고령자의 인지 기능 감소를 조기에 진단할 수 있는 바이오 마커로서의 다중 감각과 보행기능의 특징 추출 = Multisensory and gait function features as prodromal biomarkers for predicting elderly cognitive impairment

국문 초록 (Abstract)

인지감소는 개인 및 사회적, 심리적 그리고 경제적 행복 모두에 영향을 미치는 전세계적인 문제이다. 치매로의 진행은 환자 당사자 및 간병인 모두에게 신체적, 정서적 부담을 준다. 이러한 이유로 인지감소를 조기에 치료하고 치매로의 진행을 억제하는 것이 현재 최선의 방법으로 여겨지고 있다. 전정감각, 청각, 시각 그리고 보행 기능의 저하는 인지감소와 관계가 있고 인지장애의 위험요소로 밝혀졌다. 그러므로, 앞서 언급한 위험 요소들과 인지감소의 연관성을 이해하고 조기 진단을 위한 체계를 만드는 것은 인지기능의 감소를 되돌리거나 지연시키는데 도움이 될 수 있다.
많은 연구들이 이러한 관계를 확인해 오고 있다. 보행, 전정감각, 청각기능, 시각기능에는 수많은 변수들이 있으며, 인지기능 감소와의 관계성을 확인하기 위해 이 변수들을 확인하고, 추출하고 평가해야 할 필요가 있다.
본 연구는 지역사회에 거주하는 65세 이상의 건강한 고령자 61명을 대상으로 보행기능, 전정기능, 시각기능, 청각기능과 인지장애 연관성을 조사하였다.
몬트리올 인지기능 평가 결과에 따라, 연구대상자를 인지 정상군 (41명)과 인지저하군 (20명)으로 그룹을 나누었으며, 인지기능 수준에 따른 각 기능들의 차이를 확인하기 위해 두 그룹의 다중감각 및 보행 기능 변수들을 비교하였다. 그 결과, 인지저하 그룹의 평균 연령이 통계적으로 유의하게 더 많았으며 키, 체중 그리고 교육년수에서는 유의한 차이가 없었다. 그리고 인지저하 그룹은 몬트리올 인지기능 평가의 모든 항목에서 정상군보다 낮은 점수를 받았다. 참여한 연구대상자 모두 현재일자, 현재장소를 기억하는데 아무런 문제가 없었으며, 이는 심각한 인지감소를 나타내는 연구대상자가 없음을 의미한다.
다중감각 기능 관련해서, 시각기능 측정시 대부분의 연구대상자가 시각 장애는 없는 것으로 나타났으며, 인지 정상군이 인지저하군보다 평균적으로 더 좋은 최소가독역치와 명암대비 감도를 나타내었다. 문장을 반복해 말하도록 하였을 때에, 두 그룹이 비슷한 청각 능력을 가졌음에도 불구하고, 인지저하군이 더 많은 문장 단어 오류를 나타내었다. 전정기능 평가와 관련해서, 인지저하군이 더 낮은 자세안정성을 보였으며 이는 전정기능 저하를 의미한다. 전체적으로, 낮은 인지기능을 보이는 고령자의 감각기능은 인지기능이 정상인 고령자보다 감각기능 능력이 낮다는 것을 본 다중감각 기능 측정실험을 통해 입증하였다.
평평한 보행로를 걷는 동안, 인지저하군의 내∙외측 지면반발력 임펄스가 유의하게 더 작은것으로 나타났으며 이는 보폭 넓이가 더 좁으며 인지감소의 특징인 것을 의미한다. 게다가, 인지저하군은 인지 정상군에 비해 단하지 지지기의 보행 주기가 평균적으로 더 적은것으로 나타났다. 이들 메커니즘들은 보행 안정성이 낮아지고 전정감각계가 악화되었음을 나타낸다.
두 그룹간 유의한 차이를 나타내는 변수들을 대상으로 인지기능 정상과 인지기능 장애를 구분하고 또한 그 연관성의 정도를 확인하기 위해 추가 조사를 수행하였다. 각 변수들의 수신자 조작특성(ROC, Receiver Operating Characteristic) 곡선 아래 면적(AUC, Area Under Curve)을 조사하였으며 좋은 예측 능력을 가진 변수들을 확인하였다. 단하지 지지기 주기, 내∙외측 지면반발력 임펄스, 자세 안정성 지수, 문장 인지도 등이 좋은 예측 능력을 나타냈으며 이들을 로지스틱 회귀 모델을 설계하기 위해 고려하였고 이들 중 각 기능에 따라 하나씩 선택하였다. 단하지 지지기 비율, 문장 인지도 오류 갯수 등의 연속형 변수는 높은 AUC를 나타내고 범주형 변수인 자세 안정성 지수는 높은 오즈비를 나타내기 때문에 선택하였다. 이들 피쳐를 이용해 설계한 로지스틱 회귀 모델은 높은 AUC를 가지며 각 기능 피쳐 개개만을 이용하는 것보다 높은 예측 능력을 갖는 것으로 나타났다.
결론적으로, 인지기능 저하군이 인지 정상군에 비해 보행, 전정기능, 청각기능이 유의하게 낮은 것으로 나타났다. 또한, 이들 피쳐를 이용한 예측 능력은 다중감각-보행기능 피쳐들을 이용한 예측 모델이 단일 감각 또는 단일 보행 인지기능 연관 변수만을 사용하는 것보다 더 나은 예측 능력을 가지고 있음을 시사한다.
본 연구에서 제안한 모델은 인지기능 감소에 따른 치매 조기 발견에 활용할 수 있을 것이며, 또한 인지기능 수준에 따라 특정 감각기능을 대상으로 하는 재활 및 인지 중재 기법 개발에 적용할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cognitive deterioration is a world-spread issue affecting both individual and societal psychological and economic well-being. Progression to the currently irreversible dementia generally places physical and emotional strain on both the patients and their caregivers. For this reason, treating cognitive decline in its early stages and inhibiting its further progression is currently considered to be the best approach. Deterioration of vestibular sense, hearing, visual capacity, and gait function have all been related to cognitive deterioration, posing a risk of cognitive impairment. Therefore, understanding the association between the aforementioned risk factors and cognitive decline and creating a system for early diagnosis may help delay or even reverse the deterioration. Numerous studies have confirmed the existence of these correlations. There are many parameters of gait, vestibular sense, auditory function, and visual capacity. These parameters need to be identified, extracted, and assessed to confirm their suitability.
Current study assessed gait, vestibular, ophthalmological, and auditory functions association to cognitive impairment in 61 healthy community-dwelling men over the age of 65. Depending on the participants’ Montreal cognitive assessment, they were divided into healthy control group (n=41) and lower cognition group (n=20). The two groups’ function quantifiers were compared to determine the existence of parameters that differ significantly.
The results showed the lower cognition group to be older with a statistically significant difference in average age, but there was no significant difference in other demographic parameters such as height, weight, and years of education. The group with lower cognition had received lower scores on all of the segments of the Montreal cognitive assessment. However, no participant had issues recalling the date or location, suggesting the sample has no case of severe cognitive decline. In the case of multisensory function measurements, when visual capacity was assessed, it was found that the majority of participants had no visual impairment. The cognitively healthy had on average, higher visual acuity, and higher contrast sensitivity curve. When challenged to repeat sentences, the cognitively impaired group made substantially more mistakes, despite both groups having similar hearing abilities. In the case of vestibular assessment, results show the lower cognition participants have poor postural stability, indicating vestibular deterioration. Overall, the multisensory function measurements demonstrated a lower level of ability in participants with lower cognition. During walking on a flat walkway, the mediolateral ground reaction force impulse of the lower cognition group was shown to be significantly smaller, indicating that a narrower step width is a characteristic of cognitive decline. Additionally, the cognitively impaired group spent, on average, less percentage of their gait cycle in the single limb stance phase compared to the healthy group. These mechanisms are indicative of poor gait stability and deterioration of the vestibular system.
The parameters that displayed a significant difference between the two groups were further examined to determine their predictive ability for distinguishing between healthy and cognitively impaired, as well as the magnitude of the relation. The area under the curve for these parameters was assessed and several were found to have good predictive ability. The percentage of gait cycle spent in single limb support, mediolateral ground reaction force impulse, postural stability index, sentence recognition score, as well as the number of mistakes on the sentence recognition test had good predictive ability and were considered for the design of a logistic regression model. Three parameters, one representing each function, were selected. The continuous variables representing single limb support portion and the number of mistakes on the sentence recognition test were chosen because of their high AUC, and the categorical variable representing postural stability was chosen for its high odds ratio. Logistic regression model designed using these features revealed a high area under the receiver operating characteristic curve, showing higher predictive ability than that of individual features.
Conclusively, the cognitively impaired demonstrate a significantly lower performance of gait, vestibular and auditory functions. Furthermore, the predictive ability of said functions’ features suggests that the dual sensory-gait function prediction model provides better prediction than single sensory or gait function models individually. This model can be utilized for the actualization of early detection and rehabilitation systems. Early detection would provide an early reaction to the deteriorating functions and based on the level of deterioration specific functions can be targeted in rehabilitation.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1 Introduction and objective 1
• 1.1 Introduction 1
• 1.2 Objectives 3
• CHAPTER 2 Background knowledge 4
• 2.1 Cognitive impairment 4
• 2.2 Cognitive impairment, gait, and vestibular control 6
• 2.3 Cognitive impairment and auditory function 8
• 2.4 Cognitive impairment and visual capacity 11
• CHAPTER 3 Methods 12
• 3.1 Participants 12
• 3.2 Cognitive assessment 13
• 3.3 Multisensory function measurements and analysis 14
• 3.3.1 Ophthalmological measurements and analysis 14
• 3.3.2 Audiological measurements and analysis 17
• 3.3.3 Vestibular function measurements and analysis 18
• 3.4 Gait function measurements and analysis 20
• 3.5 Exclusion 23
• 3.6. Statistical analysis 24
• 3.6.1. Comparative analysis 24
• 3.6.2. Cognitive status prediction features and model design 24
• CHAPTER 4 Results 25
• 4.1 Comparative analysis 25
• 4.1.1 Demographics 25
• 4.1.1.1 Variables with no statistical significance 25
• 4.1.1.2 Variables with statistical significance 25
• 4.1.2 Cognitive ability 26
• 4.1.2.1 Variables with no statistical significance 26
• 4.1.2.2 Variables with statistical significance 26
• 4.1.3 Ophthalmological function 29
• 4.1.3.1 Variables with no statistical significance 29
• 4.1.4 Auditory function 30
• 4.1.4.1 Variables with no statistical significance 30
• 4.1.4.1 Variables with statistical significance 31
• 4.1.5 Vestibular function 32
• 4.1.5.1 Variables with no statistical significance 32
• 4.1.5.2 Variables with statistical significance 32
• 4.1.6 Gait function 33
• 4.1.6.1 Variables with no statistical significance 35
• 4.1.6.2 Variables with statistical significance 36
• 4.2 Cognitive status prediction features and model 37
• CHAPTER 5 Discussion 45
• 5.1. Multisensory and gait function characteristics of elderly with cognitive impairment 45
• 5.1.1. Demographics and cognitive characteristics 45
• 5.1.2. Multisensory characteristics 46
• 5.1.2.1. Ophthalmological characteristics 46
• 5.1.2.2. Auditory characteristics 47
• 5.1.2.3. Vestibular characteristics 48
• 5.1.3. Gait characteristics 48
• 5.2. Cognitive status prediction features and model assessment 51
• CHAPTER 6 Conclusion 54
• 6.1. Summary 54
• 6.2. Limitations and further work 56
• References 57
• 요약 (국문초록) 62
• Achievements 65