Métodos experimentais para estudar o controle postural humano

Summary

Este artigo apresenta um quadro experimental/analítico para o estudo do controle postural humano. O protocolo fornece procedimentos passo-a-passo para a realização de experimentos permanentes, medindo cinemática corporal e sinais de cinética, e analisando os resultados para fornecer insights sobre os mecanismos subjacentes ao controle postural humano.

Abstract

Muitos componentes dos sistemas nervoso e musculoesquelético atuam em concerto para alcançar a postura humana estável e vertical. Experimentos controlados acompanhados de métodos matemáticos apropriados são necessários para compreender o papel dos diferentes subsistemas envolvidos no controle postural humano. Este artigo descreve um protocolo para a realização de experimentos permanentes perturbados, adquirindo dados experimentais e realizando a subsequente análise matemática, com o objetivo de compreender o papel do sistema musculoesquelético e do controle central em humanos postura vertical. Os resultados gerados por esses métodos são importantes, pois fornecem insights sobre o controle do equilíbrio saudável, formam a base para a compreensão da etiologia do comprometimento do equilíbrio em pacientes e idosos, e auxiliam na elaboração de intervenções para melhorar controle postural e estabilidade. Esses métodos podem ser utilizados para estudar o papel do sistema somatossensorial, rigidez intrínseca da articulação do tornozelo e sistema visual no controle postural, podendo também ser estendido para investigar o papel do sistema vestibular. Os métodos são para ser usado no caso de uma estratégia de tornozelo, onde o corpo se move principalmente sobre a articulação do tornozelo e é considerado um único link-pêndulo invertido.

Introduction

O controle postural humano é realizado através de interações complexas entre os sistemas nervoso central e músculo-esqueléticos¹. O corpo humano em pé é inerentemente instável, sujeito a uma variedade de perturbações internas (por exemplo, respiração, batimento cardíaco) e externas (por exemplo, gravidade). A estabilidade é alcançada por um controlador distribuído com componentes centrais, reflexos e intrínsecos (Figura 1).

O controle postural é conseguido por: um controlador ativo, mediado pelo sistema nervoso central (CNS) e pela medula espinal, que muda a ativação do músculo; e um controlador de rigidez intrínseca que resiste à movimentação articular sem alteração na ativação muscular (Figura 1). O controlador central usa informações sensoriais para gerar comandos descendentes que produzem forças musculares corretivas para estabilizar o corpo. A informação sensorial é transada pelos sistemas Visual, vestibular e somatossensorial. Especificamente, o sistema somatossensorial gera informações sobre a superfície de suporte e os ângulos articulares; visão fornece informações sobre o meio ambiente; e o sistema vestibular gera informações sobre a velocidade angular da cabeça, aceleração linear e orientação em relação à gravidade. O controlador de circuito fechado central opera com longos atrasos que podem ser desestabilizadores². O segundo elemento do controlador ativo é a rigidez reflexa, que gera atividade muscular com latência curta e produz torques resistentes ao movimento articular.

Há uma latência associada a ambos os componentes do controlador ativo; Consequentemente, a rigidez intrínseca articular, que atua sem demora, desempenha um papel importante no controle postural³. A rigidez intrínseca é gerada por Propriedades visco-elásticas passivas de músculos contratantes, tecidos moles e propriedades inerciais dos membros, o que gera torques resistivos instantaneamente em resposta a qualquer movimento articular⁴. O papel da rigidez articular (rigidez intrínseca e reflexa) no controle postural não é claramente compreendido, uma vez que se modifica com as condições de operação, definidas pela ativação muscular^4,5,6 e posição articular ^{4. º , 7} anos de ^{, 8}, ambos os quais mudam com a oscilação do corpo, inerente à posição.

Identificar os papéis do controlador central e a rigidez articular no controle postural é importante, pois fornece a base para: diagnosticar a etiologia das deficiências de equilíbrio; a conceção de intervenções orientadas para os doentes; avaliação do risco de quedas; o desenvolvimento de estratégias de prevenção de quedas em idosos; e o design de dispositivos assistivos, como Ortopedia e próteses. Entretanto, é difícil, porque os subsistemas diferentes actuam junto e somente a cinemática resultante total do corpo, os torques da junção, e a electromiografia do músculo podem ser medidos.

Portanto, é imprescindível o desenvolvimento de métodos experimentais e analíticos que utilizem as variáveis posturais mensuráveis para avaliar a contribuição de cada subsistema. Uma dificuldade técnica é que a mensuração das variáveis posturais é feita em circuito fechado. Como resultado, as entradas e saídas (causa e efeito) estão inter-relacionadas. Conseqüentemente, é necessário: a) aplicar perturbações externas (como insumos) para evocar reações posturais em respostas (como saídas), e b) empregar métodos matemáticos especializados para identificar modelos de sistema e desentangular causa e efeito⁹.

O presente artigo centra-se no controle postural quando uma estratégia de tornozelo é usada, ou seja, quando os movimentos ocorrem principalmente sobre a articulação do tornozelo. Nesta condição, o corpo superior e os membros inferiores movem-se juntos, conseqüentemente, o corpo pode ser modelado como um pêndulo invertido de ligação única no plano sagital¹⁰. A estratégia do tornozelo é usada quando a superfície de suporte é firme e as perturbações são pequenas^1,11.

Um instrumento ereto capaz de aplicar as perturbações sensoriais mecânicas (proprioceptive) e visuais apropriadas e registrar a cinemática do corpo, a cinética, e as atividades do músculo foram desenvolvidas em nosso laboratório¹². O dispositivo fornece o ambiente experimental necessário para estudar o papel da rigidez do tornozelo, mecanismos de controle central e suas interações, gerando respostas posturais usando estímulos visuais ou/e somatossensoriais. Também é possível estender o dispositivo para estudar o papel do sistema vestibular pela aplicação da estimulação elétrica direta aos processos mastoides, que podem gerar uma sensação de velocidade da cabeça e evocar respostas posturais^12,13 .

Outros também desenvolveram dispositivos semelhantes para estudar o controle postural humano, onde atuadores elétricos piezo lineares¹¹, motores elétricos rotativos^14,15e motores elétricos lineares^{16,17 , 18} foram utilizados para aplicar perturbações mecânicas ao tornozelo em pé. Dispositivos mais complexos também foram desenvolvidos para estudar o controle postural multisegmento, onde é possível aplicar múltiplas perturbações às articulações do tornozelo e quadril simultaneamente^19,20.

Aparelho permanente

Dois atuadores rotativos eletrohidráulicos servo-controlados movem dois pedais para aplicar perturbações controladas da posição do tornozelo. Os atuadores podem gerar grandes torques (> 500 nanômetro) necessários para o controle postural; Isso é especialmente importante em casos como Lean Forward, onde o centro de massa do corpo é muito (anterior) do eixo do tornozelo de rotação, resultando em grandes valores de torque do tornozelo para controle postural.

Cada atuador giratório é controlado por uma válvula servo proporcional separada, usando o gabarito da posição do pedal, medido por um potenciómetro de capacidade elevada no eixo do atuador (tabela dos materiais). O controlador é implementado usando um sistema de processamento de sinal digital em tempo real baseado em MATLAB xPC. O atuador/servo-válvula juntos têm uma largura de banda de mais de 40 Hz, muito maior do que a largura de banda do sistema de controle postural global, rigidez da articulação do tornozelo, e o controlador central²¹.

Dispositivo de realidade virtual e ambiente

Um headset de realidade virtual (VR) (tabela de materiais) é usado para perturbar a visão. O auricular contém uma tela LCD (Dual AMOLED 3,6 ‘ ‘ tela com uma resolução de 1080 x 1200 pixels por olho) que fornece ao usuário uma visão estereoscópica dos meios de comunicação enviados para o dispositivo, oferecendo a percepção de profundidade tridimensional. A taxa de atualização é 90 Hz, suficiente para fornecer um sentido virtual sólido para os usuários²². O campo de visão da tela é 110 °, o suficiente para gerar perturbações visuais semelhantes às situações do mundo real.

O headset rastreia a rotação da cabeça do usuário e altera a exibição virtual de acordo para que o usuário esteja totalmente imerso no ambiente virtual; Conseqüentemente, pode fornecer o gabarito visual normal; e também pode perturbar a visão girando o campo visual no plano sagital.

Medições cinéticas

A força de reação vertical é medida por quatro células de carga, imprensadas entre duas placas abaixo do pé (tabela de materiais). O torque do tornozelo é medido diretamente por transdutores de torque com uma capacidade de 565 nm e uma rigidez torcional de 104 kNm/RAD; Ele também pode ser medido indiretamente a partir das forças verticais transcorridas pelas células de carga, usando suas distâncias para o eixo do tornozelo de rotação²³, assumindo que as forças horizontais aplicadas aos pés em pé são pequenas^2,24. O centro de pressão (COP) é medido no plano sagital dividindo o torque do tornozelo pela força vertical total, medida pelas células de carga²³.

Medições cinemáticas

O ângulo do pé é o mesmo que o ângulo do pedal, porque quando uma estratégia do tornozelo é usada, o pé do assunto move-se com o pedal. O ângulo da pata com respeito ao vertical é obtido indiretamente do deslocamento linear do Shank, medido por um inventor da escala do laser (tabela dos materiais) com uma definição do μm 50 e da largura de faixa de 750 Hertz²⁵. O ângulo do tornozelo é a soma dos ângulos do pé e da pata. O ângulo do corpo em relação ao vertical é obtido indiretamente do deslocamento linear do ponto médio entre as espinhas ilíacas superiores esquerdas e direitas (PSIS), medidos usando um localizador de laser (tabela de materiais) com uma resolução de 100 μm e largura de banda de 750 Hz²³. A posição e a rotação da cabeça são medidas em relação ao sistema de coordenadas global do ambiente VR pelas estações base do sistema VR que emitem pulsos infravermelhos (IR) cronometrados em 60 pulsos por segundo que são captado pelos sensores de infravermelho do headset com submilímetro Precisão.

Aquisição de dados

Todos os sinais são filtrados com um filtro anti-aliasing com uma frequência de canto de 486,3 e, em seguida, amostrados em 1000 Hz com alto desempenho de 24 bits/8 canais, amostragem simultânea, cartões de aquisição de sinal dinâmico (tabela de materiais) com uma dinâmica intervalo de 20 V.

Mecanismos de segurança

Seis mecanismos de segurança foram incorporados no aparelho de pé para evitar lesões em indivíduos; os pedais são controlados separadamente e nunca interferem uns com os outros. (1) o eixo do atuador tem uma came, que ative mecanicamente uma válvula que desconecta a pressão hidráulica se a rotação do eixo excede ± 20 ° de sua posição horizontal. (2) duas paradas mecânicas ajustáveis limitam a amplitude de movimento do atuador; Estes são ajustados à escala de cada assunto do movimento antes de cada experimentação. (3) tanto o assunto eo experimentador segurar um botão de pânico; pressionando o botão desliga a energia hidráulica dos atuadores e faz com que eles fiquem soltos, para que eles possam ser movidos manualmente. (4) os corrimão situados em cada lado do assunto estão disponíveis para fornecer o apoio em caso da instabilidade. (5) o sujeito usa um arnês de corpo inteiro (tabela de materiais), anexado a barras transversais rígidas no teto para apoiá-los em caso de queda. O arnês é frouxo e não interfere com a posição normal, a menos que o sujeito se torne instável, onde o arnês impede que o sujeito caia. No caso de queda, os movimentos do pedal serão interrompidos manualmente quer pelo sujeito, usando o botão de pânico ou pelo experimentador. (6) as servo-válvulas param a rotação dos atuadores usando mecanismos à prova de falhas em caso da interrupção elétrica da fonte.

Protocol

Todos os métodos experimentais foram aprovados pelo Conselho de ética em pesquisa da Universidade McGill e os sujeitos assinam consenditos informados antes de participarem. 1. experiências Observação: cada experimento envolve as seguintes etapas. Pré-teste Prepare um contorno definitivo de todos os ensaios a serem realizados e faça uma lista de verificação para a coleta de dados. Fornecer o assunto com um formulário de consenti…

Representative Results

Pseudo seqüência ternária aleatória (PRTS) e sinais TrapZ A Figura 2a mostra um sinal de PRTs, que é gerado integrando um perfil pseudo da velocidade aleatória. Para cada tempo de amostragem, a velocidade do sinal pode ser igual a zero, ou adquirir um valor positivo ou negativo pré-definido <img alt="Eq…

Discussion

Várias etapas são críticas na realização desses experimentos para estudar o controle postural humano. Estas etapas são associadas com a medida correta dos sinais e incluem: 1) alinhamento correto do eixo do tornozelo da pata da rotação àquele dos pedais, para a medida correta de torques do tornozelo. 2) ajuste correto dos Finders da escala para assegurar-se de que trabalhem em sua escala e não sejam saturados durante os experimentos. 3) medida do EMG com boa qualidade e conversa transversal mínima. 4) aplicaç…

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