Sensory organization strategies for postural control in patients with chronic ankle instability

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Chronic ankle instability (CAI) is associated with sensorimotor deficits and impaired postural control. However, how individuals with CAI adapt to different levels and types of sensory feedback disruption remains unclear. The purpose of this study was to determine whether patients with CAI exhibit altered postural control during single-leg stance when visual and somatosensory inputs are disrupted individually and simultaneously at low and high levels compared to healthy controls. A total of 52 participants (26 CAI, 26 healthy controls) performed single-leg balance task on a force plate under seven randomized sensory conditions. Balance performance was assessed using traditional center-of-pressure (COP) measures, and sensory organization was quantified as percent change in COP metrics from baseline. A 2 x 2 repeated-measure ANOVA revealed a significant interaction under visual disruption (total velocity: F=4.886, p=0.032, velocity-ML: F=6.420, p=0.014), where the CAI group showed a 15% greater balance decline than controls at low-level (p<0.05), but no difference at high-level, suggesting a nonlinear response to visual disruption. No significant interactions were found for somatosensory and combined (visual + somatosensory) sensory disruption conditions, though group main effects were present. Both groups exhibited graded balance declines under somatosensory challenges, with the CAI group declining by 25 to 50%, similar to controls by 15 to 30% (p<0.05), suggesting that CAI group preserved sensory organization strategies despite proprioceptive deficits. Balance performance declined under combined visual and somatosensory challenges, with CAI group showing 90 to 120% deterioration and controls 60 to 90% (p<0.05), highlighting the destabilizing effect of bi-sensory environments in CAI. Despite proprioceptive deficits, the consistent adaptation pattern suggests that central sensorimotor integration and reweighting remain intact in CAI. However, nonlinear responses to visual disruption warrant further study using controlled or virtual environments. Future research should also explore how targeted multi-sensory rehabilitation can leverage preserved sensory organization strategies to improve balance performance in patients with CAI in real-world environments.

국문 초록 (Abstract)

만성 발목 불안정성 (Chronic ankle instability, CAI)은 자세제어 능력 감소 및 감각 조직화 전략의 변화 등 다양한 감각운동의 결손과 관련이 있다. 감각 조직화는 시각, 전정계, 체성감각 정보를 통합하고 우선순위를 조절하는 중추신경계의 기능으로, 균형 유지에 필수적이다. 그러나 CAI 환자에게서 다양한 유형과 난이도의 감각 피드백 교란 상황에서의 자세제어를 위한 감각 조직화 메커니즘은 여전히 명확히 밝혀지지 않았다. 따라서 본 연구는 CAI 환자들이 시각 및 체성감각 입력이 개별적으로 또는 동시에, 낮은 레벨과 높은 레벨로 방해될 때 외발서기 자세제어 반응에 어떻게 변화를 보이는지를 확인하는 것을 목적으로 하였다. 총 52명 (26명의 CAI 환자, 26명의 건강한 대조군) 이 본 연구에 참여하였으며, 무작위로 제시된 7가지 감각 피드백 조건에서 힘판 (Force plate, AMTI) 위에 맨발로 외발서기 정적 균형(Single-leg balance, SLB) 평가를 수행하였다. 자세제어는 압력 중심 (Center-of-pressure, COP) 측정 지표로써 총 면적, 총 속도, 그리고 좌우 방향의 평균 속도를 사용하여 평가하였다. 자세제어 평가는 정상 감각 조건 대비 방해된 감각 조건 간 COP 변화율(%)로 산출되었으며, 변화율이 클수록 자세제어 감소가 더 크다는 것을 의미한다. 2×2 반복 측정 분산분석 (ANOVA) 결과, 시각 방해 조건에서 유의한 상호작용이 나타났다 (Total velocity: F=4.886, p=0.032, Velocity-ML: F=6.420, p=0.014). CAI 그룹은 낮은 레벨의 시각 방해 조건에서 대조군보다 15% 더 큰 자세제어 감소를 보였으나 (p<0.05), 높은 레벨에서는 그룹 간 차이가 없어 시각 방해 조건에 대한 비선형적 반응을 확인하였다. 체성감각 및 복합 감각 (시각 +체성감각) 방해 조건에서는 유의한 상호작용은 없었지만, 그룹 주효과는 유의하게 나타났다 (p<0.05). 이는 체성감각 방해 조건에서는 두 그룹 모두 유사한 자세제어 감소를 보여 (대조군: 15–30%, CAI: 25–50%), CAI 그룹이 고유수용감각 결손에도 불구하고 감각 조직화 전략이 유지됨을 시사한다. 시각과 체성감각이 동시에 방해된 복합 감각 방해 조건에서는 자세제어 감소가 가장 뚜렷하게 나타났으며, 대조군은 60-90%, CAI 그룹은 90–120% 감소하여 (p<0.05) 이중 감각 방해 환경이 CAI 그룹의 자세안정성을 크게 악화시킨다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 CAI 환자들은 체성감각 결손이 있음에도 불구하고, 중추 감각운동 통합 및 감각 재가중 기능이 어느정도 유지되고 있음을 시사한다. 그러나 시각교란에서 나타난 비선형적 반응은 통제된 환경이나 가상현실을 활용한 후속 연구를 통해 추가 검증이 필요할 것이다. 그럼에도 불구하고, 다감각 재활 전략이 CAI 환자의 보존된 감각 조직화 능력을 활용하여 실제 환경에서 자세안정성을 향상시킬 수 있는지 향후 연구에서 탐색되어야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1. Importance of research 1
• 2. Purpose of research 5
• 3. Hypothesis 6
• Chapter 2. LITERATURE REVIEW 8
• 1. Chronic ankle instability 8
• 2. Sensorimotor dysfunction 9
• 3. Postural control impairments 10
• 4. Sensory organization strategies 12
• 5. Sensory dependence in CAI 13
• 6. Center of pressure parameters for postural control assessment 14
• Chapter 3. METHOD 16
• 1. Study design 16
• 2. Participants 18
• 3. Test procedure 19
• 4. Data processing 25
• 5. Statistical analysis 27
• Chapter 4. RESULTS 28
• 1. Participant demographics 28
• 2. Sensory organization in response to normal to disrupted visual feedback 30
• 3. Sensory organization in response to normal to disrupted somatosensory feedback 33
• 4. Sensory organization in response to normal to disrupted bi-sensory feedback 33
• Chapter 5. DISCUSSION 38
• 1. Sensory organization in response to normal to disrupted visual feedback 38
• 2. Sensory organization in response to normal to disrupted somatosensory feedback 40
• 3. Sensory organization in response to normal to disrupted bi-sensory feedback 42
• 4. Clinical implication 44
• 5. Limitations and recommendations for future studies 46
• Chapter 6. CONCLUSION 47