뇌졸중 환자에서 위쪽 및 아래쪽

팔 뻗기의 운동형상학

연세대학교 대학원

재 활 학 과

이 상 헌

뇌졸중 환자에서 위쪽 및 아래쪽

팔 뻗기의 운동형상학

지도 조 상 현 교수

이 논문을 석사 학위논문으로 제출함

2002년 12월 일

연세대학교 대학원

재 활 학 과

이 상 헌

이상헌의 석사 학위논문을 인준함

심사위원 인

심사위원 인

심사위원 인

연세대학교 대학원

2002년 12월 일

감사의 글

본 연구를 위해 바쁜 일정 중에도 세심한 지도와 조언을 아낌없이 해주신

조상현 교수님, 항상 후덕한 마음으로 가르침을 주신 정민예 교수님과 학문하는데

있어 항상 열정적인 모습을 보여주신 유은영 교수님께 감사드립니다.

인자한 얼굴로 깊은 애정과 가르침을 주신 정보인 교수님, 밝은 웃음으로

대해주시고 학문의 깊이와 학문하는데 있어 바른 길을 가르켜주신 이충휘 교수님,

학문하는데 있어 열정과 카르스마를 보여주신 권오윤 교수님께 감사드립니다.

대학원 생활 동안 알찬 시간을 보낼 수 있게 해주신 이현주 선생님, 신화경

선생님, 이수영 선생님, 박소연 선생님과 같은 연구실에서 짧게는 한 학기에서

길게는 2 년 동안 함께 생활한 김영준 선생님, 정도영 선생님, 박경영 선생님,

고은경 선생님, 정이정 선생님, 김영 선생님께 감사의 마음을 전합니다.

지금의 저를 있게 해 주시고 항상 믿음으로 대해 주신 부모님과 형제들

그리고 어린 첫째 조카와 곧 태어날 둘째 조카에게 고마움을 전합니다.

무더운 여름 내 실험을 도와주신 후배 정병록, 민경철, 오영호, 이종훈과

실험에 기꺼이 참여해 주신 할아버님, 할머님들께 감사의 마음을 전합니다.

지금와서 지난 2 년 간을 되돌아 보면 너무 짧게 느껴지기도 하지만 제 인생의

방향을 제시해 준 것 같습니다. 저의 옆에서 도움을 주신 여러분들께 항상 감사의

마음을 간직하겠습니다.

졸업은 끝이 아니고 새로운 시작이라 생각하며 항상 더 멀리, 더 높이 도약할

수 있도록 노력하겠습니다.

2002 년 12 월

드림

- i-

차 례

그림 차례............................................................................................................... ii

표 차례................................................................................................................. iii

국문요약 ............................................................................................................... iv

제1장 서론 ............................................................................................................ 1

제2장 연구 방법.................................................................................................... 4

2.1. 연구 대상 ................................................................................................... 4

2.1.1 임상적 평가 .......................................................................................... 4

2.2 실험 기기 및 도구.......................................................................................6

2.2.1 동작분석 자료 수집 및 분석 시스템.....................................................6

2.3 실험 방법 ....................................................................................................7

2.3.1 실험 장치..............................................................................................7

2.3.2 실험 과정..............................................................................................7

2.3.3 자료 처리 및 분석 비교..................................................................... 10

2.4 분석 방법 ................................................................................................. 11

제3장 결과 ......................................................................................................... 12

3.1 끝점 움직임 궤적 ..................................................................................... 12

3.2 관절 각속도와 평균 움직임 시간 ............................................................. 15

3.3 관절간 협응 및 평균 능동 관절가동범위.................................................. 21

제4장 고찰 ......................................................................................................... 25

제5장 결론 ......................................................................................................... 29

참고문헌 ............................................................................................................. 30

영문요약 ............................................................................................................. 37

- ii-

그림 차례

그림 1. 삼중 표식자와 단일 표식자의 부착 위치..................................................8

그림 2. 상지 동작분석 시스템............................................................................ 10

그림 3. 단일 연구 대상자의 두 번째 위쪽 팔 뻗기 시 끝점 움직임 궤적 ......... 13

그림 4. 단일 연구 대상자의 두 번째 아래쪽 팔 뻗기 시 끝점 움직임 궤적...... 14

그림 5. 위쪽 팔 뻗기 시 관절의 평균 각속도 프로파일 .................................... 16

그림 6. 아래쪽 팔 뻗기 시 관절의 평균 각속도 프로파일................................. 17

그림 7. 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 관절 각속도 변화에 대한 3차 회귀곡선 .. 19

그림 8. 동일 개체 내에서 팔 뻗기 시 세 번 반복 측정한 자료의 평균 움직임

시간 비교.............................................................................................. 20

그림 9. 단일 연구 대상자의 두 번째 위쪽 팔 뻗기 시 관절간 협응 프로파일 .. 22

그림 10. 단일 연구 대상자의 두 번째 아래쪽 팔 뻗기 시 관절간 협응 프로파일..

............................................................................................................ 23

그림 11. 동일 개체 내에서 팔 뻗기 시 세 번 반복 측정한 자료의 평균 능동

관절가동범위 비교............................................................................... 24

- iii-

표 차례

표 1. 연구 대상자의 일반적 특성 .........................................................................5

표 2. 동작분석 시스템 능동 표식자들의 부착 위치 ..............................................8

표 3. 팔 뻗기 시 관절 각속도 변화에 대한 3차 곡선 회귀분석

(Y=A+Bx+Cx2+Dx3) ........................................................................... 18

- iv-

국문 요약

뇌졸중 환자에서 위쪽 및 아래쪽

팔 뻗기의 운동형상학

뇌졸중 후 성공적인 재활치료의 주요한 전제 조건 중 하나는 운동 손상의

원인이 되는 기전들의 이해이다. 이전 연구에서 뇌졸중 환자들의 환측 팔 뻗기 시

움직임은 속도의 감소, 분절화, 환측 관절간의 시공간적 불협응에 의한 움직임

변화성 증가로 특정지어졌다. 그러나 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기에 관한 연구는

미흡하였다.

본 연구는 뇌졸중 환자들을 대상으로 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 움직임

방향에 따른 운동형상학적 자료들이 건측과 환측 간에 차이가 있는 지를

알아보고 이를 바탕으로 운동 손상 기전들을 확인하는데 있다. 연구대상자는 환측

상지의 자발적 움직임이 가능한 편마비 환자 11명으로 하였다. 의자에 등을 대고

앉아서 엄지손가락 외측 끝을 배꼽 앞에 놓은 자세에서 동작을 시작하였으며

팔을 들어올려 대상자 앞에 위치한 목표 지점을 건드린 후 시작자세로

돌아오도록 하였다. 삼차원 동작분석 시스템을 사용하여 뻗기 시의 운동형상학적

자료를 기록하였다. 끝점 움직임 궤적, 관절간 협응 프로파일, 관절 각속도

프로파일, 움직임 시간, 능동 관절가동범위 등을 분석하였다.

본 연구에서 뇌졸중 환자들의 환측 팔 뻗기 시 끝점 움직임 궤적은 건측보다

변화가 컸다. 환측 팔의 관절간 협응은 저하되었으며 능동 관절가동범위는

감소하였고 평균 움직임 시간은 증가하였다. 이 결과들은 환측 팔이 비연속적인

- v-

움직임을 사용함을 반영한다.

연구 결과를 통하여 불연속적인 움직임이 기능 장애의 큰 원인이며 뇌졸중

환자의 재활 치료의 초점이 관절간 협응 능력 개선 등에 있음을 알 수 있었다.

또한 상지 능동 관절가동범위의 감소에도 불구하고 과제를 완수할 수 있었으므로

뇌졸중 환자 재활 치료에 있어 보상이 과제 완수에 필요한 지를 판단하고 그에

따라 치료계획을 세워야 할 것이다.

핵심되는 말: 운동조절, 운동형상학, 팔 뻗기.

- 1 -

제1장 서론

지난 30 년 동안 뇌졸중 발생률은 일정하였지만 사망률은 감소하여 재활치료를

필요로 하는 환자의 수가 증가하게 되었다(Barker, and Mullody 1997). 뇌졸중

환자에서 발생하는 문제점으로 신체 및 감각의 마비, 인지ㆍ지각장애, 언어장애,

정서장애 등이 있다(김유철 등. 1992; 이재신, 김경미 1997; Colleen, Louise,

and Nicholas 2000; Pedretti 1996). 뇌졸중 후 환측 팔의 운동기능 장애는 상위

운동 신경원 마비에 의해 발생하는데, 부드러운 움직임 조절과 관절간

협응(interjoint coordination)이 상실되며 정상적인 자세 기전들이 손상받게 되어

비정상적인 움직임 시너지(synergy)가 발생된다(Pedretti 1996). 환측 팔의

운동기능 장애로 인하여 옷 입기, 목욕하기 등의 많은 일상활동 수행상의

어려움이 야기되며(Gresham et al. 1975) 건측 팔로 환측 팔을 보상하여

사용하게 되므로 운동기능이 회복된 후에도 환측 팔을 사용하지 않게 된다고

하였다(Taub 1980; Taub et al. 1993; Wolf et al. 1989).

몇몇 작업치료사들은 뇌졸중 후 손상된 운동기능을 회복시키면 환자들의

적응과정을 줄이고, 보다 독립적이 될 수 있다고 여겼다. 그러나 운동기능 회복에

있어 성공적인 치료는 제한적이었으며 그 이유 중 한 가지는 치료사들이

운동기능 손상에 대한 분명한 지식없이 뇌졸중 환자들을 치료하기 때문이라고

하였다(Basmajian, and Deluca 1987; Lough et al. 1984).

치료사들은 뇌졸중 환자의 재활 치료에 앞서 운동기능을 평가하게 된다.

뇌졸중 환자들의 운동기능을 평가하기 위한 이전의 연구방법들은 과제를

구성하는 동작의 분석이 아닌 과제수행 자체, 수행 여부 만을 기술하는

관찰방법을 사용하였다(Brunnstrom 1970; Fugl-Meyer et al. 1975; Haaland,

- 2 -

and Delaney 1981; Kimura 1977; Twitchell 1951). 그러나 지난 십 여년 동안

이차원 및 삼차원 동작분석 시스템의 개발과 발전으로 운동형상학(kinematics),

운동역학(kinetics) 등의 분석이 가능하게 되었다(Derek et al. 2002).

이런 기술의 발전으로 건강인의 팔 뻗기 움직임은 폭넓게 연구되었고 이론적

모델들이 지난 수십 년 동안 발전되어 왔다(Hogan 1984; Hollerbach, and

Atkeson 1987; Soechting, and Lacquaniti 1981). 과거 연구에서 건강인 혹은

원숭이들이 목표물을 향하여 팔을 뻗을 때 연속적인 움직임을 사용한다고

보고하였다(Arbib 1985; Beggs, and Howarth 1972; Bullock, and Grossberg

1988; Geogopoulos 1986; Hogan 1984; Morasso 1981; Soechting, and

Lacquaniti 1981; Wing, and Miller 1984).

몇몇 연구에서 뇌졸중 환자의 팔 뻗기 시 운동형상학을 분석하였다(Cirstea,

and Levin 2000; Levin 1996; Van Vliet et al. 1995). 과거 연구에서 팔 뻗기

동작 시 가장 말단 부위에 부착한 표식자를 “끝점(end point)”이라 하고, 팔을

뻗고 회수하는 동작을 하나의 동작 주기라고 할 때 동작 주기 안에서 끝점의

속도 변화를 그래프로 표현한 것을 끝점 속도 프로파일(profile)이라

하였다(Levin 1996). 뇌졸중 환자에서 환측 팔 뻗기 시 움직임 시작 지연, 끝점

속도 프로파일의 분절화(segmentation), 움직임 시간 연장, 관절간

협응(interjoint coordination) 저하, 능동 관절가동범위(active range of

motion)의 감소를 보고하였다(Cirstea, and Levin 2000; Gowland et al. 1993;

Hammond, Kraft, and Fitts 1988; Levin 1996; Trombly 1992; Van Vliet et al.

1995). 뇌졸중 환자의 팔 뻗기 연구는 대부분이 수평면 상의 움직임에 국한되어

있고(Cirstea, and Levin 2000; Gowland et al. 1993; Hammond, Kraft, and

Fitts 1988; Levin 1996; Roby-Brami et al. 1997; Trombly 1992; Van Vliet et

al. 1995) 몇몇 연구에서 건강인의 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 운동형상학을

- 3 -

분석하였지만(Papaxanthis, Pozzo, and Stapley 1998, Papaxanthis et al. 1998a,

Papaxanthis et al. 1998b) 뇌졸중 환자에서 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기에 관한

연구는 미흡하였다.

이 연구의 목적은 뇌졸중 환자에서 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 끝점 움직임

궤적, 평균 각속도 프로파일, 관절간 협응 패턴 등으로 측정되는 운동형상학적

자료들이 건측과 환측 간에 차이가 있는 지를 알아보고 성공적인 재활 치료의

주요한 전제 조건 중 하나인 운동 손상 기전을 확인하는데 있다.

- 4 -

제2장 연구 방법

2.1 연구 대상

본 연구는 원주지역에 거주하고 환측 상지의 자발적인 움직임이 가능한

편마비 환자 11명을 대상으로 하였다. 연구 대상자들은 실험 목적과 의의에 대해

이해할 수 있는 사람들로 하였다. 편측 무시, 시각장애, 실행증, 어깨 관절 탈구,

상지의 통증이 있거나 목표지점까지 팔을 뻗을 수 없는 환자들은 실험에서

제외시켰다. 모든 연구 대상자는 본 실험의 목적에 충분히 이해하고 동의하였으며

실험에 자발적으로 참여하였다. 연구 대상자들의 평균 연령은 72.15±7.49세

였으며 평균 유병 기간은 89.64±92.93개월이었다. 상완의 길이는

부리돌기(acromion process)에서 두 번째 손바닥 뼈(metacarpal bone)

머리까지의 거리를 측정하였는데, 평균 값은 60.45±8.85 cm 이었다. 앉은 키는

의자에 곧게 앉은 자세에서 지면에서 부리돌기까지의 수직거리를 측정하였으며

평균 값은 119.26±7.45 cm이었다(표 1).

2.1.1 임상적 평가

임상적 평가로서 Modified Ashworth Scale (MAS)와 Fugl-Meyer scale

(F-M)을 실시하였다. 강직(spasticity)은 대상자가 표준 의자에 앉은 자세에서

중간 정도의 속도로 수동 팔꿉 관절 신전 시 저항을 MAS로 평가하였다.

감각기능, 반사, 손기능, 관절간 협응을 평가할 수 있으며 만점이 66점인 F-M을

이용하여 환측 상지의 기능을 평가하였다(표 1).

- 5 -

표 1. 연구 대상자의 일반적 특성 (N=11)

임상적 평가 인체계측학적 자료 연구

대상자 나이 (세)

성별 유병기간

(월) 환측

F-Ma MASb상완의 길이 (cm)

앉은 키

(cm)

1 62 남 276 왼쪽 41 1+ 86 136

2 79 여 15 오른쪽 55 1+ 55 115

3 79 여 10 오른쪽 53 1+ 59 117

4 80 여 17 왼쪽 47 1+ 57 113

5 77 여 14 왼쪽 51 2 57 115

6 72 여 120 오른쪽 37 1 60 113

7 70 여 192 왼쪽 56 1 56 122

8 78 여 10 오른쪽 49 1 55 114

9 57 남 175 오른쪽 65 1 56 126

10 69 여 120 오른쪽 57 1 60 118

11 71 남 37 오른쪽 49 1 63 128

a Fugl-Meyer Scale. b Modified Ashworth Scale.

- 6 -

2.2 실험 기기 및 도구

2.2.1 동작분석 자료 수집 및 분석 시스템

운동 형상학적 자료를 얻기 위해서 실시간 삼차원 동작분석 시스템인 CMS-

HS (Zebris Medizintechnik GmbH, Isny, Germany)를 사용하였다. 이 장비는

개인용 컴퓨터, 초음파 신호를 내보내는 직경 1 ㎝의 능동 표식자(active

marker), Basic Unit CMS-HS, 24개의 능동 표식자의 정보를 전달할 수 있는

cable adapter, 그리고 초음파 신호를 인식하는 측정 감지기(measuring sensor

MA-HS)로 구성된다. 단일 표식자의 공간상의 좌표는 앞(+)뒤(-)가 X축,

좌(-)우(+)가 Y축, 위(+)아래(-)가 Z축으로 정의되었다. 각도의 변화는 CMS-

HS를 통해 20 ㎐의 표본 수집률(sampling rate)로 측정되었다. 윈도우즈용

WinData 2.19 프로그램 (Zebris Medizintechnik GmbH, Isny, Germany)을

사용하여 각 표식자의 정보를 삼차원상 좌표로 전환하였으며 각 좌표 간의

실시간 각도 변화를 저장하였다.

- 7 -

2.3 실험 방법

2.3.1 실험 장치

팔 뻗기 동작을 위해 높이 42 ㎝, 폭 45 ㎝, 너비 42 ㎝인 등받이가 있고

팔걸이가 없는 표준형 나무 의자와 높이 2 m 까지 cm 단위로 눈금 매겨진 높이

조절 가능한 표준 키 측정기구를 사용하였다. 동작분석기의 측정

감지기(measuring sensor MA-HS)를 의자의 시상면과 평행하게 위치시켰다.

측정 감지기의 각도는 지면과 직각(90˚)을 이루게 하였다.

2.3.2 실험 과정

연구자는 대상자에게 실험 목적과 의의에 대해 충분히 설명하였다. 동작분석에

필요한 3개의 삼중 표식자와 1개의 단일 표식자의 부착 부위를 피부 표면에

유성펜으로 표시하고 부착하였다. 동작분석 시스템에 사용된 능동 표식자의

부착위치는 표 2, 그림 1과 같다.

- 8 -

표 2. 동작분석 시스템 능동 표식자들의 부착 위치

표식자 능동 표식자의 부착 위치

첫 번째 삼중표식자

부리돌기(acromion process)와 위팔뼈(humerus)의 외측 상관절융기(lateral epicondyle)의 등쪽 중간지점

두 번째 삼중표식자

위팔뼈(humerus)의 외측상관절융기(lateral epicondyle) 와 자뼈 돌기(ulnar styloid process)의 등쪽 중간지점

세 번째 삼중표식자

세 번째 손바닥뼈(third metacarpal bone)의 등쪽 중간지점

단일표식자 두 번째 손바닥뼈 등쪽 머리(second metacarpal head)

그림 1. 삼중표식자와 단일 표식자의 부착 위치.

첫 번째 삼중표식자

두 번째 삼중표식자

세 번째 삼중표식자

단일 표식자

- 9 -

어깨 관절 각도는 첫 번째 삼중표식자, 팔꿉 관절 각도는 첫 번째와 두 번째

삼중표식자, 손목 관절 각도는 두 번째와 세 번째 삼중표식자, 끝점의 좌표는

단일표식자의 정보를 이용하였으며 WinData 2.19 프로그램을 사용하여 실시간

각도와 공간상의 좌표로 변환하였다(그림 2). 동작분석 시스템의 장비상태를

확인하고 프로그램 수행 상의 사전 준비가 완료된 후 대상자를 의자에 앉게

하였다. 연구 대상자는 몸통을 제한하지 않고 의자에 등을 대고 앉아서

엄지손가락 외측 끝을 배꼽 앞에 놓은 자세에서 동작을 시작하였다. 위쪽 뻗기는

시작자세에서 정중면에 위치하고 어깨 높이 30 cm 위, 부리돌기에서 세 번째

손바닥뼈 머리 거리만큼 떨어진 키 측정 기구에 부착된 지점을 두 번째 손가락

끝으로 건드린 후 시작자세로 돌아오기로 정의하였으며 아래쪽 뻗기는

시작자세에서 정중면에 위치하고 어깨 높이 30 cm 아래, 부리돌기에서 두 번째

손바닥뼈 머리 거리만큼 떨어진 키 측정 기구에 부착된 지점을 두 번째 손가락

끝으로 건드린 후 시작자세로 돌아오기로 정의하였다.

- 10 -

그림 2. 상지 동작분석 시스템.

연구 대상자는 시작자세에서 눈금 정하기(calibration) 과정을 거쳤다.

연구자에 의해‘준비’라는 예령‘시작’이라는 구령과 함께 움직임을

시작하였다. 연구 대상자가 움직임에 익숙해지도록 위쪽과 아래쪽 팔 뻗기를 각각

3회씩 연습하게 하였다. 연습 후에 위쪽 뻗기, 아래쪽 뻗기 각각 3회를 건측과

환측에서 측정하였다.

2.3.3 자료 처리 및 분석 비교

동작분석 시스템에서 얻어진 자료들은 아스키(ASCII) 파일로 변환되어 엑셀

프로그램에 다시 저장되었다. 두 번째 손바닥뼈 등쪽 머리에 부착된 단일

표식자의 Z 축 최고 속도의 5%를 뻗기 움직임의 시작과 종료로 설정하였다.

- 11 -

각 동작 주기에 소요된 시간이 다양하나 표본 수집률이 일정하여 MATLAB

응용 프로그램을 사용하여 모든 동작 주기의 자료를 1000 개로 변환하였으며

3 회 측정된 값을 평균하여 평균 각속도 그래프로 표현하였다.

2.4 분석 방법

3회 반복 측정한 운동형상학적 자료들을(동작 변화들의 상대적 시간 변수)

사용하여 뇌졸중 환자의 건측과 환측을 비교하였다. 자료의 통계처리를 위해

윈도우즈용 SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) 11.0

프로그램을 사용하였다.

동일 개체 내에서 건측과 환측을 비교하기 위하여 비모수 통계 방법인 윌콕슨

쌍대검정(Wilcoxon matched-pairs signed-ranks test)를 사용하여 뻗기 시

평균 움직임 시간, 평균 능동 관절가동범위를 비교하였으며 독립표본 t

검증(Independent t-test)을 이용하여 각 관절의 최고 각속도를 비교하였다.

비선형 회귀(Non-linear regression) 분석을 이용하여 관절 각속도의 회귀식을

구하고 회귀곡선을 제시하였다. 유의 수준은 α는 0.05로 설정하였다.

- 12 -

제3장 결과

3.1 끝점 움직임 궤적

끝점 움직임 궤적은 팔 뻗기 시 두 번째 손바닥뼈 머리에 부착된 단일

표식자의 X축, Y축, Z축의 공간상의 좌표를 이용하여 분석하였다. 끝점 움직임

궤적은 X축 좌표의 변화에 따른 Y축 및 Z축 좌표의 변화를 그래프로 나타내었다.

건측에서 팔 아래쪽 뻗기 시 X축과 Z축 간의 궤적은 불규칙하였고 이외에서

X축의 값이 증가, 감소 시에 Y축 및 Z축 값이 동시에 감소, 증가하는 규칙적인

움직임을 보였다. 환측은 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 모두에서 불규칙한 패턴을

보였다(그림 3과 4).

- 13 -

500 700 900-100

0

100

200

300건 측

d

X축(mm)a

Y축

(mm

)b

600 800 1000-1000

-750

-500

-250

0

X축 (mm)

Z축

(mm

)c

a X축 좌표의 절대값.

b Y축 좌표. c Z축 좌표. d 움직임 경로.

700 900 1100-100

0

100

200

300환 측

X축(mm)Y

축(m

m)

700 900 1100-1000

-750

-500

-250

0

X축(mm)

Z축

(mm

)

그림 3. 단일 연구 대상자의 두 번째 위쪽 팔 뻗기 시 끝점 움직임 궤적.

- 14 -

600 800 1000-100

0

100

200

300 건 측

d

X축(mm)a

Y축

(mm

)b

800 1000 1200-300

-200

-100

0

100 환 측

X축(mm)

Y축

(mm

)

600 800 1000-800

-700

-600

X축(mm)

Z축

(mm

)c

800 1000 1200-800

-700

-600

X축(mm)

Z축

(mm

)

a X축 좌표의 절대값. b Y축 좌표. c Z축 좌표. d 움직임 경로.

그림 4. 단일 연구 대상자의 두 번째 아래쪽 팔 뻗기 시 끝점 움직임 궤적.

- 15 -

3.2 관절 각속도와 평균 움직임 기간

관절 각속도와 평균 움직임 시간은 팔 뻗기 시 시작점에서 출발하여

목표지점을 찍고 시작점까지 돌아오는 동안 관절의 평균 각속도와 소요 시간으로

분석하였다. 전체 대상자의 건측과 환측 간의 평균 각속도 프로파일을 비교하였을

때 위쪽 팔 뻗기 시 건측 관절의 각속도는 움직임이 연속적인 종 모양이었으며

환측 팔의 관절 각속도도 이와 유사하였다(그림 6). 회귀분석 시 R²은 위쪽 팔

뻗기 시 건측 어깨 관절 0.92, 팔꿉 관절 0.85, 손목 관절 0.86였으며 환측 어깨

관절 0.85, 팔꿉 관절 0.89, 손목 관절 0.85였으며 아래 쪽 팔 뻗기 시 건측

어깨 관절 0.94, 팔꿉 관절 0.94, 손목 관절 0.73였으며 환측 어깨 관절 0.89,

팔꿉 관절 0.92, 손목 관절 0.93였다(표 3). 또한 건측과 환측의 3차 회귀식은

유사한 패턴을 보였다(그림 7). 환측 팔의 모든 관절에서 1차 최고 각속도, 2차

최고 각속도는 건측 보다 느렸으며 위쪽 뻗기 시 팔꿉 관절의 1차 최고 각속도,

어깨 관절과 팔꿉 관절의 2차 최고 각속도, 아래쪽 뻗기 시 어깨 관절과 손목

관절의 1차 최고 각속도, 어깨관절의 2차 최고 각속도는 건측 팔과 유의한

차이를 보였다(p<0.05). 위쪽 및 아래쪽 뻗기 시 평균 움직임 시간은 건측이

환측보다 빨랐으며 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 위쪽 뻗기 시 건측의 평균

움직임 시간은 80.97±26.82 ms, 환측은 104.00±30.76 ms였으며 아래쪽 뻗기

시에는 60.73±13.32 ms, 89.92±16.39 ms 이었다(그림 8).

- 16 -

50 100

-0.15

-0.10

-0.05

-0.00

0.05

0.10

0.15

1차 최고 각속도a

2차 최고 각속도b

건 측

어깨

관

절 각

속도

(o/m

s)

(%)c

50 100

-0.15

-0.10

-0.05

-0.00

0.05

0.10

0.15 환 측

어깨

관

절

각속

도 (

o/m

s)

50 100

-0.15

-0.10

-0.05

-0.00

0.05

0.10

0.15

팔꿉

관절

각

속도

(o/m

s)

50 100

-0.15

-0.10

-0.05

-0.00

0.05

0.10

0.15

팔꿉

관절

각

속도

(o/m

s)

50 100

-0.15

-0.10

-0.05

-0.00

0.05

0.10

0.15

손목

관

절 각

속도

(o/m

s)

50 100

-0.15

-0.10

-0.05

-0.00

0.05

0.10

0.15

손목

관

절

각속

도 (

o/m

s)

평균, 표준편차. + 굽힘, - 폄. a 시작점에서 목표지점까지의 최고 각속도.

b 목표지점에서 시작점까지의 최고 각속도. C 상대적 발생시기.

그림 5. 위쪽 팔 뻗기 시 관절의 평균 각속도 프로파일.

- 17 -

50 100

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

1차 최고 각 속 도a

2차 최고 각 속 도b

건 측

(%)c

어깨

관

절 각

속도

(o/m

s)

50 100

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10 환 측

어깨

관절

각속

도(o

/ms)

50 100

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

팔꿉

관

절 각

속도

(o/m

s)

50 100

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10팔

꿉

관절

각속

도(o

/ms)

50 100

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

손목

관절

각속

도(o

/ms)

50 100

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

손목

관

절

각속

도(o

/ms)

평균, 표준편차. + 굽힘, - 폄. a 시작점에서 목표지점까지의 최고 각속도. b 목표지점에서 시작점까지의 최고 각속도. c 상대적 발생시기.

그림 6. 아래쪽 팔 뻗기 시 관절의 평균 각속도 프로파일.

- 18 -

표 3. 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 관절 각속도 변화에 대한 3차 곡선 회귀분석 (Y=A+Bx+Cx2+Dx3)

(N=11)

Y 절편

(A)

1 차항

상수(B)

2 차항

상수(C)

3 차항

상수(D) R²

위쪽 팔 뻗기

건측 7.42e-003 6.05e-003 -1.90e-004 1.29e-006 0.92 어깨 관절 환측 21.34e-003 2.14e-003 -0.82e-004 0.57e-006 0.85

건측 -3.39e-002 7.30e-003 -2.01e-004 1.35e-006 0.85 팔꿉 관절 환측 -1.36e-002 3.28e-003 -0.92e-004 0.63e-006 0.89

건측 8.054e-003 11.84e-004 -0.38e-004 0.25e-006 0.86 손목 관절 환측 16.12e-003 0.81e-004 -0.15e-004 0.11e-006 0.85

아래쪽 팔 뻗기

건측 10.25e-003 2.26e-003 -0.75e-004 0.50e-006 0.94 어깨 관절 환측 8.59e-003 1.14e-003 -0.41e-004 0.28e-006 0.89

건측 3.28e-003 4.27e-003 -12.69e-005 0.83e-006 0.94 팔꿉 관절 환측 2.87e-003 3.06e-003 -9.52e-005 0.65e-006 0.92

건측 25.65e-003 -0.27e-003 -0.71e-005 0.53e-007 0.73 손목 관절 환측 8.41e-003 1.52e-003 -5.19e-005 3.55e-007 0.93

- 19 -

위쪽 뻗기

20 40 60 80 100

-0.07

-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07 건측 어깨관절환측 어깨관절

아 래 쪽 뻗기

25 50 75 100

-0.07

-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07 건측 어깨관절환측 어깨관절

20 40 60 80 100

-0.07

-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07 건측 팔꿉 관절환측 팔꿉 관절

25 50 75 100

-0.07

-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07 건측 팔꿉 관절

환측 팔꿉 관절

20 40 60 80 100

-0.07

-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07 건측 손목관절환측 손목관절

25 50 75 100

-0.07

-0.05

-0.03

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07 건측 손목관절

환측 손목관절

그림 7. 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 관절 각속도 변화에 대한 3차 회귀곡선.

- 20 -

0

25

50

75

100

125

150

위쪽 뻗기 아 래 쪽 뻗기

건 측

환 측

p < 0.05, 윌 콕 슨 쌍 대 검 정 .

움직

임 시

간(

m s

)

그림 8. 동일 개체 내에서 팔 뻗기 시 세 번 반복 측정한 자료의 평균 움직임 시간 비교.

- 21 -

3.3 관절간 협응 및 평균 능동 관절가동범위

관절간 협응 및 평균 능동 관절가동범위는 건측과 환측의 팔 뻗기 시작점에서

시작하여 목표지점을 찍고 시작점으로 돌아올 때까지의 관절간 협응 프로파일,

평균 능동 관절가동범위 등으로 분석하였다. 건측에서 팔 위쪽 뻗기 시 어깨 관절

굴곡 후에 팔꿉 관절 굽힘, 손목 관절 폄 패턴을 보였으나 환측에서는 불규칙한

패턴을 보였다(그림 9과 10). 환측의 어깨 관절, 팔꿉 관절, 손목 관절의 평균

능동 관절가동범위는 건측 보다 작았다(그림 11).

- 22 -

-10 10 30 50 70 90

-50

-25

25

50 건 측굽힘

폄

굽힘폄a

어깨 관절 각도 (o)

팔꿉

관절

각도

(o)

-10 10 30 50 70 90

-75

-50

-25

25

50 굽힘

굽힘

폄

폄

어깨 관절 각도 (o)

손

목 관

절 각

도(o

)

a 움직임 경로.

-10 10 30 50 70 90

-50

-25

25

50 환 측굽힘

굽힘폄

폄

어깨 관절 각도 (o)

팔꿉

관절

각

도(o

)

-10 10 30 50 70 90

-75

-50

-25

25

50

굽힘

굽힘

폄

폄

어깨 관절 각도 (o)

손

목 관

절 각

도(o

)

그림 9. 단일 연구 대상자의 두 번째 위쪽 팔 뻗기 시 관절간 협응 프로파일.

- 23 -

-10 20 50

-75

-50

-25

25건 측

굽힘

굽힘

폄

폄

a

어깨 관절 각도 (o)

팔

꿉 관

절 각

도(o

)

-10 20 50

-75

-50

-25

25환 측

굽힘

굽힘

폄

폄

어깨 관절 각도 (o)

팔

꿉 관

절 각

도(o

)

-10 20 50

-75

-50

-25

25

굽힘

굽힘

폄

폄

어깨 관절 각도 (o)

손

목 관

절 각

도(o

)

a 움직임 경로.

-10 20 50

-75

-50

-25

25

굽힘

굽힘

폄

폄

어깨 관절 각도 (o)

손

목 관

절 각

도(o

)

그림 10. 단일 연구 대상자의 두 번째 아래쪽 팔 뻗기 시 관절간 협응 프로파일.

- 24 -

어 깨 관 절

0

20

40

60

80

100 위쪽 뻗기 아 래 쪽 뻗기

평균

능동

관

절 가

동범

위(O

)

0

20

40

60

80

100 위쪽 뻗기 아 래 쪽 뻗기

팔 꿉 관 절평

균 능

동 관

절 가

동범

위(O

)

0

20

40

60

80

100 위쪽 뻗기 아 래 쪽 뻗기

건 측

환 측

p < 0.05, 윌 콕 슨 쌍 대 검 정 .

손 목 관 절

평균

능동

관절

가동

범위

(o)

그림 11. 동일 개체 내에서 팔 뻗기 시 세 번 반복 측정한 자료의 평균 능동 관절가동범위 비교.

- 25 -

제4장 고찰

본 연구는 동작분석 시스템을 사용하여 뇌졸중 환자에서 위쪽 및 아래쪽 팔

뻗기 움직임을 분석하였다. 분석을 통하여 팔 뻗기 수행 및 조절 상의 주요한

문제점들을 운동형상학적 자료를 바탕으로 제시하였으며 운동 손상 기전들을

확인하였다. 운동형상학적 자료로서 끝점 움직임 궤적, 평균 각속도 프로파일,

관절간 협응 프로파일, 평균 움직임 시간, 평균 능동 관절 가동범위 등을

제시하였다.

건측의 끝점 움직임 궤적은 아래쪽 팔 뻗기 시 X축과 Z축 간의 움직임을

제외하고 규칙적인 선상의 움직임을 보였으나 환측은 불규칙하였다(그림 3과 4).

이와 같은 결과는 Van Thiel와 Steenbergen(2000)의 연구 결과와 일치하였으며

뇌졸중 환자들은 환측 상지의 자유도(degrees of freedom) 조절에 문제가 있는

것으로 사료된다.

평균 관절 각속도 프로파일은 건측 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 종 모양의

부드러운 프로파일을 보였으며 팔 뻗기 시 각 관절의 1차 및 2차 최고 각속도는

건측이 환측보다 빨랐다(그림 5와 6). 평균 움직임 시간은 건측이 환측보다

빨랐다(그림 8). 관절 각속도 회귀분석 시 R²은 건측 및 환측 관절 모두에서

0.79 이상이었으며(표 3) 건측과 환측의 회귀 곡선은 유사한 패턴을 보였다

(그림 7). 환측 팔 뻗기 시 최고 각속도의 감소와 평균 움직임 시간의 감소 등을

통하여 감각 되먹임이 오류를 수정하고 움직임을 유도하는 역할을 수행하고 있는

것으로 사료되며(Kusoffsky, Apel, and Hirschfeld 2001, Van Vliet et al. 1995)

뇌졸중 환자의 환측 팔 뻗기 시 최고 각속도의 감소와 평균 움직임 시간의

- 26 -

증가에도 불구하고 회귀분석 시 높은 상관계수와 건측과 환측 회귀곡선의

유사성으로 보아 환측 팔은 건측 팔과 유사한 움직임을 발생시키려 하는 것으로

생각된다.

뇌졸중 환자에서 환측 팔 뻗기 시 관절간 협응은 불규칙하였다. 본 연구에서

어깨 관절 하나의 자유도와 팔꿉 관절 및 손목 관절의 두 개의 자유도 간의

관절간 협응을 분석하였는데 건측에서 팔 뻗기 시 어깨 관절 각이 증가, 감소할

때 팔꿉 관절 각과 손목 관절 각이 동시에 감소, 증가하였으나 환측에서는

불규칙한 패턴을 보였다(그림 9와 10). 위의 결과를 통하여 뇌졸중 환자들은

자세 유지, 움직임 시작, 움직임 조절을 위해 필요한 근육의 근 긴장도를

발생시키고 조절하는데 문제가 있는 것으로 생각되며 한 가지 원인으로 뇌졸중

후 발생하는 운동계의 생리적 변화를 들 수 있다. 뇌졸중 후 생리적 변화는

운동신경원(motoneuron), 신경(nerve), 근육(muscle)의 변화로 구분될 수 있다.

과거 연구에서 뇌졸중 후 운동신경원에서 운동원(motor units)의 감소와 운동원

동원(recruitment) 순서, 운동원 포화률(firing rate)의 변화가 발생하며 신경에서

말초 신경 전도의 변화, 근육에서 형태와 수축성(morphological and contractile),

운동원 특성, 기계적 특성(mechanical properties)의 변화가 발생한다고

하였다(Bourbonnais, and Noven 1989).

평균 능동 관절가동범위는 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 모두에서 건측이 환측보다

컸으며 위쪽 팔 뻗기 시 어깨 관절과 팔꿉 관절, 아래쪽 팔 뻗기 시 팔꿉

관절에서 유의한 차이를 보였다(그림 11). 그러나 뇌졸중 환자들은 과제를

완수할 수 있었다. 위의 결과는 Cirstea 와 Levin (2000)의 연구와 일치하였으며

뇌졸중 환자들이 어깨 관절과 팔꿉 관절의 움직임 제한을 극복하기 위하여

- 27 -

몸통의 보상적 움직임을 사용한다는 이전 연구의 결과를(Cirstea, and Levin

2000; Roby-Brami et al. 1997) 뒷받침 하였다. 그러나 본 연구에서는 몸통의

움직임을 측정하지 않아 어떤 보상 움직임을 발생시키는 지는 알 수 없었다.

움직임에는 대표적으로 두 가지가 있으며 열린 고리(open loop)라고 불리는

사전 계획된 연속적인 움직임과 닫힌 고리(closed loop)라고 불리는 사전

계획되지 않은 불연속적인 움직임이다(Brooks, Cooke, and Thomas 1973;

Brooks 1974; Brooks, and Watts 1988). 연속적인 움직임은 끝점 속도

프로파일에서 한 번씩의 가속과 감속이 특징적으로 나타나고 움직임 속도

그래프의 중간 지점에서 영점을 가로지르며 감각 되먹임에 의해 교정되지

않는다(Brooks, Cooke, and Thomas 1973; Brooks 1974; Brooks, and Watts

1988). 불연속적인 움직임은 단편적인 움직임의 연결을 특징으로 하며 단편적인

움직임의 끝에서 감각 되먹임의 기회가 있다(Arbib 1985; Morasso 1981;

Fetters, and Todd 1987).

본 연구의 결과와 위의 내용에서 뇌졸중 환자가 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시

건측은 연속적인 움직임을 사용하나 환측은 불연속적인 움직임을 사용하는

것으로 생각된다. 이와 같은 결과를 통하여 불연속적인 움직임이 운동 장애의

주요한 원인 중 하나일 것으로 사료되며 뇌졸중 환자 재활 치료의 초점은 단순히

마비 근육의 근력 향상이 아닌 연속적임 움직임 회복을 위한 관절간 협응 능력

향상 등에 맞춰져야 할 것이다. 덧붙여, 뇌졸중 환자가 환측 팔 뻗기 시 움직임

제한을 극복하기 위하여 몸통 굴곡, 회전 등의 보상 움직임을 사용하여 과제를

완수할 수 있으므로 이와 같은 보상 움직임이 과제 완수에 필요한 지를 판단하고

이에 따라 치료 계획을 세워야 할 것이다.

- 28 -

본 연구의 제한점으로 뇌졸중 환자의 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 몸통의

움직임을 측정하지 않아 몸통의 보상적 움직임을 분석할 수 없었다. 그러므로

앞으로 팔 뻗기 시 움직임뿐만 아니라 몸통의 움직임도 분석할 필요가 있다.

덧붙여, 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 만을 분석하여 수평면에서의 팔 뻗기와 비교할

수 없었으므로 동일 개체 내에서 수평면과 이마면(frontal plane)에서 팔 뻗기

비교 연구가 필요하다.

- 29 -

제5장 결론

본 연구는 뇌졸중 환자를 대상으로 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 움직임 방향에

따른 운동형상학이 건측과 환측 간에 차이가 있는 지를 알아보고 결과를 통하여

뇌졸중 환자의 운동 손상 기전을 확인하는데 있었다. 삼차원 동작분석기기를

사용하여 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 운동형상학을 분석하였다. 연구 대상자는

원주 지역에 거주하고 환측 상지의 자발적인 움직임이 가능한 편마비 환자

11명으로 하였다. 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

뇌졸중 환자의 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 환측 팔의 움직임은 끝점 움직임

궤적의 불규칙성, 관절간 협응의 저하, 평균 움직임 시간의 증가, 평균 능동

관절가동범위 감소 등을 보였다. 이와 같은 결과를 통하여 뇌졸중 환자는 건측

팔은 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 연속적임 움직임을 사용하나 환측 팔은

비연속적인 움직임을 사용하는 것으로 생각된다.

연구 제한점으로 환측 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 몸통의 보상 움직임을

분석하지 않았으므로 앞으로 팔 뻗기 시 몸통의 움직임을 분석한 연구가

필요하며 본 연구가 위쪽 및 아래쪽 팔 뻗기 시 건측과 환측 간의

운동형상학만을 분석하여 수평면에서의 팔 뻗기 움직임과 비교할 수 없었으므로

동일 개체 내에서 수평면과 이마면에서 팔 뻗기 비교 연구가 필요하다.

- 30 -

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ABSTRACT

Kinematics of Upward and Downward Arm Reaching

in Stroke Patients

Lee Sang Heon

Dept. of Rehabilitation Therapy

(Occupational Therapy Major)

The Graduate School

Yonsei University

The major prerequisite for successful rehabilitation therapy after a stroke

is understanding the mechanisms of underlying motor deficits, one of the

common factors seen in patients.

Previous studies have shown that in stroke patients, the reaching

movement of the hemiparetic arm is characterized by decreased movement

speed and increased movement variability, increased movement

segmentation, and spatial and temporal incoordination between the joints of

in the arm.

We compared the kinematics between the affected and the unaffected arms

during upward and downward reaching, and identified the mechanisms of

underlying movement deficits. Eleven hemiparetic subjects with the ability

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of voluntary movement of the affected arm participated. Movements were

made in sitting position and the lateral end of the thumb was positioned over

umbilicus. Then the subject lifted the arm, reached for the target, and

returned to the initial position. Kinematic data from the arms were recorded

with a three-dimensional motion analysis system. End point trajectory,

interjoint coordination, angular velocity profile, mean movement time, and

active range of motion were analyzed.

The end point trajectories of the affected arms in stroke subjects were

more variable than of the unaffected arms. Interjoint coordination was

disrupted, the active range of motion was decreased, mean movement

duration increased. These results evidenced that the affected arms tended to

employ uncontinuous movement.

From the results, the uncontinuous movements were found to be the cause

of movement deficits, and so the stroke rehabilitation therapy is to be

focused on increasing the interjoint coordination. Despite the decreased

active range of motion, stroke patients were able to complete the reaching

task. This means that rehabilitation professionals need to judge the need of

compensatory movements in completing a task for stroke patients, and then

plan the stroke rehabilitation therapy program following the decision.

Kew Words: Arm reaching, Kinematics, Motor control.