아급성 뇌졸중 환자에게 무릎 신전 보조기기가 균형과 보행에 미치는 효과 및 유용성 : 사례 연구

Ⅰ. 서 론

재활 단계에 있는 뇌졸중 손상 환자들은 반복적이고 지속적인 부적절한 자세조절의 영향으로 인하여 근육 조직의 위축과 형태학적인 변화를 초래하고, 이러한 근육의 변화는 비정상적인 근 긴장 및 근력의 약화와 밀접하게 연관되어 있다(de Haart 등, 2004; Li 등, 2007). 이렇게 약화된 근력을 보조해 주기 위해 과거부터 현재까지 많은 장비들이 개발되어졌고, 특히 신경계 손상 환자들의 약화된 근력을 보조하여 균형 및 보행능력을 증진시키기 위해 많은 보조기가 개발되었다. 주로 쓰이는 보조기로는 발목의 배측굴곡(dorsiflexion)의 근력 약화를 보조하여 보행의 유각기(swing phase)에 발이 바닥에 끌리지 않게 도와주는 발목 발 보조기(Ankle Foot Orthosis; AFO)가 있다. 발목 발 보조기는 결과적으로 신경계 손상 환자들의 동적인 균형을 증진 시키고, 보행 안정성 및 속도 또한 증가 시켰다(Yamamoto 등, 2019). 하지만 현재 개발된 무릎관절 보조기는 정형외과적 질환 손상 환자들의 관절 안정성을 증가시키기 위한 목적이 대부분이고 신경계 손상 환자의 약화된 무릎관절의 힘을 능동적으로 보조해주는 보조기는 다양하지 않다. 신경계 손상으로 인한 아급성기 뇌졸중 환자들은 특징적으로 손상측 무릎관절의 신전 근력이 약화되어진다(Horstman 등, 2010). 이는 앉은 자세에서 일어나기, 동적 균형 및 보행의 입각기(stance phase)시에 무릎의 과신전(genu recurvatum)을 유발할 수 있는 것으로 보고되어지고 있다(Perry와 Davids, 1992; Hyun 등, 2015). 무릎의 과신전의 경우 무릎관절의 손상을 유발할 수 있으며(Devan 등, 2004), 중력중심선(Line Of Gravity; LOS)의 정렬 상태를 벗어난 자세를 유발할 수 있고 이는 아급성기 뇌졸중 환자들에게 기능적인 동작을 수행하는데 있어 제한되는 요소로 작용하게 된다(Yazdani 등, 2020). 따라서 이를 감소시켜주기 위해서 무릎보조기가 많이 소개되어지고 있다(Portnoy 등, 2015; Requier 등, 2018). 또한, 뇌졸중 환자들의 재활에 있어 적절한 물리치료 시기를 결정하는 것은 매우 중요하다(Jørgensen 등, 1995; Page 등, 2004). Winstein 등(2003)은 뇌졸중 환자의 회복에서 운동능력과 기능수준은 발병 후 3개월 이내에 회복이 가장 많이 나타난다고 하였다. 그러므로 뇌졸중 손상 환자의 체중지지, 균형 능력 향상, 보행의 안정성 및 보행속도의 증가, 무릎의 과신전을 예방시키기 위해서는 뇌졸중 발병 6개월 이내의 아급성 기간에 능동적으로 무릎관절을 적절히 신전 시켜줄 수 있는 보조기를 적용하는 것이 많은 도움이 될 것이다. 기존의 무릎관절 신전 보조기의 단점은 주로 가스식 스프링 실린더 및 압축스프링을 이용한 신전 토크를 형성하기 때문에 부피가 크고, 착용이 쉽지 않아 휴대가 어렵고 옷 안에 착용하기가 어려운 부분이 있다. 또한 이는 뇌졸중 손상 환자들의 약화된 신전 근력을 능동적으로 보조 해주기 보다는 무릎관절의 전체를 수동적으로 신전한 상태에서 고정시켜 무릎관절의 유동성을 방해하거나 보행 주기 중 유각기에 무릎의 굴곡을 방해한다. 기존의 선행연구들은 뇌졸중 환자의 보행 보조도구를 이용한 기능적 보행에 발목보조기를 이용한 중재가 효과적이었다는 연구(Mojica 등, 1988; Mulroy 등, 2010; Ohata 등, 2011; Hwang 등, 2012)가 많았으나, 무릎보조기를 이용한 연구는 적은 실정이다. 또한 시중에 판매되는 무릎보조기는 많은 종류가 있으나, 삼점압을 이용하여 무릎의 과신전을 방지하고 능동적인 신전을 도와주는 보조기는 시중에 나와 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 무릎 신전 보조기기(Knee Extension Assist Orthosis; KEAO)를 제작하여 뇌졸중 환자의 균형 및 보행능력 향상을 도모하고자 하였고, 이를 검증하기 위해 프로토타입을 선 제작하고 아급성기 뇌졸중 손상 환자에게 적용하여 실제로 균형 및 보행에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고, 임상적 사용 가능성과 만족도 및 유용성을 알아보고자 한다.

Ⅱ. 연구방법

2. 실험절차

1) 무릎 신전 보조기기의 제작 및 적용

보조기는 주로 삼점압의 원리(three point pressure principle, three point force system)에 의해 제작이 된다. 삼점압의 원리는 두 방향의 압력과 이와 반대되는 방향의 한점의 압력이 필요하다는 것을 의미한다. 본 연구에서도 이러한 삼점압의 원리를 기본 개념으로 채택하여 무릎 신전 보조기기를 제작하고자 한다. 본 연구에서의 보조기 구성으로는 (1)대퇴커프, (2)하퇴커프, (3)내·외측 업라이트, (4)내·외측 탄성밴드, (5)슬개골 패드로 구성되어진다(Figure 1).

Figure 1.

Produced prototype of KEAO

기존의 무릎 안정화 보조기(knee stabilizer orthosis)는 무릎관절의 신전은 허용하지만, 무릎관절의 굴곡은 허용하지 않는다. 인체는 연결된 고리이기 때문에 무릎 움직임의 제한을 시킬 경우 다른 관절에서 보상작용(compensation)이 나타나게 되며(Powers, 2003), 이로 인하여 엉덩이 관절의 가동범위가 증가하고, 충격 흡수를 위한 무릎관절의 사용빈도가 감소하게 되며, 발목 관절의 사용비중이 증가하게 된다(조준행과 김로빈, 2018). 또한 착용이 어렵고, 관절의 움직임을 제한하기 때문에 낙상의 위험도 증가하게 된다. 하지만 본 연구에서 적용한 보조기는 삼점압 시스템을 적용하여 보행의 입각기시에는 무릎관절의 과도한 신전을 막아주고, 능동적인 신전을 도와주며, 보행의 유각기와 앉은 자세에서 일어나기 시에는 전방의 슬개골 패드와 내‧외측 탄성밴드(elastic band)가 유동적으로 늘어나기 때문에 무릎관절의 굽힘을 허용해준다. 기존의 무릎관절 신전 보조기들은 가스식 스프링 실린더 및 압축스프링을 이용하여 신전 토크를 형성하기 때문에 부피가 크다. 이러한 이유로 본 연구에서는 슬개골 패드와 내‧외측 탄성밴드를 적용하였다. 슬개골(patella)은 무릎의 전방에 있는 작은 뼈로 역동적인 움직임 시 무릎의 안정성을 유지하고 무릎관절 신전 시 상방으로 움직이는 특성을 가지고 있으며, 대퇴사두근(quadriceps)과 함께 작용하여 무릎관절의 신전 시 31%의 신전 토크 형성에 기여한다(Loudon, 2016). 그러므로, 슬개골의 상방움직임은 무릎관절 신전에 매우 중요한 요소이다. 하지만 뇌졸중 환자들은 이러한 슬개골 트래킹(patellar tracking)이 저하되어지고 슬개골의 정렬상태가 변하게 된다. 그러므로, 테이핑을 통해 슬개골의 올바른 정렬상태를 유도하고 슬개골의 트래킹을 증진시켜 관절의 위치 감각과 균형능력 및 보행능력이 증가되어졌다는 연구들이 소개되어지고 있다(Ernst 등, 1999; Crossley 등, 2000). 본 연구에서는 2개의 내‧외측 탄성밴드와 1개의 슬개골 패드를 이용한다. 무릎 전방을 수평으로 가로지르는 슬개골 패드를 이용하여 무릎관절이 전방으로 과도하게 구부러지는 것을 방지하고, 무릎의 전방 안정성을 증가시킨다. 무릎관절을 신전하는데 있어 대퇴사두근(외측광근, 내측광근, 중간광근, 대퇴직근)의 역할이 가장 중요하다. 이러한 근육 중 외측광근, 내측광근, 중간광근은 슬관절 신전 토크의 약 80%를 생산한다(Hoy 등, 1990). 대퇴사두근의 전체적인 힘선은 슬개골을 상방과 외측으로 당기는 경향이 있다. 이를 Q-angle 이라고 하는데 여자는 주로 15.8도 남자는 11.2도를 나타낸다. 이러한 대퇴사두근의 외측 당김의 균형을 잡아주는 근육이 바로 내측광근인데 이 근육은 대퇴사두근건의 내측에서 50-55도 각도로 사선으로 슬개골과 인접하여 슬개골의 과도한 외측 이동을 조절하고 무릎의 안정성에 많은 영향을 미친다(Lieb, 1968; Horton과 Hall, 1989). 본연구에서의 내‧외측 탄성밴드는 대퇴사두근의 외측 힘선에 대한 보조와 내측광근의 내측 힘선을 서포트 해주어 슬개골의 상방 트래킹을 유도하여 무릎의 신전 토크를 형성하고, 무릎관절의 안정성을 증가시킬 수 있을 것이라 사료되어진다. 또한, 본 연구에서는 탄성밴드 소재인 스트랩을 적용하였기 때문에 스트랩의 장력 조절을 통하여 무릎관절의 신전 서포트 양을 조절할 수 있으며 이는, 다양한 종류의 환자 및 질환에 적용할 수 있을 것이다. 프로토타입으로 선 제작된 무릎 신전 보조기기를 연구대상자에게 적용하기 위해 연구대상자를 의자에 앉힌 후, 손상 측 다리의 무릎 아래를 받혀주어 대퇴커프와 하퇴커프 순으로 착용하고 슬개골 패드를 잡아주는 스트랩을 착용시켜 주었다.

Ⅲ. 연구결과

1. 연구대상자의 일반적 특성

본 연구의 대상자는 아급성기 뇌졸중 환자 4명을 대상으로 하였으며, 성별, 마비측, 나이, 경직의 정도, 유병기간은 다음과 같다<Table 1>.

Table 1.

General characteristics of subjects

2. 보조기기 착용 전·후 균형 및 보행의 변화

검사 결과 대상자의 안정성의 한계는 보조기 착용 전 평균 2901.50mm²에서 착용 후 평균 3442.75mm²로 평균 541.25mm²인 18.65% 향상되었으며, 버그균형척도 점수는 보조기 착용 전 평균 41.75점에서 착용 후 평균 46.75점으로 평균 5점인 11.98% 향상되었다. 일어서서 걷기 검사는 보조기 착용 전 평균 22초에서 착용 후 평균 18.25초로 평균 3.75초인 17.05% 감소하였다<Table 2>.

Table 2.

Changes in static balance ability, dynamic balance ability, balance ability and gait velocity

3. 보조기기 착용 후 한국판 보조기기 사용자 만족도 평가도구 결과

한국판 보조기기 사용자 만족도 평가도구를 통해 사용자 만족도 및 유용성을 확인한 결과 안정성, 내구성은 만점으로 나타났으며, 조절성 평균 4.75점, 용이성 평균 4.25점, 효과성 3.5점으로 다소 높은 점수로 평가되었고, 크기 평균 2점, 무게 평균 1.5점, 편안함 2.75점으로 다소 낮은 점수로 평가되었다(Figure 2).

Figure 2.

User satisfaction and feasibility after wearing KEAO

Ⅳ. 고 찰

본 연구는 무릎 신전 보조기기의 프레임을 경량으로 제작하고 관상면(coronal plane)을 기준으로 뒤쪽으로는 대퇴와 하퇴의 압력 포인트, 앞쪽에는 슬개골을 보조할 수 있는 패드와 내‧외측 탄성밴드를 통해 삼점압의 원리를 적용하여 앉은 자세에서 일어나기, 선 자세 유지, 보행 시 입각기에서 다리의 신전을 담당하는 주동근인 대퇴사두근의 능동적인 수축을 유도하고, 이를 통한 대칭적인 체중지지, 균형, 보행의 안정성 및 보행의 속도를 증가시키고자 하였다. 뇌졸중 환자의 경우 많은 환자에게서 균형 및 보행에 문제가 발생하게 된다(Lange 등, 2010). Saeys 등(2012)에 따르면 이러한 뇌졸중 환자들은 균형 및 운동능력의 향상이 조기에 많이 이루어진다고 하였으며, Laufer 등(2001)은 조기보행이 균형과 보행에 많은 영향을 미친다고 하였다. 하지만, 대부분의 아급성기 뇌졸중 환자의 경우 무릎과 발목의 안정성이 저하되어 있고, 대퇴사두근에 신경약화가 있어 이는 조기보행을 막는 요소로 작용하게 된다(Silver-Thorn 등, 2011; Harris 등, 2001). 따라서 Fang (2013)은 조기보행을 위한 보조기의 필요성을 강조하였으며, 본 연구에서는 무릎관절의 신전을 도와주며 무릎 안정성을 확보할 수 있는 보조기기를 계획‧구상하여 제작하였고, 이에 대한 효과 및 사용자 만족도·유용성을 확인하기 위해 보조기기 착용 전‧후를 비교하게 되었다. 효과에 대한 결과로는 정적균형능력 및 동적균형능력, 보행속도 모두 향상되었다. 효과크기를 이용하여 실제로 보조기기 착용 전‧후 차이를 표준화된 평균차이(the standardized mean difference)로 확인한 결과, 안정성의 한계에서는 0.264, 버그균형척도에서는 0.655, 일어서서 걷기 검사에서는 0.77가 확인되었다. Cohen (1988)의 기준에 따라 안정성의 한계는 낮은 정도의 효과크기가 나타났지만, 버그균형척도 및 일어서서 걷기 검사에서는 대체적으로 중간에서 큰 효과크기가 나타났다. 또한, 사용자 만족도 및 유용성을 확인한 결과 안정성과 내구성, 조절성, 용이성, 효과성에서는 높은 점수를 받았으나, 크기, 무게, 편안함에서는 낮은 점수를 받았다. 이는 본 연구에서 적용한 무릎 신전 보조기기가 견고하며 본 기능에는 충실하나, 크기나 무게 등 외형적인 부분에서는 부족하기에 이러한 결과가 나타났다 사료된다. 안정성에 있어서도 만점을 받기는 하였으나, 이는 의지보조기사 및 여러 전문가에게 검증된 보조기기가 아니므로, 추후 외형적인 단점의 보완과 안정성이 검증되는 연구가 필요하다 사료된다. 본 연구의 결과와 효과크기의 확인을 통해 본 연구에서 사용된 무릎 신전 보조기기가 아급성기 뇌졸중 환자의 균형 및 보행의 향상을 도모했다고 할 수 있다. 하지만, 표본수가 매우 작으며, 중재연구가 아닌 사례연구를 진행했다는 점, 또한 전문가를 통한 안정성 검증이 되지 않는 점이 제한적이었다. 따라서, 추후 보완된 무릎 신전 보조기기를 이용하여 안정성 검증 연구 및 표본수를 많이 확보한 중재연구가 필요하다 사료된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 무릎 신전 보조기기를 제작하고 아급성기 뇌졸중 환자에게 적용하여 정적균형능력 및 동적균형능력, 보행속도에 어떠한 영향을 미치는지, 또한 사용자 만족도와 유용성이 어느 정도인지 알아보기 위해 시행되었다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

본 연구에서는 제작된 무릎 신전 보조기기를 아급성기 뇌졸중 환자에게 적용하는 것은 환자의 정적균형능력 증진과 동적균형능력, 보행능력을 향상시켜 주었으며, 사용자의 안정성 및 내구성, 효과성에서 만족도 및 유용성이 높게 나타났다. 하지만, 본 연구에서는 아급성기 뇌졸중 환자들만을 대상으로 실시하였으며 사례연구로 진행되었다. 향후 연구에서는 무릎 신전 보조기기의 외형적인 단점을 보완하고 안정성을 검증하여, 뇌졸중 환자 뿐만 아니라 정형외과 등 다른 질환이 있는 환자들에게도 무릎의 통증과 무릎관절 기능에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하며, 사례연구가 아닌 보조기기 착용을 통한 중재연구가 필요하다 사료된다.

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