利用表现的实时反馈进行运动再训练

摘要

在损伤或疾病后重新训练异常的运动模式是物理康复的关键组成部分。近年来技术的进步使得在多种任务中能够准确评估运动，并几乎即时地对结果进行量化，从而为实时修正错误运动模式提供了新的机会。

摘要

任何动作的调整——尤其是经过多年训练形成的动作模式——都需要重新组织控制动作执行的神经肌肉模式。这种运动学习可以通过多种方法加以增强，这些方法在科研和临床实践中均被广泛应用。通常，在临床实践中，实时的言语反馈或运动后的结果反馈常被用作促进运动学习的初步手段。根据患者偏好和学习方式的不同，还可辅以视觉反馈（例如通过使用镜子或不同形式的视频）或本体感觉引导（如治疗师通过触觉引导）。事实上，在临床环境中，多种反馈方式的结合使用十分普遍，以促进运动学习并优化治疗效果。

基于实验室的定量运动分析在研究环境中一直是主流方法，可为健康人群和受伤人群的多种运动提供准确且客观的分析。尽管捕捉运动的实际机制可能有所不同，但目前所有的运动分析系统都依赖于对身体节段和关节运动的追踪能力，并利用既定的运动方程来量化关键运动模式。由于数据采集和处理速度的限制，对运动的分析与描述传统上是在完成特定测试会话后离线进行的。

本文将介绍一种对标准运动分析技术的新补充方法，该方法依赖于对运动模式进行近乎即时的评估与量化，并向患者展示特定的运动特征。 在……期间 一次运动分析会话。因此，这种新型技术能够提供一种优于当前常用反馈方法的新型反馈传递方式。

引言

下肢神经肌肉或肌肉骨骼结构的任何显著改变都可能影响运动特征及相关身体功能。因此，身体功能的改善是任何康复干预的重要结局指标。行走等正常的重复性运动通常由运动程序控制，这些程序包含以正确强度和时序激活肌肉所需的控制信息¹。这些运动程序对于提高运动的自动化程度至关重要，从而减少用于运动控制的注意力资源，使个体能够将注意力分配给其他更高级别的任务。然而，鉴于运动程序在运动中的作用及其本身需经多年完善，损伤或疾病后改变运动表现是一项具有挑战性的任务。

传统上，运动再训练干预措施依赖于提供充分的运动表现反馈，以确保新信息被整合到新的、不断发展的运动程序中。一些简单而有效的方法包括使用全局性指令的口头反馈（例如“弯腰更多”、“保持膝盖伸直”），以及提供视觉反馈的机制，如使用镜子或录像设备。尽管这些间接策略在资源有限的临床环境中尤为有用，但其局限性在于难以提供对运动变量的离散且可量化的测量。因此，结合额外的、更直接的反馈方法，有望增强期望的运动再学习效果。

研究和临床领域普遍认为，提供关于运动特征的离散、可量化结果的反馈，可以在运动再训练干预过程中提高表现。例如，利用肌电生物反馈设备对肌肉激活强度进行即时视觉或听觉反馈，已成为运动康复中的常用手段，尤其适用于中风^2-3、脑性瘫痪⁴或慢性偏瘫⁵患者。相比之下，由于难以快速而准确地评估和测量关节与节段角度等运动学参数，运动学反馈的应用则相对较少。尽管基于实验室的运动特征定量分析在生物力学研究中占据重要地位，并已逐步引入临床环境，但绝大多数运动分析仍主要用于测试后的离线分析。然而，近年来文献中越来越多的研究开始采用新技术，将步态参数的反馈作为提升运动再训练效果的一种手段⁶。

目前，膝骨关节炎（OA）是一种正在研究将实时生物反馈功能与标准运动分析系统结合应用的病理状况。近期的研究利用了专门设计的步态运动学实时反馈，旨在减少通过膝关节的负荷，该负荷通过外侧膝关节内收力矩进行量化——这是公认的OA进展风险因素⁷。例如，已有研究采用了大腿角度⁸或躯干角度^9-10的实时生物反馈。Hunt et al¹¹在受试者行走试验期间，在其前方实时显示躯干角度，结果表明，在单次训练会话中即可增加躯干前倾程度，并伴随膝关节内收力矩的降低。相比之下，Barrios et al⁸开展了一项为期八次会话的步态再训练干预，重点在于调整站立相期间动态的冠状面膝关节角度，结果显示，与基线相比，在一个月的干预后膝关节内收力矩显著降低。这些研究以及类似研究均依赖于持续测量、分析并将目标变量实时呈现给患者的能力。这一快速发展的研究领域对于多种影响运动特征的病理状况患者具有重要的临床意义。本文以与膝骨关节炎（OA）相关的运动学改变为例，旨在描述利用行走表现的实时生物反馈进行运动再训练干预所需的方法。

方案

1. 系统准备

1. 清除采集范围内所有可能被摄像机捕捉到的反光材料。这可以降低在运动测试过程中将实际皮肤标记物与静止的背景标记物混淆的可能性，并提高整个测试过程的整体准确性。
2. 通过将所有摄像机对准实验室内部固定位置的静止标记物来校准摄像机。使用位于已知距离处的移动标记物，将静态校准扩展至动态运动校准。务必尽可能覆盖整个采集范围，以优化校准效果。
3. 整理好患者准备过程中所需的所有材料（如反光标记物、测量设备等）。这有助于提高测试期间的工作效率，并减轻患者的负担。

2. 患者准备

1. 暴露拟测量关节和身体节段的尽可能多的皮肤。尽量减少宽松衣物的覆盖，并确保任何可能妨碍摄像头识别反光标记物的衣物均被固定，可使用胶带或夹子完成。应尽可能将标记物直接粘贴于皮肤上。
2. 为固定标记物做皮肤准备。若局部有毛发，或皮肤表面过度出汗或油腻，可能需要剃除毛发或轻度磨擦皮肤。使用异丙醇或其他类似液体擦拭皮肤区域有助于清洁。这些步骤对于增强标记物与皮肤之间的粘附性、防止标记物脱落至关重要。
3. 根据所用标记物集合，触诊确定关键解剖标志点。在实际解剖标志点处对皮肤做标记，可提高标记物放置的准确性，并在评估过程中标记物脱落时提供必要的定位信息。
4. 按照标记物集合的技术规范，将反光标记物粘贴于相应的解剖标志点上。大多数标记物集合需在下肢及上半身多个解剖标志点处双侧对称放置至少12至15个标记物。需注意，基于皮肤标记物重建真实骨骼运动的能力取决于标记物的定位。因此，在选择拟使用的生物力学模型时，必须审慎考虑。
5. 如需要，采集重要的人体测量学数据。根据所采用的生物力学模型，这些数据可能在离线处理生物力学数据时用于计算身体节段长度、关节旋转中心位置，以及运动节段和肢体的整体惯性属性。

3. 运动分析与实时反馈的传递

1. 让受试者站立于捕捉区域中央，进行一次约3秒的静态初始试验。该试验对于确保所有相关标记点均可见，并用于计算身体节段方向至关重要。
2. 使用数据采集软件，正确标记所有标记点，并根据个体的人体测量学特征创建个性化模板。将标记点布置与个体体型相匹配，可提高数据的实时追踪与分析精度。尤其重要的是建立一个能够整合标记点位置冗余性的运动模型。当出现标记点被遮挡或信号丢失时，该模型可利用其他适当的标记点位置，生成正确的运动学特征，从而维持数据连续的实时显示。
3. 进行一次持续10至30秒的初始运动分析试验。该步骤用于获取基线数据，也可作为向患者反馈结果的首个机制。与患者讨论相关发现，有助于促进其在形成新的运动模式过程中所需的运动学习。
4. 由治疗师向患者解释预期运动调整的目的。应包括该调整的生物力学与临床依据，并说明其如何针对特定病理情况而设计。治疗师亲自示范该运动调整，有助于增强患者的运动学习效果。运动调整方案通常基于患者在治疗过程中的生物力学与临床表现确定，若仅为研究目的，则依据拟研究的科学问题而定。
5. 开始运动再训练环节。若使用跑步机，允许受试者自行选择其偏好的速度，并给予数分钟时间以达到稳定状态。此过程也有助于患者熟悉设备、实验设置及实验流程，提升舒适度。
6. 在患者执行运动过程中提供反馈。反馈方式可多种多样，早期训练中结合多种方法更为有益。可从较非技术性的方法（如口头反馈）开始，逐步过渡到实时生物反馈。使用实时生物反馈时，应始终确保每次仅清晰显示一个结果变量。
7. 为患者提供充足的时间练习新的运动模式。有效的运动学习无法一蹴而就，持续练习新的运动特征有助于重构负责该运动的运动程序。典型的再训练干预通常需要8至10次集中的训练 session，每次持续30至60分钟。

4. 患者咨询与后续培训课程

1. 与患者讨论本次治疗 session 的重要发现和结果。应重点关注的方面包括动作表现的变异性、对规定动作调整的依从性，以及对调整策略原理和重要性的进一步说明。
2. 获取患者对本次 session 的反馈意见。鉴于每位患者的偏好可能存在差异，可能需要针对个体情况调整干预措施的实施方式。应尽早识别这些个性化需求，以优化干预效果。
3. 确定后续训练 session 的计划（如需要）。若采用多 session 干预方案，后续训练应采用渐退式反馈（faded feedback）方法以促进运动学习。在未来的 session 中，逐步减少总体反馈量，并交替设置提供反馈与不提供反馈的时间段。

结果

一个针对膝关节骨关节炎患者增加侧向躯干倾斜角度的单次运动再训练会话示例示于 图2大约经过15分钟结合言语反馈和镜像反馈的训练后，患者获得了与其躯干侧向屈曲幅度相关的实时数据。随后，采用该方法继续训练10分钟。在正常（未调整）试验中，患者自主选择的躯干侧倾角度约为2°（见图中虚线在支撑相约20%处的峰值）。在调整试验中，患者被要求达到屏幕上所示目标区域对应的6°峰值倾斜角度。如图所示， 图2利用增加侧向躯干倾斜来改变步态模式，并未伴随整体步态模式的明显变化。相反，该患者在整个步态周期中均表现出侧向躯干倾斜的增加。

通过外侧膝关节外翻力矩量化得到的膝关节负荷变化结果如图3所示。尽管未将可视化数据提供给患者，但增加躯干外侧倾斜的生物力学效应是降低膝关节外翻力矩，可能改变膝关节内部的负荷分布^9,12。同样，膝关节力矩的一般模式及其继发的关节内负荷在正常步态和改良步态试验之间并无明显差异，而主要是力矩幅值在整个过程中有所降低。

讨论

在行走等运动过程中提供实时反馈，可作为标准运动分析方法的重要补充。尽管该领域尚处于相对初级阶段，但针对特定且离散的运动调整的研究必将受益于能够准确且实时地实现预期运动调整的能力。例如，若患者需要特定程度的运动调整，该程度即可被测量并直接在实际运动过程中予以反馈。本文介绍的方法可用于测试新的运动调整策略，也可用于优化现有方案，适用于广泛的患者群体。

所收集数据的准确性以及随后对运动参数进行离散化调整的能力取决于多种因素。最重要的是，任何形式的运动分析都依赖于一个基本假设，即所观察或测量到的运动能够反映真实的解剖学运动。目前，基于皮肤的标记点旨在可视化特定深层解剖标志点的位置。因此，为确保所捕捉的运动能够准确反映底层骨骼的实际运动，必须谨慎选择标记点的放置位置。当前已有多种不同的生物力学模型被广泛应用，每种模型在标记点布置上略有差异，目的是更有效地追踪骨骼系统的运动。在选择生物力学模型时需格外谨慎——本文不对此类模型进行详尽讨论。最后，无论采用何种模型，都必须严格遵守标记点的准确定位要求。在涉及运动表现实时生物反馈的运动再训练试验中，或任何运动分析试验中，尽最大努力确保精确触诊并准确...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
反光标记点	3x3 设计		12 mm 直径
标记胶带圆片	一次性用品折扣	TD-22 电极环，8 mm	设计用途为电极套环
运动分析相机	Motion Analysis Corporation
Biofeedtrak	Motion Analysis Corporation
Matlab	The Mathworks