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(shì)控制,姿勢(shì)控制是機(jī)體運(yùn)動(dòng)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(shì)控制,基于心理預(yù)期活動(dòng)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(shí)性活動(dòng)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(shì)肌肉活動(dòng)的下意識(shí)中樞運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)象。 預(yù)先姿勢(shì)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(shì)穩(wěn)定受到各種

2、內(nèi)外因素干擾時(shí)，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(duì)突發(fā)干擾的快速反應(yīng)時(shí)間明顯加快，肌肉活動(dòng)的反應(yīng)強(qiáng)度減小，從而對(duì)突發(fā)的身體和姿勢(shì)變化做出合理的應(yīng)對(duì)，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(dòng)控制的一部分，其活動(dòng)強(qiáng)度與目標(biāo)動(dòng)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(guò)程中腿和軀干的姿勢(shì)肌肉會(huì)因手臂的自主運(yùn)動(dòng)而發(fā)生活動(dòng)。 腰腿部的姿勢(shì)肌肉激活比手臂活動(dòng)早50 ms，這被認(rèn)為是對(duì)姿勢(shì)干擾的代償性運(yùn)動(dòng)，這

3、是隨意動(dòng)作造成的內(nèi)部干擾下，姿勢(shì)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(duì)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(dòng)會(huì)引起不同的肌肉反應(yīng)模式，其中前后方向的舉臂活動(dòng)相較側(cè)向會(huì)造成更強(qiáng)的前饋控制效應(yīng)；而負(fù)重對(duì)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(dòng)。,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(hào)用力拉動(dòng)拉桿，同步記錄其姿勢(shì)和動(dòng)作肌肉的肌電信號(hào)。 通過(guò)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(dòng)抽屜發(fā)現(xiàn)，其腓腸肌的前饋效應(yīng)隨著年齡增長(zhǎng)而增強(qiáng)；改變

4、抽屜內(nèi)部連接物體的重量來(lái)控制嬰兒拉動(dòng)的阻力，則部分嬰兒在面對(duì)較大的拉動(dòng)阻力時(shí)會(huì)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(dòng)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(shí)本人從箱中拿起一瓶時(shí)能保持手臂不動(dòng)；而別人取走酒瓶時(shí)則會(huì)造成手臂向上的運(yùn)動(dòng)。 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(lái)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(huì)造成前饋控制效應(yīng)，欺騙條件則不會(huì)。,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(shì)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(shí)發(fā)生時(shí)前饋控制效應(yīng)會(huì)發(fā)生，從而抵抗對(duì)身體姿勢(shì)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(shí)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(duì)受試者的身體姿勢(shì)平衡造成干擾，實(shí)驗(yàn)可通過(guò)控

6、制重?cái)[的重量來(lái)操作干擾的大小，以及通過(guò)睜閉眼等操作受試者對(duì)干擾發(fā)生時(shí)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(shí)，只要知道干擾的強(qiáng)度和發(fā)生時(shí)間便會(huì)產(chǎn)生肌肉的預(yù)激活效應(yīng)。 在干擾發(fā)生后肌肉會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償姿勢(shì)調(diào)整； 發(fā)現(xiàn)在預(yù)激活發(fā)生之前，還有早期動(dòng)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(gè)階段。,影響前饋控制的因素,姿勢(shì)干擾 成長(zhǎng)與衰老 疾病 肌肉疲勞, 姿勢(shì)干擾,干擾的發(fā)生時(shí)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(duì)同樣的任務(wù)，身體姿勢(shì)的區(qū)別會(huì)造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出不同的運(yùn)動(dòng)指令 速度是前饋

7、控制的影響因素之一，速度加快會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的預(yù)激活效應(yīng)，減慢則預(yù)激活會(huì)減小甚至消失 不同方向的快速舉臂運(yùn)動(dòng)會(huì)造成不同的肌肉反應(yīng)模式，在前后方向舉臂時(shí)其前饋控制效應(yīng)會(huì)比側(cè)向更強(qiáng) 不同負(fù)載引起的姿勢(shì)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(duì)自身信息和周圍信息傳人的減少，以及站立在高臺(tái)邊緣等危險(xiǎn)情境等環(huán)境因素均會(huì)影響前饋控制的效應(yīng), 成長(zhǎng)與衰老,是一個(gè)從無(wú)到有、最終穩(wěn)定的過(guò)程 老年人前饋動(dòng)作控制的效應(yīng)減弱 老年人的視力退化對(duì)維持姿勢(shì)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(duì)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(shí)間； 在慢性腰痛患者身上對(duì)干擾或運(yùn)動(dòng)后果的認(rèn)知改變了中樞神經(jīng)系統(tǒng)姿勢(shì)控制的策略 初級(jí)運(yùn)動(dòng)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(shì)平衡性的破壞，使患者在遇到突發(fā)的姿勢(shì)干擾時(shí)肌肉正確回應(yīng)的時(shí)間延遲、預(yù)先調(diào)整晃動(dòng)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(dòng)手臂時(shí)表現(xiàn)出與健康老人相似的動(dòng)作控制反應(yīng)；但由別人觸發(fā)外部姿勢(shì)干擾時(shí)，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(dòng)作遲緩，而是與自主運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備和開始過(guò)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(shí)間延遲 多發(fā)性硬化的患者會(huì)出現(xiàn)髓鞘脫失、運(yùn)動(dòng)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(dòng)引起的最大肌力的減小，可引起中樞運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)單位收縮特性的變化，從而影響動(dòng)作和姿勢(shì)控制 研究發(fā)現(xiàn)單臂快速抬舉實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(duì)肌肉疲勞的情況，為了減少對(duì)姿勢(shì)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(duì)前饋控制影響的假說(shuō),臨界力假說(shuō)(critical force hypothesis) 抵消干擾影響而保持姿勢(shì)需要肌肉產(chǎn)生超過(guò)閾限的力，這個(gè)超過(guò)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(shì)干擾時(shí)為了達(dá)到臨界力，肌肉需要提早預(yù)激活。 相似沖量假說(shuō)(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(shì)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(guò)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(duì)肌肉活動(dòng)下意識(shí)控制作用的基本表現(xiàn)形式。 基于隨意運(yùn)動(dòng)或視覺信息傳人等造成的主觀心理預(yù)期，在姿勢(shì)干擾發(fā)生之前由中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令提前激活或抑制

11、肌肉系統(tǒng)的活動(dòng)，對(duì)維持姿勢(shì)的穩(wěn)定和身體的平衡有重要的作用。,跌倒的國(guó)際流行病學(xué)研究,Germany: 德國(guó) 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(xiǎn)性提高50% Source: Brge 2002; Runge 2000, 1998; Specht-Leible et al. 1997,UK：英國(guó) 大約30%以上的65歲以上生活在社區(qū)的老人每年會(huì)跌倒一次。 2008年的研究：90歲以上的老年人，58%的人在過(guò)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(guò)跌倒（女性90人，男性20人）,跌倒的國(guó)際流行病學(xué)研究,USA：美國(guó)

12、 2008年的研究：疾病控制與預(yù)防中心（CDC） 580萬(wàn)的65歲和65歲以上的人，或者美國(guó)同年齡段所有人群的15.9%的人，在過(guò)去3個(gè)月中至少跌倒過(guò)1次。 這些人中的180萬(wàn)人 （31.3%），由于跌倒造成了損傷。,China: 中國(guó) 在中國(guó)，據(jù)報(bào)道每年大約有2500萬(wàn)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(lái)大約有50億元，與其相關(guān)的社會(huì)花銷為600-800億元。 跌倒是我國(guó)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(guó)65歲以上老年人跌倒死亡率男性為49.56/10萬(wàn)，女性為52.80/10萬(wàn) 因此防跌倒風(fēng)險(xiǎn)戰(zhàn)略對(duì)于社會(huì)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(dòng)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(dòng)態(tài)平衡測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng),感覺統(tǒng)合臨床站立平衡測(cè)試（CTSIB）,肢體運(yùn)動(dòng)控制反饋訓(xùn)練,本體感覺訓(xùn)練,Posturomed本體感覺測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng),應(yīng)激訓(xùn)練,BalanceTutor system危機(jī)模擬應(yīng)激測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng),Balance Tutor危機(jī)模擬應(yīng)激

14、測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng),全球第一臺(tái)“應(yīng)激反應(yīng)測(cè)試訓(xùn)練”設(shè)備Balance Tutor危機(jī)模擬應(yīng)激測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)。 Balance Tutor危機(jī)模擬應(yīng)激測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)可在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（步行）中提供應(yīng)激反應(yīng)測(cè)試和針對(duì)性的不可預(yù)知擾動(dòng)擾動(dòng)，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(dòng)的平臺(tái)上上，從而模擬靜態(tài)及動(dòng)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(shí)間均可以根據(jù)患者的能力和需求個(gè)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(dòng)期或支撐期，誘發(fā)向左、向左、向前、向后的姿勢(shì)干擾,通過(guò)代償性邁步誘發(fā)擾動(dòng)模式,通過(guò)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,