Méthodes expérimentales pour étudier le contrôle postural humain
Summary
Cet article présente un cadre expérimental/analytique pour étudier le contrôle postural humain. Le protocole fournit des procédures étape par étape pour effectuer des expériences debout, mesurer la cinématique du corps et les signaux cinétiques, et analyser les résultats pour fournir un aperçu des mécanismes sous-jacents au contrôle postural humain.
Abstract
De nombreuses composantes des systèmes nerveux et musculo-squelettique agissent de concert pour atteindre la posture stable et droite de l’homme. Des expériences contrôlées accompagnées de méthodes mathématiques appropriées sont nécessaires pour comprendre le rôle des différents sous-systèmes impliqués dans le contrôle postural humain. Cet article décrit un protocole pour effectuer des expériences debout perturbées, acquérir des données expérimentales, et effectuer l’analyse mathématique suivante, dans le but de comprendre le rôle du système musculo-squelettique et le contrôle central dans l’homme posture verticale. Les résultats générés par ces méthodes sont importants, car ils fournissent un aperçu du contrôle de l’équilibre sain, forment la base pour comprendre l’étiologie de l’équilibre altéré chez les patients et les personnes âgées, et l’aide dans la conception d’interventions pour améliorer contrôle postural et stabilité. Ces méthodes peuvent être employées pour étudier le rôle du système somatosensory, de la rigidité intrinsèque de l’articulation de cheville, et du système visuel dans le contrôle postural, et peuvent également être étendues pour étudier le rôle du système vestibulaire. Les méthodes doivent être utilisées dans le cas d’une stratégie de cheville, où le corps se déplace principalement sur l’articulation de la cheville et est considéré comme un pendule inversé à un seul lien.
Introduction
Le contrôle postural humain est réalisé par des interactions complexes entre les systèmes nerveux central et musculo-squelettique1. Le corps humain debout est intrinsèquement instable, soumis à une variété de perturbations internes (p. ex. respiration, battements cardiaques) et externes (p. ex. gravité). La stabilité est obtenue par un contrôleur distribué avec des composants centraux, réflexes et intrinsèques (figure 1).
Le contrôle postural est réalisé par : un contrôleur actif, médié par le système nerveux central (SNC) et la moelle épinière, qui modifie l’activation musculaire ; et un contrôleur de rigidité intrinsèque qui résiste aux mouvements articulaires sans changement dans l’activation musculaire (Figure 1). Le contrôleur central utilise des informations sensorielles pour générer des commandes descendantes qui produisent des forces musculaires correctives pour stabiliser le corps. L’information sensorielle est transdulée par les systèmes visuels, vestibulaires et somatosensoriels. Plus précisément, le système somatosensoriel génère des informations sur la surface de support et les angles articulaires; la vision fournit de l’information sur l’environnement; et le système vestibulaire génère des informations concernant la vitesse angulaire de la tête, l’accélération linéaire et l’orientation par rapport à la gravité. Le contrôleur central en boucle fermée fonctionne avec de longs retards qui peuvent être déstabilisants2. Le deuxième élément du contrôleur actif est la rigidité réflexe, qui génère une activité musculaire avec une latence courte et produit des couples résistant au mouvement articulaire.
Il y a une latence associée aux deux composants du contrôleur actif ; par conséquent, la rigidité intrinsèque commune, qui agit sans délai, joue un rôle important dans le contrôle postural3. La rigidité intrinsèque est générée par les propriétés visco-élastiques passives des muscles contractants, des tissus mous et des propriétés inertielles des membres, qui génère des couples résistifs instantanément en réponse à n’importe quel mouvement articulaire4. Le rôle de la raideur articulaire (rigidité intrinsèque et réflexe) dans le contrôle postural n’est pas clairement compris, car il change avec les conditions de fonctionnement, définies par l’activation musculaire4,5,6 et la position articulaire 4 ( en plus) , 7 Annonces , 8, qui changent tous les deux avec l’emprise du corps, inhérentà à la position debout.
Il est important d’identifier les rôles du contrôleur central et la rigidité articulaire dans le contrôle postural, car il fournit la base pour : diagnostiquer l’étiologie des affaiblissements d’équilibre ; la conception d’interventions ciblées pour les patients; l’évaluation du risque de chute; l’élaboration de stratégies de prévention des chutes chez les personnes âgées; et la conception de dispositifs d’assistance tels que les orthèses et les prothèses. Cependant, il est difficile, parce que les différents sous-systèmes agissent ensemble et seulement la cinématique globale résultante du corps, les couples articulaires, et l’électromyographie musculaire peuvent être mesurées.
Par conséquent, il est essentiel de développer des méthodes expérimentales et analytiques qui utilisent les variables posturales mesurables pour évaluer la contribution de chaque sous-système. Une difficulté technique est que la mesure des variables posturales se fait en boucle fermée. Par conséquent, les entrées et les extrants (cause et effet) sont interdépendants. Par conséquent, il est nécessaire d’appliquer des perturbations externes (comme intrants) pour évoquer des réactions posturales dans les réponses (comme les extrants), et b) d’utiliser des méthodes mathématiques spécialisées pour identifier les modèles du système et démêler la cause et l’effet9.
Le présent article se concentre sur le contrôle postural quand une stratégie de cheville est employée, c’est-à-dire, quand les mouvements se produisent principalement au sujet de l’articulation de cheville. Dans cet état, le haut du corps et les membres inférieurs se déplacent ensemble, par conséquent, le corps peut être modélisé comme un pendule inversé à un seul maillon dans le plan sagittal10. La stratégie de cheville est utilisée lorsque la surface de soutien est ferme et les perturbations sont petites1,11.
Un appareil permanent capable d’appliquer des perturbations sensorielles mécaniques (proprioceptives) et visuelles appropriées et d’enregistrer la cinématique corporelle, la cinétique et les activités musculaires a été développé dans notre laboratoire12. Le dispositif fournit l’environnement expérimental nécessaire pour étudier le rôle de la raideur de la cheville, les mécanismes de contrôle central, et leurs interactions en générant des réponses posturales en utilisant des stimuli visuels ou / et somatosensorielles. Il est également possible d’étendre le dispositif pour étudier le rôle du système vestibulaire par l’application de la stimulation électrique directe aux processus mastoïdes, qui peuvent générer une sensation de vitesse de la tête et évoquer des réponses posturales12,13 .
D’autres ont également développé des dispositifs similaires pour étudier le contrôle postural humain, où les actionneurs électriques linéaires piezo11, les moteurs électriques rotatifs14,15, et les moteurs électriques linéaires16,17 , 18 ont été utilisés pour appliquer des perturbations mécaniques à la cheville en position debout. Des dispositifs plus complexes ont également été développés pour étudier le contrôle postural multisegment, où il est possible d’appliquer de multiples perturbations aux articulations de la cheville et de la hanche simultanément19,20.
Appareil permanent
Deux actionneurs rotatifs électrohydrauliques contrôlés par servo déplacent deux pédales pour appliquer des perturbations contrôlées de la position de la cheville. Les actionneurs peuvent générer de grands couples (500 Nm) nécessaires pour le contrôle postural; ceci est particulièrement important dans les cas tels que le maigre vers l’avant, où le centre du corps de masse est loin (antérieur) de l’axe de cheville de rotation, ayant pour résultat de grandes valeurs du couple de cheville pour le contrôle postural.
Chaque actionneur rotatif est contrôlé par une soupape de servo proportionnelle séparée, à l’aide de la rétroaction de position de la pédale, mesurée par un potentiomètre de haute performance sur l’arbre de l’actionneur (Tableau des matériaux). Le contrôleur est mis en œuvre à l’aide d’un système de traitement numérique du signal en temps réel xPC basé sur MATLAB. L’actionneur/servo-valve ensemble ont une bande passante de plus de 40 Hz, beaucoup plus grande que la bande passante du système global de commande posturale, la rigidité d’articulation de cheville, et le contrôleur central21.
Dispositif de réalité virtuelle et environnement
Un casque de réalité virtuelle (VR)(Tableau des Matériaux)est utilisé pour perturber la vision. Le casque contient un écran LCD (double écran AMOLED 3.6′ avec une résolution de 1080 x 1200 pixels par œil) qui fournit à l’utilisateur une vue stéréoscopique des médias envoyés à l’appareil, offrant une perception de profondeur tridimensionnelle. Le taux de rafraîchissement est de 90 Hz, suffisant pour fournir un sens virtuel solide aux utilisateurs22. Le champ de vision de l’écran est de 110 degrés, assez pour générer des perturbations visuelles similaires aux situations du monde réel.
Le casque suit la rotation de la tête de l’utilisateur et modifie la vue virtuelle en conséquence afin que l’utilisateur soit complètement immergé dans l’environnement virtuel ; par conséquent, il peut fournir la rétroaction visuelle normale ; et il peut également perturber la vision en tournant le champ visuel dans le plan sagittal.
Mesures cinétiques
La force de réaction verticale est mesurée par quatre cellules de charge, prises en sandwich entre deux plaques sous le pied(Tableau des Matériaux). Le couple de cheville est mesuré directement par des transducteurs de couple d’une capacité de 565 Nm et d’une rigidité de torsion de 104 kNm/rad; il peut également être mesuré indirectement à partir des forces verticales transduisées par les cellules de charge, en utilisant leurs distances à l’axe de cheville de la rotation23, en supposant que les forces horizontales appliquées aux pieds debout sont petites2,24. Le centre de pression (COP) est mesuré en plan sagittal en divisant le couple de la cheville par la force verticale totale, mesurée par les cellules de charge23.
Mesures cinématiques
L’angle du pied est le même que l’angle de pédale, parce que quand une stratégie de cheville est employée, le pied du sujet se déplace avec la pédale. L’angle de tige par rapport à la verticale est obtenu indirectement du déplacement linéaire de la tige, mesurée par un télémètre laser (Table of Materials) avec une résolution de 50 m et une bande passante de 750 Hz25. L’angle de la cheville est la somme des angles du pied et de la tige. L’angle du corps par rapport à la verticale est obtenu indirectement à partir du déplacement linéaire du point médian entre les épines iliaques postérieures postérieures gauche selles droites (PSIS), mesuréeà à l’aide d’un télémètre laser (Tableau des matériaux) avec une résolution de 100 m et bande passante de 750 Hz23. La position de la tête et la rotation sont mesurées en fonction du système de coordonnées globaux de l’environnement VR par les stations de base du système VR qui émettent des impulsions infrarouges chronométrées (IR) à 60 impulsions par seconde qui sont captées par les capteurs IR du casque avec sous-millimètre précision.
Acquisition de données
Tous les signaux sont filtrés avec un filtre anti-aliasing avec une fréquence d’angle de 486.3, puis échantillonnés à 1000 Hz avec des cartes d’acquisition de signaux dynamiques 24 bits/8, à échantillonnage simultané, dynamiques(tableau des matériaux)avec une dynamique portée de 20 V.
Mécanismes de sécurité
Six mécanismes de sécurité ont été incorporés dans l’appareil permanent pour prévenir les blessures aux sujets; les pédales sont contrôlées séparément et ne s’interfèrent jamais les unes avec les autres. (1) L’arbre de l’actionneur est muni d’une came qui active mécaniquement une soupape qui débranche la pression hydraulique si la rotation de l’arbre dépasse 20 degrés par rapport à sa position horizontale. (2) Deux arrêts mécaniques réglables limitent l’autonomie du mouvement de l’actionneur; ceux-ci sont réglés à la gamme de mouvement de chaque sujet avant chaque expérience. (3) Le sujet et l’expérimentateur tiennent un bouton de panique; en appuyant sur le bouton déconnecte la puissance hydraulique des actionneurs et les fait se détacher, de sorte qu’ils peuvent être déplacés manuellement. (4) Des mains courantes situées de part et d’autre du sujet sont disponibles pour fournir un soutien en cas d’instabilité. (5) Le sujet porte un harnais complet du corps(Table des Matériaux),attaché à des barres transversales rigides dans le plafond pour les soutenir en cas de chute. Le harnais est mou et n’interfère pas avec la position normale, à moins que le sujet ne devienne instable, où le harnais empêche le sujet de tomber. En cas de chute, les mouvements de la pédale seront arrêtés manuellement soit par le sujet, à l’aide du bouton de panique, soit par l’expérimentateur. (6) Les servo-valves arrêtent la rotation des actionneurs à l’aide de mécanismes de sécurité en cas d’interruption de l’alimentation électrique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plusieurs étapes sont essentielles dans l’exécution de ces expériences pour étudier le contrôle postural humain. Ces étapes sont associées à la mesure correcte des signaux et comprennent: 1) Alignement correct de l’axe de la cheville de la tige de rotation à celle des pédales, pour la mesure correcte des couplements de cheville. 2) Configuration correcte des télémètres pour s’assurer qu’ils travaillent dans leur gamme et ne sont pas saturés pendant les expériences. 3) Mesure de l’EMG avec la bonne qualité…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cet article a été rendu possible grâce à la subvention du PNRP #6-463-2-189 de la subvention nationale de recherche du Qatar et de la subvention du MINISTÈRE #81280 des Instituts de recherche en santé du Canada.
Materials
| 5K potentiometer | Maurey | 112P19502 | Measures actuator shaft angle |
| 8 channel Bagnoli surface EMG amplifiers and electrodes | Delsys | Measures the EMG of ankle muscles | |
| AlienWare Laptop | Dell Inc. | P69F001-Rev. A02 | VR-ready PC laptop |
| Data acquisition card | National instruments | 4472 | Samples the analogue signals from the sensors |
| Directional valve | REXROTH | 4WMR10C3X | Bypasses the flow if the angle of actuator shaft goes beyond ±20° |
| Full body harness | Jelco | 740 | Protect the subjects from falling |
| Laser range finder | Micro-epsilon 1302-100 | 1507307 | Measures shank linear displacement |
| Laser range finder | Micro-epsilon 1302-200 | 1509074 | Measures body linear displacement |
| Load cell | Omega | LC302-100 | Measures vertical reaction forces |
| Proportional servo-valve | MOOG | D681-4718 | Controls the hydraulic flow to the rotary actuators |
| Rotary actuator | Rotac | 26R21VDEISFTFLGMTG | Applies mechanical perturbations |
| Torque transducer | Lebow | 2110-5k | Measures ankle torque |
| Virtual Environment Motion Trackers | HTC inc. | 1551984681 | Tracks the head motion |
| Virtual Reality Headset | HTC inc. | 1551984681 | Provides visual perturbations |
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