중추신경계에 대한 보행 조절 메커니즘은 운동계획과 운동실행이 의식적 및 무의식적 영역에서 상호작용한다. 그중 이마엽(frontal cortex)은 효과적이고 목표 지향적인 운동행위를 계획하여 활성화된다. 일차 감각겉질로 들어온 움직임 정보는 둘레계통(limbic system), 시상(thalamus)과 밀접하게 교류한다. 최종 움직임 정보는 이마앞엽(prefrontal cortex; PFC)에서 이마엽으로 전달된다. 움직임 실행은 일차 운동겉질(primary motor cortex)의 최종 경로인 효과기로 전달되어 적절한 움직임이 일어난다. 최근 재활 접근방법은 전통 재활 접근방법에 덧대어 건강관리 정보를 이용하는 정보통신기술(information communication technology; ICT)을 도입하였다. 그중 스마트폰 보급이 대중화되면서 건강관련 정보를 기록하는 웨어러블 디바이스는 임상 현장에서 쉽게 사용할 수 있고, 실시간 모니터링할 수 있는 장점이 있다. 웨어러블 디바이스 피드백은 기존 전통 피드백보다 효율적이고 효과적인 운동학습을 유도할 수 있다고 보고되었다.
본 연구의 첫 번째 목적은 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 수행 시 뇌혈류 변화를 알아보고자 하였다. 두 번째 목적은 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 훈련이 만성 뇌졸중 환자의 보행에 미치는 영향을 알아보는 것이다.
만성 뇌졸중 환자 24명을 대상으로 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy; fNIRS)을 이용하여 PFC의 뇌혈류 변화량을 측정하였다. 편안한 속도로 걷기와 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 걷기 조건으로 구성하였다. 두 가지 조건에서의 뇌혈류 변화량을 비교하기 위해 윌콕슨 부호순위(Wilcoxon signed rank) 검정을 이용하여 분석하였다.
웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 훈련은 만성 뇌졸중 환자를 대상으로 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 훈련군 12명과 피드백 단일과제 훈련군 12명으로 무작위 할당하였다. 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 훈련군은 일상생활 과제와 관련된 4가지 과제를 포함한 이중과제 신체훈련을 하였고, 피드백 단일과제 훈련군은 단일과제 신체훈련을 하였다. 훈련은 4주간 주 3회, 1일 30분씩 동일하게 실시하였고 훈련 종료 2주 후에 재측정하였다. 과제 수행능력을 알아보기 위해 10m 걷기 검사(10meter Walking Test; 10MWT)를 실시하였고, 보행에 필요한 동적균형 능력을 알아보기 위해 동적보행지표(Dynamic Gait Index; DGI)를 실시하였다. 보행 매개변수를 알아보기 위해서 G-WALK를 이용하여 분속수, 속도 그리고 활보장을 측정하였다. 본 연구의 수집된 자료는 비모수 통계 검정으로 군내 훈련 전과 후, 훈련 2주 후 시점 변화를 비교하기 위해 윌콕슨 부호순위(Wilcoxon signed rank) 검정을 이용하여 분석하였다. 군간 평균 차이를 비교하기 위해 훈련 후에서 훈련 전 평균값을 뺀 값으로 맨 휘트니-U(Mann-Whitney U) 검정으로 분석하였다.
본 연구의 첫 번째 연구 결과, 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 수행 시 PFC 영역에서 뇌혈류 변화량을 확인하였다. 웨어러블 디바이스 피드백 이중과제 조건에서 편안한 걷기 조건보다 오른쪽 등가쪽이마엽 겉질(ventrolateral prefrontal cortex, VLPFC) 영역에서 유의한 차이가 있었다. 두 번째 연구 결과, 웨어러블 디바이스 이중과제 훈련군이 훈련 전보다 훈련 후 10MWT, DGI, 보행의 시간적 매개변수인 분속수와 속도에서 유의한 차이를 보였지만, 공간적 매개변수인 활보장에서는 유의한 차이가 없었다. 또한 10MWT, DGI는 훈련 종료 2주 후 훈련의 효과가 유지되었다.
본 연구 결과, 보행 시 한 가지 이상의 과제를 수행할 때 정보를 처리하는 과정에서 뇌 활성화가 나타났다. 또한, 웨어러블 디바이스 피드백을 제공한 이중과제 훈련이 만성 뇌졸중 환자의 보행능력에 긍정적인 영향을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

The gait control mechanism of the central nervous system is the motor plan and motor execution interacting in the conscious and unconscious areas. Among these interactions, the frontal cortex is activated by planning an effective and goal-oriented motor behavior. The motor information transmitted into the primary sensory cortex closely liaises with the thalamus of the limbic system. The final motor information is planned by the prefrontal cortex (PFC) and transmitted to the frontal lobe. The execution of movement is transmitted to the effector, the final route of the primary motor cortex, to result in a proper movement. Recently, information communication technology (ICT)-related products that provide information on health management are being developed as a new rehabilitation method. Among those, wearable devices that record health related information provide many advantages in that they are easily assessed and capable of real-time monitoring thanks to the generalized use of smartphones. It has been reported that providing health-related feedback in clinical practice can result in an effective motor learning.
This study was conducted in order to first, determine the change in cerebral blood flow during wearable device feedback with dual-task, and secondly to identify the effect of wearable device feedback with dual-task training on the gait function of patients with chronic stroke.
The change of cerebral blood flow in the PFC of 24 chronic stroke patients was examined using fNIRS. The examination consisted of walking in a comfortable speed and dual-task gait wearing wearable devices. Wilcoxon signed rank test was used to compare the cerebral blood flow under the two conditions.
For the wearable device feedback with dual-task training, 12 of 24 chronic stroke patients were randomly allocated to the wearable device feedback with dual-task training group and the other 12 were allocated to the feedback with single-task training group. The wearable device feedback with dual-task training group received the dual-task physical training that included 4 tasks related to daily routine tasks, and the feedback with single-task training group received single-task physical training. The training was conducted in the same manner for 3 sessions per week, 30 minutes per day for 4 weeks and patients were re-examined 2 weeks after the end of training. The 10m walking test (10MWT) was used to assess the task performance and Dynamic Gait Index (DGI) was used to assess the dynamic balance ability that is required for gait function, and the cadence, speed, and stride length was measured using G-WALK to determine the gait parameters. Wilcoxon signed rank test was used in the analysis to compare the change at pre-, post- and 2 weeks after training for the data collected in this study using non parametric statistical test. To compare the mean change of each groups, mean post-training value was subtracted by mean pre-training value and analyzed using Mann-Whitney U test.
For the first objective of this study, change of cerebral blood flow was detected in the PFC during wearable device feedback with dual-task. There was a significant difference in the right ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) between the wearable device feedback with dual-task condition and the comfortable walking condition. For the second objective of this study, although the wearable device feedback with dual-task training group showed significant difference in the 10MWT, DGI, and cadence and speed that are the temporal parameters of gait, before and after the training, there was no significant difference in the stride length which is the spatial parameter. Also, for the 10MWT and DGI, the effect of training maintained in there-examination at 2 weeks after the end of training.
It was concluded in this study that the brain is activated when the information is processed when performing one or more tasks during gait. Also, it was considered that the dual-task training with the wearable devices feedback can provide positive effect to the gait ability of patients with chronic stroke.