Metodi sperimentali per studiare il controllo posturale umano
Summary
Questo articolo presenta un quadro sperimentale/analitico per studiare il controllo posturale umano. Il protocollo fornisce procedure dettagliate per l’esecuzione di esperimenti permanenti, la misurazione dei segnali cinemici e cinetica del corpo e l’analisi dei risultati per fornire informazioni sui meccanismi alla base del controllo posturale umano.
Abstract
Molti componenti dei sistemi nervosi e muscolo-scheletrici agiscono in concerto per ottenere la postura umana stabile e verticale. Sono necessari esperimenti controllati accompagnati da metodi matematici adeguati per comprendere il ruolo dei diversi sottosistemi coinvolti nel controllo posturale umano. Questo articolo descrive un protocollo per l’esecuzione di esperimenti in piedi perturbati, l’acquisizione di dati sperimentali e l’esecuzione della successiva analisi matematica, con l’obiettivo di comprendere il ruolo del sistema muscolo-scheletrico e il controllo centrale nell’uomo postura eretta. I risultati generati da questi metodi sono importanti, perché forniscono informazioni sul controllo sano dell’equilibrio, costituiscono la base per comprendere l’eziologia di un equilibrio alterato nei pazienti e negli anziani e aiutano nella progettazione di interventi per migliorare controllo posturale e stabilità. Questi metodi possono essere utilizzati per studiare il ruolo del sistema somatosensoriale, la rigidità intrinseca dell’articolazione della caviglia e il sistema visivo nel controllo posturale, e possono anche essere estesi per studiare il ruolo del sistema vestibolare. I metodi devono essere utilizzati nel caso di una strategia della caviglia, in cui il corpo si muove principalmente sull’articolazione della caviglia ed è considerato un pendolo invertito a collegamento singolo.
Introduction
Il controllo posturale umano si realizza attraverso complesse interazioni tra il sistema nervoso centrale e i sistemi muscolo-scheletrici1. Il corpo umano in piedi è intrinsecamente instabile, soggetto a una varietà di perturbazioni interne (ad esempio, respirazione, battito cardiaco) ed esterne (ad esempio, gravità). La stabilità viene ottenuta da un controller distribuito con componenti centrali, riflessi e intrinseci (Figura 1).
Il controllo posturale è ottenuto da: un controllore attivo, mediato dal sistema nervoso centrale (SNC) e dal midollo spinale, che cambia l’attivazione muscolare; e un controller di rigidità intrinseco che resiste al movimento articolare senza alcun cambiamento nell’attivazionemuscolare( Figura 1 ). Il controller centrale utilizza informazioni sensoriali per generare comandi discendenti che producono forze muscolari correttive per stabilizzare il corpo. Le informazioni sensoriali sono tradotte dai sistemi visivi, vestibolici e somatosensoriali. In particolare, il sistema somatosensoriale genera informazioni riguardanti la superficie di supporto e gli angoli articolari; la visione fornisce informazioni sull’ambiente; e il sistema vestibolare genera informazioni riguardanti la velocità angolare della testa, l’accelerazione lineare e l’orientamento rispetto alla gravità. Il controller centrale a circuito chiuso funziona con lunghi ritardi che possono destabilizzare2. Il secondo elemento del controller attivo è la rigidità del riflesso, che genera attività muscolare con bassa latenza e produce coppia resistendo al movimento articolare.
Esiste una latenza associata a entrambi i componenti del controller attivo; di conseguenza, la rigidità intrinseca articolare, che agisce senza ritardi, svolge un ruolo importante nel controllo posturale3. La rigidità intrinseca è generata da proprietà visco-elastiche passive di muscoli contraente, tessuti molli e proprietà inerziali degli arti, che genera coppia resistiva istantaneamente in risposta a qualsiasi movimento articolare4. Il ruolo della rigidità articolare (rigidità intrinseca e riflessa) nel controllo posturale non è chiaramente compreso, poiché cambia con le condizioni operative, definito dall’attivazione muscolare4,5,6 e posizione articolare 4 DEL psu’ , 7 (in questo stato , 8, entrambi cambiano con il corpo ondeggiante, inerente alla posizione.
È importante identificare i ruoli del controller centrale e della rigidità articolare nel controllo posturale, in quanto fornisce la base per: diagnosticare l’eziologia delle compromissione dell’equilibrio; la progettazione di interventi mirati per i pazienti; valutazione del rischio di cadute; lo sviluppo di strategie per la prevenzione delle cadute negli anziani; e la progettazione di dispositivi assistivi come ortopedici e protesi. Tuttavia, è difficile, perché i diversi sottosistemi agiscono insieme e solo la cinematica generale del corpo risultante, le coppia articolari e l’elettromiografia muscolare possono essere misurate.
Pertanto, è essenziale sviluppare metodi sperimentali e analitici che utilizzino le variabili posturali misurabili per valutare il contributo di ciascun sottosistema. Una difficoltà tecnica è che la misurazione delle variabili posturali viene eseguita in loop chiuso. Di conseguenza, gli ingressi e gli output (causa ed effetto) sono interconnessi. Di conseguenza, è necessario: a) applicare perturbazioni esterne (come input) per evocare reazioni posturali nelle risposte (come uscite), e b) impiegare metodi matematici specializzati per identificare i modelli di sistema e districare causa ed effetto9.
Il presente articolo si concentra sul controllo posturale quando viene utilizzata una strategia della caviglia, cioè quando i movimenti si verificano principalmente sull’articolazione della caviglia. In questa condizione, la parte superiore del corpo e gli arti inferiori si muovono insieme, di conseguenza, il corpo può essere modellato come un pendolo invertito a collegamento singolo nel piano sagittale10. La strategia della caviglia viene utilizzata quando la superficie di supporto è ferma e le perturbazioni sono piccole1,11.
Nel nostrolaboratorioè stato sviluppato un apparato permanente in grado di applicare adeguate perturbazioni meccaniche (propriocettive) e sensoriali visive e registrare la cinetica, la cinetica e le attività muscolari del corpo. Il dispositivo fornisce l’ambiente sperimentale necessario per studiare il ruolo della rigidità della caviglia, i meccanismi di controllo centrale e le loro interazioni generando risposte posturali utilizzando stimoli visivi o/e somatosensoriali. È anche possibile estendere il dispositivo per studiare il ruolo del sistema vestibolare mediante l’applicazione della stimolazione elettrica diretta ai processi mastoidi, che può generare una sensazione di velocità della testa ed evocare risposte posturali12,13 .
Altri hanno anche sviluppato dispositivi simili per studiare il controllo posturale umano, dove attuatori elettrici piezo lineari11, motori elettrici rotanti14,15, e motori elettrici lineari16,17 , 18 sono stati utilizzati per applicare perturbazioni meccaniche alla caviglia in piedi. Sono stati inoltre sviluppati dispositivi più complessi per studiare il controllo posturale multisegmento, dove è possibile applicare contemporaneamente più perturbazioni alle articolazioni della caviglia e dell’anca19,20.
Apparecchi in piedi
Due attuatori rotanti elettrodrululici controllati dal servo muovono due pedali per applicare perturbazioni controllate della posizione della caviglia. Gli attuatori possono generare grandi torque (>500 Nm) necessari per il controllo posturale; questo è particolarmente importante in casi come la magra in avanti, dove il centro di massa del corpo è lontano (anteriore) dall’asse di rotazione della caviglia, con conseguente grandi valori di coppia alla caviglia per il controllo posturale.
Ogni attuatore rotante è controllato da una valvola servo proporzionale separata, utilizzando il feedback della posizione del pedale, misurato da un potenziatore ad alte prestazioni sull’albero dell’attuatore (Tabella dei materiali). Il controller viene implementato utilizzando un sistema di elaborazione del segnale digitale xPC basato su MATLAB. L’attuatore/servo-valve insieme hanno una larghezza di banda superiore a 40 Hz, molto più grande della larghezza di banda del sistema di controllo posturale complessivo, rigidità dell’articolazione della caviglia e controller centrale21.
Dispositivo e ambiente di realtà virtuale
Un auricolare di realtà virtuale (VR) (Table of Materials) viene utilizzato per perturbare la visione. L’auricolare contiene uno schermo LCD (doppio schermo AMOLED 3.6′ con una risoluzione di 1080 x 1200 pixel per occhio) che fornisce all’utente una vista stereoscopica dei supporti inviati al dispositivo, offrendo una percezione della profondità tridimensionale. La frequenza di aggiornamento è di 90 Hz, sufficiente a fornire un solido senso virtuale agli utenti22. Il campo visivo dello schermo è di 110 gradi, sufficiente a generare perturbazioni visive simili a situazioni del mondo reale.
L’auricolare tiene traccia della rotazione della testa dell’utente e modifica di conseguenza la vista virtuale in modo che l’utente sia completamente immerso nell’ambiente virtuale; pertanto, può fornire il normale feedback visivo; e può anche perturbare la vista ruotando il campo visivo in piano sagittale.
Misure cinetiche
La forza di reazione verticale è misurata da quattro celle di carico, inserite tra due piastre sotto il piede (Tabella dei materiali). La coppia della caviglia è misurata direttamente da trasduttori di coppia con una capacità di 565 Nm e una rigidità torsionale di 104 kNm/rad; può anche essere misurato indirettamente dalle forze verticali trasdotte dalle celle di carico, utilizzando le loro distanze dall’asse della caviglia di rotazione23, supponendo che le forze orizzontali applicate ai piedi in piedi siano piccole2,24. Il centro di pressione (COP) è misurato in piano sagittale dividendo la coppia della caviglia per la forza verticale totale, misurata dalle celle di carico23.
Misure cinematiche
L’angolo del piede è lo stesso dell’angolo del pedale, perché quando viene utilizzata una strategia di caviglia, il piede del soggetto si muove con il pedale. L’angolo di gambo rispetto alla verticale si ottiene indirettamente dallo spostamento lineare del gambo, misurato da un rilevatore di range laser (Tabella dei materiali) con una risoluzione di 50 m e una larghezza di banda di 750 Hz25. L’angolo della caviglia è la somma degli angoli del piede e del gambo. L’angolo del corpo rispetto alla verticale si ottiene indirettamente dallo spostamento lineare del punto medio tra le spine iliache superiori superiori sinistra e destra (PSIS), misurato utilizzando un cercatore di gamma laser (Tabella dei materiali) con una risoluzione di 100 m e larghezza di banda di 750 Hz23. La posizione e la rotazione della testa vengono misurate rispetto al sistema di coordinate globale dell’ambiente VR dalle stazioni di base del sistema VR che emettono impulsi a infrarossi a tempo (IR) a 60 impulsi al secondo che vengono rilevati dai sensori IR dell’auricolare con sub-millimeter precisione.
Acquisizione dei dati
Tutti i segnali vengono filtrati con un filtro anti-aliasing con una frequenza di angolo di 486.3 e quindi campionati a 1000 Hz con prestazioni elevate a 24 bit/8 canali, campionamento simultaneo, schede di acquisizione del segnale dinamico (Tabella dei materiali)con gamma di 20 V.
Meccanismi di sicurezza
Sei meccanismi di sicurezza sono stati incorporati nell’apparato permanente per prevenire lesioni ai soggetti; i pedali sono controllati separatamente e non interferiscono mai l’uno con l’altro. (1) L’albero dell’attuatore ha una camma, che attiva meccanicamente una valvola che scollega la pressione idraulica se la rotazione dell’albero supera i 20 gradi dalla sua posizione orizzontale. (2) Due fermi meccanici regolabili limitano la gamma di movimento dell’attuatore; questi sono impostati sulla gamma di movimento di ciascun soggetto prima di ogni esperimento. (3) Sia il soggetto che lo sperimentatore tengono premuto un pulsante di panico; premendo il pulsante si disconnette l’alimentazione idraulica dagli attuatori e li fa allentare, in modo che possano essere spostati manualmente. (4) I corrimano situati su entrambi i lati del soggetto sono disponibili per fornire supporto in caso di instabilità. (5) Il soggetto indossa un’imbracatura a tutto corpo (Table of Materials), attaccata alle traverse rigide nel soffitto per sostenerle in caso di caduta. L’imbracatura è allentata e non interferisce con la posizione normale, a meno che il soggetto non diventi instabile, dove l’imbracatura impedisce al soggetto di cadere. In caso di caduta, i movimenti del pedale saranno interrotti manualmente dal soggetto, utilizzando il pulsante di panico o dallo sperimentatore. (6) I servo-valve arrestano la rotazione degli attuatori utilizzando meccanismi sicuri in caso di interruzione dell’alimentazione elettrica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diversi passaggi sono fondamentali per eseguire questi esperimenti per studiare il controllo posturale umano. Questi passaggi sono associati alla corretta misurazione dei segnali e includono: 1) Corretto allineamento dell’asse della caviglia del gambo di rotazione a quello dei pedali, per la corretta misurazione delle coppia alla caviglia. 2) Corretto set-up dei cercatori di gamma per garantire che funzionino nella loro gamma e non sono saturi durante gli esperimenti. 3) Misurazione di EMG con buona qualità e minimal e …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo articolo è stato reso possibile dalla sovvenzione NPRP #6-463-2-189 dalla Qatar National Research e MOP grant #81280 dal Canadian Institutes of Health Research.
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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