一种用于表征姿势反应的仪器化拉力测试

摘要

姿势反射受损被称为姿势不稳，其量化较为困难。临床评估方法（如拉力试验）在可靠性和可扩展性方面存在不足。本文介绍一种仪器化的拉力试验方法，可对姿势反应进行客观表征。

摘要

姿势反射受损被称为姿势不稳，是帕金森病中常见且致残性的功能缺陷。为了评估姿势反射，临床医生通常采用拉力试验，通过在肩部施加向后的扰动来分级评定纠正性反应。然而，拉力试验在可靠性和评分等级（0-4分）方面存在局限性。本文介绍一种仪器化的拉力试验方法，以更精确地量化姿势反应。与临床测试类似，拉力仍由人工施加，但同时记录拉力的大小。躯干和足部的位移由一套半便携式运动追踪系统采集。原始数据以毫米为单位表示移动距离，便于后续解释与分析。仪器化拉力试验还能检测影响拉力试验实施过程中的变异性因素（如拉力大小），从而识别并量化可能的混杂因素，并可通过统计学方法进行校正。该仪器化拉力试验可应用于旨在捕捉早期姿势反应异常、追踪姿势不稳随时间变化以及检测治疗反应的研究中。

引言

姿势反射的作用是维持 对扰动的平衡与直立姿势反应¹这些姿势反应在帕金森病等疾病中受损，会导致姿势不稳，常引发跌倒、行走信心下降以及生活质量降低。^2,3,⁴在临床实践中，姿势反射通常通过拉拽试验进行评估，即检查者迅速向后拉患者的肩部，并目视评估其反应。^5,6,7,8姿势不稳通常采用国际运动障碍学会发布的《统一帕金森病评定量表》（UPDRS）进行评分（0 - 正常，4 - 严重）⁵该方法已广泛用于帕金森病患者的评估，但存在可靠性差和评分尺度极为有限（4分制）的问题^6,7,9拉力测试得分通常与跌倒等重要临床终点指标不相关，且基于整数的评分在检测细微姿势变化方面缺乏敏感性^10,11.

基于实验室的客观测量方法可通过量化动力学参数（如压力中心）、运动学参数（如关节测角法/肢体位移）和神经生理学参数（如肌肉募集）来提供有关平衡反应特征的精确信息¹²。这些方法可在姿势不稳尚未出现临床表现前识别异常，并能够长期追踪病情变化，包括对治疗的反应^13,14。

用于量化姿势不稳的工具

传统的动态姿势图描记技术通常采用移动平台。由此产生的姿势反应通过姿势图描记、肌电图（EMG）和加速度测量的组合进行量化^12,15,16。然而，平台扰动引起的自下而上的反应——类似于在湿滑地面上滑倒的情况，与临床拉力试验中自上而下的姿势反应——例如在人群中被碰撞时可能发生的情况——在本质上是不同的。新兴证据表明，躯干扰动所产生的姿势特征与移动平台引起的反应存在差异^17,18,19。因此，其他研究者曾尝试在实验室中使用包括电机、滑轮和摆锤在内的复杂技术进行躯干扰动实验^15,20,21,22。这些测量方法往往成本高昂且难以普及，通常依赖基于视频的运动捕捉系统，需要在专用实验室中配备专门的空间^20,21。理想情况下，用于表征拉力试验反应的客观方法应具备优良的心理测量学特性，易于实施、操作简便、广泛可及且便于携带。这一点至关重要，有助于推动该技术作为评估姿势反应的一种替代工具，在科研乃至临床环境中得到广泛应用。

仪器化拉伸试验

本方案旨在为研究人员提供一种对拉力试验中姿势反应进行客观评估的技术。该技术基于一种半便携且广泛可用的电磁运动捕捉系统。扰动刺激采用手动施加的拉力，无需使用专门的机械装置。该方法具有足够的灵敏度，可检测姿势反应时间及反应幅度的微小差异；因此，适用于捕捉根据UPDRS标准评定为从正常到1级姿势不稳（即在无需协助的情况下可恢复平衡）范围内的潜在异常⁵。该方法还可用于探索治疗对姿势不稳的影响。本文所述方案源自Tan等人的研究²³。

方案

所有所述方法均经墨尔本健康机构当地人类研究伦理委员会审查并批准。在研究开始前，已从参与者处获得知情同意。

1. 仪器设备设置

1. 根据制造商的说明，准备带有三个微型运动传感器的电磁运动追踪系统。在数据采集前，确保每个传感器的采样频率至少为 250 Hz，位移以毫米（mm）为单位测量，旋转角度（俯仰、横滚和偏航）以度（°）为单位测量。确保所有内部滤波功能均已关闭，并将传感器的位置设置为相对于一个静态原点（通常为电磁发射器）。
2. 使用直径不小于 10 mm 的绳索，将测力传感器（最小拉力范围 100 N，推荐使用 S 型）固定在受试者肩部高度的背带系统上。
   注意：该背带系统和绳索适用于体重不超过 120 kg 的受试者。
3. 将测力传感器连接至数据采集单元（A/D 转换器）。
4. 将数据采集单元的触发输出连接至运动追踪系统的触发输入端口，以确保同步记录。设置数据采集单元的采样率与运动追踪系统一致，并关闭所有滤波功能。
5. 在安静的房间内进行实验，以尽量减少评估过程中的干扰。为受试者留出足够的空间，使其能够进行多次纠正性迈步以恢复平衡。
   注意：已知患有帕金森病并存在后冲步态的患者在拉力测试中会向后倒退 5–6 步。
6. 在地面上铺设防摔垫，作为预防措施。
7. 每次测试前，使用医用级消毒湿巾清洁背带、传感器和导线。
   注意：建议对仪器化拉力测试过程进行视频记录（例如，使用三脚架上的便携式摄像机），以便在数据处理过程中出现异常时，可参考试验的视频资料进行核对。

2. 受试者选择与准备

1. 确定合适的研究参与者：参与者可涵盖不同年龄、疾病状况和严重程度，且其姿势反应是研究关注的重点，平衡评估通常采用临床拉力试验。确保参与者能够独立站立，并能产生矫正性平衡反应，无需外界协助即可恢复（即根据UPDRS评分，姿势不稳程度不超过1级）。
2. 排除任何患有心血管、前庭、视觉或肌肉骨骼系统疾病（包括需要使用足部矫形器或夹板者）的个体，除非这些状况正是研究主题；同时排除处于接触隔离状态者，以及正在使用已知会影响平衡或注意力的药物者（例如抗抑郁药、抗精神病药、苯二氮䓬类药物、抗癫痫药、抗心律失常药和利尿剂）。
3. 要求参与者在实验当天穿着舒适宽松的衣物，并在进行拉力测试前脱鞋。
4. 协助参与者穿戴定制的躯干背带，背带上装有负荷传感器。将胸带和腰带的扣具扣紧，调整背带上的调节带，使其紧贴但舒适。拉动绳索时，背带的松弛量不得超过50 mm。对于已知存在姿势不稳的参与者，在其站立状态下穿戴背带时，应确保有助手在场协助。
5. 使用医用胶带将运动传感器固定于胸骨切迹处（对应第二和第三胸椎水平），以及左右踝部的内外踝。
   注意：对于已知存在姿势不稳的参与者，应在坐位状态下粘贴传感器。所有导线必须妥善布线，避免造成绊倒风险。
6. 要求参与者赤脚站立，采用舒适的站姿（根据其偏好的支撑基础），双脚对准地面上的垂直和水平标记线。记录参与者双脚的位置，并提醒其注意自身脚位，以便每次拉力后恢复至相同位置。每次试验后均需监测其脚部位置，若发现偏移，应要求其恢复至原始位置。
7. 指导参与者双手自然下垂于体侧，注视前方1.5米处与视线齐平的艺术画作，以在每次拉力之间尽量减少干扰。

3. 仪器化拉伸测试程序

1. 按照UPDRS⁵所述的临床拉力测试指南进行仪器化拉力测试。
2. 向受试者解释测试流程，并告知其在向后拉动后允许迈步以恢复平衡。应避免在拉动前出现预判性反应，例如躯干前屈、姿势僵硬或膝关节屈曲。若实验过程中出现此类反应，需予以记录。
3. 每次拉动前，通过让受试者注视墙上悬挂的图片以确保其注意力集中。确保受试者直立站立，睁眼，双手自然垂于体侧，双脚置于指定标记位置，保持舒适站姿。
4. 测试者站于受试者后方。通过手持绳索和测力传感器，在肩部水平位置施加一个快速且足够力度的向后拉力，以引发躯干调整和迈步反应。
5. 每次拉动后，确保受试者恢复至初始脚位。重新调整双脚至地面指定标记处，并重复测试35次。
   注意：试验次数可根据实验设计和临床人群进行调整。
6. 每完成10次试验后，允许受试者休息2分钟，或根据需要提供短暂休息，以减少疲劳影响并确保注意力集中。受试者可选择坐位或站位休息。要求受试者在拉动间歇期间保持安静，除非需要请求休息或表达操作过程中的不适。
7. 作为额外的安全预防措施，确保评估者和助手背靠墙壁站立，同时为受试者向后迈步留出足够空间。
   注意：评估者必须始终准备接住受试者。当评估已知存在姿势不稳的受试者时，必须配备助手以确保安全。
8. 仪器化拉力测试完成后，取下传感器，并协助受试者脱下背带。

4. 信号处理

注意：使用合适的数据科学平台，例如 MATLAB、R 或 Python。此处显示的命令适用于 MATLAB，示例代码可作为补充文件获取。

1. 将步骤 3.4 中记录的数据导入合适的数据科学平台：csvread()。
2. 利用触发信号对运动追踪器和力传感器数据进行对齐，并重采样至更高的采样频率：如有需要，使用 1 kHz 的 resample() 函数。
3. 对所有运动追踪和力传感器数据进行高通滤波，截止频率为 0.05 Hz，以消除基线漂移：butter() 和 filtfilt()。
4. 对躯干运动追踪的位移数据进行二次微分，以获得躯干速度和加速度：diff()。
5. 使用触发信号或应用于力传感器数据的峰值检测算法，切分记录以获取每次单独拉力测试试验的片段：findpeaks() 函数。
6. 检测并剔除存在预期内躯干运动的试验。在施加拉力前立即出现的躯干前向位移通常表现为躯干传感器信号中至少高于基线均值三个标准差的峰值：std() 和 mean()。
7. 确定姿势反应时间为拉力后躯干位移起始时刻（高于基线均值三个标准差）与躯干速度曲线转折点（指示躯干减速开始）之间的时间差：使用微分函数 diff()，并结合过零检测器 zcd()。
8. 通过计算躯干的最大减速度来确定姿势反应的幅度：min() 或 max()。
9. 计算步态反应时间，即从躯干位移起始时刻（同 4.7）到迈步肢体首次运动之间的时间差：以高于基线均值三个标准差为判定标准。
10. 通过计算足部从初始抬离至迈步肢体接触地面并阻止向后倾倒过程中的总位移（单位为毫米，mm），确定步态反应幅度。排除位移小于 50 mm 的步态，因为此时支撑基底的变化可视为可忽略不计²⁴：min() 或 max()。
11. 从力传感器数据中计算峰值拉力及力发展速率：使用 max() 计算拉力峰值；使用 max() 和 diff() 计算力发展速率。
    注：峰值拉力表示施加的瞬时最大力，而力发展速率则表示力-时间曲线的斜率，反映力产生的快慢。

结果

采用仪器化拉力测试（图1）来研究年轻健康人群的躯干和迈步反应²³。共连续呈现35次试验，每次拉力刺激同时伴随一个听觉刺激（图2）。听觉刺激强度为90 dB（正常）或116 dB（强声）。已有研究表明，强声刺激足以诱发“惊反射启动”（StartReact）效应，即由令人惊愕的听觉刺激提前释放预先准备好的运动反应²⁵。StartReact效应可作为探针，用于探索运动准备的神经机制²⁶。保留第一次试验以分析未习惯化的反应，并剔除随后的四次试验，以消除练习效应；已有研究显示，练习效应在最初的五次试验内即可趋于习惯化²⁷。后续的习惯化试验包括20次正常强度和10次强声刺激试验，随机混合呈现。试验间间隔（10 - 15 s）为可变时长。由于多种因素可能影响躯干和迈步姿势反应（例...

讨论

本文展示了临床拉力试验的操作方案，该方法在临床实践中被广泛应用，不仅能够客观测量姿势反应，还能评估拉力施加过程中的重要方面。通过使用半便携式运动追踪技术，该方法相较于传统的实验室技术更具可及性²⁸。利用此方法，研究人员可以探究不同年龄和不同健康状况人群对自上而下扰动所引发的姿势反应特征。

尽管该方案已成功应用，但仍需注意若干局限性。运动追踪检测的是整体运动，而非通常通过肌电图（EMG）测量的肌肉激活起始时间^29,30,31。如有需要，可相对容易地将肌电图检测（例如从胫骨前肌、比目鱼肌、腘绳肌、股四头肌、腹直肌和腰椎旁肌等肌肉记录）整合到本方案中。我们所使用的运动传感器通过导线连接至主机单元。这些导线在实验室环境中长度足够，可用于记录拉力测试的运动学数据，但无线系统在临床上将更具实用性。在该方法被认可为一种标准化评估工具之前，还需在不同疾病状态和严重程...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
模数转换器 &和软件	CED	Micro 1401-3	任何合适的数字采集系统均可使用
载荷传感器	Omegadyne	LCM201-100N
MATLAB 软件	MathWorks 公司	NA	任何数据科学平台均可使用
运动传感器	升压	6DOF，型号800
运动追踪器	升汞	3D Guidance trakSTAR	中程发射器
S&F 技术背带与腰带	Lowepro	LP36282