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Most individuals with upper extremity disability resulting from a stroke face

difficulties effectively using their more-affected arm and hand in daily activities.

Spontaneous use of the more- affected arm in daily life is a meaningful indicator of motor

recovery for stroke rehabilitation. However, the spontaneous use of the more-affected arm

varies among patients. Some patients with stroke continue to use the more-affected arm

after treatment, while others avoid using their more-affected arm in the real world even

though they have a residual capacity to use it. Therefore, it is important to understand the

mechanisms underlying arm choice in individuals with post-stroke as a basis for effective

rehabilitation strategies.

This dissertation has two aims. The first is to develop a simple, objective, and

replicable tool to assess movements in upper extremities in individuals with stroke. The

Bilateral Arm Reaching Test (BART) system has been proposed to assess spontaneous use,

non-use, and performance of upper extremities. The BART shows excellent test-retest

reliability and strong external validity with clinical assessments for non-use of the moreaffected

arm in individuals with stroke. In addition, we modified the BART system (timebased

BART) by adding additional movement duration constraints and evaluated

performance and use of the more-affected arm. The fast condition in the time-based BART

system shows excellent test-retest reliability and strong validity with Actual Amount of

Use Test (AAUT) and Wolf Motor Function Test (WMFT) for spontaneous use and

performance assessments.

xiii

The second aim of this dissertation is to understand the mechanisms that determine

arm choice for both patients with stroke and age-matched nondisabled people by clarifying

individual factors related to arm choice during reaching tasks. Lesion side (Right

hemiparesis vs. Left hemiparesis) leads to different arm choice patterns and mechanisms.

Computational modeling of arm choice revealed that patients with right- hemiparesis took

effort and movement duration into account when choosing the more-affected arm, while

patients with left-hemiparesis additionally took success into account. The results of this

dissertation may ultimately further the development of rehabilitation strategies customized

for each individual with stroke.

뇌졸중 환자의 60% 이상은 환측 상지(affected arm) 움직임에 영구적인 장애를 가지고 있으며, 이러한 장애는 일상생활을 활동함에 있어 불편함을 초래한다. 환측 상지의 자발적인 사용(spontaneous use of affected arm), 즉 일상생활을 하는 동안 자발적으로 환측 상지를 사용하는 것은 뇌졸중 재활에 있어 상지 기능 회복의 주요한 지표로 쓰이고 있다. 하지만 환측 상지의 자발적인 사용은 환자들마다 다르며, 어떤 환자들은 재활 치료가 끝나고 난 후에 지속적으로 환측 상지를 계속 사용하는 반면, 어떤 환자들은 환측을 쓸 수 있음에도 불구하고 사용을 기피하는 경향을 보이기도 한다. 따라서 효과적인 뇌졸중 치료를 위해 뇌졸중 환자의 환측 상지 기전에 대해 알아보는 심도 있는 연구가 필요하다.

본 박사 학위 논문 주제는 뇌졸중 환자의 환측 상지의 사용(use of the affected arm)과 수의적인 움직임 조절 능력(volitional movement control)의 관계를 이해하는 것이며, 연구 목적은 크게 뇌졸중 치료를 위한 객관적인 상지 평가도구 개발과 뇌졸중 환자의 상지 사용의 기전에 대한 이해로 나눠진다. 본 연구는 뇌졸중 환자의 상지 움직임(movement)과 행동(behavior)을 다양한 측면에서 분석하여, 이러한 분석들을 통해 뇌졸중 환자들을 위한 물리치료가 효과적이었는지, 임상적으로 의미 있는 향상을 이끌어 냈는지에 대한 정보를 제공해 주는데 의의가 있다. 또한 본 연구 결과는 뇌졸중 환자뿐만 아니라 다른 신경학적 질병(파킨슨씨병이나 뇌성마비 등)을 앓고 있는 환자들의 물리치료의 바탕이 될 것으로 사료된다.

첫째로, 뇌졸중 재활을 위한 객관적인 평가도구 개발의 일환으로 The Bilateral Arm Reaching Test(BART) system 을 개발하였다 (학위 논문 제 2장: Quantifying Arm Non-use in Individuals Post-stroke). BART 시스템은 컴퓨터 기반인 측정 장비로 뇌졸중 환자의 환측 상지의 기능(function), 환측 상지의 사용 여부(use), 그리고 환측 상지의 비사용(non-use)을 객관적이고 빠르게 측정할 수 있는 도구이다. BART 시스템은 지름 3cm 원형의 과녁(target)을 실험대 위에 보여주고 실험 참가자들로 하여금 그 과녁을 오른손 또는 왼손 둘 중 하나를 사용하여 1.2초 안에 터치하게끔 한다. BART 시스템에는 두 가지 측정 컨디션이 있는데 자발적 사용 컨디션(spontaneous use session: 참가자들이 자유롭게 과녁을 터치할 손을 선택할 수 있는 컨디션)과 강제적 사용 컨디션 (constraint use session: 참가자들이 한 손만을 사용하여 과녁을 터치하는 컨디션)이다. 총 24명의 뇌졸중 환자들과 같은 연령대의 비장애인 10명을 대상으로, BART 시스템과 임상 평가 도구인 the Actual Amount of Use Test (AAUT)을 사용하여 상지 기능과 상지 사용 여부를 측정하였고, 환측 상지의 비사용(non-use)은 강제적 사용 컨디션과 자발적 사용 컨디션의 차이로 계산하였다. 연구 결과로는, BART 시스템과 AAUT 임상 평가에서 뇌졸중 환자 모두에게서 환측 상지의 비사용이 관측되었고, BART 시스템에서 측정된 환측 상지의 비사용 값이 AAUT 임상 평가에서 측정된 환측 상지의 비사용 값과 통계학적으로 의미 있는 상관관계를 보여, BART 시스템의 측정 타당성을 증명하였다. 또한 BART 시스템은 세 번의 반복 측정동안 높은 신뢰도는 보였다. 이러한 결과들은 환측 상지의 비사용 정도를 객관적으로 정량화하고 반복적인 측정이 가능한 BART 시스템이 평가 기준이 주관적이고 반복측정이 불가능한 기존의 임상평가 도구들을 대체할 수 있는 새로운 방법으로 쓰일 수 있으며, BART 시스템이 반복적인 재활 훈련을 할 수 있는 치료용 목적으로 사용될 수 있다는 견해를 뒷받침 하고 있다.

본 학위 논문 제 3장에서는(Chapter 3: Objective Assessments of Upper Extremity Performance, Use, and Non-use After Stroke) 기존의 BART 시스템의 제한점을 보완하여 뇌졸중 환자의 상지 기능, 사용, 비사용을 보다 정확하게 측정하는 연구를 진행하였다. 기존의 BART 시스템은 과녁을 1.2초 안에 터치해야 되는데, 이 작업은 상지 기능이 좋은 환자들에게 상대적으로 쉬운 작업이고, 상지 기능이 좋지 않은 환자들에게는 어려운 작업으로 평가되었다. 따라서 BART 시스템에 작업 수행 시간제한(time limit)을 추가적으로 첨가하여, time-based BART 시스템을 개발하였다. Time-based BART 시스템은 작업 수행 시간제한 없음(no time constraint condition), 중간 속도(medium speed condition: 1초), 빠른 속도(fast speed condition: 0.5초)의 3가지 단계들로 구성되었으며 각 단계마다 자발적 사용 컨디션(spontaneous use session)과 강제적 사용 컨디션(constraint use session)이 반복되도록 구성되었다. 중간과 빠른 속도 단계에서는 실험자가 과녁들을 정해진 시간 안에 터치 하지 않으면 과녁이 사라지도록 설정되었다. 환측 상지의 기능(function)은 time-based BART 시스템의 강제적 사용 컨디션과 임상 평가도구 Wolf Motor Function Test (WMFT)로 측정되었고, 환측 상지의 사용(use)은 time-based BART 시스템의 자발적 사용 컨디션과 임상 평가도구 AAUT로, 환측 상지의 비사용은 time-based BART 시스템의 강제적 사용 컨디션 결과 값과 자발적 사용 컨디션 결과 값의 차이로 계산되었다. time-based BART 시스템은 임상 평가도구들과 측정값에 있어 통계적으로 유의한 상관관계를 보였는데, 특히 빠른 속도(fast speed condition)에서 상지 기능(function)과 사용(use)이 각각 WMFT와 AAUT 평가에서 높은 상관관계를 보였다. 이와는 대조적으로, 중간 속도(medium speed condition)과 시간제한 없음(no time constraint) 단계는 임상 평가도구들과 통계학적으로 유의한 상관관계를 보이지 않거나 약한 상관관계를 보였다. 환측의 비사용 (non-use) 역시 빠른 속도에서 측정된 값들로 추정된 것이 AAUT 에서 추정된 비사용과 통계적으로 유의한 상관관계를 보였다. 연구 결과를 통해서 time-based BART 시스템이, 특히 빠른 속도 단계(fast speed condition)에서 뇌졸중 환자의 상지 기능, 사용, 비사용을 신뢰성 있고 타당하게 평가하고 있음을 증명하였다.

둘째로, 뇌졸중 환자의 환측 상지의 사용 기전에 대한 이해로, ‘Computational model’을 통해 뇌졸중 환자가 어느 경우에 환측 상지르 사용하는지에 대해 예측하였다(학위 논문 제 4장: Habitual versus Adaptive Use of Affected Arm in Right and Left Hemiparesis). 상지 사용의 Computational model의 종속변수는 작업 수행을 위해 사용된 상지(환측 또는 건측)의 선택 (arm choice)이고 예측변수는 움직임 시간 (movement duration), 생체 역학적 에너지 (biomechanical effort), 작업 성공 확률 (probability of success)이었다. 총 22명의 뇌졸중 환자들과 7명의 같은 연령대의 비장애인들이 실험에 참가하였으며, 총 한달 반에 걸쳐서 BART 시스템과 임상 평가도구로 구성된 다양한 평가들을 3번에 걸쳐 참가하였다. 상지 선택(arm choice)은 time-based BART system의 자발적 사용 컨디션 (spontaneous use session)에서 환자의 상지 사용을 직접 관측하였다. 움직임 시간 (movement duration)과 작업 성공 확률 (probability of success)은 환자의 검지 손 밑에 부착된 마그네틱 센서 (Mini-bird magnetic sensors)를 사용하여, BART 시스템의 강제적 사용 컨디션 (constraint use session)에서 환측과 건측에서 각각 측정되었다. 생체 역학적 에너지 (biomechanical effort)는 마그네틱 센서로부터 전달 된 상지 움직임의 궤적을 바탕으로 inverse dynamics model을 통해서 추정하였다. 뇌졸중 환자들 마다 움직임 장애 및 행동 양상이 각기 달랐으므로, Computational model을 Mixed effect logistic regression with random slope and intercept로 만들어, 환자 개개인별로 modeling을 하였다. 결과로는 우선, 좌측뇌 편마비 (left hemisphere damaged: LHD)와 우측뇌 편마비(right hemisphere damaged: RHD)가 환측 상지 사용에 있어서 다른 양상을 보인다는 것을 발견하였다. 좌측뇌 편마비와 우측뇌 편마비 환자에게는 발견되는 공동된 부분은 움직임 시간(movement duration)이 길거나 생체 역학적 에너지(biomechanical effort)를 많이 필요로 한 경우에 환측 상지를 사용하지 않았다는 것이다. 하지만, 우측뇌 편마비 환자는 작업을 성공 할 확률 (probability of success)이 낮을 경우 환측 상지를 사용하지 않았던 반면, 좌측뇌 편마비 환자는 작업 성공 확률에 상관없이 환측 상지를 사용하였다. 본 연구 결과는 환측 상지의 사용에 영향을 끼치는 인자들 (움직임 시간, 생체 역학적 에너지, 작업 성공 확률)이 무엇인지 알려줌과 동시에, 좌측뇌 편마비와 우측뇌 편마비를 위해 다른 재활치료 방법이 필요하다는 임상적 의견을 제시하고 있다.본 박사 학위 연구는 뇌졸중 환자들의 자발적인 환측 상지 사용의 중요성을 강조하고 알리는데 그 의의가 있으며, computational model을 사용해서 환측 상지 사용을 예측하고 상지 사용에 영향을 미치는 인자들을 밝혀내는데 기여하였다. 연구 결과들은 실제 환자들을 물리치료 시, 치료사들이 치료 목적과 계획을 세울 때 그 기반이 될 것으로 사료된다. 나아가BART시스템과 같은 컴퓨터 기반의 장비를 사용하여 치료 가능한 환자 범위를 확대하여, 파킨슨씨병이나 뇌성마비를 앓고 있는 다른 신경학적 손상 환자들을 대상으로 그들의 상지 기능을 평가하고 치료가 가능한지 알아보는 연구를 제안하는 바이다.

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