Methode om Tone van axiale en proximale spier te meten

Summary

We hebben een apparaat ontwikkeld (Twister) om de regulering van tonische spieractiviteit tijdens actieve houding onderhoud te bestuderen. Twister maatregelen torsie weerstand en gespierd reacties in staande onderwerpen tijdens het verdraaien van het lichaam as. Het apparaat kan flexibel worden geconfigureerd om verschillende aspecten van tonisch controle over de nek, romp en / of heupen te bestuderen.

Abstract

De controle van de tonische spieractiviteit blijft slecht begrepen. Terwijl de abnormale toon is vaak klinisch onderzocht door het meten van de passieve weerstand van ontspannen ledematen ^1, geen systemen beschikbaar om tonische spier controle in een natuurlijke, actieve staat van de anti-zwaartekracht te ondersteunen studie. We hebben een apparaat ontwikkeld (Twister) om tonische regulering van axiale en proximale spieren studie tijdens een actieve houding het onderhoud (dat wil zeggen posturale toon). Twister draait axiale lichaam regio's ten opzichte van elkaar om de verticale as tijdens de houding, om zo te draaien de nek, romp of heup regio's. Deze draaien legt lengte veranderingen op axiale spieren zonder het lichaam relatie met de zwaartekracht. Omdat Twister biedt geen houding te ondersteunen, moet toon worden gereguleerd om de zwaartekracht koppels tegen te gaan. We kwantificeren tonic regulering door de onrustige koppel om te draaien, dat de toestand van alle spieren ondergaan lengte verandert, maar ook door elektromyografie van weerspiegeltde relevante spieren. Omdat de toon wordt gekenmerkt door langdurige low-level spieractiviteit, is tonic controle bestudeerd met langzame bewegingen die "tonic" veranderingen in spierlengte te produceren, zonder roepen snel "fasisch" reacties. Twister kan worden geconfigureerd om verschillende aspecten van de spiertonus, zoals co-contractie, tonic modulatie posturale veranderingen, tonic interactie over het lichaam van segmenten, evenals perceptuele drempels axiale rotatie langzaam te bestuderen. Twister kan ook worden gebruikt om een ​​kwantitatieve meting van de effecten van de ziekte op axiale en proximale posturale toon te produceren en beoordelen van de effectiviteit van de interventie.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Introductie</p><p class="jove_content"> Twister is een servo-gestuurde apparaat voor het kwantificeren van posturale toon in axiale en proximale lichaam regio's tijdens de actieve, rechtopstaande houding. De oorspronkelijke apparaat werd gebouwd aan de Oregon Health & Science University en een soortgelijk apparaat is in aanbouw voor de Universiteit van Southampton, Verenigd Koninkrijk. In dit rapport beschrijven we de functie en de beweegredenen voor Twister en de verschillende toepassingen. Vervolgens hebben we een gedetailleerde beschrijving om de reproductie te vergemakkelijken en laten zien hoe het kan worden gebruikt om de controle van posturale toon te onderzoeken.</p><p class="jove_title"> 2. Overzicht</p><p class="jove_content"> Twister bestaat uit een stijf stalen frame, draaiend platform, koppel sensor en contragewicht ophanging, bovenste en onderste fixaties, en het lichaam bijlagen (afb. 1), evenals een servo controle systeem voor het reguleren van platform draaien. Twister kwantificeert posturale toon in staande onderwerpen door het draaien van het onderlichaam segmenten om de verticale as ten opzichte van de bovenste segmenten. Dit draait de streek tussen, het veranderen van de lengte van de spieren binnen. Bovenste en onderste fixaties kunnen worden verbonden aan draaien geven aan de nek, romp of heup regio's (figuur 2). Omdat Twister biedt geen ondersteuning posturale, tonische activiteit van de skeletspieren is nodig om de zwaartekracht koppels tegen te gaan. Deze tonic regeling wordt bestudeerd door de torsie weerstand tegen draaien als elektromyografie uit relevante spieren. Torsiesterkte wordt beoordeeld door een koppel sensor in de bovenste fixatie en weerspiegelt de toestand van alle spieren ondergaan lengte veranderingen. Twister maakt gebruik van verschillende platform rotation profielen om tonic controle-onderzoek, met inbegrip van een driehoek profiel, stap profiel en driehoek het profiel van toenemende grootte (afb. 3). Deze draait het platform op een constante langzame snelheid, die inertie over het onderwerp en het meten minimaliseert.</p><p class="jove_content"> We maken gebruik van een draaiende verstoring om de verticale as, omdat het: 1) verandert de lengte van de axiale en proximale spieren, omdat deze structuren zijn gericht schuin en hebben een brede anatomische oorsprong en inserties, 2) verandert niets aan de verhouding van het hele lichaam en de delen van de zwaartekracht; 3) draait het lichaam rond een as van minimale traagheidsmoment²; 4) komt overeen met een neutrale zone^3,4, Zodat de weerstand van kleine verplaatsingen van de naar voren gerichte positie geeft gespierd dan osteo-ligamentaire krachten, en 5) van nature in dagelijkse activiteiten^3,5.</p><p class="jove_content"> Twister is een flexibel apparaat dat gebruikt kan worden om verschillende aspecten van tonisch controle te pakken. Deze omvatten: 1) met betrekking tot stijfheid tonische activiteit^6-8; 2) tonic reacties op spier-lengte veranderingen^6,8. 3) het effect van het draaien op de afstandsbediening van het lichaam regio's; 4) tonic effecten van kinesthetische informatie⁹; 5) de effecten van de ziekte op posturale toon^7,10; En 6) perceptuele drempels om de rotatie vertragen¹¹.<br ><p class="jove_title"> 3. Gedetailleerde beschrijving van het apparaat</p><p class="jove_content"> We detail de onderdelen van Twister hieronder.</p><ol><li<strong> Roterende platform</strong<br> Onderwerpen staan ​​op een platform dat draait ± 20 ° op een lager om de verticale as (fig. 1, 4A). Een elektromotor de bevoegdheden van deze rotatie bij een overbrengingsverhouding dat platform snelheden tussen 0,5 ° / s en 5 ° / s en een hoog koppel bereikt. Twister draait het onderlichaam in de ruimte, in plaats van het bovenlichaam te vestibulaire signalen dat stille houding zou kunnen verstoren te elimineren.</li><li> Een riem en katrol systeem wordt gebruikt voor aandrijving reductie, waardoor de trillingen dempt en elimineert zweep die kunnen interfereren met meting van het koppel. Trilling wordt geminimaliseerd, omdat het kan cue het onderwerp over het platform beweging.</li><li> Voor de veiligheid, worden harde stops gebruikt om de maximale platform verplaatsing te beperken.</li><li> Een optische encoder (Hewlett-Packard HEDS-5540) bevestigd aan het platform as rapporten rotationele verplaatsing voor zowel servo-controle en data-analyse.<br /></li><li<strong> Frame</strong><br /> Een stijf, stalen frame (1.5mx 1.5mx 3m) met een diagonaal kruis brace zorgt voor een hoge torsiestijfheid tussen het platform montage en koppel sensor, die nodig zijn voor een nauwkeurige meting van het koppel.<br /></li><li<strong> Opper-fixatie en ophanging</strong<br> De bovenste fixatie en lichtgewicht en contragewicht vering systeem aan te sluiten de bovenste rand van het gedraaide regio aan het frame (afb. 4B). Een koppel sensor (Futek TFF220, Irvine, CA) geplaatst in de bovenste fixatie maatregelen een onderwerp dat de weerstand tegen rotatie.</li><li> Het veersysteem bestaat uit vier rechthoekige aluminium platen die afwisselend zijn scharnierend langs de anterior-posterior en mediolaterale assen. Dit creëert een hoge stijfheid voor rotatie om de verticale as (590 Nm / °), om nauwkeurig te meten koppel, zonder beperkingen beweging in de andere dimensies. Met name de lage stijfheid voor de vertaling in x, y, en z-richting (0,25 N / cm) zorgt voor onderwerpen onderhouden houdingsstabiliteit zelf en voorkomt dat de bovenste bevestiging van het verstrekken van een ruimtelijke referentie. Dit maakt het ook ieder individu om zijn eigen, unieke verticale houding te handhaven zonder dat posturale bewegingen in het horizontale vlak.</li><li> Springs handelen om het gewicht van de ophanging tegen te gaan.</li><li> Een verticale dragende constructie (afb. 1, 4B) wordt gebruikt om de bovenste fixatie aan te passen aan onderwerp hoogte.<br /></li><li<strong> Lagere fixatie</strong<br> Een lagere fixatie verbindt de lagere marge van de twisted regio om het draaiend platform. Body segmenten onder de onderste fixatie draaien met het platform.</li><li> De onderste bevestiging bestaat uit een lichtgewicht telescopische balk die is aangesloten op het draaiend platform. Een scharnier verbindt de telescopische balk om het platform te laten anterior-posterior lichaamshouding zwaaien.<br /></li><li<strong> Body Bijlagen</strong<br> Drie bijlagen worden gebruikt met Twister: een lichtgewicht helm, een harnas en een schouder bekken orthotic, die kan goed ieder zijn bevestigd aan het lichaam (fig. 2).</li><li> Om draai de nek, sluit de helm boven en de schouders hieronder.</li><li> Om draai de romp de schouders vast boven en onder het bekken</li><li> Om draai de heupen boven bevestigen het bekken. In dit geval is het draaien gelokaliseerd in interne en externe heup rotatie als de voeten, schacht en dij roteren met het platform.<br /></li><li<strong> Externe fixatie</strong<br> Een derde, externe fixatie kan worden gebruikt om een ​​lichaam regio draai tijdens het meten van koppel geproduceerd door een andere. Omdat de laatste segment is stilstaat, worden de gemeten koppel is niet resistief, maar is afkomstig van gespierde krachten binnen het segment, mogelijk veroorzaakt door op afstand draaien.</li><li> De externe fixatie bestaat uit een lichtgewicht telescopische balk die de aangesloten segment kan draaien om de verticale as voorkomt. Een scharnier verbinding tussen de bar en het frame maakt anterior-posterior lichaamshouding zwaaien.</li><li> Figuur 4C toont de configuratie voor het meten van de hals koppel tijdens romp draaien. Als alternatief kan de nek koppel in reactie op de heup te draaien worden beoordeeld door het aansluiten van de bekken naar de externe fixatie.</li><li> Een standaard forceplate kan worden geplaatst tussen de onderwerpen voeten en draaiend platform, gelijktijdig meten weerstandskoppel in de gedraaide segment. Dit forceplate kan ook worden gebruikt om posturale sway kwantificeren tijdens het draaien.<br /></li><li<strong> Servo-control van het platform draaien</strong<br> Een op maat gemaakte real-time servo-systeem controleert platform draaien. Deze hardware PID-regelaar-uitgangen een motor rijden signaal op basis van een platform positie signaal van de optische encoder en de gewenste rotatie (zie figuur 7). Een aangepaste PC-programma interfaces met de hardware controller om het gewenste profiel van de tijdelijke platform rotatie te geven en start een proef.</li><li> De controller genereert drie profielen voor platform draaien. Selecteer de driehoek profiel te wisselen tussen een constante snelheid met de klok mee en tegen de klok in draaien (afb. 3, spoor 1). Gebruik de stap profiel tot niet-continue rotatie te bereiken (afb. 3, spoor 2). Rotatie kan ook worden bestuurd met een driehoek profiel dat toename van de amplitude in cycli (afb. 3, spoor 3).</li><li> Voor alle profielen is rotatie gladgestreken, om versnelling te beperken tot 12 ° / s² Tijdens de beweging initiatie en verandering van richting.</li></ol><p class="jove_title"> 4. Experimenteel protocol</p><p class="jove_content"> Een typische experimentele wordt gerund als volgt uit:</p><ol><li> Plaats body bijlagen (dat wil zeggen helm, schouder harnas of het bekken orthesen) op de gewenste segmenten, zodat ze zijn knus en er is geen torsie te spelen.</li><li> Stel de hoogte van de lineaire lager, zodat de bovenste fixatie is op dezelfde hoogte als de overeenkomstige lichaam bijlage.</li><li> Stel de onderste bevestiging met behulp van de telescopische balk overeen te komen met de hoogte van het onderlichaam bijlage.</li><li> Instrueer het onderwerp om op te staan ​​de draaiende platform naar voren.</li><li> Bevestig de bovenste en onderste fixaties de bijbehorende bijlagen lichaam, positionering aanpassingen zodat nul draaimoment wordt toegepast op het onderwerp in de pre-trial positie.</li><li> Blindfold het onderwerp.</li><li> Instrueer het onderwerp te staan ​​ontspannen en niet om in te grijpen.</li><li> Selecteer een versterker winst voor het koppel sensor volgens welke instantie regio is gedraaid, om het dynamisch bereik van dit signaal te maximaliseren.</li><li> Stel de voorspanning op het koppel sensor.</li><li> Begin oppervlak oscillatie in yaw en gegevensregistratie. Koppel en platform rotatie-signalen worden meestal opgenomen met 50 Hz met behulp van Spike twee acquisitie software (Cambridge Electronic Devices, Cambridge, Verenigd Koninkrijk).</li><li> Start draaien met het gewenste platform rotatie profiel. In het algemeen beweging moet langzaam en soepel genoeg, zodat proefpersonen niet nauwkeurig waarnemen draaien.</li></ol><p class="jove_title"> 5. Representatieve resultaten</p><p class="jove_content"> Weerstandskoppel doorgaans toeneemt met platform excursie, maar de toename vertraagt ​​met grotere excursie. Totale weerstand wordt meestal gekwantificeerd door peak-to-peak torque, gemiddeld over cycli. Fig. 5A toont een studie reacties over onderwerpen voor torsie weerstand van constante snelheid oprit voor de stam. We hebben waargenomen gegevens reproduceerbare gedurende maanden in een onderwerp (afb. 5B; interclass correlatiecoëfficiënt = 0,89). Mean torsiesterkte verschilt lichaam segmenten, en is gemeld dat het 0,54 ± 0,24 Nm voor de nek, 5,11 ± 1,94 Nm voor de romp en 3,23 ± 1,67 Nm voor de heupen⁶ (Fig 6). Het is belangrijk dat platform draaien glad is en er is geen zweep. Afwezigheid van lash wordt aangegeven door een soepele verandering van het koppel tijdens de verandering van richting en een snelle verandering van het koppel bij het begin, waarschijnlijk als gevolg van op korte afstand stijfheid van de spier (zie figuur 3A in Gurfinkel<em> Et al..</em⁶).</p><p class="jove_content"> De gemeten koppel weerspiegelt zowel de dynamische veranderingen in toon met draaien, alsmede de verdeling van de basislijn tonische activiteit (waaronder co-contractie). Vanwege de lage snelheid van draaien, de toename van het koppel per graad is gelijk aan de intrinsieke stijfheid¹² Alleen wanneer spieractiviteit constant is. Merk op dat omdat actieve structuren bijdragen aan de gemeten weerstand Twister technisch pseudostiffness beoordeelt.</p><p class="jove_content"> In het algemeen worden twee soorten responsen waargenomen dat om constante of gemoduleerde tonische activiteit in de regio gedraaid. Het eerste wordt gekenmerkt door een lage fiets-to-cyclus variatie in koppel, een hoge piek-piek torque omvang en relatief constant EMG. In tegenstelling, is het dynamische differentiatie gekenmerkt door een hoge fiets-to-cyclus variabiliteit, een lage torsie weerstand en EMG modulatie coherent met draaien. Op hoek vs koppel plots ongemoduleerde onderwerpen vertonen een regelmatige hysteresislus terwijl gemoduleerd onderwerpen hebben een onregelmatig patroon dat kan tegengestelde richting (zie figuur 3A in Gurfinkel<em> Et al..</em⁶ Dynamische differentiatie bestaat in het algemeen van de toenemende tonische activiteit tijdens spierverkorting en afnemende activiteit tijdens het verlengen (dat wil zeggen Sherrington's verlengen en verkorten reacties¹³), Die tegengesteld aan te melden bij de rek reflex. Een integratieve meten van de omvang van de modulatie kan worden verkregen door de verschuiving in de neutrale stand een onderwerp (zero-koppel) positie binnen een cyclus, aangeduid als koppel fase vooraf^6,8.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="Figure 1" ><strong> Figuur 1.</strong> Schema van Twister vanaf de zijkant. Onderdelen zijn gemerkt als volgt: 1) draaiend platform, 2) telescopische bar voor een lagere fixatie; 3) scharniergewricht tussen lagere telescopische bar en een draaiend platform; 4) helm bevestigd aan de bovenste bevestiging; 5) koppel sensor en een contragewicht vering systeem; 6) vergrendeling verticale lineaire lager; 7) externe fixatie voor het meten van geïnduceerde koppel; 8) scharniergewricht analoog aan 3; 9) stijf frame; 10) diagonaal kruis schrap voor starre frame.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="Figure 2" ><strong> Figuur 2.</strong> Twijnerij toegepast op de axiale en proximale niveaus. Onderwerpen staan ​​op een draaiend platform (geel) met een boven-en onderlichaam bijlagen aangebracht op geven draaien om het gewenste lichaamsdeel. De bovenste bevestiging is aangesloten via een veersysteem (zigzag lijnen) om de torsie sensor (T), die is bevestigd met betrekking tot rotatie om de verticale as. De onderste bevestiging wordt aangesloten op de draaiende platform via een scharniergewricht (zwarte cirkel) die rotatie maakt in het sagittale vlak van het onderwerp. A: Neck draaien wordt bereikt door het aanbrengen van een helm het koppel sensor en de schouders naar het platform. B: Trunk draaien wordt bereikt door het aanbrengen van de schouders naar het koppel sensor en het bekken naar het platform. C: Hip draaien wordt bereikt door het aanbrengen van het bekken om het koppel sensor.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="Figure 3" ><strong> Figuur 3.</strong> Verschillende draaien profielen. Verschillende profielen kunnen worden gebruikt om specifieke aspecten van tonic controle-onderzoek. De uitgang van de optische encoder met vermelding van platform rotatie is te zien in Volt. Opwaartse afbuiging komt overeen met linksom platform draaien wanneer bekeken van bovenaf. 1) Triangle profiel: In dit geval wordt de rotatiesnelheid, maximum excursie en het aantal cycli zijn opgegeven. Twee cycli van 12 ° worden getoond. 2) discontinue, stap profiel: Amplitude, snelheid, en het bedrijf de tijd een stap zijn opgegeven. Twee cycli 12 ° rotaties, bestaande uit vier, 3 ° graden stappen worden weergegeven. 3) Het verhogen van amplitude driehoek golven: twee cycli van elk van de 3 °, 6 ° en 9 ° rotaties worden weergegeven. In dit voorbeeld is de snelheid van het platform rotatie constant is voor alle omstandigheden.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="Figure 4" ><strong> Figuur 4.</strong> Foto van Twister vanaf de zijkant. A: Configuratie voor de romp te draaien met componenten als volgt geëtiketteerd: 1) draaiend platform, 2) motor en servo-control assemblage; 3) de gezamenlijke scharnier tussen lagere telescopische bar en het draaiend platform, 4) een lagere fixatie en het bekken orthopedische, 5) boven fixatie en schouder harnas; 6) bar verbindt de schorsing van de bovenste fixatie; 7) koppel sensor en een contragewicht vering systeem, 8) externe fixatie voor het meten van geïnduceerde koppel; 9) stijf frame. B: Close-up van het koppel sensor en ophanging bestempeld als volgt: 1) koppel sensor; 2-5) lichtgewicht scharnierende aluminium platen. Het scharnier tussen de platen 2 en 3 draait over de anterior-posterior as, terwijl de scharnier tussen platen 4 en 5 is gericht om de mediolaterale as. 8) vergrendeling verticale lineaire lager; 9) lichtgewicht helm en de bovenste bevestiging. C: Configuratie voor het draaien van de romp, maar het meten van de torsie-effect op de hals. In deze configuratie het bekken is bevestigd aanhet draaiend platform (1) en de schouders zijn verbonden met de externe fixatie (2), die de schouders, nek en hoofd voorkomt roteren, het beperken van draaien aan de romp. Het hoofd is ook verbonden met de bovenste fixatie (3), zodat een eventuele veroorzaakte nek koppel wordt toegepast op het koppel sensor.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="Figure 5" ><strong> Figuur 5.</strong> Torsie weerstand van de romp. A) Koppel sporen van de afzonderlijke onderzoeken uit verschillende onderwerpen. Drie cycli van 10 °, 1 ° / s driehoek golven werden gebruikt. Onderwerpen zijn consistent gedrag koppel over cycli, met een grote variatie in weerstand tussen vakken. Sporen met de hoogste weerstand zijn typerend voor ongemoduleerd gedrag, terwijl sporen met de minste weerstand zijn kenmerkend voor een hoge modulatie. B) Inter-onderwerp herhaalbaarheid in torsie weerstand over de tijd. Twee metingen van zeven thema's van elkaar gescheiden door een maand. Peak-to-peak torque trunk shows consistent binnen-subject gedrag over testsessies maar brede interindividuele variatie.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="Figure 6" ><strong> Figuur 6.</strong> Onrustige koppel van verschillende axiale niveaus. De weerstandskoppel tot 10 °, 1 ° / s driehoek golven voor de hals, romp en heup niveaus. Enkele proeven uit een representatieve onderwerp worden getoond. Let op de verschillende omvang en timecorse over het niveau.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="Figure 7" ><strong> Figuur 7.</strong> Schema van servo-controle. De regelkring bestaat uit een PID (proportionele, integraal, afgeleide) controller, welke input ontvangt van een optische encoder bevestigd aan het platform as. De controller bepaalt de motoraandrijving stroom. Maatwerk software op een PC wordt gebruikt voor het selecteren van de gewenste platform traject, die vervolgens deze informatie downloaden naar de controller.</p>

Discussion

Het is onze mening dat de Twister kunnen richten veel vragen in tonic controle worden gebruikt. Tot op heden, Twister heeft geleid tot zeven dergelijke publicaties ^6-11,14. Waarschijnlijk de meest belangrijke eigenschap van Twister is dat het een geïntegreerd, kinetische mate van klank. Dit koppel maatregel van toon wordt niet door kinematische, inverse dynamica of elektromyografische benaderingen, en is noodzakelijk om veel vragen over toon te beantwoorden. Ook Twister is uniek in niet substantieel bemoeien met natuurlijke anti-zwaartekracht of houdings-gedrag, en zorgt voor een tonic, in plaats van een driefase verstoring.

Een potentiële gebruik van twister is de kwantificering van de tonische effecten van de ziekte de lichaamshouding toon. Terwijl de intrinsieke en de reflex stijfheid is goed bestudeerd voor vele neurologische en musculoskeletale aandoeningen met behulp van snelle verstoringen, het kwantitatieve effect van veel ziekten de lichaamshouding toon niet goed getypeerd. In het bijzonder kan worden Twister used aan de gevolgen van aandoeningen, zoals stijfheid ^7,10,14, hypotonie, dystonie, en rug-en nekpijn over de omvang, distributie en symmetrie van posturale toon langs het lichaam as kwantificeren. Het kan ook worden gebruikt om axiale kinesthesis, bijvoorbeeld te meten; de perceptie van het lichaam rotatie gebaseerd op spier-proprioceptoren en ¹¹ perceptuomotor symmetrie, bijvoorbeeld, de vertegenwoordiging van recht vooruit tijdens het axiaal draaien ^14. Ten slotte kan Twister worden gebruikt om het effect van de interventie studie over deze maatregelen van de axiale posturale toon ^8.

Schatten we de kosten van het inhuren van een ingenieursbureau tot Twister fabriceren is ongeveer 30.000 dollar US. Dit apparaat kan waarschijnlijk worden vervaardigd in eigen huis voor een fractie van deze kosten, als de prijs van grondstoffen is laag, maar significant fabricage is vereist. Gedurende het gebruik ervan, heeft Twister sterk geëvolueerd en nog steeds doen. Er zijn veel fundamentele vragen die kunnen worden aangepakt met Twister. We hopen dat ditrapport zal helpen bij andere onderzoekers bouwen Twisting apparaten of anderszins stimuleren van onderzoek naar deze fundamentele, maar slecht begrepen gebied.

Materials