评估慢性脚踝不稳个体的姿势控制与下肢肌肉活化

摘要

患有慢性脚踝不稳症 （CAI） 的个人表现出姿势控制缺陷和下肢肌肉活动延迟。计算机化的动态后排图与表面肌电图相结合，提供视觉、躯体感觉和前庭系统与肌肉激活调节的配合，以保持与CAI个体的姿势稳定性。

摘要

计算机化动态后排术（CDP）是一种客观的技术，用于评价静态和动态条件下的姿势稳定性和扰动性。CDP 基于倒摆模型，该模型跟踪压力中心和重心之间的相互关系。CDP可用于分析视觉、自体感和前庭感觉的比例，以保持姿势稳定性。以下角色定义慢性脚踝不稳定 （CAI）:持续的脚踝疼痛、肿胀、"让路"的感觉和自我报告的残疾。由于侧脚踝韧带复杂损伤，CAI个体的姿势稳定性和纤维肌肉活化水平降低。很少有研究使用CDP来探索与CAI的个人的姿势稳定性。缺乏研究，研究通过使用同步的CDP与表面肌电图调查姿势稳定性和相关肌肉活化。此 CDP 协议包括感官组织测试 （SOT）、电机控制测试 （MCT） 和适应测试 （ADT），以及测量单边姿态 （US） 和稳定性限制 （LOS） 的测试。表面肌电图系统与CDP同步，在测量过程中收集下肢肌肉激活的数据。该协议提出了一种评估视觉、躯体感觉、前庭系统及相关肌肉活化的协调以及维持姿势稳定性的新方法。此外，它提供了新的见解，在应对真正的复杂环境时，与CAI的个人的神经肌肉控制。

引言

计算机化动态后排术（CDP）是一种客观的技术，用于评价静态和动态条件下的姿势稳定性和扰动性。CDP 基于倒摆模型，该倒摆模型跟踪压力中心 （COP） 和重心 （COG） 之间的相互关系。COG 是质量中心 （COM） 的垂直投影，而 COM 是全局参考系统中整体质量的点等效。COP 是垂直地面反应力向量的点位置。它表示与地面^接触区域表面所有压力的加权平均值。姿势稳定性是能够在给定的感官环境中将 COM 保持为支持的基础。它反映了神经肌肉控制能力，协调中枢神经系统与远角感觉系统（视觉，自体感觉，和前庭感觉）和运动命令输出²。

以往的姿势控制评估方法，如单腿姿势的时间和Y平衡测试的伸手距离，都是以结果为导向的，不能用于客观评估感觉系统和运动控制³之间的协调。此外，一些研究使用便携式计算机摆动板，量化动态平衡性能的实验室设置^{4,4，5，6。,6}CDP不同于上述测试方法，因为它可应用于姿势稳定性维持中视觉、自体感和前庭感觉比例的分析，以及运动策略（如脚踝或臀部显性策略）比例的评估。由于其准确性、可靠性和有效性，它一直^{被视为姿势控制测量7}的黄金^标准。

慢性脚踝不稳（CAI）的特点是持续的脚踝疼痛，肿胀，感觉"让位";这是最常见的运动损伤之^一。CAI主要源于侧脚踝扭伤，这破坏了侧脚踝韧带复合体的完整性和稳定性。自体性、纤维肌肉力量和塔卢斯的正常轨迹受损^{10，11。10,}弱脚踝段的缺陷可能导致姿势控制和肌肉激活在个人与CAI^12的不足。然而，很少有研究已经调查了个人与CAI的姿势稳定性使用^{CDP3，13。3,}目前的测量很少能从感官分析的角度分析CAI的姿势控制缺陷。因此，CAI的感官组织和姿势策略保持姿势稳定性的能力需要进一步探索。

肌肉活动是神经肌肉控制的重要组成部分，影响姿势稳定性的调节14，15。^14,15然而，CDP只通过力板监测COP和COG之间的相互关系，它很难用于观察有CAI个体的下肢肌肉的特定激活水平。目前，很少有研究通过CDP与肌电图（EMG）相结合的方法评估了CCAI个体的姿势稳定性。

因此，开发的协议旨在通过结合CDP和表面肌电图系统（sEMG）来探索姿势控制和相关肌肉活动。该协议为 CAI 的参与者提供了一种研究神经肌肉控制的新方法，包括感官组织、姿势控制和相关肌肉活动。

研究方案

在测试之前，参与者在收到有关实验过程的信息后签署了知情同意书。这项实验已获上海体育大学伦理委员会批准。

1. 设备设置

1. 打开 CDP 系统，完成自校准，并确保仪器在 100 Hz 采样频率下正常运行。
   注:两个安装的独立力板每个测量三个力（Fx、Fy 和 Fz）和三个力（Mx、My 和 Mz）。x 轴位于左-右方向，垂直于下垂平面。y 轴位于向前和向后方向，垂直于日冕平面。z 轴垂直于水平平面。原点位于力板的中心。
2. 双击平衡管理器系统|临床模块，然后单击"新患者"并建立患者 ID。输入准确的身高、体重和年龄。选择感官组织测试、单边姿态、稳定性极限、电机控制测试和适应测试。
   注:此类人口统计数据也用于与年龄匹配的规范诊断分析。
3. 打开表面肌电图 （sEMG） 系统，双击 EMG 运动工具 图标。将触发信号指定为 触发（手动停止），建立参与者 ID，并匹配测量的肌肉与无线电极。不稳定的下肢肌肉是广大的肌肉（VM），大肌肉（VL），二头肌（BF），头骨前（TA），佩罗内长（PL），胃切毛（GM），和胃切毛（GL）。
   注:" 触发"（手动停止）表示 CDP 在测试期间触发 sEMG 系统捕获 EMG 数据，但"结束"标志需要手动单击以停止采集。
4. 通过同步线将 SEMG 系统与 CDP 系统连接。调整 sEMG 系统的摄像头以捕获 CDP 系统的信号指示灯。
   注:指标灯的视频与 CDP 系统和 sEMG 同步收集，以根据 CDP 测试切断 EMG 的相应周期。"指示灯打开"表示测试正在进行中，"关灯"表示测试已暂停/停止。

2. 学员的选择和准备

1. 对CAI参与者使用以下纳入标准:（1）35名男性参与者，除专业运动员或久坐者外，有日常活动;（1） 35名男性参与者，不包括职业运动员或久坐者。（3）35名男性参与者，不包括专业运动员或久坐者。（3）35名男性参与者，不包括职业运动员或久坐者。（35名男性参与者）参加者，35名男性参与者（2） 20~29岁;（3） 至少一次重大脚踝扭伤的历史，且初始扭伤必须在入学前至少12个月发生;（4）受伤脚踝关节和/或复发性扭伤和/或"不稳感"的"放弃"感觉;（5）坎伯兰脚踝不稳定工具问卷得分低于24^分16。
   1. 不包括有双性扭伤、下肢骨折、手术、神经和前庭系统疾病或对录音过敏史的参与者。此外，招募35名男性参与者没有CAI，其人口统计数据与CAI组匹配，作为对照组。
2. 为了准备，将电极片固定到测量的肌肉的腹部。指示学员佩戴安全带，赤脚站在力板上，以面对视觉环绕。
   1. 调整力板上支脚的对齐方式。将马勒奥卢斯介质与脚的水平线和横向边缘与相应的计算机生成的高度线（S、M 和 T 线）对齐。关闭嵌入在视觉环绕声中的屏幕（图 1）。
      注:这些准则基于以下高度。"S"表示"小"，包括76厘米至140厘米的高度，"M"表示"中等"，包括141厘米至165厘米的高度。"T"表示"高"，包括166厘米至203厘米的高度。屏幕可能会产生学习效果，因为它可以提供实时视觉反馈。因此，屏幕应在测试期间保持关闭状态，除非在稳定性 （LOS） 测试^{17 期间}。

图1:参与者准备测量。学员赤脚直立面对视觉环绕，佩戴安全带，正确将双脚与力板对齐，并在腿上固定无线 EMG 电极。 请单击此处查看此图的较大版本。

3. 测量程序

1. CDP 测量
   1. 感官组织测试
      1. 指示学员直立，保持COG尽可能稳定，以应对视觉、躯体感觉和前庭感觉（单独或组合）的干扰（表1）。完成条件 1~6 的测量。每个测试持续 20 s。对每个条件重复此过程三次。
   2. 单边立场
      1. 指示学员将双手放在前上侧脊柱上，睁开眼睛/闭着眼睛。将不稳定的脚踝侧视为支撑腿。完全伸展膝盖关节，弯曲其非支撑腿的膝盖约30°。允许参与者保持稳定站立 10 s。对每个可视条件重复此过程三次。
   3. 稳定性限制
      1. 指导学员在中心区域保持其 COG。听到戒指后，瘦他们的身体，并迅速转移他们的COG到屏幕上的目标帧。指导学员保持10 s的稳定。完成其COG的八个方向换档（向前、向前-右、右、右向后、向后、向后向左、向左和左向前）。
         注:在COG移位过程中，身体保持直，脚跟或脚趾离力板不远，臀部关节不弯曲。
   4. 电机控制测试
      1. 指导学员有效响应，恢复身体稳定性并应对力板意外滑落。对每个滑动条件重复此过程三次。
         注:力板在前/后方向上滑动小/中/大振幅。根据参与者的高度，自动调整力板的滑动幅度。必须遵循标准程序来对齐力板上的脚位。试验之间存在随机延迟。
   5. 适应测试
      1. 指导学员以 20°/s 的速度有效响应，恢复身体稳定性并应对连续五次意外旋转。向上或向下引导趾。

条件	眼睛	力板	视觉环绕声	干扰	预期响应
1	打开	修复	修复		感
2	关闭	修复	修复	视觉	感
3	打开	修复	Sway 参考	视觉	感
4	打开	Sway 参考	修复	感	视觉，前庭
5	关闭	Sway 参考	修复	躯体感觉，视觉	前庭
6	打开	Sway 参考	Sway 参考	躯体感觉，视觉	前庭

表1:感觉组织测试中不同的干扰和相应的预期响应。 术语"sway 引用"是指力板和视觉环绕的移动跟随参与者的 COG 摇摆。

2. sEMG 测量和数据流程
   1. 在SDT期间由CDP系统触发后，美国、洛杉矶、MCT和DDT开始自动采集下肢肌肉活动的原始数据。当指示灯关闭时，在 SEMG 系统期间手动停止采集。样本大小为 1000 Hz。
   2. 输入 sEMG 软件的处理窗口。导入 EMG 原始数据和光视频的 mp4 文件的 C3D 文件。当指示灯亮时，缩短试用周期。
   3. 在"处理管道"操作中，在运行管道中包括以下选项:具有低通的巴特沃斯滤波器（450 Hz，2。顺序）和高通（20 Hz，2。订购）;50 Hz 的槽口滤波器;和根均方平滑窗口 100 ms。
      注:选择低通（450 Hz，2）的巴特沃斯滤波器。顺序）和高通（20 Hz，2。订购）以过滤掉不需要的低频和高频分量。将槽口滤波器设置为 50 Hz，以消除主电源上的 50 Hz 干扰。使用 100 ms 的根均方平滑窗口平滑嘈杂信号。
   4. 在" 生成事件 "选项中，在运行管道中包括以下事件。"肌肉打开"定义为"所有通道在至少 50 ms 的基线噪声标准偏差上超过 5 倍"。"肌肉关闭"被定义为"所有通道在基线上低于5倍的标准差至少50ms"。
   5. 在" 生成参数 "选项中，在运行管道中包括以下参数:积分电图 （iEMG）;根均方 （RMS）;平均功率频率（MPF）;中频（MDF）;和共活比。
      注:以下是上述参数的参考计算公式（公式 1~4）:
      
      
      
      
   6. 使用每个肌肉的最大自愿等轴收缩 （MVIC） 的 RMS 值对 SOT、美国、LOS、MCT 和 ADT 试验的 RMS 值进行标准化（公式 5）。
      
      注:MVIC表示在标准姿势中参与者的最大力收缩为5 s（补充文件1）18。¹⁸

结果

代表性 CDP 结果
感官组织测试
当环境随着外围信号输入而变化时，系统评估参与者在预定目标区域中保持COG的能力。均衡分数 （ES）是条件 1+6 下的分数，它反映了协调感觉系统以维持姿势稳定性的能力（公式 6）。复合分数 （COMP）是所有条件的加权平均分数。重点强调 4、5 和 6 的具有挑战性的条件。综合分数的计算方法是独立平均条件 SO...

讨论

该协议用于测量动态姿势控制和相关肌肉活动的个人与CAI通过同步CDP与sEMG。CDP跟踪COP和COG的轨迹，并提供对感官信息（视觉、躯体感觉和前庭感觉）输入与外部环境^{8，21，22之间的相互作用}的洞察^8,。它是诊断由感觉或运动系统紊乱引起的功能活动限制的有效工具。在CDP任务期间同步收集肌肉活动，以调查下肢协调。该协议弥?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
NeuroCom Balance Manager SMART EquiTest	Natus Medical Incorporated, USA		Its major components include: NeuroCom Balance Manager Software Suite, dynamic dual force plate (rotate & translate), moveable visual surround with 15” LCD display (it could provide a real time display of the subject’s center of gravity shown as a cursor during the task) and illumination, overhead support bar with patient harness, computer and other parts.
wireless Myon 320 sEMG system	Myon AG		The system consists of 16 parallel channels of transmitter signals, receiver, "EMG motion Tools" and "ProEMG" software,computer and other parts.