fNIRS를 기반으로 우반구 손상 환자의 상지 기능 회복에 대한 다양한 유형의 운동의 효과 조사

대뇌 반구 손상은 반대쪽 사지의 감각 및 운동 기능 장애를 유발할 수 있다 ^1,2,3 이는 환자의 운동 조절, 이동성 및 기능 학습에^{다양한 정도로 부정적인} 영향을 미치며4 가족과 사회에 큰 부담을 준다⁵. 우반구 손상(RHD)이 있는 환자의 경우 회복 속도가 만족스럽지 않습니다. 그러나 대부분의 RHD 사례에서 영향을 받은 왼쪽 팔다리는 신체의 우세하지 않은 쪽에 있기 때문에 환자와 간병인으로부터 충분한 관심을 받지 못했습니다. 상지와 손의 기능 장애가 일상 활동 수행 능력과 삶의 질에 심각한 영향을 미친다는 점을 감안할 때, RHD 환자에서 상지 기능의 재활 효과를 향상시키기 위한 보다 적합한 방법이 필요하다 ^6,7,8,9,10.

운동 요법은 환자가 사지 기능을 회복하는 데 도움이 되는 중요한 방법입니다. 뇌 손상 환자의 조기 재활을 위해 일반적으로 PM(Passive Movement) 및 AAM(Assisted Active Movement) 훈련 방법이 사용됩니다. AAM은 특정 관절의 활동을 자신의 근력과 외부 도움의 조합을 통해 완성되는 것을 의미한다¹¹. 핵심은 환자가 보조 재활에 적극적으로 참여하는 것입니다. 인간 두뇌의 활성화 준비는 운동 제어 주기에서 운동 시스템을 자극하고 통합하는 데 도움이 될 수 있습니다. 많은 연구에 따르면 AAM은 신경가소성 변화를 유도하여 환자의 기능 회복을 증가시킬 수 있습니다^12,13.

기능적 근적외선 분광법(fNIRS)은 광학 원리를 기반으로 하는 이미징 기술입니다. 조직 내 빛의 감쇠와 광 흡수 물질의 농도 차이의 상관 관계에 따라, fNIRS는 뇌 조직의 산소화 헤모글로빈과 탈산소화 헤모글로빈의 농도 변화를 정량적으로 분석할 수 있으며, 이를 통해 대뇌 피질의 기능 활동을 모니터링할 수 있다¹⁴. 많은 연구에 따르면 fNIRS는 뇌 반구 손상 후 뇌 산소 공급 및 에너지 대사를 모니터링하는 중요한 수단입니다 15,16,17. 따라서 fNIRS는 대뇌 반구 손상 후 상지 운동 기능 회복과 관련된 대뇌 피질 변화를 연구하는 데 적합한 모니터링 방법일 수 있습니다.

다른 감각 입력 방법에 의해 생성 된 운동 신호와 감각 피질의 조정 상태는 다릅니다^18,19. 수동적 및 능동적 움직임에 의해 생성되는 감각 자극은 지각의 안정성과 주변 환경에 대한 정확한 표현을 구축하는 능력과 밀접한 관련이 있으며, 이는 행동을 안내합니다²⁰. 이 연구는 fNIRS 데이터를 분석하여 뇌 반구 손상 환자의 조기 상지 재활 및 뇌 활성화에 대한 다양한 운동 모드의 효과를 탐색하고 향후 환자의 포괄적인 재활을 위한 과학적 전략을 제공하기 위해 고안되었습니다.

이 연구의 목적은 RHD 환자의 상지 기능 및 뇌 리모델링에 대한 다양한 유형의 운동과 결합된 FOT의 효과를 조사하는 것이었습니다. 우리는 FOT-AAM이 RHD 환자의 상지 기능과 뇌 활성화를 개선하는 데 FOT-PM보다 더 효과적이라는 가설을 세웠다.

이 연구는 단일 맹검 무작위 대조 시험으로 중국 재활 연구 센터 윤리 위원회(CRRC-IEC-RF-SC-005-01)의 승인을 받았으며 중국 임상 시험 등록부(MR-11-23-023832)에 등록되었습니다.

1. 참가자

1. 기존 문헌²¹에 근거하여, 치료 4주 후 실험군과 대조군의 보고된 Fugl-Meyer Assessment upper extremity (FMA-UE) 점수를 표본 크기를 계산하기 위한 표준으로 사용합니다. 추정된 효과 크기가 0.28, 검정 수준(α)이 0.05, Z 값에 대한 양측 분포 및 검정력이 0.8인 경우 계산된 표본 크기는 28입니다. 탈락률이 10%라고 가정하면 최종적으로 필요한 표본 크기는 32입니다.
2. 중국 재활 연구 센터의 작업 치료 부서에서 환자를 모집합니다. 다음 포함 기준에 따라 환자를 선택합니다 : 첫 번째 발병 우반구 손상 (RHD) 진단; 발병 시기는 3개월 이내입니다. 18세에서 75세 사이; 간이 정신 상태 검사(MMSE) 점수²²> 20; Brunnstrom 단계 I 또는 II²³ 상지 및 손; 그리고 오른손잡이.
3. 명백한 우울증, 불안 또는 동시에 심각한 신체 질환이 있는 환자를 제외하고 교육에 협조하지 않은 환자는 제외했습니다.
4. 연구 전에 정보에 입각한 동의서에 서명한 참가자만 포함합니다. 채용 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.

2. 무작위 배정 및 할당

1. 실험 기준을 충족하는 환자를 실험군(EG)과 대조군(CG)으로 무작위 배정합니다. 피험자 평가 또는 선택에 관여하지 않는 치료사를 지정하여 컴퓨터(https://www.randomizer.org/)의 무작위 데이터 생성기를 사용하여 무작위 배정 절차를 수행합니다.

3. 중재

1. 두 그룹 모두에게 재래식 약물 요법과 재활 요법을 제공하십시오. 모든 환자에게 매일 20분의 기능적 작업치료(FOT)와 10분의 다양한 유형의 상지 운동(EG는 능동적 보조운동, CG는 수동운동)을 제공하여 하루 총 30분, 4주 동안 주 5일씩 제공합니다. 중재의 일관성을 보장하기 위해 모든 중재를 수행할 한 명의 치료사를 선택하고 해당 치료사에게 사전 연구 교육을 제공합니다.
2. 기능적 작업 치료(FOT):
   참고: 환자는 영향을 받은 손가락의 중수골 및 지절간 관절을 사용하여 건강한 쪽의 장갑에 의해 구동되는 손가락 잡기 동작을 수행합니다.
   1. 치료사가 약 1분 동안 영향을 받은 팔다리의 어깨, 팔꿈치, 손목, 엄지 및 손가락을 수동적으로 움직이도록 합니다.
   2. 수동적 움직임 후 환자에게 영향을 받지 않은 팔다리와 손을 사용하여 영향을 받은 팔다리를 움직이고 손을 움직여 폼 롤러를 밀고, 나무 못을 들어 올리고, 작은 나무 막대기를 들어 올리고, 공을 잡는 등의 활동을 수행하도록 지시합니다. 환자의 상태에 따라 각 훈련 세션에 대해 2-3개의 활동을 선택하십시오.
3. 보조 활성 움직임(AAM)
   1. 훈련할 손에 대한 재활 훈련 장치를 선택하십시오. 이 장치는 환자가 수동적 또는 능동적 움직임을 수행할 수 있도록 설계되었습니다. 스마트 미러 모드를 선택하고 시간을 10분으로 설정합니다. 환자에게 자신의 감정에 대해 물어보고 환자의 경험과 내성에 따라 레벨 1-10 중에서 선택하십시오. 그런 다음 시작 버튼을 클릭합니다.
   2. 영향을 받지 않은 손이 자발적으로 잡을 때 환자에게 움직임을 관찰하고 장갑의 도움으로 영향을 받은 손으로 잡으려고 시도하도록 지시합니다(그림 2A).
   3. 영향을 받지 않은 손이 자발적으로 열리면 환자에게 움직임을 관찰하고 장갑의 도움으로 영향을 받은 손의 손가락을 펴도록 지시합니다(그림 2B).
      알림: 영향을 받지 않는 손이 잡으면 영향을 받지 않는 장갑의 센서가 차단된 광 신호를 감지할 수 없으며 영향을 받지 않는 쪽의 장갑이 잡히도록 트리거됩니다. 영향을 받지 않는 손이 열리면 영향을 받지 않는 장갑의 센서가 광 신호를 감지하고 영향을 받지 않는 손의 장갑이 열리도록 트리거합니다.
   4. 위의 과정을 10분 동안 주기적으로 반복하면 장비가 훈련 프로세스를 자동으로 종료합니다.
4. 수동적 움직임 (PM)
   1. 환자가 동일한 장치를 사용하여 수동적 잡기 및 손 열기를 수행하도록 합니다. 해당 장갑을 영향을 받는 손에 놓습니다. Passive Mode를 선택하고, Time 을 10분으로 설정하고, 환자의 감각에 따라 레벨 1-10 에서 강도를 조정한 다음 시작 버튼을 클릭합니다.
   2. 환자에게 긴장을 풀고 장갑을 사용하여 영향을 받은 손을 닫았다가 펴도록 지시합니다(그림 2C). 환자가 10분 동안 계속하도록 한 후 장치가 자동으로 훈련을 종료합니다.

4. 평가

1. 다른 치료사가 임상 평가를 수행하도록 하고 그룹 과제에 눈이 멀지 않도록 합니다. 이 치료사가 각 환자를 두 번 평가하도록 합니다: 중재 전에 한 번, 중재 4주 직후에 한 번.
   1. 연령, 성별 및 부상 유형을 포함한 기본 환자 정보를 수집합니다.
   2. 상지에 대한 Fugl-Meyer 평가(FMA-UE)를 사용하여 중재 전후에 상지 운동 기능을 평가합니다²⁴. 또한 FMA의 손목-손 구성 요소(FMA-WH)를 사용하여 환자의 손 기능을 평가합니다.
   3. 수정된 바르텔 지수(MBI)²⁵를 사용하여 일상 활동을 수행할 수 있는 능력을 평가합니다.
   4. fNIRS를 사용하여 수동 운동 작업 중 주 운동 영역의 활성화를 모니터링합니다.
   5. 기능적 근적외선 분광법 데이터 수집
      1. fNIRS 데이터를 수집하는 데 사용할 연구용 근적외선 뇌 기능 이미징 시스템을 얻습니다. 이러한 시스템은 3개의 근적외선(780, 805 및 830nm)의 파장을 사용하여 산소헤모글로빈(Δ[Oxy-Hb]) 및 데옥시헤모글로빈(Δ[Deoxy-Hb]) 농도 및 총 헤모글로빈 농도(Δ[Hb])의 변화를 모니터링합니다. 샘플링 속도는 13Hz입니다.
      2. 국제 10-20 시스템에 따라 총 4개의 채널이 있는 양측 1차 운동 피질(M1)에 4개의 광원 방출기와 4개의 검출기를 배치합니다. 특정 위치에 대해서는 그림 3 을 참조하십시오.
   6. 작업 절차
      1. 4.1.6.2-4.1.6.9단계( 그림 4 참조)에 설명된 대로 모듈식 패러다임(rest [15 s]-task [30 s]-rest [15 s])에서 5회 연속 시도로 fNIRS 평가를 수행합니다.
      2. fNIRS 컴퓨터 인터페이스를 열고 환자의 기본 정보를 입력합니다. 그런 다음 옵토드 배열 2X4(R), 2X4(L)를 선택합니다. 15-30-15 작업 패러다임을 선택하고 평가 시간을 5로 설정합니다.
      3. 근적외선 시스템 장치를 optodes의 레이아웃에 따라 환자에게 놓습니다. 이미터와 디텍터의 위치를 조정하고 검안이 두피에 밀착되도록 머리카락을 조심스럽게 제거합니다. 조정이 완료되면 OK 버튼을 클릭합니다.
      4. 시스템의 자동 신호 조정 인터페이스로 이동하여 대기를 클릭하고 모든 채널을 조정하여 녹색(양호 신호)을 표시합니다.
      5. 환자의 영향을 받은 손에 장갑을 낀다. Passive Exercise 모드를 선택합니다. 훈련 빈도는 강도에 따라 변경되므로 테스트 중 각 과목에 대해 평균 강도, 즉 5 기어를 선택하십시오.
      6. fNIRS 컴퓨터 인터페이스에서 시작 버튼을 클릭합니다. 3단계로 작업을 수행합니다. 15초부터 0초까지 카운트다운하여 15초의 초기 휴지 단계를 측정합니다. 이 과정에서 환자에게 의자에 조용히 앉아서 가만히 있으라고 지시하고 다른 일을 생각하지 않도록 하여 뇌가 편안한 상태가 되도록 합니다.
      7. 시간이 0초까지 카운트다운되면 핸드 장치의 시작 버튼을 클릭합니다. 환자의 영향을 받은 손은 장갑의 도움으로 수동적으로 잡고 여는 움직임을 시작합니다. 이때 컴퓨터는 수동 동작의 지속 시간인 30초부터 카운트다운을 시작합니다. 카운트다운이 0초에 도달하면 핸드 장치의 중지 버튼을 클릭하여 운동을 종료합니다. 잡고 여는 빈도는 장치에 의해 설정됩니다. 잡고 펼치는 3주기는 30초 작업 동안 3번 완료됩니다.
      8. 앞에서 설명한 대로 15초의 휴식 기간을 더 시작하십시오. 이 간격이 지나면 첫 번째 rest-task-rest 테스트가 끝납니다.
      9. 위의 rest-task-rest 테스트를 5번 반복한 다음 fNIRS 테스트를 종료합니다.
   7. 근적외선 데이터 분석:
      1. 이 분석을 위해서는 아래 설명된 대로 fNIRS 시스템에 설치된 데이터 분석 소프트웨어를 사용하십시오.
      2. 모든 채널에서 심각한 모션 아티팩트와 드롭된 데이터로 인한 이상치 데이터를 제거합니다.
         참고: 이 프로토콜이 수행되었을 때 EG에서 1개의 이상치, CG에서 1개의 이상치, CG에서 2개의 데이터 드롭 사례가 제거되었습니다.
      3. 명백한 모션 아티팩트가 있는 채널은 모두 폐기합니다.
      4. 왼쪽 및 오른쪽 채널(측면당 10개 채널)의 오버레이 평균을 별도로 수행합니다.
      5. 대역 통과 필터(0.01-0.08Hz)를 사용하여 기계적 노이즈 및 생리적 노이즈를 포함하여 신호의 명백한 주기적 변동이 있는 노이즈 구성 요소를 제거합니다. 제거해야 하는 생리적 소음 유형에는 심박수(약 1Hz), 호흡(약 0.2-0.3Hz), 메이어파(약 0.1Hz) 및 매우 낮은 주파의 생리적 변동(<0.01Hz)이 포함됩니다.
      6. 실험 작업 시작 전후 15초를 기준선으로 삼고 블록(휴식[15초]-작업[30초]-휴식[15초])을 테스트 단위로 사용합니다. 5개의 블록을 겹쳐 평균을 구합니다.
      7. 스무딩을 위해 Savitzky-Golay 방법을 사용합니다. 스무딩 점의 수를 5로 설정하고 스무딩 시간의 수를 1²⁶으로 설정합니다.
      8. 전처리 후 적분 값과 중심 값을 계산합니다.
      9. Shapiro-Wilk 검정(Shapiro-Wilk, SW)을 사용하여 중심 값, 적분 값 및 두 그룹의 개입 전후의 차이점의 정규성을 테스트합니다. 결과 P 값이 >0.05인 경우 정규 분포된 데이터를 고려합니다.
      10. 독립 표본 t-검정을 사용하여 중재 전과 후의 두 그룹 간의 데이터를 비교합니다. 대응표본 t-검정을 사용하여 개입 전과 후의 두 그룹 내의 중심 값과 적분 값을 비교합니다.

5. 통계

1. 통계 분석을 위해 SPSS를 사용합니다.
2. SW 테스트를 사용하여 데이터의 정규성을 테스트합니다.
3. Fisher의 정확 검정 또는 독립 표본 t-검정을 사용하여 각 그룹에 있는 환자의 일반 데이터를 비교합니다.
4. 행동 데이터는 반복 분산 분석(repeated ANOVA)을 사용하여 그룹 간 및 그룹 내에서 비교되었으며 평균 ± 표준 편차로 설명되었습니다.

기준선
2021년 10월부터 2023년 6월까지 35명의 환자를 모집했으며 그 중 32명이 최종적으로 연구를 완료했습니다. 임상시험 중 부작용을 경험한 환자는 없었다.

두 그룹의 환자들의 임상증상에 대해서는(표 1), EG와 CG의 평균 연령은 각각 53.19세± 10.72세와 55.88세± 12.32세였다(P=0.515). 성별, 질병 유형, FMA-UL 점수 또는 MBI 점수에서는 유의한 차이가 없었다(P > 0.05). 중재 전, 두 그룹의 모든 환자의 FMA-WH 점수는 0점이었다.

FMA-UL은 임상적 중요성이 높으며 뇌 손상 환자의 상지 침범을 효과적이고 신뢰성 있게 평가할 수 있습니다. FMA-UL에는 총 33개의 상지 평가 항목이 있으며 각 단방향 점수는 전체 완료 시 2점, 부분 완료 시 1점, 완료 없음 시 0점으로 할당됩니다. 가능한 총 상지 이동 점수는 66점입니다. FMA-UL의 하위 범주인 손목-손 척도(FMA-WH)에는 12개 항목이 있으며 총 가능한 점수는 24점입니다.

분산에 대한 반복 측정 분석 결과, FMA-UL 점수에 대한 그룹의 주요 효과가 유의한 것으로 나타났습니다(F=5.564, p=0.030, ɳ2p=0.214; 시간의 주효과는 유의했다, F = 34.716, p < 0.001, ɳ2p = 0.831; 집단과 시간의 상호작용 효과는 유의하였다(F=5.554, p=0.030, ɳ2P=0.256). (표 2)

FMA-WH 점수에 대한 그룹의 주요 효과는 유의했다, F = 8.817, p = 0.006, ɳ2p = 0.227; 시간의 주효과는 유의했다, F = 13.357, p = 0.001, ɳ2p = 0.308; 시간과 집단 간의 상호작용 효과는 유의하였다(F=8.817, p=0.006, ɳ2p=0.227). (표 2).

수정된 Barthel 지수는 일상 활동을 수행할 수 있는 능력을 평가하는 데 널리 사용되며 이러한 10가지 기본 활동을 수행할 수 있는 개인의 능력을 측정합니다. Barthel 지수에서 가능한 총 점수는 100점이며, 점수가 높을수록 환자가 일상 생활 활동을 수행할 수 있는 능력이 강해집니다.

MBI 점수에 대한 그룹의 주요 효과는 유의했다, F = 8.512, p = 0.007, ɳ2p = 0.221; 시간의 주효과는 유의했다, F = 588.559, p < 0.001, ɳ2p = 0.952; 집단과 시간 간의 상호작용 효과는 유의하였다(F=10.425, p=0.003, ɳ2P=0.258). (표 2).

적분 값은 작업 실행 중 혈액 산소 신호의 적분이며 작업 중 혈역학적 반응의 크기를 반영합니다. 중심 값은 전체 작업 기간 동안 혈중 산소 신호 변화 영역의 중심 수직선으로 표시되는 시간(들)이며, 혈역학적 반응27의 속도를 나타내는 작업 전반에 걸친 시간 과정 변화의 지표입니다.

중재 전(그림 5A) 두 그룹 간의 적분 또는 중심 값에는 유의한 차이가 없었습니다(P > 0.05). 중재 후, CG에서 피험자의 우반구의 적분 값은 0.20 ± 0.32, EG에서 피험자의 오른쪽 반구의 적분 값은 -0.06 ± 0.24였으며, 두 그룹의 전체 평균에서 유의한 차이가 있었다(t=-2.489, d=0.92, P=0.020, P < 0.025는 통계적으로 유의한 것으로 간주됨)(표 3). 중재 후, CG에서 피험자의 좌반구의 적분 값은 0.18 ± 0.32, EG 그룹 피험자의 좌반구 적분 값은 -0.04±0.26, 두 그룹의 전체 평균에는 유의한 차이가 없었습니다(t=-1.975, P=0.059, d=0.75). 중재 후 두 그룹 간의 중심 값에는 유의한 차이가 없었습니다(P > 0.025)(그림 5B).

그림 1: 채용 흐름도. 총 35명의 과목을 모집했으며, 그 중 2명은 요건을 충족하지 못했고 1명은 전염병으로 인해 중퇴했으며 최종적으로 32명의 과목이 포함되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 다양한 움직임 모드를 사용한 상지 재활 훈련. (ᅡ,나) 적극적인 손 재활 훈련을 실시하는 EG. (C) CG로 수동 손 재활 훈련을 실시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 광선의 배열과 위치. 빨간색 원은 광원을 나타내고 파란색 원은 감지기를 나타내며 그 사이에 빔의 경로가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 작업 패러다임. 휴식(15초)-작업(30초)-휴식(15초)을 테스트 단위로 사용하고 총 5회 반복했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 두 환자 그룹에서 우반구의 중심 값과 적분 값의 분포를 보여주는 산점도. (A) 개입 전. (B) 중재 후. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1: 주제 특성. FMA: Fugl-Meyer 평가; MBI: 수정된 바르텔 지수(Modified Barthel Index); PM : 수동 동작; AAM: 보조 능동 운동; FOT: 기능적 작업치료.

표 2: 반복 이원 분산 분석(two-way ANOVA)을 수행하여 GROUP, TIME, FMA-UL, FMA-WH, MBI에 대한 상호작용 효과를 분석한 결과.

표 3: 중재 후 두 그룹 간의 fNIRS 데이터 비교.

저자는 연구가 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 수행되었다고 선언합니다.