本实验方案描述了如何使用逐帧视频分析来量化人类个体化的伸手抓握动作。通过比较视力正常与失明健康成年人的伸手动作来演示该技术,但该方法也可应用于发育群体和临床群体的研究。
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本实验方案描述了如何使用逐帧视频分析来量化人类个体化的伸手抓握动作。通过比较视力正常与失明健康成年人的伸手动作来演示该技术,但该方法也可应用于发育群体和临床群体的研究。
抓握行为,即伸手抓取物体的动作,是人类活动的核心。我们通过这一行为实现自我进食、自我梳理,并操控环境中的物体和工具。许多感觉运动障碍会损害此类行为,然而目前我们对其神经控制机制的理解仍远不完善。现有的研究人类伸手抓握动作的技术通常依赖运动追踪系统,这类系统往往价格昂贵,需要在手部附着标记物或传感器,限制自然运动和感觉反馈,且所提供的运动学数据可能难以解释。尽管这些技术通常适用于研究视力正常健康成年人的典型伸手抓握动作,但在研究婴幼儿、盲人成年人以及神经系统疾病患者所表现出的不可预测且个体差异显著的伸手抓握动作时,许多技术面临额外的局限性。因此,我们提出一种新颖、低成本、高度可靠且灵活的方法,用于量化人类个体化伸手抓握动作的时间结构和运动学特征。通过高速摄像机从多个角度记录伸手抓握过程,随后采用逐帧视频分析方法,记录一系列预定义行为事件的发生时间与幅度,例如动作起始、手部收回、最高点、最大开合度、首次接触目标以及最终抓握。通过记录每个事件对应的相对帧号,重建动作的时间结构;同时,利用图像编辑软件中的标尺或测量功能,校准身体两个部位之间或身体部位与目标物体之间的二维线性距离,从而量化手部的运动学结构。逐帧视频分析可为个体化的伸手抓握行为提供定量且全面的描述,使研究人员能够将研究范围扩展至更广泛的自然抓握行为,涵盖更多样化的感知模式,并适用于健康人群及临床患者群体。
抓握(prehension)是指伸手抓取物体的行为,广泛用于许多日常功能,包括获取食物以进食、梳理、操控物体、使用工具,以及通过手势和书写进行交流。关于抓握行为的神经行为控制,最具影响力的理论是双重视觉运动通道理论1,2,3,4,该理论提出,抓握行为由两个动作组成:一是“伸展”动作,将手部运送到目标位置;二是“抓握”动作,使手部张开、塑形并闭合以适应目标的大小和形状。这两个动作通过两条可分离但相互作用的神经通路介导,即从视觉皮层到运动皮层、经由顶叶的通路1,2,3,4。然而,双重视觉运动通道理论的行为学证据尚不明确,主要原因在于伸手抓握动作表现为一个连续、无缝的过程,且几乎无需意识参与即可完成。尽管如此,抓握行为的研究几乎总是在视觉引导的条件下进行,即健康受试者伸手抓取一个可见的目标物体。在这种情况下,该动作确实表现为一种可预测且模式化的单一运动:在伸手动作开始前,眼睛会注视目标;随着手臂伸展,手指张开,根据物体大小进行手形调整,随后开始闭合;在接触目标前,视线离开目标,紧接着几乎立即完成对目标的最终抓握5。然而,当视觉被移除时,该运动的结构则发生根本性变化:动作分解为其基本组成部分,即首先以张开的手进行伸手动作,通过触碰来定位目标,随后由目标接触产生的触觉反馈引导手部进行塑形和闭合以完成抓握6。
抓取动作的量化通常通过三维(3D)运动追踪系统实现。这类系统包括红外追踪系统、电磁追踪系统或基于视频的追踪系统。尽管这些系统在获取健康成年受试者对可见目标物体执行典型抓取动作时的运动学参数方面是有效的,但仍存在若干缺点。除了成本高昂之外,这些系统还需要在受试者的上肢、手部和手指上安装传感器或标记物。这些装置通常使用医用胶带固定,可能阻碍手部的触觉反馈,改变自然的运动行为,并分散受试者的注意力7。由于这些系统通常输出与加速度、减速度和速度等不同运动学变量相关的数值,因此也不适合研究手部如何接触目标。使用这些系统时,还需额外配备传感器或设备,以确定手的哪一部分接触目标、接触发生在目标的哪个位置,以及手部构型如何变化以操控目标。此外,最常用的红外追踪系统需要使用专用摄像机来追踪手部标记物在三维空间中的位置6,这要求摄像机与手部传感器之间保持直接视线。因此,任何动作中的个体化特征都可能遮挡视线,导致关键运动学数据的丢失。然而,在许多情况下,抓取动作中的个体化特征反而是常态。这些情况包括婴儿早期发育阶段刚开始学习伸手抓物;目标物体不可见、必须依赖触觉线索引导抓取动作;目标物体形状或质地异常;以及受试者患有多种感觉运动障碍之一,如中风、亨廷顿病、帕金森病、脑瘫等etc.。在所有这些情况下,抓取动作既不可预测也不具典型性,且不一定由视觉引导。因此,由于手部感觉反馈中断、自然运动行为改变、数据丢失和/或难以解释这些设备输出的个体化运动学数据,3D运动追踪系统对这些动作的时间结构和运动学特征进行可靠量化的功能可能受到严重限制。
本文介绍了一种新颖的技术,可用于量化不同人群中的特异性伸手抓握动作。该技术成本低廉,不会阻碍手部的感觉反馈或自然运动行为,具有可靠性,同时可根据多种实验范式灵活调整。该技术采用多个高速摄像机,从多个角度记录伸手抓握动作的全过程。随后通过逐帧回放视频,结合视觉观察,对一系列关键行为事件进行记录,从而共同提供对伸手抓握动作时间进程和运动学特征的量化描述。本文通过对健康成人在视觉引导与非视觉引导条件下的伸手抓握动作进行比较分析6,8,9,10,以展示该技术的有效性;然而,该技术的改进版本也已被用于量化人类婴儿11和非人灵长类动物12的伸手抓握行为。这些研究中逐帧视频分析所得的综合结果,是最早为抓握的双重视觉运动通道理论提供行为证据的研究之一。
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所有涉及人类参与者的程序均已获得莱斯布里奇大学人类受试者研究委员会和汤普森河大学人类受试者研究伦理委员会的批准。
1. 参与者
2. 实验设置
3. 数据采集
4. 为逐帧视频分析准备视频
5. 逐帧视频分析:时间组织
6. 逐帧视频分析:运动学校准标尺
7. 逐帧视频分析:运动学结构
8. 逐帧视频分析:地形学测量
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本部分提供了使用逐帧视频分析法研究在非视觉感觉引导下个体化伸手抓握动作时可获得的结果示例。主要发现是:当受试者能够利用视觉预先识别目标物体的外在属性(位置/方向)和内在属性(大小/形状)时,他们会将伸手与抓握整合为一个连续流畅的抓取动作,在接触物体前即已将手部预塑形成与目标物体大小和形状相匹配的形态(图2A)。然而,当无法使用视觉时,他们会将这两个动作分离,转而依赖触觉反馈,首先根据目标物体的外在属性引导手部定位,再根据其内在属性进行调整,这种策略被称为“先触后抓”的通用策略(图2B)。通过逐帧视频分析所得结果与传统运动追踪系统的结果相当,且无需承担后者所需的高昂成本、操作繁琐及其他弊端。这些结果也为抓取动作的“双重视觉运动通道理论”提供了支持,该理论假说认为,伸手和抓握是可分离的动作,在视觉引导下整合时表现为单一动作。
在视觉和无视...
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本文介绍了如何使用逐帧视频分析方法来量化人类伸手抓握动作的时间组织、运动学结构以及部分空间特征。该技术可用于研究典型的视觉引导性伸手抓握动作,也可用于研究个体化的伸手抓握动作。这类动作难以通过传统的三维运动追踪系统进行研究,但在发育中的婴儿、感觉信息处理能力改变的受试者,以及患有感觉运动障碍(如失明、帕金森病、脑卒中或脑瘫)的患者中却十分常见。因此,逐帧视频分析的使用将使研究人员能够拓展研究范围,涵盖更广泛的抓握行为,这些行为由多种感觉模式引导,存在于健康人群和临床人群中。逐帧视频分析的具体优势包括相对低廉的成本、易于实施、无需使用可能妨碍手部感觉与运动功能的传感器或标记物、可与其他运动追踪系统兼容,以及能够描述伸手抓握动作中细微的变化——这些变化往往难以从大多数传统三维运动追踪系统提供的运动学输出中解读。综上所述,逐帧视频分析的这些特点使得我们对抓握行为神经控制机制的理论理解得以推进。
尽管在许多情况下,逐帧视频分析可能是分析特异性伸手抓握动作的唯一可靠方法,但需要注意的是,该技术也存在一些局限性。首先,距离测量(例如,通过逐帧视频分析获得的峰值开度等参数是二维...
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作者声明无竞争性财务利益。
作者感谢Alexis M. Wilson和Marisa E. Bertoli在拍摄和准备本论文视频过程中提供的帮助。本研究得到了加拿大自然科学与工程研究理事会(JMK、JRK、IQW)、阿尔伯塔创新-健康解决方案(JMK)以及加拿大卫生研究院(IQW)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高速摄像机 | Casio | http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_f1/ or http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_100/ | 用于采集高速视频记录的 Casio EX-F1 高速摄像机或 Casio EX-100 高速摄像机 |
| Adobe Photoshop | Adobe | http://www.adobe.com/ca/products/photoshop.html | 用于校准和测量单个视频帧中距离的软件 |
| Adobe Premiere Pro | Adobe | http://www.adobe.com/ca/products/premiere.html?sdid=KKQOM&mv=search&s_kwcid=AL!3085!3!193588412847!e!!g!!adobe%20premiere%20pro&ef_id=WDd17AAABAeTD6-D:20170606160204:s | 用于进行逐帧视频分析的软件 |
| 高度可调底座 | Sanus | http://www.sanus.com/en_US/products/speaker-stands/htb3/ | 一种高度可调的扬声器支架,顶部通过螺丝固定一个定制的 9 cm × 9 cm × 9 cm 三角形顶板,用作伸手任务的平台 |
| 1 cm 校准立方体 | Learning Resources (Walmart) | https://www.walmart.com/ip/Learning-Resources-Centimeter-Cubes-Set-500/24886372 | 一个 1 cm 的塑料立方体,用于将像素距离转换为厘米单位 |
| 影棚灯 | Dot Line | https://www.bhphotovideo.com/c/product/1035910-REG/dot_line_rs_5620_1600w_led_light.html | 带有冷光 LED 的强光灯,用于照亮受试者和测试区域 |
| 三维(3D)睡眠眼罩 | Kfine | https://www.amazon.com/Kfine-Sleeping-Contoured-lightweight-Comfortable/dp/B06W5CDY78?th=1 | 在无视觉条件下用作眼罩以遮挡视觉 |
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| 多纳圈球(Donut Balls) | Tim Hortons | http://www.timhortons.com/ca/en/menu/timbits.php | 来自 Tim Hortons 的传统原味小圆面包(Timbits)作为中等尺寸伸手目标 |
| 蓝莓 | N/A | N/A | 蓝莓作为小尺寸伸手目标 |
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