用于在虚拟改良的 Box and Block 测试期间定量评估运动和肌肉活动的设置

运动是我们与世界互动的方式。虽然拿起一杯水或步行上班等日常活动可能看起来很简单，但即使是这些运动也依赖于中枢神经系统、肌肉和四肢之间的复杂信号¹。因此，个人独立性和生活质量与个人的肢体功能水平高度相关 ^2,3。神经损伤，如脊髓损伤 （SCI） 或周围神经损伤，可导致永久性运动缺陷，从而削弱一个人执行简单日常生活活动的能力 ^4,5。根据美国国家神经疾病和中风研究所的数据，美国有超过 1 亿人患有运动缺陷，其中中风是主要原因之一 ^6,7,8。由于这些损伤的性质，患者通常需要长期护理，其中定量运动评估和远程治疗可能有益。

目前治疗运动障碍的实践通常需要通过训练有素的专家（如物理或职业治疗师）的观察对功能进行初步和持续的临床评估。经过标准验证的临床测试通常需要训练有素的专业人员进行管理，并有特定的时间限制和预定义运动或功能任务的主观评分。然而，即使在健康个体中，也可以通过不同的关节角度组合来完成相同的运动。这个概念被称为肌肉骨骼冗余。

功能性临床测试通常不考虑受试者间差异背后的个体冗余。对于临床医生和研究人员来说，区分冗余引起的正常变异性和运动的病理变化仍然是一个挑战。由训练有素的评分员进行的标准化临床评估利用低分辨率评分系统来减少评分者之间的差异并提高测试的有效性。然而，这会引入天花板效应，从而降低可能有轻度运动缺陷的受试者的敏感性和预测效度 ^9,10。此外，这些临床测试无法区分缺陷是由被动的身体力学还是主动肌肉协调引起的，这在初始诊断和设计患者特定的康复计划时可能很重要。随机临床试验显示，根据这些临床试验提供的证据制定的治疗计划的疗效不一致 11,12,13。几项研究强调了定量、用户友好的临床指标的必要性，这些指标可用于指导未来干预措施的设计^14,15。

在以前的研究中，我们展示了使用现成的消费级动作捕捉设备在中风后手臂损伤中实施自动运动评估，以及评估乳腺癌患者胸部手术后的肩部功能^16,17。此外，我们已经表明，与关节角度相比，使用主动关节力矩来估计特定主动运动的肌肉力矩是衡量中风后运动缺陷的更敏感指标¹⁸。因此，动作捕捉和表面肌电图 （EMG） 在评估通过标准临床测试诊断为无症状但可能仍出现运动困难、疲劳或疼痛的患者时可能至关重要。本文描述了一个系统，该系统可以在标准临床试验期间对运动进行详细和定量的表征，以便将来开发运动障碍患者群体的家庭评估和康复方法。

虚拟现实 （VR） 可用于构建沉浸式用户体验，同时对日常任务进行建模。通常，VR 系统会跟踪用户的手部动作，以便与虚拟环境进行模拟交互。我们在这里描述的协议使用消费类 VR 产品进行动作捕捉来量化运动缺陷的评估，类似于其他研究表明使用现成的视频游戏控制器对中风或肩部手术后的损伤进行定量评估^16,17。此外，肌电图是肌肉收缩潜在神经活动的非侵入性测量¹⁹。因此，肌电图可用于间接评估运动的神经控制质量，并提供运动功能的详细评估。肌肉和神经损伤可以通过 EMG 检测到，肌肉萎缩症和脑瘫等疾病通常使用这种技术进行监测^20,21。此外，肌电图可用于跟踪肌肉力量或痉挛的变化，这在运动学评估中可能不明显^22,23，以及疲劳和肌肉共激活。诸如此类的指标对于考虑康复进展至关重要 23,24,25。

这里描述的实验范式试图利用 VR 和 EMG 的组合来解决传统临床评估工具的局限性。在这里，参与者被要求使用真实物体和 VR 执行修改后的 Box and Block 任务 （BBT）²⁶ 。标准 BBT 是一种用于大体上肢功能一般评估的临床工具，其中要求受试者在一分钟内将尽可能多的 2.5 cm 块从一个隔室移动到相邻的隔室。虽然通常用于可靠地评估中风或其他神经肌肉疾病（例如，上肢麻痹、痉挛性偏瘫）患者的缺陷，但也报告了 6-89 岁²⁶ 岁的健康儿童和成人的规范数据。虚拟运动评估用于模拟在现实生活中执行的经过验证的临床测试的功能方面。这里使用 VR 来减少所需的硬件，同时允许提供标准化指令和编程、自动评分。因此，不再需要由训练有素的专业人员进行持续监督。

本研究中的 BBT 已被简化为专注于捕捉出现在同一位置的时间到达和抓取一个块。这最大限度地提高了动作的可重复性，并最大限度地减少了记录数据中的受试者间差异。最后，虚拟现实耳机的购买价格低至 300 美元，并且有可能容纳多个评估。一旦编程，这将显着降低与典型专业评估相关的成本，并允许在临床和远程/家庭环境中增加这些标准的、经过验证的临床试验的可及性。