Eksperimentelle metoder til at studere menneskelig postural kontrol
Summary
Denne artikel præsenterer en eksperimentel/analytisk ramme for at studere menneskelig postural kontrol. Protokollen indeholder trinvise procedurer for udførelse af stående eksperimenter, måling af krops kinematik og kinetik signaler og analyse af resultaterne for at give indsigt i de mekanismer, som underliggende menneskelig postural kontrol.
Abstract
Mange komponenter i nervesystemet og bevægeapparatet handler i forening for at opnå den stabile, opretstående menneskelige kropsholdning. Kontrollerede eksperimenter ledsaget af passende matematiske metoder er nødvendige for at forstå den rolle, de forskellige sub-systemer, der er involveret i menneskelig postural kontrol. Denne artikel beskriver en protokol til udførelse af rystet stående eksperimenter, erhvervelse af eksperimentelle data, og udføre den efterfølgende matematiske analyse, med henblik på at forstå rollen af bevægeapparatet og central kontrol i human opretstående stilling. De resultater, der genereres af disse metoder er vigtige, fordi de giver indsigt i den sunde balance kontrol, danner grundlag for at forstå etiologien af forringet balance hos patienter og ældre, og støtte i udformningen af interventioner til at forbedre postural kontrol og stabilitet. Disse metoder kan bruges til at undersøge rollen af somatosensorisk system, iboende stivhed af ankelleddet, og visuelle system i postural kontrol, og kan også udvides til at undersøge rollen som vestibulære system. Metoderne skal anvendes i tilfælde af en ankel strategi, hvor kroppen bevæger sig primært om ankelleddet og betragtes som en enkelt-link inverteret pendul.
Introduction
Menneskelig postural kontrol er realiseret gennem komplekse interaktioner mellem centralnervesystemet og bevægeapparatet1. Den menneskelige krop i stående er i sagens natur ustabil, underlagt en række interne (f. eks, respiration, hjerteslag) og eksterne (f. eks. tyngdekraften) forstyrrelser. Stabiliteten opnås af en distribueret controller med centrale, refleks og iboende komponenter (figur 1).
Postural kontrol opnås ved: en aktiv controller, medieret af centralnervesystemet (CNS) og rygmarven, som ændrer muskel aktivering; og en indbygget stivhed controller, der modstår fælles bevægelse uden ændring i muskel aktivering (figur 1). Den centrale controller bruger sensoriske oplysninger til at generere faldende kommandoer, der producerer korrigerende muskel kræfter til at stabilisere kroppen. Sensoriske oplysninger er transduceret af de visuelle, vestibulære og somatosensoriske systemer. Specifikt, det somatosensoriske system genererer oplysninger om støtte overflade og fælles vinkler; vision giver oplysninger om miljøet; og den vestibulære system genererer oplysninger om hovedvinkel hastighed, lineær acceleration, og orientering med hensyn til tyngdekraften. Den centrale, lukkede loop controller opererer med lange forsinkelser, der kan være destabiliserende2. Det andet element i den aktive controller er refleks stivhed, som genererer muskel aktivitet med kort ventetid og producerer momenter modstå fælles bevægelse.
Der er en ventetid forbundet med begge komponenter i aktiv controller; Derfor spiller fælles iboende stivhed, som virker uden forsinkelse, en vigtig rolle i postural Control3. Iboende stivhed genereres af passive Visco-elastiske egenskaber af kontraherende muskler, blødt væv og inerti egenskaber af lemmer, som genererer resistive drejningsmomenter øjeblikkeligt som reaktion på enhver fælles bevægelse4. Rollen af ledstivhed (iboende og refleks stivhed) i postural kontrol er ikke klart forstået, da det ændrer sig med driftsbetingelser, defineret ved muskel aktivering4,5,6 og fælles holdning 4 , 7 , 8, som begge ændrer sig med kroppen Sway, iboende til at stå.
Det er vigtigt at identificere den centrale dataansvarliges roller og den fælles stivhed i postural kontrol, da den danner grundlag for: diagnosticering af etiologien for balance svækkelser; udformningen af målrettede interventioner for patienter vurdering af risikoen for fald udvikling af strategier til forebyggelse af fald i ældre; og design af hjælpemidler såsom ortotika og proteser. Men det er svært, fordi de forskellige sub-systemer handle sammen, og kun den samlede resulterende krop kinematik, fælles drejningsmomenter, og muskelelektromyografi kan måles.
Det er derfor vigtigt at udvikle eksperimentelle og analytiske metoder, der anvender målbare postural variabler til at evaluere hvert enkelt delsystem bidrag. En teknisk vanskelighed er, at målingen af postural variabler sker i lukkede kredsløb. Som følge heraf er input og output (årsag og virkning) indbyrdes forbundne. Derfor er det nødvendigt at: a) anvende eksterne forstyrrelser (som input) for at fremkalde postural reaktioner i respons (som output), og b) ansætte specialiserede matematiske metoder til at identificere systemmodeller og adskille årsag og virkning9.
Den nuværende artikel fokuserer på postural kontrol, når en ankel strategi anvendes, det er, når bevægelserne opstår primært om ankelleddet. I denne tilstand, overkrop og nedre lemmer bevæge sig sammen, derfor kan kroppen være modelleret som en enkelt-link inverteret pendul i sagittale plane10. Ankel strategien anvendes, når støtte overfladen er fast, og forstyrrelser er små1,11.
Et stående apparat, der kan anvende passende mekaniske (proprioceptive) og visuelle sensoriske forstyrrelser og registrere kroppens kinematik, kinetik og muskel aktivitet, er blevet udviklet i vores laboratorium12. Enheden giver det eksperimentelle miljø, der er nødvendigt for at studere rollen som ankel stivhed, centrale kontrolmekanismer og deres interaktioner ved at generere postural respons ved hjælp af visuelle eller/og somatosensoriske stimuli. Det er også muligt at udvide enheden til at studere rollen som vestibulære system ved anvendelse af direkte elektrisk stimulation til processus processer, der kan generere en fornemmelse af hoved hastighed og Evoke postural svar12,13 .
Andre har også udviklet lignende anordninger til at studere menneskelig postural kontrol, hvor lineære piezo elektriske aktuatorer11, roterende elektriske motorer14,15og lineære elektriske motorer16,17 , 18 blev brugt til at anvende mekaniske forstyrrelser til ankel i stående. Mere komplekse enheder også er blevet udviklet til at studere multi-segment postural kontrol, hvor det er muligt at anvende flere perturbationer til ankel og hofte samlinger samtidigt19,20.
Stående apparatur
To servostyrede elektrohydrauliske roterende aktuatorer flytter to pedaler for at anvende kontrollerede perturbationer af ankel positionen. Aktuatorerne kan generere store drejningsmomenter (> 500 nm), der er nødvendige for postural kontrol; Dette er især vigtigt i tilfælde som Forward lean, hvor kroppens centrum af massen er langt (anterior) fra ankel aksen af rotation, hvilket resulterer i store værdier af ankel moment for postural kontrol.
Hver dreje aktuator styres af en separat proportional servoventil, der bruger pedal positions tilbagemeldinger, målt ved et højtydende potentiometer på aktuatorakslen (tabel over materialer). Controlleren implementeres ved hjælp af et MATLAB-baseret xPC real-time, Digital Signal Processing system. Aktuatoren/servo-ventilen sammen har en båndbredde på mere end 40 Hz, meget større end båndbredde af det samlede postural kontrolsystem, ankel ledstivhed og den centrale controller21.
Virtual Reality-enhed og-miljø
En Virtual Reality (VR) headset (tabel over materialer) bruges til at forstyrrer visionen. Headsettet indeholder en LCD-skærm (dual AMOLED 3,6 ‘ ‘ skærm med en opløsning på 1080 x 1200 pixels pr. øje), som giver brugeren en stereoskopisk visning af de medier, der sendes til enheden, og som tilbyder tredimensionel dybdeopfattelse. Opdateringshastigheden er 90 Hz, tilstrækkelig til at give en solid virtuel fornemmelse for brugerne22. Synsfeltet af skærmen er 110 °, nok til at generere visuelle perturbationer svarende til virkelige verden situationer.
Headsettet sporer rotation af brugerens hoved og ændrer den virtuelle visning i overensstemmelse hermed, således at brugeren er fuldt nedsænket i det virtuelle miljø; Derfor kan det give den normale visuelle feedback; og det kan også forstyrrer vision ved at rotere det visuelle felt i sagittale plan.
Kinetiske målinger
Lodret reaktionskraft måles ved hjælp af fire belastningsceller, klemt mellem to plader under foden (tabel over materialer). Anklen drejningsmoment måles direkte ved drejningsmoment transducere med en kapacitet på 565 nm og en torsionsstivhed på 104 kNm/rad; Det kan også måles indirekte fra de lodrette kræfter transduceret af belastningscellerne, ved hjælp af deres afstande til ankel akse rotation23, forudsat at horisontale kræfter, der anvendes til fødderne i stående er små2,24. Center of Pressure (COP) måles i sagittale plan ved at dividere anklen drejningsmoment med den samlede lodrette kraft, målt ved belastningscellerne23.
Kinematiske målinger
Fodvinklen er den samme som pedal vinklen, for når der anvendes en ankel strategi, bevæger motivet sig med pedalen. Skaft vinkel med hensyn til lodret opnås indirekte fra den lineære forskydning af skaftet, målt ved en laser Range finder (tabel over materialer) med en opløsning på 50 μm og båndbredde på 750 Hz25. Ankel vinkel er summen af foden og skaft vinkler. Krops vinkel med hensyn til lodret opnås indirekte fra den lineære forskydning af midterpunktet mellem venstre og højre posterior superior bækkenbens-spines (Psis), målt ved hjælp af en laser Range finder (tabel over materialer) med en opløsning på 100 μm og båndbredde på 750 Hz23. Hovedposition og rotation måles i forhold til det globale koordinatsystem i VR-miljøet af VR-systemets basisstationer, der udsender tidsindstillede infrarøde (IR) impulser ved 60 impulser pr. sekund, der afhentes af headsettets infrarøde sensorer med sub-millimeter Præcision.
Data indsamling
Alle signaler filtreres med et anti-aliasing filter med en hjørne frekvens på 486,3 og derefter afprøvet ved 1000 Hz med højtydende 24-bit/8-kanals, samtidig-prøvetagning, dynamisk signal erhvervelse kort (tabel over materialer) med en dynamisk rækkevidde på 20 V.
Sikkerhedsmekanismer
Seks sikkerhedsmekanismer er blevet indarbejdet i det stående apparat for at forhindre skader på forsøgspersonerne; pedalerne styres separat og griber aldrig ind i hinanden. (1) aktuatorakslen har et cam, som mekanisk aktiverer en ventil, der afbryder det hydrauliske tryk, hvis aksel rotationen overskrider ± 20 ° fra dens horisontale position. (2) to justerbare mekaniske stop begrænser bevægelsesområdet for aktuatoren; disse er sat til hvert emne bevægelsesområde forud for hvert eksperiment. (3) både emne og eksperimententer hold en panik knap; Tryk på knappen afbryder den hydrauliske effekt fra Aktuatorerne og får dem til at blive løse, så de kan flyttes manuelt. (4) gelændere placeret på hver side af motivet er tilgængelige til at yde støtte i tilfælde af ustabilitet. (5) emnet bærer en fuld krop sele (tabel over materialer), fastgjort til stive tværstænger i loftet til at støtte dem i tilfælde af et fald. Selen er slæk og forstyrrer ikke normale stående, medmindre motivet bliver ustabil, hvor selen forhindrer motivet i at falde. I tilfælde af fald vil pedal bevægelserne blive stoppet manuelt enten af motivet, ved hjælp af panikknappen eller ved eksperimententer. (6) servoventiler standser rotationen af Aktuatorerne ved hjælp af fejlsikre mekanismer i tilfælde af afbrydelse af elforsyningen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere trin er afgørende for at udføre disse eksperimenter til at studere menneskelig postural kontrol. Disse trin er forbundet med den korrekte måling af signalerne og omfatter: 1) korrekt justering af skaft ankel aksen rotation til pedalerne, for korrekt måling af ankel drejningsmomenter. 2) korrekt opsætning af rækken findere for at sikre, at de arbejder i deres sortiment og ikke er mættet under forsøgene. 3) måling af EMG med god kvalitet og minimal Crosstalk. 4) anvendelse af passende forstyrrelser, som væk…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne artikel blev muliggjort af NPRP Grant #6-463-2-189 fra Qatar National Research og MOP Grant #81280 fra de canadiske institutter for sundhedsforskning.
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 |
Referências
- Horak, F. B. Postural orientation and equilibrium: what do we need to know about neural control of balance to prevent falls?. Age and Ageing. 35, 7-11 (2006).
- Morasso, P. G., Schieppati, M. Can muscle stiffness alone stabilize upright standing?. Journal of Neurophysiology. 82 (3), 1622-1626 (1999).
- Kearney, R. E., Hunter, I. W. System identification of human joint dynamics. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 18 (1), 55-87 (1990).
- Mirbagheri, M. M., Barbeau, H., Kearney, R. E. Intrinsic and reflex contributions to human ankle stiffness: variation with activation level and position. Experimental Brain Research. 135 (4), 423-436 (2000).
- Weiss, P. L., Hunter, I. W., Kearney, R. E. Human ankle joint stiffness over the full range of muscle activation levels. Journal of Biomechanics. 21 (7), 539-544 (1988).
- Golkar, M. A., Sobhani Tehrani, E., Kearney, R. E. Linear Parameter Varying Identification of Dynamic Joint Stiffness during Time-Varying Voluntary Contractions. Frontiers in Computational Neuroscience. 11, 35 (2017).
- Weiss, P. L., Kearney, R. E., Hunter, I. W. Position dependence of ankle joint dynamics–I. Passive mechanics. Journal of Biomechanics. 19 (9), 727-735 (1986).
- Weiss, P. L., Kearney, R. E., Hunter, I. W. Position dependence of ankle joint dynamics–II. Active mechanics. Journal of Biomechanics. 19 (9), 737-751 (1986).
- Engelhart, D., Boonstra, T. A., Aarts, R. G. K. M., Schouten, A. C., van der Kooij, H. Comparison of closed-loop system identification techniques to quantify multi-joint human balance control. Annual Reviews in Control. 41, 58-70 (2016).
- Kiemel, T., Elahi, A. J., Jeka, J. J. Identification of the plant for upright stance in humans: multiple movement patterns from a single neural strategy. Journal of Neurophysiology. 100 (6), 3394-3406 (2008).
- Loram, I. D., Lakie, M. Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing: the intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability. Journal of Physiology-London. 545 (3), 1041-1053 (2002).
- Fitzpatrick, R., Burke, D., Gandevia, S. C. Loop gain of reflexes controlling human standing measured with the use of postural and vestibular disturbances. Journal of Neurophysiology. 76 (6), 3994-4008 (1996).
- Dakin, C. J., Son, G. M. L., Inglis, J. T., Blouin, J. S. Frequency response of human vestibular reflexes characterized by stochastic stimuli. The Journal of Physiology. 583 (3), 1117-1127 (2007).
- Vlutters, M., Boonstra, T. A., Schouten, A. C., vander Kooij, H. Direct measurement of the intrinsic ankle stiffness during standing. Journal of Biomechanics. 48 (7), 1258-1263 (2015).
- Casadio, M., Morasso, P. G., Sanguineti, V. Direct measurement of ankle stiffness during quiet standing: implications for control modelling and clinical application. Gait and Posture. 21 (4), 410-424 (2005).
- Sakanaka, T. E. . Causes of Variation in Intrinsic Ankle Stiffness and the Consequences for Standing. , (2017).
- Sakanaka, T. E., Lakie, M., Reynolds, R. F. Sway-dependent changes in standing ankle stiffness caused by muscle thixotropy. Journal of Physiology. 594 (3), 781-793 (2016).
- Peterka, R. J., Murchison, C. F., Parrington, L., Fino, P. C., King, L. A. Implementation of a Central Sensorimotor Integration Test for Characterization of Human Balance Control During Stance. Frontiers in Neurology. 9, 1045 (2018).
- Engelhart, D., Schouten, A. C., Aarts, R. G., van der Kooij, H. Assessment of Multi-Joint Coordination and Adaptation in Standing Balance: A Novel Device and System Identification Technique. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 23 (6), 973-982 (2015).
- Boonstra, T. A., Schouten, A. C., van der Kooij, H. Identification of the contribution of the ankle and hip joints to multi-segmental balance control. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 10, 23 (2013).
- Forster, S. M., Wagner, R., Kearney, R. E. A bilateral electro-hydraulic actuator system to measure dynamic ankle joint stiffness during upright human stance. Proceedings of the 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2003).
- Davis, J., Hsieh, Y. -. H., Lee, H. -. C. Humans perceive flicker artifacts at 500 Hz. Scientific Reports. 5, 7861 (2015).
- Amiri, P., Kearney, R. E. Ankle intrinsic stiffness changes with postural sway. Journal of Biomechanics. 85, 50-58 (2019).
- van der Kooij, H., van Asseldonk, E., van der Helm, F. C. Comparison of different methods to identify and quantify balance control. Journal of Neuroscience Methods. 145 (1-2), 175-203 (2005).
- Amiri, P., MacLean, L. J., Kearney, R. E. Measurement of shank angle during stance using laser range finders. International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology. , (2016).
- Jalaleddini, K., Tehrani, E. S., Kearney, R. E. A Subspace Approach to the Structural Decomposition and Identification of Ankle Joint Dynamic Stiffness. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 64 (6), 1357-1368 (2017).
- Amiri, P., Kearney, R. E. A Closed-loop Method to Identify EMG-Ankle Torque Dynamic Relation in Human Balance Control. Conference Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2019).
- Sobhani Tehrani, E., Jalaleddini, K., Kearney, R. E. Ankle Joint Intrinsic Dynamics is More Complex than a Mass-Spring-Damper Model. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 25 (9), 1568-1580 (2017).
- Peterka, R. J. Sensorimotor integration in human postural control. Journal of Neurophysiology. 88 (3), 1097-1118 (2002).
- Amiri, P., Kearney, R. E. Ankle intrinsic stiffness is modulated by postural sway. Conference Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2017).
- Jeka, J. J., Allison, L. K., Kiemel, T. The dynamics of visual reweighting in healthy and fall-prone older adults. Journal of Motor Behavior. 42 (4), 197-208 (2010).
- Jilk, D. J., Safavynia, S. A., Ting, L. H. Contribution of vision to postural behaviors during continuous support-surface translations. Experimental Brain Research. 232 (1), 169-180 (2014).
- Winter, D. A., Patla, A. E., Prince, F., Ishac, M., Gielo-Perczak, K. Stiffness control of balance in quiet standing. Journal of Neurophysiology. 80 (3), 1211-1221 (1998).
- Pasma, J. H., Boonstra, T. A., van Kordelaar, J., Spyropoulou, V. V., Schouten, A. C. A Sensitivity Analysis of an Inverted Pendulum Balance Control Model. Frontiers in Computational Neuroscience. 11, 99 (2017).
- Pasma, J. H., et al. Changes in sensory reweighting of proprioceptive information during standing balance with age and disease. Journal of Neurophysiology. 114 (6), 3220-3233 (2015).
- Pasma, J. H., et al. Impaired standing balance: The clinical need for closing the loop. Neurociência. , 157-165 (2014).
- Engelhart, D., et al. Impaired Standing Balance in Elderly: A New Engineering Method Helps to Unravel Causes and Effects. Journal of the American Medical Directors Association. 15 (3), (2014).
- Pasma, J. H., Boonstra, T. A., Campfens, S. F., Schouten, A. C., Van der Kooij, H. Sensory reweighting of proprioceptive information of the left and right leg during human balance control. Journal of Neurophysiology. 108 (4), 1138-1148 (2012).
- Goodworth, A. D., Peterka, R. J. Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans. Journal of Neurophysiology. 107 (1), 12-28 (2012).
- Kiemel, T., Zhang, Y., Jeka, J. J. Identification of neural feedback for upright stance in humans: stabilization rather than sway minimization. Journal of Neuroscience. 31 (42), 15144-15153 (2011).
- van der Kooij, H., van Asseldonk, E. H. F., Geelen, J., van Vugt, J. P. P., Bloem, B. R. Detecting asymmetries in balance control with system identification: first experimental results from Parkinson patients. Journal of Neural Transmission. 114 (10), 1333 (2007).
- Fujisawa, N., et al. Human standing posture control system depending on adopted strategies. Medical and Biological Engineering and Computing. 43 (1), 107-114 (2005).
- Johansson, R., Magnusson, M., Fransson, P. A., Karlberg, M. Multi-stimulus multi-response posturography. Mathematical Biosciences. 174 (1), 41-59 (2001).
- Jeka, J., Oie, K., Schöner, G., Dijkstra, T., Henson, E. Position and Velocity Coupling of Postural Sway to Somatosensory Drive. Journal of Neurophysiology. 79 (4), 1661-1674 (1998).
- Peterka, R. J., Benolken, M. S. Role of somatosensory and vestibular cues in attenuating visually induced human postural sway. Experimental Brain Research. 105 (1), 101-110 (1995).
- Maki, B. E., Fernie, G. R. A system identification approach to balance testing. Progress in Brain Research. 76, 297-306 (1988).
- Johansson, R., Magnusson, M., Akesson, M. Identification of human postural dynamics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 35 (10), 858-869 (1988).
- Maki, B. E., Holliday, P. J., Fernie, G. R. A Posture Control Model and Balance Test for the Prediction of Relative Postural Stability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. BME-34. 10 (10), 797-810 (1987).
- Werness, S. A., Anderson, D. J. Parametric analysis of dynamic postural responses. Biological Cybernetics. 51 (3), 155-168 (1984).
- Hwang, S., Agada, P., Kiemel, T., Jeka, J. J. Identification of the Unstable Human Postural Control System. Frontiers in Systems Neuroscience. 10, 22 (2016).
- Ishida, A., Imai, S., Fukuoka, Y. Analysis of the posture control system under fixed and sway-referenced support conditions. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 44 (5), 331-336 (1997).
- Ishida, A., Miyazaki, S. Maximum likelihood identification of a posture control system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 34 (1), 1-5 (1987).
- Ljung, L. . System Identification: Theory for the User. , (1986).
- Forssell, U., Ljung, L. Closed-loop identification revisited. Automatica. 35 (7), 1215-1241 (1999).
- Horak, F. B., Nashner, L. M. Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations. Journal of Neurophysiology. 55 (6), 1369-1381 (1986).
