Neuroscience

Влияние двигательных условий на целевую кинематику и компенсацию туловища у выживших после хронического инсульта

Published: May 2, 2021 doi: 10.3791/61940

Jaimie Girnis^1,2, Tarek Agag¹, Tobias Nobiling^1,3, Vanessa Sweet^1,4, Bokkyu Kim¹

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

Этот протокол предназначен для изучения влияния условий задачи на стратегии движения у выживших после хронического инсульта. Кроме того, этот протокол может быть использован для изучения того, вызывает ли ограничение в разгибании локтя, вызванное нервно-мышечной электрической стимуляцией, компенсацию туловища во время целевых ударов рук у взрослых, не являющихся инвалидами.

Abstract

Компенсация туловища является наиболее распространенной стратегией движения для замены двигательного дефицита верхних конечностей (UE) у выживших после хронического инсульта. Существует отсутствие доказательств того, как условия выполнения задач влияют на компенсацию туловища и кинематику, направленную на достижение цели. Этот протокол направлен на исследование влияния условий задачи, включая сложность и сложность задачи, на целевую кинематику, достигающей цели. Для тестирования протокола были набраны два молодых человека без инвалидности и двое выживших после хронического инсульта с легкими двигательными нарушениями UE. Каждый участник выполнил целинаправленные дотягивающие руки с четырьмя различными условиями задачи (2 сложности задачи [большие и маленькие цели] X 2 сложности задачи [указание против подбора]). Цель задачи состояла в том, чтобы как можно быстрее достичь и указать на цель или подобрать объект, расположенный на 20 см перед домашним положением, стилусом или парой палочек для еды, соответственно, в ответ на слуховой сигнал. Участники выполнили десять достижений для каждого условия задания. Для записи кинематики туловища и руки использовалась 3-мерная система камер захвата движения. Репрезентативные результаты показали, что наблюдалось значительное увеличение продолжительности движения, рывковости движения и компенсации туловища в качестве функции сложности задачи, но не сложности задачи у всех участников. Выжившие после хронического инсульта показали значительно более медленные, рывковые и более зависимые от обратной связи вытягивания рук и значительно больше компенсаторных движений туловища, чем взрослые без инвалидности. Наши репрезентативные результаты подтверждают, что этот протокол может быть использован для исследования влияния условий задачи на стратегии моторного контроля у выживших после хронического инсульта с легкими двигательными нарушениями UE.

Introduction

Движение туловища является наиболее распространенной стратегией для компенсации ограниченных степеней свободы в локте и плече у лиц с постинсультным дефицитом моторики верхних конечностей (UE)^1,^2. Предыдущие исследования показали, что постинсультные люди используют различные стратегии движения в разных двигательных средах^3,^4,^5. Теория двигательного управления динамическими системами объясняет, что движения возникают из внутренних индивидуальных факторов и внешних факторов, таких как условия задачи и^{окружающая среда 6.} Кроме того, закон Фитта объясняет взаимосвязь между сложностью задачи и скоростью движения, с тенденцией выполнять более сложные задачи с более медленными скоростями^7. Что касается задач, направленных на достижение цели, Джентилуччи сообщил, что люди замедляют свои достигающие движения, когда они достигают и хватают меньший объект по сравнению с большим объектом^8. Тем не менее, влияние сложности задачи на направленную на цель руку, достигающей кинематики и стратегии компенсаторного движения у выживших после хронического инсульта, не совсем понятно. Предыдущее исследование, в котором изучались задачи по указанию и захвату у выживших после хронического инсульта, показало, что различия в кинематических переменных между двумя различными задачами объясняют различия в двигательных нарушениях UE, измеренных по оценке верхней конечности Фугля-Мейера^9. Тем не менее, это исследование напрямую не сравнивает, как стратегии движения отличаются с точки зрения кинематических переменных между задачами указания и захвата. Лучшее понимание влияния условий задачи на стратегии компенсаторного движения с учетом индивидуального уровня двигательных нарушений имеет решающее значение для разработки эффективных сеансов лечения для минимизации компенсаторных движений и максимизации реституции двигательных нарушений. Поэтому крайне важно исследовать, как условия задачи, в частности сложность задачи, влияют на стратегии движения у людей с постинсультными двигательными нарушениями. Этот предлагаемый протокол исследования будет исследовать влияние условий задачи на целевую руку, достигающей кинематики у взрослых без инвалидности и выживших после инсульта. Цель этого протокола двояка: 1) исследовать, влияет ли сложность задачи на компенсацию туловища и кинематику, достигающей цели, у выживших после хронического инсульта; 2) определить, может ли этот протокол дифференцировать кинематику целевых рук между взрослыми, не являющихся инвалидами, и выжившими после хронического инсульта.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Институциональный наблюдательный совет (IRB) SUNY Upstate Medical University одобрил этот протокол.

1. Отбор участников

Выполнять все методы исследования с одобрения IRB Хельсинкской декларации.
Нанимайте взрослых без инвалидности, у которых нет неврологических или скелетно-мышечных проблем, которые препятствуют выполнению двигательных задач верхних конечностей.
Наберите выживших после хронического инсульта, у которых инсульт начался по крайней мере за шесть месяцев до участия в исследовании и которые имеют легкую или умеренную моторную недостаточность верхних конечностей, указанную оценкой Фугля-Мейера оценки верхних конечностей от 19 до 60 из 66, и могут добровольно вытянуть гемипаретическое запястье и пальцы не менее чем на 10 градусов.
Запланируйте участие потенциальных участников в сеансе сбора данных.
Получить письменное информированное согласие от всех участников исследования, прежде чем инициировать какие-либо экспериментальные процедуры.
Проследуйте всех участников на соответствие требованиям к участию в исследовании, используя анкеты относительно их демографии, предыдущей истории травм руки, доминирования рук и уверенности в конкретных задачах мелкой моторики рук.

2. Показатели двигательного исхода верхних конечностей

Выполните тест Пердью Пегборд со стандартной процедурой¹⁰.
Выполните оценку fugl-meyer для моторики верхних конечностей (FMA-UE) с использованием стандартной процедуры^11,^12.

3. Психосоциальные и когнитивно-поведенческие оценки

Попрошуйте участникам заполнить следующие анкеты с использованием онлайн-платформы для опросов: Edinburg Handedness Inventory; анкета для получения предыдущего опыта по использованию палочек для еды. и вопросник по самоэффективности использования палочек для еды.

4. Подготовка целевых задач по достижению рук

Подготовьте систему камер захвата движения к кинематической записи.
1. Откалибруйте камеру захвата движения с помощью программного обеспечения рабочей станции захвата движения.
2. Установите координату происхождения мира с помощью программного обеспечения рабочей станции захвата движения.
3. Поместите все триады маркеров на стол в поле зрения камер захвата движения и проверьте, все ли триады маркеров находятся в поле зрения.
Подготовьте программное обеспечение для сбора данных захвата движения для построения скелетной модели.
1. Импортируйте наборы маркеров из программного обеспечения рабочей станции захвата движения в программное обеспечение для сбора данных захвата движения.
2. Активируйте виртуальные датчики (т.е. триады маркеров).
3. Установите мировые оси.
4. Назначьте виртуальные датчики сегментам тела модели скелета.
Настройте целевую руку, достигающей условий задачи.
1. Поместите таблицу в центр поля зрения камер захвата движения.
2. Положите ламинированную целевую руку, достигающей шаблонной бумаги, в назначенную область на столе.
3. Приготовьте пару палочек для еды на столе.
4. Подготовьтесь к воспроизведению звукового файла слуховой подсказки.
5. Подготовьте сценарии инструкций задачи.
6. Протестируйте систему захвата движения, чтобы убедиться, что она работает надлежащим образом.
Настройте участника.
1. Прикрепите отражающие маркерные триады к коже рук, кистей и туловища участника. Используйте следующее описание для расположения триад маркеров:
  Маркерная триада для туловища: между медиальными границами лопаток
  Маркерная триада для каждого плеча: в середине боковой поверхности плеча
  Маркерная триада для каждого предплечья: в середине дорсальной поверхности предплечья
  Маркерная триада для каждой руки: в середине дорсальной поверхности^3-й пястной кости
2. Приготовьте палочку для еды с маркерной триадой.
3. Поместите маркерную триаду на стол, расположенный в центре поля зрения камер захвата движения.
4. Оцифруйте сегменты тела участника с помощью модели суставов верхних конечностей и скелета туловища, которая включает в себя следующие ориентиры с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения:
  Верхний ствол: пятно между позвоночами C7 и T1
  Нижняя часть туловища: пятно между позвоночными T12 и L1
  Плечо (плечевой сустав), два пятна равноудаленные от центра головки плечевой кости
  Локоть: два пятна на медиальном и латеральном локте, которые равноудаленные от суставного центра
  Запястье: два пятна на медиальном и боковом запястье, которые равноудаленные от суставного центра
  Рука: кончик третьей фаланги каждой руки
5. Оцифруйте кончик палочки для еды с помощью маркерной триады с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения.
6. Оцифруйте домашнее положение и целевое положение с помощью триады маркера, расположенной на столе, с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения.

5. Выполнение целевых задач по достижению рук

Расположите участника в сидячем положении.
Попросите участника потянуться вперед без движения туловища, затем найдите стол, чтобы расположить цель примерно на 80% от максимальной руки участника, достигающей расстояния.
Попросите участника поддерживать вертикальное положение туловища в начале выполнения каждого задания. Во время выполнения задания не будет никаких ограничений на движения туловища.
Проинструктируйте участника, как использовать палочки для еды, используя видео на Youtube (https://youtu.be/2Bns2m5Bg4M), чтобы стандартизировать способ использования палочек для еды.
Выполните условие задачи 1 - Достижение и указание на большую цель.
1. Попросите участника держать палочку для еды доминирующей рукой (взрослые без инвалидности) или паретической рукой (участники гладки). Участник поместит кончик палочки для еды, касаясь центра домашнего положения. Проинструктируйте участника поддерживать вертикальное положение туловища в начале.
2. Зафиксируйте шаблон задачи в указанной области таблицы. Шаблонная бумага включает в себя два квадрата с крестом в центре каждого квадрата: один для домашнего положения, а другой для целевой области. Для этой задачи размер целевого квадрата составляет 1 х 1^см2. Целевая позиция расположена 20 перед домашней позицией.
3. Опишите инструкции по выполнению задач.
  1. Сформулировать следующее: «Цель этой задачи состоит в том, чтобы как можно быстрее и точнее добраться до целевой области кончиком палочки для еды. Вы будете держать палочку для еды правой (или левой) [укажите исполнительную руку]. Поместите наконечник палочки для еды в домашнее положение [укажите домашнее положение]. Когда вы услышите сигнал «GO», как можно быстрее дотянитесь до цели [укажите цель] кончиком палочки для еды. Постарайтесь как можно дожать центр цели. У вас будет три секунды, чтобы коснуться цели. Я дам вам сигнал «STOP» через 3 секунды после сигнала «GO». Если вы не косетесь цели в течение 3 секунд, поднесите наконечник палочки в домашнее положение и дождитесь следующего испытания. Вы будете выполнять десять испытаний с 10-секундным перерывом между испытаниями. У вас есть вопросы? [Ответ на любые вопросы, которые есть у участника, затем приступайте к ознакомивому испытанию] У вас будет три испытания в качестве практики. [После практических испытаний переходите к фактическим испытаниям] Теперь мы выполним реальные испытания. Постарайтесь дотянуться и постучать как можно быстрее».
4. Воспроизведите аудиофайл звукового сигнала слухового сигнала с помощью компьютера, чтобы ознакомить участника с сигналом.
5. Выполните три ознакомивления.
6. Поручите участнику быть готовым к выполнению задания. Убедитесь, что участник полностью понимает процедуру выполнения задачи.
7. Начните запись захвата движения с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения.
8. Воспроизведение звукового файла слуховой подсказки с помощью компьютера.
9. Выполните 10 пробных версий.
10. Остановите запись захвата движения.
11. Сделайте 2-минутный перерыв.
Выполните условие задачи 2 - Достижение и указание на небольшую цель.
1. Попросите участника держать палочку для еды доминирующей рукой (взрослые без инвалидности) или паретической рукой (участники гладки). Участник поместит кончик палочки для еды, касаясь центра домашнего положения. Попросите участника поддерживать вертикальное положение туловища в начале.
2. Зафиксируйте шаблон задачи в указанной области таблицы. Для этой задачи размер целевого квадрата составляет 0,3 X 0,3^см2. Целевая позиция расположена 20 перед домашней позицией.
3. Опишите инструкцию задачи.
  1. Сформулировать следующее: «Цель этого задания такая же, как и предыдущего: дотянуться и постучать кончиком палочки для еды по цели как можно быстрее и точнее. Мы будем использовать меньшую цель [указать цель]. Инструкция такая же, как и предыдущая задача. Когда вы услышите сигнал «GO», как можно быстрее дотянитесь до цели [укажите цель] кончиком палочки для еды. Постарайтесь как можно дожать центр цели. У вас есть вопросы? [Ответ на любые вопросы, которые есть у участника, затем приступайте к ознакомивому испытанию] У вас будет три испытания в качестве практики. [После ознакомительных испытаний переходите к фактическим испытаниям] Теперь мы выполним реальные испытания. Постарайтесь дотянуться и постучать как можно быстрее».
4. Воспроизведите аудиофайл звукового сигнала слухового сигнала с помощью компьютера, чтобы ознакомить участника с сигналом.
5. Выполните три ознакомивления.
6. Поручите участнику быть готовым к выполнению задания. Убедитесь, что участник полностью понимает процедуру выполнения задачи.
7. Начните запись захвата движения с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения.
8. Воспроизведение звукового файла слуховой подсказки с помощью компьютера.
9. Выполните 10 пробных версий.
10. Остановите запись захвата движения.
11. Сделайте 2-минутный перерыв.
Выполните условие задачи 3 - Достижение и подбор крупного целевого объекта.
1. Попросите участника держать пару палочек для еды доминирующей рукой (взрослые без инвалидности) или паретической рукой (участники инсульта). Участник разместит кончики палочек для еды, касаясь центра домашнего положения. Попросите участника поддерживать вертикальное положение туловища в начале.
2. Зафиксируйте шаблон задачи в указанной области таблицы. Для этой задачи целевым объектом является пластиковый куб 1 см по краю. Целевой объект расположен на 20 перед домашним положением.
3. Поместите целевой объект в целевую область.
4. Опишите инструкции по выполнению задач.
  1. Заявьте следующее: «Цель этой задачи состоит в том, чтобы добраться и подобрать пластиковый куб [указать куб] парой палочек для еды как можно быстрее, около дюйма в высоту, не опускаясь. Вы будете держать пару палочек для еды правой (или левой) [укажите исполнительную руку]. Поместите кончики палочек для еды в домашнее положение [укажите домашнее положение]. Когда вы услышите сигнал «GO», дотянитесь и подберите куб [укажите цель] палочками для еды как можно быстрее, около дюйма в высоту. У вас будет три секунды, чтобы забрать цель. Я дам вам сигнал «STOP» через 3 секунды после сигнала «GO». Если вы не подняли цель в течение 3 секунд, поднесите кончики палочек для еды в домашнее положение и дождитесь следующего испытания. Вы будете выполнять десять испытаний с 10-секундным перерывом между испытаниями. У вас есть вопросы? [Ответ на любые вопросы, которые есть у участника, затем приступайте к ознакомивому испытанию] У вас будет три испытания в качестве практики. [После ознакомительных испытаний переходите к фактическим испытаниям] Теперь мы выполним реальные испытания. Постарайтесь добраться и забрать как можно быстрее».
5. Воспроизведите аудиофайл звукового сигнала слухового сигнала с помощью компьютера, чтобы ознакомить участника с сигналом.
6. Выполните три ознакомивления.
7. Поручите участнику быть готовым к выполнению задания. Убедитесь, что участник полностью понимает процедуру выполнения задачи.
8. Начните запись захвата движения с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения.
9. Воспроизведение звукового файла слуховой подсказки с помощью компьютера.
10. Выполните 10 пробных версий.
11. Остановите запись захвата движения.
12. Сделайте 2-минутный перерыв.
Выполните условие задачи 4 - Достижение и подбор небольшого целевого объекта.
1. Попросите участника держать пару палочек для еды доминирующей рукой (взрослые без инвалидности) или паретической рукой (участники инсульта). Участник разместит кончики палочек для еды, касаясь центра домашнего положения. Попросите участника поддерживать вертикальное положение туловища в начале.
2. Зафиксируйте шаблон задачи в указанной области таблицы. Для этой задачи целевым объектом является пластиковый куб 0,3 см по краю. Целевой объект расположен на 20 перед домашним положением.
3. Поместите целевой объект в целевую область.
4. Опишите инструкции по выполнению задач.
  1. Заявьте следующее: «Цель этой задачи такая же, как и предыдущей задачи: достать и поднять пластиковый кубик парой палочек для еды как можно быстрее. Мы будем использовать пластиковый куб меньшего размера [указать цель]. Инструкция такая же, как и предыдущая задача. Когда вы услышите сигнал «GO», дотянитесь и подберите куб [укажите цель] палочками для еды как можно быстрее. У вас есть вопросы? [Ответ на любые вопросы, которые есть у участника, затем приступайте к ознакомивому испытанию] У вас будет три испытания в качестве практики. [После ознакомительных испытаний переходите к фактическим испытаниям] Теперь мы выполним реальные испытания. Постарайтесь дотянуться и постучать как можно быстрее».
5. Воспроизведите аудиофайл звукового сигнала слухового сигнала с помощью компьютера, чтобы ознакомить участника с сигналом.
6. Выполните три ознакомивления.
7. Попросите участника быть готовым к выполнению задания. Убедитесь, что участник полностью понимает процедуру выполнения задания.
8. Начните запись захвата движения с помощью программного обеспечения для сбора данных захвата движения.
9. Воспроизведение звукового файла слуховой подсказки с помощью компьютера.
10. Выполните фактические 10 испытаний.
11. Остановите запись захвата движения.
12. Сделайте 2-минутный перерыв.
Выполните инвентаризацию внутренней мотивации (IMI) для использования палочек для еды с помощью платформы онлайн-опросов.

6. Кинематический анализ данных

Экспортируйте данные следующих ориентиров из программного обеспечения для сбора данных захвата движения. Экспортируйте данные о положении по осям x,y- и z в виде текстового файла для каждого условия задачи.
Кончик палочки для еды
Домашнее положение на столе
Целевая позиция на столе
Руки
Локтевые суставы
Плечевые суставы (плечевые суставы)
Багажник (при C7)
Предварительная обработка кинематических данных.
1. Используйте пользовательский сценарий программирования для обработки кинематических данных.
2. Фильтруйте и сглаживайте необработанные данные о положении с помощью фильтра нижних частот^3-го порядка Butterworth с отсечкой 3 Гц.
3. Вычислите результирующую позицию x-, y- и z-направления выполняющей руки.
Определите начало движения и смещение каждого целевого вытянутого руки.
1. Для определения начала и смещения достигающего движения используйте тангенциальную скорость (первую производную от данных положения) от результивного 3-мерного положения выполняющей руки.
2. Определите начало движения как первый кадр досягаемости, где тангенциальная скорость выше 0,01 м/с.
3. Определите смещение движения как последний кадр досягаемости, где тангенциальная скорость выше 0,01 м/с.
4. Визуально осмотрите начало и смещение индивидуального движения, чтобы убедиться, что начало и смещение правильно обозначены.
Определите пиковую скорость. Пиковая скорость определяется как максимальная тангенциальная амплитуда скорости испытания, превышающая амплитуду 0,2 м/с, а временной интервал между 2 пиками должен составлять не менее 2 секунд^13.
Вычисление кинематических переменных достигающих движений.
1. Рассчитайте продолжительность движения (MD). Рассчитайте разницу во времени между началом движения и смещением¹³.
2. Рассчитайте пиковую скорость (PV). Рассчитайте наибольшую скорость во время каждого из достижений.
3. Рассчитать абсолютное и относительное время до пиковой скорости (TTPV и TTPV % от длительности движения)¹³.
  1. Рассчитайте разницу во времени между началом движения и пиковой скоростью (абсолютный TTPV).
  2. Рассчитайте процентное соотношение TTPV к длительности движения (относительное TTPV).
4. Рассчитайте лог безразмерный рывок.
  1. Вычислите третью производную от результивного 3-мерного положения выполняющей руки, затем рассчитайте бревенчатый безразмерный рывок каждой руки, достигающей движения.
5. Рассчитайте смещение туловища при целенаправленном движении^руки,достигающей движения^9,^14.
  1. Рассчитайте смещение ствола.
    1. Рассчитайте разницу расстояний от ориентира ствола между началом движения и смещением. Используйте следующее уравнение.
      
      Где X, Y и Z — позиции ориентира ствола в оси x-, y- и z соответственно; 1 - временные рамки на момент начала достигающего движения; k - таймфрейм при смещении достигающего движения.
  2. Рассчитайте длину траектории плеча.
    1. Рассчитайте расстояние перемещения плечевого ориентира между началом движения руки и смещением. Плечевой ориентир - это виртуальный ориентир, оцифрованный из программного обеспечения для сбора данных захвата движения с использованием модели скелета верхней конечности. Используйте следующее уравнение для расчета длины траектории плеча.
      
      Где X, Y и Z — положения плечевого ориентира в оси x-, y- и z соответственно; t - временные рамки; t=1 - таймфрейм на момент начала достигающего движения; t=k — таймфрейм при смещении достигающего движения

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Эти результаты являются предварительными данными двух молодых людей, не являющихся инвалидами, и двух выживших после хронического инсульта с легкими двигательными нарушениями (оценки Фугля-Мейера этих двух участников были выше 60 из 66). Участники, не являющиеся инвалидами, были правшами и выполняли задания правой рукой. Участники инсульта также были правшами до инсульта, и у обоих был правый гемипарез. Они также выполнили задание правой рукой. Эти кинематические переменные между популяциями и между целевыми условиями сравнивались с использованием теста знакового ранга Уилкоксона.

Длина траектории плеча является более чувствительной мерой компенсации туловища во время целевых ударов рук(рисунок 1). Смещение туловища и длина траектории плеча сравнивались, чтобы определить, какая переменная будет более подходящей для представления компенсации туловища во время целевых ударов рук. Не было выявлено существенной разницы в смещении туловища между взрослыми, не являющихся инвалидами, и выжившими после хронического инсульта во всех четырех условиях задачи. Тем не менее, у выживших после хронического инсульта наблюдалась значительно большая длина траектории плеча, чем у взрослых без инвалидности для достижения и выполнения задач.

Выжившие после хронического инсульта имели другие кинематические характеристики целевых рук, чем молодые люди без инвалидности в различных условиях выполнения задач(рисунок 2). Выжившие после хронического инсульта показали значительно более медленную(рисунок 2A и B),более зависимую от обратной связи(рисунок 2C)и более отрывистую(рисунок 2D)целенаправленно направленную руку в четырех различных условиях выполнения задач по сравнению со взрослыми без инвалидности. Кроме того, выжившие после хронического инсульта продемонстрировали значительно большую компенсацию туловища, чем взрослые без инвалидности во время целенаправленных ударов рук(рисунок 2E).

Сложность задачи повлияла на кинематические переменные направленного движения рук(рисунок 2 и 3). Как взрослые без инвалидности, так и выжившие после хронического инсульта продемонстрировали более медленную, зависимую от обратной связи и более дергающуюся цель, направленную рукой, для более сложной задачи, требующей большей ловкости рук, чем простая задача наведения(рисунок 2). Не было никакой разницы в длине траектории плеча между двумя популяциями для задач наведения, в то время как выжившие после инсульта показали значительно большую длину траектории плеча, чем молодые люди без инвалидности для задач подбора(рисунок 2). Кроме того, производительность двигателя имела большую вариативность в испытаниях для более сложной задачи по сравнению с задачей симпера(рисунок 3).

Рисунок 1. Сравнение двух различных кинематических показателей компенсации туловища при целевых досягаемостях рук. Зеленые скрипичные графики указывают длину траектории плеча, а красные скрипичные графики показывают смещение туловища. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2. Сравнение кинематики достижения цели рукой в различных условиях выполнения задач между взрослыми без инвалидности и выжившими после хронического инсульта. (A) Продолжительность движения. Красные бокс-сюжеты - это данные участников хронического инсульта, а синие бокс-сюжеты - это данные взрослых без инвалидности. (B) Амплитуда пиковой скорости. (C) Относительное время до пиковой скорости. Эта переменная представляет собой время достижения пиковой скорости в процентах от продолжительности движения. (D) Бревно безразмерный рывок. Эта переменная указывает на плавность движения. Более высокое отрицательное значение в этой переменной означает более рывкное движение. (E) Длина траектории плеча. Эта переменная указывает величину компенсации туловища во время целевых достижений руки во всех x-, y- и z-направлениях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3. Визуализация целенаправленно направленной руки, достигающей кинематики. (A) Целенаправленная рука, достигающая выполнения задачи досягаемости и точки с большой целью. (Б) Целенаправленная рука, достигающая выполнения досягаемости и подбирать задачу с большим предметом. Положения плеча, локтя, руки и кончика палочки для еды визуализируются цветными точками для всех десяти рук, достигающих испытаний для состояния задачи. Положения этих ориентиров, руки и кисти в начале и смещении движения выделены фиолетовым и оранжевым цветом соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Предварительные результаты подтверждают, что этот протокол может быть подходящим для изучения влияния сложности задачи на компенсацию туловища и кинематику, направленную на достижение цели руки, как у взрослых без инвалидности, так и у выживших после хронического инсульта.

Эти репрезентативные результаты также подтверждают, что этот протокол может быть подходящим для определения кинематических различий в целевых руках между взрослыми без инвалидности и выжившими после хронического инсульта. Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями, которые характеризовали целенаправленные удары рук выживших после хронического инсульта как более медленные, рывковые и более основанные на обратной связи движения по сравнению с контрольными^9,^13,^14.

В этом предварительном исследовании была использована задача мелкой ручной моторики с использованием пары палочек для еды. Подхватывая небольшой предмет с помощью пары палочек для еды требуется высокий уровень ловкости рук^15,^16. Эта задача использовалась в предыдущих исследованиях для исследования функции мозга во время выполнения задач мелкой ручной^{работы 15,}^16,^17. Кроме того, задача на поднятие предмета с использованием пары палочек для еды также может быть использована в качестве вмешательства для улучшения мелкой моторики рук в неврологических популяциях^18,^19,^20. Эти предварительные результаты подтверждают, что постинсультные люди с легкими двигательными нарушениями верхних конечностей могут выполнять задачу поднятия объекта с помощью пары палочек для еды.

Эти репрезентативные результаты подтверждают использование этого протокола для исследования влияния сложности задач на стратегии движения как у взрослых без инвалидности, так и у лиц с постинсультным инсультом. Гипотеза о том, что выжившие после хронического инсульта будут использовать больше компенсации туловища для более сложной двигательной задачи, была проверена с двумя взрослыми без инвалидности и двумя выжившими после хронического инсульта. Предварительный анализ данных исследовал достигаемую часть (транспортировку руки) выполнения двигательного задания. Эти результаты подтверждают, что люди используют различные целевые стратегии движения рук для разных задач. В частности, как люди без инвалидности, так и выжившие после хронического инсульта планируют движение по-разному, когда у них разные цели задачи. Для задачи достижения и наведения конечная цель состоит в том, чтобы коснуться цели кончиком палочки. С другой стороны, конечная цель задачи по сбору предмета состоит в том, чтобы манипулировать палочками для еды, чтобы точно подобрать объект. Таким образом, задача по сбору объекта требует более точной конечной точки наконечника палочки. Повышенные требования к точности положения конечной точки приводят к тому, что участник движется медленнее, чтобы более точно управлять эффектором конечной точки. Таким образом, предполагается, что участники больше полагались на основанный на обратной связи контроль целевой руки для задачи подхватыва объекта по сравнению с задачей наведения. Кроме того, использование большей компенсации ствола для задачи подхвата объекта, чем задача наведения, может быть стратегией управления двигателем для повышения точности управления эффектором конечной точки за счет снижения степеней свободы верхней конечности. ¹ Использование компенсаторных движений туловища снижает необходимость контроля более сложных степеней свободы плечевого и локтевого суставов. Другими словами, увеличение компенсации туловища при выполнении более сложных двигательных задач увеличило бы вероятность достижения поставленной цели.

Эти предварительные результаты подтверждают, что длина траектории плеча является более чувствительной мерой компенсации туловища во время целенаправленных ударов рук у выживших после хронического инсульта. Хотя смещение туловища является наиболее распространенной кинематической переменной в современной литературе, оно имеет значительное ограничение в представлении компенсации туловища во время целенаправленно направленного рычага, достигающего^9,^14. В то время как смещение туловища захватывает сгибание туловища, компенсация туловища во время вытягивания руки может быть достигнута комбинацией сгибания туловища, вращения и бокового сгибания. Эти предварительные результаты показали больший контраст в длине траектории плеча между взрослыми без инвалидности и выжившими после хронического инсульта по сравнению с мерой смещения туловища. Таким образом, этот протокол предлагает длину траектории плеча, которая является расстоянием перемещения плеча (боковой конец ключицы) между началом движения и смещением руки, как сообщается, характеризует компенсаторное движение туловища во время целенаправленной работы руки, достигающей цели. Будущие исследования с большим размером выборки должны быть проведены для определения свойств этой новой меры компенсации ствола.

Хотя наши репрезентативные результаты подтверждают полезность этого протокола, исследователи должны быть осторожны в использовании этого протокола для изучения взаимосвязи между условиями задачи и кинематикой движения рук у выживших после хронического инсульта. Задача поднятия предмета с помощью палочек для еды не подходит для выживших после хронического инсульта с умеренными и тяжелыми двигательными нарушениями верхних конечностей, поскольку люди с большей тяжестью мелкомоторных нарушений рук могут иметь слишком много трудностей при выполнении этой задачи. В частности, меньшим объектом, использованным в этом исследовании, был пластиковый куб 3-мм по краю. Подобрать этот маленький предмет может быть слишком сложно для тех, у кого есть серьезные двигательные нарушения рук, даже пальцами. В качестве альтернативы мы предлагаем использовать пинцет вместо палочек для еды для выполнения задачи по поднятию объекта, если этот протокол будет использоваться для исследования с постинсультными людьми с более серьезными нарушениями моторики рук. Задача на поднятие объекта с помощью пинцеста использовалась в предыдущих исследованиях. ¹⁸^,¹⁹ Двигательная задача пинцета требует аналогичного уровня ловкости рук для двигательной задачи палочки для еды, но легче, чем задача палочки для еды, и это было бы более осуществимо для людей с тяжелыми двигательными нарушениями верхних конечностей. ^{18 18}

На увеличенную компенсацию туловища в задаче поднятия объекта с помощью палочек для еды может повлиять новизна задания для участников, учитывая, что стратегия двигательного управления для новой задачи замораживает некоторые степени свободы и все участники этого предварительного исследования не имели или имели небольшой опыт в использовании палочек^{для еды 21.} Использование движений туловища связано с уменьшением степеней свободы в плечевом и локтевом суставах. Таким образом, компенсаторное движение туловища во время задачи подъема объекта может быть использовано для снижения степеней свободы и повышения управляемости движения для достижения цели задачи. Поэтому повышенная компенсация ствола в задаче на подхват объекта по сравнению с задачей наведения может быть связана с новизной задания для участников.

Репрезентативные результаты получены от небольшого числа участников. Таким образом, следует провести более масштабные клинические исследования, чтобы продемонстрировать эффективность и полезность этого протокола для изучения взаимосвязи между состояниями двигательных задач и стратегиями движения у выживших после хронического инсульта.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Не разглашение.

Acknowledgments

Авторы хотели бы поблагодарить Кристофера Невилла, Джироламо Маммолито и Ф. Джерома Пабулаяна за их жизненно важный вклад в разработку этого протокола и сбор данных.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

Spinazzola, L. Impairments of trunk movements following left or right hemisphere lesions: dissociation between apraxic errors and postural instability. Brain. 126 (12), 2656-2666 (2003).
Michaelsen, S. M., Jacobs, S., Roby-Brami, A., Levin, M. F. Compensation for distal impairments of grasping in adults with hemiparesis. Experimental Brain Research. 157 (2), 162-173 (2004).
Saposnik, G., Levin, M. SORCan SORC. Virtual Reality in Stroke Rehabilitation A Meta-Analysis and Implications for Clinicians. Stroke. 42 (5), 1380-1386 (2011).
Levin, M. F., Snir, O., Liebermann, D. G., Weingarden, H., Weiss, P. L. Virtual Reality Versus Conventional Treatment of Reaching Ability in Chronic Stroke: Clinical Feasibility Study. Neurology and Therapy. 1 (1), 3 (2012).
Knaut, L. A., Subramanian, S. K., McFadyen, B. J., Bourbonnais, D., Levin, M. F. Kinematics of pointing movements made in a virtual versus a physical 3-dimensional environment in healthy and stroke subjects. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 90 (5), 793-802 (2009).
Mastos, M., Miller, K., Eliasson, A. C., Imms, C., Mastos, M., Eliasson, A. C., Imms, C. M. K., Mastos Miller, K., Eliasson, A. C., Imms, C. M. Goal-directed training: linking theories of treatment to clinical practice for improved functional activities in daily life. Clinical Rehabilitation. 21 (1), 47-55 (2007).
Harris, C. M., Wolpert, D. M. Signal-dependent noise determines motor planning. Nature. 394, 780-784 (1998).
Gentilucci, M. Object motor representation and reaching-grasping control. Neuropsychologia. 40 (8), 1139-1153 (2002).
Subramanian, S. K., Yamanaka, J., Chilingaryan, G., Levin, M. F. Validity of Movement Pattern Kinematics as Measures of Arm Motor Impairment Poststroke. Stroke. 41 (10), 2303-2308 (2010).
Strenge, H., Niederberger, U., Seelhorst, U. Correlation between Tests of Attention and Performance on Grooved and Purdue Pegboards in Normal Subjects. Perceptual and Motor Skills. 95 (2), 507-514 (2002).
Lin, J. -H., Hsu, M. -J., Sheu, C. -F., et al. Psychometric comparisons of 4 measures for assessing upper-extremity function in people with stroke. Physical Therapy. 89 (8), 840-850 (2009).
See, J., Dodakian, L., Chou, C., et al. A standardized approach to the fugl-meyer assessment and its implications for clinical trials. Neurorehabilitation and Neural Repair. 27 (8), 732-741 (2013).
Murphy, M. A., Willén, C., Sunnerhagen, K. S. Kinematic Variables Quantifying Upper-Extremity Performance After Stroke During Reaching and Drinking From a Glass. Neurorehabilitation and Neural Repair. 25 (1), 71-80 (2011).
Michaelsen, S. M., Jacobs, S., Roby-Brami, A., Levin, M. F. Compensation for distal impairments of grasping in adults with hemiparesis. Experimental Brain Research. 157, 162-173 (2004).
Järveläinen, J., Schürmann, M., Hari, R., Jarvelainen, J., Schurmann, M., Hari, R. Activation of the human primary motor cortex during observation of tool use. Neuroimage. 23 (1), 187-192 (2004).
Imazu, S., Sugio, T., Tanaka, S., Inui, T. Differences between actual and imagined usage of chopsticks: An fMRI study. Cortex. 43 (3), 301-307 (2007).
Ishii, R., Schulz, M., Xjang, J., et al. MEG study of lang-term cortical reoganization of senorimotor areas with respect to using chopsticks. Neuroreport. 13 (16), 2155-2159 (2002).
Chen, H. M., Chang, J. J. The skill components of a therapeutic chopsticks task and their relationship with hand function tests. Kaohsiung Journal of Medical Sciences. 15 (12), 704-709 (1999).
Shin, S., Demura, S., Aoki, H. Effects of prior use of chopsticks on two different types of dexterity tests: Moving Beans Test and Purdue Pegboard. Perceptual and Motor Skills. 108 (2), 392-398 (2009).
Ma, H. -i, Trombly, C. A., Robinson-Podolski, C. The Effect of Context on Skill Acquisition and Transfer. American Journal of Occupational Therapy. 53 (2), 138-144 (1999).
Rosenbaum, D. A., Engelbrecht, S. E., Bushe, M. M., Loukopoulos, L. D. Knowledge Model for Selecting and Producing Reaching Movements. Journal of Motor Behavior. 25 (3), 217-227 (1993).

Neuroscience

Влияние двигательных условий на целевую кинематику и компенсацию туловища у выживших после хронического инсульта

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.