मानव पोस्टुरल नियंत्रण का अध्ययन करने के लिए प्रायोगिक तरीके
Summary
यह लेख मानव postural नियंत्रण का अध्ययन करने के लिए एक प्रयोगात्मक / प्रोटोकॉल खड़े प्रयोगों के प्रदर्शन के लिए कदम दर कदम प्रक्रियाओं प्रदान करता है, शरीर शुद्धगतिकी और गतिज संकेतों को मापने, और मानव postural नियंत्रण अंतर्निहित तंत्र में अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए परिणामों का विश्लेषण.
Abstract
तंत्रिका और musculoskeletal सिस्टम के कई घटकों के लिए संगीत कार्यक्रम में कार्य करने के लिए स्थिर, ईमानदार मानव मुद्रा को प्राप्त. मानव postural नियंत्रण में शामिल विभिन्न उप प्रणालियों की भूमिका को समझने के लिए उपयुक्त गणितीय विधियों के साथ नियंत्रित प्रयोगों की आवश्यकता है। यह लेख परेशान खड़े प्रयोगों के प्रदर्शन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करता है, प्रयोगात्मक डेटा प्राप्त करने, और बाद में गणितीय विश्लेषण बाहर ले जाने, musculoskeletal प्रणाली और मानव में केंद्रीय नियंत्रण की भूमिका को समझने के उद्देश्य से ईमानदार मुद्रा. इन तरीकों से उत्पन्न परिणाम महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे स्वस्थ संतुलन नियंत्रण में अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं, रोगियों और बुजुर्गों में बिगड़ा संतुलन के ईटियोलॉजी को समझने के लिए आधार बनाते हैं, और सुधार करने के लिए हस्तक्षेपके डिजाइन में सहायता करते हैं पश् चीयत नियंत्रण और स्थिरता। इन तरीकों का उपयोग सोमेटोसेंसरी प्रणाली की भूमिका, टखने के संयुक्त की आंतरिक कठोरता, और पश्च ीय नियंत्रण में दृश्य प्रणाली का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है, और वेस्टिबुलर प्रणाली की भूमिका की जांच करने के लिए भी बढ़ाया जा सकता है। तरीकों को टखने की रणनीति के मामले में इस्तेमाल किया जाना है, जहां शरीर मुख्य रूप से टखने के जोड़ के बारे में चलता है और एक एकल लिंक उल्टे पेंडुलम माना जाता है।
Introduction
मानव पश्चीय नियंत्रण केंद्रीय तंत्रिका और musculoskeletal सिस्टम 1 के बीच जटिल बातचीत के माध्यम से महसूस कियाहै. खड़े में मानव शरीर स्वाभाविक अस्थिर है, आंतरिक की एक किस्म के अधीन (उदा., श्वसन, दिल की धड़कन) और बाहरी (उदा. गुरुत्वाकर्षण) क्षोभ. स्थिरता केंद्रीय, प्रतिवर्त, और आंतरिक घटकों के साथ एक वितरित नियंत्रक द्वारा हासिल की है (चित्र 1)।
Postural नियंत्रण द्वारा हासिल की है: एक सक्रिय नियंत्रक, केंद्रीय तंत्रिका तंत्र (सीएनएस) और रीढ़ की हड्डी, जो मांसपेशियों सक्रियण परिवर्तन द्वारा मध्यस्थता; और एक आंतरिक कठोरता नियंत्रक जो मांसपेशी सक्रियण में कोई परिवर्तन नहीं के साथ संयुक्त आंदोलन का विरोध करता है (चित्र 1) । केंद्रीय नियंत्रक अवरोही आदेश है कि शरीर को स्थिर करने के लिए सुधारात्मक मांसपेशी बलों का उत्पादन उत्पन्न करने के लिए संवेदी जानकारी का उपयोग करता है। संवेदी जानकारी दृश्य, वेस्टिबुलर, और सोमेटोसेंसरी सिस्टम द्वारा ट्रांसड्यूल की जाती है। विशेष रूप से, somatosensory प्रणाली समर्थन सतह और संयुक्त कोण के बारे में जानकारी उत्पन्न करता है; दृष्टि पर्यावरण के बारे में जानकारी प्रदान करता है; और वेस्टिबुलर प्रणाली गुरुत्वाकर्षण के संबंध में सिर कोणीय वेग, रैखिक त्वरण, और अभिविन्यास के बारे में जानकारी उत्पन्न करती है। केंद्रीय, बंद लूप नियंत्रक लंबे विलंब के साथ संचालित होता है जो2को अस्थिर कर सकता है। सक्रिय नियंत्रक का दूसरा तत्व पलटा कठोरता है, जो कम विलंबता के साथ मांसपेशियों की गतिविधि उत्पन्न करता है और संयुक्त आंदोलन का विरोध करने वाले टोक़ का उत्पादन करता है।
सक्रिय नियंत्रक के दोनों घटकों के साथ संबद्ध एक लेटेंसी है; फलस्वरूप, संयुक्त आंतरिक कठोरता, जो कोई देरी के साथ कार्य करता है, postural नियंत्रण3में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है. आंतरिक कठोरता अनुबंध मांसपेशियों, कोमल ऊतकों और अंगों के जड़ता गुण है, जो किसी भी संयुक्त आंदोलन4के जवाब में तुरंत प्रतिरोधी टोक़ उत्पन्न करता है के निष्क्रिय विस्को-इलास्टिक गुणों द्वारा उत्पन्न होता है। postural नियंत्रण में संयुक्त कठोरता (आंतरिक और प्रतिवर्त कठोरता) की भूमिका स्पष्ट रूप से समझ में नहीं आता है, क्योंकि यह ऑपरेटिंग स्थितियों के साथ बदलता है, मांसपेशियों सक्रियण द्वारा परिभाषित4,5,6 और संयुक्त स्थिति 4 , 7 , 8, दोनों जो शरीर के साथ बदल बोलबाला, खड़े करने के लिए निहित.
केंद्रीय नियंत्रक और postural नियंत्रण में संयुक्त कठोरता की भूमिका की पहचान महत्वपूर्ण है, के रूप में यह के लिए आधार प्रदान करता है: संतुलन हानि के ईटियोलॉजी का निदान; रोगियों के लिए लक्षित हस्तक्षेप के डिजाइन; गिरावट के जोखिम का आकलन; बुजुर्गों में गिरावट की रोकथाम के लिए रणनीतियों का विकास; और इस तरह के ऑर्थोटिक्स और प्रोस्थेटिक्स के रूप में सहायक उपकरणों के डिजाइन। हालांकि, यह मुश्किल है, क्योंकि विभिन्न उप प्रणालियों के साथ कार्य और केवल समग्र परिणामस्वरूप शरीर शुद्ध गतिविज्ञान, संयुक्त टोक़, और मांसपेशी इलेक्ट्रोमायोग्राफी मापा जा सकता है.
इसलिए, प्रत्येक उपतंत्र के योगदान का मूल्यांकन करने के लिए औसत दर्जे का postural चर का उपयोग करें कि प्रयोगात्मक और विश्लेषणात्मक तरीकों को विकसित करने के लिए आवश्यक है। एक तकनीकी कठिनाई यह है कि postural चर की माप बंद लूप में किया जाता है. परिणामस्वरूप, आगतों और आउटपुट (कारण और प्रभाव) परस्पर संबंधित हैं। नतीजतन, यह करने के लिए आवश्यक है: क) बाहरी क्षोभ लागू (आदान के रूप में) प्रतिक्रियाओं में postural प्रतिक्रियाओं पैदा करने के लिए (आउटपुट के रूप में), और ख) प्रणाली मॉडल की पहचान करने के लिए विशेष गणितीय तरीकों को रोजगार और कारण और प्रभाव9उलझन.
वर्तमान लेख postural नियंत्रण पर केंद्रित है जब एक टखने की रणनीति का उपयोग किया जाता है, कि है, जब आंदोलनों टखने के संयुक्त के बारे में मुख्य रूप से होते हैं. इस स्थिति में, ऊपरी शरीर और निचले अंग एक साथ चलते हैं, परिणामस्वरूप, शरीर को सैगिटल प्लेन10में एक एकल-लिंक उल्टे पेंडुलम के रूप में मॉडल किया जा सकता है। टखने की रणनीति का उपयोग तब किया जाता है जब सहायता सतह पक्की हो और क्षोभ छोटे1,11होते हैं .
उपयुक्त यांत्रिक (प्रोप्रियोसेप्टिव) और दृश्य संवेदी क्षोभ लागू करने और शरीर में शुद्ध गतिविज्ञान, गतिज और मांसपेशियों की गतिविधियों को रिकॉर्ड करने में सक्षम एक स्थायी उपकरण हमारी प्रयोगशाला12में विकसित किया गया है। डिवाइस टखने कठोरता की भूमिका का अध्ययन करने के लिए आवश्यक प्रयोगात्मक वातावरण प्रदान करता है, केंद्रीय नियंत्रण तंत्र, और दृश्य या / यह भी संभव है कि स्तनाभ प्रक्रियाओं के लिए प्रत्यक्ष विद्युत उत्तेजना के आवेदन द्वारा वेस्टिबुलर प्रणाली की भूमिका का अध्ययन करने के लिए डिवाइस का विस्तार करने के लिए, जो सिर वेग की अनुभूति उत्पन्न कर सकता है और पोस्टुरल प्रतिक्रियाओं को पैदा कर सकता है12,13 .
दूसरों को भी मानव postural नियंत्रण का अध्ययन करने के लिए इसी तरह के उपकरणों का विकास किया है, जहां रैखिक piezo बिजली actuators11, रोटरी बिजली मोटर्स14,15, और रैखिक विद्युत मोटर्स16,17 , 18 खड़े में टखने के लिए यांत्रिक क्षोभ लागू करने के लिए इस्तेमाल किया गया. अधिक जटिल उपकरणों को भी बहु खंड postural नियंत्रण है, जहां यह टखने और कूल्हे जोड़ों के लिए एक साथ कई क्षोभ लागू करने के लिए संभव है का अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया है19,20.
स्थायी उपकरण
दो सर्वो नियंत्रित इलेक्ट्रोहाइड्रल रोटरी actuators टखने की स्थिति के नियंत्रित क्षोभ लागू करने के लिए दो पैडल ले जाते हैं। actuators बड़े टोक़ उत्पन्न कर सकते हैं (gt; 500 एनएम) postural नियंत्रण के लिए आवश्यक; यह इस तरह के आगे दुबला के रूप में मामलों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जहां शरीर के द्रव्यमान के केंद्र दूर है (पूर्व) रोटेशन के टखने अक्ष से, postural नियंत्रण के लिए टखने टोक़ के बड़े मूल्यों में जिसके परिणामस्वरूप.
प्रत्येक रोटरी actuator एक अलग आनुपातिक इमदादी वाल्व द्वारा नियंत्रित किया जाता है, पेडल स्थिति प्रतिक्रिया का उपयोग कर, actuator शाफ्ट पर एक उच्च प्रदर्शन क्षमता मापी द्वारा मापा (सामग्री की तालिका). नियंत्रक एक MATLAB-आधारित xPC वास्तविक समय, डिजिटल संकेत प्रसंस्करण प्रणाली का उपयोग कर लागू किया गया है. actuator/servo-valve एक साथ 40 से अधिक हर्ट्ज की बैंडविड्थ है, समग्र postural नियंत्रण प्रणाली की बैंडविड्थ से बहुत बड़ा है, टखने संयुक्त कठोरता, और केंद्रीय नियंत्रक21.
वर्चुअल रियलिटी डिवाइस और पर्यावरण
एक आभासी वास्तविकता (वीआर) हेडसेट (सामग्री की तालिका) दृष्टि परेशान करने के लिए प्रयोग किया जाता है। हेडसेट एक एलसीडी स्क्रीन (दोहरी AMOLED 3.6′ स्क्रीन 1080 x 1200 पिक्सल प्रति आंख के एक संकल्प के साथ) है कि डिवाइस के लिए भेजा मीडिया के एक त्रिविम दृश्य के साथ उपयोगकर्ता प्रदान करता है, तीन आयामी गहराई धारणा की पेशकश की. ताज़ा दर 90 हर्ट्ज, उपयोगकर्ताओं के लिए एक ठोस आभासी भावना प्रदान करने के लिए पर्याप्त है22. स्क्रीन के दृश्य के क्षेत्र में 110 डिग्री है, वास्तविक दुनिया स्थितियों के समान दृश्य क्षोभ उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है।
हेडसेट उपयोगकर्ता के सिर के रोटेशन पटरियों और उपयोगकर्ता पूरी तरह से आभासी वातावरण में डूब जाता है ताकि तदनुसार आभासी दृश्य बदल; इसलिए, यह सामान्य दृश्य प्रतिक्रिया प्रदान कर सकते हैं; और यह सैगिटल तल में दृश्य क्षेत्र को घुमाकर दृष्टि को भी परेशान कर सकता है।
काइनेटिक माप
ऊर्ध्वाधर अभिक्रिया बल को चार भार कोशिकाओं द्वारा मापा जाता है, जो पैर के नीचे दो प्लेटों के बीच sandwiched (सामग्री की तालिका)। टखने का रकवा 565 एनएम की क्षमता और 104 एनएम/राड की एक मरोडल कठोरता के साथ टोक़ ट्रांसड्यूसर द्वारा सीधे मापा जाता है; इसे लोड कोशिकाओं द्वारा पारण किए गए ऊर्ध्वाधर बलों से अप्रत्यक्ष रूप से भी मापा जा सकता है, जो अपनी दूरी का उपयोग करके23घूर्णन के टखने अक्ष तक करते हैं, यह मानते हुए कि खड़े पैरों पर लगाए गए क्षैतिज बल छोटे2,24हैं । दाब केंद्र (सीओपी) को कुल ऊर्ध्वाधर बल द्वारा टखने के टोक़ को विभाजित करके सैगिटल प्लेन में मापा जाता है, जो लोड कोशिकाओंद्वारा 23मापा जाता है।
काइनेटिक माप
एक टखने की रणनीति का उपयोग किया जाता है, क्योंकि पैर कोण पेडल कोण के रूप में ही है, विषय के पैर पेडल के साथ चलता है। ऊर्ध्वाधर के संबंध में टांग कोण को टांग के रैखिक विस्थापन से अप्रत्यक्ष रूप से प्राप्त किया जाता है, जो लेजर रेंज खोजक (सामग्री तालिका) द्वारा 50 डिग्री उउ 25 के संकल्प और 750 भ्भ्25की बैंडविड्थ के साथ मापा जाता है। टखने के कोण पैर और टांग कोण का योग है। ऊर्ध्वाधर के संबंध में शरीर कोण परोक्ष रूप से बाएँ और दाएँ पीछे पीछे पीछे बेहतर iliac रीढ़ (PSIS) के बीच मध्य बिंदु के रैखिक विस्थापन से प्राप्त की है, एक लेजर रेंज खोजक का उपयोग कर मापा (सामग्री की तालिका)के एक संकल्प के साथ 100 डिग्री और 750 हर्ट्ज23की बैंडविड्थ | सिर की स्थिति और रोटेशन वीआर प्रणाली बेस स्टेशनों कि प्रति सेकंड 60 दालों कि उप मिलीमीटर के साथ हेडसेट आईआर सेंसर द्वारा उठाया जाता है पर समय अवरक्त (आईआर) दालों का उत्सर्जन द्वारा वीआर पर्यावरण के वैश्विक समन्वय प्रणाली के संबंध में मापा जाता है परिशुद्धता.
डेटा अधिग्रहण
सभी संकेतों 486.3 के एक कोने आवृत्ति के साथ एक विरोधी aliasing फिल्टर के साथ फ़िल्टर कर रहे हैं और फिर एक गतिशील के साथ उच्च प्रदर्शन 24-बिट/8 चैनल, एक साथ नमूना, गतिशील संकेत अधिग्रहण कार्ड (सामग्री की तालिका)के साथ 1000 हर्ट्ज पर नमूना 20 वी की सीमा.
सुरक्षा तंत्र
विषयों को चोटों को रोकने के लिए स्थायी तंत्र में छह सुरक्षा तंत्र शामिल किए गए हैं; पैडल अलग से नियंत्रित कर रहे हैं और एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप कभी नहीं। (1) actuator शाफ्ट एक कैम है, जो यंत्रवत् एक वाल्व है कि हाइड्रोलिक दबाव डिस्कनेक्ट करता है अगर शाफ्ट रोटेशन से अधिक है सक्रिय है [ 20] अपनी क्षैतिज स्थिति से. (2) दो समायोज्य यांत्रिक बंद हो जाता है actuator की गति की सीमा को सीमित; ये प्रत्येक प्रयोग से पहले गति के प्रत्येक विषय की सीमा के लिए सेट कर रहे हैं. (3) दोनों विषय और प्रयोगकर्ता एक आतंक बटन पकड़; बटन दबाने actuators से हाइड्रोलिक शक्ति डिस्कनेक्ट करता है और उन्हें ढीला हो का कारण बनता है, ताकि वे मैन्युअल रूप से ले जाया जा सकता है. (4) विषय के दोनों ओर स्थित रेलिंग अस्थिरता के मामले में सहायता प्रदान करने के लिए उपलब्ध हैं। (5) विषय एक पूर्ण शरीर दोहन पहनता है (सामग्री की तालिका),छत में कठोर crossbars से जुड़ी उन्हें एक गिरावट के मामले में समर्थन करने के लिए. दोहन सुस्त है और सामान्य स्थिति के साथ हस्तक्षेप नहीं करता है, जब तक विषय अस्थिर हो जाता है, जहां दोहन गिरने से विषय को रोकता है. गिरावट के मामले में, पेडल आंदोलनों मैन्युअल रूप से या तो विषय द्वारा बंद कर दिया जाएगा, आतंक बटन का उपयोग कर या प्रयोगकर्ता द्वारा. (6) इमदादी वाल्व विद्युत आपूर्ति रुकावट के मामले में असफल-सुरक्षित तंत्र का उपयोग कर actuators के रोटेशन बंद करो.
Protocol
Representative Results
Discussion
मानव postural नियंत्रण का अध्ययन करने के लिए इन प्रयोगों के प्रदर्शन में कई कदम महत्वपूर्ण हैं. इन चरणों के संकेतों की सही माप के साथ जुड़े रहे हैं और शामिल हैं: 1) पैडल की है कि करने के लिए रोटेशन के टांग टखने अ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह लेख NPRP अनुदान द्वारा संभव बनाया गया था #6-463-2-189 कतर राष्ट्रीय अनुसंधान और एमओपी अनुदान #81280 कनाडा के स्वास्थ्य अनुसंधान संस्थानों से से.
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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