抓握操作的多模式感知运动控制及在阿尔兹海默病早期诊断中的应用

发布时间：2020-11-12 22:41

　　 手的抓握运动在人们日常生活中占据重要作用。近年来抓握操作的感觉运动控制分析方法不断进步,主要集中于单一因素(大小,形状,重量等因素)的感觉运动控制,而对于视觉和触觉的多模式感知运动控制的研究相对较少。并且当今社会随着人口老龄化形式愈发严重,阿尔兹海默病(AD)的发病率也逐年上升,AD会造成不同程度的手功能运动障碍,在临床上对AD早期的诊断多集中于问卷调查,未能很好的预防该疾病的发生。因此,本论文的目的是研究视觉和触觉的多模式感知条件下大脑对手功能的运动控制、镜面系统下伸手抓取运动控制以及AD患者三在维空间中伸手抓握运动学研究,发现了多感知条件下手运动的控制模式,对临床上AD的早期诊断和评估提供量化的行为学参数,具有重要意义。本文主要完成以下工作:1.镜面系统下伸手抓取运动学研究。手的运动控制需要整合环境因素、任务要求和人体的感觉信息。手的运动速度和协调性是衡量在不同的环境、任务以及感觉信息传入情况下的运动学信号。本研究设计了镜面系统下的伸手抓取运动学实验,主要包含三种实验环境:(1)在无镜面条件下抓握真实物体,(2)在镜面条件下抓握真实物体——在物体镜像处放置真实物体,(3)在镜面条件下抓握虚拟物体——在物体镜像处不放置真实物体。然后将速度进行时间归一化,即将一个抓握周期重采样为1至100—共100个数据点。后续对比归一化之后三种实验条件速度之间的差异性。结果表明物体的高度,真实和虚拟以及手的视觉反馈对手的运动速度都产生显著差异性(P0.05)。同时,在对运动协调性方面发现在有视觉反馈情况下随着物体的高度的增加,运动协调性呈现负相关;在视觉反馈下,抓握相对较高的物体时,运动协调性最差。2.多感知条件下抓握倾倒一杯水的运动学研究。感觉系统是人们够物抓握操纵过程中的一个必不可少的成分。本研究中通过改变物体的视觉信息和触觉信息来探究左右手分别抓握倾倒一杯水时多感知融合下的运动控制。首先,视觉和触觉反馈的控制分别通过量杯的种类和液体的体积(200 ml VS 400 ml)来实现的。其次,根据抓握任务和时刻点将整个过程划分为四个阶段:抓握阶段、上提阶段、倒水阶段和回放阶段。并计算了每个阶段的持续时间,以及上升阶段、倒水阶段和回放阶段量杯偏转角度曲线的拟合斜率。结果发现在上升阶段和倒水阶段的持续时间随着液体质量的增加呈现正相关。同时,在抓握操作较重的量杯时(400 ml),上升阶段和倒水阶段的斜率值在左右手之间存在显著差异性(P0.05),呈现左手的斜率值小于右手的趋势。物体的视觉反馈仅仅影响了上升阶段左手量杯偏转曲线的斜率值(p0.05)。然而,够物、回放阶段的持续时间,以及回放阶段的斜率值在各因素之间没有显著差异性。3.基于三维空间伸手抓取运动特征计算的AD早期诊断方法研究。AD患者的记忆功能降低以及视空间技能损害,出现手运动功能缺陷。抓握的准确性、精准度和变化性,以及手运动的平滑性能够很好的评估手功能运动。本实验设计了AD三维空间的伸手抓取实验,采集了抓取过程中手的空间坐标。运动学参数包括:X、Y和Z方向上的位置和准确性,相对虚拟标记点的精准度和变化性,以及整个抓握周期中手的运动平滑度(spectral arc length,SPARC)。差异性结果表明:在X和Y方向上的位置对照组和健康组之间有显著差异性(P0.05);健康者抓握的精准度明显高于患者,主要体现在X方向。同时,患者在抓握过程中拇指和食指确定的接触点与虚拟目标点的变化性显著增大。在对手运动平滑性分析中发现,患者组与对照组的差异性主要体现在无视觉条件下。这些结果反映AD降低抓握的准确性、精准度,并加大了运动的变化性,并使得运动平滑性降低,从而导致了AD患者手功能降低。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R749.16
【部分图文】：

Ｖ［ｋ］＝（２．４ｖ［ｏ］??４、选择截止频率：??Ｋ?ｃ?＝?ｍ?ｉｎ?｛?Ｋ?，?ｍ?ｉｎ?｛?Ｋ?｜ｖ?［ｒ］?＜?Ｖ?Ｖ?ｒ?＞?Ｋ?｝?｝?（２５）??其中ＫＣ是上限Ｋ厂内的离散傅里叶变换的指数，幅度谱值小于了，??Ｋ厂是截止频率上界所对应的指标。??５、根据公式２．６和２．７计算平滑度??Ｋｒ－１?Ｉ?ｊ??ＳＰＡＲＣ?＝?－?Ｖ?／（?）２?＋?（Ａ?Ｖ［ｋ］）２?（２－６）??Ｉｔ，?Ｖ?Ｋｃ?－＞??ＡＶ［ｋ］?＝?Ｖ［ｋ］－?Ｖ［ｋ－?１］，?ｋ?ｅ?｛１，２，．．．．．．Ｋ－?１｝?（２．７）??如图２．１所示，以无视觉条件为例，根据上述计算方法计算了?ＡＤ患者和??健康者在每个周期的ＳＰＡＲＣ的参数值。??（ａ）健康受试者?［ＳＰＡＲＣ：－３．６７?－３．１９?－４．４５?－２．９６?－３．７５?］??

（或者是运动系统自身）中物体的表现形式，从而改善未来的控制和中操作过程是抓握目标量杯并举起，将目标量杯中的液体倒入制定标量杯放回起始位置，根据上述理论，我们将从抓握开始到目标量为四个子任务，分别是：抓握阶段、上提阶段、倒水阶段和回放阶杯偏转角度的计算及曲线拟合??研究中，量杯和水平面呈一条直线的状态定义为〇°，随着量杯被举，弯曲角度逐渐变大。量杯的偏转角度通过量杯顶面的法向量和桌进行计算。如图２．２所示，在一个抓握操作周期内的量杯弯曲角度分表示了抓握的完整阶段，在此阶段①时刻作为手指运动的起始时为量杯被举起的时刻，③时刻作为开始倒水的时刻，④时刻作为倒点作为量杯放回桌面时刻，五个时刻的定义在第三章中会具体介中，②－③之间、③－④之间和④－⑤之间的弯曲曲线用一次函数进行的斜率分别为：ａ、ｐ和丫。时间和速度参数定义如表２．１所示。??１４０＇（ｇ）??

?２．２．２阶段划分和持续时间定义??本研宄中的抓握阶段划分和持续时间定义如图２．３所示。??…广—?．ｆ尺骨苹突标记点速度大Ｔ５ｍｍ／ｓ，??Ｍ?働■?＂并持续２００咖以上??抓握阶段???ＬＩ?｜定义Ｍ杯虚拟标记点速度大于阈值￣＇??ｐ］?一５ｎｉｍ／ｓ，并保持２００ｉｍ以上??Ｉ．提阶段???Ｕ￣￣編乂靜、￣￣丨定义ｊ?Ｙ方向曲线纾数为零，并１ＬＹ坐’????ＦＩ?％标第次大于０．２２〇１１的时刻点??例水阶段???Ｍ?抑上．｜定义从例水幵始后，Ｙ方向导数为零’??Ｍ?１娜娜?Ｉ?ＨＹ坐标敁小的时刻点?????＼?！?ｙ??Ｍ放阶段???ｌ?Ａ丨淀义撤杯虚拟标记点速度小于闲值??—祕１＂職冰［－－?５＿／ｓ，并保持２００ｉｍ以上??Ｖ?ｙ??（实－验结束）??图２．３抓握阶段划分和持续时间定义图??表２．１实验参数及其定义??实验参数?参数定义??￣ＧＴ?抓握阶段运动持续时间??ＬＴ?上提阶段运动持续时间??ＰＴ?倒水阶段运动持续时间??ＲＴ?回放阶段运动持续时间??ａ?上提阶段量杯偏转角度曲线拟合斜率??Ｐ?倒水阶段量杯偏转角度曲线拟合斜率??ｙ?回放阶段量杯偏转角度曲线拟合斜率???２．３运动调和性（Ｍｏｖｅｍｅｎｔ?Ｈａｒｍｏｎｉｃｉｔｙ?－?ＭＨ）参数的计算??提取抓握中点对点的来回运动，并根据位置曲线求取对应的速度曲线，绘??制位置速度曲线，如图２．４所示。下一步，将这类椭圆的周长与面积之比（实??际测量值）与真实椭圆周长与面积之比联系起来
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本文编号：2881327