바이오인

핵심내용

6주 재활로봇 훈련으로 보행 재활효과 향상

지능형 감각-운동 재활치료 기반, 뇌성마비 환자에서 다리기능 개선

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이송주 박사(KIST) 연구팀이 국제공동연구를 통해 뇌성마비* 환자를 위한 재활로봇 기반의 감각·운동 기능 평가기술과 훈련기술을 개발했다고 밝혔다.

    ※ 뇌성마비 : 미성숙한 뇌에 발생한 손상으로 운동장애 등이 발생하는 질환

 ㅇ 美메릴랜드주립대학교, UNIST(울산과학기술원), 시카고재활병원(Shirley Ryan Ability Lab)의 교수진 등이 함께한 이번 연구는 美국립보건원, 美국립과학재단, 美장애·독립적 삶·재활연구원, 국가과학기술연구회, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 바이오닉암메카트로닉스융합기술개발사업 및 개인기초연구사업의 지원으로 수행되었으며

 ㅇ 국제학술지‘전기전자공학회 신경시스템과 재활공학’(IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering) 9월호에 게재되었다.

□ 기존 뇌졸중 등 신경손상 환자의 로봇재활 훈련은 하나의 로봇을 이용하는 방식으로 환자의 상태에 따라 큰 도움이 되기도 하고 효과가 없기도 했다.

 ㅇ 특히 뇌성마비 환자의 경우 경직(spasticity)이 발목이나 무릎, 또는 양쪽 모두에 나타나 관절이 뻣뻣해 질 수 있고 안짱걸음*을 걷는 경우가 많아 걷는 방향의 보행 향상을 위한 훈련만을 진행할 경우 재활효과에 한계가 있을 수 있다.

    ※ 안짱걸음(intoeing gait) : 걸을 때 발이 안쪽으로 돌아가는 것(내족지 보행)

□ 이에 연구팀은 내족지 보행을 개선하려는 8명의 뇌성마비 환자군에서 다리의 감각 및 운동 기능 뿐만 아니라, 무릎과 발목 중 어디에 더 불편함이 있는지를 평가했다.

 ㅇ 평가 결과에 따라 각각 발목 또는 무릎을 위한 스트레칭 로봇을 먼저 적용한 후 내족지 보행 완화용 로봇을 적용하는 맞춤형 재활훈련 프로토콜을 개발하고 그 효용성을 증명했다.

□ 각각의 다른 용도로 개발된 3개의 로봇을 함께 적용하여 환자의 취약 부분을 맞춤형으로 더 집중할 수 있도록 한 것이다.

 ㅇ 사용된 발목용 스트레칭 로봇, 무릎용 스트레칭 로봇, 내족지보행완화용 로봇은 이번 논문의 교신저자인 리첸장(Li-Qun Zhang) 교수와 제1저자인 이송주 박사 등이 앞서 개발한 것이다.

□ 뻣뻣한 관절을 풀어주면 이후 보행훈련의 효과를 높일 수 있다는 기존 연구결과에 착안해 필요한 관절에 스트레칭을 적용한 뒤 내족지 보행 완화를 위한 훈련을 하는 것이 개발된 프로토콜의 핵심이다. 

 ㅇ 실제 6주간의 맞춤형 훈련을 통해 환자 대부분 보행속도가 빨라지고, 고유수용감각이 예민해졌으며, 내족지보행이 완화되는 등의 긍정적인 효과를 얻을 수 있었다.

□ 연구팀은 향후 뇌성마비 뿐만 아니라 뻣뻣한 관절을 가진 절단환자, 근골격계 및 신경손상 환자에게도 본 방법론이 적용되는지 연구할 계획이다.

 ㅇ 제1저자인 이송주 박사는 “개인맞춤형으로 과학적, 정량적 재활치료를 할 수 있어 근골격계 및 운동기능장애 관련 정밀의료에 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

상세내용

■ 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Combined Ankle/Knee Stretching and Pivoting Stepping Training for Children with Cerebral Palsy (Vol. 27, No. 9, Sep. 2019, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering)

저  자
이송주 박사(제1저자/KIST), 동메진 (Dongmei Jin) 교수 (2저자/중국 중산대), 강상훈 교수 (3저자/UNIST), 데보라 개블러-스피라 (Deborah Gaebler-Spira) 교수 (4저자/미국 Shirley Ryan AbilityLab), 리첸장 (Li-Qun Zhang) 교수(교신저자/미국 메릴랜드 대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 뇌성마비는 태어나기 전후의 뇌손상으로 인하여 운동장애 등이 발생하는 질환으로 어린이들에게 발생하는 심각한 장애중 하나인데, 연간 전 세계적으로 1000명당 1.5 명에서 4명이 발생한다고 알려져 있다. 신체 발달 상황과 장애가 맞물려 있기 때문에 빠르고 정밀한 재활 치료가 향후 환자의 삶의 질을 향상 시키는데 중요한 역할을 할 수 있다.
 ○ 기존 뇌졸중 등의 신경손상환자 로봇 재활 훈련 방법은 환자가 누구든 같은 재활 훈련을 진행하였다. 예를 들면 하나의 로봇을 이용하여 걸음걸이를 향상시킬 수 있도록 재활 치료를 진행하기 때문에, 어떤 환자는 훈련 성과가 좋았고, 어떤 환자는 그 성과가 안 좋기도 했다. 따라서 여러 명에게 로봇 재활 치료를 제공하였을 경우, 같은 환자 그룹 안에서 마치 치료효과가 없는 것처럼 나오는 연구결과도 나오게 되었다. 즉, 어떤 환자에게는 큰 도움이 되었지만 다른 환자에게는 크게 효과적이지 못한 경우가 발생하였다.
 ○ 특히 뇌성 마비 환자의 경우에 경직 (spasticity)이 나타나 관절이 뻣뻣해 질 수 있는데, 하지의 경우 발목뿐만 아니라 무릎에도 나타날 수 있으며, 한 쪽 뿐만 아니라 양쪽에도 함께 나타날 수 있다. 또한 내족지보행인 경우가 많아 보행 향상을 위한 훈련만을 시켰을 경우 재활 효과를 얻는데 한계가 있을 수 있다.

2. 연구내용
 ○ 본 연구에서는 내족지보행을 개선하려는 뇌성마비 환자군 에서 무릎에 더 문제가 있는 환자인지, 발목에 더 문제가 있는 환자인지를 평가하고, 환자별로 세 개의 다른 재활로봇을 개인맞춤형으로 적용하는 기술을 개발하였고, 그 효용성을 실험적으로 증명하였다.
 ○ 발목 스트레칭 로봇, 무릎 스트레칭 로봇, 내족지보행 완화용 로봇 (Off-axis Elliptical Trainer System, OETS)을 활용하였다. 운동훈련에 앞서 뻣뻣해진 관절을 스트레칭으로 풀어주면 운동 훈련의 효과를 늘릴 수 있다는 기존 연구에서 아이디어를 착안해 개인 맞춤형으로 필요한 관절에 스트레칭을 적용한 뒤 내족지보행을 완화시키는 훈련을 한 것이다.
 ○ 이번에 처음으로 진행된 뇌성마비 환자 재활훈련은 관절의 뻣뻣한 정도를 나타내는 경직의 척도인 수정된 애쉬워스 척도(Modified Ashworth Scale) 평가 및 환자의 발목과 무릎의 장애 정도 평가에 의거하여 진행되었다. 이를 통해, 개개인 별로 경직이 심한 쪽의 발목 또는 무릎을 개개인의 상태에 맞게 발목 또는 무릎관절용 스트레칭 로봇을 이용하여 안전하게 스트레칭하고 보행 방향뿐만 아니라 내족지보행과 관련 있는 안쪽-바깥쪽 회전 방향의 움직임을 향상시킬 수 있도록 공동연구를 통해 개발된 Off-axis Elliptical Trainer System(OETS)에서 6주 동안 하지 재활훈련 시켰다.
 ○ 스트레칭 로봇과 OETS를 함께 이용한 6주 재활 훈련을 진행하였을 경우, 훈련 전과 비교했을 때 보행 속도가 증가하고, 내족지보행의 정도가 완화되었다. 또한, 무릎관절이 좀 더 부드러워지고, 발목과 무릎관절이 낼 수 있는 힘과 운동 범위가 늘어났으며, 균형감각과 다리의 안쪽-바깥쪽 회전 방향으로 움직임을 느끼는 고유수용감각의 예민성이 증가하고, 운동 능력이 향상되었다.
 ○ 또한, 스트레칭 로봇과 OETS를 함께 이용한 재활훈련이 같은 시간대비 OETS만을 이용한 이전의 재활훈련보다 뇌성마비 환자의 고유수용감각과 다리의 제어능력이 더 향상됨을 실험적으로 증명하였다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 6주간의 개인 맞춤형 훈련을 통해 환자 대부분이 보행 속도가 빨라지고, 고유수용감각이 예민해졌으며, 내족지보행이 완화되는 등의 보행 및 감각-운동기능 재활에 긍정적인 효과를 얻었다.
 ○ 본 방법론을 적용하면 개인 맞춤형으로 과학적, 정량적 재활 치료가 가능하게 되어 근골격계 및 운동 기능장애 관련 정밀 의료에 기여할 수 있는 초석을 마련할 수 있다. 4차 산업 혁명과 맞물려 지능형 재활 로봇 알고리즘 등에 적용할 수 있는 핵심적인 기반 기술을 제시한 것이다. 또한, 뇌성마비 환자뿐만 아니라 뻣뻣해진 관절을 가진 절단환자, 근골격계 및 신경손상 환자에게 본 방법론을 적용할 수 있으며, 더 많은 연구와 함께 재활 로봇산업이 활성화되어 다양한 형태의 재활로봇짐 (Rehabilitation Robotic Gym)이 구축되길 기대해본다.
 ○ 이송주 박사는 2월 IEEE Transactions on Biomedical Engineering에 주목받을 논문 (featured article)로 선정된 논문에서 기존에 운동 훈련 평가를 훈련 전후에만 하던 것에서 벗어나 내족지보행 완화용 로봇 (OETS) 을 활용하여 각 훈련 세션마다의 데이터를 모두 모니터링 하여 개개인의 훈련 동작 수행능력을 운동학습이론과 연계하는 수학적 모델을 6주 훈련에 처음으로 적용하였다.
 ○ 다양한 환자군 및 훈련 동작에서 더 많은 연구가 진행되어야 하지만, 이 두 연구를 조합하면 재활로봇을 활용하여 환자의 운동 장애 정도를 훈련 시작부터 6주 훈련 끝까지 계속 모니터링 할 수 있기 때문에, 빅데이터 구축이 가능하며 재활로봇짐 구축을 통한 개인 맞춤형 재활 훈련을 통해 향후 재활 효과를 과학적으로 평가하고 예측할 수 있는 지능형 플랫폼 개발이 가능하지 않을까 조심스럽게 전망해본다.

■ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

재활공학과 신경역학에 관한 연구를 미국 시카고 재활병원 (Shirely Ryan AbilityLab), 미국 국립재활원 (US National Rehabilitation Hospital), 및 한국과학기술연구원 (KIST)에서 10여년 넘게 해오면서 일반인과 환자의 감각-운동능력기능의 정량적 평가 및 증진과 관련된 연구들을 수행하고 있습니다. 일반적으로는 움직임의 신경신호가 뇌에서 척수를 거쳐 근육에 전달되어 관절이 움직이게 됩니다. 신경손상이나 절단부위로 인하여 관절의 사용이 줄어들게 되면  몸의 관절이 뻣뻣해지기 때문에, 운동기능 회복을 위해 신경 가소성을 향상시키는 재활 훈련법뿐만 아니라 관절의 기계적인 기능을 함께 향상시킬 수 있는 재활 훈련법에 대한 관심을 갖게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

하지 운동 기능을 평가하고 증진하는 연구를 진행하다 보니, 하지 부상이나 운동 기능 장애는 걷는 방향뿐만 아니라 안쪽 바깥쪽 회전방향의 움직임에도 문제가 있는 경우가 많다는 걸 알게 되었습니다. 특히, 뇌성마비 환자들에서 내족지보행인 경우가 많다는 사실을 알게 되었습니다. 뇌성마비와 같은 신경손상 환자의 경우에는 관절이 뻣뻣해지는 경직 증상이 나타나게 되는데 관절 스트레칭을 한 후에 재활운동을 했을 경우 하지 기능이 향상된다는 연구결과에 착안하여, 개개인에 필요한 관절 부분을 로봇으로 안전하게 스트레칭하고 내족지보행을 향상시키는 연구를 하게 되었습니다. 쉽게 설명하자면, 우리가 자동차의 가속 페달을 밟아 자동차에게 가라는 명령을 내렸을 경우에, 명령신호가 온전하게 차에 전달이 된다고 하더라도 자동차의 기계적 결함에 의해 작동이 안 되는 경우가 있는데, 뻣뻣한 관절을 이에 비유하지 할 수 있지 않을까 싶습니다. 바퀴가 뻑뻑한 곳에는 기름칠을 해서 자동차를 잘 움직이게 하고, 어떤 경우에는 바퀴에 바람을 넣어서 차가 잘 굴러갈 수 있도록 수리를 하는 것처럼, 본 연구에서는 개인 맞춤형으로 뻣뻣한 관절을 스트레칭 시키는 재활 프로토콜을 개발 및 적용한 것입니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

어린환자들을 대상으로 평가하고 6주간 로봇 재활 훈련을 진행하다보니 먼저 보호자와 아이들을 개개인으로서 존중하고 실험을 진행하는 것이 중요했습니다. 이 과정에서, 본 논문의 공동저자이시면서 의사 선생님이신 뇌성마비 분야의 권위자 Shirley Ryan AbilityLab의 개블러-스피라 교수님이 큰 도움이 되었습니다. 그리고 재활 연구 프로토콜을 아이들이 놀이라 여기게 하며 참여도를 높일 수 있도록 평가 방법론을 쉽고 재미있게 접근 할 수 있도록 연구자로서 노력했습니다. 처음에는 아이들이 연구 참여에 소극적인 모습을 보이기도 하였지만, 시간이 지나면서, 재활 훈련의 효과가 나타나자 아이들이 더 적극적으로 훈련에 참여하게 되는 사례도 생기게 되었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

기존의 뇌졸중등의 신경손상환자 로봇 재활 훈련 방법은 환자가 누구든 같은 재활 훈련을 진행하였습니다. 예를 들면, 하나의 로봇을 이용하여 걸음걸이를 향상시킬 수 있도록 재활 치료를 진행하기 때문에, 어떤 환자는 훈련 성과가 좋았고 어떤 환자는 그 성과가 안 좋기도 했습니다. 따라서, 여러 명에게 로봇 재활 치료를 제공하였을 경우, 같은 환자 그룹 안에서 마치 치료효과가 없는 것처럼 나오는 연구결과도 나오게 되었습니다. 특히 뇌성마비 환자의 경우에 경직 (spasticity)이 나타나 관절이 뻣뻣해 질 수 있는데, 하지의 경우 발목뿐만 아니라 무릎에도 나타날 수 있으며, 한 쪽 뿐만 아니라 양쪽에도 함께 나타날 수 있습니다. 또한 내족지보행인 경우가 많아 보행 향상을 위한 훈련만을 시켰을 경우 재활 효과를 얻는데 한계가 있을 수 있습니다. 본 연구에서는 내족지보행을 개선하려는 뇌성마비 환자군에서 무릎에 더 문제가 있는 환자인지, 발목에 더 문제가 있는 환자인지를 평가하고, 평가에 의거하여 세 개의 다른 재활 로봇 (발목스트레칭 로봇, 무릎 스트레칭 로봇, 및 내족지보행 완화 로봇)을 최초로 개인 맞춤형으로 적용하는 기술을 개발하고, 그 효용성을 실험적으로 증명하였습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?  

운동기능 평가 및 증진을 위한 플랫폼과 지능형 재활로봇 제어 알고리즘에 본 연구와 방법론이 적용될 수 있습니다. 노약자의 하지 기능 향상 및 부상예방 그리고 신경손상, 근골격계, 및 절단환자의 지능형 재활 훈련 프로토콜로도 사용이 가능합니다. 재활로봇은 다른 로봇과 다르게 기계를 만드는 것뿐만 아니라 그 효과가 실험적으로 증명 되어야만 이 가치가 있고, 실용화가 될 수 있게 됩니다. 이를 위해서는 개발단계이상의 시간이 평가방법, 훈련 프로토콜 개발, 임상실험에 쓰여야하고 검증이 되어야 합니다. 향후 다양한 환자군과 많은 환자에 본 방법론을 적용하여, 개인맞춤형 재활 기술을 고도화 시키고 평가 방법론을 검증하여야 합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

사용자가 치료를 받는다는 느낌이 들지 않도록 재미있게 몰입해서 할 수 있는 지능형 감각-운동능력 증진 재활 프로토콜 및 평가 툴을 개발하고 싶습니다.

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.