Name: 运动任务条件对长期中风幸存者目标定向手臂达到运动学和树干补偿的影响 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min
Description: 了解运动任务条件对长期中风幸存者目标定向手臂达到运动学和躯干补偿的影响。本研究使用三维运动捕捉技术分析不同任务难度下的运动策略，为中风康复提供重要见解。

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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。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>安排潜在参与者参加一次数据采集会话。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 上肢运动功能结局评估指标
<ol>
	<li>采用标准流程进行 Purdue 图钉板测试10。</li>
	<li>采用标准流程进行上肢运动功能 Fugl-Meyer 评估（FMA-UE）11,12。</li>
</ol>
3. 心理社会与认知行为评估
<ol>
	<li>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。</li>
</ol>
4. 目标导向性手臂伸展任务的制备
<ol>
	<li>准备运动捕捉相机系统以进行运动学记录。
	<ol>
		<li>使用动作捕捉工作站软件校准动作捕捉相机。</li>
		<li>使用动作捕捉工作站软件设置世界坐标系的原点。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>准备动作捕捉数据采集软件以构建骨骼模型。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>激活虚拟传感器（即标记物三联体）。</li>
		<li>设置世界坐标系。</li>
		<li>将虚拟传感器分配至骨骼模型的身体节段。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置目标导向的上肢 reaching 任务条件。
	<ol>
		<li>将一张桌子放置在动作捕捉相机视野的中央。</li>
		<li>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。</li>
		<li>在桌上准备一双筷子。</li>
		<li>准备播放听觉提示音频文件。</li>
		<li>准备任务指导脚本。</li>
		<li>测试动作捕捉系统，以确保其正常工作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置参与者。
	<ol>
		<li>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</li>
		<li>用标记三联法准备一根筷子。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 目标导向性手臂 reaching 任务的执行
<ol>
	<li>让受试者采取坐姿。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>执行任务条件1——向一个较大目标伸手并指向。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>说明任务指令。
		<ol>
			<li>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。”</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。</li>
		<li>进行三次熟悉性试验。</li>
		<li>指导受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。</li>
		<li>使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。</li>
		<li>使用计算机播放听觉提示音频文件。</li>
		<li>执行10次试验。</li>
		<li>停止动作捕捉记录。</li>
		<li>休息2分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>执行任务条件2——向一个小目标伸手并指向。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>说明任务指令。
		<ol>
			<li>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。”</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。</li>
		<li>进行三次熟悉性试验。</li>
		<li>指导受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。</li>
		<li>使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。</li>
		<li>使用计算机播放听觉提示音频文件。</li>
		<li>执行10次试验。</li>
		<li>停止动作捕捉记录。</li>
		<li>休息2分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>执行任务条件3——伸手并拾取一个较大的目标物体。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>将目标物体放置在目标区域上。</li>
		<li>说明任务指令。
		<ol>
			<li>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。”</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。</li>
		<li>进行三次熟悉性试验。</li>
		<li>指导受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。</li>
		<li>使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。</li>
		<li>使用计算机播放听觉提示音频文件。</li>
		<li>执行10次试验。</li>
		<li>停止动作捕捉记录。</li>
		<li>休息2分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>执行任务条件4——伸手并拾取一个小目标物体。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>将目标物体放置在目标区域上。</li>
		<li>说明任务指令。
		<ol>
			<li>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。”</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。</li>
		<li>进行三次熟悉性试验。</li>
		<li>要求受试者准备执行任务，确保其完全理解任务执行流程。</li>
		<li>使用动作捕捉数据采集软件开始动作捕捉记录。</li>
		<li>使用计算机播放听觉提示音频文件。</li>
		<li>执行10次正式试验。</li>
		<li>停止动作捕捉记录。</li>
		<li>休息2分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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）。</li>
</ol>
6. 运动学数据分析
<ol>
	<li>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）</li>
	<li>预处理运动学数据。
	<ol>
		<li>使用自定义编程脚本处理运动学数据。</li>
		<li>使用3rd 3 Hz 截止频率的 Butterworth 低通滤波器</li>
		<li>计算执行手在x、y和z方向位置的合位移。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确定每次目标导向性手臂伸展动作的起始点和终止点。
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>计算伸手运动的运动学变量。
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>计算峰值速度（PV）。计算每次 reaching 过程中的最高速度。</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>计算运动起始与峰值速度之间的时间差（绝对TTPV）。</li>
			<li>计算TTPV占运动持续时间的百分比（相对TTPV）。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>计算无量纲偏移对数。
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>计算目标导向手臂伸展运动过程中的躯干位移9,14.
		<ol>
			<li>计算躯干位移。
			<ol>
				<li>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。 
				<img alt="数学表达式中的距离公式；代数方程，教学示意图。" src="/files/ftp_upload/61940/61940eq01v4.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 1"> 
				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。</li>
			</ol>
			</li>
			<li>计算肩部轨迹长度。
			<ol>
				<li>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。 
				<img alt="静态平衡方程图，Σ肩关节位移分析，生物力学研究。" src="/files/ftp_upload/61940/61940eq2b.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 2"> 
				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</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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<li>Rosenbaum, D. A., Engelbrecht, S. E., Bushe, M. M., Loukopoulos, L. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Knowledge+Model+for+Selecting+and+Producing+Reaching+Movements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Motor+Behavior%22%5BJournal%5D)">Knowledge Model for Selecting and Producing Reaching Movements.</a> Journal of Motor Behavior. 25 (3), 217-227 (1993).</li>
</ol>

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,<sup class="xr...

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。

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

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

The Impact of Motor Task Conditions on Goal-Directed Arm Reaching Kinematics and Trunk Compensation in Chronic Stroke Survivors

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。

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（<stron...

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。

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……

脑卒中是导致长期残疾的主要原因。躯干代偿是最常见的运动策略，用于在日常活动中进行目标导向性上肢伸展时弥补上肢伸展范围的不足。影响运动控制策略的因素有多种，包括个体因素、环境因素和测试条件因素。既往研究主要关注个体因素和环境因素。然而，关于慢性卒中幸存者代偿性运动策略，测试条件因素尚未得到充分研究。本研究设计了该方案，旨在探讨运动测试条件或运动控制策略对慢性卒中幸存者上肢目标导向运动的影响。具体而言，我们旨在确定脑卒中患者在执行具有不同任务目标的指向性上肢伸手运动时，如何采用不同的运动策略。我们使用该方案来验证以下假设：慢性期脑卒中幸存者在进行功能性任务复杂性和难度增加的指向性上肢伸手运动时，会增加躯干代偿。在本节中，我们将介绍运动学测量系统的设置方法。我们使用10台Vicon三维运动捕捉相机，并结合运动监测软件来记录目标导向性手臂伸展的运动学数据。通过Vicon Nexus 2.8.2版本软件，我们完成运动捕捉相机的设置，包括遮蔽不必要的反光、相机校准以及捕捉空间原点的设定。随后，我们使用运动监测软件设置运动学数据的采集。该操作步骤包括放置标记点、设置触笔、建立世界坐标系以及为身体节段分配虚拟传感器。然后将标记点三联体置于受试者身上。躯干标记点三联体位于肩胛骨之间胸椎上方的皮肤处。上臂三联电极置于上臂外侧中段的皮肤上。前臂三联电极置于前臂背侧表面中点的皮肤上。手部三联电极置于第三掌骨上方的皮肤上。我们还在桌面上放置了一个标记三联体。该标记三联体用于注册起始位置和目标位置的坐标。我们自制了一种筷子式触笔，用于记录筷子的运动学数据。筷子式触控笔具有标记三联体，该标记三联体也在模型中进行注册。在我们将所有标记三联体放置于受试者身上后，使用数字化方法建立受试者的传感器设置。该步骤根据标记三联体的位置将身体节段与模型进行匹配，软件据此计算各个关节中心的位置。根据屏幕提示，我们使用触控笔点击以下解剖标志点：上躯干为C7与T1椎骨之间的一个点，下躯干为T12与L1椎骨之间的一个点。对于肩关节，在肱骨头中点两侧等距的位置各取一点。对于肘关节，在肘关节中线两侧等距的内侧和外侧各取一点。对于腕关节，在腕关节中点两侧等距的内侧和外侧各取一点。对于手部，为每只手的第三指骨末端；对于起始位置和目标位置，为每个位置中心的一个点；对于筷子式触控笔，则为筷子尖端的一个点。共有四种不同的目标导向性手臂伸展运动任务条件。接下来，我们将详细说明这些运动任务条件的具体内容。其中，两种不同的目标大小用于指示任务的难易程度。较大的目标代表较容易的任务条件，而较小的目标则代表较困难的任务条件。此外，还有两种不同的测试类型，用以表示任务的复杂程度。指向任务是一种较为简单的运动任务条件，而使用一双筷子拾取物体则是一种更复杂的运动任务条件，需要较高的手部灵活性。将这两种任务条件组合后，我们共得到四种不同的运动任务条件。该图展示了指向一个较大目标的模板。设有起始位置和目标位置。每个方格的尺寸为1厘米×1厘米。两个位置中心之间的距离为20厘米。指向大目标的任务目标是尽快且准确地用筷子尖端触达并轻敲目标方块的中心。受试者手持一根筷子，并将筷子尖端置于起始位置的中心点。当受试者听到“开始”声音信号时，应尽快且准确地伸向目标方块的中心并进行轻敲。参与者有三秒钟的时间完成任务。在“开始”信号发出三秒后，将出现一个停止信号。如果参与者未能在三秒钟内完成任务，则视为一次失败的试验。参与者重复此任务10次，每次试验之间休息10秒。开始。停止。我们使用相同的模板进行用筷子拾取大物体的任务。一个边长为1厘米的塑料立方体被放置在目标位置。任务目标是使用一双筷子尽快夹起一个约一英寸高的塑料方块，且过程中不能掉落。受试者手持一双筷子，将筷子尖端置于起始位置的中心。当受试者听到“开始”声音信号时，应立即尽可能快速地伸向并夹起方块。受试者需要在“停止”信号出现前拿起立方体，该信号在“开始”信号发出后三秒出现。如果受试者未能在三秒内拿起立方体，则视为一次失败的试验。他或她需要将筷子尖端移回起始位置。在任务过程中掉落或飞出塑料立方体被视为一次失败的试验。开始。停止。指向小目标与指向大目标的操作相同，但方形目标的尺寸为0.3厘米×0.3厘米。受试者手持筷子，并将筷子尖端置于起始位置的中心点。当参与者听到“开始”声音时，应尽快且准确地伸向目标方块的中心并轻敲。开始。停止。拾取小物体任务与拾取大物体任务相同，但目标物体的边长为0.3厘米。一个边长为0.3厘米的塑料立方体将被放置在目标位置。任务目标是使用一双筷子尽快夹起一个约一英寸高的塑料方块，且过程中不能掉落。受试者手持一双筷子，将筷子尖端置于起始位置的中心点。当受试者听到“开始”声音信号时，立即尽快伸手并夹起方块。开始。停止。在本节中，我们将解释目标导向性手臂伸展运动学数据分析。我们从运动监测软件中导出以下标记点的位置数据：筷子式触控笔的尖端、桌面上的起始位置、桌面上的目标位置、每只手的中节指骨中点、每个肘关节中心、每个肩关节中心，以及代表躯干运动的 C7 脊椎点。每位受试者的上肢关节标记点及躯干位置数据均以文本文件形式按X、Y、Z三个轴向导出，对应各个任务条件。运动学数据使用自定义脚本和MATLAB软件进行预处理。运动学数据的预处理包括采用三阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波，截止频率为3 Hz。然后计算执行手位置在X、Y和Z方向上的合位移。在对位置数据进行预处理后，我们利用执行手三维位置的合位移进行运动学数据分析，以计算目标导向手臂运动的运动学变量。我们使用自定义脚本和MATLAB软件进行运动学数据分析。首先，我们计算执行手的切向速度、加速度和急动度，它们分别是位置数据的一阶、二阶和三阶导数。然后，我们利用每次试验的切向速度曲线来确定运动的起始点、终止点以及峰值速度。以下运动学变量由运动学数据分析得出：运动持续时间、峰值速度、达到峰值速度的绝对时间和相对时间，以及无量纲急动度的对数值。此处，我们将通过一个典型的速度曲线来描述这些运动学变量。运动起始点和终止点是根据运动起始和终止的阈值来确定的，该阈值为每秒 0.01 米。运动起始点定义为伸手动作中切向速度首次超过每秒 0.01 米的帧。运动偏移定义为到达过程中切向速度高于 0.01 米/秒的最后一个帧。运动持续时间定义为运动起始与偏移之间的时间间隔。峰值速度是运动起始至偏移期间的最大速度幅值。达到峰值速度所需时间是指从运动开始到达到峰值速度所用的时间。运动起始点、终止点以及峰值速度通过MATLAB软件的自定义脚本自动标记。在完成自动标记后，由研究人员对这些标记进行可视化显示和检查。如果标签有误，研究者会进行手动调整。无量纲加加速度的对数值是通过以下公式从抓取动作的加加速度曲线中计算得出，该公式为位置的三阶导数。我们计算了在目标导向的上肢抓取过程中躯干代偿的两个指标。首先，计算躯干位移。该指标是指在运动开始与结束时，躯干解剖标志点C7之间的距离差。另一项躯干代偿指标是肩部运动轨迹长度。该指标是手臂到达运动开始与结束之间肩部标记点的移动距离。肩部轨迹长度是一种新的用于评估目标导向性手臂到达过程中躯干代偿的指标。我们采用该指标来捕捉各个方向上的躯干代偿情况。我们使用这三个维度来计算这些躯干代偿指标。在本节中，我们将展示初步研究结果。我们的初步研究纳入了两名患有轻度右侧上肢运动功能障碍的慢性卒中幸存者，以及两名无残疾的年轻成年人。所有参与者此前均无或仅有极少的筷子使用经验。慢性卒中幸存者使用其偏瘫的右手（卒中发生前为优势手）执行运动任务。无残疾的年轻成年人则使用其右手（即优势手）执行运动任务。在此，我们比较了两种不同的躯干代偿测量方法，以确定肩部轨迹是否比躯干位移更能敏感地反映躯干代偿。图一展示了在两组不同受试者人群中躯干代偿测量值的小提琴图。绿色图形表示肩部轨迹长度，红色图形表示躯干位移。小提琴图中的每个点代表一次手臂到达运动。图一显示，非残疾成年人与慢性中风幸存者在躯干位移方面没有差异，而慢性中风幸存者的肩部轨迹长度大于非残疾成年人。这一结果可能表明，在中风后个体进行目标导向性手臂伸展时，肩部轨迹长度比躯干位移更能敏感地反映躯干代偿情况。图二展示了不同受试人群之间以及不同运动任务之间的运动学变量差异。在该图中，红色轮廓的箱线图代表慢性中风幸存者，蓝色轮廓的箱线图代表无残疾的年轻成年人。横轴显示了四种不同的任务条件：指向大目标、指向小目标、抓取大物体和抓取小物体。在不同任务条件下，慢性卒中幸存者的上肢目标导向运动学特征与非残疾青年人存在差异。总之，与非残疾青年人相比，慢性卒中幸存者的上肢伸展动作更慢且更不流畅。此外，慢性卒中幸存者在伸手运动中更依赖基于反馈的调整，这体现在达到峰值速度的相对时间更短。这些结果与以往的研究发现一致。最后，图二还表明，任务复杂性会影响目标导向性手臂伸手运动的动力学特征。对于两种受试人群而言，在执行较复杂的运动任务时，参与者所采用的动作比执行简单运动任务时更缓慢且更不流畅。此外，他们在完成较复杂的任务时，更多地依赖基于反馈的控制方式来实现手臂的伸展动作。人们在执行较复杂的运动任务时，也倾向于比执行简单运动任务时更多地使用躯干代偿。我们的初步结果表明，该方案可用于研究测试条件对慢性中风幸存者目标导向手臂 reaching 运动策略的影响。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

运动任务条件对长期中风幸存者目标定向手臂达到运动学和树干补偿的影响

小鼠模型在行为神经科学研究中日益受到关注。随着模型的发展，开发针对小鼠的敏感行为检测方法变得尤为重要。本实验方案描述了“意大利面矩阵取物任务”（Pasta Matrix Reaching...

感觉运动皮层损伤后小鼠缺血性卒中模型中的代偿性肢体使用及运动技能学习的行为评估

本文介绍了一种基于移动游戏的虚拟现实程序的开发与应用方案，用于中风患者上肢功能障碍的康复。本研究表明，该移动程序具有可行性，并能有效促进中风患者的上肢功能恢复。...

基于移动游戏的虚拟现实上肢卒中康复方案

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。...

对有无上肢功能障碍者饮水任务的三维运动捕捉运动学分析

脑损伤可能同时损害眼部和躯体运动系统。对损伤后运动控制的表征可提供有助于疾病检测、监测和预后的生物标志物。本文综述了一种在健康状态及病理性运动失调情况下测量眼-手运动协调能力的方法，采用“注视-伸展”范式来评估眼与手之间的协调性。...

高效记录眼手协调至不协调的连续谱系

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卒中后患者步态分析与评估的运动双任务

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卒中后认知功能与上肢康复训练：基于数字作业训练系统的应用

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据估计，全球约有六分之一的人在一生中会发生中风，导致长期残疾，而其康复机制目前仍不甚清楚。本研究提出了一种方案，用于在下肢机器人治疗过程中，通过功能性近红外光谱技术（fNIRS）评估大脑激活情况。...

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中风患者上肢功能恢复中双侧上肢任务导向型机器人系统的应用

了解运动任务条件对长期中风幸存者目标定向手臂达到运动学和躯干补偿的影响。本研究使用三维运动捕捉技术分析不同任务难度下的运动策略，为中风康复提供重要见解。

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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