本方案描述了一种用于评估中风患者及健康对照个体上肢运动表现和感觉运动功能的客观方法。提供了饮水任务三维运动捕捉的标准化测试流程、运动学分析方法及结果变量。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
运动学分析是一种在三维（3D）空间中对上肢运动进行客观评估的有力方法。使用光学电子摄像系统进行的三维运动捕捉被认为是运动学分析的金标准，正越来越多地作为结局指标，用于评估涉及上肢运动的损伤或疾病后的运动表现和运动质量。本文描述了一项标准化的运动学分析方案，用于评估脑卒中后上肢功能障碍个体的饮水任务。该饮水任务包括从桌面上伸手、抓握并提起杯子饮水，将杯子放回原位，以及将手移回桌面边缘。坐姿根据个体的身体尺寸进行标准化，任务以舒适、自主控制的速度完成，不限制代偿性动作。目的是使任务尽可能自然，贴近真实生活情境，以提高该方案的生态效度。采用五摄像机运动捕捉系统，采集位于手臂、躯干和面部解剖标志点上的9个反光标记点的三维坐标位置。采用简化的单个标记点放置方法，以确保该方案在临床环境中的可行性。定制的Matlab软件可对运动数据进行自动化且快速的分析。计算内容包括运动时间、速度、峰值速度、达到峰值速度的时间以及平滑度（运动单元数）等时间运动学参数，以及肩关节、肘关节和躯干运动的空间角度运动学参数。饮水任务适用于评估中度和轻度上肢功能障碍的个体。已证实从饮水任务中获得的运动学变量具有良好的结构效度、区分效度、同时效度以及反应度（对变化的敏感性）。
引言
运动学分析用于描述身体在空间和时间中的运动，包括线性和角位移、速度以及加速度。光电运动捕捉系统利用多个高速摄像机，这些摄像机要么发射红外光信号以捕捉贴于身体上的被动标记点的反射信号，要么接收来自含有红外发光二极管的主动标记点所传输的运动数据。这类系统被认为是获取运动学数据的“金标准”1。它们因在测量多种任务时具有高精度和灵活性而受到重视。研究表明，运动学指标能够有效捕捉传统临床量表难以察觉的运动表现和质量的细微变化2,3。有研究建议，应利用运动学方法区分真正的功能恢复（即病前运动特征的重建）与在完成任务过程中采用代偿性（替代性）运动模式的情况4,5。
上肢运动可通过末端运动学（通常来自手部标记点）和关节及节段（即，躯干）的角度运动学进行量化。末端运动学可提供关于运动轨迹、速度、时间运动策略、精确性、直线性和流畅性的信息，而角度运动学则从时间与空间上的关节和节段角度、角速度以及关节间协调性等方面表征运动模式。末端运动学指标，如运动时间、速度和流畅性，能够有效捕捉卒中后运动功能的缺陷与改善6,7,8；而角度运动学则可揭示关节和身体节段的运动是否针对特定任务达到最优。通常将存在功能障碍个体的运动学数据与无功能障碍个体的运动表现进行比较8,9。末端运动学与角度运动学之间存在关联：当运动具有高效的速度、流畅性和精确性时，通常需要良好的运动控制、协调性以及采用有效且最优的运动模式。例如，卒中患者若运动缓慢，通常也表现出流畅性下降（运动单元数量增加）、最大速度降低以及躯干位移增加8。另一方面，末端运动学的改善（如运动速度和流畅性）可能独立于躯干和上肢代偿性运动策略的变化而发生10。已有研究证实，运动学分析可提供关于损伤或疾病后任务完成方式的额外且更精确的信息，这对于实现最佳运动功能恢复的个体化有效治疗至关重要11。运动学分析在临床研究中日益广泛应用，用于描述卒中后上肢功能障碍患者的运动特征8,9、评估运动功能恢复情况7,12,13，或确定治疗干预措施的有效性10,14。
卒中研究中常被观察的运动任务包括指向和伸手动作，但结合真实日常物品操作的功能性任务的应用正逐渐增多1。由于伸手运动的运动学特征依赖于实验条件，例如物体的选择和任务目标15，因此有必要在具有明确目的和功能性的任务中评估运动表现，以便更准确地反映个体日常生活中的实际困难。
因此，本文旨在详细介绍一种用于运动学分析的简单标准化方案，该方案应用于中风后急性期和慢性期上肢功能障碍个体的有目的且具有功能性的饮水任务。将总结该方案在中度和轻度中风功能障碍个体中的验证结果。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
本文所述所有方法均属于瑞典哥德堡地区伦理审查委员会批准的研究项目（318-04，225-08）。
1. 设置动作捕捉系统
- 在距离测量区域约1.5 - 3米、高度为1.5 - 2.5米的墙面安装4台摄像机，镜头朝向测量区域。在测量区域正上方的天花板上安装一台摄像机（图1）。启动摄像系统。
- 将L形校准框架放置在桌面上，短轴与桌边对齐，长轴向前延伸。
注：坐标系定义为X轴向前（矢状面中的前侧方向），Y轴向侧方（冠状面内），Z轴向上（垂直于横断面，即头侧方向）。 - 打开三维追踪与数据采集软件（Track Manager），通过选择 采集 | 校准 开始校准，输入校准时间为30秒，然后点击 确定。
- 在整个测量区域（75 × 75 × 65 cm）的椅子和桌子上方，沿各个方向移动标定棒，确保所有5台摄像机尽可能多地捕捉到标定棒的不同方位16,17。校准完成后，结果将显示在屏幕上。接受残差低于0.5 mm的校准结果。
- 让受试者穿着无袖上衣，坐在高度可调的椅子上，背部紧贴椅背，上臂处于中立内收位，手掌平放在桌面上，手腕与桌边对齐。检查膝关节、髋关节和肘关节角度是否均约为90°。
- 使用双面胶带将被动反光标记点贴于测试手的骨性标志点18处：第三掌指关节、腕部（尺骨茎突）、肘部（肱骨外上髁）、左右肩部（肩峰中段）、胸廓（胸骨上部）以及前额（两眉之间的凹陷处）。
- 在杯子上放置两个标记点（上边缘和下边缘各一个）。
2. 饮水任务运动捕捉的操作步骤
- 将硬塑料杯（直径7 cm，高9.5 cm）盛100 mL水，置于距桌缘30 cm处，位于身体正中矢状面。杯子在桌面上的位置经过刻意选择，以确保任务执行过程自然，接近真实生活情境。
- 要求受试者以舒适且自主的速度完成饮水任务，具体步骤包括：i）伸手并抓握水杯，ii）将水杯从桌面移向嘴部，iii）饮水（一口），iv）将水杯放回桌面上标记线后方（距桌缘30 cm），v）手部返回初始位置，置于桌缘。
- 确保受试者理解指示，并能使用受累较轻的一侧手臂在不前倾的情况下舒适地触碰到杯子。
- 每次记录前，确保起始位置（初始位置）正确，让受试者做好准备，手动开始采集并发出口头指令 "你现在可以开始了。"
- 当受试者完成任务后，手动停止录制。
- 每次试验之间短暂暂停（约30秒），共记录五次试验，从受累较轻的一侧上肢开始。
- 检查数据采集是否成功（每种已鉴定标志物的数据应达到 95 - 100%）。
注意：标记数据会实时自动传输至数据采集软件（Track Manager）。系统采用预定义的自动标记识别（AIM）模型对标记点进行自动识别。 - 当检测到数据不完整时，应先确定问题原因，调整坐姿或标记物位置，确保标记物完全可见，然后进行额外试验，以获得至少3次成功试验数据。
注意：可能出现的问题包括标记物脱落或被遮挡导致摄像机无法捕捉到，从而造成数据不完整。然而，按照本方案所采用的摄像机和标记物设置，仅在极少数情况下会因间隙导致数据丢失。总体而言，动作捕捉过程大约需要10至15分钟完成。
3. 数据分析
- 通过点击将 Track Manager 中记录的数据直接传输至 Matlab 文件 | 导出 | 直接导出至 Matlab.
- 在命令提示符中使用 Matlab 命令：(>> workspace)，以查看 Matlab 变量集合。
注意：用于操作说明和数据分析的关键 Matlab 变量包含以下数据：
QTM测量。帧数 - 捕获的帧数量
QTM测量.帧率 - 每秒捕获的帧数（240）
QTM测量.轨迹.标记.计数 - 标记数量（10）
QTM测量.轨迹.已标记.标签 - 在轨迹管理器中定义的标签
QTM测量.轨迹.标记数据 - 以10 x 3 x 数量的三维数组形式存储的测量数据 若干帧，其中每一帧和每个标签的3个坐标均被记录 - 在 Matlab 中，使用 (butter) 和 (filtfilt) 指令，对 x、y、z 值进行 6 Hz 二阶巴特沃斯滤波器的前向和反向滤波，以实现零相位失真和四阶滤波。
注意：示例
[b, a] = butter(2, 6/240/2); % 截止频率为 6 Hz，相对于½采样频率
xfiltered = filtfilt(b, a, QTMmeasurements.Trajectories.Labeled(1,1,:)); - 在 Matlab 中，编写程序以利用每个帧样本和每个标签的 x、y、z 值，计算手部切向速度和关节角度等运动学变量。这些运动学变量如图所示。 表2.
- 在 Matlab 中，编写一个程序，将采样序列划分为 5 个逻辑阶段： reaching（伸手）、forward transport（前向移动）、drinking（饮水）、back transport（返回移动）以及将手返回至初始位置图2）。各阶段起止的定义详见于 表1.
- 在 Matlab 中，使用 (plot) 指令绘制位置、速度、关节角度以及角度-角度图。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
本文所述方案已应用于脑卒中患者及健康对照者2,6,8,19,20,21。在不同的研究中，共分析了111名脑卒中患者和55名健康对照者的运动学数据。脑卒中后的上肢功能障碍被定义为中度（FMA-UE评分32-57）或轻度（FMA-UE评分58-66）8,22,23,24。在健康对照者中，除峰值速度外，优势侧与非优势侧上肢之间未发现显...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
该方案可成功用于量化中风后各个阶段伴有轻度和中度上肢感觉运动障碍个体的运动表现和运动质量。该方案的可行性已在临床环境中得到验证，最早可在中风后3天内实施，并表明经过培训的医疗专业人员无需特殊技术资质即可使用该系统。然而，在创建和开发数据分析程序方面仍需要具备专业技术能力。从这一点来看，上肢运动捕捉与步态分析有所不同，后者通常由制造商直接提供现成的分析软件。在日常生活中，手臂和手可执行多种涉及操作和与不同大小、位置及可操作性物体交互的任务。这使得每一次实验设置都具有独特性。此外，任务的不同目标和约束条件也会影响运动学结果，因为运动学特征具有高度的任务特异性。未来应加大努力，为一些基本任务（如饮水、进食、伸手至口部以及双手物体操作）建立标准化的运动学分析方案，以实现不同研究之间结果的更好比较。
根据我们早期使用三摄像机采集系统的经验，在该系统中观察到了分割和间隙问题，可以认为，采用允许摄像机位于不同位置（包括测量区域上方一个）的五摄像机系统，是进行上肢分析的最佳选择。对于具备临床可行性的测量设置，可推荐采用如本方案所述的、标记点数量有限且分析过程简化的简易设置。当运动功能和质量的评估旨...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
特别感谢 Bo Johnels、Nasser Hosseini、Roy Tranberg 和 Patrik Almström 在本项目启动过程中提供的帮助。本方案中展示的研究数据均在瑞典哥德堡大学医院采集。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5 摄像头光电 ProReflex 动作捕捉系统（MCU 240 Hz） | Qualisys AB, Gthenburg, Sweden | N/A | 带被动反光标记点的运动分析系统 |
| 标记点 | Qualisys AB, Gthenburg, Sweden | N/A | 直径为 12 mm 的被动圆形反光标记点 |
| 校准框架和校准棒 | Qualisys AB, Gthenburg, Sweden | N/A | L 形校准框架（定义坐标系的原点和方向）；T 形校准棒（300 mm） |
| Qualisys Track Manager | Qualisys AB, Gthenburg, Sweden | N/A | 三维追踪软件 |
| Matlab | Mathworks, Inc, Natick, Ca | N/A | 数据分析软件 |
参考文献
- Alt Murphy, M., Häger, C. K. Kinematic analysis of the upper extremity after stroke - how far have we reached and what have we grasped? Physical Therapy Reviews. 20 (3), 137-155 (2015).
- Bustren, E. L., Sunnerhagen, K. S., Alt Murphy, M. Movement Kinematics of the Ipsilesional Upper Extremity in Persons With Moderate or Mild Stroke. Neurorehab Neural Re. 31 (4), 376-386 (2017).
- Sivan, M., O'Connor, R. J., Makower, S., Levesley, M., Bhakta, B. Systematic review of outcome measures used in the evaluation of robot-assisted upper limb exercise in stroke. J Rehabil Med. 43 (3), 181-189 (2011).
- Demers, M., Levin, M. F. Do Activity Level Outcome Measures Commonly Used in Neurological Practice Assess Upper-Limb Movement Quality? Neurorehab Neural Re. 31 (7), 623-637 (2017).
- Levin, M. F., Kleim, J. A., Wolf, S. L. What do motor "recovery" and "compensation" mean in patients following stroke? Neurorehab Neural Re. 23 (4), 313-319 (2009).
- Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Responsiveness of Upper Extremity Kinematic Measures and Clinical Improvement During the First Three Months After Stroke. Neurorehab Neural Re. 27 (9), 844-853 (2013).
- van Dokkum, L., et al. The contribution of kinematics in the assessment of upper limb motor recovery early after stroke. Neurorehab Neural Re. 28 (1), 4-12 (2014).
- Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Kinematic variables quantifying upper-extremity performance after stroke during reaching and drinking from a glass. Neurorehab Neural Re. 25 (1), 71-80 (2011).
- Subramanian, S. K., Yamanaka, J., Chilingaryan, G., Levin, M. F. Validity of movement pattern kinematics as measures of arm motor impairment poststroke. Stroke. 41 (10), 2303-2308 (2010).
- Michaelsen, S. M., Dannenbaum, R., Levin, M. F. Task-specific training with trunk restraint on arm recovery in stroke: randomized control trial. Stroke. 37 (1), 186-192 (2006).
- Kwakkel, G., et al. Standardized measurement of sensorimotor recovery in stroke trials: Consensus-based core recommendations from the Stroke Recovery and Rehabilitation Roundtable. Int J Stroke. 12 (5), 451-461 (2017).
- Wagner, J. M., Lang, C. E., Sahrmann, S. A., Edwards, D. F., Dromerick, A. W. Sensorimotor impairments and reaching performance in subjects with poststroke hemiparesis during the first few months of recovery. Phys Ther. 87 (6), 751-765 (2007).
- van Kordelaar, J., van Wegen, E., Kwakkel, G. Impact of time on quality of motor control of the paretic upper limb after stroke. Arch Phys Med Rehab. 95 (2), 338-344 (2014).
- Thielman, G., Kaminski, T., Gentile, A. M. Rehabilitation of reaching after stroke: comparing 2 training protocols utilizing trunk restraint. Neurorehab Neural Re. 22 (6), 697-705 (2008).
- Armbruster, C., Spijkers, W. Movement planning in prehension: do intended actions influence the initial reach and grasp movement? Motor Control. 10 (4), 311-329 (2006).
- Qualisys. Qualisys Track Manager user manual. , Qualisys Medical AB. Gothenburg. (2008).
- Alt Murphy, M., Banina, M. C., Levin, M. F. Perceptuo-motor planning during functional reaching after stroke. Exp Brain Res. , (2017).
- Sint Jan, S. V. Color atlas of skeletal landmark definitions : guidelines for reproducible manual and virtual palpations. , Churchill Livingstone. (2007).
- Alt Murphy, M., Sunnerhagen, K. S., Johnels, B., Willen, C. Three-dimensional kinematic motion analysis of a daily activity drinking from a glass: a pilot study. J Neuroeng Rehabil. 3, 18(2006).
- Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Movement kinematics during a drinking task are associated with the activity capacity level after stroke. Neurorehab Neural Re. 26 (9), 1106-1115 (2012).
- Alt Murphy, M. Development and validation of upper extremity kinematic movement analysis for people with stroke. Reaching and drinking from a glass. , University of Gothenburg. Doctor of Philosophy (Medicine) thesis (2013).
- Persson, H. C., Alt Murphy, M., Danielsson, A., Lundgren-Nilsson, A., Sunnerhagen, K. S. A cohort study investigating a simple, early assessment to predict upper extremity function after stroke - a part of the SALGOT study. BMC Neurol. 15, 92(2015).
- Hoonhorst, M. H., et al. How Do Fugl-Meyer Arm Motor Scores Relate to Dexterity According to the Action Research Arm Test at 6 Months Poststroke? Arch Phys Med Rehab. 96 (10), 1845-1849 (2015).
- Pang, M. Y., Harris, J. E., Eng, J. J. A community-based upper-extremity group exercise program improves motor function and performance of functional activities in chronic stroke: a randomized controlled trial. Arch Phys Med Rehab. 87 (1), 1-9 (2006).
- Alt Murphy, M., et al. SALGOT - Stroke Arm Longitudinal study at the University of Gothenburg, prospective cohort study protocol. BMC Neurol. 11, 56(2011).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
