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Ⅰ. 서 론
뇌졸중은 사망과 장애의 주요 원인이며(Sacco et al., 2013), 회복을 지연시키거나 방해할 수 있는 부정적인 2차 합병증과 관련이 있으며 조기 가동성 운동은 이러한 부정 적인 영향을 감소하고 회복을 촉진한다(Bourdin et al., 2010). 뇌졸중 환자의 급성기 관리가 진전되었음에도 불 구하고, 뇌졸중 환자의 상당수는 여전히 심각한 장애를 가지고 있으며 뇌졸중 환자의 재활 목적은 정상적인 기능 을 회복하고 삶의 질을 향상시키는 것이다(Langhorne et al., 1996). 효과적인 재활은 신경학적 결함과 기능적 결함 이 있는 뇌졸중 환자의 장애를 감소시키는 중요한 이유이 다. 뇌졸중 환자마다 회복율와 회복속도는 다르지만 뇌졸 중 후 초기에 기능 회복에 대한 예측이 가능하고(Nijland et al., 2010), 6개월 경과 후 기능 결과에 따라 장기 생존 에 영향을 미친다(Slot et al., 2008). 뇌졸중 발병 후 조기 가동운동은 뇌졸중 재활의 중요한 구성 요소이며, 뇌졸중 후 기능 향상에 잠재적으로 기여하며(VanWijk et al., 2012), 뇌졸중 환자 재활의 주요 목표 중 하나는 보폭의 규칙성, 보행의 가변성 및 부드러움과 같은 안전하고 안 정적인 보행 패턴으로 독립적인 이동능력을 회복하는 것 이다(Buckley et al., 2019). 뇌졸중 재활의 노력에도 불구 하고 뇌졸중 환자의 25%는 퇴원 전에 신체적 도움이 필요 하며 퇴원 후에도 보행 장애를 가지고 있다(Hendricks et al., 2002). 보행장애는 일상생활과 이동 활동 수행에 어 려움을 초래하며, 비정상적인 보행은 건강한 사람과 비교 하여 보행 비대칭성이 뚜렷하게 나타나는 것이 특징이다 (Olney and Richards, 1996).
서 있는 자세에서 초기의 체중 지지훈련은 근육 긴장도 를 감소시키고, 관절의 운동 범위와 근육 길이의 증가시 키며 건강과 삶의 질, 그리고 전반적인 건강 증진에 대한 의식을 증가시킨다(Deshpande & Shields,, 2004). 보행 로봇 장치에 의한 보행훈련은 치료의 안전성과 강도를 표 준화시켜 환자의 다양한 감각자극을 활성화시키며, 광범 위한 외적 생체 피드백을 제공함으로써 물리치료사의 신 체적 부담을 경감하고 치료비용을 절감한다(Masiero et al., 2014). 로코매트(Lokomat)는 트레드밀에서 보행 장 애가 있는 환자에게 엉덩관절과 무릎관절을 조정하고 발 목관절의 경우 발바닥굽힘 방지 스프링을 통해 걷기를 용 이하게 한 최초의 보행훈련 로봇이다(Husemann et al., 2007). 신경 재활은 뇌졸중의 장기적인 영향을 성공적으 로 줄이고 지역사회 재통합을 위한 최적의 기능 회복을 달성하는 데 중심적인 역할을 한다. 그리고 뇌졸중 재활 의 중요한 목표는 기능 회복을 위한 신경 가소성의 효과적 인 사용이다. 따라서 뇌졸중 후 회복을 위해서는 고용량 의 집중 훈련과 기능적 과제의 반복적 연습이 중요하다 (Pekna et al., 2012).
뇌졸중 후 근약화, 균형 장애, 감각 상실, 제한된 이동 성은 넘어질 가능성을 높이며 낙상은 뇌졸중 환자에게 많 은 합병증을 유발하여 본인과 가족에게 심리적 부담과 경 제적 부담을 준다(Yang and Butler, 2020). 또한 뇌졸중 환자에서 낙상의 다른 위험 요인은 이동성 장애, 진정제/ 향정신성 약물 사용, 자가 관리 장애, 우울증, 인지 장애 이다(Xu et al., 2018). 뇌졸중 후 낙상으로 인해 사회 참여 감소, 낙상에 대한 두려움, 외상성 뇌 손상, 골절, 기능 장애, 이환율, 심지어 사망률까지 증가시킬 수 있기 때문에 뇌졸중 환자에게는 위험한 요인이다(Tilson et al., 2012).
뇌졸중 환자는 퇴원 후 6개월 이내에 낙상 유병률은 36%~73%이며 뇌졸중 후 1년 동안 낙상률은 40%~58%로 높게 유지된다( Alemdaroglu et al., 2012). 또한 낙상의 61%는 뇌졸중 후 집으로 돌아온 후 첫 2개월 동안 발생했 으며(Mackintosh et al., 2005 ), 대부분의 뇌졸중 환자 는 집 안에서 넘어지며, 넘어지는 동작은 걷기와 이동 시 에 가장 빈번한 낙상이 발생한다(Belgen et al., 2006). 이 러한 결과는 뇌졸중 재활에서 퇴원한 후 첫 달에 보다 집 중적인 낙상 및 부상 예방 전략을 시작할 필요가 있음을 시사한다.
최근 연구에서 뇌졸중으로 인한 손상된 뇌의 신경학적 회복 원리를 이용한 대뇌겉질의 재구성화를 촉진하기 위 해 다양한 비침습적인 뇌자극 방법들이 임상에서 많이 연구되고 있다. 경두개 직류 자극(transcranial direct current stimulation, tDCS)는 직접적으로 뇌 기능을 조 절하여 뇌 신경가소성의 변화를 유도하는 중재방법이다 (Boggio et al., 2006). tDCS는 두 개의 전극을 두피에 부 착하고 1mA∼2mA 정도의 미세한 전류를 통전시키는 것 으로, 양전극(anodal electrode)에서는 뇌 신경 세포의 흥 분성을 증가시키고 음전극(cathodal electrode)에서 흥분 성을 감소시킨다 (Stagg & Nitsche, 2011). tDCS는 비침 습적 뇌 자극기법으로 자극 부위에서 직접적으로는 전위 의 흥분성을 변화시키고, 간접적으로 반대편 대뇌에 일치 하는 부위의 흥분성을 변화시켜 대뇌겉질의 신경가소성 변화를 유도하여 손상측의 운동기능에 긍정적인 영향을 준다(Nowak et al., 2009). 뇌졸중 환자에게 경두개 직류 자극과 운동학습을 병행했을 때, 대뇌겉질의 활성도가 촉 진되고 운동 기능이 향상되었으며(Schlaug et al., 2008), tDCS 적용 후에 뇌졸중 환자의 팔의 기능을 담당하는 일 차운동 영역의 기능이 향상되었다고 하였다(Fregni et al., 2006). Tanaka 등(2009)은 tDCS로 손상된 대뇌의 일 차운동영역을 자극한 결과 다리부위의 대뇌겉질이 활성 화되었다고 하였다.
뇌졸중 환자의 로봇 보조 보행훈련과 관련된 보행기능, 근활성도, 균형 능력에 대한 연구는 계속 이루어지고 있 으나 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 집중적인 신경계재활 훈련이 필요한 뇌졸중 환자를 대상으로 로봇 보조 보행훈 련이 보행기능, 균형능력, 낙상에 미치는 효과를 알아보 고자 한다.
Ⅱ. 연구 방법
1. 연구 대상자
본 연구는 S시 병원에 입원하여 물리치료중인 뇌졸중 환자를 대상으로 하였다. 연구 참여자 중에서 실험군 (GroupⅠ)은 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련을 하루 30분 중재하고 대조군(Group Ⅱ)은 로봇 보조 보행훈련을 하루 30분 중재하였으며 GroupⅠ과 Group Ⅱ는 일반적인 신경물리치료를 각각 30분 씩 중재하였다. 본 연구의 대상 자 선정기준은 다음과 같다. 첫째, 뇌졸중으로 진단받고 6개월 이상~18개월 미만인 대상자, 둘째, 한국판 간이정 신상태검사(Korean-mini mental status examination, k-MMSE)에서 23점 이상인 대상자, 셋째, 다리의 강직으 로 인한 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절에 관절가동운동범 위의 제한이나 관절구축이 없는 대상자로 선정하였다. 위 와 같은 설정 기준에 따라 적합한 대상자 24명을 대상으로 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련 그룹 12명, 로봇 보조 보행훈련 그룹 12명으로 무작위 배치하였다(Table 1).
2. 실험방법
로봇 보조 보행훈련 장비는 LokomatⓇ(Hocoma AG, Zurich, Switzerland)을 사용하여 보행훈련을 중재하였 으며 뇌졸중으로 인한 보행 장애 환자자들이 보행훈련 중 에 정확한 운동학적 및 운동역학적 움직임에 대한 피드백 을 제공하도록 설계되었다. 자세제어용 로봇 보행 보조장 치와 체중 부하 장치로 구성되어 있으며 트레드밀과 연동 되어 움직인다. 로봇 보행훈련은 체중 지지 harness를 이 용하여 뇌졸중환자를 기립하고 환자의 다리를 로봇보행 도구인 Locomat에 엉덩관절과 무릎관절을 맞춰서 부착 시키고 엉덩관절과 무릎관절의 각도와 힘 조절은 컴퓨터 에 의해 이루어지며, 이를 통해 환자의 상태에 맞춰 힘 조절이 가능하다. 그리고 한쪽 다리에 적용된 힘을 점차 감소시켜 환자의 능동적인 보행을 유도하며 트레드밀 위 의 환자가 체중부하장치에 의해 들어 올려져 보행을 보조 받으며 체중지지 강도조절이 가능하다. 로봇 보조 보행훈 련은 보행 장애를 가진 뇌졸중환자에게 가동성을 제공하 며 보행 재활에서 더 빠른 움직임의 회복을 가속화한다. 그리고 보행훈련 시 보행의 운동학적 요인인 보행속도, 보행시간, 걸음 수, 보행거리에 대한 정보를 숫자와 동영 상 그리고 가상현실을 이용한 다양한 생체 되먹임 (Bio-feedback)정보를 실시간으로 제공한다. 이러한 시 각적 되먹임(Visual-feedback)은 보행에 대한 감각정보 를 촉진하여 보행의 기능을 촉진하고 보행훈련의 효과를 상승시킨다. 또한 청각적 되먹임(Auditive-feedback)은 가상현실 프로그램에서 숲속 보행훈련과 장애물 훈련 시 1000Hz의 동물의 소리가 제공되며 이러한 정보는 환자의 동기부여와 반응을 유도한다. 이러한 정보들은 단순 반복 훈련 방식 보다는 반복적인 과제 지향 훈련같은 다양한 훈련을 중재할 수 있으며, 이를 통해 뇌졸중 환자의 보행 기능을 향상시킬 수 있다(Figure 1).
경두개 직류 전기자극을 결합한 로봇 보조 보행훈련을 위해 Halo sport (Halo Neuroscience, USA)를 사용하였 다. Halo sport는 착용하기에 편리한 헤드셋으로 훈련 중 에 두뇌의 운동겉질을 자극하여 근력, 기능, 순발력의 향 상을 촉진 시켜준다. 크기는 6.4×4.4 ㎝이며 28 ㎠ 정도 의 영역이 자극되며 부착 부위는 10- 20국제 뇌파 검사시 스템(International 10-20 system)에 따라 1차 운동영역 (primary motor cortex)인 C3, C4, CZ 부위에 적용하여 자극하였다. 자극은 총 1회 30분 동안 2.0 ㎃ 전류가 흐르 도록 구성되었으며, 최대 전류의 밀도는 0.071 ㎃/㎠로 설 정하였다(Figure 2).
연구 대상자들은 실험군(GroupⅠ)과 대조군(Group Ⅱ) 으로 나누었으며, 실험군은 tDCS를 결합한 로봇 보조 보 행훈련을 1일 1회, 일반적인 신경물리치료를 30분 시행하 였고 대조군은 로봇 보조 보행훈련을 1일 1회, 일반적인 신경물리치료를 30분 시행하였다. 물리치료 중재 중에는 지속적으로 환자의 상태와 기능을 모니터링하고 환자의 상태에 맞는 적절한 수행을 반복하였으며, 로봇 보조 보 행훈련의 모든 조절 지표는 대상자의 신체기능과 보행기 능에 따라 점진적으로 수정하여 지표를 조절하여 보행후 련을 중재하였다.
3. 측정방법
1) 버그 균형 척도(Berg Balance Scale, BBS)
버그균형척도는 이동이나 선 자세에서 균형능력을 평 가하는 도구이며 앉기, 서기, 자세변화 과제가 포함된 균 형능력을 평가할 수 있는 도구이다. 평가항목은 14항목으 로 구성되었으며 각 항목은 0~4점의 등급으로 5점 척도 로 되어있다. 56점이 만점이며 41점 이상은 낙상의 위험 이 낮고, 21점∼40점은 중간 정도의 낙상 위험이 있고, 20 점 이하는 높은 낙상의 위험이 있으며 버그균형척도의 평 가 점수가 높을수록 균형이 좋다. 이 측정도구는 측정자 내 신뢰도 r=.98, 측정자 간 신뢰도 r=.99이다(Ko et al., 2015).
2) 일어서서 걷기 검사(Timed up and go test, TUGT)
뇌졸중 환자의 보행 능력을 측정하기 위해 일어서서 걷 기 검사를 수행하였으며, 기능적인 운동성과 이동 능력, 그리고 균형능력을 측정할 수 있는 검사이다. 대상자는 팔걸이가 있는 의자에 앉은 자세에서 검사자의 신호에 따 라 의자에서 일어나 3 m를 걸어가서 반환점을 돌아 비손 상측 방향으로 돌아와서 의자에 앉기까지의 시간을 검사 자가 초시계를 이용하여 측정한다. 총 3회에 걸쳐 측정한 후 그 평균값을 적용하여 변수를 구한다. 측정자 내 신뢰 도는 r=.99, 측정자간 신뢰도는 r=.98로 높은 수준이다 (Podsiadlo & Richardson, 1991).
3) 10m 걷기 검사(10m walking test)
10m 걷기 검사는 직선 보행 능력을 평가하기 위한 검사 이며(Dean et al., 2001), 보행속도는 총 14 m를 최고 속도 로 걷게 하고 처음 2 m와 마지막 2 m는 측정에서 제외하 였다. 대상자가 한 번 걷게 한 후 3회 검사를 실시하여 각각의 평균값을 사용하였다. 이 측정도구는 측정자 내 신뢰도, 측정자 간 신뢰도 r=.87이다(Dean et al., 2000).
4) 낙상 효능감(Fall efficacy)
낙상을 예방하는데 낙상관련체력을 평가하기 위해 Kim 등(2017)의 연구에서 사용한 낙상관련체력을 사용하 여 평가하였다. 하위 항목은 의자에 앉고 일어서기(chair Stand)와 244 cm 돌아오기(244cm Up and Go)를 사용하 여 다리근력과 민첩성을 각각 측정하였고, 한발서기(One leg standing test)로 평형성을 측정하였다.
4. 자료분석
본 연구의 결과 분석은 Window SPSS 25.0 프로그램을 이용하여 처리하였다. 연구 대상자의 동질성 검증을 위해 Shapiro- wilk를 실시하였다. 집단 내 중재방법에 대한 변화를 알아보기 위해 대응표본 t-검정을 이용하였고, 집 단 간 중재방법에 대한 변화를 알아보기 위해 공분산분석 (analysis of covariance, ANCOVA)을 실시하였다. 통계 학적 유의 수준은 α=.05로 설정하였다.
Ⅲ. 연구 결과
1. 실험군 내 중재에 따른 비교
중재에 따른 집단 별 변화에서 실험군의 BBS(p<.001), TUGT(p<.001), 10MWT(p<.001), FES(p<.05)의 변수에서 통계학적으로 유의한 차이가 나타났다(Table 2).
2. 대조군 내 중재에 따른 비교
중재에 따른 집단 별 변화에서 대조군의 BBS(p<.001), TUGT(p<.001), 10MWT(p<.001)의 변수에서 통계학적으 로 유의한 차이가 나타났으며(p<.001), FES변수에서는 통 계학적으로 유의하지 않았다(p>.05) (Table 3).
3. 집단 간 중재에 따른 비교
중재에 따른 집단 간 변화에서 BBS(p<.001), TUGT (p<.001), 10MWT (p<.001), FES(p<.05)의 변수에서 통계 학적으로 유의한 차이를 보였다(p<.05)(Table 4).
Ⅳ. 고 찰
뇌졸중환자의 자발적 움직임 회복은 대부분 뇌 손상 발 병 후 첫 3개월 이내에 일어나며, 뇌 손상 발병 후 첫 3개 월 이내에 로봇 보조 보행훈련으로부터 최대의 효과를 얻 을 수 있다고 알려져 있다(Mehrholz et al., 2017). 뇌 손 상 이후 만성적이고 심각한 보행장애를 가지고 있는 환자 의 경우 운동수행력과 운동학습에 대한 향상과 개선을 위 해서는 연습과 반복운동이 필수적인 조건이다(Rodrigues et al., 2017). 뇌의 심각한 손상이 있는 사람은 보행의 기 능 저하를 보이고 운동의 학습 단계에서 집중적인 보행훈 련 프로그램이 필요하며, 자발적인 움직임의 조절과 신체 내부 또는 외부의 숙련도를 얻기 위해 광범위한 대뇌겉질 의 신경학적 처리과정이 필요하다(Steenbergen et al., 2010).
본 연구는 뇌졸중 발병 6개월 이상~18개월 미만의 뇌 졸중 환자를 대상으로 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련 이 균형능력, 보행능력 및 낙상효능감에 미치는 영향을 분석하기 위해 실험을 실시하였다. 연구의 결과는 tDCS 를 결합한 로봇 보조 보행훈련군은 로봇 보조 보행훈련에 비해 보행, 균형, 낙상 효능감에서 유의한 차이를 보였으 며 이러한 결과는 뇌졸중 재활에서 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련이 보행, 균형, 낙상 효능 기능 향상에 효과 적인 중재방법으로 제안된다.
이전의 연구는 보행 장애를 가지고 있는 만성 뇌졸중 환자들에게 집중적인 지상보행훈련 또는 로봇 보조 보행 훈련 후에 운동기능의 회복과 기능적 능력이 지속적으로 향상된다고 보고하였으며(Kelley et al., 2013), 로봇 보조 보행훈련이 버그균형척도, 수정된 기능적 뻩기검사, 기능 적 보행지수를 기반으로 균형, 운동 능력, 보행기능 향상 에 효과적이었다고 보고하였다(Mazzoleni et al., 2017). 본 연구에서는 뇌졸중환자에서 로봇 보조 보행훈련과 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련을 받은 보행장애 환자 는 로봇 시스템의 유형에 관계없이 두 군에서 모두 향상되 었고 특히 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련군에서 유의 하게 향상된 보행 기능을 보였다. 선행연구에서도 뇌졸중 환자를 대상으로 로봇 보조 보행훈련을 6주 동안 중재한 후 보행능력과 기능을 분석한 결과 대조군에 비해 실험군 에서 유의하게 향상된 결과를 보였다(Mayr et al., 2007).
균형은 뇌 손상 환자에서 최적의 보행 기능에 기여하는 핵심 요소이며 특히 앉은 자세 조절은 보행 기능의 회복 전 단계에서 독립적인 일상 활동의 중요한 전제 조건이다 (Daunoraviciene et al., 2018). 뇌졸중 환자의 로봇 보조 보행훈련과 균형 사이의 관계를 조사한 체계적 검토 연구 에서도 로봇 보조 보행훈련 이후 균형능력의 점수가 크게 향상되었다고 보고하였다(Swinnen et al., 2014).
지금까지 뇌졸중 이후 보행기능에 손상이 있는 만성 뇌 졸중환자의 로봇 보조보행훈련이 균형과 보행기능의 효 과를 뒷받침하는 명확한 증거가 부족하였으며 본 연구에 서는 로봇 보조 보행훈련 프로그램 중재가 보행과 균형, 낙상 영역을 유의미하게 증가시켰고, 결과적으로 뇌손상 이후 뇌졸중 환자의 신체기능과 이동, 균형 관련 기능을 향상시켰다.
Ⅴ. 결 론
본 연구는 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련이 뇌졸 중환자의 균형, 보행 능력 및 낙상 효능감에 미치는 영향 을 알아보기 위해 시행되었다. 본 연구의 결과는 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련이 균형, 보행 능력 및 낙상 효능감에 대한 유의한 결과를 보였다. 이러한 결과는 tDCS를 결합한 로봇 보조 보행훈련이 뇌졸중재활의 치료 적 효과를 입증하는 임상적 근거를 제공할 수 있으며 향후 임상에서 로봇 보조 보행훈련이 뇌졸중 환자의 보행, 균 형 기능 및 낙상 효능감을 향상시키는 뇌졸중재활 접근법 으로 제안한다.
