운동의지장애의조기선별을위한정상인손가락힘특성분석 Analysis of Motor Performance in Normal Finger Force Control Capabilities for Motor Intentional Disorder (MID) 12 12 1 1 8 8 Force (N) 6 Force (N) 6 4 4 2 2 Signal Signal Signal Signal IT IT DT DT ME ME TT TT 9.8N 9.8N 2 4 6 8 1 2 4 6 Time (ms) Time (ms) 8 1 213. 5. 23 박현지 1, 이백희 1, 정기효 2, 이병화 3, 나덕렬 3, 유희천 1 1 포항공과대학교산업경영공학과 2 울산대학교산업경영공학부 3 성균관의대삼성서울병원신경과
Introduction AGENDA Background Objective of the Study Method Development of Finger Touch System Experiment of Finger Force Control Results Discussion
운동의지장애의임상적중요성 운동능력 (motor performance) 의저하 (Holvia et al., 212; Ward et al., 23) 연령증가 (aging effect), 뇌손상, 골격근양감소, 근력저하, 인지능력감퇴등 운동의지장애 (motor intentional disorders, MID) 다양한뇌손상환자에서나타나는 syndrome (Seo et al., 29) 신체를움직이려는의지가저하 힘통제능력 premotor area frontal lobe Weak 경도인지장애 (mild cognitive impairment, MCI) 기억성 (amnestic MCI, amci) 피질하혈관성 (subcortical vascular MCI, svmci) Severe 치매 (dementia) Alzheimer s disease Vascular dementia 피질하혈관성치매 (subcortical vascular dementia, SVaD) MID 발병원인 뇌손상환자유형 (amci, svmci, SVaD) MID 는뇌손상질환에따라나타나는정도의차이가있으나, 대부분의환자는발병 초기에 MID 가나타나조기선별이중요함 3
운동국면별운동능력평가의필요성 힘통제 (force control) 특성에따른 4 가지운동국면 : 시작, 도달, 유지, 종결 25 운동저하증운동지속불능증운동보속증 시작도달유지종결 Force (N) 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (ms) 운동국면에따른 MID 세가지유형 (Heilman, 24) 기존 MID 는임상가가환자의행동관찰및병력청취를통해진단되고있어 (Crucian et al., 27), MID 정도의체계적 & 정량적평가를위한운동국면별운동능력평가필요 4
기존운동능력유관연구 힘시작, 유지에따른운동능력평가가주로이루어지고있음 Der and Deary (26): age reaction time Vinoth et al. (21): age force fluctuation 도달, 종결국면에대한 motor performance 연구미흡 Men Women SRT mean (msec) Age effect on reaction time (Der and Deary, 26) Age effect on force fluctuation (Vinoth et al., 21) 평가대상의다양한인자를반영한체계적인운동국면별운동능력평가필요 운동국면별정상인 normative database 수립필요 5
연구목표 운동의지장애환자의조기선별을위한 정상인힘통제특성 (force control capabilities) 분석 1. 운동국면별정상인손가락힘통제능력평가 운동국면별힘통제특성평가방법정립 운동국면 ( 시작, 도달, 유지, 종결 ) 별손가락힘측정 2. 정상인힘특성규준수립 힘특성에대한연령대, 성별, 손이미치는효과분석 3. 정상인과 MID 환자의운동능력비교 정상인과 MID 환자의운동국면별손가락힘통제특성비교 MID 유무와정도평가를위한판별모형개발 6
연구방법 S1. 운동국면별평가방법정립 문헌조사를통한평가척도파악 힘통제특성평가방법수립 S2. 정상인힘측정실험 실험대상 : 2 ~ 7 대정상인 36 명 Finger dynamometer 를통한힘측정 S3. 정상인힘통제특성분석 연령, 성별, 손이미치는효과분석 운동국면별정상인힘특성규준수립 S4. 정상인과환자의힘통제특성비교 MID 환자 (amci, svmci, SVaD) 유형별 힘특성분석 MID 판별모형개발 7
S1. 운동국면별평가방법정립 : 평가척도 1 / 3 운동국면별평가척도 (Seo et al., 29) 국면 평가척도 시작 도달 유지 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII TTTTTTTT IITT = tt ii tt jj i = time to press the sensor; j = time to appear red signal 무작위로제시되는신호에대한최단반응시간 (msec) DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD TTTTTTTT (DDDD) = tt ii tt jj i = time to reach 9.8N; j = time to press the sensor 목표힘 (9.8N) 에도달하는데걸리는최단시간 (ms) MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM EEEEEEEEEE MMMM = ii= 1111111111 ff ii 99. 88 NN 1111111111 f i = finger force at time i 목표힘 (9.8N) 을 1 초간유지할때발생하는유지오차 (mn) Force (N) Signal Signal 12 IT DT ME TT 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 Time (ms) 9.8N 종결 TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTT TTTT = tt ii tt jj i = time to release the finger; j = time to appear red signal 제시되는신호에대해힘유지를종결하는최단반응시간 (ms) 8
S1. 운동국면별평가방법정립 : 검사방법 2 / 3 검사시작검사도달검사 Task 신호표시부 ( 흰색원 ) 에빨간신호가 들어오면최대한신속하게센서를누름 센서를눌러목표힘 (9.8N) 까지최대한 신속하게도달 Demonstration 9
S1. 운동국면별평가방법정립 : 검사방법 (cont.) 3 / 3 검사유지검사종결검사 Task 센서를눌러목표힘 (9.8N) 에도달한후, 1 초간목표힘을최대한유지 센서를눌러목표힘을유지하다가 신호표시부에빨간신호가들어오면 최대한신속하게손가락을떼어냄 Demonstration 1
S2. 정상인힘특성측정실험 : Apparatus 1 / 3 Finger touch (FT) 장비 (SeedTech Co., South Korea) 운동국면별손가락힘측정 2 개의압력 sensor (load cell) 사용 (precision =.196 N, sampling rate = 3 ~ 32 Hz) 19 인치모니터 (FLATRON L194P, LG Electronics Co., South Korea) 평가 S/W Hand: L Hand: R Sensor 9.8 N Target force N 실험장비 (H/W) 구성 평가 S/W 인터페이스 11
S2. 정상인힘특성측정실험 : 방법 2 / 3 실험참여자 : 정상인 36 명 (2 대 ~ 7 대남녀각 3 명 ) 실험방법 : 검지손가락으로운동국면에따른네가지 task 수행 Experimental design: three-factor mixed-subjects design b-s-f: 연령 (2 대 ~ 7 대 ), 성별 ( 남, 여 ) w-s-f: 손 ( 왼손, 오른손 ) 실험조건, 조건별 8 회반복 Screen 15 cm 왼손왼쪽 왼손오른쪽 Finger dynamometer 5 cm 7 cm 오른손왼쪽 L: 8 회 오른손오른쪽 R: 8 회 시스템구성 ( 검사조건예 : 왼손왼쪽 ) 네가지검사조건 12
S2. 정상인힘특성측정실험 : 절차 3 / 3 1 인당실험시간 : 2 분 S1. Preparation (3 min) S2. Practice (5 min) S3. Main experiment (1 min) Task 별 4 회 Task 별 16 회 S4. Debriefing (2 min) 검사순서 : random 13
S3. 결과 : Overall 1 / 3 정상인손가락힘특성에대한연령, 성별, 손의효과분석 시작시간 (IT) 도달시간 (DT) 유지오차 (ME) 종결시간 (TT) Age (A) <.1 <.1 <.1 <.1 Gender (G).9.12 <.1.3 Hand (H).83.8.644.32 A G <.1.314 <.1.379 A H.64.756.227.515 G H.31.667.75.242 A G H.768.851.336.568 25 25 25 25 Normalized force control capabilities 2 15 1 2 15 1 2 15 1 2 15 1 Male Female 5 2 ~ 3s 4 ~ 5s 6s 7s 5 2 ~ 3s 4 ~ 5s 6s 7s 5 2 ~ 3s 4 ~ 5s 6s 7s 5 2 ~ 3s 4 ~ 5s 6s 7s Shaded area: p <.1 정상인의힘통제특성은모든국면에서연령효과가유의함 유지국면에서만성별에따른통계적차이가나타남 14
S3. 결과 : 시작, 도달, 종결국면 2 / 3 정상인은연령이높을수록힘시작, 도달, 종결시간이느려짐 ( 시작 : F[5, 344] = 18.4, p <.1*; 도달 : F[5, 347] = 5.77, p <.1*; 종결 : F[5, 341] = 19.8, p <.1*) MD = mean difference Time (msec) 4 3 2 1 MD = 55 msec 1.2 배 A A A B B C 4 3 2 1 MD = 27 msec 1.2 배 A A A A A B 4 3 2 1 A A MD = 12 msec 1.3 배 B B C D Age group 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 시작국면 (IT) 도달국면 (DT) 종결국면 (TT) 7 대는힘시작, 도달, 종결작업시 1.2 ~ 1.3 배만큼반응시간이느림 운동국면별정상인운동능력저하양상 : 종결 > 시작 > 도달 15
S3. 결과 : 유지국면 3 / 3 정상인은유지국면에서연령대와성별에따른유의한차이를보임 Age effect: 연령 ME (F[5, 347] = 47.4, p <.1*) Gender effect: 남성 < 여성 (F[1, 347] = 53.3, p <.1*) Interaction(A G) effect: 연령 남녀간 ME 차이 (F[5, 347] = 7.18, p <.1*) Maintenance error (mn) 5 4 3 2 1 Age group 2.1 배 MD = 246 mn C B A A A A 2s 3s 4s 5s 6s 7s Maintenance error (mn) 5 4 3 2 1 Gender MD = 85 mn 1.4 배 A B Female Male Maintenance error (mn) 6 5 4 3 2 1 Male Female 2s 3s 4s 5s 6s 7s MD = mean difference 7 대는 2 대 ~ 5 대에비해 2.1 배유지능력이저하됨 여성의유지능력은남성에비해 1.4 배낮으며, 고령일수록남녀간 ME 차이가증가하는 경향을보임 16
S4. 힘특성비교 : 정상인 vs. MID 환자 1 / 3 기존 MID 환자실험결과와비교 (Yoon et al., 212) 분석대상 : 6 ~ 7 대정상인, Weak 경도인지장애 (MCI) 기억성 amci 혈관성 svmci 뇌손상환자 (amci, svmci, SVaD) Severe 치매 (dementia) SVaD IT (msec) 6 5 4 3 2 1 A Normal amci B svmci C SVaD DT (msec) 3 25 2 15 1 5 Normal A amci svmci B SVaD ME (mn) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 A Normal B amci C svmci D SVaD TT (msec) 14 12 1 8 6 4 2 A Normal B amci C svmci D SVaD 시작국면도달국면유지국면종결국면 amci: 기억상실성경도인지장애, svmci: 피질하혈관성경도인지장애, SVaD: 피질하혈관성치매 뇌손상환자는정상인에비해 1.1 ~ 3.4 배운동능력이저하됨 환자유형별운동능력저하 : SVaD > svmci > amci 17
S4. 판별모형개발 : 개요 2 / 3 개발목적 : MID 환자의조기선별 개발방법 적용기법 : binary logistic regression 변수선정 : TT, ME, IT, age (stepwise method 적용, αα in, out =.5) Data 분류 Training set: 정상인, 경도인지장애 (amci + svmci) 환자 Test set: SVaD 환자 정상인 vs. 환자 Diagnosis = Diagnosis = 1 Normal amci svmci SVaD n = 98 n = 16 n = 14 n = 8 경도인지장애 판별모형검증을위한 test data 18
S4. 판별모형개발 : 성능 3 / 3 판별 threshold 에따른성능비교 No. Threshold n = 128 Confusion Matrix Normal 실제범주 Performance (%) Sensitivity Specificity Accuracy 1.12 추정 Normal 68 2 93.3 69.4 75. 범주 MCI 3 28 2.21 Normal 8 7 76.7 81.6 8.5 추정범주 n = 128 3.43 Normal 96 9 7. 98. 91.4 추정범주 n = 128 MCI 실제범주 Normal MCI MCI 18 23 실제범주 Normal MCI MCI 2 21 sensitivity 1..9.8 Threshold =.12.7.6 Threshold =.21.5.4 Threshold =.43.3.2.1...2.4.6.8 1. 1 specificity 정상인판별성능 (specificity >.9) 을고려하여환자판별성능 (sensitivity) 을 최대화하는판별 threshold 결정필요 MCI 보다 severity 높은 SVaD 환자는개발된모형에의해 1% 환자로분류됨 19
Discussion 운동국면 ( 시작, 도달, 유지, 종결 ) 별로정상인의힘통제특성을연령과성별에따라 체계적으로평가하고 normative database를구축함 7대는 2 ~ 5대에비해, IT 1.2배, DT 1.3배, TT 1.2배운동능력이저하됨 7대 ME는 2 ~ 5대에비해, 남성 1.8배, 여성 2.4배저하됨 유지오차가연령과성별에따른변별성이우수한것으로파악 뇌손상환자유형별정상인대비저하된운동능력특성파악 IT (msec) 6 5 4 3 2 1 1.2 배 1.2 배 1.6배 3 1.7배 18 DT (msec) 25 2 15 1 5 ME (mn) 16 14 12 1 8 6 4 2 3.4배 2.9배 1.4배 TT (msec) 14 12 1 8 6 4 2 1.6배 1.3배 2.8 배 Normal amci svmci SVaD Normal amci svmci SVaD Normal amci svmci SVaD Normal amci svmci SVaD 시작국면도달국면유지국면종결국면 뇌손상환자유형별 MID 유무를조기에선별하기위한판별모형개발 (Sensitivity(MCI) = 7%, sensitivity(svad) = 1%, specificity = 98%, accuracy = 91%) MID 판별을위한정량적모형을제시하여임상에서유용하게사용할수있을 것으로기대됨 2
Q & A Thank you for your attention 21