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臨床手部評(píng)估用測(cè)角手套
來(lái)源:薄膜壓力傳感器壓力分布 | 發(fā)布時(shí)間:2019/8/2 10:21:48 | 瀏覽次數(shù)：
傳感器手套 右手手套（中等尺寸）由可伸縮等級(jí)的Lycra®定制而成。在手背側(cè)，將兩層Lyrca®縫合在一起，以便將傳感器插入兩層之間（圖1）。改良2后，在掌骨（MCP）和近端指間關(guān)節(jié)（PIP）的背側(cè)放置10個(gè)2''傳感器。對(duì)于拇指，傳感器被放置在MCP和指間關(guān)節(jié)（IP）上。近端傳感器的末端可以與遠(yuǎn)端傳感器重疊，這樣可以將傳感器最佳地放置在MCP和PIP關(guān)節(jié)上（圖1c）。為確保傳感器不會(huì)離開(kāi)其位置，將其縫合在手套的近端（圖1a、b和c中的箭頭）。外展（ABD）傳感器由來(lái)自同一制造商的四個(gè)1英寸傳感器組成，放置在食指中間、中環(huán)和無(wú)名小指之間的半圓配置中（圖1b）。如果兩個(gè)手指被外展，傳感器的固定端被拉開(kāi)，導(dǎo)致彎曲半徑增大，從而降低傳感器電阻。拇指指數(shù)外展傳感器固定在拇指和食指之間的手套材料上。 圖1：帶有14個(gè)傳感器的手套，用于測(cè)量彎曲和外展運(yùn)動(dòng)。（a）手套頂視圖。改良2后的10個(gè)傳感器被放置在掌骨（MCP）和近端指間關(guān)節(jié)（PIP）的背側(cè)。對(duì)于拇指，傳感器被放置在MCP和指間關(guān)節(jié)（IP）上。為了確保傳感器不會(huì)離開(kāi)它們的位置，它們被固定在手套的一端（黑色箭頭）。黑色短矩形表示外展傳感器的俯視圖。（b）手套前視圖（T表示拇指，I表示食指，M表示中指，R表示無(wú)名指，L表示小指）。四個(gè)外展（ABD）傳感器被置于食指中間、中環(huán)和無(wú)名小指之間的半圓形結(jié)構(gòu)中。拇指指數(shù)外展傳感器固定在拇指和食指之間的手套材料上。（c）從手指中間切開(kāi)。在手的背面，兩層Lyrca®被縫合在一起，這樣傳感器就可以插入兩層之間。近端傳感器的末端可以與遠(yuǎn)端傳感器重疊，這樣可以將傳感器放置在MCP和PIP關(guān)節(jié)上。（d）戴手套的中等大小手的受試者的圖像。 為了驗(yàn)證傳感器的線性，在3名受試者中評(píng)估了手套中傳感器的校準(zhǔn)曲線。兩名受試者的手大小為中到大（相當(dāng)于7.5號(hào)），而第三名受試者的手大小為小（相當(dāng)于6號(hào)）。將測(cè)角儀（1°分辨率）調(diào)整為0、15、30、45、60、75和90°（拇指?jìng)鞲衅髯畲?0°），并放置在每個(gè)關(guān)節(jié)的背側(cè)。當(dāng)關(guān)節(jié)保持恒定角度時(shí)，記錄阻力。對(duì)于外展傳感器，受試者將平手放在一張桌子上，標(biāo)記角度為0、5、10、15、20、25和30°。對(duì)每個(gè)受試者重復(fù)此程序三次，并將平均值用于校準(zhǔn)曲線。 傳感器信號(hào)調(diào)節(jié) 傳感器電纜（厚度0.15 m m；長(zhǎng)度1.5 m）插入物理分離的空調(diào)單元。調(diào)節(jié)單元由14個(gè)增益可調(diào)的放大器電路組成。修改后的傳感器2用作非反轉(zhuǎn)放大器的反饋電阻，從而使電阻變化（rsensor，new）和放大器輸出電壓之間存在線性關(guān)系（圖2）。14個(gè)放大器的電壓是模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換為12位，由商用A/D卡（Labjack U3，Labjack Corporation，Lakewood，Co，USA）轉(zhuǎn)換，并通過(guò)USB輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)。傳感器信號(hào)在50赫茲采樣，并通過(guò)定制開(kāi)發(fā)的Java軟件寫(xiě)入數(shù)據(jù)文件。傳感器分辨率約為0.1°，可以通過(guò)更靈活的調(diào)節(jié)設(shè)置進(jìn)一步提高，例如，允許對(duì)每個(gè)放大電路進(jìn)行單獨(dú)的輸入電壓自適應(yīng)。此外，還提供了傳感器信號(hào)的類似輸出。 圖2：將傳感器電阻變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)的調(diào)節(jié)電路。在非反向放大器的反饋路徑中插入經(jīng)過(guò)修改的傳感器2，從而使電阻變化與放大器輸出電壓之間存在線性關(guān)系。在恒定輸入電壓uin下的轉(zhuǎn)換增益可以通過(guò)電位計(jì)r進(jìn)行調(diào)整。14個(gè)放大器的電壓通過(guò)市售A/D卡以12位轉(zhuǎn)換為A/D，并通過(guò)USB輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)。 重復(fù)性測(cè)量 由于修改后的線性傳感器特性2，傳感器信號(hào)與C之間的關(guān)系 由于修改2后的線性傳感器特性，傳感器信號(hào)與相應(yīng)彎曲角度之間的關(guān)系由每個(gè)傳感器的絕對(duì)最大和最小信號(hào)值確定。受試者采用不同的手部姿勢(shì)（平手，手指外展最小，拳頭和平手，手指外展最大）從3個(gè)10秒記錄中獲得最小和最大值。最小值與0°相關(guān)，而最大值與解剖確定的每個(gè)關(guān)節(jié)最大彎曲角度相關(guān)（Beers和Berkow，1999年）。我們排除了傳感器手套限制手指最大彎曲角度的可能性，要求兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的理療師測(cè)量食指MCP和PIP關(guān)節(jié)在一個(gè)受試者戴上或不戴手套的情況下的運(yùn)動(dòng)范圍。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)差異，表明校準(zhǔn)程序沒(méi)有受到傳感器手套的影響。 在5名受試者（3名男性和2名女性）中進(jìn)行了4次重復(fù)性試驗(yàn)，與前面描述的試驗(yàn)類似（Wise等人，1990年）：為每個(gè)受試者制作了石膏模，以確保試驗(yàn)A和B中的指關(guān)節(jié)能夠始終放置在同一位置。受試者被要求通過(guò)拇指與其他手指相對(duì)擠壓模型塊來(lái)創(chuàng)造一個(gè)圓柱形物體。當(dāng)質(zhì)量變硬（~20分鐘）后，握持姿勢(shì)可以重復(fù)相同。因?yàn)檠芯勘砻魑樟?huì)影響測(cè)試精度，所以我們遵循Dipietro及其同事的建議，指導(dǎo)受試者盡可能地用較小的力握持模具（Dipietro等人，2003年）。 測(cè)試A：模具夾持和手套之間的數(shù)據(jù)采集 本試驗(yàn)旨在量化大致圓柱形握持姿勢(shì)的重復(fù)性。受試者的手最初是平放在桌子上的。在發(fā)出通電信號(hào)后，受試者緊握石膏模，直到6秒后數(shù)據(jù)記錄停止。然后，手回到平坦位置，開(kāi)始下一次試驗(yàn)。記錄了10個(gè)試塊，每個(gè)試塊由10個(gè)試驗(yàn)組成。受試者沒(méi)有摘下墊塊之間的手套。 測(cè)試B：數(shù)據(jù)采集之間的模具夾持和手套關(guān)閉 測(cè)試B類似于測(cè)試A，只是手套在每一塊之前被取下并重新戴上。在此，對(duì)穿脫的影響進(jìn)行了量化。 測(cè)試C：數(shù)據(jù)采集之間的平手和手套 為了評(píng)估中立位置的一致性，受試者將他們的平手放在一張桌子上，手指位置標(biāo)記。在發(fā)出“走”信號(hào)后，受試者進(jìn)行了所有手指的彎曲運(yùn)動(dòng)，并在~3 s后恢復(fù)到平手位置。記錄在6 s后停止。同樣，記錄了10個(gè)由10個(gè)試驗(yàn)組成的塊，每個(gè)試驗(yàn)各10個(gè)。 測(cè)試D：數(shù)據(jù)采集之間的平手和手套關(guān)閉 這項(xiàng)測(cè)試類似于測(cè)試C，只是手套在每個(gè)擋塊之前被取下并重新戴上。 用戶調(diào)查表 根據(jù)Simone及其同事改編的用戶問(wèn)卷（表1），對(duì)手套操作和佩戴舒適性的反饋進(jìn)行評(píng)估（Simone等人，2007年）。每一個(gè)項(xiàng)目由10名受試者按從1（強(qiáng)烈不同意）到7（強(qiáng)烈同意）的范圍進(jìn)行評(píng)判。 統(tǒng)計(jì)分析 回歸分析后，r2值作為校準(zhǔn)曲線的線性測(cè)量。為了進(jìn)行重復(fù)性分析，每個(gè)試驗(yàn)的最后20個(gè)樣本進(jìn)行平均，以將數(shù)據(jù)減少到14個(gè)代表試驗(yàn)結(jié)束姿勢(shì)的靜態(tài)關(guān)節(jié)角度。如前所述（Dipietro等人，2003年），每個(gè)試驗(yàn)的100次試驗(yàn)可表示為三維矩陣xijk，其中i=1…10表示第i次試驗(yàn)，j=1…10表示第j個(gè)試塊，k=1…14表示第k個(gè)傳感器。重復(fù)性測(cè)量的準(zhǔn)確度被量化為范圍（范圍）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（sd）（Dipietro等人，2003年；Simone等人，2007年）。對(duì)于每個(gè)重復(fù)性試驗(yàn)和每個(gè)受試者，范圍計(jì)算如下： 計(jì)算sd為xjk值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。關(guān)節(jié)或受試者的標(biāo)準(zhǔn)差和范圍值平均。 通過(guò)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICCS）評(píng)估每個(gè)測(cè)試中測(cè)量值之間的可靠性。通過(guò)從每名受試者隨機(jī)選擇的兩個(gè)試塊中隨機(jī)選擇兩個(gè)試驗(yàn)，計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)的ICC值。計(jì)算了兩個(gè)試驗(yàn)中最后20個(gè)樣本的平均角度。然后，將來(lái)自所有受試者的每個(gè)關(guān)節(jié)的角度對(duì)匯集在一起，計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的ICC（Shrout和Fleiss，1979）。ICC的計(jì)算是基于受試者之間和受試者內(nèi)部差異的比較，其中受試者內(nèi)部差異反映了測(cè)量誤差。如果受試者內(nèi)方差較低，ICC接近1，測(cè)量結(jié)果被認(rèn)為是可靠的。相反，如果ICC接近0，方差的很大一部分i 單因素方差分析用于比較校準(zhǔn)后受試者之間的r2值。所有數(shù)值均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)值。 結(jié)果-傳感器評(píng)估 傳感器階躍響應(yīng) 為了評(píng)估傳感器信號(hào)的穩(wěn)定性，如圖3a所示，將傳感器連接到手動(dòng)角度計(jì)上。在40 s的彎曲過(guò)程中測(cè)試了6個(gè)傳感器（灰色線表示每個(gè)傳感器3個(gè)測(cè)量周期的平均值；黑色線表示傳感器之間的平均值）。t5時(shí)，所有傳感器的電阻持續(xù)下降6.3±1.4%（見(jiàn)圖3b的左上面板和T1-T4時(shí)的平均衰減百分比）。六個(gè)傳感器中的三個(gè)在58分鐘的彎曲過(guò)程中被額外監(jiān)控。結(jié)果表明，抗藥性繼續(xù)下降約30分鐘（T8），然后保持相對(duì)穩(wěn)定。測(cè)量結(jié)束時(shí)，彎曲50分鐘后（t10），平均衰減為16.8±4.9%（圖3b，右上面板）。 修改1后，t5（圖3b，左下面板）處的傳感器電阻下降了-1.0±0.8%，比原來(lái)的傳感器低了6倍。此外，六個(gè)傳感器中的三個(gè)電阻保持穩(wěn)定（-1.9±1.0%），直到階躍響應(yīng)后50分鐘（t10）的最后一次測(cè)量（圖3b，右下面板）。所有時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果顯示在圖3的相應(yīng)面板中。因此，通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的修改，可以消除電阻式彎曲傳感器用于可靠測(cè)量手指運(yùn)動(dòng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)。電阻式彎曲傳感器的第二個(gè)不需要的特性非線性行為通過(guò)修改2得到補(bǔ)償。 圖3：傳感器修改前后的傳感器特性變化。（a）裝有傳感器的測(cè)角儀。通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)角儀的元件，傳感器可以彎曲到任何需要的角度。（b）在6個(gè)傳感器（灰色線表示每個(gè)傳感器三次測(cè)量中的平均值；黑色線表示所有傳感器的平均值）中，在彎曲至約60°的40 s期間（左上面板）和（左下面板）修改1后記錄傳感器電阻的變化。六個(gè)傳感器中的三個(gè)在修改前（右上面板）和修改后（右下面板）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件持續(xù)60分鐘。分別顯示T1-T5和T6-T10的平均衰減值。在這兩種情況下，修改1都大大減少了階躍功能后傳感器電阻的衰減。（c）傳感器電阻變化與彎曲角度（校準(zhǔn)曲線）之間的關(guān)系，取決于修改1后平行于傳感器放置的電阻值。為了進(jìn)行比較，每個(gè)校準(zhǔn)曲線的最大電阻與1相關(guān)，最小電阻與0相關(guān)。黑色表示經(jīng)驗(yàn)確定的校準(zhǔn)曲線，而灰色表示基于校準(zhǔn)曲線的模擬，沒(méi)有平行電阻（rparallel=∞，點(diǎn)黑線）。根據(jù)子集中的r2值進(jìn)行量化，校準(zhǔn)曲線的線性度最好，并聯(lián)電阻在15kΩ和20kΩ之間。實(shí)施時(shí)，電阻值為18 kΩ（實(shí)心黑線）（修改件2）。 傳感器線性 在改進(jìn)1的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器的線性度進(jìn)行了評(píng)估和增強(qiáng)。如圖3c所示，通過(guò)將一個(gè)電阻平行于傳感器（修改件2）來(lái)修改校準(zhǔn)曲線的形狀。根據(jù)無(wú)平行R的傳感器的校準(zhǔn)曲線，計(jì)算出獲得線性關(guān)系的平行電阻的最佳值。電阻（圖3c，黑色虛線）。平行于傳感器放置的不同電阻值（1、5、10、15、20、50和200 kO）的數(shù)值模擬產(chǎn)生了校準(zhǔn)曲線如何改變其形狀的預(yù)測(cè)（圖3c，灰色細(xì)線）。模擬校準(zhǔn)曲線的電阻值，最高的r2值，因此最佳線性在15-20 kΩ范圍內(nèi)。圖3c的子集中顯示了一個(gè)完整的r2值列表（灰色條表示模擬校準(zhǔn)曲線的r2值；黑色條表示經(jīng)驗(yàn)性確定的校準(zhǔn)曲線的r2值）。為了實(shí)現(xiàn)此功能，將一個(gè)值為18 kΩ的電阻平行于傳感器放置，并且確定了新的經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)曲線（圖3c，實(shí)心黑線；r2=0.9975）。對(duì)于外展傳感器，類似地選擇了47 kΩ的電阻值。 由于在不同半徑彎曲時(shí)傳感器的校準(zhǔn)曲線會(huì)發(fā)生變化（Simone和Kamper，2005年），手套中嵌入的14個(gè)傳感器在不同手尺寸的受試者中的線性可能會(huì)有所不同。為了解決這一點(diǎn)，所有的傳感器都在兩名男性受試者中手動(dòng)校準(zhǔn)，一名女性受試者中手動(dòng)校準(zhǔn)，另一名女性受試者的手則較小。對(duì)于每個(gè)受試者，完成該程序需要約30分鐘。所有受試者的平均r2值在0.9855到0.9980之間，總平均值為0。由于在不同半徑彎曲時(shí)傳感器的校準(zhǔn)曲線會(huì)發(fā)生變化（Simone和Kamper，2005年），手套中嵌入的14個(gè)傳感器在不同手尺寸的受試者中的線性可能會(huì)有所不同。為了解決這一點(diǎn)，所有的傳感器都在兩名男性受試者中手動(dòng)校準(zhǔn)，一名女性受試者中手動(dòng)校準(zhǔn)，另一名女性受試者的手則較小。對(duì)于每個(gè)受試者，完成該程序需要約30分鐘。所有受試者的平均r2值在0.9855到0.9980之間，總平均值為0.9915±0.0031，表明線性度很高。四個(gè)關(guān)節(jié)的示例如圖4a所示（顯示的r2值表示受試者的平均值）。小手掌尺寸女性受試者（0.9881±0.0086）關(guān)節(jié)處的平均r2值較大手掌尺寸男性受試者（分別為0.9942±0.0058和0.9921±0.0064）稍小，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（方差分析，F(xiàn)=2.78，P=0.07）。因此，修改2后的線性度僅受不同手尺寸的輕微影響。為了獲得絕對(duì)最佳的特性，可以對(duì)為小手和大手制造的手套的修改參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 圖4：手套內(nèi)置傳感器（修改后2）的線性度。（a）三名受試者中四個(gè)典型關(guān)節(jié)的三條經(jīng)經(jīng)驗(yàn)確定的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)曲線的平均值。受試者顯示的平均r2值接近1，表明線性度很高。在一名受試者中，另外測(cè)量了-15°的超延伸。結(jié)果表明，在超拉伸過(guò)程中，傳感器與電流修正參數(shù)之間沒(méi)有保持線性關(guān)系。（b）但是，我們重復(fù)了優(yōu)化程序，使用一個(gè)0.1 mm厚的塑料箔（修改件1）和一個(gè)并聯(lián)電阻為1 kΩ（修改件2），安裝在一個(gè)試驗(yàn)對(duì)象的原型手套中。我們發(fā)現(xiàn)線性維持在30°超延伸到90°的范圍內(nèi)。因此，通過(guò)優(yōu)化修改參數(shù)，可以解決電阻式彎曲傳感器的一般缺點(diǎn)。給出了拇指IP和索引MCP傳感器的示例。 電阻式彎曲傳感器的一個(gè)普遍缺點(diǎn)是當(dāng)向相反方向彎曲時(shí)會(huì)突然失去靈敏度，例如測(cè)量掌指骨超伸所需的靈敏度。為了解決當(dāng)反方向彎曲時(shí)，修改如何影響傳感器靈敏度的問(wèn)題，我們?cè)谝粋�(gè)受試者身上測(cè)量了MCP（拇指IP）關(guān)節(jié)的超伸（-15°）。如圖4a所示，對(duì)于超伸展運(yùn)動(dòng)，靈敏度降低，傳感器的線性關(guān)系沒(méi)有保留。但是，我們重復(fù)了優(yōu)化過(guò)程，在一個(gè)主題中，使用一個(gè)0.1 mm厚的塑料薄膜（修改件1）和一個(gè)1 kΩ的模擬并聯(lián)電阻（修改件2）安裝在原型手套中。我們發(fā)現(xiàn)，在這些參數(shù)（所有MCP和IP關(guān)節(jié)的平均r2為0.9965±0.0048，示例見(jiàn)圖4b）內(nèi)，MCP（拇指）關(guān)節(jié)的線性維持在30°超伸至90°彎曲范圍內(nèi)（IP和60°最大彎曲）。因此，我們的改進(jìn)概念能夠解決電阻式彎曲傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)。據(jù)我們所知，這是第一次證明人類手指運(yùn)動(dòng)的整個(gè)范圍可以用線性化電阻彎曲傳感器來(lái)測(cè)量。因?yàn)槲覀冊(cè)谀壳暗难芯恐袥](méi)有測(cè)量過(guò)超伸展運(yùn)動(dòng)，所以目前的結(jié)果沒(méi)有被破壞。在未來(lái)，將構(gòu)建和使用具有這些最佳修改參數(shù)的傳感器手套。到目前為止，我們可以證明，傳感器的改進(jìn)提高了傳感器的特性，這是可靠測(cè)量人類手指運(yùn)動(dòng)的先決條件。在下一步中，我們量化了傳感器手套的重復(fù)性和可靠性。 重復(fù)性和可靠性 使用每個(gè)關(guān)節(jié)的最大和最小傳感器值校準(zhǔn)手套，不包括掌指間關(guān)節(jié)的過(guò)度伸展（拇指指間關(guān)節(jié)）。校準(zhǔn)是必要的，以調(diào)整傳感器范圍到不同的手大小。在三個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)，最小值和最大值都是穩(wěn)定的（數(shù)據(jù)未顯示），這表明手套很好地貼在受試者的手上，并且在校準(zhǔn)過(guò)程中沒(méi)有移動(dòng)。 圖5a說(shuō)明了主要的試驗(yàn)安排。在試驗(yàn)A和B（左圖）中，對(duì)大致圓柱形握持姿勢(shì)的重復(fù)性進(jìn)行了量化。受試者的手最初是平放在桌子上的。在一個(gè)行動(dòng)信號(hào)后，受試者緊緊抓住石膏模。數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后，將手放回平坦位置，開(kāi)始下一次試驗(yàn)。在測(cè)試C和D中評(píng)估中性平手位置的一致性（圖5a，右圖）。獲得的典型傳感器讀數(shù)f重復(fù)性和可靠性 使用每個(gè)關(guān)節(jié)的最大和最小傳感器值校準(zhǔn)手套，不包括掌指間關(guān)節(jié)的過(guò)度伸展（拇指指間關(guān)節(jié)）。校準(zhǔn)是必要的，以調(diào)整傳感器范圍到不同的手大小。在三個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)，最小值和最大值都是穩(wěn)定的（數(shù)據(jù)未顯示），這表明手套很好地貼在受試者的手上，并且在校準(zhǔn)過(guò)程中沒(méi)有移動(dòng)。 圖5a說(shuō)明了主要的試驗(yàn)安排。在試驗(yàn)A和B（左圖）中，對(duì)大致圓柱形握持姿勢(shì)的重復(fù)性進(jìn)行了量化。受試者的手最初是平放在桌子上的。在一個(gè)行動(dòng)信號(hào)后，受試者緊緊抓住石膏模。數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后，將手放回平坦位置，開(kāi)始下一次試驗(yàn)。在測(cè)試C和D中評(píng)估中性平手位置的一致性（圖5a，右圖）。從測(cè)試C中的一個(gè)受試者獲得的典型傳感器讀數(shù)如圖5b所示：10個(gè)試驗(yàn)（1個(gè)試塊）的數(shù)據(jù)文件被連接并可視化。對(duì)于每一個(gè)試驗(yàn)，受試者最初將他們的平手放在一張桌子上，手指位置標(biāo)記。發(fā)出Go信號(hào)后，受試者進(jìn)行所有手指的彎曲運(yùn)動(dòng)，并在~3s后回到平手位置。6 s后停止記錄，并使用每個(gè)關(guān)節(jié)最后20個(gè)樣本的平均值（第一次試驗(yàn)中圖5b中的深灰色陰影矩形）進(jìn)行分析。在試驗(yàn)B和D的試塊之間取下手套。 圖5：重復(fù)性試驗(yàn)原理。（a）在試驗(yàn)A和B（左圖）中，對(duì)大致呈圓柱形的握持姿勢(shì)的重復(fù)性進(jìn)行了量化。受試者的手最初是平放在桌子上的。在發(fā)出行動(dòng)信號(hào)后，受試者緊握石膏模，直到6秒后數(shù)據(jù)記錄停止。然后，手回到平坦位置，開(kāi)始下一次試驗(yàn)。記錄了10個(gè)試塊，而一個(gè)試塊包括10個(gè)試驗(yàn)。在試驗(yàn)B中，在兩個(gè)試塊之間取下手套。在測(cè)試C和D（右圖）中，評(píng)估中性位置的一致性。受試者最初將平手放在一張桌子上，手指位置有標(biāo)記。在發(fā)出Go信號(hào)后，受試者進(jìn)行了所有手指的彎曲運(yùn)動(dòng)，并在~3 s后回到平手位置。記錄在6 s后停止。在測(cè)試d中，手套在兩塊之間被移除。（b）一個(gè)主題中每個(gè)關(guān)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。將一個(gè)測(cè)試C塊中的十個(gè)數(shù)據(jù)文件連接起來(lái)并可視化。不同的背景色表示不同的數(shù)據(jù)文件。每個(gè)數(shù)據(jù)文件的最后20個(gè)樣本用于分析。深灰色陰影矩形表示與（a）中的平手位置相對(duì)應(yīng)的第一個(gè)數(shù)據(jù)文件的最后20個(gè)樣本。 正如WISE及其同事所指出的（WISE等人，1990年），范圍和sd值彼此高度相關(guān)（圖6a）（r>0.99，皮爾遜相關(guān)系數(shù)）。根據(jù)以往的研究，平均平手重復(fù)性（范圍3.29°±1.29°；sd1.07°±0.42°）優(yōu)于平均握力重復(fù)性（范圍6.63°±1.86°；sd 2.10°±0.56°）。此外，不取下手套的重復(fù)性（范圍4.35°±2.14°；標(biāo)準(zhǔn)偏差1.4°±0.65°）優(yōu)于取下塊間手套的重復(fù)性（范圍5.57°±2.43°；標(biāo)準(zhǔn)偏差1.77°±0.76°）。 五名受試者中的一名（受試者3）的手大（>7.5），這使得很難將手套一直套在手上。這反映在受試者的較高范圍和sd值上，特別是在測(cè)試b和d中（圖6a黑色三角形）。總結(jié)所有受試者的平均重復(fù)性值，并與表2中其他研究的結(jié)果進(jìn)行比較。還計(jì)算了受試者各關(guān)節(jié)的范圍和sd值（圖6b中sd值的可視化）。在這項(xiàng)分析中，除了拇指指數(shù)ABD傳感器，所有關(guān)節(jié)的SD值在0.96°到1.93°之間（范圍為3.05°-6.16°之間），其余關(guān)節(jié)的SD值在3.65°之間（范圍為11.01°之間）。 圖6：重復(fù)性分析結(jié)果。（a）根據(jù)試驗(yàn)A-試驗(yàn)D的每個(gè)受試者的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差繪制的平均范圍。如其他作者所述，范圍和標(biāo)準(zhǔn)偏差值彼此高度相關(guān)。（b）受試者和試驗(yàn)中每個(gè)關(guān)節(jié)的平均標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果與之前評(píng)估的傳感器手套相當(dāng)。 計(jì)算ICC值以確定測(cè)量之間的可變性。接近1的ICC值表示高可靠性，而接近0的ICC值表示低可靠性。在目前的研究中，所有測(cè)試的平均ICC都很高，范圍從0.87（中環(huán)ABD）到0.98（小MCP），測(cè)試和關(guān)節(jié)的總體平均值為0.93±0.05。因此，傳感器手套的重復(fù)性和可靠性很高，并且在先前評(píng)估的傳感器手套范圍內(nèi)。用于評(píng)估為了評(píng)估修改1后傳感器剛度增加對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)性的影響程度，我們還對(duì)三名同時(shí)戴著左右手套的受試者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。修改1后，左手套配備了原始傳感器，右手套配備了傳感器。要求受試者移動(dòng)手指，之后再次詢問(wèn)問(wèn)題3和問(wèn)題6兩種手套。問(wèn)題3的答案在兩種手套之間是相等的（左側(cè)為4.67±0.58，右側(cè)為4.67±2.31）。對(duì)于問(wèn)題6，裝有原始傳感器的手套（5.33±0.58）的結(jié)果略好于裝有改進(jìn)傳感器的手套（5.0±1.73）。總之，這些結(jié)果表明，與手套材料相比，改性1對(duì)手指關(guān)節(jié)剛度的貢獻(xiàn)很小。 討論 傳感器手套具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人或計(jì)算機(jī)游戲。特別有趣的是它們?cè)诳祻?fù)或生理評(píng)估中的應(yīng)用。對(duì)于所有的應(yīng)用，精確的測(cè)量，易于操作和低價(jià)格是傳感器手套的理想特性。在這里，我們介紹了一種傳感器手套，它是由W_rzburg大學(xué)開(kāi)發(fā)的（因此被稱為-手套），似乎滿足了許多這些特點(diǎn)。 傳感器電阻穩(wěn)定性 為了精確測(cè)量，傳感器電阻的穩(wěn)定性是強(qiáng)制性的（Simone和Kamper，2005年）。然而，碳墨水傳感器顯示，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)不斷彎曲電阻衰減。例如，Abrams Gentile傳感器（Abrams Gentile Entertainment Inc，New York，USA）在30 s后衰減至初始電阻的約25%（Simone和Kamper，2005年），經(jīng)我們實(shí)驗(yàn)室未公布的結(jié)果證實(shí)，限制了其在人體手指運(yùn)動(dòng)定量測(cè)量中的應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)，在30 s后，2''柔性點(diǎn)傳感器的衰減在約6%的范圍內(nèi)，因此甚至優(yōu)于先前提出的最佳電阻彎曲傳感器（Simone和Kamper，2005）的3''柔性點(diǎn)傳感器（衰減約9%）。在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在彎曲50分鐘后，傳感器電阻進(jìn)一步降低到約18%。通過(guò)在傳感器基板上安裝一層薄薄的塑料薄膜，這種衰減可以顯著降低到小于2%的程度。因此，修改1可以消除電阻式彎曲傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)。傳感器剛度的相關(guān)增加在很大程度上影響了用戶的舒適性，這可以從用戶反饋問(wèn)卷的問(wèn)題3和6中排除出來(lái)，在這些問(wèn)題中，受試者只感覺(jué)到手指運(yùn)動(dòng)的輕微限制，而感覺(jué)不到兩者之間的實(shí)質(zhì)性差異。有改進(jìn)的手套和有原始傳感器的手套。 傳感器線性 第二個(gè)理想特性是最終手套傳感器信號(hào)（通常是電壓）和彎曲角度之間的線性關(guān)系，而線性取決于傳感器電阻和調(diào)節(jié)電路。使用一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)電路，將傳感器電阻成比例地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，降低了最終信號(hào)的線性度源，僅限于傳感器電阻。我們通過(guò)將一個(gè)電阻平行于傳感器（修改件2）得到了傳感器電阻和彎曲角度之間的線性關(guān)系。由于只需要兩個(gè)角度電壓對(duì)（傳感器值在平手位置和最大彎曲），14個(gè)傳感器的校準(zhǔn)時(shí)間僅在~10 s內(nèi)完成。相反，如果最終電壓信號(hào)與關(guān)節(jié)角度不成線性關(guān)系，則需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。（~本研究中需要30分鐘，Simone及其同事研究中5個(gè)傳感器需要約8分鐘），還需要額外的離線數(shù)據(jù)處理（Simone等人，2007年）。此外，修改后傳感器的線性確保了在整個(gè)移動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的傳感器分辨率恒定，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換前的彎曲信號(hào)與彎曲角度沒(méi)有線性關(guān)系時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)這種情況。 不同手部尺寸的受試者的線性變化很小，說(shuō)明手部尺寸對(duì)線性影響較小。然而，為了優(yōu)化線性度，可以為不同尺寸的手（小、中、大）設(shè)計(jì)手套，并為適當(dāng)尺寸的手設(shè)計(jì)最佳調(diào)整的修改參數(shù)（箔厚度和平行阻力）。同樣，電阻式彎曲傳感器的另一個(gè)不需要的特性，即反向彎曲時(shí)的靈敏度損失，可以通過(guò)更改修改參數(shù)來(lái)消除。這些結(jié)果表明，電阻式彎曲傳感器適用于對(duì)人體手指運(yùn)動(dòng)的整個(gè)范圍進(jìn)行線性測(cè)量。未來(lái)的傳感器手套和調(diào)節(jié)電路將為此功能進(jìn)行優(yōu)化。我們還將測(cè)試不將傳感器電阻線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的替代調(diào)節(jié)電路。有了這樣的設(shè)置，線性化m不同手部尺寸的受試者的線性變化很小，說(shuō)明手部尺寸對(duì)線性影響較小。然而，為了優(yōu)化線性度，可以為不同尺寸的手（小、中、大）設(shè)計(jì)手套，并為適當(dāng)尺寸的手設(shè)計(jì)最佳調(diào)整的修改參數(shù)（箔厚度和平行阻力）。同樣，電阻式彎曲傳感器的另一個(gè)不需要的特性，即反向彎曲時(shí)的靈敏度損失，可以通過(guò)更改修改參數(shù)來(lái)消除。這些結(jié)果表明，電阻式彎曲傳感器適用于對(duì)人體手指運(yùn)動(dòng)的整個(gè)范圍進(jìn)行線性測(cè)量。未來(lái)的傳感器手套和調(diào)節(jié)電路將為此功能進(jìn)行優(yōu)化。我們還將測(cè)試不將傳感器電阻線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的替代調(diào)節(jié)電路。在這種設(shè)置下，線性化可以由調(diào)節(jié)電路直接執(zhí)行，而不需要額外的電阻。據(jù)我們所知，-手套是第一種手套設(shè)計(jì)，采用線性電阻彎曲傳感器，因此結(jié)合了低傳感器成本和理想的傳感器特性。此外，手套的可靠性和重復(fù)性都很高。 重復(fù)性和可靠性 雖然存在幾種商用和非商用傳感器手套，但只有少數(shù)研究系統(tǒng)地論述了其可靠性和準(zhǔn)確性（Dipietro等人，2003年；Mentzel等人，2001年；Simone等人，2007年；Wise等人，1990年）。與這些傳感器手套相比，手套的重復(fù)性和可靠性結(jié)果相似（表2）。如圖6b所示，MCP、PIP和ABD（拇指指數(shù)ABD除外）關(guān)節(jié)的SD值之間沒(méi)有顯著差異。這表明該手套的范圍和SD值可以與配備不同傳感器類型和不同傳感器數(shù)量的手套進(jìn)行比較。拇指指數(shù)ABD關(guān)節(jié)的較高誤差可能與手套上傳感器的位置有關(guān)，這可能不是最佳的。第二個(gè)錯(cuò)誤源可能是重復(fù)性協(xié)議本身。正如其他人所指出的，重復(fù)性試驗(yàn)的結(jié)果不僅受傳感器手套的技術(shù)特性的影響，還受諸如握力（Dipietro等人，2003）或拇指和手指放置的小偏差等因素的影響。我們?cè)噲D通過(guò)指導(dǎo)受試者以盡可能小的力抓住模具，并監(jiān)測(cè)手的恒定位置來(lái)盡量減少這些影響。盡管有這些影響，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.59°，這反映了高測(cè)量重復(fù)性。ICCS對(duì)可靠性進(jìn)行了定量評(píng)估（范圍為0.81–0.99，關(guān)節(jié)間平均值為0.93），與Simone等人評(píng)估的手套相當(dāng)。（Simone等人，2007年）（ICCS從0.79到0.99，平均值為0.95），Dipietro等人（Dipietro等人，2003年）（ICCS從0.7到1.0）和Mentzel等人（Mentzel等人，2001年）（ICCS從0.82到0.99，平均值為0.94，盡管在本研究中，試驗(yàn)程序有所不同）。因此，手套的重復(fù)性和可靠性與其他評(píng)估手套相似，也在手動(dòng)測(cè)角的測(cè)量可靠性范圍內(nèi)（Wise等人，1990年）。 與實(shí)際應(yīng)用有關(guān)的問(wèn)題 通過(guò)用戶反饋問(wèn)卷評(píng)估，用戶接受度和適用性都很高。這表明修改并不是以用戶接受為代價(jià)完成的。通過(guò)使手套適應(yīng)不同的手尺寸，并優(yōu)化線性可擴(kuò)展到超伸展運(yùn)動(dòng)的修正參數(shù)，可進(jìn)一步提高舒適性和測(cè)量精度。進(jìn)一步優(yōu)化用戶舒適度和增加手套物理工作空間的另一種可能性是手套與計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。然而，-手套的目的是在TMS環(huán)境中工作，由于其巨大且快速變化的磁場(chǎng)（高達(dá)2特斯拉），TMS環(huán)境可能會(huì)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸造成干擾。通過(guò)從手套上拆下除彎曲傳感器以外的所有電氣元件，可以將這些可能的外部干擾降至最低。在第一次使用TMS的實(shí)驗(yàn)中，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何刺激偽影或傳感器信號(hào)的失真，這表明手套與這種神經(jīng)生理技術(shù)的結(jié)合是可靠的操作。分布式設(shè)計(jì)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，相同的調(diào)節(jié)電路可用于不同的手套（例如，用于不同的手尺寸），進(jìn)一步降低了成本。為了最大限度地提高靈活性，調(diào)節(jié)單元為每個(gè)傳感器提供了類似的輸出。因此，它可以連接到任何A/D轉(zhuǎn)換器，例如，允許使用現(xiàn)有的硬件設(shè)備同時(shí)同步記錄肌電信號(hào)和手指運(yùn)動(dòng)。最后，可通過(guò)控制器的電位計(jì)優(yōu)化手套的傳感器分辨率（~0.1°）分布式設(shè)計(jì)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，相同的調(diào)節(jié)電路可用于不同的手套（例如，用于不同的手尺寸），進(jìn)一步降低了成本。為了最大限度地提高靈活性，調(diào)節(jié)單元為每個(gè)傳感器提供了類似的輸出。因此，它可以連接到任何A/D轉(zhuǎn)換器，例如，允許使用現(xiàn)有的硬件設(shè)備同時(shí)同步記錄肌電信號(hào)和手指運(yùn)動(dòng)。最后，通過(guò)調(diào)節(jié)電路的電位計(jì)可以優(yōu)化手套的傳感器分辨率（~0.1°），并且比大多數(shù)其他傳感器手套的分辨率（從0.2°到0.5°不等）都高。例如，CybergLove®II的名義分辨率約為0.5°，這對(duì)于記錄小手指運(yùn)動(dòng)（如TMS后）可能不是最佳的（Gentner和Classen，2006年）。 結(jié)論 本報(bào)告中的手套提供了可靠的線性高分辨率關(guān)節(jié)角度信號(hào)。手套元件的材料成本低于500美元，比一些商用傳感器手套的價(jià)格低約10-20倍。我們還發(fā)現(xiàn)，手套的無(wú)缺陷操作在與TMS相關(guān)的大磁場(chǎng)中得以保留。這表明，它可能是生理學(xué)研究的有用裝置，如Gentner和Classen（Gentner和Classen，2006年）。最后，用戶可接受性與之前描述的傳感器手套相當(dāng)。事實(shí)上，它可以很容易地為左右手制作不同大小的手，這使得它成為一個(gè)靈活的測(cè)量系統(tǒng)，也可以適用于研究非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物（如猴子）的運(yùn)動(dòng)。 工具書(shū)類 Adamovich SV、Merians AS、Boian R、Tremaine M、Burdea GS、Recce M、Poizner H。中風(fēng)后手部康復(fù)的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：功能轉(zhuǎn)移。美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)會(huì)議錄，2004年；7:4936-9。 Beers MH，Berkow R.《默克診斷與治療手冊(cè)》，第17版，約翰威利父子出版社：紐約，1999年。 Boesnach I、Moldenhauer J、Burgmer C、Beth T、Wank V、B_S K。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隱馬爾可夫模型對(duì)人體運(yùn)動(dòng)階段的分類。國(guó)際控制論與智能系統(tǒng)會(huì)議：新加坡，2004:976-81。 Classen J、Liepert J、Wise SP、Hallett M、Cohen LG。實(shí)踐誘導(dǎo)的人皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)表征的快速可塑性。《神經(jīng)生理學(xué)雜志》，1998年；79:1117-23。Dipietro L，Sabatini AM，Dario 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