Experimentelle Methoden zur Erforschung der menschlichen Posturalkontrolle
Summary
Dieser Artikel stellt einen experimentellen/analytischen Rahmen zur Untersuchung der menschlichen Haltungskontrolle vor. Das Protokoll bietet Schritt-für-Schritt-Verfahren für die Durchführung von Standexperimenten, die Messung von Körperkinematik und Kinetiksignale und die Analyse der Ergebnisse, um Einblicke in die Mechanismen zu geben, die der menschlichen Haltungskontrolle zugrunde liegen.
Abstract
Viele Komponenten des Nerven- und Bewegungsapparates wirken gemeinsam, um eine stabile, aufrechte menschliche Haltung zu erreichen. Kontrollierte Experimente, begleitet von geeigneten mathematischen Methoden, sind erforderlich, um die Rolle der verschiedenen Subsysteme zu verstehen, die an der menschlichen Haltungskontrolle beteiligt sind. Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll für die Durchführung von gestörten stehenden Experimenten, die Erfassung experimenteller Daten und die Durchführung der nachfolgenden mathematischen Analyse mit dem Ziel, die Rolle des Bewegungsapparates und der zentralen Kontrolle im Menschlichen zu verstehen. aufrechte Haltung. Die Ergebnisse dieser Methoden sind wichtig, weil sie Einblicke in die gesunde Gleichgewichtskontrolle geben, die Grundlage für das Verständnis der Ätiologie des gestörten Gleichgewichts bei Patienten und älteren Menschen bilden und bei der Gestaltung von Interventionen zur Verbesserung der Haltungskontrolle und Stabilität. Diese Methoden können verwendet werden, um die Rolle des somatosensorischen Systems, der intrinsischen Steifigkeit des Sprunggelenks und des visuellen Systems bei der Haltungskontrolle zu untersuchen, und können auch erweitert werden, um die Rolle des vestibulären Systems zu untersuchen. Die Methoden sind im Falle einer Knöchelstrategie anzuwenden, bei der sich der Körper in erster Linie um das Sprunggelenk bewegt und als invertiertes Pendel mit nur einem Glied gilt.
Introduction
Die menschliche Haltungskontrolle wird durch komplexe Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Nervensystem und dem Bewegungsapparat1realisiert. Der menschliche Körper im Stehen ist von Natur aus instabil, unterliegt einer Vielzahl von inneren (z.B. Atmung, Herzschlag) und äußeren (z.B. Schwerkraft) Störungen. Stabilität wird durch einen verteilten Regler mit zentralen, reflexiven und intrinsischen Komponenten erreicht (Abbildung 1).
Die Haltungskontrolle wird erreicht durch: einen aktiven Controller, der durch das Zentralnervensystem (ZNS) und das Rückenmark vermittelt wird, was die Muskelaktivierung verändert; und ein intrinsischer Steifigkeitsregler, der Gelenkbewegungen ohne Änderung der Muskelaktivierung widersteht (Abbildung 1). Der zentrale Controller verwendet sensorische Informationen, um absteigende Befehle zu erzeugen, die korrigierende Muskelkräfte erzeugen, um den Körper zu stabilisieren. Sensorische Informationen werden durch die visuellen, vestibulären und somatosensorischen Systeme transduziert. Insbesondere erzeugt das somatosensorische System Informationen über die Stützfläche und gelenkswinkel; Vision liefert Informationen über die Umwelt; und das vestibuläre System erzeugt Informationen über die Kopfwinkelgeschwindigkeit, die lineare Beschleunigung und die Ausrichtung in Bezug auf die Schwerkraft. Der zentrale, geschlossene Controller arbeitet mit langen Verzögerungen, die destabilisierend sein können2. Das zweite Element des aktiven Reglers ist die Reflexsteifigkeit, die bei kurzer Latenz Muskelaktivität erzeugt und Drehmomente erzeugt, die der Gelenkbewegung widerstehen.
Es ist eine Latenz mit beiden Komponenten des aktiven Controllers verbunden. folglich spielt die Gelenksteifigkeit, die ohne Verzögerung wirkt, eine wichtige Rolle bei der Haltungskontrolle3. Die intrinsische Steifigkeit wird durch passive viskoelastische Eigenschaften von kontrahierenden Muskeln, Weichteilen und Trägheitseigenschaften der Gliedmaßen erzeugt, die widerstandsive Drehmomente sofort als Reaktion auf jede Gelenkbewegung erzeugt4. Die Rolle der Gelenksteifigkeit (intrinsische und Reflexsteifigkeit) bei der Haltungskontrolle ist nicht klar zu verstehen, da sie sich mit Denkbedingungen ändert, definiert durch Muskelaktivierung4,5,6 und Gelenkposition 4 , 7 , 8, die sich beide mit dem Körper schwanken, dem Stehen inhärent.
Die Identifizierung der Rollen des zentralen Reglers und der Gelenksteifigkeit bei der Haltungskontrolle ist wichtig, da sie die Grundlage für die Diagnose der Ätiologie von Gleichgewichtsbeeinträchtigungen bildet; die Gestaltung gezielter Interventionen für Patienten; Bewertung des Sturzrisikos; Entwicklung von Strategien zur Sturzprävention bei älteren Menschen; und das Design von Hilfsgeräten wie Orthesen und Prothesen. Es ist jedoch schwierig, da die verschiedenen Subsysteme zusammen wirken und nur die gesamte resultierende Körperkinematik, Gelenkdrehmomente und Muskelelektromyographie gemessen werden können.
Daher ist es wichtig, experimentelle und analytische Methoden zu entwickeln, die die messbaren Haltungsvariablen verwenden, um den Beitrag jedes Subsystems zu bewerten. Eine technische Schwierigkeit besteht darin, dass die Messung von Haltungsvariablen im geschlossenen Kreislauf erfolgt. Infolgedessen sind die Ein- und Ausgänge (Ursache und Wirkung) miteinander verknüpft. Folglich ist es notwendig, a) externe Störungen (als Eingänge) anzuwenden, um Haltungsreaktionen in Antworten (als Ausgänge) hervorzurufen, und b) spezialisierte mathematische Methoden anzuwenden, um Systemmodelle zu identifizieren und Ursache und Wirkung zu entwirren9.
Der vorliegende Artikel konzentriert sich auf die Haltungskontrolle, wenn eine Knöchelstrategie verwendet wird, d.h. wenn die Bewegungen in erster Linie über das Sprunggelenk auftreten. In diesem Zustand bewegen sich Oberkörper und untere Gliedmaßen zusammen, so dass der Körper als invertiertes Einzelglied pendel in sagittaler Ebene10modelliert werden kann. Die Knöchelstrategie wird verwendet, wenn die Stützfläche fest ist und die Störungen klein sind1,11.
In unserem Labor12wurde ein stehendes Gerät entwickelt, das in der Lage ist, geeignete mechanische (propriozeptive) und visuelle sensorische Störungen anzuwenden und die Körperkinematik, Kinetik und Muskelaktivitäten aufzuzeichnen. Das Gerät bietet die experimentelle Umgebung, die benötigt wird, um die Rolle der Knöchelsteifigkeit, zentrale Kontrollmechanismen und ihre Wechselwirkungen zu untersuchen, indem posturale Reaktionen mit visuellen oder/und somatosensorischen Reizen erzeugt werden. Es ist auch möglich, das Gerät zu erweitern, um die Rolle des vestibulären Systems durch die Anwendung der direkten elektrischen Stimulation auf die Mastoid-Prozesse zu untersuchen, die ein Gefühl der Kopfgeschwindigkeit erzeugen und haltungsreaktionen evozieren können12,13 .
Andere haben auch ähnliche Geräte entwickelt, um menschliche Haltungssteuerung zu studieren, wo lineare Piezo elektrische Aktuatoren11, rotierende Elektromotoren14,15und lineare elektrische Motoren16,17 , 18 wurden verwendet, um mechanische Störungen auf knöchelim Stehen anzuwenden. Komplexere Geräte wurden auch entwickelt, um Multi-Segment-Haltungskontrolle zu studieren, wo es möglich ist, mehrere Störungen auf Knöchel- und Hüftgelenke gleichzeitig anzuwenden19,20.
Stehgerät
Zwei servogesteuerte elektrohydraulische Drehantriebe bewegen zwei Pedale, um kontrollierte Störungen der Knöchelposition anzuwenden. Die Aktuatoren können große Drehmomente (>500 Nm) erzeugen, die für die Haltungssteuerung benötigt werden; dies ist besonders wichtig in Fällen wie vorwärts schlank, wo das Körperzentrum der Masse ist weit (vorder) von Knöchel-Achse der Rotation, was zu großen Werten des Knöcheldrehmoments für die Haltungskontrolle.
Jeder Drehantrieb wird über ein separates proportionales Servoventil gesteuert, das pedalpositionsrückmeldungn, gemessen durch ein Hochleistungspotentiometer an der Aktorwelle (Materialtabelle). Der Controller wird über ein MATLAB-basiertes xPC-Echtzeit-Digitalsignalverarbeitungssystem implementiert. Der Aktuator/Servoventil zusammen haben eine Bandbreite von mehr als 40 Hz, viel größer als die Bandbreite des gesamten Haltungskontrollsystems, Knöchelgelenksteifigkeit und der Zentralsteuerung21.
Virtual-Reality-Gerät und -Umgebung
Ein Virtual-Reality-Headset (VR)(Tabelle der Materialien) wird verwendet, um die Vision zu stören. Das Headset enthält einen LCD-Bildschirm (dualAMOLED 3.6” Bildschirm mit einer Auflösung von 1080 x 1200 Pixel pro Auge), der dem Benutzer eine stereoskopische Ansicht der an das Gerät gesendeten Medien bietet und eine dreidimensionale Tiefenwahrnehmung bietet. Die Bildwiederholrate beträgt 90 Hz, ausreichend, um den Benutzern einen soliden virtuellen Sinn zu bieten22. Das Sichtfeld des Bildschirms ist 110°, genug, um visuelle Störungen ähnlich wie reale Situationen zu erzeugen.
Das Headset verfolgt die Drehung des Kopfes des Benutzers und ändert die virtuelle Ansicht entsprechend, sodass der Benutzer vollständig in die virtuelle Umgebung eingetaucht ist. daher kann es das normale visuelle Feedback liefern; und es kann auch das Sehen stören, indem es das Gesichtsfeld in der sagittalen Ebene dreht.
Kinetische Messungen
Die vertikale Reaktionskraft wird durch vier Wägezellen gemessen, die zwischen zwei Platten unter dem Fuß eingeklemmt sind (Materialtabelle). Das Knöcheldrehmoment wird direkt an Drehmomentwandlern mit einer Leistung von 565 Nm und einer Torsionssteifigkeit von 104 kNm/rad gemessen; es kann auch indirekt von den vertikalen Kräften gemessen werden, die von den Wägezellen transduziert werden, unter Verwendung ihrer Abstände zur Knöchelachse der Rotation23, vorausgesetzt, dass die horizontalen Kräfte, die auf die Füße im Stehen angewendet werden, klein sind2,24. Der Druckmittelpunkt (COP) wird in der sagittalen Ebene gemessen, indem das Knöcheldrehmoment durch die gesamte vertikale Kraft dividiert wird, gemessen von den Wägezellen23.
Kinematische Messungen
Der Fußwinkel ist derselbe wie der Pedalwinkel, denn wenn eine Knöchelstrategie verwendet wird, bewegt sich der Fuß des Motivs mit dem Pedal. Der Schaftwinkel in Bezug auf die Vertikale wird indirekt aus der linearen Verschiebung des Schafts, gemessen durch einen Laser-Entfernungsmesser (Materialtabelle) mit einer Auflösung von 50 m und einer Bandbreite von 750 Hz25erhalten. Knöchelwinkel ist die Summe des Fuß- und Schaftwinkels. Der Körperwinkel in Bezug auf die vertikale wird indirekt aus der linearen Verschiebung des Mittelpunkts zwischen der linken und rechten hinteren iliac Stachel (PSIS) erhalten, gemessen mit einem Laser-Entfernungsmesser (Tabelle der Materialien) mit einer Auflösung von 100 m und Bandbreite von 750 Hz23. Kopfposition und Drehung werden in Bezug auf das globale Koordinatensystem der VR-Umgebung von den VR-System-Basisstationen gemessen, die zeitgesteuerte Infrarotimpulse (IR) mit 60 Impulsen pro Sekunde aussenden, die vom Headset-IR-Sensoren mit Submillimeter aufgenommen werden. genauigkeit.
Datenerfassung
Alle Signale werden mit einem Anti-Aliasing-Filter mit einer Eckfrequenz von 486,3 gefiltert und dann bei 1000 Hz mit leistungsstarkem 24-Bit/8-Kanal, simultaner Probenahme, dynamischer Signalerfassungskarten (Tabelle der Materialien) mit einer dynamischen Reichweite von 20 V.
Sicherheitsmechanismen
Sechs Sicherheitsmechanismen wurden in das stehende Gerät eingebaut, um Verletzungen von Personen zu verhindern; die Pedale werden separat gesteuert und stören sich nie gegenseitig. (1) Die Aktuatorwelle verfügt über eine Nocke, die mechanisch ein Ventil aktiviert, das den hydraulischen Druck abschaltet, wenn die Wellendrehung 20° von ihrer horizontalen Position überschreitet. (2) Zwei einstellbare mechanische Stopps begrenzen den Bewegungsbereich des Aktuators; diese werden vor jedem Experiment auf den Bewegungsumfang jedes Subjekts festgelegt. (3) Sowohl das Subjekt als auch der Experimentator halten einen Panikknopf; Durch Drücken der Taste wird die hydraulische Leistung von den Aktuatoren getrennt und sie lösen, so dass sie manuell bewegt werden können. (4) Handläufe auf beiden Seiten des Themas stehen zur Verfügung, um im Falle einer Instabilität Unterstützung zu leisten. (5) Der Betreff trägt einen Ganzkörpergurt(Materialtabelle), der an starren Querträgern in der Decke befestigt ist, um sie im Falle eines Sturzes zu stützen. Der Gurt ist schwach und stört nicht das normale Stehen, es sei denn, das Subjekt wird instabil, wo der Gurt verhindert, dass das Subjekt fällt. Im Falle des Sturzes werden die Pedalbewegungen manuell entweder vom Motiv, mit dem Panikknopf oder vom Experimentator gestoppt. (6) Die Servoventile stoppen die Drehung der Aktuatoren mit ausfallsicheren Mechanismen bei Unterbrechung der Stromversorgung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mehrere Schritte sind entscheidend bei der Durchführung dieser Experimente, um die menschliche Haltungskontrolle zu untersuchen. Diese Schritte sind mit der korrekten Messung der Signale verbunden und umfassen: 1) Korrekte Ausrichtung der Schaftknöchel-Drehungsachse an der der Pedale, für die korrekte Messung der Knöchelmomente. 2) Korrekte Einrichtung der Entfernungsmesser, um sicherzustellen, dass sie in ihrem Bereich arbeiten und während der Experimente nicht gesättigt sind. 3) Messung von EMG mit guter Qualitä…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieser Artikel wurde durch NPRP-Stipendium #6-463-2-189 von der Qatar National Research und MOP Grant #81280 von den Canadian Institutes of Health Research ermöglicht.
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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