인간의 자세 제어를 연구하는 실험 방법
Summary
이 문서는 인간의 자세 제어를 연구하는 실험 / 분석 프레임 워크를 제공합니다. 이 프로토콜은 서 있는 실험을 수행하고, 신체 운동학 및 역학 신호를 측정하고, 결과를 분석하여 인간의 자세 제어의 기본 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하기 위한 단계별 절차를 제공합니다.
Abstract
신경 및 근골격계의 많은 구성 요소는 안정적이고 똑바로 인간의 자세를 달성하기 위해 함께 작동합니다. 적절한 수학적 방법을 동반 한 제어 실험은 인간의 자세 제어에 관련된 다른 하위 시스템의 역할을 이해하는 데 필요합니다. 이 문서에서는 인간에서 근골격계 및 중앙 제어의 역할을 이해하기 위한 목적으로 교란된 스탠딩 실험을 수행하고, 실험 데이터를 수집하며, 후속 수학적 분석을 수행하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 똑바로 서 있습니다. 이러한 방법에 의해 생성 된 결과는 건강한 균형 제어에 대한 통찰력을 제공하고, 환자와 노인의 균형 장애의 병인을 이해하기위한 기초를 형성하고, 개선을위한 중재 설계를 돕기 때문에 중요합니다. 자세 제어 및 안정성. 이러한 방법은 체감각 시스템의 역할을 연구하는 데 사용할 수 있습니다, 발목 관절의 본질적인 강성, 자세 제어의 시각 시스템, 또한 전정 시스템의 역할을 조사하기 위해 확장 될 수있다. 방법은 몸이 주로 발목 관절에 대해 이동하고 단일 링크 반전 진자로 간주됩니다 발목 전략의 경우에 사용되어야한다.
Introduction
인간의 자세 조절은 중추 신경과 근골격계 사이의 복잡한 상호 작용을 통해 실현된다1. 서있는 인체는 본질적으로 불안정하며 다양한 내부 (예 : 호흡, 심장 박동) 및 외부 (예 : 중력) 교동에 따라 달라질 수 있습니다. 안정성은 중앙, 반사 및 내장 구성 요소가 있는 분산 컨트롤러에 의해 달성됩니다(그림1).
자세 제어에 의해 달성된다 : 활성 컨트롤러, 중추 신경계에 의해 중재 (CNS) 척수, 이는 근육 활성화를 변경; 근육 활성화의 변화없이 관절 의 움직임에 저항하는 본질적인 강성 컨트롤러(그림 1). 중앙 컨트롤러는 감각 정보를 사용하여 신체를 안정시키는 교정 근육 힘을 생성하는 내림차순 명령을 생성합니다. 감각 정보는 시각, 전정 및 체감각 시스템에 의해 변환됩니다. 구체적으로, 체감각 시스템은 지지면 및 조인트 각도에 관한 정보를 생성한다; 비전은 환경에 관한 정보를 제공합니다. 전정 시스템은 중력에 대한 머리 각도 속도, 선형 가속도 및 방향에 관한 정보를 생성합니다. 중앙 의 폐쇄 루프 컨트롤러는 2. 액티브 컨트롤러의 두 번째 요소는 짧은 대기 시간으로 근육 활동을 생성하고 관절 운동에 저항하는 토크를 생성하는 반사 강성입니다.
활성 컨트롤러의 두 구성 요소와 관련된 대기 시간이 있습니다. 따라서 지체 없이 작용하는 관절 내재 강성은 자세 제어3에서중요한 역할을 합니다. 본질적인 강성은 수축 근육, 연조직 및 사지의 관성 특성의 수동 점성 특성에 의해 생성되며, 이는 어떤 관절 운동에 반응하여 즉각적으로 저항 토크를 생성합니다4. 자세 조절에서 관절 강성 (본질및 반사 강성)의 역할은 근육 활성화4,5,6및 관절 위치에 의해 정의 된 작동 조건에 따라 변경되기 때문에 명확하게 이해되지 않습니다. 4개 , 7명 , 8,둘 다 몸이 흔들리면서 변화하며, 서있는 것이 내재되어 있습니다.
자세 제어에서 중앙 제어기의 역할과 관절 강성의 역할을 식별하는 것이 중요합니다. 환자를위한 표적 개입의 설계; 낙하 의 위험평가; 노인의 가을 예방을위한 전략의 개발; 및 정형 외과 및 보철과 같은 보조 장치의 디자인. 그러나, 서로 다른 서브 시스템이 함께 작용하기 때문에 전체적인 신체 운동학, 관절 토크 및 근육 근전도만 측정할 수 있기 때문에 어렵다.
따라서 측정 가능한 자세 변수를 사용하여 각 하위 시스템의 기여도를 평가하는 실험 및 분석 방법을 개발하는 것이 필수적입니다. 기술적 인 어려움은 자세 변수의 측정이 폐쇄 루프에서 수행된다는 것입니다. 결과적으로 입력 및 출력(원인 및 효과)이 서로 관련됩니다. 따라서, a) 응답(출력으로)에서 자세 반응을 불러일으키기 위해 외부 섭동(입력으로)을 적용하고, b) 시스템 모델및 디센지글 원인 및 효과를 식별하기 위해 특수 수학적 방법을사용한다.
본 기사는 발목 전략이 사용될 때, 즉 발목 관절에 대해 주로 움직임이 발생할 때 자세 제어에 중점을 둡니다. 이러한 조건에서상체와 하반신은 함께 움직이며, 따라서, 신체는시상면(10)에서단일 링크 역진자로 모델링될 수 있다. 발목 전략은 지지면이 단단하고 섭동이작을때1,11에사용됩니다.
적절한 기계적(proprioceptive) 및 시각적 감각 적 교란을 적용하고 신체 운동학, 운동학 및 근육 활동을 기록할 수 있는 스탠딩 장치가 당사 의 실험실12에서개발되었다. 이 장치는 시각 또는 체감각 자극을 사용하여 자세 반응을 생성하여 발목 강성, 중앙 제어 메커니즘 및 상호 작용의 역할을 연구하는 데 필요한 실험 환경을 제공합니다. 또한 유양봉 공정에 직접 전기 자극을 적용하여 전정 시스템의 역할을 연구하는 장치를 확장할 수 있으며, 이는 머리 속도의 감각을 생성하고 자세 반응을 불러일으킬 수 있는12,13 .
다른 사람은 또한 선형 압전 전기 액추에이터11,회전 전기 모터14,15,선형 전기 모터16,17 인간 자세 제어를 연구하기 위해 유사한 장치를 개발했습니다. , 18은 서있는 발목에 기계적 교란을 적용하는 데 사용되었다. 더 복잡한 장치는 또한 동시에 발목과 엉덩이 관절에 여러 섭동을 적용 할 수있는 다중 세그먼트 자세 제어를 연구하기 위해 개발되었다19,20.
스탠딩 장치
두 개의 서보 제어 식 전기 유압 회전 액추에이터는 두 개의 페달을 이동하여 발목 위치의 제어된 섭동을 적용합니다. 액추에이터는 자세 제어에 필요한 큰 토크(>500 Nm)를 생성할 수 있습니다. 이것은 신체의 질량 중심이 발목 회전 축에서 멀리 (앞쪽)인 전방 린 (forward Lean)과 같은 경우에 특히 중요하며, 자세 제어를위한 발목 토크의 큰 값을 초래합니다.
각 회전 액추에이터는 액추에이터샤프트(재료 표)의고성능 전위도계로 측정된 페달 위치 피드백을 사용하여 별도의 비례 서보 밸브로 제어됩니다. 컨트롤러는 MATLAB 기반의 xPC 실시간 디지털 신호 처리 시스템을 사용하여 구현됩니다. 액추에이터/서보 밸브는 40Hz 이상의 대역폭을 가지며, 전체 자세 제어 시스템, 발목 관절 강성 및 중앙제어기(21)의대역폭보다 훨씬 큽니까.
가상 현실 장치 및 환경
가상 현실 (VR) 헤드셋(재료의 표)는비전을 교란하는 데 사용됩니다. 헤드셋에는 LCD 화면(눈당 1080 x 1200픽셀 해상도의 듀얼 AMOLED 3.6′ 화면)이 포함되어 있어 사용자에게 장치에 전송된 미디어의 입체적인 뷰를 제공하여 3차원 깊이 의 지각을 제공합니다. 새로 고침 빈도는 90 Hz이며, 사용자에게 견고한 가상 감각을 제공하기에충분합니다(22). 화면의 시야는 110°이므로 실제 상황과 유사한 시각적 섭동을 생성할 수 있습니다.
헤드셋은 사용자의 머리 의 회전을 추적하고 사용자가 가상 환경에 완전히 몰입되도록 그에 따라 가상 보기를 변경합니다. 따라서 일반적인 시각적 피드백을 제공할 수 있습니다. 또한 시상평면에서 시야를 회전시킴으로써 시야를 교란시킬 수 있습니다.
운동 측정
수직 반력은 발 아래 두 개의 플레이트 사이에 끼어 있는 4개의 로드 셀에 의해 측정됩니다(재료표). 발목 토크는 565 Nm의 용량과 104 kNm / rad의 비틀림 강성을 가진 토크 트랜스듀서에 의해 직접 측정됩니다. 또한 로드 셀에 의해 변환되는 수직 힘으로부터 간접적으로 측정될 수 있으며, 그들의 거리를 이용하여회전(23)의발목 축까지, 서있는 발에 가해지는 수평힘이작다고가정하면2,24. 압력 중심(COP)은 발목 토크를 총 수직힘으로 나누어 시상평면에서 측정하고, 로드셀(23)에의해 측정된다.
운동학 측정
발목 전략을 사용할 때 피사체의 발이 페달과 함께 움직이기 때문에 발 각도는 페달 각도와 동일합니다. 수직에 대하여 생크 각도는 생크의 선형 변위로부터 간접적으로 수득되며, 50 μm의 해상도와 750Hz25의대역폭을 가진 레이저 범위 파인더(표의 재료표)에 의해 측정된다. 발목 각도는 발과 생크 각도의 합계입니다. 수직에 대하여 본체 각도는 좌우 후방 사이의 중간점의 선형 변위로부터 간접적으로 얻어지며, 레이저 범위 파인더(표)를 이용하여측정된 우수한 장골 등뼈(PSIS)의 해상도를 100 μm 및 750 Hz23의대역폭 . 헤드 위치 및 회전은 초당 60펄스의 시간 적외선(IR) 펄스를 방출하는 VR 시스템 기지국에 의해 VR 환경의 글로벌 좌표계에 대해 측정되며, 이는 밀리미터 이하의 헤드셋 IR 센서에 의해 포착됩니다. 정밀도.
데이터 수집
모든 신호는 코너 주파수가 486.3인 안티 앨리어싱 필터로 필터링된 다음 1000Hz에서 샘플링하여 고성능 24비트/8채널, 동시 샘플링, 동적 신호 수집카드(재료 표)를제공합니다. 20 V의 범위.
안전 메커니즘
6 개의 안전 메커니즘은 과목에 부상을 방지하기 위해 서 있는 장치에 통합되었습니다. 페달은 별도로 제어되며 서로 간섭하지 않습니다. (1) 액추에이터 샤프트에는 샤프트 회전이 수평 위치에서 ± 20 °를 초과하면 유압을 분리하는 밸브를 기계적으로 활성화하는 캠이 있습니다. (2) 두 개의 조정 가능한 기계적 정지는 액추에이터의 운동 범위를 제한; 각 실험 전에 각 피사체의 동작 범위로 설정됩니다. (3) 피실험자와 실험자 모두 패닉 버튼을 누르고; 버튼을 누르면 액추에이터에서 유압 전원이 분리되어 느슨해져 수동으로 이동할 수 있습니다. (4) 피사체의 양쪽에 위치한 난간은 불안정한 경우 지원을 제공할 수 있습니다. (5) 피사체는 전신 하네스(재료 표)를 착용하고,천장의단단한 크로스바에 부착되어 낙상 시 이를 지지합니다. 하네스는 느슨하고 피사체가 불안정해지지 않는 한 정상적인 서있는 것을 방해하지 않으며, 하네스가 피사체가 떨어지는 것을 방지합니다. 추락의 경우, 페달 움직임은 패닉 버튼을 사용하거나 실험자가 피사체에 의해 수동으로 정지됩니다. (6) 서보 밸브는 전기 공급이 중단된 경우 페일 세이프 메커니즘을 사용하여 액추에이터의 회전을 중지합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
몇몇 단계는 인간 자세 통제를 공부하기 위하여 이 실험을 능력을 발휘하기에서 중요합니다. 이러한 단계는 신호의 올바른 측정과 관련이 있으며 다음을 포함합니다: 1) 발목 토크의 정확한 측정을 위해 1) 페달의 회전에 대한 생크 발목 축의 올바른 정렬. 2) 범위 파인더가 범위에서 작동하고 실험 중에 포화되지 않도록 레인지 파인더를 올바르게 설정합니다. 3) 좋은 품질과 최소한의 크로스 토크?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 문서는 NPRP 교부금 #6-463-2-189 카타르 국립 연구 및 MOP 교부금 #81280 캐나다 보건 연구소에서 가능하게 되었다.
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 |
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