AI 기반 폐쇄 루프 다중 전극 경피 척수 자극: 척수 손상에서 향상된 운동 회복을 위한 실시간 조정 (AIM RECOVER) (AIM RECOVER)

척수 손상(SCI)은 전 세계적으로 약 2,060만 명에게 영향을 미치는 심각한 상태로, 연간 발생률은 90만 명에 달합니다. 싱가포르에서 SCI의 유병률은 1990년 인구 10만 명당 5~6명에서 2019년 인구 10만 명당 13~15명으로 증가했습니다. SCI는 종종 심각하고 장기적인 신경학적 손상을 초래하며, 특히 운동 기능에 영향을 미쳐 일상생활활동(ADLs)과 보행에 상당한 제한을 가져옵니다. SCI의 급성 치료, 재활 및 장기간 치료와 관련된 비용은 상당합니다. 전통적인 재활 전략이 여전히 필수적이지만, 손실된 운동 기능을 회복시키는 데 있어 그 효과는 제한적이어서 많은 사람들이 영구적인 장애를 겪게 됩니다.

척수 자극(SCS)은 SCI 후 신경학적 회복을 개선시키기 위한 유망한 신경 조절 기술로 부상하고 있습니다. SCS는 구심성 섬유를 활성화하기 위해 전기적 자극을 전달하여, 신경세포 간 연결, 운동 뉴런의 흥분성 및 척수 네트워크 간의 통신을 향상시킵니다. SCS는 크게 경막외 SCS(eSCS)와 경피적 SCS(tSCS)로 분류할 수 있습니다. 비침습적 특성과 치료적 잠재력 덕분에 tSCS는 상당한 관심을 받고 있으며, SCI 후 운동 기능을 개선하는 데 효과적이라는 많은 연구 결과가 있습니다. 현재 하지 운동 제어를 위한 대부분의 tSCS 프로토콜은 하나 또는 두 개의 활성 전극을 흉요추 척추(T10 - L2) 위에 배치하고, 각 세션 동안 고정된 자극 부위와 매개변수를 사용합니다. 이 접근법은 tSCS가 감각 입력을 증가시켜 신경 네트워크의 전반적인 흥분성을 향상시킨다는 가설에 기반합니다. 그러나 근육 특이적 자극이 부족하면 길항근의 원치 않는 동시 수축이 발생하여 기능적 움직임을 방해하고 전반적인 보행 효율성을 감소시킬 수 있습니다.

새로운 증거들은 척수 흥분성이 자극 부위와 매개변수의 변화에 동적으로 반응함을 나타냅니다. 실시간 처리를 통한 공간적 선택적 eSCS는 만성적이고 운동 완전 SCI를 가진 개인에서도 자발적 운동 제어를 빠르게 회복시키는 것으로 나타났습니다. 동물 연구에서, 감각 피드백과 피드포워드 근육 수축 루프를 모방하도록 설계된 경막외 척수 자극과 말초 근육 자극을 결합한 통합적 접근법은 상승 효과를 보여주었으며, SCI 후 운동 회복을 향상시키기 위한 신경 조절 시스템 개발에 대한 틀을 제공했습니다. 인간 연구에서, 또 다른 연구팀은 중앙 패턴 생성기(CPG) 네트워크를 활성화하기 위한 연속 자극과 하지 굴곡근 및 신전근 운동 풀에 투사하는 등뿌리를 대상으로 하는 시공간적 교대 자극을 결합한 다중 전극 tSCS가 교대 보행 활동을 유도할 수 있다고 보고했습니다. 놀랍게도, 이 접근법은 임상적으로 완전한 SCI에서도 심각한 하지 운동 결손을 가진 개인에서 즉각적인 보행 기능 회복을 가능하게 했습니다.

현재까지, 연속 자극만을 사용하는 것과 비교하여 연속 자극과 시공간적 변조를 결합한 접근법의 상대적 효능은 인간을 대상으로 체계적으로 평가되지 않았습니다. 이 연구는 연속 중앙선 자극과 실시간, 피드백 기반 시공간적 변조를 통합하는 AI 기반 폐쇄 루프 다중 전극 tSCS 시스템을 개발하고 평가함으로써 이러한 격차를 해결하고자 합니다. 이 시스템은 착용형 운동학적 센서와 표면 근전도(EMG)를 활용하여 진행 중인 보행 및 근육 활성화 패턴을 기반으로 자극 타이밍과 강도를 동적으로 조정합니다. 생리적 운동 요구와 자극 전달을 일치시킴으로써, 제안된 접근법은 근육 선택성을 향상시키고, 하지 운동 모집을 최적화하며, 불완전 SCI를 가진 개인의 보행 성능을 개선하고자 합니다.

성공한다면, 이 연구는 적응형, AI 주도 신경 조절 전략을 지원하는 중요한 증거를 제공하고, 척수 감각운동 회로를 보다 효과적으로 활성화하여 SCI 후 기능적 회복을 촉진하는 차세대 tSCS 시스템의 기반을 마련할 것입니다.