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Neuroscience

Der Einfluss motorischer Aufgabenbedingungen auf die zielgerichtete Armreichungskinematik und Rumpfkompensation bei chronischen Schlaganfallüberlebenden

Published: May 2, 2021 doi: 10.3791/61940
Automatic Translation
1,2, 1, 1,3, 1,4, 1
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

Summary

Dieses Protokoll soll den Einfluss von Aufgabenzuständen auf Bewegungsstrategien bei chronischen Schlaganfallüberlebenden untersuchen. Darüber hinaus kann dieses Protokoll verwendet werden, um zu untersuchen, ob eine Einschränkung der Ellenbogendehnung, die durch neuromuskuläre elektrische Stimulation induziert wird, eine Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen bei nicht behinderten Erwachsenen verursacht.

Abstract

Die Rumpfkompensation ist die häufigste Bewegungsstrategie, um motorische Defizite der oberen Extremitäten (UE) bei chronischen Schlaganfallüberlebenden zu ersetzen. Es gibt keine Evidenz, die untersucht, wie sich die Aufgabenbedingungen auf die Rumpfkompensation und die zielgerichtete Armreichungskinematik auswirken. Dieses Protokoll zielt darauf ab, die Auswirkungen von Aufgabenbedingungen, einschließlich Aufgabenschwierigkeit und -komplexität, auf die zielgerichtete Armreichungskinematik zu untersuchen. Zwei nicht behinderte junge Erwachsene und zwei chronische Schlaganfallüberlebende mit leichter motorischer Beeinträchtigung der UE wurden für die Prüfung des Protokolls rekrutiert. Jeder Teilnehmer führte zielgerichtete Armreichungen mit vier verschiedenen Aufgabenbedingungen durch (2 Aufgabenschwierigkeiten [große vs. kleine Ziele] X 2 Aufgabenkomplexitäten [Zeigen vs. Aufnehmen]). Das Ziel der Aufgabe bestand darin, ein Ziel so schnell wie möglich mit einem Stift bzw. einem Paar Essstäbchen als Reaktion auf einen auditiven Hinweis zu erreichen und auf ein Ziel zu zeigen oder ein Objekt aufzunehmen, das sich 20 cm vor der Ausgangsposition befand. Die Teilnehmer führten zehn Reichweiten pro Aufgabenbedingung durch. Zur Erfassung der Rumpf- und Armkinematik wurde ein 3-dimensionales Motion-Capture-Kamerasystem verwendet. Repräsentative Ergebnisse zeigten, dass es eine signifikante Zunahme der Bewegungsdauer, des Bewegungsruckelns und der Rumpfkompensation als Funktion der Aufgabenkomplexität, aber nicht der Schwierigkeit der Aufgaben bei allen Teilnehmern gab. Chronische Schlaganfallüberlebende zeigten signifikant langsamere, ruckartigere und mehr rückkopplungsabhängige Armreichungen und signifikant mehr kompensatorische Rumpfbewegungen als nicht behinderte Erwachsene. Unsere repräsentativen Ergebnisse unterstützen, dass dieses Protokoll verwendet werden kann, um den Einfluss von Aufgabenbedingungen auf motorische Kontrollstrategien bei chronischen Schlaganfallüberlebenden mit leichter motorischer Beeinträchtigung der UE zu untersuchen.

Introduction

Rumpfbewegung ist die häufigste Strategie, um begrenzte Freiheitsgrade im Ellenbogen und in der Schulter bei Personen mit motorischen Defiziten der oberen Extremitäten (UE) nach dem Schlaganfallauszugleichen 1,2. Frühere Studien haben gezeigt, dass Personen nach einem Schlaganfall unterschiedliche Bewegungsstrategien in verschiedenen motorischen Aufgabenumgebungen anwenden3,4,5. Die Theorie der motorischen Steuerung dynamischer Systeme erklärt, dass Bewegungen aus internen einzelnen Faktoren und externen Faktoren wie Aufgabenbedingungen und Umgebung entstehen6. Darüber hinaus erklärt das Fitt'ige Gesetz die Beziehung zwischen Aufgabenschwierigkeit und Bewegungsgeschwindigkeit, mit der Tendenz, schwierigere Aufgaben mit langsameren Geschwindigkeiten auszuführen7. In Bezug auf zielgerichtete Armreichungsaufgaben berichtete Gentilucci, dass Menschen ihre Reichweitenbewegungen verlangsamen, wenn sie ein kleineres Objekt im Vergleich zu einem größeren Objekt erreichen und greifen8. Der Einfluss der Aufgabenkomplexität auf die zielgerichtete Armreichungskinematik und kompensatorische Bewegungsstrategien bei chronischen Schlaganfallüberlebenden ist jedoch nicht gut verstanden. Eine frühere Studie, die Zeige- und Greifaufgaben bei chronischen Schlaganfallüberlebenden untersuchte, zeigte, dass Unterschiede in kinematischen Variablen zwischen zwei verschiedenen Aufgaben Unterschiede in der motorischen Beeinträchtigung der UE erklärten, gemessen am Fugl-Meyer Upper Extremity Score9. Diese Studie verglich jedoch nicht direkt, wie sich Bewegungsstrategien in Bezug auf kinematische Variablen zwischen Zeige- und Greifaufgaben unterscheiden. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Aufgabenbedingungen auf kompensatorische Bewegungsstrategien unter Berücksichtigung des individuellen motorischen Beeinträchtigungsgrades ist entscheidend für die Gestaltung effektiver Behandlungssitzungen, um kompensatorische Bewegungen zu minimieren und die Restitution der motorischen Beeinträchtigung zu maximieren. Daher ist es unerlässlich zu untersuchen, wie sich Aufgabenbedingungen, insbesondere die Komplexität der Aufgaben, auf Bewegungsstrategien bei Personen mit motorischer Beeinträchtigung nach dem Schlaganfall auswirken. Dieses vorgeschlagene Studienprotokoll wird die Auswirkungen von Aufgabenbedingungen auf die zielgerichtete Armreichungskinematik bei nicht behinderten Erwachsenen und Schlaganfallüberlebenden untersuchen. Die Ziele dieses Protokolls sind zweifach: 1) zu untersuchen, ob die Aufgabenkomplexität die Rumpfkompensation und die zielgerichtete Armreichungskinematik bei chronischen Schlaganfallüberlebenden beeinflusst; 2) um festzustellen, ob dieses Protokoll die Kinematik zielgerichteter Armreichungen zwischen nicht behinderten Erwachsenen und chronischen Schlaganfallüberlebenden unterscheiden kann.

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Protocol

Das Institutional Review Board (IRB) der SUNY Upstate Medical University hat dieses Protokoll genehmigt.

1. Teilnehmer-Screening

  1. Führen Sie alle Forschungsmethoden mit IRB-Genehmigung durch die Deklaration von Helsinki durch.
  2. Rekrutieren Sie nicht behinderte Erwachsene, die keine neurologischen oder muskuloskelettalen Probleme haben, die die motorische Aufgabenleistung der oberen Extremitäten verhindern.
  3. Rekrutieren Sie chronische Schlaganfallüberlebende, deren Schlaganfallbeginn mindestens sechs Monate vor der Studienteilnahme liegt und die eine leichte bis mittelschwere motorische Beeinträchtigung der oberen Extremitäten haben, die durch Fugl-Meyer Assessment des oberen Extremitäten-Scores von 19 bis 60 von 66 angezeigt wird, und können das hemiparetische Handgelenk und die Finger freiwillig um mindestens 10 Grad verlängern.
  4. Planen Sie potenzielle Teilnehmer für die Teilnahme an einer Datenerfassungssitzung ein.
  5. Holen Sie die schriftliche Einwilligung aller Forschungsteilnehmer ein, bevor Sie experimentelle Verfahren einleiten.
  6. Überprüfen Sie alle Teilnehmer auf die Teilnahmeberechtigung an der Studie mithilfe von Fragebögen zu ihrer Demografie, ihrer früheren Armverletzungsgeschichte, ihrer Handdominanz und dem Vertrauen in bestimmte aufgaben der Feinhandmotorik.

2. Motorische Ergebnismessungen der oberen Extremität

  1. Führen Sie den Perdue Pegboard Test mit dem Standardverfahren10durch.
  2. Führen Sie die Fugl-Meyer Beurteilung des oberen Extremitätenmotors (FMA-UE) nach dem Standardverfahren11,12durch.

3. Psychosoziale und kognitive Verhaltensbewertungen

  1. Lassen Sie die Teilnehmer die folgenden Fragebögen über die Online-Umfrageplattform ausfüllen: Edinburg Handedness Inventory; einen Fragebogen für frühere Erfahrungen mit der Verwendung von Essstäbchen. und einen Fragebogen zur Selbstwirksamkeit für die Verwendung von Essstäbchen.

4. Vorbereitung zielgerichteter Armreichungsaufgaben

  1. Bereiten Sie das Motion-Capture-Kamerasystem für die kinematische Aufzeichnung vor.
    1. Kalibrieren Sie die Motion Capture-Kamera mit der Motion Capture Workstation-Software.
    2. Legen Sie den Ursprung der Weltkoordinate mit der Motion-Capture-Workstation-Software fest.
    3. Platzieren Sie alle Marker-Triaden auf einer Tabelle im Sichtfeld von Motion-Capture-Kameras und überprüfen Sie, ob sich alle Marker-Triaden innerhalb des Sichtfelds befinden.
  2. Bereiten Sie die Motion-Capture-Datenerfassungssoftware vor, um das Skelettmodell zu erstellen.
    1. Importieren Sie die Markersätze aus der Motion Capture Workstation-Software in die Motion Capture-Datenerfassungssoftware.
    2. Aktivieren Sie virtuelle Sensoren (z. B. Markertriaden).
    3. Legen Sie Weltachsen fest.
    4. Weisen Sie den Körpersegmenten des Skelettmodells virtuelle Sensoren zu.
  3. Richten Sie zielgerichtete Armreichungsbedingungen ein.
    1. Platzieren Sie einen Tisch in der Mitte des Sichtfelds der Motion-Capture-Kameras.
    2. Legen Sie das laminierte zielgerichtete Arm, das das Schablonenpapier erreicht, an die dafür vorgesehene Stelle auf dem Tisch.
    3. Bereiten Sie ein Paar Essstäbchen auf dem Tisch vor.
    4. Bereiten Sie die Wiedergabe der Audiodatei mit auditivem Cue vor.
    5. Bereiten Sie die Aufgabenanweisungsskripts vor.
    6. Testen Sie das Motion-Capture-System, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert.
  4. Richten Sie den Teilnehmer ein.
    1. Befestigen Sie die reflektierenden Marker-Triaden an der Haut der Arme, Hände und des Rumpfes des Teilnehmers. Verwenden Sie die folgende Beschreibung für die Marker-Triadenpositionen:
      Eine Markertriade für den Stamm: zwischen medialen Rändern der Schulterblatte
      Ein Marker-Dreiklang für jeden Oberarm: in der Mitte der seitlichen Oberfläche des Oberarms
      Eine Markertriade für jeden Unterarm: in der Mitte der dorsalen Oberfläche des Unterarms
      Eine Markertriade für jede Hand: in der Mitte der dorsalen Oberfläche des3. Mittelhandknochens
    2. Bereiten Sie einen Essstäbchen mit einer Markertriade vor.
    3. Platzieren Sie eine Marker-Triade auf einer Tabelle, die sich in der Mitte des Sichtfelds von Motion-Capture-Kameras befindet.
    4. Digitalisieren Sie die Körpersegmente des Teilnehmers mit einem Gelenk- und Rumpfskelettmodell der oberen Extremitäten, das folgende Landmarken enthält, mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware:
      Oberer Rumpf: ein Fleck zwischen C7- und T1-Wirbeln
      Unterer Rumpf: ein Fleck zwischen T12- und L1-Wirbeln
      Schulter (Glenohumeralgelenk), zwei Flecken in gleicher Abweichung von der Mitte des Oberarmkopfes
      Ellenbogen: zwei Flecken am medialen und seitlichen Ellenbogen, die gleich weit vom Gelenkzentrum entfernt sind
      Handgelenk: zwei Flecken am medialen und seitlichen Handgelenk, die gleich weit vom Gelenkzentrum entfernt sind
      Hand: die Spitze der dritten Phalanx jeder Hand
    5. Digitalisieren Sie die Spitze des Essstäbchens mit einer Marker-Triade mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware.
    6. Digitalisieren Sie die Heimatposition und die Zielposition mithilfe der Markertriade auf dem Tisch mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware.

5. Durchführung zielgerichteter Armreichungsaufgaben

  1. Positionieren Sie den Teilnehmer in sitzender Position.
  2. Bitten Sie den Teilnehmer, ohne Rumpfbewegung nach vorne zu greifen, und suchen Sie dann den Tisch, um das Ziel bei etwa 80% der maximalen Armreichweite des Teilnehmers zu positionieren.
  3. Weisen Sie den Teilnehmer an, die aufrechte Rumpfhaltung zu Beginn jeder Aufgabenleistung beizubehalten. Es gibt keine Einschränkung der Rumpfbewegungen während der Aufgabenerfüllung.
  4. Weisen Sie den Teilnehmer an, wie Sie Essstäbchen mit einem Youtube-Video (https://youtu.be/2Bns2m5Bg4M) verwenden, um die Art und Weise der Verwendung der Essstäbchen zu standardisieren.
  5. Führen Sie die Aufgabenbedingung 1 aus - Erreichen und Zeigen auf ein großes Ziel.
    1. Weisen Sie den Teilnehmer an, einen Essstäbchen mit der dominanten Hand (nicht behinderte Erwachsene) oder der paretischen Hand (Schlaganfallteilnehmer) zu halten. Der Teilnehmer wird die Spitze eines Essstäbchens berührend in die Mitte der Heimposition legen. Weisen Sie den Teilnehmer an, zu Beginn die aufrechte Rumpfhaltung beizubehalten.
    2. Fixieren Sie das Aufgabenbedingungsvorlagenpapier an der angegebenen Stelle in der Tabelle. Das Vorlagenpapier enthält zwei Quadrate mit einem Kreuz in der Mitte jedes Quadrats: eines für die Heimatposition und das andere für den Zielbereich. Für diese Aufgabe beträgt die quadratische Zielgröße 1 x 1 cm2. Die Zielposition befindet sich 20 vor der Heimatposition.
    3. Beschreiben Sie die Aufgabenanweisungen.
      1. Sagen Sie Folgendes: "Das Ziel dieser Aufgabe ist es, den Zielbereich mit der Spitze des Essstäbchens so schnell und genau wie möglich zu erreichen und zu klopfen. Sie halten einen Essstäbchen mit der rechten (oder linken) Seite [geben Sie die ausführende Hand an]. Legen Sie die Spitze des Essstäbchens auf die Home-Position [geben Sie die Home-Position an]. Wenn Sie ein "GO" -Signal hören, erreichen und tippen Sie so schnell wie möglich mit der Spitze des Essstäbchens auf das Ziel [das Ziel angeben]. Versuchen Sie, so oft wie möglich auf die Mitte des Ziels zu tippen. Sie haben drei Sekunden Zeit, um auf das Ziel zu tippen. Ich gebe Ihnen 3 Sekunden nach dem "GO" -Signal ein "STOP" -Signal. Wenn Sie das Ziel nicht innerhalb von 3 Sekunden angetippt haben, bringen Sie die Spitze des Essstäbchens in die Heimatposition und warten Sie auf den nächsten Versuch. Sie führen zehn Versuche mit einer 10-sekundenigen Pause zwischen den Versuchen durch. Haben Sie Fragen? [Beantworten Sie alle Fragen, die der Teilnehmer hat, und fahren Sie dann mit der Einarbeitungsstudie fort] Sie werden drei Prüfungen als Praxis haben. [Fahren Sie nach den Übungsversuchen mit den eigentlichen Versuchen fort] Jetzt werden wir tatsächliche Versuche durchführen. Versuchen Sie, so schnell wie möglich zu erreichen und zu tippen."
    4. Spielen Sie die Audiodatei des auditiven Cue-Signals mit einem Computer ab, um den Teilnehmer mit dem Cue vertraut zu machen.
    5. Führen Sie drei Eingewärmungsversuche durch.
    6. Weisen Sie den Teilnehmer an, für die Aufgabenerfüllung bereit zu sein. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer das Aufgabenleistungsverfahren vollständig versteht.
    7. Starten Sie die Motion-Capture-Aufzeichnung mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware.
    8. Spielen Sie die AkustischeInskript-Audiodatei mit einem Computer ab.
    9. Führen Sie 10 Versuche durch.
    10. Stoppen Sie die Motion-Capture-Aufnahme.
    11. Machen Sie eine 2-minütige Pause.
  6. Führen Sie die Aufgabenbedingung 2 aus - Erreichen und Zeigen auf ein kleines Ziel.
    1. Weisen Sie den Teilnehmer an, einen Essstäbchen mit der dominanten Hand (nicht behinderte Erwachsene) oder der paretischen Hand (Schlaganfallteilnehmer) zu halten. Der Teilnehmer wird die Spitze eines Essstäbchens berührend in die Mitte der Heimposition legen. Bitten Sie den Teilnehmer, zu Beginn die aufrechte Rumpfhaltung beizubehalten.
    2. Fixieren Sie das Aufgabenbedingungsvorlagenpapier an der angegebenen Stelle in der Tabelle. Für diese Aufgabe beträgt die quadratische Zielgröße 0,3 x 0,3 cm2. Die Zielposition befindet sich 20 vor der Heimatposition.
    3. Beschreiben Sie die Aufgabenanweisung.
      1. Geben Sie Folgendes an: "Das Ziel dieser Aufgabe ist das gleiche wie bei der vorherigen Aufgabe: Erreichen und tippen Sie mit der Spitze des Essstäbchens so schnell und genau wie möglich auf das Ziel. Wir verwenden ein kleineres Ziel [geben Sie das Ziel an]. Die Anweisung ist die gleiche wie bei der vorherigen Aufgabe. Wenn Sie ein "GO" -Signal hören, erreichen und tippen Sie so schnell wie möglich mit der Spitze des Essstäbchens auf das Ziel [das Ziel angeben]. Versuchen Sie, so oft wie möglich auf die Mitte des Ziels zu tippen. Haben Sie Fragen? [Beantworten Sie alle Fragen, die der Teilnehmer hat, und fahren Sie dann mit der Einarbeitungsstudie fort] Sie werden drei Prüfungen als Praxis haben. [Fahren Sie nach den Eingewähnungsversuchen mit den eigentlichen Versuchen fort] Jetzt werden wir tatsächliche Versuche durchführen. Versuchen Sie, so schnell wie möglich zu erreichen und zu tippen."
    4. Spielen Sie die Audiodatei des auditiven Cue-Signals mit einem Computer ab, um den Teilnehmer mit dem Cue vertraut zu machen.
    5. Führen Sie drei Eingewärmungsversuche durch.
    6. Weisen Sie den Teilnehmer an, für die Aufgabenleistung bereit zu sein. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer das Aufgabenleistungsverfahren vollständig versteht.
    7. Starten Sie die Motion-Capture-Aufzeichnung mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware.
    8. Spielen Sie die AkustischeInskript-Audiodatei mit einem Computer ab.
    9. Führen Sie 10 Versuche durch.
    10. Stoppen Sie die Motion-Capture-Aufnahme.
    11. Machen Sie eine 2-minütige Pause.
  7. Führen Sie die Aufgabe Bedingung 3 - Erreichen und Aufnehmen eines großen Zielobjekts aus.
    1. Weisen Sie den Teilnehmer an, ein Paar Essstäbchen mit der dominanten Hand (nicht behinderte Erwachsene) oder der paretischen Hand (Schlaganfallteilnehmer) zu halten. Der Teilnehmer wird die Spitzen von Essstäbchen berühren in der Mitte der Heimposition platzieren. Bitten Sie den Teilnehmer, zu Beginn eine aufrechte Rumpfhaltung beizubehalten.
    2. Fixieren Sie das Aufgabenbedingungsvorlagenpapier an der angegebenen Stelle in der Tabelle. Für diese Aufgabe ist das Zielobjekt ein Kunststoffwürfel 1 cm auf Kante. Das Zielobjekt befindet sich 20 vor der Heimatposition.
    3. Platzieren Sie das Zielobjekt auf dem Zielbereich.
    4. Beschreiben Sie die Aufgabenanweisungen.
      1. Sagen Sie Folgendes: "Das Ziel dieser Aufgabe ist es, einen Plastikwürfel [den Würfel anzeigen] mit einem Paar Essstäbchen so schnell wie möglich zu erreichen und aufzunehmen, etwa einen Zoll hoch, ohne zu fallen. Sie halten ein Paar Essstäbchen mit der rechten (oder linken) Seite [geben Sie die ausführende Hand an]. Legen Sie die Spitzen der Essstäbchen auf die Home-Position [geben Sie die Home-Position an]. Wenn Sie ein "GO" -Signal hören, greifen Sie den Würfel [das Ziel anzeigen] mit den Essstäbchen so schnell wie möglich, etwa einen Zoll hoch. Sie haben drei Sekunden Zeit, um das Ziel abzuholen. Ich gebe Ihnen 3 Sekunden nach dem "GO" -Signal ein "STOP" -Signal. Wenn Sie das Ziel nicht innerhalb von 3 Sekunden aufgenommen haben, bringen Sie die Spitzen der Essstäbchen in die Heimposition und warten Sie auf den nächsten Versuch. Sie führen zehn Versuche mit einer 10-sekundenigen Pause zwischen den Versuchen durch. Haben Sie Fragen? [Beantworten Sie alle Fragen, die der Teilnehmer hat, und fahren Sie dann mit der Einarbeitungsstudie fort] Sie werden drei Prüfungen als Praxis haben. [Fahren Sie nach den Eingewähnungsversuchen mit den eigentlichen Versuchen fort] Jetzt werden wir tatsächliche Versuche durchführen. Versuchen Sie, so schnell wie möglich zu erreichen und abzuholen."
    5. Spielen Sie die Audiodatei des auditiven Cue-Signals mit einem Computer ab, um den Teilnehmer mit dem Cue vertraut zu machen.
    6. Führen Sie drei Eingewärmungsversuche durch.
    7. Weisen Sie den Teilnehmer an, für die Aufgabenleistung bereit zu sein. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer das Aufgabenleistungsverfahren vollständig versteht.
    8. Starten Sie die Motion-Capture-Aufzeichnung mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware.
    9. Spielen Sie die AkustischeInskript-Audiodatei mit einem Computer ab.
    10. Führen Sie 10 Versuche durch.
    11. Stoppen Sie die Motion-Capture-Aufnahme.
    12. Machen Sie eine 2-minütige Pause.
  8. Führen Sie die Aufgabenbedingung 4 aus - Erreichen und Aufnehmen eines kleinen Zielobjekts.
    1. Weisen Sie den Teilnehmer an, ein Paar Essstäbchen mit der dominanten Hand (nicht behinderte Erwachsene) oder der paretischen Hand (Schlaganfallteilnehmer) zu halten. Der Teilnehmer wird die Spitzen von Essstäbchen berühren in der Mitte der Heimposition platzieren. Bitten Sie den Teilnehmer, zu Beginn eine aufrechte Rumpfhaltung beizubehalten.
    2. Fixieren Sie das Aufgabenbedingungsvorlagenpapier an der angegebenen Stelle in der Tabelle. Für diese Aufgabe ist das Zielobjekt ein Kunststoffwürfel mit einer Kante von 0,3 cm. Das Zielobjekt befindet sich 20 vor der Heimatposition.
    3. Platzieren Sie das Zielobjekt auf dem Zielbereich.
    4. Beschreiben Sie die Aufgabenanweisungen.
      1. Sagen Sie Folgendes: "Das Ziel dieser Aufgabe ist das gleiche wie bei der vorherigen Aufgabe: Erreichen und heben Sie einen Plastikwürfel mit einem Paar Essstäbchen so schnell wie möglich auf. Wir werden einen kleineren Kunststoffwürfel verwenden [das Ziel angeben]. Die Anweisung ist die gleiche wie bei der vorherigen Aufgabe. Wenn Sie ein "GO" -Signal hören, greifen Sie so schnell wie möglich mit Essstäbchen zum Würfel [geben Sie das Ziel an]. Haben Sie Fragen? [Beantworten Sie alle Fragen, die der Teilnehmer hat, und fahren Sie dann mit der Einarbeitungsstudie fort] Sie werden drei Prüfungen als Praxis haben. [Fahren Sie nach den Eingewähnungsversuchen mit den eigentlichen Versuchen fort] Jetzt werden wir tatsächliche Versuche durchführen. Versuchen Sie, so schnell wie möglich zu erreichen und zu tippen."
    5. Spielen Sie die Audiodatei des auditiven Cue-Signals mit einem Computer ab, um den Teilnehmer mit dem Cue vertraut zu machen.
    6. Führen Sie drei Eingewärmungsversuche durch.
    7. Bitten Sie den Teilnehmer, für die Aufgabenerfüllung bereit zu sein. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer das Aufgabenleistungsverfahren vollständig versteht.
    8. Starten Sie die Motion-Capture-Aufzeichnung mit der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware.
    9. Spielen Sie die AkustischeInskript-Audiodatei mit einem Computer ab.
    10. Führen Sie die eigentlichen 10 Versuche durch.
    11. Stoppen Sie die Motion-Capture-Aufnahme.
    12. Machen Sie eine 2-minütige Pause.
  9. Führen Sie das Intrinsic Motivation Inventory (IMI) für die Verwendung von Essstäbchen mithilfe der Online-Umfrageplattform durch.

6. Kinematische Datenanalyse

  1. Exportieren Sie die Daten der folgenden Landmarken aus der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware. Exportieren Sie Positionsdaten in der x-, y- und z-Achse als Textdatei für jede Aufgabenbedingung.
    Spitze eines Essstäbchens
    Home-Position auf dem Tisch
    Zielposition auf dem Tisch
    Hände
    Ellenbogengelenke
    Schultergelenke (glenohumerale Gelenke)
    Kofferraum (bei C7)
  2. Verarbeiten Sie die kinematischen Daten vor.
    1. Verwenden Sie ein benutzerdefiniertes Programmierskript, um die kinematischen Daten zu verarbeiten.
    2. Filtern und glätten Sie die Rohpositionsdaten mit einem Butterworth-Tiefpassfilter3. Ordnung mit einem 3-Hz-Cutoff.
    3. Berechnen Sie die resultierende x-, y- und z-Richtungsposition der ausführenden Hand.
  3. Bestimmen Sie den Bewegungsbeginn und den Versatz jeder zielgerichteten Armreichweite.
    1. Um den Einsetzen und den Versatz der erreichenden Bewegung zu bestimmen, verwenden Sie die Tangentialgeschwindigkeit (die erste Ableitung der Positionsdaten) aus dem Ergebnis der 3-dimensionalen Position der ausführenden Hand.
    2. Definieren Sie den Bewegungsbeginn als den ersten Frame der Reichweite, bei dem die Tangentialgeschwindigkeit über 0,01 m/s liegt.
    3. Definieren Sie den Bewegungsversatz als den letzten Frame der Reichweite, bei dem die Tangentialgeschwindigkeit über 0,01 m/s liegt.
    4. Überprüfen Sie den Beginn und den Versatz der einzelnen Erreichensbewegung visuell, um sicherzustellen, dass der Beginn und der Versatz korrekt beschriftet sind.
  4. Bestimmen Sie die Spitzengeschwindigkeit. Die Spitzengeschwindigkeit ist definiert als die maximale Tangentialgeschwindigkeitsamplitude des Versuchs, die die Amplitude von 0,2 m/s überschreitet, und das Zeitintervall zwischen 2 Peaks muss mindestens 2 Sekundenbetragen 13.
  5. Berechnen Sie kinematische Variablen des Erreichens von Bewegungen.
    1. Berechnen Sie die Bewegungsdauer (MD). Berechnen Sie die Zeitdifferenz zwischen Bewegungsbeginn und Offset13.
    2. Berechnen Sie die Spitzengeschwindigkeit (PV). Berechnen Sie die höchste Geschwindigkeit während jeder der Reichweiten.
    3. Berechnung der absoluten und relativen Zeit bis zur Spitzengeschwindigkeit (TTPV und TTPV % der Bewegungsdauer)13.
      1. Berechnen Sie die Zeitdifferenz zwischen Bewegungsbeginn und Spitzengeschwindigkeit (absolute TTPV).
      2. Berechnen Sie den Prozentsatz von TTPV relativ zur Bewegungsdauer (relativer TTPV).
    4. Berechnen Sie den dimensionslosen Ruck des Protokolls.
      1. Berechnen Sie die dritte Ableitung aus dem Ergebnis der 3-dimensionalen Position der ausführenden Hand und berechnen Sie dann den dimensionslosen Ruck jedes Arms, der die Bewegung erreicht.
    5. Berechnen Sie die Rumpfverschiebung während der zielgerichteten Armreichbewegung9,14.
      1. Berechnen Sie die Stammverschiebung.
        1. Berechnen Sie die Abstandsdifferenz der Rumpf-Landmarke zwischen Bewegungsbeginn und Versatz. Verwenden Sie die folgende Gleichung.
          Equation 1
          Dabei sind X, Y und Z die Positionen der Trunk-Landmarke in x-, y- bzw. z-Achse; 1 ist der Zeitrahmen bei Beginn der erreichenden Bewegung; k ist der Zeitrahmen am versatz der erreichenden Bewegung.
      2. Berechnen Sie die Länge der Schultertrajektorie.
        1. Berechnen Sie den Verfahrweg der Schulter-Landmarke zwischen dem Beginn der Bewegung des Arms und dem Versatz. Das Schulter-Landmark ist ein virtuelles Landmark, das aus der Motion-Capture-Datenerfassungssoftware unter Verwendung des Skelettmodells der oberen Extremität digitalisiert wurde. Verwenden Sie die folgende Gleichung für die Berechnung der Schultertrajektorienlänge.
          Equation 2
          Dabei sind X, Y und Z die Positionen der Schulterortung in x-, y- bzw. z-Achse; t ist der Zeitrahmen; t=1 ist der Zeitrahmen bei Beginn der erreichenden Bewegung; t=k ist der Zeitrahmen am erreichenden Bewegungsversatz

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Representative Results

Diese Ergebnisse sind vorläufige Daten von zwei nicht behinderten jungen Erwachsenen und zwei chronischen Schlaganfallüberlebenden mit leichter motorischer Beeinträchtigung (Fugl-Meyer-Scores dieser beiden Teilnehmer lagen über 60 von 66). Nicht behinderte Teilnehmer waren Rechtshänder und erledigten die Aufgaben mit der rechten Hand. Schlaganfallteilnehmer waren vor dem Schlaganfall auch Rechtshänder und beide hatten eine rechte Hemiparese. Sie führten die Aufgabe auch mit der rechten Hand aus. Diese kinematischen Variablen zwischen Populationen und zwischen Zielbedingungen wurden mit dem Wilcoxon-Signed-Rank-Test verglichen.

Die Länge der Schultertrajektorie ist ein empfindlicheres Maß für die Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen (Abbildung 1). Die Rumpfverschiebung und die Schultertrajektorienlänge wurden verglichen, um zu bestimmen, welche Variable besser geeignet wäre, um die Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen darzustellen. Es gab keinen signifikanten Unterschied in der Rumpfverschiebung zwischen nicht behinderten Erwachsenen und chronischen Schlaganfallüberlebenden in allen vier Aufgabenzuständen. Es gab jedoch eine signifikant größere Schulterbahnlänge für chronische Schlaganfallüberlebende als für nicht behinderte Erwachsene, um Aufgaben zu erreichen und aufzunehmen.

Chronische Schlaganfallüberlebende hatten andere kinematische Merkmale zielgerichteter Armreichreichung als nicht behinderte junge Erwachsene unter verschiedenen Aufgabenbedingungen (Abbildung 2). Chronische Schlaganfallüberlebende zeigten signifikant langsamere (Abbildung 2A & B), stärker feedbackabhängige ( Abbildung2C) und ruckartigere (Abbildung 2D) zielgerichtete Armreichung über vier verschiedene Aufgabenbedingungen im Vergleich zu nicht behinderten Erwachsenen. Darüber hinaus zeigten chronische Schlaganfallüberlebende signifikant mehr Rumpfkompensation als nicht behinderte Erwachsene bei zielgerichteten Armreichungen (Abbildung 2E).

Die Komplexität der Aufgaben beeinflusste die kinematischen Variablen der zielgerichteten Armreichbewegung(Abbildung 2 und 3). Sowohl nicht behinderte Erwachsene als auch chronische Schlaganfallüberlebende zeigten langsamere, rückkopplungsabhängige und ruckartigere zielgerichtete Armreichhähle für die komplexere Aufgabe, die eine größere Handgeschicklichkeit erfordert als die einfache Zeigeaufgabe (Abbildung 2). Es gab keinen Unterschied in der Schultertrajektorienlänge zwischen zwei Populationen für die Zeigeaufgaben, während Schlaganfallüberlebende signifikant eine größere Schultertrajektorienlänge zeigten als nicht behinderte junge Erwachsene für die Aufnahmeaufgaben (Abbildung 2). Darüber hinaus hatte die motorische Leistung eine mehr Variabilität über die Versuche für die komplexere Aufgabe im Vergleich zur Simper-Aufgabe (Abbildung 3).

Figure 1
Abbildung 1. Vergleich zweier unterschiedlicher kinematischer Maßnahmen der Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen. Grüne Geigenplots zeigen die Schultertrajektorienlänge an, und rote Geigenplots zeigen die Stammverschiebung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2. Vergleich der zielgerichteten Armreichungskinematik unter verschiedenen Aufgabenbedingungen zwischen nicht behinderten Erwachsenen und chronischen Schlaganfallüberlebenden. (A) Dauer der Bewegung. Rote Boxplots sind Daten von chronischen Schlaganfallteilnehmern, und blaue Boxplots sind Daten von nicht behinderten Erwachsenen. (B) Amplitude der Spitzengeschwindigkeit. (C) Relative Zeit zur Spitzengeschwindigkeit. Diese Variable ist die Zeit bis zur Spitzengeschwindigkeit als Prozentsatz der Bewegungsdauer. (D) Protokollieren Sie dimensionslosen Ruck. Diese Variable gibt die Glätte der Bewegung an. Ein höherer negativer Wert in dieser Variablen bedeutet eine ruckartigere Bewegung. (E) Länge der Schultertrajektorie. Diese Variable gibt die Höhe der Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen in allen x-, y- und z-Richtungen an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3. Visualisierung der zielgerichteten Armreichkinematik. (A) Zielgerichtete Armreichungsleistung der Reichweiten- und Punktaufgabe mit einem großen Ziel. (B) Zielgerichtete Armreichung Leistung der Reichweite und Aufnehmen Aufgabe mit einem großen Objekt. Positionen von Schulter, Ellbogen, Hand und Spitze eines Essstäbchens Landmarken werden mit farbigen Punkten für alle zehn Armreichversuche für die Aufgabenbedingung visualisiert. Die Positionen dieser Orientierungspunkte, des Arms und der Hand zu Beginn und im Versatz der Bewegung werden violett bzw. orange hervorgehoben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Vorläufige Ergebnisse unterstützen, dass dieses Protokoll geeignet sein könnte, die Auswirkungen der Aufgabenkomplexität auf die Rumpfkompensation und die zielgerichtete Armreichungskinematik sowohl bei nicht behinderten Erwachsenen als auch bei chronischen Schlaganfallüberlebenden zu untersuchen.

Diese repräsentativen Ergebnisse unterstützen auch, dass dieses Protokoll geeignet sein kann, die kinematischen Unterschiede in zielgerichteten Armreichhungslinien zwischen nicht behinderten Erwachsenen und chronischen Schlaganfallüberlebenden zu bestimmen. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein, die zielgerichtete Armreichungen von chronischen Schlaganfallüberlebenden als langsamere, ruckartigere und rückkopplungsbasiertere Bewegungen im Vergleich zu nicht behinderten Kontrollen charakterisierten9,13,14.

In dieser Vorstudie wurde eine feinhandmotorische Aufgabe mit einem Paar Essstäbchen verwendet. Das Aufnehmen eines kleinen Gegenstandes mit einem Paar Essstäbchen erfordert ein hohes Maß an Handgeschicklichkeit15,16. Diese Aufgabe wurde in früheren Studien verwendet, um die Gehirnfunktion während der Ausführung von feinen handmotorischen Aufgaben zu untersuchen15,16,17. Darüber hinaus kann die Objektabholungsaufgabe mit einem Paar Essstäbchen auch als Intervention zur Verbesserung der Feinhandmotorik in neurologischen Populationen verwendet werden18,19,20. Diese vorläufigen Ergebnisse unterstützen, dass Personen nach dem Schlaganfall mit leichter motorischer Beeinträchtigung der oberen Extremitäten die Objektabholung mit einem Paar Essstäbchen durchführen können.

Diese repräsentativen Ergebnisse unterstützen die Verwendung dieses Protokolls, um die Auswirkungen der Aufgabenkomplexität auf Bewegungsstrategien sowohl bei nicht behinderten Erwachsenen als auch bei Personen nach einem Schlaganfall zu untersuchen. Eine Hypothese, dass chronische Schlaganfallüberlebende mehr Rumpfkompensation für eine komplexere motorische Aufgabe verwenden werden, wurde mit zwei nicht behinderten Erwachsenen und zwei chronischen Schlaganfallüberlebenden getestet. Die vorläufige Datenanalyse untersuchte den reichweitenreichen Teil (Transport der Hand) der motorischen Aufgabenleistung. Diese Ergebnisse unterstützen, dass Menschen unterschiedliche zielgerichtete Armreichbewegungsstrategien für verschiedene Aufgaben anwenden. Insbesondere planen sowohl nicht behinderte Personen als auch chronische Schlaganfallüberlebende die Bewegung unterschiedlich, wenn sie unterschiedliche Aufgabenziele haben. Für die Greif- und Zeigeaufgabe besteht das Endziel darin, das Ziel mit der Spitze eines Essstäbchens zu klopfen. Auf der anderen Seite besteht das Endziel der Objektabholungsaufgabe darin, die Essstäbchen zu manipulieren, um das Objekt genau aufzunehmen. Daher erfordert die Objektabholung einen genaueren Endpunkt der Essstäbchenspitze. Erhöhte Anforderungen an die Endpunktpositionsgenauigkeit führen dazu, dass sich der Teilnehmer langsamer bewegt, um den Endpunkteffektor genauer zu steuern. So wird theoretisiert, dass sich die Teilnehmer bei der Objektabholungsaufgabe mehr auf die feedbackbasierte Steuerung der zielgerichteten Armreichhebel für die Objektabholungsaufgabe verlassen haben. Darüber hinaus könnte die Verwendung einer höheren Trunkkompensation für die Objektabholaufgabe als die Zeigeaufgabe eine motorische Steuerungsstrategie sein, um die Genauigkeit der Endpunkteffektorsteuerung zu verbessern, indem die Freiheitsgrade der oberen Extremität reduziert werden. 1 Durch kompensatorische Rumpfbewegungen wird die Notwendigkeit reduziert, komplexere Freiheitsgrade der Schulter- und Ellenbogengelenke zu kontrollieren. Mit anderen Worten, eine erhöhte Rumpfkompensation bei der Ausführung komplexerer motorischer Aufgaben würde die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass das Aufgabenziel erreicht wird.

Diese vorläufigen Ergebnisse unterstützen, dass die Schultertrajektorienlänge ein empfindlicheres Maß für die Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen bei chronischen Schlaganfallüberlebenden ist. Obwohl die Rumpfverschiebung die häufigste kinematische Variable in der aktuellen Literatur ist, hat sie eine signifikante Einschränkung bei der Darstellung der Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungenvon 9,14. Während die Rumpfverschiebung die Rumpfbeugung erfasst, kann die Rumpfkompensation während der Armreichung durch eine Kombination aus Rumpfbeugung, Rotation und seitlicher Beugung erreicht werden. Diese vorläufigen Ergebnisse zeigten einen stärkeren Kontrast in der Schultertrajektorienlänge zwischen nicht behinderten Erwachsenen und chronischen Schlaganfallüberlebenden im Vergleich zur Rumpfverschiebungsmessung. Daher schlägt dieses Protokoll vor, dass die Schultertrajektorienlänge, die der Wegabstand des Schulter-Landmarks (seitliches Ende des Schlüsselbeins) zwischen dem Beginn der Armbewegung und dem Offset ist, berichtet wird, um die kompensatorische Rumpfbewegung während der zielgerichteten Armreichungsleistung zu charakterisieren. Zukünftige Studien mit größerer Stichprobengröße sollten durchgeführt werden, um die Eigenschaften dieser neuartigen Stammkompensationsmaßnahme zu bestimmen.

Obwohl unsere repräsentativen Ergebnisse den Nutzen dieses Protokolls unterstützen, sollten Forscher vorsichtig sein, dieses Protokoll zu verwenden, um die Beziehung zwischen Aufgabenbedingungen und Armbewegungskinematik bei chronischen Schlaganfallüberlebenden zu untersuchen. Die Objektabholung mit Essstäbchen wäre nicht für chronische Schlaganfallüberlebende mit mittelschwerer bis schwerer motorischer Beeinträchtigung der oberen Extremitäten geeignet, da Personen mit einer größeren Schwere der feinmotorischen Beeinträchtigung der Hand zu große Schwierigkeiten haben können, diese Aufgabe auszuführen. Konkret war das kleinere Objekt, das in dieser Studie verwendet wurde, ein Kunststoffwürfel mit 3 mm Kante. Das Aufnehmen dieses kleinen Objekts kann für diejenigen, die eine schwere motorische Beeinträchtigung der Hand haben, selbst mit den Fingern, zu schwierig sein. Alternativ empfehlen wir, eine Pinzette anstelle von Essstäbchen zu verwenden, um die Objektabholung durchzuführen, wenn dieses Protokoll für eine Forschungsstudie mit Personen nach dem Schlaganfall mit schwereren handmotorischen Beeinträchtigungen verwendet werden sollte. Die Objektabholung mit einer Pinzette wurde in früheren Studien verwendet. 18,19 Die Pinzettenmotoraufgabe erfordert ein ähnliches Maß an Handgeschicklichkeit für die Essstäbchenmotoraufgabe, aber einfacher als die Essstäbchenaufgabe, und es wäre praktikabler für Personen nach dem Schlaganfall mit schwerer motorischer Beeinträchtigung der oberen Extremitäten. 18

Die erhöhte Rumpfkompensation bei der Objektabholung mit Essstäbchen kann durch die Neuheit der Aufgabe für die Teilnehmer beeinflusst werden, da eine motorische Steuerungsstrategie für eine neue Aufgabe einige Freiheitsgrade einfriert und alle Teilnehmer dieser Vorstudie keine oder wenig Erfahrung mit der Verwendung von Essstäbchen hatten21. Die Verwendung von Rumpfbewegungen ist mit reduzierten Freiheitsgraden in den Schulter- und Ellbogengelenken verbunden. So kann die kompensatorische Rumpfbewegung während der Objektaufnahme verwendet werden, um die Freiheitsgrade zu reduzieren und die Erreichbarkeitsbewegung kontrollierbarer zu machen, um das Aufgabenziel zu erreichen. Daher kann eine erhöhte Trunk-Kompensation in der Objektabholungsaufgabe im Vergleich zur Zeigeaufgabe mit der Neuheit der Aufgabe für die Teilnehmer zusammenhängen.

Repräsentative Ergebnisse stammen von einer kleinen Anzahl von Teilnehmern. Daher sollten größere klinische Studien durchgeführt werden, um die Wirksamkeit und den Nutzen dieses Protokolls zu demonstrieren, um den Zusammenhang zwischen motorischen Aufgabenbedingungen und Bewegungsstrategien bei chronischen Schlaganfallüberlebenden zu untersuchen.

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Disclosures

Keine Offenlegung.

Acknowledgments

Die Autoren möchten Christopher Neville, Girolamo Mammolito und F. Jerome Pabulayan für ihre wichtigen Beiträge zur Entwicklung dieses Protokolls und der Datensammlung danken.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
A pair of chopsticks NA NA 20 cm length, one chopstick had the passive motion capture markers (custom made)
Auditory cues for motor tasks NA NA Custom made audio file are played on a smart phone
Matlab R2018b software Mathworks
MotionMonitor v 8.52 Software Innovative Sports Training, Inc., Chicago, IL
Perdue Pegboard Test
Plastic cubes (0.3 cm on edge) NA NA Custom made plastic cubes with 0.3 cm on edge. These were made using 3D printer
Plastic cubes (1cm on edge) NA NA Custom made plastic cubes with 1 cm on edge. These were made using 3D printer
Template print NA NA Custom made templates of the motor tasks, including home position, outlines of target positions.
Vicon 512 Motion-analysis System and Work station v5.2 software OMG plc, Oxford, UK

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References

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Neurowissenschaften Ausgabe 171 Schlaganfallrehabilitation kompensatorische Bewegungsstrategien Aufgabenzustände chronischer Schlaganfall Kinematik Bewegungsanalyse obere Extremität feinmotorische Kontrolle
Der Einfluss motorischer Aufgabenbedingungen auf die zielgerichtete Armreichungskinematik und Rumpfkompensation bei chronischen Schlaganfallüberlebenden
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Girnis, J., Agag, T., Nobiling, T., Sweet, V., Kim, B. The Impact of Motor Task Conditions on Goal-Directed Arm Reaching Kinematics and Trunk Compensation in Chronic Stroke Survivors. J. Vis. Exp. (171), e61940, doi:10.3791/61940 (2021).

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