Método para medir el tono del músculo axial y proximal

Resumen

Hemos desarrollado un dispositivo (Twister) para estudiar la regulación de la actividad tónica muscular postural durante el mantenimiento activo. Twister medidas de resistencia a la torsión y la respuesta muscular en los sujetos de pie durante la torsión del eje del cuerpo. El dispositivo puede configurarse de manera flexible para estudiar diversos aspectos del control tónico en el cuello, tronco y / o las caderas.

Resumen

El control de la actividad muscular tónica sigue siendo poco conocida. Mientras que el tono anormal es comúnmente evaluados clínicamente mediante la medición de la resistencia pasiva de los miembros se relajaron ^1, no se dispone de sistemas para estudiar el control muscular tónica en un estado natural, activa de apoyo a la antigravedad. Hemos desarrollado un dispositivo (Twister) para estudiar la regulación tónica de los músculos axiales y proximales en activo de mantenimiento postural (es decir, el tono postural). Twister gira regiones axiales del cuerpo respecto al otro alrededor del eje vertical en la posición, así como para torcer la región del cuello, el tronco o la cadera. Esta torsión impone cambios en la longitud axial en los músculos sin necesidad de cambiar la relación del cuerpo con la gravedad. Debido a Twister no ofrece soporte postural, el tono debe ser regulada para contrarrestar pares gravitacionales. Podemos cuantificar esta regulación tónico por el par de inquietos a la torsión, lo que refleja el estado de todos los músculos sometidos a cambios en la longitud, así como por electromiografía delos músculos correspondientes. Porque el tono se caracteriza por la larga duración la actividad muscular de bajo nivel, el control tónico es estudiado con movimientos lentos que producen "tónica" los cambios en la longitud muscular, sin despertar rápido "fásico" las respuestas. Twister se puede reconfigurar para estudiar diversos aspectos del tono muscular, como por ejemplo, la co-contracción de modulación tónico para los cambios posturales, las interacciones tónica en todos los segmentos del cuerpo, así como los umbrales de la percepción para reducir la rotación axial. Twister también se puede utilizar para proporcionar una medición cuantitativa de los efectos de la enfermedad en el tono postural axial y proximal y evaluar la eficacia de la intervención.

Protocolo

1. Introducción

Twister es un dispositivo de servo-controlado para la cuantificación de tono postural en las regiones del cuerpo axial y proximal en posición activa, en posición vertical. El dispositivo original fue construida en la Oregon Health & Science University y un dispositivo similar se encuentra en construcción por la Universidad de Southampton, Reino Unido. En este informe se describe la función y la justificación de Twister y sus diversos usos. A continuación, una descripción detallada para facilitar su reproducción y mostrar cómo se puede utilizar para investigar el control del tono postural.

2. Información general

Twister consiste en un armazón rígido de acero, plataforma giratoria, el sensor de par motor, sistema de suspensión con contrapeso, superior e inferior de las fijaciones y accesorios del cuerpo (Fig. 1), así como un sistema de servo control para la regulación de la rotación de la plataforma. Twister cuantifica el tono postural en personas de pie junto a los segmentos más bajos de rotación del cuerpo alrededor del eje vertical con respecto a segmentos superiores. Esta gira de la región en el medio, cambiando la longitud de los músculos en su interior. Fijaciones superior e inferior se puede conectar a impartir torsión a las regiones del cuello, el tronco o la cadera (Fig. 2). Debido a Twister no ofrece soporte postural, la actividad tónica del músculo esquelético es necesario para contrarrestar pares gravitacionales. Esta regulación tónico es estudiado por la resistencia a la torsión a la torsión, así como la electromiografía de los músculos correspondientes. Resistencia a la torsión es evaluado por un sensor de par en la fijación superior y refleja el estado de todos los músculos sometidos a cambios de longitud. Twister utiliza r varias plataformas diferentesperfiles otation para estudiar el control tónico, incluyendo un perfil de triángulo, el perfil de paso, y el perfil de triángulo de creciente magnitud (Fig. 3). Estos rotar la plataforma a una velocidad lenta y constante, lo que minimiza los efectos de inercia sobre el tema y la medición.

Usamos una perturbación torsión alrededor del eje vertical, ya que: 1) cambios en la longitud de los músculos axiales y proximales, ya que estas estructuras están orientadas oblicuamente y tienen un amplio orígenes anatómicos y las inserciones, 2) no altera la relación de todo el cuerpo y sus partes a la gravedad, 3) hace girar el cuerpo alrededor de un eje de momento de inercia mínimo ², 4) corresponde a una zona neutral ^3,4, De modo que la resistencia de los pequeños desplazamientos de la posición mirando hacia adelante refleja muscular en lugar de osteo-ligamentosa fuerzas, y 5) se encuentra naturalmente en las actividades cotidianas ^3,5.

Twister es un dispositivo flexible que se puede utilizar para hacer frente a diversos aspectos del control tónico. Estos incluyen: 1) la rigidez en relación con la actividad tónica ^6-8, 2) las respuestas tónico para cambios de longitud muscular ^6,8. 3) el efecto de la torsión en las regiones remotas del cuerpo, y 4) efectos tónicos de la información cinestésica ⁹, 5) los efectos de la enfermedad en el tono postural ^7,10, Y 6) los umbrales de percepción de la rotación lenta ¹¹.

3. Descripción detallada del dispositivo

Nos detalle los componentes de Twister a continuación.

Rotación de plataforma Temas de pie sobre una plataforma que gira ± 20 ° en un cojinete sobre el eje vertical (figuras 1, 4A). Un motor eléctrico esta rotación en una relación de transmisión que alcanza velocidades de plataforma de entre 0,5 ° / s y 5 ° / s y un alto par. Twister hace girar la parte inferior del cuerpo en el espacio, en lugar de la parte superior del cuerpo para eliminar las señales vestibular que podría alterar la postura tranquila.
1. Un sistema de poleas y correas se utiliza para la reducción del impulso, lo que reduce las vibraciones y elimina las pestañas que pueden interferir con la medición de par. Las vibraciones se reduce al mínimo, ya que se puede avanzar el tema sobre el movimiento de la plataforma.
2. Por razones de seguridad, las paradas difíciles se usan para limitar el desplazamiento máximo de la plataforma.
3. Un codificador óptico (Hewlett-Packard HEDS-5540) fijado al eje de rotación plataforma de informes de desplazamiento para los servo-control y análisis de datos.
   
Marco
Una estructura rígida, de acero (1,5 mx 1,5 mx 3 m) con refuerzos cruzados en diagonal crea rigidez de torsión entre el conjunto de la plataforma y sensor de par, necesarios para la medición de par precisa.
Alta fijación y sistema de suspensión La fijación superior y sistema ligero, suspensión contrapeso conectar el margen superior de la región trenzado a la estructura (Fig. 4B). Un sensor de par (Futek TFF220, Irvine, CA) situado dentro de la fijación superior mide la resistencia de un sujeto a la rotación.
4. El sistema de suspensión consta de cuatro placas de aluminio rectangular que se alterna con bisagras a lo largo de los ejes antero-posterior y medio-lateral. Esto crea una gran rigidez para la rotación alrededor del eje vertical (590 Nm / º), con el fin de medir con precisión el par, sin restringir el movimiento en otras dimensiones. En particular, la poca rigidez de la traducción en x, y, y Z (0,25 N / cm) asegura sujetos mantienen la estabilidad postural y se impide la fijación superior de proporcionar una referencia espacial. Esto también permite a cada individuo para mantener su propia postura, vertical único, sin afectar el movimiento postural en el plano horizontal.
5. Resorte actuar para contrarrestar el peso del sistema de suspensión.
6. Un conjunto de rodamiento vertical (Fig. 1, 4B) se utiliza para ajustar la fijación superior a la altura del tema.
   
Fijación inferior Una fijación inferior conecta el margen inferior de la región de trenzado de la plataforma giratoria. Segmentos corporales por debajo de la fijación inferior gira con la plataforma.
7. La fijación inferior consta de una barra telescópica de peso ligero que se conecta a la plataforma giratoria. Una bisagra une la barra telescópica a la plataforma para permitir que anterior-posterior balanceo postural.
   
Archivos adjuntos Cuerpo Tres accesorios se utilizan con Twister: un casco ligero, un arnés de hombro y una ortesis pelvis, que cada uno puede estar bien fijado al cuerpo (Fig. 2).
8. Para torcer el cuello, coloque el casco por encima y por debajo de los hombros.
9. Para girar el tronco por encima de los hombros adjuntar y la pelvis por debajo de
10. Para girar las caderas colocar la pelvis de arriba. En este caso, torsión se localiza en la rotación de cadera internos y externos como los pies, pierna y muslo gire con la plataforma.
    
La fijación externa Un tercio de fijación, externa se puede utilizar para girar una región del cuerpo, mientras que la medición de torque producido por otro. Debido a que el último segmento está parado, el par medido no es resistiva sino que se origina a partir de las fuerzas musculares en el segmento, potencialmente inducidos de torcer a distancia.
11. La fijación externa consiste en una barra telescópica ligera que evita que el segmento conectado en rotación alrededor del eje vertical. Una articulación de bisagra entre la barra y el marco anterior-posterior permite el balanceo postural.
12. Fig. 4C muestra la configuración para la medición de par retorcido el cuello durante el tronco. Por otra parte, el par del cuello en respuesta a la torsión de la cadera puede evaluarse mediante la conexión de la pelvis a la fijación externa.
13. A forceplate estándar se pueden colocar entre los pies sujetos y la plataforma giratoria, para medir simultáneamente par resistente en el segmento de trenzado. Este forceplate también puede ser utilizado para cuantificar la oscilación postural durante el giro.
    
Servo-control de la rotación de la plataforma A a la medida en tiempo real del sistema servo-control de la rotación de la plataforma. Este controlador PID hardware emite una señal de unidad de motor sobre la base de una señal de posición de la plataforma del codificador óptico y el giro deseado (ver Fig. 7). Una de interfaces de programa de PC con el controlador de hardware para especificar el perfil deseado temporal de la rotación de la plataforma e iniciar un juicio.
14. El controlador genera tres perfiles para la rotación de la plataforma. Seleccione el perfil de triángulo para alternar entre velocidad constante en sentido horario y antihorario de rotación (Fig. 3, traza 1). Utilice el perfil de paso para lograr la rotación discontinua (Fig. 3, trace 2). La rotación también se puede conducir con un perfil de triángulo que aumenta en amplitud a través de los ciclos (Fig. 3, la localización 3).
15. Para todos los perfiles, la rotación se suaviza para limitar la aceleración a 12 ° / s ² Durante el inicio del movimiento y los cambios de dirección.

4. Protocolo experimental

Una típica experimental se ejecuta de la siguiente manera:

1. Coloque los archivos adjuntos del cuerpo (es decir, casco, arnés de hombro o ortopédicos pelvis) en los segmentos que desee, asegurándose de que estén bien ajustados y no hay juego de torsión.
2. Ajuste la altura de los rodamientos lineales a fin de que la fijación es superior a la misma altura que el apego al cuerpo correspondiente.
3. Ajuste la fijación inferior con la barra telescópica para corresponder a la altura de la inserción inferior del cuerpo.
4. Instruir al sujeto de pie sobre la plataforma giratoria, mirando hacia adelante.
5. Coloque las fijaciones superior e inferior para los accesorios del cuerpo correspondiente, ajustes de posición para torque cero se aplica a los sujetos en la posición previa al juicio.
6. Los ojos vendados al respecto.
7. Instruir al objeto de estar relajado y no intervenir.
8. Seleccione un amplificador de ganancia para el sensor de par, según la cual región del cuerpo se tuerce, con el fin de maximizar el rango dinámico de la señal.
9. Restablecer el sesgo en el sensor de par.
10. Comienza la oscilación en la superficie de orientación y registro de datos. Las señales del par y la plataforma de rotación son típicamente registró a 50 Hz con dos de Spike software de adquisición (Cambridge Electronic Devices, Cambridge, Reino Unido).
11. Iniciar torcer con el perfil de la plataforma de rotación deseada. En el movimiento general, debe ser lenta y suave lo suficiente como para que los sujetos no perciben con exactitud torsión.

5. Los resultados representativos

resistiva típicamente aumenta con la excursión de la plataforma, sin embargo el incremento disminuye con la mayor excursión. En general la resistencia es generalmente cuantificada por pico a pico de torque, un promedio de largo de los ciclos. Fig. 5A muestra las respuestas de una sola prueba a través de temas de resistencia a la torsión de la rampa de velocidad constante para el tronco. Hemos observado los datos reproducibles durante meses dentro de un sujeto (Fig. 5B; coeficiente de correlación intraclase = 0,89). La media de la resistencia a la torsión es diferente en todos los segmentos del cuerpo, y se ha reportado en 0,54 ± 0,24 Nm para el cuello, 5,11 ± 1,94 Nm para el tronco y 3,23 ± 1,67 Nm para las caderas ⁶ (Fig. 6). Es importante que la rotación de la plataforma es lisa y no hay pestañas. Ausencia de las pestañas se indica mediante cambios suaves en par durante los cambios de dirección y un cambio rápido en el par en el inicio, presumiblemente debido a la corta distancia la rigidez de los músculos (ver Fig. 3A en Gurfinkel Et al. 6).

El par medido refleja tanto los cambios dinámicos en el tono con el giro, así como la distribución de la actividad basal tónico (que incluye la co-contracción). Debido a la lentitud de giro, el aumento del par por cada grado es equivalente a la rigidez intrínseca ¹² Sólo cuando la actividad muscular es constante. Tenga en cuenta que debido a las estructuras de activos contribuyen a la resistencia medida Twister técnico evalúa pseudostiffness.

En general, dos tipos de respuestas se observa que corresponden a la actividad tónica constante o modulada en la región de trenzado. El primero se caracteriza por una baja del ciclo a ciclo de variación de par, alta de pico a pico de la magnitud del par, y relativamente constante EMG. Por el contrario, la modulación dinámica se caracteriza por los altos ciclo a ciclo de variabilidad, de baja resistencia a la torsión y EMG de modulación coherente con torsión. En las parcelas en ángulo frente a temas de par modulado exhiben un ciclo de histéresis normal, mientras que los sujetos modulada tienen un patrón irregular que puede cambiar de dirección (véase la Fig. 3A en Gurfinkel Et al. 6 La modulación dinámica, por lo general consiste en aumentar la actividad tónica del músculo durante el acortamiento y disminución de la actividad durante el alargamiento (es decir, Sherrington reacciones alargamiento y acortamiento ¹³), Que son de signo opuesto al reflejo de estiramiento. Una medida integradora de la medida de la modulación se puede obtener por el cambio en punto muerto de un sujeto (cero-par) posición dentro de un ciclo, conocido como avance de par fase ^6,8.

Figura 1. Esquema de Twister de lado. Componentes están etiquetados de la siguiente manera: 1) plataforma giratoria, 2) la barra telescópica de fijación inferior, 3) articulación en bisagra entre la barra telescópica baja y la plataforma giratoria, 4) casco conectado a la fijación superior, 5) sensor de par y sistema de suspensión de contrapeso; 6) bloqueo de rodamiento lineal vertical, 7) de fijación externa para medir el par inducido, 8) articulación en bisagra análoga a 3; marco rígido 9); 10) cruz diagonal preparando para bastidor rígido.

Figura 2. Torsión aplicada a nivel axial y proximal. Los sujetos de pie sobre una plataforma giratoria (amarillo) con los accesorios del cuerpo superior e inferior fijada para impartir giro a la zona del cuerpo deseada. La inserción superior se conecta a través de un sistema de suspensión (líneas en zigzag) para el sensor de torque (T), que se fija con respecto a la rotación alrededor del eje vertical. La inserción inferior se conecta a la plataforma giratoria a través de una articulación en bisagra (círculo negro) que permite la rotación en el plano sagital de la materia. A: torcer el cuello se logra conectando un casco para el sensor de par y los hombros a la plataforma. B: torsión del tronco se obtiene uniendo los hombros para el sensor de par y de la pelvis a la plataforma. C: giro de cadera se logra uniendo la pelvis para el sensor de par.

Figura 3. Diferentes perfiles de torsión. Varios perfiles se pueden utilizar para estudiar aspectos específicos del control tónico. La salida del codificador óptico que especifica la rotación de la plataforma se muestra en voltios. Desviación hacia arriba corresponde a la rotación de la plataforma a la izquierda cuando se ve desde arriba. 1) perfil de triángulo: En este caso la velocidad de rotación, la excursión máxima y el número de ciclos se especifican. Dos ciclos de 12 ° se muestran. 2) discontinuos, el perfil de paso: la amplitud, velocidad y tiempo de retención de un paso se especifican. Dos ciclos de rotación de 12 °, que consta de cuatro pasos 3 ° grados se muestran. 3) Aumentar la amplitud de las ondas de triángulo: dos ciclos de cada uno de los 3 °, 6 ° y 9 ° se muestran las rotaciones. En este ejemplo la tasa de rotación de la plataforma es constante para todas las condiciones.

Figura 4. Fotografía de Twister de lado. Fijación 4) inferior y pelvis ortopédicos;; 1) plataforma giratoria, 2) el montaje del motor y el servo-control, 3) articulación en bisagra entre la barra telescópica baja y la plataforma giratoria 5) superior: A: Configuración de tronco retorcido con componentes marcados de la siguiente manera 6 bar) que conecta la suspensión de la fijación superior;, fijación y arnés de hombro 7) sensor de par y sistema de suspensión de contrapeso, 8) de fijación externa para medir el par inducido; 9) de bastidor rígido. B: Primer plano de sensor de par y sistema de suspensión se indicará lo siguiente: 1) sensor de torque, 2-5) livianos placas de aluminio con bisagras. La bisagra entre las placas 2 y 3 gira alrededor del eje antero-posterior, mientras que la bisagra entre las placas 4 y 5 se orienta en torno al eje mediolateral. 8) de bloqueo rodamiento lineal vertical; 9) casco ligero y alta adhesión. C: Configuración de torsión del tronco, pero medir el efecto de torsión en el cuello. En esta configuración, la pelvis se fija enla plataforma giratoria (1) y los hombros están conectados a la fijación externa (2), que impide que los hombros, el cuello y la cabeza de rotación, la restricción de torsión del tronco. La cabeza también está sujeta a la fijación superior (3) por lo que cualquier esfuerzo de torsión del cuello inducida se aplica al sensor de par.

Figura 5. Resistencia a la torsión del tronco. A) las huellas de par de los ensayos individuales de diferentes temas. Tres ciclos de 10 °, 1 ° / s ondas de triángulo se utilizaron. Los sujetos tienen un comportamiento consistente a través de ciclos de torque, con una gran variación en la resistencia entre los sujetos. Traza con mayor resistencia son típicos de comportamiento no modulada, mientras que las trazas con menor resistencia son típicos de la modulación de alta. B) Inter-sujetos repetibilidad de resistencia a la torsión a través del tiempo. Dos mediciones de 7 sujetos separados por un mes. De pico a pico de torsión del tronco muestra consistente en un mismo sujeto comportamiento a través de sesiones de prueba, sino una amplia variación entre los sujetos.

Figura 6. Par inquieto de los distintos niveles axial. El par resistente a 10 °, 1 ° / s ondas de triángulo para el cuello, el tronco y los niveles de la cadera. Los ensayos individuales de un sujeto representativo se muestran. Tenga en cuenta la diferente magnitud y timecorse en todos los niveles.

Figura 7. Esquema de servo-control. El lazo de control consta de un PID (proporcional, integral, derivada) del controlador, que recibe la entrada de un codificador óptico acoplado al eje de la plataforma. El controlador determina que la corriente del motor. Software a medida se ejecuta en un PC se utiliza para la selección de la trayectoria de la plataforma deseada, que luego descarga la información al controlador.

Discusión

Es nuestra opinión que Twister se puede utilizar preguntas frente a muchos en el control tónico. Hasta la fecha, Twister ha dado lugar a siete publicaciones ^6-11,14. Probablemente la característica más importante de Twister es que proporciona una medida integrada, cinética de tono. Esta medida del par de tono no es proporcionada por la dinámica de cinemática, inversa o métodos electromiográficos, y es necesario responder a muchas preguntas sobre el tono. Además, Twister es único en no interferir considerablemente con la antigravedad o el comportamiento natural de la postura, y proporciona un tónico, en lugar de una perturbación fásica.

Un uso potencial de tornado es la cuantificación de los efectos tónicos de la enfermedad en el tono postural. Mientras que la rigidez intrínseca y el reflejo ha sido bien estudiado por muchos trastornos neurológicos y músculo-esquelético con perturbaciones rápido, no el efecto cuantitativo de muchas enfermedades en el tono postural bien caracterizados. En particular, Twister puede ser used para cuantificar los efectos de trastornos como la rigidez de ^7,10,14, hipotonía, distonía, y dolor de espalda y cuello sobre la magnitud, distribución y la simetría del tono postural a lo largo del eje del cuerpo. También puede ser usado para medir la cinestesia axial, por ejemplo, la percepción de la rotación del cuerpo sobre la base de propioceptores musculares y el ^{11 de} simetría perceptuomotor, por ejemplo, la representación de recto durante torsión axial ^14. Por último, Twister se puede utilizar para estudiar el efecto de la intervención sobre estas medidas en el tono postural axial ^8.

Estimamos que el costo de contratar a una empresa de ingeniería para la fabricación de Twister es de aproximadamente 30.000 dólares EE.UU.. Este dispositivo es probable se pueden fabricar en casa por una fracción de este costo, ya que el precio de las materias primas es bajo, pero significativo de fabricación se requiere. A lo largo de su uso, Twister ha evolucionado considerablemente y lo sigue haciendo. Hay muchas preguntas básicas que se pueden abordar con Twister. Esperamos que estainforme ayudará a los investigadores a otros a construir dispositivos de torsión o de otra manera estimular la investigación en esta área fundamental pero mal entendido.

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