CN109907932A - 一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究的实验系统。包括：前庭刺激用转椅，在实验中向人体提供前庭刺激；上肢运动控制装置，支撑实验中的人体上肢，完成设定上肢运动控制实验任务以及触发同步记录触发装置开始记录信号；高速摄像机，采集实验中人体上肢运动的图像；便携式表面肌电仪，用于采集实验中人体上肢肌肉的表面肌电数据；便携式多导脑电记录仪，用于采集实验中人体的全脑脑电信号；同步记录触发装置，用于同步启动高速摄像机、便携式多导表面肌电记录仪、便携式多导脑电记录仪同步开始数据采集和标记。本发明作为研究前庭刺激对人体运动控制的实验平台，能够解析前庭刺激对人体随意运动控制的影响。

Description

一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统

技术领域

本发明涉及前庭刺激对人体影响研究领域，特别是涉及一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统。

背景技术

随意运动是人体的重要基本能力，正常的随意运动控制能力是人体完成精确动作的基本保证。前庭神经系统是重要的运动感知器官，在运动速度、方向感知、平衡控制及空间导航活动中起着重要作用。临床证据显示外周及中枢前庭神经系统病变的患者会出现姿势控制、步态特征等异常。在航空航天领域，已发现前庭刺激会引起人体随意运动控制改变，随意运动控制异常对乘员工作能力造成重大影响，甚至产生飞行安全隐患。上肢随意运动是人体完成精细操作的主要保证，在人体的日常生活中起着非常重要的作用。因此，揭示前庭刺激对人体随意运动的影响机制对前庭系统疾病患者的临床康复及航空、航天和航海活动中相关防护措施的研究均有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，作为研究定量前庭刺激对人体上肢运动控制影响的实验平台，对解析前庭刺激对人体上肢随意运动控制具有重要的研究意义。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，包括：前庭刺激用转椅、上肢运动控制装置、高速摄像机、便携式多导表面肌电记录仪、便携式多导脑电记录仪以及同步记录触发装置；所述前庭刺激用转椅用于在实验中向人体提供前庭刺激；所述上肢运动控制装置用于支撑实验中的人体上肢，完成设定上肢运动控制实验任务以及触发同步记录触发装置开始记录信号；所述高速摄像机用于采集实验中人体上肢运动的图像；所述便携式多导表面肌电仪用于采集实验中人体上肢肌肉的表面肌电数据；便携式多导脑电记录仪用于采集实验中人体的全脑脑电信号；同步记录触发装置用于同步启动高速摄像机、便携式多导表面肌电记录仪、便携式多导脑电记录仪同步开始数据采集和标记。

可选的，所述前庭刺激用转椅包括电动转椅；所述电动转椅按照设定参数向人体提供定量前庭刺激；设定参数包括转动时间-速度曲线、启动加速度、平台期速度、减速度以及平台期时间。

可选的，所述上肢运动控制装置包括支撑板和运动控制任务设定系统；所述支撑板用于支撑实验中的人体上肢，并为运动控制任务设定系统提供承载及运动控制任务实施场所；所述运动控制任务设定系统用于设定运动控制试验任务，以及用于向所述同步记录触发装置发送任务开始信号；所述运动控制任务设定系统包括动作任务起点自控按钮、动作任务终点指示灯、连接电路以及直流电源；所述直流电源通过连接电路为所述动作任务起点自控按钮以及所述动作任务终点指示灯提供电源。

可选的，所述高速摄像机位于所述指向终点指示灯的正上方。

可选的，所述同步记录触发装置由同步标记电路、与便携式多导表面肌电记录仪连接的电路、与便携式多导脑电记录仪连接的电路以及与高速摄像机连接的电路组成。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明为研究定量前庭刺激对人体上肢运动影响的实验平台，同时采集全脑脑电、多导表面肌电和运动图像数据，通过同步记录触发装置实现脑电、肌电和运动图像的同步标定，从而实现脑电特征、肌电特征和运动学特征的同步分析，对解析前庭刺激对人体上肢随意运动控制具有重要的研究意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例利用前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统进行实验的俯视图；

图2为本发明实施例利用前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统进行实验的侧视图；

图3为本发明实施例各组成部分的功能连接图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，作为定量研究前庭刺激对人体上肢运动影响的实验平台，对解析前庭刺激对人体上肢随意运动控制具有重要的研究意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2以及图3所示，一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，包括：前庭刺激用转椅1、上肢运动控制装置2、高速摄像机3、便携式多导表面肌电记录仪6、便携式多导脑电记录仪5以及同步记录触发装置4。

所述前庭刺激用转椅1用于在实验中向受试者7提供定量前庭刺激。所述前庭刺激用转椅1为电动转椅；所述电动转椅按照设定参数向人体提供定量前庭刺激；设定参数包括转动时间-速度曲线、启动加速度、平台期速度、减速度以及平台期时间。通过对转椅转动时间-速度曲线、启动加速度、平台期速度、减速度、平台期时间的设置对前庭刺激量进行定量设置，用于实验中向人体提供可量化的前庭刺激。

所述上肢运动控制装置2用于支撑实验中的人体上肢，完成设定上肢运动控制实验任务以及触发同步记录触发装置4开始记录信号。所述上肢运动控制装置2包括支撑板以及运动控制任务设定系统；所述支撑板用于支撑实验中的人体上肢，并为运动控制任务设定系统提供承载及运动控制任务实施场所；所述运动控制任务设定系统用于设定运动控制试验任务，以及用于向所述同步记录触发装置4发送任务开始信号；所述运动控制任务设定系统包括动作任务起点自控按钮、动作任务终点指示灯、连接电路以及直流电源；所述直流电源通过连接电路为所述动作任务起点自控按钮以及所述动作任务终点指示灯提供电源。实验中受试者7按下动作任务起点自控按钮，动作任务终点指示灯亮起，主试通过口令下达开始指向任务指令，受试者示指松开动作任务起点自控按钮，动作终点指示灯即刻熄灭，受试者示指指向动作任务终点指示灯所在的位置。动作任务终点指示灯的位置根据研究目的的需求手动放置在不同位置。

所述高速摄像机3用于采集实验中人体上肢运动的图像。所述高速摄像机3可随动作任务终点指示灯的位置对机位进行手动调节，使所述高速摄像机3处于动作任务终点指示灯的正上方，确保对上肢指向任务进行最准确的运动学数据采集。

所述便携式多导表面肌电仪6用于采集实验中人体上肢肌肉的表面肌电数；所述便携式多导脑电记录仪5用于采集实验中人体的全脑脑电数据。

所述同步记录触发装置4分别与所述上肢运动控制装置2、所述高速摄像机3、所述便携式多导表面肌电记录仪6以及便携式多导脑电记录仪5连接。同记录触发装置4的作用是在受试者7松开动作任务起点自控按钮时自动向高速摄像机3、便携式多导表面肌电记录仪6、便携式多导脑电记录仪5发送触发信号对数据进行标记，用于运动控制任务过程中运动学、表面肌电和脑电进行同步分析。所述同步记录触发装置4由同步标记电路、与便携式多导表面肌电记录仪连接的电路、与便携式多导脑电记录仪连接的电路以及与高速摄像机连接的电路组成。同步标记电路与运动控制任务设定系统连接。

实验方案：

(1)实验范式：以指向动作任务作为实验范式来研究前庭刺激对人体上肢运动控制的影响。指向动作任务起点自控按钮位于身体正前方约10厘米处，指向动作终点位于正前方距起点20厘米处。受试者示指指尖每按下起点自控按钮开始指向动作任务，示指之间指向终点位置，然后回到起点为一次指向动作任务试次。指向动作任务由30个试次组成。

(2)数据采集：实验中需要采集的数据有表面肌电、脑电和运动学图像。

1)表面肌电通过ME6000表面肌电仪(Mega Electronic Ltd.，Kuopio，Finland)采集运动手(右手)三角肌、肱二头肌、肱三头肌和肱桡肌的表面肌电；

2)脑电通过32导Ag/AgCl电极帽和NEURO SCAN NuAmps 40放大器(El Paso，Texas，USA)采集32导全脑脑电及4导眼电，电极的安放位置参照国际10-20脑电记录系统。

3)运动学图像通过高速摄像机(JVC，马来西亚)采集指向动作任务中运动手的运动学图像。

(3)前庭刺激参数根据实验目的要求设置转椅转动参数。

(4)实验过程

1)参照图1和图2连接实验设备、对脑电、表面肌电进行采集、参数设置；

2)用酒精棉球对眼电电极和肌电电极拟粘贴位置进行皮肤清洁，受试者就坐于电动转椅，打脑电膏，连粘贴眼电和肌电电极，连接相关线路；

3)根据实验内容对电动转椅进行转动参数设置，设置完毕后启动转椅；

4)下达试验开始口令，受试者开始执行指向动作任务，采集32导脑电(包括)、表面肌电及运动视频数据；指向动作任务结束后储存实验数据，结束实验。

在本实施例指向动作任务中，利用电动转椅对受试者进行前庭刺激，受试者在前庭刺激的过程中进行指动作任务。在指向动作任务中，任务中受试者用手示指按下起点自控按钮后，指示灯点亮，受试者松开按钮后示指尽可能准确地指向指示灯所在的位置。受试者松开启动按钮的时候，指示灯熄灭，同时通过同步记录触发装置分别向高速摄像机、便携式多导表面肌电记录仪和便携式多导脑电记录仪发送标记信息，实现运动学图像、表面肌电、脑电数据同步标记。在数据分析中，借助指示灯和标记情况，可以分别分析指向动作任务启动后上臂各部分的运动轨迹、指向动作的精确程度及时程特点；动作启动后上肢运动控制肌肉的肌电变化规律，以及动作启动前后大脑电位的变化情况。通过上述三个不同层面的数据，经过同步处理后可以根据时间关系分析每次指向动作任务中大脑的决策过程、及其运动指令在上肢肢体传达过程以及上肢运动对运动指令的执行效果，从而实现对前庭对人体运动控制的影响情况进行较为全面的剖析。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明为研究定量前庭刺激对人体上肢运动影响的实验平台，同时采集脑电、肌电和运动图像数据，通过同步记录触发装置实现运动学图像、脑电和肌电的同步记录标记，从而实现运动学、脑电和肌电的同步特征分析，对解析前庭刺激对人体上肢随意运动控制具有重要的研究意义。

本发明在前庭刺激的同时进行指向任务操作并记录运动学评估运动控制任务中的运动速度、运动准确性、运动轨迹等行为学参数；记录表面肌电评估运动控制任务过程中所记录肌肉的肌电的变化情况；记录脑电数据评估运动控制任务中中枢神经系统的决策过程，从而实现在前庭刺激的过程中研究前庭刺激的对人体上肢运动控制实时影响机制的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，其特征在于，包括：前庭刺激用转椅、上肢运动控制装置、高速摄像机、便携式多导表面肌电记录仪、便携式多导脑电记录仪以及同步记录触发装置；所述前庭刺激用转椅用于在实验中向人体提供前庭刺激；所述上肢运动控制装置用于支撑实验中的人体上肢，完成设定上肢运动控制实验任务以及触发同步记录触发装置开始记录信号；所述高速摄像机用于采集实验中人体上肢运动的图像；所述便携式多导表面肌电仪用于采集实验中人体上肢肌肉的表面肌电数据；便携式多导脑电记录仪用于采集实验中人体的全脑脑电信号；同步记录触发装置用于同步启动高速摄像机、便携式多导表面肌电记录仪、便携式多导脑电记录仪同步开始数据采集和标记。

2.根据权利要求1所述的前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，其特征在于，所述前庭刺激用转椅包括电动转椅；所述电动转椅按照设定参数向人体提供定量前庭刺激；设定参数包括转动时间-速度曲线、启动加速度、平台期速度、减速度以及平台期时间。

3.根据权利要求1所述的前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，其特征在于，所述上肢运动控制装置包括支撑板和运动控制任务设定系统；所述支撑板用于支撑实验中的人体上肢，并为运动控制任务设定系统提供承载及运动控制任务实施场所；所述运动控制任务设定系统用于设定运动控制试验任务，以及用于向所述同步记录触发装置发送任务开始信号；所述运动控制任务设定系统包括动作任务起点自控按钮、动作任务终点指示灯、连接电路以及直流电源；所述直流电源通过连接电路为所述动作任务起点自控按钮以及所述动作任务终点指示灯提供电源。

4.根据权利要求1所述的前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，其特征在于，所述高速摄像机位于所述指向终点指示灯的正上方。

5.根据权利要求1所述的前庭刺激影响人体上肢运动控制研究实验系统，其特征在于，所述同步记录触发装置由同步标记电路、与便携式多导表面肌电记录仪连接的电路、与便携式多导脑电记录仪连接的电路以及与高速摄像机连接的电路组成。