Métodos experimentales para estudiar el control postural humano

Summary

Este artículo presenta un marco experimental/analítico para estudiar el control postural humano. El protocolo proporciona procedimientos paso a paso para realizar experimentos de pie, medir la cinemática corporal y las señales cinéticas, y analizar los resultados para proporcionar información sobre los mecanismos subyacentes al control postural humano.

Abstract

Muchos componentes de los sistemas nervioso y musculoesquelético actúan en conjunto para lograr la postura humana estable y erguida. Se necesitan experimentos controlados acompañados de métodos matemáticos adecuados para entender el papel de los diferentes subsistemas involucrados en el control postural humano. Este artículo describe un protocolo para realizar experimentos de pie perturbados, adquirir datos experimentales y llevar a cabo el análisis matemático posterior, con el objetivo de comprender el papel del sistema musculoesquelético y el control central en el postura erguida. Los resultados generados por estos métodos son importantes, ya que proporcionan información sobre el control del equilibrio saludable, constituyen la base para la comprensión de la etiología del equilibrio deteriorado en pacientes y ancianos, y ayudan en el diseño de intervenciones para mejorar control postural y estabilidad. Estos métodos se pueden utilizar para estudiar el papel del sistema somatosensorial, la rigidez intrínseca de la articulación del tobillo y el sistema visual en el control postural, y también pueden extenderse para investigar el papel del sistema vestibular. Los métodos se deben utilizar en el caso de una estrategia de tobillo, donde el cuerpo se mueve principalmente sobre la articulación del tobillo y se considera un péndulo invertido de un solo enlace.

Introduction

El control postural humano se realiza a través de complejas interacciones entre los sistemas nervioso central y musculoesquelético¹. El cuerpo humano en pie es inherentemente inestable, sujeto a una variedad de perturbaciones internas (por ejemplo, respiración, latidos del corazón) y externas (por ejemplo, gravedad). La estabilidad se logra mediante un controlador distribuido con componentes centrales, reflejos e intrínsecos(Figura 1).

El control postural se logra mediante: un controlador activo, mediado por el sistema nervioso central (SNC) y la médula espinal, que cambia la activación muscular; y un controlador de rigidez intrínseca que resiste el movimiento articular sin cambios en la activación muscular(Figura 1). El controlador central utiliza información sensorial para generar comandos descendentes que producen fuerzas musculares correctivas para estabilizar el cuerpo. La información sensorial es transducida por los sistemas visual, vestibular y somatosensorial. Específicamente, el sistema somatosensorial genera información sobre la superficie de soporte y los ángulos de las articulaciones; visión proporciona información sobre el medio ambiente; y el sistema vestibular genera información sobre la velocidad angular de la cabeza, la aceleración lineal y la orientación con respecto a la gravedad. El controlador central de bucle cerrado funciona con largos retrasos que pueden estar desestabilizando². El segundo elemento del controlador activo es la rigidez del reflejo, que genera actividad muscular con latencia corta y produce pares que resisten el movimiento de las articulaciones.

Hay una latencia asociada con ambos componentes del controlador activo; consecuentemente, la rigidez intrínseca conjunta, que actúa sin demora, desempeña un papel importante en el control postural³. La rigidez intrínseca se genera por las propiedades pasivas viscoelásticas de los músculos contraunidos, los tejidos blandos y las propiedades inerciales de las extremidades, lo que genera pares resistivos instantáneamente en respuesta a cualquier movimiento articular⁴. No se entiende claramente el papel de la rigidez articular (rigidez intrínseca y refleja) en el control postural, ya que cambia con las condiciones de funcionamiento, definidas por la activación muscular^4,5,6 y la posición articular ^{4 , 7 , 8}, los cuales cambian con el cuerpo se balancean, inherentes a estar de pie.

La identificación de las funciones del controlador central y la rigidez articular en el control postural es importante, ya que proporciona la base para: el diagnóstico de la etiología de las deficiencias del equilibrio; el diseño de intervenciones específicas para los pacientes; evaluación del riesgo de caídas; el desarrollo de estrategias para la prevención de caídas en las personas mayores; y el diseño de dispositivos de asistencia como la ortesis y las prótesis. Sin embargo, es difícil, porque los diferentes subsistemas actúan juntos y sólo se puede medir la cinemática corporal resultante general, los pares de torsión articular y la electromiografía muscular.

Por lo tanto, es esencial desarrollar métodos experimentales y analíticos que utilicen las variables posturales medibles para evaluar la contribución de cada subsistema. Una dificultad técnica es que la medición de las variables posturales se realiza en bucle cerrado. Como resultado, las entradas y salidas (causa y efecto) están interrelacionadas. En consecuencia, es necesario: a) aplicar perturbaciones externas (como insumos) para evocar reacciones posturales en las respuestas (como salidas), y b) emplear métodos matemáticos especializados para identificar modelos de sistema y desenredar causa y efecto⁹.

El presente artículo se centra en el control postural cuando se utiliza una estrategia de tobillo, es decir, cuando los movimientos ocurren principalmente sobre la articulación del tobillo. En esta condición, la parte superior del cuerpo y las extremidades inferiores se mueven juntas, por lo tanto, el cuerpo se puede modelar como un péndulo invertido de un solo enlace en el plano sagital¹⁰. La estrategia del tobillo se utiliza cuando la superficie de soporte es firme y las perturbaciones son pequeñas^1,11.

En nuestro laboratorio¹²se ha desarrollado un aparato de pie capaz de aplicar perturbaciones sensoriales mecánicas (proprioceptivas) y visuales adecuadas y registrar la cinemática corporal, la cinética y las actividades musculares. El dispositivo proporciona el entorno experimental necesario para estudiar el papel de la rigidez del tobillo, los mecanismos de control central y sus interacciones mediante la generación de respuestas posturales utilizando estímulos visuales o/y somatosensoriales. También es posible extender el dispositivo para estudiar el papel del sistema vestibular mediante la aplicación de estimulación eléctrica directa a los procesos mastoideos, que puede generar una sensación de velocidad de la cabeza y evocar respuestas posturales^12,13 .

Otros también han desarrollado dispositivos similares para estudiar el control postural humano, donde los actuadores eléctricos piezoeléctricos lineales^11,los motores eléctricos rotativos^14,15y los motores eléctricos lineales^{16,17 , 18} se utilizaron para aplicar perturbaciones mecánicas en el tobillo de pie. También se han desarrollado dispositivos más complejos para estudiar el control postural multisegmento, donde es posible aplicar múltiples perturbaciones a las articulaciones del tobillo y la cadera simultáneamente^19,20.

Aparato de pie

Dos actuadores rotativos electrohidráulicos servocontrolados mueven dos pedales para aplicar perturbaciones controladas de la posición del tobillo. Los actuadores pueden generar grandes pares (>500 Nm) necesarios para el control postural; esto es especialmente importante en casos como la inclinación hacia adelante, donde el centro de masa del cuerpo está lejos (anterior) del eje del tobillo de rotación, lo que resulta en grandes valores de torsión del tobillo para el control postural.

Cada actuador rotativo es controlado por una servoválvula proporcional separada, utilizando la retroalimentación de la posición del pedal, medida por un potenciómetro de alto rendimiento en el eje del actuador(Tabla de materiales). El controlador se implementa utilizando un sistema de procesamiento de señal digital en tiempo real xPC basado en MATLAB. El actuador/servoválvula juntos tienen un ancho de banda de más de 40 Hz, mucho mayor que el ancho de banda del sistema de control postural general, rigidez de la articulación del tobillo y el controlador central^21.

Dispositivo de realidad virtual y entorno

Un casco de realidad virtual (VR)(Tabla de materiales)se utiliza para perturbar la visión. El auricular contiene una pantalla LCD (doble pantalla AMOLED de 3,6” con una resolución de 1080 x 1200 píxeles por ojo) que proporciona al usuario una vista estereoscópica de los medios enviados al dispositivo, ofreciendo una percepción de profundidad tridimensional. La frecuencia de actualización es de 90 Hz, suficiente para proporcionar un sentido virtual sólido a los usuarios²². El campo de visión de la pantalla es de 110o, suficiente para generar perturbaciones visuales similares a las situaciones del mundo real.

El auricular realiza un seguimiento de la rotación de la cabeza del usuario y altera la vista virtual en consecuencia para que el usuario esté completamente inmerso en el entorno virtual; por lo tanto, puede proporcionar la retroalimentación visual normal; y también puede perturbar la visión girando el campo visual en plano sagital.

Mediciones cinéticas

La fuerza de reacción vertical se mide mediante cuatro células de carga, intercaladas entre dos placas debajo del pie(Tabla de materiales). El par del tobillo se mide directamente por transductores de par con una capacidad de 565 Nm y una rigidez torsional de 104 kNm/rad; también se puede medir indirectamente desde las fuerzas verticales transducidas por las células de carga, utilizando sus distancias al eje del tobillo de rotación^23,suponiendo que las fuerzas horizontales aplicadas a los pies en pie son pequeñas^2,24. El centro de presión (COP) se mide en plano sagital dividiendo el par del tobillo por la fuerza vertical total, medida por las células de carga²³.

Mediciones cinemáticas

El ángulo del pie es el mismo que el ángulo del pedal, porque cuando se utiliza una estrategia de tobillo, el pie del sujeto se mueve con el pedal. El ángulo del vástago con respecto a la vertical se obtiene indirectamente del desplazamiento lineal del vástago, medido por un buscador de rango láser(Tabla de Materiales)con una resolución de 50 m y anchura de banda de 750 Hz²⁵. El ángulo del tobillo es la suma de los ángulos del pie y del vástago. El ángulo del cuerpo con respecto a la vertical se obtiene indirectamente del desplazamiento lineal del punto medio entre las espinas ilíacas superiores superiores posteriores izquierda y derecha (PSIS), medido utilizando un buscador de rango láser(Tabla de Materiales)con una resolución de 100 m y anchura de banda de 750 Hz²³. La posición y la rotación de la cabeza se miden con respecto al sistema de coordenadas globales del entorno VR por las estaciones base del sistema VR que emiten pulsos infrarrojos (IR) cronometrados a 60 pulsos por segundo que son recogidos por los sensores IR de auriculares con sub-milímetros Precisión.

Adquisición de datos

Todas las señales se filtran con un filtro anti-aliasing con una frecuencia de esquina de 486.3 y luego muestreadas a 1000 Hz con alto rendimiento de 24 bits/8 canales, muestreo simultáneo, tarjetas de adquisición de señal dinámica(Tabla de materiales)con una dinámica dinámica alcance de 20 V.

Mecanismos de seguridad

Se han incorporado seis mecanismos de seguridad en el aparato de pie para prevenir lesiones a los sujetos; los pedales se controlan por separado y nunca interfieren entre sí. (1) El eje del actuador tiene una leva, que activa mecánicamente una válvula que desconecta la presión hidráulica si la rotación del eje supera los 20o de su posición horizontal. (2) Dos topes mecánicos ajustables limitan el rango de movimiento del actuador; estos se establecen en el rango de movimiento de cada sujeto antes de cada experimento. (3) Tanto el sujeto como el experimentador tienen un botón de pánico; pulsando el botón se desconecta la energía hidráulica de los actuadores y hace que se aflojen, por lo que se pueden mover manualmente. (4) Los pasamanos situados a ambos lados del sujeto están disponibles para proporcionar apoyo en caso de inestabilidad. (5) El sujeto lleva un arnés de cuerpo completo(Tabla de materiales),unido a barras transversales rígidas en el techo para apoyarlos en caso de caída. El arnés es flojo y no interfiere con el pie normal, a menos que el sujeto se vuelva inestable, donde el arnés evita que el sujeto caiga. En caso de caída, los movimientos del pedal se detendrán manualmente ya sea por el sujeto, utilizando el botón de pánico o por el experimentador. (6) Las servoválvulas detienen la rotación de los actuadores utilizando mecanismos a prueba de fallos en caso de interrupción del suministro eléctrico.

Protocol

Todos los métodos experimentales han sido aprobados por la Junta de Etica de Investigación de la Universidad McGill y los sujetos firman consentimientos informados antes de participar. 1. Experimentos NOTA: Cada experimento implica los siguientes pasos. Prueba previa Preparar un esquema definido de todas las pruebas a realizar y hacer una lista de comprobación para la recopilación de datos. Proporcione al sujeto un formulario de cons…

Representative Results

Pseudo secuencia ternaria aleatoria (PRTS) y señales TrapZ La Figura 2A muestra una señal PRTS, que se genera integrando un perfil de velocidad pseudoaleatorio. Para cada tiempo de muestra, la velocidad de la señal puede ser igual a c…

Discussion

Varios pasos son críticos en la realización de estos experimentos para estudiar el control postural humano. Estos pasos están asociados con la medición correcta de las señales e incluyen: 1) Alineación correcta del eje del tobillo del vástago de rotación al de los pedales, para la correcta medición de los pares de tobillo. 2) Configuración correcta de los buscadores de rango para asegurarse de que funcionan en su rango y no están saturados durante los experimentos. 3) Medición de EMG con buena calidad y míni…

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