慢性脳卒中生存者における運動学とトランク補償に到達する目標指向腕に及ぼす運動タスク条件の影響

要約

このプロトコルは、慢性脳卒中生存者の移動戦略に対するタスク条件の影響を調査することを目的としています。さらに、このプロトコルは、神経筋電気刺激によって誘発される肘の延長の制限が、障害のない成人の目標指向腕が達する際にトランク補償を引き起こすかどうかを調べるために使用することができる。

要約

トランク補償は、慢性脳卒中生存者における上肢(UE)運動障害に代わる最も一般的な運動戦略である。タスク条件がトランク補償と目標指向アームにキネマティクスに及ぼす影響を調べる証拠が不足しています。このプロトコルは、タスクの難易度や複雑さなど、タスク条件が目標指向アームに到達するキネマティクスに及ぼす影響を調査することを目的としています。2人の障害のない若年成人と軽度のUE運動障害を持つ2人の慢性脳卒中生存者が、プロトコルをテストするために募集された。各参加者は、4つの異なるタスク条件(2つのタスク難点(大きなターゲットと小さなターゲット)X 2タスクの複雑さ[ポインティングとピックアップ])でゴール指向の腕を実行しました。タスクの目標は、聴覚の手がかりに応じて、スタイラスまたは箸のペアで、できるだけ早くホームポジションの前に20cmある物体をターゲットに到達してポイントするか、拾うものでした。参加者はタスク条件ごとに10回のリーチを実行しました。3次元モーションキャプチャカメラシステムは、トランクとアームキネマティクスを記録するために使用されました。代表結果は、タスクの複雑さの関数として移動時間、移動のぎくしゃく、およびトランク補償が大幅に増加したことを示したが、すべての参加者のタスク難易度ではない。慢性脳卒中の生存者は、障害のない成人よりも著しく遅く、ぎくしゃくし、より多くのフィードバック依存の腕が到達し、有意に多くの代償性の幹の動きを示した。我々の代表的な結果は、このプロトコルが軽度のUE運動障害を有する慢性脳卒中生存者における運動制御戦略に対するタスク条件の影響を調査するために使用できることを支持する。

概要

トランクの動きは、脳卒中後の上肢(UE)運動の欠損を有する個人における肘と肩の限られた自由度を補償する最も一般的な戦略である^1,2。以前の研究では、脳卒中後の個人が異なる運動タスク環境^3、4、5で異なる運動戦略^を採用することを示しています。動的システムモータ制御理論は、運動がタスク条件や環境6などの内部の個々の要因と外部要因から生じると説明しています^。さらに、Fittの法則は、タスクの難易度と移動速度の関係を説明し、より遅い速度⁷でより困難なタスクを実行する傾向があります。ゴール指向の腕がタスクに到達するという点では、Gentilucciは、人々が大きな物体8に比べて小さな物体に到達して把握すると、到達する動きを遅くすると報告^しました。しかし、慢性脳卒中生存者における運動学および代償運動戦略に到達する目標指向腕に対するタスクの複雑さの影響は十分に理解されていない。慢性脳卒中生存者におけるポインティングと把握タスクを調べた以前の研究では、2つの異なるタスク間の運動学的変数の違いが、Fugl-Meyer上部極数スコア⁹で測定されたUE運動障害の違いを説明したことを実証した。しかし、この研究では、移動戦略がポインティングタスクと把握タスクの間で運動学的変数の観点からどのように異なるかを直接比較しませんでした。個々の運動障害レベルを考慮した代償運動戦略に対するタスク条件の影響をよりよく理解することは、補償運動を最小限に抑え、運動障害の払い戻しを最大化するための効果的な治療セッションを設計するために重要です。したがって、タスク条件、特にタスクの複雑さは、脳卒中後の運動障害を持つ個人の移動戦略にどのように影響するかを調査することが不可欠です。この提案された研究プロトコルは、障害のない成人および脳卒中生存者の運動学に到達する目標指向腕に対するタスク条件の影響を調査する。このプロトコルの目的は2倍です: 1) タスクの複雑さが、慢性脳卒中生存者の運動学に達するトランク補償と目標指向腕に影響を与えるかどうかを調査します。2)このプロトコルが障害のない成人と慢性脳卒中生存者の間で到達する目標指向腕の運動学を区別できるかどうかを決定する。

プロトコル

SUNYアップステート医科大学の機関審査委員会(IRB)は、このプロトコルを承認しました.

1. 参加者の審査

1. ヘルシンキ宣言によるIRB承認を得て、すべての研究方法を実行します。
2. 上肢運動タスクのパフォーマンスを妨げる神経学的または筋骨格系の問題を持っていない非障害のある成人を募集します。
3. 脳卒中発症が研究参加の少なくとも6ヶ月前であり、軽度から中等度の上肢運動障害を有する慢性脳卒中生存者を募集し、66人中19〜60の上肢スコアのFugl-Meyer評価によって示され、片頭腕手首と指を自発的に少なくとも10度延長することができる。
4. 参加する可能性のある参加者がデータ収集セッションに参加するようにスケジュールします。
5. 実験手順を開始する前に、すべての研究参加者から書面によるインフォームド・コンセントを取得します。
6. すべての参加者に対して、人口統計、以前の腕の怪我の履歴、手の優位性、特定の細かい手の運動スキルタスクに対する信頼に関するアンケートを使用して、参加資格を調査するスクリーニングを行います。

2. 上肢運動の結果対策

1. 標準手順¹⁰でパーデューペグボードテストを実行します。
2. 標準手順^11,12を用いて、上肢モーター(FMA-UE)のFugl-Meyer評価を行^う。

3. 心理社会的・認知行動評価

1. 参加者にオンライン調査プラットフォームを使用して次のアンケートを完了させましょう: Edinburg 手渡しインベントリ;箸の使用に関する以前の経験のためのアンケート。箸の使用に関する自己効力調査を行います。

4. 目標指向アーム到達タスクの準備

1. 運動記録用のモーションキャプチャカメラシステムを準備します。
   1. モーション キャプチャ ワークステーション ソフトウェアを使用してモーション キャプチャ カメラを調整します。
   2. モーション キャプチャ ワークステーション ソフトウェアを使用してワールド座標の原点を設定します。
   3. モーション キャプチャ カメラの視野のテーブルにすべてのマーカー トライアドを配置し、すべてのマーカー トライアドが視野内にあるかどうかを確認します。
2. モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアを準備して、スケルトン モデルを構築します。
   1. モーション キャプチャ ワークステーション ソフトウェアから、モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアにマーカー セットをインポートします。
   2. 仮想センサー(マーカートライアド)をアクティブにします。
   3. ワールド軸を設定します。
   4. スケルトン モデルのボディ セグメントに仮想センサーを割り当てます。
3. タスク条件に到達する目標指向アームを設定します。
   1. モーション キャプチャ カメラの視野の中央にテーブルを配置します。
   2. ラミネートされたゴール指向の腕をテンプレート用紙に届け、テーブルの指定された領域に置きます。
   3. テーブルの上に箸を用意します。
   4. 聴覚キューオーディオファイルを再生する準備をします。
   5. タスク命令スクリプトを準備します。
   6. モーション キャプチャ システムをテストして、適切に動作していることを確認します。
4. 参加者を設定します。
   1. 反射マーカーのトライアドを参加者の腕、手、およびトランクの皮膚に取り付けます。マーカーの座標系の位置については、次の説明を使用します。
      トランクのマーカートライアド:肩甲骨の内側の境界の間
      各上腕のマーカートライアド:上腕の側面の中央に
      前腕ごとにマーカートライアド:前腕の後面の真ん中に
      各手のマーカートライアド:3^番目 の中手骨の後面の真ん中に
   2. マーカートライアドで箸を準備します。
   3. モーション キャプチャ カメラの視野の中央に位置するテーブルにマーカー トライアドを配置します。
   4. モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアを使用して、次のランドマークを含む上肢ジョイントとトランク スケルトン モデルを使用して、参加者のボディ セグメントをデジタル化します。
      上段のトランク:C7とT1の椎骨の間のスポット
      下段のトランク:T12とL1椎骨の間のスポット
      肩(グリーノヒューマー関節)、上腕骨頭の中心から等距離の2つのスポット
      肘:関節中心から等距離にある内側と内側の肘の2つのスポット
      手首:関節中心から等距離にある内側手首と横手首の2つのスポット
      手:各手の第3のファランクスの先端
   5. モーションキャプチャデータ取得ソフトウェアを使用して、マーカートライアドで箸の先端をデジタル化します。
   6. モーションキャプチャデータ取得ソフトウェアを使用して、テーブル上にあるマーカートライアドを使用して、ホームポジションとターゲットポジションをデジタル化します。

5. 目標指向アーム到達タスクのパフォーマンス

1. 参加者を座っている位置に配置します。
2. 参加者にトランクの動きをせずに前方に到達してもらい、その後、ターゲットを参加者の最大アーム到達距離の約80%に位置付けるテーブルを見つけます。
3. 各タスクパフォーマンスの開始時に、直立したトランクポスチャを維持するよう参加者に指示します。タスクのパフォーマンス中にトランクの動きに制限はありません。
4. 参加者に、YouTube動画(https://youtu.be/2Bns2m5Bg4M)を使って箸の使い方を教え、箸の使い方を定めます。
5. タスク条件 1 - 大きなターゲットに到達してポイントします。
   1. 参加者に、支配的な手(障害のない成人)またはパレティックハンド(脳卒中参加者)で箸を持つように指示します。参加者は、ホームポジションの中央に箸の先端を接します。参加者に、最初の位置に直立したトランク姿勢を維持するよう指示します。
   2. タスク条件テンプレート用紙をテーブルの指定された領域に固定します。テンプレート用紙には、各正方形の中心に十字を持つ2つの正方形が含まれています:1つはホームポジション用、もう1つはターゲットエリア用です。このタスクでは、ターゲットの正方形のサイズは 1 x 1 cm^{2 です}。ターゲットポジションはホームポジションの前に20に位置しています。
   3. タスクの手順を説明します。
      1. 「このタスクの目的は、箸の先端を持つターゲットエリアにできるだけ迅速かつ正確に到達してタップすることです。右(または左)の箸を持つ[演奏手を示す]。箸の先端をホームの位置に置きます[ホームポジションを示す]。「GO」信号が聞こえたら、箸の先端をできるだけ早くターゲットに到達してタップします。可能な限りターゲットの中心をタップしてみてください。ターゲットをタップするには3秒かかります。私はあなたに'GO'信号の3秒後に'STOP'信号を与えます。3秒以内にターゲットをタップしなかった場合は、箸の先端をホームポジションに持ってきて、次のトライアルを待ちます。10 回の試行を 10 秒間中断して、10 回の試行を実行します。何か質問がありますか?[参加者が持っている質問に答え、その後、慣れ親しんだトライアルに進みます]練習として3つの試練があります。[練習試験の後、実際の試験に進む]今度は実際の試験を行います。できるだけ早く手を伸ばしてタップするようにしてください。
   4. 聴覚キュー信号のオーディオファイルをコンピュータで再生し、参加者に手掛かりを理解させます。
   5. 3 回の慣れ親しんだ試験を実行します。
   6. 参加者にタスクのパフォーマンスの準備をするように指示します。参加者がタスクパフォーマンス手順を十分に理解していることを確認します。
   7. モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアでモーション キャプチャ記録を開始します。
   8. コンピュータで聴覚キューオーディオファイルを再生します。
   9. 10回の試行を行います。
   10. モーション キャプチャ記録を停止します。
   11. 2分間の休憩を取ります。
6. タスク条件 2 - 小さなターゲットに到達してポイントします。
   1. 参加者に、支配的な手(障害のない成人)またはパレティックハンド(脳卒中参加者)で箸を持つように指示します。参加者は、ホームポジションの中央に箸の先端を接します。参加者に、最初の直立したトランク姿勢を維持するよう依頼します。
   2. タスク条件テンプレート用紙をテーブルの指定された領域に固定します。このタスクでは、目標の正方形のサイズは 0.3 X 0.3 cm^{2 です}。ターゲットポジションはホームポジションの前に20に位置しています。
   3. タスクの指示を説明する。
      1. 「このタスクの目標は、前のタスクと同じです:箸の先端でターゲットをできるだけ迅速かつ正確にタップします。より小さなターゲット[ターゲットを示す]を使用します。命令は前のタスクと同じです。「GO」信号が聞こえたら、箸の先端をできるだけ早くターゲットに到達してタップします。可能な限りターゲットの中心をタップしてみてください。何か質問がありますか?[参加者が持っている質問に答え、その後、慣れ親しんだトライアルに進みます]練習として3つの試練があります。[慣れ親しんだ試験の後、実際の試験に進む]今度は実際の試験を行います。できるだけ早く手を伸ばしてタップするようにしてください。
   4. 聴覚キュー信号のオーディオファイルをコンピュータで再生し、参加者に手掛かりを理解させます。
   5. 3 回の慣れ親しんだ試験を実行します。
   6. 参加者にタスクのパフォーマンスの準備をするように指示します。参加者がタスクパフォーマンス手順を十分に理解していることを確認します。
   7. モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアでモーション キャプチャ記録を開始します。
   8. コンピュータで聴覚キューオーディオファイルを再生します。
   9. 10回の試行を行います。
   10. モーション キャプチャ記録を停止します。
   11. 2分間の休憩を取ります。
7. タスク条件 3 - 大きなターゲット オブジェクトに到達して、ピックアップを実行します。
   1. 参加者に、主な手(障害のない成人)またはパレティックハンド(脳卒中参加者)で箸を持つように指示します。参加者は、ホームポジションの中央に箸が触れる先端を配置します。参加者に、最初は直立したトランク姿勢を維持するよう依頼します。
   2. タスク条件テンプレート用紙をテーブルの指定された領域に固定します。このタスクでは、ターゲット オブジェクトはエッジ上のプラスチック立方体 1 cm です。ターゲットオブジェクトは、ホームポジションの前に20に位置しています。
   3. ターゲットオブジェクトをターゲット領域に配置します。
   4. タスクの手順を説明します。
      1. 「このタスクの目的は、プラスチック製の立方体に到達し、できるだけ早く箸を持つプラスチックキューブを拾い上げることです。右(または左)の箸を持つ[演奏手を示す]。ホームポジションに箸の先端を置く[ホームポジションを示す]。「GO」の信号が聞こえたら、できるだけ早く高さ約1インチの箸で立方体を手に入れ、手を上げます[ターゲットを示す]。ターゲットを拾うために3秒を持つことになります。私はあなたに'GO'信号の3秒後に'STOP'信号を与えます。3秒以内にターゲットを拾わなかった場合は、箸の先端をホームポジションに持ってきて、次のトライアルを待ちます。10 回の試行を 10 秒間中断して、10 回の試行を実行します。何か質問がありますか?[参加者が持っている質問に答え、その後、慣れ親しんだトライアルに進みます]練習として3つの試練があります。[慣れ親しんだ試験の後、実際の試験に進む]今度は実際の試験を行います。できるだけ早く手を伸ばして迎えに来るようにしなさい。
   5. 聴覚キュー信号のオーディオファイルをコンピュータで再生し、参加者に手掛かりを理解させます。
   6. 3 回の慣れ親しんだ試験を実行します。
   7. 参加者にタスクのパフォーマンスの準備をするように指示します。参加者がタスクパフォーマンス手順を十分に理解していることを確認します。
   8. モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアでモーション キャプチャ記録を開始します。
   9. コンピュータで聴覚キューオーディオファイルを再生します。
   10. 10回の試行を行います。
   11. モーション キャプチャ記録を停止します。
   12. 2分間の休憩を取ります。
8. タスク条件 4 - 小さなターゲット オブジェクトに到達してピックアップします。
   1. 参加者に、主な手(障害のない成人)またはパレティックハンド(脳卒中参加者)で箸を持つように指示します。参加者は、ホームポジションの中央に箸が触れる先端を配置します。参加者に、最初は直立したトランク姿勢を維持するよう依頼します。
   2. タスク条件テンプレート用紙をテーブルの指定された領域に固定します。このタスクでは、ターゲット オブジェクトはエッジ上のプラスチック立方体 0.3 cm です。ターゲットオブジェクトは、ホームポジションの前に20に位置しています。
   3. ターゲットオブジェクトをターゲット領域に配置します。
   4. タスクの手順を説明します。
      1. 「このタスクの目標は、前のタスクと同じです:できるだけ早く箸のペアでプラスチックキューブを手に入れ、拾います。より小さなプラスチックキューブを使用します[ターゲットを示す]。命令は前のタスクと同じです。「GO」の信号が聞こえたら、できるだけ早く箸で立方体を手に取って拾います。何か質問がありますか?[参加者が持っている質問に答え、その後、慣れ親しんだトライアルに進みます]練習として3つの試練があります。[慣れ親しんだ試験の後、実際の試験に進む]今度は実際の試験を行います。できるだけ早く手を伸ばしてタップするようにしてください。
   5. 聴覚キュー信号のオーディオファイルをコンピュータで再生し、参加者に手掛かりを理解させます。
   6. 3 回の慣れ親しんだ試験を実行します。
   7. 参加者にタスクのパフォーマンスの準備を依頼します。参加者がタスクのパフォーマンス手順を十分に理解していることを確認します。
   8. モーション キャプチャ データ取得ソフトウェアでモーション キャプチャ記録を開始します。
   9. コンピュータで聴覚キューオーディオファイルを再生します。
   10. 実際の 10 回の試行を実行します。
   11. モーション キャプチャ記録を停止します。
   12. 2分間の休憩を取ります。
9. オンライン調査プラットフォームを使用して箸を使用するための固有のモチベーションインベントリ(IMI)を実行します。

6. キネマティックデータ解析

1. モーションキャプチャデータ取得ソフトウェアから、以下のランドマークのデータをエクスポートします。X 軸、y 軸、Z 軸の位置データを、各タスク条件のテキスト ファイルとしてエクスポートします。
   箸の先端
   テーブル上のホームポジション
   テーブル上のターゲットの位置
   手
   エルボージョイント
   肩関節(グリーノヒューマル関節)
   トランク(C7)
2. キネマティック データを前処理します。
   1. カスタム プログラミング スクリプトを使用して、キネマティック データを処理します。
   2. 3つのHzのカットオフを用いて3^番目 の注文のバターワースローパスフィルタを使用して、生の位置データをフィルタリングして平滑化します。
   3. 実行する手のx方向、y方向、Z方向の位置の結果を計算します。
3. 各ゴール指向アームリーチの移動の発症とオフセットを決定します。
   1. 到達する移動のオンセットとオフセットを決定するには、実行手の3次元位置の結果から接線速度(位置データの第1導関数)を使用します。
   2. 移動の始まりを、接線速度が 0.01 m/s を超える範囲の最初のフレームとして定義します。
   3. 移動オフセットを、接線速度が 0.01 m/s を超える範囲で、リーチの最後のフレームとして定義します。
   4. 個々の到達運動の発症を検査し、視覚的にオフセットして、発症とオフセットが正しくラベル付けされていることを確認します。
4. ピーク速度を決定します。ピーク速度は、0.2 m/sの振幅を超える試行の最大接線速度振幅として定義され、2つのピーク間の時間間隔は少なくとも2秒¹³でなければなりません。
5. 到達運動の運動学的変数を計算します。
   1. 移動時間 (MD) を計算します。移動のオンセットとオフセット¹³の間の時間差を計算します。
   2. ピーク速度(PV)を計算します。各到達点の間に最高速度を計算します。
   3. ピーク速度(TTPVおよびTTPV%の移動持続時間)に対する絶対および相対時間を計算する¹³.
      1. 移動のオンセットとピーク速度の時間差を計算します(絶対TTPV)。
      2. 移動期間に対する TTPV の割合を計算します (相対的 TTPV)。
   4. ログの無次元ジャークを計算します。
      1. 実行手の3次元位置の結果から3番目の微分を計算し、次に、移動に達する各腕の対数無次元ジャークを計算する。
   5. 目標指向アームが移動^9、14に到達する間のトランク変位を計算する。
      1. トランクの変位を計算します。
         1. 移動の発症とオフセットの間のトランクランドマークの距離差を計算します。次の式を使用します。
            
            ここで、X、Y、Z はそれぞれ x 軸、y 軸、Z 軸の幹目印位置です。1 は、到達する移動の発症時の時間枠です。k は、移動オフセットに到達する時点の時間枠です。
      2. 肩の軌道の長さを計算します。
         1. 腕が動きの発症とオフセットに達するまでの肩のランドマークの移動距離を計算します。肩のランドマークは、上肢スケルトンモデルを使用したモーションキャプチャデータ取得ソフトウェアからデジタル化された仮想ランドマークです。肩軌道の長さの計算には、次の式を使用します。
            
            ここで、X、Y、Z はそれぞれ、x軸、y軸、Z軸の肩のランドマークの位置です。t は時間枠です。t=1 は、到達する移動の発症時の時間枠です。t=k は、到達する移動オフセットのタイム フレームです。

結果

これらの結果は、2人の障害を持たない若年成人と軽度の運動障害を持つ2人の慢性脳卒中生存者からの予備データである(これら2人の参加者のFugl-Meyerスコアは66人中60人を超えていた)。障害のない参加者は右利きで、右手でタスクを実行しました。脳卒中の参加者も脳卒中の前に右利きで、両方とも右半生症でした。彼らはまた、右手でタスクを実行しました。これらの運動学的変数は、ウィ...

ディスカッション

予備的な結果は、このプロトコルが、障害のない成人と慢性脳卒中の生存者の両方で、トランク補償とゴール指向腕がキネマティクスに達するタスクの複雑さの影響を調査するのに適している可能性があることを支持する。

これらの代表的な結果はまた、このプロトコルが、障害のない成人と慢性脳卒中生存者との間の目標指向腕の到達の運動学的差異を決定するのに?...

資料

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