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方法文章

慢性卒中幸存者在不同运动任务条件下目标导向性手臂伸展运动学及躯干代偿的影响

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DOI：

10.3791/61940

⸱

2021年5月2日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physical Therapy Education, SUNY Upstate Medical University, 2College of Health and Rehabilitation Sciences: Sargent College Center for Neurorehabilitation, Boston University, 3Department of Physical Medicine and Rehabilitation, University of Rochester Medical Center, 4Rehabilitation Today

本文内容

摘要

本方案旨在研究任务条件对慢性中风幸存者运动策略的影响。此外，本方案还可用于检验神经肌肉电刺激引起的肘关节伸展受限是否会导致非残疾成年人在完成目标导向性上肢伸展动作时出现躯干代偿。

摘要

躯干代偿是最常见的运动策略，用于弥补慢性卒中幸存者上肢（UE）运动功能障碍。目前尚缺乏证据探讨任务条件如何影响躯干代偿及目标导向性上肢运动的动力学特征。本方案旨在研究任务条件（包括任务难度和任务复杂性）对目标导向性上肢运动动力学的影响。本研究招募了两名无残疾的年轻成人和两名伴有轻度上肢运动障碍的慢性卒中幸存者进行方案测试。每位受试者在四种不同任务条件下完成目标导向性上肢运动任务（2种任务难度[大目标 vs. 小目标] × 2种任务复杂性[指向 vs. 抓取]）。任务目标是在听到听觉提示后，分别使用触控笔或一双筷子，尽快完成从起始位置向前20 cm处的目标指向或物体抓取动作。每位受试者在每种任务条件下完成十次运动。采用三维运动捕捉摄像系统记录躯干和上肢的运动学数据。代表性结果显示，在所有受试者中，随着任务复杂性的增加，运动持续时间、运动不流畅性以及躯干代偿程度均显著增加，而任务难度未产生显著影响。与无残疾成人相比，慢性卒中幸存者的上肢运动显著更慢、更不流畅，更多依赖反馈控制，并表现出更显著的代偿性躯干运动。本研究的代表性结果表明，该方案可用于研究任务条件对伴有轻度上肢运动障碍的慢性卒中幸存者运动控制策略的影响。

引言

躯干运动是中风后上肢（UE）运动功能障碍个体在肘关节和肩关节自由度受限时最常采用的代偿策略1,2。既往研究表明，中风后个体在不同的运动任务环境中会采用不同的运动策略3,4,5。动力系统运动控制理论指出，运动的产生源于个体内部因素与外部因素（如任务条件和环境）之间的相互作用6。此外，Fitts定律描述了任务难度与运动速度之间的关系，通常任务越难，运动速度越慢7。在目标导向的上肢伸手任务中，Gentilucci 报道，当个体抓取较小物体时，其伸手动作的速度较抓取较大物体时更慢8。然而，任务复杂性对慢性中风幸存者目标导向上肢伸手运动学及代偿性运动策略的影响尚不明确。一项既往研究考察了慢性中风幸存者在指向与抓握任务中的表现，发现两种不同任务下运动学变量的差异可解释Fugl-Meyer上肢评分所测得的上肢运动功能障碍程度的差异9。然而，该研究并未直接比较指向任务与抓握任务在运动学变量上代偿性运动策略的具体差异。深入理解任务条件（特别是任务复杂性）对代偿性运动策略的影响，并结合个体运动功能障碍水平进行综合考量，对于设计有效的治疗方案、最大限度减少代偿性动作并促进运动功能恢复至关重要。因此，亟需探究任务条件，尤其是任务复杂性，如何影响中风后运动功能障碍个体的运动策略。本研究方案旨在探讨任务条件对健康成年人及中风幸存者目标导向上肢伸手运动学的影响。本方案具有两个研究目的：1）探究任务复杂性是否影响慢性中风幸存者的躯干代偿及目标导向上肢伸手运动学；2）评估该方案是否能够区分健康成年人与慢性中风幸存者在目标导向上肢伸手运动学上的差异。

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方案

纽约州立大学上州医科大学机构审查委员会（IRB）已批准本方案。

1. 受试者筛选

  1. 所有研究方法均须在获得机构审查委员会（IRB）批准并符合《赫尔辛基宣言》的前提下进行。
  2. 招募无残疾的成年人，且无任何影响上肢运动任务执行的神经系统或肌肉骨骼系统问题。
  3. 招募慢性中风幸存者，其脑卒中发病时间至少在参与研究前六个月以上，且存在轻度至中度上肢运动功能障碍，以上肢Fugl-Meyer评估得分在66分中为19至60分为依据，并能够自主主动伸展偏瘫侧腕关节和手指至少10度。
  4. 安排潜在参与者参加一次数据采集会话。
  5. 在启动任何实验程序之前，须从所有研究参与者处获得书面知情同意书。
  6. 使用关于人口统计学特征、既往上肢损伤史、利手情况以及对特定精细手部运动技能任务信心的问卷，对所有参与者进行研究入组资格筛选。

2. 上肢运动功能结局评估指标

  1. 采用标准流程进行 Purdue 图钉板测试10。
  2. 采用标准流程进行上肢运动功能 Fugl-Meyer 评估（FMA-UE）11,12。

3. 心理社会与认知行为评估

  1. 让参与者使用在线调查平台完成以下问卷：爱丁堡利手量表；关于使用筷子经验的问卷；以及筷子使用自我效能感问卷。

4. 目标导向性手臂伸展任务的制备

  1. 准备运动捕捉相机系统以进行运动学记录。
    1. 使用动作捕捉工作站软件校准动作捕捉相机。
    2. 使用动作捕捉工作站软件设置世界坐标系的原点。
    3. 将所有标记三联体放置在桌面上，并检查运动捕捉相机视野内是否包含全部标记三联体。
  2. 准备动作捕捉数据采集软件以构建骨骼模型。
    1. 将标记集从动作捕捉工作站软件导入到动作捕捉数据采集软件中。
    2. 激活虚拟传感器（即标记物三联体）。
    3. 设置世界坐标系。
    4. 将虚拟传感器分配至骨骼模型的身体节段。
  3. 设置目标导向的上肢 reaching 任务条件。
    1. 将一张桌子放置在动作捕捉相机视野的中央。
    2. 将层压的目标导向性前肢抓取模板纸放置在桌面上指定区域。
    3. 在桌上准备一双筷子。
    4. 准备播放听觉提示音频文件。
    5. 准备任务指导脚本。
    6. 测试动作捕捉系统，以确保其正常工作。
  4. 设置参与者。
    1. 将反光标记三联体固定在受试者的手臂、手部和躯干皮肤上。标记三联体的具体位置如下所述：
      躯干标记三联点：肩胛骨内侧缘之间
      上臂每个部位的标记三联点：位于上臂外侧表面中点
      前臂标记三联点：位于前臂背侧表面中点
      每只手使用三个标记点：位于手背 dorsal 面中部的 3rd 掌骨
    2. 用标记三联法准备一根筷子。
    3. 将一个标记三联体放置在动作捕捉相机视野中心位置的桌面上。
    4. 使用动作捕捉数据采集软件，通过包含以下解剖标志点的上肢关节与躯干骨骼模型，对受试者的身体节段进行数字化处理：
      上干：C7 与 T1 椎骨之间的区域
      下躯干：位于第12胸椎与第1腰椎之间的区域
      肩部（盂肱关节），两个点与肱骨头中心等距
      肘部：位于内侧和外侧肘部的两个点，与关节中心等距
      腕部：位于腕关节内侧和外侧的两个点，与关节中心等距
      手：每只手的第三指骨末端
    5. 使用动作捕捉数据采集软件，通过标记三元组对筷子尖端进行数字化处理。
    6. 使用动作捕捉数据采集软件，通过位于台面上的标记三联体对起始位置和目标位置进行数字化。

5. 目标导向性手臂 reaching 任务的执行

  1. 让受试者采取坐姿。
  2. 要求受试者在不移动躯干的情况下向前伸手，并据此确定桌子位置，将目标设定在受试者最大伸手距离的约80%处。
  3. 指导受试者在每次任务开始时保持直立的躯干姿势。在任务执行过程中，不对躯干活动加以限制。
  4. 通过 YouTube 视频（https://youtu.be/2Bns2m5Bg4M）向受试者演示如何使用筷子，以标准化筷子的使用方法。
  5. 执行任务条件1——向一个较大目标伸手并指向。
    1. 指导受试者用优势手（非残疾成年人）或偏瘫手（中风受试者）握住一根筷子。受试者应将筷子尖端置于起始位置中心点。指导受试者在任务开始时保持直立的躯干姿势。
    2. 将任务条件模板纸固定在桌面上指定区域。模板纸上包含两个正方形，每个正方形中心有一个十字：一个代表起始位置，另一个代表目标区域。本任务中，目标正方形的尺寸为1 x 1 cm2。目标位置位于起始位置前方20英寸处。
    3. 说明任务指令。
      1. 陈述如下内容：“本任务的目标是尽可能快速且准确地用筷子尖端触达并轻敲目标区域。您将用右手（或左手）[指出执行动作的手]握住筷子，并将筷子尖端放在起始位置[指出起始位置]。当您听到‘开始’信号时，请尽快用筷子尖端触达并轻敲目标[指出目标]。请尽量准确击中目标中心。您有三秒钟的时间完成触击动作。我在发出‘开始’信号3秒后会给出‘停止’信号。如果在3秒内未完成触击，请将筷子尖端移回起始位置并等待下一次试验。您将进行十次试验，每次试验之间有10秒休息时间。您有任何问题吗？[解答受试者提出的问题后，进入熟悉性试验] 您将先进行三次练习试验。[完成练习试验后，进入正式试验] 现在开始正式试验。请尽可能快速地伸手并触击目标。”
    4. 使用计算机播放听觉提示信号音频文件，使受试者熟悉提示信号。
    5. 进行三次熟悉性试验。
    6. 指导受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。
    7. 使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。
    8. 使用计算机播放听觉提示音频文件。
    9. 执行10次试验。
    10. 停止动作捕捉记录。
    11. 休息2分钟。
  6. 执行任务条件2——向一个小目标伸手并指向。
    1. 指导受试者用优势手（非残疾成年人）或偏瘫手（中风受试者）握住一根筷子。受试者应将筷子尖端置于起始位置中心点。要求受试者在任务开始时保持直立的躯干姿势。
    2. 将任务条件模板纸固定在桌面上指定区域。本任务中，目标正方形的尺寸为0.3 X 0.3 cm2。目标位置位于起始位置前方20英寸处。
    3. 说明任务指令。
      1. 陈述如下内容：“本任务的目标与前一项任务相同：尽可能快速且准确地用筷子尖端触达并轻敲目标。本次我们将使用一个更小的目标[指出目标]。操作指令与前一项任务相同。当您听到‘开始’信号时，请尽快用筷子尖端触达并轻敲目标[指出目标]。请尽量准确击中目标中心。您有任何问题吗？[解答受试者提出的问题后，进入熟悉性试验] 您将先进行三次练习试验。[完成熟悉性试验后，进入正式试验] 现在开始正式试验。请尽可能快速地伸手并触击目标。”
    4. 使用计算机播放听觉提示信号音频文件，使受试者熟悉提示信号。
    5. 进行三次熟悉性试验。
    6. 指导受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。
    7. 使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。
    8. 使用计算机播放听觉提示音频文件。
    9. 执行10次试验。
    10. 停止动作捕捉记录。
    11. 休息2分钟。
  7. 执行任务条件3——伸手并拾取一个较大的目标物体。
    1. 指导受试者用优势手（非残疾成年人）或偏瘫手（中风受试者）持握一双筷子。受试者应将筷子尖端置于起始位置中心点。要求受试者在任务开始时保持直立的躯干姿势。
    2. 将任务条件模板纸固定在桌面上指定区域。本任务中，目标物体为一个边长1 cm的塑料立方体。该目标物体位于起始位置前方20英寸处。
    3. 将目标物体放置在目标区域上。
    4. 说明任务指令。
      1. 陈述如下内容：“本任务的目标是尽可能快速地用一双筷子伸手并拾起一个塑料立方体[指出立方体]，将其提起约一英寸高度且不掉落。您将用右手（或左手）[指出执行动作的手]持握筷子，并将筷子尖端放在起始位置[指出起始位置]。当您听到‘开始’信号时，请尽快用筷子伸手并拾起立方体[指出目标]，将其提起约一英寸高度。您有三秒钟的时间完成拾取动作。我在发出‘开始’信号3秒后会给出‘停止’信号。如果在3秒内未能成功拾起目标，请将筷子尖端移回起始位置并等待下一次试验。您将进行十次试验，每次试验之间有10秒休息时间。您有任何问题吗？[解答受试者提出的问题后，进入熟悉性试验] 您将先进行三次练习试验。[完成熟悉性试验后，进入正式试验] 现在开始正式试验。请尽可能快速地伸手并拾取目标。”
    5. 使用计算机播放听觉提示信号音频文件，使受试者熟悉提示信号。
    6. 进行三次熟悉性试验。
    7. 指导受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。
    8. 使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。
    9. 使用计算机播放听觉提示音频文件。
    10. 执行10次试验。
    11. 停止动作捕捉记录。
    12. 休息2分钟。
  8. 执行任务条件4——伸手并拾取一个小目标物体。
    1. 指导受试者用优势手（非残疾成年人）或偏瘫手（中风受试者）持握一双筷子。受试者应将筷子尖端置于起始位置中心点。要求受试者在任务开始时保持直立的躯干姿势。
    2. 将任务条件模板纸固定在桌面上指定区域。本任务中，目标物体为一个边长0.3 cm的塑料立方体。该目标物体位于起始位置前方20英寸处。
    3. 将目标物体放置在目标区域上。
    4. 说明任务指令。
      1. 陈述如下内容：“本任务的目标与前一项任务相同：尽可能快速地用一双筷子伸手并拾起一个塑料立方体。本次我们将使用一个更小的塑料立方体[指出目标]。操作指令与前一项任务相同。当您听到‘开始’信号时，请尽快用筷子伸手并拾起立方体[指出目标]。您有任何问题吗？[解答受试者提出的问题后，进入熟悉性试验] 您将先进行三次练习试验。[完成熟悉性试验后，进入正式试验] 现在开始正式试验。请尽可能快速地伸手并触击目标。”
    5. 使用计算机播放听觉提示信号音频文件，使受试者熟悉提示信号。
    6. 进行三次熟悉性试验。
    7. 要求受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。
    8. 使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。
    9. 使用计算机播放听觉提示音频文件。
    10. 执行10次正式试验。
    11. 停止动作捕捉记录。
    12. 休息2分钟。
  9. 使用在线调查平台完成关于筷子使用情况的内在动机量表（IMI）。

6. 运动学数据分析

  1. 从运动捕捉数据采集软件中导出以下标记点的数据。针对每种任务条件，将 x、y 和 z 轴上的位置数据导出为文本文件。
    筷子尖端
    桌面上的原点位置
    载物台上的目标位置
    手
    肘关节
    肩关节（盂肱关节）
    躯干（C7 水平）
  2. 预处理运动学数据。
    1. 使用自定义编程脚本处理运动学数据。
    2. 使用3rd 3 Hz 截止频率的 Butterworth 低通滤波器
    3. 计算执行手在x、y和z方向位置的合位移。
  3. 确定每次目标导向性手臂伸展动作的起始点和终止点。
    1. 为确定伸手运动的起始与终止时刻，需使用执行手在三维空间位置数据合成后所得的切向速度（位置数据的一阶导数）。
    2. 将运动起始定义为到达动作的第一帧，此时切向速度超过 0.01 m/s。
    3. 将运动偏移定义为到达动作的最后一帧，此时切向速度高于 0.01 m/s。
    4. 目视检查个体的伸手运动起始和终止，以确保起始和终止标记正确。
  4. 确定峰值速度。峰值速度定义为试验中切向速度幅值超过 0.2 m/s 的最大幅值，且相邻两个峰值之间的时间间隔必须至少为 2 秒。13.
  5. 计算伸手运动的运动学变量。
    1. 计算运动持续时间（MD）。计算运动起始与终止之间的时间差。13.
    2. 计算峰值速度（PV）。计算每次 reaching 过程中的最高速度。
    3. 计算峰值速度的绝对时间与相对时间（TTPV 和 TTPV 占运动持续时间的百分比）13.
      1. 计算运动起始与峰值速度之间的时间差（绝对TTPV）。
      2. 计算TTPV占运动持续时间的百分比（相对TTPV）。
    4. 计算无量纲偏移对数。
      1. 根据执行手的三维位置结果计算其三阶导数，然后计算每次手臂伸展运动的对数无量纲急动度。
    5. 计算目标导向手臂伸展运动过程中的躯干位移9,14.
      1. 计算躯干位移。
        1. 计算躯干标志点在运动开始与结束之间的距离差。使用以下公式。
          数学表达式中的距离公式；代数方程，教学示意图。
          其中，X、Y 和 Z 分别为躯干标志点在 x 轴、y 轴和 z 轴上的位置；1 为到达运动起始时的时间帧；k 为到达运动结束时的时间帧。
      2. 计算肩部轨迹长度。
        1. 计算肩部标记点在手臂 reaching 动作起始至结束期间的移动距离。肩部标记点是通过运动捕捉数据采集软件，基于上肢骨骼模型数字化生成的一个虚拟标记点。使用以下公式计算肩部轨迹长度。
          静态平衡方程图，Σ肩关节位移分析，生物力学研究。
          其中，X、Y 和 Z 分别为肩部标记点在 x、y 和 z 轴上的位置；t 为时间帧；t=1 表示到达运动起始时的时间帧；t=k 表示到达运动结束时的时间帧

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结果

这些结果来自两名无残疾的年轻成人和两名患有轻度运动功能障碍的慢性卒中幸存者（这两名受试者的Fugl-Meyer评分在66分中均高于60分）。无残疾受试者均为右利手，并使用右手完成任务。卒中受试者在卒中前也为右利手，且均表现为右侧偏瘫，他们同样使用右手完成任务。采用Wilcoxon符号秩检验对不同人群之间以及不同目标条件之间的这些运动学变量进行了比较。

肩部轨迹长度是评估目标导向性上肢伸手过程中躯干代偿的更敏感指标（图1）。通过比较躯干位移与肩部轨迹长度，以确定哪个变量更适合表征目标导向性上肢伸手过程中的躯干代偿。在所有四种任务条件下，非残疾成年人与慢性卒中幸存者之间的躯干位移无显著差异。然而，在伸手抓取和拾取任务中，慢性卒中幸存者的肩部轨迹长度显著大于非残疾成年人。

慢性卒中幸存者在不同任务条件下的目标导向性上肢运动表现出与非残疾青年人不同的运动学特征图2). 慢性期脑卒中幸存者表现出显著更慢的（

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讨论

初步结果表明，该方案可能适用于研究任务复杂性对非残疾成年人和慢性卒中幸存者躯干代偿及目标导向性上肢运动运动学的影响。

这些代表性结果还表明，该方案可能适用于确定非残疾成年人与慢性中风幸存者在目标导向手臂伸展动作中的运动学差异。这些发现与以往研究一致，这些研究将慢性中风幸存者的目标导向手臂伸展动作描述为比非残疾对照组更慢、更不流畅且更多依赖反馈的运动9,13,14。

在本项初步研究中，采用了一项使用筷子的精细手部运动任务。用筷子夹取小物体需要较高的手部灵巧性15,16。该任务已在既往研究中被用于探究执行精细手部运动时的大脑功能15,

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致谢

作者希望感谢 Christopher Neville、Girolamo Mammolito 和 F. Jerome Pabulayan 在本实验方案开发及数据收集过程中所做出的重要贡献。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
一双筷子NANA长度为 20 cm，其中一根筷子装有被动式动作捕捉标记（定制）
运动任务的听觉提示NANA在智能手机上播放定制的音频文件
Matlab R2018b 软件Mathworks
MotionMonitor v 8.52 软件Innovative Sports Training, Inc., Chicago, IL
佩鲁德插板测试
塑料立方体（边长 0.3 cm）NANA定制的边长为 0.3 cm 的塑料立方体，使用 3D 打印机制作
塑料立方体（边长 1 cm）NANA定制的边长为 1 cm 的塑料立方体，使用 3D 打印机制作
模板打印件NANA定制的运动任务模板，包括起始位置和目标位置轮廓
Vicon 512 动作分析系统及工作站 v5.2 软件OMG plc, Oxford, UK

参考文献

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