Basic Experiment on Rehabilitasion of Upper-Limb Motor Function Using Haptic-Device System

Rehabilitation exercises must maintain a patient’s interest and permit a quantitative evaluation of the rehabilitation. We have developed a haptic-device system. When users move a grip, the haptic device provides a virtual force that either assists the movement of their arm or working against it. To investigate the functional effect of this system in a rehabilitation program, we used for five subjects with motor-function disorders and measured the grip position, velocity, force exerted on the grip, and EMG activities during a reaching task of one subject. The accuracy of the grip position, velocity and trajectories patterns were similar for all the subjects. The results suggested that the EMG activities were improved by applying the virtual force to the grip. These results can be used for the development of rehabilitation programs and evaluation methods. § 이 논문은 대한기계학회 2009년도 추계학술대회(2009. 11. 4.-6., 용평리조트) 발표논문임 † Corresponding Author, komeda@se.shibaura-it.ac.jp © 2011 The Korean Society of Mechanical Engineers 이호규 · 김영탁 · 高橋良至 · 三好扶 · 鈴木禎 · 米田隆志 460 이 더해지고 있다. 종래의 운동기능 훈련이나 운동기능 회복 평가 는 재활의사, 물리치료사, 작업치료사 등의 관찰에 의한 평가에 의존하고 있으며, 평가 방법에 따라 상이하다. 운동기능 재활치료 병원 및 재활치료 시설에서 운동기능 장애 환자의 운동기능 장애 평 가 방법으로 기능적 독립지수 측정(Functional Independence Measure: FIM), 휴겔메이어 평가(FuglMeyer Assessment: FMA), 바셀지수(Barthel index) 등 의 방법으로 평가하고 있다. 이러한 평가 방법은 특정 평가점수의 변화에 국한된 경우가 대부분이 기 때문에 구체적인 상지 운동기능의 회복 양상에 관한 정보는 잘 알려지지 않고 있다. 또한, 운동기 능 장애 평가에서 휴겔메이어 평가와 바셀지수 평 가에서 장애 정도가 중등도의 평가지수를 비교해 보면, 바셀지수 평가는 일상생활의 필요 최소한의 운동기능을 충족할 수 있는 평가가 될 수 있다는 지적을 하고 있다. 동일 장애를 같은 환자라도 평가하는 방법에 따라 상이함을 보이고 있어, 의 료 기관이나 재활치료 시설에서는 정량적이며 객 관적인 평가 방법을 모색하고 있다. 정량적이고 객관적인 평가 방법이 마련된다면, 이러한 정보는 운동기능 회복을 위한 치료의 이론적 토대가 되며, 환자의 운동기능 회복의 예후에 관한 정보를 제공 하여 치료 목표 수립에 도움이 될 것이다. 객관적이며 정량적인 평가 및 훈련을 하기 위한 상지 운동기능 훈련 장치로 가상현실(Virtual Reality) 기술이나 로봇 기술을 응용한 상지 재활 치료 시스템의 개발이 도입되고 있다. 로봇 기 술을 응용한 상지 재활치료 장치로서, Hogan 등이 개발한 2 차원 동작을 할 수 있는 MIT-MANUS, Koyanagi 등이 개발한 EMUL은 3 차원의 동작이 가능한 상지 운동기능 훈련 장치로, 상지 운동기 능 장애인을 대상으로 임상 시험한 연구 결과를 보고하고 있으며, 실용화를 위해 계속적인 연구를 하고 있다. 상지 운동기능 훈련 장치 및 훈련 프로그램의 개발에는 환자의 장애 정도가 상이한 점을 고려해 야 한다. 상지 운동기능 훈련을 해야 하는 장애인 이 무리한 훈련을 지속적으로 한다면, 근골격계 질환(Musculoskeletal Disorders)인 관절부위의 근육, 힘줄 또는 연조직이 손상되어 불편을 느끼거나 통 증이 발생하는 증상이 유발돼 심리적, 정신적 고 통으로 지속적인 훈련을 기대하기가 어렵다. 저자들은 가상현실 기술의 일종인 햅틱 장치 (Haptic Device)를 이용한 상지 운동기능 재활치료 장치를 개발하였다. 햅틱 기술은 사용자에게 가 상, 증강(Augmented), 실제(Real) 환경의 다양한 정 보를 촉감을 통해 제공하는 장치이다. 햅틱 장치 는 가상의 힘을 제시할 수 있기 때문에 재활치료 에서 물리치료사, 작업치료사 등을 대신하여 훈련 을 지원할 목적으로 개발한 장치이다. 훈련 프로 그램은 환자의 장애 정도에 따라 상지 가동 범위 가 상이한 점을 고려하여 운동기능 장애 평가 브 론스트롬 스테이지(Brunnstrom stage) 3 이상인 장 애인이 훈련을 받을 수 있는 훈련 프로그램을 개 발하였고, 훈련 효과를 높이기 위해 동작 방향에 따라 정량적인 부하나 어시스트력을 제시할 수 있 는 프로그램을 개발하였다. 개발한 햅틱 장치 및 훈련프로그램을 평가 검토하 기 위해 정상인을 대상으로 임상시험을 했다. 정상 인이 햅틱 장치의 훈련 프로그램을 수행할 때, 수행 속도, 손잡이의 오차, 근전도 등을 측정하여 새로운 동작의 학습 경향과 제시한 힘에 따라 근활동의 변 화에 관한 연구 보고를 했으며, 장치의 안전성과 훈 련 프로그램의 유효성을 검토했다. 또한, 뇌졸중으 로 인한 편마비 환자를 대상으로 한 임상시험에서, 제시한 원형동작 훈련 프로그램을 피험자가 수행할 때, 상지의 양관절근 (Biarticular Muscle)인 상완이두 근과 상완삼두근이 역상위적 근활동의 재현으로 원 활한 동작이 가능했음을 보고 했다. 선행 연구에 서는 상지 동작을 생체학적 분석을 통한 동작과 근 활동의 관계에 관한 논의는 있었지만, 훈련 프로그 램에서 제시하는 힘과 관련한 훈련 프로그램의 수행 능력과 오차에 관해서는 논하지 않고 있다. 일상 생 활동작(Activities of daily living: ADL)인 식사, 세면, 옷 을 갈아입는 동작 등은 힘을 가하거나 외부에서 작 용하는 힘에 영향을 받는 동작이기 때문에 운동능력 에 따라 수행 가능 여부가 있을 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 개발한 훈련 프로그램의 타당성 을 검토하기 위해, 뇌졸중 환자를 대상으로 임상 시험을 했다. 제시한 훈련 프로그램을 피험자가 수행할 때, 동작 속도, 수행 오차 등을 측정하였으 며, 동작을 수행하기 위한 상지의 주동근과 길항 근의 동향을 조사하였다. 또한, 훈련 효과 여부를 검토하고자 제시한 힘의 방향에 따른 동작 속도와 오차, 운동학습에 관해 검토하였다.