经颅磁刺激、肌电图和三维运动捕捉是研究人类神经肌肉功能的常用无创技术。本文介绍了一种同步采集这三种工具所产生的数据的方案，同时还创新性地加入了虚拟现实刺激呈现与反馈。
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本文内容
摘要
摘要
人类运动的神经肌肉控制研究借助多种技术得以实现。用于研究神经肌肉功能的非侵入性方法包括经颅磁刺激、肌电图以及三维运动捕捉。随着易于获取且成本效益高的虚拟现实解决方案的出现，研究人员在实验室环境中重现“真实世界”场景和动作的能力得到了显著拓展。对自然运动的分析不仅有助于更深入地理解健康个体的运动控制机制，还能推动针对特定运动功能障碍（例如脑卒中）的实验设计和康复策略的开发。这些工具的联合使用将促进对运动控制神经机制的进一步认识。在整合这些数据采集系统时，一个关键要求是各数据流之间实现精确的时间对应。本方案描述了一个多功能系统的整体连接方式、系统间信号传递以及记录数据的时间同步方法。各组成部分的同步主要通过使用一种可定制电路来实现，该电路可利用市售元件轻松搭建，且仅需基本的电子组装技能。
引言
虚拟现实（VR）正迅速成为多种研究领域中可及的研究工具，包括人类运动研究。上肢运动的研究尤其受益于虚拟现实技术的引入。虚拟现实能够快速定制实验参数，以探究手臂运动控制中的特定运动学和动力学特征，并且这些参数可针对每位受试者 individually 进行调整。例如，虚拟目标的位置可以按比例缩放，以确保不同受试者起始手臂姿势的一致性。此外，虚拟现实还允许在实验过程中操控视觉反馈，这在视觉-运动研究中是一种极为宝贵的工具1–5。
结合其他生物力学工具使用逼真的虚拟现实环境，将能够创建自然状态下的运动场景，用于测试运动模式。这种组合方式在疾病和损伤后的康复研究与实践中正变得越来越重要6,7。在临床环境中模拟自然的运动行为和环境（例如，在虚拟厨房中执行动作），可使康复专家更精确地描述个体在真实世界情境中的功能障碍。高度个体化的功能障碍描述将有助于制定更具针对性的治疗策略，从而可能提高康复疗效并缩短康复周期。
将虚拟现实（VR）与其他工具结合，例如经颅磁刺激（TMS）、表面肌电图（EMG）和全身运动捕捉，可构建一个极为强大且灵活的平台，用于研究人类运动的神经肌肉控制。经颅磁刺激是一种强大的非侵入性方法，可通过肌电图反应（如运动诱发电位，MEPs）来评估下行运动通路（例如 皮质脊髓束）的兴奋性和功能完整性
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方案
所有参与实验的受试者均需经过西弗吉尼亚大学机构审查委员会（IRB）批准的知情同意程序。
1. 系统总体特征、设计及一般实验任务
注意：完整的实验装置包括以下主要组件：肌电图（EMG）设备及相关的数字采集（DAQ）设备；运动捕捉系统（本方案采用主动式LED系统）；经颅磁刺激（TMS）仪，配备“8”字形线圈和立体定位设备；虚拟现实（VR）头戴式显示器及其配套的计算机与软件；以及一个定制的同步电路。图1 示意性地展示了各实验组件之间的连接关系。
- 系统组件的连接
- 将肌电图前置放大器连接到主放大器。
- 使用BNC或类似连接方式，将肌电图放大器的输出端连接到数据采集（DAQ）记录设备的输入端块。
- 将数据采集（DAQ）记录设备连接至专用计算机，该计算机将运行数据采集脚本（补充文件）。
- 将虚拟现实（VR）控制计算机的并行输出连接至自定义电路单元（详见下一部分说明）。
- 将来自自定义电路的同步信号和动作捕捉触发输出，与肌电图信号连接线一同接入数据采集（DAQ）记录端块。
- 将动作捕捉触发信号分路，同时连接至肌电图数据采集设备的“模拟输入启动”端口以及控制动作捕捉设备的计算机上的触发连接端口。
注意：上述设备（动作捕捉与肌电图）各自数据采集流起始....
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结果
同步该实验设置中的大量数据流，可记录上肢运动过程中发生的运动学、连续肌肉活动（EMG）以及瞬时神经肌肉活动（MEPs）。为了重建整个运动过程中的MEP反应曲线，需要重复多次相同的运动试验。图4展示了来自一名受试者的数据。图4A显示了单次试验中这些数据流的示例，以及相应的同步信号和事件。以同步事件为参考，使用信号分析软件对各信号进行时间对齐，是一种简单的事后处理步骤（即以同步事件作为共同的时间锚点，将信号在时间上进行“偏移”调整）。随后，可依据每次运动试验的持续时间对信号进行时间归一化处理。若未进行同步，EMG与运动捕捉数据流之间的时间差异可能高达160–190毫秒。然而，通过结合广泛使用的TTL信号与同步技术，用户可将不同数据流之间的时间误差减小至信号采样频率的极限水平（在本例中约为1毫秒）。图4B展示了24次试验中单个运动的平均角度运动学与动力学数据、在相同运动过程中未施加TMS时肱二头肌长头的EMG曲线，以及在向相同目标运动时施加单脉冲TMS试验中对应的重建MEP曲线。
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讨论
本文的目的是介绍一种将虚拟现实（VR）技术应用于人体运动研究的方法，以及一种同步多种数据流的方法。虚拟现实技术将拓展研究人员在实验室环境中重现真实世界运动场景的能力。将虚拟现实与其他神经肌肉记录和刺激方法相结合，可形成一套强大的综合工具，用于全面研究人体运动控制机制。在精心设计的实验过程中获得的多维数据集，有助于加深我们对运动神经控制机制的理解。
该系统较为重要的特性之一，是能够将电生理信号与动作捕捉数据流与虚拟现实（VR）生成的公共事件进行同步。本方案中描述的定制电路提供了一个灵活且成本效益高的基础平台，可根据其他实验范式和设备的独特需求进行调整，类似于其他领域中的解决方案9。公共同步事件是一个来自运行VR软件的计算机的并行输出指令。标准并行接口的优势在于其简单性、高速性和灵活性。在并行接口中，共有八条独立的数据线，每条代表一个从20到27的二进制位；这些位的总和可表示0至255范围内的任意数值。各数据线可作为独立且同时触发的信号，用于与多个系统进行连接。这些触发信号通常是简单的方波电压信号，通常称为TTL信号或脉.......
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披露
作者声明无任何利益冲突。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（NIH）资助项目 P20 GM109098、美国国家科学基金会（NSF）和西弗吉尼亚大学（WVU）ADVANCE 赞助计划（VG）以及西弗吉尼亚大学系级启动资金资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 经颅磁刺激器 | Magstim | N/A | TMS 刺激器和线圈 |
| Impulse X2 | PhaseSpace | N/A | 动作捕捉系统 |
| MA300 高级多通道肌电图系统 | Motion Lab Systems | MA300-28 | 肌电图前置放大器和放大器 |
| Norotrode 肌电图电极 | Myotronics | N/A | 肌电图电极 |
| BNC-2111 单端屏蔽 BNC 连接块 | National Instruments | 779347-01 | BNC 连接块 |
| NI PXI-1033 5 插槽 PXI 机箱，集成 MXI-Express 控制器 | National Instruments | 779757-01 | 数据采集机箱 |
| NI PXI-6254 16 位，1 MS/s（多通道），1.25 MS/s（单通道），32 路模拟输入 | National Instruments | 779118-01 | 数据采集卡 |
| SHC68-68-EPM 电缆（2米） | National Instruments | 192061-02 | 屏蔽电缆 |
| DK1 或 DK2 | Oculus VR | N/A | Oculus Rift 头戴式显示器 |
| Vizard 5 Lite | WorldViz | N/A | 虚拟现实软件 |
| C1 和 C2 电容器 | varied | N/A | 根据需要调整数值 |
| R1 和 R2 电阻器 | varied | N/A | 根据需要调整数值 |
| CD4011 与非门 | varied | N/A | 与非门 |
| 2N2222 晶体管 | varied | N/A | 晶体管 |
| NE555 定时电路 | varied | N/A | 定时电路 |
| DB25 和 USB 连接器 | varied | N/A | 并行和 USB 连接器 |
参考文献
- Dounskaia, N., Wang, W., Sainburg, R. L., Przybyla, A. Preferred directions of arm movements are independent of visual perception of spatial directions. Exp. brain Res. 232 (2), 575-586 (2014).
- McIntosh, R. D., Mulroue, A., Brockmole, J. R.
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