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

Schlaganfall ist eine der Hauptursachen für langfristige Behinderungen. Die Rumpfkompensation ist die häufigste Bewegungsstrategie, um eine begrenzte Armreichreichung während zielgerichteter Armreichungen für tägliche Aktivitäten zu ersetzen. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die sich auf motorische Steuerungsstrategien auswirken, z. B. individuelle, Umwelt- und Testzustandsfaktoren.

Frühere Studien haben sich auf die Individuen und Umweltfaktoren konzentriert. Die Testzustandsfaktoren wurden jedoch in Bezug auf kompensatorische Bewegungsstrategien bei chronischen Schlaganfallüberlebenden nicht gut untersucht. Wir haben dieses Protokoll entwickelt, um die Auswirkungen motorischer Testbedingungen oder motorischer Kontrollstrategien zielgerichteter Armreichung bei chronischen Schlaganfallüberlebenden zu untersuchen.

Insbesondere wollen wir herausfinden, wie Personen nach dem Schlaganfall unterschiedliche Bewegungsstrategien anwenden, wenn sie zielgerichtete Armreichbewegungen mit unterschiedlichen Aufgabenzielen ausführen. Wir verwenden dieses Protokoll, um unsere Hypothese zu testen, dass chronische Schlaganfallüberlebende die Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichbewegungen als funktionale Aufgabenkomplexität und -schwierigkeit erhöhen. In diesem Abschnitt werden wir den kinematischen Messaufbau erklären.

Wir verwenden 10 dreidimensionale Motion-Capture-Kameras von Vicon mit Motion-Monitor-Software, um zielgerichtete Armreichkinematiken aufzuzeichnen. Mit der Vicon Nexus-Softwareversion 2.8.2 richten wir die Motion-Capture-Kameras ein, maskieren unerwünschte Reflexionen, Kamerakalibrierung und Lautstärke-Origin-Setup. Danach richten wir die kinematische Datenerfassung mit der Motion-Monitor-Software ein.

Dieses Verfahren umfasst das Zuordnen von Markern, das Einrichten des Stifts, das Einrichten von Weltachsen und das Zuweisen virtueller Sensoren zu Körpersegmenten. Dann legen wir die Marker-Triaden auf den Teilnehmer. Die Rumpfmarker-Triade wird auf der Haut über den Brustwirbeln zwischen den Schulterblatten positioniert.

Die Oberarmtriade wird auf der Haut in der Mitte jedes Oberarms seitlich platziert. Die Unterarmtriaden werden auf der Haut in der Mitte der dorsalen Oberfläche jedes Unterarms platziert. Die Handtriade wird über dem dritten Mittelhandknochen auf die Haut gelegt.

Wir legen auch eine Marker-Triade auf den Tisch. Diese Marker-Triade wird verwendet, um den Standort der Heimat- und Zielpositionen zu registrieren. Wir haben einen benutzerdefinierten Essstäbchenstift hergestellt, um die Kinematik des Essstäbchens aufzuzeichnen.

Der Essstäbchenstift hat eine Markertriade und diese ist auch im Modell registriert. Nachdem wir alle Markertriaden auf den Teilnehmer gelegt haben, richten wir Mit Digitalisierungsmethoden Subjektsensoren ein. Das Verfahren registriert die Körpersegmente basierend auf der Position der Markertriaden im Modell und die Software berechnet die Positionen verschiedener Gelenkzentren.

Wenn Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm folgen, weisen wir mit dem Stift auf die folgenden Sehenswürdigkeiten hin. Für den oberen Rumpf ein Fleck zwischen C7- und T1-Wirbeln. Für den unteren Rumpf ein Fleck zwischen T12- und L1-Wirbeln.

Für das Schultergelenk sind zwei Flecken gleich weit von der Mitte des Oberarmkopfes entfernt. Für das Ellenbogengelenk zwei Flecken am medialen und seitlichen Ellenbogen, die gleich weit von der Mittellinie des Gelenks entfernt sind. Für das Handgelenk zwei Flecken am medialen und seitlichen Handgelenk, die gleich weit von der Mitte des Gelenks entfernt sind.

Für die Hand die Spitze der dritten Phalanx jeder Hand. Für die Start- und Zielpositionen ein Punkt in der Mitte jeder Position. Für den Essstäbchenstift ein Fleck an der Spitze des Essstäbchens.

Es gibt vier verschiedene zielgerichtete Arm-Reaching-Motor-Aufgabenbedingungen. Hier werden wir die Details dieser motorischen Aufgabenbedingungen erklären. Es gibt zwei verschiedene Zielgrößen, die die Schwierigkeit der Aufgabe angeben.

Ein großes Ziel wäre eine einfachere Aufgabenbedingung. Und das kleinere Ziel ist eine schwierigere Aufgabenbedingung. Außerdem gibt es zwei verschiedene Testtypen, die die Aufgabenkomplexität angeben.

Eine Zeigeaufgabe ist eine einfachere motorische Aufgabe und das Aufnehmen eines Objekts mit einem Paar Essstäbchen ist eine komplexere motorische Aufgabe, die eine hohe Handfertigkeit erfordert. Als Kombination dieser beiden Aufgabenbedingungen haben wir vier verschiedene motorische Aufgabenbedingungen. Diese Abbildung zeigt die Vorlage zum Zeigen auf ein großes Ziel.

Es gibt Heimat- und Zielpositionen. Jede Quadratgröße ist ein Mal ein Quadratzentimeter. Der Mittel-zu-Mitte-Abstand zwischen den beiden Standorten beträgt 20 Zentimeter.

Das Aufgabenziel für das Zeigen auf ein großes Ziel besteht darin, die Mitte des Zielquadrates mit der Essstäbchenspitze so schnell und genau wie möglich zu erreichen und zu klopfen. Der Teilnehmer hält einen Essstäbchen und lokalisiert die Spitze des Essstäbchens in der Mitte der Heimposition. Wenn der Teilnehmer ein Go-Geräusch hört, erreicht und tippt er so schnell und genau wie möglich auf die Mitte des Zielquadrates.

Der Teilnehmer hat drei Sekunden Zeit, um die Aufgabe abzuschließen. Nach drei Sekunden vom Go-Signal wird ein Stoppsignal angezeigt. Wenn der Teilnehmer die Aufgabe nicht innerhalb von drei Sekunden abschließen kann, gilt dies als fehlgeschlagene Testversion.

Der Teilnehmer wiederholt diese Aufgabe 10 Mal mit zehn Sekunden Pausen zwischen jedem Versuch. Go.Stop. Wir verwenden die gleiche Vorlage für die Aufnahme einer großen Objektaufgabe mit einem Paar Essstäbchen. Ein Kunststoffwürfel, ein Zentimeter auf der Kante, wird an der Zielstelle platziert.

Das Ziel der Aufgabe ist es, den Kunststoffwürfel mit einem Paar Essstäbchen so schnell wie möglich zu erreichen und aufzuheben, ohne zu fallen. Der Teilnehmer hält ein Paar Essstäbchen und lokalisiert die Spitzen in der Mitte der Heimatposition. Wenn der Teilnehmer ein Go-Geräusch hört, greift er oder sie den Würfel so schnell wie möglich auf und nimmt ihn auf.

Der Teilnehmer muss den Würfel vor dem Stoppsignal aufnehmen, das drei Sekunden nach dem Go-Signal gegeben hat. Wenn der Teilnehmer den Würfel nicht innerhalb von drei Sekunden abholen kann, gilt dies als fehlgeschlagener Versuch. Er oder sie wird gebeten, die Spitzen der Essstäbchen zurück in die Heimatposition zu bringen.

Das Fallen oder Fliegen des Plastikwürfels während der Aufgabe gilt als fehlgeschlagener Versuch. Go.Stop. Das Zeigen auf ein kleines Ziel ist das gleiche wie das Zeigen auf ein großes Ziel, aber die quadratische Zielgröße beträgt 0,3 x 0,3 Quadratzentimeter. Der Teilnehmer hält die Essstäbchen und lokalisiert die Spitze des Essstäbchens in der Mitte der Heimposition.

Wenn der Teilnehmer ein Go-Geräusch hört, erreicht und tippt er so schnell und genau wie möglich auf die Mitte des Zielquadrats. Go.Stop. Das Aufnehmen einer Aufgabe für ein kleines Objekt ist dasselbe wie das Aufnehmen einer Aufgabe für ein großes Objekt, aber das Zielobjekt ist 0,3 Zentimeter auf der Kante. Ein Kunststoffwürfel 0,3 Zentimeter auf der Kante wird an der Zielstelle platziert.

Das Ziel der Aufgabe ist es, den Kunststoffwürfel mit einem Paar Essstäbchen so schnell wie möglich zu erreichen und aufzuheben, ohne zu fallen. Der Teilnehmer hält ein Paar Essstäbchen und lokalisiert die Spitzen in der Mitte der Heimatposition. Wenn der Teilnehmer ein Go-Geräusch hört, erreicht und nimmt er den Würfel so schnell wie möglich auf Go.Stop.

In diesem Abschnitt werden wir die zielgerichtete Arm-Reaching-kinematische Datenanalyse erklären. Wir exportieren die Positionsdaten der folgenden Landmarken aus der Motion-Monitor-Software. Spitze des Essstäbchenstifts, Heimposition auf dem Tisch, Zielposition auf dem Tisch, jede Hand in der Mitte der dritten Phalanx, jedes Zentrum der Ellbogengelenke, jedes Zentrum der Schultergelenke, C7-Wirbelsäule, die die Rumpfbewegung darstellt.

Die Gelenkpunkte der oberen Extremitäten jedes Teilnehmers und die Stammpositionsdaten werden in den X-, Y- und Z-Achsen als Textdatei für jede Aufgabenbedingung exportiert. Die kinematischen Daten werden mit benutzerdefinierten Skripten und MATLAB-Software vorverarbeitet. Die kinematische Datenvorverarbeitung umfasst die Filterung mit einem Butterworth-Tiefpassfilter dritter Ordnung mit einem Drei-Hertz-Cutoff.

Dann berechnen wir das Ergebnis der X-, Y- und Z-Richtungen der ausführenden Handposition. Nach der Vorverarbeitung der Positionsdaten führten wir die kinematische Datenanalyse anhand des Ergebnisses der dreidimensionalen Position der ausführenden Hand durch, um die kinematischen Variablen der zielgerichteten Armreichung zu berechnen. Wir verwenden kundenspezifische Skripte und MATLAB-Software für die kinematische Datenanalyse.

Zunächst berechnen wir die Tangentialgeschwindigkeit, die Beschleunigung und den Ruck der ausführenden Hand, die die erste, zweite und dritte Ableitung der Positionsdaten sind. Dann verwenden wir das Tangentialgeschwindigkeitsprofil jeder Studie, um den Bewegungsbeginn, den Offset und die Spitzengeschwindigkeit zu bestimmen. Die folgenden kinematischen Variablen wurden aus der kinematischen Datenanalyse, Bewegungsdauer, Spitzengeschwindigkeit, absoluter und relativer Zeit bis Zur Spitzengeschwindigkeit und log dimensionslosem Ruck berechnet.

Hier werden wir diese kinematischen Variablen mit einem beispielhaften Geschwindigkeitsprofil beschreiben. Bewegungsbeginn und Versätze werden anhand der Bewegungsbeginn- und Versatzschwellen von 0,01 Metern pro Sekunde identifiziert. Bewegungsbeginn ist definiert als der erste Frame der Reichweite, bei dem die Tangentialgeschwindigkeit über 0,01 Meter pro Sekunde liegt.

Der Bewegungsversatz ist definiert als der letzte Frame der Reichweite, bei dem die Tangentalgeschwindigkeit über 0,01 Metern pro Sekunde liegt. Die Bewegungsdauer ist definiert als die Zeit zwischen DemEinbruch der Bewegung und dem Versatz. Die Spitzengeschwindigkeit ist die maximale Geschwindigkeitsamplitude zwischen Bewegungsbeginn und Offset.

Die Zeit bis zur Spitzengeschwindigkeit ist die Zeit, um die Spitzengeschwindigkeit vom Bewegungsbeginn an zu erreichen. Der Bewegungseintritt, der Offset und die Spitzengeschwindigkeit werden automatisch mithilfe der benutzerdefinierten Skripte der MATLAB-Software beschriftet. Nach dieser automatisierten Etikettierung werden die Etiketten visualisiert und von einem Ermittler inspiziert.

Wenn die Etiketten falsch sind, nimmt der Ermittler manuelle Anpassungen vor. Der dimensionslose Blockruck wird aus dem Ruckprofil der Reichweite mit dieser Gleichung berechnet, die die dritte Ableitung der Position ist. Wir berechneten zwei Maßstäbe der Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen.

Zunächst wurde die Stammverschiebung berechnet. Dieses Maß ist die Entfernungsdifferenz der Rumpfkennung C7 zwischen Bewegungsbeginn und Offset. Die andere Rumpfkompensationsmaßnahme ist die Schultertrajektorienlänge.

Dieses Maß ist der Verfahrweg der Schulter-Landmarke zwischen Arm, der Bewegung beginnt, und Offset. Die Schultertrajektorienlänge ist eine neue Rumpfkompensationsmaßnahme beim zielgerichteten Armerreichen. Mit dieser Maßnahme haben wir die Stammkompensation in alle Richtungen erfasst.

Wir berechnen diese Trunkkompensationsmaßnahmen anhand aller drei Dimensionen. In diesem Abschnitt werden wir unsere vorläufigen Ergebnisse vorstellen. Unsere Vorstudie hat zwei chronische Schlaganfallüberlebende mit leichter motorischer Beeinträchtigung der oberen Extremitäten auf der rechten Seite und zwei nicht behinderte junge Erwachsene.

Alle Teilnehmer hatten keine oder wenig Erfahrung mit der Verwendung von Essstäbchen. Chronische Schlaganfallüberlebende führen die Motoraufgabe mit ihrer paretischen rechten Hand aus, die vor Beginn des Schlaganfalls dominant war. Nicht behinderte junge Erwachsene führten motorische Aufgaben mit ihrer rechten Hand aus, die ihre dominante Hand ist.

Hier haben wir zwei verschiedene Rumpfkompensationsmaßnahmen verglichen, um festzustellen, ob die Schultertrajektorie ein empfindlicheres Maß ist als die Rumpfverschiebung, um die Rumpfkompensation zu erfassen. Abbildung eins zeigt die Geigendiagramme von Stammkompensationsmaßnahmen in zwei verschiedenen Teilnehmerpopulationen. Die grünen Diagramme zeigen die Länge der Schultertrajektorie und die roten Diagramme die Rumpfverschiebung an.

Jeder Punkt im Geigendiagramm zeigt jede Armbewegung an. Abbildung eins zeigt, dass nicht behinderte Erwachsene und Überlebende chronischer Schlaganfälle keinen Unterschied in der Rumpfverschiebung haben. Während die Schultertrajektorienlänge von chronischen Schlaganfallüberlebenden größer ist als die von nicht behinderten Erwachsenen.

Dieses Ergebnis könnte darauf hindeuten, dass die Schultertrajektorienlänge ein empfindlicheres Maß für die Rumpfkompensation bei zielgerichteten Armreichungen ist als die Rumpfverschiebung bei Personen nach dem Schlaganfall. Abbildung zwei befasst sich mit Unterschieden in kinematischen Variablen zwischen Teilnehmerpopulationen und zwischen verschiedenen motorischen Aufgaben. In dieser Abbildung zeigen rot umrissene Box-Plots die chronischen Schlaganfall-Überlebenden und blau umrissene Box-Plots die nicht behinderten jungen Erwachsenen an.

Und die X-Achse, wir haben vier verschiedene Aufgabenbedingungen, die auf ein großes Ziel zeigen, auf ein kleines Ziel zeigen, ein großes Objekt aufnehmen und ein kleines Objekt aufnehmen. Chronische Schlaganfallüberlebende hatten unterschiedliche zielgerichtete kinematische Merkmale des Arms als nicht behinderte junge Erwachsene unter verschiedenen Aufgabenbedingungen. Zusammenfassend hatten chronische Schlaganfallüberlebende langsamere und ruckartigere Armreichstrecken als die nicht behinderten jungen Erwachsenen.

Außerdem waren chronische Schlaganfallüberlebende stärker auf rückkopplungsbasierte Anpassungen der Reichweite angewiesen, was durch die niedrigere Relativezeit bis zur Spitzengeschwindigkeit angezeigt wird. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Ergebnissen überein. Schließlich zeigt Abbildung zwei auch, dass sich die Komplexität der Aufgabe auf die Kinematik der zielgerichteten Armreichbewegung auswirkt.

Die Teilnehmer verwenden langsamere und ruckartigere Bewegungen für komplexere motorische Aufgaben als einfache motorische Aufgaben für beide Teilnehmerpopulationen. Außerdem verwenden sie eine stärker feedbackbasierte Steuerung des Arms, der nach einer komplexeren Aufgabe greift. Menschen neigen auch dazu, mehr Kofferraumkompensation für komplexere motorische Aufgaben als einfache motorische Aufgaben zu verwenden.

Unsere vorläufigen Ergebnisse unterstützen, dass dieses Protokoll verwendet werden kann, um den Einfluss von Testbedingungen auf zielgerichtete Armreichbewegungsstrategien bei chronischen Schlaganfallüberlebenden zu untersuchen.