Summary
该协议的目标是使用高空间分辨率传感器表测量压力中心 （COP） 更换，以反映精确抓地力的空间稳定性。使用这一协议有助于加深对掌握生理学和病理生理学的理解。
Abstract
该协议的目的是根据偏离力方向导致压力中心 （COP） 替换的生物力学关系，间接评估手持物体操作过程中手指力的方向。为了对此进行评估，使用薄、灵活、高空间分辨率压力传感器表。该系统允许测量COP轨迹，以及力振幅及其时间调节。一系列实验发现，增加的轨迹长度反映了中风患者的传感器运动缺陷，而COP轨迹的减少反映了一种补偿策略，以避免物体从老年人的手握滑落。此外，通过双重任务干扰也可以减少缔约方会议的轨迹。本文介绍了实验过程，并讨论了手指COP如何有助于理解掌握的生理学和病理生理学。
Introduction
力控制是精确抓地力的根本基础。与功率夹持相比，精密夹点评估反映操纵物体能力的最小力输出。多个传感器运动系统有助于精确抓地力。例如，在抓握和提升任务期间，视觉信息可以感知对象的大小和形状。指尖触摸物体后，触觉信号被传递到躯体感觉皮层，以调整精确的抓地力。当指尖与物体接触时，将产生夹紧力 （GF），并在提升阶段1中增加。当物体接近空气中的目标高度时，健康的年轻人会产生最小的GF，以优化来自指浆的木质输入并节省能量。另一方面，老年人使用较大的抓地力，以避免让物体从他们的抓地力2滑落。在中风患者中，握力的发作被推迟，并且由于感觉和运动缺陷而削弱调整安全边际的能力。夸张的抓地力被认为是一种战略反应，以弥补感官和运动缺陷3。
测量精密抓地力中GF控制的标准协议是约翰森和韦斯特林在20世纪80年代4年提出。他们开发了一种同时监控负载和抓地力的装置。此后，GF振幅及其时间调节在精密抓地力的众多研究中被作为典型的动力学参数。另一个动力学参数是力方向5。力方向由抓地力和提升力组合产生。为了保持稳定的精确抓地力，必须在拇指和食指之间产生正确定向的抓地力和提升力，而偏离的力方向可能会导致空间不稳定。虽然各种称重细胞型力方向仪器用于抓握研究，但这些仪器在监测控制日常生活中使用的不同尺寸和形状的物体时控制握力有局限性。因此，灵活且可连接的传感器对于研究夹紧力控制与日常功能之间的关系至关重要。
该协议的目的是根据偏离力方向导致压力中心 （COP） 替换的生物力学关系，间接评估物体在操纵过程中的方向。COP 是所有力的中心，表示传感器表上如何平衡力。使用COP来评估抓地力控制首先由奥古尔勒等人6提出。他们监测COP位移，以调查皮肤反馈的作用，并发现偏离COP发生在数字麻醉之后。然而，缔约方会议的流离失所问题仅在其研究中受到纵向监测;因此，对缔约方会议在三维空间中的位移没有得到充分评价。为了解决这一限制，一个薄、灵活、高的空间分辨率压力传感器表用于测量COP。 相对高的空间分辨率传感器（每厘米260~100点）用于测量夹紧力控制，但最近空间分辨率的进步（每厘米248点）允许测量COP轨迹作为参数来量化空间稳定性。本文介绍了实验过程，并讨论了手指COP如何有助于理解掌握的生理学和病理生理学。
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Protocol
本文中的一系列研究得到了群马大学涉及人类主体医学研究伦理审查委员会的批准。
注：参与者的包容标准是能够理解使用最小力的能力，以及用拇指和食指执行任务的能力。根据实验的目的选择排除标准。
1. 设备准备
- 将两根传感器连接器电缆连接到计算机的 USB 端口。拉起连接到传感器接头的操纵杆，并将传感器的卡舌插入插入插槽。将连接的操纵杆返回到其原始位置。
- 打开计算机上的传感器软件。确保传感器表正确连接时，监视器上会自动显示实时压力分布图。
- 压力调节
- 将传感器表的传感区域一个插入压缩机钻机中。
- 打开压缩机控制器的空气阀并开始施加压力。操作稳压器并调整到适当的负载值（即 172 kPa），以检查控制器上的指示灯。确保传感器片的整个区域在监视器上同样加压。
- 向传感器板施加压力时，执行平衡和校准。
注：平衡是一种平均调整传感器单元反应的操作。校准是一种操作，用于将传感器表上的压力（原始总和）转换为重量单位（克或牛顿）并显示它。在开始为每个参与者收集数据之前，必须对传感器表同时完成这两项操作。- 选择 工具 | 软件主 窗口上的平衡。单击 均衡-1 | 从 平衡对话框开始。检查对话框中的平衡结果，并确认平衡窗口将颜色更改为灰色。
- 单击"平衡"对话框中的" 保存 Eq. 文件 "来保存平衡设置。输入平衡文件名，然后单击 "另存 为"对话框。
- 接下来，通过选择"工具 | "执行校准校准.单击"应用力"框中的"添加"并输入负载值 （134.33 N）。
- 单击 对话框中的 "开始"按钮。检查校准对话框中的校准结果，并确认校准是否正确完成;牛顿的值 显示为 134.33， 如果校准正确，加载的 Cells 的值与使用的传感器板的值匹配。
- 之后，单击"保存 Cal.文件"保存校准设置。输入校准文件名，然后单击" 另存 为"对话框。平衡和校准后，关闭控制器上的空气阀，并从压缩机中提取传感器表。
2. 测量
- 制备
- 按照步骤 1.1 连接每个设备并启动软件。和 1.2.当传感器表通过电缆同时连接时，确保显示每个传感器工作表的两个实时压力分布图。
注：在此实验中，需要两个传感器表分别测量拇指和食指。有必要根据第 1.4 节中描述的程序对每个程序进行平衡和校准。 - 回想一下在步骤 1.4.2 中创建的平衡和校准文件。和 1.4.5。激活实时压力分布图后，选择" 工具 " | 负载平衡文件。选择平衡文件，然后单击"打开 "。然后，选择 "工具 " | 加载校准文件。选择校准文件，然后单击"打开"。确保加载校准文件后，实时压力分布图以牛顿格式显示。对两个地图中每个地图执行上述操作。
- 使用双面胶带将两个传感器板的压力敏感部件连接到铁立方的两侧。为防止传感器板损坏，请切割 3~5 mm 长度的胶带，并放在铁立方外部的四个角上。确保传感器表的表面位于外部。
- 将铁立方放在测量前的设定支架上。
- 排列测量环境后，修复影片帧、周期和频率的录制设置。选择选项|采集参数命令。在数据采集参数对话框中，在影片帧中输入 36000，在周期中输入 0.01，在频率中输入 100。单击"确定"并关闭对话框。
- 按照步骤 1.1 连接每个设备并启动软件。和 1.2.当传感器表通过电缆同时连接时，确保显示每个传感器工作表的两个实时压力分布图。
- 开始测量
注： 图 1 演示了抓握和提升任务。- 让学员坐在桌子前面调整桌子的高度（参与者的肩部关节弯曲 0° 和肘关节弯曲 90° 位置）。设置铁立方，设置支架 30 厘米，从参与者在中半平面在桌子上。用酒精拭子或毛巾擦拭参与者的指浆。
- 向学员发出如下口头指示："用拇指和食指用最小力抓住传感器板所附的铁立方的两侧。之后，将其提升至设置支架上方约 5 厘米，将其按住 5~7 s，然后将其放回设定支架上。
- 如果参与者已准备就绪，请通过单击工具栏上的"记录"，提示他们 启动 任务并开始录制。单击 力轨迹中心， 在录制时监视 COP。任务结束后，单击 "停止 "工具栏。录制后，通过选择"文件" 保存 影片数据 | 将影片另存为。输入影片文件名，然后单击 对话框中的 "保存"。
注：铁立方的重量、升降机的数量和任务之间的间隔应根据实验的目的和任务难度来考虑。
- 根据实验的目的改变测量条件。例如，要调查双任务干扰对夹具和提升任务的影响，请根据干扰类型调整测量条件。。
- 对于姿势干扰，让学员站在桌子前面并调整桌子的高度。向学员发出如下口头指示："单腿站立，用最少的力用拇指和食指抬起距离设定支架约 5 厘米的铁立方体。按住 5~7 s，然后放回设置支架上。
- 对于视觉干扰，让参与者坐在桌子前面并调整桌子的高度。给参与者口头指示如下："闭上你的眼睛。用拇指和食指用最小的力抬起位于设定支架上方约 5 厘米的铁立方体。按住 5~7 s，将其放回设置支架上。允许参与者在闭上眼睛之前触摸传感器，不要超过 0.5 N。
- 对于认知干扰，让参与者坐在桌子前面调整桌子的高度。给学员口头指示如下："作为计算任务，尽可能准确地从 100 中连续减去 7。执行计算时，用拇指和食指用最小力将铁立方抬到设置支架上方约 5 厘米。按住 5~7 s，将其放回设置支架上。
- 对于反向手部运动干扰（图2），让参与者坐在桌子前面，调整桌子的高度。将钉板从学员 30 厘米处放在铁立方旁边的中半平面上，并考虑钉的大小和数量以调整任务难度。向学员发出如下口头指示："用拇指和食指以最小的力操纵铁立方。用一只手抬起并按住位于设定支架上方约 5 厘米的铁立方，用另一只手反转钉。用反手重复。
3. 数据分析
- 夹紧力分析
- 在计算机上启动软件。单击 文件 | 打开影片，选择要分析的影片 文件并打开。
- 当记录的压力分布图出现时，单击 地图上的多个 窗口视图并引用图形 1 窗口。查找每个提升中开始应用负载（夹紧力）的时间点，并注意参照此图形的时间。
- 之后，以 ASCII 格式保存夹紧力数据。选择 文件 |激活图形 1 窗口后保存 ASCII。 在对象图 1 对话框中，选择具有 文件名的窗格 ，然后单击"保存 ASCII"。在对话框中，选择" 保存力"、"压力"和"区域"值。在 Y 轴框中指定"力 "，在 X 轴框中指定时间 ，在 Y 模式下指定绝对时间。单击 " 属性"对话框中的"确定"。输入 ASCII 文件名，然后单击 对话框 中的"保存"。
- 如果需要有关指浆和传感器板之间接触区域的信息，请在 Y 轴框中指定接触 区域，然后单击"确定 "。输入 ASCII 文件名，然后单击 对话框 中的"保存"。
- 接下来，打开影片文件。确认文件以电子表格格式打开，并注意到帧、时间、绝对时间、原始总和和强制。参照步骤 3.1.2 中指出的时间，查找开始应用负载的单元格;负载值开始增加，并超过力行中的 0.5N。
- 计算范围中使用的总夹紧力，即在力行中应用的单元格值的总和。
- 压力中心分析
- 启动软件。单击文件|打开影片，选择要分析的影片文件，然后单击"打开"。
- 当压力分布图处于活动状态时，单击 "向前播放 "以播放影片。确保 COP 轨迹出现在压力分布图上。查找 COP 开始显示的每个提升帧与下一帧或上一帧，这是向前或向后移动帧的命令。然后，记下该帧编号。
- 之后，以 ASCII 格式保存 COP 数据。选择 文件 | 将 ASCII 与 分布图处于活动状态。在 数据类型对话框 中指定"力中心"，在 影片范围 对话框中指定"整片"。单击 " 属性"对话框中的"确定"。输入 ASCII 文件名，然后单击 对话框 中的"保存"。
- 接下来，打开影片文件。确认文件以电子表格格式打开，并注意到注释帧、时间、绝对时间、行、科尔和原始总和。参照步骤3.2.2.中提及的框架，查找缔约方会议开始出现的单元格（1）。
- 计算帧之间的 COP 轨迹长度。选择行后单元格 （2），包括 COP 开始显示的框架。插入以下计算公式： （=SQRT（（行单元格 （2） -行单元格 （1）=2=（科尔单元格 （2） - 科尔单元格 （1））=2）。一个范围内帧之间的 COP 轨迹长度之和是该范围内的 COP 轨迹总数。
注：在图 1 窗口中，垂直线显示负载值 （N），水平线显示时间 （s）。此负载值对应于夹紧力。以 ASCII 格式保存的数据可用于电子表格和文本编辑器等应用程序。在此实验中，参与者被指示在任务中将立方体保持 5~7 s，因此从第一次出现时计算并记录了 4 s 的夹紧力和 COP 轨迹。在COP数据的点差表中，COP在X轴和Y轴坐标上的位置显示为值。
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Representative Results
一些研究引入了实验协议和两个动力学参数（COP轨迹和GF），用于测量物体操作过程中的手指力。在以前的研究中，发现中风患者的COP轨迹增加9。在宫颈骨髓病患者中，GF与皮肤压力阈值和上肢功能10相关。在健康的年轻受试者中，GF随着认知干扰增加11。类似的夸张GF被发现在反向手运动干扰。 图3 显示了具有代表性的年轻和老年人在单次和双重任务中占主导地位的食指的COP轨迹和GF痕迹。GF 在反向手部运动干扰中增加。相比之下，COP 轨迹趋于减少（未发布的数据）。
Kurihara等人9日 调查了中风患者抓握力的抓地力协调。他们发现，COP的轨迹在平价手中增加，尽管GF与非平价手没有显著差异。与缺血患者相比，出血患者拇指和食指的COP轨迹更长。他们还发现，动力学参数不仅与体感功能相关，而且与认知功能相关。
在宫颈骨髓病患者中，野口等人10 日评价了个体手指握力的动力学特征，并调查了握力与上肢功能的关系。他们发现GF与手功能障碍的严重程度有关。虽然捏压功率或夹持功率没有显著相关性，但 GF 与皮肤压力阈值之间有正相关关系。
Lee等人11日 调查了抓握和提升任务的双重任务干扰。他们报告说，GF增加在双手主要由于双重认知任务。他们还发现，在主导手中感知到的困难和最大抓地力之间存在相关性。
图1：握把和提升任务。参与者用拇指和食指抓住立方体，抬起立方体约5厘米，并举行了5~7 s。 请点击这里查看这个数字的更大版本。
图2：双任务干扰反向手部运动。学员用一只手执行抓握和提升任务，同时用另一只手进行挂钩测试。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3：在具有代表性的年轻和老年人的单和双重任务中，COP轨迹和主要食指的GF轨迹和GF痕迹。请单击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
此实验程序提供了证据，证明柔性压力传感器表可用于评估精确抓地力期间的空间稳定性。改变的夹紧力方向表示抓握空间不稳定，如手指滑动。然而，现有的称重电池型力方向仪器在确保自然接触抓地力运动方面有局限性。为了解决这一技术问题，监测了基于生物力学关系的指浆和接触面之间的区域的COP轨迹。结果表明，COP位移是由偏离力方向引起的。因此，研究发现COP轨迹长度是评估精密抓地力空间稳定性的有用动力学参数。
影响实验结果的一个关键因素是每个参与者对实验协议的理解。如果参与者不理解实验的目的，他们倾向于使用相对较大的GF，以避免空间不稳定。故意夸大 GF 干扰精度抓地力的评价。影响结果的另一个因素可能是物体的指尖和接触表面之间的区域。如果指尖与物体表面接触不当，则无法适当估计 COP。在实际试验过程中，检查员必须调整立方体的位置和方向。当立方体放置不正确时，指尖从立方体边缘伸出，或者参与者倾向于增加躯干和肩部运动，以补偿抓握的手取。
议定书的一个限制是缔约方会议的生物力学不明确。指浆和接触区域之间的滑动、滚动或扭曲可能是 COP 位移的原因，从而导致空间不稳定。这是因为 COP 在 X 轴和 Y 轴中计算。此外，在技术上很难连接拇指和食指的两个COP。虽然存在局限性，但显然对评估使用COP轨迹的把握空间稳定性有好处。
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Disclosures
提交人宣称他们没有相互竞争的经济利益。
Acknowledgments
我们感谢西田先生（日本大阪日大日尼达公司设备性能材料部销售部技术员）的技术支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alcohol swab | Wipe participant’s finger pulps | ||
| Compressor | Nitta Corporation | Apply pressure to the sensor seats | |
| Computer | |||
| Controller of compressor | Nitta Corporation | Use to manupirate the compressor | |
| Double-sides tapes | Use to attach the sensorseats to the iron cube | ||
| Iron cube | 150-250g, 30×30×30 mm | ||
| Sensor connector | Connect the sensorseats to computer. | ||
| Sensor sheet | Pressure Mapping Sensor 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA | ||
| Setting stand | Set the iron cube on it during the measurement | ||
| Software; I-SCAN 5027, Ver. 7.51 | Nitta Corporation | ||
| Table | Use for the measurement |
References
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