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1 근전도유발전기자극치료에의한뇌졸중환자의손기능회복과뇌재조직화 연세대학교대학원재활학과신화경

2 근전도유발전기자극치료에의한뇌졸중환자의손기능회복과뇌재조직화 연세대학교대학원재활학과신화경

3 근전도유발전기자극치료에의한뇌졸중환자의손기능회복과뇌재조직화 지도조상현교수 이논문을박사학위논문으로제출함 2006 년 12월일연세대학교대학원재활학과

4 신화경의박사학위논문을인준함 심사위원심사위원심사위원심사위원심사위원 인인인인인 연세대학교대학원 2006 년 12 월

5 감사의글 필요한사람이필요한자리에있어주는것만큼큰행복도없다는생각이듭니다. 감사해야할분이많은저는누구보다행복한사람입니다. 먼저석사와박사과정동안학문적기틀을잡아주시고소상한가르침을베풀어주신지도교수이신조상현교수님께깊은감사를드립니다보이지않는큰후원자로서연구의깊이를더할수있도록지원해주신장성호교수님, 귀중한원서와연구자료를제공해주심은물론친절하게도움말씀을주셨던전혜선교수님, 항상든든하게이끌어주신권오윤교수님, 논문심사과정을통하여아낌없는격려와지도를주신이영희교수님과한봉수교수님께진심으로감사드립니다. 부드러움속의강인함의의미를일깨워주신정보인교수님, 항상따뜻함으로감싸안아주신유은영교수님과정민예교수님께도감사드립니다. 마음의고향같으신권혁철교수님, 이정원교수님께도오래간직해온감사의말씀을올립니다. 강한추진력으로실험을마무리할수있도록도와주신권용현선생님, 치료장비를지원해주신송준찬사장님과정호준사장님, 항상받기만해서죄송한남기석선생님, 따뜻한커피한잔의힘을보여준채윤원선생님, 긴대학원시절항상같은자리에서의지가되어준이수영선생님, 든든한친구태기식선생님, 논문일정을꼼꼼히챙겨준이정아선생님, `위험한눈길도마다않고달려와서도와준정이정선생님, 모두잊지않겠습니다. 마지막으로사랑과격려로지켜봐주신외할머니, 형부, 언니, 동생, 그리고조카상용과선용에게감사과사랑을전하며, 제가이자리에있기까지부족함없이지원해주시고, 자식으로서의역할을다하지못하는저를변함없이항상사랑해주시고자랑스러워해주신부모님께가슴가득한존경과사랑을드리며이작은결실을바칩니다 년 12 월 신화경드림

6 차 례 그림차례 iv 표차례 v 국문요약 vi 제1장서론 1 제2장연구방법 연구대상 연구설계 근전도유발전기자극치료 실험기기및과정 Box-block 검사 Fugl-Meyer 평가 MCP 관절추적검사 손가락폄근의등척성수축검사 기능적자기공명영상촬영 자료분석 MCP 관절추적검사 정확지수 최대폄각도 17 i

7 2.5.2 손가락폄근의등척성수축검사 근수축의개시및종료지연 최대장력 기능적자기공명영상분석 통계분석 21 제3장결과 운동기능 Box-block 검사 Fugl-Meyer 평가 MCP 관절추적검사 정확지수 최대폄각도 정확지수와최대폄각도 손가락폄근의등척성수축검사 근수축의개시및종료지연 26 1) 근수축의개시지연 26 2) 근수축의종료지연 27 3) 근수축의개시지연과종료지연 최대장력 기능적자기공명영상 32 ii

8 3.3. 운동기능과뇌활성변화의상관관계 33 제4장고찰 기능적운동회복 뇌재조직화 43 제5장결론 49 부록. Fugl-Meyer 평가 50 참고문헌 52 영문요약 60 iii

9 그림차례 Figure 1. Stimulation pattern of EMG-triggered electrical stimulation 12 Figure 2. Instrumental setting for the MCP joint tracking test 15 Figure 3. Instrumental setting for the isometric MCP extension test 17 Figure 4. Superimposing subject-generated wave on the PC-generated wave 20 Figure 5. Analysis for the delay in onset and offset during isometric MCP extension 22 Figure 6. MCP joint tracking response from subject 5 performing with his paretic hand at pretest (A) and post-test (B) 28 Figure 7. Scatter diagram of changes in accuracy index and peak extension change 29 Figure 8. Changes in onset and offset during the isometric MCP joint extension 31 Figure 9. Isometric MCP joint extension response from subject 5 performing with his paretic hand at pre-test (A) and post-test (B) 32 Figure 10. Scatter diagram of change in strength and EMG-offset (A) and strength and forceoffset 31 Figure 11. fmri findings 36 Figure 12. Scatter diagram of change in laterality index versus Box/block change (A), peak extension change (B), accuracy index change (C), EMG-offset change (D), and forceoffset change (E) 39 iv

10 표차례 Table 1. Clinical and demographic data of subjects 9 Table 2. Motor function score 34 Table 3. Laterality index of each ROIs during paretic MCP joint movement 35 v

11 국문요약근전도유발전기자극치료에의한뇌졸중환자의손기능회복과뇌재조직화 본연구의목적은손기능이저하된만성뇌졸중환자에게실시한근전도유발전기자극치료 (electromyography-triggered electrical stimulation: EMG-stim) 가손의기능적운동회복과그와관련된뇌재조직화에영향을미치는지를알아보고자하였다. 이를위해 14명의뇌졸중환자를무작위로 EMG-stim군과대조군에각각 7명씩배정하였다. EMG-stim군은하루에 30분씩 2회, 주 5일, 10주동안손가락폄근 (extensor digitorum communis) 에 EMG-stim 치료를실시하였다. 대조군은어떠한치료도받지않았다. EMG-stim의치료효과를알아보기위하여종속변수는손의운동기능과뇌활성의변화로분류하였다. 손의운동기능검사로 1) Box-block 검사, 2) Fugl-Meyer 평가, 3) 손가락손허리관절 (metacarpophalangeal joint: MCP joint) 추적검사동안의정확지수와최대폄각도, 4) 손가락폄근의등척성수축동안개시및종료지연과최대장력측정하였다. 뇌활성의변화는기능적자기공명영상 (functional magnetic resonance image: fmri) 을통하여얻는기능적뇌영상의편측지수 (laterality index) 를구하였다. fmri는 1.5T 자기공명스캐너 (1.5T magnetic resonance scanner) 를사용하여전두엽과두정엽으로부터수집하였다. 관심영역 (region of interests: ROIs) 은 1차감각운동피질 (primary sensorimotor cortex: SMC), 전운동피질 (premotor cortex: PMC), 보조운동영역 (supplementary motor area: SMA) 으로 vi

12 정하고, 편측지수 (laterality index: LI) 를구하였다. EMG-stim 치료후, EMG-stim군은운동기능중 Fugl-Meyer 평가를제외한모든종속변수에서대조군보다유의하게개선되었다 (p<0.05). 반면, LI는 SMC만이대조군보다유의하게증가하였다 (p<0.05). 기능적회복과뇌재조직화의상관성을알아보기위한운동기능과 LI의상관분석결과 Box/block 검사, 최대폄각도, 추적정확지수, EMG와장력의종료지연만이유의한상관관계가있었다 (p<0.05). 본연구는 EMG-stim 치료가동측또는양측활성에서반대측 SMC 활성으로의뇌재조직화를유도할수있으며, 이러한뇌재조직화는만성뇌졸중환자의손기능회복에기여한것으로판단된다.. 핵심되는말 : 뇌재조직화, 근전도유발전기자극치료, 손기능, 뇌졸중. vii

13 제1장서론 뇌경색혹은외상성뇌손상후의뇌졸중환자는신경계, 근육계, 감각계, 지각및인지계등여러관련영역의손상으로인해만성운동장애를겪게된다 (Carr, and Shepherd 2003). 이로인한근육약화, 강직 (spasticity), 협응 (coordination) 장애, 불수의운동, 감각저하등은뇌졸중환자의기능적운동회복을방해하는주요원인이다 (Carr, and Shepherd 2003). 뇌졸중후중추신경계손상은급성기인 3 개월이내에는병변후회복기전 (post-lesion reparative mechanism) 에의해어느수준까지는자연적인회복이가능하지만만성기의회복은미미한것으로알려져있다 (Carr, and Shepherd 2003). 따라서뇌손상후운동기능의장애는보통 12 개월이지난후에는더이상호전이없는경우가많아 40% 정도는영구적인장애로남게된다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 만성장애는하지보다는상지의원위부에서현저하게나타나고, 특히손가락폄은가장회복이지연되는움직임중의하나이다 (Trombly, and Quintana 1983). 상지는하지에비하여신경학적회복이느리며. 특히운동회복과정에서나타나는굽힘근공동운동 (flexor synergy) 은폄기능이필요한많은일상생활동작을어렵게한다 (Chae et al. 1998). 하지는양쪽을사용하여야기능적동작이가능하므로불편하더라도마비측을사용하지만, 상지는한쪽만으로도일상생활이가능하므로마비측의기능이다소남아있더라도사용하지않는학습된무용현상 (learned nonuse phenomenon) 이나타나게된다 (Carr, and Shepherd 2003). 또한, 구심성감각중운동 - 1 -

14 과정의모니터링에중요한고유수용성감각 (proprioception) 의저하는정상적인감각운동피드백회로 (sensorimotor feedback loop) 를방해하여상지의운동회복을더욱지연시키는원인이된다 (Ghez et al. 1995). 손의기능적움직임을위해서는적절한근육의활성과협응이필요하며, 협응을통해정확하고, 빠르게운동과제를수행할수있게된다 (Carr, and Shepherd 2003; Darian-Smith, Galea, and Darian-Smith 1996). 근육의협응은대뇌피질에서척수까지의전달율에영향을받는다. 뇌졸중환자는피질척수입력 (corticospinal input) 의감소에적응하여, 느리고덜직접적인전정척수로 (vestibulospinal tract), 망상척수로 (reticulospinal tract), 피개척수로 (tectospinal tract) 에의존하게된다. 즉, 협응에적합하지않은하행성입력이증가하게된다 (Kamper, and Rymer 2001). 협응을위해서는적절한근력을순서 (sequencing), 시간 (timing), 거리 (scaling) 의관점에서정확하게조절할수있어야하며, 이중하나이상의손상은협응장애를유발할수있다. 순서조절의이상은적절한근육을순서에맞게활성화시키지못함으로인해, 관절과근육에서불필요하고기능적이지못한움직임이나타나게된다. 결과적으로비정상적인공동운동 (abnormal synergy), 동시수축 (co-activation), 관절간협응 (inter-joint coordination) 이나타나게된다. 시간조절의손상은적절한시간에근육을활성화시키지못했을때발생하며, 이로인해근수축의개시지연 (onset delay), 느린운동시간 (slow movement time), 종료지연 (offset delay) 등이나타나게된다. 거리조절의이상은적절하게근력과운동범위를조절하고등급화 (grading) 하지못했을때발생하며, 이로인해측정이상 (dysmetria) 이나목표추적능력 (target tracking - 2 -

15 performance) 손상이나타나게된다 (Canning, Ada, and O'Dwyer 2000). 그러므로손의협응을평가할때는이들 3 요소를모두반영할필요가있다. 뇌졸중환자의운동회복을위해서는수의적운동조절에의한반복적이고집중적인사용이필수적이다. 이러한개념하에현재관절추적훈련 (joint tracking training), 움직임억제-유도치료 (constraint induced therapy), 근전도-생체되먹임 (EMG-biofeedback), 가상현실 (virtual reality), 신경근전기자극 (neuromuscular electrical stimulation) 과같은다양한치료적방법들이뇌졸중환자의손기능회복을위해시도되고있다 (Armagan et al 2003; Chung et al 2006; Liepert, Hamzei, and Weiller 2004; Szaflarski et al. 2006; You et al. 2005). 특히, 신경근전기자극치료는굽힘근공동운동 (flexor synergy) 의영향으로손가락을펴기가어려운뇌졸중환자의기능적손가락폄을촉진할목적으로임상에서흔히사용하여왔다. 일반적으로전기자극치료의효과는길항근의강직억제, 근력증가, 관절운동범위의증가, 수의적움직임을위한운동조절의촉진등으로알려져있다 (Carr, and Shepherd 2003). 그러나목적있는활동을위한기능의향상에관해서는논란이많다. de Kroon 등 (2002) 은신경근전기자극치료에의해수의적움직임을수행하기위해필요한운동조절은개선되었으나, 궁극적으로목적있는움직임을수행하기위해필요한기능적능력은개선되지않았다고보고했다. 최근임상에서사용되고있는근전도-유발전기자극 (Electromyography-triggered electrical stimulation: EMG-stim) 치료는전기자극치료의새로운형태이다. EMG-stim 치료는단순반복적인전기자극치료와는달리환자의능동적의지가개입되는 - 3 -

16 전기자극치료로서, 근전도-생체되먹임과전기자극이결합된형태이다 (Bolton, Cauraugh, and Hausenblas 2004). 즉, 대상근육의수의적근수축신호가미리설정된역치를초과할때, 기계로부터전기자극이시작되어좀더강한근수축과관절운동범위의증가를유발하게된다 (Cauraugh et al. 2000). 비록최소한의수의적근수축력이라할지라도이는전기자극을유발할수있는자극원으로작용함으로써그역할은매우중요하다. EMG-stim 치료의이론적배경은신경과학이론을바탕으로감각운동통합이론 (sensorimotor integration theory) 에근거를두고있다. 수의적개시는전기자극을유발하고, 전기자극에의해발생한움직임은체성감각피질에되돌아가는구심성신호인고유수용성피드백을자극함으로써감각운동회로를완성하게된다 (Ghez et al. 1995; Nudo 1999; Stein 1998). 그러므로 EMG-stim 치료는고유수용성감각의입력과수의적개시라는측면에서기존의수동적전기자극치료보다운동학습에효과적이라고할수있다. 이영희등 (2003) 은 EMG-stim 의실제적인효과는운동신경원에직접적인자극으로인한근수축, 구심성자극에의한강직감소, 고유수용성감각과시각적효과에의한되먹임작용, 수의적운동을위한인지기능의개입등에의해일어난다고보고했다. Francisco 등 (1998) 은급성기뇌경색환자에게 EMG -stim 치료를실시한후 Fuger-Meyer 평가와일상생활영역의기능적독립지수측정 (self-care components of the functional independence measure: self care FIM) 에서유의하게개선되었음을보여주었다. Bolton 등 (2004) 은메타분석 (meta-analysis) 을통 - 4 -

17 하여 EMG-stim 치료는급성기, 아급성기, 만성기모든기간에서상지기능을개선시킬수있다고보고했다. 최근기능적뇌영상방법들이발달하면서직접적으로뇌신경망의구성과상태를관찰하는연구가활발하게이루어지고있다. 뇌지도화 (brain mapping) 는중추신경계손상후의신경가소성 (neuroplasticity) 혹은뇌재조직화 (cortical reorganization) 를관찰하기위한필수적인연구방법이다 (Buxton 2002). 기능적뇌영상방법으로는방사선동위원소를주입하여뇌의특정신진대사량을보는양전자방출단층촬영 (positron emission tomography: PET), 단광자방출전산화단층촬영 (single photon computerized emission tomography: SPECT), 그리고뇌의전기적활동과이에따른자기적변화의위치를영상화하는뇌전도 (electroencephalography: EEG), 뇌자도 (magneto-encephalography: MEG), 기능적자기공명영상 (functional magnetic resonance imaging: fmri) 등이있다. 이중 fmri 는뇌기능에수반되는 뇌혈류 (cerebral blood flow: CBF), 뇌혈액량 (cerebral blood volume: CBV), 부분적인 혈중산소농도의변화를이용하는방법으로 PET 에비해공간분해능과시간 해상력 (spatial and temporal resolution) 이우수하며인체내에방사성동위원소나조영제의주입이불필요한비침습적방법이며반복적인검사가가능하다는장점을가지고있다. 또한두정엽 (parietal lobe), 소뇌 (cerebellum), 보조운동영역 (supplementary motor area: SMA) 과같은운동수행과연관된모든부위가활성화되기때문에손상된 1 차운동피질인근영역에서재조직되었거나 SMA - 5 -

18 활성화에의한운동회복기전을증명하는장점을가지고있다 (Hallett 2000; Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 운동학습의관점에서반복적인연습은운동피질의재조직양상에변화를가져온다는증거들이많이발표되어왔다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 운동과제를단기간에집중적으로훈련할경우속도와정확성이증가하며운동학습의결과로뇌지도를변화시킬수있다고알려져있다. 이러한변화를사용의존성뇌가소성 (use-dependent brain plasticity) 이라고하며, 이에관한연구는단기간의훈련과사용에의한피질의재조직양상을연구하는데있어서좋은모델이되어왔다 (Liepert, Hamzei, and Weiller 2004). 나아가뇌졸중환자들에게적극적인재활치료의당위성과효과적인재활치료법의개발로이어지고있다. 이러한맥락에서뇌졸중후집중적인재활치료의방법으로움직임억제-유도치료가소개되었으며, Liepert 등 (2004) 은 fmri 를이용하여움직임억제-유도치료후손상주위영역에서가역적인변화가일어났다고보고했다. 본연구에서는뇌졸중후만성편마비환자의손가락폄근에시행한 10주의집중적인 EMG-stim 치료가근력및관절가동범위와같은단순한운동성과함께기능적회복에효과가있는지를알아보고자하였다. 또한 fmri를이용하여이러한기능적회복이뇌재조직화에의한것인지를알아보고자하였다

19 제2장연구방법 2.1 연구대상 본연구는상지기능이저하된 14명의뇌졸중환자를대상으로하였으며, 각대상자들은 EMG-stim군과대조군에 7명씩무작위로배정하였다. 대상자의선정조건은 1) 발병후 1년이상이경과된뇌졸중환자, 2) 한국판간이정신상태검사 (Korean-mini mental state examination: K-MMSE) 상 24~30점인자, 3) 시지각검사 (motor-free visual perception test: MVPT) 에서정상인자, 4) 뇌졸중후재발이없었던자, 5) 마비측손허리뼈-손가락관절 (metacarpophalangeal joint: MCP joint) 의능동관절운동범위 20 이상인자, 6) 근긴장도 (modified Ashworth scale) 가 2등급이하인자, 7) 상지변형이없는자, 8) EMG-stim 치료를받은적이없는자 8) 다른신경학적손상이없는자 9) 현재재활치료를받지않는자였다. 편마비환자들중 8명은우측편마비였고, 6명은좌측편마비였다. 환자들의평균연령은 EMG-stim군은 61.0세, 대조군은 54.1세였다. 뇌졸중발생일부터첫검사기간까지의평균기간은 EMG-stim군은 18.6개월, 대조군은 19.7개월이었다 (Table 1). 모든대상자들은동의서를읽고서명하였다

20 Table 1. Clinical and demographic data of subjects Subject Age/Sex Lesion & mechanism 1st fmri b K-MMSE c MVPT d EMG-stim a group 1 62/F Rt basal ganglia hemorrhage /M Lt pons infraction /F Rt corona radiate infraction /M Rt corona radiate infraction /M Lt corona radiate infraction /M Rt internal capsule infarctin /M Lt internal capsule hemorrhage Mean SD Control group 1 56/M Rt frontoparietal cortex hemorrhage /M Lt pons infraction /M Lt corona radiate infraction /M Rt internal capsule hemorrhage /M Rt pons infraction /M Lt internal capsule hemorrhage /M Rt internal capsule hemorrhage Mean SD a EMG-stim : EMG-triggered electrical stimulation. b 1st fmri : time from stroke to fmri date (month). c K-MMSE : Korean-mini mental state examination. d MVPT : motor-free visual perception test. 2.2 연구설계 본연구는검사전 - 검사후설계 (pretest-post test control group design) 를이용하였다. EMG-stim 군은 10 주동안손가락폄근 (extensor digitorum communis) 에 EMG-stim 치 료를받았으며, 대조군은어떠한치료도받지않았다. EMG-stim 치료의효과를알 - 8 -

21 아보기위해두집단에서치료전 후의손기능과뇌활성변화를평가하였다. 손기능을양적화하기위해서 1) 반복적인손의파악능력 (prehensile activity) 을평가하기위한 Box-block 검사, 2) 상지움직임의질적평가인 Fugl-Meyer 평가, 3) 거리조절능력을평가하기위한 MCP 관절추적검사, 4) 손가락폄근의등척성수축동안시간조절능력을평가하기위한개시및종료지연검사, 5) 그외 MCP 관절의최대폄 (peak extension) 각도와손가락폄의최대장력 (maximal force) 을측정하였다. 뇌활성의변화는 fmri을이용하여측정하였다. 치료에의한장기적인효과 (longterm effect) 를알아보기위해, 검사는치료종료 48시간이후에시작하여 2일이내에완료하였다. 2.3 근전도유발전기자극치료 마비측상지에수동관절운동과부드러운신장을실시한후, 환자는의자에앉아아래팔고정거치대 (forearm-based support, C3569) 에아래팔과손목을고정한상태에서손가락폄근에전기자극기 Walking man II EMG FES 2000모델 (Cybermedic Inc. Iksan, Korea) 을이용하여치료를받았다. 이는 3개의표면전극을포함하며, EMG 수집과전기자극의기능을모두하게된다. 제일위쪽에활성전극 (active electrode), 제일아래쪽에기준전극 (reference electrode), 중간에 EMG 전극 (EMG electrode) 을두며, 정확한위치는손가락폄근이관찰될때까지주변의협력근들을전기자극하면서선택하였다. 전극부착전에피부저항을최소화하기위하여사포 (sand paper) 로피부를가볍게문지르고, 알코올로닦았으며, 전극은 1회용전극을 - 9 -

22 사용하였다. 치료기간동안전극위치를일정하게유지하기위하여잘지워지지않는잉크로부착부위를표시하였다. 먼저수의적근수축력의정도에따라목표역치 (target threshold) 가설정되었고, 설정된목표역치는자동적으로다음의손가락폄기에적용되었다. 일단근수축력이목표역치를초과하면전기자극이시작되어 0.1 초상승기, 5 초자극기, 2 초의하강기를반복하게된다. 전기자극의형태는주파수 35 Hz, 펄스폭 (pulse width) 200 μs, 대칭성직사각형이상연속전류 (symmetrical rectangular biphasic, constant current) 를사용하였다. 전기자극의강도 (intensity) 는 MCP 관절이완전히신전될수있을정도로하였으며, 대개 10~20 ma로하였다. 피로를최소화하기위하여수축사이에 4초의휴지기를두었고, 만약환자가목표역치를초과하지못한다면 20초후에는전기자극이시작되도록설정하였다. 목표역치는치료마다새롭게설정하였다. EMG-stim군은 10주동안, 한주에 5일, 하루에 30분씩 2회 EMG-stim 치료를받도록하였다. 대조군은어떠한치료도받지않았으며, 두집단모두치료기간동안낮은강도의신체활동은허용하였다

23 Figure 1. Stimulation pattern of EMG-triggered electrical stimulation. 2.4 실험기기및과정 Box-block 검사뇌졸중환자의기능적쥐기 (grasp) 와놓기 (release) 를포함하는파악능력을검사하기위하여 Box-block 검사를실시하였다 (Carey et al. 2002; Cauraugh et al. 2000). 한 쪽에서다른쪽으로 2.54 cm 3 블럭을 60 초동안옮긴개수를 3 회측정하여평균 값을대표값으로정하였다. Box-block 검사의신뢰도와타당도는보고되었다 (Chromwell 1960) Fugl-Meyer 평가움직임의질적검사로사용되는 Fugl-Meyer 평가는브룬스트룸의편마비분류와

24 회복 (Brunstrom s hemiplegia classification and progress record) 의 6단계과정을근거로하여 50개항목으로이루어졌다 (Fugl-Meyer et al. 1975). 이검사는수행할수없을때 0, 부분적수행시 1, 완전하게수행시 2점이주어진다. 전체수치는 100점으로상지 66점, 하지 34점으로구성되며, 본연구에서는상지만적용하였다 MCP 관절추적검사 MCP 관절추적검사는협응에필요한거리조절능력을양적화하기위하여사용하였다 (Carey 2001). 마비측팔은몸통옆에붙이고, 아래팔고정거치대 (forearm based skateboard) 에의해팔굽관절 90 굽힘, 아래팔엎침 (pronation), 손목관절 10 폄상태로아래팔과손목을벨크로 (Velcro) 로고정시킨채의자에앉은자세에서실시하였다. 이축전기측각계 (double-axis electrogoniometer) (Biometrics Ltd. Ladysmith, VA) 는마비측세번째손가락의 MCP 관절굽힘-폄의각도를측정하기위해사용하였다. 전기측각계는양끝이박스모양의플라스틱막대로고정되어있는유연한스프링튜브로되어있다. 몸쪽막대 (proximal arm) 는세번째손가락의손허리뼈의중심선에놓이고, 먼쪽막대 (distal arm) 은세번째손가락뼈의중심선에놓이게했다. 본연구의예비검사에서전기측각계의배열은매우정확한각도정보를제공함을확인하였다. MCP 관절 90 굽힘을 0, 0 굽힘을 90 로영점조정 (calibration) 한다음, 입력사인파 (sine wave) 의범위는 10~100, 주파수는 0.2 Hz로설정하였다. MCP 관절추적검사동안모든손가락의움직임을허용하였고, 손가락의굽힘-폄이시상면 (sagittal plane) 에서일어나도록하였다. MCP 관절의각도자료는 MP

25 시스템 (Biopac system inc. Goleta, CA) 을이용하여수집하였다. 미리입력된 0.2 Hz의규칙적사인파인목표선 (PC-generated data) 과환자에의해서수행된전기측각계자료 (subject-generated data) 는같은스케일 (scale) 을적용하여모니터에중복되어나타나도록하였다. 대상자는스크린을보면서가능한정확하게목표선을따라 MCP 관절의굽힘-폄을실시하여추적하도록독려하였다. 건강한성인과뇌졸중환자의수행능력을구분하기위한관절추적검사의타당도는보고되었다 (Carey, Baxter, and Di Fabio 1998). PC MCP joint (flexion-extension) MP150 Electrogoniometer Figure 2. Instrumental setting for the MCP joint tracking test 손가락폄근의등척성수축검사협응에필요한시간조절능력을양적화하기위하여, 손가락폄근의등척성수축동안개시및종료지연검사를실시하였다. 근수축의개시및종료지연을측정

26 하기위해 EMG와장력을함께측정하였다. EMG 신호는손가락폄근위에 AE-131 표면근전도 (circular surface EMG disposable electrode)(neurodyne Medical Corp. MA, USA) 를부착하여측정하였다. 손가락폄근은아래팔을엎침상태에서손목을펴게한후외측과 (lateral epicondyle) 와요측경상돌기 (radial styloid) 를연결하는선에서몸쪽 1/2부위의근복부 (muscle belly) 에근육의주행방향으로전극을부착하였다. 장력은아래팔고정거치대위에상지의기능적자세로아래팔과손목을고정한후, 엄지를제외한네손가락의첫마디뼈 (proximal phalanx) 를디지털장력계 TSD121C (BIOPAC System Inc. CA, USA) 와연결하였다. 대상자는신호음이울리면, 가능한강하고빠르게수축하여최대등척성수축을유지하도록애쓰다가, 3초후신호음이사라지면가능한빨리이완하도록지시하였다. 신호시작에대한예상 (stimulus onset anticipation) 을막기위해대기기간 (foreperiod) 을다양하게두어무작위로제시되었다. 수집된 EMG와장력의아날로그신호는 MP 150 시스템으로보내져디지털신호로바뀐다음, PC에서 Acqknowleg 3.7.3(BIOPAC System Inc. Santa Barbara, USA) 소프트웨어를이용하여필터링과기타신호처리를하였다. 정상인과뇌졸중환자의수행능력을구분하기위한개시와종료지연검사의타당도는보고되었다 (Chae et al. 2002). 추가적으로등척성수축동안디지털장력계에측정된최대값을기준으로전 후 0.5 초의평균을손가락폄근의최대장력으로정하였다

27 Figure 3. Instrumental setting for the isometric MCP joint extension 기능적자기공명영상 (fmri) 촬영 fmri는 EMG-stim 치료로인한뇌활성변화를양적화하기위해측정하였다. 기능적영상을얻기위한 fmri와해부학적영상을얻기위하여 1.5 T magnetic resonance imaging scanner (Vision, Siemens, Erlangen, Germany) 를이용하였다. fmri의촬영은각각 2.1초의휴식기와운동수행기가 3번되풀이되는블럭디자인 (block design) 으로실시하였다. 운동은 MCP 관절을 1 Hz의주기로굽힘과폄을반복하였다. 휴식기와운동수행기의시작과끝은구두적지시와동시에손에가벼운자극으로신호하였다. 실험이진행되는동안각대상들의움직임을최소화하기위해특수제작된고정틀로몸통을스캐너침대 (scanner bed) 에단단히고정시켰고머리를접착테이프로실험에방해가되지않는범위내에서단단히고정시켰으며눈

28 은가리개로가렸다. 손가락움직임동안연구자가경상운동 (mirror movement) 이일어나는지의여부를관찰하였으며, 모든환자에서경상운동은나타나지않았다. fmri 촬영에서는한개의뇌볼륨당 20장의뇌절편을얻었고각대상의환측의손가락움직임에대해각각 65 볼륨씩영상을획득하였다. 촬영변수는반복시간 (time of repeat: TR) 이 1050 ms, 에코시간 (time of echo: TE) 는 60 ms이었으며, 플립각도 (flip angle) 은 90, 시야 (field of view; FOV) 는 210mm이었다. 매트릭스크기는 64 64, 뇌절편당두께는 5 mm이었다. fmri 촬영후에는 T1 영상을전교련과후교련 (anterior commissure-posterior commissure) 연결선에평행하게수평면으로 20장의뇌절편을얻었다. T1에대한자기공명영상의촬영변수는 TR이 940 ms, TE가 15 ms이었으며, 나머지조건은 fmri 촬영의변수와같았다. 2.5 자료분석 MCP 관절추적검사 정확지수손가락관절추적검사동안입력된목표선과수행선의비교는 Carey 등 (2004) 에의해소개되고증명된정확지수 (accuracy index: AI) 를사용하였다 (Carey et al. 2002). AI = 100 (P- E) P E 는목표선과수행선사이의오차의제곱평균제곱근 (root mean square error) 이이다

29 P는목표선과중심선 ( 목표선의상위와하위를분리한선 ) 사이의제곱평균제곱근 (root mean square) 의차이이다. P의크기는 y축의스케일에의해결정되며, 이는 MCP 관절의운동범위에해당된다. 그러므로 AI는각대상자의운동범위로정규화 (normalization) 함으로써대상자간수행능력차이를고려하였다. 최대 AI 점수는 100% 이다. 수행선이중심선아래로떨어지면서목표선과만나지못할때정확지수는음수가된다 최대폄각도추가적으로목표를정확하게추적하는능력과는상관없이, MCP 관절의최대능동운동범위를측정하기위해최대폄기간중가장큰 3개의정점을선택한후, 평균을대표값으로정하였다 (Carey et al. 2004). 125 PC-generated Subject-generated 100 Angle (degrees) Time (s) Figure 4. Superimposing subject-generated wave on the PC-generated wave

30 2.5.2 손가락폄근의등척성수축검사 근수축의개시및종료지연근수축의개시와종료지연시간은 Matlab 5.3 (Math Works Inc. MA, USA) 신호처리프로그램을이용하여분석하였다. 개시및종료지연을처리하기위한프로그램의함수공식은수집한근전도신호를전파정류 (full wave rectification) 로처리한후, 50 Hz저역필터 (low pass filter) 처리를하였다. 신호음을기준으로가장안정된 2.3초를기초선 (baseline) 기간으로설정하여근전도신호진폭의평균값과표준편차 (standard deviation: SD) 을구하였다. 등척성수축동안 EMG과장력의개시및종료지연시간분석은 Di Fabio (1987) 의결정법에따랐다. EMG는신호음이울린후역치 ( 기초선기간의평균 + 3SD) 를초과하여 25 ms이상지속되는첫번째값을 EMG-개시지연시간으로, 신호음이종료된후에마지막으로역치이상이지속된값을 EMG-종료지연시간으로정의하였다. 장력은신호음이울린후디지털장력계가 0 kg을초과하는지점을장력-개시지연시간으로, 신호음이종료된후에손가락폄근이이완하여디지털장력계가 0 kg을나타낼때까지를장력-종료지연시간으로정의하였다 (Cauraugh et al. 2000) 최대장력 등척성수축동안디지털장력계에기록된장력자료에서최대정점 (maximal peak force) 을기준으로전 후 0.5 초구간의자료를평균하여대표값으로정하였다

31 Figure 5. Analysis for the delay in onset and offset during isometric MCP extension 기능적자기공명영상분석수집된기능적자기공명영상중에서볼륨내의수소원자핵의수직자화가안정적인부분포화에도달하기전에얻어지는영상의영향을제거하기위하여처음 3 볼륨은분석에서제외하였다. 얻어진자료는 MATLAB 환경에서구현되는 SPM 99 (statistical parametric mapping 99 version) 소프트웨어 (Wellcome Department of Cognitive Neurology. London, UK) 로분석하였다. SPM 99 프로그램을이용하여머리의움직임을보정하기위한재배열 (realign) 을하였으며각피험자의 T1 MRI 영상에재배열절차에서생성된평균영상 (mean-image) 과 EPI(echo planner imaging) 영상을상관정렬

32 (coregister) 하였다. 이렇게처리된결과를바탕으로 BOLD(bold oxygenation leveldependent) 신호의변화를얻기위하여실험조건과비교조건을감산 (subtraction) 하였다. 모델의구성시저주파잡음 (noise) 은고역필터 (high pass filter) 를이용하여제거하였으며, 조건들의반복제시에의한혈류역학반응함수 (hemodynamic response function: hrf) 의효과는 SPM 99가제시하는주파수의저역필터로제거하였다. 이렇게구성된모델과영상처리된결과는공분산분석 (ANCOVA) 을이용하여분석하였으며, 뇌전체영역에서나타나는활성의변화는조건들간의부피소 (voxel) 대부피소를일표본 t-검정으로분석하였다. 본연구의집단결과분석은고정효과모델 (fixed effect model) 을이용하여통계역치를부피소수준에서정하였으며높이역치 (height threshold) 를교정된 p 값이 0.05보다낮은수준에서, 범위역치 (extent threshold) 는부피소 5개를기준으로활성지도를얻었다. 이는생리학적으로유의미한결과를적어도유의한부피소가 5개이상있을경우활성이된것으로가정하고통계적유의성을검증한것으로, 각활성의 p 값은부피소의높이역치와범위역치의상호작용에의하여 SPM 99에의하여계산되었다. ROIs은뇌가소성의회복전위 (neuroplastic recovery potential) 를가지고있다고보고된일차감각운동피질 (primary sensorimotor cortex: SMC), 전운동피질 (premotor cortex: PMC), 보조운동영역 (supplementary motor area: SMA) 으로설정하였다.. SMC는단순하고분리된움직임과관련이있다. PMC는말초의움직임 (peripheral movement) 에관여하며, 1차운동피질 (primary motor cortex: M1) 보다더욱통합된움직임과관련이있다. SMA는운동계획과복ᆫ잡한운동과제에관여한다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). SMC의위치

33 는중심앞융기 (precentral knob) 의중심앞이랑 (precentral gyrus) 에서중심뒤이랑 (post central gyrus) 까지로정의하였다. PMC는중심앞고랑 (precentral sulcus) 의앞쪽열 (anterior bank) 와함께중심앞이랑의앞쪽 1/2로정의하였다. SMA는띠고랑 (cingulated sulcus) 의등쪽열 (dorsal bank) 을포함하면서뇌의최고점에서띠고랑깊이까지확장되어대뇌반구내측벽 (medial wall) 의피질로정의하였다. 뒤쪽경계는내측표면 (medial surface) 의중심이랑 (central sulci) 과중심앞이랑의중간지점이고, 앞쪽경계는앞맞교차 (anterior commissure) 로부터그은수직선으로정의하였다. 편측지수 (laterality index: LI) 는 ROIs 내에서양측대뇌반구의대칭성이전위된정도를결정하기위해사용하였다. 이지수는 (C-I)/(C+I) 로표현된다. C는움직이는쪽손의반대쪽대뇌반구 ROI의활성부피소의수이며. I는움직이는손의동측대뇌반구의 ROI에서활성부피소의수이다. 편측지수의범위는 -1.0( 동측반구에모든활성 )~1.0( 반대측반구에모든활성 ) 이다. 2.5 통계분석 통계분석은 SPSS 12.0을사용하였다. 집단간분석은 Mann-Whitney U 검정 (Mann-Whitney U test), 집단내분석은윌콕슨부호순위검정 (Wilcoxon s signedrank test) 을실시하였다. 각운동기능변수와편측지수의상관관계를비교하기위하여스피어만상관분석 (Spearman s correlation) 을실시하였다. 치료전 후의변화량 (change) 은치료전 후의차이로계산하였다. 개시및종료지연은치료전에서

34 치료후의값을뺀차을변화량으로정하였고, 나머지는치료후에서치료전의 값을뺀차를변화량으로정하였다. 통계적유의수준은 0.05 로정하였다

35 제3장결과 연구에참여한 14명의모든환자가 10주의연구기간을완수했다. 대상자의일반적특성과임상적양상은 Table 1에나타내었다. 치료전에 EMG-stim군과대조군간의동질성검사에서집단간의일반적특성, 운동기능, 편측지수는유의한차이가없었다 (p>0.05). 3.1 운동기능 Box-block 검사 Box-block 검사에서 EMG-stim군과대조군의치료전 후변화량은 EMG-stim군이유의하게컸다 (p<0.05)(table 2). 집단내에서 EMG-stim군은치료후유의하게증가하였으나 (p<0.05), 대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(table 2) Fugl-Meyer 평가 Fugl-Meyer 점수에서 EMG-stim군과대조군의치료전 후변화량은유의한차이가없었다 (p>0.05)(table 2). 그러나집단내에서 EMG-stim군은치료후 Box-block의점수가유의하게증가하였으며 (p<0.05), 대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(table 2)

36 3.1.3 MCP 관절추적검사 정확지수 MCP 관철추적검사동안, 정확지수에서 EMG-stim군과대조군의치료전 후변화량은 EMG-stim군이유의하게컸다 (p<0.05)(table 2). 그러나집단내에서치료후정확지수는 EMG-stim군과대조군모두에서치료후유의하게증가하였다 (p<0.05)(table 2) 최대폄각도 MCP관절추적검사동안, 최대폄각도에서 EMG-stim군과대조군의치료전 후변화량은 EMG-stim군이유의하게컸다 (p<0.05)(table 2). 그러나집단내에서치료후최대폄각도는 EMG -stim군과대조군모두에서유의하게증가하였다 (p<0.05)(table 2) 정확지수와최대폄각도 MCP 관절추적검사동안치료전 후정확지수와최대폄각도의변화량은유의한상관관계가있었다 (p<0.05)(table 2)(Figure 7). 이는 EMG-stim 치료후정확지수의증가에는능동관절가동범위의증가가기여했음을알수있다

37 Degrees Degrees A. Pre-test B. Post-test Seconds 60 PC-generated Subject-generated PC-generated 35 Subject-generated Seconds Figure 6. MCP joint tracking response from subject 5 performing with his paretic hand at pre-test (A) and post-test(b). MCP joint extension is upward and MCP joint flexion is downward

38 40 r= 0.81, p=0.03 Accracy index change (%) Peak extension change (degrees) Figure 7. Scatter diagram of changes in accuracy index and peak extension change 손가락폄근의등척성수축검사 근수축의개시및종료지연 1) 근수축의개시지연 손가락폄근의등척성수축동안, EMG-stim 군과대조군에서치료전 후 EMG- 개 시지연의변화량은 EMG-stim 군이유의하게컸다 (p<0.05)(figure 8)(Table 2). 집단 내에서 EMG-stim 군은치료후 EMG- 개시지연이유의하게감소하였으며 (p<0.05), 대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(figure 8)(Table 2). 손가락폄근의등척성수축동안, EMG-stim 군과대조군에서치료전 후장력 - 개 시지연의변화량은 EMG-stim 군이유의하게컸다 (p<0.05)(figure 8)(Table 2). 집단내 에서 EMG-stim 군은치료후장력 - 개시지연이유의하게감소하였으며 (p<0.05), 대조 군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(figure 8)(Table 2)

39 2) 근수축의종료지연손가락폄근의등척성수축동안, EMG-stim군과대조군에서치료전 후 EMG-종료지연의변화량은 EMG-stim군이유의하게컸다 (p<0.05)(figure 8)(Table 2). 집단내 EMG-stim군은치료후 EMG-종료지연이유의하게감소하였으며 (p<0.05), 대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(figure 8)(Table 2) 손가락폄근의등척성수축동안, EMG-stim군과대조군에서치료전 후장력-종료지연의변화량은 EMG-stim군이유의하게컸다 (p<0.05)(figure 8)(Table 2). 집단내 EMG-stim군은치료후장력-종료지연이유의하게감소하였으며 (p<0.05), 대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(figure 8)(Table 2). 3) 근수축의개시지연과종료지연 EMG-stim군에서치료전 후개시지연과종료지연의변화량간의비교시종료지연의변화량이유의하게컸다 (p<0.05). 그러나대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(figure 8)(Table 2)

40 EMG-stim group Control group Onset/offset change (s) Onset Offset Onset Offset EMG Force Figure 8. Changes in onset and offset during the isometric MCP joint extension

41 A. Pre-test Beep EMG Force B. Post-test Seconds Beep EMG Force Seconds Figure 9. Isometric MCP joint extension response from subject 5 performing with his paretic hand at pre-test (A) and post-test (B)

42 최대장력 EMG-stim군과대조군에서손가락폄근의치료전 후최대장력의변화량은 EMG-stim군이유의하게컸다 (p<0.05). 집단내에서 EMG-stim군은치료후최대장력이유의하게증가하였으나 (p<0.05), 대조군은유의한차이가없었다 (p>0.05)(table 2). 치료전 후최대장력의변화량과다른운동기능들의변화량간의상관분석결과, EMG-종료지연 (r=0.78, p=0.05) 과장력-종료지연 (r=0.79, p=0.05) 은최대장력과유의한상관관계가있었으나, 다른운동기능과는유의한상관관계가나타나지않았다 (p>0.05)(figure 10)

43 A 0.7 r=0.78, p= EMG-offset change (s) Strength change (kg) B r=-0.79, p=0.05 Force-offset change (s) Strength change (kg) ifigure 10. Scatter diagram of change in strength and EMG-offset (A) and strength and force-offset

44 3.2 기능적자기공명영상 미리설정된 ROIs (SMC, PMC, SMA) 를대상으로한 fmri 분석결과, EMGstim군은치료후뇌활성패턴에변화가있었다 (Figure 11). 마비측손가락을움직이는동안 SMC의활성패턴은 EMG-stim군중 6명이변하였다. 환자 1,2,4,5,6은치료전에양측 (bilateral) SMC 활성을보였다. 그러나, 치료후환자 1,2,4,5는동측 (ipsilateral and unaffected) SMC의활성이사라졌고, 환자 6은감소하였다. 환자 3은치료전에반대측 (contralateral and affected) 에서주변으로확산된 SMC 활성을보이다가, 치료후높은역치와함께국소부위 (focal area) 로변했다. PMC는 4명의환자가변화를보였다. 환자 5는치료전양측 PMC 활성을, 환자 1,2,7는동측 PMC 활성을보였으나, 치료후동측 PMC 활성이사라졌다. SMA는 3명의환자가변화를보였다. 치료전환자 1은양측 SMA 활성을, 환자 4는동측 SMA 활성을보였으나, 치료후동측 SMA는희미해졌다. 환자 2, 4는치료전에동측 SMA 활성을보였으나, 치료후반대측 SMA가새롭게활성화되었다. 그러나, 대조군에서는모든 RIOs에서뇌활성패턴에변화가없었다. ROIs 내에서치료전 후편측지수의변화량은 EMG-stim군의 SMC만이유의하게증가하였다 (p<0.05). 또한집단내에서도 EMG-stim군의 SMC가치료후유의하게증가하였다 (p<0.05), 대조군은모든 ROIs에서유의한차이가없었다 (p>0.05)(table 3)

45 3.3 운동기능과뇌활성변화의상관관계 기능적운동회복과뇌재조직화의관련성을알아보기위하여, 치료전 후변화량이대조군에비해유의하게컸던변수들을대상으로스피어만상관분석을실시하였다. 운동기능중에는 Fugl-Meyer 평가를제외한모든변수들, ROIs 중에는 SMC가선택되었다. Box-block 검사, 최대폄각도와정확지수, EMG-종료지연, 장력- 종료지연은 SMC의편측지수와유의한상관관계가있는것으로나타났다 (p<0.05)(figure 12). 최대장력, EMG-개시지연, 장력-개시지연은유의한상관관계가나타나지않았다 (p>0.05)

46 Table 2. Motor function score (mean ± SD) Test EMG-stim group Control group Between group Pre-test Post-test Change P-value a Pre-test Post-test Change P-value P-value b Box/block (blocks) 21.14± ± ± ± ± ± Fugl-Meyer (score) 34.86± ± ± ± ± ± Strength ( kg ) 1.09± ± ± ± ± ± Peak extension ( ) 75.33± ± ± ± ± ± Accuracy index (%) 33.42± ± ± ± ± Delay in onset/offset (s) EMG onset 0.49± ± ± ± ± ± Force onset 0.94± ± ± ± ± ± EMG offset 0.77± ± ± ± ± ± Force offset 1.83± ± ± ± ± ± a Wilcoxon s signed rank test for within-group comparison. b Mann-Whitney U test for between-group comparison

47 Table 3. Laterality index for each ROIs during paretic MCP joint movement (mean±sd) Subject SMC a PMC b SMA c Pre-test Post-test Change P-value d Pre-test Post-test Change P-value Pre-test Post-test Change P-value EMG-stim 0.39± ± ± ± ± ± ± ± ± Control 0.56± ± ± ± ± ± ± ± ± P-value e a Primary sensorimotor cortex. b Premotor cortex. c Supplementary motor area. d Wilcoxon s signed rank test for within-group comparison. e Mann-Whitney U test for between-group comparison

48 Figure 11. fmri findings. Ipsilateral primary sensorimotor cortex (SMC) activity disappeared in 4 patients (patient 1,2,4,5) or decreased in 1 patient (patient 6). Contralateral SMC activity changed to focal area in 1 patient (patient 3). Ipsilateral premotor cortex (PMC) activity disappeared in 4 patients (patient 1,2,5,7). Ipsilateral supplementary motor area (SMA) faded in 2 patient (patient 1, 4), and contralateral SMA was newly activated in 2 patients (patient 2,4).

49 A 20 r=0.83, p=0.03 Box/block change (blocks) Laterality index change B 40 r=0.88, p=0.01 Accuracy index change (%) Laterality index change

50 C Peak extension change (degrees) 30 r= 0.97, p= Laterality index change D 0.8 r= 0.86, p=0.02 EMG-offset change (seconds) Laterality index change

51 E 1.4 r= 0.84, p=0.02 Force-offset change (seconds) Laterality index changes Figure 12. Scatter diagram of change in laterality index versus Box/block change (A), peak extension change (B), accuracy index change (C), EMGoffset change (D), and force-offset change (E)

52 제4장고찰 4.1 기능적운동회복 본연구는상지기능장애가있는뇌졸중환자의손가락폄근에 EMG-stim 치료를실시하였고, 치료효과를양적화하기위해손가락폄에초점을맞춘기능적검사를선택하였다. Box-block 검사에서 EMG-stim군은치료후대조군에비해유의하게개선되었다. 이는 EMG-stim 치료를통해획득한운동기술이작은물체를반복적으로쥐고놓을수있는기능적운동회복으로전이되었음을의미한다. 그러나, Fugl-Meyer 평가에서는대조군에비해유의하게개선되지않았다. Box-block 검사와달리 Fugl- Meyer 평가에서유의한개선효과가나타나지않은이유는 Fugl-Meyer 평가의특상상미묘한변화에민감하지않은서열척도 (ordinal scale) 라는점과서열척도에서유의한차이가날만큼은치료효과가크지못했음을의미한다. EMG-stim군의최대근력은대조군에비해유의하게증가하였다. 현재손기능에있어서근력과손의기민성 (dexterity) 의관련성에관해서는논란이많다 (Carr, and Shepherd 2003). 본연구에서는 EMG-종료지연과장력-종료지연만이근력과상관관계가있었으며, 나머지는유의한상관관계가나타나지않았다. 근력과근수축의종료지연이상관성이있는것으로나타난이유는능동적수축을포함하는 EMG-stim 치료로인해적절한힘으로손가락폄근을조절하는능력이향상되고, 그에따라길항근의강직이감소되어종료지연이개선되었다고

53 추측할수있다 (Dewald et al. 1999). Canning 등 (2000) 은손의기민성 (dexterity) 의손상은근육의약화및느린근수축과관련이있다고보고하였다. 그러므로손의기능적인움직임을위해서는단지근력뿐만아니라적절한운동단위를동원하고발화율 (firing frequency) 을변조시키는등여러요소들의협동적조절 (synergic control) 이필요함을알수있다 (Canning, Ada, and O'Dwyer 1999; Canning; Ada, and O'Dwyer 2000). MCP 관절추적검사에서 EMG-stim군의정확지수는치료후대조군에비해유의하게증가하였다. 관절추적검사는운동과정을모니터링하는고유수용성감각의입력, 시ᆞ공간적조절 (visual spatial control), 움직임의거리조절과방향전환능력을반영할수있다 (Chung, Cho, and Lee 2006). MCP 관절추적검사동안측정한최대폄각도도대조군에비해유의하게증가하였다. 이는정확지수와유의한상관관계가있는것으로나타났다. 그러므로손가락폄근에실시한 EMGstim 치료는능동운동범위를증가시켰고, 이는기능적개선으로이어져가능한능동운동범위내에서목표선을따라정확한조절을요구하는정확지수의증가를유도했다고볼수있다. 일반적으로뇌졸중환자에서마비측의 EMG와장력의개시및종료는비정상적으로지연되며, 개시보다종료가더욱지연된다고알려져있다 (Chae et al. 2002). 편마비환자에서개시지연의원인은운동처리를담당하는영역의손상과원심성기전 (efferent mechanism) 의손상때문이다 (Dobkin 1996). 그로인해장력생성비율의감소, 관절운동범위의감소, 비정상적인운동조절등이나타나고

54 개시는더욱지연된다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 근수축의종료지연은움직임을멈추기가어렵거나움직임의방향을전환하지못하는현상으로뇌졸중후척수상부의억제 (supraspinal inhibition) 의소실로인한양성증상 (positive sign) 중의하나이다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 이는움직임의끝에서멈추기위해서필요한주동근의부적절한조절, 길항근에서의부적절한타이밍과동시수축이원인이될수있다 (Dewald et al. 1995; Dewald et al. 1999). 즉, 근수축의개시와종료의지연은시간조절능력의손상에의해나타나며, 이로인해협응장애를야기할수있다 (Chae et al. 2002; Hammond et al. 1988, Sahrmann, and Norton 1977). 본연구에서근수축의개시와종료의지연이있는뇌졸중환자에게 EMG-stim 치료를실시한결과, 개시와종료지연모두유의하게감소하였으며, 특히종료지연이개시지연보다감소하여치료효과가더욱컸다. Francisco 등 (1998) 은급성뇌졸중환자에게하루에 30분씩 2회, 주 3일동안, 평균 33일동안노뼈측손목폄근 (extensor carpi radialis) 에 EMG-stim 치료결과, EMG-stim군은대조군에비해 Fugl-Meyer 평가와일상생활영역 FIM에서유의한개선효과를보였다. Cauraugh 등 (2000) 은만성뇌졸중환자에게하루에 30분씩 2회, 주 3일 2주동안손가락폄근과요골측손목폄근에 EMG-stim 치료후 Fugl-Meyer 운동평가, 강직평가 (modified Ashworth scale), Box-block 검사, 등척성근력, 근수축의개시지연을평가하였으며, Box-block 검사와근력에서만치료후유의하게개선되었다. 본연구에서는 10주동안손가락폄근에 EMG-stim 치료후, Box-block 검사, Fugle

55 Meyer 평가, 근력, 능동운동범위, 근수축의개시와종료지연, MCP 관절추적검사를실시하였다. EMG-stim 치료후 Fugl-Meyer 평가를제외한모든종속변수에서대조군에비해유의하게개선되었다. 그러므로만성뇌졸중환자에게실시한 EMG-stim 치료는손의기능적회복을유도했다고볼수있다. 4.2 뇌재조직화 뇌재조직화는기능적, 구조적으로항상변화하고개조될수있는뇌의능력을말한다 (Nudo, Plautz, and Frost 2001). 뇌재조직화에관한증거는많은연구들에의해보고되었다. 특히대뇌운동영역은재활치료적의미에서매우중요한부위이며, 현재알려진뇌졸중환자의뇌재조직화의기전은다음과같다. 첫째, 동측운동신경로의활성화이다. 주로발병초기자발적회복의시기에는동측운동신경로가운동회복에기여한다고알려져있으며, 이는병변에의해유도된뇌재조직화 (lesion-induced reorganization) 의결과이다 (Maegaki et al. 1997; Muller, Kass-Iliyya, and Reitz 1997). 뇌손상후발견되는동측운동신경로는피질척수로와피질망상척수로 (corticoreticulospinal tract) 가있으며, 미성숙뇌는동측피질척수로가, 성숙뇌는주로피질망상척수로가관여하는것으로보고되었다 (Maegaki et al. 1997; Muller, Kass- Iliyya, and Reitz 1997). 둘째, 손상부위인근영역으로의뇌재조직화이다 (Cramer et al. 2001). 이는연습에의한뇌재조직화의결과이다 (Carey et al. 2002; Szaflarski et al. 2006). 즉, 자발적회복의시기가지난후만성기에는재활치료에의해반대측운동피질의기여도가증가하고동측운동피질의기여도가감소하는방향으로기

56 능적운동회복이일어난다 (Sanes et al. 1995, Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 아직까지연습의존성뇌재조직화에관한신경학적기전이명확하게밝혀지지는않았지만, 마비측의정확하고반복적인연습은효과적인시냅스전위 (synaptic potentiation) 를형성할수있다고보고되었다 (Liepert et al. 2000). Nudo 등 (1996) 은뇌졸중환자의재활치료후상지와관련된뇌의운동영역이재조직화되면서상지의운동기능이회복됨을밝혀냈다 (Nudo et al. 1996). Castro-Alamancos와 Borrell (1995) 은흰쥐에서말초에서의전기자극을주어손상된대뇌운동영역의재조직화를유도할수있음을보고하였다 (Castro-Alamancos, and Borrel 1995). 셋째. 2차운동영역의활성화에의한뇌재조직화다. 2차운동영역은운동의조건들이나상상등에의해서도쉽게활성화되기때문에 fmri를통해이영역들이운동회복에기여했다고증명하기에는어려운점이있으며, 이영역이운동신경회복에직접적으로기여하는지에대해서는아직도논란이있다 (Jang et al. 2003). 넷째, 피질척수로의회복이다. 손의협응을위해서는피질척수로가필수적이며, 총량의 20% 만회복되어도손의미세한조절이가능한것으로보고되었다 (Seitz, and Freund 1997). 뇌재조직화에의한중추신경계의구조적변화는유전적요인과외부자극의상호작용에의해발생할수있다 (Kaplan 1988). 성숙한뇌도내재된뇌가소성이있기때문에뇌손상후의재활치료는뇌재조직화를유도하거나촉진시킬수있는양질의외부자극들을적절히제공할필요가있다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 오감을통한자극, 약물, 전기자극, 운동, 생각등외부환경과환자내부로부터의모든자극이뇌재조직화에관여할수있다 (Nudo, Plautz, and Frost 2001). 이

57 중전기자극은임상적용이쉽고기계화시키기쉬운장점이있어뇌에미치는영향에관한연구들이활발하게진행되어왔다 (Castro-Alamancos, and Borrel 1995). 신경조직에전기자극을주었을때신경연접에서소포의증가, 신경시냅스면적의증가, 신경전달물질의분비증가, 신경활성도의변화등을유도할수있다는전기생리학적연구들과더불어임상에서기능적전기자극을통해뇌손상환자의운동기능이개선되었다는보고가있다 (Levin, and Hui-Chan 1992; You et al. 1998). 최근 fmri 연구에서전기자극또는고유수용성감각의입력은 M1 또는 S1을활성화시킬수있다고보고했다 (Alary et al. 1998; Forss et al. 1994; Spiegel et al. 1999; Weiller et al. 1996). 그러나아직까지기능적회복과뇌재조직화의관련성에관한연구는부족하여표준화된치료법으로자리잡지는못하고있다본연구는뇌재조직화의회복전위를가지고있다고보고된 SMC, PMC, SMA를 ROIs로정하여 EMG-stim 치료에의한뇌활성의변화를알아보고자하였다. SMC 는단순하고분리된움직임과관련이있다. PMC는말초의움직임 (peripheral movement) 에관여하며, 1차운동피질보다더욱통합된수준 (integrative level) 의움직임과관련이있다. SMA는운동계획과복잡한운동과제에관여한다 (Shumway-Cook, and Woollacott 2006). 본연구에서손가락폄근에실시한 EMG-stim 치료가대뇌피질에직접적인영향을미칠수있음을확인하였다. 치료후주된뇌활성의변화는반대측뇌활성의증가와동측뇌활성의감소이다. 이러한변화들은 EMG-stim 치료후 SMC와 SMA와 PMC에서도발생했다. 동측 SMC 활성은 4명의환자 ( 환자 1,2,4,5) 에서사라졌고, 1명의환자 ( 환자 6) 에서감소하였다. 반대측 SMC 활성은

58 명의환자 ( 환자 3) 에서넓게확산되었던것이좁게조밀해졌다. 동측 PMC 활성은 4명의환자 ( 환자 1,2,5,7) 에서감소하였다. 동측 SMA는 2명의환자 ( 환자 1,4) 에서희미해졌고, 반대측 SMA는 2명의환자 ( 환자 2,4) 에서새롭게활성화되었다. 그러나 ROIs에서 EMG-stim군의편측지수는 SMC에서만치료전ᆞ후에유의한차이가있었다. 이러한결과는이전 fmri 연구와일치하며, EMG-stim에의한뇌졸중환자의기능적회복은반대측 SMC 활성의증가와관련이있음을알수있었다 (Liepert et al. 1998). Jang 등 (2003) 과 You 등 (2005) 은재활치료에의한기능적회복은반대측 SMC 활성의증가와연관된다고보고했다. Han 등 (2003) 은정상성인에게실시한수동적전기자극치료에의해주로반대측 SMC 활성과양측또는반대측 SMA의활성이나타났으며, 활성부피소는 M1보다 S1이약간더증가하였다고보고하였다. 그러나, 2 차운동영역과기능적회복의관계는여전이논란으로남아있다 (Han et al. 2003; Jang et al. 2003; You et al. 2005). Carey 등 (2002) 은뇌졸중환자의손가락관절 추적훈련후에, 반대측의 PMC 가증가하였고, SMA 는감소했다고보고하였다. 또 다른연구는뇌졸중환자의상지훈련이 PMC 를양측으로활성화시켰다고하였다 (Nelles et al. 2001). 본연구에서 SMA 와 PMC 의활성패턴은몇몇환자에서변화가 있었으나, 이러한 2 차운동영역의변화가 EMG-stim 치료에의한뇌재조직화라는 결론을내릴수는없다. 그이유는본연구의표본크기가작았고이차운동영역의 변화가모든환자들에게서일관적이지는않았기때문이다. 또한이차운동영역의

59 활성은 fmri 평가시운동과제의강도, 형태, 심지어상상에의해서도쉽게활성 화될수있기때문이다 (Cramer et al. 2001; Roth et al. 1996). 그러므로우리가비록같 은운동과제의, 같은빈도와형태를사용하려고노력했을지라도 2 차운동영역의 변화가뇌재조직화에직접적으로기여했다고는보증할수는없다. 기능적운동회복과뇌재조직화의관련성을알아보기위하여 EMG-stim 군과대 조군간에유의한차이가있었던종속변수를대상으로상관분석을실시하였다. ROIs 중에는 SMC 를선택하였고. 운동기능중에는 Fugl-Meyer 평가를제외한모든 종속변수를선택하였다. Box-block 검사, MCP 관절추적검사시의최대폄각도와 정확지수, EMG- 종료지연, 장력 - 종료지연에서의개선은 SMC 의편측지수의증가 와상관관계가있는것으로나타났다. 근력, EMG 의 - 개시지연, 장력 - 개시지연은상 관관계가없는것으로나타났다. Remple 등 (2001) 은뇌재조직화는잘조절된움직 임과관련이있으며, 근력의증가와는관계가없다고보고하여본연구의결과와 일치하였다 (Remple et al. 2001). Carey 등 (2002) 은만성뇌졸중환자들을대상으로손 가락관절추적훈련을실시한결과손의기능이유의하게개선되었으며, fmri 결 과에서도초기동측에서보였던뇌활성화영역들이훈련후반대측의 SMC, M1, S1, PMC 로재조직화가일어났음을보고하였다. Kimberley 등 (2004) 은뇌졸중환자 의손목및손가락폄근에 EMG-stim 치료를실시하였으며, 정확한조절이필요한 관절추적검사는개선되지않았다고보고했다. 이는협응에적합하지않은동측 피질의재조직화에의해운동회복이일어났기때문이라고하였다. 이에반해, 본

60 연구의 EMG-stim 치료는반대측피질의재조직화를유도하였으며, 이로인해좀 더높은수준의협응이필요한 MCP 관절추적검사, 근수축의개시와종료의지연 도개선되었다

61 제5장결론 본연구의목적은만성편마비환자의손가락폄근에시행한 EMG-stim 치료가근력및관절가동범위와같은단순한운동성과함께기능적회복에효과가있는지를알아보고자하였다. 또한이러한기능적회복이뇌재조직화 (cortical reorganization) 에의한것인지를알아보고자하였다. EMG-stim 치료후마비측손가락폄근의근력, 손허리뼈손가락관절의능동운동범위, 정확지수, EMG와장력의개시및종료지연시간, Box-block 검사, Fugl- Meyer 평가에서유의한개선을보였다. 나아가이러한운동기능의개선에의해동측또는양측활성에서반대측활성으로의뇌재조직화가일어난다는것을알수있었다. 운동기능과편측지수의치료전 후개선정도에관한상관분석결과 Box-block 검사, 최대폄각도, 정확지수, EMG-종료지연, 장력-종료지연만이유의한상관관계가있었다. 본연구는 EMG-stim 치료가동측또는양측활성에서반대측 SMC 활성으로의뇌재조직화를유도할수있으며, 이러한뇌재조직화는만성뇌졸중환자의손기능회복에기여한것으로판단된다

62 부록 Fugl-Meyer Assessment for the Upper Limb Name: Diagnosis: Exam data: Test Items Pre Post F/U Shoulder, Elbow, and Forearm 1. Reflex activity (can reflexes be elicited or not) 1. Flexor 2. Extensor Ⅱ. Dynamic flexorand extensor synergies 3. Scapular elevation 4. Scapular retraction 5. Shoulder abduction(to 90 ) 6. Shoulder external rotation 7. Elbow flexion 8. Forearm supination 9. Shoulder adduction and internal rotation 10. Elbow extension 11. Forearm supination Ⅲ. Motion that mix the flexor and extensor synergies 12. Hand to lumbar spine 13. Shoulder flexion from 0 to 90 (elbow at 0 ) 14. Pronation & supination of forearm(elbow activity flexed to about 90 Ⅳ. Volitional movements with little or no synergy dependence 15. shoulder abduction from 0 to 90 (elbow extended & forearm supinated) 16. Shoulder forward flexion from 90 to 180 (elbow extended & forearm pronated) 17. Pronation & supination of forearm (elbow straight & the shoulder flexed) Ⅴ. Normal reflex activity 18. Scored as being hyperactive (0) to not (2) Score

63 Test Items Pre Post F/U Wrist Ⅵ. Different functions of the wrist 19. Wrist stability(shoulder 0, elbow 90 ) 20. Wrist flexion and extension(shoulder 0, elbow 90 ) 21. wrist stability (shoulder 30, elbow 0 ) 22. Wrist flexion and extension (shoulder 30, elbow 0 ) 23. circumduction of the wrist Score Digits Ⅶ. Seven details of function of the hand 24. Mass flexion of the fingers 25. Mass extension of the fingers 26. Hook grasp 27. Grasp with pure thumb adduction 28. Thumb opposition to second finger to hold a pencil 29. Grasp of a cylinder-shaped object 30. Spherical grasp (tennis ball) Score Ⅷ. Coordination and speed 31. Tremor 32. Dysmetria 33. Speed Score Total score

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72 ABSTRACT Cortical Reorganization and Functional Motor Recovery Induced by EMG-Triggered Electrical Stimulation in Post-Stroke Paretic Hand Shin Hwa-Kyung Dept. of Rehabilitation Therapy (Physical Therapy Major) The Graduate School Yonsei University Cortical reorganization and functional motor recovery were studied in subjects with chronic stroke paretic hand using functional magnetic resonance image (fmri) before and after intensive treatment with an electromyography-triggered, neuromuscular stimulation (EMGstim). Subjects were assigned randomly to either the EMG-stim group (n=7) or control group (n=7). The EMG-stim group received 2 sessions (30min/session) per day, five days per week over 10 weeks (100 sessions in total) on the extensor digitorum communis. The control group did not receive any treatment. The dependent variables consisted of the variables for hand function and for cortical activation. The hand function was measured by 1) the box and block test, 2) Fugl-Meyer assessment (FMA), 3) accuracy index and peak extension during metacarpophalangeal joint (MCP) tracking test, and 4) the delay in onset and offset and maximal strength during the isometric MCP joint extension. The cortical reorganization was

73 measured by the laterality index using the fmri. Functional brain images were collected with a 1.5 T magnetic resonance scanner. Predetermined regions of interest (ROIs) were the primary sensorimotor cortex (SMC), the premotor cortex (PMC), and the supplementary motor area (SMA). The EMG-stim group demonstrated significant improvement in all motor functional scores except for FMA, compared with the control group (p<0.05). Only SMC in the ROIs demonstrated a significant improvement compared with the control group (p<0.05). The SMC change was correlated significantly with the box and block test, tracking accuracy, peak extension, delay in EMG-offset and force-offset in change. We concluded that stroke patients receiving intensive EMG-stim showed an improvement of motor functions, and that these improvements were induced by brain reorganization from ipsilateral (or bilateral) activation to contralateral SMC activation. Key Words : Cortical reorganization; EMG-triggered electrical stimulation; hand function; stroke