뇌졸중 환자에서 인지기능 평가를 위한 가상현실 프로그램 개발 및 유용성 검토

Abstract

[한글]

뇌졸중 환자의 인지 능력 평가는 의료진과 환자의 개별적인 면담에 의한 서면 평가에 주로 의존하고 있는 실정이다. 이러한 서면 인지평가의 문제점으로 평가 소요시간이 길고, 검사비용이 많이 들고, 전문 검사인력이 부족하며, 검사방법이 서면에 의한 규격화된 인위적 설정으로 평가에 대한 흥미가 떨어지고, 실제 생활에서의 인지기능과 차이가 있을수 있는 점 등을 들 수 있다. 컴퓨터의 개발과 발달로 3차원 가상현실은 컴퓨터를 통해 실제경험과 비슷한 시공간적 자극을 줄 수 있게 되었고, 참여자의 적극적인 상호작용(interaction)과 되먹이기 (feedback)를 통해 다양한 기술을 학습시킬 수있는 수준으로 발달되고 있다.

이러한 기술적 발전을 토대로 인지기능의 측정 및 평가에 가상현실 프로그램을 도입한다면신체적 활동에 제한이 있는 환자를 비교적 안전하게 여러 실제 상황에 노출시켜서, 다양한인지능력을 객관적이고 정량적으로 측정할 수 있을 것이다.

하지만 가상현실을 이용한 인지 평가는 컴퓨터와 상호 작용하는 기술이 필요하고, 입력기구를 사용해야 하는 점 등으로 인하여 인지능력이 손상된 환자에게 적용하였을 때 어려움이 있을것으로 사료된다.기존에 가상현실 프로그램을 외상성 뇌손상 환자의 인지기능 평가에 도입하려는 시도 및 신뢰도 평가에 대한 연구는 있었지만 후천적 뇌손상의 대다수를 차지하는 뇌졸중 환자군에게 적용하였을 때의 유용성 및 타당성에 대한 검증은 없었다.

본 연구는 이러한 점에 착안하여 일상 행동에 바탕한 가상 쇼핑 시뮬레이션 (Virtual Shopping Simulation) 프로그램이 인지평가 방법으로 유용한지 평가하였고, 인지기능이 손상된 뇌졸중환자에서 두부장착 교시장치 (head mounted display)를 이용한 몰입(immersion)-가상현실프로그램의 적용 후 부작용과 만족도, 입력기구(interface)의 적절성을 평가하여 인지평가 도구로써의 그 가능성을 알아보았다.

일측 뇌졸중 환자 20명과 정상군 20명을 대상으로 가상 쇼핑 시뮬레이션 프로그램을 통해수행능력을 비교하였고,뇌졸중군에서는 프로그램 수행 결과와 기존의 서면 인지검사 결과를비교하여 관련성을 평가하였으며,재검사를 통해 검사의 신뢰도를 평가하였다.

본 연구의 결과는 다음과 같다.

1. 가상 쇼핑 시뮬레이션을 통한 뇌졸중과 정상군의 수행 평가 비교에서 1단계 수행지수는뇌졸중과 정상군 사이에 유의한 차이가 있었고 (88.3 ± 13.3 vs 105.3 ± 8.0, p< 0.001),상호작용 에러율( 0.702 ± 0.212 vs 0.463 ± 0.140 ,p=0.003),실행지수 (80.8 ± 29.6 vs115.9 ± 10.0, p<0.001)도 양 군간에 유의한 차이가 있었다.

2. 뇌졸중군에서 입력기 방향 전환 및 이동지수,상호작용을 평가하는 1단계 수행지수는지능검사의 동작성 지능점수( γ =0.674, p=0.002) 와 시지각검사 ( Motor-Free VisualPerception Test) 상의 원점수 (raw score) ( γ =0.701,p=0.001) 와 유의한 상관관계를 보였다.

3. 뇌졸중군에서 가상 쇼핑 시뮬레이션의 2단계 지연 기억재인, 청각 및 시각 기억 점수는시청각적인 기억력과 단기 및 중장기 기억력 관련도가 높은 지능검사 소검사 항목인숫자외우기,어휘문제,산수문제, 빠진 곳 찾기, 바꿔쓰기, 그리고 시지각검사의 원점수와유의한 상관관계를 보였다 (γ =0.459, p=0.048) 환산척도와 유의한 상관관계가 있었다.

4. 뇌졸중군의 주의력지수는 주의력 관련도가 높은 지능검사의 소항목인 숫자외우기,산수문제, 빠진 곳 찾기, 바꿔쓰기, 그리고 시지각검사의 원점수 등과 통계적으로 유의한 상관관계를 보였다 (γ > 0.476 , p<0.05 ). 지능검사중 주의력 관련도가 높은 주의력 관련 소검사들의합산점수와 주의력지수와의 상관관계는 유의하였으나 ( γ =0.640, p< 0.01) 주의력 관련도가낮은 소검사들의 합산점수와 주의력지수간의 상관관계는 유의하지 않았다 (γ =0.361, p=0.12)

5. 가상 쇼핑 시뮬레이션상의 실행지수는 실제 일상행동의 적응, 실행적 측면을 평가한Kims 전두엽 관리기능 신경심리검사상의 적응지수 (Adaptive Intelligence Quotient)와 유의한 상관관계 (γ =0.596, p=0.01)가 있었다. 적응지수와 서면 실행능력 평가지수인

관리지수 (Executive Intelligence Quotient)는 유의한 상관관계가 없었으나 (γ =0.409, p=0.08)적응지수가 가상 쇼핑 시뮬레이션상의 실행지수와는 유의한 상관관계( γ =0.596, p=0.01)를보였다.

6. 뇌졸중군의 각 단계 주요 지수 및 변수는 교육수준 및 컴퓨터 경험과 유의한 상관관계가 있었다 (p<0.05). 특히 1단계 수행지수와 상호작용 에러율 등 컴퓨터 작동 관련값들이 교육수준과 컴퓨터 경험에 매우 유의한 상관관계가 있었다 (p<0.01).

7. 신뢰도를 평가하기 위해 주요 변수의 검사-재검사간의 상관관계를 평가하였다.2단계즉각 기억재인 점수, 지연 기억재인 점수, 주의력 반응 유무, 주의력 반응시간, 주의력 과제선택품목 갯수, 3단계의 적절 품목 선택 점수, 적절한 계산 수행점수 등의 주요 변수들의검사-재검사간 상관계수는 0.643 ~ 0.999 사이로 매우 유의한 상관관계가 있었다 (p <0.01).

8. 가상환경 부작용 질문지에 의해 산출한 시뮬레이터 증상 증후군 (Simulator SicknessSyndrome) 전체 점수는 뇌졸중군 36.3 ± 25.2 점 , 정상군 35.8 ± 31.4점으로 양 군간유의한 차이는 없었다. 가상환경 부작용 질문지의 cut off score에 따라 산출한 부작용의발생빈도는 구토군 (nausea cluster) 증상 9.6%,안구증상군(oculomotor cluster) 증상41.9%, 지남력장애군 (disorientation cluster) 증상 25.8%였고, 뇌졸중군과 정상군 사이의발생빈도의 차이는 없었다.

9. 설문조사를 통한 입력기구평가를 보면 뇌졸중군의 50%가 두부장착 교시 장치에 대해처음 적응이 어려웠다고 하였고, 35%가 조이스틱에 적응이 어려웠다는 의견이었다. 뇌졸중군의 50%에서 가상 쇼핑 시뮬레이션 체험이 재미있었다고 답하였고, 90%가 향후 개발되는 가상 현실을 이용한 재활치료 프로그램에 참여하겠다고 답하였다.

본 연구에서는 가상현실 프로그램의 여러 가지 장점에 착안하여 인지기능 평가를 위한 가상쇼핑 시뮬레이션을 개발하였고, 프로그램을 뇌졸중 환자에게 적용하여 인지평가 도구로써의신뢰도와 타당도를 검증하였다. 가상현실을 이용한 인지평가 프로그램은 기존의 서면 심리검사로는 평가가 어려운 일상생활 속에서의 행동 및 실행능력을 객관적으로 평가하는데도 유용하였다. 가상현실을 이용한 인지평가는 기존의 서면 인지검사의 취약점을 보완할 수 있으며 향후 행동평가 및 인지측정에 발전을 가져 올 수 있을 것으로 사료된다. 또한 부작용

및 이용도 측면에서 입력기구 및 투시 방법의 개선점에 대해서도 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.

[영문]

Successful rehabilitation of patients with stroke requires accurate and comprehensive cognitive assessment.Many paper and pencil tests for cognitive assessment have been used in rehabilitaton, but they are labor-intensive, time-consuming and cannot accurately assess the cognitive function in every day life since they are not carried out in real world settings. Virtual Reality (VR) technology offers the potential to develop better human performance testing and training environment. Examinees with limited motor control can be relatively free from their impairment in simulated real world.VR provides higher degree of control, integrates a variety of sensory functions at the same time, and provides objective tools to evaluate with minimal human error.Also, VR-based cognitive assessment is suggested and a mean to assess the aspect of behavior that is normally inaccessible with formal paper and pencil tests.

There are few reports in the literature demonstrating the sensitivity and effectiveness of virtual reality in differentiating and evaluating cognitive function in patients with stroke.

The purpose of this investigation was to demonstrate the effectiveness and reliability of VR-based cognitive assessment in patients with stroke.Also, the limitation,complication, and usability of immersive VR-based cognitive assessment using Head Mounted Display (HMD) was evaluated.

Twenty subjects with stroke who had unilateral brain lesion and twenty healthy volunteer without brain injury participated in the study. The study compared the performance of VR-based test between stroke patients and normal subject, tried to prove its correlation with other traditional paper and pencil tests, and presented test-retest reproducibility.

1. The performace of VR-based test was compared. Significant differences were consistently found between patients with stroke and control group in following tasks: Stage 1 performance index (88.3 ± 13.3 vs 105.3 ± 8.0, p<0.001), interaction error (0.702 ± 0.212 vs 0.463±0.140, p=0.001),stage 2 delayed recognition memory score (2.2 ±1.3 vs 3.7± 0.5,p=0.001),attention index (89.4 ± 14.3 vs 106.1 ± 8.8 ,p=0.003), and stage 3 executive index (80.8 ± 29.6 vs 115.9

± 10.0 , p<0.001).

2. Stage 1 performance indices in patients with stroke correlated significantly with the performance intelligence quotient (IQ) score of Korean-Weschler Adult Intelligence Scale ( K-WAIS) ) (γ = 0.674, p=0.001 ).

3. Stage 2 delayed recognition, visual and auditory memory scores in patients with stroke correlated significantly with digit span, vocabulary, arithmetic,picture completion, digit symbol of K-WAIS and raw score of MVPT which were associated with visual, auditory, short and long term memory (γ > 0.523, P<0.05). Auditory memory score was correlated significantly with Memory Quotient (MQ) of Rey-Kim memory test ( γ = 0.544,p =0.016 ) and visual memory score was correlated significantly with immediate visual recall ( γ = 0.629, p=0.004) and delayed visual recall ( γ = 0.429, p=0.048 ) of Rey-Kim memory test.

4. Stage 2 attention indices in patients with stroke correlated significantly with digit span, arithmetic, picture completion, digit symbol of K-WAIS and raw score of MVPT, which represented the ability to concentrate and pay attention ( γ > 0.476 , p<0.05). Among the subscales of K-WAIS, the sum of items, which were highly related to attention ability, correlated significantly with attention index ( γ = 0.640, p < 0.01). However, items, which were not related, were otherwise ( γ = 0.361 , p= 0.12).

5. Stage 3 executive indices in patients with stroke correlated significantly with Adaptive Intelligence Quotient ( AIQ ) of Kims Frontal-Executive Neuropsychological Test (K-FENT), which evaluated behavioral and adaptive aspects in every day life ( γ = 0.596, p=0.007). AIQ correlated significantly with executive index of VR-based test ( γ = 0.596,p=0.01), but not with Executive IQ of K-FENT ( γ = 0.409 , p=0.08).

6. Major variables and indices were affected by the level of education and the experience with computer in patients with stroke ( p < 0.05 ), but insignificantly in control group. Especially, stage 1 performance index and interaction error were correlated significantly with level of education and experience with computer in patients (p<0.01).

7. For evaluating test-retest reliability, test-retest correlations were estimated in patients and control group. Major variables such as stage 2 immediate recognition memory score,delayed recognition memory score,response to attention task, reaction time to attention task, total number of correct items to attention task, and stage 3 score of items and of calculation correlated well between the test and retest.Test-retest reliability ranged from 0.643 to 0.999 (p < 0.01).

8. Simulator Sickness Syndrome(SSS) after immersive VR using HMD showed 41% of participant complained oculomotor symptom, and SSS total score was not different between the patients and control (36.6 ± 25.2 vs 35.8 ± 31.4 ).

9. 50% of patients with stroke had difficulty with HMD and 35% with joystick at the first time. 50% of patients commented that VR experience was interesting, and 90% of patients wanted to participate in next version of VR based rehabilitative program.

In conclusion, computer-generated VR-based test represents effective and reliable tool to assess cognitive function in mildly cognitively defected patients with stroke.VR-based test

provides wider range of opportunities of measuring behavior and executive function in every day life.Differentiated indices are also useful to estimate target cognitive function. VR-based

test can be used as a supplement to traditional neuropsycological test in patients with stroke and other cognitive deficits. Also, more investigations and studies are needed to improve interface and projection modality regarding usability and complication.