前饋控制與康復(fù).ppt

1、前饋控制與康復(fù),浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科 李建華,姿勢控制,姿勢控制是機(jī)體運(yùn)動控制的基礎(chǔ)，是機(jī)體保持重心穩(wěn)定、維持身體平衡和維系肢體空間定位的基本身體能力。,姿勢控制,基于心理預(yù)期活動的前饋控制（feed-forwardMechanism) 基于感受器傳人信息的反饋控制(Rapid Reflex Mechanism) 基于意識性活動的隨意控制(Voluntary ControlMechanism),前饋控制是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)基于視覺等主觀心理預(yù)期因素實(shí)現(xiàn)的姿勢肌肉活動的下意識中樞運(yùn)動控制現(xiàn)象。 預(yù)先姿勢調(diào)整是前饋控制具體表現(xiàn)之一 前饋控制的生物學(xué)意義在于當(dāng)身體平衡和姿勢穩(wěn)定受到各種

2、內(nèi)外因素干擾時，預(yù)先知曉干擾發(fā)生的相關(guān)信息使相應(yīng)肌肉應(yīng)對突發(fā)干擾的快速反應(yīng)時間明顯加快，肌肉活動的反應(yīng)強(qiáng)度減小，從而對突發(fā)的身體和姿勢變化做出合理的應(yīng)對，以維持身體穩(wěn)定性并減少傷害事故的發(fā)生。 前饋控制具有獨(dú)立的反應(yīng)機(jī)制，具有控制自主性；前饋控制又是隨意運(yùn)動控制的一部分，其活動強(qiáng)度與目標(biāo)動作的強(qiáng)度有顯著的相關(guān)。,前饋控制機(jī)制研究,內(nèi)部干擾研究 快速舉臂試驗(yàn) 拉桿試驗(yàn) 酒保試驗(yàn),外部干擾研究 落球試驗(yàn) 重物擺試驗(yàn),快速舉臂試驗(yàn),要求直立的受試者快速舉起手臂，在此過程中腿和軀干的姿勢肌肉會因手臂的自主運(yùn)動而發(fā)生活動。 腰腿部的姿勢肌肉激活比手臂活動早50 ms，這被認(rèn)為是對姿勢干擾的代償性運(yùn)動，這

3、是隨意動作造成的內(nèi)部干擾下，姿勢肌肉前饋控制的典型表現(xiàn) 不同舉臂方向和不同負(fù)重對前饋控制效應(yīng)的影響研究發(fā)現(xiàn)，不同方向的手臂活動會引起不同的肌肉反應(yīng)模式，其中前后方向的舉臂活動相較側(cè)向會造成更強(qiáng)的前饋控制效應(yīng)；而負(fù)重對于前饋控制的影響并不顯著。 除了上肢，該范式還被擴(kuò)展應(yīng)用于腿部、軀干等其它部位的隨意運(yùn)動。,拉桿試驗(yàn),受試者雙腳開立、與肩同寬，軀干保持直立狀態(tài)，雙手抓住固定于墻上的拉桿，以聲音或閃光為信號用力拉動拉桿，同步記錄其姿勢和動作肌肉的肌電信號。 通過調(diào)節(jié)拉桿阻力、控制受試者用力大小等方式進(jìn)行前饋控制效應(yīng)的定量研究。 讓嬰兒直立狀態(tài)拉動抽屜發(fā)現(xiàn)，其腓腸肌的前饋效應(yīng)隨著年齡增長而增強(qiáng)；改變

4、抽屜內(nèi)部連接物體的重量來控制嬰兒拉動的阻力，則部分嬰兒在面對較大的拉動阻力時會有更強(qiáng)的前饋控制效應(yīng)，經(jīng)驗(yàn)在嬰兒的前饋運(yùn)動控制中起到一定的作用。,酒保試驗(yàn),是指酒保抬著一箱玻璃酒瓶時本人從箱中拿起一瓶時能保持手臂不動；而別人取走酒瓶時則會造成手臂向上的運(yùn)動。 采用坐姿位，要求受試者右肘呈90度臂保持水平，右臂近手腕處放置重物，在自主條件下，受試者用左手提舉右臂上的重物； 受試者沒有預(yù)期的情況下，由主試來觸發(fā)被試右臂重物的釋放。與酒保試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)相同，自主觸發(fā)的負(fù)重變化會造成前饋控制效應(yīng)，欺騙條件則不會。,落球試驗(yàn),要求受試者雙腳與肩同寬站立，雙肘90度彎曲手持托盤。從固定的高度釋放小球、重錘等重物

5、砸落受試者手中的托盤中心，要求受試者保持手持托盤姿勢的穩(wěn)定。 應(yīng)用于衰老、疾病等多種不同人群的前饋控制效應(yīng)研究。 與砸球?qū)嶒?yàn)的原理相似的還有腿部突發(fā)失衡、軀干突發(fā)加載等多種利用突發(fā)載荷變化研究肌肉反應(yīng)模式和前饋控制效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法 軀干突發(fā)減載實(shí)驗(yàn)，在受試者自主釋放重物、主試突發(fā)釋放重物和主試倒數(shù)釋放重物三種條件下研究腰腿部肌肉反應(yīng)的前饋控制效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受試者知道干擾何時發(fā)生時前饋控制效應(yīng)會發(fā)生，從而抵抗對身體姿勢平衡的干擾。,重物擺試驗(yàn),在重物擺的實(shí)驗(yàn)中，懸掛著的重物如鐘擺一樣下落，當(dāng)重物靠近身體時直立的受試者利用手臂或者肩部停下它。 接觸的瞬間重物對受試者的身體姿勢平衡造成干擾，實(shí)驗(yàn)可通過控

6、制重擺的重量來操作干擾的大小，以及通過睜閉眼等操作受試者對干擾發(fā)生時間的預(yù)期。 研究發(fā)現(xiàn)在重物擺范式下，受試者以與重物下落方向不同的角度接受干擾時，只要知道干擾的強(qiáng)度和發(fā)生時間便會產(chǎn)生肌肉的預(yù)激活效應(yīng)。 在干擾發(fā)生后肌肉會產(chǎn)生補(bǔ)償姿勢調(diào)整； 發(fā)現(xiàn)在預(yù)激活發(fā)生之前，還有早期動作調(diào)整(early postural adjustments)的存在，以此將前饋控制效應(yīng)分為早期和晚期兩個階段。,影響前饋控制的因素,姿勢干擾 成長與衰老 疾病 肌肉疲勞, 姿勢干擾,干擾的發(fā)生時間是否可知,是外部干擾條件下產(chǎn)生前饋控制的條件之一 面對同樣的任務(wù)，身體姿勢的區(qū)別會造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出不同的運(yùn)動指令 速度是前饋

7、控制的影響因素之一，速度加快會導(dǎo)致更強(qiáng)的預(yù)激活效應(yīng)，減慢則預(yù)激活會減小甚至消失 不同方向的快速舉臂運(yùn)動會造成不同的肌肉反應(yīng)模式，在前后方向舉臂時其前饋控制效應(yīng)會比側(cè)向更強(qiáng) 不同負(fù)載引起的姿勢干擾強(qiáng)度的變化也是影響前饋控制效應(yīng)的因素 不穩(wěn)定的支撐平面、減少足底支撐等使身體的穩(wěn)定性降低，模糊的視覺造成對自身信息和周圍信息傳人的減少，以及站立在高臺邊緣等危險情境等環(huán)境因素均會影響前饋控制的效應(yīng), 成長與衰老,是一個從無到有、最終穩(wěn)定的過程 老年人前饋動作控制的效應(yīng)減弱 老年人的視力退化對維持姿勢的穩(wěn)定也有顯著的影響, 疾 病,腰痛患者研究發(fā)現(xiàn)預(yù)激活的推遲與受試者對腰痛程度的認(rèn)知有關(guān)，并在痛感消失之后

8、依然持續(xù)一段時間； 在慢性腰痛患者身上對干擾或運(yùn)動后果的認(rèn)知改變了中樞神經(jīng)系統(tǒng)姿勢控制的策略 初級運(yùn)動皮層機(jī)制的改變是引起腰痛患者脊柱穩(wěn)定性控制策略變化的重要原因 腦卒中等疾病的癥狀通常包括姿勢平衡性的破壞，使患者在遇到突發(fā)的姿勢干擾時肌肉正確回應(yīng)的時間延遲、預(yù)先調(diào)整晃動的幅度減小，以至容易摔倒,帕金森病患者直立姿態(tài)自主運(yùn)動手臂時表現(xiàn)出與健康老人相似的動作控制反應(yīng)；但由別人觸發(fā)外部姿勢干擾時，多數(shù)患者的肌肉并沒有發(fā)生預(yù)激活 推斷帕金森病患者前饋控制改變的原因不在于疾病造成的動作遲緩，而是與自主運(yùn)動準(zhǔn)備和開始過程的中樞神經(jīng)通路受損有關(guān) 多發(fā)性硬化的患者在有預(yù)期的情況下肌肉預(yù)激活存在，但比正常人群

9、反應(yīng)強(qiáng)度小、起始時間延遲 多發(fā)性硬化的患者會出現(xiàn)髓鞘脫失、運(yùn)動皮層損壞和下皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的損壞，中央皮質(zhì)回路信息傳遞的延遲被認(rèn)為是前饋控制機(jī)制減弱的原因, 肌肉疲勞,肌肉疲勞通常定義為運(yùn)動引起的最大肌力的減小，可引起中樞運(yùn)動控制和運(yùn)動單位收縮特性的變化，從而影響動作和姿勢控制 研究發(fā)現(xiàn)單臂快速抬舉實(shí)驗(yàn)時，同側(cè)的半腱肌被發(fā)現(xiàn)有類似的預(yù)激活提前，這種預(yù)激活的提前被認(rèn)為是面對肌肉疲勞的情況，為了減少對姿勢平衡的干擾而產(chǎn)生的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能性適應(yīng)。,疲勞對前饋控制影響的假說,臨界力假說(critical force hypothesis) 抵消干擾影響而保持姿勢需要肌肉產(chǎn)生超過閾限的力，這個超過臨界值的力

10、即使是疲勞之后的肌肉也能夠產(chǎn)生，但是在疲勞影響下產(chǎn)生速率下降，因此在面臨姿勢干擾時為了達(dá)到臨界力，肌肉需要提早預(yù)激活。 相似沖量假說(similar impulse hypothesis) 抵消干擾影響的關(guān)鍵不在于力的大小，而在于肌肉所產(chǎn)生的沖量大小。其前提是疲勞造成肌肉最大肌力的下降，抵抗干擾所能做出的姿勢控制相關(guān)肌肉反應(yīng)強(qiáng)度也同樣減小。因此補(bǔ)償性的通過預(yù)激活提前才能保持疲勞狀態(tài)下的肌肉沖量與非疲勞狀態(tài)下相同,前饋控制跌倒,前饋控制是中樞神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉活動下意識控制作用的基本表現(xiàn)形式。 基于隨意運(yùn)動或視覺信息傳人等造成的主觀心理預(yù)期，在姿勢干擾發(fā)生之前由中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)動指令提前激活或抑制

11、肌肉系統(tǒng)的活動，對維持姿勢的穩(wěn)定和身體的平衡有重要的作用。,跌倒的國際流行病學(xué)研究,Germany: 德國 30%以上的65歲以上老人每年至少跌倒1次，15%的老人跌倒2次或更多 80歲以上的老年人：跌倒的風(fēng)險性提高50% Source: Brge 2002; Runge 2000, 1998; Specht-Leible et al. 1997,UK：英國 大約30%以上的65歲以上生活在社區(qū)的老人每年會跌倒一次。 2008年的研究：90歲以上的老年人，58%的人在過去的一年中曾經(jīng)跌倒至少一次，60%的人在一年的隨訪中發(fā)生過跌倒（女性90人，男性20人）,跌倒的國際流行病學(xué)研究,USA：美國

12、 2008年的研究：疾病控制與預(yù)防中心（CDC） 580萬的65歲和65歲以上的人，或者美國同年齡段所有人群的15.9%的人，在過去3個月中至少跌倒過1次。 這些人中的180萬人 （31.3%），由于跌倒造成了損傷。,China: 中國 在中國，據(jù)報道每年大約有2500萬次跌倒的發(fā)生。與跌倒相關(guān)的花銷是巨大的，直接醫(yī)療消費(fèi)算起來大約有50億元，與其相關(guān)的社會花銷為600-800億元。 跌倒是我國傷害死亡的第四位原因，而在65歲以上的老年人中則為首位。 我國65歲以上老年人跌倒死亡率男性為49.56/10萬，女性為52.80/10萬 因此防跌倒風(fēng)險戰(zhàn)略對于社會和經(jīng)濟(jì)效益有著深遠(yuǎn)的影響。 Wang

13、 et al. 2010, Institute for Geriatric Clinic and Rehabilitation, Beijing Geriatric Hospital,前饋控制訓(xùn)練-預(yù)防跌倒,力量訓(xùn)練,神經(jīng)肌肉控制 訓(xùn)練,平衡訓(xùn)練,肢體運(yùn)動控制 反饋訓(xùn)練,本體感覺訓(xùn)練,應(yīng)激訓(xùn)練,力量訓(xùn)練,神經(jīng)肌肉控制訓(xùn)練,平衡訓(xùn)練,MFT S3 動態(tài)平衡測試訓(xùn)練系統(tǒng),感覺統(tǒng)合臨床站立平衡測試（CTSIB）,肢體運(yùn)動控制反饋訓(xùn)練,本體感覺訓(xùn)練,Posturomed本體感覺測試訓(xùn)練系統(tǒng),應(yīng)激訓(xùn)練,BalanceTutor system危機(jī)模擬應(yīng)激測試訓(xùn)練系統(tǒng),Balance Tutor危機(jī)模擬應(yīng)激

14、測試訓(xùn)練系統(tǒng),全球第一臺“應(yīng)激反應(yīng)測試訓(xùn)練”設(shè)備Balance Tutor危機(jī)模擬應(yīng)激測試訓(xùn)練系統(tǒng)。 Balance Tutor危機(jī)模擬應(yīng)激測試訓(xùn)練系統(tǒng)可在靜態(tài)和動態(tài)（步行）中提供應(yīng)激反應(yīng)測試和針對性的不可預(yù)知擾動擾動，從而訓(xùn)練患者的應(yīng)激反應(yīng)能力。 跑帶固定在可向中間、左右兩側(cè)及前后移動的平臺上上，從而模擬靜態(tài)及動態(tài)模式下滑倒和絆倒的情境。,干擾的幅度、頻率、方向、速度、時間均可以根據(jù)患者的能力和需求個性化設(shè)置,依據(jù)步態(tài)周期誘發(fā)干擾模式,左腿/右腿任意一側(cè)下肢的擺動期或支撐期，誘發(fā)向左、向左、向前、向后的姿勢干擾,通過代償性邁步誘發(fā)擾動模式,通過重心位置變化誘發(fā)干擾模式,Ilan Kurz e

15、t al, Unexpected perturbations training improves balance control and voluntary stepping times in older adults a double blind randomized control trial；BMC Geriatrics (2016) 16:58 Shimada et al, New Intervention Program for Preventing Falls among Frail Elderly People: The Effects of Perturbed Walking

16、Exercise Using a Bilateral Separated Treadmill；PhysMed Rehabil (2004);83:493499 Michael et al, Age Influences the Outcome of a Slipping Perturbation during Initial But Not Repeated Exposures, Biol Sci Med Sci(2002);57(8) Avril et al, Effect of a Perturbation-Based Balance Training Program on Compens

17、atory Stepping and Grasping Reactions in Older Adults: A Randomized Controlled Trial, Physical Therapy, April (2010); 90 (4) 476-49. Avril et al, Does Perturbation-Based Balance Training Prevent Falls? Systematic Review and Meta-Analysis of Preliminary Randomized Controlled Trials, Physical Therapy

18、(2015); 95 (5) 700-709.,參考文獻(xiàn),Avril et al, Is Impaired Control of Reactive Stepping Related to Falls During Inpatient Stroke Rehabilitation? Neural Repair (2013); 27 (6) 526-533 Avril et al, Training Rapid Stepping Responses in an Individual with Stroke， Physical Therapy(2011)91(6)958-969 Ilan et al, Perturbation Training while Walking Improves Balance Control and Voluntary Stepping Parameters in Community Dwelling Elders: A Randomized Control Trial,