精确抓握中空间稳定性的测量

摘要

本实验方案的目的是利用高空间分辨率的传感器垫片测量精确抓握过程中的压力中心（COP）位移，以反映空间稳定性。该方案的应用有助于更深入地理解抓握动作的生理学及病理生理学机制。

摘要

本实验方案的目的是基于生物力学关系，间接评估手握物体操作过程中手指力的方向，其中力方向的偏移会导致压力中心（COP）的位移。为实现这一评估，采用了一种薄型、柔韧且具有高空间分辨率的压力传感器薄膜。该系统不仅可测量力的幅值及其时间调节特性，还可记录压力中心的运动轨迹。一系列实验发现，中风患者的压力中心轨迹长度增加，反映了其感觉运动功能的缺损；而在老年人中，压力中心轨迹缩短则体现了一种代偿性策略，用以避免物体从手中滑脱。此外，双重任务干扰也可导致压力中心轨迹缩短。本文描述了实验操作流程，并探讨了手指压力中心轨迹在理解抓握生理学及病理生理学机制中的作用。

引言

力控制是精细抓握的基本基础。与强力抓握相比，精细抓握评估的是反映操作物体能力的最小输出力。多种感觉运动系统参与精细抓握过程。例如，在抓握和提起任务中，视觉信息有助于感知物体的大小和形状。当指尖接触物体后，触觉信号被传递至躯体感觉皮层，以调节精细抓握力。当指尖与物体接触时产生抓握力（GF），并在提起阶段逐渐增加¹。当物体在空中接近目标高度时，健康的年轻成人会施加最小的抓握力，以优化来自指尖指腹的皮肤输入并节省能量。而老年人则倾向于使用较大的抓握力，以防止物体从手中滑脱²。在中风患者中，由于感觉和运动功能缺损，抓握力的启动延迟，且调节安全裕度的能力受损。过度增强的抓握力被认为是一种代偿感觉和运动功能缺损的策略性反应³。

20世纪80年代，Johansson和Westling提出了测量精确握力中抓握力（GF）控制的标准方案⁴。他们开发了一种可同时监测负载力和抓握力的装置。自此以后，抓握力的幅度及其时间调节特征被广泛用作精确握力研究中的典型动力学参数。另一个动力学参数是力的方向⁵。力的方向由抓握力和提升力共同作用形成。为了维持稳定的精确握持，拇指与食指之间必须产生方向适当的抓握力和提升力，而偏离的力方向可能导致空间不稳定性。尽管在抓握研究中已使用多种基于测力传感器的力方向测量仪器，但这些仪器在监测日常生活中使用不同大小和形状物体时的抓握力控制方面存在局限性。因此，一种柔性且可附着的传感器对于探究抓握力控制与日常功能之间的关系至关重要。

本实验方案旨在通过生物力学关系间接评估手指在操作物体时的受力方向，该关系表明：受力方向的偏移会导致压力中心（COP）位置的移动。COP是所有作用力的合力作用点，反映力在传感器片上的分布平衡情况。利用COP评估抓握力控制的方法最早由Augurelle等人提出。⁶他们通过监测压力中心（COP）位移来研究皮肤反馈的作用，发现指部麻醉后会出现COP偏移。然而，该研究仅垂直方向监测了COP位移，因此对三维空间中的COP位移尚未得到充分评估。为克服这一局限性，采用了一种薄而柔韧且具有高空间分辨率的压力传感器薄膜来测量COP。这类传感器具有相对较高的空间分辨率（约每平方厘米60–100个传感点）²) 用于测量抓握力控制的方法已被采用^7,8，但空间分辨率的最新进展（每厘米248个点）²）可用于测量COP轨迹，作为量化空间稳定性的参数。本文描述了实验步骤，并探讨了手指COP在理解抓握生理学与病理生理学机制中的作用。

方案

本论文中的一系列研究均获得了群马大学涉及人类受试者医学研究伦理审查委员会的批准。

注意：参与者的纳入标准为能够理解最小力度的使用，并能够用拇指和食指完成任务。排除标准根据实验目的确定。

1. 仪器设备准备

1. 将两个传感器连接线插入计算机的 USB 接口。抬起传感器连接器上的卡扣，将传感器的插片插入插槽中，然后将卡扣恢复至原始位置。
2. 在计算机上打开传感器软件。确保当传感器片正确连接后，显示器上会自动显示实时压力分布图。
3. 压力调整
   1. 将传感器片的感应区域逐个插入压缩装置中。
   2. 打开压缩机控制器的气阀并开始施加压力。操作调节器，将负载值调整至适当数值（即 172 kPa），并观察控制器上的指示。确保在显示器上，传感器片的整个区域受压均匀。
4. 在对传感器片施加压力的同时，进行平衡与校准。
   注意：平衡是指使传感器各单元的响应性达到一致的操作；校准是指将传感器片上的压力（原始总和）转换为重量单位（克或牛顿）并进行显示的操作。在每位受试者开始数据采集前，必须对传感器片完成这两项操作。
   1. 在软件主窗口中选择 工具 | 平衡。在弹出的平衡对话框中点击 平衡-1 | 开始。查看对话框中的平衡结果，并确认平衡窗口变为灰色。
   2. 点击平衡对话框中的 保存平衡文件 以保存平衡设置。在“另存为”对话框中输入平衡文件名称，然后点击 保存。
   3. 接下来进行校准，选择 工具 | 校准。点击 添加，并在 施加力 框中输入负载值（134.33 N）。
   4. 点击对话框中的 开始 按钮。在校准对话框中查看校准结果，并确认校准正确完成：若校准无误，则 牛顿 值应显示为 134.33，且 已加载单元数 应与所用传感器片的单元数一致。
   5. 随后，点击 保存校准文件 以保存校准设置。在“另存为”对话框中输入校准文件名称，然后点击 保存。完成平衡与校准后，关闭控制器上的气阀，并将传感器片从压缩装置中取出。

2. 测量

1. 准备
   1. 按照步骤1.1和1.2连接各设备并启动软件。确保两个传感器片通过电缆同时连接时，每个传感器片均显示两幅实时压力分布图。
      注意：本实验需要两个传感器片，分别用于测量拇指和食指。每个传感器片均需按照第1.4节所述步骤进行平衡和校准。
   2. 回忆在步骤 1.4.2 和 1.4.5 中创建的平衡与校准文件。在实时压力分布图激活状态下，选择 工具 | 加载平衡文件选择平衡文件并单击 打开然后，选择 工具 | 加载校准文件选择校准文件并点击打开。加载校准文件后，确保实时压力分布图以牛顿（N）为单位显示。对两张图均执行上述操作。
   3. 使用双面胶带将两个传感器片的压力敏感部分贴附在铁立方体的两侧。为防止传感器片受损，裁剪3−5 mm长的胶带，将其粘贴在铁立方体外侧的四个角上。确保传感器片的表面朝向外侧。
   4. 将铁立方体放置在桌面上的支架上，再进行测量。
   5. 在布置好测量环境后，固定视频帧的记录设置，包括时间间隔和频率。选择 选项 | 采集参数 命令。在数据采集参数对话框中，输入 36000 在电影画面中， 0.01 在周期中，以及 100 频率。点击 好的 并关闭对话框。
2. 开始测量
   注意： 图1 演示抓握和提起任务。
   1. 让受试者坐在桌前，调节桌面高度至受试者肩关节屈曲0°、肘关节屈曲90°的位置。将铁立方体及其支架置于桌面上，位于受试者正中矢状面方向，距离受试者30 cm处。用酒精棉签或酒精湿巾擦拭受试者的指腹。
   2. 向受试者发出如下口头指示：“用拇指和食指以最小的力量捏住附有传感器片的铁块两侧，随后将其提起至起始支架上方约5 cm处，保持5−7秒，然后将其放回起始支架上。”
   3. 如果参与者已准备就绪，给予其开始任务的提示，并通过点击开始录制 记录 在工具栏上。单击 力中心轨迹 记录时监控 COP。任务结束后，单击 停止 在工具栏上。录制完成后，通过选择保存电影数据 文件 | 保存视频为输入电影文件名，然后点击 保存 在对话框中。
      注意：铁立方体的重量、举升次数以及任务之间的间隔应根据实验目的和任务难度来确定。
3. 根据实验目的调整测量条件。例如，为了研究抓握和提起任务中双重任务干扰的影响，应根据干扰类型对测量条件进行如下调整。
   1. 对于姿势干扰测试，让受试者站在桌子前方，并调整桌子的高度。向受试者口头指示如下：“单腿站立，用拇指和食指以最小的力量将铁块从支架上提起约5 cm，保持5−7秒，然后将其放回支架上。”
   2. 对于视觉干扰实验，让受试者坐在桌子前并调整桌高。向受试者发出如下口头指令：“闭上眼睛。用拇指和食指以最小的力量将铁立方体从支架上提起约5 cm，保持5−7秒，然后将其放回支架上。” 在闭眼之前，允许受试者触碰传感器，但施加的力不得超过0.5 N。
   3. 进行认知干扰任务时，让受试者坐在桌前，并调节桌面高度。向受试者口头说明如下：“作为一项计算任务，请从100开始连续减去7，尽可能准确地进行计算。在执行计算的同时，用拇指和食指以最小的力量将铁块从放置支架上抬起约5厘米，保持5−7秒后，再将其放回支架上。”
   4. 对侧手部运动干扰（图2），让受试者坐在桌前，并调节桌子高度。将 peg board 置于受试者前方中矢状面，距离其30 cm，紧邻铁块，并根据 peg 的大小和数量调整任务难度。向受试者给出如下口头指令：“使用拇指和食指以最小力量操控铁块。用一只手将铁块从放置台抬起并悬停约5 cm高，同时用另一只手翻转 peg。重复操作后换另一只手进行。”

3. 数据分析

1. 握力分析
   1. 在计算机上启动软件。点击 文件 | 打开视频，选择用于分析的视频文件并点击 打开。
   2. 当记录的压力分布图出现后，点击分布图上的 多窗口视图，并参考图1窗口。找到每次抓握开始施加负载（握力）的时间点，并根据该图记录相应时间。
   3. 随后，将握力数据保存为ASCII格式。激活图1窗口后，选择 文件 | 保存为ASCII。在“对象-图1”对话框中，选择 窗格 并输入文件名，然后点击 保存为ASCII。在弹出的对话框中，选择 保存力、压力和面积值。在Y轴框中选择 力，在X轴框中选择 时间，在Y模式中选择 绝对值。点击属性对话框中的 确定，输入ASCII文件名，然后在对话框中点击 保存。
   4. 如果需要获取指尖与传感器片接触面积的信息，在Y轴框中选择 接触面积，然后点击 确定。输入ASCII文件名并点击 保存。
   5. 接下来，打开视频文件。确认文件以电子表格格式打开，并显示帧数、时间、绝对时间、原始总和和力值。根据步骤3.1.2中记录的时间，找到力值行中负载开始施加的单元格；此时力值开始上升并超过0.5 N。
   6. 计算某一范围内使用的总握力，即力值行中从开始施加负载的单元格起所有数值的总和。
2. 压力中心分析
   1. 启动软件。点击 文件 | 打开视频，选择用于分析的视频文件并点击 打开。
   2. 激活压力分布图后，点击 向前播放 播放视频。确保压力分布图上显示压力中心（COP）轨迹。使用“下一帧”或“上一帧”命令（用于前后移动帧）找到每次抓握中COP首次出现的帧，并记录该帧编号。
   3. 随后，将COP数据保存为ASCII格式。在激活分布图的情况下，选择 文件 | 保存为ASCII。在数据类型对话框中选择 压力中心，在视频范围对话框中选择 整段视频。点击属性对话框中的 确定，输入ASCII文件名并点击 保存。
   4. 接下来，打开视频文件。确认文件以电子表格格式打开，并显示 COMMENTS 帧、时间、绝对时间、行、列和原始总和。根据步骤3.2.2中记录的帧号，找到COP首次出现的单元格（1）。
   5. 计算帧之间的COP轨迹长度。选择包含COP首次出现帧的行之后的一个单元格（2），插入以下计算公式：(=SQRT((行单元格(2)-行单元格(1))^2+(列单元格(2)-列单元格(1))^2)。某一范围内各帧间COP轨迹长度的总和即为该范围内的总COP轨迹长度。
      注： 在图1窗口中，纵轴表示负载值（N），横轴表示时间（s）。该负载值对应于握力。以ASCII格式保存的数据可用于电子表格或文本编辑器等应用程序。本实验中，受试者被要求在任务中持握立方体5−7秒，因此从COP首次出现起计算并记录4秒内的握力和COP轨迹。在COP数据的电子表格中，COP在X轴和Y轴坐标上的位置以数值形式显示。

结果

多项研究引入了实验方案以及两个动力学参数（压力中心轨迹和抓握力）来测量操作物体时的手指力。既往研究发现，中风患者的压力中心轨迹有所增加⁹。在脊髓型颈椎病患者中，抓握力与皮肤压力阈值及上肢功能相关¹⁰。在健康的年轻受试者中，抓握力随认知干扰而增加¹¹。类似的抓握力增强现象也出现在对侧手部运动干扰的情况下。图3展示了代表性年轻和老年成年人在单任务和双任务条件下优势手示指的压力中心轨迹和抓握力变化曲线。在对侧手部运动干扰下，抓握力增加；相反，压力中心轨迹则呈现下降趋势（未发表数据）。

Kurihara 等人⁹研究了脑卒中患者抓握过程中的握力协调性。他们发现，偏瘫手的压心（COP）轨迹增大，尽管其握力（GFs）与非偏瘫手相比无显著差异。出血性卒中患者的拇指和示指的COP轨迹较缺血性卒中患者更长。他们还发现，动力学参数不仅与躯体感觉功能相关，也...

讨论

本实验方法提供了证据，表明柔性压力传感器片可用于评估精细抓握过程中的空间稳定性。抓握力方向的改变代表了抓握空间不稳定，例如手指打滑。然而，现有的基于测力计类型的力方向测量仪器在确保自然的伸手抓握动作方面存在局限性。为解决这一技术问题，本研究基于生物力学关系，监测了手指指腹与接触表面之间区域的 COP（压力中心）轨迹。结果表明，COP 位移是由偏离的 力方向所引起的。因此，该研究发现，COP 轨迹长度是评估精细抓握空间稳定性的有效动力学参数。

影响实验结果的一个关键因素是每位参与者对实验方案的理解程度。如果参与者不了解实验目的，他们往往会施加较大的握力（GF），以避免空间不稳定性。故意增大的握力会干扰对精确握持的评估。另一个影响实验结果的因素是指尖与物体接触面之间的接触区域。如果指尖未能与物体表面充分接触，则无法准确估算压力中心（COP）。在实际试验过程中，检查者必须调整立方体的位置和方向。当立方体放置不当时，指尖会超出立方体边缘，或参与者倾向于增加躯干和肩部的运动，以补偿手部抓握时的方向偏差。

该方案的一个局限性在于...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精棉片			擦拭受试者’指腹
压缩机	Nitta Corporation		对传感器座施加压力
计算机
压缩机控制器	Nitta Corporation		用于操控压缩机
双面胶带			用于将传感器座固定在铁块上
铁块			150–250 g，30×30×30 mm
传感器连接器			将传感器座连接至计算机
传感器片			Pressure Mapping Sensor 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
测量支架			测量时用于放置铁块
软件；I-SCAN 5027，版本 7.51	Nitta Corporation
桌子			用于进行测量