本文所述方案旨在加强上肢功能障碍的定量评估，目标是开发更多可用于临床和家庭远程评估的技术。该方案结合虚拟现实与生物传感器技术以及标准临床技术，以深入了解神经肌肉系统的功能状态。
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摘要
摘要
运动能力使我们能够与外界互动。当这种能力受损时，会显著降低个人的生活质量和独立性，并可能导致并发症。由于面对面医疗服务的可及性受限，远程患者评估与康复的重要性近年来日益凸显。例如，新冠肺炎疫情意外地导致了严格的管控措施，减少了非紧急医疗保健服务的获取机会。此外，远程医疗为解决农村、服务不足地区以及低收入地区长期存在的医疗资源不平等问题提供了契机。
通过远程医疗选项提高可及性，将减少患者前往医院或专科医生处就诊的次数，并使常规治疗更加经济实惠。最后，利用 readily available 的商用消费类电子产品进行居家护理，可通过对症状、治疗效果和治疗剂量进行更精确的定量观察，从而改善患者的治疗结局。尽管远程医疗是解决上述问题的一种有前景的手段，但仍迫切需要对此类应用中的运动功能障碍进行定量表征。以下方案旨在弥补这一知识空白，使临床医生和研究人员能够获取关于复杂运动及潜在肌肉活动的高分辨率数据。最终目标是建立一套用于远程实施功能性临床测试的标准化操作流程。
在此实验中，参与者被要求执行一项受医学启发的方盒方块任务（Box and Block task，BBT），该任务常用于评估手部功能。此任务要求受试者将标准化的立方体从被隔板分隔的两个区域之间来回搬运。我们通过虚拟现实实现了改良版的方盒方块任务，以展示开发远程评估方案的潜力。每位受试者的肌肉激活情况均通过表面肌电图（surface electromyography）进行采集。该方案能够获取高质量的数据，从而以更详细且定量的方式表征运动功能障碍。最终，这些数据有望用于开发虚拟康复及远程患者监测的相应方案。
引言
运动是我们与世界互动的方式。尽管日常活动（如拿起一杯水或步行上班）看似简单，但即使是这些动作也依赖于中枢神经系统、肌肉和肢体之间复杂的信号传递1。因此，个人的独立性和生活质量与其肢体功能水平密切相关2,3。神经系统损伤，例如脊髓损伤（SCI）或周围神经损伤，可能导致永久性运动功能障碍，从而削弱个体执行基本日常生活活动的能力4,5。根据美国国家神经疾病与中风研究所的数据，美国有超过一亿人存在运动功能障碍，其中中风是主要原因之一6,7,8。由于此类损伤的特性，患者通常需要长期护理，而定量的运动评估和远程治疗可能对其具有重要意义。
目前治疗运动障碍的常规方法通常需要通过物理治疗师或作业治疗师等经过培训的专家进行观察，以完成对功能的初始评估和持续临床评估。标准且经过验证的临床测试通常需要由经过培训的专业人员来实施，且具有特定的时间限制，并对预定义的动作或功能性任务进行主观评分。然而，即使在健康个体中，相同的动作也可以通过....
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方案
实验方案已获得西弗吉尼亚大学机构审查委员会（IRB）批准，方案编号为 #1311129283，并遵循《赫尔辛基宣言》的原则。该方案存在的风险较小，但有必要向参与者说明所有操作步骤及潜在风险，并已获得机构伦理审查委员会批准的书面知情同意书。
1. 系统特性与设计
注意：本方案的设置包括以下组成部分：（1）肌电图（EMG）传感器及底座，（2）EMG 数据采集（DAQ）软件，（3）运动捕捉系统，以及（4）配备相应软件的虚拟现实（VR）头戴设备。这些组件如图1所示。
- 系统组件的设置
- 连接肌电图（EMG）系统。
- 将EMG基站接入电源。
- 将EMG基站连接至一台专用计算机（图1C），该计算机中包含数据采集（DAQ）脚本。
注意：示例脚本可在以下网址获取：https://www.dropbox.com/sh/7se5lih4noxj584/AACqFDZytpDm-L8jAULFwfTHa?dl=0。某些商业产品可能附带授权的数据采集软件，也可使用。
- 连接运动捕捉系统。
- 将第二台专用计算机（<....
- 连接肌电图（EMG）系统。
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结果
通过本方案获取的受试者肌电图（EMG）、运动学和力数据可用于表征同一任务多次重复过程中的运动特征，以及不同任务期间的运动特征。此处展示的数据来自健康对照参与者，用以证明该实验设置的可行性。图 3 展示了健康受试者在虚拟现实（VR）环境中执行改良版抓取搬运测试（BBT）时记录的代表性肌电图（EMG）曲线。可见三角肌前束（DELT_A）呈现高强度肌肉激活，提示其为每次伸手动作中上肢的主要主动肌。前臂和腕部伸肌（ECU 和 ECR）也表现出显著激活，表明这些肌肉在运动全程中用于辅助抓握方块。最后，拇短伸肌（EPB）和拇对掌肌（APB）活动增强，提示其参与了方块的抓握与释放动作。尽管在虚拟现实环境中进行改良版BBT时记录的肌电图（EMG）曲线与真实世界任务中的表现相似，但在虚拟现实评估期间的最大肌肉活动水平有所降低。这些结果表明，标准的真实世界BBT与虚拟现实环境中的改良版BBT均涉及相似的运动控制机制。
利用VR手部追踪数据获取运动学数据，从而生成在VR中改进的BBT任务期间关节角度轨迹的平滑曲线图(
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讨论
肌电图系统
肌电图系统的硬件包含15个肌电图传感器，用于获取肌肉激活数据。采用市售的应用程序编程接口（API）开发了定制的肌电图记录软件。虚拟现实系统硬件包括一个虚拟现实头戴式显示器，用于呈现沉浸式虚拟现实环境，以及一根将头显连接至专用计算机的电缆，虚拟评估任务存储于该计算机中。软件部分包括三维计算机图形软件，用于创建和运行虚拟现实任务。本研究采用经过修改的方盒方块测试作为评估任务，该测试改编自广泛使用的手部灵巧性评估方法26。通过专门设计的软件程序实现与虚拟现实环境的交互，该程序可计算桌面生成位置、启动任务、生成方块并保存数据。
动作捕捉系统
动作捕捉系统的硬件包括虚拟现实（VR）头戴式显示器、标记式动作捕捉系统和VR动作控制器。VR头戴式显示器通过内置的四个红外摄像头（72–120 Hz）实现手部追踪功能。这些数据被从设备中提取出来用于运动学分析。标记式动作捕捉系统由服务器、视场角为60°的摄像头、发光二极管（LED）标记点以及校准装置组成.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本研究工作由美国国防部卫生事务助理部长办公室通过战伤军人神经肌肉骨骼损伤修复研究计划（RESTORE）资助，资助编号为 W81XWH-21-1-0138。文中观点、解释、结论和建议均为作者个人意见，不一定代表美国国防部的立场，亦不构成其认可。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 无扶手椅 | N/A | 供受试者就座的椅子应为无扶手设计，以避免对其手臂活动造成干扰。 | |
| 计算机 | Dell Technologies | 使用三台计算机以配合数据采集设备。 | |
| Leap Motion 控制器 | Ultraleap | 一种光学手部追踪模块，可捕捉手部及手指的运动。该控制器配备两个640 x 240像素的近红外摄像头（120 Hz），能够追踪设备上方最远60 cm范围内、视场角为140 x 120°的空间内的运动。该设备可连接至VR头显，或在运动过程中固定于头部上方。 | |
| MATLAB | MathWorks, Inc. | 用于开发自定义数据采集软件的编程平台 | |
| Oculus Quest 2 | Meta | 具备手部追踪功能的沉浸式虚拟现实头显，内置4个红外摄像头（72–120 Hz）。可使用其他类似设备替代（例如 HTC Vive、HP Reverb、PlayStation VR）。 | |
| Oculus Quest 2 连接线缆 | Meta | 用于将头显连接至存储VR游戏的计算机 | |
| PhaseSpace 动作捕捉系统 | PhaseSpace, Inc. | 一种基于标记点的动作捕捉系统，包含服务器、视场角为60°的摄像头、发光二极管（LED）标记点以及校准装置 | |
| Trigno 无线系统 | Delsys, Inc. | 由 Delsys 公司生产，包含肌电图（EMG）、加速度计、力传感器、基站及采集软件。使用 Trigno-MATLAB 应用程序编程接口（API）开发了自定义记录软件。 | |
| UnReal Engine 4 | Epic Games | 用于在虚拟现实中创建并运行改进版方盒方块任务的软件 |
参考文献
- Rosenbaum, D. A. Human motor control. , Elsevier Inc. (2010).
- Kalsi-Ryan, S., Curt, A., Fehlings, M., Verrier, M. Assessment of the hand in tetraplegia using the Graded Redefined Assessment of Strength, Sensibility and Prehension (GR....
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