Modeling the Effects of Different Interventions on Kinesiophobia, Pain, and Quality of Life in Women with Lumbar Disc Herniation Using Artificial Neural Networks

기술적 요약: 인공 신경망을 이용한 요추 추간판 탈출증 여성의 운동 공포증, 통증 및 삶의 질에 미치는 서로 다른 중재 효과의 모델링

문제 제로 (Problem Statement)
요추 추간판 탈출증(LDH)은 통증, 기능적 제한 및 삶의 질 저하를 유발하는 흔한 구조적 병리이며, 특히 여성에게서 두드러지게 나타난다. 그 병인은 신체적 요인(예: 비만, 비활동성)과 심리적 요인, 구체적으로는 운동 공포증(움직임에 대한 두려움) 사이의 복잡한 상호작용을 포함한다. 수영 운동이나 물리 치료와 같은 보존적 치료가 유익하다는 것은 알려져 있으나, 중재 유형, 통증 수준, 운동 공포증, 그리고 삶의 질 사이의 관계는 종종 비선형적이고 다차원적이다. 전통적인 통계 방법은 이러한 복잡한 패턴을 완전히 포착하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 본 연구는 수영 운동, 물리 치료, 그리고 비활동적인 생활 방식이 이러한 변수들에 미치는 상대적 효과를 평가하고, 인공 신경망(ANN)을 사용하여 통증/운동 공 fear증과 신체적 삶의 질 사이의 예측 관계를 모델링할 필요성을 다룬다.

연구 방법론 (Methodology)
본 연구는 요추 추간판 탈출증으로 진단받은 54명의 여성 자원봉사자(평균 연령: 52.83 ± 13.30세)를 대상으로 기술적, 비교적, 단면적 설계를 채택하였다. 참가자들은 다음과 같이 세 그룹으로 목적 표집되었다 (각 n=18):

1. 수영 그룹: 최소 6주 동안 정기적인 수영 운동을 수행하는 여성.
2. 물리 치료 그룹: 외래 클리닉에서 표준 물리 치료 프로그램을 받는 여성.
3. 비활동 그룹: 신체 활동이 없는 요추 추간판 탈출증 여성.

데이터 수집:
데이터는 다음 도구를 사용하여 수집되었다:

• 시각 아날로그 척도 (VAS): 통증 강도를 측정하기 위함.
• 탬파 운동 공포증 척도 (TSK): 움직임에 대한 두려움을 평가하기 위함.
• SF-12 건강 설문지: 삶의 질, 특히 신체적 구성 요약(PCS) 점수를 평가하기 위함.

통계 및 모델링 분석:

• 그룹 비교: Shapiro–Wilk 검정을 통해 정규성을 평가하였다. 그룹 간 차이는 MANOVA와 Kruskal–Wallis 검정을 사용하였으며, 이후 Dunn–Bonferroni 사후 검정을 실시하였다.
• 인공 신경망 (ANN) 모델링: 각 쌍별 그룹 비교(수영 vs 물리 치료, 물리 치료 vs 비활동, 수영 vs 비활동)에 대해 별도의 ANN 모델을 개발하였다.
  • 입력값: 총 운동 공포증 점수 및 통증 점수.
  • 출력값: SF-12 신체 건강 점수.
  • 구조: 학습을 위해 Levenberg–Marquardt 알고리즘을 사용하였다. 데이터는 훈련(80%), 검증(10%), 테스트(10%) 세트로 분할되었다. 네트워크 구조는 1,000회의 독립적인 실행 동안 은닉 뉴런(1~20개)을 변화시키며 최적화되었다.
  • 성능 지표: 모델은 평균 제곱 오차(MSE), 평균 절대 백분율 오차(MAPE), 상관 계수(R)를 사용하여 평가되었다.

주요 결과

• 인구통계학적 특성: 그룹 간 연령, 키, 몸무 weight, BMI 또는 질병 기간에 유의한 차이가 발견되지 않았으며, 이는 임상적 비교를 위한 타당한 근거를 확보하였다.
• 임상적 결과:
  • 통증: 그룹 간에 통계적으로 유의한 차이가 관찰되었다 ($p = 0.002$). 비활동 그룹이 가장 높은 통증 수준(평균 순위 35.61)을 보였고, 수영 그룹이 가장 낮은 수준(평균 순위 17.75)을 보였다. 사후 분석 결과, 수영 그룹과 비활동 그룹 사이에는 유의한 차이가 있었으나 ($p = 0.002$), 수영 그룹과 물리 치료 그룹 사이 ($p = 0.085$) 또는 물리 치료 그룹과 비활동 그룹 사이 ($p = 0.638$)에는 유의한 차이가 없었다.
  • 운동 공포증 및 삶의 질: 세 그룹 간의 총 운동 공포증 점수 ($p = 0.059$) 또는 신체적 삶의 질 점수 ($p = 0.130$)에 대해서는 통계적으로 유의한 차이가 발견되지 않았다.
• ANN 모델링 성능:
  • 수영–물리 치료 모델: 8개의 은닉 뉴런에서 최적화됨. MSE = 0.675, MAPE = 3.242%, R = 0.991 달성.
  • 물리 치료–비활동 모델: 11개의 은닉 뉴런에서 최적화됨. MSE = 0.705, MAPE = 3.410%, R = 0.991 달성.
  • 수영–비활동 모델: 7개의 은닉 뉴런에서 최적화됨. MSE = 1.429, MAPE = 5.363%, R = 0.973 달성.
  • 모든 모델은 관찰된 신체 건강 점수와 예측된 점수 사이에 높은 일치도를 보였으며, 수영–물리 치료 모델이 가장 높은 예측 정확도를 나타냈다.

의의 및 주장
본 논문은 수영 운동이 요추 추간판 탈출증 여성의 통증 관리를 위한 실행 가능한 옵션이 될 수 있으며, 비활동적인 생활 방식에 비해 낮은 통증 점수를 보이고 물리 치료와 유사한 결과를 나타낸다고 주장한다. 또한, 본 연구는 ANN이 통증, 운동 공포증, 신체적 삶의 질 사이의 비선형적 관계를 효과적으로 모델링하여 SF-12 신체 건강 점수를 높은 정확도(R > 0.97)로 예측할 수 있음을 입증한다.

저자들은 물리적 중재가 통증을 감소시키기는 하지만, 운동 공포증이나 삶의 질 결손을 반드시 즉각적으로 해결하는 것은 아니라는 점을 강조하며, 심리적 및 교육적 요소가 포함된 다학제적 접근의 필요성을 시사한다. 본 연구는 ANN 방식이 그룹별 데이터 패턴을 성공적으로 식별했으나, 표본 크기에 의해 제한적이므로 임상 계획에 일반화하기 전 더 크고 다양한 인구 집단에서 검증되어야 한다고 결론짓는다.