Eksperimentelle metoder for å studere Human postural Control

Summary

Denne artikkelen presenterer en eksperimentell/analytisk rammeverk for å studere menneskelig postural kontroll. Protokollen gir steg-for-trinn prosedyrer for å utføre stående eksperimenter, måle kroppens kinematikk og Kinetics signaler, og analysere resultatene for å gi innsikt i mekanismene underliggende menneskelig postural kontroll.

Abstract

Mange komponenter i nervesystemet og muskel-systemer handle i konserten for å oppnå den stabile, oppreist menneskelig holdning. Kontrollerte eksperimenter ledsaget av egnede matematiske metoder er nødvendig for å forstå rollen til de ulike undersystemene som er involvert i menneskelig postural kontroll. Denne artikkelen beskriver en protokoll for å utføre perturbed stående eksperimenter, anskaffe eksperimentelle data, og utføre den påfølgende matematiske analysen, med sikte på å forstå rollen til muskel-og sentral kontroll i menneskelig oppreist stilling. Resultatene generert av disse metodene er viktige, fordi de gir innsikt i sunn balanse kontroll, danner grunnlaget for å forstå etiologi av svekket balanse hos pasienter og eldre, og bistand i utformingen av intervensjoner for å forbedre postural kontroll og stabilitet. Disse metodene kan brukes til å studere rollen til somatosensory system, iboende stivhet av ankelleddet, og visuelle system i postural kontroll, og kan også utvides til å undersøke rollen til Vestibular system. Metodene skal brukes i tilfelle av en ankel strategi, der kroppen beveger seg primært om ankelen felles og regnes som en enkelt-link invertert pendel.

Introduction

Human postural kontroll er realisert gjennom komplekse interaksjoner mellom sentralnervesystemet og muskel-systemer¹. Menneskekroppen i stående er iboende ustabil, gjenstand for en rekke interne (f. eks åndedrett, hjerterytme) og eksterne (f. eks tyngdekraften) forstyrrelser. Stabiliteten oppnås ved en distribuert kontroller med sentrale, refleks og innebygde komponenter (figur 1).

Postural kontroll oppnås ved: en aktiv kontroller, formidlet av det sentrale nervesystemet (CNS) og ryggmargen, som endrer muskel aktivering; og en iboende stivhet kontroller som motstår felles bevegelse uten endring i muskel aktivering (figur 1). Den sentrale kontrolleren bruker sensorisk informasjon til å generere synkende kommandoer som produserer korrigerende muskel krefter for å stabilisere kroppen. Sensorisk informasjon er transduced av de visuelle, Vestibular, og somatosensory systemer. Spesielt somatosensory systemet genererer informasjon om støtte overflaten og felles vinkler; visjon gir informasjon om miljøet; og Vestibular systemet genererer informasjon om hodet kantete hastighet, lineær akselerasjon, og orientering med hensyn til tyngdekraften. Den sentrale, lukket-loop-kontrolleren opererer med lange forsinkelser som kan være destabiliserende². Det andre elementet i den aktive kontrolleren er refleks stivhet, som genererer muskelaktivitet med kort ventetid og produserer momenter motstå felles bevegelse.

Det er en ventetid knyttet til begge komponentene i aktiv kontroller. Følgelig spiller felles indre stivhet, som fungerer uten forsinkelse, en viktig rolle i postural kontroll³. Indre stivhet er generert av passive Visco-elastiske egenskaper av kontraherende muskler, bløtvev og treghet egenskaper av lemmer, som genererer motstandsdyktige momenter umiddelbart som svar på noen felles bevegelse⁴. Rollen til felles stivhet (indre og refleks stivhet) i postural kontroll er ikke klart forstått, siden det endres med driftsforhold, definert av muskel aktivisering^4,5,6 og felles posisjon ⁴ andre priser ^{, 7} andre er ^{, 8}, som begge endres med kroppen Sway, iboende til å stå.

Å identifisere rollene til den sentrale kontrolleren og leddstivhet i postural kontroll er viktig, da det gir grunnlag for: diagnostisering av etiologi av balanse nedskrivninger; utformingen av målrettede intervensjoner for pasienter; vurdering av risikoen for fall; utvikling av strategier for fallsikring hos eldre; og utformingen av hjelpemidler enheter som Orthotics og proteser. Det er imidlertid vanskelig, fordi de ulike sub-systemer handle sammen og bare den generelle resulterende kroppen kinematikk, felles momenter, og muskel Elektromyografi kan måles.

Derfor er det viktig å utvikle eksperimentelle og analytiske metoder som bruker målbare postural variabler for å evaluere hvert delsystem bidrag. Et teknisk problem er at målingen av postural variabler gjøres i lukket sløyfe. Som et resultat, innganger og utganger (årsak og virkning) er beslektede. Følgelig er det nødvendig å: a) bruke eksterne forstyrrelser (som innganger) for å fremkalle postural reaksjoner i respons (som utganger), og b) ansette spesialiserte matematiske metoder for å identifisere system modeller og greie årsak og virkning⁹.

Den nåværende artikkelen fokuserer på postural kontroll når en ankel strategi brukes, det vil si når bevegelsene oppstår først og fremst om ankelen leddet. I denne tilstanden, overkroppen og bena bevege seg sammen, følgelig, kan kroppen være modellert som en enkelt-link invertert pendel i sagittal fly¹⁰. Ankelen strategien brukes når støtten overflaten er fast og forstyrrelser er små^1,11.

Et stående apparat i stand til å anvende egnede mekaniske (Proprioceptive) og visuelle sanse forstyrrelser og opptak av kroppens kinematikk, Kinetics og muskel aktiviteter har blitt utviklet i vårt laboratorium¹². Enheten gir den eksperimentelle miljøet som trengs for å studere rollen som ankel stivhet, sentrale kontrollmekanismer, og deres interaksjon ved å generere postural svar ved hjelp av visuelle eller/og somatosensory stimuli. Det er også mulig å forlenge enheten for å studere rollen til Vestibular systemet ved anvendelse av direkte elektrisk stimulering til mastoid prosesser, som kan generere en følelse av hode hastighet og fremkalle postural responser¹²,¹³ .

Andre har også utviklet lignende enheter for å studere menneskelig postural kontroll, der lineær piezo elektriske^{aktuatorer 11}, roterende elektriske^{motorer 14,15}og lineære elektriske motorer^{16,17 , 18} ble brukt til å påføre mekanisk forstyrrelser til ankelen i stående. Mer komplekse enheter har også blitt utviklet for å studere multi-segmentet postural kontroll, der det er mulig å bruke flere forstyrrelser til ankel og hofteledd samtidig^19,20.

Stående apparater

To servo-kontrollerte elektrohydrauliske roterende aktuatorer flytte to pedaler for å bruke kontrollerte forstyrrelser av ankelen posisjon. Aktuatorer kan generere store momenter (> 500 NM) som trengs for postural kontroll; Dette er spesielt viktig i tilfeller som fremover mager, der kroppens sentrum av massen er langt (fremre) fra ankelen aksen rotasjon, noe som resulterer i store verdier av ankelen dreiemoment for postural kontroll.

Hver roterende aktuator styres av en separat proporsjonal servo ventil, ved hjelp av pedal posisjons feedback, målt ved en høyytelses potensiometer på aktuatoren akselen (tabell av materialer). Kontrolleren er implementert ved hjelp av en MATLAB-basert xPC sanntid, digital signalbehandling system. Den aktuator/servo-ventil sammen har en båndbredde på mer enn 40 Hz, mye større enn båndbredde av den samlede postural kontrollsystem, ankelleddet stivhet, og den sentrale kontrolleren²¹.

Enhet og miljø for virtuell virkelighet

En virtuell virkelighet (VR) headset (tabell av materialer) brukes til å forurolige visjonen. Headsettet inneholder en LCD-skjerm (dual AMOLED 3,6 ‘ ‘ skjerm med en oppløsning på 1080 x 1200 piksler per øye) som gir brukeren en stereoskopisk visning av mediene som sendes til enheten, og tilbyr tredimensjonal dybde persepsjon. Oppdateringsfrekvensen er 90 Hz, tilstrekkelig til å gi en solid virtuell sans for brukerne²². Synsfeltet på skjermen er 110 °, nok til å generere visuelle forstyrrelser ligner på virkelige verden situasjoner.

Headsettet sporer rotasjonen av brukerens hode og endrer den virtuelle visningen tilsvarende slik at brukeren er fullstendig nedsenket i det virtuelle miljøet; Derfor kan det gi normal visuell tilbakemelding; og det kan også forurolige synet ved å rotere det visuelle feltet i sagittal plan.

Kinetic målinger

Vertikal reaksjonsstyrke måles med fire veieceller, klemt mellom to plater under foten (tabell over materialer). Ankel dreiemoment måles direkte av dreiemoment transdusere med en kapasitet på 565 NM og en vridningsstivhet på 104 kNm/rad; Det kan også måles indirekte fra de vertikale kreftene transduced av lastcellene, ved hjelp av deres avstander til ankelen aksen av rotasjon²³, forutsatt at horisontale krefter påføres føttene i stående er små^2,24. Center of Pressure (COP) måles i sagittal planet ved å dele ankelen dreiemoment av den totale vertikale kraft, målt ved lastcellene²³.

Kinematisk målinger

Fot vinkelen er den samme som pedal vinkelen, fordi når en ankel strategi brukes, beveger motivet foten med pedalen. Skaft vinkel med hensyn til den vertikale oppnås indirekte fra den lineære forskyvning av skaftet, målt ved en laseravstandsmåler (tabell av materialer) med en oppløsning på 50 μm og båndbredde på 750 Hz²⁵. Ankel vinkelen er summen av fot-og skaft vinklene. Body vinkel med hensyn til den vertikale oppnås indirekte fra den lineære forskyvning av midtpunktet mellom venstre og høyre bakre overlegne iliaca pigger (SIPS), målt ved hjelp av en laseravstandsmåler (tabell av materialer) med en oppløsning på 100 μm og båndbredde på 750 Hz²³. Head posisjon og rotasjon måles med hensyn til det globale koordinatsystemet i VR-miljøet av VR-systemets basestasjoner som avgir tidsbestemt infrarød (IR) pulser på 60 pulser per sekund som er plukket opp av hodesettet IR sensorer med sub-millimeter Presisjon.

Data innsamling

Alle signaler filtreres med et anti-aliasing filter med en hjørne frekvens på 486,3 og deretter samplet ved 1000 Hz med høy ytelse 24-bit/8-kanals, samtidig prøvetaking, dynamisk signal oppkjøp kort (tabell av materialer) med en dynamisk rekkevidde på 20 V.

Sikkerhetsmekanismer

Seks sikkerhetsmekanismer er innlemmet i det stående apparatet for å forebygge skader på personer; pedalene styres separat og aldri forstyrrer hverandre. (1) aktuatoren har et Cam, som mekanisk aktiverer en ventil som kobler fra hydraulisk trykk hvis aksel rotasjonen overstiger ± 20 ° fra den horisontale posisjonen. (2) to justerbare mekaniske stopper begrense omfanget av bevegelse av aktuatoren; disse er satt til hvert emne bevegelsesutslag før hvert eksperiment. (3) både motivet og eksperimentator holder en panikk-knapp; trykke på knappen kobler hydraulisk strøm fra aktuatorer og får dem til å løsne, slik at de kan flyttes manuelt. (4) rekkverk som ligger på hver side av motivet er tilgjengelig for å gi støtte i tilfelle ustabilitet. (5) faget bærer en full body sele (tabell over materialer), festet til stive sprosser i taket for å støtte dem i tilfelle av et fall. Selen er slakk og forstyrrer ikke normal stilling, med mindre motivet blir ustabilt, der selen hindrer motivet i å falle. Når det gjelder fall, vil pedal bevegelsene stoppes manuelt av motivet ved hjelp av panikk-knappen eller eksperimentator. (6) servo-ventilene stanser rotasjonen av aktuatorer ved bruk av feilsikre mekanismer ved avbrudd i strømforsyningen.

Protocol

Alle eksperimentelle metoder har blitt godkjent av McGill University Research etikk Board og undertegne informert samtykke før de deltar. 1. eksperimenter Merk: hvert eksperiment omfatter følgende trinn. Forhåndstest Forbered et klart omriss av alle prøvelser som skal utføres, og lag en sjekkliste for datainnsamling. Gi emnet med et samtykke skjema med all nødvendig informasjon, be dem om å lese den grundig, svare på eventuelle s…

Representative Results

Pseudo tilfeldig trefoldig sekvens (PRTER) og TrapZ signaler Figur 2a viser en PRTer signal, som genereres ved å integrere en pseudo tilfeldig hastighet profil. For hver prøvetid kan signal hastigheten være lik null, eller erverve en forhåndsdefinert positiv eller negativ verdi <img alt="Equation 77" src="…

Discussion

Flere trinn er avgjørende for å utføre disse eksperimentene for å studere menneskelig postural kontroll. Disse trinnene er knyttet til riktig måling av signalene og inkluderer: 1) riktig justering av skaftet ankelen aksen av rotasjon til at av pedalene, for riktig måling av ankelen momenter. 2) riktig oppsett av området Finders for å sikre at de fungerer i deres rekkevidde og er ikke mettet under eksperimentene. 3) måling av EMG med god kvalitet og minimal crosstalk. 4) anvendelse av egnede forstyrrelser, som fr…

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