经颅磁刺激对手指活动模式影响的初步研究

摘要

人类完成复杂、灵巧的动作依赖于手指之间的协同配合，其活动模式的内在神经调控机理是运动生理学、康复医学、神经科学、人-机工程学共同关注的科学问题。本课题以经颅磁刺激(TMS)、运动跟踪为技术手段，在手指协同动作过程中，给予大脑皮层运动区施加磁刺激，研究各手指运动学的变化规律，进而探讨TMS对手指活动模式的影响。研究结果不仅有助于认识人类复杂运动机能的神经调控过程，为运动功能康复训练和运动功能评价提供理论依据，还可以为仿生机械手的设计提供理论模型。
　　 本文的工作包括指力检测实验系统的设计，TMS对手部握力影响的实验设计以及TMS对指力影响的实验设计。指力检测实验系统包括硬件装置和实验软件部分；其中硬件装置又包括指力检测装置和脉冲磁场的检测电路。指力检测装置由测力传感器、放大滤波电路和数据采集卡构成，实现了对指力信号的提取、放大和模数转换功能。脉冲磁场检测电路，实现了对磁刺激线圈产生的脉冲磁场的同步记录，以确定TMS指力实验中手指力量变化的起始时间。系统软件是基于LabVIEW虚拟仪器开发平台完成的，实现实时准确地采集及存储脉冲磁场信号及指力信号。
　　 握力是评价手部运动机能的一个重要参数，设计了基于TMS的手部握力实验。受试者在20％、30％、40％最大随意收缩力量(MVC)三种力量水平下握住传感器，分别给予100％、110％、120％阈值(MT)强度的刺激，研究在不同刺激强度和不同背景握力的条件下，TMS前后手部握力大小及力量恢复时间的变化情况。握力实验结果表明，握力大小的峰峰值与背景握力、刺激强度均呈正相关；握力大小的负峰值及恢复时间只有在较大力量水平时，才与刺激强度正相关，在较大刺激强度时，与力量水平正相关；握力波形的正峰值在相同的背景握力下，与刺激强度呈正相关，当刺激强度一定时，与背景握力大小无明显关系。
　　 为了进一步观察TMS对于每个手指力量变化大小及变化快慢的影响，设计了基于TMS的指力实验。设置15％MVC，25％MVC，35％MVC三种力量水平，以及食指单独作用、中指单独作用、食指和中指、除拇指外的四个手指共同作用四种手指模式，以120％MT的磁刺激强度给予刺激，研究在不同手指模式、不同力量水平下TMS对各手指力量变化的潜伏时间以及力量变化幅值大小的影响。指力试验结果表明，手指对TMS响应的潜伏时间与手指活动状态和手指自身有关，表现为单个手指作用时，任务手指的潜伏时间最短，与其临近的手指随后变化；在四个手指共同作用下，各手指的时间快慢依次食指快于中指快于无名指快于小指。手指对于TMS响应的力量变化大小与各手指的活动状态及独立性有关。表现为单个手指或两个手指作用时，任务手指的力量变化比较小，而非任务手指力量变化大；四个手指共同作用模式下，食指力量变化最小，无名指力量变化最大。任务手指的力量变化大小与力量水平呈负相关，即随着背景力量的增大而减小。不同的手指模式只对中指有影响，对食指无显著影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪 论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3国内外研究现状

1.4课题研究目的及内容

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

2理论基础

2.1运动控制的生理基础

2.1.1运动皮层与运动的执行

2.1.2运动通路的组构

2.1.3运动单位

2.1.4随意运动的产生与协调

2.2磁刺激运动诱发电位的相关理论

2.2.1磁刺激的物理原理

2.2.2刺激参数

3指力检测实验系统

3.1实验系统结构及设计内容

3.2指力检测硬件装置的设计

3.2.1测力传感器

3.2.2指力检测装置的设计与加工

3.2.3放大滤波电路

3.2.4脉冲磁场检测电路

3.2.5数据采集卡

3.3指力反馈软件

3.3.1设计要求及解决思路

3.3.2功能函数介绍

3.3.3程序设计框图

4磁刺激对握力影响机理的实验研究

4.1概述

4.2实验方法

4.2.1实验对象

4.2.2实验器材及装置

4.2.3实验方法及步骤

4.2.4数据处理

4.3结果和分析

4.3.1恢复时间与背景力量、刺激强度的关系

4.3.2握力变化的峰峰值与背景力量、刺激强度的关系

4.3.3握力变化的正峰值与背景力量、刺激强度的关系

4.3.4握力变化的负峰值与背景力量、刺激强度的关系

4.4讨论

4.5实验小结

5磁刺激对指力的影响的实验研究

5.1概述

5.2实验方法

5.2.1实验对象

5.2.2实验器材及装置

5.2.3实验方法及步骤

5.2.4数据处理

5.3结果和分析

5.3.1 TMS对手指潜伏时间的影响

5.3.2力量水平对手指潜伏时间的影响

5.3.3手指模式对潜伏时间的影响

5.3.4 TMS对手指的力量的影响

5.3.5力量水平对手指力量变化的影响

5.3.6手指模式对手指力量变化的影响

5.4讨论

5.5实验小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

致 谢

参考文献

附 录