用于研究人类运动控制的多功能实验平台：结合经颅磁刺激、肌电图、运动捕捉与虚拟现实技术

以下实验的总体目标是展示一种通用技术，用于同步在人体生物力学研究期间记录的多个数据流。该方法通过使用肌电图和运动捕捉信号生成一个模拟同步事件，该事件可由两个或更多系统独立记录。作为第二步，可以设计简单的电路组件，将此事件转换为适合每种记录设备的信号。

接下来，使用分析软件对独立记录的信号中的同步事件进行临时对齐，以实现所有信号的同步。结果表明，多种生物力学信号可以在各自数据采集系统的采样频率范围内实现临时对齐，从而能够收集到丰富的人类自然运动实验数据集，用于研究神经肌肉控制。在运动控制与生物力学领域，存在许多复杂的问题，而通过在实验室环境中研究人类自然运动，是回答这些问题的最佳途径。

本文介绍了利用虚拟现实技术来定义行为任务的方法，在此期间可同步记录多种生理信号。基于虚拟现实的实验装置相较于现有的硬件行为装置等方法具有优势，能够快速适应不同的实验需求以及不同受试者的独特解剖结构。在行为实验过程中，通常需要同步记录多种用于量化行为的信号，例如肌电图和运动捕捉数据。

本方法通过使用一种可在多个制造商设备间兼容的定制同步单元，解决了这些信号的时间对齐问题。首先，根据制造商的说明书，完成肌电图设备之间的所有必要电气连接，包括放大器、前置放大器、传感器导线和传感器电极片。清洁每个电极放置部位，以确保电极与皮肤之间的阻抗值稳定且较低。

然后指导受试者对目标肌肉进行等长收缩，在触诊确定的肌肉收缩部位放置肌电图电极，并注意电极与肌纤维走向上活性区域的方向一致。将接地电极贴于第七颈椎（C7）椎体上方的皮肤处。

接下来，为了测试信号质量，让受试者收缩每个目标肌肉，并在计算机上检查放大后的肌电（EMG）信号。最后，如果在行为任务所需的肌肉收缩过程中EMG信号出现饱和，则降低放大增益。首先，根据制造商的说明校准运动追踪相机。

将有源LED传感器用胶带固定在手臂关节附近的骨性标志点以及其他感兴趣的解剖位置，例如手指、手腕、肩部和胸部附近。将另一个LED传感器连接到虚拟现实（VR）头戴式显示器，以设定虚拟环境中的视点。然后将每个LED传感器连接到附着于无线驱动单元的线束上。

打开驱动装置，并确保所有LED灯正常照明。最后，将同步LED灯放置在远离受试者但处于动作捕捉相机清晰视野范围内的位置。首先，校准经颅磁刺激（TMS）设备及其软件，以实现线圈的准确定位。

为此，使用校准指针将经颅磁刺激（TMS）线圈与解剖标志点（如前耳点和鼻尖）进行共注册。然后采用热点定位技术，确定大脑皮层上能引出最大振幅运动诱发电位（MEPs）的TMS敏感区域。

使用最低刺激强度，利用校准的立体定位注册设备和软件记录受试者头皮上最佳刺激位点的位置。最后，在选定位置逐渐降低刺激强度，直至在50%的刺激次数中诱发出至少50微伏的运动诱发电位（MEPs），以此测定受试者的阈值。首先，根据制造商的方案设置行为任务的虚拟现实（VR）环境。

通过使用与头戴式显示器和运动追踪系统程序兼容的商用虚拟现实（VR）软件。通过并行端口输出数字信号，以实现同步并标记特定感兴趣事件。使用带有匹配连接器的电缆，将虚拟现实（VR）输出连接到同步电路以及其他需要同步的设备。

向受试者说明其在虚拟现实（VR）中将要执行的任务要求。要求受试者在其视野中出现球形目标时，立即指向这些目标。待受试者理解任务内容并完成练习后，开始在一次VR同步试验期间记录肌电图（EMG）、动作捕捉数据及同步信号。

该软件会触发肌电图（EMG）设备，记录上肢运动过程中产生的神经肌肉活动信号，同时触发动作捕捉设备记录连续的运动数据。该信号可用于同步肌电图与动作捕捉数据。此处。

展示了单个任务在 24 次试验中的平均关节角运动学与动力学，以及相应的连续性和瞬时性神经肌肉活动。虚拟现实提供的这些多维数据集将使研究人员能够探究特定的人类运动控制机制。观看本视频后，您应能大致了解如何同步在人体运动实验（如肌电图和运动捕捉）中可记录的多种数据流。该流程还可扩展以纳入其他系统，例如脑电图。

此外，在其建立之后，周围神经的电刺激也可用于评估感觉反馈对运动控制的贡献。该技术为神经科学家探索中风或脊髓损伤等运动障碍患者神经控制运动的变化铺平了道路。