The Effects of Intervention using Mechanical Devices on improving Arm and Hand Function in Stroke Survivors: Systemic review and meta-analysis

기계적 장치(mechanical devices)를 활용한 재활치료가 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 미치는 효과: 체계적 고찰 및 메타분석

Abstract

Purpose : This study aimed to identify the effect of mechanical device intervention on improving the arm function of stroke survivors. Methods : Among foreign literature that verified the effectiveness of mechanical device intervention programs conducted for the purpose of improving arm function in stroke patients, a systematic review and meta-analysis, which focused on randomized controlled trials published after 2010, was conducted. The databases selected for retrieval included PubMed, CINAHL, and RISS, and their quality was analyzed using Cochrane's risk of bias. The search terms included 'stroke,' or 'CVA,' and 'robot,' or 'robot-assist,' or 'virtual reality,' or 'VR,' or 'machine,' or 'mechanical device,' and 'upper extremity,' or 'hand function,' or 'arm function' using MeSH keywords. Total effect size analysis through meta-analysis, moderate effect analysis using meta-analysis of variance, and publication bias analysis using Egger's regression analysis were conducted. Results : A total of eight publications were selected, of which one was classified as having a 'low-level bias' in the area of 'incomplete outcome data bias,' during quality verification of the literature. The overall effect size of the mechanical devices intervention program was medium (ES=0.570, 95 % CI=0.254~0.886, p<.001), and for the moderating variable of 'intervention type,' 'robot-assisted type' showed a higher effect size than 'virtual reality type' (ES=0.875, 95 % CI=0.662~1.089, p<.001), and there was statistical difference between groups (Q=12.236, p<.001). Furthermore, no publication bias was observed (p>.05). Conclusion : The mechanical device intervention program showed a medium effect in improving arm and hand functions in stroke survivor. Notably, the robot-assisted type showed larger improvements of arm and hand functions than the virtual reality type. Robot-assisted interventions will be applied to improve arm and hand functions in stroke survivors in the future.

Ⅰ. 서론

1. 연구의 배경 및 필요성

뇌졸중 환자는 최근 5년간 꾸준히 증가해 왔다. 건강보험심사평가원에 따르면, 2022년 뇌졸중 입원 환자는 57만 900명으로 전년 대비 8 % 증가했다고 보고했다(Health Insurance Review & Assessment Service, 2023). 뇌졸중으로 인한 장애 발생률은 80 % 이상이며, 일반적으로 신체조절 능력과 마비, 감각 소실, 인지능력과 의사소통, 일상생활활동 등의 장애가 합병증으로 발생한다(Kim, 2015). 신체조절 능력과 마비 등에 관한 합병증은 대부분이 편마비로 인한 결과이다. 신체 한쪽의 근력이 약화되고 비정상적인 근 긴장도를 보이기 때문에 팔 기능과 걷기 능력에서 불편함이 나타난다. 특히, 팔과 손에서의 마비 증상은 일상생활과 직업 활동에서의 어려움을 나타내기 때문에 재활치료가 매우 중요하다(Buyn & Chon, 2012). 과거에는 보바스 치료, PNF 치료 등의 전통적인 개념의 재활치료가 많이 적용되었다면, 최근에는 과학기술과 의학 기술의 발달, 재활치료의 개념 확장 등으로 기계적 장치의 도움을 받는 재활치료가 활발해지고 있다. 대표적인 것이 로봇을 활용한 재활치료와 가상 현실을 활용한 재활치료이다(Joo 등, 2014).

로봇을 이용한 로봇-보조(robot-assisted) 재활치료는 기계적인 장치와 소프트웨어 프로그램을 통합하여, 팔과 손의 움직임을 향상시키고 일상생활 동작을 돕는 치료이다. 로봇을 활용한 재활치료의 효과는 Joo 등(2014)의 연구에서 팔과 손의 기능에서 향상을 보고한 바가 있다. 로봇 보조 치료의 효과는 급성기 환자뿐만 아니라, 만성기의 뇌졸중 환자에게도 나타났다. 만성기 뇌졸중 환자들의 기능향상을 보고한 Kim(2015)의 연구에도 로봇을 활용한 재활치료가 팔과 손의 기능 향상에 효과가 있다고 보고하였다.

또한, 가상현실(VR)을 활용한 치료는 가상환경에서 기계와의 인터페이스를 통해 다양한 피드백을 제공함으로써 환자는 실제와 비슷한 주변 환경을 제공하고, 인터페이스를 사용한 상호작용 방식을 이용해서 흥미를 유발하여 동기부여를 높이고, 치료 효과를 극대화 할 수 있는 방식이다. 재활치료는 팔과 손의 기능뿐만 아니라, 걷기 기능과 일상생활활동, 인지능력 향상을 목적으로 다양하게 이루어지고 있는 재활치료 방법이다(Kim, 2015). Rutkowski 등(2020)이 연구한 내용에 따르면 가상 현실을 활용한 재활치료가 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능에 효과적인 중재 방법으로 팔과 손 기능 향상 목적으로 일반적인 중재 방법과 병행 시에 효과적이라고 보고하였다. 이는 전통적인 방식의 재활치료보다 더 높은 효과를 보여준다고도 하였다. 국내 작업치료 분야에서는 스마트 글러브(smart glove)를 활용한 가상현실 재활 프로그램의 손과 팔 기능 향상 효과를 보고한 연구도 있다(Shin 등, 2016).

이러한 로봇-보조(robot-assisted) 및 가상현실(virtual reality; VR)을 활용한 재활치료는 많은 뇌졸중 환자에게 적용이 되고 있고, 그 효과도 입증이 되고 있다. 선행 연구에서 시행한 로봇-보조(robot-assisted)와 가상현실(VR) 치료는 특별한 기계적 장치(mechanical device)를 활용하였고, 이러한 최신 장비를 적용한 로봇-보조(robot-assisted) 치료와 가상현실(VR) 치료를 비교한 연구는 거의 이루어지지 않았다.

2. 연구의 목적

본 연구에서는 이러한 기계적 장치(mechanical device)를 활용한 재활치료가 뇌졸중 환자의 팔과 손의 기능 회복에 미치는 효과를 좀 더 심도 있게 알아보고, 로봇-보조(robot-assisted) 재활치료와 가상현실(VR)을 활용한 재활치료에 대해서 메타분석을 통해 효과 크기를 비교하고자 한다. 따라서 다음과 같은 질문에 대한 답을 구하고자 한다.

첫째, 기계적 장치(mechanical devices)를 활용한 재활치료가 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능의 향상에 미치는 효과의 크기는 무엇인가? 둘째로, 기계적 장치(mechanical devices)를 활용한 방법 중, 로봇-보조(robot-assisted)치료와 가상현실(virtual reality)치료의 어느 것이 더 효과적인가? 이를 통해, 최신의 기계적 장치를 활용한 재활치료 방식 중에서 좀 더 효과적인 방식을 추천하고, 이를 임상에 효율적으로 적용하기를 기대한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 문헌(연구) 검색

문헌 검색 기간은 2023년 1월 10일부터 3월 31일까지 진행하였으며, 임상경력 5년 이상과 연구경력 5년 이상인 작업치료사 2명이 참여하였으며, 선정기준이 모호한 경우에는 PICO-SD 기준에 따라 논의 후에 결정하였다. 검색기관은 PubMed, CINAHL, RISS 3개의 데이터베이스를 이용하였으며, 검색용어는 MeSH 키워드를 활용하여 ‘stroke’, or ‘CVA’, and ‘robot’, or ‘robot-assist’, or ‘virtual reality’, or ‘VR’, or ‘machine’, or ‘mechanical device’, and ‘upper extremity’, or ‘hand function’, or ‘arm function’으로 시행하였다. 연구의 결과에 평균나이가 없는 문헌에 대해서는 통계에 큰 영향을 미치지 않으므로 그대로 수행하였으며, 이러한 문헌 검색 과정을 순서와 흐름에 맞춰 flowchart로 표현하였다(Fig 1).

Fig 1. PRISMA flow chart

2. 고찰된 연구에 대한 기준

1) 선정기준

(1) 무작위 임상 대조군 실험연구

(2) 종속변수가 ‘상지 기능, 팔 기능, 손 기능’으로 측정한 연구

(3) 뇌졸중 환자를 대상으로 한 연구

(4) 영어로 작성된 연구

(5) 측정 전.후 결과값에 평균과 표준편차가 제시된 연구

(6) 기계적 장치(mechanical device)가 적용된 중재 방법 연구

(7) 출간 연도가 2010년 이후의 연구

(8) full text를 볼 수 있는 연구

2) 배제 기준

(1) 대상자가 뇌졸중이 아닌 연구

(2) 중재 방법이 기계적 장치(mechanical device)가 적용되지 않은 연구

(3) 대조군이 없는 연구

(4) 결과값에 평균, 표준편차 둘 다 제시되지 않은 연구

3. 선정된 문헌(연구)의 질(quality) 검증

선정된 개별 문헌의 질을 평가하기 위해 Review Manager Ver 5.3 software program(RevMan, The cochrane collaboration, Oxford, U.K) 프로그램을 사용하여 Cochrane group의 risk of bias(오류의 위험)를 활용하였다. ROB는 7가지의 영역으로 문헌의 질을 평가하는 도구로써, ‘무작위 배정’, ‘비공개 집단 배정’, ‘집단 배정 미인지’, ‘결과 측정 시 집단 미인지’, ‘집단 참여자 중도 탈락’, ‘선별적 결과 보고’, ‘그 외’ 오류 항목으로 구성되어 있다.

4. 변수의 코딩

본 연구의 변수는 각 문헌(연구)의 중재군과 대조군의 중재 후 평균값, 표준편차, 참여자 수이다. 이 변수를 토대로 전체 효과크기 값을 확인하였고, 조절변수(moderator)로서 각 문헌(연구)의 중재유형(intervention type)을 범주화하여 효과크기의 정도를 비교하였다.

5. 데이터 분석 방법

본 연구는 체계적 고찰 및 메타분석 방법을 사용하였다. comprehensive meta-analysis version 4(CMA v4)을 활용하여 평균 효과 크기 값을 계산하였고, 효과 크기의 이질성과 조절변수(moderator)의 효과 크기 분석, 출판 오류(publication bias)에 대한 분석도 시행하였다. 각 문헌의 이질성(참여자수, 중재 방법, 중재 유형 등)을 고려하여 무선효과모형(random effect model) 분석을 적용하였으며, 조절변수(moderator)의 효과 크기 분석을 위해 meta-ANOVA 분석을 적용하였다. 출판 오류(publication bias)의 시각적 대칭에 관한 통계학적인 유의성은 Egger’s regression 분석을 통해 확인하였다. 효과 크기에 대한 해석은 0.3이하이면 작은 크기, 0.5이면 중간 정도 크기, 0.8이면 큰 효과 크기로 정의하였다(Hwang, 2019). 평균값에 대한 차이는 각 문헌(연구)의 이질성을 고려하여 교정된 평균 차이 데이터(Hedge’s g)를 적용하였다. 효과 크기의 신뢰구간(confidence interval; CI)은 95 % 값이고, 유의 수준은 .05로 설정한다. 효과 크기의 통계적 이질성을 확인하는 방법으로 전체에 대한 실제 분산의 비율을 나타내는 지수값 ‘ I² ’ 값을 확인하였다. I² 값이 30 % 보다 작으면 작은 크기의 이질성, I² 값이 30~50 % 정도면 중간 크기의 이질성, I² 값이 70 % 이상이 되면 큰 크기의 이질성을 나타낸다(Hwang, 2019).

Ⅲ. 결과

1. 분석된 문헌(연구)의 일반적 특성

본 연구에서는 최종 8편의 연구가 최종 메타분석에 포함되었으며(Table 1), 선정된 문헌(연구)의 총 참여자 수는 791명이었으며, 실험군 참여자 수가 408명, 대조군이 383명이었다. 평균 나이대가 가장 낮은 그룹은 52.06세였으며, 가장 높은 그룹은 69.44세였다. 팔과 손 기능을 평가하는 도구에는 FMA-UE 1개를 사용한 것이 4편, FMA-UE와 BBT를 함께 사용한 것이 2편, FMA-UE와 ARAT를 함께 사용한 것과 BBT와 CAHAI를 함께 사용한 것이 각각 1편이었다. 중재법에서는 로봇-보조(robot-assisted) 치료가 4편, 가상현실(VR) 치료가 4편이었다. 각 연구에 적용된 중재법에 대한 전체적인 효과 크기(effect size)는 작은 효과크기(≦0.2)가 1편, 중간 효과크기(<0.8)가 5편, 큰 효과크기(≧0.8)가 2편이었다(Table 1)(Fig 1).

Table 1. Characteristics of included studies (N= 8)

FMA-UE; Fugl Meyer assessment-upper extremity, BBT; box and block test, FIM; functional independent measure, ARAT; action research arm test, CAHAI; Chedoke-McMaster arm and hand activity inventory, ES; effect size

2. 개별 문헌(연구)의 질(quality) 검증

문헌(연구)의 질적인 수준은 ‘불충분한 결과자료’ 영역에서 1개의 문헌(연구)이 ‘불확실함’, 그 밖의 항목에서는 모두 ‘낮은 수준의 오류’로 평가되었다(Fig 2). 해당문헌(연구)이 참가자의 ‘평균나이’에 대한 데이터가 없었기 때문에, 연구 결과에 영향을 줄 수 있는 데이터는 아니었고, 충분한 결과를 추출하지 못할 정도의 오류는 아니었다(Fig 3).

Fig 2. Risk of bias graph

Fig 3. Risk of bias summary

3. 효과 크기 및 forest plot

뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 미치는 효과 크기를 알아보았다. 전체 효과 크기는 0.57로 중간 크기의 효과를 보였으며, 95 % 신뢰 구간에서 .254~.886, 통계학적으로 유의미한 결과를 보였다(Z=3.539, p=.000). 효과 크기의 통계적 이질성은 I²=71.093 %로 큰 크기의 이질성을 나타냈으며(Q=24.216, p=.010), 이에 무선 효과 모형(random effect model)이 선택되었다(Table 2)(Fig 4).

Table 2. Effect of mechanical device intervention on upper extremity of stroke

UE; upper extremity, k; number of studies, ES; effect size, CI; confidence interval, Z; significance value of meta-analysis

Fig 4. Effect of mechanical device intervention on upper extremity of stroke

4. 조절 효과 분석

연구 간 효과 크기의 이질성 때문에 조절 변수(moderator)를 설정하여 효과 크기에 영향을 미치는 변수를 확인하고, 조절 변수(moderators)에 대한 영향력을 검증하고자 ‘중재유형(intervention type)’ 변수를 설정하였다.

1) 중재 형태(Intervention type)

중재 형태는 로봇-보조(robotic-assisted)과 가상현실(virtual reality)으로 범주화하였으며, 로봇-보조의 중재효과 크기는 0.875로 큰 크기의 효과크기를 보였고, 95% 신뢰구간은 0.662~1.089, 통계학적으로 유의미한 차이를 보였다(z=8.027, p=.000). 가상현실의 중재 효과 크기는 0.265로 작은 크기의 효과크기를 보였고, 95 % 신뢰구간은 –0.002~0.532, 통계학적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다(Z=1.943, p=.052). 집단 간 효과 크기에서는 유의미한 차이를 나타냈다(Q=12.236, p=.000)(Table 3)(Fig 5).

Table 3. Effect of intervention type on mechanical device intervention

k; number of studies, ES; effect size, CI; confidence interval, Z; significance value of meta-analysis

Fig 5. Effect of intervention type on mechanical device intervention

5. 출간 오류(publication bias) 분석

시각적 분석방법인 깔대기 모양(funnel plot)을 확인하였다(Fig 6). 대칭(symmetry)모양으로 데이터의 오류가 없음을 시각적으로 보여주고, funnel plot의 Egger’s regression test(회귀분석)의 결과를 보면, 회귀식 초기의 값이 통계학적으로 유의하지 않기 때문에(p=.300) 출간 오류는 없는 것으로 확인되었다(Fig 7).

Fig 6. Funnel plot on publication bias of mechanical device intervention on upper extremity of stroke

Fig 7. Funnel plot in publication bias of mechanical device intervention on upper extremity of stroke

Ⅳ. 고찰

본 연구는 뇌졸중 환자에게 적용한 기계적 장치(mechanical device)를 활용한 중재방법이 팔과 손 기능향상에 미치는 효과에 대해서 체계적 고찰과 메타분석을 시행하였다. 체계적 문헌 고찰 과정을 통해서 총 8편의 문헌(연구)이 선별되었으며, 메타분석을 통해서 기계적 장치(mechanical device)를 활용한 중재법이 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 미치는 효과 크기의 값과 조절 변수(moderator)에 따른 효과 크기의 차이 값, 조절 변수(moderator)가 ‘팔과 손 기능’ 향상에 미치는 효과를 확인하고자 하였다. 결과를 토대로 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상을 목적으로 시행하는 기계적 장치(mechanical device)를 활용한 중재법에 대한 효과적인 중재 가이드라인(guideline)을 제시하고자 하였다.

전체 메타분석 결과, 기계적 장치(mechanical device) 중재법이 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 미치는 효과크기는 0.57으로 중간크기의 효과를 보였으며, 통계학적으로 유의미한 결과를 보였다(p<.05). 효과 크기에 대한 통계적 이질성은 I²=71.093 %로 큰 크기의 이질성을 나타내었다. 이는 각 문헌(연구) 간 효과 크기의 분산이 일정하지 않고, 각 연구의 모집단과 중재기간, 각 문헌(연구)의 측정 도구에서도 연구 간의 차이를 보이기 때문이라는 결론을 내릴 수 있다(Hwang, 2019). 기계적 장치(mechanical device) 중재법이 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 큰 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 Lee 등(2022)이 연구한 재활 로봇이 어깨 통증과 관절 가동 범위 향상에 효과가 있다는 결과와 일치하고, 만성 뇌졸중 환자에게 손 재활 로봇을 적용하여 손 기능 향상에 긍정적인 효과를 보인 Park(2013)의 연구결과와도 일치하였다. 또한, 가상현실기반 장비를 적용한 연구와도 비교해 보면, motion controller 장비를 활용한 가상현실 기반 중재가 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 회복에 효과가 있다는 연구의 결과와도 일치한다(Yang 등, 2019). 머리에 착용하는 HMD(head motion device) 장비를 적용한 가상현실 콘텐츠를 뇌졸중 환자의 손 기능 회복을 위해 적용하여 효과를 입증한 연구와도 결과가 일치한다(Yoo & Kim, 2021).

조절 효과 분석의 결과, 중재 유형(intervention type) 조절 변수에서 로봇-보조(robot-assisted)유형이 가상현실(virtual reality) 유형보다 더 큰 효과 크기를 보였다(ES=0.875). 집단 간 비교에서도 통계학적으로 유의미한 차이를 보였다(p<.05). 이는 Chen 등(2018)이 연구한 가상현실 재활치료 프로그램이 재활을 위한 목적으로 적용될 수 있지만, 효과가 다소 부족하다는 결과와 일치하기도 한다. 로봇-보조(robot-assisted)치료와 가상현실(virtual reality)치료의 집단 간 효과 크기의 차이에서도 유의미한 결과를 보여(p<.05), 조절 변수로서 중재유형(intervention type)이 효과 크기에 유의미한 영향을 미치는 변수로 확인되었다.

출간 오류(publication bias) 분석 결과, 깔때기 모양(funnel plot)이 시각적으로 좌우 대칭을 이루어 출간편향이 없을 것으로 판단되고, Egger’s 회귀분석을 실시한 결과, 초기값이 통계학적으로 유의한 차이가 없기 때문에(p>.05), 출간오류는 없는 것으로 판단된다. 각 문헌(연구)에서의 샘플 크기가 작은 연구가 상대적으로 큰 크기의 효과 크기를 보여 출판될 가능성이 높기 때문이다(Hwang, 2019).

본 연구의 제한점은 무작위 대조군 실험연구의 중재 후 결과만을 가지고 효과 크기를 도출하였고, 단일집단을 대상으로 한 사전, 사후 결과의 값을 반영하지 못하였다는 점이다. 또한, 중재유형이 로봇-보조(robot-assisted)와 가상현실(VR) 중재에만 한정되어 있어 다른 유형의 기계적 장치(mechanical device)에 대한 중재법을 모두 포함하지 못하고, 포함된 문헌(연구)에서도 실험 대상자 수가 비교적 적어 일반화에 대한 가능성에 제한이 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 종속변수에 ‘상지 기능, 팔 기능, 손 기능’에 한정하였지만 추후 연구에서는 다른 신체 부위 기능이나 일상생활, 삶의 질 등에 관한 변수에 대해서도 연구가 이루어지면 기계적 장치(mechanical device)가 적용된 중재법에 활용도가 높아질 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결론

본 연구는 뇌졸중 환자를 대상으로 기계적 장치(mechanical device)를 활용한 중재법이 환자의 팔과 손 기능 향상에 미치는 효과를 알아보고자, 무작위대조군실험 문헌(연구)을 대상으로 체계적 고찰과 메타분석을 시행하였다. 메타분석을 통해서, 본 연구에 대한 연구 질문에 대해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

첫째, 기계적 장치(mechanical device) 중재법은 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 큰 크기의 효과를 보였다.

둘째, 기계적 장치(mechanical device) 유형 중, 로봇-보조 중재가 가상현실 중재보다 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상에 더 큰 효과를 보였다.

연구의 결과를 토대로 뇌졸중 환자의 팔과 손 기능 향상을 목적으로 기계적 장치(mechanical device)를 활용한 중재법을 시행한다면, 로봇-보조 중재를 활용할 것을 추천한다.