Metod för att mäta ton av Axiell och proximal Muscle

Summary

Vi har utvecklat en enhet (Twister) för att studera regleringen av tonic muskelaktivitet under aktiv postural underhåll. Twister åtgärder vrid-motstånd och muskulösa svar i stående ämnen under vridning av kroppen axeln. Enheten kan flexibelt konfigureras för att studera olika aspekter av tonic kontroll över halsen, bålen och / eller höfter.

Abstract

Kontrollen av tonic muskelaktivitet är dåligt kända. Medan onormala Tonen är ofta bedömas kliniskt genom att mäta den passiva motstånd avslappnad lemmar ^1, inget system finns tillgängliga för att studera tonic muskelkontroll i en naturlig, aktiv tillstånd av antigravitation stöd. Vi har utvecklat en enhet (Twister) för att studera tonic reglering av axiella och proximala muskler under aktiv postural underhåll (dvs. postural tonen). Twister roterar axiell kroppsdelar i förhållande till varandra runt den vertikala axeln under hållning, för att vrida nacken, bålen eller höft regioner. Denna vridning ställer längden ändringar på axiell muskler utan att ändra kroppens relation till gravitationen. Eftersom Twister inte ger postural stöd måste tonen regleras för att motverka gravitationen vridmoment. Vi kvantifiera detta tonic reglering av den oroliga moment att vrida, som speglar tillståndet för alla muskler som genomgår längd förändras, liksom av elektromyografi avrelevanta muskler. Eftersom tonen kännetecknas av långvarig låg muskelaktivitet är tonic kontroll studeras med långsamma rörelser som producerar "tonic" förändringar i musklerna längd, utan framkallar snabbt "phasic" svar. Twister kan konfigureras för att studera olika aspekter av muskeltonus, som co-kontraktion, tonic modulering till förändrad kroppshållning, stärkande samspel mellan kropp segment, liksom perceptuella trösklar att bromsa axiell rotation. Twister kan även användas för att ge en kvantitativ mätning av effekter av sjukdom på axial och proximal postural tonen och bedöma effekten av intervention.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Inledning</p><p class="jove_content"> Twister är en servostyrda anordning för att kvantifiera postural tonen i axial och proximal kroppsregioner under aktiv, upprätt hållning. Den ursprungliga enheten byggdes vid Oregon Health & Science University och en liknande enhet är under uppbyggnad för University of Southampton, Storbritannien. I denna rapport beskriver vi funktionen och logiska grunden för Twister och dess olika användningsområden. Vi ger sedan en detaljerad beskrivning för att underlätta dess reproduktion och visa hur den kan användas för att undersöka kontroll av postural ton.</p><p class="jove_title"> 2. Översikt</p><p class="jove_content"> Twister består av en stel stålram, roterande plattform, vridmoment-sensor, uppvägs fjädringssystem, övre och nedre upptagningar och bilagor kropp (Fig. 1), samt en servo styrsystem för reglering plattform rotation. Twister kvantifierar postural tonen i stående motiv genom att rotera underkroppen segmenten runt den vertikala axeln i förhållande till övre segment. Detta vrider regionen i mellan, ändra längden på musklerna inom. Övre och nedre upptagningar kan fästas förmedla vrida till nacken, bålen eller höft regioner (Fig. 2). Eftersom Twister inte ger postural stöd är stärkande aktivitet i skelettmuskulaturen nödvändiga för att motverka gravitationen vridmoment. Denna tonic reglering studeras av de vridande motstånd mot vridning samt elektromyografi från berörda muskler. Resistens mot vridning bedöms genom ett vridmoment givare inom den övre fixering och speglar tillståndet för alla muskler genomgår längd förändringar. Twister använder flera olika plattformar rotation profiler för att studera tonic kontroll, inklusive en triangel profil, steg profil och triangel profil ökande magnitud (Fig. 3). Dessa roterar plattformen på en konstant låg hastighet, vilket minimerar trögt effekter på ämnet och mätning.</p><p class="jove_content"> Vi använder en vridande störning runt den vertikala axeln, eftersom det: 1) ändrar längd axiella och proximala musklerna, eftersom dessa strukturer är orienterade snett och har bred anatomiska ursprung och infogningar, 2) förändrar inte förhållandet i hela kroppen och dess delar gravitation, 3) roterar kroppen kring en axel minimal tröghetsmoment², 4) motsvarar en neutral zon^3,4 Så att motståndet från små förskjutningar från framåtvänd ståndpunkten avspeglar muskulösa snarare än osteo-ligamentändringar krafter, och 5) naturligt i vardagliga aktiviteter^3,5.</p><p class="jove_content"> Twister är en flexibel enhet som kan användas för att behandla olika aspekter av tonic kontroll. Dessa inkluderar: 1) stelhet i samband med tonic aktivitet^6-8, 2) tonic svar på muskulär längd förändringar^6,8. 3) effekten av att vrida på avlägsna kroppsdelar, 4) stärkande effekter från kinestetiska informationen⁹, 5) effekterna av sjukdomen på postural tonen^7,10, Och 6) perceptuella trösklar för långsamma rotation¹¹.<br ><p class="jove_title"> 3. Detaljerad beskrivning av enhet</p><p class="jove_content"> Vi detaljer komponenterna i Twister nedan.</p><ol><li<strong> Roterande plattform</strong<br> Ämnen stå på en plattform som roterar ± 20 ° på ett lager runt den vertikala axeln (figurerna 1, 4A). En elmotor befogenheter denna rotation på en utväxling som uppnår plattform hastigheter mellan 0,5 ° / s och 5 ° / s och högt vridmoment. Twister roterar underkroppen i rymden, snarare än överkroppen för att eliminera vestibulära signaler som kan störa lugna hållning.</li><li> Ett bälte och remskiva system används för enhet minskning, som dämpar vibrationer och eliminerar lash som kan störa vridmoment. Vibrationer minimeras eftersom det kan kö ämnet om plattformen rörelse.</li><li> För säkerhets skull är svåra hållplatser används för att begränsa maximal plattform förskjutning.</li><li> En optisk givare (Hewlett-Packard HEDS-5540) fast till plattformen axeln rapporter roterande förskjutning för både servo-styrning och data-analys.<br /></li><li<strong> Ram</strong><br /> En stel, stålram (1.5mx 1.5mx 3m) med en diagonal över stag ger hög vridstyvhet mellan plattformen montering och vridmoment-sensor, som är nödvändiga för korrekt vridmoment.<br /></li><li<strong> Övre fixering och fjädringssystem</strong<br> Den övre fixering och lätt, uppvägs upphängningssystem ansluta den övre marginalen i den tvinnade regionen på ramen (Figur 4B). Ett vridmoment sensor (Futek TFF220, Irvine, CA) placeras inom den övre fixeringen åtgärder en persons motståndskraft mot rotation.</li><li> Upphängningssystemet består av fyra rektangulära aluminiumplåtar som är omväxlande med gångjärn längs den främre-bakre och mediolateral axlar. Detta skapar en hög styvhet för rotation runt den vertikala axeln (590 Nm / °) för att noggrant mäta vridmoment, utan att begränsa rörelsen i andra dimensioner. Framför allt ger den låga styvhet för översättning i X, Y och Z-riktning (0,25 N / cm) individer upprätthålla postural stabilitet sig själva och förhindrar den övre fixeringen från att ge en rumslig referens. Detta gör också att varje individ att behålla sina egna, unika vertikala hållning utan att påverka postural rörelse i horisontalplanet.</li><li> Springs agera för att motverka vikten av suspensionssystemet.</li><li> En vertikal lagerenheten (Fig 1, 4B) används för att justera den övre fixering till ämnet höjd.<br /></li><li<strong> Lägre fixering</strong<br> En lägre fixering ansluter den lägre marginalen i den tvinnade regionen att den roterande plattformen. Body segment under den nedre fixeringen roterar med plattformen.</li><li> Den lägre fixering består av en lätt teleskopisk bar som är ansluten till den roterande plattformen. Ett gångjärn ansluter teleskoprörelsecykeln baren till plattformen för att främre-bakre postural gungning.<br /></li><li<strong> Body Bilagor</strong<br> Tre bilagor används med Twister: en lätt hjälm, en axelrem och en bäckenet ortos, som kan var och fästas ordentligt i kroppen (Fig. 2).</li><li> Att vrida nacken, fästa hjälmen över och axlarna nedan.</li><li> Att vrida stammen fästa axlarna ovanför och bäckenet nedan</li><li> Att vrida höfterna fast bäckenet ovan. I detta fall är att vrida lokaliserad till interna och externa höftrotation som fötter, underben och lår rotera med plattformen.<br /></li><li<strong> Extern fixation</strong<br> En tredje, yttre fixering kan användas för att vrida en kropp regionen utan mäter vridmoment som produceras av en annan. Eftersom det senare segmentet står stilla, är det uppmätta momentet inte resistiv men härstammar från muskulösa krafter inom segmentet, eventuellt inducerade från avlägsna vrida sig.</li><li> Den yttre fixering består av en lätt teleskopisk bar som förhindrar den anslutna segmentet från att rotera runt den vertikala axeln. Ett gångjärn skarv mellan baren och ramen gör att främre-bakre postural gungning.</li><li> Fig. 4C visar konfigurationen för att mäta nacken moment under bålen vridning. Alternativt kan nacken vridmoment som svar på höften vrids bedömas genom att ansluta bäckenet till extern fixering.</li><li> En standard forceplate kan placeras mellan de ämnen fötterna och roterande plattform, för att samtidigt mäta resistiva vridmoment i vridna segmentet. Detta forceplate kan också användas för att kvantifiera postural gungning under vridning.<br /></li><li<strong> Servo-kontroll av plattform rotation</strong<br> En specialbyggd realtid servo-systemet kontrollerar plattform rotation. Denna hårdvara PID-regulator utgångarna en signal drivenhet bygger på en plattform ställning signal från den optiska pulsgivaren och den önskade rotationen (se bild 7). En anpassad dator gränssnitt med hårdvaran styrenheten för att ange önskad tidsmässiga profil plattform rotation och inleda en rättegång.</li><li> Regulatorn genererar tre profiler för plattformen rotation. Markera triangeln profilen att växla mellan konstant hastighet medurs och moturs rotation (bild 3, spår 1). Använd steget profil för att uppnå kontinuerliga rotationen (Fig. 3, spår 2). Rotation kan även köras med en triangel profil som ökar i amplitud i cykler (Fig. 3, spår 3).</li><li> För alla profiler är rotation jämnas att begränsa acceleration till 12 ° / s² Under rörelse initiering och riktningsändringar.</li></ol><p class="jove_title"> 4. Försöksprotokoll</p><p class="jove_content"> En typisk experimentell drivs enligt följande:</p><ol><li> Placera kroppen bilagor (dvs hjälm, axelremmar eller bäcken ortos) på önskat segment, så att de sitter ordentligt och det finns ingen rotationsspelet.</li><li> Justera höjden på den linjära lagret så att den övre fixering på samma höjd som motsvarande kroppen bilagan.</li><li> Justera nedre fixeringen med teleskopiskt bar motsvara höjden på underkroppen bilagan.</li><li> Instruera motivet att stå på den roterande plattformen, vänd framåt.</li><li> Fäst övre och undre upptagningar till motsvarande kroppen bilagor, positionering justeringar så noll vridmoment appliceras på ämnet i före rättegång position.</li><li> Blindfold ämnet.</li><li> Instruera motivet att stå avslappnad och inte ingripa.</li><li> Välj en förstärkare vinst för vridmomentet sensorn enligt vilken kroppen regionen är vriden, för att maximera det dynamiska omfånget av denna signal.</li><li> Återställ bias på vridmomentet sensorn.</li><li> Börja ytan svängningar i gir-och datainsamling. Vridmoment och plattform rotation signaler normalt redovisas till 50 Hz med Spike 2 förvärvet programvara (Cambridge elektroniska apparater, Cambridge, England).</li><li> Initiera vrida med den önskade plattformen rotation profil. I allmänhet rörelse bör vara långsam och smidigt nog så att patienter inte korrekt uppfattar vridning.</li></ol><p class="jove_title"> 5. Representativa resultat</p><p class="jove_content"> Resistiv vridmoment normalt ökar med plattformen utflykt, men ökningen avtar med större utflykt. Totalt motstånd vanligtvis kvantifieras topp-till-topp vridmoment i genomsnitt över cykler. Figur 5A visar enda rättegång svar över ämnen för vridstyvhet motstånd konstant hastighet ramp för stammen. Vi har sett uppgifter reproducerbara över månader inom ett ämne (Fig. 5B, interclass korrelationskoefficient = 0,89). Mean motstånd mot vridning skiljer mellan kropp segment och har rapporterats vara 0,54 ± 0,24 Nm till hals, 5,11 ± 1,94 Nm för stammen och 3,23 ± 1,67 Nm höfterna⁶ (Fig 6). Det är viktigt att plattformen rotation är smidig och det finns ingen piska. Avsaknad av lash indikeras av släta förändringar i vridmoment vid riktningsändringar och en snabb förändring i vridmoment vid starten, förmodligen på grund av kort räckvidd stelhet i muskeln (se figur 3A i Gurfinkel<em> Et al.</em⁶).</p><p class="jove_content"> Den uppmätta momentet beror både på den dynamiska förändringar i tonen med vridning, liksom fördelningen av baslinjen tonic aktivitet (som inkluderar co-kontraktion). På grund av den långsamma vridning, är ökningen av vridmomentet per examen som bedöms motsvara inneboende styvhet¹² Endast när muskelaktiviteten är konstant. Observera att eftersom aktiva strukturer bidrar till den uppmätta resistansen Twister tekniskt bedömer pseudostiffness.</p><p class="jove_content"> I allmänhet är två typer av reaktioner observeras som motsvarar konstant eller justeras tonic verksamhet inom vridna regionen. Den förra kännetecknas av låg cykel till cykel variationer i vridmoment, hög topp-till-topp vridmoment omfattning, och relativt konstant EMG. Däremot är dynamisk modulering kännetecknas av hög cykel till cykel variationer, lågt vrid-motstånd och EMG-modulering överensstämmer med vridning. På vinkel vs vridmoment tomter omodulerad ämnen uppvisar en regelbunden hysteres medan moduleras ämnen har ett oregelbundet mönster som kan vända riktning (se figur 3A i Gurfinkel<em> Et al.</em⁶ Dynamisk modulering består i allmänhet av allt tonic aktivitet under muskeln förkortas och sjunkande aktivitet under förlängning (dvs. Sherrington s förlängning och förkortning reaktioner¹³), Som är omvänt tecken sträckan reflex. En integrativa mått på omfattningen av modulering kan erhållas genom en övergång i ett ämne är neutralt (noll-moment) position i en cykel, kallad vridmoment fas förväg^6,8.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="Figure 1" ><strong> Figur 1.</strong> Schematisk bild av Twister från sidan. Komponenter är märkta enligt följande: 1) roterande plattform, 2) teleskopisk bar för lägre fixering, 3) gångjärn skarven mellan nedre teleskopisk bar och roterande plattform, 4) hjälm fäst övre fixering, 5) vridmoment-sensor och balanseras suspensionssystemet, 6) låsning vertikal linjär lager, 7) extern fixering för att mäta inducerad vridmoment, 8) gångjärn gemensamma analogt med 3, 9) fast ram, 10) diagonalt kors stärkande för fast ram.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="Figure 2" ><strong> Figur 2.</strong> Vrida tillämpas för axiella och proximal nivåer. Ämnen stå på en roterande plattform (gul) med övre och nedre kroppen bilagor anbringas att förmedla vrida till önskad kroppen regionen. Den övre infästning är ansluten via ett fjädringssystem (sicksacklinjer) till det moment som sensorn (T), som fastställs med hänsyn till rotation runt den vertikala axeln. Den lägre infästning ansluter till den roterande plattformen via ett gångjärn gemensamt (svart cirkel) som tillåter rotation i sagittalplanet av ämnet. A: Neck vrida uppnås genom att fästa en hjälm till det moment som sensorn och axlar till plattformen. B: Trunk vrida uppnås genom att fästa axlarna till den vridmoment sensorn och bäckenet till plattformen. C: Hip vrida uppnås genom att fästa bäckenet till moment sensorn.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="Figure 3" ><strong> Figur 3.</strong> Olika vrida profiler. Olika profiler kan användas för att studera specifika aspekter av tonic kontroll. Resultatet av den optiska pulsgivaren specificera plattformen rotation visas i Volt. Uppåt omläggning motsvarar moturs plattform rotation sett från ovan. 1) Triangel-profil: I detta fall den roterande hastigheten, max utflykt och antal cykler specificeras. Två cykler av 12 ° visas. 2) Icke kontinuerliga steg profil: Amplitud, hastighet och hålltid ett steg anges. Två cykler 12 ° rotationer, bestående av fyra, 3 ° grader steg visas. 3) Öka amplitud triangel vågor: två cykler av varje 3 °, 6 ° och 9 ° rotationer visas. I detta exempel graden av plattformen rotation är konstant för alla förhållanden.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="Figure 4" ><strong> Figur 4.</strong> Fotografi av Twister från sidan. S: Konfiguration för bålen vridning med komponenter märkta enligt följande: 1) roterande plattform, 2) motor och servo-styrning mötesfrihet, 3) gångjärn skarven mellan nedre teleskopisk bar och roterande plattform, 4) lägre fixering och bäckenet ortos, 5) övre fixering och axelremmar, 6) bar anslutning suspension till övre fixering, 7) vridmoment-sensor och balanseras suspensionssystemet, 8) extern fixering för att mäta inducerad vridmoment, 9) fast ram. B: Närbild av vridmoment sensor-och fjädringssystem märkt enligt följande: 1) vridmoment-sensor, 2-5) lätt gångjärn aluminiumplåtar. Gångjärnet mellan plattorna 2 och 3 roterar om främre-bakre axeln, medan gångjärnet mellan plattorna 4 och 5 är orienterade kring mediolateral axeln. 8) låsning vertikal linjär lager, 9) lätt hjälm och övre infästning. C: konfiguration för att vrida stammen utan att mäta vridande effekt på halsen. I denna konfiguration bäckenet är fixeratden roterande plattform (1) och axlarna är anslutna till extern fixering (2), som förhindrar att axlar, nacke och huvud att rotera måste begränsa vrida på stammen. Huvudet är också fäst vid den övre fixering (3) så att varje framkallad halsen vridmoment appliceras på moment sensorn.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="Figure 5" ><strong> Figur 5.</strong> Torsion motstånd stammen. A) Vridmoment spår från individuella prövningar i olika ämnen. Tre cykler av 10 °, 1 ° / s triangel vågor användes. Ämnen har konsekvent vridmoment beteende i cykler, med stor variation i motståndet mellan ämnen. Spår med högsta motståndet är typiska för omodulerad beteende, medan spår med minst motstånd är typiska för hög modulering. B) Inter-ämne repeterbarhet vridande motstånd över tid. Två mätningar från 7 ämnen åtskilda av en månad. Peak-till-topp stam vridmoment visar konsekvent inom individer beteende över testsessioner men bred variation mellan individer.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="Figure 6" ><strong> Figur 6.</strong> Bångstyrig vridmoment från olika axiella nivåer. Den resistiva vridmomentet till 10 °, 1 ° / s triangel vågor till hals, bål och nivåer höft. Enstaka försök från ett representativt ämne visas. Notera de olika storlek och timecorse olika nivåer.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="Figure 7" ><strong> Figur 7.</strong> Schematisk bild av servo-styrning. Reglerkretsen består av en PID (proportionell, integral, derivata) controller, som tar emot input från en optisk pulsgivare knutna till plattformen axeln. Regulatorn bestämmer nuvarande motordrift. Anpassad programvara som körs på en dator används för att välja önskad plattform bana, som sedan nedladdningar denna information till styrenheten.</p>

Discussion

Det är vår uppfattning att Twister kan användas upp många frågor i tonic kontroll. Hittills har Twister leda till 7 sådana publikationer ^6-11,14. Förmodligen den viktigaste funktionen av Twister är att det ger en integrerad, kinetisk mått på tonen. Detta moment mått på tonen inte tillhandahålls av kinematiska, omvänt dynamik eller elektromyografi strategier och är nödvändigt för att svara på många frågor om ton. Dessutom är Twister unik i huvudsak inte störa naturliga antigravity eller postural beteende, och ger en tonic, snarare än en phasic störning.

En potentiell användning av twister är kvantifiering av toniska effekterna av sjukdomen på postural ton. Medan den inre och reflex styvhet har väl studerat för många neurologiska och muskuloskeletala förhållanden med snabba störningar, inte den kvantitativa effekten av många sjukdomar på postural tonen väl karakteriserade. I synnerhet kan Twister vara used att kvantifiera effekterna av sjukdomar som stelhet ^7,10,14, hypotoni, dystoni och rygg-och nackvärk på omfattningen, distribution och symmetrin i postural tonen längs kroppen axeln. Den kan också användas för att mäta axiell kinesthesis, t.ex., uppfattningen av kroppens rotation baserat på muskel proprioceptorer och ¹¹ perceptuomotor symmetri, t ex; representation av rakt fram vid axiell vridning ^14. Slutligen kan Twister användas för att studera effekten av intervention på dessa åtgärder för axiell postural tonen ^8.

Vi uppskattar att kostnaden för att anställa en ingenjörsfirma att fabricera Twister är ungefär $ 30.000 USA. Den här enheten kan sannolikt att tillverkas i egen regi för en bråkdel av denna kostnad, eftersom priset på råvaror är låg, men betydande tillverkning krävs. Under hela dess användning har Twister utvecklats betydligt och fortsätter att göra det. Det finns många grundläggande frågor som kan behandlas med Twister. Vi hoppas att dennaRapporten kommer att hjälpa andra utredare bygga Vrida enheter eller på annat sätt stimulera forskning om denna grundläggande men som förstås dåligt område.

Materials