[첨단 헬로티]

IVES(Integrated Volitional control Electrical Stimulation/Stimulator, 수의운동 보조 전기 자극/자극장치)는 뇌에서 나오는 운동 지령을 근전도로서 모니터링하고, 그것에 맞춰 동일한 근육에 전기 자극을 주는 치료 및 장치이다. 전기자극법의 하나로 주로 뇌졸중에 의해 운동마비를 일으킨 근육에 대해 주동작근의 촉진과 길항근의 Ia 상반 억제를 발생시켜 운동 기능의 개선을 도모한다. 장치는 치료와 구별해 IVES 장치(IVES device)라고도 부른다. 이 글에서는 장치는 IVES 장치라고 호칭한다.

뇌졸중이나 척수 손상 등에 의한 중추신경계의 마비에 대한 리허빌리테이션에서는 예전부터 물리치료로써 전기자극법이 알려져 있지만, 거의 임상에서 사용되지 않았다. 이 글에서 설명할 IVES 장치가 제품화된 2008년경부터 전기자극법에 의한 촉진 효과와 경축 억제 효과가 뉴로 리허빌리테이션의 한 방법이라는 것이 일반적으로도 인식되어 임상에서 사용되기 시작했다.

대표적인 전기자극법으로는 기능적 전기 자극(Functional Electrical Stimulation: FES)과 치료적 전기 자극(Therapeutic Electrical Stimulation: TES)이 알려져 있다. 중추신경계 마비에서는 수의적으로 수축시킬 수 없는 마비된 근육도 말초신경과 근육의 기능이 손상되지 않은 경우, 외부에서 전기 자극을 줌으로써 수축시킬 수 있다. 전기 자극을 통해 근육의 수축을 제어하고, 파지, 보행과 같은 일상생활 중의 동작을 보완․재건시키는 방법이 FES이다. 일상적으로 휴대하는 것이 요구되기 때문에 장치의 소형화는 필수이다.

또한, TES란 수의운동의 촉진, 근육의 불수의 수축 억제, 관절 구축이나 근위축의 예방, 근력 증강 등을 목적으로, 주로 몸 표면에서 마비근이나 그 주위의 신경․근육에 대해 전기 자극을 하는 치료법이다. 특히 수의근 전위를 검출할 수 없는 중도의 마비인 경우, 장기적인 이완에 의해 근위축이 진행되고 있는 경우가 많아 전기 자극을 주어도 수축이 잘 확인되지 않는 경우도 있다. 그러한 경우에는 FES를 적용하기 전에 근육을 비대시키는 것을 목적으로 TES가 실시되기도 한다. 또한 중추신경 질환 환자의 수의성이 저하되고 있는 마비근에 대한 TES는 마비근의 수의성 향상과 그 길항근의 경축 억제를 가져오는 것이 알려져 있으며, carry over 효과, 최근에는 촉진 효과라고 불리고 있다.

뇌졸중 편마비 환자는 수지신전근의 마비 때문에 일상생활에 지장을 초래하고 있다. 이에 1998년에 필자는 그림 1에 나타낸 수관절 고정 보조기를 병용해 총지신근의 미약한 수의근전을 신호원으로 하고, 그에 비례한 전기 자극을 근전 검출 전극에서 동명 근육에 주어 미약한 수의 수축을 어시스트하는 치료법 IVES를 고안, 이를 실현하기 위한 장치를 개발해 보고했다.

IVES는 FES와 TES를 융합한 새로운 전기자극법이라고 할 수 있다. 그러나 이 장치는 1998년 당시 일상적으로 휴대할 수 없었기 때문에 FES로서가 아니라, 주로 TES와 근전도 바이오피드백으로서의 역할을 담당하는 것이었다. 앞에서 설명했듯이 TES에 의해 촉진 효과를 가져올 수 있지만, 그 효과는 TES 종료 후 몇 시간 안에 소실된다. 촉진 효과를 정착시키기 위해서는 전기 자극을 계속 주는 것이 바람직하지만, 기존의 저주파 치료기의 경우 환자의 의지와는 관계없이 자극이 가해지고 근육을 수축시켜 버리기 때문에 일상생활 속에서 장시간 이용할 수 없었다. 그래서 일상 활동을 저해하지 않고 어시스트해 장시간 전기 자극을 계속 주는 IVES의 일상 사용 프로그램을 고안, 이를 실현하기 위해 2002년에 그림 2에 나타난 휴대형 IVES 장치를 개발했다. IVES 장치는 뇌에서 나온 운동 지령 신호에 따라 전기 자극의 강도를 변화시키는 장치로, 일상생활 속에서도 수의 동작을 저해하지 않고 장시간, 전기 자극을 계속 줄 수 있다.

또한, 이 IVES의 명칭 중 ‘Integrated’에는 다음의 2가지 의미를 담았다. 첫 번째는 ‘Integrated several therapies’로, 「여러 가지 치료가 통합된 치료법」이라고 하는 의미이다. IVES에는 그 자체에 바이오피드백(Biofeedback : BF) 치료, 반복 촉진 치료, FES, TES의 4가지 치료법이 통합되어 있다. 또 다른 하나는 ‘It can be integrated withother therapies.’ 「다른 치료에 대한 높은 융화성을 가진다」고 하는 의미이다. IVES는 필수적인 운동치료와 함께 작업치료, 물리치료는 물론 보툴리누스 독소제제 등의 약물치료, 로봇 치료, 보조기, 비마비측 상지억제(Constraint Induceduvement therapy: CI) 치료, 경두개 직류전기자극 tDCS(Transcranial Direct Current Stimulation: tDCS) 치료, 거울치료, 경두개 자기자극(Transcranial Magnetic Stimulation: TMS) 치료, 나아가 일상생활 동작 등 다른 치료법과 조합해 운용할 수 있다는 것을 의미하고 있다. 이 명칭의 컨셉트에 따라 설계를 추진, 2002년에 휴대형, 2010년에는 착용형을 개발했다.

2019년 현재 IVES 장치는 의료기기 메이커 3사에서 판매되고 있다. 최초로 제품화된 것은 휴대형 IVES 장치 PAS system(그림 3)이며, 2008년에 발매됐다. PAS system은 그 후 2012년에 명칭 및 모델을 변경해 현재 IVES라는 명칭으로 판매되고 있다. 이어서 2010년에 가와무라 요시토시 주식회사에서 MURO solution이라는 제품명으로 휴대형 IVES 장치가 발매됐다. 또한, 2017년에 SK Electronics 주식회사에서 WILMO(그림 4)이라는 명칭으로, 착용형 VIES 장치가 발매됐다. 각 회사의 IVES는 각각 다른 특징을 가지고 있으며, 사용 목적에 따라 선택해 구입할 수 있다.

일부 의료기관에서는 필자가 1997년 당초에 개발한 그림 1의 수관절 고정 보조기를 병용한, 1일 8시간 3주간의 수지 IVES 입원 프로그램 : IVES 치료가 실시되고 있다.

신경생리학적 기전과 설계 컨셉트 

IVES에는 그 자체에 BF 치료, 반복 촉친 치료, FES, TES의 4가지 치료법이 통합되어 있다. 여기에서는 TES와 FES, BF 치료의 신경생리학적 기전과 설계 콘셉트에 대해 설명한다.

1. TES 기능과 신경생리학적 기전

마비근 및 그 지배신경에 대한 전기 자극은 마비근 Ia 섬유 단 시냅스를 통해 동명 근의 전각세포에 도달한 신호와 동시에, 피질에서 하강해 오는 신경 신호가 동일한 전각세포에 도달함으로써 한쪽만으로는 흥분할 수 없었던 전각세포도 포함해 보다 많은 전각세포를 흥분시킨다. 또한, 마비근에 대한 전기 자극에 의해 마비근의 2시냅스성 Ia 억제 개재 뉴런을 통해 길항근의 운동 뉴런을 억제함으로써 길항근 긴장을 억제(상반 억제)한다. 그리고 마비근의 2시냅스성 Ia 억제 개재 뉴런은 상호 억제에 의해 길항근의 2시냅스성 Ia 억제 개재 뉴런을 억제, 결과적으로 길항근 측의 상반 억제로부터 탈억제되어 마비근의 수의운동이 개선된다.

마비근의 길항근에 대한 경축 억제 효과는 마비근의 억제 개재 뉴런에서부터 경축근인 길항근의 운동 뉴런에 결합하는 억제성 시냅스와 마비근의 억제 개재 뉴런에서부터 길항근의 억제 개재 뉴런에 결합하는 억제성 시냅스에 전기 자극에 의한 신경 신호가 반복적으로 통과함으로써 시냅스의 전달 효율 상승이 초래되고, 나아가 피질에서 하강해 오는 운동 지령 신호가 TES를 하기 전에 비해 효율적으로 마비근의 억제 개재 뉴런을 통해 길항근의 운동 뉴런을 억제함으로써 초래된다. 마찬가지로 촉진 효과는 TES를 하기 전에 비해 효율적으로 길항근 억제 개재 뉴런에서부터 마비근에 대한 억제 입력을 억제함으로써 마비근의 활동을 길항근 측의 상반 억제로부터 탈억제시켜 수의성을 향상시킨다.

이상의 신경생리학적 지견을 얻어 IVES의 개량을 거듭해 왔다.

2. FES, BF 기능과 신경생리학적 기전

TES에 의해 시냅스의 전달 효율을 일시적으로 향상시킬 수 있어도 TES 종료 후 몇 시간 후에는 시행 전의 상태로 되돌아가며 그 효과는 소실된다. 따라서 효과를 지속하고 정착시키기 위해서는 전기 자극을 계속 주고, 동시에 피질 수준의 운동학습을 실시해 가는 것이 중요하다.

BF란 수의적으로 제어하기 어려운 생리적 현상을 각종 센서에 의해 측정해 시각이나 청각 등 지각 가능한 정보로서 자신에게 제시하고, 그 정보를 단서로 학습․훈련을 반복함으로써 그 제어를 달성하는 방법이다. 뇌졸중 환자에서는 대상근에 전극을 부착해 근전도를 검출하고, 그 근전량을 인디케이터나 소리 등 시각이나 청각에서 피드백해 근육을 수축시키거나 이완시키는 방법을 인식시키면서 운동학습을 하는 경우가 있으며, 근전도 BF 치료라고 불린다.

IVES는 근전량을 인디케이터 등 시각으로부터 피드백할 뿐만 아니라, 근수축을 증폭해 운동 자체를 발현시켜 운동 그 자체를 피드백한다. 운동에 의한 피드백에 의해 근방추 등 고유 수용기로부터 내적 피드백도 얻을 수 있게 된다. 이 수의 수축 증폭 기술은 전기 자극을 인가하고 있는 전극에서 수의근전도를 기록하는 방법의 개발에 의해 실현됐다. 또한, TES에 의해 수의성이 향상되고 있는 동안의 운동학습은 피드백량이 커지므로 효과적이다.

수의근전량에 비례한 전기 자극은 FES로서 운동마비를 나타낸 환자의 불충분한 수의운동을 보조해 스스로 운동을 인식하기 쉽게 한다. 또한, 근전도의 도출 전극과 전기 자극이 동일하기 때문에 반드시 대상근도 포함해 전기 자극을 줄 수 있으므로 보다 올바른 운동학습을 기대할 수 있다. 또한, 피질의 운동 지령과 보조된 수의운동에 의해 말초의 체성감각 입력의 증가와 마비근의 수의운동 촉진이 상승효과에 의해 뇌신경 네트워크의 재구축에 기여한다고 생각된다. 운동마비가 있는 환자는 수의운동의 저하로 인해 운동 과제 수행이 곤란하기 때문에 운동학습 의욕을 저하시켜 ‘learned nonuse’의 상태가 된다고 생각할 수 있다. 이 운동 과제의 달성이 곤란한 환자에 대해 IVES를 이용해, 불충분한 운동을 전기 자극에 의해 보조함으로써 운동 과제를 수행할 수 있게 되고 운동학습이 촉진된다.

IVES의 적응과 효과

IVES는 자극하고 있는 전극에서 수의근전량을 상시 모니터링하고, 대상근에 대해 안정 시에는 수축 역치 하의 강도에 의해 수의 수축이 검출되면 그것에 비례한 강도(이완 시에 수축 역치의 강도, 최대 수의 수축 시에 충분한 수축을 얻을 수 있는 강도)에 의해 전기 자극을 주는 치료법이다. 따라서 IVES의 적응은 수축 역치 하의 전기 자극을 주어 촉진된 상태에서, 대상근의 수의근 활동이 확인될 필요가 있으며 운동치료 병용이 필수가 된다.

수의 수축이 조금이라도 확인되면, 그것을 증폭해 마비 기능의 개선을 기대할 수 있다. 수축 역치 하의 전기 자극을 주어도 수의근 활동이 확인되지 않는 경우에는 근위축의 진행이 원인인 경우가 많다. 이 경우에는 기존의 TES를 실시함으로써 근위축이 개선되고, 근비대에 동반해 수의근 전위를 검출할 수 있게 되는 경우가 있다. 혹은 길항근에 대한 항경축제에 의한 약물치료이나 스트레칭을 함으로써 길항근의 근긴장이 완화되는 동시에, 주동작근이 촉진되어 수의근 전위가 발현되는 경우도 있다.

또한, 적극적으로 마비측을 사용하기 위해서는 관절 가동역 제한, 심각한 감각장애, 고도의 고차 뇌기능 장애가 없는 것이 바람직하다. 금기는 기존의 전기 자극과 마찬가지로 심각한 심장질환, 심장박동기 사용자, 혈압 이상, 피부질환이 있는 부위, 급성질환, 혈류장애의 가능성이 있는 사람 등이 해당된다.

회복기 뇌졸중 편마비 환자에서는 미야사카 등은 수관절에 수의 수축을 확인하는 회복기 뇌졸중 편마비 환자에 대해, 40분간의 일반적인 작업치료에서 전완배측부(요측수근신근, 총지신근)에 IVES를 주 5～7일로 3주간 병용한 결과, 비병용군에 비해 유의미하게 상지 기능의 개선을 확인했다(그림 5 (a)). 마찬가지로 2011년에 신도, 후지와라 등은 총지신근의 수의근 전위가 확인되는 회복기 뇌졸중 편마비 환자의 수지신전근에 대해

대상군 : 1일 40분간의 작업치료와 수관절 고정 보조기

실험군 : 1일 40분간의 작업치료와 수관절 고정 보조기+OG Wellness사제 IVES 장치

로 해, 양쪽 군의 차이인 IVES 장치의 효과를 랜덤화 비교실험에 의해 확인했다(그림 5 (b)).

만성기 뇌졸중 편마비 환자에서도 Yamaguchi 등은 1일 6시간, 전완배측부(요측수근신근, 총지신근)에 IVES를 일상생활 동작에 5일간 병용한 결과, 상지 기능의 개선을 확인했다. 또한, 근전도 평가에서도 수의성 향상과 상반 억제의 개선 등이 확인되어, 상지 기능의 개선과 밀접하게 관련되어 있다고 생각됐다.

마찬가지로 Hara 등은 만성기 뇌졸중 외래 환자의 마비 상지에 대해 경축이 강한 수관절굴근군에 신경근 차단 약물치료를 하면서 신근군에 IVES를 병용, 상지 기능의 개선을 보였다. 그리고 카사지마 등은 총지신근의 수의근 전위가 확인되는 만성기 뇌졸중 편마비 환자에 대해 1일 40분의 작업치료와 1일 8시간의 수관절 보조기 또한 총지신근의 IVES 치료를 3주간 병용한 결과, 상지 기능을 확인했다. 더구나 IVES의 장시간 사용으로 기존의 전기 자극 효과뿐만 아니라 마비측 상지에 대한 주의를 촉진하는 동시에, IVES 장치에 의해 수의적인 수관절이나 손가락의 신전운동이 가능해져 일상에서 마비 사지의 사용 빈도 증대도 기대할 수 있다. 또한, 개입 중에는 환자에게 치료사가 장시간 맨투맨으로 관여하지 않아도 치료가 가능하며, 특히 환자 개개인의 상태에 맞춰 장치를 설정하고 환자 자신이 IVES 장치를 장착해 자주적으로 운동함으로써 집중적인 치료가 가능하다.

이와 같이 VIES 장치의 장시간 사용은 ‘learned non-use’의 개선을 촉진하는 치료로서, 작업치료 등 일반적인 리허빌리테이션 시간 외에 일상생활 속에서 마비측 상지의 사용을 촉진할 수 있다.

한편, Suzuki 등은 발증 후 8년이 경과한 수의적인 손가락 운동이 생기지 않는 뇌졸중 편 마비 환자의 마비측 수외재근, 수내근에 대해 OG Wellness사제 IVES 장치를 1회 10분간, 주 3회로 1개월간 외래 통원 시에 적용해, 그 개선도에 따라 TES 등에서부터 단계적으로 장치의 사용 모드를 변경함으로써 단기간에 상지 기능이 현저한 개선이 확인됐고, 또한 그 운동 기능의 개선이 IVES 종료 후 1년이 경과한 후에도 유지되고 있는 것을 보고했다. 이는 일상적으로 장착해 사용하지 않아도 1주에 30분이라는 단시간으로 적절하게 사용 모드를 단계적으로 적용하면, 본질적인 치료 효과를 얻을 수 있다는 것을 시사하고 있다.

앞으로 환자 부담을 줄이기 위해 입원이나 장시간 장착 사용을 하지 않는 경우에도 효과를 얻을 수 있는 사용법을 모색해 가는 것도 중요하다.

IVES 장치의 보급을 위해

예를 들면 실용적인 의료기기가 개발되어 약기법(의약품, 의료기기 등의 품질, 유효성 및 안전성의 확보 등에 관한 법률)의 승인을 얻어 제품화됐다고 해도 좀처럼 보급에 이르지 못하는 것이 현실이다. 의료기기의 보급을 위해서는 사용자가 자유롭게 사용할 수 있게 핸즈온 세미나 등을 개최하거나, 적용 환자 및 각 질환 수준에 따른 적절한 적용 방법을 명확히 하기 위해 증례검토회를 개최하거나, 나아가 임상의 생생한 목소리에 귀를 기울여 개량을 실시하거나 하는 등 여러 가지 방안을 강구할 필요가 있다. IVES 장치도 그 치료 효과가 확인되고, 휴대성이 우수한 장치가 제품화된 후에도 학회의 핸즈온 세미나나 판매 메이커가 주최하는 데모 기기에 의한 사용법 세미나와 증례검토회 등을 해년마다 몇 차례씩 실시해 왔다. 그림 6에 나타낸 코드 권취기가 부착되어 있는 수관절 고정 보조기와 손가락 장착형 전극 등 IVES 부속품이 특허 출원되거나 하는 등 보급이 진행되고 있다.

또한, 보급이 진행됨에 따라 IVES 장치의 개발자로서 아무래도 개선을 더하고 싶은 점이나 당초 예상했던 사양이 실제로는 적절하지 않아 사양을 변경해야 하는 점 등이 발생했다. 예를 들면 현재의 Pacific supply사제나 OG Wellness사제의 IVES 장치는 3cm 이상의 두께가 있어 상지 적용 시에 전완부의 소매 안에 넣을 수 없기 때문에 상완 밴드로 상완에 고정, 거기에서 긴 코드가 소매 입구까지 둘러져 있어 전완부의 전극에 배선하는 등 외관상도 취급상도 번거로웠다. 또한, 전극을 적절하게 배치하는 데는 시간이 소요되어 훈련 시간이 부족하거나, 효율적으로 수축을 촉진하는 위치를 탐색하기 위해 전극을 붙이고 떼어내는 것을 반복하는 가운데 접착부에 각질이 부착, 전극 인피던스가 변해 버리기 때문에 자극에 대한 수축 효율도 변화하고 결과적으로 최적 위치에 붙였는지는 불명확해졌다. 또한, 모 기기와 자 기기로 구성되어 모 기기에서 파라미터를 설정하고 자 기기에 데이터를 전송해 기록하는 순서로 되어 있으며, 사용 시에는 자 기기만을 이용해 스위치를 넣는 것만으로 기억된 파라미터로 시작할 수 있지만, 매번 같은 위치에 붙이는 것은 어려우며 전극의 임피던스도 매일 변동하고 있기 때문에 기억된 파라미터가 사용 시에 반드시 최적의 파라미터로 되어 있지 않은 등의 문제가 있었다.

그래서 이러한 결점을 극복할 수 있는 전완착용형 IVES 개발의 필요성에 의해 개발을 추진했다. 우선, 전완착용형 IVES는 두께를 14.5mm로 해 전완부에 장착하고, 코드나 전극도 포함해 모두 소매 안에 넣어 숨길 수 있는 크기로 했다. 중량도 약 8시간 연속 구동할 수 있는 내장전지도 포함해 55g으로 해 장착 시의 부담을 가볍게 했다. 전극은 88mm×44mm의 시트 상에 기록 겸 자극용으로 8개, 참조 전극용으로 1개 배치하고, 떼지 않고 전극을 선택함으로써 최적의 자극 위치를 탐색할 수 있기 때문에 전극 임피던스를 변화시키지 않고 빠르게 최적 위치를 확정할 수 있게 했다. 그리고 모 기기와 자 기기의 구성을 폐지하고, 모 기기의 기능을 자 기기에 구비했다. 전극 임피던스와 부착 위치의 변동에 대응하기 위해 매번 자극 강도와 검출 감도를 설정하도록 변경했다. 또한, 설정 시간을 단축하기 위해 버튼에 의한 몇 단계 조작에 의해 단시간에 설정할 수 있게 고안했다. 그 결과, 환자 본인이 한쪽 손으로 장착할 수 있는 것이 확인됐다.

결론

이 글에서는 IVES 장치의 신경생리학적 지견에 기초한 개발과 함께, 적용 사례와 보급 방안에 대해 설명했다. 초고령 사회를 맞이한 현재, 뇌졸중 환자도 증가해 병원이나 요양시설에서는 인적 부담과 국민의료비가 증대하고 있다. 이러한 사회 정세 속에서는 재택으로 취급할 수 있는 효과가 실증된 리허빌리테이션 기기의 등장이 기대된다. 앞으로 재택 사용도 염두에 두고 개량을 더해 가고 싶다.

무라오카 요시히로, 와세다대학 인간과학학술원