압력측정매트를 이용한 압력 중심 이동에 대한 급성기 허혈성 뇌졸중 노인의 보행능력 평가: 성향점수를 이용한 환자-대조군 연구
Gait ability on center of pressure excursion using a pressure-sensitive mat in the elderly with ischemic stroke: a case–control study with propensity score matching
Article information
Trans Abstract
Background
Center of pressure (COP) is a useful measure for dynamic balance, which directly represents the ability of weight shift and control of the foot, however, there is no study analyzing COP during whole stance phase in the elderly with acute stroke.
Methods
A total of 30 acute ischemic stroke patients (mean age±standard deviation [SD], 75.0±5.6 years; 11 females) and 30 propensity score matched controls (mean age±SD, 72.8±5.9 years; 17 females) using age, sex, and Korean version of Mini-Mental State Examination score were finally included. Participants performed barefoot walking trials on a pressure-sensitive mat until 20 footfalls in each limb were corrected. To evaluate gait function based on COP, mean and coefficient of variance as variability were calculated for 3 types of variables as followings: (1) durations of sub-phases in stance phase, (2) mean locations and displacement ranges of COP, and (3) velocities.
Results
Significant difference was observed in many of both mean and variability variables. Especially, stroke patients had an increased duration, posterior location of COP, wide range of mediolateral and anteroposterior displacement range, and slow velocity in foot flat phase belonging to the double limb stance. In variability variables, stroke patients had significantly larger variabilities of COP velocities in all sub-phases except in foot flat phase and late propulsive phase were stood out.
Conclusions
The elderly with acute ischemic stroke had inefficiency during double limb stance and reduced functional balance in single limb stance in both sides, implying impaired gait ability on COP excursion in these patients.
서론
노화는 다양한 신경근육 문제를 일으키는 뇌졸중의 가장 중요한 위험인자 중 하나이다. 노인 인구 중 특히 뇌졸중 후유증으로써 신경근 문제를 가진 뇌졸중 환자는 흔히 보행 및 균형 장애를 호소하는데 이는 낙상의 주요 원인이다[1,2]. 뇌졸중 환자는 흔히 인지 저하와 우울증을 동반하여 노인에서 일반적인 근골격계 질환으로 인해 균형능력이 감소된 환자에 비해 더 높은 낙상 위험을 가지며[3], 낙상 이후에 손상이 발생하지 않더라도 낙상에 대한 두려움과 불안함이 신체적 활동을 감소시키고 사회적 고립과 우울증을 심화시켜 낙상의 위험을 증가시키는 악순환을 만든다[4].
압력 중심(center of pressure, COP)은 지면 반발력의 중심점으로써 체중 이동능력과 발의 조절능력을 직접적으로 보여준다[5–7]. 압력 중심은 보행 중 동적 균형능력과 보행의 효율성을 드러내지만 현재까지 뇌졸중 환자에서 제한적으로 적용되고 있다. 압력 중심은 주로 압력 판(platform system)과 안창(insole system)을 이용하여 측정되어왔다. 안창은 유연한 형태를 가져 다양한 목적으로 사용될 수 있지만 특히 입각기(stance phase) 초기 및 후기에 왜곡된 압력을 제공한다[8]. 압력 판은 정확한 측정을 가능하게 하지만 제한된 크기로 인해 균형 장애를 가진 환자군에서 온전한 발자국을 얻기 어려워 과한 반복을 요구한다[8–10]. 최근의 연구에서 압력측정매트를 이용한 압력 중심의 측정방법이 발표되었지만[8], 현재까지 뇌졸중 환자에서 압력 중심을 이용하여 입각기 전체를 분석한 연구는 전무하다. 따라서 본 연구는 급성기 허혈성 뇌졸중 노인 환자에서 나이 및 성별을 매칭한 군과 비교하여 입각기 전체에서 압력측정매트를 이용해 압력 중심 이동에 대한 보행능력을 조사하는 것을 목적으로 한다.
방법
1. 연구 설계 및 대상자
본 연구는 전향적 환자-대조군 연구로, STROBE 가이드라인에 따라 수행되었다. 대상자는 (1) 뇌졸중 증상 발생 후 1주일 이내 허혈성 뇌졸중으로 진단되었고, (2) 2018년 8월부터 2019년 12월까지 고려대학교 안산병원 신경과에 입원한 노인 환자(65세 이상 89세 이하)로, (3) 보행검사 당시 보조도구 없이 독립적으로 10 m를 한 번에 걸을 수 있는 환자, (4) 양측 하지 근력이 Medical Research Council’s scale 등급 4 이상인 환자를 모집하였다. 재활의학과 전과 및 퇴원시점을 고려해서 뇌경색 증상 발생 후 6일(중위수: 사분위수, 5-7일)에 진행되었다. 이들 중 보행능력에 영향을 미칠 수 있는 (1) 과거 뇌졸중, 파킨슨병, 백질 질환, 신경근 질환, 치매, 척추 협착증, 하지 관절염, 또는 보행 중 통증이 있는 환자, (2) 입원 중 뇌졸중 재발이나 다양한 원인으로 신경학적 증상이 악화된 환자는 제외되었다. 대조군은 가천대학교(1044396-201801-HR-027-01) 연구를 위해 2018년 2월부터 2018년 12월까지 전향적으로 모집된 대상자들을 활용하였다. 본 연구는 고려대학교 안산병원 연구윤리심의위원회(AS0291)와 가천대학교의 승인을 받았다. 연구 참여 이전에 모든 대상자로부터 서면동의서를 받았고 모든 절차는 승인된 연구 프로토콜과 규정에 따라 수행되었다.
2. 측정 및 절차
4.6 m 길이, 0.9 m 폭의 압력측정매트(GAITRite; CIR Systems, Sparta, NJ, USA)를 사용하여 240 Hz의 샘플링 주파수로 보행 중 압력 변화를 측정하였다. 보행로는 매트의 양 끝으로부터 2 m가 떨어진 지점 사이로 표시되었고, 대상자는 편안한 걸음으로 각 발당 20개의 발자국이 수집될 때까지 맨발 보행을 수행하였으며 필요 시 각 시도(trial) 간 휴식을 취하였다.
3. 측정 변인
이전 연구의 정량화 방법을 참조해서 다음 3가지 변인을 측정하였다[8]. (1) 입각기 내 세부 구간과 같은 시간 변인, (2) 세부 구간별 압력 중심의 이동 범위 및 평균 위치, (3) 압력 중심 이동 속도, 입각기 내 세부 구간에 대한 설명은 Supplementary Table 1에 정리하였다. 데이터의 전처리 절차는 이전 연구에서 수식과 함께 자세히 기술되어 있으나 간략하게 요약하면, 기존 매트에 대해 정의된 좌표 계에 속한 압력 중심을 어파인 변환(affined transform)을 이용해 개별 발에 대한 좌표 계로 이동시켰다(Figure 1 and Supplementary Figure 1) [11].
Illustration for sub-phases in stance phase (A) and affine transform of coordinate systems in data preprocessing (B). (A) A white bold line in the footfalls is a progression line of center of pressure and rectangles are activated sensors. (B) Blue axes are affine transformed (parallel translation and rotational transform) coordinate systems from the original one of the black axes as a mat.
4. 통계 분석
기술 통계량은 개수와 백분율, 평균과 표준편차, 또는 중위수와 사분위수로 표현하였고, 압력 중심 변수에서의 변동성으로서 변동 계수(coefficient of variance)를 계산하였다. 정규성 검정을 위해 Shapiro-Wilk test, 등분산성 검정을 위해 Levene’s test를 사용하였다. 발자국은 이중 고려(double-dipping) 문제를 피하기 위해 병변의 위치에 따라 병변 동측과 병변 반대측으로 나누었다[12]. 허혈성 뇌졸중군을 나이, 성별, Korean version of Mini-Mental State Examination (K-MMSE) 점수에 대한 성향점수를 이용하여 1:1 매칭된 대조군과 비교하였다. 비교통계는 명목형 변수의 경우 chi-square test, 연속형 변수의 경우 independent t-test 또는 Mann–Whitney U test를 사용하였다. Cohens’ d와 통계적 힘(power)을 계산하였고, 유의수준은 0.05 미만으로 설정하였다. 모든 데이터 처리 및 통계 분석은 python 3.8.2 (PSF, Beaverton, OR, USA)를 사용하여 수행되었다.
결과
1. 대상자의 일반적 특성
총 225명의 허혈성 뇌졸중 환자로부터 최종적으로 30명의 급성기 허혈성 뇌졸중 노인이 환자군으로 포함되었고(Figure 2), 50명의 정상 노인 중 1:1 성향점수 매칭을 통해 30명이 최종적으로 대조군으로 선택되었다. Propensity score 매칭 시 활용한 변수의 매칭 후 absolute standardized difference는 나이를 제외하고 모두 <0.1 이하였다. 보행 측정은 입원 후 6일째(median [interquartile range, 5-7일])에 수행되었다. 체질량 지수, 벡(Beck) 우울척도 2판 점수, 분당 걸음수(cadence), 보행 속도가 대조군에서 유의하게 높았다(Table 1). 허혈성 뇌졸중 환자군의 보행 문제로 단일마비(n=7, 23.3%), 편마비(n=11, 36.7%), 실조성 보행(n=12, 40.0%)이 포함되었다. 허혈성 뇌졸중군에서 심혈관 질환의 비율이 유의하게 높았지만, 다른 기저질환에서 두 군 간 유의한 차이는 없었다. 허혈성 뇌졸중 환자군의 가장 많은 연관 동맥(relevant artery)은 중간대뇌동맥(n=14, 46.7%)이었으며, 다음으로 뒤대뇌동맥(n=6, 20.0%), 뒤아래소뇌동맥(n=4, 13.3%), 뇌바닥동맥(n=2, 6.7%), 위소뇌동맥(n=2, 6.7%), 다발성 동맥(n=2, 6.7%)이었다. 다발성 병변 중 한 명은 중간대뇌동맥과 앞대뇌동맥의 경계대뇌경색(borderzone infarction)이었고, 다른 한 명은 가쪽숨뇌 및 소뇌의 경색증이었다.
Patient flowchart.
Characteristics of the participants
2. 병변 동측에서 압력 중심 변수의 평균 비교
허혈성 뇌졸중군에서 대조군에 비해 유의하게 더 긴 후기 디딤기(late contact phase), 평평기(foot flat phase), 초기 추진기(initial propulsive phase)가 관찰되었다(Table 2). 허혈성 뇌졸중군에서 압력 중심의 평균 위치는 평평기에서 내측, 후기 디딤기, 평평기, 초기 추진기, 후기 추진기에서 뒤꿈치에 더 가깝게 위치하였다. 허혈성 뇌졸중 환자는 평평기와 후기 추진기에서 유의하게 더 넓은 범위의 좌우 이동 범위를 보였고, 후기 디딤기, 평평기, 초기 추진기에서 유의하게 더 넓은 앞뒤 이동 범위를 보였다. 허혈성 뇌졸중군은 평평기에서 압력 중심의 앞뒤, 좌우 및 모든 방향에서의 이동 속도가 유의하게 느렸지만 초기 추진기에서 좌우 이동이 더 빠른 속도를 보였다.
Comparison of the mean center of pressure variables in ipsi-lesional side
3. 병변 반대측에서 압력 중심 변수의 평균 비교
허혈성 뇌졸중군은 대조군에 비해 유의하게 더 긴 평평기와 초기 추진기를 보였다(Table 3). 좌우 평균 위치에서 유의한 차이는 없었지만 허혈성 뇌졸중군은 모든 세부 구간에서 앞뒤 평균 위치가 발 뒤꿈치에 가깝게 위치하였다. 허혈성 뇌졸중군은 평평기에서 압력 중심이 유의하게 더 넓은 좌우 및 앞뒤 이동 범위와 후기 디딤기와 초기 추진기에서 더 좁은 앞뒤 이동 범위를 보였다. 또한 초기 추진기에서 유의하게 더 빠른 좌우 이동 속도를 보였지만 평평기에서 더 느린 앞뒤 및 전체 속도를 보였다
Comparison of the center of pressure variables in contra-lesional side
4. 병변 동측에서 압력 중심 변수의 변동성 비교
허혈성 뇌졸중군은 대조군에 비해 초기 및 후기 디딤기, 초기 추진기에서 유의하게 더 큰 변동성을 보였다(Table 4). 좌우 평균 위치에서 변동성은 유의한 차이가 없었으나 초기 디딤기, 평평기, 후기 추진기에서 유의하게 더 큰 앞뒤 평균 위치의 변동성이 관찰되었다. 허혈성 뇌졸중군은 평평기에서 압력 중심의 좌우, 앞뒤 이동 범위의 변동성이 유의하게 작았으나 후기 디딤기, 초기 및 후기 추진기에서 앞뒤 이동 범위의 변동성은 더 컸다. 허혈성 뇌졸중군은 후기 디딤기와 초기 추진기에서 좌우 이동 속도, 초기 및 후기 디딤기와 초기 추진기에서 앞뒤 및 전체 속도의 유의하게 더 큰 변동성을 보였다.
Comparison of the coefficient of variance of center of pressure variables in ipsi-lesional side
5. 병변 반대측에서 압력 중심 변수의 변동성 비교
허혈성 뇌졸중군은 대조군에 비해 초기 및 후기 디딤기와 후기 추진기가 유의하게 더 큰 변동성을 보였다(Table 5). 좌우 평균 위치의 변동성에서 유의한 차이는 없었지만 허혈성 뇌졸중군은 초기 추진기를 제외한 모든 세부 구간에서 앞뒤 평균 위치의 더 큰 변동성을 보였다. 허혈성 뇌졸중군은 좌우 이동 범위의 후기 디딤기에서 더 큰 변동성과 평평기에서 더 작은 변동성을 보였다. 앞뒤 이동 범위는 허혈성 뇌졸중군이 더 작은 변동성을 보이는 평평기를 제외하고 모든 세부 구간에서 더 큰 변동성을 보였다. 허혈성 뇌졸중군은 후기 디딤기와 초기 추진기에서 좌우, 앞뒤, 전체 속도의 더 큰 변동성을 가졌다. 초기 디딤기에서 전체 속도 또한 허혈성 뇌졸중군에서 유의하게 더 큰 변동성이 관찰되었다.
Comparison of the coefficient of variance of center of pressure variables in contra-lesional side
고찰
본 연구는 압력 중심 분석을 이용해 허혈성 뇌졸중군에서 전체 입각기 중 압력 중심 이동의 특성을 분석한 최초의 연구로, 급성기 허혈성 뇌졸중 노인 환자에서 성향점수를 매칭한 대조군에 비해 압력 매트를 이용해서 얻은 다양한 변수에서 유의한 차이가 있는 것을 확인하였다. 과거의 많은 연구에서 보행 속도, 분당 걸음수, 활보 길이(stride length)와 같은 시공간 변인이 주로 측정되었지만, 뇌졸중군에서 뇌 병변 위치에 따라 보행능력 저하 양상이 다양하게 나타나기 때문에 이러한 변인은 뇌졸중 환자의 보행능력 평가에 충분하지 않다[2]. 압력 중심은 다양한 보행능력 저하 양상에 대하여 세부적이고 정량적으로 파악할 수 있는 측정으로 사용될 수 있으며, 이는 특히 기존 시공간 변인에서 얻는 보행의 기능적 능력뿐만 아니라 체중 이동과 발의 조절능력에 대한 정보를 제공하고 동적 균형능력을 파악하는 데 도움이 될 수 있다.
본 연구결과는 허혈성 뇌졸중군에서 병변 동측 및 반대측 모두 평평기에 압력 중심이 머무는 시간이 길어 양발 지지기가 연장되는 것을 보여주었다. 평평기에서 압력 중심의 안쪽 및 뒤쪽의 평균 위치는 발의 뒤꿈치로부터 가쪽 세로궁(lateral longitudinal arch)으로 체중 이동에 어려움이 있다는 것을 의미한다. 이 구간에서 정상적으로 압력 중심은 가쪽 세로궁을 따라 발의 가쪽 가장자리에서 최소한의 좌우 이동과 함께 빠르게 전방으로 이동한다[13,14]. 이 구간에서 느린 앞뒤 속도와 넓은 범위의 좌우 이동 범위는 뇌졸중 환자가 두 발에서 모두 가쪽 세로궁을 적절하게 이용하지 못하는 것을 의미한다. 또한 비록 앞뒤 및 좌우 이동 범위의 변동성은 작지만 앞뒤 위치의 변동성이 큰데, 이들 결과는 허혈성 뇌졸중군이 양발 지지기 동안 효율적인 보행을 하지 못하는 것을 의미한다.
허혈성 뇌졸중 환자는 양측 모두에서 초기 추진기에 압력 중심의 빠른 좌우 이동을 보였다. 짧은 해당 구간과 함께 빠른 속도는 양발 지지기로부터 한발 지지기로의 변화가 그들의 동적 균형능력에 영향을 미치고 좌우 방향으로 동요를 만들어 내는 것을 의미한다. 마찬가지로 해당 구간 동안 상당히 큰 변동성은 이러한 결핍된 균형능력을 드러낸다.
흥미롭게도 후기 디딤기와 초기 추진기에서 좌우 및 앞뒤 속도의 변동성과 초기 디딤기의 전체 속도가 허혈성 뇌졸중 환자의 양측 모두에서 큰 것으로 관찰되었다. 발목은 뒤꿈치가 지면에 닿으며 적응과 충격 흡수를 위해 통제되어야 한다[15]. 이러한 큰 변동성은 허혈성 뇌졸중 환자가 발을 디딜 때 충분히 균형능력을 유지하지 못하는 것을 의미한다.
우리는 좌우 발에서 한발 지지기에 속하는 구간인 초기 및 후기 디딤기, 병변 동측에서 초기 추진기, 반대측에서 후기 추진기 구간의 큰 변동성을 관찰하였다. 이들 세부 구간, 특히 초기 디딤기와 후기 추진기에서 유의한 차이가 거의 발견되지 않았는데 이는 이들 구간 크기의 큰 변동성 때문으로 생각된다.
따라서 본 연구의 결과는 압력 중심 이동을 통해 급성기 허혈성 뇌졸중 환자에서 낙상 예방을 위해 초기 디딤기를 포함하여 입각기 시작 시 발목을 통제할 수 있는 훈련의 필요성을 보여준다. 또한 양발 지지기에서 한발 지지기로 변화할 때 좌우측 동요를 줄일 수 있는 균형 훈련이 필요할 것으로 생각된다. 본 결과는 또한 균형능력의 개선 이후 급성기 허혈성 뇌졸중 환자의 보행 재활은 양발 지지기 동안 가쪽 세로궁에 대한 체중 지지에 대해 이루어질 필요성을 보여준다.
현재까지 허혈성 뇌졸중군에서 보행 중 압력 중심을 측정한 유일한 연구에서 저자들은 80 Hz의 샘플링 주파수로 양발 지지기에서만 데이터를 수집하였다[16]. 저자들은 감소된 앞발의 구간과 비마비측에서 압력 중심의 좌우 위치의 큰 변동성을 보고하였다. 우리의 결과도 비슷하게 초기 추진기에서 더 적은 구간을 확인하였으나, 좌우 평균 위치의 변동성은 모든 세부 구간에서 유의한 차이는 없었다. 우리는 양측 모두에서 평평기에 더 적은 좌우 이동 범위의 변동성과 병변 반대측에서 후기 디딤기에 더 큰 변동성을 관찰하였다. 이러한 결과의 차이는 환자군 특성에서의 차이에서 기인하는 것으로 생각된다. 비록 저자들이 그들의 환자군의 영향을 받은 동맥을 명확히 언급하진 않았으나 마비측과 비마비측의 비교를 하면서 편마비 환자만이 대상자에 포함되었을 것으로 생각된다. 이와 대조적으로 우리 연구에서는 경증 및 중등도의 편마비, 단일마비 및 실조성 보행 문제를 가진 급성기 허혈성 뇌졸중 환자가 포함되었다.
본 연구에는 몇 가지 제한점이 있다. 먼저, 병변의 위치와 관계없이 허혈성 뇌졸중 환자가 포함되었다. 또한 다발성 병변을 가진 두 환자의 경우 편측의 병변만 가진 환자를 포함하였으나 여러 보행 문제를 복합적으로 가질 수 있다. 병변 위치는 보행 양상에 다르게 영향을 미칠 수 있고, 따라서 우리 대상자에게서 앞에서 언급한 보행 패턴(편마비, 단일마비 및 실조성 보행)의 이질성이 존재할 수 있다. 대조군의 경우 대뇌 영상을 시행하지 않아 대뇌 백질 질환의 동반 여부를 알 수 없지만, 정상 보행 대상자만 포함되었기 때문에 대뇌 백질 질환이 보행에 미치는 영향은 매우 적을 것으로 생각된다. 둘째로, 발을 병변의 위치에 따라 동측과 반대측으로 분류하였다. 좌우측의 차이나 각 측에 대한 영향의 정도는 영향을 받은 동맥에 따라 다를 수 있다. 또한 신경학적 검사 상 마비가 관찰되지 않은 환자 또한 대상자로 포함되었다. 따라서 우리 결과는 허혈성 뇌졸중의 특정 유형에 적용하기에 제한될 수 있다. 추후 연구는 더 많은 대상자를 모집하여 특정 증상별 분석이 필요할 것으로 생각된다. 셋째로, 우리는 압력측정매트만 이용하여 보행능력을 측정하였고 결과는 제한적으로 해석될 수 있다. 보행 분석은 체계적인 접근과 포괄적인 검사가 필요한 연구 분야로 향후 연구는 3차원 동작 분석 및 표면 근전도 등의 표준적 측정과 함께 보충적 측정으로써 함께 수행되는 것이 필요하다. 넷째로, 보행 속도는 압력 중심 이동에 영향을 미칠 수 있으나 본 연구는 특정 범위의 속도로 통제하거나 분석 시 속도를 보정하지 않았다. 정상인에서의 보행 속도는 그 영향이 미미한 것으로 보고되었으나[11,17], 급성기 허혈성 뇌졸중에서는 보행 속도가 압력 중심의 이동에 미치는 영향이 미미하다는 것을 보장할 수 없으며 향후 연구는 속도에 따른 압력 중심 이동에 대한 보행능력이 고려되어야 할 것이다.
본 연구의 결과는 급성기 허혈성 뇌졸중 노인에서 정상 대조군에 비해 다양한 압력 중심 변수에서 차이가 있는 것을 확인하였으며, 특히 양발 지지기의 비효율적인 압력 중심의 이동과 한발 지지기에서 균형능력의 결핍을 보여주었다. 이러한 결과는 급성기 허혈성 뇌졸중 노인 환자의 보행 평가 및 재활 치료 방향 설정을 위해 임상적인 통찰을 줄 것으로 기대된다.
Supplementary Material
Supplementary data are available at https://doi.org/10.53991/jgn.2022.00052.
Description for sub-phases of stance phase.
Sample illustration for center of pressure (COP) excursion. Movements of COP were illustrated on each case of control group (A) and acute ischemic stroke group (B). X and Y axes were normalized to width and length of the foot, respectively. Blue circles and shades indicate mean location and 2 standard deviation for medial-lateral movement of COP, respectively. Red and green diamond denote the transition time from single limb stance to double limb stance and that time from double limb stance to single limb stance.
Notes
Conflicts of Interest
The authors have no potential conflicts of interest to disclose.
Funding
This work was supported by the Research Awards of Korean Society of Geriatric Neurology.
Acknowledgements
All authors thanked Kyoung-Eun Kwon, a research nurse at Korea University Ansan Hospital, for contributing to the recruitment and data collection of subjects.
Author Contributions
Conceptualization: ETJ, HJS, SHL, SHK, JMJ; Data curation: ETJ, HJS, SHK, JMJ; Formal analysis: ETJ; Funding acquisition: JMJ; Investigation: SHL, JMJ; Methodology: ETJ; Project administration: HJS, SHL, JMJ; Resources: JMJ; Software: ETJ; Supervision: SHL, SHK, JMJ; Validation: JMJ; Visualization: ETJ; Writing-original draft: ETJ; Writing-review & editing: SHL, SHK, JMJ.