Metodo per misurare il tono muscolare di assiale e prossimale

Summary

Abbiamo sviluppato un dispositivo (Twister) per studiare la regolazione dell'attività tonica muscolare durante l'attività di mantenimento posturale. Twister misure di resistenza torsionale e le risposte muscolari in soggetti in piedi durante la rotazione dell'asse del corpo. Il dispositivo può essere configurato in modo flessibile per studiare vari aspetti del controllo tonico sul collo, il tronco e / o fianchi.

Abstract

Il controllo delle attività muscolare tonica rimane poco chiaro. Mentre il tono anormale è comunemente valutata clinicamente misurando la resistenza passiva degli arti rilassato ^1, non i sistemi sono disponibili per lo studio di controllo tonico dei muscoli in modo naturale, stato attivo di sostegno antigravità. Abbiamo sviluppato un dispositivo (Twister) per studiare regolamentazione tonico dei muscoli assiali e prossimali attivo durante la manutenzione posturale (cioè tono posturale). Twister ruota regioni del corpo assiale rispetto all'altro intorno all'asse verticale durante l'appoggio, in modo da torcere alle regioni del collo, tronco e fianchi. Questa torsione impone cambiamenti di lunghezza dei muscoli assiali, senza modificare il rapporto del corpo alla gravità. Perchè Twister non fornisce supporto posturale, il tono deve essere regolata per contrastare coppie gravitazionale. Noi quantificare questo regolamento tonica dalla coppia recalcitrante alla torsione, che riflette lo stato di tutti i muscoli sottoposti a variazioni di lunghezza, così come da elettromiografia dimuscoli in questione. Perché il tono è caratterizzata da lunga durata a basso livello di attività muscolare, il controllo tonico è studiato con movimenti lenti che producono "tonico", variazioni di lunghezza del muscolo, senza evocare veloce "fasica" risposte. Twister può essere riconfigurato per studiare i vari aspetti del tono muscolare, come la co-contrazione, modulazione tonico alle variazioni posturali, tonico interazioni tra segmenti corporei, così come soglie percettive per rallentare la rotazione assiale. Twister può essere utilizzato anche per fornire una misura quantitativa degli effetti della malattia sulla assiale e prossimale tono posturale e valutare l'efficacia di intervento.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Introduzione</p><p class="jove_content"> Twister è un servo-controllato dispositivo per quantificare il tono posturale nelle regioni del corpo assiale e prossimale durante l'attivo, posizione eretta. Il dispositivo originale è stato costruito alla Oregon Health & Science University e un dispositivo simile è in costruzione per l'Università di Southampton, Regno Unito. In questo rapporto, descriviamo la funzione e le motivazioni per Twister e dei suoi vari usi. Abbiamo poi fornire una descrizione dettagliata per facilitare la sua riproduzione e mostrare come può essere utilizzato per studiare il controllo del tono posturale.</p><p class="jove_title"> 2. Panoramica</p><p class="jove_content"> Twister è costituito da un telaio in acciaio rigido, piattaforma rotante, sensore di coppia, sistema di sospensione a sbalzo superiori e inferiori fissazioni, e gli allegati corpo (Fig. 1), così come un sistema di controllo servo per la regolazione di rotazione della piattaforma. Twister quantifica tono posturale in soggetti in piedi ruotando segmenti parte inferiore del corpo attorno all'asse verticale relativa ai segmenti superiori. Questo colpi di scena la regione di mezzo, cambiando la lunghezza dei muscoli all'interno. Fissazioni superiore e inferiore può essere collegato a conferire alle regioni torsione del collo, tronco e fianchi (Fig. 2). Perchè Twister non fornisce supporto posturale, attività tonica del muscolo scheletrico è necessario per contrastare coppie gravitazionale. Questo regolamento tonico è studiato dalla resistenza torsionale alla torsione così come da elettromiografia dei muscoli interessati. Resistenza alla torsione viene valutata da un sensore di coppia all'interno della fissazione superiore e riflette lo stato di tutti i muscoli sottoposti a variazioni di lunghezza. Twister utilizza diversi r diversa piattaformaprofili otazione per studiare il controllo tonico, tra cui un profilo triangolare, il profilo di passo, e il profilo triangolo di grandezza crescente (Fig. 3). Questi ruotare la piattaforma a una velocità costante lento, che minimizza gli effetti inerziali sul tema e la misura.</p><p class="jove_content"> Noi usiamo una perturbazione torsione intorno all'asse verticale, perché: 1) cambia la lunghezza dei muscoli assiali e prossimali, in quanto queste strutture sono orientati obliquamente e hanno ampio origine anatomica e inserimenti, 2) non altera il rapporto di tutto il corpo e le sue parti alla forza di gravità, 3) il corpo ruota intorno ad un asse del minimo momento di inerzia²; 4) corrisponde ad una zona neutra^3,4, In modo che la resistenza da piccoli spostamenti di senso di marcia riflette muscolare piuttosto che osteo-legamentosa forze; e 5) si trova naturalmente nelle attività quotidiane^3,5.</p><p class="jove_content"> Twister è un dispositivo flessibile che può essere utilizzato per affrontare vari aspetti del controllo tonico. Questi includono: 1) rigidità connesse ad attività tonica^6-8, 2) risposte tonico alle variazioni di lunghezza muscolare^6,8. 3) l'effetto di torsione sulle regioni remote del corpo; 4) effetti tonico dalle informazioni cinestesiche⁹; 5) gli effetti della malattia su tono posturale^7,10, E 6) le soglie percettive per rallentare la rotazione¹¹.<br ><p class="jove_title"> 3. Descrizione dettagliata del dispositivo</p><p class="jove_content"> Noi dettaglio le componenti del Twister di seguito.</p><ol><li<strong> Piattaforma rotante</strong<br> Soggetti stare su una piattaforma che ruota ± 20 ° su un cuscinetto intorno all'asse verticale (Fig. 1, 4A). Un motore elettrico poteri questa rotazione in un rapporto di trasmissione che raggiunge velocità di piattaforma tra 0,5 ° / s e 5 ° / s ed una coppia elevata. Twister ruota la parte inferiore del corpo nello spazio, piuttosto che la parte superiore del corpo per eliminare i segnali vestibolari che potrebbero interrompere la posizione tranquilla.</li><li> Una cinghia e puleggia sistema viene utilizzato per la riduzione del drive, che smorza le vibrazioni ed elimina sferza che possono interferire con la misurazione della coppia. Vibrazioni è ridotto al minimo perché può suggerire al soggetto il movimento della piattaforma.</li><li> Per sicurezza, si ferma duri vengono utilizzati per limitare lo spostamento massimo della piattaforma.</li><li> Un encoder ottico (Hewlett-Packard HEDS-5540) fissato all'albero piattaforma rapporti spostamento di rotazione sia per servo-controllo e di analisi dei dati.<br /></li><li<strong> Cornice</strong><br /> Un rigido telaio in acciaio (1.5mx 1.5mx 3m) con controventatura diagonale crea elevata rigidità torsionale tra il gruppo piattaforma e sensore di coppia, necessario per la misurazione precisa della coppia.<br /></li><li<strong> Fissaggio superiore e sistema di sospensione</strong<br> Il fissaggio superiore e leggero, sistema di sospensione controbilanciato collegare il margine superiore della regione contorto al telaio (Fig. 4B). Un sensore di coppia (Futek TFF220, Irvine, CA) posizionato all'interno della fissazione superiore misure di resistenza di un soggetto a rotazione.</li><li> Il sistema di sospensione è costituito da quattro lastre di alluminio rettangolari che vengono alternativamente incernierati lungo gli assi antero-posteriore e medio-laterale. Questo crea una rigidità elevata per la rotazione attorno all'asse verticale (590 Nm / °), al fine di misurare con precisione di coppia, senza limitare i movimenti in altre dimensioni. In particolare, la bassa rigidità per la traduzione in x, y, z (0,25 N / cm) assicura soggetti di mantenere la stabilità posturale se stessi e impedisce la fissazione superiore di fornire un riferimento spaziale. Questo permette anche ad ogni individuo di mantenere il proprio, unico postura verticale senza alterare il movimento posturale nel piano orizzontale.</li><li> Springs agire per contrastare il peso del sistema di sospensione.</li><li> Un gruppo cuscinetto verticale (Fig. 1, 4B) è usato per regolare il fissaggio superiore per altezza soggetto.<br /></li><li<strong> Fissaggio inferiore</strong<br> Una fissazione inferiore collega il margine inferiore della regione contorto alla piattaforma rotante. Segmenti del corpo sotto la fissazione inferiore ruotare con la piattaforma.</li><li> Il fissaggio inferiore è costituito da una barra telescopica leggera che è collegato alla piattaforma rotante. Una cerniera collega la barra telescopica alla piattaforma per consentire antero-posteriore oscillazioni posturali.<br /></li><li<strong> Corpo Allegati</strong<br> Tre allegati vengono utilizzati con Twister: un casco leggero, un cablaggio di spalla e di una ortesi bacino, ognuno dei quali può essere fissato al corpo (Fig. 2).</li><li> Per torcere il collo, collegare il casco sopra e sotto le spalle.</li><li> Per ruotare il tronco attaccare sopra le spalle e il bacino sottostante</li><li> Per girare le anche collegare il bacino di cui sopra. In questo caso, torsione è localizzato alla rotazione dell'anca interna ed esterna come i piedi, stinco e alla coscia ruotare con la piattaforma.<br /></li><li<strong> Fissazione esterna</strong<br> Un terzo, fissazione esterna può essere utilizzata per girare una regione del corpo mentre la misurazione della coppia di un altro. Poiché il segmento quest'ultimo è fermo, la coppia misurata non è resistivo, ma proviene da forze muscolari all'interno del segmento, potenzialmente indotti da torcere a distanza.</li><li> La fissazione esterna è costituito da una barra telescopica leggera che evita il segmento collegato di ruotare attorno all'asse verticale. Un comune cerniera tra la barra e la cornice permette antero-posteriore oscillazioni posturali.</li><li> Figura 4C mostra la configurazione per la misurazione della coppia durante la torsione del collo tronco. In alternativa, la coppia del collo in risposta alla torsione d'anca può essere valutata collegando il bacino per la fissazione esterna.</li><li> Un forceplate standard può essere collocato tra i piedi soggetti e piattaforma rotante, per misurare simultaneamente coppia resistente nel segmento contorto. Questo forceplate può anche essere utilizzato per quantificare oscillazioni posturali durante la torsione.<br /></li><li<strong> Servo-controllo della rotazione della piattaforma</strong<br> Una personalizzato costruito in tempo reale servo-sistema di controllo di rotazione della piattaforma. Questo regolatore PID hardware emette un segnale motore basato su una piattaforma segnale posizione dall'encoder ottico e la rotazione desiderata (vedi Fig. 7). Un programma personalizzato interfacce PC con il controller hardware per specificare il profilo desiderato temporale di rotazione piattaforma e avviare un processo.</li><li> Il controller genera tre profili per la rotazione della piattaforma. Selezionare il profilo triangolo di alternare tra velocità costante in senso orario e rotazione in senso antiorario (fig. 3, traccia 1). Utilizzare il profilo fasi per realizzare rotazione discontinuo (Fig. 3, traccia 2). La rotazione può essere guidato con un profilo triangolare che aumenta in ampiezza tutti i cicli (Fig. 3, traccia 3).</li><li> Per tutti i profili, la rotazione è levigato per limitare l'accelerazione a 12 ° / s² Durante l'avvio il movimento e cambi di direzione.</li></ol><p class="jove_title"> 4. Protocollo sperimentale</p><p class="jove_content"> Un sperimentale tipico è eseguito come segue:</p><ol><li> Luogo attacchi alla scocca (cioè casco, imbracatura spalla o ortesi bacino) sui segmenti desiderata, assicurando che siano comodi e non c'è gioco torsionale.</li><li> Regolare l'altezza del cuscinetto lineare in modo che la fissazione superiore è alla stessa altezza come attaccamento al corpo corrispondenti.</li><li> Regolare il fissaggio inferiore utilizzando la barra telescopica per corrispondere all'altezza dell'attacco inferiore del corpo.</li><li> Istruire il soggetto a stare sulla piattaforma rotante, rivolto in avanti.</li><li> Collegare il fissazioni superiore e inferiore per gli attacchi corpo corrispondente, regolazioni della posizione in modo da coppia a zero si applica al soggetto in posizione pre-processuale.</li><li> Blindfold il soggetto.</li><li> Istruire il soggetto di stare rilassato e di non intervenire.</li><li> Selezionare un guadagno dell'amplificatore per il sensore di coppia in base al quale regione del corpo è contorto, al fine di massimizzare la gamma dinamica di questo segnale.</li><li> Ripristina il bias sul sensore di coppia.</li><li> Inizia oscillazione di superficie in imbardata e la registrazione dei dati. Segnali di rotazione della coppia e della piattaforma sono di norma registrate a 50 Hz con Spike 2 software di acquisizione (Cambridge Electronic Devices, Cambridge, UK).</li><li> Avviare torsione con il profilo di piattaforma desiderata rotazione. Nel movimento generale dovrebbe essere lento e abbastanza liscia in modo che i soggetti non percepiscono con precisione torsione.</li></ol><p class="jove_title"> 5. Rappresentante risultati</p><p class="jove_content"coppia> resistivo aumenta in genere con escursione piattaforma, tuttavia l'incremento rallenta con le grandi escursioni. Resistenza complessiva è generalmente quantificato da picco a picco di coppia, una media di tutti i cicli. Fig. 5A mostra risposte singolo studio tra i soggetti per la resistenza alla torsione della rampa di velocità costante per il tronco. Abbiamo osservato dati riproducibili per mesi all'interno di un soggetto (Fig. 5B; coefficiente di correlazione interclasse = 0,89). Significa resistenza alla torsione si differenzia nei vari segmenti del corpo, ed è stato segnalato per essere 0,54 ± 0,24 Nm per il collo, 5,11 ± 1,94 Nm per il tronco e 3,23 ± 1,67 Nm per i fianchi⁶ (Fig. 6). E 'importante che la rotazione della piattaforma è liscio e non ci sono ciglia. L'assenza di ciglia è indicato dai cambiamenti liscia in coppia durante cambi di direzione e di un rapido cambiamento della coppia al momento della comparsa, presumibilmente a causa di corto raggio di rigidità muscolare (vedi Fig. 3A in Gurfinkel<em> Et al.</em⁶).</p><p class="jove_content"> La coppia misurata riflette sia i cambiamenti dinamici in tono con torsione così come la distribuzione delle attività di base tonica (che comprende la co-contrazione). A causa della bassa velocità di rotazione, l'incremento di coppia per grado è equivalente alla rigidità intrinseca¹² Solo quando l'attività muscolare è costante. Si noti che poiché strutture attive contribuiscono alla resistenza Twister misurata valuta tecnicamente pseudostiffness.</p><p class="jove_content"> In generale, due tipi di risposte sono osservate che corrispondono alle attività tonica costante o modulata all'interno della regione contorto. Il primo è caratterizzato da bassa da ciclo a ciclo variazione di coppia, picco-picco di coppia magnitudo, e relativamente costante EMG. Al contrario, la modulazione dinamica è caratterizzata da elevata da ciclo a ciclo di variabilità, bassa resistenza torsionale e EMG modulazione coerente con torsione. Su parcelle angolo vs coppia di soggetti non modulato esibire un regolare ciclo di isteresi mentre i soggetti hanno modulato un pattern irregolare che può invertire la direzione (vedi Fig. 3A in Gurfinkel<em> Et al.</em⁶ La modulazione dinamica consiste generalmente di aumentare l'attività tonica durante accorciamento muscolare e diminuendo l'attività durante l'allungamento (cioè Sherrington reazioni allungamento e accorciamento¹³), Che sono di segno opposto, al riflesso di stiramento. Una misura di integrazione della portata di modulazione può essere ottenuta con lo spostamento in un soggetto neutro (zero-coppia) posizione all'interno di un ciclo, denominato anticipo coppia di fase^6,8.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="Figure 1" ><strong> Figura 1.</strongSchema> di Twister dal lato. I componenti sono etichettati come segue: 1) piattaforma rotante, 2) barra telescopica per il fissaggio inferiore; 3) cerniera venture tra barra telescopica inferiore e piattaforma rotante, 4) casco collegato al fissaggio superiore; 5) sensore di coppia e il sistema di sospensione a sbalzo; 6) blocco lineare verticale portante; 7) fissazione esterna per la misurazione della coppia indotta; 8) cerniera comune analogo a 3; telaio 9) rigido; 10) croce diagonale rinforzo per telaio rigido.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="Figure 2" ><strong> Figura 2.</strong> Torsione applicata ai livelli assiale e prossimale. Soggetti stare su una piattaforma rotante (giallo) con allegati corpo superiore e inferiore apposta per impartire torsione alla regione corpo desiderato. L'attacco superiore è collegato tramite un sistema di sospensione (linee a zig-zag), al sensore di coppia (T), che è fissato in termini di rotazione intorno all'asse verticale. L'attacco inferiore si connette alla piattaforma rotante tramite una cerniera comune (cerchio nero) che consente la rotazione nel piano sagittale del soggetto. A: torsione del collo si ottiene collegando un casco al sensore di coppia e le spalle alla piattaforma. B: torsione del tronco si ottiene collegando le spalle al sensore di coppia e il bacino alla piattaforma. C: Hip torsione si ottiene collegando il bacino al sensore di coppia.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="Figure 3" ><strong> Figura 3.</strong> Diversi profili di torsione. Vari profili possono essere utilizzati per studiare aspetti specifici del controllo tonico. L'uscita del trasduttore ottico specificando rotazione della piattaforma è mostrato in Volt. Deflessione verso l'alto corrisponde alla rotazione in senso antiorario piattaforma se visto dall'alto. 1) Profilo Triangolo: In questo caso la velocità di rotazione, escursione massima e numero di cicli sono specificati. Due cicli di 12 ° sono mostrati. 2) discontinuo, passo il profilo: ampiezza, velocità e tempo di mantenimento di un passo sono specificati. Due cicli di 12 rotazioni °, composto da quattro, 3 ° deg passi sono mostrati. 3) Aumentare le onde di ampiezza triangolo: due cicli di ciascuna delle 3 °, 6 ° e 9 ° sono mostrati rotazioni. In questo esempio, il tasso di rotazione della piattaforma è costante per tutte le condizioni.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="Figure 4" ><strong> Figura 4.</strongFotografia> di Twister dal lato. Fissazione 4) inferiore e ortesi bacino;: 1) piattaforma rotante, 2) gruppo motore e servo-controllo; 3) cerniera venture tra barra telescopica inferiore e la piattaforma rotante 5) superiore: A: Configurazione per torsione del tronco con componenti etichettato come segue bar 6) collegamento della sospensione per fissaggio superiore;, fissazione e bretelle 7) sensore di coppia e il sistema di sospensione a sbalzo; 8) fissazione esterna per la misurazione della coppia indotta; 9) telaio rigido. B: Primo piano del sensore di coppia e sistema di sospensione etichettato come segue: 1) sensore di coppia; 2-5) leggero, lastre di alluminio incernierato. La cerniera tra le piastre 2 e 3 sulla ruota anteriore-posteriore asse, mentre la cerniera tra le placche 4 e 5 è orientato lungo l'asse medio-laterale. 8) blocco verticale cuscinetti lineari; 9) casco leggero e alto attaccamento. C: Configurazione per torsione del tronco, ma misurare l'effetto di torsione sul collo. In questa configurazione la pelvi è fissata alla piattaforma rotante (1) e le spalle sono collegati alla fissazione esterna (2), che impedisce l', spalle collo e la testa di rotazione, torsione limitare al tronco. La testa è inoltre collegato al fissaggio superiore (3) in modo che ogni coppia collo indotta viene applicato al sensore di coppia.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="Figure 5" ><strong> Figura 5.</strong> Resistenza alla torsione del tronco. A) le tracce di coppia da studi individuali da parte di soggetti diversi. Tre cicli di 10 °, 1 ° / s onde triangolo sono stati utilizzati. Soggetti hanno un comportamento coerente in tutti i cicli di coppia, con grande variazione di resistenza tra i soggetti. Tracce con la massima resistenza sono tipiche di comportamento modulato, mentre le tracce con minor resistenza tipici di alta modulazione. B) fra i soggetti ripetibilità della resistenza torsionale attraverso il tempo. Due misure da 7 soggetti separati da un mese. Picco-picco di coppia tronco mostra coerente all'interno dello stesso soggetto comportamento tra le sessioni di prova, ma ampia variabilità inter-individuale.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="Figure 6" ><strong> Figura 6.</strong> Coppia resti di diversi livelli assiale. La coppia resistente a 10 °, 1 ° / s triangolo onde per il collo, tronco e fianchi livelli. Prove singola a partire da un soggetto rappresentativo sono mostrati. Si noti la diversa grandezza e timecorse tra i vari livelli.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="Figure 7" ><strong> Figura 7.</strongSchema> del servo-controllo. Il circuito di regolazione è costituito da un PID (proporzionale, integrale, derivativa) del controller, che riceve input da un encoder ottico collegato all'albero piattaforma. Il controller determina la corrente di pilotaggio del motore. Software personalizzato in esecuzione su un PC è utilizzato per selezionare la traiettoria piattaforma desiderata, che scarica poi queste informazioni per il controller.</p>

Discussion

E 'nostra opinione che Twister può essere utilizzato affrontare molte questioni in controllo tonico. Fino ad oggi, Twister ha portato a 7 tali pubblicazioni ^6-11,14. Probabilmente la caratteristica più importante di Twister è che fornisce un approccio integrato, misura cinetica di tono. Questa misura di coppia di tono non è fornito dalla cinematica, la dinamica inversa o approcci elettromiografici, ed è necessario per rispondere a molte domande riguardo il tono. Inoltre, Twister è unico nel non interferire sostanzialmente con antigravità naturale o comportamento posturale, e fornisce un tonico, piuttosto che una perturbazione fasica.

Un uso potenziale del tornado è la quantificazione degli effetti della malattia sulla tonico tono posturale. Mentre la rigidità intrinseca e riflesso è stato ben studiato per molti le condizioni neurologiche e muscoloscheletriche con perturbazioni veloci, non l'effetto quantitativo di molte malattie su tono posturale ben caratterizzati. In particolare, Twister può essere used per quantificare gli effetti di disturbi come rigidità ^7,10,14, ipotonia, distonia e schiena e dolore al collo sulla distribuzione grandezza, e la simmetria del tono posturale lungo l'asse del corpo. Può anche essere usato per misurare kinesthesis assiale, ad esempio, la percezione della rotazione del corpo a base di propriocettori muscolari e ¹¹ perceptuomotor simmetria, ad esempio, la rappresentazione di dritto durante la torsione assiale ^14. Infine, Twister può essere utilizzato per studiare l'effetto di un intervento su queste misure di assiale tono posturale ^8.

Si stima il costo di assumere una società di ingegneria per fabbricare Twister è di circa 30.000 $ USA. Questo dispositivo può probabilmente essere prodotto in-house per una frazione di questo costo, in quanto il prezzo delle materie prime è bassa, ma significativa fabbricazione è necessario. In tutto il suo utilizzo, Twister è evoluta in modo significativo e continua a farlo. Ci sono molte domande di base che possono essere affrontate con Twister. Ci auguriamo che questorapporto aiuterà altri ricercatori costruire dispositivi torsione o comunque stimolare la ricerca in questa area fondamentale ma poco conosciuta.

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