生物反馈 —— 有哪些可能性？

随着 “The MotionMonitor xGen” 的发布，我们的首篇博客分享了你们一直以来向我们反馈的有关动作捕捉软件状况的一些内容。生物反馈及其在理解人体运动方面的应用是一个备受关注的话题。在本篇博客中，我们将更详细地探讨这一话题以及用户应用情况。

什么是生物反馈？

生物反馈的典型定义是 “一种治疗方法，患者借此学会控制通常无意识的身体机能，比如肌肉紧张度、血压或心率”。在当今的研究领域，这个定义太过狭隘了。人们的普遍看法或许源于早期使用表面肌电图（sEMG）来治疗从紧张性头痛到关节功能障碍等各类病症。一个更恰当、更通用的定义可能是：“生物反馈是这样一个过程，即将源自人体运动或运动起始的任何原始数据或经处理的数据，在一个控制反馈回路中提供给受测对象，目的是通过学习过程来改变该运动。”

依据这个更宽泛的定义，“生物反馈” 这一概念能够利用更多数据，在众多领域分析并改变行为，这些领域涵盖体育领域的成绩提升、人体工程学中的伤害减少、肌肉骨骼损伤的康复以及运动控制系统的康复与研究。

俄亥俄州立大学的史蒂文・拉文德（Steven Lavender）博士在一份旨在改变体力物料搬运工搬运行为的美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）资助提案中，借助学习理论和现有研究解释了生物反馈发挥效力所必需的要素。他指出，复杂的运动技能通过亲身体验来学习效果最佳，而非靠演示；要包含与行为改变相关的 “过渡提示”；并且要以客观数据的形式提供结果反馈，以确定是否发生了积极的行为改变。在他的案例中，过渡提示是一种听觉信号，其音调取决于腰 5 / 骶 1 关节所产生的力矩。这可不是典型的生物反馈信号！

显然，生物反馈的可能性远远超出了那个狭隘的定义范围。

生物反馈是如何被应用的？

那么，依据这个更宽泛的定义，生物反馈是如何被应用的呢？作为过渡提示所提供的反馈类型又有哪些呢？一个例子来自人体工程学领域。正如史蒂夫・拉文德所指出的，如果 “过渡提示” 对于改变复杂运动技能很重要的话，那么单靠视觉提示实际上可能会阻碍学习。在这个旨在降低肩部抬高程度的人体工程学应用案例中，一个表明 “越界” 的听觉信号对于受测对象来说会更有用，能让其立即 “感知” 到危险区域。而视觉上的 “停与走” 提示虽然对教练有用，但对受测对象来说太容易分散注意力了。

康复是另一个受益于更宽泛生物反馈定义的领域。塞图巴尔理工学院的里卡多・马蒂亚斯（Ricardo Matias）在一篇题为《三维运动学反馈对以肩胛骨为重点的运动表现的有效性》（https://comum.rcaap.pt/handle/10400.26/7051）的文章中证明，在某些肩部运动中，运动学反馈在改变行为方面比基于表面肌电图（sEMG）的反馈更有效。从本质上讲，他的研究表明，虽然 sEMG 在促使受测对象激活特定肌肉方面有用，但不一定能带来理想的肩胛骨运动变化。然而，通过使用运动学数据作为反馈，受测对象不仅改变了他们的运动方式，还激活了正确的肌肉组合。

弗吉尼亚联邦大学的詹姆斯・托马斯（James Thomas）物理治疗博士和彼得・皮德科（Peter Pidcoe）物理治疗博士正在分析虚拟现实需要达到何种 “真实程度” 才能吸引受测对象参与。在他们的虚拟躲避球游戏中，为了鼓励背痛患者活动，他们增加了以振动器形式呈现的触觉反馈，以便向被对方队伍 “击中” 的身体部位提供反馈。在这个例子中，视觉交互、奖励系统和触觉反馈提供了更深层次的反馈以及一个更真实的虚拟世界。

在高尔夫运动中，挥杆动作仅持续一瞬间。这点时间不足以让人监测视觉反馈，甚至在挥杆过程中都来不及做出调整。然而，在挥杆时以听觉信号的形式提供即时反馈，能够提供有助于学习的信息。例如，为实现理想的肩部旋转幅度（严格来说是胸廓旋转），可以设定一个小的区间，当达到该区间时发出表示成功的提示音。如果没有听到提示音，说明高尔夫球手的旋转幅度不够。两声提示音表示球手在向后挥杆和向下挥杆经过该区间时旋转过度。一声提示音则表示恰到好处，即球手达到了该区间但没有过度旋转。

生物反馈在运动控制方面已被广泛应用。它既被用作中风康复的工具，也被用于更好地理解运动控制系统。例如，将手伸进虚拟物体的沉浸式显示屏中，受测对象能够在现实世界无法重现的虚拟环境里观察自己的手部动作。

利用误差增强技术以及借助沉浸式显示屏呈现手部图像，芝加哥康复研究所的詹姆斯·帕顿（James Patton）博士展示了手部的一种受干扰图像，作为中风康复方案的一部分，这会诱导受试者进行过度补偿。吉尔·坎贝尔·斯图尔特（Jill Campbell Stewart）博士在《实验脑研究》（https://link.springer.com/article/10.1007/s00221-014-4025-7）上发表的相关文章中，利用类似的显示屏观察对随机目标的重复伸手动作，以此来辨别中风患者所做规划以及补偿性调整的程度。 视觉在训练过程中也能发挥作用，这是其另一个有用的应用场景。例如，在治疗师学习徒手治疗松动技术时运用生物反馈就是一个例子。在一段演示视频的节选内容里，可以使用各种各样的可视化呈现方式来监测治疗师施加力的大小。在这里，滑动图和柱状图被用于确保施加的力达到目标水平。 当然，生物反馈的应用和研究还有许多其他例子，比如步态再训练、优化跑步力学、动作可听化等等。我 生物反馈软件要想发挥效力需要具备哪些条件呢？ 要使软件成为有效的生物反馈工具，有两个重要的考量因素。首先是处理速度以及反馈显示的延迟情况。测量速率和软件架构对生物反馈而言极其重要。处理速度必须足够快，以便消除动作与反馈之间的延迟，这样训练才能有成效。同时，如果要保证数据有效，基础采集速率必须快到满足奈奎斯特采样定理。我们曾在2018年7月24日有关生物力学数据实时采集的博客中较为详细地讨论过这些问题，在投资生物反馈系统之前应当仔细研读一下该内容。 第二个考量因素是用户界面以及构建生物反馈训练内容的便捷程度。受试者存在的不足以及各类研究表明，用户必须能够快速设置训练内容。在考察用于生物反馈的系统时，这可以说是最重要的问题之一。如果需要使用Visual Basic或其他编程语言来编写训练程序，那么设置时间和受限的界面将会对生物反馈的成功应用产生干扰。 我们很乐意有机会与您聊聊您在生物反馈方面的应用情况及使用经验。欢迎您随意使用下方的评论区留言，或者发送邮件至。