건강증진에 대한 욕구 증가, 소득증대 및 고령화 사 회의 도래로 건강, 장수 등에 대한 요구가 높아지고 있 다. ‘치료에서 예방’, ‘보다 나은 건강 추구’등의 소비 자 수요가 예상되며 질병예방과 건강 유지 및 증진을 위한 기관 및 개인의 맞춤형 기기에 대한 관심이 매우 높은 실정이다. 특히 노인의 경우 미국 질병예방센터 (CDC)가 발표한 자료에 따르면 해마다 65세 이상 노인 3분의 1 이상에서 연간 한 번 이상의 낙상을 경험하고, 우리나라의 경우 65세 노인의 신체 손상 중 반 이상이 낙상에 의하여 발생함으로써 낙상 예방에 대한 관심이 급증하고 있다.
낙상은 노화로 인한 시각계, 전정계, 체성감각계 등 과 같은 감각계의 손상 및 예민성 감퇴, 자세유지에 관 여하는 중추신경계의 통합성 쇠퇴, 근력저하, 그리고 관절의 유연성 쇠퇴로 인한 자세균형 능력의 저하로 인 해 발생하게 된다. 한국보건산업진흥원의“의료기기 수 입실적 분석을 통한 국내 산업 현황분석”에 따르면, 자 세균형과 척추 안정화 운동에 대한 관심이 증가하고 있 으며, 자세 운동 재활기기의 국내외 시장 규모는 2010 년 대비 2012년에 약 51%의 수익률을 보였다. 또한, 현 대인은 신체활동 부족 및 영양과잉에 따른 생활습관과 관련한 각종 내순환계 능력저하와 컴퓨터 생활에 의하 여 앉아서 업무를 보는 시간이 증가하고, 이로 인한 자 세 불균형 및 국부관절의 과도한 사용으로 여러 직업성 근골격계 부상 등의 위험에 노출되어 있다. 이로 인해
현대인의 80%는 요통을 경험하게 되고 이들 중 15%는 만성요통으로 발전하게 되면서, 국내 병원에서는 척추 안정화에 대한 높은 관심을 가지게 되었다.
소비자보호원의 통계에 따르면 척추질환 수술의 증 가와 비례하여 의료 분쟁도 증가하고 있으며, 수술환자 중 절반이 부작용과 후유증에 시달린다고 보고된 바가 있다. 이에 척추 질환자들의 수술에 대한 부정적인 인 식의 확산으로 수술에 의존하지 않고 스스로 재활하고 자 하는 의지의 상승으로 척추 안정화 재활운동 기기의 수요가 증가하고 있다. 하지만 현재 상용화되고 있는 대부분 척추 재활운동기기는 수입기기들이며 대개 영 세 수입업체에 의존하여 외국 업체와의 기술 및 정보 교류가 미흡하고, 국내의 높은 IT기술업체와의 접목도 거의 없는 실정이다. 따라서 국내 재활기기 산업이 경 쟁 환경 및 보급 상황면에서 국내는 물론 아시아권에서 의 운동기기 산업의 도약을 위하여 기능과 성능 및 사 용자 적합성 또는 만족도 측면의 고도화를 통한 고부가 가치 시장으로의 진출의 모색이 필요한 시점이다. 또한 시간과 경제력을 갖춘 고령 인구의 확산이 전 세계적인 추세로 바뀌면서 고령자 층을 대상으로 하는 새로운 개 념의 건강 유지 및 증진에 따른 예방 및 재활기기의 필 요성이 대두된다.
이에 2008년 12월 23일 식품의약품안전청에서“척추 훈련용 정형용 운동장치”등 관련 의료기기에 대한 평가 가드라인을 마련하였으나, 최근 불안정한 자세 및 고령 이 글은 동적자세균형 능력 증진과 동시에 척추 구조의 안정화를 위해 척추를 싸고 있는 심부근육들을 효과적으로 강 화시킬 수 있는 동적자세균형 및 척추 안정화 재활훈련시스템에 관하여 소개한다.
권 대 규 전북대학교 바이오메디컬공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
결합형 재활훈련시스템 개발 동향
으로 인한 척추 질환 환자들이 증가한 가운 데 관련 의료기기의 평가 기준은 마련되어 있지 않는 실정이다. 따라서 동적자세균형 능력 증진과 동시에 척추 구조의 안정화를 위해 척추를 싸고 있는 심부근육들을 효과 적으로 강화시킬 수 있는 기기 개발이 절대 적으로 필요하다.
자세균형 및 척추안정화 훈련시스템 기술 동향
동적자세균형은 신체가 움직일 때 균형을 유지하는 것으로 신체가 움직이는 동안 중력 중심을 지지 기저면 내에 두어 원하는 자세를 유지하는 능력으로, 인체는 강력한 중력에 대항하여 세심한 구조적 정렬을 통해 비 교적 힘들지 않고 기립자세를 유지한다. 그러나 한쪽으 로 틀어져 버린 골반, 전방/후방 경사진 골반, 과도해진 요추의 전만과 후만, 편평등, 굽은등 체간의 구조적 자 세정렬의 결함이 척추와 관련된 질병을 야기할 뿐만 아 니라 자세균형에도 악영향을 미치게 된다. 척추의 불안 정한 상태는 통증을 유발하며 측만증, 전만증, 후만증 및 자세 불안정과 밀접한 관계가 있으며, 또한, 근육의 불균형(약화)은 근골격계의 기능부전 상태를 초래하며 척추 기초 구조에 문제를 야기한다. 근육은 척추의 지 지적인 버팀줄 역할을 하며 균형에 영향을 준다. 척추 주변의 근육은 물론, 골반 주변근육인 골반거근, 장요 근, 대퇴사두근, 슬괵근, 대둔근, 회선근 역시 광범위하 게 척추에 작용한다. 따라서, 자세균형 능력 증진과 동 시에 척추 구조의 안정화를 위해 척추를 싸고 있는 심 부근육들을 효과적으로 강화시켜야 한다. 그리고 동적 평형성을 유지하기 위해서는 감각계뿐만 아니라 운동 계의 조절이 필요하다.
그림 1의 동적 평형성 모델로 균형 유지를 위해 발생 되는 감각계와 운동계의 상호작용을 나타낸 것이다. 신 체가 주변 환경으로 인해 균형을 잃게 되면, 시각계에
서 외부환경에 대한 정보를 습득하며, 전정계에서 중력 에 대한 머리의 위치 정보를 제공하고, 체성감각계에서 지지면에 관한 인체 위치 및 동작 정보를 중추신경계에 제공한다. 이러한 감각정보를 통해 신체의 위치가 결정 되며, 운동계에서는 이러한 정보를 통해 신체의 동작을 결정하게 된다. 가장 먼저 사용되는 발목 전략(ankle strategy)은 직립자세에서 자세가 흐트러지는 것이 확인 되면 발목을 축으로 한 움직임을 일으켜 자세조절을 하 는 것으로, 지지면의 변화 범위가 작은 경우에 나타난 다. 지지면의 변화가 커 발목 전략으로 자세를 유지할 수 없는 경우에는 엉덩이 관절을 축으로 자세를 조절하 는 엉덩이 전략(hip strategy)을 사용하게 된다. 더 큰 자 세 방해가 일어나 현재 유지하고 있는 지지면 밖으로 무게 중심의 위치가 크게 벗어날 경우에는 스텝 전략 (step strategy)을 사용하여 무게 중심선의 정렬을 재조 정함으로써 자세의 균형을 유지하게 된다.
정적/동적 자세균형 시스템
자세균형의 훈련 장비는 단순장비와 복합장비로 나 누며, 단순장비는 발포고무 매트리스 폼(foam), 균형판 (balance board), 볼(ball) 등이 포함되며, 단순장비를 통해 훈련을 실시하고 있는 대상자는 33%이다. 복합장 비는 바이오덱스(biodex), 힘판, 보행분석시스템 등이 포함되며, 복합장비를 통하여 훈련을 실시하고 있는 대
그림 1
동적 평형성 모델
상자는 67%이다.(그림 2, 그림 3)
그림 4에 표시한 국내 기업인 (주)싸이버메딕에서 최 근 개발한 시제품“Ibalance”는 자세균형을 측정 평가 및 훈련할 수 있는 장비로 다양한 운동 프로그램과 게 임 프로그램을 통해 반복 운동이 가능하도록 설계된 균 형 진단기이다.
“Ibalance”는 힘판을 이용한 자세균형 평가 시스템으 로 4개의 독립적인 힘판(그림 4(a))과 불안정판(그림 4(b)을 이용하여 자세균형 능력 측정 및 낙상방지를 예 측하며, 진단과 트레이닝이 동시에 가능한 장비로써 사 용자에게 흥미 유발 및 동기부여가 가능하다. 또한, 시 각(visual; eye open mode), 전정기관(vestibuloocular;
eye closed mode), 체성감각(somatosense; blacking mode)의 세 가지 진단 모드와 훈련모드(training mode)가 내장되어 있으며, 8가지 방향의 테스트 평가 및 훈련, 10가지의 운동 프로그램 내장, 19가지의 운동 능력 평가 게임이 내장되어 있다. 본 기기는 골관절염 또는 슬관절의 불안정을 가진 환자나 근 골격계 수술 후 기능 증진에 필요한 재활, 노인성 낙상방지를 위한 균형능력 증진, 노인성 운동실조 개선 등에 이용된다.
현재 국내에서 사용 중인 동적자세균형 훈련 시스템은 대부분 외국에서 개발된 장비를 수입한 것으로 최근에 서야 국내 기업에 의하여 자체 개발 및 상용화를 이루 고 있다.
국외도 균형 훈련 장비 역시 단순장비와 복합장비로 나눌 수 있는데, 단순장비에는 균형패드(balance pad, McHugh, Tyler et al. 2007), 불안정판을 이용한 발목 재활기기(biomechanical ankle platform system (BAPS) board, Petrofsky and Lohman 2004), 평형성검사기구 (Posturomed, Boeer, Mueller et al.)가 있으며 복합장비 에는 자세균형훈련 평가기기(SMART Equitest, Beling and Roller 2009), 감각통합훈련기기(kinesthetic ability trainer, KAT 2000) 균형훈련기기(balance platform, Hansen, Dieckmann et al. 2000), 3차원동적자세균형 훈련기기(Biodex balance system SD, Cakar, Dincer et
그림 2
국내 단순 장비의 종류
그림 3
국내 복합 장비의 종류
그림 4
자세균형 훈련시스템 IBalance - (주)싸이버메딕 (a) IBalance-S (b) IBalance-US
그림 5
국외 단순 장비의 종류
al. 2009), 전정기능자극균형훈련기(vestibular balance testing - Balance Quest
TM)가 있다.(그림 5, 그림 6)
뉴로콤(NeuroCom) 사의 자세균형훈련평가기기 (SMART Equitest)는 자세균형 훈련과 평가 및 분석이 가능한 제품으로 지지면의 움직임이 앞뒤 방향으로 자 동으로 이동하여 균형능력을 측정한다. 하지만 지지면 의 좌우 움직임은 불가능하며, 발목의 기울임 역시 앞 뒤방향으로만 가능하다(그림 7). 자세균형을 측정하는 방법은 6가지의 균형감각훈련(Sensory Organization Test) 프로토콜을 가지고 있는데, 발판과 배경이 고정된 상태에서 눈뜨고 서있기, 발판과 배경이 고정된 상태에 서 눈감고 서있기, 발판이 고정된 상태에서 눈뜨고 서 있게 하고 배경 움직이기, 배경은 고정시키고 눈 뜬 상 태에서 발판을 상하로 비스듬히 기울이기, 눈을 감고 서있는 상태에서 발판을 상하로 비스듬히 기울이기, 눈 을 뜬 상태에서 배경이 움직이고 발판도 움직이기 등의 방법이 있다. 이러한 측정으로 균형능력에 대한 시각, 전정기관, 체성감각 기관의 영향을 독립적으로 평가하 며, 표준 데이터를 이용하여 균형 능력의 비교가 가능 하다. 하지만, 동적인 상태에서의 균형능력 평가는 불 가능하며, 기립이 불가능한 환자에 대한 균형능력 평가 역시 불가능하다. 또한, 균형능력 향상 훈련프로그램이 없어 반복적인 평가를 통하여 균형능력을 향상시키기 때문에 다소 지루함을 주며, 난이도 조절이 불가능해 사용자에게 맞춤형 훈련을 제공하지 못한다.
바이오덱스(Biodex) 사의 3차원 동적 자세균형 훈련
기기(balance system SD)는 자세균형 훈련과 평가가 가 능한 제품으로, 힘판(force plate)을 이용한 중심이동 평 가가 가능하다(그림 8). 힘판은 360°방향에 대하여 발 목의 기울임 유도가 가능하지만, 지지면은 앞뒤, 좌우 방향으로의 수평이동이 불가능하다. 본 장비는 자세안 정성 훈련, 자세한계성 훈련, 무게중심 이동훈련, 무게 지지훈련 등 시각 피드백(visual feedback)을 이용한 다 양한 훈련 프로그램 기능이 내장되어 있으며, 표준 데 이터를 이용한 균형능력 평가가 가능하다. 하지만 SMART Equitest와 마찬가지로 동적인 상태에서의 균형 능력 평가는 불가능하며, 하네스(harness)는 없고 안전 막대(bar)만 있어 기립이 불가능한 환자에 대한 균형능 력 평가 역시 불가능하다. 또한, 균형능력 향상 훈련프 로그램이 없어 반복적인 평가를 통하여 균형능력을 향 상시키기 때문에 다소 지루함을 주며, 난이도 조절이 불가능해 사용자에게 맞춤형 훈련을 제공하지 못한다.
그림 9는 마이크로메디컬(Micromedical) 사의 동적 자세 검사기로서, 대학병원이나 종합병원에서 정밀 진 단용으로 사용되고 있다. BalanceQuest는 기존의 Posturography는 기계적인 시각 자극을 사용하지 않고, 가상 환경제시를 사용해 좀더 다양한 시각 자극을 제공 한다. 또한, 강성 현가장치로 3차원적인 반응을 나타낼 수 있으며, 6개의 SOT(Sensory Organization Test) 조건 이 제공되며, SOT 요약과 보고서 가능하다. 또한 자세 균형의 안정한계를 계산할 수 있으며, 전정기능을 평가 하고 재활을 통한 치료가 가능하다.
그림 6
국외 복합 장비의 종류
그림 7SMART Equitest
그림 8Balance System SD
테크메드(Tech med) 사의 균형훈련기(Unipodal Stabiloscope HQZ Tm)는 족관절, 슬관절, 고관절의 재 활운동이 가능하며, 수술 후 신경계와 사고에 의한 외 상 시 재활 운동이 가능하다. 또한 근 조절의 소실에 따 른 질적 양적인 운동이 가능하며, 운동의 저항을 조절 하며 진동의 방향을 선택할 수 있다.(그림 10)
Mtd-Balance는 A(all about standing up/일어서는 모 든 동작)에서 Z(zest for the toes/발끝으로 서 있는 동 작)까지 거의 무한대의 다양한 운동 가능한 기기로서, 우블 보드(wobble board), 시소(seesaw), 에어쿠션과 같은 서로 다른 도구를 사용하는 여러 방법에 따라 다 양한 운동이 가능하다. 또한, 생리학적 피드백(physio- feedback) 소프트웨어가 운동 판에 내장되어 있어 센서 로부터 환자의 움직임에 대한 자료를 받아서 실시간으 로 모니터에 피드백 함으로써 환자의 상태에 대한 정보 를 실시간으로 제공받을 수 있다.(그림 11)
Balance D&T(Diagnosis & Training)은 신경근의 고 유감각 기전을 이용하여 관절의 안정성과 자세 안정성 을 진단하고 훈련하는 데 사용되는 제품으로, 스포츠센 터는 물론 노인성 환자들에게 매우 유용하게 활용되고 있다(그림 12). Balance D&T는 불안정한 표면에서 동 적 자세 안정성(dynamic postural stability)을 유지하는 능 력 을 측 정 하 여 신 경 근 육 조 절 (Neuromuscular
Control)을 평가하여 환자들의 명확한 운동 패턴을 재 생산한다. 또한, 15가지의 균형훈련 및 평가 프로그램 이 가능하며, 정적 균형과 동적 균형을 통한 입체적 분 석이 가능하다. 또한, 1~20분의 시간 설정이 있어 측정 과 훈련시간의 조정이 가능하며, 12 Level의 훈련 난이 도를 조정할 수 있어 사용자에게 맞춤형 훈련을 제시할 수 있다. 또한 조이스틱과 마우스를 이용한 상지 기능 훈련이 가능해 상/하지 복합 운동이 가능하다.
동적자세균형 및 척추 안정화 시스템
현재 국내 기업의 제품이 생산되고 있으나 선진 기술 과의 차이가 있으며, 특히 사용자에게 적용되는 훈련 기술에 대한 다양한 임상 평가가 이루어지지 않았으며, 관련 DB가 구축되어 있지 않은 상태이므로 국제적 경 쟁력을 보유하기 위하여 관련 기술의 국산화 및 첨단화 가 시급한 상황이다.
(주)한메드에서 개발하여 상용화된 척추 강화 훈련 시스템은“3D-Newton”으로, 허리 고정 방식을 적용시 켜 컴퓨터에 의해 자동적으로 3차원 임의의 방향으로 신체를 기울여 척추 기립근을 강화시켜 준다(그림 13).
3D-Newton은 인간이 경험하는 중력의 모든 영역 내에 서 신체의 위치가 변화하는 척추근육들의 입체적인 훈 련으로 척추 안정화를 가능하게 하고, 디스크 주위 심
그림 9
BalanceQuest
그림 10Unipodal
Stabiloscope HQZ Tm
그림 11
Mtd-Balance
그림 12Balance D&T
부근육의 운동치료를 가능하게 하며, 척추의 균형을 측 정하여 분석 및 평가할 수 있다. 또한 허리 근육의 활성 화를 위해 고유수용감각 기능을 촉진하여 요추를 안정 시 운동감각의 신경조절과 요추 불안정성을 해소하고 허리를 위한 감각운동 체계를 활성화 시키는 허리통증 의 치료와 예방을 위한 3차원적인 공간회전 운동 치료 시스템이다.
(주)다우메디텍에서 개발하여 상용화된 척추 근력운 동 강화 운동기는“Ortho Shaper”로서, 키성장 운동, 척 추질환, 척추주위 근육강화, 자세변형에 따른 교정, 스 포츠재활, 전신근육강화 등의 훈련 프로그램에 적용되 며 최근에는 성장클리닉, 척추클리닉, 비만클리닉 등에 서 매유 유용하게 활용되고 있다. Ortho Shaper는 다른 기기와는 다르게 3D회전방식의 플랫폼 채택으로 심부 근육을 효율적으로 강화시킨다. 이를 위하여 척추의 분 절 하나하나를 움직이도록 하여 수축-이완을 유도하는 운동방법을 수행할 수 있도록 설계하였다(그림 14). 이 러한 수축-이완 방식은 직접적으로 척추를 능동적으로 움직이게 만들어주어 척추 분절의 유연성 및 척추관절 의 가동성, 척추근력 강화, 척추 근력의 유지력 등을 확 보해줄 뿐만 아니라 심부근육의 강화를 통해 효율적으 로 요통의 예방에서 치료까지 가능하게 한다. 하지만 원하는 세부 근육군의 효과가 미약하며, 선택적 치료가 불가능 하다는 단점이 있다.
국내 기업인 (주)싸이버메딕에서 최근 개발한 3차원 동적 자세균형 훈련기기, “SpaceBalance 3D”시제품은
동적 체 평형 검사 및 운동 장치로서 진단 및 기능적인 운동 훈련을 시행하는 사용자에게 간접적인 기능적 운 동과 관련된 활동의 발달뿐만 아니라 정해진 전환 및 회전 운동의 수행도 함께 가능하다. 또한, 기능적인 움 직임과 관련된 것을 해결하는 데 있어 질적 및 양적인 것을 측정하고 시각화시킬 수 있으며, 사용자는 단순히 위치의 변화에 도달하는 것뿐만 아니라 능동적이고 계 획된 프로그램에 따라 움직임으로써 보다 높은 운동 효 과를 나타낼 수 있다.
본 시스템의 기능적 운동 프로그램은 감각 운동계 (sensory-motor system)인 시각(visual), 전정계 (vestibular), 체성감각계(somatosensory)의 활성과 협 응 능력의 높은 자료 처리 및 다양한 각도의 변화를 스 스로 평가하고 인지할 수 있기 때문에 움직임의 능동적 통제 및 조절에 중요한 부분을 차지하는 기능적 운동 분석기로써 높은 치료의 목표를 달성 가능하다(그림 15). 또한, “3D Spine Balance”장비는 동적자세균형과 척추안정화 운동 훈련장비의 개선장비로서 능동 (active)과 수동(passive) 보조 동작 구현이 가능한 측정 및 훈련시스템으로 4정점 족압 측정 모듈을 통한 자세 균형 측정 및 평가가 가능하고, 척추 심부근육 강화, 신 경근 조절 능력 향상기능, 고유 수용성 감각기능 개선 능력이 있다(그림 16). 특히, 체간 움직임센서를 통한 기기 움직임과 체간 움직임의 방향성 및 일치성을 측정 할 수가 있고, 더불어 조이스틱 및 바디센서를 통한 능 동 보조 모터 구동방식 구현 및 훈련 프로그램을 내장
그림 13
3D-Newton
그림 14Ortho Shaper
그림 15SpaceBalance 3D
그림 163D Spine Balance
하고 있다.
이러한 최근 능동모드와 수동모드로의 전환이 가능 한 업그레이드 버전이 출시되었는데, 이러한 모드 전환 은 척추안정화 운동과 자세균형 훈련을 번갈아 함으로 써 다양한 운동효과를 볼 수 있다. 또한, 한 기기에 두 가지 기능이 제공된 복합 운동기기로서 척추를 안정화 시키는 근력을 강화시켜 디스크, 요통, 척추측만증의 치료 및 예방뿐만 아니라 노인 낙상 예방에서 자세균형 훈련까지 다양한 연구에 활용될 것으로 예상된다. 국내 개발된 제품이 전/후방, 좌/우 방향에 대해서 100°, 60°
의 범위를 갖는 반면, 외국 제품은 360°모든 범위에서 운동이 가능하다. 또한, 회전축에 구동기가 포함되어 작동되는 공간 회전운동을 통하여 고령자의 약화된 근 육을 탐사할 수 있다.
국외 동향으로 척추 안정화의 분야에서는 독일의 TONUS와 BFMC가 있고, 이는 균형 측정, 사용자 움직 임 개선, 신경계질환 환자 운동치료에 획기적인 훈련 시스템으로 알려져 있다. 센터르(centure)는 BFMC Co.(독일)에서 개발하여 상용화한 능동형 자세균형 훈 련시스템으로 척추 전문 병원에서 가장 보편적으로 이 용되는 치료기기로 1억 원 이상의 고가 운동시스템이기 때문에 일반 스포츠인들이 허리 근력 강화를 위해 접하 기에는 거리가 있는 상태이며, 주로 병원에서 치료의
목적으로 사용되고 있는 기기이다(그림 17). 센터르는 환자가 서있기만 해도 컴퓨터에 의해 자동적으로 3D 공간회전 운동이 이루어지며, 360도 모든 방위에서 근 력검사를 해 약화된 부분의 근육들을 찾아 선택적으로 강화, 위치 변환을 유도해 일반적인 환경에서는 경험하 지 못하는 중력과 체중부하를 통해 평소에 사용하지 않 았던 척추 주변의 많은 근육들이 무의식중에 사용되어 근육의 고른 발달을 유도하고, 직접적인 관절 운동 없 이 중력을 이용해 다양하게 부하를 줄 수 있기 때문에 안전한 운동 및 치료가 가능하다. 또한, 8방향으로 척추 근력을 테스트하여 척추의 불균형과 심부근의 약화를 체크하며, 개인의 근력에 따른 맞춤운동 프로그램이 있 어 0~90°까지의 강도 조절이 가능하다. 운동 종료 후 근 력 재평가를 통해 근력의 향상과 신체 균형 정도를 운 동 전과 비교 가능하다. 하지만 척추의 각 분절별로 분 리하여 치료하는 것은 불가능 하며, 견갑골, 흉추 및 경 추부의 치료에 한계가 있다.
척추 강화 훈련용 휴버시스템(Huber system, France)은 경사판 위에서 자세를 유지함으로써 균형감 각, 시각 반응능력 그리고 근력을 강화하는 운동기구이 며, 시각 지시 장치에서 지시하는 대로 발 위치 및 손 위 치를 따라하며 균형을 잡음으로써 근력뿐만 아니라 균 형 감각이 동시에 향상될 수 있다(그림 18). 기존의 플
그림 17
