虚拟改良箱块测试中运动与肌肉活动定量评估的设置
2024年1月12日
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。
在美国西弗吉尼亚大学的神经工程与康复实验室，我们研究感觉运动控制的功能机制，并开发用于评估运动技能和运动功能障碍的客观评估工具。远程或虚拟医疗已成为解决医疗资源分布不均问题的一种有前景的手段。然而，这些应用迫切需要对运动技能进行定量表征。
本方案旨在帮助临床医生和研究人员获取复杂运动的高分辨率数据，从而更有效地远程评估运动功能障碍。该方案通过自动化家庭运动评估，简化了复杂且使用不足的康复技术。其主要优势在于整合了虚拟现实、动作捕捉和肌电图技术。
例如，带有手部追踪功能的虚拟现实头显可捕捉运动信息用于初步分析，而肌电图手环则可在虚拟测试期间评估肌肉表现。首先，获取进行运动和肌肉活动测试所需的所有系统组件。打开肌电图设备的基站，并将其连接至专用计算机。
设置动作捕捉服务器时，首先将其连接到计算机链路网络路由器，然后连接显示器和摄像头以进行可视化。启动连接至虚拟现实头戴设备的第三台专用计算机，并将预定的任务环境加载其中。使用自定义软件功能，对系统进行时间同步。
为准备测试区域，需移除所有障碍物，并在中央放置一把无扶手的稳固椅子。进行肌电图（EMG）检测时，首先安装所有系统组件。使用酒精棉片清洁每个传感器，并用双面胶带将其准备好以备使用。
在放置传感器之前，使用酒精棉片清洁皮肤区域，并在受试者收缩相应肌肉时触诊手臂上的肌腹。然后将肌电传感器平行于肌纤维方向放置。为校准运动追踪相机，请在整个实验空间内移动标定棒，并设定该空间的三维坐标轴。
将LED动作捕捉标记放置在受试者上肢和躯干的骨性标志处。使用动作捕捉软件，确认所有摄像头均能识别这些标记。校准虚拟现实（VR）头戴设备后，指导受试者坐在椅子上，并将VR头戴设备佩戴在头部。
测量受试者手臂的长度，然后测量受试者肩部到地面的距离。在虚拟现实任务控制脚本中，设置虚拟方块生成的一侧（左侧或右侧）、期望的方块生成重复次数以及受试者的测量数据。接下来，向受试者简要说明任务内容。
在虚拟现实中启动任务。指导受试者拾起虚拟方块，将其移过隔板，并放置到对侧隔间的目标位置上。然后开始采集运动捕捉过程中的肌电图（EMG）数据。
指导受试者开始虚拟现实技能评估任务。该任务将自动结束。随后，停止肌电图（EMG）数据采集，数据将自动保存，用于后续分析。
健康受试者执行该任务时的肌电图谱显示，三角肌前束高度激活，该肌肉是手臂运动的主要主动肌。前臂和腕部伸肌也显著激活，以支持抓握动作。最后，拇肌活动增加，表明其在方块的抓握与释放过程中发挥了作用。
概述
本方案旨在通过将虚拟现实和生物传感器技术与标准临床技术相结合，提高对上肢功能障碍的定量评估能力，从而促进在临床环境及家庭中对运动技能进行远程评估。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经工程
- 康复
- 运动控制评估
背景
- 远程医疗有助于解决医疗资源分布不均的问题。
- 对运动技能进行定量表征至关重要。
- 对复杂运动的高分辨率数据是实现更准确评估的必要条件。
- 现有的康复技术尚未得到充分利用。
研究目的
- 使临床医生能够远程评估运动功能障碍。
- 简化康复技术，便于在家使用。
- 实现运动评估过程的自动化。
使用的方法
- 虚拟现实技术的整合。
- 运动捕捉技术。
- 用于肌肉活动评估的肌电图。
- 用于全面评估的标准临床技术。
主要结果
- 增强对上肢功能障碍的定量评估能力。
- 更深入地了解神经肌肉系统的功能。
- 实现远程评估的便利化。
- 简化复杂的康复技术操作流程。
结论
- 该方案为远程评估提供了可靠的框架。
- 结合多种技术可改善患者预后。
- 未来应用有望进一步弥合医疗保健差距。
常见问题
行业重要性概述
利用集成的虚拟现实与生物传感器平台对运动和肌肉活动进行定量评估，解决了远程评估运动功能的关键空白。该技术能够实现高分辨率、客观的运动障碍测量，支持神经肌肉及康复导向的生物制药研发管线中的早期发现和转化研究。该方法可提高靶点验证的预测可信度，并为治疗开发中的风险调整型推进决策提供依据。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 能够对疾病模型中的神经肌肉功能及通路参与进行客观评估。
- 通过提供定量、可重复的运动和肌肉激活数据，支持生物学风险降低。
- 借助高分辨率的运动功能障碍评估，促进功能靶点的验证。
筛选与检测方法开发
- 为后续化合物筛选工作流程制备经过验证的定量运动检测方法。
- 标准化评估方案，确保不同研究之间的可重复性和可比性。
- 生成可扩展、适用于平台的数据，用于可靠评估治疗干预措施。
转化与临床前研究
- 将定量运动和肌电图输出与疾病相关的功能终点相对应。
- 支持从早期发现到神经肌肉疗法临床前验证的连续性研究。
- 通过提供对治疗干预对运动功能影响的机制性洞察，支持基于风险调整的决策。
流程与工作流整合
本方案通过在受控环境和远程环境中实现对运动功能和肌肉活动的客观、定量评估，融入了从发现到临床前研究的连续过程。
- Discovery Biology：为神经肌肉研究中的假设检验和机制去风险提供高分辨率数据。
- Screening：提供标准化、可重复的运动和肌电图检测方法，用于化合物评价。
- Analytics：提供定量输出结果，用于对干预措施在运动功能方面的影响进行统计学比较。
- Translational Research：通过将功能读数与临床终点对齐，连接发现研究与临床前验证。
- Enterprise Reuse：建立可重复使用的平台，支持跨多个治疗项目的远程定量评估。
运营与企业影响
- 科学价值：提高神经肌肉靶点验证的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：通过标准化和自动化运动评估，实现可扩展、可重复的数据生成。
- 战略价值：提供可靠的机能终点指标，支持决策推进或终止项目，提升资金使用效率。
- 项目组合影响：支持基于风险调整的优先排序，推动以神经肌肉和康复为重点的资产开发与进展。
实施注意事项
- 需要具备运动捕捉、肌电图（EMG）和虚拟现实系统集成方面的专业知识。
- 需要专用的仪器设备以及同步的数据采集分析基础设施。
- 需要跨团队对实验方案和数据格式进行标准化，以确保可重复性。
- 可能需要针对不同的模型系统或患者群体进行适应性调整。
- 依赖稳定的远程连接以及受试者在家庭环境中的依从性，以完成居家评估。
