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[리허빌리테이션 기술-④]편마비 환자 위한 하지 보조기 개발

입력 : 2020.06.29 15:20

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[헬로티]


뇌혈관 장애(뇌졸중)은 일본인의 사망 원인 중 제4위로, 보행, 연하, 언어, 고차 뇌기능 장애 등의 후유증이 남는 경우가 많다. 일본 내각부의 통계에 의하면, 요보호 인정의 요인으로 가장 많은 것이 뇌졸중이다. 뇌졸중에 의한 후유증으로는 좌우 어느 한쪽의 손발에 마비가 남아 편마비라고 부른다. 편마비 환자의 대부분은 보행이 가능해져도 보행 시의 불안정을 보완하기 위해 하지 보조기를 사용하는 경우가 많다. 필자는 100명 이상의 편마비 환자의 보행을 계측한 결과로부터, 보조기에 필요한 기능을 밝혀내고 필요한 기능을 가진 보조기를 개발했다. 또한, 개발된 보조기를 사용한 물리치료사에 의한 보행 연습을 통해, 보다 많은 보행 개선을 볼 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 글에서는 보조기 개발의 경위와 보급을 위한 방안 및 앞으로의 과제에 대해 설명한다.


하지 보조기의 역할


사람의 보행 주기는 발이 바닥에 닿아 있는 입각기와 바닥에서 떨어져 있는 유각기로 분류된다. 보통 보행의 입각기에는 발바닥이 바닥에 닿은 상태에서 서서히 종아리가 앞쪽으로 쓰러져 가고, 이 움직임은 저굴근(종아리의 근육)으로 조절된다. 유각기에는 발끝이 바닥에 접촉하지 않도록 최저한도의 높이로 클리어런스를 유지한다. 이에 대해 편마비 환자의 보행에서는 배굴근(발끝을 올리는 근육)의 저하로 인해 유각기의 클리어런스 확보가 어렵고, 입각기는 족관절 주위의 근력 저하로 인해 안정성이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 유각기의 클리어런스를 확보하고, 입각기의 족관절을 안정화시키기 위해 하지 보조기가 사용된다. 하지 보조기에는 슬관절을 포함한 장하지 보조기와 무릎보다 아래에서 족관절의 움직임을 보조하는 단하지 보조기가 있는데, 편마비 환자들에서 많이 사용되고 있는 것은 단하지 보조기(이하, ‘보조기’)이다.


그림 1은 현재 편마비 환자에 대해 일반적으로 사용되고 있는 보조기를 나타낸다. 그림 1 a)는 관절이 없는 플라스틱형의 구둣주걱식 보조기(슈혼형 보조기)라고 불리는 것이고, b)는 관절이 있는 금속 지주형 보조기이다. 양쪽 보조기 모두 발끝을 내리는 움직임(저굴)을 멈춤으로써 클리어런스를 확보할 수 있다. 보통 보행의 입각기에서는 족관절은 서서히 배굴해 가는데, 구둣주걱식 보조기는 배굴의 움직임에 제동을 걸고 금속 지주형 보조기는 배굴 방향에 대해 저항 없이 움직이는 구조로 되어 있다. 보통 보행에서는 입각 중기부터 후기에 걸친 배굴은 저굴 근력에 의해 컨트롤된다. 그러나 편마비 환자는 저굴 근력의 저하가 현저하기 때문에 이때의 배굴의 움직임을 안정화시키기 위해 구둣주걱식 보조기의 제동이 필요하다고 알려져 있다. 앞에서 말한 이외에도 다양한 디자인의 보조기가 임상에서 사용되고 있다.


그림 1. 기존의 단하지 보조기. a) 구둣주걱식 보조기, b) 금속 지주형 보조기


한편, 편마비의 보행 장애는 다양하며, 마비의 정도, 회복의 정도, 걸음걸이의 차이 등 많은 배리에이션이 있는데, 어떤 편마비 환자에게 어떤 보조기가 적절한지에 대한 지표는 존재하지 않는다. 일본뇌졸중학회에 의한 뇌졸중 가이드라인 2015에는 ‘뇌졸중으로 내반첨족이 있는 환자에게 보행 개선을 위해 단하지 보조기가 권장된다(Grade B)’라고 기재되어 있지만, 보조기의 선택에 대한 기재는 없기 때문에 보조기의 선택은 각 시설의 의사나 물리치료사, 의지 보조기사 등의 지식과 경험에 달려있는 것이 현 상황이다.


보행 분석과 보조기 개발


필자 등이 편마비 환자의 보조기에 관한 연구를 시작한 것은 1980년대이다. 편마비 환자에게 보조기를 처방하고 있는 의사로부터 각 사용자에게 적합한 보조기를 선택하기 위한 기준을 보행 분석으로 작성할 수 없는가 하는 제안을 받았다. 보조기 선택을 위해서는 보조기의 기능 분류가 필요하고, 기능 분류를 위해서는 기능을 수치로 나타낼 필요가 있다고 생각했다. 보조기의 역할은 보행 중에 족관절 주위의 근력 보조이며, 보조 강도를 보조기의 기능으로 할 수 있다.


그림 2. 보조기의 특성 계측과 계측용 보조기를 사용한 보행 계측 모습.

 a) 보조기의 특성 계측, b) 계측용 보조기, c) 보행 계측 모습.


연구의 처음에는 각종 보조기를 시험기에 걸어, 족관절 부분의 변형에 대한 제동력의 강도를 계측했다(그림 2 a). 다음으로 제동력이 다른 보조기를 사용해 편마비 환자가 보행할 때에 보조기가 발생하는 힘의 계측이 필요하다고 생각, 그림 2 b에 나타낸 계측용 보조기를 작성해 여러 가지 설정으로 편마비 환자의 보행을 계측했다(그림 2 c). 100명 이상의 편마비 환자를 계측해 보행 데이터 분석에 의해 보조기에 필요한 기능을 밝혀낼 수 있었다.


그림 3. 보조기 보행 시의 족관절 주위의 모멘트 (대표 예)


대상이 되는 편마비 환자가 걷기 편하다고 느꼈을 때의 대표적인 예로서, 그림 3에 보행 중 족관절 주위의 모멘트를 보조기에 의한 보조와 근육 활동으로 나누어 나타냈다. 입각 초기에 보조기는 비교적 큰 보조력을 발생하지만, 이때의 근육 활동에 의한 모멘트는 거의 제로이다. 입각 중기의 보조력은 근력과 비교해 작다. 더구나 유각기에 발끝을 들어올리기 위한 보조력은 매우 작다는 것이 밝혀졌다.


그림 4. 보행 1주기에 보조기에 필요한 기능


일반적으로 보행의 입각기는 도립진자의 움직임이라고 한다. 입각 초기의 발꿈치 접지에서 족관절은 서서히 저굴하고, 이 움직임은 전경골근 등의 배굴근 활동에 의해 컨트롤된다(그림 4). 이 시기의 배굴근의 활동은 종아리를 앞쪽으로 끌어내서 접지한 하지의 전방 회전을 촉진하는 작용을 가지며, 진자가 흔들리기 시작하는 움직임이다. 이 기능을 보조기에 설정함으로써 편마비 환자의 보행을 개선할 수 있다. 또한, 이전부터 편마비 환자의 보조기 기능으로서 중요하다고 여겨져 온 입각 중기 이후의 배굴에 대한 제동은 족관절의 자유로운 움직임을 방해할 가능성이 있다. 유각기의 배굴 보조는 매우 작은 힘으로 충분하다. 보행 계측의 결과로부터 얻은 이들 결과는 족관절의 안정성 확보를 중시한 기존의 개념과는 전혀 달랐기 때문에 일본 국내의 의지 보조기 관계의 학회 등에서 발표했을 때에는 많은 논란을 불러일으켰다.


그림 5. 보조기에 필요한 기능과 개발한 보조기. 

a) 보조기에 필요한 기능, b) 스프링을 사용한 보조기, c) 유압 댐퍼를 사용한 보조기, d) 유압 보조기 디자인 타입.


앞에서 말한 기능을 가진 보조기의 발목 관절은 저굴 방향의 움직임에 대해 제동력을 발생시켜 제동력의 강도를 사용자에 따라 조절할 수 있을 필요가 있다(그림 5 a). 반대로 배굴 방향으로는 저항 없이 자유롭게 움직이는 것이다. 이 기능은 기존의 관절이 없는 플라스틱 보조기로는 실현 불가능하기 때문에 보조기의 발목 관절을 개발했다. 최초로 개발한 것은 그림 5 b에 나타낸 스프링을 사용한 보조기이다. 이 보조기의 사용으로 편마비 환자의 보행이 개선되는 것이 밝혀졌지만, 보행 보조 이외의 면에서는 여러 가지 문제가 있다는 것을 알았다. 예를 들면 보조기가 무겁고 부피가 커지거나, 의지 보조기사가 제작하는데 시간이 걸리는 등의 문제가 있었다. 필자가 가장 중요하다고 느낀 것은 뒤쪽으로 돌출된 스프링 부분이 계단을 내려갈 때에 닿아서 위험하다는 점이다. 보행 보조를 위해서 아무리 뛰어난 기능을 가지고 있다고 해도 위험한 움직임으로 이어지는 것은 피해야 한다고 생각, 이 보조기의 보급을 단념했다.


그 후 경량으로 콤팩트하고 큰 보조력을 발생시키는 유압 댐퍼를 사용한 보조기를 개발했다(그림 5 c). 그 후 동일한 발목 관절을 가지고 있으며, 보행 보조 이외에 중량이나 외관을 중시하고 또한 보조기 위에 신을 신고 벗기 쉽도록 한 디자인 버전을 개발해 현재에 이르고 있다(그림 5 d).


보조기를 사용한 보행의 변화


개발한 유압 댐퍼를 사용한 보조기는 기존의 보조기보다 족관절의 자유도가 크고, 사용자 입장에서 보면 불안정한 구조이다. 그러나 일본 국내 각지의 리허빌리테이션을 실시하고 있는 시설에서 사용한 결과로부터, 유압 보조기를 사용한 보행 연습을 실시함으로써 편마비 환자의 보행이 대폭 개선된다는 것을 경험해 왔다. 필자의 전문은 보행 계측이기 때문에 개발한 유압 보조기에 의해 편마비 환자의 보행이 개선되는 것을 사명으로 생각했다. 보행 계측 결과의 일부를 다음에 나타냈다.


편마비 환자는 발증 후 6개월까지 회복이 현저한데 이 기간을 회복기라고 부르며, 6개월 이후는 유지기라고 불린다. 보행 분석에 의해 보조기의 효과를 보기 위한 연구에서는 회복 과정과 보조기의 효과를 분리하는 것이 어렵기 때문에 보행 상태가 거의 일정해진 유지기의 편마비 환자를 대상으로 하는 경우가 많았다.


필자 등은 8명의 유지기 편마비 환자를 대상으로, 보조기를 사용한 물리치료사에 의한 보행 연습 전후의 보행을 계측했다. 보행 연습 전의 보조기 없는 보행과 보조기 보행, 3주간의 보행 연습 후의 보조기를 사용한 보행을 비교해, 연습 전의 보조기 유무 비교에 의해 즉시 효과, 연습 전의 보조기 보행과 연습 후의 보조기 보행의 비교에 의해 보조기와 보행 연습의 복합 효과를 조사했다. 그 결과, 즉시 효과로서 보행 속도 증가, 보폭 길이의 증가, 양각 지지기의 단축, 족관절 각도의 개선이 이루어졌으며, 복합 효과에서는 앞에서 말한 것에 더해 마비측 입각기의 저굴 모멘트 증가가 밝혀졌다.


그림 6. 보행 연습 전후의 족관절 주위의 모멘트 (대표 예)


그림 6은 대표적인 예로, 연습 전의 보조기 없는 보행, 보조기 보행, 연습 후 보조기 보행 시의 족관절 모멘트의 비교이다. 저굴 모멘트의 피크는 입각 중기에서 후기로 보이며, 보통 보행에서는 80~100Nm이다. 연습 전의 보조기 없는 보행에서는 피크값이 약 20Nm, 연습 전의 보조기 보행에서는 1보씩의 편차가 크고 평균적으로 약 30Nm, 연습 후의 보조기 보행에서는 평균적으로 약 50Nm인 것을 알 수 있다. 유압 보조기는 배굴 방향으로는 자유롭게 움직이기 때문에 저굴근의 보조는 하고 있지 않다. 여기서 나타낸 결과는 보조기를 사용하는 편마비 환자 자신의 근육 활동이 증가했을 가능성을 보여주고 있다. 즉, 보조기에 의한 적절한 보조에 의해 보조기 없는 보행에서는 불가능한 근육 활동을 이끌어낼 수 있었을 가능성이 있다.


필자 등의 최근 연구에서는 40명의 회복기 편마비 환자를 대상으로 랜덤 비교실험을 실시해, 유압 보조기와 기존의 저굴을 멈춘 보조기(그림 1 b)를 비교했다. 회복기의 편마비 환자를 대상으로 한 이유는 보행이 어느 정도 확립된 유지기의 편마비 환자에서는 보조기의 기능 차이에 따른 영향이 나타나기 어렵다고 생각했기 때문이다. 결과적으로 저굴을 멈춘 보조기에서는 마비측 입각기의 골반이 앞쪽으로 기울고, 저굴을 제동하는 유압 보조기에서는 몸통의 전굴이 감소한다는 것이 밝혀졌다.


저굴을 멈춘 보조기에서는 마비측의 발꿈치 접지 후에 발끝 접지를 위해 종아리가 앞쪽으로 과도하게 밀려 하지가 굴곡한 자세가 되어 골반전경이 증가한다고 생각된다. 유압 보조기에서는 저굴이 서서히 일어나기 때문에 앞으로 기울어지는 자세를 방지할 수 있었다. 편마비의 보행 시의 자세는 몸이 앞쪽으로 기울어지기 쉽기 때문에 이것을 방지하기 위해 몸을 편 자세를 유지하는 것이 리허빌리테이션을 하는데 있어 중요하다.


이 연구 결과는 보조기 발목 관절의 저굴에 대한 약간의 기능 차이가 보행 시의 골반에서부터 위의 자세에 영향을 미친다는 것을 나타낸 세계 최초의 연구이다.


앞으로의 과제


유압 보조기를 개발한 것은 2003년이며, 그 후 디자인 타입을 2006년에 개발했다. 현재 유압 보조기는 일본 국내에서 처방되는 보조기의 약 10%를 차지하고 있다. 필자는 연간 20회 이상 물리치료사를 대상으로 한 연수회, 세미나 등에서 보행의 바이오 메커닉스와 보조기의 역할에 대해 강연을 하고 있다. 지금까지의 경험으로 임상에 도움이 되는 기기의 개발을 위해 중요하다고 생각하는 것을 다음에 든다.


첫 번째는 자주 언급되고 있는 것인데, 현장의 의견을 듣는 것의 중요성이다. 보조기의 개발에 있어서는 사용하는 편마비 환자의 보행 용이성을 추구함으로써 보조기에 필요한 기능을 알 수 있었다. 또한 보행 연습을 하는 물리치료사의 의견을 개발에 반영, 의료 관계자에게 알기 쉬운 설명을 반복하는 것이 보조기 보급으로 이어진다고 생각한다.


두 번째는 보행 보조를 위한 보조기라도 그 이외의 기능을 중시하는 것의 중요성이다. 보조기뿐만 아니라 보행 보조장치의 사용자는 어쩔 수 없이 도구를 사용하고 있다고 생각, 조금이라도 받아들이기 쉬운 디자인을 연구하는 대응이 반드시 필요하다. 예를 들면 외관의 개선이나 경량화, 신발을 신기 쉽게 하는 구조, 장착의 용이성 등은 개발자의 예상 이상으로 중요하다. 편마비 환자는 마비 때문에 한쪽 손으로 보조기를 장착하게 되기 때문에 유압 보조기도 그 점에 대해 개량이 필요하다.


세 번째는 개발자의 기대를 없애는 것이다. 기존의 많은 연구에서 편마비 환자의 보행 특징으로서 저굴근의 저하가 들어지고 있는 점에서 보조기는 저굴근의 근력을 보조하는 것으로 생각되어 왔다. 그러나 계측용 보조기를 사용한 계측으로 밝혀진 보조기에 필요한 기능은 입각 초기의 배굴근의 보조였다. 또한, 이전부터 필요하다고 알려져 있던 저굴근의 보조는 불필요한 경우가 많다. 그뿐만 아니라, 입각 초기의 적절한 배굴근의 보조와 보행 연습에 의해 중기 이후의 저굴근의 활동이 증가한다는 것도 밝혀졌다. 즉 보조기는 부족한 힘을 보조하는 것이 아니라, 편마비 환자가 근력을 발휘하기 쉬운 자세를 만드는 도구라고 생각한다. 그리고 보조기를 사용한 물리치료사에 의한 보행 연습이 중요하며, 하드웨어로서의 보조기 개발만으로는 결승점에 도달하지 못한다. 리허빌리테이션에 관한 기술의 응용으로서 임상 현장에서 정말로 필요로 하는 기능을 인지한 후에 개발하는 자세가 필요하며, 그러기 위해서 반드시 하이테크가 필요한 것은 아니다. 기존의 기술을 무엇에 사용할 수 있는지가 아니라, 현장에서 무엇이 필요한지를 아는 것에서부터 시작된 개발이 필요하다.


유압 보조기도 아직 불충분한 점이 있으며, 앞으로도 하드웨어, 소프트웨어 양쪽에서 개량을 거듭해 편마비 환자의 보행 재건을 위해 도움이 되는 개발을 계속해 가고 싶다.


야마모토 스미코,   국제의료복지대학 대학원 

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