Экспериментальные методы изучения постурального контроля человека
Summary
Эта статья представляет собой экспериментальную/аналитическую основу для изучения постурального контроля человека. Протокол обеспечивает пошаговые процедуры для выполнения постоянных экспериментов, измерения кинематических и кинетикальных сигналов тела, а также анализа результатов, чтобы дать представление о механизмах, лежащих в основе человеческого постурального контроля.
Abstract
Многие компоненты нервной и опорно-мостовой систем действуют согласованно для достижения стабильной, вертикальной человеческой осанки. Для понимания роли различных подсистем, участвующих в постуральном контроле человека, необходимы контролируемые эксперименты, сопровождаемые соответствующими математическими методами. В этой статье описывается протокол для выполнения возмущенных постоянных экспериментов, получения экспериментальных данных и проведения последующего математического анализа с целью понимания роли опорно-мостовой системы и централизованного контроля в человеке вертикальной осанки. Результаты, полученные этими методами, имеют важное значение, поскольку они дают представление о здоровом контроле баланса, составляют основу для понимания этиологии нарушения баланса у пациентов и пожилых людей, а также помощь в разработке мероприятий по улучшению постуральный контроль и стабильность. Эти методы могут быть использованы для изучения роли соматосенсорной системы, внутренней жесткости голеностопного сустава и зрительной системы в постуральном контроле, а также могут быть расширены для изучения роли вестибулярной системы. Методы должны быть использованы в случае лодыжки стратегии, где тело движется в первую очередь о голеностопного сустава и считается одной ссылки перевернутый маятник.
Introduction
Постуральный контроль человека реализуется через сложные взаимодействия между центральными нервными и опорно-мостовыми системами1. Человеческое тело в положении по своей сути нестабильна, подвержена различным внутренним (например, дыханию, сердцебиению) и внешним (например, гравитационным) возмущениям. Стабильность достигается за счет распределенного контроллера с центральными, рефлекторными и внутренне составляющими(рисунок 1).
Постуральный контроль достигается: активным контроллером, опосредованным центральной нервной системой (ЦНС) и спинным мозгом, который изменяет активацию мышц; и внутренний контроллер жесткости, который сопротивляется совместному движению без каких-либо изменений в активации мышц(рисунок 1). Центральный контроллер использует сенсорную информацию для генерации нисходящих команд, которые производят корректирующие мышечные силы для стабилизации тела. Сенсорная информация передается зрительными, вестибуляторными и соматосенсорными системами. В частности, соматосенсорная система генерирует информацию о поверхности поддержки и углах суставов; видение предоставляет информацию об окружающей среде; вестибулярная система генерирует информацию о угловой скорости головы, линейном ускорении и ориентации по отношению к гравитации. Центральный контроллер с замкнутым циклом работает с длительными задержками, которые могут дестабилизировать2. Вторым элементом активного контроллера является рефлекторная жесткость, которая генерирует мышечную активность с короткой задержкой и производит крутящий момент, сопротивляющийся движению суставов.
Существует задержка, связанная с обоими компонентами активного контроллера; следовательно, совместная внутренняя жесткость, которая действует без задержек, играет важную роль в постуральном контроле3. Внутренняя жесткость генерируется пассивными виско-упругими свойствами сокращающихся мышц, мягких тканей и инерционных свойств конечностей, что мгновенно генерирует резистивные крутящие моменты в ответ на любое совместное движение4. Роль скованности сустава (внутренняя и рефлекторная жесткость) в постуральном контроле четко не понята, так как она меняется с условиями работы, определяемыми активацией мышц4,5,6 и положением суставов 4 , 7 (г. , 8, оба из которых меняются с телом покачиваться, присущие стоя.
Определение роли центрального контроллера и скованности суставов в постуральном контроле имеет важное значение, поскольку оно обеспечивает основу для: диагностика этиологии нарушений баланса; разработка целевых мероприятий для пациентов; оценка риска падений; разработка стратегий профилактики падения среди пожилых людей; и дизайн вспомогательных устройств, таких как ортопедия и протезирование. Однако, это трудно, потому что различные подсистемы действуют вместе, и только общий результат кинематики тела, тонущий момент суставов, и мышечной электромиографии могут быть измерены.
Поэтому крайне важно разработать экспериментальные и аналитические методы, которые используют измеримые постуральные переменные для оценки вклада каждой подсистемы. Техническая сложность заключается в том, что измерение постуральных переменных осуществляется в замкнутом цикле. В результате входные ресурсы и выходы (причина и следствие) взаимосвязаны. Следовательно, необходимо: а) применять внешние возмущения (в качестве входов), чтобы вызвать постуральные реакции в ответах (как выходы), и б) использовать специализированные математические методы для определения системных моделей и распутывания причинно-следственной связи9.
В настоящей статье основное внимание уделяется постурального контроля, когда лодыжки стратегия используется, то есть, когда движения происходят в первую очередь о голеностопного сустава. В этом состоянии, верхняя часть тела и нижние конечности двигаться вместе, следовательно, тело может быть смоделировано как однозвенный перевернутый маятник в sagittal плоскости10. Стратегия лодыжки используется, когда поверхность поддержки является твердой и возмущения малы1,11.
Постоянный аппарат, способный применять соответствующие механические (проприоцептивные) и зрительные сенсорные возмущения и записи кинематики тела, кинетики и мышечной активности, был разработан в нашей лаборатории12. Устройство обеспечивает экспериментальную среду, необходимую для изучения роли жесткости лодыжки, центральных механизмов управления, и их взаимодействия путем генерации постуральных реакций с помощью визуальных или / и соматосенсорных стимулов. Также возможно расширить прибор для того чтобы изучить роль вестибулярной системы путем применения сразу электрической стимуляции к mastoid процессам, которые могут произвести шумиху скорости головки и вызвать постуральные реакции12,13 .
Другие также разработали аналогичные устройства для изучения человеческого постурального управления, где линейные пьезо электрические приводы11, роторные электрические двигатели14,15, и линейные электрические двигатели16,17 , 18 были использованы для применения механических возмущений на лодыжке в стоя. Более сложные устройства также были разработаны для изучения многосегментного постурального контроля, где можно применять множественные возмущения к голеностопному и тазобедренному суставам одновременно19,20.
Постоянный аппарат
Два сервоуправляемых электрогидравлических роторных актуаторов двигают две педали, чтобы применить контролируемые возмущения положения лодыжки. Приводы могут генерировать большие крутящий момент (500 Нм), необходимые для постурального контроля; это особенно важно в таких случаях, как вперед худой, где центр тела массы далеко (передняя) от лодыжки оси вращения, в результате чего большие значения лодыжки крутящий момент для постурального контроля.
Каждый роторный актуатор управляется отдельным пропорциональным сервоприводом, используя обратную связь с положением педали, измеряемой высокопроизводительным потентиометром на валу привода(Таблица материалов). Контроллер реализован с помощью системы обработки цифровых сигналов на основе MATLAB в режиме реального времени. Привод / сервопривод вместе имеют пропускную способность более 40 Гц, гораздо больше, чем пропускная способность общей системы постурального управления, лодыжки сустава жесткость, и центральный контроллер21.
Устройство виртуальной реальности и окружающая среда
Гарнитура виртуальной реальности (VR)(Таблица материалов)используется для возмущения видения. Гарнитура содержит LCD-экран (двойной AMOLED 3.6′ экран с разрешением 1080 х 1200 пикселей на глаз), который предоставляет пользователю стереоскопический вид носителя, отправленного на устройство, предлагая трехмерное восприятие глубины. Скорость обновления составляет 90 Гц, достаточно, чтобы обеспечить твердый виртуальный смысл для пользователей22. Поле зрения экрана 110 “, достаточно для создания визуальных возмущений, аналогичных реальных ситуаций.
Гарнитура отслеживает вращение головы пользователя и изменяет виртуальный вид соответствующим образом, чтобы пользователь полностью погружался в виртуальную среду; таким образом, он может обеспечить нормальную визуальную обратную связь; и он также может возмущать зрение, вращая поле зрения в сагиттальной плоскости.
Кинетические измерения
Вертикальная сила реакции измеряется четырьмя нагрузочными клетками, зажатыми между двумя пластинами под ногой(Таблица Материалов). Крутящий момент лодыжки измеряется непосредственно преобразователями крутящего момента мощностью 565 Нм и торсионной жесткостью 104 кНм/рад; он также может быть измерен косвенно от вертикальных сил, трансцированных нагрузочных клеток, используя их расстояния до лодыжки оси вращения23, предполагая, что горизонтальные силы, применяемые к ногам в положении малы2,24. Центр давления (COP) измеряется в сагитальной плоскости путем деления тончатого момента голеностопного сустава на общую вертикальную силу, измеряемую нагрузочными ячейками23.
Кинематические измерения
Угол наклона ноги такой же, как педаль угол, потому что, когда лодыжки стратегия используется, нога субъекта движется с педалью. Угол шэнка по отношению к вертикали получается косвенно от линейного смещения хвостовика, измеряемого лазерным дальнобойным искателем(Таблица Материалов) с разрешением 50 мкм и пропускной способностью 750 Гц25. Угол лодыжки – это сумма угла стопы и хвостовика. Угол тела по отношению к вертикали получается косвенно от линейного смещения средней точки между левой и правой задней верхней подвздошных шипов (PSIS), измеряется с помощью лазерного диапазона искателя (Таблица материалов) с разрешением 100 мкм и пропускная способность 750 Гц23. Положение головы и вращение измеряются по отношению к глобальной системе координат VR-среды базовыми станциями системы VR, которые излучают временные инфракрасные (ИК) импульсы при 60 импульсах в секунду, которые подхватываются датчиками ИК-гарнитуры с субмиллиметровым Точность.
Приобретение данных
Все сигналы фильтруются с анти-алиазный фильтр с угловой частотой 486,3, а затем выборки на 1000 Гц с высокой производительностью 24-бит/8-канальный, одновременный отбор проб, динамический сигнал приобретения карт (Таблица материалов) с динамической диапазон 20 В.
Механизмы безопасности
В постоянный аппарат были включены шесть механизмов обеспечения безопасности для предотвращения травм субъектов; педали управляются отдельно и никогда не мешают друг другу. (1) Вал упорного имеет камеру, которая механически активирует клапан, который отключает гидравлическое давление, если вращение вала превышает 20 евро от горизонтального положения. (2) Две регулируемые механические остановки ограничивают диапазон движения упоров; они устанавливаются в диапазоне движения каждого субъекта до каждого эксперимента. (3) И субъект, и экспериментатор держат тревожную кнопку; нажатие кнопки отключает гидравлические силы от приводов и приводит к их рыхлости, поэтому их можно перемещать вручную. (4) Поручни, расположенные по обе стороны предмета, доступны для оказания поддержки в случае нестабильности. (5) Субъект носит полный ремень безопасности тела (Таблица материалов), прилагается к жесткой перекладины в потолке, чтобы поддержать их в случае падения. Ремень слабину и не мешает нормальному положению, если объект не станет нестабильным, где ремень предотвращает падение объекта. В случае падения движения педали будут остановлены вручную либо субъектом, с помощью кнопки паники, либо экспериментатором. (6) Сервоприводы останавливают вращение приводов с помощью небезопасных механизмов в случае перебоя электроснабжения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Несколько шагов имеют решающее значение для выполнения этих экспериментов для изучения человека постурального контроля. Эти шаги связаны с правильным измерением сигналов и включают в себя: 1) Правильное выравнивание хвостовика лодыжки оси вращения к педалям, для правильного измерени?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта статья стала возможной благодаря гранту NPRP #6-463-2-189 от Катарского национального исследовательского и MOP грант #81280 от Канадских институтов исследований в области здравоохранения.
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 |
References
- 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. Neuroscience. , 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).
