11. 신경지배근의 전기자극치료 Masan university, Moon, Hyun-Ju. PT. (Neuromuscular Electrical Stimulation; NMES) Masan university, Moon, Hyun-Ju. PT.

1. 개요 신경지배근의 전기자극 특성 » 신경지배근의 전기자극  신경섬유 흥분  지배 근육의 수축 유발  1)병변의 종류, 2)극성, 3)순응율, 4)전류밀도 등의 요인에 의해 변화함 1) 병변의 종류 » 과흥분성 (hyperexcitability) : CNS, 말초신경손상 및 말초신경염 초기 » 저흥분성 (hypoexcitability) : 하위신경원 질환 (근위축성 측색경화증 등), 말초신경손상 후기, 진행중인 말초신경염, 장기간 고정

2) 극성 » 활성 전극이 음극인 경우 : 신경섬유의 흥분성 증가 » 활성 전극이 양극인 경우 : 신경섬유의 흥분성 감소 » 극성공식 : CCC로 자극하는 것이 가장 효과적 3) 순응 » 뒤부아 레몽 (DuBois-Reymond)의 법칙  흥분성 조직은 자극 강도를 서서히 증가시키면 이에 적응하는 순응능력이 있음 » 신경은 근육보다 순응율이 높음 » 신경지배근을 전기자극  순응이 일어나지 않도록 정점강도에 빠르게 도달 » 단속 평류 자극  순응을 피하기 위하여 자극의 발생 시간은 60μs 이하로 적용 4) 전류밀도 » 전류 밀도 : 단위 면적당 흐르는 전류의 양 » 전류 밀도는 전류강도의 제곱에 비례하고 전극의 단면적에 반비례 » 전류의 강도, 전극의 크기 및 모양, 전극배치 방법에 의해서 결정

2. 전기자극이 신경지배근에 미치는 영향 » 반복적 전기자극 및 근수축 운동  골격근의 활성 증가 » 장기간의 근활성 (muscular activity) 증가 - 팔다리 둘레의 증가 - 근육무게 감소의 지연 - 근육섬유직경의 증가 - 모세혈관의 분포 및 혈류량의 증가 - 근육수축력의 증가 - 효소 활성도의 증진 - 글리코겐 변화 증가 - 산화대사의 증진 - 근육섬유형의 변화 - 단백질합성능의 증가 - 위축예방 - 사립체 수 및 체적의 증가 등의 변화 초래

근기능의 증가 » 전기자극의 근력증가 기전 : 2가지 이론이 제시 - 기전 1 ** 근기능의 증가 » 전기자극의 근력증가 기전 : 2가지 이론이 제시 - 기전 1. 기능부하 (functional load) : 전기자극 = 운동 - 기전 2. 전기자극과 운동에 의한 근력 증가는 다름 1) 수의적 수축 Type I 섬유를 지배하는 small motor neuron이 large motor neuron보다 앞서 활성화 되기 때문에 탈분극이 동시에 일어나지 못하고 발사빈도(firing rate)도 간헐적이고 낮음 2) 전기자극에 의한 수축 Type II 섬유를 지배하는 large motor neuron이 먼저 흥분하여 탈분극이 동시에 일어나고 발사빈도는 지속적이고 높음

3. 신경지배근의 전기자극 치료 조건 » 전류, 파형, 맥동빈도, 맥동기간, 자극강도, 경사시간 (ramp time), 순환주기 (duty cycle) 등 여러 가지 조건 (parameter)이 있어 가장 적절한 조건을 선택해야 함 1. 전류와 파형 1) 전류 : 교류전류, 시간변조교류전류, 맥동전류 사용 2) 파형 : - 교류전류 : 정현파 전류, 대칭 / 비대칭 이상파 - 시간변조 교류전류 : 다상 대칭 정현파  러시아전류 (Russian current) - 맥동전류 : 직사각형 대칭 이상파 (상대적으로 긴 위상기간  비교적 낮은 강도의 자극에도 근수축 용이)

2. 맥동빈도 (frequency) : 맥동빈도  근육수축의 형태와 근피로에 영향 » 1pps  단일연축 (single contraction) » 맥동 빈도 증가  부드러운 강축(tetanic contraction) - 신경지배근의 강축유발 맥동빈도 : 15~50pps - 근력증가(강축)를 일으키기 위한 적절한 맥동빈도 : 25-35pps - 35pps이상 : 근피로 유발 가능  근장력을 증가시키는데 부적합 * 전기자극(근육 수축 유발) + 중등도의 저항 운동  효과적 근력 훈련

3. 맥동기간 (pulse duration, width) : 맥동기간과 자극강도의 관계 고려 » 50μs 이하 : 매우 높은 강도 필요, 총전하량 증가  불쾌감 동반 » 200-450μs : 적은 전류강도로 편안하게 근수축을 일으키는데 효율적 » 500μs 이상 : 신경 순응율 증가, 흥분성 감소, 총전하량 증가  불쾌감 동반

4. 자극강도 (amplitude) 자극  문턱값  근수축 발생  강도 증가  최대수축  고원현상

5. 단속시간비 » 단속시간비 (on off ratio) : 근피로와 관련하여 중요 » 이상적인 단속시간비는 제시되지 않았으나 치료목적에 따라 1:1-1:5까지 사용 » 전기자극 치료를 처음 할 때 : 휴식시간(off) > 자극시간(on)

6. 경사 변조 » 치료목적에 따라 경사증가/감소(ramp-up/down) 시간을 선택 Ex

7. 치료시간 (duration of treatment) » 1회 치료시간 : 환자가 견딜 수 있는 내성 (tolerance)과 필요에 따라 다름 » 수축능력 저하, 수축 시 근육의 세동, 수축 후 통증 등 근피로 징후 출현  치료 중단 8. 치료빈도 (frequency of treatment session) » 치료빈도도 필요에 따라 결정 » 가능하면 1일 1회씩 치료하는 것이 바람직하고 치료효과를 증대시킬 필요가 있을 때는 1일 2회씩 치료 » 중요한 점은 과도한 자극을 피해야 하며 근피로 징후가 나타나면 1회 치료시간, 1일 치료빈도를 낮추어야 함

4. 전극배치방법 전극배치 방법 : 단극배치, 양극배치, 근육군자극 1. 단극배치방법 (monopolar technique) » 활성전극과 비활성전극 사용  개별 근육 자극 » 활성전극(작은 크기)  전류 밀도 증대 » 비활성 전극 : 근육이 수축하는데 방해되지 않을 만큼 자극 부위와 충분한 거리에 부착 » 활성 전극으로 운동점(motor point) 자극 ** 단상맥동 전류 사용 시  음극(활성전극)

2. 양극배치방법 (bipolar technique) » 활성 전극과 비활성 전극의 구분 X » 비슷한(동일)한 크기의 전극 2개 사용 » 근육 운동 목적 시 : muscle belly의 기시 & 정지부에 배치  큰 근육 or 근육군에 적용  특발성 측만증, 근력 강화를 위한 점진적 치료에 적용

** 전극간 거리 - 전극간 거리가 가까우면 가까울 수록 표면 자극 - 전극간 거리가 멀어지면 멀어질수록 심부 자극 ** 전극간 거리 - 전극간 거리가 가까우면 가까울 수록 표면 자극 - 전극간 거리가 멀어지면 멀어질수록 심부 자극

5. 신경지배근육의 전기자극시 문제점 1. 근피로 (muscular fatigue) » 지나친 전기자극 (over stimulation)이 원인 » 과도한 전기자극  근육 내 노폐물 등의 축적 유발  근 손상 유발 가능 » 근피로 징후 (sign) : - 근수축능력 (briskness of contraction)의 저하, - 수축시 경한 진전 (mild tremor), - 자극 후 근육통(muscle soreness) or 근육강직(muscle stiffness) » 근피로 : 맥동빈도(자극 주파수), 단속시간비(자극기간), 치료기간 등에 영향 받음

1) 맥동빈도 : 낮은 주파수 (낮은 맥동 빈도) : 근피로를 덜 일으킴 2) 단속시간비 : 1:3~1:5의 단속 시간비가 근피로를 최소화하는데 가장 효과적 3) 치료기간 : 장기간 (2주 이상) 전기자극  근피로에 대한 저항 증가 : 낮은 주파수 전기자극 ( II형 섬유  I형 섬유)  호기성 산화 대사 능력의 증가가 원인

6. 신경근육전기자극 방법(임상적용) 신경근육전기자극 목적 1. 고정이나 불용성이나 인한 위축시의 근력 증강 2. 척추측만증의 교정과 치료 3. 마비환자나 요실금 환자의 배뇨장애 치료 4. 보장구 대용 등 기능적 전기치료의 한 형태로 사용 5. 근력 및 지구력 증강과 같은 특수한 목적으로 운동선수들에게 적용 6. 순환의 증진 7. 경련성 완화 및 관절운동범위 유지

1. ROM 유지 및 획득 » CNS 손상 환자의 관절 운동에 효과적 » 중등도 or 심한 경련이 있을 때는 자세, 전기자극의 조건, 전극의 위치 등을 고려하고 빠른 운동 및 급속한 운동을 피해야 함 » 전기 자극에 의한 관절 운동 범위의 증가/유지 = PROM ex. 기전과 동일

2. 경직의 완화 » 경직의 완화를 위해 길항근 자극, 주동근 자극, 감각훈련 방법이 시도 1) 길항근 자극 (antagonist stimulation) : reciprocal inhibition 2) 주동근 자극 (agonist stimulation) : autogenic inhibition 3) 감각훈련 (sensory habituation) » Dimitrijevic와 Nathan(1970) : 낮은 주파수, 낮은 강도로 감각 자극  경련성 완화 BUT ??!!

3. 근력 증강 무용성 위축(disuse atrophy)의 치료 및 지연  통증, 석고고정, 관절핀 고정, 건(tendon) 절단, 인대손상, 관절질환, 척수손상 초기, 뇌손상 등 상위신경원질환, 절대침상 안정 등 » Russian technique (current) : 1976년 몬트리올 올림픽 (소련 선수들의 근력강화 기술)  수의운동 + 전기자극 1977년 Kots(러시아)에 의해 전기자극 기술 발전 : 수의 운동보다 30-40% 근력 획득 : 최대 수의적 근 수축보다 10-30% 수축 유도

** 근력 증강을 위한 전류 : 교류전류 : 시간변조교류전류(다상 정현파  러시아전류; 2,500Hz) : 맥동전류 (대칭 이상 직사각형) ** 전류진폭 : 효과적인 근력증강 (수의 수축력의 50% 이상의 근수축) But, 환자가 견딜수 있는 전류량 (개인차, 치료 부위에 따라 다양) : 손상으로 근력 약화가 있는 경우  10%MVIC 이상 ** 전극배치 : 작은 근육 (단극배치) / 큰 근육 (양극배치) : 전극 위치  운동점 or rms 주행 방향과 평행(기시와 정지부) ** 치료빈도 : 주당 3-4회, 4-6주 이상 장기간 적용

4. 척추 측만증의 치료 » 척추측만증의 치료 : Milwaukee 보조기, : TLSO, 근력증강 운동 » 전기자극 (측부표면 전기자극; LESS) lateral electrical surface stimulation  특발성 척추 측만증 치료

» 측부표면 전기자극의 조건 - 전류 (current) : 맥동전류 - 파형 (waveform) : 장방형파 (rectangular ) - 자극빈도 (frequency) : 25pps - 자극폭 (pulse duration) : 220μs - 단속시간비 (on off ratio) : 1:1(6s on : 6s off) - 자극강도 (amplitude) : 근육수축 및 척주운동 (견딜 수 있는 범위) - 치료시간 (Tx. duration) : 8hr

» 전극배치 : 만곡첨을 중심으로 체간 측면의 위 아래에 위치 : 부척추근(paraspinal), 볼록한면의 중앙(intermediate), 바깥쪽(lateral) » 전극사이의 거리 : 반드시 만곡부 안에 위치 » 전극사이의 거리 : 최대 16 cm, 최소 6 cm이지만 환자의 체격을 고려 » 채널수 : 단일만곡 =1 채널, 이중만곡 =2 채널 사용 » 극 : 흉부만곡 = 음극(위에), 요부만곡 = 음극(아래에) but, 근수축이 유발되지 않거나 약하게 유발될 경우 극을 바꿔줌

» 자극강도 : 근육통을 없이 근수축 및 척추운동이 유발될 때 까지 증가 » 자극주기 : 6s 자극, 6s 휴식 (단속 시간비 = 1:1) » 치료시간 : 첫째날 = 30분씩 3회, 둘째날 = 1시간씩 2회, : 셋째날 = 3시간 계속 치료, : 치료시간이 8시간이 될 때까지 점점 증가 » 특징 : 20~45도의 진행성 특발성 척추측만증에 효과적 전기자극+운동치료 병행 » 환자 가족에게 측부 표면 전기자극의 정확한 사용을 교육하여 가정치료 실시

5. 기타 - 근재교육 : 너무 강한 강도 자극  표재성 구심 자극 활동 폭주  비효율적 - 근지구력 : 근력 증강과 유사(근수축 정도, 횟수 제외) - 순환증진 : 전기자극  근육내 모세혈관 분포 증가  혈류 증가 - 어깨부분탈구 : 전극(뒤어깨 세모근, 가시위근) - 보장구 대치 : 하지 및 상지의 보조기 대용, FES의 한 형태로 간주 - 연하곤란치료 - 운동능력 증진 - 요실금

금기증 및 주의증 금기증 주의사항 심장박동조율기 착용자, 심장질환, 정맥 및 동맥 혈전증, 혈전성 정맥염 활동성 결핵부위, 악성종양부위, 감염, 임신부의 허리, 배, 샅 부위 중증근무력증, 샤르코-마리-투스병, 불완전골생성증 절개, 힘줄이식, 인대재건술 부위, 눈/목 위, 출혈부위, 상처부위, 뼈돌출부위, 투석시 유치카테터 주위, 의사전달 어려운 사람, 투열치료기 작동 근처 주의사항 임신부, 고혈압, 부정맥, 울혈심부전증, 심장질환, 골절, 골다공증, 발작, 신경병증 최근 수술부위, 감각장애부위, 부종부위, 열린상처, 피부절개, 찰과상, 면도 손상 교감신경 활성징후, 표면금석 근처, 약한 피부, 과민피부, 머리와 목위, 비만, 근피로 척주근육, 흉터조직 및 유착, 의사전달 장애, 직절한 전도물질, 전기자극 조건 점검

11-1. 기능적 전기자극치료 신경지배근의 전기자극치료 (Functional Electrical Stimulation) Neuromuscular Electrical Stimulation; NMES) Masan university, Moon, Hyun-Ju. PT.

개 요 기능적 전기자극의 역사 - 1961년 Liberson W. : swing phase에서 foot drop이 발생하는 편마비환자의 보행교정을 위해 적용  보행 개선, TA muscle의 일시적 기능 유지  기능적 전기치료(functional electrotherapy)  1962년 : 기능적 전기자극(functional electrical stimulation) - FES의 정의 (1967년 Gracanin F. 등) : “기능적 전기자극이란 더 이상 수의적으로 조절할 수없게 된 근육에 전기자극을 가하여 근육수축을 유발하므로써 기능적으로 유용한 동작을 만들어 내는 치료법(작용)이다” - FES = UMN손상, LMN 정상인 환자에게 적용하는 치료법

기능적 전기자극의 기전 1. Efferent functional electrical stimulation - motor neuron 자극  전기적 흥분  신경전달물질 유리  근수축 발생 2. Afferent functional electrical stimulation - afferent neuron 자극  척수반사기전 - Lloyd : Ia 구심성 자극  주동근, 협력근 촉진  길항근 억제 - Sherrington : 이중상반신경지배(double reciprocal innervation)  교대보행동작 (alternating stepping movement) 3. FES이 반사적 운동활동 후 지속되는 효과 - Rood : 운동잠재기억 (motor engrams)  인위적 구심성 자극으로 인한 운동패턴  뇌와 고유수용성 기전에 잠재되어 일정기간 지속

기능적 전기자극기의 구성 기능적 전기자극기의 전극 * 전극 배치 - 낮은 피부-전극 저항 - 전류전도 일정, 접촉면 일정 - 인체의 움직임 허용 - 피부자극 없고, 경제적 가격 * 전극 배치 - 양극배치법이 가장 널리 사용 - 반흔조직과 뼈 돌출부위 : 활성전극 배치 X - 근섬유 방향과 평행하게 배치 - 적절한 전극 거리 조절 * 보행 훈련 시 전극 스위치 : 발뒤꿈치, 중족, 구두안창 등에 설치

기능적 전기자극기의 적용 근수축의 질을 결정하는 요인 1. 파형 - 파형(waveform) , 자극진폭(stimulus amplitude), 맥동기간(pulse duration) 등 1. 파형 - 대칭성 이상성 직(정)사각형파 - 비대칭성 이상성 직(정)사각형파 ** 파형은 환자의 감각, 안락함, 화상유발 여부로 중요

2. 진폭(강도) 3. 위상기간과 맥동기간 - 자극 진폭 증가  역치가 높은 신경섬유들의 부가적 흥분 - 자극 진폭 증가  역치가 높은 신경섬유들의 부가적 흥분  운동단위 동원 수 증가  근력상승 - 환자마다 피부저항이 다르고 감각 정도가 차이가 있기 때문에 근수축반응과 환자가 참을 수 있는 범위 내에서 적절히 조절 3. 위상기간과 맥동기간 - 짧은 위상기간(진폭을 높게 조절) / 긴 위상기간(진폭을 낮게 조절) - FES 위상기간 : 0.2~0.4ms (근수축 유발시 0.3ms가 편안함 제공)  0.05ms(매우 큰 진폭 필요) 1.0ms(긴 위상, 운동, 통증감각 모두 자극  근수축과 통증유발 - FES의 맥동기간 : 200-400 μs

4. 주파수(맥동율) 5. on-off ration 낮은 주파수(1-5pps) : 연축(twitch contraction) 높은 주파수(10-20pps) : 진동이나 불완전 강축 (incomplete tetany) - 전기적으로 유도된 근수축 :직경이 크고 피로에 약한 표면부 운동단위들이 먼저 활성 주파수가 높으면 동원 운동단위수가 많아 근피로가 쉽게 일어남  적절한 주파수 조절이 필요 5. on-off ration - 근피로 방지를 위해 고려 - CNS 손상 환자 ( 1:5 ) / OS 환자 (1:3) / 근력증가 ( 1:1 )

6. FES 적용 환자의 선택 기능적 전기자극을 위해서는 자극에 반응할 수 있는 말초신경이 손상되지 않았거나 부분적으로나마 손상되지 않고 남아 있어야 함 7. 경사시간과 경사변조 근육이 순차적으로 수축하여 자극이 부드럽게 시작되어 부드럽게 끝나게한다.

기능적 전기자극기의 적응증 / 금기증 적응증 - disuse atrophy - ROM증진 - Muscle re-education & facilitation - spasitcity management - gate training - Idiopathic scoliosis - shoulder subluxation - edema management - strength, endurance

주의점과 금기증 - cardiac pacemaker - 부정맥이나 심장전도 장애 등 심장병 환자 - 임신 중 산모의 복회음부나 허리부위 - 목 앞쪽 - 신생물이나 감염부위의 신경근 전기 자극 - 영아,노인,정신장애 등의 환자에게는 신경근 전기 자극 - 비만 환자의 과도한 지방조직에 신경근 전기자극 - 반흔조직 - 과긴장 저긴장환자, 정맥혈전, 혈전성 정맥염 - 흉추부위는 전류가심장을 포함하여 체내조직의 기능방해