운동부하검사는 심폐능력평가를 위해 점진적으로 운동강도를 증가시켜 개인이 가진 최대 수행운동에 적응하는 능력을 평가하는 검사로 하지 또는 사지마비의 특징을 가진 척수손상인의 운동부하검사는 암에르고메터(arm ergometer) 또는 휠체어 트레드밀(wheelchair treadmill)을 이용하여 검사를 진행[24,29,31,33-35,37]한다. 비교적 근육량이 적은 상지를 이용한 척수손상인의 검사는 하지를 이용한 검사에 비해 조기에 근 피로를 유발하고, 조기 심박수 증가와 운동부하 증가의 한계 등의 이유로 운동지속 시간이 감소하기 때문에[16] 상지를 이용한 운동부하 검사의 VO_2peak가 하지를 이용한 검사의 70% 수준에서 형성되는 것으로 알려져 있다[49]. 검사 중 실시간 호흡가스 분석을 통하여 VO_2peak, HR peak, VE peak, VT%, PO peak (또는 max) 등의 평가 변인을 측정하여 개인별 심폐능력을 평가하게 된다. 신뢰성 있는 검사를 확보하기 위하여 검사환경은 온도 18-21℃, 습도 50-60%를 유지하고, 8-14분 이내에 검사가 종료(휠체어트레드밀 이용 시 8분 이내 종료)될 수 있는 프로토콜을 적용해야 하며 검사 전 과격한 운동 또는 약물 복용은 제한되어야 한다[24,49-53]. 운동부하검사 실시 전 운동부하검사의 목적, 위험성, 검사방법 및 순서를 대상자에게 고지하고 본 검사 실시 전 심장 및 근골격계 손상을 예방하기 위해 준비운동 또는 사전운동을 5-15분 실시하여야 한다[16,24,29,32-35,37,51-55].

척수손상인은 상지 조기피로에 의해 운동검사를 중단하게 되는 제한점이 있기 때문에 이러한 문제를 최소화하기 위한 다양한 검사프로토콜이 개발되었다. 척수손상 수준에 따라 검사프로토콜을 달리 적용해야 하며, 암에르고메터와 휠체어트레드밀을 이용한 척수손상인의 운동부하검사 프로토콜은 Table 5와 같다[24,29,32,50-56].

척수손상인의 안전한 근력평가를 위해서는 등속성 근 기능측정장비를 이용한 최대우력(Peak Torque, Nm) 검사가 귄장된다. 등속성 저항은 설정한 각속도를 기준으로 하며 관절 각도마다의 최대근력을 평가할 수 있고, 최대근력이 발현되는 각도, 발현 시간, 근 피로율, 길항근 · 주동근 근력비율, 좌우 근력비율 등 다양한 근 기능을 평가할 수 있다. 등속성 저항은 인체 관절마다 적용 각속도에 차이가 있으며, 저속(30-60/sec 이하), 중속(120-180/sec 이상), 고속(240-500/sec 이상)의 각속도 차이에 따른 최대근력, 총일량, 발현시간 등을 측정하여 근력, 근파워, 근지구력 평가를 할 수 있다[57-60]. 등속성 평가는 장애인뿐만 아니라 아닌 비장애인에서도 널리 활용되고 있으며 나아가 재활치료, 운동선수의 의학적 근기능 검사 등에도 활용되고 있다[29,59]. 척수손상인을 대상으로 한 등속성 근력은 손목, 팔꿈치, 어깨 등 상지 관절에 국한되어 실시되고 있으며 이는 단순한 근력평가와 더불어 근기능도 함께 평가하게 된다[24,26,30].

척수손상인은 하지의 수의적 근수축이 제한되어 외부적인 자극을 통한 근 수축 운동이 제시되는데, 신경근 전기자극(NMES) 운동은 표면전기 자극을 활용하여 적용 부위의 신경 섬유에 탈분극을 일으켜 근수축을 유발시키는 방법으로 걷기, 서기, 운동 등과 같은 기능적 움직임과 함께 하거나 신경근 전기자극만 단독적으로 시행하게 된다. NMSE 운동은 1977년 러시아의 Kots가 중주파 전류를 활용해 장시간 무중력 부하에 노출된 근육과 근기능 감소를 보인 우주비행사에게 적용한 결과 근육 및 골밀도 감소를 개선시키는 효과가 보고[68]된 이후 운동선수[69]를 비롯해 만성폐쇄성 폐질환[70]과 척수손상인[71,72], 뇌졸중, 소아마비, 연하장애 등의 신경계 장애인[73]을 대상으로 효과가 입증되어 널리 활용되고 있다.

NMES 운동은 근육량 증가, 근력 및 근지구력 증가, 인슐린 민감성 및 당대사 증가[74], 산소섭취량 증가[75,76], 에너지소모량 증가와 신체 조성 개선[17], 혈류량 증가[77], 잠재질환 개선[78,79]에 효과가 있는 것으로 보고되었고, 적용 빈도는 연구자마다 차이가 있으나 짧게는 4주부터 길게는 6개월간 주 3회, 회당 30분의 훈련 적용이 요구되는 것으로 보고되고 있다. NMES 운동은 최대 수의적 수축력(Maximal Voluntary Contraction)의 20-112% 수준까지 수축이 가능하며 수의적 근 수축과 달리 운동단위 동원(recruitment)이 비 선택적이고, 시간적으로 동시에 일어나며 공간적으로 한정되어 일어나게 되는 특징이 있다. 또한 대사적 스트레스가 휴식 대비 2-4배 정도 증가되지만 국소적으로 제한되어 일어나는 특징으로 수의적 근 수축 운동보다 적은 대사(metabolism) 수준을 나타내게 된다[80,81]. NMES 운동은 느리게 연축(slow twitch unit)이 일어나는 Type I 섬유의 작은 운동 단위가 먼저 동원된 후 빠른 연축(fast twitch unit)의 Type II 섬유인 큰 운동단위가 동원되는 운동단위 동원원리(size principle)를 따르는 수의적 수축과 달리 작은 운동단위와 큰 운동단위가 동시에 동원(synchronous)되는 특징을 보이며 산소소비량 증가, 무산소성 대사 증가로 인한 젖산 축척, 최대 수의적 근수축력의 7-62%까지 근력 향상과 근 단면적이 증가되는 효과가 있는 것으로 보고되고 있다[82,83].

NMES 운동적용은 전기자극의 빈도와 강도를 설정하여 진행하게 되는데, 자극빈도는 1초에 수축되는 빈도를 가리키며 한 번의 자극은 0.2초의 근수축과 이완시간을 가지고, 10 Hz 이상 빈도 시 각 수축 간에 이완시간이 없어지게 되며 20 Hz 이상 시 연속적인 근 수축에 의해 강축이 발생하게 되므로 높은 빈도는 많은 근 피로를 유발하는 것으로 보고되고 있다[69,70,73,83]. 더불어 100 Hz 이상의 지나치게 높은 빈도(Hz)의 적용은 근조직의 손상이 유발될 수 있으므로[73,79] NMES 운동 적용을 30-50 Hz 빈도[73,74]에서 진행하는 것이 권장된다. 자극강도는 펄스 기간(Pulse duration)에 전류(current)를 곱한 것을 가리키며 높은 전류(mA)일수록 근섬유의 동원을 증가시켜 큰 힘을 내어 훈련의 효율성을 증가시키게 되지만 자극기간이 길면 통증이 발생할 수 있음으로 주의가 필요하다. 보편적으로 임상 현장에서는 육안으로 근 수축을 하거나 대상자가 불편함을 느끼지 않는 한에서 최대의 강도로 최대의 근 수축을 유도하는 기준으로 활용하고 있으며, 개인의 피부 저항, 피하지방 두께, 신경위치 등이 다르기 때문에 수치화된 기준을 제시하는 것보다 최초 적용 시 낮은 강도에서 점진적으로 증가시키는 것을 권장한다[70,74]. 전기자극을 전달하는 전극의 표면적이 넓으면 여러 신경가지들의 전기적 흥분을 유발해 보다 넓은 범위의 근육을 수축시켜 더 큰 힘을 발생시킨다. 전극은 두 개 부착하여 사용하는 것이 보편적이며 비복근, 대퇴사두근, 대둔근 등 근육의 운동점(motor point)에 부착하여 근육의 긴장도와 산소 소비를 최대화하고, 두 전극 사이를 멀리 떨어뜨려 부착하여 조직 내의 전류량을 증가시켜야 한다[17,76-78,80].

Scremin et al. [84]은 만성 척수손상인을 대상으로 사이클을 이용한 하지 기능적 전기자극 운동 프로그램(FES-induced lower-extremity cycling, FESILEC)을 제시하였는데, 하지근육에 빈도(pulse frequency) 30 Hz, 트레인 기간(train duration) 10초의 전기자극을 통해 초기 무부하 NMES 운동에서 3-5 lbs 부하의 무릎 굴곡/신전 NMES 운동으로, 이후 사이클을 이용한 하지 기능적 전기자극 운동으로 점진적 부하를 증가하여 적용하기를 권장하였다. 약 53주간 주 3회 운동을 진행한 결과 운동하기 전에 비해 대퇴직근(rectus femoris) 31%, 봉공근(Sartorius) 22%, 대내전근와 슬괵근(adductor magnus & hamstrings) 26%, 외측광근(vastuslateralis) 39%, 내측광근과 중간광근(vastusmedialis-intermedius) 31%가 증가하고 종아리와 허벅지의 지방세포 대비 근육의 비율이 증가된 것으로 보고하였다. Shields et al. [71]은 6주 미만의 척수손상 급성기 장애인을 대상으로 약 2-3년간 편측 비복근(gastrocnemius)에 NMES 운동을 빈도 15 Hz, 강도 0-200 mA, 트레인 기간 10초로 125회 실시한 결과 실시하지 않은 종아리보다 족저굴곡의 최대근력(24%)과 피로지수(50%), 경골의 골밀도(31%)가 증가된 것으로 보고하였다. Baldi et al. [72]도 14-15주간 척수손상 급성기 장애인을 대상으로 6개월간 빈도 35 Hz, 강도 100 mA, 15초 on/off로 NMES 운동(등척성 수축)을 실시한 집단과 빈도 60 Hz, 강도 0-140 mA로 6 W부하에서 35-50 rpm으로 사이클 하지 기능적 전기자극 운동을 한 집단, 운동을 하지 않는 집단의 총 제지방량(Total body lean body), 하지 제지방량(lower limb lean body mass), 둔부 제지방량(gluteal lean body mass)을 비교한 결과 운동을 하지 않은 집단은 초기에 비하여 6개월 후 각각 9.5%, 21.4%, 26.8%로 큰 폭의 감소를 보인 반면, NMES를 적용한 운동 집단은 미미한 감소를 보였고, 사이클 하지 기능적 전기자극 운동집단은 하지 제지방량이 9.3%, 둔부 제지방량이 7.7% 증가한 것으로 보고하였다.

이와 같이 척수손상인에 NMES 운동의 효과를 극대화하기 위해서는 급성기 척수손상인을 대상으로 50 Hz 미만에서 실시하는 NMES 운동 또는 기능적인 동작과 함께하는 Functional’ Electrical Stimulation (FES) 운동프로그램 적용이 적정할 것으로 권장된다.

휠체어추진 시 빠른 속도, 경사도 증가 등에 따른 추진부하 증가는 부하 증가 전에 비해 상지의 손목 · 팔꿈치 · 어깨 관절 가동범위는 크게 변화되지 않으나 몸통굴곡 · 신전 가동범위 및 근 활성도가 증가하는 보상적 움직임 패턴을 나타내는데, 이때 부상 없는 안정적인 휠체어 이용을 위해서 척수손상 후 잔존한 중심부(core) 근육의 최대 활성화가 필요하다[6,30,45,85]. 이 중 대표적인 운동으로 복근과 척추신전근 강화가 필요한데, Petrofsky et al. [85]이 제시한 앉은 자세의 6초 등척성 수축 복근과 척추신전근의 근력강화 운동프로그램 적용이 필요하다.

휠체어추진은 반복적열린사슬(OKC) 운동에 따라 상지 근위 분절의 과부화가 유발되며 그에 따른 어깨 관절의 높은 손상빈도를 보이므로, 이에 휠체어 이용 척수손상인은 과사용 어깨관절 손상을 예방하는 운동프로그램이 필수적으로 적용되어야 한다[25]. 어깨 관절의 대표적 과사용 손상으로 어깨 충돌증후군(Shoulder Impingement Syndrome)을 들 수 있는데, 이는 누적된 회전근개(rotator cuff) 근피로 및 약화, 견갑골 위치 변형, 관절낭 단축, 견봉 비정상적 변화 등이 주요 원인인 것으로 알려져 있다[25,46,47,87,88]. 이를 개선하기 위한 운동프로그램으로는 회전근개(rotator cuff), 능형근(rhomboid), 중 · 하부승모근(middle · lower trapezius) 강화를 위한 Rowing 운동, Blackburn 운동, 휠체어 뒤로 타기 운동과 견갑골의 변형 및 후방 관절낭 단축을 개선하기 위한 후방관절낭 스트레칭, 소흉근 스트레칭 운동이 적용되어야 하다[85-89]. 또한 휠체어 추진 시 발생되는 근 역학적인 손목 신전근(Extensor carpi radialis longus, Extensor digitorum communis)의 신장성 부하 발생에 따라 근육 면적이 넓어지게 되지만 이와 대조적으로 유연성 감소를 초래하여 손목손상과 팔꿈치의 외측상과염 등 근골격계 손상이 유발된다[26,90]. 따라서 이를 예방하기 위한 반복적인 손목의 굴곡근과 신전근의 스트레칭 운동프로그램이 적용되어야 할 것이다. 또한 척수손상인의 휠체어를 이용에 따른 흉추후만(kyphosis)과 견갑골의 전인(protraction)의 변형이 유발되므로 이를 개선하기 위한 소흉근, 대흉근 및 전거근 스트레칭 운동이 요구되며, 특히 흉수 6번 이하 손상 하지마비인(paraplegia)은 쉽게 자세(posture)의 이상이 관찰되므로 집중적인 자세 개선을 위한 유연성 증진 운동이 필요할 것이다[42].