Metode for å måle Tone of Axial og proksimal Muscle

Summary

Vi har utviklet en enhet (Twister) for å studere regulering av tonisk muskelaktivitet under aktiv postural vedlikehold. Twister tiltak vridnings motstand og muskuløs responser i stående fag i vridning av kroppen aksen. Enheten kan være fleksibelt konfigureres til å studere ulike aspekter av tonic kontroll over halsen, bagasjerommet, og / eller hofter.

Abstract

Kontroll av tonic muskelaktivitet forblir dårlig forstått. Mens unormal tone er ofte vurdert klinisk ved å måle den passive motstanden avslappet lemmer ^1, ingen systemer er tilgjengelige for å studere tonic muskel kontroll i en naturlig, aktiv tilstand av antigravitasjon støtte. Vi har utviklet en enhet (Twister) for å studere tonic regulering av aksial og proksimale muskler under aktiv postural vedlikehold (dvs. postural tone). Twister roterer aksial kroppen regioner i forhold til hverandre om den vertikale aksen under holdning, slik som å vri nakken, stammen eller hip regioner. Dette vridning pålegger lengden endringer på aksial muskulatur uten å endre kroppens forhold til tyngdekraften. Fordi Twister ikke gir postural støtte, må tone reguleres for å motvirke gravitasjons moment. Vi kvantifisere dette tonic forskrift av urolige dreiemoment til vridning, som reflekterer tilstanden til alle muskler gjennomgår lengde endringer, samt av elektromyografi avrelevante muskler. Fordi tonen er preget av langvarig lavt nivå muskel aktivitet, er tonic kontroll studert med langsomme bevegelser som produserer "tonic" endringer i muskel lengde, uten fremkaller rask "phasic" svar. Twister kan konfigureres til å studere ulike aspekter av muskel tone, slik som co-kontraksjon, tonic modulasjon til postural endringer, tonic samhandling på tvers av kroppen segmenter, samt perseptuell terskler for å bremse aksial rotasjon. Twister kan også brukes til å gi en kvantitativ måling av effekten av sykdommen på aksial og proksimale postural tone og vurdere effekten av intervensjon.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Innledning</p><p class="jove_content"> Twister er en servo-styrt enhet for kvantifisering postural tone i aksial og proksimal kroppen regioner under aktiv, oppreist holdning. Den opprinnelige enheten ble konstruert ved Oregon Health & Science University og en lignende enhet er under bygging for University of Southampton, England. I denne rapporten beskriver vi funksjonen og begrunnelsen for Twister og de forskjellige bruksområder. Vi da gi en detaljert beskrivelse for å lette sin reproduksjon og vise hvordan den kan brukes til å undersøke kontroll av postural tone.</p><p class="jove_title"> 2. Oversikt</p><p class="jove_content"> Twister består av en stiv stålramme, roterende plattform, dreiemoment sensor, motvektstruck fjæringssystem, øvre og nedre fikseringer, og kroppen vedlegg (Fig 1), samt en servo kontroll system for å regulere plattform rotasjon. Twister kvantifiserer postural tone i stående fagene ved å rotere underkroppen segmenter om den vertikale aksen i forhold til øvre segmentene. Dette twists regionen i mellom, endre lengden på musklene innenfra. Øvre og nedre fikseringer kan festes å formidle vridning i nakken, stammen eller hip regioner (fig 2). Fordi Twister ikke gir postural støtte, er tonisk aktivitet i skjelettmuskulatur nødvendig for å motvirke gravitasjons moment. Dette tonic regulering er studert av den vridningsspenningen motstand mot vridning samt elektromyografi fra relevante muskler. Motstand mot vridning er vurdert av et dreiemoment sensor innenfor den øvre fiksering og reflekterer tilstanden til alle muskler gjennomgår lengde endringer. Twister bruker flere ulike plattformer rotation profiler å studere tonic kontroll, inkludert en trekant profil, step profil, og trekant profil av økende omfang (fig 3). Disse roterer plattformen på et konstant langsom hastighet, som minimerer treghet virkninger på faget og måling.</p><p class="jove_content"> Vi bruker en vridning forstyrrelse om den vertikale aksen fordi det: 1) endrer lengden på aksial og proksimale muskler, da disse strukturene er orientert skrått og har bred anatomiske opprinnelse og innsettinger, 2) endrer ikke forholdet av hele kroppen og deler til tyngdekraften, 3) roterer kroppen rundt en akse av minimal treghetsmoment²; 4) tilsvarer en nøytral sone^3,4, Slik at motstanden fra små forskyvninger fra fremovervendt posisjon reflekterer muskuløs fremfor osteo-ligamenter krefter, og 5) forekommer naturlig i hverdagslige aktiviteter^3,5.</p><p class="jove_content"> Twister er en fleksibel enhet som kan brukes til å håndtere ulike aspekter av tonic kontroll. Disse inkluderer: 1) stivhet relatert til tonic aktivitet^6-8; 2) tonic respons på muskuløse lengde endringer^6,8. 3) effekten av vridning på eksterne kroppen regioner, 4) tonic effekter fra kinesthetic informasjon⁹; 5) effekten av sykdommen på postural tone^7,10; Og 6) perseptuell terskler for å bremse rotasjonen¹¹.<br /</p><p class="jove_title"> 3. Detaljert beskrivelse av enhetens</p><p class="jove_content"> Vi detalj komponentene Twister nedenfor.</p><ol><li<strong> Roterende plattform</strong<br /> Emner stå på en plattform som roterer ± 20 ° på en peiling om den vertikale aksen (figur 1, 4A). En elektrisk motor driver denne rotasjon på en stasjon forholdet som oppnår plattform hastigheter mellom 0,5 ° / s og 5 ° / s og høyt dreiemoment. Twister roterer underkroppen i verdensrommet, snarere enn overkroppen for å eliminere vestibulære signaler som kan forstyrre ro holdning.</li><li> Et belte og trinse systemet brukes for drive reduksjon, noe som demper vibrasjoner og eliminerer snert som kan forstyrre dreiemoment måling. Vibrasjon er minimert fordi det kan cue temaet om plattformen bevegelse.</li><li> For sikkerhets skyld er vanskelig stopp brukes til å begrense maksimal plattform slagvolum.</li><li> En optisk enkoder (Hewlett-Packard HEDS-5540) fast til plattformen akselen rapportene rotational slagvolum både servo-control og data-analyse.<br /></li><li<strong> Frame</strong><br /> En stiv, stålramme (1.5mx 1.5mx 3m) med diagonale kryss oppkvikkende skaper høy vridningsstivhet mellom plattform montering og dreiemoment sensor, som er nødvendig for nøyaktig dreiemoment måling.<br /></li><li<strong> Upper fiksering og fjæringssystem</strong<br /> Den øvre fiksering og lette, motvektstruck fjæringssystem koble den øvre grensen til twisted-regionen til rammen (fig 4B). Et dreiemoment sensor (Futek TFF220, Irvine, California) er plassert innenfor den øvre feste måler en gjenstand motstand mot rotasjon.</li><li> Suspensjonen Systemet består av fire rektangulære aluminiumsplater som er vekselvis hengslet langs anterior-posterior og mediolateral akser. Dette skaper en høy stivhet for rotasjon rundt den vertikale aksen (590 Nm / °), for å måle dreiemoment, uten å begrense bevegelsen i andre dimensjoner. Spesielt sikrer lav stivhet for oversettelse i x, y og z retninger (0,25 N / cm) fagene opprettholde postural stabilitet seg og hindrer den øvre fiksering fra å gi en romlig referanse. Dette gir også den enkelte å opprettholde sin egen, unike vertikal holdning uten at det påvirker postural bevegelse i horisontalplanet.</li><li> Springs handle for å motvirke vekten av suspensjon systemet.</li><li> En vertikal bærende forsamling (Fig 1, 4B) brukes til å justere den øvre feste motivet høyde.<br /></li><li<strong> Lavere fiksering</strong<br /> En lavere fiksering forbinder lavere margin av den vridde regionen til roterende plattform. Body segmenter under nedre feste roter med plattformen.</li><li> Den nedre fiksering består av en lett telescoping bar som er koblet til roterende plattform. En hengsel forbinder teleskopiske bar til plattformen for å tillate anterior-posterior postural svaie.<br /></li><li<strong> Body Vedlegg</strong<br /> Tre vedlegg er vant med Twister: en lett hjelm, en skulder sele og et bekken orthotic, som hver kan være forsvarlig festet til kroppen (fig 2).</li><li> For å vri halsen, feste hjelmen over og skuldrene nedenfor.</li><li> For å vri stammen fester skuldrene over og bekken nedenfor</li><li> For å vri på hoftene fest bekken ovenfor. I dette tilfellet er kronglete lokalisert til interne og eksterne hip rotasjon som føttene, skaft og lår roter med plattformen.<br /></li><li<strong> Ekstern fiksering</strong<br /> Et tredje, ekstern fiksering kan brukes til å vri ett legeme regionen mens måler dreiemoment produsert av en annen. Fordi sistnevnte segmentet står stille, er målt dreiemomentet ikke resistive men stammer fra muskulære krefter innenfor segmentet, potensielt indusert fra eksterne vridning.</li><li> Den eksterne fiksering består av en lett telescoping bar som hindrer koblet segmentet fra roterer om den vertikale aksen. Et hengsel felles mellom baren og rammen lar anterior-posterior postural svaie.</li><li> Fig. 4C viser konfigurasjonen for måling av nakke dreiemoment under bagasjerommet vridning. Alternativt kan nakke moment i respons til hip kronglete bli vurdert ved å koble bekkenet til ekstern fiksering.</li><li> En standard forceplate kan plasseres mellom fagene føtter og roterende plattform, å samtidig måle resistive dreiemoment i den forskrudde segmentet. Dette forceplate kan også brukes til å kvantifisere postural svaie under vridning.<br /></li><li<strong> Servo-kontroll av plattform rotasjon</strong<br /> En tilpasset bygget sanntid servo-systemet kontrollerer plattform rotasjon. Denne maskinvaren PID-regulator utganger en motor drive signal basert på en plattform posisjon signal fra den optiske giveren og ønsket rotasjon (se Fig. 7). En tilpasset PC program grensesnitt mot maskinvaren kontrolleren til å spesifisere ønsket timelige profilen til plattform rotasjon, og starte en rettssak.</li><li> Kontrolleren genererer tre profiler for plattform rotasjon. Velg trekanten profilen til å alternere mellom konstant hastighet klokken og mot klokken rotasjon (3 Fig., 1 spor). Bruk steg profilen for å oppnå usammenhengende rotasjon (3 Fig. 2 spor). Rotasjon kan også drives med en trekant profil som øker i amplitude over sykluser (Fig. 3, spor 3).</li><li> For alle profiler, er rotasjon glattet å begrense akselerasjon til 12 ° / s² Under bevegelse initiering og retningsendringer.</li></ol><p class="jove_title"> 4. Forsøksprotokoll</p><p class="jove_content"> En typisk eksperimentelle drives som følger:</p><ol><li> Sett body vedlegg (dvs hjelm, skulder sele eller bekken orthotic) på den ønskede segmenter, slik de er tettsittende og det er ingen torsional spille.</li><li> Juster høyden på lineære bærende slik at den øvre fiksering er på samme høyde som den tilsvarende organ vedlegget.</li><li> Juster lavere fiksering med teleskopiske bar å tilsvare høyden på underkroppen vedlegget.</li><li> Be underlagt stå på roterende plattform, vendt fremover.</li><li> Fest den øvre og nedre bindinger til tilsvarende kroppen vedlegg, posisjonering justeringer slik null dreiemoment er brukt motivet i pre-rettssaken posisjon.</li><li> Blindfold emnet.</li><li> Be underlagt stå avslappet og ikke å gripe inn.</li><li> Velg en forsterker gevinst for dreiemoment sensor som sier at kroppen regionen er vridd, for å maksimere den dynamiske rekkevidden av dette signalet.</li><li> Tilbakestill bias på dreiemoment sensoren.</li><li> Begynn overflaten svinging i yaw og dataregistrering. Dreiemoment og plattform rotasjon signaler er vanligvis registrert ved 50 Hz med Spike to oppkjøp programvare (Cambridge Electronic Devices, Cambridge, Storbritannia).</li><li> Initiere vri med ønsket plattform rotasjon profil. Generelt bevegelsen bør være langsom og jevn nok, slik at fagene ikke nøyaktig oppfatter vridning.</li></ol><p class="jove_title"> 5. Representative resultater</p><p class="jove_content"> Resistive dreiemoment vanligvis øker med plattform utflukt, men økningen bremser med større ekskursjon. Samlet motstand er typisk kvantifisert ved peak-to-peak dreiemoment, i gjennomsnitt over sykluser. Fig. 5A viser enkelt forsøk svar på tvers av fag for vridnings motstand konstant hastighet rampe for stammen. Vi har observert data reproduserbare over måneder innenfor et fag (Fig. 5B; interclass korrelasjonskoeffisient = 0,89). Mean motstand mot vridning varierer på tvers av kroppen segmenter, og har blitt rapportert å være 0,54 ± 0,24 Nm til hals, 5.11 ± 1.94 Nm for stammen og 3.23 ± 1.67 Nm for hofter⁶ (Fig 6). Det er viktig at plattform rotasjon er glatt og det er ingen pisken. Fravær av lash indikeres av glatt endringer i dreiemoment under retningsbestemt endringer og en rask endring i dreiemoment ved utbruddet, antagelig på grunn av korte avstander stivhet i muskulatur (se fig 3A i Gurfinkel<em> Et al.</em⁶).</p><p class="jove_content"> Den målte dreiemoment reflekterer både dynamiske endringer i tone med vridning samt fordelingen av baseline tonic aktivitet (som inkluderer co-kontraksjon). På grunn av den langsomme hastighet vridning, er økningen i dreiemoment per grad tilsvarer iboende stivhet¹² Bare når muskel aktivitet er konstant. Merk at fordi aktive strukturer bidrar til den målte motstanden Twister teknisk vurderer pseudostiffness.</p><p class="jove_content"> Generelt er to typer reaksjoner observert som tilsvarer konstant eller modulerte tonic aktivitet innenfor vridd regionen. Den tidligere er preget av lav syklus til syklus variasjon i dreiemoment, høy peak-to-peak moment magnitude, og relativt konstant EMG. I kontrast er dynamisk modulasjon kjennetegnes av høy syklus til syklus variasjon, lav vridnings motstand og EMG modulasjon samstemt med vridning. På vinkel kontra dreiemoment tomter unmodulated fagene viser en vanlig hysterese sløyfe mens modulert fag har et uregelmessig mønster som kan motsatt retning (se fig 3A i Gurfinkel<em> Et al.</em⁶ Dynamic modulering består generelt av å øke tonic aktivitet under muskelen forkorte og avtagende aktivitet i forlengelse (dvs. Sherrington er forlenging og forkorting reaksjoner¹³), Som er motsatt i skiltet til strekningen refleks. En integrerende mål på omfanget av modulasjon kan fås ved skiftet i et fag er nøytral (null-moment) posisjon innenfor en syklus, referert til som moment fase forhånd^6,8.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="Figure 1" /<br /><strong> Figur 1.</strong> Skjematisk av Twister fra siden. Komponenter er merket som følger: 1) roterende plattform, 2) telescoping bar for nedre feste, 3) hengsel joint mellom lavere teleskop bar og roterende plattform, 4) hjelm festet til øvre feste, 5) dreiemoment sensor og motvektstruck fjæring, 6) låsing vertikale lineær peiling, 7) ekstern fiksering for å måle indusert moment; 8) hengsel felles analogt til 3, 9) stiv ramme, 10) diagonalt kryss oppkvikkende for stiv ramme.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="Figure 2" /<br /><strong> Figur 2.</strong> Twisting påføres aksial og proksimale nivåer. Emner stå på en roterende plattform (gul) med øvre og nedre kroppen vedlegg festet å formidle vridning til ønsket kroppen regionen. Den øvre vedlegget er koblet via en suspensjon system (sikksakk linjer) til dreiemoment sensor (T), som er festet med hensyn til rotasjon rundt den vertikale aksen. Den nedre vedlegg kobles til den roterende plattformen via en hengsel joint (sort sirkel) som tillater rotasjon i sagittal planet av faget. A: Hals vridning oppnås ved å feste en hjelm til dreiemoment sensoren og skuldre til plattformen. B: Trunk vridning oppnås ved å koble skuldrene til dreiemoment sensoren og bekkenet til plattformen. C: Hip vridning oppnås ved å feste bekkenet til dreiemoment sensor.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="Figure 3" /<br /><strong> Figur 3.</strong> Ulike vridning profiler. Forskjellige profiler kan brukes til å studere spesifikke aspekter av tonic kontroll. Utgangen av den optiske koderen spesifisere plattform rotasjon er vist i volt. Oppover avbøyning tilsvarer mot klokka plattform rotasjon sett ovenfra. 1) Triangle profil: I dette tilfellet omdreiningshastighet, maksimum utflukt og antall sykluser er spesifisert. To sykluser på 12 ° er vist. 2) Usammenhengende, step profil: Amplitude, hastighet og holdetid et skritt er spesifisert. To sykluser 12 ° rotasjoner, bestående av fire, 3 ° grader trinnene er vist. 3) Øke amplitude trekant bølger: to sykluser for hver av 3 °, 6 ° og 9 ° rotasjoner vises. I dette eksempelet frekvensen av plattform rotasjon er konstant for alle forhold.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="Figure 4" /<br /><strong> Figur 4.</strong> Fotografi av Twister fra siden. A: Konfigurasjon for trunk vri med komponenter merket som følger: 1) roterende plattform, 2) motor og servo-control montering, 3) hengsel joint mellom lavere teleskop bar og roterende plattform, 4) lavere fiksering og bekken orthotic, 5) øvre fiksering og skulder sele, 6) bar koble oppheng til videregående fiksering, 7) dreiemoment sensor og motvektstruck fjæringssystem, 8) ekstern fiksering for å måle indusert moment; 9) stiv ramme. B: Nærbilde av dreiemoment sensor og fjæringssystem merket som følger: 1) dreiemoment sensor; 2-5) lette hengslet aluminiumsplater. Hengslet mellom platene 2 og 3 roterer om anterior-posterior aksen, mens hengslene mellom platene 4 og 5 er orientert rundt mediolateral aksen. 8) låsing vertikale lineær peiling, 9) lett hjelm og øvre vedlegg. C: Configuration for å vri stammen, men måle den vridningsspenningen effekt på halsen. I denne konfigurasjonen bekkenet er festet tilden roterende plattform (1) og skuldrene er koblet til ekstern fiksering (2), som hindrer skuldre, nakke og hode fra roterende, begrense vridning til stammen. Hodet er også festet til øvre fiksering (3) slik at eventuelle induserte nakken dreiemoment brukes på dreiemoment sensor.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="Figure 5" /<br /><strong> Figur 5.</strong> Torsjonsmessig motstand av stammen. A) Torque spor fra individuelle studier fra ulike fag. Tre sykluser på 10 °, 1 ° / s trekant bølgene ble brukt. Fag har konsekvent dreiemoment atferd på tvers av sykluser, med stor variasjon i motstand mellom fag. Spor med høyest motstand er typisk for unmodulated atferd, mens rester med minst motstand er typisk for høy modulasjon. B) Inter-faget repeterbarhet i vridnings motstand over tid. To mål fra 7 emner atskilt av en måned. Peak-to-peak trunk dreiemoment viser konsistente innen-faget atferd på tvers testing økter, men bred inter-faget variasjon.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="Figure 6" /<br /><strong> Figur 6.</strong> Urolige dreiemoment fra forskjellige axial nivåer. Den resistive dreiemomentet til 10 °, 1 ° / s trekant bølger for nakke, bol og hip nivåer. Enkeltstående studier fra et representativt emne vises. Merk de ulike omfang og timecorse tvers av nivåer.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="Figure 7" /<br /><strong> Figur 7.</strong> Skjematisk av servo-kontroll. Reguleringssløyfen består av en PID (proporsjonal, integral, derivat) controller, som mottar innspill fra en optisk encoder festet til plattformen akselen. Kontrolleren bestemmer motordrift strøm. Tilpasset programvare kjøres på en PC brukes for å velge ønsket plattform banen, som deretter laster ned denne informasjonen til kontrolleren.</p

Discussion

Det er vår oppfatning at Twister kan brukes adressen mange spørsmål i tonic kontroll. Til dags dato har Twister føre til 7 slike publikasjoner ^6-11,14. Trolig den viktigste funksjonen i Twister er at det gir et integrert, kinetiske mål på tone. Denne dreiemoment mål på tone er ikke gitt av kinematisk, inverse dynamikk eller elektromyografi tilnærminger, og er nødvendig for å svare på mange spørsmål om tone. Dessuten er Twister unik i ikke vesentlig konflikt med naturlig antigravitasjon eller postural atferd, og gir en tonic, snarere enn en phasic uro.

En mulig bruk av Twister er kvantifiseringen av tonic effekten av sykdommen på postural tone. Mens egenverdi og refleks stivhet har vært godt studert for mange nevrologiske og muskel forhold ved hjelp av raske forstyrrelser, den kvantitative effekten av mange sykdommer på postural tone ikke godt karakterisert. Spesielt kan Twister være used å kvantifisere effektene av lidelser som stivhet ^7,10,14, hypotoni, dystoni, og rygg og nakke smerter på omfang, fordeling og symmetri av postural tone langs kroppen aksen. Den kan også brukes til å måle aksial kinesthesis, f.eks; oppfatning av kroppens rotasjon basert på muskel proprioceptors og ¹¹ perceptuomotor symmetri, f.eks; representasjon av rett fram under axial vridning ^14. Endelig kan Twister brukes til å studere effekten av intervensjon på disse tiltakene av aksial postural tone ^8.

Vi anslår kostnadene ved å ansette et ingeniørfirma til å dikte Twister er ca $ 30.000 amerikanske. Denne enheten kan trolig være produsert internt for en brøkdel av denne kostnaden, som prisen på råvarer er lav, men signifikant fabrikasjon er nødvendig. Gjennom bruken av den, har Twister utviklet seg betydelig og fortsetter å gjøre det. Det er mange grunnleggende spørsmål som kan tas opp med Twister. Vi håper at detteRapporten vil hjelpe andre etterforskerne bygge Twisting enheter eller på annen måte stimulere forskning på denne fundamentale men dårlig forstått område.

Materials