<Gait alterations in the UAE population with and without diabetic complications using both traditional and entropy measures>

Kinda Khalaf, Haitham M. Al-Angari, Ahsan H. Khandoker, Sungmun Lee, Wael Almahmeed, Habiba S. Al Safar, Herbert F. Jelinek

Gait & Posture 58 (2017) 72–77

1. Introduction

당뇨병 환자들의 손상된 보행은 다면적이며, 전형적으로 central nervous system dysfunction 뿐만 아니라 sensory impairment, lower-extremity strength, mobility, fore-producing capacity의 감소의 복합 상호 작용으로 기인하다. 당뇨병과 관련된 보행 변화에 관한 문헌은 풍부하지만, 다양한 종류의 neuropathy와 관련하여 동적 보행 변화의 역할과 정도를 수량화하는 것은 여전히 불분명하다. 임상적 관점에서 볼 때, 발 궤양의 위험성이 있는 당뇨병 환자의 일반적인 임상 평가는 현재 시각적 평가를 기반으로 하며, 정량화된 biomechanical-based 파라미터에는 의존하지 않고 있다.

인간의 보행은 복잡하며, 일반적으로 nonlinearity, non-stationarity, asymmetry, & multiscale variability하다. Nonlinear dynamics 분야에서 entropy는 irregularity를 정량화하는 측정 시스템이다. 신호가 더 예측 가능할수록 entropy 값이 낮아진다. 정상적인 생체 신호는 높은 entropy 값을 보여 주며, 이는 complexity와 unpredictability를 의미한다.

본 연구의 목적은 고식적인 보행 측정 (gait speed, step length & width, peak plantar pressure (PPP) magnitude & location)을 사용할 뿐만 아니라 nonlinear dynamic measure인 SamEn (hereafter, Gait entropy: GaitEn)를 사용하여 다양한 유형의 당뇨 합병증(diabetic peripheral neuropathy(DPN), nephropathy, & retinopathy)과 관련하여 보행의 변화를 연구하고자 하였다.

2. Material and Methods

2.1. Subjects

< Inclusion criteria >

-18세 이상의 당뇨 합병증이 있거나 없는 당뇨병 환자

-보행 가능한 사람

-궤양의 병력이 없고, 현재 궤양이 없는 사람

-정형외과적 문제, 하지 수술 및 심혈관 질환의 병력이 없는 사람

-총211명 (여성 136명, 남성 75명)

8개의 군으로 분류

1) ALL-C group: retinopathy+nephropathy+DPN

2) RNp: retinopathy+nephropathy

3) NNp: DPN+ nephropathy

4) RN : retinopathy+DPN

5) DPN: DPN

6) R: retinopathy

7) Np: nephropathy

8) control group (CONT): none of the three complications

2.2. Data collection and processing

- 환자들은 gait assessment system (Walkway, Tekscan Inc., MA)에서 정상적인 속도로 두 차례 걸었다.

- Walkway 시스템은 초당 30 프레임 속도로 step당 plantar pressure의 공간적 분포를 보여주었다.

- heel과 forefoot의 PPP의 크기와 표준화된 (x, y) 위치를 추출하기 위하여 내부 Matlab code를 사용하였다.

2.3. Gait computation

Gait cycle의 stance phase 동안의 오른발과 왼발의 pressure wave form을 분리하고 모아 연속 파형을 형성하도록 구성하였다. 오른쪽과 왼쪽 waveform 간의 GaitEn 차이에 대하여 계산되었다.

3. Results

- PPP in the heel region: CONT 그룹에서 DPN 그룹과 비교 시 유의하게 증가함.

- PPP in the forefoot region: CONT 그룹과 DPN 그룹간 유의한 차이 없음.

- Gait velocity: CONT 그룹에서 Np를 제외한 다른 모든 그룹과 비교 시 유의하게 증가함.

- Step length: CONT 그룹에서 NNp & Np를 제외한 다른 모든 그룹에서 유의하게 증가함.

- Step width: CONT 그룹과 다른 그룹간 유의한 차이 없음.

- GaitEn: DPN 그룹에서 CONT 그룹과 비교 시 유의하게 감소. neuropathy와 retinopathy 또는 nephropathy가 동반될 때에도 감소된 gait entropy 관찰됨.

- Correlation analysis: CONT 그룹에서 forefoot에서의 PPP와 gait velocity와 step length 사이의 유의한 상관관계 관찰됨. 하지만 합병증이 있는 다른 모든 그룹에서는 유의한 상관관계 관찰되지 않음. 그 어떤 환자 그룹에서도 GaitEn과 spatiotemporal 파라미터 사이에 유의한 상관관계는 관찰되지 않음.

4. Conclusion

- 본 연구는 임상적으로 감지할 수 있는 neuropathy와 당뇨 합병증 발병 전 보행 이상 징후의 위험성을 예측할 수 있는 biomechanical marker를 통하여 당뇨 합병증이 보행에 영향을 미치는 영향에 대하여 연구했다.

- Spatiotemporal 보행 파라미터의 양적 감소는 proprioceptive 시스템의 보상 메커니즘 적응에 따른 조심스러운 보행 패턴을 반영한다. 즉, 보행 변화는 말초 감각 정보의 감소와 중추 신경계로의 확장 때문만이 아니라 보행 complexity를 규제하고 조절하기 위하여 attention 요구도의 증가 때문인 것이다.

- 다른 그룹과 비교하여 CONT그룹의 GaitEn의 높은 값은 정상적인 보행 주기 동안 발바닥 압력에 더 많은 불규칙성이 있음을 나타낸다. 뿐만 아니라, 본 연구에서 GaitEn 측정이 다른 spatiotemporal 파라미터와 전혀 상관관계를 보이지 않았는데 이는 GaitEn는 당뇨 합병증으로 인한 보행을 조절하기 위한 신경계의 내재적 적응을 표현할 수 있다고 말할 수 있다.