: 실용가능성에대한접근 VirtualGloveTechnology 를이용한수부의기능검사

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대한수부외과 학회지 제3권 1호 Vo l. 3 , No 1 , J une 19 98 .

Virtual Glove Technology를 이용한 수부의 기능검사 : 실용가능성에 대한 접근

서울대학교병원 성형외과, 의료정보실*

권성택・김종효*

=A b s trac t =

E v alu at i on o f H an d F u n c ti on w i th

V i rt u al Gl ov e T e c h n ol o g y ; A F e a s ib ili ty A s s e s s m e n t

Sun g - T ack Kw on , M.D., and J on g - Hy o Kim , Ph.D*

D ep artm ent of P las t ic S urg ery, M ed ical I nf ormat ics Center*

S eoul N at ional Un ivers ity H osp ital, S eoul, K orea

When evaluating function of the hand, we have to count on some well- known evaluation protocol such as McBride' s table, which is mainly focussed on the range of motion of individual anatomical joint . To assess disability and the effectiveness of treatment of the hand, however, it is important to be able to evaluate a patient ' s functional capabilities.

The purpose of this study is to test the feasibility of virtual glove for the accessing functional capability of the hand as an organ. With putting on the virtual glove, the range of motion of finger s and wrist was measured and summed at each 4 functional motions (pinching, apposition, grasp and counting), which are commonly used in activities of daily living.

Functions of the splinted normal hand, measured by the virtual glove system, were similar to that of McBrides evaluation, whereas that of a patients hand was greater than what McBrides measurements does.

It is suggested that this test may be of value in clinical or research situations by providing objective evaluation of several major aspect s of hand function.

Key Words : hand, function, evaluation, virtual glove

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※ 통신저자 : 권 성 택

서울시 종로구 연건동 28 서울대학교병원 성형외과

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서 론

가상현실기법(virtual reality technology)이란 신체의 일부와 연결된 입력장치와 그 장치를 통 하여 입력된 자료를 이용하여 마치 실제의 상황 과 비슷한 현상을 느끼게 해주는 기술이다. 이에 대한 응용은 로보트나 항공우주공학은 물론 오락 게임에 널리 응용되고 있다. 이러한 가상현실은 결국 인체의 움직임을 디지털신호로 바꿔주는 기 술이 그 기본을 이루는 것으로 숫자화한 정보는 이를 데이터 베이스화 할 수 있어서 이를 다양하 게 이용하여 의료분야에도 이용할 수 있는 가능 성을 시사하는 바가 크다^{4 )}.

한편, 현대사회에 있어서는 산업화와 더불어 이에 따른 많은 산업재해와 직업병이 생겨나게 되고 이에 따른 장애의 판정과 감정은 이미 의사 의 업무중의 하나가 되어 버렸다고 해도 과언이 아니다. 장애의 판정기준에는 우리나라에서는 McBride 식 평가와 국가산업산재보상보험법, 국 가배상법, 자동차 손해배상보험법 등이 있다. 이 러한 보상법들은 주로 손상 받은 부위들의 손상 상태를 부위별로 각각 판단하고 개개의 손상부위 의 장애를 병합하는 방법을 택하고 있다. 그러나 적어도 18개의 관절과 27가지 이상의 운동방향의 조합으로 이루어진 수부의 기능을 단순히 손목과 수지의 운동범위만으로 판단한다는 것은 실제적 으로는 무리이다. 더우기 수부의 기능은 외재근 과 내재근의 기능이 함께 작용하여 단순한 신전 과 굴곡뿐만 아니라 실제로 수부가 담당하는 주 요 기능인 병치(apposition), 파악(grasp) , 손목의 외회전 및 내회전 등과 같은 기능들이 모여져서 조합된 운동을 하고 있다. 그러므로 실생활에서 의 기능능력으로서 총체적인 평가를 하는 것이 이상적이기는 하나 아직 이에 대해서는 판정할 수 있는 방법론이 표준화되어 있지는 않은 상태 이다^{3 )}.

이에 저자들은 수부를 하나의 장기로서 수부의 기능능력(functional capability)을 평가하는 데

있어서 최근에 발달한 가상현실기법(Virtual reality technology )을 이용하여 그 가능성과 유 용성에 대해 알아보고자 하였다.

재료 및 방법 1. 가상장갑(Virtua l Glove)(Fig. 1)

본 연구에서는 미국 General Reality사의 5^{t h} Glove(Fig. 1)를 구입하여 사용하였다. 이 가상장 갑은 탄력성이 있는 장갑의 내부에 광섬유 굴곡 센서를 장착하여 손가락의 굴곡도를 중수지관절 부터 원위수지과절의 운동을 한단위로 측정할 수 있게 한 장비로, 장갑을 끼고 손가락과 손목을 구 부리면 이에 따른 신호를 컴퓨터에 전달하도록 되어 있다. 각 손가락마다 별개의 센서가 들어 있 어서 각 손가락의 움직임을 독립적으로 측정할 수 있으며 별도의 공간감지 센서를 손목부위에 부착시켜서 엄지의 내전과 손목의 굴곡과 신전은 물론 내회전 및 외회전을 감지할 수 있도록 설계 되어 있다.

Fig . 1. The 5^{t h} Glove

각각의 움직임은 장갑에 부착된 interface box 에서 8 bit (256단계)로 디지털화 되며 초당 200회 의 속도로 움직임을 표본화한다. 변환된 디지털

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신호는 RS- 232방식의 직렬통신 포트를 통하여 19.2kbau의 속도로 컴퓨터에 전달한다. 데이터의 전송은 각 손가락마다 1 byte ,손목의 굴곡과 회 전에 1 byte 도합 7 byte 를 한 묶음으로 보내지 며 컴퓨터에서는 최소 5msec마다 갱신되는 데이 터를 읽어 들임으로써 신호를 획득할 수 있다.

2. Ha rdwa re 및 softwa re (Fig. 2) 가) Ha rdwa re

사용된 컴퓨터는 인텔사의 Pentium Pro CPU (200MHz, RAM:64MB)를 사용하였으며 운용 체

제로는 Microsoft사의 Windows NT를 사용하였 다.

나) Softwa re

1) Device drive r fo r data acquis ition 5^{t h} Glove로부터의 데이터를 읽어드리는 데는 Microsoft사의 Visual C++를 이용하여 이를 숫자 화 시켰다. 숫자화된 data를 받아드릴 때는 제1 수지부터 제5 수지 그리고 손목의 굴곡과 신전 및 내회전을 각각 독립적으로 동시에 감지하도록 7개의 channel을 real time으로 기록이 되게 하였 다(Fig.2) .

Fig . 2. Compositions of systems for examination by virtual glove

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2) 사용자 환경 프로그램 (user interface program)

측정은 피검사자의 손목을 자연위치(neutral position)에 두고, 모든 수지를 완전신전과 외전 (abduction)시킨 기본단계를 포함하여 수부의 기 능에서 가장 중요한 것들로 알려져 있는 기능인 집기(pinching), 병치 (apposition), 파악(grasp) , 숫자세기(counting) 등 4단계의 운동을 피검사에 게 시행시킨다. 이때 동시에 손목의 골곡과 신전 그리고 외회전 및 내회전을 최대한으로 시행하도 록 하였다. 기본단계에서는 전송된 데이터중에서 최소치가 기록되게 하였고 나머지 4단계에서는 최대치를 기록하고 각각의 channel에서 상응되는 기본단계의 수치를 감산하였다. 이렇게 얻어진 자료는 정상인 10명으로부터 같은 방법으로 얻은 각각의 항목의 데이터를 분모로 나누어서 정상인 을 기준으로 한 상대치를 구하였다. 각각의 4단계 의 운동이 수부전체의 기능에서 차지하는 비중을 저자의 나름대로 집기(pinching)이 20%, 병치 (apposition)가 25%, 파악(grasp)이 45% , 숫자세 기(counting)가 10%가 되도록 하여 총 100%의 정상수부의 기능력(functional capability)에 대한 상대적 %로 피검사자의 기능이 나오게 하였다.

이때 각 기능단계의 기여도는 측정자의 판단이나 환자의 직업 등을 고려해서 사용자의 임의로 바

꾸어 선택할 수 있게 하였다 (Table 1).

다) 정상 데이터 및 피검사자(시범환자와 가상환자)의 데이터

1) 정상 데이터

서울대학교 병원 의료정보실에 근무하는 27세 에서 32세의 10명의 남자로 과거력상 수부나 신 경학적인 병력이 없고 현재 수부의 기능에 장애 가 없는 사람의 양손을 상기의 사용자 환경 프로 그램(user interface program)에 따라 데이터를 얻고 이를 평균하여 얻어지는 피검사자로부터 얻 은 수치의 분모가 되도록 하였다.

2) 환자의 데이터

피검사자로 29세의 남자로서 일년 전에 입은 압궤손상으로 인하여 왼손의 약지의 원위수지 전 체와 소지의 원위수지의 중간부를 소실하고 중지 의 원위수지관절이 30도 굴곡상태에서 강직되고, 약지의 원위수지관절이 불안정하고, 소지의 근위 수지관절이 15도에서 강직된 실제의 감정환자 한 명을 선택하여 기능의 측정을 저자가 만든 시스 템을 통한 검사를 하고 동시에 McBride 식의 장 애판정도 병행하였다.

3) 가상환자

가상환자로는 저자자신의 왼손에 알루미늄 스 프린트를 손목, 제1 수지, 제2 수지, 제5 수지에

T able 1. Data Input T able (for left hand) Channel

Motion 1 2 3 4 5 6 7 Sum

Sum/ Normal

(%) Relative contribution(%)

Pinch P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P1- P7 / 1077.5 %/ Normal x 25%

Opposition 01 02 03 04 05 06 07 01- 07 / 1126.2 %/ Normal x 20%

Grasp G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G1- G7 / 1675.7 %/ Normal x 45%

Counting C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C1- C7 / 1156.5 %/ Normal x 10%

Sum of % relative contribution Channel 1: thumb Channel 5: little finger

Channel 2: index finger Channel 6: wrist flexion/ extension Channel 3: middle finger Channel 7: wrist supination/ pronation

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T able 2. Data of Normal Per sons T able 2- A . Left Hand

Person Motion

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mean S.D.

Pinch 1014 1089 1001 1012 1157 1279 1071 945 1065 1142 1077.5 96.1 Opposition 1037 1135 1123 1014 127 1280 1083 975 1145 1195 1126.2 103.4 Grasp 1716 1667 1664 1702 1707 1783 1670 1580 1608 1660 1675.7 56.8 Counting 1018 1166 1019 1172 1245 1324 1135 1087 1132 1267 1156.5 101.3

T able 2 - B . Right Han d Person

Motion

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mean S.D.

Pinch 996 1124 1025 1108 1037 1265 1032 987 1107 1146 1082.7 84.8 Opposition 1022 1128 1108 1034 1165 1278 1115 932 1187 12106 1117.5 100.8 Grasp 1176 1638 1712 1746 1754 1736 1648 1439 1578 1764 16791 106.2 Counting 1023 1187 1054 1032 1238 1286 1159 1064 1203 1238 1148.4 97.1

각각 장착시켜서 다음과 같은 네 종류의 가상환 자를 만들었다. 제1 가상환자는 무지를 수근중수 관절(carpometacarpal joint)부터 원위수지관절까 지 신전 및 외전위치에서, 제2 가상환자는 인지를 중수수지관절(metacarpophalangeal joint)부터 원 위수지관절까지 신전위치로 제3 가상환자는 소 지를 중수수지관절(metacarpophalangeal joint )부 터 원위수지관절까지 신전위치로, 제4 가상환자 는 손목을 내회전과 외회전은 영향을 받지 않으 면서 15도 신전시킨 위치로 마치 손목관절을 고 정한 환자와 같은 상황이 되도록 알루미늄 스프 린트를 부착시켰다. 각각의 기능판정을 저자가 만든 시스템을 통하여 시행하고 이를 McBride 식으로 장애를 판정과도 비교하였다.

결 과

1. 정상 데이터 (Ta ble 2)

정상인의 수치는 Table 1에서 보는 바와 같이 각각의 운동단계에 따른 수지와 손목의 운동범위

를 합하여 좌우 각각 집기(pinching)는 1077.5과 1082.7 병치(apposition)는 1126.2과 1117.5, 파악 (grasp)은 1675.7과 1679.1, 숫자세기(counting)는 1156.5과 1148.4의 데이터를 얻었다. 이때의 표준 편차는 모든 운동단계에서 평균치의 10%이내의 수치를 얻었으며 왼손과 오른손의 차이는 없었다.

2. 피검사자의 데이터 (Ta ble 3)

가상환자의 경우에는 전신에 대한 장애가 각각 무지를 고정한 제 1가상환자에서는 11.7%( Table 3- A), 인지를 고정한 제 2 가상환자에서는 7.2%(

T able 3- B), 소지를 고정한 제3 가상환자에서는 8.4%(T able 3- C)로 McBride식의 판정과 거의 유사한 수치를 얻었고, 손목을 고정한 제4 가상 환자에서는 4.6%로 McBride식의 판정시(7%)보 다 다소적은 결과가 나왔다(Table 3- D). 실제의 환자의 경우에는 전신에 대한 장애가 10%로 개 개의 수지에 대한 판정을 병합산하는 Mc Bride 의 판정(4.91%)보다 2배이상의 높은 기능장애 수치를 나타내었다(Table 3-E).

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고 찰

수부에 대한 가상현실의 기법은 1987년 Buford와 Thompson¹⁾ 이 수부의 생체역학에 대

해 가상작동(simulation)을 연구한 이래로 Me- rollie 등^{5 )}이 인간의 손의 운동을 3차원적인 가상 현실기법을 통하여 이를 연구하고자 발달시켜오 고 있으며^{2 )}, 현재 여러 종류의 Goniometric T able 3 . Data of Ex aminee

T able 3- A . Imaginary Patient 1 (splinted thumb, CMC, and IP joint s in state of abduction and extension))

Session Sum Sum/ Normal(%) Relative Contribution (%)

Pinch 551 51.2 10.2

Opposition 607 53.9 13.5

Grasp 1407 83.9 37.8

Count 1066 92.9 9.3

Function as a part 70.8

Disability as a part 29.9

Disability as a body % 11.7

Disability in McBrides T able 9

T able 3- B . Imaginary Patient 2 (Splinted Index, MP through DIP joints in extension)

Session Sum Sum/ Normal(%) Relative Contribution(%)

Pinch 818 71.6 14.3

Grasp 1562 94.1 42.5

Count 1003 86.7 8.7

Function as a part 82

Disability as a part 18

Disability in McBrides Table 7

T able 3- C. Imaginary Patient 3 (Splinted little finger, MP through DIP in extension)

Pinch 885 82.2 16.6

Grasp 1247 77.1 34.7

Count 822 71.1 7.1

Disability in McBrides Table 7

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T able 3- E . Patient

Pinch 798 74.1 14.8

Opposition 699 62 15.5

Grasp 1367 81.6 36.7

Count 926 80 8

Function as a part 75

Disability as a part 25

Disability as a body % 10

Disability in McBride,s T able 4.91

Glove들(DataGlove, CyberGlove, the SIGMA glove and the 5^{t h} Glove) 이 개발되어 이를 임상 적으로 이용하고자 시도되고 있다^{6 )}. 그러나 이러 한 것들의 임상적 유용성을 일아 보고자 1990년 Wise 등^{7 )} 이 당시에 상품화된 가상장갑인 DataGlove를 가지고 관절운동을 측정하여 보았 는데 당시의 기술로서 제작된 가상장갑으로서는 그 정확도가 기대를 충분히 만족시켜주지는 못하 였기 때문에 실제적인 구체적 임상으로의 적용은 비교적 미루어져 왔다. 이후에도 여러 업체에서 보다 정교한 가상장갑(virtual glove)들을 출품하 였었다. 그러나 궁극적으로 복잡한 수부의 운동 을, 특히 수지와 각각의 관절의 운동을 개별적으 로 분석하는 목적에 맞는 시스템은 그 정확도와 편리성, 그리고 가격 등이 현시점으로서는 문제 가 가상장갑의 임상에의 적용을 실현시키기에는 다소 시간이 더 필요할 것으로 보여져 왔다^{6 )}.

물론 수부의 복합적인 구조의 운동을 세밀하게 컴퓨터가 구현하도록 하는 것은 매우 중요하고 또한 최종목표가 된다는 것은 당연하겠지만, 수 부란 원래 하나의 장기로서 개개의 구조믈의 병 변은 전체 수부의 기능에 영향을 주며, 결국 수부 의 기능이란 총체적인 기능능력(functional capability )으로 평가하여야 한다는 것도 당연하 다고 할 수 있다. 이에 대해서는 구체적으로 보고 된 주장이 많이 있어오지는 않았지만 이미 1969 년 Jebsen 등^{3 )} 은 실제로 환자의 재활을 염두에 두는 입장에서 수부의 기능을 좀더 객관적으로 평가하는 데는 식사하기, 서랍열기와 같은 실제 적인 생활에서의 수부의 기능이 평가되어야 한다 고 주장했었다.

한편, 현대사회에서는 수많은 외상과 직업병으 로 인하여 그에 대한 보상의 처리가 급속도로 늘 고 있으며 이때 수부의 장애를 평가 하는 데에 있 T able 3- D . Imaginary Patient 3 (Splinted wrist in neutral)

Pinch 888 82.4 16.5

Grasp 1635 97.6 43.9

Count 1072 92.2 9.2

Disability in McBrides T able 7

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어서 McBride 식과 같은 수부의 구성요소들을 개별적으로 평가하는 방식이 아직도 주로 쓰이고 있다. 더군다나 수부의 기능에는 외재근에 의한 단순한 관절의 상태뿐만 아니라 내재근의 기능도 매우 중요하지만 이에 대한 평가는 미미하다. 그 러므로 수부의 장애판정은 실제로 손을 사용하는 운동시에 모든 요소들의 움직임을 총체적으로 파 악할 수 있어야 하며 검사자가 일일이 각도기를 가지고 측정하는 행위보다는 좀 더 객관적으로 이를 측정할 수 있는 장치가 필요하다고 본다^{7 )}.

이에 저자들은 비록 각각의 수지관절을 개별적 으로 측정할 수는 없다고 하더라도 각각의 수지 의 운동을 잴 수 있고 엄지의 경우는 외전과 내전 을 포함하고 손목에서는 굴곡과 신전 그리고 내 회전과 외회전을 측정할 수 있는 가상장갑중에서 비교적 저렴하고 작동이 쉬운 the 5th Glove를 선 택하였다. 물론 이것으로 완전한 수부기능검사의 시스템을 이루는 것은 아니지만, 이를 임상에 응 용해 보는 것도 수부의 기능을 총체적이고 객관 적으로 평가하는 할 수 있는가에 대한 가능성을 알아보고는 것도 의의가 있을 것이다.

가상장갑에서 제공되는 7개의 channel을 통하 여 입력된 수치를 어떻게 합산하고 이를 어떻게 하여야 총체적인 기능을 적절하게 평가할 수있는 가에 대해서는 아직 정의된 바는 없다. 이에 저자 들은 실생활에서 가장 흔한 운동으로 집기 (pinching), 병치(apposition), 파악(grasp), 숫자 세기 등 4가지의 기능들을 선정하였고 각각의 운 동시에 손목에도 운동을 시켜서 이때에 각 channel에서 나온 수치와 합산하였으며 합산된 수치는 정상인의 평균치로 나누었고 이를 다시 수부의 전체기능에 대한 기여도로 배분하여 합산 하였다. 어떤 기능이 몇 %로 전체의 수부기능에 기여하느냐는 환자의 직업에 따라 달라져야 하고 이에 대해서는 물론 별도의 연구와 분석이 필요 하다. 본 연구에서는 단순한 일상생활에서의 그 기여도를 감안하여 집기(pinching)가 20%, 병치 (apposition)가 25%, 파악(grasp)이 45% , 숫자세

기(counting)가 10%로 하였는데 기여도를 획일 적으로 적용하는 것이 아니라 환자의 직업에 따 라 그에 맞추어서 입력할 수 있도록 하였다.

연구결과 내재근의 기능이 정상인 손에 알루미 늄 스프린트를 붙여서 수지관절들을 강직시킨 시 범환자의 경우는 McBride의 평가에서와 똑같이 수부의 전신에 대한 기여도를 40%로 적용하였을 때 직업계수를 고려하지 않는다면 McBride 식에 의한 장애율 평가와의 차이가 3%이내의 적은 차 를 보였고 손목을 고정하였을 경우에는 McBride 식 평가보다 오히려 작은 수치를 나타내었다. 이 는 실제로 손목에 통증 등의 다른 증상이 없는 손 목관절을 고정한 환자가 한 개의 수지가 강직된 환자보다 일상생활을 더 잘 영위하고 있는 실제 의 임상 경험과 부합되는 소견으로 해석할 수 있 을 것이다. 한편 실제 환자를 적용하여 보면 환자 는 통증과 내재근의 기능저하로 McBride식의 평 가보다 2배이상 높은 기능장애를 나타내었는데 이는 본 연구에서 추구하고자 하는 총체적 수부 기능평가가 단순히 McBride식의 각각 관절이나 수지 등의 상태를 개별적으로 그 기여도를 계산 하는 방식보다 실제로 더 합리적일 수 있다는 예 상에 부합되는 것으로 저자들은 해석하였다.

믈론 수부기능의 총체적 평가에는 단순히 운동 력뿐만 아니라 악력과 같은 힘을 측정하는 것이 필요하며 환자의 통증이나 감각도(sensibility)도 당연히 고려되어야 한다. 그러나 본 연구만으로 이러한 사항들을 모두 고려한다는 것은 불가능하 였다. McBride식에서는 감각장애에 대해 간단한 항목으로 이를 병산하게 되어 있으나 힘에 대한 부분은 현실적으로는 직업에 따른 참고사항으로 되어 있다. 이에 대해서는 운동시의 힘 측정할 수 있는 CyberGrasp라는 장치가 상품화되어 있기는 하지만 가격이 지나치게 고가이므로 현실적으로 활용하기에는 어려울 것으로 생각된다. 저자들은 향후의 연구에서 가상장갑을 이용한 운동의 측정 에 운동시의 힘을 측정할 수 있는 손잡이나 악력 측정기와 같은 별도의 장치를 컴퓨터에 연결하고

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동시에 운동범위와 힘의 상관관계를 분석하고자 한다.

그러므로 앞으로는 이에 대한 많은 연구, 즉 저 자들이 정한 각각의 기능이 수부전체의 기능에 대한 기여도의 직업에 따른 분류. 실제의 더 많은 정상수치의 자료, 그리고 실제의 피감정환자에 대한 비교분석 등에 대한 연구들이 필요할 것이 다. 또한 이러한 가상장갑의 이용은 앞으로는 수 술전후의 환자의 상태가 얼마나 개선 되었는가에 대한 보다 객관적 평가자료로 활용할 수 있을 것 으로 기대된다.

결 론

저자들은 가상장갑을 이용하여 수부의 운동을 측정하여 본 결과 수부의 기능을 평가하는 데 있 어서 가상장갑를 이용한 수부의 기능 평가는 종 래의 McBride식의 평가방법에 비해 좀더 객관적 일 수 있으며 기능의 검사를 총체적으로 시행할 수 있다는 가능성이 있다고 할 수 있을 것으로 판 단되며, 가까운 미래에는 이러한 방법이 공학과 컴퓨터기술의 빠른 발전과 더불어서 많이 이용될 수 있을 것으로 보아 이에 대한 기초 연구로서 보 고하는 바이다.

참고문헌

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