人类完成复杂、灵巧的动作依赖于手指之间的协同配合,其活动模式的内在神经调控机理是运动生理学、康复医学、神经科学、人-机工程学共同关注的科学问题。本课题以经颅磁刺激(TMS)、运动跟踪为技术手段,在手指协同动作过程中,给予大脑皮层运动区施加磁刺激,研究各手指运动学的变化规律,进而探讨TMS对手指活动模式的影响。研究结果不仅有助于认识人类复杂运动机能的神经调控过程,为运动功能康复训练和运动功能评价提供理论依据,还可以为仿生机械手的设计提供理论模型。本文的工作包括指力检测实验系统的设计,TMS对手部握力影响的实验设计以及TMS对指力影响的实验设计。指力检测实验系统包括硬件装置和实验软件部分;其中硬件装置又包括指力检测装置和脉冲磁场的检测电路。指力检测装置由测力传感器、放大滤波电路和数据采集卡构成,实现了对指力信号的提取、放大和模数转换功能。脉冲磁场检测电路,实现了对磁刺激线圈产生的脉冲磁场的同步记录,以确定TMS指力实验中手指力量变化的起始时间。系统软件是基于LabVIEW虚拟仪器开发平台完成的,实现实时准确地采集及存储脉冲磁场信号及指力信号。握力是评价手部运动机能的一个重要参数,设计了基于TMS的手部握力实验。受试者在20%、30%、40%最大随意收缩力量(MVC)三种力量水平下握住传感器,分别给予100%、110%、120%阈值(MT)强度的刺激,研究在不同刺激强度和不同背景握力的条件下,TMS前后手部握力大小及力量恢复时间的变化情况。握力实验结果表明,握力大小的峰峰值与背景握力、刺激强度均呈正相关;握力大小的负峰值及恢复时间只有在较大力量水平时,才与刺激强度正相关,在较大刺激强度时,与力量水平正相关;握力波形的正峰值在相同的背景握力下,与刺激强度呈正相关,当刺激强度一定时,与背景握力大小无明显关系。为了进一步观察TMS对于每个手指力量变化大小及变化快慢的影响,设计了基于TMS的指力实验。设置15%MVC,25%MVC,35%MVC三种力量水平,以及食指单独作用、中指单独作用、食指和中指、除拇指外的四个手指共同作用四种手指模式,以120%MT的磁刺激强度给予刺激,研究在不同手指模式、不同力量水平下TMS对各手指力量变化的潜伏时间以及力量变化幅值大小的影响。指力试验结果表明,手指对TMS响应的潜伏时间与手指活动状态和手指自身有关,表现为单个手指作用时,任务手指的潜伏时间最短,与其临近的手指随后变化;在四个手指共同作用下,各手指的时间快慢依次食指快于中指快于无名指快于小指。手指对于TMS响应的力量变化大小与各手指的活动状态及独立性有关。表现为单个手指或两个手指作用时,任务手指的力量变化比较小,而非任务手指力量变化大;四个手指共同作用模式下,食指力量变化最小,无名指力量变化最大。任务手指的力量变化大小与力量水平呈负相关,即随着背景力量的增大而减小。不同的手指模式只对中指有影响,对食指无显著影响。