Effects of Game Based Weight-Bearing Training on Lower Extremity Muscle Activation and Balance in Stroke Patients

Article information

J Kor Phys Ther. 2015;27(4):264-269
Publication date ( electronic ) : 2015 August 30
doi : https://doi.org/10.18857/jkpt.2015.27.4.264
1 Department of Physical Therapy, Sehan University, Yeongam-gun, Jeollanam-do, Korea
2 Department of Physical Therapy, Graduate School, Sehan University, Yeongam-gun, Jeollanam-do, Korea
Corresponding author Jong-Uk Choi E-mail 1031yes@naver.com
received : 2015 July 23, rev-recd : 2015 August 16, accepted : 2015 August 18.

Abstract

Purpose:

The objective of this study was to determine the effects of game based weight-bearing training (GBWBT) on lower extremity muscle activation and balance in stroke patients.

Methods:

Thirty subjects were randomly divided into two groups: experimental group I (n=15) and control group II (n=15). Each group was provided intervention under two conditions, as follows: in the Game based weight-bearing training (group I), 30 minutes per day, five times per week, with physical therapy for 30 minutes, and in the functional weight-bearing training (group II), 30 minutes per day, five times per week, with physical therapy for 30 minutes The training program was conducted for a period of eight weeks. Subjects were measured on lower extremity muscle (rectus femoris, biceps femoris, tibialis anterior, gastrocnemius) by electromyography and balance by Biorescue. ANCOVA was performed for comparison of lower extremity muscle activation and balance between different intervention methods. All patients were evaluated at baseline and at the end of the treatment protocol. Statistical significance was tested between the patients before and after treatment by t-test.

Results:

Significant difference in lower extremity muscle activation was observed in experimental group I compared with control group II (p<0.05). Significant difference in balance was observed in experimental group I compared with control group II (p<0.001).

Conclusion:

Findings of this study suggest that game based weight-bearing training may have a beneficial effect on improvement of lower extremity muscle activation and balance in stroke patients.

서론

뇌졸중 환자들은 운동기능과 감각기능, 인지기능 등에 손상을 보이고, 그 중 운동기능의 손상은 대뇌겉질 흥분성 감소와 비사용으로 인한 근육 특성의 변화 등 다양한 원인에 의해 근약화를 유발하며 운동단위 수와 운동단위 발화율에 감소를 보이며 약화된 뇌졸중 환자의 근력은 균형과 높은 상관관계를 보인다.1-3 균형은 지지면 안에 중력 중심(center of gravity, COG)을 위치하도록 하는 자세 안정성을 유지하는 능력으로 정적인 자세를 유지하는 정적인 균형과, 동적인 움직임 동안 인체중심점을 조절하는 동적인 균형으로 나뉜다.4 뇌졸중 환자들은 비슷한 연령대의 정상인과 비교했을 때 선 자세에서 안정성 한계가 감소되며, 자세동요가 증가하였고 일상생활에 어려움을 초래하였다.5,6 뇌졸중 환자의 자세동요 증가는 비대칭적인 체중지지와 높은 상관관계를 보였다.7,8

뇌졸중으로 인한 반마비 환자들은 비대칭적인 체중지지로 인해 비 마비측의 과도한 체중지지를 보이고 마비측 하지의 질량 중심의 이동이 어렵기 때문에 기능적인 활동에 제한을 보인다.9,10 신체 질량 중심의 이동과 위치 조절은 복잡한 신경근의 활동을 필요로 하며, 반마비 환자들은 각 근육들의 협응능력이 감소되고, 각 관절에서의 충분한 근육의 활성을 만들지 못하기 때문에 비 대칭적인 체중지지율이 증가된다.11 반마비 환자들의 비대칭적인 체중지지는 낙상의 위험도를 증가시키며 보행, 계단 오르기(stair climbing), 일어서기 동작(sit to stand), 돌기(turning) 등과 같은 기능적 활동에 영향을 주어 일상생활동작과 사회적인 활동 참여 제한으로 삶의 질을 감소시킨다.12 최근 반마비 환자들의 일상생활 동작 및 낙상에 의한 부상 위험을 최소화하기 위해 체중지지 훈련이 중재되고 있다.13

뇌졸중 환자에게 대칭적인 체중지지 훈련은 앉은자세에서 일어나기 동작 수행 시 근력의 증가와 양쪽 다리의 대칭적인 체중지지율의 증가 및 압력중심(center of pressure, COP)의 동요감소에 효과적이었다.14 또한 뇌졸중 환자에게 체중이동 훈련은 버그균형평가의 향상과 똑바로 선 자세를 유지하는 동안 압력중심의 동요면적과 동요속도가 감소되어 체중지지 훈련이 자세조절 능력을 향상시킨다고 하였다.15 하지만 체중지지 훈련은 생체 되먹임의 부족과 환자의 동기부여에 결여로 운동학습과 운동조절에 어려움을 보이기 때문에 최근 게임 기반 재활훈련의 필요성을 시사하였다.16

게임 기반 재활훈련은 뇌졸중 환자의 근력과, 관절가동범위, 운동속도 그리고 협응력을 증진시키는 데 효과적이며 생체 되먹임을 통해 운동 조절능력을 향상시키고 동기부여를 통해 환자의 지속적인 연습을 가능하게 하였다.17,18 게임기반 재활훈련 중재는 뇌졸중 환자의 균형능력과 이동능력 및 앉은자세의 동적 균형능력 향상에 유의한 증가를 보였다.19,20

최근 게임 기반 재활훈련을 중재한 후 효과에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있으나, 대부분의 선행연구들은 훈련 프로그램이 스포츠 운동과 같은 큰 동작으로 구성되어 있어 균형능력에 저하를 보이는 뇌졸중 환자에게 잘못된 자세 조절 전략(strategy)을 학습할 수 있기 때문에 환자들의 특성에 맞는 적절한 훈련이 요구된다.16 이에 본 연구의 목적은 뇌졸중 환자에게 정량적인 균형능력 측정을 통한 게임 기반 체중지지 훈련을 중재하여 다리 근활성도와 균형에 미치는 영향에 대해 알아보고 뇌졸중 환자의 재활에 기초자료를 제공하고자 한다.

연구 방법

1. 연구 대상

본 연구는 뇌경색이나 뇌출혈로 인해 반마비 진단을 받고 0-12개월 이하의 뇌졸중 환자 30명을 대상으로 전남 소재의 J병원에서 재활치료를 통해 기능회복을 하고자 입원한 환자들 중 실험방법에 대해서 충분하게 설명을 듣고 자발적인 참여의사를 밝히고 동의한 환자를 선정하였다. 세부적인 선정기준은 10 m 이상 독립적인 보행이 가능한자, 실험에 영향을 줄 수 있는 내외과적 의학적 질환을 가지고 있지 않은 자, 신경학적 검사로 청각, 전정, 안구 손상이 없는 자, 편측무시 증상이 없는 자, 한국형 간이 정신상태 검사(MMSE-K) 점수가 24점 이상으로 의사소통이 가능한자로 선정하였다(Table 1).

General characteristic of subjects

2. 실험방법

본 연구는 게임기반 체중지지 훈련군(Group I) 15명, 기능적 체중지지 훈련군(Group II) 15명으로 각각 무작위 임의 선정하였으며, 각각의 중재는 8주간 주 5회 일 30분 중재한 후 중재 전후 마비측 다리의 근활성도와 안정성 한계를 측정하여 분석하였다.

1) 게임기반 체중지지 훈련

본 연구에서는 게임을 기반으로 체중지지 훈련을 위해 균형능력의 정량적인 측정과 게임을 기반으로 하는 체중지지훈련을 할 수 있도록 고안된 Biorescue (RM Ingenierie, Rodez, France)를 이용하였다. Biorescue는 이동이 손쉬운 사각형의 힘판(Force plate)과 자료 분석용 컴퓨터와 데이터 및 측정과 훈련방법을 시각적으로 제공하는 모니터로 구성되어 있으며 훈련 시 되먹임을 제공한다. 훈련 전 대상자는 정량적 균형능력 평가인 안정성한계를 측정한 후 균형능력 수준에 맞는 적절한 난이도의 훈련을 실시하였다. 훈련은 카드 맞추기(card select), 스키타기(skijoring), 미로찾기(maze problem), 자동차 장애물 피하기(car obstacle avoidance), 유리관 비율 맞추기(glass tube rate)의 5가지의 게임을 통해 이루어지며 신체 압력중심점을 이동하여 체중지지와 체중이동을 유도한다. 훈련시간은 총 30분으로 1게임당 5분의 훈련시간과 1분의 휴식시간을 제공한다(Figure 1).

Figure 1

(A) Game based weight-bearing training system. (B) Game Program.

2) 기능적 체중지지 훈련

기능적 체중지지 훈련 그룹은 Eng 등21의 연구를 바탕으로 F1, F2, F3 3가지로 구성된 발판 위에 각 순서에 맞는 동작을 양측 또는 편측으로 체중이동을 통해 5가지의 과제 지향적 체중지지 훈련이 가능하도록 설계된 기능적인 체중지지훈련을 제공하였으며, 훈련 시 과제의 순응을 최소화 하기 위해 무작위 임의 훈련을 실시하였다(Figure 2).

Figure 2

Functional weight-bearing training system.

3. 측정방법

1) 표면근전도시스템

다리 근활성도를 측정하기 위해 MP100 표면근전도 시스템(Biopac System Inc, USA)을 이용하였고, 여기에서 전환된 디지털 신호는 개인용 컴퓨터에서 Acqknowledge 3.91 소프트웨어를 이용하여 자료 처리하였다. 표면근전도 신호에 대한 피부저항을 최소화하기 위해 부착부위의 털을 제거하고 가는 사포로 3-4회 문질러 피부각질층을 제거한 후, 소독용 알코올 솜으로 피부를 깨끗이 하였다. 부착 근육은 넙다리곧은근, 넙다리두갈래근, 앞정강근, 장딴지근에 부착하였고 이극전극은 각 근육의 근힘살(muscle belly)에 근섬유의 방향과 평행하게 부착하였다. 표본추출률(sampling rate)은 1,024 Hz로 설정하였고, 잡음을 최소화하기 위해 대역 여과 필터(notch filter)는 60 Hz, 대역 통과 필터(band pass filter) 30-500 Hz로 설정하였으며 수집된 신호는 RMS 처리하였다.22

2) 근활성도의 표준화

본 연구에서 근활성도를 표준화하기 위해 특정 동작의 근수축을 기준 수축(reference voluntary contraction, RVC)으로 삼아 이를 기준으로 표준화하는 %기준수축(%RVC)방법을 이용하였다. 기준수축은 반 웅크리기(semi-squat) 자세를 5초 유지하는 동안 마비측 하지의 근활성도를 측정하여 처음과 마지막 1초씩을 제외한 3초의 신호를 분석하여 RVC값을 산출하였고, 앉은 자세에서 일어나기 동안 마비측 다리의 근활성도 값과 비교하여 %RVC값을 산출하였다. 근활성도의 자료는 3회 측정하여 얻은 결과의 평균값을 이용하였다.

3) 균형측정시스템

균형능력을 측정하기 위해 Biorescue (RM Ingenierie, Rodez, France)를 이용하였다. Biorescue는 정적균형, 동적균형, 체중지지율, 압력중심의 이동면적 등 균형능력의 정량적인 측정이 가능하며 본 연구에서는 안정성 한계(limited of stability, LOS)를 측정하였다. 대상자는 선 자세에서 안정성을 유지할 수 있는 최대범위를 측정하였으며 발목전략을 이용하여 모니터에 제시되는 8개의 방향으로 압력중심을 이동시켜 중심점에 대한 이동거리를 바탕으로 면적을 산출하였다. 모든 측정은 모니터를 통해 측정방법에 대한 영상을 제공하여 충분한 설명을 하였으며, 자료는 3회 측정하여 얻은 결과값의 평균값을 이용하였다.

4. 자료분석

측정된 자료는 Window 용 SPSS 18.0을 이용하여 통계처리 하였으며, 두 그룹 간의 동질성 검증을 위해 독립표본 t-검정(independent t-test)을 시행하였고, 중재방법에 따른 그룹 간 다리 근활성도와 균형능력 차이를 검증하기 위해 공분산분석(analysis of covariance, ANCOVA)을 이용하여 분석하였다. 통계학적 유의수준은 α=0.05로 하였다.

결과

1. 그룹 간 다리 근활성도 비교

중재 전후 넙다리곧은근과 넙다리두갈래근의 그룹 간 근활성도 비교에서 그룹 I은 그룹 II와 비교하여 유의한 차이를 보였다(p<0.05)(Table 2). 중재 전후 앞정강근과 장딴지근의 그룹 간 근활성도 비교에서 그룹 I은 그룹 II와 비교하여 유의한 차이를 보였다(p<0.001) (Table 2).

Comparison of lower extremity muscle activation between groups (Unit: %)

2. 그룹 간 균형능력 비교

그룹 간 중재 전후 균형능력 비교 결과, 그룹 I은 그룹 II와 비교하여 균형능력의 유의한 차이를 보였다(p<0.001) (Table 3).

Comparison of balance ability between groups (Unit: cm2)

고찰

본 연구는 뇌졸중 환자 30명을 대상으로 게임 기반 체중지지훈련이 다리 근활성도와 균형능력에 미치는 영향을 알아본 결과 게임 기반 체중지지 훈련 그룹이 기능적 체중지지 훈련 그룹과 비교하여 중재 전후 다리 근활성도와 균형능력의 유의한 향상을 보였다.

Song 등23은 뇌졸중으로 인한 반마비 환자 27명을 대상으로 게임기반 가상현실 훈련 실험군(14명)과 일반적인 재활훈련 대조군(13명)으로 나누어 5주 동안 주 5회 중재한 결과 실험군이 상지 기능 및 어깨관절 바깥돌림, 안쪽돌림 근력과, 시·지각 기능에 유의한 향상을 보였다. 본 연구에서도 게임 기반 체중지지 훈련 그룹과 기능적 체중지지 훈련 그룹을 비교한 결과 게임 기반 체중지지 훈련 그룹에서 다리 근활성도에 유의한 차이를 보였다. 선행연구와 비교하여 훈련기간과, 훈련 방법에는 차이가 있지만 근활성도를 향상시키는 동일한 결과는 게임기반 체중지지 훈련이 뇌졸중 환자의 근활성도를 향상을 위해 필요하다는 것을 뒷받침 해줄 수 있다.

Cho와 Shin24은 노인 32명을 대상으로 wii-fit을 이용한 게임 기반 균형 훈련 실험군(17명)과 일상생활동작 훈련 대조군(15명)으로 나누어 8주 동안 주 3회 중재한 결과 실험군이 앞정강근과 장딴지근의 근활성도에 유의한 향상을 보였다. 선행연구와 비교하여 연구 대상자에 차이가 있지만 게임 기반 훈련을 통해 다리 근활성도에 유의한 향상을 보이는 동일한 결과를 보였다. 뇌졸중 환자의 기능향상을 위해서는 과제지향적 훈련과 외재적·내재적 되먹임이 운동학습과 운동조절에 효율적이라고 하였다.25 또한 게임 기반 훈련은 시각ㆍ청각적 생체 되먹임의 제공과 게임을 통한 과제지향적 훈련 및 반복적 훈련이 제공되며, 환자의 동기부여를 이끌어 낼 수 있기 때문에 다리 근활성도 향상에 효과적인 것으로 생각된다.

뇌졸중 환자는 자세 동요의 증가와 안정성 한계의 감소와 같은 균형능력의 저하를 보이며,26,27 뇌졸중 환자의 자세조절은 넙다리네갈래근, 뒤넙다리근, 장딴지근, 앞정강근의 근력과 높은 상관관계를 보고하였다.28

Cheng 등29은 뇌졸중으로 인한 반마비 환자 52명을 대상으로 일반적인 재활치료와 율동적인 시각적 되먹임 체중이동 훈련 실험군(28명)과 전통적인 뇌졸중 재활 프로그램을 이용한 균형 훈련 대조군(24명)으로 나누어 3주 동안 주 5회 중재한 후 그룹 간 비교 결과 동적 균형 능력에 유의한 향상을 나타내었다. 또한 Srivastava 등30은 뇌졸중 환자 40명을 대상으로 압력감각을 이용한 시각적 되먹임 균형 훈련을 4주 동안 주 5회 중재한 결과 버그 균형평가와 안정성 한계, 보행속도, 바델지수(Barthel index)의 유의한 향상을 보였다. 하지만 Walker 등31은 급성기 뇌졸중 환자 30명을 대상으로 압력중심에 대한 정보를 시각적 되먹임을 이용하여 체중이동 훈련 실험군(16명)과 치료사의 구두 지시나 자극을 통해 체중이동 훈련 대조군(14명)으로 나누어 5주 동안 주 3회 중재한 후 그룹 간 비교 결과 버그 균형 평가와 정적 균형 능력, 일어나서 가기 검사(Timed “UP & GO” Test, TUG)에서 유의한 차이가 없었다.

본 연구에서는 게임기반 체중지지 훈련그룹이 기능적 체중지지훈련 그룹과 비교하여 중재 전후 안정성 한계에 유의한 증가를 보여 선행연구와 부분 일치하였다. 실험군이 균형능력의 향상시킨 동일한 결과는 체중지지를 통한 압력중심에 대한 정보의 시·청각적 되먹임의 제공32이 균형 능력을 향상시킨 것으로 생각된다. 선행연구와 부분 일치한 이유는 선행연구는 주 3회 중재를 제공하였으나, 균형능력 향상을 위한 많은 연구들이 주 5회의 강도 높은 훈련(intensive mass practice)을 중재하였다.33 그러므로 균형능력의 향상을 위해서는 주 5회의 강도 높은 훈련을 중재해야 할 것으로 생각된다. 또한 선행연구에서는 급성기 환자만을 대상자로 선정한 결과 천장효과(ceiling effect)로 인하여,34 실험 결과가 왜곡되어 유의하지 않은 결과를 보인 것으로 사료된다.

본 연구의 제한점은 대상자 수가 적고, 특정 지역에서의 대상자 선정으로 모든 뇌졸중 환자에게 일반화하기에는 어려움이 있으며, 향후 본 연구를 바탕으로 뇌졸중 환자에게 게임기반 체중지지 훈련이 보행과 삶의 질에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

ACKNOWLEDGEMENTS

The Research has been conducted by the Research Grant of Sehan University in 2015.

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Article information Continued

Table 1

General characteristic of subjects

Group I (n=15) Mean±SD Group II (n=15) Mean±SD
Height (cm) 1.6±5.1 1.6±4.2
Age (year) 6.1±5.5 6.0±5.8
Weight (kg) 6.7±6.0 6.8±6.2
Stroke duration (month) 4.8±1.2 5.2±1.4
Type (infarction/hemorrhage) 8/7 7/8
Paretic side (left/right) 8/7 8/7

Group I, game based weight-bearing training (GBWBT); Group II, functional weight-bearing training (FWBT).

Figure 1

(A) Game based weight-bearing training system. (B) Game Program.

Figure 2

Functional weight-bearing training system.

Table 2

Comparison of lower extremity muscle activation between groups (Unit: %)

Group I (n=15) Group II (n=15) F p


Pre Post Pre Post
RF 29.46±4.15 38.17±3.27 28.89±5.06 34.78±3.87 4.122 0.048*
BF 25.18±3.87 29.27±4.19 24.76±4.11 27.81±3.92 6.231 0.046*
TA 27.20±4.67 34.46±3.81 28.46±4.89 33.81±4.26 15.362 <0.001
GCM 27.13±3.88 35.11±3.14 26.71±3.73 32.67±3.41 19.984 <0.001

Group I, game based weight-bearing training (GBWBT); Group II, functional weight-bearing training (FWBT).

RF, rectus femoris; BF, bicepcs femoris; TA, tibialis anterior; GCM, gastrocnemius.

*

p<0.05;

p<0.001.

Table 3

Comparison of balance ability between groups (Unit: cm2)

Group I (n=15) Group II (n=15) F p


Pre Post Pre Post
LOS 141.18±28.68 148.56±29.84 139.87±28.45 144.34±30.57 22.54 <0.001*

Group I, game based weight-bearing training (GBWBT); Group II, functional weight-bearing training (FWBT).

LOS, limited of stability.

*

p<0.001.