The Effects of Robot Assisted Gait Training on Kinematic Factors of the Stroke Patients

로봇보조 보행훈련이 뇌졸중 환자의 운동학적 요인에 미치는 효과

Abstract

Purpose : The goal of this study is to examine the effect of robot assisted gait training (RAGT) on the kinematic factors (temporospatial gait parameters, gait cycle ratio, and gait line length) of gait in stroke patients. Methods : The subjects of this study were 24 stroke patients selected by inclusion criteria. Participants were randomly allocated to two groups: robot assisted gait training (n=11) and general neurological physical therapy group (n=11). In the robot-assisted gait training group, robot-assisted gait training was mediated for 30 minutes a day in addition to general neurological physical therapy. The general neurological physical therapy group was mediated by general neurological physical therapy for 30 minutes a day in addition to general neurological physical therapy. The number of interventions was 5 times a week for 5 weeks. In order to compare the kinematic factors of walking between the two groups, gait analysis was performed before and after 5 weeks of training using the Zebris gait analysis system. Results : As a result of the gait analysis of the two groups, there were significant differences in temporospatial gait variables (step length, stride length, step width, step time, stride time), gait cycle ratio (swing phase, stance phase) and gait line length. However, there was no significant difference in the cadence (temporospatial gait parameters) in the robot assisted gait training group compared to general neurological physical therapy group. Conclusion : It is considered to be a useful treatment for stroke patients to promote the recovery of gait function in stroke patients. Based on the results of this study, continuous robot assisted gait training treatment is considered to have a positive effect on gait ability, the goal of stroke rehabilitation. In the future, additional studies should be conducted on many subjects of stroke patients, the kinematic factors of the legs according to the severity of stroke and treatment period, and the effect of gait training.

Ⅰ. 서 론

뇌졸중 환자에게 보행 장애는 임상적으로 흔한 문제이며 다양한 신체적 제한 요인 중에서 일상생활 수행능력에 영향을 미치는 장애요인 중 하나이다. 따라서 뇌졸중 후 보행 장애의 평가 및 치료는 뇌졸중 재활의 중요한 구성 요소이다. 그리고 보행 장애는 뇌졸중 이후에 재활의 중요한 항목이며 시공간적 변수와 운동학적 매개변수의 평가를 포함한 다양한 생체역학적 평가항목은 보행의 특성과 기전에서 중요한 항목이다(Balaban & Tok, 2014). 뇌졸중 환자의 보행은 건강한 대상의 보행 매개변수와 비교하여 감소된 분속수(cadence), 손상 측의 연장된 흔듦기(swing phase) 시간, 비손상측의 연장된 디딤기(stance phase) 시간 및 걸음길이(step length)의 비대칭을 포함하여 비정상적인 보행패턴을 보인다(Patterson 등, 2010).

뇌졸중 환자의 보행에 대한 물리치료는 주된 관심사이며 보행훈련은 일반적인 하지보조기를 사용하여 훈련을 시키는데 최근에는 보행의 기능을 향상시킨 하지 로봇 치료에 관심이 많다(Tomida 등, 2019). 집중적인 물리치료의 중재와 환자의 노력에도 불구하고 뇌졸중 후 보행의 재활에서 다양한 중재방법에 대한 타당성은 제한적일 수 있으며, 재활로 인한 보행기능의 회복은 병변의 위치와 크기, 손상의 종류 및 정도, 대뇌겉질의 활성화, 뇌의 신경가소성 등을 비롯한 많은 요인에 따라 회복 정도가 다르다. 적절하고 효율적인 재활 프로그램을 수립하기 위한 핵심 요소는 환자 개인의 기능 수준에 따라 적절한 측정 도구의 선택도 중요하다(Hollands 등, 2012).

뇌졸중 후 환자들의 보행 능력 회복 및 개선을 위해 로봇 보조 보행훈련(robot- assisted gait training; RAGT) 의중재가 증가하고 있으며(Sale 등, 2013), 로봇보조 보행 훈련은 러닝머신 위에서 걸을 때 엉덩이와 무릎의 움직임을 용이하게 하기 위해 환자의 다리에 2개 로봇 관절이 있으며 보행을 위한 장비의 조작과 다양한 프로그램이 보행 훈련을 제공할 수 있으며 환자의 동기 유발과 집중력을 제공한다(Saposnik 등, 2011). 뇌졸중 후 환자의 기능회복을 극대화하기 위해서는 조기 재활이 필수적이며, 뇌졸중 후 운동 회복을 촉진하기 위해 고강도의 반복적인 과제지향 연습이 가장 효과적인 방법이다(Langhorne 등, 2009). 보행훈련 로봇은 체중지지와 환자의 움직임을 부분적으로 또는 전체적으로 지지할 수 있다. 체중 지지는 로봇 장치로 보행 회복을 촉진하기 위한 필수 조건이며 보행기능의 회복을 위해 반복적인 훈련접근 방식을 선호하며 최근에는 더 높은 강도의 보행훈련 프로그램으로 더 나은 결과를 보이고 있다(Iosa 등, 2011).

뇌졸중 환자를 대상으로 로봇을 이용한 보행보조 훈련치료와 관련된 많은 연구들이 국내외에서 다양한 연구가 진행되었다. Mehrholz 등(2017)은 편마비를 가진 뇌졸중 환자를 대상으로 로봇보조 보행훈련과 일반적인 신경 물리치료를 중재 후 보행 기능을 비교분석 보고하였고, Chua 등(2016)은 아급성기 뇌졸중 환자들을 대상으로 일반적인 신경물리치료와 보행로봇 재활치료의 효과에서 보행능력의 향상을 보고하였다. 또한 로봇 보조 보행 훈련과 관련된 국내 연구에서 Kim 등(2019)은 로봇 보조 보행훈련과 일반적인 신경물리치료를 중재한 두군 간의 보행능력을 비교한 결과 로봇보조 보행 훈련이 보행능력향상에 도움이 되었다고 보고하였다.

선행연구들에 의하면 로봇보조 보행훈련은 뇌졸중 환자들의 보행능력에 효과적인 것으로 보고되고 있으며, 로봇보조 보행훈련을 이용한 물리치료가 많은 관심을 받게 되면서 최근에는 상급종합병원뿐만 아니라 재활전문병원에서 보행로봇을 이용하여 뇌졸중 환자의 보행능력 향상을 위한 치료가 중재되고 있다. 기존의 로봇 보행 훈련은 엉덩관절과 무릎관절을 모터로 구동하여 정상적인 보행패턴을 반복적으로 훈련시키는 로봇이다. 본 실험에 중재된 로봇은 엉덩관절과 무릎관절을 구동할 뿐만 아니라 발목관절의 운동까지 조절할 수 있는 보행 훈련 로봇으로 이에 대한 보행의 시공간적인 변수와 중재효과를 알아보고자 하였다. 따라서, 본 연구는 뇌졸중 환자들의 로봇보행훈련에 대한 물리치료의 효과를 정량적으로 분석하여 향후 보행로봇을 활용한 물리치료의 근거를 제시하기 위해 로봇보조 보행훈련이 편마비 뇌졸중 환자의 보행의 시공간적 변수에 미치는 효과를 분석하고자 한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구 대상자

본 연구는 S시 재활전문병원에 입원하여 물리치료 중인 뇌졸중 환자를 대상으로 하였다. 연구 참여자 중에서 실험군은 1일 1회 로봇보조 보행훈련과 1일 1회 일반적인 신경물리치료를 각각 30분씩 중재하고 대조군은 1일 2회 일반적인 신경물리치료를 30분씩 중재하였다. 본 연구의 대상자 선정기준은 다음과 같다. 첫째, 뇌졸중으로 진단받고 3개월 이상 1년 미만인 자, 둘째, 한국판 간이정신 상태 검사(mini mental status examination-Korean version; K-MMSE)에서 23점 이상인 자, 셋째, 다리의 강직으로 인한 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절에 구축이나 가동범위의 제한이 없는 자로 하였다. 위와 같은 설정 기준에 따라 적합한 대상자 22명을 대상으로 난수표를 이용한 무작위 방법으로 분류하여 로봇보조 보행훈련군 11명, 일반적인 신경물리치료훈련군 11명을 배치하였다.

2. 실험 방법

로봇보조 보행훈련군에 적용되는 워크봇(WALKBOT^TM, P&S Mechanics, Korea)은 뇌졸중으로 인한 보행 손상 대상자들의 보행훈련에 필요한 운동학(kinematic)과 운동 역학(kinetic)적 움직임에 대한 피드백을 제공하도록 설계되어있다. 워크봇은 보행장애를 가진 급성 또는 아급성 환자에게 조기 가동성을 만들어 보행 재활에서 보행의 회복 속도를 가속화한다. 기존의 로봇보조 보행훈련 시스템에 비해 워크봇은 가상 현실에 의해 증강된 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절을 위한 뼈대계의 조절이 가능한 부분 체중 지지대를 갖추고 있다(Fleuren 등, 2010). 특히워크봇은 역동적인 체중 지지 시스템을 갖추고 있으며 탄력성 있는 스프링이 제공되어 신체 움직임 조절을 보조한다. 워크봇 바깥 뼈대에는 스트랩과 커프가 환자의 다리에 연결된 세 쌍의 작동식 고정장치가 장착되어 있다. 따라서 워크봇 걸음걸이 훈련 시스템은 걸음걸이 재활 중 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절의 토크, 운동역학, 그리고 저항에 대한 뻣뻣함을 위한 실시간으로 시각적 및 감각적 바이오피드백을 제공한다. 스프링이 장착된 천 스트랩은 발목의 발등굽힘에 도움을 주어 흔듦 기에서 발이 끌리는 것을 방지하도록 설정되어 있다(Kim 등, 2013)

본 연구에서 로봇보조 보행훈련은 선행연구인 Kim 등 (2013)의 운동 방법을 수정 및 보완하여 중재하였다. 연구 대상자들은 로봇보조 보행훈련군과 일반적인 신경 물리 치료군으로 나누었으며, 로봇보조 보행훈련군은 1일 1 회 로봇 치료(30분)와 1일 1회 일반적인 신경 물리치료를 시행하였고 일반적인 신경물리치료군은 1일 2회 일반적인 신경물리치료(30분)를 환자에게 충분히 설명한 후 4 주 동안 주 5회 치료를 중재하였다. 물리치료 중 지속적인 환자의 관찰과 적절한 수행을 반복하였으며, 보행 로봇 보행훈련의 모든 조절 지표는 대상자의 신체 기능과 보행 기능에 따라 점진적으로 수정하여 지표를 조절하여 중재하였다(Fig 1).

Fig 1. Robot assisted gait training

3. 측정방법

대상자의 보행 매개변수에 대한 운동학적 요인 분석을 위해 제브리스 보행 분석기(Zebris FDM Treadmill System, Zebris Medica GmbH, Germany)를 사용하였다 (Luessi 등, 2012). 보행 장애가 있는 뇌졸중 환자의 보행 기능 회복과 증진을 위하여 보행기능의 회복을 정량적으로 분석하기 위한 분석장비로 걸음 분석계와 의료용 압력계가 설치된 장비이다. 제브리스 보행 분석기 위에서 거나 보행 시 발생하는 압력과 보행 변수들의 정보를 소프트웨어 Zebris FDM에서 보행의 결과값 산출 및 출력이 가능한 시스템이다(Bejek 등, 2006). 제브리스 보행분석기는 압력 측정 센서와 트레드밀을 통합한 시스템으로 힘판(150 ㎝×50 ㎝)에 5, 370개의 압력과 힘을 측정하는 장치가 설치되어 있는 트레드밀 형식의 보행 분석 장비이다. 이 장비는 보행하는 동안 센서를 통한 발의압력에 대한 변화와 다양한 보행의 변수 등을 분석하는 도구이다. 대상자는 신발을 착용하고 일반적인 보행으로 트레드밀 위에서 30초간 걸음을 걸으면 운동학적 보행변수가 분석된다(Fig 2).

Fig 2. Zebris gait analysis

4. 분석방법

본 연구의 결과 분석은 Window SPSS 25.0 프로그램을 이용하여 처리하였다. 연구 대상자의 정규성 검증을 위해 Shapiro- wilk test를 실시하였고, 대상자들의 중재 방법에 대한 보행의 운동학적 요인을 비교하기 위하여 공분산 분석(analysis of covariance; ANCOVA)을 실시하였으며, 통계학적 유의수준은 α=.05로 설정하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 대상자의 일반적인 특성

환자 선정 기준에 부합하는 22명이 연구를 종료하였으며, 로봇보조 보행훈련군(GroupⅠ)은 11명, 일반적인 신경 물리치료군(Group Ⅱ)은 11명이다. 로봇보조 보행훈련군은 11명 중 남자가 7명, 여자가 4명이었으며, 일반적인 신경물리치료군은 11명 중 남자가 8명, 여자가 3명이었다. 진단명은 뇌경색이 15명, 뇌출혈이 7명이었으며 로봇 보조 보행훈련군은 뇌경색이 8명, 뇌출혈이 3명이었으며, 일반적인 신경물리치료군은 뇌경색이 7명, 뇌출혈이 4명이었다. 마비측은 오른쪽 반신마비가 14명 왼쪽 반신마비가 8명이었으며, 로봇보조 보행훈련군은 오른쪽 반신마비가 6명 왼쪽 반신마비가 5명, 일반적인 신경 물리 치료군은 오른쪽 반신마비가 8명 왼쪽 반신마비가 3명이었다. 전체 대상자 중 뇌경색이 35명, 뇌출혈이 17 명, 동시에 발생한 경우가 1명이었다. 발병 후 평균 유병 기간은 로봇보조 보행훈련군은 7.72개월이며 일반적인 신경 물리 치료군은 6.45개월이었다. 두 군 사이에서 나이, 성별, 진단명, 손상 측, 유병 기간이 군간 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않아 일반적 특성에서 정규성이 확인되었다(Table 1).

Table 1. General characteristic of subjects (n=22)

M±SD; mean±standard deviation, p; shapiro–wilk test, Group Ⅰ; robot assisted gait training, Group Ⅱ; general neurological physical therapy

2. 중재 방법에 따른 군 간 시공간적 보행 매개변수 비교

로봇보조 보행훈련군(GroupⅠ)과 일반적인 신경물리 치료군(Group Ⅱ) 간 중재 전·후 비교한 결과, 한발짝 길 이 비교에서 GroupⅠ은 25.36±3.10 ㎝에서 27.54± 1.75 ㎝로 Group Ⅱ와 비교하여 통계학적으로 유의한 차이가 있었으며(p<.021), 한걸음길이 비교에서 GroupⅠ은 51.63±3.17 ㎝에서 54.90±1.70 ㎝로 Group Ⅱ와 비교하여 유의한 차이가 있었다(p<.036). 그리고 한발짝간격 비교 에서 GroupⅠ은 19.54±1.90 ㎝에서 18.09±1.83 ㎝로 Group Ⅱ와 비교하여 유의한 차이가 있었다(p<.034). 한 발짝시간 비교에서 GroupⅠ은 2.05±.25 sec에서 1.80±.16 sec로 Group Ⅱ와 비교하여 유의한 차이가 있었으며 (p<.031), 한걸음시간 비교에서 GroupⅠ은 3.44±.42 sec에 서 3.02±.37 sec로 Group Ⅱ와 비교하여 유의한 차이가 있었다(p<.011). 그리고 분속수 비교에서 GroupⅠ은 37.05±6.10 step에서 40.54±4.84 step으로 Group Ⅱ와 비교 하여 유의한 차이가 없었다(p<.082)(Table 2).

Table 2. Comparison of changes in temporospatial gait parameter between groups

Group Ⅰ; robot assisted gait training, Group Ⅱ; general neurological physical therapy

3. 중재 방법에 따른 군 간 보행주기 비율과 보행이동길 이 비교

로봇보조 보행훈련군(GroupⅠ)과 일반적인 신경물리 치료훈련군(Group Ⅱ) 간 중재 전·후 비교한 결과, 흔듦 단계 비교에서 GroupⅠ은 28.82±4.10 %에서 25.72±3.34%로 Group Ⅱ와 비교하여 유의한 차이가 있었으며 (p<.011), 디딤단계 비교에서 GroupⅠ은 71.01±7.20 %에 서 74.18±4.44 %로 Group Ⅱ와 비교하여 유의한 차이가 있었다(p<.013). 그리고 보행이동길이 비교에서 GroupⅠ 은 238.18±20.03 ㎜에서 222.63±9.41 ㎜로 Group Ⅱ와 비 교하여 유의한 차이가 있었다(p<.011) (Table 3).

Table 3. Comparison of changes in gait cycle ratio and gait line length between groups

Group Ⅰ; robot-assisted gait training, Group Ⅱ; general neurological physical therapy

Ⅳ. 고 찰

본 연구는 뇌졸중 환자들의 보행기능 향상과 재학습을 위해서 체중지지 및 중심의 이동, 힘 조절의 협조가 가능하고 다리의 정확하고 반복적인 움직임이 세팅된 로봇 보조 보행훈련 장비를 5주간 중재하여 뇌졸중 환자의 운동학적 요인과 신체중심이동에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 뇌졸중 환자의 보행은 보행속도 (walking speed), 걸음길이(stride length), 분속수(cadence) 등의 감소와 같은 비정상적인 시공간 보행 매개 변수가 특징이며, 보행 매개변수는 균형 조절의 손상, 근골격 약화 및 보행의 비효율성과 같은 요인의 영향을 받는다 (Aprile 등, 2019). 뇌졸중 환자의 보행과 관련된 선행연구에서 Chang 등(2012)은 뇌졸중 환자를 대상으로 보행의 운동학적 기능을 향상하기 위해 4주 동안 로봇 보조 보행 훈련을 중재한 후 측정 결과는 로봇보조 보행훈련군에서 손상측 다리의 보행기능과 운동 능력이 향상되었다고 하였다. Mehrholz 등(2017)은 로봇 장치를 기반으로 한 보행훈련을 받은 뇌졸중 환자에서 균형 능력이 향상되고 발목관절의 움직임도 향상되었다고 하였다. Mayr 등(2007)은 뇌졸중으로 인한 반신마비 환자 16명을 대상으로의 3주간의 로봇보조 보행훈련을 중재한 결과 일반적인 물리치료군에 비해 보행 속도, 지구력, 근력, 근육 긴장도에서 향상되었다고 하였다. Dunsky 등(2008) 은 뇌졸중 환자를 대상으로 시각적 되먹임 자극을 이용한 보행훈련과 상상훈련을 통한 보행훈련이 대상자들의 보행속도와 걸음길이 요인에서 유의한 결과를 보였다. 본 연구의 결과도 보행과 관련된 시공간적 매개변수에서 분속수를 제외한 다른 변수에서 유의한 차이를 보였으며 손상측 보행단계별 비율도 향상되었다. 이러한 다리 로봇보조 보행훈련이 일반적인 신경물리치료와 비교하여 자발적인 근육 활동과 보행의 재학습, 고강도의 반복적인 보행훈련, 일정한 강도의 힘에 대한 시각적 되먹임 작용 등이 보행능력과 보행기능의 재습득에 많은 도움이 된 것으로 생각된다. 또한 다리의 단순한 관절의 움직임 훈련이 아니라 운동학습이론을 기반으로 중재한 훈련이 정상 보행과 같은 조건에서 집중적 반복 훈련의 효과로 생각한다.

뇌졸중 환자의 보행은 관절의 운동 범위가 감소하고 흔듦 기 동안 손상측을 앞으로 이동할 수 있는 힘의 부족함을 보이며, 이런 뇌졸중 환자의 상태는 손상측의 흔듦기 시간과 비손상측의 디딤기 시간이 길어진다 (Srivastava 등, 2015). An 등(2017)의 연구에서는 뇌졸중 환자의 균형조절능력이 감소되어 손상측의 디딤기 (stance phase)와 비손상측의 흔듦기(swing phase) 시간이짧아진다고 하였으며, 로봇보조 보행훈련은 뇌졸중 환자의 근력, 균형 및 운동기능의 향상과 함께 손상측의 디딤 시간과 흔듦시간을 향상하여 보행 능력을 증가시키고 로봇 보조 훈련이 뇌졸중 환자의 대칭적인 보행을 향상한다고 보고하였다(Husemann 등, 2007). Patterson 등 (2015)은 뇌졸중 환자는 전형적으로 체중을 마비측 다리 쪽으로 체중 이동에 어려움을 보이며, 마비쪽으로의 제한된 체중 이동은 디딤기 단계에서 더 불안정해지고 궁극적으로 비마비측 하지의 흔듦기 단계가 짧아진다고 하였다. 그리고 로봇보조 보행 훈련은 마비측의 체중 지지능력을 증가시켜 흔듦기에서 좌우 대칭성이 증가하였다고 하였다. Drużbicki 등(2015)은 뇌졸중 환자에게 생체 되먹임 트레드밀 보행훈련을 중재한 결과 마비 측에서 디딤 기 단계 비율의 증가와 비마비측의 보폭이 증가된결과를 보였다고 하였다.

본 연구에서 로봇보조 보행훈련군에서 보행의 좌우 기능적 대칭성이 향상되었고 특히 손상측의 흔듦기와디딤기에서 유의한 결과를 보였다. 이러한 결과들은 로봇 보조 보행훈련이 운동 학습 이론을 바탕으로 중재되는 대표적인 보행 치료로 하지의 균형 능력과 안정성을 증진하고, 낙상 공포로부터 자유로워 불필요한 근 긴장의 억제와 조기에 보행에 대한 경험이 보행 기능을 촉진한 것으로 생각된다.

뇌졸중 환자의 보행 능력의 재학습을 위해서는 다리의 근력뿐만 아니라 다리의 체중 지지 및 신체 중심의 이동 등이 협조를 이루어야 한다. 뇌졸중 환자들에게 정확성과 반복성의 특징을 가지고 있는 로봇치료를 이용한 보행훈련은 다리의 협조능력을 증가시켜 신체의 자세 조절 능력과 적응력을 향상시킨다(Kwakkel & Wagenaar, 2002). Kim 등(2005)은 뇌졸중 환자에게 로봇 보조 보행훈련 후 몸의 중심점의 총이동거리와 균형, 족저압 변화 비교에서 중재 전, 후에 유의한 결과을 보였다. Pohl 등(2002)은 뇌졸중 환자에서 전동식보행 훈련 중재 후 보행에 대한 안정성이 증가했고 바닥면 내에서 무게중심을 지속적으로 유지하는 자세 조절 능력이 향상되어 걸음걸이의 대칭성이 향상된 결과를 보였다. 그리고 다리의 대칭적인 체중 지지와 분배가 안정적인 보행을 만들어 보행 주기의 변화가 향상되었다고 하였다. 본 연구에서 손상측 다리의 보행이동길이가 유의하게감소된 결과를 보였으며 이런 결과는 기존의 연구와 같은 결과를 보였다. 이러한 결과는 마비측과 비 마비 측으로 자세조절과 체중 이동 능력이 향상되고 보행 기능이 향상된 것으로 볼 수 있다. 따라서 뇌졸중 환자에서 로봇 보조 보행훈련을 통한 집중적인 보행훈련은 대상자의 수의적인 노력에 따라 보행의 질적인 향상에 도움이 될 것으로 생각된다.

로봇보조 보행훈련으로 뇌졸중 환자의 보행기능 향상은 임상적으로 로봇치료의 중요한 기여가 있었을 것으로 생각되며 로봇보조 보행훈련이 뇌졸중 환자의 보행 기능 회복에 새로운 치료적 방법으로 사용할 수 있을 것이다. 연구대상자의 연령에 따라 보행로봇장비에 적응하는 기간이 다를 수 있으며, 로봇치료의 중재 기간을 연장하고 다양한 평가를 추가적으로 분석하는 등의 제한점을 보완할 수 있는 연구가 필요할 것으로 생각한다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 뇌졸중 환자에게 중재한 로봇보조 보행 훈련이 다리의 운동기능 회복과 촉진으로 인해 손상된 보행의 운동학적 기능이 향상되는 결과를 보였다. 따라서 로봇 보조 보행훈련이 뇌졸중 환자의 보행기능과 운동기능 향상에 적절한 치료적 중재방법임을 제시할 수 있을 것으로 생각된다. 향후 더 많은 환자들을 대상으로 뇌졸중의 중증도와 치료기간에 따른 효과에 대해 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 생각한다.