을 주의해야할 필요가 있다.

    반면, 발목 근육의 비정상적 동시활성 항진은 보행 안 정성에는 이로울 수 있으나 관절의 구조적인 문제에는 지 속적인 체중 압력으로 인해 이차적인 근골격계 문제를 야 기할 수 있다(Vattanasilp, Ada & Crosbie, 2000). 따라서 관련분야 전문가는 약한 정도의 관절 모빌라이제이션을 이용하여 관절 사이의 활액 마름을 예방하고 혈류 개선을 관리해줄 필요가 있다. 과도하고 빠른 스트레칭 기법은 속도 의존적인 경직의 특징으로 인해 동시활성을 더 항진 시킬 수 있으므로 주의해야 한다(Nicholson, 1985).

    결과적으로 뇌졸중 환자에게서 나타나는 상기의 병리 학적 후유증은 정상성인에 비해 보행 시 에너지 효율을 감소시키고 이는 전반적 신체활동량의 감소, 신체체력 감 소, 낙상위험 증가, 삶의 질 저하, 심혈관계 질환 유발위 험 증가, 뇌졸중 재발률 증가 등으로 이어진다(Benjamin et al., 2017). 지금까지 많은 연구를 통해 뇌졸중 환자의 다양한 병태생리학 및 행동학적 특징에 대해 보고되고 있 으나, 특수체육학적 관점에서 뇌졸중 환자가 수행할 수 있을만한 활동에 대한 제언은 극히 제한적이다. 몇몇 연 구 결과에 따르면, 만성 뇌졸중 생존자에게 최대 심박수 60-80%의 고강도 유산소 운동을 적용한 결과 최대 산소 섭취량이 대조군에 비해 현저히 증가하는 것을 보고하였 다(Globas et al., 2012). 그러나 심폐 체력이 약해져있는 뇌졸중 환자의 경우, 지면 운동을 통해 체력을 증강시키 는 것은 운동지속 측면에서 상당히 어려운 문제 중 하나이 다. 또한 지금까지 보고된 뇌졸중 환자에게 적용한 운동 법은 대다수 한정된 공간에서 일률적인 운동방식에 따라 단기간에 걸쳐 왔기 때문에 환자 스스로 동기부여를 갖기 어려웠다(Morris et al., 2012). 따라서 본 저자는 추가적 으로 뇌졸중 환자의 병태생리학적 특징과 지속적이고 건 강한 삶을 유지하기 위해 4차 산업혁명 기술 중 하나인 가상현실 또는 증강현실 기술을 온라인 방식으로 제공하 여 흔히 e-sports로 불리는 디지털 분야를 특수체육학과 접목시켜 뇌졸중 환자의 신체활동 참여범위를 확대시켜 나가야 할 것을 강조하는 바이다(Laver et al., 2017).

    특히, 가상/증강현실 기술을 토대로 한 교육적 훈련은 기본적으로 사용자가 현실에서의 안전문제나 신체능력의 제한으로 쉽게 도달할 수 없는 환경을 제공함으로써 무한 히 도전할 수 있고 사용자의 재미와 훈련에 대한 자신감 및 동기부여를 극대화시키는데 그 목적이 있다(Bryanton et al., 2006). 이러한 학습의욕의 고취는 결과적으로 학 습 경험을 촉진시키고 목표를 이루는데 시간적 단축을 유 도한다. 지금까지 재활과 운동과학 분야에서도 여러 가지 다양한 소프트웨어 개발을 이용하여 뇌졸중 환자의 훈련 에 미치는 영향에 대해 연구하였으며 대부분 연구에서 긍 정적인 결과를 보고하고 있다(McEwen et al., 2014).

    그러나 이러한 이점에도 불구하고 가상/증강현실 기술 의 상용화에 대한 보다 심도 있는 고찰이 이루어지지 않고 있다. 그 이유는 기술에 대한 고비용 부담이라기보다 실 제 뇌졸중 환자가 지속해서 운동의 한 형태로 사용할 수 있을만한 콘텐츠 양과 질의 부족 때문이다(한민족과학기 술자네트워크, 2019). 결론적으로 본 연구의 제언을 시작 으로 향후 특수체육학 분야에서 학생 및 전문가들은 뇌졸 중 환자의 생리학적 특성과 전공분야의 전문성뿐만 아니 라 가상/증강현실 기술에 대한 지식적인 이해를 바탕으로 신기술을 이용한 새로운 형태의 스포츠 활동 콘텐츠를 적 극적으로 개발할 필요가 있다. 김경숙 및 구교만(2017)의 연구에 따르면 장애인들의 신체활동 참여 동기는 1) 주변 사람의 권유, 2) 대회참관 또는 참여, 3) 재활과 건강, 4) 성격개조, 5) 스트레스 해소, 6) 성취 및 재미 등이 있는 것으로 보고되었다. 따라서 뇌졸중 생존자가 가상/증강현 실 기술을 이용하여 신체활동을 증진시키고 오랫동안 활 동을 지속하기 위해서는 상기의 참여동기를 극대화시킬 수 있는 콘텐츠 개발이 필요하며 우선적으로 콘텐츠 수준 의 단계화와 온라인을 통한 타인과의 연결성이 필수적일 것으로 사료된다(Chen et al., 2008). 특히, 뇌졸중 환자 의 경우 우울감과 고독감 등 심리적 위축이 신체 활동에 큰 영향을 미치는 요인이라는 점을 감안했을 때(Aström 1993), 지금까지 다소 간과되었던 온라인 기술접목은 향 후 장애인을 위한 가상/증강현실 콘텐츠 개발에 중요한 요소 중 하나로 판단되어진다.

    결론적으로 위 고려사항을 종합하여 제언하자면 예컨 대, 온라인 기반 승마 가상/증강현실 경기를 뇌졸중 환자 에게 적용시키는 방법이 있을 것이다. 이는 뇌졸중 환자 의 발목근육 동시 활성 항진으로 인한 발목안정성을 적절 히 활용하는 동시에 반복적인 기계 승마운동을 통해 복부 코어근육 및 하지 근육을 단련하고 유산소성 심폐운동을 수행시킬 수 있다(Lim & Kwon, 2015). 실제로 뇌졸중 환 자에게 승마운동을 적용시켰을 때 여러 신체 기능에 있어 긍정적 효과를 보고한 연구가 많다(Kim & Lee, 2015).

    마지막으로, 본 연구는 연구적 측면에서 몇 가지 제한점 이 있다. 우선, 적은 수의 대상자로 조사했다는 점을 고려 했을 때, 본 연구의 결과를 일반화시키기에 한계가 있다. 그러나 다수의 선행연구에서 발견한 과학적 근거와 본 연 구 결과의 흐름이 일치한다는 점은 연구 설계의 제한점을 보완한다. 다른 하나는, 뇌졸중 환자의 경우 마비 측 다리 뿐만 아니라 비마비 측 다리의 비정상적 사용 및 생리학적 결과에 대해 지속적으로 보고되는 점을 고려했을 때, 비 마측 다리에 대한 생리학적 현상은 본 연구에서 조사하지 않았다. 따라서 본 연구결과를 기반으로 향후 뇌줄증 환자 의 발목 근육 활성에 대해 조사할 때 충분한 대상자 수를 확보하고 마비 측과 비마비 측 양측 다리에 대한 근육 활성 패턴에 대해 심도 있는 추가 연구 설계가 필요하다.

    Figure

    AOSPT-16-1-55_F1.gif

    보행동안 발목근육의 동시 활성 지표

    Table

    대상자 인구통계학적 특징

    뇌졸중 환자와 정상성인의 보행동안 동시근육활성 비 교분석

    Reference

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