人間の姿勢制御を研究する実験的方法
Summary
この記事では、人間の姿勢制御を研究するための実験的/分析的枠組みを紹介する。このプロトコルは、立ち実験を行い、ボディキネマティクスと運動信号を測定し、結果を分析して、人間の姿勢制御の基礎となるメカニズムに関する洞察を提供するためのステップバイステップの手順を提供します。
Abstract
神経および筋骨格系の多くの構成要素は、安定した直立した人間の姿勢を達成するために協調して作用する。適切な数学的方法を伴う制御実験は、人間の姿勢制御に関与する異なるサブシステムの役割を理解するために必要とされる。本稿では、人間における筋骨格系と中央制御の役割を理解することを目的として、摂動した立ち実験を行い、実験データを取得し、その後の数学的解析を行うためのプロトコルについて説明する。直立した姿勢。これらの方法によって生成された結果は、健康的なバランス制御に関する洞察を提供し、患者と高齢者のバランスの低下の病因を理解するための基礎を形成し、改善するための介入の設計を支援するので、重要です。姿勢制御と安定性。これらの方法は、身体感覚システムの役割、足首関節の本質的な剛性、および姿勢制御における視覚系の役割を研究するために使用することができ、また、前庭系の役割を調査するために拡張されてもよい。この方法は、足首の戦略の場合に使用され、体は主に足首関節を中心に移動し、シングルリンク反転振り子と見なされます。
Introduction
人間の姿勢制御は、中枢神経系と筋骨格系1との複雑な相互作用を通じて実現される。立っている人体は本質的に不安定であり、様々な内部(例えば、呼吸、心拍)および外部(例えば、重力)摂動を受ける。安定性は、中央、反射、および固有のコンポーネントを備えた分散コントローラによって達成されます (図 1)。
姿勢制御は、中枢神経系(CNS)と脊髄によって媒介されるアクティブコントローラによって達成され、筋肉の活性化を変化させる。筋肉の活性化に変化なく関節の動きに抵抗する固有の剛性コントローラー(図1)。中央コントローラは、感覚情報を使用して、身体を安定させるために矯正筋力を生成する降下コマンドを生成します。感覚情報は、視覚、前庭、および身体感覚システムによって変換されます。具体的には、身体感覚システムは、支持面と関節角度に関する情報を生成します。ビジョンは、環境に関する情報を提供します。前庭システムは、重力に関する頭角速度、線形加速度、および方向に関する情報を生成します。中央の閉ループコントローラは、2を不安定にする可能性のある長い遅延で動作します。アクティブコントローラの2番目の要素は反射剛性で、短い待ち時間で筋肉活動を発生させ、関節の動きに抵抗するトルクを生み出します。
アクティブ コントローラの両方のコンポーネントに関連付けられている待機時間があります。その結果、遅延なく作用する関節固有の剛性は、姿勢制御3において重要な役割を果たす。本質的な剛性は、収縮する筋肉、軟部組織および四肢の慣性特性の受動的粘性特性によって生成され、任意の関節運動に応答して瞬時に抵抗トルクを発生する4。姿勢制御における関節剛性(本質的および反射剛性)の役割は、筋肉活性化4、5、6および関節位置によって定義される動作条件によって変化するため、明確に理解されていない4,7,8は、いずれも体の揺れで変化し、立ち上がりに固有の。
中央コントローラの役割と姿勢制御における関節剛性の識別は、バランス障害の病因を診断するための基礎を提供するため、重要です。患者のための標的介入の設計;落下のリスクの評価;高齢者の転倒防止戦略の策定矯正や人工装具などの補助装置の設計。しかし、異なるサブシステムが一緒に作用し、全体的な結果として生じる身体運動学、関節トルク、筋肉筋電学のみが測定できるため、困難です。
したがって、測定可能な姿勢変数を使用して各サブシステムの寄与度を評価する実験的および分析的手法を開発することが不可欠です。技術的な問題は、姿勢変数の測定がクローズドループで行われることです。その結果、入力と出力 (原因と結果) は相互に関連します。したがって、a)応答(出力として)の姿勢反応を呼び起こすために外部摂動(入力として)を適用し、b)システムモデルとディセンタングラングル原因と効果9を識別するために特殊な数学的方法を採用する必要があります。
本稿では、足首戦略を使用する場合、すなわち、主に足首関節に関する動きが起こる場合の姿勢制御に焦点を当てています。この状態では、上半身と下肢が一緒に移動し、その結果、体は矢状面10における単一リンク反転振り子としてモデル化することができる。足首の戦略は、支持面がしっかりしていて、摂動が小さい場合に使用されます1,11.
適切な機械的(プロプライオティブ)および視覚感覚摂動を適用し、身体運動学、運動学、および筋肉活動を記録することができる立体装置が我々の実験室12で開発された。このデバイスは、視覚または身体感覚刺激を用いて姿勢応答を生成することにより、足首の剛性、中央制御機構、およびその相互作用の役割を研究するために必要な実験環境を提供します。また、頭部速度の感覚を生成し、姿勢応答を呼び起こすことができるマストイドプロセスへの直接電気刺激の適用によって前庭系の役割を研究するために装置を拡張することも可能である12,13.
他の人はまた、リニアピエゾ電気アクチュエータ11、回転電気モーター14、15、および線形電気モーター16、17を研究するために、人間の姿勢制御を研究するために同様のデバイスを開発しました,18は、立っている足首に機械的摂動を適用するために使用された。より複雑なデバイスはまた、足首と股関節に同時に複数の摂動を適用することが可能であるマルチセグメント姿勢制御を研究するために開発されました19,20.
立ち装置
2つのサーボ制御された電気油圧回転式アクチュエータは足首の位置の制御された摂動を適用するために2つのペダルを動かす。アクチュエータは、姿勢制御に必要な大きなトルク(>500 Nm)を生成できます。これは、体の質量の中心が足首の回転軸から遠く(前方)離れているフォワードリーンなどの場合に特に重要であり、姿勢制御のための足首トルクの値が大きくなります。
各回転アクチュエータは、アクセルシャフト(材料の表)上の高性能ポテンショメータによって測定されるペダル位置フィードバックを使用して、別々の比例サーボバルブによって制御されます。コントローラは、MATLABベースのxPCリアルタイムのデジタル信号処理システムを使用して実装されています。アクチュエータ/サーボバルブは一緒に40 Hz以上の帯域幅を持ち、全体的な姿勢制御システムの帯域幅、足首関節剛性、および中央コントローラ21よりもはるかに大きい。
バーチャルリアリティデバイスと環境
バーチャルリアリティ(VR)ヘッドセット(材料の表)は、ビジョンを乱すために使用されます。ヘッドセットには、デバイスに送信されるメディアの立体視をユーザーに提供する LCD スクリーン (デュアル AMOLED 3.6 インチの解像度 1080 x 1200 ピクセル) が含まれており、3 次元の深度知覚を提供します。リフレッシュレートは90 Hzであり、ユーザに固体仮想感覚を提供するのに十分な22.画面の視野は110°であり、現実世界の状況に似た視覚摂動を生成するのに十分です。
ヘッドセットは、ユーザーの頭の回転を追跡し、ユーザーが仮想環境に完全に浸漬できるように、それに応じて仮想ビューを変更します。したがって、通常の視覚的フィードバックを提供できます。また、矢状面で視野を回転させることで視力を乱すこともあります。
キネティック測定
垂直反力は、足の下の2つのプレートの間に挟まれた4つのロードセルによって測定されます(材料の表)。足首のトルクは565 Nmの容量および104 kNm/radのねじり剛性のトルクのトランスデューサーによって直接測定される;また、荷重セルによって導出された垂直力から間接的に測定することができ、その距離を使用して回転23の足首軸を使用し、立っている足に適用される水平力が小さい2、24であると仮定する。圧力の中心(COP)は、足首のトルクを全垂直力で割ることによって矢状面で測定され、負荷セル23によって測定される。
キネマティック測定
足首の戦略を使用すると、被写体の足がペダルと一緒に動くので、足角はペダル角度と同じです。垂直に対するシャンク角度は、シャンクの線形変位から間接的に得られ、50 μmの解像度と750 Hz25の帯域幅を持つレーザーレンジファインダー(材料の表)によって測定される。足首の角度は、足とシャンク角度の合計です。垂直に対するボディ角度は、左右後部優れた腸骨脊椎(PSIS)間の中間点の線形変位から間接的に得られ、レーザー距離ファインダー(材料の表)を用いて測定した。100 μm と 750 Hz23の帯域幅 .ヘッドの位置と回転は、VR環境のグローバル座標系に対して、時間指定赤外線(IR)パルスを毎秒60パルスで放出するVRシステムベースステーションによって測定され、ヘッドセットIRセンサによってサブミリメートルでピックアップされます。精度。
データ取得
すべての信号は、コーナー周波数が486.3のアンチエイリアスフィルタでフィルタリングされ、高性能24ビット/8チャンネル、同時サンプリング、ダイナミック信号集録カード(材料の表)で1000 Hzでサンプリングされます。20 Vの範囲。
安全機構
被験者への傷害を防ぐために、6つの安全機構が立ち装置に組み込まれている。ペダルは別々に制御され、互いに干渉することはありません。(1)アクチュエータシャフトにはカムがあり、シャフトの回転が水平位置から±20°を超えると油圧を切断するバルブを機械的に作動させます。(2)2つの調節可能な機械停止はアクチュエータの動きの範囲を制限する;これらは、各実験の前に各被験者の動きの範囲に設定されます。(3) 被験者と実験者の両方がパニックボタンを押す。ボタンを押すと、アクチュエータから油圧パワーが切断され、ゆるくなるので、手動で移動できます。(4)被写体の両側にある手すりは、不安定な場合にサポートを提供するために利用可能です。(5)被写体は、天井の硬いクロスバーに取り付けられた全身ハーネス(材料表)を装着し、落下時に支えます。ハーネスはたるみであり、被験者が不安定にならない限り、通常の立ち位置に干渉しません。落下の場合、ペダルの動きは、パニックボタンを使用するか、実験者によって、被験者によって手動で停止されます。(6) サーボバルブは、電気供給の中断時にフェイルセーフ機構を使用してアクチュエータの回転を停止します。
Protocol
Representative Results
Discussion
いくつかのステップは、人間の姿勢制御を研究するためにこれらの実験を行う上で重要です。これらのステップは、信号の正しい測定に関連付けられており、含まれています:1)足首のトルクの正しい測定のために、ペダルの回転のシャンク足首軸の正しい位置合わせ。2)レンジファインダーの正しいセットアップは、彼らがその範囲内で動作し、実験中に飽和していないことを確認します。3)…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この記事は、カナダ保健研究所のカタール国立研究とMOP助成金#81280からNPRP助成金#6-463-2-189によって可能になりました。
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 |
Referenzen
- Horak, F. B. Postural orientation and equilibrium: what do we need to know about neural control of balance to prevent falls?. Age and Ageing. 35, 7-11 (2006).
- Morasso, P. G., Schieppati, M. Can muscle stiffness alone stabilize upright standing?. Journal of Neurophysiology. 82 (3), 1622-1626 (1999).
- Kearney, R. E., Hunter, I. W. System identification of human joint dynamics. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 18 (1), 55-87 (1990).
- Mirbagheri, M. M., Barbeau, H., Kearney, R. E. Intrinsic and reflex contributions to human ankle stiffness: variation with activation level and position. Experimental Brain Research. 135 (4), 423-436 (2000).
- Weiss, P. L., Hunter, I. W., Kearney, R. E. Human ankle joint stiffness over the full range of muscle activation levels. Journal of Biomechanics. 21 (7), 539-544 (1988).
- Golkar, M. A., Sobhani Tehrani, E., Kearney, R. E. Linear Parameter Varying Identification of Dynamic Joint Stiffness during Time-Varying Voluntary Contractions. Frontiers in Computational Neuroscience. 11, 35 (2017).
- Weiss, P. L., Kearney, R. E., Hunter, I. W. Position dependence of ankle joint dynamics–I. Passive mechanics. Journal of Biomechanics. 19 (9), 727-735 (1986).
- Weiss, P. L., Kearney, R. E., Hunter, I. W. Position dependence of ankle joint dynamics–II. Active mechanics. Journal of Biomechanics. 19 (9), 737-751 (1986).
- Engelhart, D., Boonstra, T. A., Aarts, R. G. K. M., Schouten, A. C., van der Kooij, H. Comparison of closed-loop system identification techniques to quantify multi-joint human balance control. Annual Reviews in Control. 41, 58-70 (2016).
- Kiemel, T., Elahi, A. J., Jeka, J. J. Identification of the plant for upright stance in humans: multiple movement patterns from a single neural strategy. Journal of Neurophysiology. 100 (6), 3394-3406 (2008).
- Loram, I. D., Lakie, M. Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing: the intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability. Journal of Physiology-London. 545 (3), 1041-1053 (2002).
- Fitzpatrick, R., Burke, D., Gandevia, S. C. Loop gain of reflexes controlling human standing measured with the use of postural and vestibular disturbances. Journal of Neurophysiology. 76 (6), 3994-4008 (1996).
- Dakin, C. J., Son, G. M. L., Inglis, J. T., Blouin, J. S. Frequency response of human vestibular reflexes characterized by stochastic stimuli. The Journal of Physiology. 583 (3), 1117-1127 (2007).
- Vlutters, M., Boonstra, T. A., Schouten, A. C., vander Kooij, H. Direct measurement of the intrinsic ankle stiffness during standing. Journal of Biomechanics. 48 (7), 1258-1263 (2015).
- Casadio, M., Morasso, P. G., Sanguineti, V. Direct measurement of ankle stiffness during quiet standing: implications for control modelling and clinical application. Gait and Posture. 21 (4), 410-424 (2005).
- Sakanaka, T. E. . Causes of Variation in Intrinsic Ankle Stiffness and the Consequences for Standing. , (2017).
- Sakanaka, T. E., Lakie, M., Reynolds, R. F. Sway-dependent changes in standing ankle stiffness caused by muscle thixotropy. Journal of Physiology. 594 (3), 781-793 (2016).
- Peterka, R. J., Murchison, C. F., Parrington, L., Fino, P. C., King, L. A. Implementation of a Central Sensorimotor Integration Test for Characterization of Human Balance Control During Stance. Frontiers in Neurology. 9, 1045 (2018).
- Engelhart, D., Schouten, A. C., Aarts, R. G., van der Kooij, H. Assessment of Multi-Joint Coordination and Adaptation in Standing Balance: A Novel Device and System Identification Technique. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 23 (6), 973-982 (2015).
- Boonstra, T. A., Schouten, A. C., van der Kooij, H. Identification of the contribution of the ankle and hip joints to multi-segmental balance control. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 10, 23 (2013).
- Forster, S. M., Wagner, R., Kearney, R. E. A bilateral electro-hydraulic actuator system to measure dynamic ankle joint stiffness during upright human stance. Proceedings of the 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2003).
- Davis, J., Hsieh, Y. -. H., Lee, H. -. C. Humans perceive flicker artifacts at 500 Hz. Scientific Reports. 5, 7861 (2015).
- Amiri, P., Kearney, R. E. Ankle intrinsic stiffness changes with postural sway. Journal of Biomechanics. 85, 50-58 (2019).
- van der Kooij, H., van Asseldonk, E., van der Helm, F. C. Comparison of different methods to identify and quantify balance control. Journal of Neuroscience Methods. 145 (1-2), 175-203 (2005).
- Amiri, P., MacLean, L. J., Kearney, R. E. Measurement of shank angle during stance using laser range finders. International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology. , (2016).
- Jalaleddini, K., Tehrani, E. S., Kearney, R. E. A Subspace Approach to the Structural Decomposition and Identification of Ankle Joint Dynamic Stiffness. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 64 (6), 1357-1368 (2017).
- Amiri, P., Kearney, R. E. A Closed-loop Method to Identify EMG-Ankle Torque Dynamic Relation in Human Balance Control. Conference Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2019).
- Sobhani Tehrani, E., Jalaleddini, K., Kearney, R. E. Ankle Joint Intrinsic Dynamics is More Complex than a Mass-Spring-Damper Model. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 25 (9), 1568-1580 (2017).
- Peterka, R. J. Sensorimotor integration in human postural control. Journal of Neurophysiology. 88 (3), 1097-1118 (2002).
- Amiri, P., Kearney, R. E. Ankle intrinsic stiffness is modulated by postural sway. Conference Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2017).
- Jeka, J. J., Allison, L. K., Kiemel, T. The dynamics of visual reweighting in healthy and fall-prone older adults. Journal of Motor Behavior. 42 (4), 197-208 (2010).
- Jilk, D. J., Safavynia, S. A., Ting, L. H. Contribution of vision to postural behaviors during continuous support-surface translations. Experimental Brain Research. 232 (1), 169-180 (2014).
- Winter, D. A., Patla, A. E., Prince, F., Ishac, M., Gielo-Perczak, K. Stiffness control of balance in quiet standing. Journal of Neurophysiology. 80 (3), 1211-1221 (1998).
- Pasma, J. H., Boonstra, T. A., van Kordelaar, J., Spyropoulou, V. V., Schouten, A. C. A Sensitivity Analysis of an Inverted Pendulum Balance Control Model. Frontiers in Computational Neuroscience. 11, 99 (2017).
- Pasma, J. H., et al. Changes in sensory reweighting of proprioceptive information during standing balance with age and disease. Journal of Neurophysiology. 114 (6), 3220-3233 (2015).
- Pasma, J. H., et al. Impaired standing balance: The clinical need for closing the loop. Neurowissenschaften. , 157-165 (2014).
- Engelhart, D., et al. Impaired Standing Balance in Elderly: A New Engineering Method Helps to Unravel Causes and Effects. Journal of the American Medical Directors Association. 15 (3), (2014).
- Pasma, J. H., Boonstra, T. A., Campfens, S. F., Schouten, A. C., Van der Kooij, H. Sensory reweighting of proprioceptive information of the left and right leg during human balance control. Journal of Neurophysiology. 108 (4), 1138-1148 (2012).
- Goodworth, A. D., Peterka, R. J. Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans. Journal of Neurophysiology. 107 (1), 12-28 (2012).
- Kiemel, T., Zhang, Y., Jeka, J. J. Identification of neural feedback for upright stance in humans: stabilization rather than sway minimization. Journal of Neuroscience. 31 (42), 15144-15153 (2011).
- van der Kooij, H., van Asseldonk, E. H. F., Geelen, J., van Vugt, J. P. P., Bloem, B. R. Detecting asymmetries in balance control with system identification: first experimental results from Parkinson patients. Journal of Neural Transmission. 114 (10), 1333 (2007).
- Fujisawa, N., et al. Human standing posture control system depending on adopted strategies. Medical and Biological Engineering and Computing. 43 (1), 107-114 (2005).
- Johansson, R., Magnusson, M., Fransson, P. A., Karlberg, M. Multi-stimulus multi-response posturography. Mathematical Biosciences. 174 (1), 41-59 (2001).
- Jeka, J., Oie, K., Schöner, G., Dijkstra, T., Henson, E. Position and Velocity Coupling of Postural Sway to Somatosensory Drive. Journal of Neurophysiology. 79 (4), 1661-1674 (1998).
- Peterka, R. J., Benolken, M. S. Role of somatosensory and vestibular cues in attenuating visually induced human postural sway. Experimental Brain Research. 105 (1), 101-110 (1995).
- Maki, B. E., Fernie, G. R. A system identification approach to balance testing. Progress in Brain Research. 76, 297-306 (1988).
- Johansson, R., Magnusson, M., Akesson, M. Identification of human postural dynamics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 35 (10), 858-869 (1988).
- Maki, B. E., Holliday, P. J., Fernie, G. R. A Posture Control Model and Balance Test for the Prediction of Relative Postural Stability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. BME-34. 10 (10), 797-810 (1987).
- Werness, S. A., Anderson, D. J. Parametric analysis of dynamic postural responses. Biological Cybernetics. 51 (3), 155-168 (1984).
- Hwang, S., Agada, P., Kiemel, T., Jeka, J. J. Identification of the Unstable Human Postural Control System. Frontiers in Systems Neuroscience. 10, 22 (2016).
- Ishida, A., Imai, S., Fukuoka, Y. Analysis of the posture control system under fixed and sway-referenced support conditions. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 44 (5), 331-336 (1997).
- Ishida, A., Miyazaki, S. Maximum likelihood identification of a posture control system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 34 (1), 1-5 (1987).
- Ljung, L. . System Identification: Theory for the User. , (1986).
- Forssell, U., Ljung, L. Closed-loop identification revisited. Automatica. 35 (7), 1215-1241 (1999).
- Horak, F. B., Nashner, L. M. Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations. Journal of Neurophysiology. 55 (6), 1369-1381 (1986).
