Método para medir tom de músculo axial e proximal

Summary

Temos desenvolvido um dispositivo (Twister) para estudar a regulação da atividade muscular tônica durante a manutenção postural ativa. Twister medidas resistência à torção e respostas musculares em indivíduos de pé durante a torção do eixo do corpo. O dispositivo pode ser configurado de forma flexível para estudar vários aspectos do controle tônica em todo o pescoço, tronco e / ou quadris.

Abstract

O controle da atividade muscular tônica continua sendo mal compreendida. Enquanto tom anormal é comumente avaliada clinicamente através da medição da resistência passiva dos membros relaxado ^1, no sistemas estão disponíveis para estudar o controle muscular tônica em um estado natural e activa de apoio antigravidade. Temos desenvolvido um dispositivo (Twister) para estudo da regulação tônica dos músculos axiais e proximais durante a manutenção postural ativa (ou seja, tônus ​​postural). Twister gira regiões do corpo axial em relação ao outro sobre o eixo vertical durante a postura, a fim de torcer as regiões pescoço, tronco ou quadril. Esta torção impõe alterações de comprimento axial sobre os músculos sem alterar a relação do corpo com a gravidade. Twister porque não fornece suporte postural, o tom deve ser regulada para neutralizar torques gravitacional. Nós quantificar este regulamento tónico pelo torque inquietos à torção, o que reflete o estado de todos os músculos submetidos a variação do comprimento, bem como por eletromiografia demúsculos relevantes. Porque o tom é caracterizada por longa duração a atividade muscular de baixo nível, controle tônico é estudada com movimentos lentos que produzem "tónico" mudanças no comprimento do músculo, sem evocar rápido "fásica" respostas. Twister pode ser reconfigurado para estudar vários aspectos do tônus ​​muscular, como a co-contração de modulação, tônico para alterações posturais, interações tônica em todos os segmentos do corpo, bem como os limiares de percepção para diminuir a rotação axial. Twister também pode ser usado para fornecer uma medida quantitativa dos efeitos da doença sobre axial e proximal tônus ​​postural e avaliar a eficácia da intervenção.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Introdução</p><p class="jove_content"> Twister é um dispositivo de servo-controlado para a quantificação do tônus ​​postural em regiões do corpo axial e proximal durante a postura, ativa na posição vertical. O dispositivo original foi construído em Oregon Health & Science University e um dispositivo semelhante está em construção para a Universidade de Southampton, Reino Unido. Neste relatório, nós descrevemos a função e as razões para Twister e seus vários usos. Nós, então, fornecer uma descrição detalhada para facilitar a sua reprodução e mostrar como ele pode ser usado para investigar o controle do tônus ​​postural.</p><p class="jove_title"> 2. Visão global</p><p class="jove_content"> Twister consiste em uma armação de aço rígido, girando plataforma, sensor de torque, sistema de suspensão contrabalançadas, superior e inferior fixações e acessórios corpo (Fig. 1), bem como um sistema de controle de servo para regular a rotação da plataforma. Twister quantifica tônus ​​postural em indivíduos em pé, girando segmentos inferiores do corpo sobre o eixo vertical em relação a segmentos superiores. Este torce a região no meio, alterar o comprimento dos músculos dentro. Fixações superiores e inferiores podem ser anexados a transmitir torcer para o pescoço, tronco, quadril ou regiões (Fig. 2). Twister porque não fornece suporte postural, atividade tônica da musculatura esquelética é necessário para neutralizar torques gravitacional. Este regulamento tônica é estudado pela resistência à torção de torção, bem como eletromiografia dos músculos relevantes. Resistência à torção é avaliado por um sensor de torque dentro da fixação superior e reflete o estado de todos os músculos passando por mudanças comprimento. Twister usa r plataforma diversasperfis otation para estudar o controle tônico, incluindo um perfil triangular, perfil de passo, e perfil triângulo de magnitude crescente (Fig. 3). Estes girar a plataforma a uma velocidade constante e lento, o que minimiza os efeitos de inércia sobre o assunto e de medição.</p><p class="jove_content"> Usamos uma perturbação torção sobre o eixo vertical, porque: 1) altera o comprimento dos músculos axiais e proximais, uma vez que estas estruturas são orientados obliquamente e têm ampla origens anatômicas e inserções, 2) não altera a relação de todo o corpo e suas peças à gravidade; 3) gira o corpo em torno de um eixo de momento de inércia mínimo²; 4) corresponde a uma zona neutra^3,4, De modo que a resistência de pequenos deslocamentos da posição virada para a frente reflete muscular ao invés de osteo-ligamentar forças e 5) ocorre naturalmente em atividades diárias^3,5.</p><p class="jove_content"> Twister é um dispositivo flexível que pode ser usado para tratar vários aspectos de controle tônico. Estas incluem: 1 rigidez) relacionados com a atividade tônica^08/06; 2) respostas tónico para alterações de comprimento muscular^6,8. 3) o efeito de torção em regiões do corpo remoto; 4) efeitos tônica da informação cinestésica⁹; 5) os efeitos da doença sobre tônus ​​postural^7,10; E 6) os limiares de percepção para diminuir a rotação¹¹.<br ><p class="jove_title"> 3. Descrição detalhada do dispositivo</p><p class="jove_content"> Detalhe que os componentes da Twister abaixo.</p><ol><li<strong> Rotação da plataforma</strong<br> Temas ficar em uma plataforma que gira ± 20 ° em um rolamento sobre o eixo vertical (Figuras 1, 4A). Um elétrico poderes do motor esta rotação em uma relação de transmissão que atinge velocidades de plataforma entre 0,5 ° / s e 5 ° / s e alto torque. Twister gira a parte inferior do corpo no espaço, ao invés da parte superior do corpo para eliminar sinais de vestibular que poderiam perturbar postura tranquila.</li><li> A polia e correia sistema é utilizado para a redução da unidade, o que amortece vibração e elimina lash que podem interferir com medição de torque. Vibração é minimizada porque pode cue o assunto sobre o movimento da plataforma.</li><li> Por segurança, pára rígido são usados ​​para limitar o deslocamento da plataforma máxima.</li><li> Um codificador óptico (Hewlett-Packard HEDS-5540) fixado ao eixo de rotação da plataforma relatórios deslocamento para os dois servo-controle e análise de dados.<br /></li><li<strong> Quadro</strong><br /> A rígida, estrutura de aço (1.5mx 1.5mx 3m) com órtese cruz diagonal cria rigidez torsional elevada entre a montagem da plataforma e sensor de torque, necessário para a medição de torque preciso.<br /></li><li<strong> Fixação superior e sistema de suspensão</strong<br> A fixação superior e leve, sistema de suspensão contrabalançado conectar a margem superior da região torcido para o quadro (Fig. 4B). Um sensor de torque (Futek TFF220, Irvine, CA) posicionado dentro da fixação superior mede a resistência de um sujeito de rotação.</li><li> O sistema de suspensão é composto por quatro placas de alumínio retangular que são alternadamente articulada ao longo dos eixos ântero-posterior e médio-lateral. Isso cria uma alta rigidez de rotação sobre o eixo vertical (590 Nm / °), a fim de medir com precisão torque, sem restringir o movimento em outras dimensões. Em particular, a rigidez para baixo de tradução em x, y, z e direções (0,25 N / cm) garante manter a estabilidade postural assuntos próprios e impede a fixação superior do fornecimento de uma referência espacial. Isso também permite que cada indivíduo para manter a sua própria, a postura vertical único sem afetar movimento postural no plano horizontal.</li><li> Molas agir para contrabalançar o peso do sistema de suspensão.</li><li> Um conjunto de rolamento vertical (Fig. 1, 4B) é usado para ajustar a fixação superior à altura do assunto.<br /></li><li<strong> Baixa fixação</strong<br> A menor fixação liga a margem inferior da região torcido para a plataforma giratória. Segmentos do corpo abaixo do limite inferior de fixação girar com a plataforma.</li><li> Quanto menor fixação consiste de uma barra telescópica leve, que é conectado à plataforma rotativa. Uma dobradiça conecta a barra telescópica para a plataforma para permitir ântero-posterior oscilação postural.<br /></li><li<strong> Anexos Corpo</strong<br> Três anexos são usados ​​com Twister: um capacete leve, um arnês e uma orthotic pélvis, o que cada um pode ser fixada ao corpo (Fig. 2).</li><li> Para torcer o pescoço, coloque o capacete e os ombros acima abaixo.</li><li> Para torcer o tronco anexar os ombros acima e abaixo da pelve</li><li> Para torcer o quadril anexar a pélvis acima. Neste caso, torcer é localizada a rotação do quadril internos e externos como os pés, haste e girar a coxa com a plataforma.<br /></li><li<strong> Fixação externa</strong<br> A fixação, terço externo pode ser utilizado para torcer uma região do corpo durante a medição de torque produzido pela outra. Porque o último segmento está parado, o torque medido não é resistiva, mas provém de forças musculares dentro do segmento, potencialmente induzida a partir de torção remoto.</li><li> A fixação externa consiste em uma barra telescópica leve que impede que o segmento conectado de girar sobre o eixo vertical. A articulação conjunta entre o bar e estrutura permite ântero-posterior oscilação postural.</li><li> Figura 4C mostra a configuração para medição de torque de torção do pescoço durante o tronco. Alternativamente, o torque no pescoço em resposta à torção do quadril pode ser avaliada através da ligação a pélvis para a fixação externa.</li><li> Forceplate Um padrão pode ser colocado entre os pés assuntos e plataforma rotativa, para medir simultaneamente torque resistivo no segmento de torcida. Este forceplate também podem ser usados ​​para quantificar oscilação postural durante a torcer.<br /></li><li<strong> Servo-controle de rotação da plataforma</strong<br> Um costume construído em tempo real, servo-sistema controla a rotação da plataforma. Este controlador PID hardware gera um sinal de acionamento do motor com base em um sinal de posição da plataforma do codificador óptico ea rotação desejada (ver Fig. 7). A interface do programa PC personalizado com o controlador de hardware para especificar o perfil desejado temporal de rotação da plataforma e iniciar um julgamento.</li><li> O controlador gera três perfis para a rotação da plataforma. Selecione o perfil triângulo para alternar entre velocidade constante no sentido horário e anti-horário de rotação (Fig. 3, trace 1). Use o perfil passo para atingir a rotação descontínua (Fig. 3, trace 2). Rotação também pode ser conduzido com um perfil de triângulo que o aumento da amplitude entre os ciclos (Fig. 3, trace 3).</li><li> Para todos os perfis, a rotação é suavizado para limitar a aceleração a 12 ° / s² Durante o início movimento e mudanças de direção.</li></ol><p class="jove_title"> 4. Protocolo experimental</p><p class="jove_content"> Experimental Um típico é executado da seguinte forma:</p><ol><li> Coloque anexos corpo (ou seja, capacete arnês, ou ortopédicos pélvis) nos segmentos desejado, assegurando que eles estão firmes e não há folga de torção.</li><li> Ajuste a altura do rolamento linear de modo que a fixação superior é na mesma altura que o apego ao corpo correspondente.</li><li> Ajustar a menor fixação usando a barra telescópica para corresponder à altura do anexo inferior do corpo.</li><li> Instrua o assunto deve ficar na plataforma rotativa, de frente para a frente.</li><li> Anexar as fixações inferiores e superiores para o corpo anexos correspondentes, ajustes de posicionamento tão torque zero é aplicada ao paciente em posição de pré-julgamento.</li><li> Blindfold o assunto.</li><li> Instrua o assunto deve ficar relaxada e não intervir.</li><li> Selecione um ganho do amplificador para o sensor de torque, segundo a qual região do corpo é distorcida, a fim de maximizar a gama dinâmica deste sinal.</li><li> Redefinir o preconceito sobre o sensor de torque.</li><li> Comece a oscilação da superfície, em guinada e gravação de dados. Sinais de rotação de torque e plataforma são gravadas em 50 Hz usando software de aquisição de Spike 2 (Cambridge Eletrônico Devices, Cambridge, UK).</li><li> Inicie torção com o perfil desejado plataforma de rotação. No movimento geral deve ser lenta e suave o suficiente para que os indivíduos não percebem adequadamente torção.</li></ol><p class="jove_title"> 5. Resultados representativos</p><p class="jove_content"> Torque resistivo normalmente aumenta com a excursão da plataforma, no entanto o aumento desacelera com maior excursão. Resistência total é tipicamente quantificada pelo pico-a-pico de torque, em média, entre os ciclos. Fig. 5A mostra respostas único estudo entre os indivíduos para a resistência à torção da rampa de velocidade constante para o tronco. Temos observado ao longo dos meses de dados reprodutíveis dentro de um assunto (Fig. 5B; coeficiente de correlação intraclasse = 0,89). A média de resistência à torção é diferente em todos os segmentos do corpo, e tem sido relatada como sendo 0,54 ± 0,24 Nm para o pescoço, 5,11 ± 1,94 Nm para o tronco e 3,23 ± 1,67 Nm para os quadris⁶ (Fig. 6). É importante que a rotação da plataforma é suave e não há chicote. Ausência de cílios é indicado por mudanças suaves no torque durante as mudanças de direção e uma rápida mudança no torque no início, provavelmente devido à curta distância rigidez do músculo (ver Fig. 3A em Gurfinkel<em> Et al.</em⁶).</p><p class="jove_content"> O binário medido reflete tanto as mudanças dinâmicas no tom com torção, bem como a distribuição de atividade tônica basal (o que inclui co-contração). Por causa da velocidade lenta de torção, o aumento do torque por grau é equivalente a rigidez intrínseca¹² Apenas quando a atividade muscular é constante. Observe que, como estruturas activas contribuir para a medida da resistência Twister tecnicamente avalia pseudostiffness.</p><p class="jove_content"> Em geral, dois tipos de respostas são observados que correspondem a atividade tônica constante ou modulada na região torcida. O primeiro é caracterizado pela variação ciclo a ciclo de baixa no torque, magnitude alto torque de pico a pico, e EMG relativamente constante. Em contraste, a modulação dinâmica é caracterizada pela variabilidade ciclo a ciclo de alta, baixa resistência à torção e modulação EMG coerente com torção. Em parcelas ângulo versus torque assuntos não modulada exibem um ciclo de histerese regulares, enquanto indivíduos modulada tem um padrão irregular que pode inverter a direção (ver Figura 3A em Gurfinkel<em> Et al.</em⁶ A modulação dinâmica geralmente consiste em aumentar a atividade muscular tônica durante encurtamento e diminuição da atividade durante o alongamento (ie reações Sherrington alongamento e encurtamento¹³), Que são de sinal contrário, ao reflexo de estiramento. Uma medida de integração da extensão da modulação pode ser obtido pela mudança de posição de um sujeito (torque-zero) ponto morto dentro de um ciclo, conhecido como avanço de fase binário^6,8.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="Figure 1" ><strong> Figura 1.</strong> Esquema de Twister de lado. Componentes são rotulados como segue: 1) plataforma rotativa; 2), barra telescópica para menor fixação; 3) dobradiça venture entre a barra inferior telescópica e plataforma giratória; 4) capacete ligado a fixação superior; 5) sensor de torque e sistema de suspensão contrabalançada; 6) travamento do rolamento linear vertical; 7) de fixação externa para medir torque induzido; 8) da dobradiça análoga a 3 conjuntos; quadro 9) rígida; 10) cruz diagonal preparando para estrutura rígida.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="Figure 2" ><strong> Figura 2.</strong> Twisting aplicada a níveis axial e proximal. Assuntos pé sobre uma plataforma rotativa (amarelo) com anexos corpo superior e inferior afixada a transmitir torcer para a região do corpo desejada. A fixação superior é ligado através de um sistema de suspensão (linhas em ziguezague) para o sensor de torque (T), que é fixado em relação à rotação em torno do eixo vertical. Quanto menor o apego se conecta à plataforma rotativa através de uma articulação dobradiça (círculo preto) que permite a rotação no plano sagital do assunto. A: torção do pescoço é alcançado, anexando um capacete para o sensor de torque e os ombros para a plataforma. B: torção do tronco é obtida anexando os ombros para o sensor de torque e da pelve para a plataforma. C: Hip torção é obtido ligando a pélvis ao sensor de torque.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="Figure 3" ><strong> Figura 3.</strong> Diferentes perfis de torção. Vários perfis podem ser usados ​​para estudar aspectos específicos do controlo tónico. A saída do codificador óptico especificando rotação da plataforma é mostrado em Volts. Deflexão para cima corresponde ao sentido anti-horário de rotação da plataforma quando visto de cima. 1) perfil Triângulo: Neste caso, a velocidade de rotação, excursão máxima eo número de ciclos são especificados. Dois ciclos de 12 ° são mostrados. 2) de perfil, descontínuo passo: Amplitude, velocidade e tempo de espera uma etapa são especificados. Dois ciclos de 12 rotações °, que consiste em quatro, 3 ° graus passos são mostrados. 3) Aumentar a amplitude de ondas triângulo: dois ciclos de cada um dos 3 °, 6 ° e 9 ° são mostrados rotações. Neste exemplo, a taxa de rotação da plataforma é constante para todas as condições.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="Figure 4" ><strong> Figura 4.</strong> Fotografia de Twister de lado. Fixação 4) inferior e pelve ortopédicos;; 1) plataforma rotativa, 2) conjunto de motor e servo-controle; 3) dobradiça venture entre a barra inferior telescópica e da plataforma de rotação 5) superior: A: Configuração para o tronco de torção com componentes rotulados como segue fixação e alça de ombro; 6) ligação bar suspensão para fixação superior; 7) sensor de torque e sistema de suspensão contrabalançada; 8) de fixação externa para medir torque induzido; 9) estrutura rígida. B: Close up de sensor de torque e sistema de suspensão rotulado da seguinte forma: 1) sensor de torque; 2-5) placas de alumínio leve e articulada. A dobradiça entre as placas 2 e 3 gira em torno do eixo ântero-posterior, enquanto a junta entre as placas 4 e 5 é orientada em torno do eixo médio-lateral. 8) de bloqueio do rolamento linear vertical; 9) capacete leve e alta fixação. C: Configuração para torcer o tronco, mas medir o efeito de torção no pescoço. Nesta configuração a pelve é fixado ema plataforma rotativa (1) e os ombros estão conectados à fixação externa (2), o que impede os ombros, pescoço e cabeça de girar, restringindo torção do tronco. A cabeça também é ligado à fixação superior (3) de modo que qualquer pescoço torque induzido é aplicada ao sensor de torque.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="Figure 5" ><strong> Figura 5.</strong> Resistência à torção do tronco. A) Torque traços de ensaios individuais de assuntos diferentes. Três ciclos de 10 °, 1 ° / s ondas triângulo foram usados. Sujeitos têm comportamento do torque consistente em ciclos, com grande variação na resistência entre os sujeitos. Traços com maior resistência são típicos de comportamento não modulada, enquanto os traços com menor resistência são típicos de modulação de alta. B) repetibilidade inter-individual na resistência à torção ao longo do tempo. Duas medições a partir de 7 indivíduos separados por um mês. Pico-a-pico de torque tronco mostra o comportamento intra-sujeito consistente em sessões de testes, mas a variação inter-individual de largura.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="Figure 6" ><strong> Figura 6.</strong> Torque inquietos de diferentes níveis axial. O conjugado resistente a 10 °, 1 ° / s ondas triângulo para o pescoço, o tronco e os níveis de quadril. Ensaios de um assunto único representante são mostrados. Observe a magnitude diferente e timecorse entre os diferentes níveis.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="Figure 7" ><strong> Figura 7.</strong> Esquema de servo-controle. O loop de controle consiste de um controlador (proporcional, integral, derivativo) PID, que recebe a entrada de um codificador óptico acoplado ao eixo da plataforma. O controlador determina a atual unidade de motor. Software personalizado em execução em um PC é usado para selecionar a trajetória plataforma desejada, que então downloads esta informação para o controlador.</p>

Discussion

É nossa opinião que Twister pode ser usado muitas perguntas endereço no controle tônico. Até o momento, Twister levou a sete publicações, tais ^6-11,14. Provavelmente a característica mais importante da Twister é que ele fornece uma medida integrada, cinética de tom. Esta medida torque de tom não é fornecido pela cinemática, dinâmica inversa ou abordagens eletromiográfica, e é necessário para responder a muitas perguntas sobre tom. Além disso, Twister é único em não substancialmente interferir com antigravidade naturais ou comportamento postural, e fornece um tônico, ao invés de uma perturbação fásica.

Um uso potencial da twister é a quantificação dos efeitos da doença na tônica tônus ​​postural. Enquanto a rigidez intrínseca e reflexo tem sido bem estudada para muitas doenças neurológicas e músculo-esqueléticas com perturbações rápido, não o efeito quantitativo de muitas doenças no tônus ​​postural bem caracterizado. Em particular, Twister pode ser used para quantificar os efeitos de doenças como a rigidez ^7,10,14, hipotonia, distonia e dores nas costas e pescoço sobre a magnitude, distribuição e simetria do tônus ​​postural ao longo do eixo do corpo. Também pode ser usado para medir cinestesia axial, por exemplo, a percepção de rotação do corpo com base em proprioceptores musculares e ¹¹ perceptuomotor simetria, por exemplo, representação de frente durante a torção axial ^14. Finalmente, a Twister pode ser usado para estudar o efeito da intervenção sobre estas medidas de tônus ​​postural axial ^8.

Estimamos que o custo de contratação de uma empresa de engenharia para fabricar Twister é de aproximadamente 30.000 dólares dos EUA. Este dispositivo pode provavelmente ser fabricado em casa por uma fração desse custo, como o preço das matérias-primas é baixo, mas significativo de fabricação é necessária. Ao longo de sua utilização, Twister tem evoluído significativamente e continua a fazê-lo. Há muitas perguntas básicas que podem ser tratadas com Twister. Desejamos que esterelatório irá ajudar outros investigadores construir dispositivos Torcer ou não estimular a pesquisa nesta área fundamental, mas pouco compreendido.

Materials