뇌졸중 환자의 상지의 기능적 회복을 위한 Dual Upper Limb Task-Oriented Robotic System 적용

요약

이 실험 프로토콜은 상지 기능 장애가 있는 뇌졸중 환자를 위한 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템의 사용을 간략하게 설명합니다. 연구 결과는 이 시스템이 뇌졸중 환자의 상지 기능과 일상 생활 활동을 크게 개선할 수 있음을 시사합니다.

초록

매우 반복적이고 작업 지향적인 교육은 뇌졸중 환자의 사지 기능 회복을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 또한 양측 팔 훈련은 뇌졸중 생존자가 상지 기능을 회복하고 일상 활동을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템은 뇌졸중 환자의 건강한 쪽이 로봇 장치를 사용하여 양측 팔 훈련을 수행할 수 있도록 영향을 받는 쪽을 운전하는 데 도움을 주도록 설계되었습니다. 또한 환자가 이중 상지 협응 움직임을 수행하도록 안내하고 힘 피드백 및 인간-컴퓨터 상호 작용 기술을 사용하여 작업 중심의 가상 게임에 참여시킬 수 있습니다. 이 연구는 뇌졸중 환자의 상지 기능 및 일상 생활 활동을 향상시키는 데 있어 시스템의 효능을 평가하는 것을 목표로 했습니다. 사용된 평가 방법에는 MEP(Motor Evoked Potential), 편마비 상지 기능 검사(FTHUE-HK), Fugl-Meyer 평가 상지 척도(FMA-UE) 및 수정된 Barthel 지수(MBI)가 포함되었습니다. 연구 결과에 따르면 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템은 치료 6주 후 뇌졸중 환자의 피질 척수 경로, 상지 기능 및 일상 생활 활동을 크게 개선할 수 있습니다. 이 시스템은 뇌졸중 생존자의 상지 기능 재활에 효과적인 보조 수단으로 작용하여 재활 치료사에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 결론적으로, 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템은 뇌졸중 후 사지 기능 재활을 위한 새로운 전략을 제공하고 특정 사회적, 재정적 이점을 제공하기 때문에 적용 가능성이 큽니다.

서문

뇌졸중은 장애의 주요 원인 중 하나이며 전 세계적으로 두 번째로 큰 사망 원인입니다 ^1,2. 뇌졸중 환자는 종종 운동, 감각 및 인지 장애와 같은 다양한 문제에 직면한다³. 상지 기능 장애는 뇌졸중 후 흔히 발생하는 문제로, 편마비 측 상지의 근육 약화, 경련, 운동 능력 저하 등을 특징으로 한다⁴. 뇌졸중 환자의 70% 이상에서 발견되는 것으로 보고되고 있으며, 약 5%만이 정상으로 회복되는 반면, 20%는 상지 기능을 일부 회복한다⁵. 인간 생활의 절반 이상이 상지의 참여를 필요로 하며⁶, 뇌졸중 후 상지의 기능 장애는 환자의 일상 생활 활동⁷에 심각한 영향을 미쳐 삶의 질을 현저히 떨어뜨리고⁸ 경제적 부담을 증가^시킨다9. 따라서 상지 기능 재활의 효과적인 방법을 모색하는 것이 특히 중요합니다.

거울 요법, 제약 유도 운동 요법, 기능적 전기 자극 및 기타 능동적 또는 수동적 훈련과 같은 다양한 임상 상지 재활 치료가 뇌졸중 환자에게 일반적으로 활용됩니다 ^3,10. 최근 몇 년 동안 양자 팔 훈련이 많은 관심을 받고^{있습니다 6,11,12}. 동측 반구와 반대측 반구의 감각 운동 영역 사이의 신경 연결성을 향상시키는 것으로 입증되었습니다¹². 이러한 유형의 훈련은 반구간 억제의 이상을 교정하고 뇌 기능 네트워크의 재편성을 촉진하며 궁극적으로 상지 기능의 개선으로 이어집니다^12,13. 또한, 로봇 보조 교육은 환자가 정확한 팔다리 움직임을 일관되게 실행하고 작업별 교육에 참여하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다¹⁴. 이 과정은 뇌에 상당한 피드백 자극을 제공하여 궁극적으로 신경 가소성을 높이고 편마비가 있는 개인의 상지 기능 회복을 돕습니다^14,15. 현재 뇌졸중 환자를 위한 로봇 보조 이중 상지 훈련을 활용하는 전략에 대한 연구는 제한적입니다. 이 연구는 로봇 보조 훈련과 양측 상지 훈련을 결합하기 위해 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템을 사용했습니다. 이 로봇 장치는 뇌졸중 환자가 적절한 움직임 패턴으로 높은 반복으로 이중 상지 작업 지향 훈련을 수행하는 데 도움이 되는 데 사용되었습니다. 이 연구의 목적은 뇌졸중 생존자의 피질척수 경로, 상지 기능 및 일상 생활 활동에 대한 이 방법의 효과를 평가하여 상지 기능 재활을 위한 혁신적인 전략을 발견하는 것을 목표로 합니다.

프로토콜

본 연구(승인번호. JXEY-2020SW038)는 가흥 제2병원 의료윤리위원회의 승인을 받았으며 모든 참가자는 정보에 입각한 동의를 제공했습니다. 이 연구는 무작위, 단일 맹검, 통제 시험을 통해 프로토콜의 타당성과 효과를 평가하는 것을 목표로 했습니다. 2021년 1월부터 12월까지 자싱 제2병원에 입원한 60명의 뇌졸중 환자가 등록되었습니다.

참고: 포함 기준은 1) 컴퓨터 단층 촬영(CT) 또는 자기 공명 영상(MRI)을 통해 뇌경색 또는 출혈로 확정된 진단, 2) 질병 기간이 2주에서 3개월이고 안정적인 상태인 첫 발병 및 편측 병변, 3) 25-75세, 4) 반안시 또는 편측 공간 방치가 없고 시각 또는 청각 결함이 없음, 5) 의식이 있고, 순응적이며, 재활 치료에 참여할 수 있고, 6) 수정된 Ashworth 척도(MAS) 등급 ≤ 2¹⁶으로 편측 상지 기능 장애를 완결합니다. 제외 기준은 다음과 같습니다: 1) 이전의 두개골 손상 또는 기타 두개내 질환, 2) 중증 심근경색, 협심증, 간, 신장, 폐 또는 기타 중요한 장기 질환, 악성 종양 등, 3) 정신 질환 및 간질의 이전 병력, 4) 사지의 편마비 쪽에 심한 통증, 무감각 또는 기타 감각 장애, 5) 양측 상지의 움직임에 대한 상당한 제한.

1. 연구 설계

1. 지정된 기준을 충족하는 환자(n = 60)를 실험군(n = 30)과 대조군(n = 30)의 두 그룹으로 무작위로 나눕니다.
2. 숙련된 작업치료사가 6주간의 치료 기간 전후에 그룹 과제를 알지 못했던 다음 기능 평가를 완료하도록 합니다.
   1. 모터 유발 전위(MEP):
      1. Groppa et ^al.17이 수립한 지침에 따라 자기 자극 치료 시스템을 사용하여 환자에서 MEP를 유도합니다.
      2. 검사하는 동안 환자를 안정적이고 편안한 방식으로 장치 앞에 배치하고 기록 전극 패드를 외전근 폴리시스 브레비스 및 손목 관절 골돌기에 놓습니다.
      3. 그런 다음 자기 자극 코일을 뇌의 손상된 쪽에 있는 운동 피질 위의 중앙에 놓고 코일 핸들을 시상면에 대해 45° 각도로 배치합니다.
      4. 100% 강도로 운동 피질 영역의 자극을 10회 수행하고 대기 시간 및 진폭과 함께 모터 유발 전위의 유무를 기록합니다.
         참고: 모든 환자에서 운동 유발 전위를 감지할 수 없기 때문에 두 환자 그룹 간의 유발 전위의 대기 시간과 진폭에 대한 철저한 비교 및 분석이 불가능했습니다. 따라서 이 연구는 MEP의 유무를 결정하고 두 환자 그룹 간에 감지 가능한 MEP의 비율을 비교하는 것을 목표로 했습니다. 검출 가능한 MEP의 비율이 높을수록 뇌졸중 환자의 피질척수 경로를 향상시킬 가능성이 더 크다는 것을 나타냅니다.
   2. 편마비 상지-홍콩(FTHUE-HK)에 대한 기능 검사를 수행합니다.
      1. 체중계를 활용하여 환자의 상지 기능을 평가하며, 여기에는 무릎에 손을 얹고 헝겊을 짜는 것과 같은 12가지 작업이 포함됩니다.
         참고: 각 작업은 3분 이내에 완료해야 하며 최대 3회까지만 시도할 수 있습니다. 척도는 7단계로 구성되며, 수준이 높을수록 상지 기능이 더 우수함을 나타냅니다¹⁸.
   3. Fugl-Meyer 평가 상지 척도(FMA-UE)를 사용합니다.
      1. 이 척도를 사용하여 어깨, 팔꿈치, 팔뚝, 손목 및 손의 운동 기능을 평가하십시오.
         참고: 점수 0은 지정된 동작을 수행할 수 없음을 나타내고, 점수 1은 부분 완료를 나타내고, 점수 2는 전체 완료를 나타냅니다. 척도의 최대 점수는 66점이며 점수가 높을수록 상지 운동 기능이 우수함을 나타냅니다¹⁹.
   4. 수정된 바르텔 지수(MBI)를 계산합니다.
      1. 이 척도를 활용하여 일상 생활 활동에서 환자의 수행 능력을 평가하십시오.
         참고: 척도는 식사, 옷 입기, 목욕 등을 포함한 10개 항목으로 구성되며 최대 점수는 100점입니다. 점수가 높을수록 환자의 일상 생활에서 더 큰 독립성을 나타냅니다²⁰.
3. 모든 환자에게 항고혈압제, 항당뇨병제, 지질 조절제 등을 포함한 기존 약물을 개별 상태에 맞게 처방하도록 합니다.
   참고: 뇌졸중 환자를 위한 약물 선택은 환자의 고유한 상황에 따라 결정되며 환자마다 다를 수 있습니다.
4. 모든 환자가 6주 동안 정기 물리 치료, 팔뚝과 손에 대한 작업 치료, 일상 생활 훈련 활동을 받았는지 확인합니다.
5. 대조군의 환자가 6주 동안 매일 1시간 동안 상지 기능을 목표로 하는 일상적인 작업 치료를 받았는지 확인합니다.
   참고: 상지 기능을 대상으로 하는 일상적인 작업 치료에는 어깨 및 팔꿈치 관절에 대한 운동 제어 훈련, 롤러 훈련, 후프 훈련 및 물체 도달 훈련이 포함됩니다.
6. 실험군의 환자가 6주 동안 하루 30분씩 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템 훈련 외에도 하루 30분 동안 상지 기능을 목표로 하는 일상적인 작업 치료를 받았는지 확인합니다.

2. Dual upper limb 작업 중심의 로봇 시스템 교육 세션

참고: 실험 그룹의 뇌졸중 환자만 이러한 교육 세션을 받았습니다.

1. 로봇 시스템 장비를 시작하고 시스템의 컴퓨터 화면을 켜고 ULCOT Rehab 응용 프로그램을 열고 시스템의 기본 인터페이스로 들어갑니다.
2. 초기 교육 세션 중에 등록 을 클릭하여 주로 이름, 성별, 연령, 사례 번호, 진단, 영향을 받는 쪽 및 기타 관련 의료 콘텐츠를 포함하여 각 환자에 대한 개인 파일을 설정합니다.
3. 시스템의 기본 인터페이스에서 로그인 을 클릭하고 목록에서 교육이 필요한 환자를 선택한 다음 해당 환자에 대한 교육 시스템의 인터페이스를 입력합니다.
4. 환자가 로봇 장치 앞에 자리를 잡을 수 있도록 도와 안전하고 편안한 거리를 확보합니다.
5. 환자 교육 시스템의 인터페이스에서 조정 을 클릭하여 장비 매개변수 조정 인터페이스로 들어가 환자에게 적합한 매개변수를 설정합니다.
   참고: 각 교육 세션에 대해 매개 변수를 설정할 필요는 없습니다. 환자의 트레이닝 시스템 인터페이스에 로그인하면 시스템은 환자의 이전 트레이닝 세션에서 설정된 매개변수에 맞게 자동으로 조정됩니다. 그런 다음 치료사는 치료 목표에 따라 해당 매개 변수를 수정할 수 있습니다. 매개변수에 대한 변경이 필요하지 않은 경우, 사용자는 트레이닝 시스템 인터페이스에서 트레이닝 을 클릭하여 트레이닝 프로그램 설정 인터페이스에 액세스할 수 있습니다.
   1. + 또는 -를 클릭하여 플랫폼 높이 조정 모듈에서 플랫폼 높이를 높이거나 낮춥니다. 환자의 키에 따라 장비 플랫폼의 높이를 조정합니다.
   2. + 또는 -를 클릭하여 암 틸트 각도 조정 모듈에서 시스템 로봇 암의 틸트 각도를 늘리거나 줄입니다. 환자의 어깨 굴곡 및 신전 훈련 목표에 따라 로봇 팔의 기울기 각도를 조정합니다(목표가 높을수록 각도가 커짐).
   3. + 또는 -를 클릭하여 암 각도 조정(Arm Angle Adjustment) 모듈에서 두 로봇 암 사이의 각도를 늘리거나 줄입니다. 환자의 상지 내전 및 외전 훈련 목표에 따라 로봇 팔 사이의 각도를 조정합니다(목표가 높을수록 각도가 커짐).
6. 환자 훈련 시스템 인터페이스에서 교육을 클릭하여 훈련 프로그램 설정 인터페이스로 들어갑니다.
   1. 환자의 상지 기능 상태에 따라 적절한 훈련 프로그램을 선택하십시오. 편마비 쪽의 상지가 전체 가동 범위를 통해 기계 핸들을 능동적으로 조작할 수 없는 경우 보조 훈련 프로그램을 선택하십시오.
   2. 반대로, 편마비 쪽의 상지가 기계 핸들을 능동적으로 조작하여 전체 가동 범위를 완료할 수 있는 경우 저항 훈련 프로그램을 선택하십시오.
7. 선택한 항목의 교육 방법을 설명 및 시연하고 관련 예방 조치를 알려 환자가 교육 세션을 안전하고 정확하게 수행하는 방법을 알 수 있도록 합니다.
8. 환자가 두 로봇 팔 끝에 있는 손잡이에 손을 고정하도록 도와줍니다(그림 1).
9. 이중 상지 작업 중심의 로봇 시스템 교육을 실시합니다.
   1. 상지의 편마비 쪽에서 전체 가동 범위를 달성하기 위해 기계 핸들을 능동적으로 조작할 수 없는 환자의 경우, 훈련 프로그램 설정 인터페이스에서 지원을 클릭하여 보조 훈련 모드 인터페이스로 들어갑니다.
      알림: 치료사는 보조 훈련 모드에서 환자를 위해 공중 비행 게임 또는 탁구 게임을 선택할 수 있습니다. 환자는 훈련 세션당 하나의 게임만 선택할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
      1. 트레이닝 시간(Training Time) 모듈에서 시간을 30분으로 설정하고, 보조 레벨(Assisted Level) 모듈에서 환자에 대해 설정된 레벨을 선택합니다.
         알림: 이 모드는 6가지 수준의 지원을 제공하며, 레벨 6은 영향을 받는 상지가 양측 상지 훈련 중 로봇과 건강한 상지 모두에 의해 구동되는 것과 관련이 있습니다. 반면에 레벨 1은 영향을 받은 상지가 외력 없이 직접 양측 상지 훈련에 참여하는 것을 의미합니다. 훈련 세션은 레벨 6에서 시작되며 환자는 각 레벨에서 만점을 달성한 후 다음 레벨로 진행할 수 있습니다. 환자가 지원 레벨 1에서 전체 훈련 점수를 달성하면 저항 모드 훈련을 받을 준비가 된 것으로 간주됩니다.
      2. Air Flying 또는 Ping-Pong을 클릭한 다음 시작을 클릭하여 게임 인터페이스로 들어갑니다.
      3. 공중 비행 게임: 로봇 장치의 도움으로 영향을 받는 상지를 건강한 쪽으로 조종하여 컴퓨터 화면에 표시된 가상 비행기를 제어하도록 환자에게 지시하여 환자가 지정된 비행 궤적을 따라 가상 비행기를 안내하는 동시에 가상 금화를 캡처하는 노력을 최적화할 수 있도록 합니다(그림 2).
      4. 탁구 게임: 로봇의 도움을 받아 환자에게 영향을 받지 않는 쪽을 사용하여 영향을 받는 쪽 상지를 구동하여 가상 탁구 라켓을 제어하고 라켓을 움직여 날아오는 탁구를 잡도록 지시합니다(그림 3).
   2. 상지의 편마비 쪽에서 전체 가동 범위를 달성하기 위해 기계 핸들을 능동적으로 조작할 수 있는 환자의 경우 클릭하십시오. 저항 트레이닝 프로그램 설정 인터페이스에서 저항 트레이닝 모드 인터페이스에 액세스합니다.
      참고: 저항 훈련 모드에서 참가자는 5가지 게임 중에서 선택할 수 있습니다. 공기 비행, 탁구, 다리 및 도로, 역도, 그리고 팝 매칭. 각 훈련 세션에 대해 하나의 게임만 선택할 수 있습니다.
      1. Training Time(훈련 시간) 모듈에서 시간을 30분으로 설정하고, Healthy Level(정상 수준) 및 Affected Level(영향 수준) 모듈에서 각각 건강한 쪽과 영향을 받는 쪽의 저항 수준을 선택합니다.
         알림: 저항 훈련 모드에서는 상지 근력에 따라 환자의 건강한 쪽과 영향을 받는 쪽에 대해 저항 수준을 개별적으로 설정할 수 있습니다. 레벨 범위는 1(가장 낮은 저항)에서 10(가장 높은 저항)까지입니다. 초기 치료에는 레벨 1 내성을 선택하는 것이 포함되었으며, 환자는 각 교육 레벨에서 만점을 받으면 다음 레벨로 진행할 수 있었습니다.
      2. Healthy Side Resistance Direction 및 Affected Side Resistance Direction 모듈에서 저항 훈련 중 환자의 건강한 쪽과 상지의 영향 받는 쪽에 대해 시스템이 표시하는 저항 방향을 각각 선택합니다.
         알림: 저항 방향은 밀고 당기기를 포함한 운동의 목적에 따라 환자를 위해 선택됩니다.
      3. 보류 시간 모듈에서 대상을 보유해야 하는 시간을 선택합니다.
         알림: 시간은 1초에서 10초 사이의 환자의 상지 기능에 따라 결정됩니다. 시간이 길수록 더 어려워집니다. 설정된 유지 시간이 10초이고 훈련 점수가 완벽하면 다음 세션에서 저항 수준이 증가합니다. 공중 비행 및 탁구 게임에는 이 단계가 포함되지 않습니다.
      4. 다음 게임 중 하나를 선택하려면 클릭하십시오: Air Flying, Ping-Pong, Bridge & Road, Weight-Lifting, and Pop Matching. 시작을 클릭하여 게임 인터페이스로 들어갑니다.
      5. 공중 비행 게임: 환자에게 로봇 팔이 건강한 상지와 영향을 받는 상지 모두에 가하는 저항에 저항하여 가상 비행기를 제어하도록 지시하여 환자가 가상 비행 궤적을 따라 가상 비행기를 안내하는 동시에 가상 금화를 캡처하는 노력을 최적화할 수 있도록 합니다.
      6. 탁구 게임: 환자에게 로봇 팔이 건강한 팔과 영향을 받는 상지 모두에 가하는 저항에 저항하여 가상 탁구 라켓을 제어하고 라켓을 움직여 날아오는 탁구를 잡도록 지시합니다.
      7. Bridge & Road 게임: 환자가 로봇 팔이 건강한 상지와 영향을 받은 상지 모두에 가하는 저항에 저항하여 화면에 있는 나무 다리의 양쪽 끝을 제어하고, 높이가 다른 두 개의 사다리 플랫폼을 이동하고, 가상 캐릭터가 지나갈 수 있도록 일정 시간 동안 유지하도록 합니다(그림 4).
      8. 웨이트 리프팅 게임: 환자가 로봇 팔이 건강한 두 사람 모두에게 주는 저항에 저항하여 화면에 표시된 웨이트 리프팅 바벨의 끝을 제어하도록 합니다.
         상지에 영향을 미치고, 거리를 변경하여 목표 위치에 도달하도록 위치를 조정하고 지정된 기간 동안 해당 위치를 유지합니다(그림 5).
      9. 팝 매칭 게임: 환자가 두 개의 가상 게임을 제어하도록 합니다.
         건강한 팔과 영향을 받는 상지 모두에 로봇 팔이 주는 저항에 저항하여 화면의 왼쪽과 오른쪽 끝에 위치한 손가락은 가상 손가락을 통해 사진의 왼쪽 및 오른쪽 열에서 동일한 항목을 선택하고 이 위치를 잠시 동안 유지합니다.
         지정된 기간(그림 6).
         참고: 시스템은 양쪽에서 선택한 사진이 동일한지 확인합니다. 이 경우 선택한 사진이 제거됩니다. 일치하지 않으면 환자에게 다시 선택하라는 메시지가 표시됩니다.

3. 사후 관리 절차

1. 통계 소프트웨어를 활용하여 수집된 평가 데이터를 분석하고 데이터 유형에 따라 적절한 분석 방법을 결정합니다.
2. 데이터 결과의 중요성을 밝히고 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템 교육이 뇌졸중 환자의 상지 기능에 미치는 영향을 평가합니다.

결과

본 연구에서는 총 60명의 뇌졸중 환자를 대조군(n=30)과 실험군(n=30)으로 나누었다. 두 그룹 간의 연령, 성별, 뇌졸중 유형, 질병 기간, 편마비 측면 및 기타 일반적인 정보를 비교한 결과, 통계적으로 유의한 차이는 발견되지 않았으며(P > 0.05), 이는 유사성을 나타냅니다(표 1). 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템으로 훈련을 받은 실험군의 환자들은 기존 치료를 받...

토론

양측 훈련은 뇌졸중 환자의 피질간 억제를 정상화하고, 뇌 기능망 재구성을 촉진하며, 궁극적으로 상지 기능을 향상시키는 것으로 나타났다²¹. 본 연구는 이중 상지 작업 지향 로봇 시스템을 활용하여 뇌졸중 환자의 상지 기능 훈련을 위한 프로그램을 제시합니다. 이 프로그램은 뇌졸중 환자의 상지 기능 재활을 향상시키기 위해 양측 상지 움직임, 작업 ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dual upper limb task-oriented robotic system	Auckland Tongji Rehabilitation Medical Equipment Research Center, Tongji Zhejiang College	N/A	The dual upper limb task-oriented robotic system can aid stroke patients in bilateral upper limb virtual game training by regulating force transmission between the healthy and affected upper limbs.
Magnetic stimulation therapy system	Sichuan Junjian Wanfeng Medical Equipment Co.,Ltd.	http://www.jjwf-med.com	This system can be used to measure the Motor evoked potential (MEP)
SPSS 25.0	IBM	Version 25.0	https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25