Experimentella metoder för att studera mänsklig Postural kontroll
Summary
Denna artikel presenterar en experimentell/analytisk ram för att studera mänsklig Postural kontroll. Protokollet innehåller steg-för-steg-procedurer för att utföra stående experiment, mäta kroppens kinematik och kinetiksignaler, och analysera resultaten för att ge insikt i mekanismerna bakom människans Postural kontroll.
Abstract
Många komponenter i nervsystemet och muskuloskeletala systemet agerar i samförstånd för att uppnå den stabila, upprätt mänskliga hållningen. Kontrollerade experiment som åtföljs av lämpliga matematiska metoder behövs för att förstå vilken roll de olika delsystemen som deltar i människans Postural kontroll har. Denna artikel beskriver ett protokoll för att utföra oroad stående experiment, förvärva experimentella data, och utföra den efterföljande matematiska analysen, i syfte att förstå rollen av muskuloskeletala systemet och Central kontroll i mänskliga upprätt hållning. De resultat som genereras av dessa metoder är viktiga, eftersom de ger insikt i hälsosam balans kontroll, utgör grunden för att förstå etiologi av försämrad balans hos patienter och äldre, och stöd i utformningen av insatser för att förbättra Postural kontroll och stabilitet. Dessa metoder kan användas för att studera betydelsen av somatosensorisk system, inneboende stelhet i fotleden, och visuellt system i Postural kontroll, och kan också utvidgas för att undersöka rollen av vestibulära systemet. Metoderna ska användas i fallet med en fotled strategi, där kroppen rör sig främst om fotleden och anses vara en Single-Link inverterad pendel.
Introduction
Human Postural kontroll realiseras genom komplexa interaktioner mellan centralanervsystemet och muskuloskeletala system1. Den mänskliga kroppen i stående är till sin natur instabil, föremål för en mängd olika interna (t. ex., andning, hjärtslag) och yttre (t. ex., gravitation) perturbations. Stabilitet uppnås genom en distribuerad styrenhet med central-, reflex-och inneboende komponenter (figur 1).
Postural kontroll uppnås genom: en aktiv Controller, medierad av centralanervsystemet (CNS) och ryggmärgen, som förändrar muskel aktiveringen; och en inneboende styvhet regulator som motstår gemensamma rörelser utan förändring i muskelaktivering (figur 1). Den centrala styrenheten använder sensorisk information för att generera fallande kommandon som producerar korrigerande muskel krafter för att stabilisera kroppen. Sensorisk information är sensorik av de visuella, vestibulära och somatosensoriska system. Specifikt, det somatosensoriska systemet genererar information om stöd ytan och gemensamma vinklar; Vision ger information om miljön; och vestibulära systemet genererar information om huvudet vinkelhastighet, linjär acceleration, och orientering med avseende på gravitation. Den centrala, sluten-loop Controller fungerar med långa förseningar som kan vara destabiliserande2. Den andra delen av den aktiva styrenheten är reflex stelhet, som genererar muskelaktivitet med kort fördröjning och producerar vridmoment motstå gemensamma rörelser.
Det finns en fördröjning som är associerade med båda komponenterna i Active Controller; följaktligen spelar gemensam inneboende styvhet, som fungerar utan fördröjning, en viktig roll i Postural kontroll3. Inneboende styvhet genereras av passiva Visco-elastiska egenskaper för upphandlande muskler, mjuk vävnad och tröghets egenskaper i armar och ben, som genererar resistiva vridmoment omedelbart som svar på någon gemensam rörelse4. Den roll som led styvhet (inneboende och reflex stelhet) i Postural kontroll är inte klart förstås, eftersom det ändras med driftförhållanden, definierad av muskelaktivering4,5,6 och gemensam ståndpunkt 4 , 7 , 8, som båda förändras med kroppen gungning, inneboende till stående.
Att identifiera rollerna för den centrala styrenheten och ledstelhet i Postural kontroll är viktigt, eftersom det utgör grunden för: diagnostisera etiologi av balans nedskrivningar; utformningen av riktade interventioner för patienter; bedömning av risken för fall; utveckling av strategier för fallprevention hos äldre; och utformningen av hjälpmedel såsom ortoser och protetik. Det är dock svårt, eftersom de olika delsystemen fungerar tillsammans och endast den övergripande resulterande kroppen kinematik, gemensamma vridmoment, och muskler Elektromyografi kan mätas.
Därför är det viktigt att utveckla experimentella och analytiska metoder som använder de mätbara postural variablerna för att utvärdera varje delsystems bidrag. En teknisk svårighet är att mätningen av postural variabler sker i sluten slinga. Som ett resultat, ingångar och utgångar (orsak och verkan) är sammankopplade. Följaktligen är det nödvändigt att: a) tillämpa externa störningar (som indata) för att framkalla postural reaktioner i svar (som utgångar), och b) anställa specialiserade matematiska metoder för att identifiera systemmodeller och skilja orsak och verkan9.
Den nuvarande artikeln fokuserar på postural kontroll när en fotled strategi används, det vill, när rörelserna uppstår främst om fotleden. I detta tillstånd, överkroppen och nedre extremiteterna flytta tillsammans, följaktligen kan kroppen modelleras som en enda länk inverterad pendel i sagittal plan10. Fotleden strategi används när stödet ytan är fast och störningar är små1,11.
En stående apparat som kan tillämpa lämpliga mekaniska (proprioceptive) och visuella sensoriska störningar och registrering av kroppens kinematik, kinetik och muskelaktivitet har utvecklats i vårt laboratorium12. Enheten ger den experimentella miljön som behövs för att studera rollen av vrist stelhet, centrala kontrollmekanismer, och deras interaktioner genom att generera postural svar med hjälp av visuella eller/och somatosensoriska stimuli. Det är också möjligt att förlänga enheten för att studera rollen av vestibulära systemet genom tillämpning av direkt elektrisk stimulering till mastoida processer, som kan generera en känsla av huvud hastighet och framkalla postural svar12,13 .
Andra har också utvecklat liknande anordningar för att studera mänsklig Postural kontroll, där linjära piezo elektriska manöverdon11, roterande elektriska motorer14,15, och linjära elektriska motorer16,17 , 18 användes för att tillämpa mekaniska störningar till fotled i stående. Mer komplexa enheter har också utvecklats för att studera flersegmentspostural kontroll, där det är möjligt att tillämpa flera störningar till fotled och höftleder samtidigt19,20.
Stående apparat
Två servostyrda elektrohydrauliska roterande ställdon flyttar två pedaler för att tillämpa kontrollerade störningar i vristläget. Ställdon kan generera stora vridmoment (> 500 Nm) som behövs för Postural kontroll; Detta är särskilt viktigt i fall som framåt Lean, där kroppens centrum av massan är långt (Anterior) från vrist rotationsaxel, vilket resulterar i stora värden av vrist vridmoment för Postural kontroll.
Varje roterande ställdon styrs av en separat proportionell servoventil med hjälp av pedal positions återkoppling, mätt med en högpresterande potentiometer på ställdons axeln (tabell över material). Styrenheten implementeras med hjälp av ett MATLAB-baserat xPC realtid, digital signal processing system. Manöverdonet/servoventilen har tillsammans en bandbredd på mer än 40 Hz, mycket större än bandbredden för det totala postural styrsystemet, vristledstelhet och Central Controller21.
Enhet och miljö för virtuell verklighet
Ett VR-headset (Virtual Reality) (tabell över material) används för att stör visionen. Headsetet innehåller en LCD-skärm (Dual AMOLED 3,6 ‘ ‘ skärm med en upplösning på 1080 x 1200 pixlar per öga) som ger användaren en stereoskopiska bild av media som skickas till enheten, som erbjuder tredimensionell djup perception. Uppdateringsfrekvensen är 90 Hz, tillräcklig för att ge en solid virtuell känsla till användarna22. Synfält på skärmen är 110 °, tillräckligt för att generera visuella störningar som liknar verkliga situationer.
Headsetet spårar rotationen av användarens huvud och ändrar den virtuella vyn i enlighet med detta så att användaren är helt nedsänkt i den virtuella miljön. Därför kan det ge normal visuell återkoppling; och det kan också stör vision genom att rotera synfältet i sagittal plan.
Kinetiska mätningar
Vertikal reaktionskraft mäts med fyra lastceller, inklämt mellan två plattor under foten (tabell över material). Vridnings momentet mäts direkt genom momentgivare med en kapacitet på 565 nm och en vridstyvhet på 104 kNm/rad; Det kan också mätas indirekt från de vertikala krafterna sensorik av belastningen celler, med hjälp av deras avstånd till vrist axelrotation23, förutsatt att horisontella krafter tillämpas på fötterna i stående är små2,24. Tryckcentrum (COP) mäts i sagittal plan genom att dividera vristmomentet med den totala vertikala kraften, mätt med belastnings cellerna23.
Kinematiska mätningar
Fot vinkeln är densamma som pedal vinkel, för när en fotled strategi används, motivet fot rör sig med pedalen. Skaft vinkel med avseende på den vertikala erhålls indirekt från den linjära förskjutningen av skaftet, mätt med en laser Range Finder (tabell över material) med en upplösning på 50 μm och bandbredd 750 Hz25. Vrist vinkel är summan av foten och skaft vinklar. Kroppsvinkel med avseende på den vertikala erhålls indirekt från den linjära förskjutningen av mitten av punkten mellan vänster och höger bakre överlägsen iliaca Taggar (PSIS), mätt med en laser Range Finder (tabell över material) med en upplösning på 100 μm och bandbredd 750 Hz23. Huvud position och rotation mäts med avseende på VR-systemets globala koordinatsystem av VR-systembasstationerna som avger tidsinställda infraröda (IR) pulser vid 60 pulser per sekund som plockas upp av headsetets IR-sensorer med sub-millimeter Precision.
Data insamling
Alla signaler filtreras med ett anti-aliasing-filter med en hörn frekvens på 486,3 och samplas sedan på 1000 Hz med högpresterande 24-bit/8-kanals, samtidig provtagning, dynamiska signal förvärvs kort (tabell över material) med en dynamisk räckvidd på 20 V.
Säkerhetsmekanismer
Sex säkerhetsmekanismer har integrerats i den stående apparaten för att förhindra skador på försökspersonerna. pedalerna styrs separat och får aldrig störa varandra. (1) manöverdons axeln har en kam, som mekaniskt aktiverar en ventil som kopplar bort hydraultrycket om axelns rotation överskrider ± 20 ° från dess horisontella läge. (2) två justerbara mekaniska stopp begränsar manöverdonets rörelseomfång. dessa är inställda på varje ämnes rörelseomfång före varje experiment. (3) både motivet och försöksledaren håller en panik knapp. genom att trycka på knappen kopplas hydraulikkraften bort från manöverdonet och de lossnar så att de kan flyttas manuellt. (4) ledstänger placerade på vardera sidan av motivet finns tillgängliga för att ge stöd i händelse av instabilitet. (5) motivet bär en helkroppssele (tabell över material), fäst vid stela tvärstaplar i taket för att stödja dem i händelse av ett fall. Selen är slack och stör inte normalt stående, om inte motivet blir instabilt, där selen förhindrar att motivet faller. I fallet med fall, pedal rörelser kommer att stoppas manuellt antingen av motivet, med hjälp av panik-knappen eller av försöksledaren. (6) servoventilerna stoppar rotationen av manöverdonen med hjälp av felsäkra mekanismer vid avbrott i elförsörjningen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flera steg är avgörande för att utföra dessa experiment för att studera mänsklig Postural kontroll. Dessa steg är förknippade med korrekt mätning av signalerna och inkluderar: 1) korrekt anpassning av skaftets vridningsaxel till pedalernas, för korrekt mätning av vristvridmoment. 2) korrekt uppsättning av Range Finders för att säkerställa att de arbetar i sitt sortiment och inte är mättade under experimenten. 3) mätning av EMG med god kvalitet och minimal Cross Talk. 4) tillämpning av lämpliga perturb…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna artikel har möjliggjorts av NPRP Grant #6-463-2-189 från Qatar National Research and MOP Grant #81280 från de kanadensiska instituten för hälsoforskning.
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).
