손을 위한 인공신경
케이스웨스턴리저브대학(오하이오주 클리브랜드) 정형외과학·생물의공학 Michael W. Keith교수는 외과적으로 삽입한 센서, 무선기술, 라디오 커뮤니케이션 및 마이크로프로세서 기술을 채용한 인공신경에 대해 발표했다.
이 장치는 외부 하드웨어와 체내에 삽입한 각종 부분으로 구성된다. 흉부에 삽입한 장치로부터 사지의 근육에 장착한 전극에 리드선이 접속되어 있다.
체외 어깨 부분에 있는 센서가 손의 운동을 외부 컴퓨터에 중계한 후, 그곳에서 체내로 신호를 되돌려 각종 근육을 움직이는 것이다.
Keith교수는 『이식한 인공신경을 이용하면 상지의 탈력을 보이는 환자가 자신의 손으로 글씨를 쓰거나 물건을 쥐거나 또는 자기의사를 표현할 수가 있다. 이렇게 함으로써 환자가 자립할 수 있게 되어 자신의 손을 사용해 환경을 자신의 의지대로 하고 수의(隨意)운동을 할 수 있게 된다』이라고 말했다.
Keith교수는 체외의 어깨부위의 센서를 신체내 임의의 장소에 배치할 수 있는 전자운동센서로 교환한 삽입형 관절 각도변환기에 대해서도 발표했다.
이 센서는 자장의 변화를 검출하여 자석을 기준으로 작동하여 손을 움직인다. 더블 시스템을 이식하면 환자는 양 손을 쥘 수 있다.
또, 상완 삼두근 영역에 채널을 만들어 프로그램을 추가하면 환자의 작업공간을 8배 확장할 수 있어 지금까지 손이 닿지 못했던 벽걸이 전화나 책장 등 가슴보다 위에 있는 물건에도 손이 닿을 수 있다.
장래 생각할 수 있는 시스템으로서는 한쪽만이라도 하지의 기능이 잔존하고 있으면 걸어서 이동할 수 있게 하는 제어장치, 마비환자가 집안을 걷을 수 있게 하는 자극장치, 그리고 좀더 광범위한 이동을 가능하게 해 주는 하이브리드 시스템이 있다.
게다가 Keith 교수가 ‘뇌파와 근전도의 융합’이라 부르는 혁명적 개념인 피질제어는 기계적 센서를 능가하는 보다 자연스러운 능력, 예를들면 사고로까지 확장될 것이다.
Keith교수는 『향후 10년 이내에 이러한 장치는 사지마비나 대마비 환자의 표준치료가 될 것이다. 이러한 환자는 일상활동이 가능하고, 좋은 신체기능을 가진 사람으로 볼 수 있게 될 것』이라고 말했다.
위에서 설명한 장치는 클리브랜드 재향군인의료센터(클리브랜드), 케이스웨스턴리저브대학 및 메트로헬스의료센터를 포함한 공동사업체인 클리브랜드 FES(기능적 전기자극) 센터에서 개발 중이다.
쇼핑도 가능해
한편 루이지애나주립대학(LSU, 루이지애나주 뉴올리언즈) 정형외과 Robert D'Ambrosia부장은 10년간 사용하여 성공률이 80%로 나타난 상반성 보행장비(RGO II)에 대해서 발표했다.
이것은 보행기, 케이블, 금속제 골반제어장치 및 입위(立位)보호유지용 배부(背部)지지도구에 설치한 2개의 성형 플라스틱제 하지장구로 성된다.
보행기에 설치한 전기자극 장치가 환자의 대퇴근육에 전기적 진동을 보내 보행운동시 양쪽의 다리를 번갈아 들어올릴 수 있게 반대측의 차 인상을 가능하게 한다.
D'Ambrosia부장은 『250례의 환자에 시도했는데 전도에 의한 골절, 피부손상, 감염증의 발생은 없었다. 장비를 장착한 환자는 1회에 12시간, 앉지 않고 걸을 수가 있으며 계단도 오르내릴 수 있다』고 말하고 RGO II를 장착하고 쇼핑할 수 있게 된 대마비 여성환자 3례의 극적인 비디오를 공개했다.
부장은『걷기 위해서는 직립자세, 밸런스 및 안정성, 번갈아가면서 다리를 들어올릴 수 있어야 한다. 또, 가랑이 관절부와 다리 관절부에 항중력지지력이 없으면 전도한다. RGO II 는 표면 전극을 통해 전기에너지를 이용하여 대퇴사두근을 자극시킨 후 대퇴사두근과 대퇴굴근군을 서로 자극하여 환자를 서서 걷게 한다. 고관절의 굴곡과 신장은 고관절의 굴근과 신근을 자극시킨다』고 설명했다.
환자는 장비를 장착하기 전에 상반신의 근력과 지구력 훈련을 3~4주간 받는다.
대퇴사두근과 대퇴굴근군에 대한 자극치료를 통해 근력향상, 줄기위축의 회복 및 산소 capacity의 회복을 얻을 수 있다.
환자는 사고 후 처음으로 하중을 버틸 수 있게 되었기때문에 골다공증의 합병증을 피할 수 있다.
연구 결과에서 RGO II 에 의해 환자의 혈액순환, 콜레스테롤수치, 방광 및 장관의 기능도 향상한 것으로 나타났다. 또, 배부통이나 근육통의 완화, 식욕, 피부조직, 기력, 자세 및 지구력 향상도 나타났다. 장시간 앉아 있었기 때문에 생긴 욕창성 궤양은 급속히 치유된다.
LSU-RGO II 프로젝트의 대상은 연령이 16~55세이고, 연구시작 후 수개월에서 15년전까지 총상, 나이프에 의한 외상, 자동차 사고나 노동자 산업재해로 인해 대마비를 일으킨 환자였다.
D'Ambrosia 부장은 『훈련한 다음에는 94%를 넘는 환자가 스스로 장비를 착탈할 수 있었다. 그리고 88%가 도움없이 앉은 상태에서 일어설 수 있게 되었다』고 말했다.