컴퓨터화된 자세조절훈련이 뇌졸중 환자의 균형 및 근활 성도에 미치는 영향
양대중, 박승규, 강전일, 이준희, 엄요한
세한대학교 대학원 물리치료학과
Effect of Computerized Feedback Postural Training on Balance and Muscle Activity in Stroke Patients
Dae-Jung Yang, Seung-Kyu Park, Jun-Il Kang, Jun-Hee Lee, Yo-Han Uhm
Department of Physical Therapy, Graduate School of Public Health, Sehan University
Purpose: This study examined the effects of computerized feedback postural training on the balance and electromyography activity of subjects with stroke.
Methods: A total of 30 chronic stroke patients were enrolled in this study. Subjects were divided into an experimental group (n=15) and a control group (n=15). Computerized feedback postural training was used in the experimental group. Both groups received intervention for six weeks, 5 times per 30 minutes period. Data analysis was performed using analysis of covariance for determination of statistical significance.
Results: Significant difference in static and dynamic balance was observed in the experimental group, compared with the control group (p=0.05), and a significant difference in muscle activity was observed in the gastrocnemius muscle, quadriceps muscle, and elector spinae muscle. However, the hamstring muscle showed no significant difference.
Conclusion: Computerized feedback postural training is more effective in improving the ability of balance and muscle activity than neurological physical therapy.
Keywords: Postural training, Balance, Muscle activity, Stroke
I. 서론
뇌졸중은 뇌혈관이 막히거나 터짐으로서 감각장애, 운동장 애, 언어장애가 발생하여 독립적인 일상생활동작에 제한을 준 다.1-3 특히 감각-운동(sensori-motor) 손상의 결과로 발생되는 자세 조절(postural control)의 장애는 뇌졸중 환자의 균형능력 저하를 야기시키며, 독립적 보행을 방해하고 낙상의 위험도를
높인다.4-7
자세조절의 증진은 이를 통한 기립위 안정성과 체중부하 조절능력 및 보행 향상을 위해서 매우 중요하다.8
균형은 역동적인 중력의 변화에 저항하여 바로 세운 (upright) 자세를 유지하는 능력으로, 정적 또는 동적 움직임 동안 몸의 무게 중심이 지지면 안에 위치하도록 하는 자세 조 절 기전을 통해 균형을 유지하게 된다.2 균형 능력은 독립적인 일상생활 활동의 성취와 퇴원 후 지속되는 장애를 예측하는 중요한 인자이며, 균형 능력과 대칭성의 회복은 보행 기능과 높은 상관관계를 보여준다.9,10 대부분 뇌졸중 환자는 같은 나 이의 정상 성인에 비해 지지면 내에서 체중 이동 시 자세동요 (postural sway)가 두 배 정도 커지며, 이로 이한 균형 유지 능 력이 감소된다.11 뇌졸중 환자들은 정적이나 동적 선 자세에서
Received September 18, 2012 Revised October 17, 2012
Accepted October 17, 2012
Corresponding author Yo-Han Uhm, [email protected]
Copyright © 2012 by The Korean Society of Physical Therapy
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The J ournal of K orean S ociety of P hysical T herapy Original Article
도 비마비측으로 더 많은 체중을 지지하는 경향을 나타내고, 체중지지 자세에서 균형을 잃지 않고 신체중심을 이동할 수 있는 능력이 감소되어 낙상과 같은 위험한 요소에 노출되어 있다.12 균형은 감각계와 적절한 반응 시기를 결정하는 중추신 경계의 작용에 의해 신체 자세를 조절할 수 있는 힘을 제공하 는 근골격계의 능력으로 조절되며, 뇌졸중 환자의 부적절한 자세조절은 근육 기능에 지속적으로 영향을 주게 되어 근육 구조의 형태학적인 변화가 마비측에 많이 나타나게 된다.13,14 근육의 변화는 근육약화, 강직, 구축 등과 밀접하게 연계되어 근육의 두께 감소 및 근섬유의 단축 그리고 운동단위 수의 감 소를 나타낸다.15 근력의 약화는 기능적 회복을 제한시키는 요 소 중 하나이고 근력, 균형능력, 기능적 독립성의 저하를 가져 오며, 근 균형감각 소실과 관계가 있다.16,17 하지의 근력강화 훈련이 보행 기능 회복에 효과적이었으며, 뇌졸중 환자를 대 상으로 체간과 하지 근력과 동적 균형 및 기능적인 동작들과 의 상관관계 연구에서 높은 상관관계 계수를 보였다.18-20 뇌졸 중 환자의 체간 근력의 증가는 균형감각과 보행능력에 효과적 이며,20 자세균형의 조절은 발목보다는 고관절과 체간 조절이 보다 높다고 하였다.21 뇌졸중 환자의 균형과 근력 향상을 위 한 다양한 치료적 중재방법 중 최근 생체되먹임을 통한 훈련 이 균형 능력 증진 및 보행 능력에 탁월한 효과가 있다고 보고 하였다.22 생체되먹임은 구심성 정보에 대한 내적 반응의 ‘느 낌’을 획득하기 위해 시각, 청각 또는 움직이는 그림 등을 컴퓨 터 모니터에 나타내는 것이다.23 이러한 정보들은 고유수용성 감각과 더불어 자신의 움직임에 대한 정확하고 즉시 확인 가 능한 정보를 제공한다.24 생체되먹임을 통해 측정되는 신호 중 긍정적 반응에 대한 신호가 발생될 때마다 영상이나 음성을 통한 강화를 제공하면, 그 긍정적인 반응의 출현빈도가 증가 한다.25 이러한 생체되먹임을 이용한 치료는 자신이 수행한 결 과의 원인이 되는 오류를 시각과 청각 및 체성감각으로 되받 아 과제수행의 오류를 자발적으로 문제를 해결해 나감으로써 운동학습을 촉진시키는 데 효과적이다.26 Jung27은 생체되먹 임 훈련이 뇌졸중 환자들에게 정적, 동적 선 자세 균형 능력 및 보행 변수의 향상에 긍정적인 영향을 미친다고 보고하였다.
Seo 등28은 시·지각을 이용한 생체되먹임 훈련이 뇌졸중 환 자의 균형 및 보행능력을 회복하는 데 효과적이라고 보고하였 다. 이러한 균형훈련이 치료적으로 다양하게 시행되고 있다.
이러한 생체되먹임을 이용한 균형훈련이 다양한 치료적인 방 법으로 중재되고 있으며, 본 연구에서는 생체되먹임 자세조절 훈련을 이용하여 뇌졸중 환자의 균형과 몸통과 하지근육의 활 성도에 미치는 효과에 대해 알아보고자 한다.
II. 연구방법
1. 연구대상
본 연구는 2012년 1월부터 발병일이 1년 이상 경과한 자 30명 을 대상으로 하였으며, 연구의 참여기준에 적합한 자로 본인 또는 보호자에게 본 연구의 내용과 목적을 충분히 설명하고 참여 동의서를 받은 후 진행하였다. 연구 대상자의 참여기준 은 다음과 같이 선정하였다. 10 m 이상 독립적인 보행이 가능 한 자, 실험에 영향을 줄 수 있는 근골격계 질환이 없으며, 신 경학적 검사로 청각, 전정, 안구 손상이 없는 자, 편측 무시 증 상이 없고, 지시하는 내용을 이해하고 따를 수 있는 자로 한국 형 간이정신 상태검사(Mini-mental State Examination-K)에서 24점 이상으로 의사소통과 이해가 가능한 자로 평가 시에 충 분히 지시에 따라줄 수 있는 자를 대상으로 하였다. 실험군 15 명과 대조군 15명은 무작위 임의 선정되었으며 연구 대상자 의 일반적 특성은 Table 1과 같다.
2. 실험방법
대상자들은 근력강화 훈련 및 보행훈련 등이 포함된 일반적 인 신경계 물리치료를 30분씩 중재한 후, 추가적으로 실험군 은 Balance Trainer (Medica Medizintechink GmbH, Hochdorf, Germany)를 이용하여 자세조절훈련을 시행하였고, 대조군은 생체되먹임을 제거한 자세조절훈련을 시행하였다.
중재는 6주간, 6회/1주, 30분/1일 동안 시행하였다. 컴퓨터 화된 자세조절훈련을 위해 Balance Trainer를 사용하였다. 이 자세조절훈련기는 기계적 관절에 2도 정도의 자유도가 있으 며, 무릎을 지지하는 무릎패드와 골반을 안정화시켜주는 골 반지지대로 연결되있다. 자세조절훈련기의 기계적인 관절 은 하나의 단계를 수행하는 동안에 서 있는 사람의 생리적 움 직임을 허용하며, 서있는 사람의 움직임이 발생시 그 움직임 의 정도를 이와 연결된 모니터 화면에서 보여준다. 훈련 과제
Table 1. General characteristics of subjects Variable CFPT group
(n=15)
General group (n=15) Age (yr)
Height (cm) Weight (kg) Duration (month)
57.8±2.6 167.5±3.1 64.6±3.7 16.3±3.4
56.3±1.4 169.1±2.4 65.8±5.5 15.4±2.0 Values are presented as mean±standard deviation.
CFPT: computerized feedback postural training.
가 선택되면 환자는 정면의 모니터 화면을 주시하고 훈련 과 제에 따른 움직임을 수행하면 된다. 체간의 과도한 보상작용 이나 손을 사용하는 경우 치료사의 구두지시를 통해 이를 제 한한다. 총 4가지 중재훈련 과제는 움직임평가(movement of evaluation), 사과모으기(collect of apples), 벽돌부수기(piddle of war), 선따라 움직이기(out of line)으로 구성되어 있다 (Figure 1). 중재는 6주 동안 일주일에 5회씩 30분을 시행하였 다.
1) 측정도구 및 방법 (1) 균형 측정 시스템
균형능력을 분석하기 위하여 Biorescue (RM Ingenierie, France) 를 사용하였으며, 이 장비는 이동이 가능한 사각형의 두발 기 립용 힘판으로 구성되어 있고 힘판 위에는 적절한 발의 위치를 위해서 눈금자가 표시되어 있다. 정적 균형을 측정하기 위해 두 발로 서기를 60초간 전방을 향하는 동안 압력중심(center of pressure)의 총 이동거리와 면적을 측정하였다. 동적 균형의 안 정성 한계(limited of stability)를 측정하기 위해 전방의 모니터 에서 지시하는 8개의 방향 중 동·서·남·북·전·후·좌·우로 체 중 이동 시 중심점에서의 거리를 측정하였다. 모든 평가는 3회 를 측정하여 얻은 결과값의 평균값을 이용하였다(Figure 2).
(2) 표면 근전도 시스템
체간과 하지의 근활성도를 측정하기 위해 MP100 표면 근 전도 시스템(Biopac System Inc., California, USA)을 이용하 였고 여기에서 전환된 디지털 신호는 개인용 컴퓨터에서 Acqknowledge 3.91 소프트웨어를 이용하여 자료 처리하였
다. 이극 표면 전극(bipolar electrode)을 측정하고자 하는 근 육에 부착하였다. 표면 근전도 신호에 대한 피부저항을 감소 시키기 위하여 부착부위의 털을 제거하고 가는 사포로 3~4회 문질러 피부각질층을 제거한 후, 소독용 알코올로 피부를 깨 끗이 하였다. 앞정강이근, 장딴지근, 넙다리네갈래근, 넙다리 뒤근, 척주세움근의 근활성도는 안정성 한계 평가 동안에 측 정하였다. 신호의 표본추출률(sampling rate)은 1,024 Hz로 설 정하였고, 잡음을 최소화하기 위하여 대역 여과 필터(notch filter) 60 Hz, 대역 통과 필터(band pass filter) 30~500 Hz를 사 용하였고, 수집된 신호는 root mean square (RMS) 처리를 하 였다.
3. 자료 분석
모든 통계처리는 SPSS ver. 17.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)
Figure 1. Balance trainer & program.
Figure 2. Biorescue.
을 이용하였으며, 실험군과 대조군의 정규성 검증을 위해 독 립표본 t검정을 하였고, 중재에 방법에 따른 그룹 간 균형능력 과 근활성도의 차이를 검증하기 위해 공분산분석(analysis of covariance)을 실시하였다. 통계학적 유의수준은 α=0.05로 하였다.
III. 결과
1. 근활성도 비교
그룹 간의 중재 전·후 앞정강이근 근활성도 비교에서 실험 군은 41.64±13.87 μV에서 42.98±14.77 μV로 대조군과 비 교하여 통계학적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.05). 장딴지 근의 근활성도는 32.35±10.56 μV에서 33.13±9.62 μV로 넙 다리네갈레근의 근활성도는 37.26±12.65 μV에서 39.54±
12.92 μV로 척추세움근의 근활성도는 29.31±10.98 μV에서 30.56±11.82 μV로 일반적인 물리치료 그룹과 비교하여 통 계학적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01). 하지만 넙다리뒤 근의 근활성도는 26.09±9.54 μV에서 27.02±8.80 μV로 평
균값의 증가는 보였으나 통계학적으로 유의한 차이가 없었다 (Table 2).
2. 균형능력 비교
그룹 간의 중재 전·후 정적 균형 비교에서 컴퓨터화된 자세 조절훈련 그룹의 신체 중심 이동면적은 69.20±14.57 mm2에 서 61.26±13.57 mm2로 총궤적길이는 883.01±1.49 mm에서 825.05±1.22 mm로 일반적인 신경계 물리치료 그룹과 비교 하여 통계학적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01). 동적 균 형 비교에서 컴퓨터화된 자세조절훈련 그룹의 안정성 한계는 13454±2548.65 mm2에서 13461.73±2229.77 mm2로 일반적 인 물리치료 그룹과 비교하여 통계학적으로 유의한 차이가 있 었다(p<0.05) (Table 3).
IV. 고찰
본 연구에서는 6주간의 컴퓨터화된 자세조절훈련이 기존의 일반적인 신경계 물리치료와 비교했을 때, 균형능력과 근활성
Table 2. Comparison of muscle activity during balance test in hemiplegic patient (n=30) (unit: μV)
Muscle Pretest Posttest
F p
CFPT (n=15) GPT (n=15) CFPT (n=15) GPT (n=15)
TA GCM QA HAM ES
41.64±13.87 32.35±10.56 37.26±12.65 26.09±9.54 29.31±10.98
39.22±12.8 35.68±11.89 36.76±11.23 31.74±9.68 27.11±9.65
42.98±14.77 33.13±9.62 39.54±12.92 27.02±8.80 30.56±11.82
39.92±12.43 35.81±11.39 37.32±11.71 32.73±10.59 27.22±8.42
6.44 32.41 48.40 0.116 41.80
0.02*
0.01
†0.00
†0.74 0.01
†Values are presented as mean±standard deviation.
CFPT: computerized feedback postural training, GPT: general physical therapy, TA: tibialis anterior, GCM: gastrocnemius, QA: quadriceps, HAM:
hamstring, ES: erector spinae.
*p<0.05,
†p<0.01.
Table 3. Comparison of Biorescue test in hemiplegic patient (n=30) (unit: mm
2, mm)
Test Pretest Posttest
F p
CFPT (n=15) GPT (n=15) CFPT (n=15) GPT (n=15)
SA LOS WPL
69.20±14.57 13454±2548.65 883.01±1.49
69.73±14.98 13548±2789.24 890.02±1.74
61.26±13.57 13461.73±2229.77
825.05±1.22
67.66±15.49 13505.97±2663.77
870.01±1.45
29.93 9.43 14.57
0.00*
0.01*
0.02*
Values are presented as mean±standard deviation.
CFPT: computerized feedback postural training, GPT: general physical therapy, SA: surface area, LOS: limited of stability, WPL: whole path length.
*p<0.05.
도에 미치는 영향을 알아보고자 본 연구를 실시하였다.
수월한 독립적인 활동과 일상생활을 영위하는 데 있어서 자세 조절 균형이 우선이 되어야 한다.29 뇌졸중 환자는 비정 상적인 자세조절로 인해 체중 이동 시 자세동요가 커지고 지 지면 내에서 안정된 자세를 유지하는 어려움을 준다. 이러한 자세조절 장애는 균형능력을 저하시키고, 결과적으로 기능적 활동에 문제를 초래하게 된다.30 또한 근력의 약화는 뇌졸중 환자의 운동장애를 재활하는 데 있어 제한요인으로서, 자세유 지와 움직임 조절에 필요한 근육의 장력을 생성하는 능력을 감소시킨다. 그러므로 뇌졸중 환자에게 균형과 근골격계 능력 은 일상생활동작과 보행능력을 향상시키는 데 있어 중요한 역 할을 한다. 뇌졸중 환자의 균형과 근골결계 능력을 향상시키 기 위해서 많은 중재방법들이 있지만, 생체되먹임을 통한 훈 련 효과가 있다고 보고하였다.22 최근 생체되먹임을 이용한 치 료는 실제와 같은 가상 환경과 활동을 할 수 있는 가상현실에 서 기반을 둔 중재가 도입되고 있다.27
본 연구의 결과는 정적·동적 균형에서 대조군과 실험군에 서 모두 전·후 유의한 차이를 보였지만, 실험군에서 더 효과 적이었다. 또한 근활성도에서 넙다리뒤근을 제외한 장딴지근, 넙다리네갈레근, 척추세움근에서 대조군과 실험군 모두 전·후 유의한 차이를 보였지만, 실험군에서 더 효과적이었다.
Kim31은 과제지향적 체성감각 균형훈련과 시각적 되먹임 균형 훈련 및 신경계 물리치료를 비교한 연구를 하였는데, 시 각적 되먹임 균형 훈련을 이용한 그룹이 일반적인 물리치료를 이용한 그룹보다 하지 운동능력과 균형 및 안전보행속도에서 통계적으로 유의한 증가를 보였다. Jung27은 생체되먹임을 이 용한 그룹에서 선 자세 균형과 동적 선 자세 균형 및 보행의 시 간적 변수와 공간적 변수에서 유의한 증가를 보였다. 본 연구 에서도 생체되먹임을 이용한 그룹에서 선 자세 균형과 동적 선 자세 균형이 모두 향상되는 동일한 결과를 얻었다. Yang32 은 중추 신경계 발달 치료와 생체되먹임 훈련을 병행한 그룹 에서 10 m 걷기검사, 일어서 걷기검사, 버그균형검사와 근육 의 최대 수의적 등척성 수축력 및 보행의 시간적 변수에서 유 의한 증가를 보였다. 이는 뇌졸중 환자들은 신경계 물리치료 와 함께 생체되먹임 훈련이 필요하다는 것을 뒷받침해 줄 수 있다. Woodford와 Price33는 뇌졸중으로 인한 하지의 기능장 애 환자에게 일반적인 물리치료와 생체되먹임 치료는 단독 적인 신경계 물리치료에 비해 하지의 근력, 기능적 회복, 보행 의 질 향상을 제공한다고 보고하여 본 연구와 일치하는 결과 를 보였다. Kim과 Kim34은 만성 뇌졸중 환자를 대상으로 환자 가 쉽게 다를 수 있고 흥미를 유발하는 게임 형식의 가상현실
훈련을 4주 동안 실시한 결과, 전후 동요 면적, 전후 동요 거리, 최대 동요 속도, 동적 균형, 안정성 한계, 버그 균형 척도에서 유의한 차이를 보였다. 본 연구에서도 위의 선행논문에서와 마찬가지로 동요거리와 면적 및 안정성 한계에서 통계학적으 로 유의한 차이를 보였다. 이는 생체되먹임을 통한 훈련은 체 중이동, 체중지지를 이용한 신경계 물리치료보다 단시간 내에 빠른 집중력으로 인해 운동학습을 촉진시켜 운동수행을 증진 시킨 것으로 생각된다. 또한 동적인 과제를 수행하는 동안 자 신의 움직임에 대한 정확하고 즉시 확인 가능한 정보를 제공 하여, 다음 움직임 수행에서 즉각적인 행동수정을 이끄는 긍 정적인 강화로 사용되어 해당 발생빈도가 증가하게 되어 균형 과 보행 능력이 향상된 것으로 생각된다. 안전성 한계란 신체 중심이 지지기저면의 변화 없이 안전하게 이동되어질 수 있는 면적 또는 범위이고 균형을 정상적으로 유지하기 위한 생역학 적 요소 중에 하나이다. Tyson 등35은 뇌졸중 환자의 균형을 증 진 시키고 낙상의 위험요소를 감소시키기 위해서는 안정성 한 계의 범위를 증진시켜야 된다고 보고하였다.
Sackley와 Baguley36는 뇌졸중 환자 90명을 대상으로 시각 적 생체되먹음 훈련을 적용한 그룹에서 환측으로 체중이동과 함께 동적 움직임 역시 증가한다고 보고하였다. 본 연구에서 도 컴퓨터화된 자세조절훈련을 중재 한 그룹에서 체중지지율 과 동적 균형에서 유의한 증가를 보였다. 이는 환측으로 체중 지지율의 증가에 따라 동적 균형이 증가한다는 것으로 사료 된다. Geurts 등37은 중대뇌동맥 손상을 받은 만성 뇌졸중 환자 36명을 대상으로 생체되먹임을 이용한 뇌졸중 그룹에서 자세 의 안정성 증가와 함께 비대칭적인 체중지지 정도의 개선을 가져왔고, 중간볼기근 및 장딴지근에서 유의한 증가를 보였다 고 보고하였다. Kim38은 하지 근육의 증가는 균형과 보행 능력 에 높은 상관관계를 보인다고 보고하였다. Kim21은 뇌졸중 환 자 38명을 대상으로 체간 안정화 운동을 7주 동안 중재한 그 룹에서 체간의 근력 증가를 보였다. 체간의 근력이 증가한 그 룹에선 버그균형척도와 일어나 서서 가기 검사에서 유의한 증 가를 보였다. 위 연구와 같이 체간 근활성도의 증가는 동적 균 형과 보행능력이 향상되는 동일한 결과를 얻었다. 이는 체간 근력의 근활성화로 인한 선행적 자세조절이 이루어짐으로써, 자세동요가 감소로 인해 균형과 보행 및 비대칭적인 체중지지 율에도 영향을 준 것으로 생각된다.
본 연구의 제한점으로 연구 대상자의 지역적 제한으로 모 든 뇌졸중 환자에게 일반화하기 어려웠고, 연구 대상자의 나 이, 성별, 손상 부위와 발병 후 유병기간 등의 관련인자가 연구 에 미치는 영향을 완전히 배제하기 어려웠다. 그리고 연구 대
상자의 일상생활 통제에 어려움이 있었다.
향후 본 연구를 바탕으로 아급성기 뇌졸중 환자에게 컴퓨 터화된 자세조절훈련을 이용한 중재가 근활성도의 변화 및 근 육의 크기에 대한 연구와, 상관관계에 대한 연구를 실시해 보 는 것이 필요할 것이다.
본 연구는 뇌졸중 환자들을 대상으로 컴퓨터화된 자세조절 훈련 프로그램을 6주간 실시한 후 균형과 체간 및 하지 근활 성도에 미치는 영향을 분석하여 컴퓨터화된 자세조절훈련의 효과를 알아 보았다. 압력중심의 총궤적길이와 신체 중심 이 동면적, 안정성 한계를 통하여 컴퓨터화된 자세조절훈련이 일 반적인 신경계 물리치료보다 균형능력을 증가하기 위해 더 효 과적임을 증명하였다. 또한 앞정강이근, 장딴지근, 넙다리네 갈래근, 척주세움근의 근활성도(RMS)값의 분석을 통하여 컴 퓨터화된 자세조절훈련이 신경계 물리치료보다 근활성도를 증가하기 위해 더 효과적임을 증명하였다. 그러므로 컴퓨터화 된 자세조절훈련이 일반적인 신경계 물리치료보다 균형 및 근 활성도의 능력을 향상시키는 것으로 결론을 얻었다.
참고문헌
