IEEE trans:基于实时化身的反馈增强中风后时空参数的对称性：不同化身视角的瞬时效应

中风是世界范围内导致死亡和残疾的主要原因之一。在中风引起的日常生活活动障碍和限制中，步态功能障碍是报道最多的，改善步态是大多数中风患者最重要的目标。中风后，超过一半的患者完全不能行走，在那些能行走的患者中，他们的步态有许多不同于健康人的特征。中风后步态不仅具有缓慢的步行速度，而且还具有运动学/动力学和时空参数的偏差。与健康步态相比，时空偏差包括步频降低、步幅缩短、双肢支撑时间延长、支撑基础更宽。中风后步行也表现为肢体间的一些差异，包括轻瘫侧的长时间摆动阶段和非轻瘫侧的长时间站立阶段，这通常被称为时间不对称。

在空间上，一些中风患者表现出较长的轻瘫步长，而其他人则表现出较长的非轻瘫步长。这些时间和空间不对称通常被称为步态不对称。步态不对称可导致许多负面后果，包括平衡控制不良、步态效率低下、非轻瘫肢体肌肉骨骼损伤风险增加和整体身体功能下降。对住院患者康复过程中步态不对称变化的纵向研究表明，即使治疗师意识到中风患者中步态不对称的存在和程度，这些患者出院时的步态不对称并没有显著改善。有人认为，在康复环境中，步态干预对步态不对称缺乏特异性。实时反馈对中风后步态对称性结果的即时和保留效应仍有待研究。在本研究中，首次提出利用虚拟化身形式的视觉反馈来实时显示运动，以改善中风患者步态时空参数的对称性。

参与者来自位于加拿大魁北克省拉瓦尔的犹太康复医院，该医院是麦吉尔大学附属教学医院，也是蒙特利尔康复跨学科研究中心（CRIR）的研究基地。本研究获得了CRIR研究伦理委员会的伦理批准，所有参与者在第一次实验前理解并签署了同意书。数据收集包括两个环节。第一个环节包括让参与者习惯于自行配速的跑步机（如下所述），并用10米步行测试、CMSA、MoCA和DHI对他们进行评估，以分别确定他们的地上舒适速度、中风严重程度、是否存在认知缺陷和运动病史。在第二个实验中，参与者在定制的自行配速跑步机（0.6m×1.5m）上完成步行任务。跑步机的电机由PID伺服控制驱动，PID伺服控制基于通过连接到参与者的电位计获得的实时距离和速度反馈。一个悬挂在头顶的安全带系统被用来防止参与者摔倒。

化身反馈参与的康复训练

一个悬挂在头顶的安全带系统被用来防止参与者摔倒。跑步机配有滑动扶手以辅助平衡。扶手的使用，如果适用的话，是在习惯化过程中确定的，并且在整个实验过程中保持不变。需要使用扶手的参与者被要求只使用扶手来保持平衡，在习惯化和实验过程中不要将体重放在扶手上。在跑步机前面安装了一个屏幕（2.44米×3.05米），用于虚拟环境的背投，该虚拟环境代表一条长街，化身位于参与者前面3.5米处。Maya LTTM2016（美国Autodesk）被用于设计与参与者具有相似外观和人体测量特征的化身。在实验过程中，TrackerTM（英国维康）根据放置在参与者身上的15个刚体标记在维康TrackerTM中指定的特定身体标志上的位移，实时跟踪肢体运动，这些标记由6摄像头的维康（英国维康）运动捕捉系统跟踪。

每个试验分为三个阶段，包括30秒的舒适步行（预适应阶段），然后是1分钟的步行，同时实时观察参与者的准确步行模式（适应阶段），最后是1分钟的步行（后适应阶段）。在每次试验开始之前，参与者都会收到以下逐字记录：“请等待屏幕上的“开始”标志，然后再开始行走。每个试验分为三个阶段，包括30秒的舒适步行（预适应阶段），然后是1分钟的步行，同时实时观察参与者的准确步行模式（适应阶段），最后是1分钟的步行（后适应阶段）。招募了12名中风患者。表一概述了所有参与者的人口统计学和临床结果。参与者主要是男性（比例：9:3）、右半球受累（比例：9:3）和缺血性中风（比例：10:2）。10/12被试表现为时间不对称，9/12被试表现为空间不对称。空间不对称者中，5/10的非轻瘫步长较大，4/10的轻瘫步长较大。所有参与者都表示很高兴并渴望参与其他基于化身的干预。所有参与者还报告说，通过化身的步行训练，他们可以更清楚地了解自己的步态异常。这种干预措施有可能在中风康复计划中得到实施，并对其他中风患者有益。最后，当被问及最喜欢哪种视角时，5/12的人表示更喜欢侧视图，4/12的人表示更喜欢后视图，3/12的人表示更喜欢正面视图。摆动时间比（n=10）和步长比（n=9）在三个视图的三个阶段均未显示出统计上的显著差异。从预适应到适应，三个视图的摆动时间比都有增加的趋势（对称性恶化），而步长比仅在侧视图中有改善的趋势。

患者情况示意图

所有参与者都能很好地接受虚拟化身形式的实时视觉反馈，并且不会引起任何不适。此外，可接受性的结果显示，大多数参与者在接触化身的过程中比他们的日常行走更加自信，并且能够在训练中更加享受行走。事实上，中风患者往往与低自我效能和身体活动中的感知残疾有关。与前、后视图相比，侧视图在步幅和下肢矢状关节振幅方面提供了最佳的视觉反馈，这可能是参与者在侧视图条件下表现更好的一个原因。侧视图反馈引起的空间域的正变化不一定与时间域的变化一致。例如，侧视图观察到的双侧步幅增加导致步行速度加快。时空变化的发生机制也不同。视觉是人类最依赖的感知空间信息的感官形态，对人类掌握运动的空间方面至关重要。另一方面，声音和听觉反馈提供了更多关于运动时间方面的信息。这一点可以从学习划船任务的健康参与者身上得到证明，在划船任务中，听觉反馈可以提供有关动作时间方面的信息。

根据研究结果和分析，可以得出以下结论：（1）脑卒中患者侧视图中化身提供的实时视觉反馈是一种可行且可接受的干预措施，可立即引起步行速度和空间不对称性的积极变化(2） 侧视图是唯一能显著提高步行速度。

L. Y. Liu, S. Sangani, K. K. Patterson, J. Fung and A. Lamontagne, "Real-Time Avatar-Based Feedback to Enhance the Symmetry of Spatiotemporal Parameters After Stroke: Instantaneous Effects of Different Avatar Views," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering