Enhancing Upper Words Rehabilitation Robot을 통한 뇌졸중 후 상지 기능 및 운동 능력 향상

뇌졸중은 뇌혈관의 막힘 또는 파열로 인한 급성 신경학적 사건으로 확인되며, 뇌 순환을 방해^{하며1 전} 세계적으로 두 번째 주요 사망 원인이자 장기 장애의 주요 원인으로 꼽힌다. 뇌졸중 발병 후 첫 날에 생존자의 최대 80%가 상지 기능 장애를 경험하며, 30%-66%는 6개월 후에도 여전히 어려움을 겪고 있습니다². 1년 후, 상지 장애가 있는 사람들은 불안감이 고조되고 삶의 질이 저하되며 행복감이 감소한다고 보고한다³. 또한, 뇌졸중 후 16개월까지 병원 재활이 필요한 편마비 환자의 약 60%만이 기본적인 일상 활동에서 기능적 독립성을 달성하며, 감각, 운동 및 시각 장애를 앓고 있는 사람들은 간병인의 지원에 훨씬 더 의존한다⁴. 또한, 상지 기능 장애는 손의 활용도를 저해하며, 특히 신체 작업 중 약화된 굴곡근과 신전근의 근육 긴장이 증가하여 두드러진다⁵.

다양한 재활 노력에도 불구하고, 뇌졸중 생존자의 상지 부상을 효과적으로 해결하는 것은 만만치 않은 과제이다⁶. 고강도의 반복적인 과업훈련은 최적의 결과를 보여주었지만 상당한 치료사의 개입을 필요로 하여 높은 비용과 물류 부담을 초래한다⁷. 따라서 치료사의 업무량을 늘리지 않으면서 교육에 대한 환자의 관심을 높일 수 있는 저비용 중재가 필요하다. 상지 재활 로봇은 고강도 운동을 촉진하고 치료사에 대한 의존도를 줄이기 위한 대체 치료법이 될 수 있다¹. 새로 개발된 상지 지능형 피드백 재활 로봇 시스템입니다( 자료표 참조). 이 장치는 객관적인 지표(예: 속도, 토크, 동작 범위, 위치 등)를 출력하여 환자의 개선 사항을 평가 및 모니터링하고 다양한 운동 장애 정도에 따라 치료를 맞춤화할 수 있습니다. 그것은 널리 사용을위한 높은 일관성과 재현성을 가지고 있습니다. 또한, 강력한 증거는 뇌졸중 후 운동 회복을 촉진하는 고강도, 고반복성, 과제 지향적 훈련을 뒷받침한다⁸.

반면에, 재활 로봇은 높은 안전성 및 내구성과 같은 장점을 가진 비교적 새로운 보조 치료 접근법이다⁹. 미국 뇌졸중 협회(American Stroke Association)는 최근 로봇 보조 운동 훈련이 환자가 기존 치료법 외에도 뇌졸중 후 운동 기능과 이동성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 보고한 지침을 발표했습니다¹⁰. 2018년 재활의학저널(Journal of Rehabilitation Medicine)에 발표된 논문에 따르면, 로봇 보조 훈련과 기존 재활 훈련을 결합하면 뇌졸중 환자의 상지 운동 기능이 크게 향상될 수 있으며, 이에 따라 임상 홍보가 필요하다고 한다¹¹. 이 시스템에는 정속 트레이닝, 파워 어시스트 트레이닝, 액티브 트레이닝 및 저항 트레이닝의 네 가지 트레이닝 모드가 포함되어 있으며 관절 운동 범위에 대한 평가를 수행할 수 있습니다. 아급성 뇌졸중 환자를 위한 로봇 보조 재활에 대한 검토에 따르면 로봇 중재는 Functional Independence Measure 및 Fugl-Meyer Assessment Scale로 평가한 바와 같이 특히 어깨, 팔꿈치 및 팔뚝 기능에서 상지 기능을 크게 개선했습니다. 이러한 중재는 또한 일상 생활 활동을 향상시켜 삶의 질을 향상시켰다¹⁰.

이 연구는 뇌졸중 후 초기 편마비 환자의 상지 운동 기능 재활에 대한 지능형 피드백 재활 로봇의 효과를 평가하여 편마비 환자를 위한 재활 전략에 대한 과학적 근거를 제공하는 것을 목표로 합니다.

이 연구는 중국 저장대학교 제1부속병원 윤리위원회의 승인을 받았으며, 모든 연구 프로토콜은 헬싱키 선언의 원칙에 따라 공식화되었습니다. 모든 환자는 이 연구에 참여하기 위해 서면 동의서를 제공했습니다. 이 연구는 2023년 1월부터 2023년 6월까지 저장대학교 제일부속병원 재활병동에 입원한 상지 편마비 환자 24명을 모집했다. 선정 기준은 다음과 같습니다: 신경 영상(CT 또는 MRI)으로 확인된 첫 번째 허혈성 또는 출혈성 뇌졸중, 발병 후 6개월 이내의 45-75세, 상지 운동 기능 장애 및 편측 편마비(상지에 대한 Fugl-Meyer 평가, FMA-UE ≤40)^12,13, 수정된 Ashworth 척도 ≤2¹⁴, MMSE(Mini-Mental State Examination) >20(적절한 인지 기능을 나타냄)¹⁵, 기저 질환이 잘 통제되고 정보에 입각한 동의서에 서명된 임상적으로 안정적인 상태. 제외 기준은 불안정한 두개내 상태, 인지 및 언어 장애, 어깨 아탈구, 어깨/팔꿈치/손목 운동 장애, 심한 경련(Ashworth 3-4) 및 시각 장애였습니다. 이 연구에 사용된 로봇과 소프트웨어의 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 연구 설계

1. SAS 소프트웨어를 사용하여 난수를 생성하여 모든 환자를 실험 그룹과 대조군의 두 그룹으로 나누고, 각 그룹에는 12명의 환자가 포함됩니다.
2. 맹검 재활 치료사가 FMA-UE¹², Brunnstrom 점수(BRS)¹⁶ 및 수정된 Barthel 지수(MBI)¹⁷ 를 사용하여 상지 운동 기능 및 자기 관리 능력에 대한 초기 평가를 수행합니다.
3. 시험 기간 동안 모든 환자에게 기본 약물 요법을 투여하고 혈압 조절, 혈당 관리, 혈중 지질 조절, 발작 예방 등에 중점을 둡니다.
4. 대조군에게 매일 30분의 정기 상지 재활 훈련을 제공하며, 여기에는 능동적 및 수동적 관절 훈련, 근육 강화, 손가락 움직임 운동이 포함된다¹⁸.
   1. 또한 매일 30분의 샌딩 보드 교육을 포함합니다¹⁹. 하지 기능 장애, 실어증, 삼킴곤란 및 기타 기능 장애에 대한 전문 치료사가 필요에 따라 8주 동안 일주일에 5회 투여하는 전문 치료를 제공합니다.
5. 실험 그룹에게 대조군과 동일한 30분 루틴 상지 재활 치료를 매일 제공하고 매일 30분의 상지 재활 로봇 훈련을 보충합니다. 대조군에 제공된 다른 기능 장애에 대해 동등한 치료를 제공합니다.

2. 상지 재활 로봇의 특정 수술 단계

1. 관절 운동 범위 및 운동 제어 능력 평가
   1. 환자에게 로봇 앞에 앉으라고 요청하고 가슴을 플랫폼에서 한 주먹 떨어뜨립니다(그림 1).
   2. 영향을 받은 손을 로봇의 엔드 프로세서에 놓고 장갑과 바인더를 사용하여 손목과 손을 고정하여 운동 중 미끄러짐을 방지합니다.
   3. 환자에게 팔뚝을 최대로 움직여 가능한 한 멀리 뻗도록 요청하십시오.
      알림: 기기는 환자의 활성 관절 이동 범위를 결정하기 위해 환자의 손 움직임 궤적을 자동으로 기록합니다.
   4. 영향을 받은 손에 건강한 손을 올려놓고 건강한 쪽의 도움으로 영향을 받은 팔뚝을 최대한 움직입니다.
      알림: 기기는 환자의 손 움직임 궤적을 기록하고 수동 관절 운동 범위를 얻었습니다. 수동적 운동 범위 측정은 환자에게 양측 이동 장애가 있는 경우 치료사의 도움을 받을 수 있습니다.
   5. 목표 반복 시간, 단일 운동 시간 및 단일 이완 시간을 포함한 모터 제어 평가 매개변수를 설정합니다.
      참고: 운동 제어 평가 매개변수는 환자의 FMA-UE 점수¹²에 따라 치료사가 설정했으며 로봇에 내장된 평가 시스템을 사용하여 주간 평가(예: 상지 근력이 더 나은 참가자의 난이도 증가, 반복 횟수 증가 및 휴식 시간 감소)를 사용하여 환자의 운동 제어를 보다 정확하게 평가합니다.
   6. 화면에 표시된 모션 경로와 방향에 따라 다른 방향으로 이동하도록 타겟 포인트를 제어합니다.
      알림: 기기는 환자의 운동 성능에 따라 환자의 운동 제어 능력을 평가합니다.
2. 트레이닝 모드 선택
   1. 환자의 상지 근육이 전혀 수축할 수 없거나 소량의 수축만 있는 경우 등동태 수동적 훈련 모드를 선택합니다(BRS 1-2).
      알림: 로봇은 수동 운동 훈련 운동 작업을 위해 영향을 받는 상지를 운전하는 데 완전한 도움을 제공합니다.
   2. 환자의 상지가 부분 관절 운동을 수행할 수 있지만 움직임이 매우 미미하고 자발적 운동 능력이 좋지 않은 경우(BRS 3) 보조 운동 훈련 모드를 선택합니다.
      알림: 시스템은 환자의 실제 힘 정도에 따라 실시간으로 해당 보조 힘을 제공할 수 있으며 전체 훈련 과정에서 환자의 상지의 적극적인 참여를 최대한 유도하여 올바른 이동 모드를 형성할 수 있습니다.
   3. 환자의 상지 근력이 큰 힘 또는 부분 저항을 생성할 수 있는 경우 활성 훈련 모드를 선택합니다(BRS 4).
      알림: 로봇은 환자 상지의 주요 운동 능력을 더욱 강화할 수 있습니다.
   4. 환자의 상지 힘이 이미 강하고 더 큰 저항을 견딜 수 있는 경우 환자 상지의 정확도와 조준 제어를 더욱 향상시키기 위해 저항 훈련 모드를 선택합니다(BRS 5-6).
3. 교육 절차 선택
   1. 이 시스템은 환자가 다양한 VR 장면과 상호 작용 경험을 경험할 수 있도록 10개 이상의 흥미로운 게임 프로그램을 제공하여 환자의 교육 열정을 크게 향상시킨다는 점에 유의하여 교육 절차를 선택합니다(그림 2).
4. 게임 파라미터 설정
   1. 일반적으로 약 10-20분 동안 환자의 신체 상태에 따라 훈련 시간을 설정합니다.
      알림: 환자의 상지 근력이 양호한 경우 환자의 운동 내성을 향상시키기 위해 단일 훈련 시간을 늘리십시오. 환자의 상지 근력이 좋지 않은 경우 더 짧은 단일 훈련 시간을 선택하고 환자가 여러 세션에 걸쳐 훈련 프로그램을 완료할 수 있도록 합니다.
   2. 조인트의 평가된 동작 범위에 따라 동작 범위를 설정하고 전체 범위, 중간 범위 또는 작은 동작 범위 중에서 선택합니다.
   3. 환자의 상완 근력의 특성에 따라 활동 궤적을 설정하고 약한 근육을 목표로 하고 강화하기 위한 적절한 활동 경로를 선택합니다.
   4. 환자의 근력에 따라 파워 어시스트 또는 저항 값을 설정합니다.
      알림: 훈련 과정에서 기기는 환자의 실제 힘 피드백에 따라 파워 어시스트와 마찰력을 자동으로 조정할 수도 있습니다.
   5. 기계적 피드백 기술을 사용하여 보호 임계값 을 설정하여 환자의 힘이 임계값에 도달하여 경련(불편함, 근육 긴장도의 갑작스러운 증가 또는 비정상적인 관절 경직 및 잠김으로 나타남)을 나타낼 때를 감지합니다. 장치는 경보를 울리고 환자 훈련의 안전을 보장하기 위해 즉시 멈춥니다.
5. 구체적인 교육 과정
   참고: 환자는 하루에 2-3개의 게임 아이템으로 훈련을 받으며, 다른 게임 아이템은 정기적으로 변경될 수 있습니다.
   1. 채소 농장에 참여: 가상 농장에서 환자에게 작은 손을 제어하여 과일과 채소를 잡고 가능한 한 많은 별을 모으도록 요청합니다.
      참고: 이 활동은 주로 팔꿈치와 손목의 굴곡 및 신전의 운동 범위를 대상으로 합니다.
   2. 기지 방어에 참여: 가상 군사 기지 장면에서 환자에게 과녁을 정확하게 제어하여 제거된 모든 몬스터를 쏘도록 요청하십시오.
      참고: 이 운동은 팔꿈치와 손목의 근육 제어를 향상시켜 슈팅 동작의 정확도를 향상시키는 것을 목표로 합니다.
   3. 컬러 피구 놀이: 다양한 도로와 장애물에서 환자에게 공을 제어하여 다양한 색상의 장애물을 피하고 금화를 얻도록 요청합니다.
      알림: 이 운동은 어깨, 팔꿈치, 손목 움직임을 포함하여 근력과 관절 이동성을 향상시킵니다.
   4. 스타워즈 탐색: 가상 공간 환경에서 환자에게 움직임과 적의 공격을 피하면서 바이러스를 파괴하기 위해 쏠 항공기의 위치를 제어하고 근육 지구력 및 반력을 훈련하도록 요청하십시오.
      참고: 이 훈련은 상지 지구력, 반응 속도 및 정확도를 향상시키고 팔꿈치와 어깨의 협응력과 근력을 향상시킵니다.
   5. 양질의 공에 참여하십시오 : 환자에게 공을 제어하여 과녁에 도달하고 머물도록 요청하십시오. 공이 과녁에 가까울수록 점수가 높아집니다.
      알림: 이 활동은 팔꿈치 굴곡, 신전, 어깨 내전, 외전을 운동하고 정확한 제어를 위해 이두근과 삼두근을 활성화합니다.
   6. 슈퍼 탁구 게임: 가상 공 환경에서 환자에게 탁구판을 제어하여 공을 치고 상대방과 탁구를 치도록 요청합니다. 난이도가 향상되고 업그레이드되며 반응 및 손과 눈의 협응 능력이 훈련됩니다.
   7. 블록 세계에 참여: 환자에게 블록을 파괴하기 위해 과녁 사격을 제어하도록 요청하고, 적의 공격을 조심하고 가능한 한 많은 동전을 모으고, 사고 전략과 손과 눈의 협응력을 훈련하십시오.
   8. 놀이 공: 환자에게 공을 제어하여 목표물에 닿도록 요청하십시오. 공을 득점하고, 적의 공격을 조심하고, 가능한 한 많은 동전을 모으십시오.
   9. 전설적인 포수에 참여: 환자에게 손잡이를 잡고 화살 방향으로 계속 힘을 가하도록 요청합니다. 상지의 근육 그룹은 등척성 수축이며, 힘은 목표물을 파괴하기 위해 발사하기 위해 저장됩니다.

3. 사후 관리 절차

1. 동일한 재활 치료사가 8주간의 훈련 후 FMA, BRS 및 MBI에 대해 모든 환자를 다시 평가합니다.
2. 통계 분석을 위해 소프트웨어에 모든 데이터를 입력합니다. 그룹 내 비교에는 쌍체 표본 t-검정 을 사용하고 그룹 간 비교에는 두 개의 독립적인 표본 t-검정 을 사용합니다. P < 0.05를 통계적으로 유의한 것으로 간주합니다.

총 24명의 환자가 등록되어 대조군 또는 실험군에 무작위로 배정되었습니다(표 1). 성별, 연령, 질병 지속 기간 또는 뇌졸중 유형에 대해서는 두 그룹 간에 통계적으로 유의한 차이는 없었다(P > 0.05). 8주간의 상지 훈련 후, 상지 운동 기능을 평가하기 위해 FMA-UE(Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity)12 를 사용했으며, BRS-Arm(Brunnstrom Recovery Stage for Arm)16 및 BRS-Hand(Brunnstrom Recovery Stage for Hand)를 사용하여 상지 회복 단계를 평가했습니다. MBI(Modified Barthel Index)17 는 환자의 일상 생활 능력을 평가하는 데 사용되었습니다.

재활 훈련 후 두 그룹 모두 FMA-UE 및 BRS-Hand에서 유의한 개선을 보였습니다(그림 3, 표 2). 또한, 상지 재활 로봇 훈련군은 대조군에 비해 FMA-UE 및 MBI 점수가 우수하여 상지 재활 로봇 훈련과 기존 훈련을 병행하면 상지 운동 기능을 향상시키고 회복 기간 동안 뇌졸중 환자의 일상 생활 능력 회복을 촉진할 수 있음을 시사합니다.

효능에 관해서는, 상지 재활 로봇과 기존의 상지 재활 훈련을 병행한 경우의 재활 결과가 기존 훈련을 단독으로 사용한 경우보다 우수했으며, 이는 상지 재활 로봇이 임상 실습에서 보조 치료 방식으로 간주될 수 있음을 시사합니다.

그림 1: 상지 재활을 위한 설정. 피험자는 물리 치료사의 도움을 받는 상지 재활 로봇에 앉아 있다. 설정은 피험자와 재활 장비 사이의 위치 및 상호 작용을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 상지 재활 로봇의 게임 인터페이스. 이 그림은 상지 재활 로봇의 이동 계획에 통합된 게임 콘텐츠를 보여줍니다. 이 인터페이스는 대화형 게임 플레이를 통해 피험자를 참여시키고 치료 운동을 용이하게 하도록 설계되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 재활 결과에 대한 통계적 분석. 이 그림은 (A) 상지에 대한 Fugl-Meyer 평가(FMA-UE), (B) 팔(BRS-Arm) 및 (C) Hand(BRS-Hand)에 대한 Brunnstrom 회복 단계, (D) 치료 전후 대조군 및 실험군에 대한 MBI(Modified Barthel Index)의 통계 분석을 나타냅니다. 유의한 차이는 *P < 0.05, **P < 0.01 및 ***P < 0.001로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1: 대조군과 실험군의 기준선 특성.

표 2: 훈련 전과 후의 FMA-UE 및 MBI 점수 비교. 이 표는 훈련 기간 전후의 대조군과 실험군 간의 FMA-UE(Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity) 및 MBI(Modified Barthel Index) 점수를 비교합니다. 값은 평균 ± 표준 편차(x ± s)로 표시됩니다.

저자는 이 연구와 관련된 이해 상충이나 재무 공개가 없음을 선언합니다.