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임상연구

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발목관절 효과

발목 로봇제어가 로봇 상호작용 보행훈련(RIGT)의 중요한 구성요소로 등장했지만 건강한 성인과 뇌졸중 및 대뇌를 포함한 뇌 손상이 있는 참가자의 발목 근육 활동 및 관절 각도 운동학에 대한 신경생리학적 및 생체역학적 영향을 조사한 연구는 없습니다. 마비 (CP). 본 연구는 건강한 성인과 뇌 손상 참가자를 대상으로 RIGT가 발목 로봇제어(액추에이터) 유무에 따라 발목 근육 활동 및 관절 각도 운동학에 미치는 영향을 비교했습니다. 기술적인 통계분석은 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT가 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 EMG(30%) 및 운동학 각 도(25%)에 더 우수한 효과를 나타냄을 보여주었습니다.

우리의 결과는 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT가 뇌졸중 및 CP가 있는 참가자의 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 신경생리학적 EMG 데이터와 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡 움직임을 더 효과적으로 개선할 수 있다는 새롭고 유망한 임상 증거를 제공했습니다.

소개

불충분한 발목-무릎-엉덩이 관절 조정은 심각한 낙상 부상을 초래할 수 있기 때문에 수백만 명의 뇌 손상 환자에게 흔한 신경 역학적 장애입니다. 뇌 손상 참가자의 77~80%가 치명적인 낙상을 경험하여 사망에 이를 수 있습니다.

특히 보행시 선택적 발목 움직임의 제한이 주된 원인으로 지목되고 있다. 일상 생활의 독립적인 활동 중 균형상실 및 이와 관련된 심각한 낙상에 대해 신경 역학적으로 발목 근육계는 중후반 자세 동안 전방 모멘트 유도추진, 이 각기의 발가락 정리, 보행주기의 초기 접촉(IC) 비충격 흡수에서 중요한 역할을 합니다. 병리학적으로, 보행의 이러한 신경 역학적 측면 중 일부(또는 전부)는 뇌 손상 후손 상됩니다. 마비 또는 약한 전경 공근(TA)은 IC 및 유각기 동안 발가락이나 발을 깨끗이 하기 위해 효과적으로 활성화할 수 없습니다. Lokomat(Hocoma, Volketsiwl, Switzerland) 및 ALTACRO(Vrije Unviersiteit, Brussel, Belgium)를 포함하여 현재 상용화된 외골격 로봇은 환자의 다리가 움직임에 능동적으로 영향을 주지 않고 사전 정의된 궤적을 따라 수동적으로 움직이는 한 가지 주요 제한사항을 제시합니다. 이 문제를 완화하기 위해 우리는 독립적인 발목을 제공할 수 있는 혁신적인 발목-무릎-엉덩이 관절 조정 로봇-대화형 보행훈련 시스템 (RIGT; alkbot G 라고도 함, P&S Mechanics, 대한민국 서울)을 개발했습니다. 발 간격을 위한 엉덩이 및 무릎 액추에이터 외에 제어 액추에이터 이 장치는 전동 러닝머신 및 체중 지지대와 결합될 때 사상면에서 고관절, 무릎 및 발목관절의 움직임을 돕습니다. RIGT 개입 패러다임 동안 발목관절 제어 역할의 임상적 중요성에도 불구하고 이 전연구에서는 발목 제어 작동기가 있거나 없는 RIGT 사이의 잠재적인 임상적 이점과 기본 신경 역학적 관계를 비교하지 않았습니다. 따라서 우리는 뇌졸중 또는 뇌성마비(CP) 참가자의 TA 및 비복근(GCM) 근육 활동 및 관절운동학에 대한 발목 제어 액추에이터 유무에 따른 RIGT의 효과를 비교할 것을 제안했습니다.

재료 및 방법

재료

Walkbot은 RIGT 장치로, 운동학 외에도 진행 중인 참가자의 성능과 토크 및 강성에 대한 실시간 시청각 바이오피드백을 기반으로 제어 매개변수를 수정하는 수동, 능동 보조 모드를 포함하여 다양한 제어 모드에서 수행하도록 설계되었습니다. 보행훈련 중 엉덩이, 무릎 및 발목관절을 지원합니다. 대상 이동 궤적은 수동모드에서 미리 정의되며 참가자는 로봇에 따라 달라집니다. 이 장치는 바디웨이트 시스템용 서스펜션하니스, 전동식 러닝머신, 액추에이터로 제어되는 외골격으로 구성됩니다. 전동 러닝머신 속도 및 토크(보조 및 저항)를 조정하여 훈련이 진행됨에 따라 사용자에게 안전하고 도전적인 운동 재훈련 모드를 제공할 수 있습니다.

참가자

10명의 참가자 샘플(건강한 성인 4명, CP 환자 3명, 왼쪽 편마비 뇌졸중 환자 3명)이 이 연구를 위해 모집되었습니다.

실험절차

모든 참가자는 발목관절 움직임과 근육 활동에 대한 임상 테스트, 표면 근전도(EMG) 및 운동학 측정을 받았습니다. 그러나 건강한 피험자의 우세 측과 편마비 뇌졸중 및 CP 참가자의 환 측에 대한 데이터를 각각 비교했습니다.

1차 임상시험에는 하지의 Fugl-Meyer 평가(FMA-LE), 수정된 Ashworth 척도(MAS), 운동 범위(ROM) 및 수동 근육 검사(MMT)가 포함되었습니다

개입

모든 참가자는 절차를 숙지하고 테스트하기에 충분한 30분 RIGT 세션을 한번 받았습니다. RIGT에는 보행훈련 중에 독립적이고 조정된 발목, 무릎 및 고관절 액추에이터 제어장치가 장착된 Walkbot RIGT 시스템이 제공되었습니다.

Walkbot RIGT는 보행훈련 중환자의 근력, 움직임 및 피로 상태에 반응하여 전신 보조 또는 저항을 대화식으로 제공할 수 있습니다. 또한 독립적인 발목 제어 액추에이터 센서는 Lokomat와 같은 다른 RAGT 시스템과 달리 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡 관절 움직임을 선택적으로 분리할 수 있습니다. 체중의 약 40~60%는 참가자의 임상상태(예: 통증, 근육 약화, 경직, 및 피로) 분당 5%-10%씩 점진적으로 감소합니다. 보행속도는 1.00km/h에서 시작하여 0.1km/h씩 점차 증가하여 1.4km/h까지 증가했습니다. 액티브 어시스트와 패시브 모드는 100%(패시브 모드)부터 0%(액티브 어시스트 모드) 보조까지 시스템이 최적의 보행패턴으로 무게, 저항, 관성을 보상하여 체계적으로 제공하였습니다.

결과

1. 운동학적 발목관절 각도 변화 데이터

건강한 피험자에서 수동모드에서 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT에서 우세한 다리의 배 측 굴곡 및 서측 굴곡 관절 각도가 각각 6% 및 13.4% 더 크게 증가했습니다.

발목 제어 액추에이터가 있는 수동모드 RIGT 동안 왼쪽 편마비 뇌졸중 환자에서 발목 제어 액추에이터 가 없는 RIGT보다 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡에서 환 측의 개선이 각각 19.6% 및 20.7% 더 컸습니다.

경련성이 중 마비 CP 환자에서 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT 의 수동모드 동안, RIGT는 발목 제어 액츄에이터가 없는 RIGT 동안의 경우보다 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡에 대해 각각 43.6% 및 60.1% 더 큰 영향을 받은 쪽의 개선이 있었습니다.[그림 1] 건강한 피험자에서 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT 능동 보조 모드에서 우세한 다리의 배 측 굴곡 및 서측 굴곡 관절 각도가 각각 1.2% 및 8.2% 증가했습니다.

편마비 뇌졸중 사례에서 발목 제어 액추에이터가 있는 액티브 어시스트 모드 RIGT에서 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡이 각각 1.5% 및 36.6% 증가했습니다.

경련성이 중 마비 CP 환자 에서 능동 보조 모드 동안 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT, 발목배 굴 및 서측 굴곡이 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 각각 46.2% 및 65.7% 증가했습니다.[그림 2]

2. TA 및 GCM 근육활동데이터의 EMG(단위: %MVIC)

건강한 피험자에서 발목 제어 액추에이터가 있는 수동모드 RIGT 동안 지배적인 다리의 TA 및 GCM 근육 활동은 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT 동안의 RIGT보다 각각 3% 및 12% 증가했습니다.

뇌졸중 편마비 환자에서 발목 제어 액추에이터가 있는 수동모드 RIGT 동안 영향을 받는 다리의 TA 및 GCM 근육 활동 이 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 각각 25% 및 51% 증가했습니다.

경직성 양측마비 환자에서 발목 조절 액츄에이터가 없는 RIGT보다 발목 조절 액츄에이터가 있는 수동모드 RIGT에서 더 유의한 결손이 있는 다리의 TA 및 GCM 근육 활동이 각각 31.8% 및 12.6% 증가했습니다.[그림 3]

건강한 피험자에서 발목 제어 액추에이터가 있는 수동모드 RIGT 동안, 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 지배적인 다리의 TA 및 GCM 근육 활동이 각각 1.9% RIGT 증가했습니다.

편마비 뇌졸중 환자에서 발목 제어 액추에이터가 있는 수동모드 RIGT 동안 더 큰 결손이 있는 다리의 TA 및 GCM 근육의 활동이 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 각각 27.7% 및 16.4% 증가했습니다.

경직성 다리 마비 환자에서 발목 제어 액추에이터가 있는 수동모드 RIGT 동안 더 큰 결손이 있는 다리의 TA 및 GCM 근육의 활동이 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 각각 41.1% 및 34.6% 증가했습니다.

논의

가정된 바와 같이, 액추에이터가 있는 모든 그룹 (건강한 성인 및 편마비 뇌졸중 또는 CP 참가자) 연수동 및 활성 모드 참가자 모두에서 TA 및 GCM 근육 활동 및 관절운동학의 우수한 결과를 제시했습니다.

본 연구에서 RIGT 발목관절 액추에이터 제어가 있는 RIGT 동안 입증된 발목 근육 EMG 데이터 분석은 발목관절 액추에이터 제어가 없는 RIGT 동안의 TA 및 GCM 근육 활성도를 각각 28.4% 및 31.8% 향상시켰다.

현재 연구결과는 발목 제어 액추에이터가 있는 RIGT가 뇌 손상이 있는 참가자의 이동에 필요한 고립된 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡운동을 개선하는데 유용한 치료 도구임을 시사합니다. 그뿐만 아니라, 발목 관절 액추에이터 제어기능이 있는 RIGT는 정확하고 조정된 고관절, 무릎 및 발목관절 간 근육 제어를 제공합니다. 따라서 발목족저굴곡보행(예를들면족저굴곡보행), 슬관절 굴곡 보행, 고관절 굴곡/내 회전 보행을 예방하는 데 적용할 수 있다.

우리의 결과는 여성의 로봇 발목 외골격과 무동력 발목 외골격의 적용을 비교한 이전 발목 근전도 연구와 일치하며, 발뒤꿈치 접촉에서 발뒤꿈치 접촉까지 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡 근전도 활동이 각각 67% 및 34% 증가한 것으로 보고되었습니다.

근전도 RMS 진폭은 저 활성 TA 및 GCM에서 18% 크게 증가한 반면, 과활성또는과활성측면광근및대퇴이두근에서 20-30% 감소했습니다. 이 발견은 발목 RIGT가 발목과 무릎관절 근육의 변경된 시너지 활성화를 복원하는 데 도움이 될 수 있음을 나타냅니다. 뇌 손상 사례에서 나타난 바와 같이, 운동피질 및 하행 피질척수로의 손상은 근육 약화를 초래하는 반면, 뇌간 하행 경로 및 척수 내 운동네트워크는 억제되지 않아 경직을 유발합니다. 이러한 신경근 손상은 발목-발 상호작용 및 골반 거들 운동(골반 기울기, 고관절 굴곡 및 내전)에 영향을 미치고 보행 중 무게중심의 이동에 크게 기여합니다.

본 결과는 발목 로봇제어기능이 있는 RIGT가 정확한 운동 유도력을 제공할 수 있으며, 이는 보행훈련 중에 적절한 고유수용성 피드백(예: 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡 관절 위치, 각도 변경) 을용 이하게 할 수 있음을 나타냅니다.

개입 후 설문조사에 따르면 참여자의 대다수가 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡 관절 위치 및 운동 감각에 대한 고유 수용성 피드백이 풍부하여 발목 위치 및 움직임 감각 인식이 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 증가된 운동감각(움직임) 감각 인식은 참여 참가자가 발목관절 액추에이터 제어가 없는 RIGT 동안의 참가자보다 발목관절 액추에이터 제어가 있는 RIGT 동안 발목배 측 굴곡 및 서측 굴곡 움직임을 더 잘 분리하는 데 도움이 되었을 수 있습니다.

결론

이 임상 케이스 시리즈 연구는 뇌졸중이나 CP 환자들에게서 발목 제어 액추에이터를 통한 RIGT가 발목 제어 액추에이터가 없는 RIGT보다 발목 EMG 제어 도르시플렉션 및 플랜타플렉션 개선에 더 효과적임을 보여주었습니다.

우리의 결과는 발목 제어를 통한 로봇 상호 작용 보행 훈련의 활용에 대한 임상적인 증거를 제공하며, 이는 발목-무릎-엉덩이 관절 움직임 제어의 회복을 극대화하고 발전시키는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 걷기 안전성을 향상시키고 추락을 예방하며, 따라서 생활의 질과 일상 생활 활동을 향상시킵니다.